熱電偶傳感器在半導體生產中應用分析

摘要:溫度在半導體的生產中起著至關重要的作用。溫度的檢測和控制靠熱電偶傳感器,溫度的正確不僅決定于測溫的原理、熱電偶傳感器的類型、測量的設備,而且還決定于測試的方法。
1引言
　　熱電偶傳感器在半導體器件的生產中具有非常廣泛的應用。對以半導體二、三極管為主體的生產廠家,主宰著全廠經濟命脈的中樞無疑是器件質量。決定器件質量的重要環節則是半導體芯片的質量,而擴散工序中的擴散溫度是決定芯片主要參數是否符合工藝需要的關鍵因素。因此，使擴散爐溫度保持較高的正確性和均勻性,將是獲得優質芯片的最基本保證。而擴散爐溫度的精度和均勻性依賴于熱電偶測溫。所以生產技術人員、維修人員及操作人員在工作中掌握正確的測溫方法、了解實際的測溫原理非常必要。就熱電偶的測溫原理以及在測試中易產生、忽略的誤差和在實踐中的一些體會作簡略地介紹。
　　溫度測量的方法多種多樣，熱電偶測溫則是較常見的一種,用熱電偶測溫具有以下六個特點:具有較高的測溫精度;結構簡單，便于維修;動態響應速度快;測溫范圍較寬;可以測量局部甚至“點"的溫度;信號可遠傳,便于集成檢測及自動控制。
　　由于熱電偶具有上述特點,因此它在工業生產和科學試驗中得到廣泛的應用,然而熱點偶的測溫也具有局限性。一方面熱電偶插人溫場中會改變溫場的原來狀態,使被測溫度稍偏離原來的實際溫度;另--方面，由于熱電偶材料熔點限制,溫度上限不可能無限高。所以,盡管熱電偶結構比較簡單,但要使溫度值正確可靠并不容易。測量時要根據熱電偶的基本特點和其測溫的基本原理,經過周密分析和反復的試驗來選擇適當的熱電偶及測量方法。
2熱電偶測溫的基本原理及測量線路
　　熱電偶溫度計(簡稱熱電偶)由熱偶絲.參考端裝置和電測儀表組成。熱電現象: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。若兩個接點處于不.同的溫度T和T0時,則在回路中就會產生電流,相應于兩個接點處產生的電動勢稱之為溫差電動勢或簡稱熱電動勢。這種由溫度不同而產生電勢的現象就叫熱電現象。也叫熱電轉化現象,而熱電偶即是熱電現象的具體體現形式。當熱電偶兩端溫度T≠T0時(一般T為測量端溫度,T0為參考.端溫度),回路中就有電流存在,產生這種電流的電動勢叫熱電勢:E=EAB(T,T,),這種現象就是熱電現象的本質體現。當參考端T0保持恒定時,熱電勢E只是測量溫度T的函數，這就是熱電偶測溫的理論基礎。
2.1熱電偶回路的熱電勢
　　由物理學可知:熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成的。接觸電勢的大小與接頭處的溫度和兩種接觸金屬的種類有關;而溫差電勢的大小僅與導體的種類和兩端的溫度大小有關。
　　在熱電偶回路中,兩電極接觸有接觸電勢EAB(T)和EAB(T0),A和B間有溫差電勢EA(T,T0)和EB(T,T0),當T>T0時，則各電勢的方向如圖2所示。
 
　　回路的總電勢EAB(T,T0)稱作賽貝克(seebeek)電勢,它等于回路中各電勢的代數和,即:
 
　　此式表示出了熱電偶的熱電勢與溫度的關系。如果使參考端溫度恒定,則ƒAB(T0)為常數,于是回路熱電勢EAB(T,T0)就只與溫度T有關,而且T是單值函數，這就是應用熱電偶測溫的基本原理。
2.2熱電偶測溫的基本定律
　　由熱電偶測溫原理和試驗總結出三個基本定律:均質導體定律;中間導體定律;中間溫度定律。這三個基本定律完整地概括了溫差電路的基本性質,是熱電偶實際測溫的重要理論基礎和指導準則。
　　均質導體定律:熱電偶回路中,熱電勢的數值僅與熱電極的材料、均勻性以及兩端溫度有關，而與熱電極的長度,直徑等無關。
　　中間導體定律:在熱電偶回路中,只要中間導體兩端溫度相同,那么,接人中間導體后,對熱電偶回路的總電勢沒有影響。即在利用熱電偶測溫時,顯示儀表或連接導線可看作中間導體。
　　中間溫度定律:熱電偶接點溫度為T和T0的熱電勢,等于接點溫度分別為T、Tn和Tn,T0時相應的熱電勢的代數和。根據此定律可推出:當接入與熱電偶同樣熱電性質組成較低的補償導線時,相當于把熱電偶延長而不影響熱電偶的熱電勢。這就為工業測溫中應用補償導線提供了理論依據。
2.3熱電偶測溫的基本線路
　　在實際測溫中，由于測溫對象和測溫要求的不同,不僅.應根據具體情況恰當地選用熱電偶和顯示儀表,同時還必須有合適的測量線路:
a) 單支熱電偶配-套測量儀表的測量線路,如圖3所示，此線路目前的應用較為廣泛;
 
b)幾支熱電偶共用--套測量儀表的測量線路,國外大多采用此線路。如圖4所示;
 
c)熱電偶申聯及并聯的測量線路。此圖略;
d)溫差測量線路,如圖5所示。
 
3熱電偶測量誤差
3.1E-t關系誤差
　　熱電偶的熱電特性將隨其成分微觀結構以及應力變化而變化,因此,即使是同型號的熱電偶它們E-t的關系也是不一致的
3.2參考端溫度誤差
　　當參考端溫度不為零時產生誤差8,。
3.3補償導線誤差
　　所選用的補償導線的熱電特性與所配用的熱電偶不一致;補償導線與熱電偶參考段端的兩接點溫度不-致。
3.4電測儀表誤差
δα=量程x精度等級%,量程=上限-下限
3.5視差
　　由于儀表刻度間隔窄,讀數時對指針的位置的判斷的不正確也會引人誤差,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過熱電偶連接導線進入儀表,使儀表產生幾度~十幾度的誤差,甚至有時無法測量。
3.7傳熱誤差
　　因外界與熱電偶測量端之間的傳熱而引起測量端溫度與被測溫度之差。
3.8其它
　　還有速度誤差、動態響應誤差、安裝誤差以及催化效應引起的誤差。
　　以上介紹了熱電偶測溫過程中可能出現的一些誤差,這些誤差就其性質來說大體可分為兩大類:-類是系統誤差;另一類是偶然誤差。這些誤差有的僅在一定條件下才會出現，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、結構以及用途等可分成很多種,但使用者究竟選用哪--種熱電偶作為測溫元件比較合適,主要根據所要求的測溫范圍、熱電偶的靈敏度和測溫靈敏度及測量誤差而定。同時也考慮成本的高低、穩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:.
a)鉑銠10-鉑熱電偶
　　這是一種貴金屬熱電偶,熔點為1772℃,可長期使用于溫度≤1300℃的環境和短期使用于溫度≤1600℃環境中。其熱電性能較穩定,抗氧化性好。但不足之點是:價格昂貴、機械強度稍差、熱電勢小、且抗還原性較差。
b)鎳鉻-鎳硅熱電偶
　　500℃以下時可在氧化、還原及中性氣氛中可靠工作,其熱電勢較大,通常為鉑銠10-鉑的4~5倍,但在500℃以上測溫時,抗還原性也差，故常作為中溫熱電偶使用。它長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
　　這種熱電偶熱電勢相當大,約為60~70μV/C,能用于-200~600℃的溫度測試,是一種重要的低溫熱電偶。但在高溫下,考銅極易被氧化。長期使用≤600C,短期使用≤800℃。
4.2絕緣材料及保護管材料
　　熱電偶在測量回路中,除測量端以外的各部分之間,包括兩熱電極和連接導線之間，在整個測溫范圍內均要求有良好的絕緣,否則會有熱電勢損耗而引入誤差;甚至無法測量。絕緣材料種類很多,大體分為有機和無機兩大類。采用的是無機絕緣材料:氧化鋁(1600-1800℃)。
5熱電偶運用及分析
　　綜前所述,隨著生產與科技的高速發展,測量技術的不斷深化,目前熱電偶在工業生產中的地位更日益突出,運用更為廣泛。對于以生產半導體器件為主的來說,熱電偶在生產控制及測量中也有較大的比例,特別是對于前道擴散工序來說,熱電偶的使用更是必不可少。下面就以熱電偶在擴散工序中的使用為例鬧述熱電偶在實際運用。
5.1選材
　　由于在擴散工藝中,擴散爐溫大都在1000℃以上,且要求的精度高、穩定性好。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AC9/4和低電阻直流電位差計U]I(其精度為±0.05%),以保證測溫熱電偶產生的熱電勢數值能在直流電位差計上讀取。標準電池配用I極標準電池(其技術參數為:20C時電動勢實際值1.01850-1.01870V,年變化量<100μV=,配用工作電源:1.9-3.5V(工作時工作電流為32mA)。隨著精度高數字電壓表在位數和精度上的高速發展，目前直接讀數的測量已越來越多的使用數字表,如Agilent數字表直接測量,該方法簡單、方便.直觀、正確已得到廣泛的運用。
　　當正常使用鉑銠10一鉑熱電偶為擴散爐測溫時,其-般長度為最大插人深度的30%以上。加裝絕緣保護管起絕緣、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)。
　　對熱電偶測量端接頭的焊接工藝應加以足夠的重視,接點焊點質量的好壞將會對測量結果帶來直接影響。較常見的有斷路、熱電勢不穩和寄生電勢的產生等干擾的存在，因此要求焊點不僅要焊牢,而且要光滑,不得有砂眼和裂紋。另外，為減少傳熱誤差和動態響應誤差對測量結果帶來的影響,還須注意,焊點的直徑要盡量小，通常為熱電極直徑的2-3倍(即:1-1.5mm左右),在低溫測量中更應注意,將被焊的熱電極接電源正極,碳棒端接電源負極,以避免熱電偶測量的滲碳現象。對于標準熱電偶來說,一般采用點焊,要求熱電極絲不能扭結,焊接電壓由調壓器控制,要保證焊點光滑、且大小適中。正確的熱電偶焊接法如圖6所示。
 
5.2熱電偶的實際測溫方法
　　由前所述,熱電偶測溫其熱電勢與測量端和參考端兩接點溫度直接相關。其熱電勢的函數表達式為:
EAB(t,t0)=ƒAB(t)-ƒAB(t0)
(t,t0分別為測量端和參考端溫度)
　　在實際測溫時,t0的溫度就是環境溫度,它隨環境溫度的變化而變化,所以在測量中為簡化測量過程和提高測量精度,常設定t0為冰點溫度，即t0=0℃,那么ƒAB(t0)為一常數,也就是說，此時熱電偶的熱電勢僅與測量端溫度t有關。但在實際的運用中,熱電偶的長度受到一定的限制,因此,參考端溫度將直接受被測介質溫度和環境溫度的影響,常常使它難以保持為0℃，而經常表現為波動。為此引人補償導線將熱電偶參考端移至離熱源較遠以及環境溫度較恒定的地方,使測量結果得到較高的精度。補償導線的定義是:在一定的溫度條件范圍內,熱電性能與被補償熱電偶的熱電性能很相近的導線(鉑銠10-鉑熱電偶的補償導線是:銅-銅鎳合金,銅接正極,銅鎳接負極)。
　　但是,補償導線的引人并沒有能達到真正消除熱電偶參考端溫度不為0℃的影響,所以,通常在實際測溫時在補償導線的參考端用冰瓶作冰點補償,使參考端溫度保持為0℃。
總之,參考端溫度的恒定,對溫度測量的簡化以及測量結果的精度都有較明顯的改觀。特別是對標準熱電偶,意義更大。但這個重要的環節,卻常常被人們忽略,從而使測量結果與實際的數值產生誤差。
下面將就熱電偶參考端。≠0以及引人補償導線后兩種極性接法,所得到的熱電勢的值與實際值的誤差加以比較分析:
1)首先對熱電偶參考端t0≠0時的情況作討論分析
　　設測量端溫度為t,參考端溫度為t0如圖7所示，由中間溫度定律知,此時熱電勢:
EAB(t,tn)-EAB(t,t0)-EAB(tn.,t0)
　　可見，當參考端溫度tn,≠0時,熱電偶輸出的熱電勢將不等于EAB(t,t0),而引人誤差EAB(tn,t'0)。
2)再將在補償導線的極性被正接或反接的兩種情況下測得的熱電勢加以比較和分析:
a)正接:如前所述,對于常用熱電,偶鉑銠1-鉑,與之相配的補償導線是銅-銅鎳,正接的接法是銅極，接正,與鉑銠，極相接,銅鎳接負,與鉑絲相接,正接法如圖8所示:其總熱電勢為:
 
 
　　即,當補償導線正接時,熱電偶輸出的熱電勢就是爐溫的熱電勢。
b)補償導線反接時,如圖9所示。
　　其電勢為:
 
　　由此可見,補償導線極性接錯的話,將導致反參考端的溫度誤差就為不用補償導線的兩倍。這個誤差是相當可觀的，但它常被一些維修人員所忽視,應著重加以注意。
c)另外還有一個細小環節常引起測量誤差,且也極易被忽略:
　　在測溫過程中,測溫的間歇時間(停留時間),應受爐體恒溫周期的平衡時間以及熱電偶的動態響應速度的制約。實際操作時,應在每次調節完畢爐溫定值后,有充分的時間,使爐溫達到熱平衡方可測試。熱電偶每變換測一點都應使平衡時間不得低于2分鐘(此為高溫時，若測低溫時一般不得低于5分鐘),否則將引起測量誤差。
6對擴散爐測溫熱電偶的改進建議
　　參考“幾支熱電偶共用--套顯示儀表的測量線路”節,圖4所示，可將現行使用的單根單點熱電偶改裝成“單根"三點熱電偶。這里的“單根"是指將所有的熱電偶加裝在--個管內,并相互隔離絕緣;三點是指在單根管內(可用石英管)同裝三根各自有絕緣保護管的熱電偶,互相固定。三根熱電偶的長度由被測爐體的恒溫區長度所決定,三個熱電偶的測量端點分別為恒溫區的三個區域。參考端接補償導線經冰點進行0℃補償，然后通過一個多點轉換開關與顯示儀表相接。但須注意:多點轉換開關內的連線為避免干擾應采用同軸屏蔽線,并要焊接。這樣的熱電偶不僅在工作中能極大地縮短測量時間,而且對減小測量誤差等也有較大的貢獻。