激光微细加工中微小曝光区温度测量系统的改进

2013-09-02 17:22:26来源: 21ic
半导体的激光微细加工技术具有“直接写入”、“低温处理”等独特的优越性,在微电子、光电子、集成光学及光电混合集成等领域有着广阔的应用。如制作OEIC(光电混合集成)器件时,可以把电路和光路部分分开来做,即先在半导体衬底上做好集成电路,再利用激光微细加工的直接写入功能,一次性“写入”p-n结和欧姆接触,可以避免高温热损坏半导体基片和集成电路,从而可以使OEIC各个部分性能达到最优,大大提高OEIC的整体性能。因此,自20世纪70年代末期以来,国内外在这方面的研究都比较活跃。

在激光微细加工技术中,人们需要了解曝光区温度分布的细节,尤其是焦斑中心温度、热斑边界等重要信息。针对半导体基片温度的测量方法已有很多报道,但大多是测量基片的平均温度,不能满足上述要求。本课题组曾经报道的微小高温区温度不接触实时测量系统,测量区域直径最小可以达到18μm,温度分辨能力可以达到1℃,基本满足激光微细加工的要求。但系统在实际应用时遇到几个问题。首先是要进一步提高温度分辨率时,测温范围达不到要求。其次是测量曝光区温度分布时,需手动调节测温套筒的位置,系统的调整和读数不方便,只能测较少的点,不能很好的反映曝光区的温度分布,同时难以寻找到曝光区的最高温度点,使得测温带来误差。本文首先简单介绍现有系统的结构和工作原理,然后详细分析了产生这些问题的原因,以及对温度测量的影响。在此基础上,提出一种计算机温度测量系统,较好的解决了这些问题。该系统采用高精度、低漂移电流放大器对光电探测器产生的光电流进行放大,并将放大后的电压信号转换为数字信号输入计算机进行记录、处理,在温度为600℃附近,将温度分辨率提高到0.2℃,并且扩大了测温范围。通过计算机软件对最高光电流值进行判断,可精确调整测温套筒,使半导体基片表面位置位于探测器光敏面的共轭面位置。同时,计算机通过对曝光区进行快速扫描,获得温度场的分布,以及对最高温度点进行准确定位。

1.系统实验装置和工作原理

系统实验装置如图1所示,CO2激光器输出的10.6μm激光束经反射镜M、锗透镜L2聚焦后照射在表面已制备好含Zn的SiO2乳胶膜的半导体基片S上,完成扩散结的写入等。曝光区近似为圆。基片上曝光区受激光照射升温而发出较强的热辐射,由透镜L1将曝光区中被测面元的热辐射能会聚在探测器D的光敏面上,并通过光电探测器把被测面元的热辐射转换为光电流,实际上也就是把被测面元的温度信号变为电流信号,最后通过检流计显示出光电流值,据此可得出相应的温度值。


图1 温度测量系统的实验装置

合理地将曝光区Σ近似为灰体,其面发光率

R=KσT4(1)

式中,K是被测基片在Σ区的平均发射本领,σ为Stefan常数,T为曝光区中测量点的温度。进一步假设透镜接受到的被测面元(探测器光敏面的共轭面元)的辐射全部会聚到探测器光敏面,则探测器D输出的光电流为

IP=RI(T)KσT4S1S′/(πd21)(2)

式中,RI(T)为探测器的电流响应率,S1为透镜L1的通光孔面积,S′为测量区域面积,即Σ中与探测器D的光敏面共轭面元的面积,d1为L1到基片表面的距离。

(2)式表明,探测器D输出的光电流对温度的变化非常敏感,只要对光电流有一定的分辨率,就可达到较高的温度分辨率。显然,这种辐射测温法具有不接触测量的功能。

由于探测器光敏面的共轭面元(被测面元)面积S′、发射本领K难以准确测定,电流响应率RI(T)是温度函数,所以依据式(2)用理论计算的方法由光电流IP求出温度T比较困难。实验中,需进行温度定标,即确定检流计的电流示值同被测面元温度之间的关系。温度定标的实验方法见文献[6],通过温度定标后,就可以根据检流计的电流示值读出温度值。

2.系统在实际使用时遇到的问题

2.1温度分辨率和测量范围不能同时满足要求

图2 是系统对GaAs基片进行定标实验的结果。从图中可以看出,当温度从400℃变到700℃时,光电流将从几个纳安变到一百多个纳安,变化范围很大。系统中采用检流计来测量探测器产生的光电流。当采用检流计的高灵敏度档时,量程不能满足这样宽的测量范围。因此只能使用检流计的次灵敏档,但这样测量得出的精度又不能令人满意。由于光电流与温度的非线性关系,特别是在低温时,光电流分辨率的降低使得温度分辨率很低。这一点从图2中可以看出。在温度为600℃时,光电流分辨率为InA对应的温度分辨率约为1℃,而在温度为450℃时,对应的温度分辨率降为约10℃。因此,需要采用新方法在不减小测量范围的条件下提高对温度的分辨率。


图2 定标实验结果

2.2不能准确测得温度场的分布及对曝光区最高温度区域进行定位


图3 温度的径向分布曲线

[1] [2]

关键字:激光微细加工  微小曝光区  温度测量系统

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0902/article_7754.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
激光微细加工
微小曝光区
温度测量系统

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved