激光微細(xì)加工中微小曝光區(qū)溫度測量系統(tǒng)的改進(jìn)

(3)取α=1/20μm，W=24μm，得W=1.2。據(jù)式(3)做出的N(R)～R關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖3可看出，曝光區(qū)內(nèi)的溫度分布是不均勻的，具有較大的溫度梯度。在進(jìn)行激光微細(xì)加工實(shí)驗時，需要測出溫度場的分布。另外，實(shí)驗需用最高溫度區(qū)域的溫度來表示加工溫度。因此，需調(diào)節(jié)套筒位置，使得測量區(qū)域為最高溫度區(qū)域。可以通過移動測溫套筒，逐點(diǎn)記錄溫度值及對應(yīng)的套筒坐標(biāo)的方法來測量溫度場的分布和尋找最高溫度區(qū)域。但由于調(diào)節(jié)臺的坐標(biāo)值和檢流計的電流示值要用人工方法記錄成表格，測量一個點(diǎn)的時間較長。同時必須要測量盡量多的點(diǎn)才能真實(shí)反應(yīng)溫度場的分布。這樣，即使進(jìn)行一維的測量，也要花費(fèi)很長時間。重要的是，要這樣一段長的時間里，由入射激光功率本身的變化，整個溫度場的溫度都會做相應(yīng)的變化，這事實(shí)上使得用這種方法測量溫度場變得無法實(shí)現(xiàn)。而最高溫度點(diǎn)需要在整個曝光區(qū)尋找，應(yīng)在得到溫度場分后才能準(zhǔn)確獲得。因此，必須另尋方法來測量溫度場的分布。

圖4　計算機(jī)溫度測量系統(tǒng)實(shí)驗裝置3.系統(tǒng)的改進(jìn)

針對系統(tǒng)在實(shí)際使用時遇到的困難，我們對原系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后測溫系統(tǒng)的裝置如圖4所示。系統(tǒng)去掉了檢流計，采用高精度電流放大器將探測器產(chǎn)生的光電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號輸入計算機(jī)進(jìn)行計算、記錄及顯示。通過實(shí)驗定標(biāo)，可將數(shù)字量直接和溫度對應(yīng)。這樣，不但解決了測量范圍與測量精度之間的矛盾，還使得實(shí)驗時讀數(shù)方便、準(zhǔn)確。溫度分辨率主要決定于所選A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，并不影響測量范圍。實(shí)驗裝置中，采用集成運(yùn)放OP37組成電流放大器，A/D轉(zhuǎn)換器選用AD1674A。在溫度為600℃時，溫度分辨率達(dá)到0.2℃。

計算機(jī)控制精密電動平臺帶動測溫套筒移動并同時記錄由探測器輸出的溫度信號，對基片上的熱斑作二維掃描得到熱斑的溫度分布，從而利用軟件測出焦斑中心溫度、熱斑邊界等參數(shù)。同時，利用計算機(jī)軟件計算出熱斑最高溫度區(qū)的位置，并使測溫套筒移動，對準(zhǔn)該位置。精密電動平臺的步距為1.25μm，掃描速度達(dá)20mm/s，滿足我們對溫度分布測量的要求。

在測量之前，同樣需對系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)。在得到定標(biāo)數(shù)據(jù)后，利用計算機(jī)的快速計算，在對實(shí)驗中的基片進(jìn)行溫度測量時，將從A/D轉(zhuǎn)換器讀出的數(shù)據(jù)字量用插值計算的方法直接轉(zhuǎn)換為溫度值顯示在我們設(shè)計的虛擬儀器面板上。這很大程度上方便了激光微細(xì)加工實(shí)驗中對溫度的調(diào)節(jié)。

另外，我們利用計算機(jī)軟件及系統(tǒng)對溫度信號的快速記錄功能，實(shí)現(xiàn)了對基片溫度隨時間變化過程的測量、記錄。

4.改進(jìn)后的系統(tǒng)在實(shí)驗中的應(yīng)用

我們用上述系統(tǒng)測量了用功率為10W的連續(xù)波10.6μm聚焦激光束照射預(yù)熱溫度為580K的InP時產(chǎn)生熱斑的溫度分布，電動平臺移動的速度設(shè)置為0.5mm/s，結(jié)果示于圖5。從圖中可以看出，熱斑隨半徑有較大的溫度梯度。熱斑中心溫度隨時間變化過程如圖6所示。

圖5　熱斑的溫度分布

圖6　熱斑中心溫度隨激光束照射時間的變化5.結(jié)束語

現(xiàn)有用于半導(dǎo)體的激光微細(xì)加工中微小曝光區(qū)的溫度測量系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)了一些需要解決的問題。首先是溫度分辨率和溫度測量范圍不能同時滿足使用要求，其次是不能進(jìn)行溫度分布的準(zhǔn)確測量和最高溫度點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。本文提出了一種在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)的計算機(jī)溫度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過軟、硬件的結(jié)合，較好的解決了原有系統(tǒng)的這些問題。新的計算機(jī)溫度測量系統(tǒng)在半導(dǎo)體的多種激光微細(xì)加工實(shí)驗中將發(fā)揮重要作用。

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