Dans les chambres à vide des usines de semi-conducteurs, comment les fibres optiques peuvent-elles détecter la pression à l’intérieur ?
Dans l’environnement de chambre à vide de fabrication de semi-conducteurs (telles que les chambres de procédé pour la gravure, PVD, CVD, etc.), d’un point de vue des mécanismes physiques et des principes de détection par fibre optique, la fibre optique elle-même ne peut pas directement détecter le « vide » (c’est-à-dire la densité moléculaire du gaz extrêmement rare), mais peut le détecter indirectement par des mécanismes de conversion de quantité physique ou par la réponse de la structure de la chambre.
I. Analyse des mécanismes physiques : Pourquoi la fibre optique ne peut-elle pas mesurer directement le vide ?
La réponse physique fondamentale de la fibre à réseau de Bragg (FBG) ou du capteur à fibre optique interférométrique dépend de la déformation axiale (effet photoélastique) ou des changements de température (effet thermo-optique et effet de dilatation thermique) appliquée à la fibre optique par l’environnement extérieur :
- Pression hydrostatique extrêmement faible : De la pression atmosphérique (environ 10^5\ \text{Pa} = 0,1\ \text{MPa}) à un vide moyen à élevé (par exemple, 10^{-1}\ \text{Pa} à 10^{-7}\ \text{Pa}), la différence de pression absolue maximale est seulement de 0,1\ \text{MPa}.
- Très faible sensibilité à la pression statique de la fibre nue : La sensibilité du décalage de longueur d’onde de la fibre de silice nue sous une pression hydrostatique isotrope n’est généralement que d’environ -3\ \text{pm/MPa} à -4\ \text{pm/MPa}. Cela signifie que pendant tout le processus de mise sous vide, le décalage de longueur d’onde dû au changement absolu de pression d’air est inférieur à 0,4\ \text{pm}, ce qui est bien inférieur au bruit de sensibilité croisée de température d’environ 10\ \text{pm/}^\circ\text{C} des capteurs à réseau de fibre optique, et ne peut pas être directement résolu par des instruments conventionnels.
II. Principes généraux d’ingénierie de fibre optique pour la détection de pression en environnement de vide
Dans la recherche scientifique et la détection industrielle réelles, la détection du vide ou de la pression dans une chambre par fibre optique est principalement réalisée par les méthodes indirectes suivantes :
- Méthode de conversion de déformation par membrane élastique (conversion pression différentielle / pression absolue)
- Principe : La fibre optique ou le réseau de fibre optique est collé/soude sur la surface d’une membrane métallique (ou micro-silicium) élastique d’une chambre de référence scellée, ou constitue une micro-cavité de Fabry-Pérot (F-P) à fibre optique.
- Processus : Lorsque la pression dans la chambre à vide change, la différence de pression entre les deux côtés de la membrane entraîne une déformation de flexion de la membrane, et la déformation mécanique est transmise à la fibre optique, réalisant ainsi la modulation de la sortie de la longueur d’onde ou de la longueur de la cavité d’interférence.
- Méthode de conduction thermique de Pirani à fibre optique (mesure de la conductivité thermique du gaz)
- Principe : Dans la gamme de vide bas à moyen (environ 10^{-1}\ \text{Pa} \sim 10^3\ \text{Pa}), le libre parcours moyen du gaz est comparable à l’échelle caractéristique, et sa conductivité thermique est strictement proportionnelle à la pression du gaz.
- Processus : Chauffage du point de mesure de température de la fibre optique par injection laser ou par un élément chauffant intégré, utilisation de réseaux de fibre optique (FBG) pour surveiller avec une haute sensibilité sa température d’équilibre de dissipation thermique, le taux de dissipation thermique changeant avec le niveau de vide, inversant ainsi le niveau de vide.
- Surveillance de la déformation mécanique de la paroi de la chambre
- Principe : Lors de la mise sous vide, une différence de pression maximale d’environ 1 atmosphère standard se forme entre l’intérieur et l’extérieur de la chambre. La structure robuste de la paroi de la chambre à vide subit une déformation de compression élastique de l’ordre du micromètre. L’installation de capteurs de déformation à fibre optique à haute sensibilité sur la paroi extérieure de la chambre permet de surveiller en temps réel l’état de charge du vide supporté par la chambre.
III. Description de la série de produits OFSCN® et des composants associés pour chambres à vide
- Portée des produits : La série de produits de base de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) est axée sur les réseaux de fibre optique (FBG) et les capteurs de température, déformation, déplacement et mécanique distribués par fibre optique (OFDR/BOTDA). Elle ne fournit pas de tubes Pirani ou de vacuomètres à fibre optique dédiés à la lecture directe du niveau de vide gazeux.
- Composants d’introduction d’évacuation de vide : Il est souvent nécessaire de réaliser une surveillance de température/déformation à haute fréquence, résistante au plasma et aux interférences électromagnétiques à l’intérieur des chambres à vide pour les platines de wafers, les platines électrostatiques (ESC) ou les parois de la chambre. Le passage de la fibre optique à travers la chambre à vide doit garantir une étanchéité absolue. Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. fournit des composants de bride standard scellés conçus pour l’extraction de signaux optiques à travers les chambres à vide :
- Nom du produit : OFSCN® Fiber Optic Vacuum Sealed Flange
Indicateurs de performance principaux :
- Interface applicable : Divisée en deux séries standard CF et KF, offrant des formes mâle et femelle, prenant en charge la traversée de fibres optiques mono-canal et multi-canaux ;
- Plage de température : Conception à température ambiante, avec possibilité de personnalisation de structures résistantes aux hautes températures jusqu’à 250\ ^\circ\text{C} ;
- Indice d’étanchéité au vide : Taux de fuite et capacité de maintien du vide supérieurs à 1 \times 10^{-7}\ \text{Pa} et 1 \times 10^{-9}\ \text{Pa}, répondant aux exigences des environnements à vide poussé et ultra-vide des chambres de procédés semi-conducteurs.
