打破国外垄断！国产高精度传感器如何实现CVD腔室清洁终点精准检测？

薄膜沉积、光刻和刻蚀并称为半导体制造的三大核心工艺，其中薄膜沉积作为基础环节，承担着金属、介质及半导体薄膜的制备重任。它通过在晶圆表面形成均匀、致密的功能膜层，为半导体器件提供导电、绝缘等关键支撑。

为确保薄膜沉积工艺的稳定性，需定期采用NF₃气体对腔室进行清洁，以去除腔室内壁积聚的聚合物等残留沉积物。在此过程中，清洁终点的精确控制是影响良率与成本的关键环节：

（1）清洁不足：腔室内残留的沉积物会形成颗粒污染，导致产品良率下降，增加生产成本；

（2）过度清洁：不仅会增加NF₃气体消耗，还会延长腔室设备停机时间，缩短使用寿命，进一步推高生产运维成本；

因此，精准把控CVD腔室清洁终点，是在彻底清除残留聚合物与避免过度清洁之间找到最佳平衡点的关键——既保障生产良率与稳定性，提升设备使用效率，又降低综合运维成本。

实际生产过程中，精准把握清洁终点一直是行业面临的难题。传统方法依赖经验时间控制清洁终点，但最佳清洁时长受多变量影响（如沉积厚度、温度、压力、气体流量及材料化学组成），且这些参数可能随时间发生漂移。多数工艺会延长清洁时间以确保彻底清洁，但也不可避免地造成了NF₃使用成本的增加。

• 薄膜沉积腔室清洁的核心原理

通入的NF₃与腔室内残留沉积物反应，生成气态副产物（如SiF₄），再通过泵将其排出。整个清洁过程中，腔室内的SiF₄分压会呈现明显的规律性变化，这是判断清洁终点的核心信号：

1、初始阶段：SiF₄分压急剧上升；

2、清洁完成：SiF₄分压回落至基线水平。

图1 用于确定清洁终点时间的SiF₄浓度曲线（Johnson et al. 2004）

• 检测技术的演进

早在2004年，Johnson等人就提出通过质谱仪实时监测SiF₄分压，以此来确定腔室清洁终点。由于气体排出存在滞后，将终点定义为SiF₄浓度曲线后沿渐近线与基线水平线的交点（图1）。这一基于副产物浓度的终点判定方法，为行业提供了理论基础，推动清洁终点检测从经验判断向数据驱动转型。

然而，当该技术从实验室走向量产线时，质谱仪在成本控制、维护难度和复杂工况适应性上的不足逐渐显现，难以在规模化生产中普及，这也推动着检测技术向着更实用、更稳健的方向持续迭代升级。近年来，非分光红外（NDIR）气体传感器凭借其卓越的响应实时性、检测可靠性及易于集成等特点，逐渐成为半导体行业腔室清洁终点检测领域的主流技术路线。

长期以来，半导体设备关键部件大多依赖欧美日厂商，部分核心零部件面临断供风险。在此背景下，推进核心零部件国产化替代，既是实现技术自主的必然选择，也是保障产业链安全的关键举措。针对半导体薄膜沉积设备腔室清洁终点检测的实际需求，国产半导体部件厂商已在核心传感器等关键技术环节取得突破。

作为行业领先的红外气体传感器制造商，四方仪器针对薄膜沉积设备清洁终点检测的需求，推出了全自研红外气体传感器Gasboard-2060系列产品，可精准检测清洁过程中的SiF₄浓度，为腔室清洁工艺的终点判断提供自主可控的国产化解决方案。

图2 四方仪器红外气体传感器Gasboard-2060

图3 CVD腔室结构及红外传感器测量点位

1、核心技术优势：测得准、反应快、用得稳

作为新一代红外测量方案，四方仪器红外气体传感器Gasboard-2060之所以能实现清洁终点的精准判断，得益于以下核心优势：

（1）强效抗干扰，精准锁定气体浓度：采用电调制光源和集成双通道探测器，能有效排除腔室内背景气体干扰，精准追踪SiF₄气体浓度变化，大幅提升气体检测过程的抗干扰能力；

（2）环境适应性强，数据稳定：通过参考通道补偿温度、湿度及交叉气体干扰，确保在复杂生产环境中依然保持测量数据的稳定性；

（3）高精度与快速响应：量程0~200mTorr，准确度≤±1.0% F.S.，响应时间T₉₀≤2秒，可及时判断清洁终点；

（4）模块化设计，运维简便：支持快速集成，测量过程无需耗材，有效降低设备的全生命周期运维成本。

图4 红外气体传感器Gasboard-2060光学结构

2、硬核指标：实验室数据见证产品检测实力

实验室测试显示，四方仪器红外气体传感器Gasboard-2060的线性准确度（图5）、响应时间（图5）、重复性和检出限等关键性能指标，均满足CVD腔室清洁终点的实时监测需求。

表1 红外气体传感器Gasboard-2060的技术参数

图5  红外气体传感器Gasboard-2060的线性检查与响应时间检查

在某半导体制造企业的薄膜沉积腔室清洁终点检测场景中，四方仪器红外气体传感器Gasboard-2060在重复清洁过程中表现出极高的稳定性（图6），可精准捕捉SiF₄浓度的变化曲线。

图6 CVD设备2次重复腔室清洁试验的Gasboard-2060实测数据曲线

客户反馈，其检测性能已达到国际同类产品水平。目前，该传感器可适配多型号沉积设备，实现清洁终点的精准控制，在助力CVD设备技术升级的同时，为半导体厂商降低生产成本、提升产品良率提供有力支撑。

从经验判断到数据决策，薄膜沉积腔室清洁正在经历一场精准化的技术变革。面对产业链自主可控的行业发展机遇与量产降本的核心需求，四方仪器自主研发的红外气体传感器Gasboard-2060，用精准的SiF₄浓度监测破解了清洁终点难判断的工艺痛点。这不仅为国内半导体厂商提供了一个可靠的选择，更让精准检测转化为降低生产成本、保障工艺稳定、筑牢产业链安全的实实在在的效益。