CN108139275B - 温度探针 - Google Patents

Abstract

一种用于室中的温度探针。温度探针包括中空的支架，支架安装在室的地板上且配备有侧孔。温度探针进一步包括固定至支架的顶部的盖帽。盖帽的底表面包括涂层。温度探针还包括垂直于支架设置的光管，以及围绕光管设置的护罩。盖帽的顶表面与其温度正在被测量的物体的底表面共面。光管的感测端插入支架的侧孔中。护罩上的开口允许在光管的感测端和涂层之间传输光。光管和护罩穿过室的侧壁上的导孔。

Description

温度探针

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2016年9月20日提交的标题为“温度探针”的美国临时专利申请序列号62/397,135的优先权，其全部公开内容通过引用明确地并入本文。

技术领域

本发明的一个或多个实施例涉及温度探针领域，温度探针包括用在等离子体环境(例如灰化室)中的温度探针。

背景技术

温度测量在包括工业应用在内的许多环境中起着至关重要的作用。例如，在半导体行业中，通常由硅制成的半导体晶圆可以经过灰化处理，也称为等离子体灰化，以去除用于蚀刻晶圆的光刻胶。这个过程可以在灰化室中进行，在灰化室中可以产生等离子体以将晶圆加热到350℃或更高的温度。温度测量可以进一步在恶劣环境中执行，恶劣环境例如是由于等离子体的存在、高或低处理器以及极端温度等。与这些环境条件相兼容的温度传感器因此可能是必需的。

发明内容

总的来说，在一方面，本发明涉及一种用于室中的温度探针，包括：中空的、不透明的绝缘支架，所述支架安装在所述室的地板上，所述支架具有侧孔；盖帽，所述盖帽固定至所述支架的顶部，所述盖帽的底表面涂覆有涂层；光管，所述光管垂直于所述支架设置；和护罩，所述护罩设置在所述光管周围并且与所述光管同轴，其中所述盖帽的顶表面与其温度正在被测量的物体的底表面共面，其中所述光管的感测端插入所述支架的侧孔中，其中所述护罩是不透明的且具有开口，所述开口允许在所述光管的感测端和所述涂层之间传输光，所述开口与所述光管的所述感测端对准，并且所述光管的所述感测端被抛光成与所述光管的轴线呈45°的角度，并且其中所述光管和所述护罩穿过所述室的侧壁上的导孔。

总的来说，在一方面，本发明涉及一种用于室中的热电偶温度探针，包括：中空的、不透明的绝缘支架，所述支架安装在所述室的地板上，所述支架具有侧孔；热电偶；盖帽，所述盖帽固定至所述支架的顶部，所述热电偶固定至所述盖帽的底表面；和护罩，所述护罩垂直于所述支架设置，其中所述盖帽的顶表面与其温度正在被测量的物体的底表面共面，其中所述护罩插入所述支架的侧孔中，其中所述热电偶的引线经由所述支架穿过所述护罩，并且其中所述护罩穿过所述室的侧壁上的导孔。

总的来说，在一方面，本发明涉及一种使用光纤测温系统测量室内物体的温度的方法，所述系统包括：磷光体温度探针，所述探针包括：中空的、不透明的绝缘支架，所述支架安装在所述室的地板上，所述支架具有侧孔；盖帽，所述盖帽固定至所述支架的顶部，所述盖帽的底表面涂覆有磷光体；光管，所述光管垂直于所述支架设置；和护罩，所述护罩设置在所述光管周围并且与所述光管同轴，其中所述盖帽的顶表面与其温度正在被测量的物体的底表面共面，其中所述光管的感测端插入所述支架的侧孔中，其中所述护罩是不透明的且具有开口，所述开口允许在所述光管的感测端和所述磷光体之间传输光，所述开口与所述光管的所述感测端对准，并且所述光管的所述感测端被抛光成与所述光管的轴线呈45°的角度，并且其中所述光管和所述护罩穿过所述室的侧壁上的导孔；光纤温度仪器，所述光纤温度仪器包括光源和光检测器；和光纤电缆，所述光纤电缆光学地设置在所述磷光体温度探针和所述光纤温度仪器之间，所述方法包括：通过所述光源产生光脉冲；通过所述光管将所述光脉冲传播至所述磷光体；用所述光脉冲激发所述磷光体；通过所述光管将由被激发的所述磷光体发射的光传播至所述光检测器；根据时间来测量被激发的所述磷光体发射的光的强度；和根据时间将测量到的强度转换成温度。

附图说明

图1是根据本发明的一个或多个实施例的灰化室的立体示意图。

图2是根据本发明的一个或多个实施例的灰化室的平面示意图。

图3是根据本发明的一个或多个实施例的灰化室的侧视示意图。

图4A至图4C是根据本发明的一个或多个实施例的温度探针的各个部分的示意图。

图5是根据本发明的一个或多个实施例的光纤测温系统的立体图。

具体实施例

现在将参照附图详细描述本发明的具体实施例。为了一致性，各个附图中的相似元件由相同的附图标记表示。

在本发明的实施例的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明更透彻的理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，众所周知的特征并没有予以详细描述，以避免不必要地使描述复杂化。

在以下讨论和在权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放式方式使用，因此应当解释为意指“包括但不限于......”。此外，术语“相连”旨在表示间接连接或直接连接。因此，如果第一部件连接到第二部件，则该连接可以是通过直接连接或通过经由其他部件、装置和连接件的间接连接。此外，术语“轴向”和“轴向地”通常意指沿着或平行于中心或纵向轴线，而术语“径向”和“径向地”通常意味着垂直于中心纵向轴线。

在整个申请中，序数(例如，第一、第二、第三等)可以用作元件(即，申请中的任何名词)的形容词。序数的使用并不意味着或并不创建任何特定的元件排序，也不限制任何元件只能是单个元件，除非明确地公开，例如通过使用术语“之前”、“之后”、“单个”等其他这样的术语。相反，序数的使用是为了区分这些元件。作为示例，第一元件不同于第二元件，并且第一元件可以包含不止一个元件并且可以在元件的排序中继第二元件之后或者先于第二元件。

在以下对图1-5的描述中，在本发明的各种实施例中，关于一个附图描述的任何部件可以等同于关于任何其他附图描述的一个或多个同名部件。为了简洁起见，这些部件的描述将不会在每个附图中重复。因此，每个附图的部件的每一个实施例都通过引用合并，并且假定为可选地存在于具有一个或多个同名部件的所有其他附图中。另外，根据本发明的各种实施例，一个附图的部件的任何描述将被解释为可选的实施例，其可以附加于，或连同，或代替在任何其他附图中关于相应的同名部件描述的实施例而被执行。

本公开涉及一种被称为温度探针的装置。更具体地，根据本发明的一个或多个实施例，本公开针对一种温度探针，其传感器表面也用作温度正在被监测的物体(例如半导体晶圆)的支撑件。

参照图1，在一个或多个实施例中，等离子体灰化室1，或简单地灰化室，可以在半导体行业中用作半导体晶圆(未示出)的生产的一部分。例如，灰化室1可以用于从经过蚀刻的晶圆上去除光刻胶。在这个过程中，晶圆11(如图3所示)可以在灰化室1中被加热到350℃或更高。通过在灰化室1中产生等离子体可以实现这些温度并且进行对晶圆的清洁。灰化室1是个小室，也许是圆柱形空腔，其被设计为将晶圆保持在例如确定一个平面的三个点处。然而，灰化室1也可以是不偏离本发明的其他形状。灰化室1可以具有盖子8(如图3所示)，盖子在关闭时提供气密密封。这三个点可以是安装在灰化室1的地板3上并且基本上正交于地板3的两个石英销2和穿过灰化室1的侧壁6上的导孔5的温度探针4。温度探针4可以与导孔5形成气密密封。气密密封可以用垫圈、O形环或本领域已知的其他手段来产生。温度探针可以包括安装在地板3上并且基本上正交于地板3的支架7。温度探针4将在下面结合图4A-4C更详细地论述。在一个或多个实施例中，灰化室1可以填充有氦气、氩气、氙气或另一种惰性气体。在一个或多个其他实施例中，灰化室1可以被排空。真空灰化室1的工作压力可以在几毫托至多托之间的范围内的任何值。替代地，灰化室也可以在大气压力下操作，或者甚至可以加压。灰化室中的温度可以超过200℃。

图2提供了灰化室1的一个或多个实施例的示意性平面图，示出了石英销2、包括支架7的温度探针4和导孔5的相对位置，其中导孔5允许温度探针4穿过灰化室1的侧壁6。

图3提供了一个或多个实施例的示意性侧视图。灰化室1具有通过盖子8可进入的内部。在一个或多个实施例中，温度探针4包括固定在支架7上的盖帽9和经由导孔穿过侧壁6的护罩10。盖帽9也可以被称为传感器。盖帽9可以是圆柱形的，具有顶表面13、底表面14和侧表面，如图4A进一步所示。在一个或多个实施例中，盖帽9的顶部可以为半导体晶圆11提供支撑。另外，盖帽9的顶部可以与晶圆11的底表面共面，从而在它们之间提供良好的热接触。

图4A-4C提供了温度探针4的一个或多个实施例的更多细节。在一个或多个实施例中，温度探针4可以是依赖于磷光体温度测定法的光纤温度探针。磷光体温度测定法用特定波长的光脉冲照射磷光体，激发磷光体，从而导致其发光。这种发射光的强度随着时间而降低，具有与温度呈函数关系的特征衰减时间。因此，通过激发磷光体12并且观察发射光的衰减，可以确定磷光体的温度，并且扩展地确定其所涂覆的物体的温度。

现在参照图4A，在一个或多个实施例中，磷光体温度探针4可以包括中空的、不透明的绝缘支架7。为了本公开的目的，不透明被定义为意指对在测量中使用的辐射的波长不透明。支架7的不透明性对于保持温度测量免受来自等离子体的辐射腐蚀而言是很重要的。支架7的绝缘特性进一步将支架7的内部与等离子体的影响隔离开来。由于绝缘，支架7还是热的不良导体。因此，来自晶圆11的热不会被吸走进入支架7中。因此，与支架7不是良好的绝缘体的情况相比，盖帽9可以更敏感地跟随晶圆的温度。支架是中空的，以提供用于朝向磷光体12的脉冲刺激辐射和由磷光体发射的辐射两者的光路。盖帽9可以固定至支架7的顶部。盖帽9可以使用粘合剂(adhesive)(可能是陶瓷粘合剂)来固定。在一个或多个实施例中，盖帽9包括铝。铝具有相对较低的热容，并且因此迅速地响应与铝接触的事物的温度变化。在半导体行业中的灰化室1的情况下，盖帽9的顶部13可以与晶圆11的底表面共面，从而提供对晶圆11的支撑和与晶圆11的良好的热接触。盖帽9的底部14可以涂覆磷光体12。可以用结合剂(binder)(例如与待测量的温度范围相匹配的化合物)来施加该涂层。本领域技术人员将会理解，替代地，涂层可以包括温敏荧光团，而不偏离本发明。支架7设有用于插入光管的侧孔15。

图4B呈现了磷光体温度探针4的光管16以及与光管16相关联的特征的一个或多个实施例。在一个或多个实施例中，光管16可以包括硅石、石英或蓝宝石。替代地，光管可以是中空管。光管16的感测端17可以插入支架7中的侧孔15中。在一个或多个实施例中，光管16的感测端17可以被抛光成45°的倾斜角度。在中空管被用作光管16的情况下，光管可以配备呈45°角的镜子，并且设置在感测端17处。

在一个或多个实施例中，盖帽9的轴线18可以与光管16的轴线19成直角放置。因此，光管16的被抛光的感测端17提供反射表面，以允许光从光管16通过支架7传播至磷光体涂层12，反之亦然。替代地，镜子将使光偏转，以允许光从光管16传播通过支架。光管16可以设有护罩10，以防止管16因暴露于室中的等离子体而降解，并且使可能由等离子体引入的测量噪声最小化。护罩10可以设置在光管16周围并且与其同轴。护罩10可以包括多个同轴层。多个同轴层的最内层可以是金属护套20。在一个或多个实施例中，金属护套20可以由不锈钢构成。在其他实施例中，可以使用陶瓷代替金属。金属护套20可以具有开口21以允许与磷光体12光学连通。护罩10还可以具有从金属护套20径向向外设置的石英层22。石英层22可以保护金属护套20免受在灰化室1的操作期间产生的等离子体的影响。

图4C示出了沿着光管16的光的双向传播，其被光管16的抛光的感测端17反射并且刺激磷光体12。

上面描述的温度探针4经过稍微修改可以用于高温测定法。高温测定法通过被动地观察物体发出的热辐射来测量该物体的温度。物体发出的热辐射与温度呈函数关系。当温度探针4基于高温测定法时，磷光体涂层12被替换为例如黑体涂层或具有已知发射率的任何其他涂层。

在一个或多个实施例中，温度探针4可以包括热电偶(未示出)。可以将热电偶锤顶至盖帽9上，并且将引线设置在光管16可以用于磷光体和高温测温探针的地方。然后引线可以连接至合适的仪器，以将热电偶的信号转换成温度。

本发明的一个或多个实施例有利地包围了整个测量路径，使得在盖帽9的底表面14处没有磷光体12直接暴露于等离子体。温度探针4的另一个优点在于它提供了固定表面，盖帽9的顶表面13与晶圆11的底表面共面。这确保了与晶圆良好的可重现的热接触，并且因此改善了工艺的一致性。因此，即使暴露在恶劣环境中，该设计也可以长时间提供精确和可靠的温度测量。

在一个或多个实施例中，温度探针4可以集成到光纤测温系统30中。参照图5，示出了磷光体温度探针4。磷光体温度探针4可以包括具有侧孔15的支架7，以及盖帽9，其中盖帽9的顶表面13支撑晶圆(未示出)并与其良好地热接触。磷光体温度探针4还可以包括由护罩10保护的光管16，护罩10包括具有开口21的、由石英层22围绕的金属护套20。探针4经由导孔5在灰化室的侧壁6处形成气密密封。磷光体温度探针4可以通过光纤电缆32连接至光纤温度仪器31。光纤温度仪器31可以包括光源、光检测器和单元，该单元将被检测光根据时间转换成温度。这种转换可以基于拟合信号的指数衰减，其中衰减的特征时间与磷光体涂层12的温度呈函数关系。

在利用光纤测温系统时，可以使用不同的光源和磷光体来测量特定温度范围内的温度。激光器或LED可以与兼容的磷光体组合以满足测量要求。例如，可见LED或激光器可以与磷光体匹配以覆盖一直到400℃的温度。这些磷光体可以通过位于紫外-近红外范围内的、具有特定波长或波长范围的光来激发。

与图5公开的系统类似的系统也可以用于高温测量和热电偶测量。

在一个或多个实施例中，温度探针4可以集成到高温测量系统中。通过高温测定法，人们可以测量物体表面发出的热辐射，以确定物体的表面温度。从物体表面发出的热辐射根据表面温度而增加，并且与物体或物体表面的称为发射率的性质成正比。发射率是物体或表面在发射作为热辐射的能量方面的有效性的量度。在利用高温测量系统时，如果已知表面的发射率，则对被观察的物体的被动观察允许确定温度。因此，在高温测量系统中不需要光源。可以使用高温计传感器(例如红外辐射通量传感器)来直接测量黑体涂层的发射物，例如通过设计为中空管的光管的发射物。

参照图5可以公开根据一个或多个实施例的测量室内的温度的方法。在一个或多个实施例中，光纤仪器31的光源可以产生光脉冲。光脉冲可以通过光纤电缆32传播至温度探针4的光管16。光脉冲可以在光管16的被抛光的感测端处被反射朝向盖帽9上的磷光体涂层12。这种脉冲光的颜色(或波长或频率)可以被选择，以便激发磷光体涂层12。磷光体涂层12响应于光脉冲而能够发射光，光强度根据时间而减弱。来自磷光体涂层12的这种光可以传播回到光纤仪器31，其中磷光体涂层发射的光的强度根据时间由光检测器来测量。光纤仪器31然后可以将被检测光根据时间转换成温度。

尽管已经关于有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计出不偏离本文公开的本发明范围的其他实施例。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求来限定。

Claims (14)

1.一种用于室中的温度探针，包括：

中空的、不透明的绝缘支架，所述支架安装在所述室的地板上，所述支架具有侧孔；

盖帽，所述盖帽固定至所述支架的顶部，所述盖帽的底表面涂覆有涂层；

光管，所述光管垂直于所述支架设置；和

护罩，所述护罩设置在所述光管周围并且与所述光管同轴，

其中所述盖帽的顶表面与温度正在被测量的物体的底表面共面，

其中所述光管的感测端插入所述支架的侧孔中，

其中所述护罩是不透明的且具有开口，所述开口允许在所述光管的感测端和所述涂层之间传输光，所述开口与所述光管的所述感测端对准，并且所述光管的所述感测端被抛光成与所述光管的轴线呈45°的角度，并且

其中所述光管和所述护罩穿过所述室的侧壁中的导孔。

2.根据权利要求1所述的温度探针，其中所述盖帽由铝构成。

3.根据权利要求1所述的温度探针，其中所述光管包括选自由硅石、石英和蓝宝石组成的组中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的温度探针，其中所述光管是中空管。

5.根据权利要求1所述的温度探针，其中所述护罩包括多个同轴层。

6.根据权利要求1所述的温度探针，其中所述多个同轴层中的最内层是金属护套，并且从所述金属护套径向向外地设置有石英层。

7.根据权利要求6所述的温度探针，其中所述金属护套由不锈钢构成。

8.根据权利要求1所述的温度探针，其中所述导孔与所述护罩形成气密密封。

9.根据权利要求1所述的温度探针，其中所述涂层包括磷光体。

10.根据权利要求9所述的温度探针，其中所述磷光体是由通过在紫外-近红外范围内的光可被激发的磷光体组成的组中的成员。

11.一种光纤测温系统，包括：

根据权利要求9所述的温度探针；

光纤温度仪器，所述光纤温度仪器包括光源和光检测器；和

光纤电缆，所述光纤电缆光学地设置在所述温度探针和所述光纤温度仪器之间。

12.根据权利要求1所述的温度探针，其中所述涂层包括已知发射率的黑体涂层。

13.一种温度测定系统，包括：

根据权利要求12所述的温度探针；和

检测器，所述检测器测量从已知发射率的所述黑体涂层发出的辐射。

14.一种使用光纤测温系统测量室内物体的温度的方法，所述系统包括：

磷光体温度探针，所述探针包括：

中空的、不透明的绝缘支架，所述支架安装在所述室的地板上，所述支架具有侧孔；

盖帽，所述盖帽固定至所述支架的顶部，所述盖帽的底表面涂覆有磷光体；

光管，所述光管垂直于所述支架设置；和

护罩，所述护罩设置在所述光管周围并且与所述光管同轴，

其中所述盖帽的顶表面与温度正在被测量的物体的底表面共面，

其中所述光管的感测端插入所述支架的侧孔中，

其中所述护罩是不透明的且具有开口，所述开口允许在所述光管的感测端和所述磷光体之间传输光，所述开口与所述光管的所述感测端对准，并且所述光管的所述感测端被抛光成与所述光管的轴线呈45°的角度，并且

其中所述光管和所述护罩穿过所述室的侧壁中的导孔；

光纤温度仪器，所述光纤温度仪器包括光源和光检测器；和

光纤电缆，所述光纤电缆光学地设置在所述磷光体温度探针和所述光纤温度仪器之间，

所述方法包括：

通过所述光源产生光脉冲；

通过所述光管将所述光脉冲传播至所述磷光体；

用所述光脉冲激发所述磷光体；

通过所述光管将由被激发的所述磷光体发射的光传播至所述光检测器；

根据时间来测量被激发的所述磷光体发射的光的强度；和

将根据时间测量到的强度转换成温度。

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