（一）项目背景
在ICP深硅刻蚀工艺中，气体流量的控制精度直接决定等离子体稳定性与硅材料刻蚀形貌。作为核心部件，流量计需要精准匹配“低流量、高动态”要求，避免刻蚀速率不均、侧壁轮廓畸变等缺陷。具体要求如下：
1. 低量程下的高稳定性与重复性：工艺一致性的基石
深硅刻蚀工艺气体（刻蚀气体SF6、钝化气体C4F8及辅助气体O2、Ar等）的流量控制范围多集中于1-1000 sccm，其配比的稳定性直接决定等离子体中F⁻活性离子浓度与CFₓ钝化基团含量的动态平衡。前者主导硅刻蚀速率，后者决定侧壁保护效果。一旦流量计出现“零点漂移”或“短期波动”，便会打破这一失衡：硅片边缘区域F⁻浓度偏高，刻蚀速率加快，出现“边缘过刻”；中心区域CFₓ基团过剩，钝化层过厚，刻蚀速率减缓。其结果不再是简单的参数偏差，而是直接表现为整片晶圆的刻蚀均匀性恶化。
2. 毫秒级动态响应：匹配“刻蚀-钝化”周期性切换需求
深硅刻蚀的高深宽比依赖“Bosch工艺”或“Cryo工艺”的周期性动态调整。以Bosch工艺为例，需交替执行Etch Step（持续1-3 s）与Passivation Step（持续0.5-2s），两步切换时气体需从“SF6主导”瞬间切换为“C4F8主导”。流量计的响应速度必须与此高频节拍精确同步，任何延迟都会在切换瞬间形成“过渡区”，诱发缺陷。例如：当流量计响应时间超过500ms，将引发两大问题：
l 刻蚀步转钝化步延迟：SF6未及时退出而C4F8未及时建立，导致F-过量侵蚀侧壁，形成“侧壁锯齿”。实验表明，延迟1秒，锯齿深度可达0.5µm。
l 钝化步转刻蚀步延迟：C4F8残留过久，在底部形成过厚钝化层，导致“底部残留”甚至“刻蚀停止”。
因此，ICP深硅刻蚀的流量计选型，本质是“工艺需求与技术指标的精准匹配”。其核心并非泛泛追求“高精度”，而是必须攻克“低量程稳定性”与“毫秒级响应”这两大关键需求。唯有如此，流量计才能成为真正的 “流量精度锚点” ，从根源上保障器件加工的一致性与可靠性。
（二）S700高速响应产品介绍
面向先进刻蚀工艺对高速响应流量计的特殊需求，青岛芯笙微纳电子科技有限公司在国家科技部重点研发计划的支持下，提出一种“MEMS流量传感器+压电比例阀”的创新方案（全球首创），并开发出刻蚀机专用流量计产品：S700-KS。实测表明，S700-KS的平均响应时间小于80ms，优于业内主流的Brooks GF100（300~700ms）和Horiba Z500（≤1s），与业内高端流量计Horiba D700（标称≤500ms，实测最快30ms、最慢240ms）处于同一技术水准，完全满足高端刻蚀机的严苛要求。下文以量程为1000 sccm的S700-KS产品为例，展示部分测试结果。
图1：S700-KS产品照片，支持EtherCAT、DeviceNet、RS485三种数字通讯协议。
S700系列标准产品内置高精度压力传感器，具备压力自适应补偿能力，能有效抑制因进气压力波动引起的测量偏差，确保读数稳定。产品全系采用316L真空级不锈钢本体，全面符合SEMI标准，满足『半导体』工艺的严苛要求。在S700基础上，传感器从毛细管升级成MEMS传感器方案，形成S700-KS版本（图1）。
图2：S700-KS系列快速响应式流量计产品。（a）S700-KS内部结构图；（b）全球独创的“温-压-流”单片集成MEMS流量传感器『芯片』，尺寸仅为3mm x 3.6mm；
S700-KS内部结构如图2（a）所示。比例阀部分采用可靠性更高的压电陶瓷驱动技术，对比传统电磁阀，具有不发热、抗电磁干扰、寿命长、可靠性更高等优点。传感器部分采用青岛芯笙公司自主知识产权的MEMS流量传感器『芯片』，在3mm x 3.6mm『芯片』面积上创新性地集成了流量、压力、温度三大敏感单元，如图2（b）所示。通过解决工艺兼容性，实现了多敏感器件的单片集成，流量传感器『芯片』响应时间小于1.5ms，仅为传统热式毛细管传感器响应时间的1/500。更重要的是，片上集成温度与压力单元，可以实现原位的温度和压力检测，可以对流量测量进行实时、同步的补偿，避免外置传感器所带来的热迟滞与压力迟滞问题，流量测量精度实现大幅提升。
图3：S700-KS不同流量值切换过程的响应曲线。
图4：流量值切换过程中阀门电压和实际流量的响应曲线
更短的刻蚀周期直接决定着更优的刻蚀侧壁粗糙度。S700-KS凭借在全量程段的快速切换速度（最慢210ms，最快40ms，平均<80ms），完美匹配这一要求。控制系统采用RST控制算法，兼顾响应速度和稳定性，并具有优秀的鲁棒性和环境适应性（图3）。以0-20%FS流量切换过程为例，流量切换过程“死区”时间为8ms，该延迟主要来自压电比例阀的升压电路、压电叠堆的充电、传感器信号的处理和RST算法实现等过程，经过该阶段之后阀门电压快速升高到位（红色曲线），之后流量开始逐渐流入并进行稳定控制环节（绿色曲线）；流量输出信号的T50和T90对应的时间分别为42ms和68ms（图4）。
图5：1100s内持续通气的状态稳定性，短期波动优于0.03%RD。
气体流量稳定性是维持刻蚀等离子体组分均衡的重要影响因素。为量化评估流量计稳定性，在50%FS（500 sccm）量程点对S700-KS进行测试，其流量输出最大波动幅度仅为±0.12 sccm，对应的相对误差小于 0.03% RD（图5）。这一微小幅度的波动，在实际工艺过程中会因其后连接的管路与腔体的缓冲作用而被进一步衰减。因此，该产品引入的波动可被完全忽略，不会对等离子体组分的稳定性产生干扰。
图6：出厂检验精度，误差均在1%RD以内，符合出货要求（0-30%FS范围内，精度优于0.2%FS；30-100%FS范围内，精度优于1%RD）。
S700及S700-KS等产品在出货前，均严格以Fluke Molbox高精度流量计为基准，执行校准和检验，检测结果显示全量程段精度满足出货标准。数据表明，其全量程精度指标满足出货标准（0-30%FS范围内，精度优于0.2%FS；30-100%FS范围内，精度优于1%RD），具体表现如图6所示。
备注：衷心感谢国家科技部“微量程流量敏感元件及传感器”与青岛市“基于高速压电比例阀的『半导体』气体质量流量控制器研究及产业化”项目的支持。
