TW201812260A - 溫度傳感器及測溫方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種溫度傳感器及測溫方法,所述溫度傳感器包括:氮碳化矽之柱型主體、設於所述柱型主體內的空腔、兩個分立設置的氮碳化矽之電極、設於所述電極尾端的金屬電極、設於所述柱型主體軸向尾端的密封層以及覆蓋於所述柱型主體外表面的碳化矽層。本發明的溫度傳感器基於聚合物衍生氮碳化矽材料,具有高溫穩定性,且聚合物衍生氮碳化矽材料的介電常數隨著溫度的升高而增大,可透過測試氮碳化矽材料電學特性的變化來監測溫度。氮碳化矽與碳化矽的熱膨脹係數非常相近,這兩種材料的膨脹能夠相互匹配,從而避免裂紋的產生。同時,碳化矽材料高度耐腐蝕,能夠保護其內部的氮碳化矽材料,進一步提高溫度傳感器的壽命。

Description

溫度傳感器及測溫方法
本發明屬於半導體製造領域,涉及一種溫度傳感器及測溫方法。
在300nm晶圓上製備磊晶層通常是基於單晶片反應器化學氣相沉積。在這種情況下,單片晶圓被放置在基座上,並在磊晶工藝過程中通過加熱燈管將晶圓加熱至1100℃。晶圓中徑向上溫度的均勻分佈對於高品質磊晶層必不可少,因為晶圓邊緣與晶圓中心不同的溫度將導致熱應力,使磊晶層產生滑移位錯線。因此,直接測量溫度分佈將有利於提供有價值的資訊,以優化加熱與冷卻功率,從而提高溫度分佈均勻性。
在ASM磊晶設備中採用熱電偶(Thermocouple,TC)作為溫度傳感器。熱電偶被放置在基座的不同區域,以獲得與被測物體的直接熱接觸。
熱電偶通常採用貴金屬製作,並需要包裹在石英管中,以防止高溫工藝過程中磊晶矽層被金屬污染。在每次預防性維護(PM cycle)中,熱電偶都需要被更換,以防止石英管破裂。
為了降低成本,需要提供一種具有較長壽命的溫度傳感器。考慮到反應腔內的惡劣環境(包括高達1200℃的溫度以及充滿腐蝕性氣 體),仍需要尋找新型材料及傳感方法。
因此,如何提供一種新的溫度傳感器及測溫方法,以提高溫度傳感器的使用壽命,並方便快速地監測溫度變化,成為本領域技術人員亟待解決的一個重要技術問題。
鑒於以上所述現有技術的缺點,本發明的目的在於提供一種溫度傳感器及測溫方法,用於解決現有技術中溫度傳感器壽命短、材料不穩定的問題。
為實現上述目的及其他相關目的,本發明提供一種溫度傳感器,所述溫度傳感器包括:氮碳化矽柱型主體;設於所述氮碳化矽柱型主體內的空腔;所述空腔貫穿所述氮碳化矽柱型主體的軸向尾端,但未貫穿所述氮碳化矽柱型主體的軸向頂端;設於所述氮碳化矽柱型主體之軸向尾端的側壁上的一對開槽;這一對開槽與所述空腔連通,將所述氮碳化矽柱型主體的軸向尾端劃分為兩個分立設置的氮碳化矽電極;設於所述氮碳化矽電極尾端的金屬電極;所述金屬電極與所述氮碳化矽電極之間形成歐姆接觸;設於所述氮碳化矽柱型主體之軸向尾端的密封層;所述密封層將所述空腔尾端及所述開槽封閉,並暴露出所述金屬電極的至少一部分;覆蓋於所述氮碳化矽柱型主體外表面的碳化矽層。
本發明還提供一種測溫方法,所述測溫方法採用上述任意一項所述的溫度傳感器。
如上所述,本發明的溫度傳感器及測溫方法,具有以下有益效果:本發明設計了一種基於氮碳化矽材料的具有高溫穩定性的溫度傳感 器。氮碳化矽材料採用聚合物衍生陶瓷法(PDC)製備。PDC是透過熱解聚合物前驅體實現的,聚合物衍生氮碳化矽材料的介電常數隨著溫度的升高而增大。因此,可透過測試氮碳化矽材料電學特性的變化來監測溫度。為了提高溫度傳感器的壽命,在氮碳化矽表面覆蓋了一層碳化矽。由於氮碳化矽與碳化矽的熱膨脹係數(CTE)非常相近,這兩種材料的膨脹能夠相互匹配,從而避免裂紋的產生。同時,碳化矽材料高度耐腐蝕,能夠保護其內部的氮碳化矽材料,進一步提高溫度傳感器的壽命。
1‧‧‧柱型主體
2‧‧‧空腔
3‧‧‧開槽
4‧‧‧電極
5‧‧‧金屬電極
6‧‧‧密封層
7‧‧‧碳化矽層
8‧‧‧O型密封圈
9‧‧‧向量網路分析儀
10‧‧‧晶圓
11‧‧‧待測腔體
圖1顯示為本發明的溫度傳感器的剖視圖。
圖2顯示為圖1所示結構的A-A向剖視圖。
圖3顯示為圖1所示結構的B-B向剖視圖。
圖4顯示為圖1所示結構的C-C向剖視圖。
圖5顯示為本發明的溫度傳感器中氮碳化矽柱型主體的立體圖。
圖6顯示為本發明的溫度傳感器中氮碳化矽柱型主體的側視圖。
圖7-圖8顯示為本發明的溫度傳感器中電極結構示意圖。
圖9顯示為利用向量網路分析儀測試溫度傳感器的諧振頻率的示意圖。
圖10顯示為在不同溫度下測得的諧振譜圖。
圖11顯示為待測腔體上的溫度傳感器分佈的俯視圖。
圖12顯示為待測腔體上的溫度傳感器分佈的側視圖。
圖13顯示為一種製備所述溫度傳感器的方法的工藝流程圖。
以下透過特定的具體實例說明本發明的實施方式,本領域具有通常知識者可由本說明書所揭露的內容輕易地瞭解本發明的其他優點與功效。本發明還可以透過另外不同的具體實施方式加以實施或應用,本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用,在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱圖1至圖13。需要說明的是,本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想,遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的元件數目、形狀及尺寸繪製,其實際實施時各元件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變,且其元件佈局型態也可能更為複雜。
實施例一:
本發明提供一種溫度傳感器,請參閱圖1,顯示為所述溫度傳感器的剖視圖,包括:氮碳化矽柱型主體1、空腔2、一對開槽3(參閱圖6)、氮碳化矽電極4、金屬電極5、密封層6及碳化矽層7。圖2、3、4分別顯示為圖1所示結構的A-A向、B-B向、C-C向剖視圖,圖5顯示為所述氮碳化矽柱型主體1的立體圖,圖6顯示為所述氮碳化矽柱型主體1的側視圖。
具體而言,所述空腔2設於所述氮碳化矽柱型主體1內,且貫穿所述氮碳化矽柱型主體1的軸向尾端,但未貫穿所述氮碳化矽柱型主體1的軸向頂端。
所述開槽3設於所述氮碳化矽柱型主體1軸向尾端側壁上;這一對開槽3與所述空腔2連通,將所述氮碳化矽柱型主體1的軸向尾端劃分為兩個分立設置的氮碳化矽電極4。
所述金屬電極5設於所述氮碳化矽電極4尾端,且所述金屬電極5與所述氮碳化矽電極4之間形成歐姆接觸。
所述密封層6設於所述氮碳化矽柱型主體1軸向尾端,將所述空腔2尾端及所述開槽3封閉,並暴露出所述金屬電極5的至少一部分。
所述碳化矽層7覆蓋於所述氮碳化矽柱型主體1外表面。
具體而言,所述氮碳化矽柱型主體1可以為但不限於圓柱體型或矩形柱型,所述空腔2可以為但不限於圓柱體型或矩形柱型。本實施例中,所述氮碳化矽柱型主體1及所述空腔2均優選為圓柱體型。
作為示例,所述氮碳化矽柱型主體1採用聚合物衍生陶瓷法製備的氮碳化矽。聚合物衍生陶瓷(Polymer-Derived Ceramics,PDC)法是一種原位製備陶瓷塗層的技術,是將有機聚合物前驅體進行高溫裂解處理,使之從有機聚合物轉變為無機陶瓷材料的方法與工藝,其優點是製備工藝簡單,前驅體豐富,陶瓷組成、結構和性能可設計和調控,成型和加工容易。
聚合物衍生氮碳化矽材料的介電常數隨著溫度的升高而增大。因此,可透過測試氮碳化矽材料電學特性的變化來監測溫度。
為了提高溫度傳感器的壽命,在氮碳化矽表面覆蓋了一層碳化矽。由於氮碳化矽與碳化矽的熱膨脹係數(Coefficients of Temperature Expansion,CTE)非常相近,這兩種材料的膨脹能夠相互匹配,從而避免裂紋的產生。同時,碳化矽材料高度耐腐蝕,能夠保護其內部的氮碳化矽材料,進一步提高溫度傳感器的壽命。
作為示例,所述碳化矽層7通過化學氣相沉積法形成於所述 氮碳化矽柱型主體1外表面。
具體而言,為了使所述金屬電極5與所述氮碳化矽電極4之間形成良好的歐姆接觸,本實施例中,所述金屬電極5自所述氮碳化矽電極4表面向外依次包括鎳(Ni)層、鎢(W)層及鈦(Ti)層(如圖7所示)。其中,所述鎳(Ni)層可以與所述氮碳化矽電極4之間的介面可形成鎳矽合金層,該合金層作為過渡層,有利於氮碳化矽陶瓷與金屬之間的歐姆接觸。作為示例,所述鎳矽合金層包括Ni2Si及Ni3Si5中的至少一種。
由於氮碳化矽陶瓷與金屬之間殘餘的碳(C)和氮(N)能夠抵消歐姆接觸,本發明透過在金屬電極中進一步設置鎢(W)層與鈦(Ti)層,使鎢(W)層與鈦(Ti)層與碳(C)、氮(N)反應,生成碳化鎢(WC)層與氮化鈦(TiN)層,從而避免了這個問題(如圖8所示)。其中,所述碳化鎢層形成於所述鎳層與鎢層的介面,所述氮化鈦層形成於所述鎢層與鈦層的介面。
作為示例,所述鎳矽合金層、碳化鎢層及氮化鈦層是通過退火得到,退火過程中,所述鎳層與所述氮碳化矽電極反應生成所述鎳矽合金層,所述氮碳化矽電極與所述鎳層之間殘餘的碳與氮分別與所述鎢層與鈦層反應,生成所述碳化鎢層與氮化鈦層。本實施例中,所述退火溫度優選為400-800℃。
具體而言,所述空腔2使所述氮碳化矽柱型主體1構成諧振腔,所述密封層6將所述空腔2尾端及所述開槽3封閉,使得所述諧振腔為封閉式諧振腔。本實施例中,所述密封層6的材質優選為二氧化矽。
具體而言,所述電學特性可以是諧振腔的諧振頻率。當對所述溫度傳感器施加一個射頻信號,可透過所述金屬電極5測得諧振腔的諧振 頻率(fr),諧振頻率與成比例,其中εSiCN為氮碳化矽的介電常數。由於εSiCN隨溫度的上升而增大,諧振頻率將隨著溫度的升高而下降。因此,透過測量諧振頻率的變化即可測量溫度。
作為示例,如圖9所示,可透過連接於所述金屬電極5的向量網路分析儀9測試所述溫度傳感器的諧振頻率,間接測得被測物體的溫度。其中,所述溫度傳感器還包括O型密封圈8;當所述溫度傳感器透過設於待測腔體上的通孔伸入待測腔體內時,所述O型密封圈8用以密封所述溫度傳感器外壁與所述通孔之間的間隙。
請參閱圖10,顯示為在不同溫度下測得的諧振譜圖,其中諧振頻率f1與f2分別對應溫度T1與T2。
本發明設計了一種基於氮碳化矽材料的具有高溫穩定性的溫度傳感器。氮碳化矽材料採用聚合物衍生陶瓷法(PDC)製備。PDC是通過熱解聚合物前驅體實現的,聚合物衍生氮碳化矽材料的介電常數隨著溫度的升高而增大。因此,可透過測試氮碳化矽材料電學特性的變化來監測溫度。為了提高溫度傳感器的壽命,在氮碳化矽表面覆蓋了一層碳化矽。由於氮碳化矽與碳化矽的熱膨脹係數(CTE)非常相近,這兩種材料的膨脹能夠相互匹配,從而避免裂紋的產生。同時,碳化矽材料高度耐腐蝕,能夠保護其內部的氮碳化矽材料,進一步提高溫度傳感器的壽命。
實施例二:
本發明還提供一種測溫方法,所述測溫方法採用實施例一中所述的溫度傳感器。
作為示例,將所述氮碳化矽柱型主體1的軸向頂端及所述空 腔2的的至少一部分伸入待測腔體,以測量待測腔體內物體的溫度。
作為示例,如圖11及圖12所示,所述物體為晶圓10,所述待測腔體11的側壁至少設有三個所述溫度傳感器,這三個溫度傳感器分別靠近所述晶圓邊緣的不同部位,以感應晶圓邊緣的溫度;所述待測腔體底部設有至少一個所述溫度傳感器,這個溫度傳感器靠近所述晶圓的中心,以感應晶圓中心的溫度。
作為示例,透過連接於所述金屬電極的向量網路分析儀測試所述溫度傳感器的諧振頻率,間接測得被測物體的溫度。具體請參見實施例一相關部分,此處不再贅述。
根據測得的晶圓邊緣各個點的溫度及晶圓中心的溫度,可以得到晶圓溫度分佈資訊,從而有利於及時採取措施,例如優化加熱與冷卻功率,來提高晶圓溫度分佈的均勻性,從而提高磊晶層的品質。
實施例三:
本發明中,所述氮碳化矽柱型主體1採用聚合物衍生陶瓷法製備的氮碳化矽,請參閱圖13,顯示為一種製備所述溫度傳感器的方法的工藝流程圖,包括如下步驟:(1)將聚矽氮烷與過氧化二異丙苯混合以形成前驅體;(2)將前驅體在140℃下交聯以形成不溶性的固體聚合物;(3)將固體聚合物粉碎為細粉;(4)將粉末壓制成溫度傳感器的形狀;(5)在1400℃下熱解得到氮碳化矽; (6)透過化學氣相沉積法在氮碳化矽表面沉積得到碳化矽層。
至此,完成了所述氮碳化矽柱型主體及其表面碳化矽層的製備,接著進行金屬電極的製作,其中可透過退火使得金屬層與氮碳化矽電極之間形成歐姆接觸,最後製作所述密封層,形成封閉諧振腔。
在其它實施例中,採用聚合物衍生陶瓷法製備的氮碳化矽的各項工藝條件可根據需要進行調整,此處不應過分限制本發明的保護範圍。
綜上所述,本發明設計了一種基於氮碳化矽材料的具有高溫穩定性的溫度傳感器。氮碳化矽材料採用聚合物衍生陶瓷法(PDC)製備。PDC是通過熱解聚合物前驅體實現的,聚合物衍生氮碳化矽材料的介電常數隨著溫度的升高而增大。因此,可透過測試氮碳化矽材料電學特性的變化來監測溫度。為了提高溫度傳感器的壽命,在氮碳化矽表面覆蓋了一層碳化矽。由於氮碳化矽與碳化矽的熱膨脹係數(CTE)非常相近,這兩種材料的膨脹能夠相互匹配,從而避免裂紋的產生。同時,碳化矽材料高度耐腐蝕,能夠保護其內部的氮碳化矽材料,進一步提高溫度傳感器的壽命。所以,本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效,而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下,對上述實施例進行修飾或改變。因此,舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變,仍應由本發明的申請專利範圍所涵蓋。

Claims (16)

  1. 一種溫度傳感器,包括:一個氮碳化矽之柱型主體;設於所述柱型主體內的一空腔;所述空腔貫穿所述柱型主體的軸向尾端,但未貫穿所述柱型主體的軸向頂端;設於所述柱型主體之軸向尾端的側壁上的一對開槽;所述開槽與所述空腔連通,將所述柱型主體的軸向尾端劃分為兩個分立設置的氮碳化矽之電極;設於所述電極之尾端的金屬電極;所述金屬電極與所述電極之間形成歐姆接觸;設於所述柱型主體之軸向尾端的密封層;所述密封層將所述空腔尾端及所述開槽封閉,並暴露出所述金屬電極的至少一部分;覆蓋於所述柱型主體之外表面的碳化矽層。
  2. 如請求項1所述的溫度傳感器,其中所述空腔使所述柱型主體構成諧振腔,當對所述溫度傳感器施加一個射頻信號,可透過所述金屬電極測得諧振腔的諧振頻率(fr),諧振頻率與 成比例,其中ε SiCN為氮碳化矽的介電常數,ε SiCN隨溫度的上升而增大。
  3. 如請求項1所述的溫度傳感器,其中所述柱型主體為圓柱體型或矩形柱型。
  4. 如請求項1所述的溫度傳感器,其中所述空腔為圓柱體型或矩形柱型。
  5. 如請求項1所述的溫度傳感器,其中所述柱型主體採用聚合物衍生陶瓷法製備的氮碳化矽。
  6. 如請求項1所述的溫度傳感器,其中所述金屬電極自所述電極表面向外依次包括鎳層、鎢層及鈦層。
  7. 如請求項6所述的溫度傳感器,其中所述鎳層與所述電極的介面形成有鎳矽合金層,所述鎳層與鎢層的介面形成有碳化鎢層,所述鎢層與鈦層的介面形成有氮化鈦層。
  8. 如請求項7所述的溫度傳感器,其中所述鎳矽合金層包括Ni 2Si及Ni 3Si 5中的至少一種。
  9. 如請求項7所述的溫度傳感器,其中所述鎳矽合金層、碳化鎢層及氮化鈦層是透過退火得到,退火過程中,所述鎳層與所述電極反應生成所述鎳矽合金層,所述電極與所述鎳層之間殘餘的碳與氮分別與所述鎢層與鈦層反應,生成所述碳化鎢層與氮化鈦層。
  10. 如請求項9所述的溫度傳感器,其中所述退火溫度為400-800℃。
  11. 如請求項1所述的溫度傳感器,其中所述密封層的材質包括二氧化矽。
  12. 如請求項1所述的溫度傳感器,其中所述溫度傳感器還包括O型密封圈;當所述溫度傳感器透過設於一待測腔體上的通孔伸入所述待測腔體內時,所述O型密封圈用以密封所述溫度傳感器外壁與所述通孔之間的間隙。
  13. 一種測溫方法,所述測溫方法採用如請求項1-12任意一項所述的溫度傳感器。
  14. 如請求項13所述的測溫方法,其中將所述柱型主體的軸向頂端及所述空腔的的至少一部分伸入一待測腔體,以測量所述待測腔體內物體的溫度。
  15. 如請求項14所述的測溫方法,其中所述物體為晶圓,所述待測腔體的側壁至少設有三個所述溫度傳感器,這三個溫度傳感器分別靠近所述晶圓邊緣的不同部位;所述待測腔體之底部設有至少一個所述溫度傳感器,所述溫度傳感器靠近所述晶圓的中心。
  16. 如請求項13所述的測溫方法,其中透過連接於所述金屬電極的一向量網路分析儀測試所述溫度傳感器的諧振頻率,間接測得被測物體的溫度。
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