ICP深硅刻蝕的“流量精度錨點"：刻蝕機專用流量計兩大技術要求，缺一不可

（一）項目背景

在ICP深硅刻蝕工藝中，氣體流量的控制精度是工藝良率的基石，直接決定等離子體穩定性與硅材料刻蝕形貌。作為核心部件，流量計需精準匹配“低流量、高動態"要求，避免刻蝕速率不均、側壁輪廓畸變等缺陷，最終損害器件性能與良率。具體要求如下：

1. 低量程下的高穩定性與重復性：工藝一致性的基石

深硅刻蝕工藝氣體（刻蝕氣體SF₆、鈍化氣體C₄F₈及輔助氣體O₂、Ar等）的流量控制范圍多集中于1-1000 sccm，其配比的穩定性直接決定等離子體中F?活性離子濃度與CF?鈍化基團含量的動態平衡。前者主導硅刻蝕速率，后者決定側壁保護效果。一旦流量計出現“零點漂移"或“短期波動"，便會打破這一失衡：硅片邊緣區域F?濃度偏高，刻蝕速率加快，出現“邊緣過刻"；中心區域CF?基團過剩，鈍化層過厚，刻蝕速率減緩。其結果不再是簡單的參數偏差，而是直接表現為整片晶圓的刻蝕均勻性惡化。

2. 毫秒級動態響應：匹配“刻蝕-鈍化"周期性切換需求

深硅刻蝕的高深寬比依賴“Bosch工藝"或“Cryo工藝"的周期性動態調整。以Bosch工藝為例，需交替執行Etch Step（持續1-3 s）與Passivation Step（持續0.5-2s），兩步切換時氣體需從“SF₆主導"瞬間切換為“C₄F₈主導"。流量計的響應速度必須與此高頻節拍精確同步，任何延遲都會在切換瞬間形成“過渡區"，誘發缺陷。例如：當流量計響應時間超過500ms，將引發兩大問題：

l 刻蝕步轉鈍化步延遲：SF₆未及時退出而C₄F₈未及時建立，導致F^-過量侵蝕側壁，形成“側壁鋸齒"。實驗表明，延遲1秒，鋸齒深度可達0.5µm。

l 鈍化步轉刻蝕步延遲：C₄F₈殘留過久，在底部形成過厚鈍化層，導致“底部殘留"甚至“刻蝕停止"。

因此，ICP深硅刻蝕的流量計選型，本質是“工藝需求與技術指標的精準匹配"。其核心并非泛泛追求“高精度"，而是必須攻克“低量程穩定性"與“毫秒級響應"這兩大關鍵需求。唯有如此，流量計才能成為真正的 “流量精度錨點" ，從根源上保障器件加工的一致性與可靠性。

（二）S700高速響應產品介紹

面向先進刻蝕工藝對高速響應流量計的特殊需求，青島芯笙微納電子科技有限公司在國家科技部重點研發計劃的支持下，提出一種“MEMS流量傳感器+壓電比例閥"的創新方案，并開發出刻蝕機專用流量計產品：S700-KS。實測表明，S700-KS的平均響應時間小于80ms，優于業內主流的Brooks GF100（300~700ms）和Horiba Z500（≤1s），與業內流量計Horiba D700（標稱≤500ms，實測最快30ms、最慢240ms）處于同一技術水準，刻蝕機的嚴苛要求。下文以量程為1000 sccm的S700-KS產品為例，展示部分測試結果。

圖1：S700-KS產品照片，支持EtherCAT、DeviceNet、RS485三種數字通訊協議。

S700系列標準產品內置高精度壓力傳感器，具備壓力自適應補償能力，能有效抑制因進氣壓力波動引起的測量偏差，確保讀數穩定。產品全系采用316L真空級不銹鋼本體，全面符合SEMI標準，滿足半導體工藝的嚴苛要求。在S700基礎上，傳感器從毛細管升級成MEMS傳感器方案，形成S700-KS版本（圖1）。

圖2：S700-KS系列快速響應式流量計產品。（a）S700-KS內部結構圖；（b）全球的“溫-壓-流"單片集成MEMS流量傳感器芯片，尺寸僅為3mm x 3.6mm；

S700-KS內部結構如圖2（a）所示。比例閥部分采用可靠性更高的壓電陶瓷驅動技術，對比傳統電磁閥，具有不發熱、抗電磁干擾、壽命長、可靠性更高等優點。傳感器部分采用青島芯笙公司自主知識產權的MEMS流量傳感器芯片，在3mm x 3.6mm芯片面積上創新性地集成了流量、壓力、溫度三大敏感單元，如圖2（b）所示。通過解決工藝兼容性，實現了多敏感器件的單片集成，流量傳感器芯片響應時間小于1.5ms，僅為傳統熱式毛細管傳感器響應時間的1/500。更重要的是，片上集成溫度與壓力單元，可以實現原位的溫度和壓力檢測，可以對流量測量進行實時、同步的補償，避免外置傳感器所帶來的熱遲滯與壓力遲滯問題，流量測量精度實現大幅提升。

圖3：S700-KS不同流量值切換過程的響應曲線。

圖4：流量值切換過程中閥門電壓和實際流量的響應曲線

更短的刻蝕周期直接決定著更優的刻蝕側壁粗糙度。S700-KS憑借在全量程段的快速切換速度（最慢210ms，最快40ms，平均<80ms），匹配這一要求。控制系統采用RST控制算法，兼顧響應速度和穩定性，并具有優秀的魯棒性和環境適應性（圖3）。以0-20%FS流量切換過程為例，流量切換過程“死區"時間為8ms，該延遲主要來自壓電比例閥的升壓電路、壓電疊堆的充電、傳感器信號的處理和RST算法實現等過程，經過該階段之后閥門電壓快速升高到位（紅色曲線），之后流量開始逐漸流入并進行穩定控制環節（綠色曲線）；流量輸出信號的T₅₀和T₉₀對應的時間分別為42ms和68ms（圖4）。

圖5：1100s內持續通氣的狀態穩定性，短期波動優于0.03%RD。

氣體流量穩定性是維持刻蝕等離子體組分均衡的重要影響因素。為量化評估流量計穩定性，在50%FS（500 sccm）量程點對S700-KS進行測試，其流量輸出最大波動幅度僅為±0.12 sccm，對應的相對誤差小于 0.03% RD（圖5）。這一微小幅度的波動，在實際工藝過程中會因其后連接的管路與腔體的緩沖作用而被進一步衰減。因此，該產品引入的波動可被忽略，不會對等離子體組分的穩定性產生干擾。

圖6：出廠檢驗精度，誤差均在1%RD以內，符合出貨要求（0-30%FS范圍內，精度優于0.2%FS；30-100%FS范圍內，精度優于1%RD）。

S700及S700-KS等產品在出貨前，均嚴格以Fluke Molbox高精度流量計為基準，執行校準和檢驗，檢測結果顯示全量程段精度滿足出貨標準。數據表明，其全量程精度指標滿足出貨標準（0-30%FS范圍內，精度優于0.2%FS；30-100%FS范圍內，精度優于1%RD），具體表現如圖6所示。

備注：衷心感謝國家科技部“微量程流量敏感元件及傳感器"與青島市“基于高速壓電比例閥的半導體氣體質量流量控制器研究及產業化"項目的支持。