想要造出芯片，先造出一个真空世界

真空，意味着什么？

图片来源：NASA

还记得书本里那句话：宇宙太空寂静无声，声音无法传播，因为那里是真空。

这句话对，但也不全对。真实的太空，并不是“什么都没有”。太空中依旧漂浮着微量粒子，只是它们的数量远远少于我们呼吸的空气。

在地球表面，一个手指尖大小的1立方厘米空气中就挤着大约2500亿亿个分子；而在外太空，同样大的空间里可能只有一个孤独的氢原子。粒子间距极大，几乎互不碰撞，气体稀薄到无法传播我们耳朵可感知的声波，因此宇宙一片寂静。

图片来源：AI生成

太空不是“绝对真空”，那是一种只在理想中存在的状态。现实中，我们常说的真空，是指压力低于周围大气压的一种气体稀薄状态。

芯片制造，却离不开这样的特殊环境——我们需要在人造环境中，造出极致稀薄、近乎于“空”的世界。只有在这个世界里，那些微米级、纳米级的电路，才能被精准地雕刻出来。

接下来，就让我们一起看看，人类是怎样在地球上，造出真空世界。

历史上，人类很早就制造过令人惊叹的“真空秀”。

1654年，德国马德堡市长盖利克，他命人将两个铜制半球严丝合缝地扣在一起，然后用自制的抽气泵，一点点抽走了球体内部的空气。一开始，两边的马夫各赶出4匹壮马，朝相反的方向奋力鞭策，结果两个半球纹丝不动。直到他们将马匹数量增加到16匹，两个半球才在全力拉扯下分开。

图片来源：粤教版物理教材

这就是著名的马德堡半球实验。那一刻，人们第一次亲眼看见：我们身边无影无形的空气，竟然蕴含着如此惊人的重量与力量。

从马德堡半球实验到今天，人们已经找到真空（大气压）各式各样的用法：吸盘挤出空气后牢牢固定在墙上、吸尘器利用内部负压吸入灰尘、包装抽真空保存食物……

图片来源：网络

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在超市里，我们很容易就能发现卤味零食、肉肠、大米等的真空包装：包装袋内部被抽走大量空气后，内部压力下降，外部大气压与内部气压形成压力差，将包装袋紧压在食物表面，这就是我们看到的真空包装皱巴巴的原因。包装袋被抽成了粗真空，空气少到细菌难以生存繁殖，所以食物才能长时间不变质。

真空包装的原理，跟芯片制造的真空应用，有着异曲同工之妙：都是通过驱逐空气，来创造一个纯净、无干扰的环境。

造芯片为什么必须要真空？

空气中布满微尘，一颗普通灰尘直径可达几千纳米，而芯片上的导线宽度只有几十纳米。一粒灰尘落在晶圆表面，就像一块巨石砸在精密线路上，直接导致短路、漏电等后果。真空腔体将外界空气隔绝，从源头解决了颗粒污染。

薄膜沉积、刻蚀等工序，需在晶圆表面发生精确的化学反应。如果残留了氧气、水蒸气或其他物质，它们会参与副反应，比如氧化表面、腐蚀线路、引入杂质。把可能捣乱的各种分子“赶出去”，再通入高纯工艺气体，才能保证反应按设计方向进行。

光刻、离子注入、刻蚀等工序，需用光束、电子束、离子束轰击晶圆。若腔内有空气分子，光束还未到达就被吸收；离子束会被撞散，偏离预定方向。在纳米尺度上，任何一点偏移都会让电路图案出错。只有抽走气体分子，粒子束才能准确、笔直地前进。

等离子体在半导体制造中广泛使用，但是，它在常压下极难稳定产生。只有将气压降至中真空，分子足够稀少，电场才能将电子精准加速，稳定激发气体，形成等离子体。真空本身成了等离子体工艺得以发生的前提。

当然，不止前道环节，这些严苛要求同样延伸到后道环节。在先进封装中，真空环境控制变得越来越重要，例如HBM的3D堆叠，生产良率就极大受到颗粒污染的影响。

可以说，离开真空环境，高端芯片生产根本无从谈起。

芯片制造将真空技术运用到了极致。我们常笼统地说“抽真空”，但在芯片厂，真空是严格分级并且“量体裁衣”的。

描述真空或大气压强，有专门的单位，比如帕斯卡（Pa）、托（Torr）、巴（Bar）等。

常用单位换算关系表

按一定压力范围划分的真空区间，行业分成了不同等级：低真空（大气压~100 Pa）、中真空（100 Pa~0.1 Pa）、高真空（0.1 Pa~10-6 Pa）、超高真空（10-6~10-9 Pa）、极高真空（<10-9 Pa）。

不同真空区间对应的半导体工序，压力范围参考《真空技术 术语（GB/T 3163-2024）》

不同工艺对真空度的要求不同。腔体吹扫等环节，低真空就足够；而极紫外光刻（EUV），它的光波极容易被任何物质吸收，又需要巨大的反射镜在真空中工作，因此要求整个光路系统保持在优于10-6 Pa的超高真空——经过层层净化，腔体内残余气体分子的洁净程度，已经接近外太空。

真空度决定了你能把工艺控制到多精细。

芯片生产的真空系统靠泵—阀—规，三者协同配合，稳住工艺所需的恒定压力。其中，“阀”是控制着气体流量的真空阀，“规”是提供着精准读数的真空计——这两个关键部件，直接决定了真空控制的响应速度和精度。

真空高速蝶阀，是一种能够精准控制气体流量的智能阀门。它通过阀板的旋转角度变化，调节气体通过的通道大小，就像水龙头控制水流一样，实现对真空环境的精细调节。

• 当它安装在真空腔室和真空泵之间时，会根据压力传感器实时反馈的数据，快速调整阀门开度：如果腔室内压力升高，阀门会适当打开，让真空泵加快抽气；如果压力过低，阀门则会减小开度，降低抽气速度，使压力保持在合适范围。

• 凭借毫秒级的响应速度和高精度调节能力，真空调节蝶阀目前被广泛应用于半导体制造、新型显示、航空航天等先进工业领域。在一些对压力变化要求极高的工艺中，例如原子层刻蚀，它能够帮助设备快速、稳定地维持所需的真空环境，是实现先进制造的重要关键部件。

电容薄膜真空计，行业内也称作薄膜规。它的内部结构精巧：一片超薄耐蚀膜片将仪器分隔为两个独立腔室，一侧是密封的高真空参考腔；另一侧直接连通晶圆工艺腔体。

• 两边气体的压力差会带动膜片产生微小形变，改变膜片与内置固定电极的间距，电容值随之变化。设备通过精准标定电容变化与压力的对应关系，换算输出绝对压力读数，测量结果完全不受腔内工艺气体种类影响。

• 它响应速度达毫秒级，测量精准、重复性好，耐工艺腐蚀，是刻蚀、CVD、PVD、ALD 等半导体核心工艺的 “金标准” 传感器，也可以用在主要新型显示、光伏、航天航空、科研、医疗等领域。主要适用于中、低真空区间。

高端光刻机是芯片制造的标志性高难度装备，而大众很少留意，芯片制造有成百上千道工序环环相扣。小到一个阀门、一个真空计，同样是存在较高技术壁垒、亟待实现自主突破的关键器件——毕竟没有稳定的真空环境，再先进的光刻机也没法造出合格的芯片。

来源：季华实验室进校园

编辑：zzz

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