半導(dǎo)體制造設(shè)備用大氣壓力開關(guān)

機(jī)電壓力開關(guān)相比電子壓力開關(guān)具有諸多優(yōu)勢。它們憑借堅(jiān)固的機(jī)械結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上具備故障安全功能，并且無需任何有源電子電路即可免受電磁干擾 (EMI) 的影響。機(jī)電壓力開關(guān)通常用于關(guān)鍵的安全聯(lián)鎖裝置，例如半導(dǎo)體制造設(shè)備的大氣壓力開關(guān)（即 ATM 開關(guān)）。

ATM 開關(guān)是半導(dǎo)體制造設(shè)備工藝室的安全聯(lián)鎖裝置，用于確保工藝室處于安全壓力下，以便向環(huán)境開放。SEMI S2 半導(dǎo)體制造設(shè)備環(huán)境、健康和安全指南建議使用機(jī)電設(shè)備作為安全聯(lián)鎖裝置，例如 ATM 開關(guān)，因?yàn)樗鼈兙哂泄收习踩δ堋?/p>

圖 1 是半導(dǎo)體制造設(shè)備示意圖，其中顯示了各種真空傳感和控制元件。ATM 開關(guān)安裝在負(fù)載鎖裝置上，因?yàn)樗颦h(huán)境開放，以便晶圓往返于設(shè)備之間進(jìn)行輸送。符合 SEMI 規(guī)范 F19 和 F20 的 UHP 級 316L 不銹鋼通常用于 ATM 交換機(jī)的濕潤表面，以盡可能保持工藝清潔而不受污染。

圖1. 假設(shè)的沉積或蝕刻工具，顯示真空傳感和控制元件。資料來源：MKS儀器手冊，《半導(dǎo)體器件和工藝技術(shù)》，第99卷，2017年12月

   ATM 開關(guān)是一種安全聯(lián)鎖裝置，通過將工藝腔內(nèi)的壓力保持在低于大氣壓的水平，防止?jié)撛诘挠泻埩魵怏w從工藝腔體逸出到環(huán)境中。ATM 開關(guān)的激活點(diǎn)設(shè)置在略低于大氣壓的水平，這樣如果 ATM 開關(guān)被激活，工藝腔體將無法打開。

根據(jù)測量基準(zhǔn)，壓力有兩種不同的表示方式：絕對壓力和表壓。絕對壓力是以零壓力（即絕對真空）為基準(zhǔn)測量的壓力，因此無論環(huán)境如何變化，其值都保持不變。表壓是以測量地點(diǎn)的大氣壓為基準(zhǔn)測量的壓力。大氣壓會隨著天氣狀況和測量地點(diǎn)的海拔高度而變化，因此表壓值也會相應(yīng)變化。

常用的壓力測量單位是 psi（磅/平方英寸）、inHg（英寸汞柱）和 bar。國際單位制 (SI) 單位是 Pa（帕斯卡），相當(dāng)于 N/m2（牛頓/平方米）。還有其他單位，例如 atm（大氣壓）、mmHg（毫米汞柱）和 torr（托）。為了區(qū)分絕對壓力和表壓，會在單位末尾添加 a 或 g，例如 psia 或 psig。Torr 表示絕對壓力，常用于真空測量。

以下是假設(shè)溫度保持不變的情況下，大氣壓與海拔高度的關(guān)系方程。

等式 1 大氣壓力與高度的關(guān)系。來源：氣壓公式

這表明，隨著海拔高度的升高，大氣壓力呈對數(shù)下降。

下圖顯示了大氣壓力隨海拔高度的變化。

圖2. 大氣壓力與海拔高度的關(guān)系。來源：工程工具箱

由于大氣壓會隨海拔和天氣條件的變化而變化，ATM 開關(guān)的壓力參考點(diǎn)須為表壓。我們以英特爾的兩家晶圓廠 Fab D1X 和 Fab 11X 為例，說明為什么須以表壓為參考點(diǎn)。

Fab D1X 位于俄勒岡州希爾斯伯勒，F(xiàn)ab 11X 位于新墨西哥州里奧蘭喬。希爾斯伯勒的海拔高度約為 150 英尺（約 45 米），里奧蘭喬的海拔高度約為 5,500 英尺（約 1500 米）。希爾斯伯勒的平均日大氣壓約為 29.8 英寸汞柱（757 托），而里奧蘭喬的平均日大氣壓約為 24.5 英寸汞柱（622 托）。

假設(shè)兩家晶圓廠使用的負(fù)載鎖 ATM 開關(guān)的啟動點(diǎn)均設(shè)置為低于大氣壓 30 托，且壓力會逐漸升高。這將確保負(fù)載鎖內(nèi)部的壓力始終低于大氣壓力，以便負(fù)載鎖打開時(shí)，其中殘留的氣體不會排放到大氣中。

如果 ATM 開關(guān)的壓力參考值為絕對壓力，則無論晶圓廠位于何處，其激活點(diǎn)均為 730 Torr（以 760 Torr 為大氣壓）。如果將此 ATM 開關(guān)用于 Fab D1X，其大氣壓為 756 Torr，則激活點(diǎn)比大氣壓低 26 Torr。即使壓力差比預(yù)期低 4 Torr，ATM 開關(guān)仍可作為安全聯(lián)鎖裝置，使負(fù)載鎖內(nèi)的壓力低于大氣壓。

但如果將此 ATM 開關(guān)用于 Fab 11X，其大氣壓為 622 Torr，則激活點(diǎn)實(shí)際上比大氣壓高 108 Torr。此 ATM 開關(guān)無法達(dá)到激活點(diǎn)，因此無法發(fā)揮安全聯(lián)鎖裝置的作用。

如果 ATM 開關(guān)的壓力參考值為表壓，則無論晶圓廠位于何處/海拔高度，其激活點(diǎn)都比大氣壓低 30 Torr。激活點(diǎn)分別為 Fab D1X 的 727 托和 Fab 11X 的 592 托，即使氣壓發(fā)生變化，ATM 開關(guān)也將始終發(fā)揮安全聯(lián)鎖的作用。

了解絕對壓力和表壓之間的區(qū)別，以便根據(jù)您的需求選擇合適的壓力開關(guān)類型至關(guān)重要。如上例所示，這兩個測量值之間的差異非常顯著。

30 多年來，Wasco 一直為半導(dǎo)體設(shè)備制造商提供多種型號的超高純 (UHP) 壓力開關(guān)，這些開關(guān)同時(shí)提供表壓和絕對壓力參考。選擇壓力開關(guān)時(shí)，還需要考慮其他因素，例如結(jié)構(gòu)材料、尺寸、工藝溫度、連接器類型等。