半导体制造设备用大气压力开关

机电压力开关相比电子压力开关具有诸多优势。它们凭借坚固的机械结构，本质上具备故障安全功能，并且无需任何有源电子电路即可免受电磁干扰 (EMI) 的影响。机电压力开关通常用于关键的安全联锁装置，例如半导体制造设备的大气压力开关（即 ATM 开关）。

ATM 开关是半导体制造设备工艺室的安全联锁装置，用于确保工艺室处于安全压力下，以便向环境开放。SEMI S2 半导体制造设备环境、健康和安全指南建议使用机电设备作为安全联锁装置，例如 ATM 开关，因为它们具有故障安全功能。

图 1 是半导体制造设备示意图，其中显示了各种真空传感和控制元件。ATM 开关安装在负载锁装置上，因为它向环境开放，以便晶圆往返于设备之间进行输送。符合 SEMI 规范 F19 和 F20 的 UHP 级 316L 不锈钢通常用于 ATM 交换机的湿润表面，以尽可能保持工艺清洁而不受污染。

图1. 假设的沉积或蚀刻工具，显示真空传感和控制元件。资料来源：MKS仪器手册，《半导体器件和工艺技术》，第99卷，2017年12月

   ATM 开关是一种安全联锁装置，通过将工艺腔内的压力保持在低于大气压的水平，防止潜在的有害残留气体从工艺腔体逸出到环境中。ATM 开关的激活点设置在略低于大气压的水平，这样如果 ATM 开关被激活，工艺腔体将无法打开。

根据测量基准，压力有两种不同的表示方式：绝对压力和表压。绝对压力是以零压力（即绝对真空）为基准测量的压力，因此无论环境如何变化，其值都保持不变。表压是以测量地点的大气压为基准测量的压力。大气压会随着天气状况和测量地点的海拔高度而变化，因此表压值也会相应变化。

常用的压力测量单位是 psi（磅/平方英寸）、inHg（英寸汞柱）和 bar。国际单位制 (SI) 单位是 Pa（帕斯卡），相当于 N/m2（牛顿/平方米）。还有其他单位，例如 atm（大气压）、mmHg（毫米汞柱）和 torr（托）。为了区分绝对压力和表压，会在单位末尾添加 a 或 g，例如 psia 或 psig。Torr 表示绝对压力，常用于真空测量。

以下是假设温度保持不变的情况下，大气压与海拔高度的关系方程。

等式 1 大气压力与高度的关系。来源：气压公式

这表明，随着海拔高度的升高，大气压力呈对数下降。

下图显示了大气压力随海拔高度的变化。

图2. 大气压力与海拔高度的关系。来源：工程工具箱

由于大气压会随海拔和天气条件的变化而变化，ATM 开关的压力参考点须为表压。我们以英特尔的两家晶圆厂 Fab D1X 和 Fab 11X 为例，说明为什么须以表压为参考点。

Fab D1X 位于俄勒冈州希尔斯伯勒，Fab 11X 位于新墨西哥州里奥兰乔。希尔斯伯勒的海拔高度约为 150 英尺（约 45 米），里奥兰乔的海拔高度约为 5,500 英尺（约 1500 米）。希尔斯伯勒的平均日大气压约为 29.8 英寸汞柱（757 托），而里奥兰乔的平均日大气压约为 24.5 英寸汞柱（622 托）。

假设两家晶圆厂使用的负载锁 ATM 开关的启动点均设置为低于大气压 30 托，且压力会逐渐升高。这将确保负载锁内部的压力始终低于大气压力，以便负载锁打开时，其中残留的气体不会排放到大气中。

如果 ATM 开关的压力参考值为绝对压力，则无论晶圆厂位于何处，其激活点均为 730 Torr（以 760 Torr 为大气压）。如果将此 ATM 开关用于 Fab D1X，其大气压为 756 Torr，则激活点比大气压低 26 Torr。即使压力差比预期低 4 Torr，ATM 开关仍可作为安全联锁装置，使负载锁内的压力低于大气压。

但如果将此 ATM 开关用于 Fab 11X，其大气压为 622 Torr，则激活点实际上比大气压高 108 Torr。此 ATM 开关无法达到激活点，因此无法发挥安全联锁装置的作用。

如果 ATM 开关的压力参考值为表压，则无论晶圆厂位于何处/海拔高度，其激活点都比大气压低 30 Torr。激活点分别为 Fab D1X 的 727 托和 Fab 11X 的 592 托，即使气压发生变化，ATM 开关也将始终发挥安全联锁的作用。

了解绝对压力和表压之间的区别，以便根据您的需求选择合适的压力开关类型至关重要。如上例所示，这两个测量值之间的差异非常显著。

30 多年来，Wasco 一直为半导体设备制造商提供多种型号的超高纯 (UHP) 压力开关，这些开关同时提供表压和绝对压力参考。选择压力开关时，还需要考虑其他因素，例如结构材料、尺寸、工艺温度、连接器类型等。