научная статья по теме БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ. ЧАСТЬ I Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ. ЧАСТЬ I»

ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ И МИКРОСТРУКТУР

536.5

БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

ЧАСТЬ I

© 2004 г. В. К. Битшков, В. А. Петров

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики

(технический университет) E-mail: bitukov@mirea.ru Поступила в редакцию 03.03.2004 г.

Выполнен аналитический обзор спектральной и температурной зависимостей оптических свойств однородных и неоднородных диэлектриков и полупроводников, а также органических веществ и полимеров. Представлены результаты критического анализа пирометрии поверхности однородных диэлектриков в спектральной области их непрозрачности, а также пирометрии изотермического плоского слоя однородных диэлектриков.

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 6, с. 403-418

УДК

ВВЕДЕНИЕ

Перенос энергии в твердых веществах обычно осуществляется теплопроводностью. Однако есть вещества, в которых при высоких температурах Т не меньшую, а зачастую и определяющую, роль играет перенос энергии излучением. Это - полупрозрачные или (как их еще называют) частично прозрачные для теплового излучения вещества. Они в определенных областях спектра теплового излучения имеют малый коэффициент поглощения а и пропускают падающее на них или собственное излучение на значительные расстояния. К таким веществам относятся практически все диэлектрики и полупроводники: оксиды, фториды, хлориды, селениды, теллуриды, германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия, большинство органических веществ. В микроэлектронике эти вещества применяются в самых разнообразных структурных состояниях: моно- и поликристаллы, стекла, керамика, пластики, композиционные материалы, лакокрасочные покрытия.

В современном электровакуумном, полупроводниковом и микроэлектронном производстве основным монолитным диэлектрическим материалом является стекло. Стекло обладает высокой пластичностью при нагревании и это позволяет изготавливать из него разнообразные по форме и размерам сложные детали внешних оболочек приборов. Наиболее широкая область применения стекла - производство электронно-лучевых трубок. Прозрачность стекла в широком диапазоне длин волн X определяет его применение в различных оптоэлектронных приборах.

В производстве толстопленочных гибридных интегральных микросхем применяют подложки из по-

лупрозрачных диэлектрических материалов, таких, как керамики на основе оксидов алюминия, бериллия и других веществ. Для улучшения качества поверхности таких подложек обычно их покрывают глазурью - тонкими слоями стекла на основе различных легкоплавких оксидов. После нанесения порошков необходимых композиций производят "вжигание" глазури при температурах обычно выше 1200 К. Иногда в качестве подложек используют стальные эмалированные подложки. В качестве эмалей применяется смесь различных легкоплавких оксидов. В толстопленочной технологии на диэлектрическую подложку наносят различные покрытия, среди которых есть полупрозрачные стеклокерамические и стеклоэмалевые. Термообработка этих покрытий также проводится при высоких температурах.

Технология производства тонкопленочных гибридных микросхем во многом аналогична технологии толстопленочных, но здесь в качестве подложек чаще используют кварцевое стекло или ситаллы.

При производстве полупроводниковых интегральных микросхем подложки выполняют из пластин легированного монокристаллического кремния. В качестве диэлектрика используют ситалл, сапфир (монокристаллический оксид алюминия) или шпинель (монокристалл А1203 ■ М§0). Все они также являются полупрозрачными материалами и изготавливаются с помощью различных технологических процессов, проводящихся при высоких температурах, когда важную роль в формировании их теплового состояния играет радиаци-онно-кондуктивный перенос энергии.

Для герметизации микросхем используют пластмассовые или керамические корпуса. Последние изготавливаются из керамики на основе оксида алюминия и применяются для микросхем высокой надежности в тяжелых условиях эксплуатации. Процессы изготовления таких корпусов проводятся при высоких температурах, которые зачастую превышают 1800 К.

Отмеченное выше позволяет заключить, что при производстве различных элементов, используемых в микроэлектронике, широко используются полупрозрачные материалы и вещества, причем большая часть технологических процессов изготовления этих элементов осуществляется при высоких температурах, когда тепловое состояние изделий в значительной мере определяется радиационно-кондуктивным переносом энергии внутри полупрозрачного материала. Это обстоятельство необходимо учитывать при контроле теплового состояния изделий в ходе проведения высокотемпературных технологических процессов, при измерении поверхностных температур и определении полей температур внутри изделия.

Необходимо отметить также, что полупрозрачные материалы широко используются в различных узлах радиоэлектронной аппаратуры. Надежность ее работы в значительной мере определяется ее тепловым состоянием. Контроль теплового состояния радиоэлектронной аппаратуры и измерения полей температур невозможны без учета специфики оптических свойств и терморадиационных характеристик используемых полупрозрачных материалов и веществ.

В силу сложности и разнообразия условий проведения различных технологических процессов производства изделий микроэлектроники и различий исходных компонентов, а также из-за разнообразия конструкций радиоэлектронной аппаратуры, в которой используются изделия микроэлектроники, создание соответствующих математических моделей для описания гидродинамики и теплоперено-са наталкивается на огромные трудности, связанные с поиском компромисса между полнотой разрабатываемой модели и возможностью ее численной реализации. Поэтому нужны такие методы и средства контроля теплового состояния процессов и изделий, которые либо полностью, либо частично опираются на результаты измерений тех или иных характеристик теплового состояния -температур или температурных полей. Применить наиболее распространенный на практике контактный метод теплового контроля, основанный на измерении полей температур с помощью многочисленных термопар, закрепленных тем или иным способом на каждом из элементов, не представляется возможным. Полупрозрачность веществ приводит к тому, что температура спая термопары определяется не только локальной

температурой места, где этот спай находится, но также и полем температуры внутри материала на таких расстояниях до спая, откуда доходит тепловое излучение, а также излучением окружающей среды. Поэтому в настоящее время проблема разработки бесконтактных методов контроля теплового состояния изделий из полупрозрачных материалов и создания соответствующих средств контроля является очень актуальной.

Сведения о методах и средствах бесконтактного измерения температуры полупрозрачных материалов и веществ микроэлектроники разбросаны в многочисленных статьях, не систематизированы и не обобщены. Имеется всего лишь одна монография [1], в которой детально и обстоятельно рассмотрены методы бесконтактного измерения температуры, основанные на дистанционном измерении различных температурно-зави-симых параметров твердых, в том числе и полупрозрачных, тел с помощью зондирующего лазерного излучения. В этой связи в настоящей работе не рассматриваются эти методы, а основное внимание уделяется наиболее широко используемым методам пирометрии полупрозрачных веществ и материалов, основанным на анализе их собственного теплового излучения.

Одна из важнейших задач бесконтактной пирометрии полупрозрачных веществ, как и вообще пирометрии, состоит в изыскании возможности измерения действительной (истинной) температуры поверхности объекта без определения его излучательной способности. Излучательная способность конкретного вещества или материала является характеристикой, зависящей не только от температуры и длины волны. Она зависит также от шероховатости поверхности объекта, наличия на поверхности оксидных или других пленок, размеров и ориентации кристаллитов и ряда других факторов. Поэтому исследование излучательной способности того или иного объекта - сложная и трудоемкая задача. Один из способов измерения истинной температуры состоит в создании внутри изучаемого объекта модели абсолютно черного тела. Однако осуществить этот способ на практике удается очень редко. Другой способ заключается в использовании многоволновой пирометрии, когда измеряются интенсивности излучения для ряда длин волн одновременно и для аппроксимации зависимости излучательной способности от длины волны используется функция, число неизвестных коэффициентов которой меньше числа длин волн, на которых проведены измерения [2, 3]. Несмотря на то, что этот метод предложен для непрозрачных веществ и материалов достаточно давно, он до сих пор имеет крайне ограниченное применение из-за больших погрешностей, которые ему присущи. К тому же он не решает еще одной важной проблемы пирометрии - исключения влияния окружающих исследуемый

объект нагретых тел и сред [4, 5]. Излучение этого окружения отражается от исследуемого объекта и попадает в пирометр, искажая результаты измерений. Между тем специфика оптических свойств полупрозрачных веществ может позволить реализовать измерение истинной температуры поверхности и одновременно исключить влияние фонового излучения.

1. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОДНОРОДНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ

С точки зрения переноса энергии излучением полупрозрачные материалы делятся на два больших класса: нерассеивающие материалы и рассеивающие материалы. Эти же два класса материалов с точки зрения их структуры считаются соответственно однородными и неоднородными. К первому классу относятся монокристаллы диэлектриков и полупроводников, стекла, многие твердые органических вещества и полимеры. Ко второму классу относится пористая и вспененная керамика, плаз-меннонапыленные покрытия, волокнистые материалы. Основой рассеивающих материалов являются те же вещества, что и у нерассеивающих материалов, но в структуре рассеивающих материалов ест

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.

Показать целиком