半導(dǎo)體的激光微細(xì)加工技術(shù)具有“直接寫(xiě)入”、“低溫處理”等獨(dú)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)域有著廣闊的應(yīng)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(dǎo)體襯底上做好集成電路，再利用激光微細(xì)加工的直接寫(xiě)入功能，一次性“寫(xiě)入”p-n結(jié)和歐姆接觸，可以避免高溫?zé)釗p壞半導(dǎo)體基片和集成電路，從而可以使OEIC各個(gè)部分性能達(dá)到最優(yōu)，大大提高OEIC的整體性能。因此，自20世紀(jì)70年代末期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外在這方面的研究都比較活躍。 在激光微細(xì)加工技術(shù)中，人們需要了解曝光區(qū)溫度分布的細(xì)節(jié)，尤其是焦斑中心溫度、熱斑邊界等重要信息。針對(duì)半導(dǎo)體基片溫度的測(cè)量方法已有很多報(bào)道，但大多是測(cè)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(bào)道的微小高溫區(qū)溫度不接觸實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量區(qū)域直徑最小可以達(dá)到18μm，溫度分辨能力可以達(dá)到1℃，基本滿(mǎn)足激光微細(xì)加工的要求。但系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)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(cè)溫范圍達(dá)不到要求。其次是測(cè)量曝光區(qū)溫度分布時(shí)，需手動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)溫套筒的位置，系統(tǒng)的調(diào)整和讀數(shù)不方便，只能測(cè)較少的點(diǎn)，不能很好的反映曝光區(qū)的溫度分布，同時(shí)難以尋找到曝光區(qū)的最高溫度點(diǎn)，使得測(cè)溫帶來(lái)誤差。本文首先簡(jiǎn)單介紹現(xiàn)有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后詳細(xì)分析了產(chǎn)生這些問(wèn)題的原因，以及對(duì)溫度測(cè)量的影響。在此基礎(chǔ)上，提出一種計(jì)算機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)，較好的解決了這些問(wèn)題。該系統(tǒng)采用高精度、低漂移電流放大器對(duì)光電探測(cè)器產(chǎn)生的光電流進(jìn)行放大，并將放大后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)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(kuò)大了測(cè)溫范圍。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)最高光電流值進(jìn)行判斷，可精確調(diào)整測(cè)溫套筒，使半導(dǎo)體基片表面位置位于探測(cè)器光敏面的共軛面位置。同時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)曝光區(qū)進(jìn)行快速掃描，獲得溫度場(chǎng)的分布，以及對(duì)最高溫度點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。 1.系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置和工作原理 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體基片S上，完成擴(kuò)散結(jié)的寫(xiě)入等。曝光區(qū)近似為圓。基片上曝光區(qū)受激光照射升溫而發(fā)出較強(qiáng)的熱輻射，由透鏡L1將曝光區(qū)中被測(cè)面元的熱輻射能會(huì)聚在探測(cè)器D的光敏面上，并通過(guò)光電探測(cè)器把被測(cè)面元的熱輻射轉(zhuǎn)換為光電流，實(shí)際上也就是把被測(cè)面元的溫度信號(hào)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，最后通過(guò)檢流計(jì)顯示出光電流值，據(jù)此可得出相應(yīng)的溫度值。 圖1 溫度測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置合理地將曝光區(qū)Σ近似為灰體，其面發(fā)光率 R=KσT4(1) 式中，K是被測(cè)基片在Σ區(qū)的平均發(fā)射本領(lǐng)，σ為Stefan常數(shù)，T為曝光區(qū)中測(cè)量點(diǎn)的溫度。進(jìn)一步假設(shè)透鏡接受到的被測(cè)面元(探測(cè)器光敏面的共軛面元)的輻射全部會(huì)聚到探測(cè)器光敏面，則探測(cè)器D輸出的光電流為 IP=RI(T)KσT4S1S′/(πd21)(2) 式中，RI(T)為探測(cè)器的電流響應(yīng)率，S1為透鏡L1的通光孔面積，S′為測(cè)量區(qū)域面積，即Σ中與探測(cè)器D的光敏面共軛面元的面積，d1為L(zhǎng)1到基片表面的距離。 (2)式表明，探測(cè)器D輸出的光電流對(duì)溫度的變化非常敏感，只要對(duì)光電流有一定的分辨率，就可達(dá)到較高的溫度分辨率。顯然，這種輻射測(cè)溫法具有不接觸測(cè)量的功能。 由于探測(cè)器光敏面的共軛面元(被測(cè)面元)面積S′、發(fā)射本領(lǐng)K難以準(zhǔn)確測(cè)定，電流響應(yīng)率RI(T)是溫度函數(shù)，所以依據(jù)式(2)用理論計(jì)算的方法由光電流IP求出溫度T比較困難。實(shí)驗(yàn)中，需進(jìn)行溫度定標(biāo)，即確定檢流計(jì)的電流示值同被測(cè)面元溫度之間的關(guān)系。溫度定標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方法見(jiàn)文獻(xiàn)[6]，通過(guò)溫度定標(biāo)后，就可以根據(jù)檢流計(jì)的電流示值讀出溫度值。 2.系統(tǒng)在實(shí)際使用時(shí)遇到的問(wèn)題 2.1溫度分辨率和測(cè)量范圍不能同時(shí)滿(mǎn)足要求 圖2 是系統(tǒng)對(duì)GaAs基片進(jìn)行定標(biāo)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)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(tǒng)中采用檢流計(jì)來(lái)測(cè)量探測(cè)器產(chǎn)生的光電流。當(dāng)采用檢流計(jì)的高靈敏度檔時(shí)，量程不能滿(mǎn)足這樣寬的測(cè)量范圍。因此只能使用檢流計(jì)的次靈敏檔，但這樣測(cè)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(duì)應(yīng)的溫度分辨率約為1℃，而在溫度為450℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫度分辨率降為約10℃。因此，需要采用新方法在不減小測(cè)量范圍的條件下提高對(duì)溫度的分辨率。 圖2 定標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.2不能準(zhǔn)確測(cè)得溫度場(chǎng)的分布及對(duì)曝光區(qū)最高溫度區(qū)域進(jìn)行定位 圖3 溫度的徑向分布曲線(xiàn)合理假設(shè)加熱基片的聚焦激光束為高斯光束，在基片表面光強(qiáng)分布為高斯分布，光斑半徑為w，則基片表面曝光區(qū)Σ的溫度場(chǎng)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(shù)，Tmax是吸收系數(shù)很大時(shí)(W→∞)，基片表面光斑中心的溫度。歸一化溫度場(chǎng)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(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。 由圖3可看出，曝光區(qū)內(nèi)的溫度分布是不均勻的，具有較大的溫度梯度。在進(jìn)行激光微細(xì)加工實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)出溫度場(chǎng)的分布。另外，實(shí)驗(yàn)需用最高溫度區(qū)域的溫度來(lái)表示加工溫度。因此，需調(diào)節(jié)套筒位置，使得測(cè)量區(qū)域?yàn)樽罡邷囟葏^(qū)域。可以通過(guò)移動(dòng)測(cè)溫套筒，逐點(diǎn)記錄溫度值及對(duì)應(yīng)的套筒坐標(biāo)的方法來(lái)測(cè)量溫度場(chǎng)的分布和尋找最高溫度區(qū)域。但由于調(diào)節(jié)臺(tái)的坐標(biāo)值和檢流計(jì)的電流示值要用人工方法記錄成表格，測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)必須要測(cè)量盡量多的點(diǎn)才能真實(shí)反應(yīng)溫度場(chǎng)的分布。這樣，即使進(jìn)行一維的測(cè)量，也要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。重要的是，要這樣一段長(zhǎng)的時(shí)間里，由入射激光功率本身的變化，整個(gè)溫度場(chǎng)的溫度都會(huì)做相應(yīng)的變化，這事實(shí)上使得用這種方法測(cè)量溫度場(chǎng)變得無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而最高溫度點(diǎn)需要在整個(gè)曝光區(qū)尋找，應(yīng)在得到溫度場(chǎng)分后才能準(zhǔn)確獲得。因此，必須另尋方法來(lái)測(cè)量溫度場(chǎng)的分布。 圖4 計(jì)算機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置3.系統(tǒng)的改進(jìn) 針對(duì)系統(tǒng)在實(shí)際使用時(shí)遇到的困難，我們對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后測(cè)溫系統(tǒng)的裝置如圖4所示。系統(tǒng)去掉了檢流計(jì)，采用高精度電流放大器將探測(cè)器產(chǎn)生的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算、記錄及顯示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)定標(biāo)，可將數(shù)字量直接和溫度對(duì)應(yīng)。這樣，不但解決了測(cè)量范圍與測(cè)量精度之間的矛盾，還使得實(shí)驗(yàn)時(shí)讀數(shù)方便、準(zhǔn)確。溫度分辨率主要決定于所選A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，并不影響測(cè)量范圍。實(shí)驗(yàn)裝置中，采用集成運(yùn)放OP37組成電流放大器，A/D轉(zhuǎn)換器選用AD1674A。在溫度為600℃時(shí)，溫度分辨率達(dá)到0.2℃。 計(jì)算機(jī)控制精密電動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)測(cè)溫套筒移動(dòng)并同時(shí)記錄由探測(cè)器輸出的溫度信號(hào)，對(duì)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(cè)出焦斑中心溫度、熱斑邊界等參數(shù)。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出熱斑最高溫度區(qū)的位置，并使測(cè)溫套筒移動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)該位置。精密電動(dòng)平臺(tái)的步距為1.25μm，掃描速度達(dá)20mm/s，滿(mǎn)足我們對(duì)溫度分布測(cè)量的要求。 在測(cè)量之前，同樣需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)。在得到定標(biāo)數(shù)據(jù)后，利用計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算，在對(duì)實(shí)驗(yàn)中的基片進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，將從A/D轉(zhuǎn)換器讀出的數(shù)據(jù)字量用插值計(jì)算的方法直接轉(zhuǎn)換為溫度值顯示在我們?cè)O(shè)計(jì)的虛擬儀器面板上。這很大程度上方便了激光微細(xì)加工實(shí)驗(yàn)中對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。 另外，我們利用計(jì)算機(jī)軟件及系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)的快速記錄功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基片溫度隨時(shí)間變化過(guò)程的測(cè)量、記錄。 4.改進(jìn)后的系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 我們用上述系統(tǒng)測(cè)量了用功率為10W的連續(xù)波10.6μm聚焦激光束照射預(yù)熱溫度為580K的InP時(shí)產(chǎn)生熱斑的溫度分布，電動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)的速度設(shè)置為0.5mm/s，結(jié)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(shí)間變化過(guò)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(shí)間的變化5.結(jié)束語(yǔ) 現(xiàn)有用于半導(dǎo)體的激光微細(xì)加工中微小曝光區(qū)的溫度測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)了一些需要解決的問(wèn)題。首先是溫度分辨率和溫度測(cè)量范圍不能同時(shí)滿(mǎn)足使用要求，其次是不能進(jìn)行溫度分布的準(zhǔn)確測(cè)量和最高溫度點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。本文提出了一種在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)的計(jì)算機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)軟、硬件的結(jié)合，較好的解決了原有系統(tǒng)的這些問(wèn)題。新的計(jì)算機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)在半導(dǎo)體的多種激光微細(xì)加工實(shí)驗(yàn)中將發(fā)揮重要作用。 參考文獻(xiàn) [1]葉玉堂.激光微細(xì)加工.第一版.電子科技大學(xué)出版社，1995 [2]葉玉堂、李忠東等.GaAs襯底的固態(tài)雜質(zhì)源脈沖1.06μm激光誘導(dǎo)擴(kuò)散.光學(xué)學(xué)報(bào)，1997，17(4) [3]葉玉堂、李忠東等.用固態(tài)雜質(zhì)源在GaAs襯底上實(shí)現(xiàn)的連續(xù)波CO2激光誘導(dǎo)Zn擴(kuò)散.中國(guó)激光，1997，24(3) [4]P.Baumgartner， W.Wegscheider， M.Bichier， etal. 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