Области применения лазерной термометрии
Микро- и нанотехнология
Новые методы термометрии необходимы в новых технологиях, основанных на использовании мощного оптического и микроволнового излучения, пучков нейтральных или заряженных частиц, газоразрядной плазмы, температурных градиентов в среде.
К микро- и нанотехнологии относят такие методы воздействия на материалы, которые направлены на создание миниатюрных и сверхминиатюрных приборов и устройств, в том числе таких, в которых принципиальную роль играет размерное квантование. Это методы нанесения тонких и сверхтонких пленок при термическом испарении, ионном распылении и плазмохимическом осаждении; ионная имплантация полупроводников; плазмохимическое травление структур; различные методы отжига дефектов кристаллической решетки (лазерный отжиг, электронно-лучевой отжиг). Такие технологии разрабатываются и широко применяются для изготовления интегральных схем микроэлектроники, опто- и акустоэлектроники, микромеханики, для синтеза новых материалов. В последние десятилетия эти технологии применяются для создания приборов на основе объектов нанометровых размеров (квантовых ям, проволок, точек).
Для достижения воспроизводимых результатов необходимо точно измерять и поддерживать неизменной температуру процесса, в частности, температуру подложек. При изготовлении интегральных схем электроники применяются подложки из таких материалов, как монокристаллы кремния (Si), арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP), сапфира (Al2O3), различные стекла, ситаллы. Материалы подложек при изготовлении оптоэлектронных и акустоэлектронных интегральных схем – стекла, полупроводники (Si, GaAs, InP), кристаллические сегнетоэлектрики (ниобат лития LiNbO3, танталат лития LiTaO3 и т.д.).
Обычная толщина применяемых подложек от 0.3 до 1 мм (монокристаллы) или от 1 до 3 мм (стекла). тонкие пленки из ряда материалов (металлы, полупроводники) наносят на полимерные подложки, подложками служат пленки полиэтилентерефталата, полиимида и политетрафторэтилена толщиной 10-100 мкм, пластинки из полистирола и полиметилметакрилата толщиной 1-3 мм.
В качестве подложек иногда используют природный или синтетический алмаз (типичные размеры подложек из монокристаллов природного алмаза от 2х2 до 5х5 мм2, толщина от 0.2 до 0.5 мм; подложки из синтетических монокристаллов алмаза могут быть больше, до 10х10 мм2; подложки из поликристаллического алмаза достигают в диаметре 50-100 мм).
Практически для всех подложек разработаны и применяются методы лазерной термометрии.
Температура является критическим параметром большинства технологических операций. Последовательность из сотен таких операций называется технологическим маршрутом, который разрабатывается для создания интегральных схем электроники, оптоэлектроники, оптики, микромеханики. Отклонение от заданного температурного режима в каждой отдельной операции приводит к уменьшению вероятности получить в конце маршрута надежно действующую интегральную схему. Поэтому на протяжении десятилетий идет разработка новых и усовершенствование известных методов измерения температуры в технологических установках.
Температуры, при которых проводят различные процессы микротехнологии, лежат в диапазоне от комнатной (иногда от более низких: - 100÷ -150 оС) до примерно 1200 оС. Параллельно с уменьшением размера элементов микросхем (транзисторов, конденсаторов и т.д.) происходит снижение температур кристалла или длительности процессов (для предотвращения диффузионного расплывания примесей, локально введенных в области размером порядка 0.1 мкм).
Если для проведения технологической операции все-таки необходима высокая температура, процесс проводят не в инерционных тепловых печах, где одновременно находится несколько десятков подложек, а в реакторах индивидуальной обработки, где нагрев единственной подложки происходит намного (в сотни раз) быстрее под действием мощного оптического излучения, а стенки реактора при этом остаются практически холодными. Типичные характеристики: скорость нагревания подложки достигает 30 – 100 К/с, время нагрева 10 – 30 с (в тепловых печах скорость нагрева составляла всего лишь 10÷20 К/мин, нагрев длился примерно час). Процессы на поверхности, нагреваемой оптическим излучением, получили название “быстрых термических процессов”, к ним относятся окисление поверхности кристалла, нанесение тонких пленок из газовой фазы, отжиг дефектов после ионной имплантации, удаление окисных пленок в восстановительной атмосфере.
Наблюдается тенденция к снижению температуры подложки при проведении быстрых термических процессов. Например, создание металлических контактов для полевых транзисторов и медных межсоединений приводят при температурах, не превышающих 1000 К, а формирование пленок с высокой проводимостью на основе силицидов никеля и кобальта при более низких температурах. При проведении температурно-активируемых процессов важно воспроизводить температурные условия как по площади одной подложки диаметром 20 ÷ 30 см, так и в партии последовательно загружаемых подложек.
Для каждого материала при эпитаксии существует узкий интервал температур подложки, в котором достигаются наилучшие оптические и электрические характеристики пленки. При изготовлении полупроводниковых гетероструктур методом МЛЭ необходимо поддерживать температуру на заданном уровне при нанесении каждого слоя, затем изменять ее для нанесения следующего слоя и т.д. Неконтролируемое изменение ростовой температуры ведет к изменению состава активной области и изменению длины волны генерации лазера на гетероструктуре.
Например, понижение ростовой температуры на 25 оС (т.е. на 4%) приводит к уменьшению длины волны люминесценции структур InGaAsP на 1.8 ÷ 4.4 нм/К из-за изменения состава (отношения концентраций Ga/In и P/As) Оптимальная температура роста слоев InAlGaAs составляет 550-570 sup>оС, тогда как для слоев AlGaAs 710-720 sup>оС. Считается, что определять температуру подложки необходимо с точностью не хуже ± 3 оС, т.е. примерно ± 0.5 %. Иногда требования, предъявляемые к точности поддержания температуры, еще выше (± 1 оС при температуре вблизи 800 оС), их выполнение является сложной задачей. Например, требуется поддержание температуры с точностью ± 1 оС при осаждении пленок из газовой фазы
для того, чтобы задавать ширину запрещенной зоны InGaAsP в пределах ± 4 нм вблизи 1550 нм.
На рис.18 приведены линии генерации полупроводниковых лазеров, отличие составляет 5 нм. Несовпадение длин волн связано с отличием температур при выращивании эпитаксиальных гетероструктур для активных областей этих лазеров. Невоспроизводимость длины волны генерации, аналогичная показанной на рисунке, возникает из-за отклонений в температурных режимах при создании лазеров на квантовых точках.
Рис.18. Линии генерации двух полупроводниковых лазеров (длины волн 654 и 659 нм).
Микроэлектроника
Локально измеряя температуру поверхности кристалла, можно анализировать состояние цифровых и аналоговых интегральных схем во время их работы. Цель температурного мониторинга – получение изображения тепловой картины поверхности и анализ тепловых источников и потоков. Исследования температурных режимов микроприборов связаны с применением методов лазерной термометрии, что позволило достичь пикосекундного временного и субмикронного, а в ряде работ и нанометрового, пространственного разрешения.
До начала 90-х годов разрабатывались в основном приборы, измеряющие температуру по тепловому излучению – микропирометры с пространственным сканированием, позволяющие последовательно проводить измерение в точках вдоль одной строки, затем в точках соседней строки и т.д. Пространственное разрешение этих приборов составляло около 10 мкм, что не позволяло изучать распределение температур в приборах с элементами микронных и субмикронных размеров. Впоследствии, в связи с уменьшением размеров элементов в микросхемах до десятых и сотых долей микрометра, наибольшее распространение получили лазерные методы температурных измерений. Для температурной диагностики интегральных схем электроники широко применяются методы, основанные на фотолюминесценции, комбинационном рассеянии и термоотражении света.
Оптоэлектроника
Параметры оптоэлектронных приборов, преобразующих электрические сигналы в оптические, изменяются с температурой. Это обусловлено температурными зависимостями ширины запрещенной зоны полупроводника, скорости безызлучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда, коэффициентов преломления и поглощения света.
При изменении температуры происходит сдвиг линии генерации полупроводникового лазера вследствие изменения оптической длины резонатора. Рабочая температура оказывает существенное влияние на многие параметры полупроводниковых лазеров: при нагревании кристалла растет пороговый ток, падает выходная мощность, увеличивается скорость деградации зеркала (поверхности, через которую выводится излучение). При изменении температуры лазерного диода от 203 до 333 К мощность излучения при фиксированном токе накачки падает более чем на порядок; для поддержания постоянной мощности необходимо почти в два раза увеличить ток накачки. Плотность мощности оптического излучения на излучающей поверхности может достигать по порядку величины 1 МВт/см2, что близко к порогу разрушения материалов. При нагревании прибора увеличивается поглощение света, а это сопровождается дополнительным нагревом, т.е. возникает положительная обратная связь между оптической и тепловой подсистемами. Развитие тепловой неустойчивости (лавинного нагревания) заканчивается разрушением поверхности. Поэтому важно знать температурные режимы излучающих приборов при разных токах накачки.