коэффициент поглощение света кристаллами

Методы лазерной термометрии

Все о датчиках температуры.

Первый универсальный русскоязычный портал

Основы термометрии

Основные разделы



Термометрия по сдвигу края поглощения света в кристаллах

Метод термометрии по сдвигу края поглощения позволяет измерять как стационарную, так и нестационарную температуру полупроводниковых монокристаллов в диапазоне от криогенных до высоких (T 1000 0 С) температур. Метод является вторым (после лазерной интерференционной термометрии) по температурной чувствительности сигнала, поскольку температурно-зависимая переменная (коэффициент поглощения света , см -1 ) входит в показатель экспоненты exp(- h), где h толщина пластинки. При увеличении температуры растет коэффициент поглощения, при этом коэффициент пропускания быстро уменьшается. Рис.1. Оптическая схема лазерной термометрии по сдвигу края поглощения кристаллов в проходящем свете: лазер или другой источник света (1), зондируемая пластинка (2), фотоприемник (3), компьютер (4). На рис.1 показана базовая схема лазерной термометрии в проходящем свете. Помимо основных элементов, схема может включать модулятор интенсивности зондирующего света и синхронный детектор, оптический фильтр для селекции излучения, оптическое волокно, дополнительную схему для контроля стабильности лазера и коррекции регистрируемого сигнала и т.д. Для нахождения неизвестной температуры пластинки необходимо провести одно из двух измерений: - определить коэффициент отражения R или пропускания T света исследуемой пластинкой на фиксированной длине волны, лежащей в области края поглощения (рис.2); - зарегистрировать спектр пропускания или отражения в области края поглощения (рис.3). Далее вычисляют температурно-зависимый параметр коэффициент поглощения или ширину запрещенной зоны и с помощью известной температурной зависимости этого параметра определяют искомую температуру. Рис.2. Температурная зависимость коэффициента пропускания монокристаллом кремния излучения с длиной волны (мкм): 1.06 (1), 1.15 (2), 1.3 (3) и 1.52 (4). толщина кристалла 0.5 мм. Край поглощения при комнатной температуре соответствует для наиболее важных полупроводниковых монокристаллов длинам волн, лежащим в ультрафиолетовом, видимом или ближнем инфракрасном диапазонах спектра. Для монокристалла германия (E g ≈0.7 эВ) заметное поглощение при 300 К наблюдается при зондировании излучением с длиной волны λ ≤1.8 мкм, для кремния (E g ≈1.1 эВ) при λ ≤1.1 мкм, для арсенида галлия (E g ≈1.4 эВ) при λ ≤0.9 мкм, для фосфида галлия (E g ≈2.24 эВ) при λ ≤0.55 мкм, для безазотного алмаза (E g ≈5.5 эВ) при λ ≤0.225 мкм и т.д. Взаимодействие света с пластинкой должно происходить в некогерентном режиме, т.е. при наличии многократных внутренних отражений без интерференции. Подавление интерференции в экспериментах достигается несколькими способами: 1) за счет естественной клиновидности практически любой пластинки dh/dx∼10 -5 ÷10 -4 (в этом случае надо применять лазерный пучок диаметром D>λ[4n(dh/dx)] -1 , для монокристаллов кремния с углом между поверхностями 3·10 -5 рад полное усреднение интерференции наблюдалось при D ≈3 мм); 2) увеличением спектральной ширины зондирующего света, используя нелазерный источник (чаще всего применяется именно этот способ) или лазер с достаточно широкой линией генерации (например, твердотельный вместо газового); необходимая ширина линии Δλ>>λ 2 /4nh, для кристалла кремния толщиной 1 мм на длине волны 1.3 мкм Δλ>> 0.1 нм. Рис.3. Спектры пропускания света монокристаллом кремния толщиной 0.5 мм при температурах ( о С): 20 (1), 200 (2), 300 (3), 400 (4). Рис.4. Зависимость коэффициента пропускания света (длина волны 1.15 мкм) монокристаллом кремния толщиной 0.45 мм от времени после зажигания ВЧ-разряда в кислороде при давлении 40 Па. Вкладываемая в разряд мощность (Вт): 110 (1) и 250 (2). При t = 212 c (кривая 2) выключен ВЧ генератор, далее происходит остывание кристалла. Рис.5. Температура монокристалла кремния в плазме. Условия и обозначения, как на рис.4. Метод термометрии по сдвигу края поглощения применяется для контроля температуры полупроводниковых подложек в процессах эпитаксиального роста пленок и быстрых термических процессах микротехнологии. Широкое распространение получила разновидность метода, известная как “спектроскопия диффузного рассеяния”, в которой регистрируют спектр отражения света от пластины с шероховатой тыльной поверхностью и определяют ширину запрещенной зоны кристалла, которая и является температурно-зависимым параметром.

Лазерная интерференционная термометрия

Метод лазерной интерференционной термометрии (ЛИТ) позволяет измерять нестационарную температуру плоскопараллельной пластинки. ЛИТ является самым чувствительным методом термометрии полупроводниковых и диэлектрических подложек в микротехнологии. Этот метод наиболее часто применяется для изучения температурных режимов подложек из кремния, арсенида галлия, плавленого кварца и различных стекол. Схема установки для измерения температуры приведена на рис.6. Рис.6. Схема ЛИТ в отраженном свете: лазер (1), светоделительный кубик (2), зондируемая пластинка (3), фотоприемник (4), компьютер (5). Метод ЛИТ основан на том, что прозрачная или полупрозрачная плоскопараллельная пластинка является для зондирующего светового пучка эталоном Фабри-Перо, оптическая толщина (nh) которого изменяется с температурой (здесь n показатель преломления, h геометрическая толщина). В выражения для коэффициентов отражения и пропускания монохроматического света пластинкой оптическая толщина входит в виде аргумента тригонометрической функции cos(2nkh), где k = 2 / - волновое число, - длина волны зондирующего света. Поэтому при монотонном изменении температуры подложки во времени наблюдаются периодические осцилляции интенсивности отраженного и проходящего света, т.е. сдвиг полос интерферограммы (рис.7 и 9). Рис.7. Интерферограмма в отраженном свете (1.15 мкм) при нагревании монокристалла кремния в аргоновой плазме ВЧ-разряда. Температурный интервал между соседними одноименными экстремумами (например, минимумами отражения) определяется выражением: T = [2nh(n-1 n/ T + h-1 h/ T)] -1 Для многих материалов (Si, Ge, GaAs, плавленый кварц и т.д.) основную роль играет первое слагаемое n-1 n/ T, тогда как вклад термического расширения пластинки в десятки раз меньше (например, для монокристаллического кремния вклад первого слагаемого составляет примерно 96%, а второго 4%). Пренебрегая вторым слагаемым, получаем приближенное выражение T /2h( n/ T). Отсюда видно, что для выбранного материала T уменьшается при использовании более коротковолнового зондирующего излучения и при увеличении толщины пластины. Величина n/ T для полупроводников существенно (примерно на порядок) выше, чем для диэлектриков. Обработка интерферограммы позволяет найти зависимость температуры кристалла от времени после начала нагрева (например, момента зажигания разряда). На рис.8 показаны зависимости T(t), построенные с помощью интерферограмм, аналогичных представленной на рис.7. Температурная чувствительность ЛИТ очень велика: при изменении температуры монокристалла Si толщиной 0.5 мм на 1 К интенсивность отраженного света с длиной волны 1.15 мкм изменяется в среднем по периоду на 80% (чувствительность в пределах периода осциллирует с удвоенной частотой и изменяется от нуля в интерференционных экстремумах до максимума в точках перегиба кривой). Сдвиг интерферограммы на одну полосу соответствует изменению температуры такого кристалла примерно на 5.2 К. Зная начальную температуру пластины и температурную зависимость показателя преломления и толщины, легко найти зависимость температуры от времени. Итак, с помощью ЛИТ на фиксированной длине волны зондирующего света можно измерять только нестационарную температуру пластины. Для измерения стационарной температуры необходимо сканирование по спектру в пределах одной или нескольких интерференционных полос. При этом температура определяется по спектральному интервалу между двумя соседними экстремумами интерференции. Создание таких термометров возможно на основе перестраиваемых лазеров (например, импульсных полупроводниковых лазерных диодов ИК диапазона, у которых перестройка длины волны генерации происходит за счет нагрева и удлинения резонатора в течение импульса длительностью порядка 1 мкс). Рис.8. Температура монокристалла кремния в плазме ВЧ-разряда (давление 40 Па). Вкладываемая в разряд мощность (Вт), снизу вверх: 60, 100, 140, 180, 230, 290, 340. Существует верхний предел измеряемых температур для полупроводниковых монокристаллов, что обусловлено двумя причинами: а) сдвигом края собственного поглощения в длинноволновую область при нагревании кристалла; влияние этого эффекта видно на рис.7; влияние сдвига края поглощения не проявляется, если длина волны зондирующего света находится дальше от края поглощения (например, для Si можно с этой целью применять линию 3.39 мкм вместо 1.15 мкм; для GaAs на длине волны 1.15 мкм в температурном диапазоне до 800 К поглощение пренебрежимо мало, как видно на рис.9); б) увеличением концентрации свободных носителей заряда до уровня, при котором кристалл становится совершенно непрозрачным во всем спектральном диапазоне. Для кремния толщиной 0.5 мм верхний предел находится вблизи 1000 К на длине волны 1.8 мкм (для других длин волн предел расположен ниже). Для арсенида галлия верхний предел расположен вблизи 1300 К. Для широкозонных кристаллических диэлектриков верхний предел измеряемых температур совпадает с температурой плавления. Для стекол верхний предел лежит вблизи температуры стеклования, выше которой начинается размягчение материала, его вязкое течение и деформация пластин. Рис.9. Интерферограмма в отраженном свете (длина волны 1.15 мкм) при нагревании монокристалла GaAs толщиной 0.43 мм в плазме ВЧ-разряда. Лазерный термометр, встроенный в установку плазмохимического травления Ярославского филиала Физико-технологического института РАН, работает на длинах волн 0.633 и 1.15 мкм (He-Ne лазер ЛГН-118-2В). Видимое излучение используется для юстировки оптической схемы и для термометрии диэлектриков (кварца и оптического стекла), ИК-излучение для термометрии кремния и арсенида галлия. Зондирующее излучение, отраженное от кристалла, регистрируется с момента загрузки пластины в реактор. После зажигания ВЧ разряда на мониторе появляется интерферограмма, по которой в реальном времени рассчитывается нестационарная температура кристалла T(t) и температурная зависимость мощности, нагревающей кристалл (рис.10). Последняя зависимость применяется при исследовании тепловых эффектов плазмохимических реакций и для детектирования момента окончания травления тонкой пленки. Для проведения температурных измерений необходимо задать следующие параметры: материал подложки, ее толщину, начальную температуру, длину волны зондирования. Рис.10. Картина на мониторе автоматизированного лазерного термометра, встроенного в установку плазмохимического травления структур. Основные препятствия к применению метода ЛИТ связаны с отклонениями пластины от плоскопараллельности и шероховатостью ее поверхностей. Для получения интерферограммы необходимо, чтобы угол между поверхностями пластины не превосходил 10 -5 ÷10 -4 рад, а шероховатость поверхностей была малой по сравнению с длиной волны зондирующего излучения (например, трудно или невозможно измерить методом ЛИТ в видимом свете температуру неполированных пластин, в этом случае для получения интерферограммы необходимо применять ИК излучение). Шероховатость поверхности и клиновидность пластины приводят к снижению контраста V = (R max R min )/(R max + R min ) интерферограммы вплоть до полной неразличимости полос (при V → 0). При столь высоких требованиях к форме образца оказывается, что область применимости ЛИТ ограничена, несмотря на высокую чувствительность метода.

source