摘要：在现代半导体与芯片制造产业中，真空计作为一种不可或缺的高精度测量工具，通过对真空环境进行准确的监测与控制，成为保障先进工艺实现的关键设备。

在现代半导体与芯片制造产业中，真空计作为一种不可或缺的高精度测量工具，通过对真空环境进行准确的监测与控制，成为保障先进工艺实现的关键设备。

芯片制造主要分为前道（晶圆制造）和后道（封装测试）两大部分，其中前道工艺涉及光刻、刻蚀、薄膜沉积、离子注入等数百次重复的核心制程，每一步都极度依赖可靠的真空环境。无论是沉积薄膜的均匀性，还是刻蚀过程的精细控制，乃至离子注入的纯净要求——真空计的精准测量，都直接关系到最终芯片的性能与良率。

▲ 半导体芯片的制造工艺流程

一旦真空失控，可能导致缺陷晶圆流入后续环节，造成数以月计的生产流程功亏一篑。因此，真空计不仅是工艺控制的“眼睛”，更是保障半导体量测有效性、提升晶圆厂整体效率与效益的关键技术基石。

根据 QYResearch 调研数据，2020年全球用于半导体设备的真空计市场规模达到了4380万美元，预计到2027年将增长至7190万美元，期间年复合增长率达5.5%。目前应用最广泛的是皮拉尼真空计，约占市场份额的65%，此外电容式和热电偶式真空计也较为常见。

▲ 全球半导体设备用真空计市场销售额及增长率：（2016-2027）&（百万美元） 图片来源于 QYResearch 整理研究

尽管这些传统真空计技术成熟、成本可控，但在面对某些高端工艺场景，尤其在半导体气相沉积工艺的应用上仍有不足。例如在强腐蚀性气体、易污染工况或需要同步监测气体成分的应用中，它们的精度和稳定性往往受限。而新兴的光电等离子体真空计，通过分析气体放电的光谱特性，不仅能实现高精度压力测量，还可识别气体成分，恰好弥补了传统真空计的功能短板，为半导体制造迈向先进制程提供了新的可能。

目前国内外的光学等离子真空计的供应商主要为 INFICON 英福康。下文将以英福康的产品为例，介绍光学等离子真空计的结构及原理，并分析其与其他种类真空计的区别及应用优势，以帮助读者更好地了解光学等离子真空计的原理及应用。

光学等离子真空计之所以能在高端半导体工艺中脱颖而出，离不开其独特而精巧的物理结构。与仅依赖电信号的传统真空计不同，它在经典冷阴极规管的基础上，新增了一个关键部件——光谱分析器。

▲ 从冷阴极真空计到光学等离子真空计

其核心结构包括：

◆ 等离子发生装置：内置环形磁铁和阳极，通过在高压电场中激发气体产生等离子；

◆ 光学视窗：高透光材料窗口，使等离子体发出的光可被外部传感器捕获；

◆ 光谱分析器：接收光信号并将其分解为不同波长的光谱，进行成分识别；

◆ 信号处理系统：对光谱数据和电信号进行融合分析，输出压力及气体类型信息。

▲ 光学等离子真空计结构

这种“电+光”的双路传感设计，使其在完成高精度压力测量的同时，也具备了识别气体种类的关键能力。

二、光学等离子体真空计工作原理

1. 等离子体的产生：让气体“发光”

在一定的真空条件下，设备通过在阳极与外壳之间施加高压形成电场，再结合磁场约束带电粒子运动，使得气体分子被电离——即形成等离子体。而不同的气体在形成等离子时会发出不同颜色的光，这就为识别气体种类提供了可能。

▲ 不同气体形成等离子体的颜色区别

2. 光谱分析与气体识别

等离子体发出的光通过透明窗口进入后端的光谱分析器。器件将复合光分解为不同波长的光谱。每种气体都具有一组特征发射谱线，通过识别这些谱线，可判断环境中存在的气体种类及其相对含量。

▲ 光谱分析示意图

▲ 光谱分析器（光谱仪）的基本功能是吸收光，将信号转化为波的函数（计数/波长）

3. 智能输出：从“光谱”到“数据”

光谱分析器获得的原始数据与传感器采集的压力、温度等参数一并送入处理系统，搭配 INFICON FabGuard 可视化专业软件，通过专用算法计算并输出总压强、分压强、气体组成比例等重要信息，实现了工艺过程的“可测可控可看”。

▲ 搭配的可视化软件

三、突破传统真空计的哪些限制

与传统皮拉尼、电容式真空计相比，光学等离子真空计的优势主要体现在：

◆ 功能复合：一举两得，同时解决“真空度（大气到 10-7 mbar）+气体成分（5 mbar ~ 10-7 mbar）”两类测量需求；

◆ 强抗污染性：采用冷阴极设计，无易损灯丝，耐受工艺中的腐蚀性气体和颗粒污染；

◆ 高适用性：可在中低真空范围（如 5 mbar ~ 10-7 mbar ）稳定工作，尤其适合CVD、刻蚀等复杂工况；

◆ 维护简单：传感器可现场更换并无需重新校准，可清洗维护，耗材成本更低。

在芯片制造的核心环节——气相沉积（包括 PVD、CVD、PECVD 等）中，工艺气体环境的高度纯净与稳定，直接决定了薄膜质量的成败。

光学等离子真空计通过其独特的光谱分析能力，为该类工艺提供了关键的过程监控手段。作为该类技术的代表产品，INFICON Augent™ OPG550 在实际应用中表现出多方面的技术优势。

一、气相沉积工艺中的三大核心应用场景

1. 辅助性工艺气体识别与状态检测

在 CVD 或 PECVD 工艺中，反应气体的种类和比例对薄膜质量具有重要影响。

OPG550 光学等离子真空计在实现压力测量的同时，具备一定的气体识别能力，可在特定工艺场景下辅助进行气体成分的监测。该设备通过分析等离子体发射光谱，能够识别多种常规气体（如H2、He、O2、H2O、N2、CO、CO2、Ar等），并为工艺状态判断提供参考依据。这种集成化的光谱监测功能为工艺稳定性评估和异常情况排查提供了有价值的补充信息。

▲ OPG550 可实现真空计+简易光谱功能

2. 工艺终点检测

在某些多层沉积或清洗步骤中，需要通过监测特定气体特征光谱的强度变化来判断工艺进程。当某种反应物消耗完毕或生成物浓度趋于稳定时，光谱特征会发生显著变化，系统可据此自动终止当前工艺步骤。

3. 泄漏与污染监控

该设备对 O2 和 H2O 等杂质气体具备高探测灵敏度（可达 10 ppm 量级），能够监测工艺腔室内是否出现大气泄漏或污染气体渗入，避免薄膜性能下降。

与传统压升法相比，OPG550 采用的光谱压升法具有显著优势：检测时间从传统的 20~60 分钟缩短至 30~60 秒，灵敏度从 > 0.5 mTorr/min提升至 > 0.3 mTorr/min，且能够有效区分真实泄漏与腔体放气现象，无需额外的冷却或加热步骤。此外，OPG550 支持以空气或其他工艺气体作为示踪气体进行检漏，为气相沉积工艺提供了快速、精准的泄漏监测解决方案。

▲ 传统压升法与光谱压升法的对比

二、OPG550 更适合沉积工艺

◆ 无灯丝、耐污染：采用冷阴极设计，无传统热阴极灯丝，避免了因工艺污染导致的灯丝损坏或性能衰减，显著提高了传感器在腐蚀性和沉积性环境中的使用寿命。

◆ 一体双效，节省空间：一个设备同时完成“总压+分压”测量，无需额外配置质谱仪，适合空间紧凑的半导体设备。

◆ 支持复杂工况：可在沉积工艺常见的中真空范围内（如 10-3 至 0 mbar）稳定工作，并对多种工艺气体（Ar, N2, O2, H2等）具备良好的识别能力，满足 PVD、CVD 等工艺的监控需求。

支持数据输出：提供 RS232 和 0-10V 模拟量接口，并可编程选择输出信号类型（总压、分压、特定波长灵敏度等），可无缝集成到设备控制系统中，实现闭环工艺控制。

三、从“感知”到“控制”，重塑工艺价值链

光学等离子真空计通过将等离子发射光谱分析技术与真空测量相结合，为气相沉积工艺提供了传统真空计无法实现的气体成分监测能力。它让工程师不仅“看得见”压力，更“认得清”气体，从而实现对沉积过程更精细、更可靠的管理。

同时，在刻蚀工艺中，该技术能够实时监测反应气体和刻蚀副产物的浓度变化，为实现精准的终点检测和工艺控制提供关键数据支持。在离子注入过程中，光学等离子真空计可有效监测真空环境中的杂质气体分压，防止注入过程中晶圆表面污染，保障注入工艺的纯净度和一致性。

INFICON Augent™ OPG550 凭借其无灯丝耐污染设计、宽范围压力与多气体测量能力，已成为 CVD、PECVD、刻蚀、离子注入等半导体关键工艺中实现高精度过程控制和良率提升的有效工具。

回顾行业发展，半导体薄膜沉积工艺向着更精细、更复杂的方向演进，对真空测量技术提出了更高要求：不仅需要精确的压力控制，更需要深入了解工艺过程中的气体成分变化。这一需求推动了光学等离子真空计等新型测量技术的发展与成熟。与此同时，真空计技术的进步又为半导体工艺的创新提供了可能，使更先进的制程和更复杂的工艺成为现实。这种相辅相成、相互促进的关系，将持续推动整个半导体产业向更高精度、更高效率的方向发展。

来源：iVacuum真空聚焦一点号