熱電偶傳感器在半導(dǎo)體生產(chǎn)中應(yīng)用分析

摘要:溫度在半導(dǎo)體的生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。溫度的檢測(cè)和控制靠熱電偶傳感器,溫度的正確不僅決定于測(cè)溫的原理、熱電偶傳感器的類型、測(cè)量的設(shè)備,而且還決定于測(cè)試的方法。
1引言
　　熱電偶傳感器在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)中具有非常廣泛的應(yīng)用。對(duì)以半導(dǎo)體二、三極管為主體的生產(chǎn)廠家,主宰著全廠經(jīng)濟(jì)命脈的中樞無疑是器件質(zhì)量。決定器件質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)則是半導(dǎo)體芯片的質(zhì)量,而擴(kuò)散工序中的擴(kuò)散溫度是決定芯片主要參數(shù)是否符合工藝需要的關(guān)鍵因素。因此，使擴(kuò)散爐溫度保持較高的正確性和均勻性,將是獲得優(yōu)質(zhì)芯片的最基本保證。而擴(kuò)散爐溫度的精度和均勻性依賴于熱電偶測(cè)溫。所以生產(chǎn)技術(shù)人員、維修人員及操作人員在工作中掌握正確的測(cè)溫方法、了解實(shí)際的測(cè)溫原理非常必要。就熱電偶的測(cè)溫原理以及在測(cè)試中易產(chǎn)生、忽略的誤差和在實(shí)踐中的一些體會(huì)作簡(jiǎn)略地介紹。
　　溫度測(cè)量的方法多種多樣，熱電偶測(cè)溫則是較常見的一種,用熱電偶測(cè)溫具有以下六個(gè)特點(diǎn):具有較高的測(cè)溫精度;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修;動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快;測(cè)溫范圍較寬;可以測(cè)量局部甚至“點(diǎn)"的溫度;信號(hào)可遠(yuǎn)傳,便于集成檢測(cè)及自動(dòng)控制。
　　由于熱電偶具有上述特點(diǎn),因此它在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)試驗(yàn)中得到廣泛的應(yīng)用,然而熱點(diǎn)偶的測(cè)溫也具有局限性。一方面熱電偶插人溫場(chǎng)中會(huì)改變溫場(chǎng)的原來狀態(tài),使被測(cè)溫度稍偏離原來的實(shí)際溫度;另--方面，由于熱電偶材料熔點(diǎn)限制,溫度上限不可能無限高。所以,盡管熱電偶結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,但要使溫度值正確可靠并不容易。測(cè)量時(shí)要根據(jù)熱電偶的基本特點(diǎn)和其測(cè)溫的基本原理,經(jīng)過周密分析和反復(fù)的試驗(yàn)來選擇適當(dāng)?shù)臒犭娕技皽y(cè)量方法。
2熱電偶測(cè)溫的基本原理及測(cè)量線路
　　熱電偶溫度計(jì)(簡(jiǎn)稱熱電偶)由熱偶絲.參考端裝置和電測(cè)儀表組成。熱電現(xiàn)象:將兩根不同成分的金屬絲或合成絲A與B,焊接組成一個(gè)閉合回路,就稱為熱電偶。如圖1所示。
 
　　A、B稱為熱偶絲、也叫熱電極。若兩個(gè)接點(diǎn)處于不.同的溫度T和T0時(shí),則在回路中就會(huì)產(chǎn)生電流,相應(yīng)于兩個(gè)接點(diǎn)處產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱之為溫差電動(dòng)勢(shì)或簡(jiǎn)稱熱電動(dòng)勢(shì)。這種由溫度不同而產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象就叫熱電現(xiàn)象。也叫熱電轉(zhuǎn)化現(xiàn)象,而熱電偶即是熱電現(xiàn)象的具體體現(xiàn)形式。當(dāng)熱電偶兩端溫度T≠T0時(shí)(一般T為測(cè)量端溫度,T0為參考.端溫度),回路中就有電流存在,產(chǎn)生這種電流的電動(dòng)勢(shì)叫熱電勢(shì):E=EAB(T,T,),這種現(xiàn)象就是熱電現(xiàn)象的本質(zhì)體現(xiàn)。當(dāng)參考端T0保持恒定時(shí),熱電勢(shì)E只是測(cè)量溫度T的函數(shù)，這就是熱電偶測(cè)溫的理論基礎(chǔ)。
2.1熱電偶回路的熱電勢(shì)
　　由物理學(xué)可知:熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成的。接觸電勢(shì)的大小與接頭處的溫度和兩種接觸金屬的種類有關(guān);而溫差電勢(shì)的大小僅與導(dǎo)體的種類和兩端的溫度大小有關(guān)。
　　在熱電偶回路中,兩電極接觸有接觸電勢(shì)EAB(T)和EAB(T0),A和B間有溫差電勢(shì)EA(T,T0)和EB(T,T0),當(dāng)T>T0時(shí)，則各電勢(shì)的方向如圖2所示。
 
　　回路的總電勢(shì)EAB(T,T0)稱作賽貝克(seebeek)電勢(shì),它等于回路中各電勢(shì)的代數(shù)和,即:
 
　　此式表示出了熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系。如果使參考端溫度恒定,則ƒAB(T0)為常數(shù),于是回路熱電勢(shì)EAB(T,T0)就只與溫度T有關(guān),而且T是單值函數(shù)，這就是應(yīng)用熱電偶測(cè)溫的基本原理。
2.2熱電偶測(cè)溫的基本定律
　　由熱電偶測(cè)溫原理和試驗(yàn)總結(jié)出三個(gè)基本定律:均質(zhì)導(dǎo)體定律;中間導(dǎo)體定律;中間溫度定律。這三個(gè)基本定律完整地概括了溫差電路的基本性質(zhì),是熱電偶實(shí)際測(cè)溫的重要理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)準(zhǔn)則。
　　均質(zhì)導(dǎo)體定律:熱電偶回路中,熱電勢(shì)的數(shù)值僅與熱電極的材料、均勻性以及兩端溫度有關(guān)，而與熱電極的長(zhǎng)度,直徑等無關(guān)。
　　中間導(dǎo)體定律:在熱電偶回路中,只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同,那么,接人中間導(dǎo)體后,對(duì)熱電偶回路的總電勢(shì)沒有影響。即在利用熱電偶測(cè)溫時(shí),顯示儀表或連接導(dǎo)線可看作中間導(dǎo)體。
　　中間溫度定律:熱電偶接點(diǎn)溫度為T和T0的熱電勢(shì),等于接點(diǎn)溫度分別為T、Tn和Tn,T0時(shí)相應(yīng)的熱電勢(shì)的代數(shù)和。根據(jù)此定律可推出:當(dāng)接入與熱電偶同樣熱電性質(zhì)組成較低的補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí),相當(dāng)于把熱電偶延長(zhǎng)而不影響熱電偶的熱電勢(shì)。這就為工業(yè)測(cè)溫中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。
2.3熱電偶測(cè)溫的基本線路
　　在實(shí)際測(cè)溫中，由于測(cè)溫對(duì)象和測(cè)溫要求的不同,不僅.應(yīng)根據(jù)具體情況恰當(dāng)?shù)剡x用熱電偶和顯示儀表,同時(shí)還必須有合適的測(cè)量線路:
a) 單支熱電偶配-套測(cè)量?jī)x表的測(cè)量線路,如圖3所示，此線路目前的應(yīng)用較為廣泛;
 
b)幾支熱電偶共用--套測(cè)量?jī)x表的測(cè)量線路,國(guó)外大多采用此線路。如圖4所示;
 
c)熱電偶申聯(lián)及并聯(lián)的測(cè)量線路。此圖略;
d)溫差測(cè)量線路,如圖5所示。
 
3熱電偶測(cè)量誤差
3.1E-t關(guān)系誤差
　　熱電偶的熱電特性將隨其成分微觀結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力變化而變化,因此,即使是同型號(hào)的熱電偶它們E-t的關(guān)系也是不一致的
3.2參考端溫度誤差
　　當(dāng)參考端溫度不為零時(shí)產(chǎn)生誤差8,。
3.3補(bǔ)償導(dǎo)線誤差
　　所選用的補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電特性與所配用的熱電偶不一致;補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶參考段端的兩接點(diǎn)溫度不-致。
3.4電測(cè)儀表誤差
δα=量程x精度等級(jí)%,量程=上限-下限
3.5視差
　　由于儀表刻度間隔窄,讀數(shù)時(shí)對(duì)指針的位置的判斷的不正確也會(huì)引人誤差,即視差。
3.6干擾誤差
　　由于屏蔽和接觸不良而引人的干擾電壓經(jīng)過熱電偶連接導(dǎo)線進(jìn)入儀表,使儀表產(chǎn)生幾度~十幾度的誤差,甚至有時(shí)無法測(cè)量。
3.7傳熱誤差
　　因外界與熱電偶測(cè)量端之間的傳熱而引起測(cè)量端溫度與被測(cè)溫度之差。
3.8其它
　　還有速度誤差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差、安裝誤差以及催化效應(yīng)引起的誤差。
　　以上介紹了熱電偶測(cè)溫過程中可能出現(xiàn)的一些誤差,這些誤差就其性質(zhì)來說大體可分為兩大類:-類是系統(tǒng)誤差;另一類是偶然誤差。這些誤差有的僅在一定條件下才會(huì)出現(xiàn)，有的則通過一定措施可以忽略。
4熱電極的選配、絕緣材料及保護(hù)管材料
4.1熱電極的選配
　　熱電偶的種類較多,按照熱電極的材料、使用溫度范圍、結(jié)構(gòu)以及用途等可分成很多種,但使用者究竟選用哪--種熱電偶作為測(cè)溫元件比較合適,主要根據(jù)所要求的測(cè)溫范圍、熱電偶的靈敏度和測(cè)溫靈敏度及測(cè)量誤差而定。同時(shí)也考慮成本的高低、穩(wěn)定性和互換性等因素。
　　下面著重介紹幾種常用熱電偶的性質(zhì):.
a)鉑銠10-鉑熱電偶
　　這是一種貴金屬熱電偶,熔點(diǎn)為1772℃,可長(zhǎng)期使用于溫度≤1300℃的環(huán)境和短期使用于溫度≤1600℃環(huán)境中。其熱電性能較穩(wěn)定,抗氧化性好。但不足之點(diǎn)是:價(jià)格昂貴、機(jī)械強(qiáng)度稍差、熱電勢(shì)小、且抗還原性較差。
b)鎳鉻-鎳硅熱電偶
　　500℃以下時(shí)可在氧化、還原及中性氣氛中可靠工作,其熱電勢(shì)較大,通常為鉑銠10-鉑的4~5倍,但在500℃以上測(cè)溫時(shí),抗還原性也差，故常作為中溫?zé)犭娕际褂?。它長(zhǎng)期工作的最高溫度為1000℃,短期工作最高溫度是1200℃。
e)鎳鉻--考銅
　　這種熱電偶熱電勢(shì)相當(dāng)大,約為60~70μV/C,能用于-200~600℃的溫度測(cè)試,是一種重要的低溫?zé)犭娕?。但在高溫?考銅極易被氧化。長(zhǎng)期使用≤600C,短期使用≤800℃。
4.2絕緣材料及保護(hù)管材料
　　熱電偶在測(cè)量回路中,除測(cè)量端以外的各部分之間,包括兩熱電極和連接導(dǎo)線之間，在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)均要求有良好的絕緣,否則會(huì)有熱電勢(shì)損耗而引入誤差;甚至無法測(cè)量。絕緣材料種類很多,大體分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。采用的是無機(jī)絕緣材料:氧化鋁(1600-1800℃)。
5熱電偶運(yùn)用及分析
　　綜前所述,隨著生產(chǎn)與科技的高速發(fā)展,測(cè)量技術(shù)的不斷深化,目前熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)中的地位更日益突出,運(yùn)用更為廣泛。對(duì)于以生產(chǎn)半導(dǎo)體器件為主的來說,熱電偶在生產(chǎn)控制及測(cè)量中也有較大的比例,特別是對(duì)于前道擴(kuò)散工序來說,熱電偶的使用更是必不可少。下面就以熱電偶在擴(kuò)散工序中的使用為例鬧述熱電偶在實(shí)際運(yùn)用。
5.1選材
　　由于在擴(kuò)散工藝中,擴(kuò)散爐溫大都在1000℃以上,且要求的精度高、穩(wěn)定性好。所以,熱電極材料大都采用貴金屬材料鉑銠-鉑,其直徑取0.5mm。鑒于鉑銠10-鉑熱電偶的熱電勢(shì)較小,所以過去常與其配套的顯示儀表用靈敏度較高的直流反射式檢流計(jì)AC9/4和低電阻直流電位差計(jì)U]I(其精度為±0.05%),以保證測(cè)溫?zé)犭娕籍a(chǎn)生的熱電勢(shì)數(shù)值能在直流電位差計(jì)上讀取。標(biāo)準(zhǔn)電池配用I極標(biāo)準(zhǔn)電池(其技術(shù)參數(shù)為:20C時(shí)電動(dòng)勢(shì)實(shí)際值1.01850-1.01870V,年變化量<100μV=,配用工作電源:1.9-3.5V(工作時(shí)工作電流為32mA)。隨著精度高數(shù)字電壓表在位數(shù)和精度上的高速發(fā)展，目前直接讀數(shù)的測(cè)量已越來越多的使用數(shù)字表,如Agilent數(shù)字表直接測(cè)量,該方法簡(jiǎn)單、方便.直觀、正確已得到廣泛的運(yùn)用。
　　當(dāng)正常使用鉑銠10一鉑熱電偶為擴(kuò)散爐測(cè)溫時(shí),其-般長(zhǎng)度為最大插人深度的30%以上。加裝絕緣保護(hù)管起絕緣、支撐與固定作用,其材料選用純度較高的氧化鋁管(含量95%以上)。
　　對(duì)熱電偶測(cè)量端接頭的焊接工藝應(yīng)加以足夠的重視,接點(diǎn)焊點(diǎn)質(zhì)量的好壞將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來直接影響。較常見的有斷路、熱電勢(shì)不穩(wěn)和寄生電勢(shì)的產(chǎn)生等干擾的存在，因此要求焊點(diǎn)不僅要焊牢,而且要光滑,不得有砂眼和裂紋。另外，為減少傳熱誤差和動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來的影響,還須注意,焊點(diǎn)的直徑要盡量小，通常為熱電極直徑的2-3倍(即:1-1.5mm左右),在低溫測(cè)量中更應(yīng)注意,將被焊的熱電極接電源正極,碳棒端接電源負(fù)極,以避免熱電偶測(cè)量的滲碳現(xiàn)象。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶來說,一般采用點(diǎn)焊,要求熱電極絲不能扭結(jié),焊接電壓由調(diào)壓器控制,要保證焊點(diǎn)光滑、且大小適中。正確的熱電偶焊接法如圖6所示。
 
5.2熱電偶的實(shí)際測(cè)溫方法
　　由前所述,熱電偶測(cè)溫其熱電勢(shì)與測(cè)量端和參考端兩接點(diǎn)溫度直接相關(guān)。其熱電勢(shì)的函數(shù)表達(dá)式為:
EAB(t,t0)=ƒAB(t)-ƒAB(t0)
(t,t0分別為測(cè)量端和參考端溫度)
　　在實(shí)際測(cè)溫時(shí),t0的溫度就是環(huán)境溫度,它隨環(huán)境溫度的變化而變化,所以在測(cè)量中為簡(jiǎn)化測(cè)量過程和提高測(cè)量精度,常設(shè)定t0為冰點(diǎn)溫度，即t0=0℃,那么ƒAB(t0)為一常數(shù),也就是說，此時(shí)熱電偶的熱電勢(shì)僅與測(cè)量端溫度t有關(guān)。但在實(shí)際的運(yùn)用中,熱電偶的長(zhǎng)度受到一定的限制,因此,參考端溫度將直接受被測(cè)介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度的影響,常常使它難以保持為0℃，而經(jīng)常表現(xiàn)為波動(dòng)。為此引人補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶參考端移至離熱源較遠(yuǎn)以及環(huán)境溫度較恒定的地方,使測(cè)量結(jié)果得到較高的精度。補(bǔ)償導(dǎo)線的定義是:在一定的溫度條件范圍內(nèi),熱電性能與被補(bǔ)償熱電偶的熱電性能很相近的導(dǎo)線(鉑銠10-鉑熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線是:銅-銅鎳合金,銅接正極,銅鎳接負(fù)極)。
　　但是,補(bǔ)償導(dǎo)線的引人并沒有能達(dá)到真正消除熱電偶參考端溫度不為0℃的影響,所以,通常在實(shí)際測(cè)溫時(shí)在補(bǔ)償導(dǎo)線的參考端用冰瓶作冰點(diǎn)補(bǔ)償,使參考端溫度保持為0℃。
總之,參考端溫度的恒定,對(duì)溫度測(cè)量的簡(jiǎn)化以及測(cè)量結(jié)果的精度都有較明顯的改觀。特別是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶,意義更大。但這個(gè)重要的環(huán)節(jié),卻常常被人們忽略,從而使測(cè)量結(jié)果與實(shí)際的數(shù)值產(chǎn)生誤差。
下面將就熱電偶參考端。≠0以及引人補(bǔ)償導(dǎo)線后兩種極性接法,所得到的熱電勢(shì)的值與實(shí)際值的誤差加以比較分析:
1)首先對(duì)熱電偶參考端t0≠0時(shí)的情況作討論分析
　　設(shè)測(cè)量端溫度為t,參考端溫度為t0如圖7所示，由中間溫度定律知,此時(shí)熱電勢(shì):
EAB(t,tn)-EAB(t,t0)-EAB(tn.,t0)
　　可見，當(dāng)參考端溫度tn,≠0時(shí),熱電偶輸出的熱電勢(shì)將不等于EAB(t,t0),而引人誤差EAB(tn,t'0)。
2)再將在補(bǔ)償導(dǎo)線的極性被正接或反接的兩種情況下測(cè)得的熱電勢(shì)加以比較和分析:
a)正接:如前所述,對(duì)于常用熱電,偶鉑銠1-鉑,與之相配的補(bǔ)償導(dǎo)線是銅-銅鎳,正接的接法是銅極，接正,與鉑銠，極相接,銅鎳接負(fù),與鉑絲相接,正接法如圖8所示:其總熱電勢(shì)為:
 
 
　　即,當(dāng)補(bǔ)償導(dǎo)線正接時(shí),熱電偶輸出的熱電勢(shì)就是爐溫的熱電勢(shì)。
b)補(bǔ)償導(dǎo)線反接時(shí),如圖9所示。
　　其電勢(shì)為:
 
　　由此可見,補(bǔ)償導(dǎo)線極性接錯(cuò)的話,將導(dǎo)致反參考端的溫度誤差就為不用補(bǔ)償導(dǎo)線的兩倍。這個(gè)誤差是相當(dāng)可觀的，但它常被一些維修人員所忽視,應(yīng)著重加以注意。
c)另外還有一個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)常引起測(cè)量誤差,且也極易被忽略:
　　在測(cè)溫過程中,測(cè)溫的間歇時(shí)間(停留時(shí)間),應(yīng)受爐體恒溫周期的平衡時(shí)間以及熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的制約。實(shí)際操作時(shí),應(yīng)在每次調(diào)節(jié)完畢爐溫定值后,有充分的時(shí)間,使?fàn)t溫達(dá)到熱平衡方可測(cè)試。熱電偶每變換測(cè)一點(diǎn)都應(yīng)使平衡時(shí)間不得低于2分鐘(此為高溫時(shí)，若測(cè)低溫時(shí)一般不得低于5分鐘),否則將引起測(cè)量誤差。
6對(duì)擴(kuò)散爐測(cè)溫?zé)犭娕嫉母倪M(jìn)建議
　　參考“幾支熱電偶共用--套顯示儀表的測(cè)量線路”節(jié),圖4所示，可將現(xiàn)行使用的單根單點(diǎn)熱電偶改裝成“單根"三點(diǎn)熱電偶。這里的“單根"是指將所有的熱電偶加裝在--個(gè)管內(nèi),并相互隔離絕緣;三點(diǎn)是指在單根管內(nèi)(可用石英管)同裝三根各自有絕緣保護(hù)管的熱電偶,互相固定。三根熱電偶的長(zhǎng)度由被測(cè)爐體的恒溫區(qū)長(zhǎng)度所決定,三個(gè)熱電偶的測(cè)量端點(diǎn)分別為恒溫區(qū)的三個(gè)區(qū)域。參考端接補(bǔ)償導(dǎo)線經(jīng)冰點(diǎn)進(jìn)行0℃補(bǔ)償，然后通過一個(gè)多點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)與顯示儀表相接。但須注意:多點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)內(nèi)的連線為避免干擾應(yīng)采用同軸屏蔽線,并要焊接。這樣的熱電偶不僅在工作中能極大地縮短測(cè)量時(shí)間,而且對(duì)減小測(cè)量誤差等也有較大的貢獻(xiàn)。