2. 真空技术基础：真空度定义与单位、真空区域划分、真空获得设备
在EUV光刻机中，硅片台必须在超高真空（UHV）环境下完成纳米级运动控制。真空环境不仅消除了气体分子对极紫外光（13.5nm）的吸收，还避免了颗粒污染对掩模和晶圆的影响。本章系统讲解真空度的定义与单位、真空区域的划分标准，以及核心真空获得设备的工作原理与选型要点。
核心知识点： 真空度本质是气体稀薄程度的度量；EUV光刻机工作压力通常在10-8 ~ 10-10 mbar（超高真空）；干泵+涡轮分子泵+低温泵构成典型三级抽气链。
2.1 真空度定义与单位
真空度（Degree of Vacuum）指容器内气体压力低于大气压的程度。工程上通常用压力（Absolute Pressure）表示，压力越低，真空度越高。
| 单位名称 | 符号 | 与标准大气压关系 | 与mbar换算 |
|---|---|---|---|
| 帕斯卡（国际单位） | Pa | 1 atm = 101325 Pa | 1 mbar = 100 Pa |
| 毫巴（常用工程单位） | mbar | 1 atm ≈ 1013.25 mbar | 1 mbar = 0.75 Torr |
| 托（历史单位） | Torr | 1 atm = 760 Torr | 1 Torr ≈ 1.333 mbar |
| 标准大气压 | atm | 1 atm = 101325 Pa | 1 atm = 1013.25 mbar |
工程惯例： 在半导体真空设备中，mbar 是最常用的压力单位。EUV光刻机腔体压力通常表述为 10-8 mbar 或 10-9 mbar。1 mbar ≈ 0.75 Torr，记忆时可近似认为 1 mbar ≈ 1 Torr × 0.75。
2.2 真空区域划分
根据压力范围，真空区域通常划分为四个等级。EUV光刻机硅片台工作区域属于超高真空（UHV），部分关键腔室甚至达到极高真空（XHV）。
| 真空区域 | 压力范围（mbar） | 分子平均自由程 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 粗真空（LV） | 103 ~ 1 | < 1 cm | 真空吸盘、包装、输送 |
| 中真空（MV） | 1 ~ 10-3 | 1 cm ~ 1 m | 真空镀膜、冷冻干燥 |
| 高真空（HV） | 10-3 ~ 10-7 | 1 m ~ 10 km | SEM、电子束光刻、分子束外延 |
| 超高真空（UHV） | 10-7 ~ 10-12 | > 10 km | EUV光刻、表面分析、粒子加速器 |
关键概念： 在UHV区域，气体分子平均自由程远大于腔体尺寸，分子与器壁碰撞占主导，分子间碰撞几乎可以忽略。此时分子流（Molecular Flow）取代黏滞流（Viscous Flow），真空泵的抽速特性发生根本变化。
2.3 真空获得设备
EUV光刻机采用三级抽气链：干泵（粗抽）→ 涡轮分子泵（高真空）→ 低温泵（超高真空/无油）。每级泵对应不同的压力区间和抽气机理。
2.3.1 干泵（Dry Pump）
干泵（又称无油泵）用于从大气压抽至中真空（约 10-2 mbar），是真空系统的前级泵。核心要求是无油，避免碳氢化合物污染EUV光学系统。
- 工作原理： 通过多级转子/爪型/螺杆结构，将气体压缩并排出，全程无润滑油接触泵腔。
- 典型类型： 爪式干泵、螺杆干泵、多级罗茨干泵。
- 关键指标： 极限压力 ≤ 10-2 mbar；抽速 100 ~ 1000 m³/h（视腔体体积而定）。
- EUV应用： 作为涡轮分子泵的前级，维持分子泵出口压力低于 10-2 mbar。
选型要点： 干泵的抽速需与腔体容积匹配，通常要求 5 ~ 10 分钟内将腔体从大气压抽至 1 mbar 以下。对于大型EUV腔体（容积 > 10 m³），可能需要多台干泵并联。
2.3.2 涡轮分子泵（Turbomolecular Pump, TMP）
涡轮分子泵是EUV光刻机获得高真空/超高真空的核心设备。它通过高速旋转的涡轮叶片（通常 30,000 ~ 90,000 rpm）将气体分子定向撞击到排气口。
| 参数 | 典型值 | 说明 |
|---|---|---|
| 工作压力范围 | 10-2 ~ 10-9 mbar | 需前级泵维持出口压力 |
| 抽速（N₂） | 1000 ~ 3000 L/s | 对轻气体（H₂）抽速较低 |
| 极限压力 | < 10-10 mbar | 需烘烤除气 |
| 转速 | 30,000 ~ 90,000 rpm | 磁悬浮轴承可减少振动 |
| 轴承类型 | 磁悬浮 / 陶瓷球轴承 | EUV优先选磁悬浮（低振动） |
振动控制： 涡轮分子泵的高速旋转会产生微振动，对硅片台纳米级定位构成干扰。EUV光刻机通常采用磁悬浮轴承 + 柔性波纹管 + 主动减振平台 三级隔离方案。
2.3.3 低温泵（Cryopump）
低温泵利用低温表面（通常 10 ~ 20 K）冷凝和吸附气体分子，实现无油超高真空。在EUV光刻机中，低温泵用于维持主腔体的最终真空度。
- 工作原理： 通过闭循环氦制冷机将冷头降至 10 ~ 20 K，气体分子在冷板上冷凝（N₂、O₂、Ar）或被活性炭吸附（H₂、He）。
- 优势： 无油、无振动（无运动部件）、对水蒸气抽速极高。
- 劣势： 需要定期再生（升温释放捕获的气体）；对氦气抽速有限。
- EUV应用： 主腔体最终抽气，维持 10-9 ~ 10-10 mbar 背景压力。
2.4 真空获得设备选型对比
| 设备类型 | 工作压力范围（mbar） | 抽速范围 | 振动水平 | 油污染风险 | EUV适用性 |
|---|---|---|---|---|---|
| 干泵 | 103 ~ 10-2 | 100 ~ 1000 m³/h | 中 | 无 | 前级抽气 |
| 涡轮分子泵 | 10-2 ~ 10-9 | 500 ~ 3000 L/s | 低（磁悬浮） | 无 | 主抽气泵 |
| 低温泵 | 10-4 ~ 10-11 | 1000 ~ 10000 L/s（水蒸气） | 极低（无运动件） | 无 | 最终真空维持 |
项目部署经验： 在EUV光刻机验收测试中，需验证三级抽气链的极限压力、抽速曲线、再生周期（低温泵）以及振动频谱（涡轮分子泵）。任何一级泵的性能衰减都会导致腔体无法达到 10-9 mbar 量级，直接影响EUV光源传输效率和硅片台定位精度。