МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 3, с. 200-206
= МАТЕРИАЛЫ
УДК 535.233,535.338.1,536.521,537.872
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПИРОМЕТРИИ © 2014 г. А. Н. Магунов, А. О. Захаров, Б. А. Лапшинов
НИИ перспективных материалов и технологий E-mail: almag@mail.ru Поступила в редакцию 24.04.2013 г.
Зарегистрированы спектры теплового излучения монокристаллов кремния, нагреваемых непрерывным лазерным пучком (длина волны 1.064 мкм), в диапазоне длин волн X = 200—2500 нм. Методом спектральной пирометрии проведено определение температур кремния в интервале Т = 900—1700 К. Обработка последовательности спектров, регистрируемых с частотой 100—1000 Гц, позволяет восстановить эволюцию температуры кристалла при лазерном нагревании в случае, когда скорости нагревания не слишком велики. Обсуждаются особенности разных спектральных интервалов применительно к задаче измерения температуры кремния. Показано, что при лазерном нагревании кремния температура поверхностного слоя неоднородна по глубине, что проявляется в отличиях между средними значениями, вычисленными по спектрам теплового излучения, и температурой поверхности.
DOI: 10.7868/S0544126914010074
ВВЕДЕНИЕ
В области температур, достигающих или превышающих 1000 К, основным методом измерения температуры полупроводниковых подложек является радиационная термометрия, основанная на измерении интенсивности собственного теплового излучения кристалла. Развиваются различные подходы к процедуре измерения, направленные на повышение точности определения температуры [1, 2]. Традиционные подходы состоят либо в предварительном измерении излучательной способности s(^, T) объекта, либо в одновременном определении излучательной способности и температуры, основанном на измерении интенсивности излучения на нескольких длинах волн и решении системы уравнений для выбранной зависимости s(^, T). Трудности, с которыми обычно сталкиваются методы яркостной, цветовой и многоволновой пирометрии, обусловлены малым количеством первичной информации, получаемой в эксперименте. По этой причине приходится принимать гипотезы, не проверяемые in situ прямыми методами (например, о тепловом характере излучения, регистрируемого фотоприемником; об отсутствии постороннего излучения; об изотермичности объекта в области визирования; о величине излучательной способности шероховатых кристаллов).
Новым является подход, основанный на регистрации широкого спектра излучения, сравнении зарегистрированного спектра со спектром черного тела, выявлении участков, где имеется подобие этих спектров и определении температуры как параметра распределения интенсивности в этих
участках [3]. В спектре излучения содержатся необходимые данные об оптических свойствах объекта и о неоднородности температуры в области визирования. Метод спектральной пирометрии неоднократно применялся для измерения температуры полупроводниковых монокристаллов: по спектру излучения измерена температура поверхности кремния при действии на нее импульса излучения эксимерного лазера в атмосфере Cl2 [4], температура монокристалла GaAs при его нагревании электронным пучком [5], нестационарная температура монокристалла Si, нагреваемого непрерывным Nd : YAG лазером [6].
ЭКСПЕРИМЕНТ
Монокристаллы кремния КЭФ-4.5 квадратной формы площадью 1—4 мм2 нагревались излучением непрерывного Мё:УЛО лазера (длина волны 1.064 мкм, мощность до 30 Вт). Чтобы свести к минимуму пространственную неоднородность температуры на поверхности образца, многомо-довым лазерным пучком с диаметром 1—2 мм облучалась вся поверхность образца. Пучок падал на поверхность по нормали. При комнатной температуре излучение лазера частично проходит сквозь образец, но при нагревании происходит сдвиг края межзонного поглощения в длинноволновую сторону, и при температуре Т > 550—600 К кристалл становится непрозрачным для лазерного излучения. Кремний лежит на подложке, прозрачной для излучения лазера, из поликора (керамика на основе Л1203) или фианита (монокристалл ZrO2—У2O3).
0.16
ч о
4
о ^
$
о о я <ч
5 о Я
В
Я
И
1800 2100 2400 Длина волны, нм
Рис. 1. Спектры ИК-излучения при нагревании кремния. Время накопления 15 мс, температуру вычисляли по интервалу длин волн 1700—2400 нм. Температура за время 0.2 с увеличивается от 920 К (нижний спектр) до 1360 К (верхний спектр).
0.12
0.08
0.04
700
800
900 1000
Длина волны, нм
Рис. 2. Спектры ближнего ИК излучения при нагревании кремния. Время накопления 15 мс, температуру вычисляли по интервалу длин волн 800—950 нм. Температура за время 0.6 с увеличивается от 990 К (нижний спектр) до 1280 К (верхний спектр).
0
Последовательности спектров теплового излучения кремния регистрировались поочередно тремя дифракционными ПЗС-спектрометрами HR-2000+ с диапазонами фоточувствительности ДХ = 200-420, ДХ = 350-760 и ДХ = 650-1050 нм, а также спектрометром NIRQuest-512 (Ocean Optics) с охлаждаемой линейкой фотоприемников на основе InGaAs и диапазоном чувствительности ДХ = 900-2500 нм. Калибровка спектральной чувствительности приборов проводилась с помощью эталонных вольфрамовых галогенных ламп с известным спектром излучения. Максимальная частота регистрации спектров с помощью HR-2000+ составляет 1 кГц, для NIRQuest максимальная частота 100 Гц. Приемный торец оптического волокна диаметром 0.6 мм и длиной 2 м находился в нескольких сантиметрах от поверхности, нагреваемой лазерным пучком. В волокно и затем на входную щель спектрометра попадало излучение со всей поверхности образца, пространственная селекция излучения не проводилась.
СПЕКТРЫ ТЕПЛОВОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ
Зарегистрированные последовательности спектров теплового излучения кремния включают от 1300 до 3500 спектров, полученных при разном времени накопления в разных интервалах длин волн. На каждом из рис. 1-4 показано по несколько спектров теплового излучения кремния при его нагревании.
По спектрам теплового излучения в инфракрасной области, в интервале длин волн 900-2500 нм можно измерять наиболее низкие температуры
(превышающие 400—600 К, в зависимости от оптических свойств объекта) [7]. Однако кристалл кремния толщиной 0.3—0.5 мм в области длин волн X > > 1 мкм (за краем собственного межзонного поглощения) является при этих температурах частично прозрачным [8, 9], и спектр его теплового излучения в этой области длин волн не позволяет правильно определять температуру (более интенсивным является обычно тепловое излучение держателя, на котором лежит кристалл). Лишь при нагревании до температуры Т ~ 1000 К тонкий кристалл 81 становится непрозрачным на всех длинах волн, и по спектрам излучения в ближней ИК-области можно точно вычислять его температуру. На спектрах видна слабая линия рассеянного лазерного излучения (1.064 мкм).
Спектры в интервале длин волн 650—1050 нм можно регистрировать при температурах, превышающих 800—900 К. При меньших температурах интенсивность сигнала не превышает уровня шумов фотоприемника. Высокая интенсивность сигнала в этой области при температурах кремния, превышающих 1100—1200 К, позволяет регистрировать спектры излучения с частотой до 300—500 Гц. Неудобство этого интервала длин волн в данной работе проявляется в том, что при попадании в волокно и в спектрометр рассеянного лазерного излучения (X = 1.064 мкм) весь спектр оказывается приподнятым на пьедестале почти постоянной величины, зависящей от интенсивности рассеянного света (иногда пьедестал на один—два порядка интенсивнее полезного сигнала — теплового спектра). Присутствие посторонней постоянной составляющей искажает результаты вычисления температуры: происходит завышение по сравнению
500 600
Длина волны,нм
700
Рис. 3. Спектры видимого излучения при нагревании кремния. Время накопления 15 мс, температуру вычисляли по интервалу длин волн 650—750 нм. Температура за время 1 с увеличивается от 1350 К (нижний спектр) до 1510 К (верхний спектр).
0.20
0.15
0.10 -
0.05 -
0 300
330 360
Длина волны, нм
390
420
Рис. 4. Спектры УФ-излучения при нагревании кремния. Время накопления 100 мс, температуру вычисляли по интервалу длин волн 360—410 нм. Температура за время 4.5 с увеличивается от 1516 К (нижний спектр) до 1690 К (верхний спектр).
с действительными значениями температур, поскольку относительно сильнее увеличивается коротковолновый край спектра, где интенсивность теплового спектра меньше. Основной способ устранения пьедестала — использование полированной, нерассеивающей свет, подложки, на которой лежит кристалл. Возможна также регистрация спектров теплового излучения поверхности кристалла, противоположной той, которую облучает лазер. В этом случае не имеет значения полированная или шероховатая поверхность.
Спектры в интервале длин волн 350—760 нм можно зарегистрировать при температурах, превышающих 1000—1100 К. В этом диапазоне длин волн также иногда проявляется влияние рассеянного излучения лазера, это приходится проверять, сравнивая соседние спектры, полученные практически при одинаковой температуре кристалла, но отличающиеся присутствием или отсутствием лазерного облучения образца (для этого лазер на короткое время выключается). При выключении лазера пьедестал исчезает за время, меньшее 1 мс, тогда как остывание кристалла длится десятки миллисекунд.
Спектры в интервале длин волн 200—420 нм можно зарегистрировать при температурах, превышающих 1300—1400 К. Глубина, с которой выходит излучение при регистрации спектров теплового излучения в ультрафиолетовой области, намного меньше, чем глубина выхода видимого излучения (поскольку коэффициенты поглощения в УФ области достигают 106 см-1, что на 1—3 порядка выше, чем в видимой области). Поэтому тонкий слой, излучающий в этой области спектра при лазерном нагревании кристалла, должен быть наиболее одноро-
ден по температуре. Кроме того, эта область спектра даже вблизи температуры плавления кремния является "коротковолновой" (см. ниже), поэтому зависимость е(Х) не оказывает влияния на результат вычисления температуры.
Для регистрации спектров в тех же самых интервалах длин волн, но при более низких температурах, можно уве
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.