激光微細(xì)加工中微小曝光區(qū)溫度測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)
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時(shí)間：2013-09-02
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在激光微細(xì)加工技術(shù)中，人們需要了解曝光區(qū)溫度分布的細(xì)節(jié)，尤其是焦斑中心溫度、熱斑邊界等重要信息。針對(duì)半導(dǎo)體基片溫度的測(cè)量方法已有很多報(bào)道，但大多是測(cè)量基片的平均溫度，不能滿足上述要求。本課題組曾經(jīng)報(bào)道的微小高溫區(qū)溫度不接觸實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量區(qū)域直徑最小可以達(dá)到18μm，溫度分辨能力可以達(dá)到1℃，基本滿足激光微細(xì)加工的要求。但系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)遇到幾個(gè)問(wèn)題。首先是要進(jìn)一步提高溫度分辨率時(shí)，測(cè)溫范圍達(dá)不到要求。其次是測(cè)量曝光區(qū)溫度分布時(shí)，需手動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)溫套筒的位置，系統(tǒng)的調(diào)整和讀數(shù)不方便，只能測(cè)較少的點(diǎn)，不能很好的反映曝光區(qū)的溫度分布，同時(shí)難以尋找到曝光區(qū)的最高溫度點(diǎn)，使得測(cè)溫帶來(lái)誤差。本文首先簡(jiǎn)單介紹現(xiàn)有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后詳細(xì)分析了產(chǎn)生這些問(wèn)題的原因，以及對(duì)溫度測(cè)量的影響。在此基礎(chǔ)上，提出一種計(jì)算機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)，較好的解決了這些問(wèn)題。該系統(tǒng)采用高精度、低漂移電流放大器對(duì)光電探測(cè)器產(chǎn)生的光電流進(jìn)行放大，并將放大后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄、處理，在溫度為600℃附近，將溫度分辨率提高到0.2℃，并且擴(kuò)大了測(cè)溫范圍。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)最高光電流值進(jìn)行判斷，可精確調(diào)整測(cè)溫套筒，使半導(dǎo)體基片表面位置位于探測(cè)器光敏面的共軛面位置。同時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)曝光區(qū)進(jìn)行快速掃描，獲得溫度場(chǎng)的分布，以及對(duì)最高溫度點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。
1.系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置和工作原理
系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，CO2激光器輸出的10.6μm激光束經(jīng)反射鏡M、鍺透鏡L2聚焦后照射在表面已制備好含Zn的SiO2乳膠膜的半導(dǎo)體基片S上，完成擴(kuò)散結(jié)的寫(xiě)入等。曝光區(qū)近似為圓。基片上曝光區(qū)受激光照射升溫而發(fā)出較強(qiáng)的熱輻射，由透鏡L1將曝光區(qū)中被測(cè)面元的熱輻射能會(huì)聚在探測(cè)器D的光敏面上，并通過(guò)光電探測(cè)器把被測(cè)面元的熱輻射轉(zhuǎn)換為光電流，實(shí)際上也就是把被測(cè)面元的溫度信號(hào)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，最后通過(guò)檢流計(jì)顯示出光電流值，據(jù)此可得出相應(yīng)的溫度值。
圖1 溫度測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置
R=KσT4(1)
式中，K是被測(cè)基片在Σ區(qū)的平均發(fā)射本領(lǐng)，σ為Stefan常數(shù)，T為曝光區(qū)中測(cè)量點(diǎn)的溫度。進(jìn)一步假設(shè)透鏡接受到的被測(cè)面元(探測(cè)器光敏面的共軛面元)的輻射全部會(huì)聚到探測(cè)器光敏面，則探測(cè)器D輸出的光電流為
IP=RI(T)KσT4S1S′/(πd21)(2)
式中，RI(T)為探測(cè)器的電流響應(yīng)率，S1為透鏡L1的通光孔面積，S′為測(cè)量區(qū)域面積，即Σ中與探測(cè)器D的光敏面共軛面元的面積，d1為L(zhǎng)1到基片表面的距離。
(2)式表明，探測(cè)器D輸出的光電流對(duì)溫度的變化非常敏感，只要對(duì)光電流有一定的分辨率，就可達(dá)到較高的溫度分辨率。顯然，這種輻射測(cè)溫法具有不接觸測(cè)量的功能。
由于探測(cè)器光敏面的共軛面元(被測(cè)面元)面積S′、發(fā)射本領(lǐng)K難以準(zhǔn)確測(cè)定，電流響應(yīng)率RI(T)是溫度函數(shù)，所以依據(jù)式(2)用理論計(jì)算的方法由光電流IP求出溫度T比較困難。實(shí)驗(yàn)中，需進(jìn)行溫度定標(biāo)，即確定檢流計(jì)的電流示值同被測(cè)面元溫度之間的關(guān)系。溫度定標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方法見(jiàn)文獻(xiàn)[6]，通過(guò)溫度定標(biāo)后，就可以根據(jù)檢流計(jì)的電流示值讀出溫度值。
2.系統(tǒng)在實(shí)際使用時(shí)遇到的問(wèn)題
2.1溫度分辨率和測(cè)量范圍不能同時(shí)滿足要求
圖2 是系統(tǒng)對(duì)GaAs基片進(jìn)行定標(biāo)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)溫度從400℃變到700℃時(shí)，光電流將從幾個(gè)納安變到一百多個(gè)納安，變化范圍很大。系統(tǒng)中采用檢流計(jì)來(lái)測(cè)量探測(cè)器產(chǎn)生的光電流。當(dāng)采用檢流計(jì)的高靈敏度檔時(shí)，量程不能滿足這樣寬的測(cè)量范圍。因此只能使用檢流計(jì)的次靈敏檔，但這樣測(cè)量得出的精度又不能令人滿意。由于光電流與溫度的非線性關(guān)系，特別是在低溫時(shí)，光電流分辨率的降低使得溫度分辨率很低。這一點(diǎn)從圖2中可以看出。在溫度為600℃時(shí)，光電流分辨率為InA對(duì)應(yīng)的溫度分辨率約為1℃，而在溫度為450℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫度分辨率降為約10℃。因此，需要采用新方法在不減小測(cè)量范圍的條件下提高對(duì)溫度的分辨率。
圖2 定標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖3 溫度的徑向分布曲線
評(píng)論