3. 真空测量与传感器工程

刻蚀腔体的真空测量不是“装一个规管看数字”这么简单。腔体从大气抽到基压，再进入工艺压力区间，往往跨越 6～8 个数量级；没有任何一种真空规能在这个范围内同时保持高精度。工程上通常采用分段测量、量程交叠的方案：低真空段用皮拉尼规，高真空与工艺压力段用电容薄膜规（CDG），超高真空本底用冷阴极规（CCG）。理解三者的物理原理与量程边界，是选型、布点和判读数据的前提。

三种规管的原理与量程边界

电容薄膜规属于直接测量压力的绝对规。其核心是一张紧绷的金属膜片，膜片一侧通入被测腔体压力，另一侧为密封参考真空。压力差使膜片产生微小位移，位移改变膜片与固定电极之间的电容，电子线路把电容变化换算为压力。因为测量的是力而非气体分子数，CDG 的读数与气体种类无关，这是它在刻蚀腔体中最关键的优势——刻蚀气体从 Cl₂、HBr 到 CF₄、O₂ 不断切换，若用气体种类相关的规管，每个配方都要重新换算。典型 CDG 满量程有 1 Torr、10 Torr、100 Torr、1000 Torr 等规格，精度可达读数的 0.2%～0.5%，但单只规管的可用范围通常只有满量程的 3～4 个数量级，且低压端受分辨率限制。 皮拉尼规是热传导规。一根加热丝在气体中散热，散热速率随气体分子数（即压力）变化，通过恒温或恒流电路把丝温变化转为压力读数。它结构简单、成本低、从大气到 10⁻³ Torr 都能工作，但读数强烈依赖气体种类：厂家通常以 N₂ 或空气标定，测 He 时读数偏高，测 Ar 时偏低。因此皮拉尼规适合做粗抽与低真空段的监测和联锁，不适合作为工艺压力的计量依据。 冷阴极规利用高压电极间的冷场发射放电，放电电流与压力在一定范围内成正比，可测 10⁻²～10⁻⁹ Torr 的超高真空。它没有热丝、不易烧断，但点火延迟明显，在 10⁻⁵ Torr 以上可能难以起辉，且放电一旦建立会短暂污染腔体，读数在低压端还受磁场和电极污染影响。它主要用于监测腔体本底和检漏，不用于实时工艺控制。

选型：先定压力区间，再定气体与精度

选型的第一步是明确该测点要覆盖的压力区间。以常见的 300 mm 刻蚀腔体为例：粗抽阶段从 760 Torr 降到 0.1 Torr，用皮拉尼规；工艺压力常在 5～100 mTorr，应选满量程 1 Torr 或 10 Torr 的 CDG；本底检漏需要看到 10⁻⁷ Torr 量级，用冷阴极规。若把 1000 Torr 满量程的 CDG 用在 10 mTorr 工艺点，读数只落在满量程的 10⁻⁵，分辨率不足，压力波动会被噪声淹没；反之，用 1 Torr 满量程 CDG 去测 500 Torr 的粗抽压力会直接过载。

第二步是确认气体兼容性。CDG 膜片常用 Inconel 或 Hastelloy，需核对是否耐受 Cl₂、HBr 等腐蚀性气体；皮拉尼规的钨丝在含卤素气氛中会腐蚀漂移，可改用铂丝或耐腐蚀涂层型号。第三步是精度与响应：工艺控制点建议 CDG 精度优于读数的 0.5%，响应时间小于 100 ms；联锁保护点可用皮拉尼规，精度 10% 即可。

安装位置：避免“测到的不是腔体压力”

规管读数是否等于腔体真实压力，取决于安装位置的气流与温度条件。CDG 应安装在气流平稳、无死区的腔体侧壁或工艺口附近，测量口尽量短而粗，避免细长接管造成压力梯度。若必须用接管，接管内径应不小于规管接口内径，长度尽量小于 10 倍内径。皮拉尼规通常装在前级管路或粗抽管路上，用于监测泵前压力，安装时应避免可凝性气体在规管内冷凝。冷阴极规装在高真空侧，需远离强磁场（如磁控溅射靶、离子源），否则放电电流会被磁场偏转导致读数失真。

另一个常被忽视的问题是规管烘烤与温度。CDG 对温度敏感，膜片两侧温差会直接产生零点漂移，因此规管应远离加热台和射频馈通，必要时加装水冷或隔热套。皮拉尼规的丝温高于环境温度，环境温度变化会改变散热基准，安装位置应避开腔体加热区。

校准：零点、满量程与气体修正

CDG 的校准分两步：零点校准在腔体抽到本底、压力低于规管分辨率时进行，把读数归零；满量程校准用标准压力源（如电容式压力计或活塞式压力计）在满量程的 50%～100% 点比对，调整增益。校准周期通常为 6～12 个月，腐蚀性工艺可缩短到 3 个月。皮拉尼规的校准需指定气体：若工艺气体以 Ar 为主，应用 Ar 重新标定，或在使用 N₂ 标定值时按厂家提供的换算系数修正。冷阴极规的校准较困难，一般只做点火与功能检查，用标准高真空计比对，不轻易调整内部电极。

常见故障诊断

真空规的故障往往表现为“读数不对”，但根因可能在规管、线缆、供电或工艺侧。可按以下顺序排查：

• 读数恒为满量程或超量程：CDG 常见于膜片破裂或参考腔泄漏，皮拉尼规常见于灯丝断路。先查规管供电与信号线，再更换规管验证。
• 读数偏低且不随压力变化：CDG 可能是测量口堵塞或膜片被工艺副产物污染；皮拉尼规可能是灯丝老化、表面沉积导致散热特性改变。
• 读数漂移、重复性差：检查规管温度是否稳定、接地是否良好、信号线是否与射频线并行走线。射频干扰是刻蚀腔体真空读数跳变的常见原因。
• 冷阴极规不起辉：压力高于 10⁻⁴ Torr 时可能无法点火，或电极污染、磁场干扰。可先抽到更低压力再尝试，必要时清洁电极。
• CDG 与皮拉尼规在交叠区读数不一致：先确认两规管是否在同一位置、同一气体条件；若皮拉尼规未按工艺气体修正，偏差属正常。若修正后仍偏差超过 20%，应怀疑其中一只规管需要校准或更换。

把三种规管放在同一张量程图上理解，选型、布点、校准和排障就有了共同参照：皮拉尼规守低真空与联锁，CDG 守工艺压力与计量，冷阴极规守本底与检漏。任何一只规管的读数异常，先回到它的量程边界和气体条件，再判断是规管问题还是工艺问题，能显著缩短排查时间。