CN107806941B - 一种温度传感器及测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种温度传感器及测温方法，所述温度传感器包括：SiCN柱型主体、设于所述SiCN柱型主体内的空腔、两个分立设置的SiCN电极、设于所述SiCN电极尾端的金属电极、设于所述SiCN柱型主体轴向尾端的密封层以及覆盖于所述SiCN柱型主体外表面的SiC层。本发明的温度传感器基于聚合物衍生SiCN材料，具有高温稳定性，且聚合物衍生SiCN材料的介电常数随着温度的升高而增大，可通过测试SiCN材料电学特性的变化来监测温度。SiCN与SiC的热膨胀系数非常相近，这两种材料的膨胀能够相互匹配，从而避免裂纹的产生。同时，SiC材料高度耐腐蚀，能够保护其内部的SiCN材料，进一步提高温度传感器的寿命。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造领域，涉及一种温度传感器及测温方法。
背景技术
在300nm晶圆上制备外延层通常是基于单晶片反应器化学气相沉积。在这种情况下，单片晶圆被放置在基座上，并在外延工艺过程中通过加热灯管将晶圆加热至1100℃。晶圆中径向上温度的均匀分布对于高质量外延层必不可少，因为晶圆边缘与晶圆中心不同的温度将导致热应力，使外延层产生滑移位错线。因此，直接测量温度分布将有利于提供有价值的信息，以优化加热与冷却功率，从而提高温度分布均匀性。
在ASM外延设备中采用热电偶(Thermocouple，TC)作为温度传感器。热电偶被放置在基座的不同区域，以获得与被测物体的直接热接触。
热电偶通常采用贵金属制作，并需要包裹在石英管中，以防止高温工艺过程中外延硅层被金属污染。在每次预防性维护(PM cycle)中，热电偶都需要被更换，以防止石英管破裂。
为了降低成本，需要提供一种具有较长寿命的温度传感器。考虑到反应腔内的恶劣环境(包括高达1200℃的温度以及充满腐蚀性气体)，仍需要寻找新型材料及传感方法。
因此，如何提供一种新的温度传感器及测温方法，以提高温度传感器的使用寿命，并方便快速地监测温度变化，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种温度传感器及测温方法，用于解决现有技术中温度传感器寿命短、材料不稳定的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种温度传感器，所述温度传感器包括：
SiCN柱型主体；
设于所述SiCN柱型主体内的空腔；所述空腔贯穿所述SiCN柱型主体的轴向尾端，但未贯穿所述SiCN柱型主体的轴向顶端；
设于所述SiCN柱型主体轴向尾端侧壁上的一对开槽；这一对开槽与所述空腔连通，将所述SiCN柱型主体的轴向尾端划分为两个分立设置的SiCN电极；
设于所述SiCN电极尾端的金属电极；所述金属电极与所述SiCN电极之间形成欧姆接触；
设于所述SiCN柱型主体轴向尾端的密封层；所述密封层将所述空腔尾端及所述开槽封闭，并暴露出所述金属电极的至少一部分；
覆盖于所述SiCN柱型主体外表面的SiC层。
可选地，所述空腔使所述SiCN柱型主体构成谐振腔，当对所述温度传感器施加一个射频信号，可通过所述金属电极测得谐振腔的谐振频率fr，fr与成比例，其中，εSiCN为SiCN的介电常数，εSiCN随温度的上升而增大。
可选地，所述SiCN柱型主体为圆柱体型或矩形柱型。
可选地，所述空腔为圆柱体型或矩形柱型。
可选地，所述SiCN柱型主体采用聚合物衍生陶瓷法制备的SiCN。
可选地，所述金属电极自所述SiCN电极表面向外依次包括Ni层、W层及Ti层。
可选地，所述Ni层与所述SiCN电极的界面形成有镍硅合金层，所述Ni层与W层的界面形成有WC层，所述W层与Ti层的界面形成有TiN层。
可选地，所述镍硅合金层包括Ni2Si及Ni3Si5中的至少一种。
可选地，所述镍硅合金层、WC层及TiN层是通过退火得到，退火过程中，所述Ni层与所述SiCN电极反应生成所述镍硅合金层，所述SiCN电极与所述Ni层之间残余的C与N分别与所述W层与Ti层反应，生成所述WC层与TiN层。
可选地，所述退火温度为400-800℃。
可选地，所述密封层的材质包括二氧化硅。
可选地，所述温度传感器还包括O型密封圈；当所述温度传感器通过设于待测腔体上的通孔伸入待测腔体内时，所述O型密封圈用以密封所述温度传感器外壁与所述通孔之间的间隙。
本发明还提供一种测温方法，所述测温方法采用上述任意一项所述的温度传感器。
可选地，将所述SiCN柱型主体的轴向顶端及所述空腔的的至少一部分伸入待测腔体，以测量待测腔体内物体的温度。
可选地，所述物体为晶圆，所述待测腔体的侧壁至少设有三个所述温度传感器，这三个温度传感器分别靠近所述晶圆边缘的不同部位；所述待测腔体底部设有至少一个所述温度传感器，这个温度传感器靠近所述晶圆的中心。
可选地，通过连接于所述金属电极的矢量网络分析仪测试所述温度传感器的谐振频率，间接测得被测物体的温度。
如上所述，本发明的温度传感器及测温方法，具有以下有益效果：本发明设计了一种基于SiCN材料的具有高温稳定性的温度传感器。SiCN材料采用聚合物衍生陶瓷法(PDC)制备。PDC是通过热解聚合物前驱体实现的，聚合物衍生SiCN材料的介电常数随着温度的升高而增大。因此，可通过测试SiCN材料电学特性的变化来监测温度。为了提高温度传感器的寿命，在SiCN表面覆盖了一层SiC。由于SiCN与SiC的热膨胀系数(CTE)非常相近，这两种材料的膨胀能够相互匹配，从而避免裂纹的产生。同时，SiC材料高度耐腐蚀，能够保护其内部的SiCN材料，进一步提高温度传感器的寿命。
附图说明
图1显示为本发明的温度传感器的剖视图。
图2显示为图1所示结构的A-A向剖视图。
图3显示为图1所示结构的B-B向剖视图。
图4显示为图1所示结构的C-C向剖视图。
图5显示为本发明的温度传感器中SiCN柱型主体的立体图。
图6显示为本发明的温度传感器中SiCN柱型主体的侧视图。
图7-图8显示为本发明的温度传感器中电极结构示意图。
图9显示为利用矢量网络分析仪测试所述温度传感器的谐振频率的示意图。
图10显示为在不同温度下测得的谐振谱图。
图11显示为待测腔体上的温度传感器分布的俯视视角图。
图12显示为待测腔体上的温度传感器分布的侧视视角图。
图13显示为一种制备所述温度传感器的方法的工艺流程图。
元件标号说明
1 SiCN柱型主体
2 空腔
3 开槽
4 SiCN电极
5 金属电极
6 密封层
7 SiC层
8 O型密封圈
9 矢量网络分析仪
10 晶圆
11 待测腔体
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图13。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种温度传感器，请参阅图1，显示为所述温度传感器的剖视图，包括：SiCN柱型主体1、空腔2、一对开槽、SiCN电极4、金属电极5、密封层6及SiC层7。图2、3、4分别显示为图1所示结构的A-A向、B-B向、C-C向剖视图，图5显示为所述SiCN柱型主体1的立体图，图6显示为所述SiCN柱型主体1的侧视图。
具体的，所述空腔2设于所述SiCN柱型主体1内，且贯穿所述SiCN柱型主体1的轴向尾端，但未贯穿所述SiCN柱型主体的轴向顶端。
所述开槽3设于所述SiCN柱型主体1轴向尾端侧壁上；这一对开槽3与所述空腔2连通，将所述SiCN柱型主体1的轴向尾端划分为两个分立设置的SiCN电极4。
所述金属电极5设于所述SiCN电极4尾端，且所述金属电极5与所述SiCN电极4之间形成欧姆接触。
所述密封层6设于所述SiCN柱型主体1轴向尾端，将所述空腔1尾端及所述开槽3封闭，并暴露出所述金属电极5的至少一部分。
所述SiC层7覆盖于所述SiCN柱型主体1外表面。
具体的，所述SiCN柱型主体1可以为但不限于圆柱体型或矩形柱型，所述空腔2可以为但不限于圆柱体型或矩形柱型。本实施例中，所述SiCN柱型主体1及所述空腔2均优选为圆柱体型。
作为示例，所述SiCN柱型主体1采用聚合物衍生陶瓷法制备的SiCN。聚合物衍生陶瓷(Polymer-Derived Ceramics，PDC)法是一种原位制备陶瓷涂层的技术，是将有机聚合物前驱体进行高温裂解处理，使之从有机聚合物转变为无机陶瓷材料的方法与工艺，其优点是制备工艺简单，前驱体丰富，陶瓷组成、结构和性能可设计和调控，成型和加工容易。
聚合物衍生SiCN材料的介电常数随着温度的升高而增大。因此，可通过测试SiCN材料电学特性的变化来监测温度。
为了提高温度传感器的寿命，在SiCN表面覆盖了一层SiC。由于SiCN与SiC的热膨胀系数(Coefficients of Temperature Expansion，CTE)非常相近，这两种材料的膨胀能够相互匹配，从而避免裂纹的产生。同时，SiC材料高度耐腐蚀，能够保护其内部的SiCN材料，进一步提高温度传感器的寿命。
作为示例，所述SiC层7通过化学气相沉积法形成于所述SiCN柱型主体1外表面。
具体的，为了使所述金属电极5与所述SiCN电极4之间形成良好的欧姆接触，本实施例中，所述金属电极5自所述SiCN电极4表面向外依次包括Ni层、W层及Ti层(如图7所示)。其中，所述Ni层可以与所述SiCN电极4之间的界面可形成镍硅合金层，该合金层作为过渡层，有利于SiCN陶瓷与金属之间的欧姆接触。作为示例，所述镍硅合金层包括Ni2Si及Ni3Si5中的至少一种。
由于SiCN陶瓷与金属之间残余的C和N能够抵消欧姆接触，本发明通过在金属电极中进一步设置W层与Ti层，使W层与Ti层与C、N反应，生成WC层与TiN层，从而避免了这个问题(如图8所示)。其中，所述WC层形成于所述Ni层与W层的界面，所述TiN层形成于所述W层与Ti层的界面。
作为示例，所述镍硅合金层、WC层及TiN层是通过退火得到，退火过程中，所述Ni层与所述SiCN电极反应生成所述镍硅合金层，所述SiCN电极与所述Ni层之间残余的C与N分别与所述W层与Ti层反应，生成所述WC层与TiN层。本实施例中，所述退火温度优选为400-800℃。
具体的，所述空腔2使所述SiCN柱型主体1构成谐振腔，所述密封层6将所述空腔1尾端及所述开槽3封闭，使得所述谐振腔为封闭式谐振腔。本实施例中，所述密封层6的材质优选为二氧化硅。
具体的，所述电学特性可以是谐振腔的谐振频率。当对所述温度传感器施加一个射频信号，可通过所述金属电极5测得谐振腔的谐振频率fr，fr与成比例，其中，εSiCN为SiCN的介电常数。由于εSiCN随温度的上升而增大，谐振频率fr将随着温度的升高而下降。因此，通过测量谐振频率的变化即可测量温度。
作为示例，如图9所示，可通过连接于所述金属电极5的矢量网络分析仪9测试所述温度传感器的谐振频率，间接测得被测物体的温度。其中，所述温度传感器还包括O型密封圈8；当所述温度传感器通过设于待测腔体上的通孔伸入待测腔体内时，所述O型密封圈8用以密封所述温度传感器外壁与所述通孔之间的间隙。
请参阅图10，显示为在不同温度下测得的谐振谱图，其中谐振频率f1与f2分别对应温度T1与T2。
本发明设计了一种基于SiCN材料的具有高温稳定性的温度传感器。SiCN材料采用聚合物衍生陶瓷法(PDC)制备。PDC是通过热解聚合物前驱体实现的，聚合物衍生SiCN材料的介电常数随着温度的升高而增大。因此，可通过测试SiCN材料电学特性的变化来监测温度。为了提高温度传感器的寿命，在SiCN表面覆盖了一层SiC。由于SiCN与SiC的热膨胀系数(CTE)非常相近，这两种材料的膨胀能够相互匹配，从而避免裂纹的产生。同时，SiC材料高度耐腐蚀，能够保护其内部的SiCN材料，进一步提高温度传感器的寿命。
实施例二
本发明还提供一种测温方法，所述测温方法采用实施例一中所述的温度传感器。
作为示例，将所述SiCN柱型主体1的轴向顶端及所述空腔2的的至少一部分伸入待测腔体，以测量待测腔体内物体的温度。
作为示例，如图11及图12所示，所述物体为晶圆10，所述待测腔体11的侧壁至少设有三个所述温度传感器，这三个温度传感器分别靠近所述晶圆边缘的不同部位，以感应晶圆边缘的温度；所述待测腔体底部设有至少一个所述温度传感器，这个温度传感器靠近所述晶圆的中心，以感应晶圆中心的温度。
作为示例，通过连接于所述金属电极的矢量网络分析仪测试所述温度传感器的谐振频率，间接测得被测物体的温度。具体请参见实施例一相关部分，此处不再赘述。
根据测得的晶圆边缘各个点的温度及晶圆中心的温度，可以得到晶圆温度分布信息，从而有利于及时采取措施，例如优化加热与冷却功率，来提高晶圆温度分布的均匀性，从而提高外延层的质量。
实施例三
本发明中，所述SiCN柱型主体1采用聚合物衍生陶瓷法制备的SiCN，请参阅图13，显示为一种制备所述温度传感器的方法的工艺流程图，包括如下步骤：
1)将聚硅氮烷与过氧化二异丙苯混合以形成前驱体；
2)将前驱体在140℃下交联以形成不溶性的固体聚合物；
3)将固体聚合物粉碎为细粉；
4)将粉末压制成温度传感器的形状；
5)在1400℃下热解得到SiCN；
6)通过化学气相沉积法在SiCN表面沉积得到SiC层。
至此，完成了所述SiCN柱型主体及其表面SIC层的制备，接着进行金属电极的制作，其中可通过退火使得金属层与SiCN电极之间形成欧姆接触，最后制作所述密封层，形成封闭谐振腔。
在其它实施例中，采用聚合物衍生陶瓷法制备的SiCN的各项工艺条件可根据需要进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。
综上所述，本发明设计了一种基于SiCN材料的具有高温稳定性的温度传感器。SiCN材料采用聚合物衍生陶瓷法(PDC)制备。PDC是通过热解聚合物前驱体实现的，聚合物衍生SiCN材料的介电常数随着温度的升高而增大。因此，可通过测试SiCN材料电学特性的变化来监测温度。为了提高温度传感器的寿命，在SiCN表面覆盖了一层SiC。由于SiCN与SiC的热膨胀系数(CTE)非常相近，这两种材料的膨胀能够相互匹配，从而避免裂纹的产生。同时，SiC材料高度耐腐蚀，能够保护其内部的SiCN材料，进一步提高温度传感器的寿命。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (16)
1.一种温度传感器，其特征在于，所述温度传感器包括：
SiCN柱型主体；
设于所述SiCN柱型主体内的空腔；所述空腔贯穿所述SiCN柱型主体的轴向尾端，但未贯穿所述SiCN柱型主体的轴向顶端；
设于所述SiCN柱型主体轴向尾端侧壁上的一对开槽；这一对开槽与所述空腔连通，将所述SiCN柱型主体的轴向尾端划分为两个分立设置的SiCN电极；
设于所述SiCN电极尾端的金属电极；所述金属电极与所述SiCN电极之间形成欧姆接触；
设于所述SiCN柱型主体轴向尾端的密封层；所述密封层将所述空腔尾端及所述开槽封闭以形成封闭谐振腔，并暴露出所述金属电极的至少一部分；
覆盖于所述SiCN柱型主体外表面的SiC层。
2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述空腔使所述SiCN柱型主体构成谐振腔，当对所述温度传感器施加一个射频信号，可通过所述金属电极测得谐振腔的谐振频率fr，fr与成比例，其中，εSiCN为SiCN的介电常数，εSiCN随温度的上升而增大。
3.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述SiCN柱型主体为圆柱体型或矩形柱型。
4.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述空腔为圆柱体型或矩形柱型。
5.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述SiCN柱型主体采用聚合物衍生陶瓷法制备的SiCN。
6.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述金属电极自所述SiCN电极表面向外依次包括Ni层、W层及Ti层。
7.根据权利要求6所述的温度传感器，其特征在于：所述Ni层与所述SiCN电极的界面形成有镍硅合金层，所述Ni层与W层的界面形成有WC层，所述W层与Ti层的界面形成有TiN层。
8.根据权利要求7所述的温度传感器，其特征在于：所述镍硅合金层包括Ni2Si及Ni3Si5中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的温度传感器，其特征在于：所述镍硅合金层、WC层及TiN层是通过退火得到，退火过程中，所述Ni层与所述SiCN电极反应生成所述镍硅合金层，所述SiCN电极与所述Ni层之间残余的C与N分别与所述W层与Ti层反应，生成所述WC层与TiN层。
10.根据权利要求9所述的温度传感器，其特征在于：所述退火温度为400-800℃。
11.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述密封层的材质包括二氧化硅。
12.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述温度传感器还包括O型密封圈；当所述温度传感器通过设于待测腔体上的通孔伸入待测腔体内时，所述O型密封圈用以密封所述温度传感器外壁与所述通孔之间的间隙。
13.一种测温方法，其特征在于：所述测温方法采用如权利要求1-12任意一项所述的温度传感器。
14.根据权利要求13所述的测温方法，其特征在于：将所述SiCN柱型主体的轴向顶端及所述空腔的的至少一部分伸入待测腔体，以测量待测腔体内物体的温度。
15.根据权利要求14所述的测温方法，其特征在于：所述物体为晶圆，所述待测腔体的侧壁至少设有三个所述温度传感器，这三个温度传感器分别靠近所述晶圆边缘的不同部位；所述待测腔体底部设有至少一个所述温度传感器，这个温度传感器靠近所述晶圆的中心。
16.根据权利要求13所述的测温方法，其特征在于：通过连接于所述金属电极的矢量网络分析仪测试所述温度传感器的谐振频率，间接测得被测物体的温度。
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