半導體的激光微細加工技術具有“直接寫入”、“低溫處理”等獨特的優越性，在微電子、光電子、集成光學及光電混合集成等領域有著廣闊的應用。如制作OEIC(光電混合集成)器件時，可以把電路和光路部分分開來做，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入功能，一次性“寫入”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各個部分性能達到最優，大大提高OEIC的整體性能。因此，自20世紀70年代末期以來，國內外在這方面的研究都比較活躍。 在激光微細加工技術中，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，不能滿足上述要求。本課題組曾經報道的微小高溫區溫度不接觸實時測量系統，測量區域直徑最小可以達到18μm，溫度分辨能力可以達到1℃，基本滿足激光微細加工的要求。但系統在實際應用時遇到幾個問題。首先是要進一步提高溫度分辨率時，測溫范圍達不到要求。其次是測量曝光區溫度分布時，需手動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，不能很好的反映曝光區的溫度分布，同時難以尋找到曝光區的最高溫度點，使得測溫帶來誤差。本文首先簡單介紹現有系統的結構和工作原理，然后詳細分析了產生這些問題的原因，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題。該系統采用高精度、低漂移電流放大器對光電探測器產生的光電流進行放大，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。通過計算機軟件對最高光電流值進行判斷，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，計算機通過對曝光區進行快速掃描，獲得溫度場的分布，以及對最高溫度點進行準確定位。 1.系統實驗裝置和工作原理 系統實驗裝置如圖1所示，CO2激光器輸出的10.6μm激光束經反射鏡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，完成擴散結的寫入等。曝光區近似為圓。基片上曝光區受激光照射升溫而發出較強的熱輻射，由透鏡L1將曝光區中被測面元的熱輻射能會聚在探測器D的光敏面上，并通過光電探測器把被測面元的熱輻射轉換為光電流，實際上也就是把被測面元的溫度信號變為電流信號，最后通過檢流計顯示出光電流值，據此可得出相應的溫度值。 圖1 溫度測量系統的實驗裝置合理地將曝光區Σ近似為灰體，其面發光率 R=KσT4(1) 式中，K是被測基片在Σ區的平均發射本領，σ為Stefan常數，T為曝光區中測量點的溫度。進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L1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′、發射本領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。實驗中，需進行溫度定標，即確定檢流計的電流示值同被測面元溫度之間的關系。溫度定標的實驗方法見文獻[6]，通過溫度定標后，就可以根據檢流計的電流示值讀出溫度值。 2.系統在實際使用時遇到的問題 2.1溫度分辨率和測量范圍不能同時滿足要求 圖2 是系統對GaAs基片進行定標實驗的結果。從圖中可以看出，當溫度從400℃變到700℃時，光電流將從幾個納安變到一百多個納安，變化范圍很大。系統中采用檢流計來測量探測器產生的光電流。當采用檢流計的高靈敏度檔時，量程不能滿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意。由于光電流與溫度的非線性關系，特別是在低溫時，光電流分辨率的降低使得溫度分辨率很低。這一點從圖2中可以看出。在溫度為600℃時，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，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 定標實驗結果2.2不能準確測得溫度場的分布及對曝光區最高溫度區域進行定位 圖3 溫度的徑向分布曲線合理假設加熱基片的聚焦激光束為高斯光束，在基片表面光強分布為高斯分布，光斑半徑為w，則基片表面曝光區Σ的溫度場的徑向分布為 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，Tmax是吸收系數很大時(W→∞)，基片表面光斑中心的溫度。歸一化溫度場徑向分布函數為(3)取α=1/20μm，W=24μm，得W=1.2。據式(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域的溫度來表示加工溫度。因此，需調節套筒位置，使得測量區域為最高溫度區域。可以通過移動測溫套筒，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域。但由于調節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。而最高溫度點需要在整個曝光區尋找，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實驗裝置3.系統的改進 針對系統在實際使用時遇到的困難，我們對原系統進行了改進。改進后測溫系統的裝置如圖4所示。系統去掉了檢流計，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A/D轉換器轉為數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，還使得實驗時讀數方便、準確。溫度分辨率主要決定于所選A/D轉換器的位數，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。同時，利用計算機軟件計算出熱斑最高溫度區的位置，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，同樣需對系統進行定標。在得到定標數據后，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轉換器讀出的數據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。 另外，我們利用計算機軟件及系統對溫度信號的快速記錄功能，實現了對基片溫度隨時間變化過程的測量、記錄。 4.改進后的系統在實驗中的應用 我們用上述系統測量了用功率為10W的連續波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 現有用于半導體的激光微細加工中微小曝光區的溫度測量系統在實際使用過程中出現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基礎上經過改進的計算機溫度測量系統，該系統通過軟、硬件的結合，較好的解決了原有系統的這些問題。新的計算機溫度測量系統在半導體的多種激光微細加工實驗中將發揮重要作用。 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.用固態雜質源在GaAs襯底上實現的連續波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.連續波激光誘導擴散區溫度的不接觸測量.應用科學學報，1997，15(4)