自制集成皮拉尼真空傳感器系統(tǒng)在半導(dǎo)體加工設(shè)備中的應(yīng)用

汪家奇

(大連理工大學(xué) 微電子學(xué)院， 遼寧 大連 116023)

真空技術(shù)廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的工業(yè)體系[1]，尤其在半導(dǎo)體工業(yè)中不可或缺，可以毫不夸張地說，半導(dǎo)體工業(yè)就是建立在真空環(huán)境下的一門物理、化學(xué)相結(jié)合的工業(yè)[2]。大連理工大學(xué)半導(dǎo)體集成電路實(shí)驗(yàn)室擁有多臺集成電路加工設(shè)備，在這些半導(dǎo)體加工設(shè)備中，都是采用真空傳感器來完成真空度的測量[3]。這些真空傳感器都是進(jìn)口產(chǎn)品，廠家只能提供給半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商而不能直接出售給學(xué)校，當(dāng)設(shè)備過了保修期之后，大學(xué)本身是很難購買到設(shè)備上所用的傳感器產(chǎn)品，非常不方便設(shè)備維護(hù)與維修[4]。所以高校實(shí)驗(yàn)室的工作人員，有必要開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的真空傳感器。經(jīng)過多年的開發(fā)，本文已經(jīng)成功利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝開發(fā)了皮拉尼真空傳感器系統(tǒng)，量程可以覆蓋105～10-1Pa，可以對腔室的真空度進(jìn)行測試。

自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅彌補(bǔ)了市售產(chǎn)品的限制，同時也培養(yǎng)和鍛煉了高校實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員隊(duì)伍，充實(shí)了產(chǎn)學(xué)研的合作內(nèi)容[5]，是雙師型教師培養(yǎng)的重要途徑[6]。

1 皮拉尼傳感器原理

隨著氣壓降低，氣體散熱減少，皮拉尼傳感器通過檢測散熱來間接測量氣壓，而散熱往往表現(xiàn)為溫度的變化，最終可以通過檢測溫度信息來檢測真空[7]。在圖1(a)中，恒定的加熱電流通過加熱體，使其溫度升高，隨著氣壓的降低，氣體散熱越來越少，加熱體的溫度上升。氣體散熱的形式包括對流、熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱)、固體導(dǎo)熱和輻射散熱。在常溫情況下，皮拉尼傳感器的散熱以熱傳導(dǎo)散熱為主。

氣體的熱傳導(dǎo)散熱是發(fā)生在冷熱物體之間，將冷熱物體模型化為一塊冷板與一塊熱板組成的系統(tǒng)，如圖1(b)所示，其中熱板的溫度Tr高于冷板的溫度Tl，當(dāng)有氣體導(dǎo)熱存在時，會有熱量從熱板流向冷板，根據(jù)式(1)的傅里葉導(dǎo)熱定律，熱量正比于氣體的熱導(dǎo)率[8]。

圖1 皮拉尼傳感器原理及氣體熱傳導(dǎo)模型

(1)

其中，As為平行板的面積大小；K為氣體熱導(dǎo)率；d為冷熱板之間的距離。

氣體平均自由程和熱傳導(dǎo)尺寸的關(guān)系用Knudsen數(shù)(Kn)表示為

(2)

式中：L是冷、熱板系統(tǒng)的特征長度，根據(jù)冷、熱板導(dǎo)熱區(qū)的尺寸，一般選擇氣體導(dǎo)熱間隙的長、寬、高中較小的作為特征長度；λ是氣體分子的平均自由程，是指氣體分子在兩次相繼碰撞間走過的平均距離，其表達(dá)式為

(3)

其中，k為玻耳茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)，δ為氣體分子直徑，T、p分別為氣體溫度和壓強(qiáng)[9]。

根據(jù)Kn值，將氣體的熱傳導(dǎo)劃分為4個區(qū)域，分別為連續(xù)介質(zhì)區(qū)(Kn<0.001)、滑移區(qū)(0.00110)[10]。當(dāng)氣體的熱傳導(dǎo)發(fā)生于自由分子區(qū)時，冷熱板之間的距離小于氣體分子自由程，氣體分子與冷熱板相撞的幾率大于兩分子相撞的概率，導(dǎo)熱是通過單個分子實(shí)現(xiàn)的，此時氣體導(dǎo)熱量正比于氣體壓強(qiáng)。利用該原理，根據(jù)氣體熱傳導(dǎo)來測量真空度。

2 CMOS兼容的皮拉尼傳感器設(shè)計

常規(guī)的皮拉尼傳感器尺寸都比較大，隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，微型皮拉尼傳感器已經(jīng)部分商品化，包括美國MKS公司和國內(nèi)的鄭州煒盛公司等。本項(xiàng)目進(jìn)一步利用CMOS集成電路工藝來設(shè)計加工以微熱板為敏感元件的皮拉尼傳感器，并在其上集成傳感器信號采集、處理電路，只利用一個芯片就可以替代分立的傳感器元件與PCB控制板，非常方便用戶使用。對于皮拉尼傳感器而言，重點(diǎn)是微熱板加熱材料的選擇及懸空結(jié)構(gòu)的加工。皮拉尼傳感器采用鎢微熱板結(jié)構(gòu)，鎢在CMOS工藝中是連接兩層金屬的通孔，在本設(shè)計中，使鎢只連接一層金屬，構(gòu)成鎢電阻作為加熱電阻，微熱板的懸空結(jié)構(gòu)采用多晶硅犧牲層技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過CMOS加工后的濕法腐蝕技術(shù)來去除犧牲層，使微熱板懸空，結(jié)構(gòu)示意見圖2(a)，具體加工過程見文獻(xiàn)[11]，加工后的微熱板照片見圖2(b)。

圖2 微熱板結(jié)構(gòu)示意和顯微鏡照片

皮拉尼傳感器系統(tǒng)最基本的功能是測量氣壓，將氣壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電學(xué)量輸出。為了能夠?qū)崟r顯示測得的氣壓值，將電學(xué)量數(shù)字化之后顯示在LED數(shù)碼管之上，同時還需要與外部處理器的接口與外部處理器通信。為了能夠滿足上述的功能，傳感器系統(tǒng)采用模擬電路實(shí)現(xiàn)氣壓值的采集，包括傳感器陣列及其驅(qū)動電路，然后將氣壓輸出的模擬量數(shù)字化以供LED數(shù)碼管顯示，以及與外部處理器通信之用。這部分電路包括AD變換器、以EEPROM為主的查表電路、數(shù)字控制及接口電路等，見圖3。結(jié)合選擇的CMOS工藝，傳感器陣列及其驅(qū)動電路、AD變換器、數(shù)字接口在同一個硅片上利用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，EEPROM由于工藝特殊無法與常規(guī)的CMOS工藝兼容，所以EEPROM采用外接的方式[12]。

圖3 皮拉尼傳感器系統(tǒng)的架構(gòu)

3 加工及測試

該傳感器系統(tǒng)利用0.5 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行加工，經(jīng)過濕法腐蝕去除犧牲層后，CMOS電路的鋁焊盤完整，如圖4所示。整個傳感器系統(tǒng)包括傳感器單元、以運(yùn)算放大器為核心的恒定電流驅(qū)動電路、A/D變換器及數(shù)字控制接口。

將傳感器系統(tǒng)采用PGA84封裝之后，只需外接晶振及EEPROM，就可以實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)(見圖5(a))的功能，放入圖5(b)的真空腔室中進(jìn)行測試，利用真空泵將腔室真空度從105抽空至10-2Pa，同時使用我們研發(fā)的傳感器進(jìn)行測量，結(jié)果見圖5(c)。傳感器電阻通3.85 mA的恒定電流，傳感器輸出電壓變化約為900 mV，所研制的傳感器能夠覆蓋105～10-1Pa的低真空測試，而且能夠?qū)鈮褐祵?shí)時顯示在LED上，如圖5(d)所示。利用一個芯片，能夠完成低真空的測試，可以代替半導(dǎo)體設(shè)備上的薄膜真空傳感器和皮拉尼真空傳感器進(jìn)行工作。通過這款原理樣機(jī)的開發(fā)，希望能夠替代國外的產(chǎn)品，應(yīng)用到半導(dǎo)體設(shè)備腔室中真空度的監(jiān)測。

圖4 皮拉尼傳感器系統(tǒng)照片

圖5 傳感器系統(tǒng)在真空腔中測試結(jié)果

4 結(jié)語

真空傳感器是半導(dǎo)體設(shè)備中不可或缺的部件，而且只能通過設(shè)備廠商購買，在設(shè)備過了保修期之后，高校實(shí)驗(yàn)室是不容易直接購買的。本項(xiàng)目自主研制的皮拉尼傳感器可以對真空腔室的真空度進(jìn)行監(jiān)測，利用一個芯片即可完成真空度的敏感、采集、信號處理及實(shí)時顯示的功能，構(gòu)成一個完整的真空度采集系統(tǒng)。下一步的工作是同實(shí)驗(yàn)室中的半導(dǎo)體加工設(shè)備進(jìn)行銜接，即將研制的傳感器裝配到設(shè)備的控制系統(tǒng)之中。

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