热电偶传感器在半导体生产中应用分析

摘要:温度在半导体的生产中起着至关重要的作用。温度的检测和控制靠热电偶传感器,温度的正确不仅决定于测温的原理、热电偶传感器的类型、测量的设备,而且还决定于测试的方法。
1引言
　　热电偶传感器在半导体器件的生产中具有非常广泛的应用。对以半导体二、三极管为主体的生产厂家,主宰着全厂经济命脉的中枢无疑是器件质量。决定器件质量的重要环节则是半导体芯片的质量,而扩散工序中的扩散温度是决定芯片主要参数是否符合工艺需要的关键因素。因此，使扩散炉温度保持较高的正确性和均匀性,将是获得优质芯片的最基本保证。而扩散炉温度的精度和均匀性依赖于热电偶测温。所以生产技术人员、维修人员及操作人员在工作中掌握正确的测温方法、了解实际的测温原理非常必要。就热电偶的测温原理以及在测试中易产生、忽略的误差和在实践中的一些体会作简略地介绍。
　　温度测量的方法多种多样，热电偶测温则是较常见的一种,用热电偶测温具有以下六个特点:具有较高的测温精度;结构简单，便于维修;动态响应速度快;测温范围较宽;可以测量局部甚至“点"的温度;信号可远传,便于集成检测及自动控制。
　　由于热电偶具有上述特点,因此它在工业生产和科学试验中得到广泛的应用,然而热点偶的测温也具有局限性。一方面热电偶插人温场中会改变温场的原来状态,使被测温度稍偏离原来的实际温度;另--方面，由于热电偶材料熔点限制,温度上限不可能无限高。所以,尽管热电偶结构比较简单,但要使温度值正确可靠并不容易。测量时要根据热电偶的基本特点和其测温的基本原理,经过周密分析和反复的试验来选择适当的热电偶及测量方法。
2热电偶测温的基本原理及测量线路
　　热电偶温度计(简称热电偶)由热偶丝.参考端装置和电测仪表组成。热电现象:将两根不同成分的金属丝或合成丝A与B,焊接组成一个闭合回路,就称为热电偶。如图1所示。
 
　　A、B称为热偶丝、也叫热电极。若两个接点处于不.同的温度T和T0时,则在回路中就会产生电流,相应于两个接点处产生的电动势称之为温差电动势或简称热电动势。这种由温度不同而产生电势的现象就叫热电现象。也叫热电转化现象,而热电偶即是热电现象的具体体现形式。当热电偶两端温度T≠T0时(一般T为测量端温度,T0为参考.端温度),回路中就有电流存在,产生这种电流的电动势叫热电势:E=EAB(T,T,),这种现象就是热电现象的本质体现。当参考端T0保持恒定时,热电势E只是测量温度T的函数，这就是热电偶测温的理论基础。
2.1热电偶回路的热电势
　　由物理学可知:热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。接触电势的大小与接头处的温度和两种接触金属的种类有关;而温差电势的大小仅与导体的种类和两端的温度大小有关。
　　在热电偶回路中,两电极接触有接触电势EAB(T)和EAB(T0),A和B间有温差电势EA(T,T0)和EB(T,T0),当T>T0时，则各电势的方向如图2所示。
 
　　回路的总电势EAB(T,T0)称作赛贝克(seebeek)电势,它等于回路中各电势的代数和,即:
 
　　此式表示出了热电偶的热电势与温度的关系。如果使参考端温度恒定,则ƒAB(T0)为常数,于是回路热电势EAB(T,T0)就只与温度T有关,而且T是单值函数，这就是应用热电偶测温的基本原理。
2.2热电偶测温的基本定律
　　由热电偶测温原理和试验总结出三个基本定律:均质导体定律;中间导体定律;中间温度定律。这三个基本定律完整地概括了温差电路的基本性质,是热电偶实际测温的重要理论基础和指导准则。
　　均质导体定律:热电偶回路中,热电势的数值仅与热电极的材料、均匀性以及两端温度有关，而与热电极的长度,直径等无关。
　　中间导体定律:在热电偶回路中,只要中间导体两端温度相同,那么,接人中间导体后,对热电偶回路的总电势没有影响。即在利用热电偶测温时,显示仪表或连接导线可看作中间导体。
　　中间温度定律:热电偶接点温度为T和T0的热电势,等于接点温度分别为T、Tn和Tn,T0时相应的热电势的代数和。根据此定律可推出:当接入与热电偶同样热电性质组成较低的补偿导线时,相当于把热电偶延长而不影响热电偶的热电势。这就为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。
2.3热电偶测温的基本线路
　　在实际测温中，由于测温对象和测温要求的不同,不仅.应根据具体情况恰当地选用热电偶和显示仪表,同时还必须有合适的测量线路:
a) 单支热电偶配-套测量仪表的测量线路,如图3所示，此线路目前的应用较为广泛;
 
b)几支热电偶共用--套测量仪表的测量线路,国外大多采用此线路。如图4所示;
 
c)热电偶申联及并联的测量线路。此图略;
d)温差测量线路,如图5所示。
 
3热电偶测量误差
3.1E-t关系误差
　　热电偶的热电特性将随其成分微观结构以及应力变化而变化,因此,即使是同型号的热电偶它们E-t的关系也是不一致的
3.2参考端温度误差
　　当参考端温度不为零时产生误差8,。
3.3补偿导线误差
　　所选用的补偿导线的热电特性与所配用的热电偶不一致;补偿导线与热电偶参考段端的两接点温度不-致。
3.4电测仪表误差
δα=量程x精度等级%,量程=上限-下限
3.5视差
　　由于仪表刻度间隔窄,读数时对指针的位置的判断的不正确也会引人误差,即视差。
3.6干扰误差
　　由于屏蔽和接触不良而引人的干扰电压经过热电偶连接导线进入仪表,使仪表产生几度~十几度的误差,甚至有时无法测量。
3.7传热误差
　　因外界与热电偶测量端之间的传热而引起测量端温度与被测温度之差。
3.8其它
　　还有速度误差、动态响应误差、安装误差以及催化效应引起的误差。
　　以上介绍了热电偶测温过程中可能出现的一些误差,这些误差就其性质来说大体可分为两大类:-类是系统误差;另一类是偶然误差。这些误差有的仅在一定条件下才会出现，有的则通过一定措施可以忽略。
4热电极的选配、绝缘材料及保护管材料
4.1热电极的选配
　　热电偶的种类较多,按照热电极的材料、使用温度范围、结构以及用途等可分成很多种,但使用者究竟选用哪--种热电偶作为测温元件比较合适,主要根据所要求的测温范围、热电偶的灵敏度和测温灵敏度及测量误差而定。同时也考虑成本的高低、稳定性和互换性等因素。
　　下面着重介绍几种常用热电偶的性质:.
a)铂铑10-铂热电偶
　　这是一种贵金属热电偶,熔点为1772℃,可长期使用于温度≤1300℃的环境和短期使用于温度≤1600℃环境中。其热电性能较稳定,抗氧化性好。但不足之点是:价格昂贵、机械强度稍差、热电势小、且抗还原性较差。
b)镍铬-镍硅热电偶
　　500℃以下时可在氧化、还原及中性气氛中可靠工作,其热电势较大,通常为铂铑10-铂的4~5倍,但在500℃以上测温时,抗还原性也差，故常作为中温热电偶使用。它长期工作的最高温度为1000℃,短期工作最高温度是1200℃。
e)镍铬--考铜
　　这种热电偶热电势相当大,约为60~70μV/C,能用于-200~600℃的温度测试,是一种重要的低温热电偶。但在高温下,考铜极易被氧化。长期使用≤600C,短期使用≤800℃。
4.2绝缘材料及保护管材料
　　热电偶在测量回路中,除测量端以外的各部分之间,包括两热电极和连接导线之间，在整个测温范围内均要求有良好的绝缘,否则会有热电势损耗而引入误差;甚至无法测量。绝缘材料种类很多,大体分为有机和无机两大类。采用的是无机绝缘材料:氧化铝(1600-1800℃)。
5热电偶运用及分析
　　综前所述,随着生产与科技的高速发展,测量技术的不断深化,目前热电偶在工业生产中的地位更日益突出,运用更为广泛。对于以生产半导体器件为主的来说,热电偶在生产控制及测量中也有较大的比例,特别是对于前道扩散工序来说,热电偶的使用更是必不可少。下面就以热电偶在扩散工序中的使用为例闹述热电偶在实际运用。
5.1选材
　　由于在扩散工艺中,扩散炉温大都在1000℃以上,且要求的精度高、稳定性好。所以,热电极材料大都采用贵金属材料铂铑-铂,其直径取0.5mm。鉴于铂铑10-铂热电偶的热电势较小,所以过去常与其配套的显示仪表用灵敏度较高的直流反射式检流计AC9/4和低电阻直流电位差计U]I(其精度为±0.05%),以保证测温热电偶产生的热电势数值能在直流电位差计上读取。标准电池配用I极标准电池(其技术参数为:20C时电动势实际值1.01850-1.01870V,年变化量<100μV=,配用工作电源:1.9-3.5V(工作时工作电流为32mA)。随着精度高数字电压表在位数和精度上的高速发展，目前直接读数的测量已越来越多的使用数字表,如Agilent数字表直接测量,该方法简单、方便.直观、正确已得到广泛的运用。
　　当正常使用铂铑10一铂热电偶为扩散炉测温时,其-般长度为最大插人深度的30%以上。加装绝缘保护管起绝缘、支撑与固定作用,其材料选用纯度较高的氧化铝管(含量95%以上)。
　　对热电偶测量端接头的焊接工艺应加以足够的重视,接点焊点质量的好坏将会对测量结果带来直接影响。较常见的有断路、热电势不稳和寄生电势的产生等干扰的存在，因此要求焊点不仅要焊牢,而且要光滑,不得有砂眼和裂纹。另外，为减少传热误差和动态响应误差对测量结果带来的影响,还须注意,焊点的直径要尽量小，通常为热电极直径的2-3倍(即:1-1.5mm左右),在低温测量中更应注意,将被焊的热电极接电源正极,碳棒端接电源负极,以避免热电偶测量的渗碳现象。对于标准热电偶来说,一般采用点焊,要求热电极丝不能扭结,焊接电压由调压器控制,要保证焊点光滑、且大小适中。正确的热电偶焊接法如图6所示。
 
5.2热电偶的实际测温方法
　　由前所述,热电偶测温其热电势与测量端和参考端两接点温度直接相关。其热电势的函数表达式为:
EAB(t,t0)=ƒAB(t)-ƒAB(t0)
(t,t0分别为测量端和参考端温度)
　　在实际测温时,t0的温度就是环境温度,它随环境温度的变化而变化,所以在测量中为简化测量过程和提高测量精度,常设定t0为冰点温度，即t0=0℃,那么ƒAB(t0)为一常数,也就是说，此时热电偶的热电势仅与测量端温度t有关。但在实际的运用中,热电偶的长度受到一定的限制,因此,参考端温度将直接受被测介质温度和环境温度的影响,常常使它难以保持为0℃，而经常表现为波动。为此引人补偿导线将热电偶参考端移至离热源较远以及环境温度较恒定的地方,使测量结果得到较高的精度。补偿导线的定义是:在一定的温度条件范围内,热电性能与被补偿热电偶的热电性能很相近的导线(铂铑10-铂热电偶的补偿导线是:铜-铜镍合金,铜接正极,铜镍接负极)。
　　但是,补偿导线的引人并没有能达到真正消除热电偶参考端温度不为0℃的影响,所以,通常在实际测温时在补偿导线的参考端用冰瓶作冰点补偿,使参考端温度保持为0℃。
总之,参考端温度的恒定,对温度测量的简化以及测量结果的精度都有较明显的改观。特别是对标准热电偶,意义更大。但这个重要的环节,却常常被人们忽略,从而使测量结果与实际的数值产生误差。
下面将就热电偶参考端。≠0以及引人补偿导线后两种极性接法,所得到的热电势的值与实际值的误差加以比较分析:
1)首先对热电偶参考端t0≠0时的情况作讨论分析
　　设测量端温度为t,参考端温度为t0如图7所示，由中间温度定律知,此时热电势:
EAB(t,tn)-EAB(t,t0)-EAB(tn.,t0)
　　可见，当参考端温度tn,≠0时,热电偶输出的热电势将不等于EAB(t,t0),而引人误差EAB(tn,t'0)。
2)再将在补偿导线的极性被正接或反接的两种情况下测得的热电势加以比较和分析:
a)正接:如前所述,对于常用热电,偶铂铑1-铂,与之相配的补偿导线是铜-铜镍,正接的接法是铜极，接正,与铂铑，极相接,铜镍接负,与铂丝相接,正接法如图8所示:其总热电势为:
 
 
　　即,当补偿导线正接时,热电偶输出的热电势就是炉温的热电势。
b)补偿导线反接时,如图9所示。
　　其电势为:
 
　　由此可见,补偿导线极性接错的话,将导致反参考端的温度误差就为不用补偿导线的两倍。这个误差是相当可观的，但它常被一些维修人员所忽视,应着重加以注意。
c)另外还有一个细小环节常引起测量误差,且也极易被忽略:
　　在测温过程中,测温的间歇时间(停留时间),应受炉体恒温周期的平衡时间以及热电偶的动态响应速度的制约。实际操作时,应在每次调节完毕炉温定值后,有充分的时间,使炉温达到热平衡方可测试。热电偶每变换测一点都应使平衡时间不得低于2分钟(此为高温时，若测低温时一般不得低于5分钟),否则将引起测量误差。
6对扩散炉测温热电偶的改进建议
　　参考“几支热电偶共用--套显示仪表的测量线路”节,图4所示，可将现行使用的单根单点热电偶改装成“单根"三点热电偶。这里的“单根"是指将所有的热电偶加装在--个管内,并相互隔离绝缘;三点是指在单根管内(可用石英管)同装三根各自有绝缘保护管的热电偶,互相固定。三根热电偶的长度由被测炉体的恒温区长度所决定,三个热电偶的测量端点分别为恒温区的三个区域。参考端接补偿导线经冰点进行0℃补偿，然后通过一个多点转换开关与显示仪表相接。但须注意:多点转换开关内的连线为避免干扰应采用同轴屏蔽线,并要焊接。这样的热电偶不仅在工作中能极大地缩短测量时间,而且对减小测量误差等也有较大的贡献。