想要造出芯片，先造出一個真空世界

真空，意味著什么？

圖片來源：NASA

還記得書本里那句話：宇宙太空寂靜無聲，聲音無法傳播，因為那里是真空。

這句話對，但也不全對。真實的太空，并不是“什么都沒有”。太空中依舊漂浮著微量粒子，只是它們的數量遠遠少于我們呼吸的空氣。

在地球表面，一個手指尖大小的1立方厘米空氣中就擠著大約2500億億個分子；而在外太空，同樣大的空間里可能只有一個孤獨的氫原子。粒子間距極大，幾乎互不碰撞，氣體稀薄到無法傳播我們耳朵可感知的聲波，因此宇宙一片寂靜。

圖片來源：AI生成

太空不是“絕對真空”，那是一種只在理想中存在的狀態。現實中，我們常說的真空，是指壓力低于周圍大氣壓的一種氣體稀薄狀態。

芯片制造，卻離不開這樣的特殊環境——我們需要在人造環境中，造出極致稀薄、近乎于“空”的世界。只有在這個世界里，那些微米級、納米級的電路，才能被精準地雕刻出來。

接下來，就讓我們一起看看，人類是怎樣在地球上，造出真空世界。

歷史上，人類很早就制造過令人驚嘆的“真空秀”。

1654年，德國馬德堡市長蓋利克，他命人將兩個銅制半球嚴絲合縫地扣在一起，然后用自制的抽氣泵，一點點抽走了球體內部的空氣。一開始，兩邊的馬夫各趕出4匹壯馬，朝相反的方向奮力鞭策，結果兩個半球紋絲不動。直到他們將馬匹數量增加到16匹，兩個半球才在全力拉扯下分開。

圖片來源：粵教版物理教材

這就是著名的馬德堡半球實驗。那一刻，人們第一次親眼看見：我們身邊無影無形的空氣，竟然蘊含著如此驚人的重量與力量。

從馬德堡半球實驗到今天，人們已經找到真空（大氣壓）各式各樣的用法：吸盤擠出空氣后牢牢固定在墻上、吸塵器利用內部負壓吸入灰塵、包裝抽真空保存食物……

圖片來源：網絡

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在超市里，我們很容易就能發現鹵味零食、肉腸、大米等的真空包裝：包裝袋內部被抽走大量空氣后，內部壓力下降，外部大氣壓與內部氣壓形成壓力差，將包裝袋緊壓在食物表面，這就是我們看到的真空包裝皺巴巴的原因。包裝袋被抽成了粗真空，空氣少到細菌難以生存繁殖，所以食物才能長時間不變質。

真空包裝的原理，跟芯片制造的真空應用，有著異曲同工之妙：都是通過驅逐空氣，來創造一個純凈、無干擾的環境。

造芯片為什么必須要真空？

空氣中布滿微塵，一顆普通灰塵直徑可達幾千納米，而芯片上的導線寬度只有幾十納米。一粒灰塵落在晶圓表面，就像一塊巨石砸在精密線路上，直接導致短路、漏電等后果。真空腔體將外界空氣隔絕，從源頭解決了顆粒污染。

薄膜沉積、刻蝕等工序，需在晶圓表面發生精確的化學反應。如果殘留了氧氣、水蒸氣或其他物質，它們會參與副反應，比如氧化表面、腐蝕線路、引入雜質。把可能搗亂的各種分子“趕出去”，再通入高純工藝氣體，才能保證反應按設計方向進行。

光刻、離子注入、刻蝕等工序，需用光束、電子束、離子束轟擊晶圓。若腔內有空氣分子，光束還未到達就被吸收；離子束會被撞散，偏離預定方向。在納米尺度上，任何一點偏移都會讓電路圖案出錯。只有抽走氣體分子，粒子束才能準確、筆直地前進。

等離子體在半導體制造中廣泛使用，但是，它在常壓下極難穩定產生。只有將氣壓降至中真空，分子足夠稀少，電場才能將電子精準加速，穩定激發氣體，形成等離子體。真空本身成了等離子體工藝得以發生的前提。

當然，不止前道環節，這些嚴苛要求同樣延伸到后道環節。在先進封裝中，真空環境控制變得越來越重要，例如HBM的3D堆疊，生產良率就極大受到顆粒污染的影響。

可以說，離開真空環境，高端芯片生產根本無從談起。

芯片制造將真空技術運用到了極致。我們常籠統地說“抽真空”，但在芯片廠，真空是嚴格分級并且“量體裁衣”的。

描述真空或大氣壓強，有專門的單位，比如帕斯卡（Pa）、托（Torr）、巴（Bar）等。

常用單位換算關系表

按一定壓力范圍劃分的真空區間，行業分成了不同等級：低真空（大氣壓~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）、極高真空（<10-9 Pa）。

不同真空區間對應的半導體工序，壓力范圍參考《真空技術 術語（GB/T 3163-2024）》

不同工藝對真空度的要求不同。腔體吹掃等環節，低真空就足夠；而極紫外光刻（EUV），它的光波極容易被任何物質吸收，又需要巨大的反射鏡在真空中工作，因此要求整個光路系統保持在優于10-6 Pa的超高真空——經過層層凈化，腔體內殘余氣體分子的潔凈程度，已經接近外太空。

真空度決定了你能把工藝控制到多精細。

芯片生產的真空系統靠泵—閥—規，三者協同配合，穩住工藝所需的恒定壓力。其中，“閥”是控制著氣體流量的真空閥，“規”是提供著精準讀數的真空計——這兩個關鍵部件，直接決定了真空控制的響應速度和精度。

真空高速蝶閥，是一種能夠精準控制氣體流量的智能閥門。它通過閥板的旋轉角度變化，調節氣體通過的通道大小，就像水龍頭控制水流一樣，實現對真空環境的精細調節。

• 當它安裝在真空腔室和真空泵之間時，會根據壓力傳感器實時反饋的數據，快速調整閥門開度：如果腔室內壓力升高，閥門會適當打開，讓真空泵加快抽氣；如果壓力過低，閥門則會減小開度，降低抽氣速度，使壓力保持在合適范圍。

• 憑借毫秒級的響應速度和高精度調節能力，真空調節蝶閥目前被廣泛應用于半導體制造、新型顯示、航空航天等先進工業領域。在一些對壓力變化要求極高的工藝中，例如原子層刻蝕，它能夠幫助設備快速、穩定地維持所需的真空環境，是實現先進制造的重要關鍵部件。

電容薄膜真空計，行業內也稱作薄膜規。它的內部結構精巧：一片超薄耐蝕膜片將儀器分隔為兩個獨立腔室，一側是密封的高真空參考腔；另一側直接連通晶圓工藝腔體。

• 兩邊氣體的壓力差會帶動膜片產生微小形變，改變膜片與內置固定電極的間距，電容值隨之變化。設備通過精準標定電容變化與壓力的對應關系，換算輸出絕對壓力讀數，測量結果完全不受腔內工藝氣體種類影響。

• 它響應速度達毫秒級，測量精準、重復性好，耐工藝腐蝕，是刻蝕、CVD、PVD、ALD 等半導體核心工藝的 “金標準” 傳感器，也可以用在主要新型顯示、光伏、航天航空、科研、醫療等領域。主要適用于中、低真空區間。

高端光刻機是芯片制造的標志性高難度裝備，而大眾很少留意，芯片制造有成百上千道工序環環相扣。小到一個閥門、一個真空計，同樣是存在較高技術壁壘、亟待實現自主突破的關鍵器件——畢竟沒有穩定的真空環境，再先進的光刻機也沒法造出合格的芯片。

來源：季華實驗室進校園

編輯：zzz

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