Дискуссионный форум temperatures.ru

[Александр Магунов]

3 октября на семинаре Физико-технологического института РАН (Москва) обсуждалось применение спектральной пирометрии для исследования быстрых термических процессов микротехнологии.

Было представлено сообщение:
А.Н.Магунов, А.О.Захаров, Б.А.Лапшинов (НИИ перспективных материалов и технологий). Температурная динамика при лазерном нагревании монокристаллов кремния в диапазоне температур 1100-1800 К.

Краткое содержание доклада.
Методы оптической пирометрии (яркостная, цветовая и многоволновая пирометрия) имеют в основном педагогическую ценность, но не имеют практического значения, когда требуется проводить измерения температуры новых объектов в сложных условиях. Новыми объектами являются многокомпонентные полупроводниковые и металлические сплавы, композиционные и гетерогенные материалы и структуры, оптически тонкие кристаллы и пленки.

Сложные условия означают использование плазмы, ионных и электронных пучков для ионной имплантации полупроводников, осаждения тонких пленок и травления микроструктур; лазеров и мощных газоразрядных ламп для отжига дефектов кристаллической решетки, разгонки примесных профилей после имплантации, окисления нагретых подложек и т.д.

Низкий измерительный и познавательный потенциал традиционных методов пирометрии обусловлен не только огромным количеством новых материалов с неизученными оптическими свойствами, но и исчезающе малым количеством первичной информации, получаемой в эксперименте. Для компенсации этого родового порока методов пирометрии приходится (при вычислении температуры) принимать ряд гипотез, не проверяемых в эксперименте. Поэтому оптическая пирометрия в новых технологиях почти не применяется.

Обсуждение в докладе главным образом кремния связано с тем, что он в настоящее время является основным материалом микроэлектроники, стоимость которой в мире (технологические процессы, установки и линии, чистые помещения и материалы, тестирование продукции) превышает стоимость металлургии.

Метод спектральной пирометрии применительно к нагреванию монокристаллов кремния позволяет измерять температуру независимо от состояния поверхности (полированная, шероховатая) и от фазового состояния материала (твердый или жидкий кремний). При использовании достаточно коротковолнового диапазона спектра любой непрозрачный объект является серым излучателем.

Проводился нагрев слаболегированного монокристалла кремния лазерным излучением (непрерывный YAG:Nd лазер, мощность от 5 до 30 Вт, длина волны 1.064 мкм). Тепловое излучение нагретого монокристалла регистрировалось одним или двумя ПЗС-спектрометрами с частотой около 100 Гц. Каждый спектр сравнивался со спектром серого тела и, в случае подобия, температура вычислялась как параметр наблюдаемого распределения. Проводилась полуавтоматическая обработка последовательностей из сотен спектров и вычисление температур, после чего строились зависимости температуры от времени T(t). На основе полученных зависимостей обсуждалась физика взаимодействия лазерного излучения с кристаллом при высоких температурах, тепловой баланс, кинетика нагревания и остывания кристаллов.

Вопросы после доклада: а) можно ли использовать в спектральной пирометрии не только область Вина, но и область перехода к приближению Рэлея-Джинса? (можно, но здесь требуется более сложная нелинейная подгонка экспериментальных данных с помощью функции Планка); б) можно ли регистрировать спектры с микросекундным и наносекундным разрешением, чтобы изучать и контролировать процессы импульсного лазерного воздействия на кристаллы? (можно вплоть до десятков или сотен наносекунд, хотя стоимость спектрометров с таким быстродействием и высокой светосилой намного выше, чем применяемых сейчас); в) при разделении сложных спектров (объекты в плазме) вы отбрасываете линии атомов и полосы молекул, хотя в них имеется дополнительная информация; нельзя ли ее использовать? (можно, и это иногда делалось; на полный анализ спектров сейчас не хватает сил, поэтому линии и полосы обычно приходится игнорировать).