在先進半導體制造流程中，溫度是決定薄膜沉積、光刻、退火、氧化、刻蝕等關鍵工序一致性與器件良率的核心參數。晶圓測溫儀系統以原位、全域、高精度的溫度測量能力，成為設備校準、工藝調試、量產監控的基礎測量工具。本文從技術原理、系統架構、關鍵性能與典型應用場景展開說明，為工藝與設備工程提供參考。

一、技術背景與測量需求

半導體制程對溫度敏感：

薄膜生長速率、應力、組分與結晶度高度依賴溫度場均勻性

先進光刻與退火工藝要求溫度穩定性達到 ±0.1℃以內

真空、等離子體、高溫（最高 1200℃）、快速升降溫（RTP/RTA）等環境對測量提出嚴苛約束

傳統腔體溫控測點多位于加熱臺內部，無法真實反映晶圓表面溫度分布；非接觸紅外測溫易受發射率、腔室反射、等離子體干擾。晶圓測溫儀以同尺寸、同工況、原位測量，提供更接近真實生產的熱場數據。

二、系統組成與工作原理

晶圓測溫儀系統通常由三部分構成：測溫晶圓、信號采集單元、數據處理軟件。

1. 測溫晶圓（核心感知單元）

基底采用與制程一致的硅 / 藍寶石 / 碳化硅材料，尺寸覆蓋 4—12 英寸

集成微型熱電偶（TC）或鉑電阻（RTD）傳感陣列，點位 1～68 點可定制

采用中心 — 邊緣 — 徑向多點布局，捕捉面內均勻性與邊緣效應

耐高溫布線與真空兼容封裝，適配高真空、強振動、化學氛圍

2. 信號采集與傳輸

多通道同步采集，支持毫秒級動態溫度采樣

耐高溫扁平電纜 + 真空饋通結構，實現高真空（10??Torr）下穩定傳輸

抗干擾設計，降低等離子體與電源噪聲對微弱信號的影響

3. 數據處理與可視化

實時顯示溫度曲線、極值、均勻性、升溫速率

生成 2D/3D 熱分布圖，定位熱點與冷區

支持數據導出與追溯，滿足工藝驗證與設備標定需求

三、主流技術路線對比

1. 熱電偶晶圓（TC Wafer）

優勢：寬溫域、響應快、成本適中、真空 / 等離子體環境穩定

適用：RTP、RTA、CVD、PVD、ALD 等高溫與真空工藝

典型范圍：-50℃～1200℃

2. 鉑電阻晶圓（RTD Wafer）

優勢：精度更高、線性好、長期穩定性優

適用：光刻后烘烤（PEB）、鍵合、低溫均勻性標定

典型精度：±0.1℃以內

3. 無線晶圓測溫

優勢：無電纜干涉、適配密閉腔體與旋轉平臺

適用：光刻機、涂膠顯影、部分離子注入設備溫度校準

四、關鍵技術指標

測量范圍：-50℃～1200℃（按型號）

精度：±0.1℃～±1℃

均勻性分辨率：可識別 0.1℃面內溫差

通道數：1～68 通道

環境適配：高真空、常壓、快速升降溫、等離子體兼容

機械適配：標準晶圓厚度，可直接放入制程設備

五、典型工藝應用

熱工藝設備標定快速熱退火、氧化爐、LPCVD、PECVD 等設備腔室熱場均勻性調試與周期性校驗。

先進光刻溫度控制曝光后烘烤（PEB）溫度均勻性直接影響線寬粗糙度（LER/LWR），是光刻工藝關鍵量測環節。

工藝窗口優化通過溫度分布反推加熱臺、氣流、襯托、邊緣環等結構對熱場的影響，縮短工藝開發周期。

設備匹配與維護多臺機臺溫度特性對齊，減少批次波動；長期監測溫度漂移，提前預警加熱 / 冷卻系統老化。

六、技術發展趨勢

更高密度傳感陣列，向 “全域熱成像” 方向演進

無線化、微型化、超薄晶圓測溫方案適配更多先進設備

與工藝自動化系統對接，實現溫度 — 工藝參數閉環調控

量值溯源體系完善，提升半導體溫度測量的標準化與一致性

晶圓測溫儀系統是連接設備溫控與晶圓真實熱狀態的關鍵測量裝備，其核心價值在于原位、真實、全域地獲取制程溫度信息，為良率提升、工藝穩定、設備標準化提供數據支撐。隨著先進制程對熱控制要求持續提升，高精度、高適應性的晶圓測溫技術將持續成為半導體工藝與設備領域的重要基礎能力。

審核編輯 黃宇