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激光微細加工中微小曝光區溫度測量系統的改進(jìn)
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時(shí)間：2013-09-02
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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半導體的激光微細加工技術(shù)具有“直接寫(xiě)入”、“低溫處理”等獨特的優(yōu)越性，在微電子、光電子、集成光學(xué)及光電混合集成等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用。如制作OEIC(光電混合集成)器件時(shí)，可以把電路和光路部分分開(kāi)來(lái)做，即先在半導體襯底上做好集成電路，再利用激光微細加工的直接寫(xiě)入功能，一次性“寫(xiě)入”p-n結和歐姆接觸，可以避免高溫熱損壞半導體基片和集成電路，從而可以使OEIC各個(gè)部分性能達到最優(yōu)，大大提高OEIC的整體性能。因此，自20世紀70年代末期以來(lái)，國內外在這方面的研究都比較活躍。
在激光微細加工技術(shù)中，人們需要了解曝光區溫度分布的細節，尤其是焦斑中心溫度、熱斑邊界等重要信息。針對半導體基片溫度的測量方法已有很多報道，但大多是測量基片的平均溫度，不能滿(mǎn)足上述要求。本課題組曾經(jīng)報道的微小高溫區溫度不接觸實(shí)時(shí)測量系統，測量區域直徑最小可以達到18μm，溫度分辨能力可以達到1℃，基本滿(mǎn)足激光微細加工的要求。但系統在實(shí)際應用時(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)，測溫范圍達不到要求。其次是測量曝光區溫度分布時(shí)，需手動(dòng)調節測溫套筒的位置，系統的調整和讀數不方便，只能測較少的點(diǎn)，不能很好的反映曝光區的溫度分布，同時(shí)難以尋找到曝光區的最高溫度點(diǎn)，使得測溫帶來(lái)誤差。本文首先簡(jiǎn)單介紹現有系統的結構和工作原理，然后詳細分析了產(chǎn)生這些問(wèn)題的原因，以及對溫度測量的影響。在此基礎上，提出一種計算機溫度測量系統，較好的解決了這些問(wèn)題。該系統采用高精度、低漂移電流放大器對光電探測器產(chǎn)生的光電流進(jìn)行放大，并將放大后的電壓信號轉換為數字信號輸入計算機進(jìn)行記錄、處理，在溫度為600℃附近，將溫度分辨率提高到0.2℃，并且擴大了測溫范圍。通過(guò)計算機軟件對最高光電流值進(jìn)行判斷，可精確調整測溫套筒，使半導體基片表面位置位于探測器光敏面的共軛面位置。同時(shí)，計算機通過(guò)對曝光區進(jìn)行快速掃描，獲得溫度場(chǎng)的分布，以及對最高溫度點(diǎn)進(jìn)行準確定位。
1.系統實(shí)驗裝置和工作原理
系統實(shí)驗裝置如圖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乳膠膜的半導體基片S上，完成擴散結的寫(xiě)入等。曝光區近似為圓?；掀毓鈪^受激光照射升溫而發(fā)出較強的熱輻射，由透鏡L1將曝光區中被測面元的熱輻射能會(huì )聚在探測器D的光敏面上，并通過(guò)光電探測器把被測面元的熱輻射轉換為光電流，實(shí)際上也就是把被測面元的溫度信號變?yōu)殡娏餍盘?，最后通過(guò)檢流計顯示出光電流值，據此可得出相應的溫度值。 
圖1 溫度測量系統的實(shí)驗裝置
合理地將曝光區Σ近似為灰體，其面發(fā)光率
R=KσT4(1)
式中，K是被測基片在Σ區的平均發(fā)射本領(lǐng)，σ為Stefan常數，T為曝光區中測量點(diǎn)的溫度。進(jìn)一步假設透鏡接受到的被測面元(探測器光敏面的共軛面元)的輻射全部會(huì )聚到探測器光敏面，則探測器D輸出的光電流為
IP=RI(T)KσT4S1S′/(πd21)(2)
式中，RI(T)為探測器的電流響應率，S1為透鏡L1的通光孔面積，S′為測量區域面積，即Σ中與探測器D的光敏面共軛面元的面積，d1為L(cháng)1到基片表面的距離。
(2)式表明，探測器D輸出的光電流對溫度的變化非常敏感，只要對光電流有一定的分辨率，就可達到較高的溫度分辨率。顯然，這種輻射測溫法具有不接觸測量的功能。
由于探測器光敏面的共軛面元(被測面元)面積S′、發(fā)射本領(lǐng)K難以準確測定，電流響應率RI(T)是溫度函數，所以依據式(2)用理論計算的方法由光電流IP求出溫度T比較困難。實(shí)驗中，需進(jìn)行溫度定標，即確定檢流計的電流示值同被測面元溫度之間的關(guān)系。溫度定標的實(shí)驗方法見(jiàn)文獻[6]，通過(guò)溫度定標后，就可以根據檢流計的電流示值讀出溫度值。
2.系統在實(shí)際使用時(shí)遇到的問(wèn)題
2.1溫度分辨率和測量范圍不能同時(shí)滿(mǎn)足要求
圖2 是系統對GaAs基片進(jìn)行定標實(shí)驗的結果。從圖中可以看出，當溫度從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。系統中采用檢流計來(lái)測量探測器產(chǎn)生的光電流。當采用檢流計的高靈敏度檔時(shí)，量程不能滿(mǎn)足這樣寬的測量范圍。因此只能使用檢流計的次靈敏檔，但這樣測量得出的精度又不能令人滿(mǎn)意。由于光電流與溫度的非線(xiàn)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對應的溫度分辨率約為1℃，而在溫度為450℃時(shí)，對應的溫度分辨率降為約10℃。因此，需要采用新方法在不減小測量范圍的條件下提高對溫度的分辨率。 
圖2 定標實(shí)驗結果
2.2不能準確測得溫度場(chǎng)的分布及對曝光區最高溫度區域進(jìn)行定位 
圖3 溫度的徑向分布曲線(xiàn)
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