一、定义
热耦（TC，Thermal couple）是一种温度传感器，它利用塞贝克效应（Seebeck effect）来测量温度。当两种不同的导体或半导体材料A和B组成一个闭合回路时，若两个接触点的温度不同（设为T1和T2），则在该回路中就会产生电动势，这个电动势与温度差有关，通过测量这个电动势就能确定温度差，进而得到温度。
二、结构
• 热电极：热耦主要由两种不同的金属或半导体材料制成的热电极组成。这两种材料在一端连接形成测量端（热端），用于接触被测物体。另一端为参考端（冷端），通常处于一个已知的恒定温度环境中。常见的热电极材料有铜 - 康铜、铁 - 康铜、镍铬 - 镍硅等。
• 绝缘材料：热电极外面包裹着绝缘材料，用于防止热电极之间短路以及与周围环境的电接触。绝缘材料需要能够承受高温并且有良好的绝缘性能，如陶瓷、玻璃纤维等。
• 保护套管：在热耦的外部，还有保护套管，它可以保护热耦免受机械损伤、化学腐蚀和恶劣环境的影响。保护套管的材料根据使用环境的不同而选择，如不锈钢、石英等。
三、原理
基于塞贝克效应，两种不同材料的导体A和B连接成闭合回路。当热端温度T1高于冷端温度T2时，由于材料中电子的扩散速率不同，在两种材料的接触界面处会形成一个电位差。这个电位差与温度差（T1 - T2）成正比，其关系可以用塞贝克系数S来表示，即电动势E = S×（T1 - T2）。通过测量这个电动势E，并且已知冷端温度T2和塞贝克系数S，就可以计算出热端温度T1。
四、功能
• 温度测量功能：在半导体设备中，热耦能够精确地测量设备内各个关键部位的温度。例如，在半导体芯片制造过程中的化学气相沉积（CVD）设备、物理气相沉积（PVD）设备和刻蚀设备中，热耦可以实时监测反应室内部的温度。这对于控制薄膜沉积的质量和刻蚀的精度至关重要，因为这些工艺过程对温度有严格的要求。
• 温度控制和反馈功能：热耦测量到的温度信号可以反馈给设备的控制系统。控制系统根据热耦反馈的温度信息，对加热或冷却装置进行调节，以确保设备内的温度保持在设定的工艺范围内。例如，在半导体退火炉中，热耦监测炉内温度，当温度偏离设定值时，控制系统会调整加热功率，使温度回到正常范围，从而保证半导体材料退火过程的质量。
• 安全监测功能：热耦还能用于监测设备是否出现异常温度升高的情况。在半导体设备中，有些部件在过热时可能会损坏，甚至引发安全事故。热耦可以及时发现这种过热现象，触发设备的安全保护机制，如切断电源、停止运行特定的工艺模块等，以避免设备损坏和保障操作人员的安全。
五、在半导体设备中的运用
1. 化学气相沉积（CVD）设备
• 位置：在CVD设备的反应炉管内部，热耦通常安装在靠近衬底支撑装置的位置，有的也会在炉管的壁面上安装。
• 作用：
• 温度监测与反馈控制：CVD过程需要在精确的温度条件下进行，热耦能够实时感知反应炉管内的温度。例如，在沉积多晶硅薄膜时，反应温度通常在600 - 700℃左右，热耦将温度信号传送给控制系统。控制系统根据热耦反馈的温度信息，精准调节加热元件的功率，确保温度稳定在工艺要求的范围内，以保证薄膜的均匀生长和高质量沉积。
• 工艺优化与质量保证：温度对CVD反应的速率和薄膜的性能有很大影响。热耦提供的温度数据可以帮助工程师调整反应气体的流量、压力和成分等参数。准确的温度测量有助于优化沉积工艺，例如，通过控制温度来调节薄膜的生长速率，使生成的薄膜在厚度、密度、纯度等方面符合半导体器件制造的严格要求，从而提高产品质量。
2. 物理气相沉积（PVD）设备
• 位置：在PVD设备的真空腔室（类似于一种特殊的炉管）内，热耦一般位于靶材和衬底附近。
• 作用：
• 温度监控与调节：在PVD工艺中，如溅射镀膜，靶材在高能粒子轰击下会发热。热耦通过监测靶材和衬底的温度，防止温度过高对镀膜过程产生不利影响。例如，在磁控溅射制备金属薄膜时，如果靶材温度过高，可能会导致溅射速率异常、薄膜结构改变等问题。热耦检测到温度变化后，会将信息传递给冷却系统或功率调节系统，从而维持合适的温度，保证薄膜的良好附着力和均匀性。
• 设备保护与性能维护：对于靶材而言，过高的温度可能会引起靶材变形、开裂或熔化，缩短靶材的使用寿命。热耦能够及时发现温度异常升高的情况，触发设备的保护机制，如降低溅射功率或加强冷却措施，从而延长靶材的有效使用时间，同时确保镀膜工艺的稳定性和可靠性。
3. 刻蚀设备（包括干法刻蚀和湿法刻蚀）
• 位置：在刻蚀设备的反应腔（可看作特殊炉管结构）内，热耦靠近被刻蚀的半导体晶圆放置。
• 作用：
• 温度敏感的工艺控制：在刻蚀过程中，温度是一个关键因素。在干法刻蚀中，温度会影响等离子体的活性和刻蚀剂的化学反应速率；在湿法刻蚀中，温度对蚀刻液的化学反应活性和扩散速率有重要作用。热耦精确测量刻蚀区域的温度，将温度信号反馈给设备控制系统。例如，在等离子体刻蚀硅晶圆时，控制系统根据热耦提供的温度信息，动态调整刻蚀气体的流量、射频功率等参数，以确保刻蚀速率和刻蚀精度符合工艺要求，如保证刻蚀图案的线条精度和深度均匀性。
• 过程稳定性保障：热耦持续监测温度变化，有助于维持刻蚀过程的温度稳定性。由于温度波动可能导致刻蚀不均匀、选择性降低等问题，从而影响半导体器件的性能和良品率。热耦的温度监测功能可以有效减少这些问题的发生，保障刻蚀工艺在稳定的温度环境下进行，提高整个半导体制造过程的可靠性和一致性。
4. 半导体退火炉（炉管退火设备）
• 位置：在退火炉的炉管内部，热耦分布在加热区域，特别是放置半导体晶圆的载物架周围。
• 作用：
• 精准的温度控制与调节：退火是改善半导体晶圆晶体结构和电学性能的关键工艺。在炉管退火过程中，热耦能够精确测量炉管内各个位置的温度，确保晶圆在预设的温度曲线下进行退火。例如，在快速热退火（RTA）工艺中，需要在短时间内将晶圆温度升高到1000℃以上，热耦实时监测温度，使加热系统能够按照精确的升温速率、保温时间和降温速率进行操作，保证杂质原子的有效扩散和晶格缺陷的修复，从而优化半导体晶圆的电学性能。
• 工艺过程监控与质量控制：热耦在退火过程中全程监测温度，确保温度符合工艺设定的要求。任何温度偏差都可能导致晶圆性能下降，如载流子迁移率降低、杂质分布不均匀等。通过热耦反馈的温度数据，可以及时发现温度异常情况，对退火工艺进行调整或判断产品是否合格，从而保证每一批次的半导体晶圆都能达到预期的质量标准，为后续的半导体器件制造提供高质量的材料基础。
一些热耦制造厂家：
国际知名厂家
• Omega Engineering：成立于1962年，是一家领先的工业测量和控制设备制造商，产品包括热电偶、热电阻、温度计、压力传感器等。其热电偶产品精度高、稳定性好，可在极端温度环境下使用，广泛应用于航空航天、汽车、半导体等领域。提供定制化服务，可根据客户需求设计和制造特殊规格的热电偶。
• Honeywell International：作为一家多元化的高科技企业，在传感器技术方面有着深厚的积累和卓越的成就。其生产的热电偶传感器具有高精度、高可靠性和良好的抗干扰能力，适用于各种恶劣的工业环境和高精度测量场合。在半导体制造过程中的温度监测和控制方面，提供了多种类型的热电偶解决方案，以满足不同工艺环节的需求。
• ABB：是全球电力和自动化技术领域的领导厂商，其热电偶产品在电力、化工、石油等行业有着广泛应用。在半导体行业，ABB的热电偶可用于半导体生产设备的温度测量和控制，如扩散炉、刻蚀机等。产品具有智能化、数字化的特点，可实现远程监控和诊断。
● Thermo Sensors Corporation：位于美国得克萨斯州加兰，自1972年开始营业，是高质量热耦的知名制造商，为化工、石化、炼油、食品、制药等行业提供标准和特殊设计的热耦。
● Thermocouple Technology, LLC：位于美国宾夕法尼亚州的夸克敦，生产全系列的热耦，可满足从低温到4000华氏度的温度测量需求，产品尺寸从针状细到数千磅的多点温度传感器不等，其标准化产品线和定制设计方案可满足不同应用需求。
● Kelvin Technologies, Inc.：位于加拿大安大略省密西沙加，是高质量热耦制造商、代表和分销商，产品在内部进行设计和制造，可满足特定的要求，如更高的温度和更紧凑的外形。
国内优质厂家
• 浙江春晖仪表股份有限公司：技术力量雄厚，有一支长期从事测温产品、电加热产品、热流道产品研究开发的技术队伍，具有一整套已运作十多年的策划、实施、检查、改进的质量保证体系。荣获多项国家专利，产品应用于汽车行业、航空航天、电力、化工行业等。
• 上海九田自动化设备有限公司：成立于1995年，一直致力于制造各类温度计、温度传感器、热敏电阻、热电偶等产品。拥有10名研发人员，包括工业设计、机械和电子工程师，可提供定制化服务，产品符合国际标准并通过ISO、CE等一系列认证。
• 天津中环温度仪表有限公司：是国内知名的温度仪表专业生产企业，拥有先进的生产设备和检测仪器，生产的热电偶产品涵盖了多种类型和规格，如K型、S型、R型等，广泛应用于化工、钢铁、电力、制药等行业，部分产品也在半导体设备的温度测量中得到应用。
重庆市大正仪表股份有限公司
位于重庆市北碚区冯时行路290号，成立于2001年5月9日，其前身是重庆市北碚温度仪表厂，是国内最早研发“钨铼热电偶”的企业之一，产品已形成系列化，其中测温2000℃以上的高温高压钨铼热电偶及高温真空热电偶校准装置是国内率先研发成功，钨铼热电偶产品在全国市场占有率位居前两位。
浙江春晖仪表股份有限公司
技术力量雄厚，有一支长期从事测温产品、电加热产品、热流道产品研究开发的技术队伍，拥有一整套已运作十多年的质量保证体系，荣获多项国家专利，产品应用于汽车、航空航天、电力、化工等行业，业务已覆盖国内20余个省份和直辖市，并远销北美、南美、亚洲、欧洲等地区。
重庆川仪自动化股份有限公司
国内规模较大的自动化仪表制造企业之一，生产的热电偶产品质量可靠，广泛应用于石油、化工、电力、冶金等行业，拥有先进的生产设备和检测手段，能保证产品的高精度和稳定性，在国内市场具有较高的知名度和市场份额。
江苏金湖热工仪表有限公司
集科研、生产、销售于一体，专业生产热电偶、热电阻、双金属温度计等温度仪表，产品质量优良，可根据用户需求定制特殊规格的热电偶产品，广泛应用于化工、电力、冶金、制药等行业，在国内市场拥有一定的客户群体。
安徽天康（集团）股份有限公司
生产的热电偶产品种类丰富，涵盖了各种型号和规格，可满足不同用户的需求，在质量控制方面严格把关，产品质量稳定可靠，广泛应用于石油、化工、电力、钢铁等行业，在国内市场具有较高的声誉和一定的市场份额。
