半导体晶元生产制造过程非接触式温度在线监测技术 CNR221-125

项目背景

本文针对电力生产中的实际痛点，研发了半导体晶元生产制造过程非接触式温度在线监，有效提升了作业效率与安全水平。半导体晶圆制造对工艺环境的要求持续提高，温度、湿度等参数均需严格控制。其中温度直接决定晶圆表面的冷热状态，是影响刻蚀、沉积等关键工艺质量的核心参数。温度失控会直接导致工艺不良，带来经济损失。

在沉积室或射频等离子刻蚀等环节，晶圆表面温度的实时获取长期存在困难。传统接触式测温无法在等离子体环境中稳定工作，而常规光学测温手段又容易受到射频和电磁干扰。测温不准或无法测温，意味着工艺窗口难以精确控制，缺陷率随之上升。

本项目引入荧光体光纤测温技术，针对半导体晶圆制造过程中的表面温度测量需求，开发非接触式在线监测系统，实现高精度、可重复的实时温度监测。

存在问题

• 接触式测温难以适用。传统热电偶等接触式传感器需贴近晶圆表面，在等离子刻蚀和沉积工艺中会引入污染，且响应速度慢，无法适应实时监测要求。
• 电磁干扰影响严重。射频等离子环境存在较强的电磁场，常规电子式温度传感器信号易受干扰，读数漂移明显，测量结果不稳定。
• 光纤状态影响精度。普通光纤测温方案对光纤弯曲、移动和光学连接点变化敏感，光路稍有变动即导致测温偏差，现场使用受限。
• 测温重复性不足。不同批次或不同工位之间测温结果一致性差，工艺参数难以横向对比，给工艺调试和质量追溯带来困难。
• 缺乏在线连续监测手段。多数工位仍依赖离线抽检或间接推算，无法在晶圆加工过程中连续获取温度数据，异常发现滞后。

创新目标

开发一套适用于半导体晶圆制造过程的非接触式光纤测温系统，在射频和电磁干扰环境下实现高精度、高重复性的表面温度在线监测，消除光纤弯曲、移动和光学连接点变化对测量结果的影响，为工艺控制提供连续、稳定的温度数据支撑。

技术方案

系统基于荧光体光纤测温原理。传感器端采用荧光体材料，受激发后产生与温度相关的荧光衰减信号，通过光纤传输至解调单元，由信号处理算法换算出温度值。由于传感头本身不含电子元件，对射频和电磁干扰完全免疫，可在等离子体环境中稳定工作。

光路设计上，系统对光纤弯曲、光纤移动和光学连接点变化不敏感，保证现场布线和设备维护过程中测温结果的一致性。传感器可非接触方式对准晶圆表面，实时采集温度数据。

操作流程为：将光纤传感探头安装于沉积室或刻蚀腔体观察窗口附近，对准晶圆表面；启动解调单元，系统自动完成信号采集与温度换算；温度数据实时输出至工艺控制系统，操作人员可连续查看晶片温度状况，异常时及时调整工艺参数。

创新亮点

• 抗干扰能力强：传感头无电子元件，对射频和电磁干扰完全免疫，适用于等离子刻蚀等强电磁环境。
• 非接触测量：无需接触晶圆表面，避免引入污染，同时满足实时在线监测需求。
• 光路稳定性好：测量结果不受光纤弯曲、光纤移动和光学连接点变化的影响，现场使用稳定。
• 精度与重复性高：提供高精度和可重复的温度测量，不同批次和工位间数据可比，便于工艺调试与质量追溯。
• 实时性强：可连续监测晶片温度状况，及时发现温度异常，减少因温度造成的工艺不良和经济损失。

落地应用效果

该系统已在半导体晶圆制造环节投入应用，涵盖沉积室和射频等离子刻蚀等关键工位。应用后，晶圆表面温度实现连续在线监测，工艺人员可依据实时温度数据调整参数，因温度异常导致的工艺不良明显减少，生产效率有效提高。

现场反馈表明，系统在强电磁干扰环境下运行稳定，测温数据重复性良好，光纤布设和维护过程中未出现因光路变动导致的测量偏差。与传统方式相比，温度监测的连续性和可靠性均有显著提高。

产出物：荧光体光纤测温系统一套，含光纤传感探头、解调单元及信号处理软件，配套安装与操作规范。

适用场景：半导体晶圆制造中的沉积室、射频等离子刻蚀等高温强电磁环境下的表面温度在线监测。

常见问题

Q：该系统在等离子体环境中会不会受到干扰？

A：不会。传感头采用荧光体材料，不含电子元件，对射频和电磁干扰完全免疫，可在等离子刻蚀等强电磁环境下稳定工作。

Q：光纤弯曲或移动后是否需要重新校准？

A：不需要。系统测量结果不受光纤弯曲、光纤移动和光学连接点变化的影响，现场布线和维护后可直接继续使用。

Q：系统能否用于不同工位的温度对比？

A：可以。系统提供高精度和可重复的温度测量，不同批次和工位间数据一致性好，便于工艺参数横向对比与质量追溯。

数据来源：项目验收报告及现场应用统计，单位信息已脱敏处理。