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)

(3)取α=1/20μm，W=24μm，得W=1.2。據(jù)式(3)做出的N(R)～R關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖3可看出，曝光區(qū)內(nèi)的溫度分布是不均勻的，具有較大的溫度梯度。在進(jìn)行激光微細(xì)加工實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)出溫度場(chǎng)的分布。另外，實(shí)驗(yàn)需用最高溫度區(qū)域的溫度來表示加工溫度。因此，需調(diào)節(jié)套筒位置，使得測(cè)量區(qū)域?yàn)樽罡邷囟葏^(qū)域?？梢酝ㄟ^移動(dòng)測(cè)溫套筒，逐點(diǎn)記錄溫度值及對(duì)應(yīng)的套筒坐標(biāo)的方法來測(cè)量溫度場(chǎng)的分布和尋找最高溫度區(qū)域。但由于調(diào)節(jié)臺(tái)的坐標(biāo)值和檢流計(jì)的電流示值要用人工方法記錄成表格，測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間較長。同時(shí)必須要測(cè)量盡量多的點(diǎn)才能真實(shí)反應(yīng)溫度場(chǎng)的分布。這樣，即使進(jìn)行一維的測(cè)量，也要花費(fèi)很長時(shí)間。重要的是，要這樣一段長的時(shí)間里，由入射激光功率本身的變化，整個(gè)溫度場(chǎng)的溫度都會(huì)做相應(yīng)的變化，這事實(shí)上使得用這種方法測(cè)量溫度場(chǎng)變得無法實(shí)現(xiàn)。而最高溫度點(diǎn)需要在整個(gè)曝光區(qū)尋找，應(yīng)在得到溫度場(chǎng)分后才能準(zhǔn)確獲得。因此，必須另尋方法來測(cè)量溫度場(chǎng)的分布。

圖4　計(jì)算機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置3.系統(tǒng)的改進(jìn)

針對(duì)系統(tǒng)在實(shí)際使用時(shí)遇到的困難，我們對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后測(cè)溫系統(tǒng)的裝置如圖4所示。系統(tǒng)去掉了檢流計(jì)，采用高精度電流放大器將探測(cè)器產(chǎn)生的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算、記錄及顯示。通過實(shí)驗(yàn)定標(biāo)，可將數(shù)字量直接和溫度對(duì)應(yīng)。這樣，不但解決了測(cè)量范圍與測(cè)量精度之間的矛盾，還使得實(shí)驗(yàn)時(shí)讀數(shù)方便、準(zhǔn)確。溫度分辨率主要決定于所選A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，并不影響測(cè)量范圍。實(shí)驗(yàn)裝置中，采用集成運(yùn)放OP37組成電流放大器，A/D轉(zhuǎn)換器選用AD1674A。在溫度為600℃時(shí)，溫度分辨率達(dá)到0.2℃。

計(jì)算機(jī)控制精密電動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)測(cè)溫套筒移動(dòng)并同時(shí)記錄由探測(cè)器輸出的溫度信號(hào)，對(duì)基片上的熱斑作二維掃描得到熱斑的溫度分布，從而利用軟件測(cè)出焦斑中心溫度、熱斑邊界等參數(shù)。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出熱斑最高溫度區(qū)的位置，并使測(cè)溫套筒移動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)該位置。精密電動(dòng)平臺(tái)的步距為1.25μm，掃描速度達(dá)20mm/s，滿足我們對(duì)溫度分布測(cè)量的要求。

在測(cè)量之前，同樣需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)。在得到定標(biāo)數(shù)據(jù)后，利用計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算，在對(duì)實(shí)驗(yàn)中的基片進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，將從A/D轉(zhuǎn)換器讀出的數(shù)據(jù)字量用插值計(jì)算的方法直接轉(zhuǎn)換為溫度值顯示在我們?cè)O(shè)計(jì)的虛擬儀器面板上。這很大程度上方便了激光微細(xì)加工實(shí)驗(yàn)中對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。

另外，我們利用計(jì)算機(jī)軟件及系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)的快速記錄功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基片溫度隨時(shí)間變化過程的測(cè)量、記錄。

4.改進(jìn)后的系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

我們用上述系統(tǒng)測(cè)量了用功率為10W的連續(xù)波10.6μm聚焦激光束照射預(yù)熱溫度為580K的InP時(shí)產(chǎn)生熱斑的溫度分布，電動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)的速度設(shè)置為0.5mm/s，結(jié)果示于圖5。從圖中可以看出，熱斑隨半徑有較大的溫度梯度。熱斑中心溫度隨時(shí)間變化過程如圖6所示。

圖5　熱斑的溫度分布

圖6　熱斑中心溫度隨激光束照射時(shí)間的變化5.結(jié)束語

現(xiàn)有用于半導(dǎo)體的激光微細(xì)加工中微小曝光區(qū)的溫度測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)了一些需要解決的問題。首先是溫度分辨率和溫度測(cè)量范圍不能同時(shí)滿足使用要求，其次是不能進(jìn)行溫度分布的準(zhǔn)確測(cè)量和最高溫度點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。本文提出了一種在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)的計(jì)算機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過軟、硬件的結(jié)合，較好的解決了原有系統(tǒng)的這些問題。新的計(jì)算機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)在半導(dǎo)體的多種激光微細(xì)加工實(shí)驗(yàn)中將發(fā)揮重要作用。

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