薄膜、刻蚀工艺，如何精准测温？

发布时间：2026-11-10来源：半导体盒

从真空、等离子体到晶圆表面，解析温度测量如何保障半导体制造精度并提升能源效率。

配图来源：Tokyo Electron

在半导体制造中，精确控制温度至关重要。即使只有几摄氏度的微小差异，也可能影响最终结果。本文将探讨支撑半导体制造每一个步骤的 “温度测量” 技术及其幕后细节，深入了解前沿的测温方法。

“测量温度” 的意义

温度是一种基本物理量（描述属性或状态的量），存在于日常生活的方方面面，从温度计、天气预报到烹饪时的火候。除了凭感觉和外观判断，以数值形式准确掌握温度，对于保障安全和质量也必不可少。

温度控制在半导体制造中同样至关重要。

例如，放置晶圆的载台，其温度控制精度达到 0.1 °C。这是因为，即使是轻微的温差，也会影响加工精度。如果晶圆左右两侧的温度不同，形成的电路尺寸和孔的深度就会发生变化。如果在反复加工大量晶圆时温度出现波动，成品质量就会产生差异。
此外，还必须关注制造设备内部的温度。如果热量集中在某一区域，部件可能受损或发生故障。当工厂内并排布置数十台生产同一产品的设备时，设备之间的温度差异也可能导致不良品。

温度对等离子体刻蚀影响的示例。即使加工时间相同，刻蚀孔（接触孔）的形状也会随温度而改变。
来源：Tokyo Electron

在超高精度的半导体制造中，准确测量温度并对其进行稳定控制，是不可或缺的任务。

各种温度计

根据用途不同，温度测量工具有许多类型。下面介绍几种主要工具，其中也包括日常生活中常见的类型。

水银温度计和酒精温度计

这是一类利用液体膨胀原理的传统温度计。由于结构简单，它们长期以来一直用于家庭和教学场景。其特点是以模拟方式而非数字方式工作。

热电偶

这种温度计通过读取两种不同金属接点处产生的热电压来测温。由于适合测量高温，它在工业领域得到广泛应用。

热电偶示意图。测量感温元件与测量仪器之间的温差（T₁−T₂）所产生的电压，并将其换算为温度。
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电阻温度计

这种温度计利用金属电阻随温度变化的特性。它具有较高的测量精度，适合半导体制造等精密工艺。

电阻温度计示意图。通入微弱电流后，根据电压计算电阻值，再由此求得温度。三线制是标准配置。
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红外温度计

它通过检测物体发出的红外辐射，在不接触物体的情况下测量温度，可用于正在加热的材料和运动中的物体，也用于半导体制造设备内部。

半导体制造环境中的测温难题

在半导体制造中，准确测量和控制制造设备内部的温度至关重要。然而，生产过程中的环境与一般环境有着根本区别。严苛的条件使温度测量本身面临诸多技术难题。

在半导体制造设备中，测温方法不仅取决于设备类型，也会随“真空、空气或液体”等环境而改变。

下面重点介绍 “真空环境” “等离子体环境” 和 “晶圆表面” 这三种尤其具有挑战性的条件，说明各自的测量难点及相应技术。

1. 真空环境中的温度测量

薄膜沉积设备、刻蚀设备和离子注入设备等许多半导体制造设备，都在“真空”中运行。真空是几乎没有空气（气体）的状态。

为什么难以测量？

热量通过传导、对流和辐射三种方式传递。然而，在没有空气或液体等介质的真空中，传导和对流不会发生。仅通过辐射传递的热量，普通温度计无法准确检测。

可以想一想保温瓶的工作原理：双层瓶壁之间的真空阻止热量散失。同样的原理也适用于半导体生产设备内部；真空使热量难以散失，仅仅将普通温度计插入其中，并不能获得读数。

如何测量？

在设备部件上钻一个直径约 2 mm 的小孔，将专用温度传感器插入其中，再用 “适用于真空环境的导热脂” 填满传感器与部件之间的间隙。导热脂充当传热桥梁，使传感器能够准确检测温度。图中展示了真空环境下温度传感器的安装示例。

真空环境下，在下电极上安装电阻温度计的示例。
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2. 等离子体环境中的温度测量

刻蚀和薄膜沉积工艺使用一种称为 “等离子体” 的特殊气体。由于等离子体能量高，并会产生大量电磁噪声，因此对温度测量的影响尤其显著。

为什么难以测量？

在等离子体环境中，接触式温度计（通过传感器接触被测物体来测温的类型）很难使用，主要有两个原因：一是强烈的电噪声和电磁噪声可能导致测量误差；二是高能粒子可能损坏甚至烧毁温度计本身。此外，等离子体本身温度极高，从数千摄氏度到数万摄氏度不等，因此无法直接测量。

如何测量？

在等离子体环境中，采用非接触式红外温度计。通过监测电极和腔室部件的温度，间接评估工艺状态，而不是直接测量等离子体本身。图中展示了干法刻蚀设备的结构示意及测温位置示例。

刻蚀工艺腔室示意图。
来源：Tokyo Electron

干法刻蚀设备上电极的温度测量示例。
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3. 晶圆表面的温度测量

最终产品——晶圆的温度控制与质量直接相关，因此需要格外严格的控制。晶圆虽然只是一片极薄的薄片，却就是半导体产品本身。表面的温度差异可能导致器件性能不一致。

为什么难以测量？

首先，无法将温度传感器直接安装在正在制造的晶圆表面，因为这会干扰制造过程。

如何测量？

目前使用的方法是利用晶圆发出的红外辐射，从远处进行非接触式温度测量。为确认晶圆温度的均匀性，还会结合使用将温度差异可视化的技术。

在需要更精确测量的场景中，会使用一种称为“晶圆型温度传感器”的专用工具。这种测量装置的尺寸和形状与实际晶圆相同，表面安装有热电偶。将其放入与实际制造条件相同的环境中，就能记录各道工艺的温度分布以及瞬时温度变化。

热电偶型晶圆温度传感器示意图，其表面安装有热电偶。
来源：Tokyo Electron

半导体生产设备在哪些位置测量温度？

半导体制造设备中的测温位置不止一处。晶圆载台、腔室壁、电极、冷却系统和排气系统等设备内部的多个位置，都需要监测温度。

为了维持加工精度和设备的稳定运行，仅仅知道平均温度并不够。通过控制各个位置的温度变化，才能实现高质量的半导体制造。

设备类型	环境（特点）	主要测量位置／对象	测温目的	测量难点	主要测温方法
成膜设备（化学气相沉积、原子层沉积等）	真空环境（气体很少）	晶圆载台；腔室壁；供气部分	控制膜厚与均匀性；稳定反应条件	热量不易传导；温度分布容易不均匀	接触式传感器（嵌入式）＋多点测量
刻蚀设备	真空＋等离子体环境（高能状态）	静电卡盘；电极；腔室内部	控制加工尺寸与形状（最重要）；维持等离子体均匀性	高温和电磁噪声；传感器损坏风险	接触式与非接触式（红外）方法结合
清洗设备	液体环境（化学药液、纯水）	清洗液（药液／水）；晶圆表面	稳定清洗性能；控制化学反应	流动引起的温度变化；响应延迟	流体内检测
热处理设备（退火炉等）	高温／大气／低真空环境	晶圆表面；炉内空间	改善结晶性并激活杂质	从数百摄氏度到超过 1000 °C 的高温；均匀加热困难	非接触式测量（红外）＋炉内传感器
离子注入设备	真空环境	晶圆表面；载台	抑制损伤并控制温升	束流照射导致局部加热；变化迅速	非接触式测量＋间接测量
通用（所有设备）	真空／大气混合环境	腔室壁；冷却系统（冷水机及管路）；电源；外围设备	保护设备、稳定运行	热分布不均与响应延迟	使用接触式传感器持续监测
晶圆（用于评估与开发）	实际工艺环境（真空、等离子体等）	晶圆面内温度分布	将温度差异可视化并改进工艺	无法安装传感器，成本高	内置传感器的晶圆