Лазерный мир

А.Магунов // Фотоника, 5/2010, с: 32-37

Не только в научных и технологических исследованиях, но даже в рутинном технологическом контроле распространены методы лазерной термометрии. В этой части обзора внимание уделено измерению температуры кристаллов и стекол в условиях плазменной, электронно- и ионно-лучевой обработки материалов.

Лазерная термометрия твердых тел
В 1980-е годы началась разработка методов лазерной термометрии твердых тел (ЛТТТ). ЛТТТ опирается на методы и модели оптики и спектроскопии полупроводников, диэлектриков и металлов. Сейчас ЛТТТ – сложившееся направление [27], его быстрое развитие связано с ростом требований к диагностике в микро- и нанотехнологии. Температура является критическим параметром многих технологических операций. Известно более 10 методов ЛТТТ, из них половина широко применяется в исследованиях, в технологическом контроле, температурной диагностике интегральных микросхем и полупроводниковых лазеров. Опубликовано около 500 статей, более десятка обзоров. По производительности, помехозащищенности и точности температурных измерений достигнут уровень, характерный для оптических методов диагностики.
Широкое развитие методы ЛТТТ получили почти через 30 лет после создания лазеров, хотя первые работы появились уже в конце 1960-х годов. Специалисты в области микротехнологий долго сохраняли уверенность в том, что традиционными методами термометрии можно измерять температуру кристаллов и стекол в условиях плазменной, электронно- и ионно-пучковой обработки материалов. Однако с помощью термопар и пирометров не удалось ни провести систематические исследования, ни обеспечить технологический контроль таких процессов, как вакуумное нанесение тонких пленок, ионная имплантация полупроводников, плазмохимическое травление структур и осаждение пленок. Приклеивать термопары к каждому образцу невозможно в технологическом контроле, поскольку количество подложек, обрабатываемых за день (например, в установке плазмохимического травления) достигает 300–1000. Пирометр обычно регистрирует излучение не кристалла, а плазмы и нагретых элементов реактора. После длительных и безуспешных попыток адаптировать традиционные методы термометрии твердых тел к задачам микротехнологии наступил этап разработки новых специализированных методов, при этом трудность их создания компенсировалась удобством проведения измерений. Решение проблемы термометрии подложек, микроприборов и наночастиц было достигнуто после создания нескольких методов активной оптической термометрии твердых тел. По масштабам применения в настоящее время методы ЛТТТ все еще уступают лазерной термометрии газов и плазмы.
Лазерная интерференционная термометрия (ЛИТ)Метод ЛИТ наиболее чувст­вительный и наиболее простой из всех методов ЛТТТ. Предложен в 1960-е годы для термометрии стеклянных подложек с помощью лазера видимого диапазона [28]. Из-за кажущейся сложности (по сравнению с традиционными методами) его не использовали, и он был забыт. Но в 1990 году он был заново разработан одновременно несколькими группами для термометрии кристаллов Si и GaAs с помощью лазеров ИК-диапазона. И сегодня автоматизирован и широко распространен в регистрации и обработке интерферограмм при измерении температуры кристаллов (Si, GaAs, InP, LiNbO3) и стекол [29, 30]. Для зондирования применяются He-Ne-лазеры, а также полупроводниковые лазерные диоды. Адаптация метода для термометрии SiC, GaP, AlN и других перспективных материалов не представляет трудностей. На рис.1 показан лазерный интерференционный термометр, включающий He-Ne-лазер ЛГН-118-3В, стандартные оптические элементы и фотоприемник ФД-7Г.

Сдвиг края поглощения кристалла
Метод предложен в 1980-е годы, а широко применяется только со следующего десятилетия. Измерение температуры проводят как на фиксированной длине волны (по пропусканию света в области края поглощения), так и путем регистрации всего края поглощения (в этом случае облучение проводят перестраиваемым лазером или лампой с непрерывным спектром). В основе метода лежит изменение поглощения света веществом в области межзонных переходов при изменении температуры. Для большинства кристаллов край межзонного поглощения сдвигается при нагревании в длинноволновую область. При зондировании монохроматическим излучением коэффициент пропускания уменьшается с температурой [32]. Для монокристалла Si (ширина запрещенной зоны Eg≈1,1 эВ) проводится зондирование излучением с длиной волны λ≈1,1 мкм, для GaAs (Eg≈1,4 эВ) λ≈0,9 мкм, для GaP (Eg ≈2,24 эВ) λ≈0,55 мкм. Взаимодействие света с пластинкой должно происходить в некогерентном режиме, т.е. при наличии многократных внутренних отражений без интерференции. Подавление интерференции достигается несколькими способами. На рис.3 видно, как изменяется пропускание монокристалла Si при нагревании вещества на разных лазерных линиях.

Этому методу термометрии поверхности почти 30 лет, опубликовано почти 100 статей. Термометрическим телом, люминесценцию которого возбуждают с помощью лазерного излучения, служит прямозонный полупроводниковый монокристалл (GaAs, InP, CdTe и др.), стекло, полимер, люминофор, нанесенный на исследуемую поверхность. В качестве термочувствительных люминофоров применяются органические красители или неорганические кристаллофосфоры: ZnS:Cu (сульфид цинка, легированный медью), ZnS:Mn и др. Температурно-зависимыми параметрами, измеряемыми в эксперименте, являются интенсивность, время затухания или положение максимума полосы ФЛ. При нагревании образца падает интенсивность ФЛ, сдвигается в длинноволновую сторону максимум полосы, уменьшается постоянная времени высвечивания [34]. Для возбуждения ФЛ применяется лазер с длиной волны, лежащей в области межзонного поглощения
полупроводника или в полосе поглощения люминофора. Для термометрии GaAs (рис.4) применяется, например, вторая гармоника лазера YAG:Nd- (λ = 532 нм)
или Ar-лазер (λ = 488 и 514 нм). Для возбуждения ФЛ-красителей и кристаллофосфоров используют третью (λ = 355 нм) или четвертую (λ = 266 нм) гармоники этого же лазера.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/2/article_2531_625.pdf