激光微細加工中微小曝光區(qū)溫度測量系統(tǒng)的改進
加入技術交流群
T(R，W)=TmaxN(R，W)
式中，R=r/w是離束斑中心的徑向距離(以光斑半徑作為單位)，W=αw，α為吸收系數(shù)，Tmax是吸收系數(shù)很大時(W→∞)，基片表面光斑中心的溫度。歸一化溫度場徑向分布函數(shù)為
(3)取α=1/20μm，W=24μm，得W=1.2。據(jù)式(3)做出的N(R)～R關系曲線如圖3所示。
由圖3可看出，曝光區(qū)內的溫度分布是不均勻的，具有較大的溫度梯度。在進行激光微細加工實驗時，需要測出溫度場的分布。另外，實驗需用最高溫度區(qū)域的溫度來表示加工溫度。因此，需調節(jié)套筒位置，使得測量區(qū)域為最高溫度區(qū)域?？梢酝ㄟ^移動測溫套筒，逐點記錄溫度值及對應的套筒坐標的方法來測量溫度場的分布和尋找最高溫度區(qū)域。但由于調節(jié)臺的坐標值和檢流計的電流示值要用人工方法記錄成表格，測量一個點的時間較長。同時必須要測量盡量多的點才能真實反應溫度場的分布。這樣，即使進行一維的測量，也要花費很長時間。重要的是，要這樣一段長的時間里，由入射激光功率本身的變化，整個溫度場的溫度都會做相應的變化，這事實上使得用這種方法測量溫度場變得無法實現(xiàn)。而最高溫度點需要在整個曝光區(qū)尋找，應在得到溫度場分后才能準確獲得。因此，必須另尋方法來測量溫度場的分布。
圖4 計算機溫度測量系統(tǒng)實驗裝置3.系統(tǒng)的改進
針對系統(tǒng)在實際使用時遇到的困難，我們對原系統(tǒng)進行了改進。改進后測溫系統(tǒng)的裝置如圖4所示。系統(tǒng)去掉了檢流計，采用高精度電流放大器將探測器產生的光電流信號轉換為電壓信號，再經(jīng)A/D轉換器轉為數(shù)字信號輸入計算機進行計算、記錄及顯示。通過實驗定標，可將數(shù)字量直接和溫度對應。這樣，不但解決了測量范圍與測量精度之間的矛盾，還使得實驗時讀數(shù)方便、準確。溫度分辨率主要決定于所選A/D轉換器的位數(shù)，并不影響測量范圍。實驗裝置中，采用集成運放OP37組成電流放大器，A/D轉換器選用AD1674A。在溫度為600℃時，溫度分辨率達到0.2℃。
計算機控制精密電動平臺帶動測溫套筒移動并同時記錄由探測器輸出的溫度信號，對基片上的熱斑作二維掃描得到熱斑的溫度分布，從而利用軟件測出焦斑中心溫度、熱斑邊界等參數(shù)。同時，利用計算機軟件計算出熱斑最高溫度區(qū)的位置，并使測溫套筒移動，對準該位置。精密電動平臺的步距為1.25μm，掃描速度達20mm/s，滿足我們對溫度分布測量的要求。
在測量之前，同樣需對系統(tǒng)進行定標。在得到定標數(shù)據(jù)后，利用計算機的快速計算，在對實驗中的基片進行溫度測量時，將從A/D轉換器讀出的數(shù)據(jù)字量用插值計算的方法直接轉換為溫度值顯示在我們設計的虛擬儀器面板上。這很大程度上方便了激光微細加工實驗中對溫度的調節(jié)。
另外，我們利用計算機軟件及系統(tǒng)對溫度信號的快速記錄功能，實現(xiàn)了對基片溫度隨時間變化過程的測量、記錄。
4.改進后的系統(tǒng)在實驗中的應用
我們用上述系統(tǒng)測量了用功率為10W的連續(xù)波10.6μm聚焦激光束照射預熱溫度為580K的InP時產生熱斑的溫度分布，電動平臺移動的速度設置為0.5mm/s，結果示于圖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間的變化5.結束語
現(xiàn)有用于半導體的激光微細加工中微小曝光區(qū)的溫度測量系統(tǒng)在實際使用過程中出現(xiàn)了一些需要解決的問題。首先是溫度分辨率和溫度測量范圍不能同時滿足使用要求，其次是不能進行溫度分布的準確測量和最高溫度點的準確定位。本文提出了一種在原有系統(tǒng)基礎上經(jīng)過改進的計算機溫度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過軟、硬件的結合，較好的解決了原有系統(tǒng)的這些問題。新的計算機溫度測量系統(tǒng)在半導體的多種激光微細加工實驗中將發(fā)揮重要作用。
參考文獻
[1]葉玉堂.激光微細加工.第一版.電子科技大學出版社，1995
[2]葉玉堂、李忠東等.GaAs襯底的固態(tài)雜質源脈沖1.06μm激光誘導擴散.光學學報，1997，17(4)
[3]葉玉堂、李忠東等.用固態(tài)雜質源在GaAs襯底上實現(xiàn)的連續(xù)波CO2激光誘導Zn擴散.中國激光，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]李忠東、葉玉堂.連續(xù)波激光誘導擴散區(qū)溫度的不接觸測量.應用科學學報，1997，15(4)(end)
評論