机械网--激光微细加工中微小曝光区温度测量系统的改

半导体的激光微细加工技术具有“直接写入”、“低温处理”等独特的优越性，在微电子、光电子、集成光学及光电混合集成等领域有着广阔的利用国家修高铁可以强拆吗。如制作OEIC(光电混合集成)器件时，可以把电路和光路部分分开来做，即先在半导体衬底上做好集成电路，再利用激光微细加工的直接写入功能，1次性“写入”p-n结和欧姆接触，可以避免高温热破坏半导体基片和集成电路，从而可以使OEIC各个部分性能到达最优，大大提高OEIC的整体性能。因此，自20世纪70年代末期以来，国内外在这方面的研究都比较活跃。在激光微细加工技术中，人们需要了解曝光区温度散布的细节，特别是焦斑中心温度、热斑边界等重要信息。针对半导体基片温度的丈量方法已有很多报道，但大多是丈量基片的平均温度，不能满足上述要求。本课题组曾报道的微小高温区温度不接触实时丈量系统，丈量区域直径最小可以到达18μm，温度分辨能力可以到达1℃，基本满足激光微细加工的要求。但系统在实际利用时遇到几个问题。首先是要进1步提高温度分辨率时，测温范围达不到要求。其次是丈量曝光区温度散布时，需手动调理测温套筒的位置，系统的调解和读数不方便，只能测较少的点，不能很好的反应曝光区的温度散布，同时难以寻觅到曝光区的最高温度点，使得测温带来误差。本文首先简单介绍现有系统的结构和工作原理，然后详细分析了产生这些问题的缘由，和对温度丈量的影响。在此基础上，提出1种计算机温度丈量系统，较好的解决了这些问题。该系统采取高精度、低漂移电放逐大器对光电探测器产生的光电流进行放大，并将放大后的电压信号转换为数字信号输入计算机进行记录、处理，在温度为600℃附近，将温度分辨率提高到0.2℃，并且扩大了测温范围。通过计算机软件对最高光电流值进行判断，可精确调解测温套筒，使半导体基片表面位置位于探测器光敏面的共轭面位置。同时，计算机通过对曝光区进行快速扫描，获得温度场的散布，和对最高温度点进行准肯定位。1.系统实验装置和工作原理系统实验装置如图1所示，CO2激光器输出的10.6μm激光束经反射镜M、锗透镜L2聚焦后照耀在表面已制备好含Zn的SiO2乳胶膜的半导体基片S上，完成份散结的写入等。曝光区近似为圆违章建筑能赔偿吗。基片上曝光区受激光照耀升温而发出较强的热辐射，由透镜L1将曝光区中被测面元的热辐射能会聚在探测器D的光敏面上，并通过光电探测器把被测面元的热辐射转换为光电流，实际上也就是把被测面元的温度信号变成电流信号，最后通过检流计显示出光电流值，据此可得出相应的温度值。图1　温度丈量系统的实验装置

公道地将曝光区Σ近似为灰体，其面发光率R=KσT4(1)式中，K是被测基片在Σ区的平均发射本领，σ为Stefan常数，T为曝光区中丈量点的温度。进1步假定透镜接遭到的被测面元(探测器光敏面的共轭面元)的辐射全部会聚到探测器光敏面，则探测器D输出的光电流为IP=RI(T)KσT4S1S′/(πd21)(2)式中，RI(T)为探测器的电流响应率，S1为透镜L1的通光孔面积，S′为丈量区域面积，即Σ中与探测器D的光敏面共轭面元的面积，d1为L1到基片表面的距离。(2)式表明，探测器D输出的光电流对温度的变化非常敏感，只要对光电流有1定的分辨率，即可到达较高的温度分辨率。明显，这类辐射测温法具有不接触丈量的功能。由于探测器光敏面的共轭面元(被测面元)面积S′、发射本领K难以准确测定，电流响应率RI(T)是温度函数，所以根据式(2)用理论计算的方法由光电流IP求出温度T比较困难。实验中，需进行温度定标，即肯定检流计的电流示值同被测面元温度之间的关系。温度定标的实验方法见文献[6]，通过温度定标后，就可以够根据检流计的电流示值读出温度值。2.系统在实际使用时遇到的问题2.1温度分辨率和丈量范围不能同时满足要求图2　是系统对GaAs基片进行定标实验的结果。从图中可以看出，当温度从400℃变到700℃时，光电流将从几个纳安变到1百多个纳安，变化范围很大。系统中采取检流计来丈量探测器产生的光电流。当采取检流计的高灵敏度档时，量程不能满足这样宽的丈量范围。因此只能使用检流计的次灵敏档，但这样丈量得出的精度又不能令人满意。由于光电流与温度的非线性关系，特别是在低温时，光电流分辨率的降落使得温度分辨率很低。这1点从图2中可以看出。在温度为600℃时，光电流分辨率为InA对应的温度分辨率约为1℃，而在温度为450℃时，对应的温度分辨率降为约10℃。因此，需要采取新方法在不减小丈量范围的条件下提高对温度的分辨率。图2　定标实验结果

2.2不能准确测得温度场的散布及对曝光区最高温度区域进行定位图3　温度的径向散布曲线

公道假定加热基片的聚焦激光束为高斯光束，在基片表面光强散布为高斯散布，光斑半径为w，则基片表面曝光区Σ的温度场的径向散布为T(R，W)=TmaxN(R，W)式中，R=r/w是离束斑中心的径向距离(以光斑半径作为单位)，W=αw，α为吸收系数，Tmax是吸收系数很大时(W→∞)，基片表面光斑中心的温度。归1化温度场径向散布函数为(3)

取α=1/20μm，W=24μm，得W=1.2。据式(3)做出的N(R)～R关系曲线如图3所示。由图3可看出，曝光区内的温度散布是不均匀的，具有较大的温度梯度。在进行激光微细加工实验时，需要测出温度场的散布。另外，实验需用最高温度区域的温度来表示加工温度。因此，需调理套筒位置，使得丈量区域为最高温度区域。可以通过移动测温套筒，逐点记录温度值及对应的套筒坐标的方法来丈量温度场的散布和寻觅最高温度区域。但由于调理台的坐标值和检流计的电流示值要用人工方法记录成表格，丈量1个点的时间较长。同时必须要丈量尽量多的点才能真实反应温度场的散布。这样，即使进行1维的丈量，也要花费很长时间。重要的是，要这样1段长的时间里，由入射激光功率本身的变化，全部温度场的温度都会做相应的变化，这事实上使得用这类方法丈量温度场变得没法实现。而最高温度点需要在全部曝光区寻觅，应在得到温度场分后才能准确获得。因此，必须另寻方法来丈量温度场的散布。图4　计算机温度丈量系统实验装置

3.系统的改进针对系统在实际使用时遇到的困难，我们对原系统进行了改进。改进后测温系统的装置如图4所示。系统去掉了检流计，采取高精度电放逐大器将探测器产生的光电流信号转换为电压信号，再经A/D转换器转为数字信号输入计算机进行计算、记录及显示。通过实验定标，可将数字量直接和温度对应。这样，不但解决了丈量范围与丈量精度之间的矛盾，还使得实验时读数方便、准确。温度分辨率主要决定于所选A/D转换器的位数，其实不影响丈量范围。实验装置中，采取集成运放OP37组成电放逐大器，A/D转换器选用AD1674A。在温度为600℃时，温度分辨率到达0.2℃。计算机控制精密电动平台带动测温套筒移动并同时记录由探测器输出的温度信号，对基片上的热斑作2维扫描得到热斑的温度散布，从而利用软件测出焦斑中心温度、热斑边界等参数。同时，利用计算机软件计算出热斑最高温度区的位置，并使测温套筒移动，对准该位置。精密电动平台的步距为1.25μm，扫描速度达20mm/s，满足我们对温度散布丈量的要求。在丈量之前，1样需对系统进行定标。在得到定标数据后，利用计算机的快速计算，在对实验中的基片进行温度丈量时，将从A/D转换器读出的数据字量用插值计算的方法直接转换为温度值显示在我们设计的虚拟仪器面板上。这很大程度上方便了激光微细加工实验中对温度的调理。另外，我们利用计算机软件及系统对温度信号的快速记录功能，实现了对基片温度随时间变化进程的丈量、记录。4.改进后的系统在实验中的利用我们用上述系统丈量了用功率为10W的连续波10.6μm聚焦激光束照耀预热温度为580K的InP时产生热斑的温度散布，电动平台移动的速度设置为0.5mm/s，结果示于图5。从图中可以看出，热斑随半径有较大的温度梯度。热斑中心温度随时间变化进程如图6所示。图5　热斑的温度散布

图6　热斑中心温度随激光束照耀时间的变化

5.结束语现有用于半导体的激光微细加工中微小曝光区的温度丈量系统在实际使用进程中出现了1些需要解决的问题。首先是温度分辨率和温度丈量范围不能同时满足使用要求，其次是不能进行温度散布的准确丈量和最高温度点的准肯定位。本文提出了1种在原有系统基础上经过改进的计算机温度丈量系统，该系统通过软、硬件的结合，较好的解决了原有系统的这些问题。新的计算机温度丈量系统在半导体的多种激光微细加工实验中将发挥重要作用。参考文献[1]叶玉堂.激光微细加工.初版.电子科技大学出版社，1995[2]叶玉堂、李忠东等.GaAs衬底的固态杂质源脉冲1.06μm激光勾引分散.光学学报，1997，17(4)[3]叶玉堂、李忠东等.用固态杂质源在GaAs衬底上实现的连续波CO2激光勾引Zn分散.中国激光，1997，24(3)[4]P.Baumgartner， W.Wegscheider， M.Bichier， etal. Single-electron fabricated by focused laser beam-induceddoping of a GaAs/AlGaAshetero structure， Appl. Phys. Lett，1997，70(16)[5]A.Yu.Bonchik，S.G.Kijak，Z.Gotra，etal.Laser technology for submicron-dopedlayers for mation in semiconductors， Optics & Laser Technology， 2001[6]李忠东、叶玉堂.连续波激光勾引分散区温度的不接触丈量.利用科学学报，1997，15(4)(end)资讯分类行业动态帮助文档展会专题报道5金人物商家文章