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真空計是用于探測真空系統(tǒng)中氣體壓力的儀器，它廣泛應用于半導體制造、光伏、科研實驗等領域。在這些應用中，不同種類的真空計用于測量不同的真空水平，以確保系統(tǒng)內的氣體壓力保持在指定的范圍內。理解真空計的工作原理和選擇適合的真空計對精確控制工藝至關重要，特別是在半導體制造中，許多關鍵工藝需要在特定的真空條件下進行，如蝕刻、沉積等。
一、真空的概念與分類
在進入真空計的具體工作原理之前，我們首先需要理解什么是“真空”。真空是指低于大氣壓的氣體狀態(tài)，氣體分子的數(shù)量和能量都較低。根據(jù)真空度的不同，我們可以將真空分為四個主要的區(qū)間：
粗真空：壓力范圍為大約 (10^5) Pa 至 (10^2) Pa，這個范圍通常使用機械泵或旋片泵來維持。
中真空：壓力范圍為 (10^2) Pa 至 (10^{-1}) Pa，常用油擴散泵或干式泵維持。
高真空：壓力范圍為 (10^{-1}) Pa 至 (10^{-7}) Pa，這時需要使用渦輪分子泵、低溫泵等設備。
超高真空：壓力低于 (10^{-7}) Pa，在此范圍內，甚至微量氣體都會影響工藝，因此需要更加精確的真空控制。
二、真空計的分類與工作原理
真空計根據(jù)其探測壓力的方式和測量范圍的不同，主要分為三大類：絕對壓力的真空計、熱傳導式真空計和電離式真空計。每種類型的真空計都有其獨特的應用范圍、優(yōu)勢和局限性。
1. 絕對壓力真空計
絕對壓力真空計是一類直接測量壓力的儀器，其特點是不受氣體種類的影響。常見的有波登管式真空計和電容式真空計。
波登管式真空計
波登管式真空計通過內部機械元件的形變來測量壓力。波登管是一種彎曲的金屬管，當內部氣壓變化時，波登管會發(fā)生形變，這種形變通過指針反饋，顯示壓力值。這種真空計通常用于測量粗真空，精度較低，但結構簡單、耐用。
電容式真空計
電容式真空計通過測量隔膜受壓力變化而引起的電容值變化來測定壓力。這種真空計的優(yōu)勢在于其對氣體種類不敏感，能夠測量多種氣體的總壓力。在半導體和光伏制造中，常常涉及多種不同的工藝氣體，因此電容式真空計因其對氣體類型不敏感而廣泛應用。其工作原理是壓力作用在隔膜上，導致隔膜與電極之間的距離變化，從而改變電容值。電容式真空計的測量精度高，適合從粗真空到中高真空的測量。
電容式真空計的局限性在于它的測量范圍有限，通常通過多個量程的設備組合使用，每四個數(shù)量級為一個檔次。例如，一個電容式真空計可能只能在 (10^2) Pa 到 (10^{-1}) Pa 的范圍內精確工作，超出這個范圍則需要更換不同量程的傳感器。
2. 熱傳導式真空計
熱傳導式真空計基于氣體的熱導率隨壓力變化的原理工作。氣體的熱導率在高壓和低壓下表現(xiàn)不同，因此可以通過測量氣體從加熱元件傳導出的熱量來推算壓力。常見的熱傳導式真空計有皮拉尼真空計。
皮拉尼真空計
皮拉尼真空計使用電阻絲加熱，通過測量電阻絲溫度的變化來推算氣體壓力。原理是：在真空中，氣體分子稀少，熱量的傳導效率較低，電阻絲保持較高的溫度；而在氣體分子密集的環(huán)境中，熱量很容易傳導出去，電阻絲溫度會相應降低。因此，電阻絲的溫度變化（通常通過電阻變化檢測）反映了氣體壓力的變化。
皮拉尼真空計的優(yōu)點在于它可以測量從粗真空到中真空范圍的壓力，最低可達到 (10^{-5}) Pa 數(shù)量級。它的缺點是其測量結果會受氣體種類的影響，不同氣體的熱導率不同，因此它不能直接測量全壓力，只能測定特定氣體的分壓力。如果用于混合氣體環(huán)境，通常需要校正系數(shù)。
3. 電離式真空計
電離式真空計通過使氣體電離來測量真空度。電離真空計的工作原理是利用高能電子撞擊氣體分子，產生離子，然后測量離子的數(shù)量來推算氣體壓力。常見的電離式真空計有冷陰極真空計和熱陰極真空計。
冷陰極真空計
冷陰極真空計依靠在高電壓下的電子轟擊使氣體電離，離子在電場中加速并收集，從而測量壓力。這種真空計不需要加熱陰極，因此可以在較高的真空度下工作，通常用于測量高真空和超高真空，測量下限可達到 (10^{-9}) Pa。
冷陰極真空計的優(yōu)點是結構相對簡單，適合長時間測量超高真空，但它的啟動條件苛刻，通常需要在較低真空條件下（如 (10^{-2}) Pa 以下）才能啟動測量。
熱陰極真空計
熱陰極真空計則通過加熱陰極產生電子，電子通過碰撞氣體分子使其電離，隨后通過檢測這些離子來計算氣體壓力。這類真空計測量范圍非常廣泛，可以從中真空一直測量到超高真空，最低可達到 (10^{-12}) Pa 數(shù)量級。
由于熱陰極真空計的加熱元件在使用過程中會逐漸老化，因此其壽命相對較短，而且需要定期維護。此外，熱陰極真空計對氣體種類也較為敏感，尤其是反應性氣體會對熱陰極產生損傷。
三、真空計的應用場景分析
在實際應用中，不同類型的真空計通常結合使用，以覆蓋不同的壓力范圍。例如，在半導體制造中，工藝需要從粗真空逐步降低到高真空甚至超高真空。在這種情況下，可以采用以下的組合：
粗真空和中真空：可以使用機械泵配合波登管式真空計或皮拉尼真空計來測量和控制壓力。
高真空：在壓力進一步降低到 (10^{-5}) Pa 以上時，使用皮拉尼真空計或者電容式真空計作為監(jiān)測工具。
超高真空：對于超高真空環(huán)境，冷陰極真空計或熱陰極真空計是最常用的工具。
此外，電離式真空計常用于需要極高真空度的工藝中，如半導體制造中的離子注入工藝和電子束光刻工藝。
四、真空計測量中的誤差與校準
真空計在實際測量過程中可能受到多種因素的影響，導致測量誤差。這些因素包括：
氣體種類：特別是熱傳導式和電離式真空計，測量值會隨氣體的種類變化，通常需要對不同氣體進行校準。
污染和老化：真空計的探頭在長期使用中可能會受到污染或老化，尤其是電離式真空計中的熱陰極，需要定期維護。
環(huán)境溫度：真空計的性能會受到環(huán)境溫度的影響，尤其是皮拉尼真空計，其電阻元件對溫度變化敏感，可能需要在恒溫環(huán)境下進行精確測量。
為了確保真空計的精度，定期校準是必要的。校準通常通過與標準真空計對比的方法進行，確保真空計的測量結果與標準設備一致。
五、總結
真空計是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的測量工具，特別是在半導體制造、科研和光伏產業(yè)中，精確的真空測量和控制至關重要。不同類型的真空計有其各自的優(yōu)點和局限性，了解這些儀器的工作原理和應用場景有助于選擇合適的設備，確保工藝的成功。
絕對壓力的真空計適用于測量多種氣體的總壓力，熱傳導式真空計則適用于測量特定氣體的分壓，而電離式真空計則在高真空和超高真空的應用中表現(xiàn)出色。根據(jù)實際需求，選擇合適的真空計組合，能夠有效提高工藝的精度和效率。
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作者：胡工，北京大學微電子本碩，北京大學半導體校友會成員，在半導體行業(yè)工作多年，常駐深圳。歡迎交流，備注姓名+公司+崗位。
