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微电子制造中使用炉中的氧化和还原气氛的类型来测量炉中的温度

来源:作者:上海自动化仪表三厂发表时间:2018-04-10


    测量炉内温度可能会带来几个挑战:高温,温度循环和恶劣环境超出许多测量设备的极限,而其他测量设备的使用寿命和准确度则大大降低。我们上海自动化仪表三厂主要讨论与炉温测量相关的两个具体挑战:微电子制造中使用的炉中的氧化和还原气氛的类型。


    许多制造工艺都需要加热。橡胶和粘合剂被固化,金属被退火以改变其冶金和性能,涂层被干燥,金属被熔化并且陶瓷被烧制或玻璃化。这些过程中的许多过程都是在烤箱中进行的,通过电或气加热。可以加热1000°C(1832°F)以上的炉子被称为炉子。窑是用于陶瓷的特定类型的炉。在高温下,许多材料开始与周围的大气发生反应。如果该气氛中的氧气很少,它可能会从被加热的材料中吸取氧气。这种氛围被称为“减少”。气体加热通常导致缺氧的气氛。如果气氛富含氧气,被加热的材料将捕获一定比例,形成氧化层。这种气氛被称为“氧化”。这是在微电子制造中用于生产SiO2的扩散炉中采用的工艺。电加热更可能产生氧化气氛。大气的控制可以通过几种方式实现。气体可以通过管道进入腔室,这可能会产生惰性气氛。或者,也可以使用真空炉。


    热电阻的上限约为100°C(212°F),RTD限制在750°C(1382°F)左右。这使得热电偶和红外线高温计或成像仪成为测量温度高于1000°C(1832°F)的最合适设备。热电偶利用塞贝克效应(不同金属之间的电磁场差异)产生与温度成正比的信号。镍铬和镍铬镍合金是所谓的“K型”热电偶中最常用的金属配对。


    K型热电阻价格便宜,可在-200至1250°C(-328至2282°F)的温度范围内使用。但是,当温度超过1000°C(1832°F)时,冶金学上的变化会降低准确度,并且在此温度下循环会产生滞后效应,从而进一步降低精度。 K型热电偶在氧化气氛下也易受腐蚀。


    热电偶可能会损坏或无法使用,需要更换。如果这需要关闭和冷却连续炉,这可能是一项困难而昂贵的任务。出于这个原因,在加热室中通常包含冗余热电偶。


    红外高温计提供了一种方便测量高温的非接触式方法。这项技术利用了Planks定律,由此表面发射的IR辐射的波长和强度与其温度成正比。高温计或热像仪检测到这种辐射,将信号转换为温度。


    当高温材料的表面暴露时,红外高温测定法工作得很好,就像浇包中的熔融金属一样。使用它来测量炉内温度比较困难,因为它需要通过窗户观察。该窗口必须传输与检测器的灵敏度和被测温度相对应的波长的红外辐射。


    普通玻璃对于一些红外波长是不透明的,特别是在六到七微米之间。硫族化物玻璃专为红外线传输应用而制造,但限于低于约370°C(698°F)的温度。蓝宝石是一种可以传输长达4微米的波长的替代窗口材料,但相对较软并且容易损坏。当使用蓝宝石红外窗口作为观察口时,它应该设计成没有任何可能使其易受损坏的凸出物。蓝宝石的温度极限约为450°C(842°F),因此不适用于熔炉应用。


    发射率始终是探测法的一个问题:在相同温度下的不同材料会辐射不同强度的红外辐射,因此必须对传感器进行校准。窗口将对辐射传播产生影响。高温热电偶有两种热电偶可供选择,即钨铼连接和铂铑连接。钨铼热电偶(型号G,C和D)在高达2320°C(4208°F)的温度下工作,但无法在氧化气氛中存活。


    对于氧化气氛,应选择铂铑热电偶,有时称为“贵金属热电偶”。这些型号可用作R型,[最高1460°C(2660°F)] S,[最高1450°C(2642°F)]或B [最高1700°C(3092°F)]。它们比贱金属热电偶更昂贵。


    用于热电偶的护套根据安装情况,通常将热电偶导线放入保护管或护套内以保护热电偶导线。不锈钢被广泛使用,因为其价格低廉且抗腐蚀。然而,它的熔点约为1400°C(2552°F),将工作温度限制在1100°C(2012°F)以下,并与氧化气氛发生反应。


    对于最高温度功能,请考虑使用钽或钼护套。尽管它们都对氧化敏感,但它们的温度分别高达2315°C(4199°F)和2200°C(3992°F),因此不应在氧化气氛中使用。替代品是陶瓷护套,可承受高达1960°C(3560°F)的温度,可承受1650°C(3002°F)的铂铑合金护套或可达1150°C的Inconel?600 (2102°F)。所有这些都可以处理氧化气氛。


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