Способ безконтактного измерения температуры кремниевой пластины

 

Использование: в радиационной пирометрии, а именно бесконтактных способах измерения температуры пластин кремния, облучаемых с целью нагрева внешними облучателями - спиралями накаливания, газоразрядными лампами, лазерами и т. п. . Сущность изобретения: предлагается для повышения точности измерения температуры учитывать изменение составляющей стороннего излучения отраженного от пластины в связи с изменением яркости свечения источников нагрева. При помощи кремниевого фотодиода измеряют суммарное (собственное P и отраженное) излучение от пластины P₁, излучение P₂ - стороннее, не попадающее на пластину, по формуле P = (P₁ - P₂) J_1-0/J_2-0 определяют P и по величине рассчитывают значение температуры пластины, где J_1-0/J_2-0 - постоянный коэффициент, где J_1-0 - значение тока кремниевого фотодиода в точке, где величина первой производной этого тока стала положительной после прохождения ее через ноль; J_2-0 - значение тока дополнительного фотодиода, измененное одновременно с J_1-0. 15 ил.

Изобретение относится к радиационной пирометрии, а более конкретно к бесконтактным способам измерения температуры пластин кремния, облучаемых с целью нагрева внешними облучателями спиралями накаливания, газоразрядными лампами, лазерами и т.п.

При изготовлении полупроводниковых структур необходимо проведение их термообработки, которая осуществляется нагревом сторонними излучателями. Такими процессами являются диффузия, отжиг после ионной имплантации и др. В этих процессах основным параметром является температура, причем измеряться она может практически только бесконтактным методом, особенно при проведении импульсных термических процессов.

При измерении температуры объекта, нагреваемого излучением сторонних источников, одной из основных задач является уменьшение влияния стороннего излучения на результаты измерений собственного излучения объекта.

Способы бесконтактного измерения температуры, в которых учитывается влияние стороннего излучения, известны. Известен, например, способ [1] бесконтактного измерения температуры зеркальной поверхности полупроводниковой пластины, нагреваемой с двух сторон излучения сторонних источников с рефлекторами, включающий измерение величины собственного излучения нагреваемой пластины с помощью детектора излучения, расположенного на оптической оси, наклонной к перпендикуляру к центру измеряемой поверхности, и снижение влияния стороннего излучения путем использования поглощающего элемента в виде эквивалента абсолютно черного тела, расположенного симметрично детектору излучения относительно перпендикуляра к центру измеряемой поверхности.

Однако данный способ обеспечивает высокую точность измерений температуры только для идеально гладких поверхностей, так как в этом способе исключается только стороннее излучение, которое попадает на детектор излучения в результате зеркального отражения от измеряемой поверхности пластины. Диффузная составляющая отраженного от поверхности пластины стороннего излучения не учитывается. При высокой интенсивности стороннего излучения, характерной, например, для импульсного нагрева, диффузная составляющая отраженного стороннего излучения в направлении детектора излучения может быть сравнима и даже больше, чем величина собственного излучения измеряемой пластины, особенно при невысоком качестве обработки ее поверхности.

Известен способ, принятый за прототип, бесконтактного измерения температуры кремниевых не идеально зеркальных структур в процессе импульсной термообработки [2] Этим способом измеряют температуру кремниевой пластины кремниевым фотодиодом в диапазоне 900-1400^оС при нагреве ее сторонним излучением, например излучением галогенных ламп с плотностью мощности 40-200 Вт/см². По этому способу измеряют суммарное излучение, включающее собственное излучение пластины и стороннее излучение, прошедшее через пластину и отраженное от нее, затем измеряют стороннее излучение и по разности суммарного и стороннего излучений определяют собственное излучение пластины.

Влияние прошедшего через пластину стороннего излучения в указанном выше диапазоне измерения устраняют выбором времени начала измерения температуры, при котором пластина разогрева и не пропускает стороннее излучение, вычитаемую величину оставшегося отраженного от пластины стороннего излучения измеряют через определенное время от момента включения ламп. Однако данный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что он применим только при нагреве одиночным прямоугольным импульсом излучения. Необходимость поддержания или изменения температуры во времени требует изменения интенсивности стороннего излучения, например, изменением накала ламп. При этом величина отраженного от пластины стороннего излучения изменяется, и данный способ, в котором при расчете в качестве вычитаемой величины используется только однократно измеренное постоянное значение величины стороннего излучения, ведет к большой погрешности определения температуры.

Целью предложенного технического решения является повышение точности измерения температуры пластины кремния при нагреве ее измеряющимся по интенсивности сторонним излучением.

Цель достигается тем, что по способу бесконтактного измерения температуры кремниевой пластины в диапазоне 900-1400^оС при нагреве ее сторонним излучением, включающему измерение имеющим оптическую связь с пластиной кремниевым фотодиодом суммарного излучения Р₁, состоящего из собственного излучения пластины Р, отраженного от нее стороннего излучения Р_отр.ст. и прошедшего через нее стороннего излучения Р_пр.ст., выбор времени начала измерения температуры для устранения влияния Р_пр.ст., измерение Р_отр.ст. и расчет температуры пластины по величине Р, определяемой как разность Р₁ Р_отр.ст., измеряют дополнительным фотодиодом, не имеющим оптической связи с пластиной, не попадающее на пластину стороннее излучение Р₂, а величину Р_отр.ст. определяют как Р_{отр.стр.} Р₂ где I_1-0 значение тока кремниевого фотодиода в точке, где величина первой производной этого тока по времени стала положительной после прохождения ее через ноль; а I_2-0 значение тока дополнительного фотодиода, измеренное одновременно с I_1-0.

На фиг. 1 изображена схема установки, в которой реализован предложенный способ. В этой установке фотодиод 1 измеряет суммарное попадающее на него излучение Р₁, состоящее из собственного излучения Р пластины 3, а также из отраженного от нее Р_отр.ст. и прошедшего через нее Р_пр.ст. стороннего излучения. Отсюда следует, что Р Р₁ (Р_отр.ст. + Р_пр.ст.). (1) По величине Р рассчитывается температура пластины по известным законам излучения. Фототок I₂ дополнительного фотодиода 2 обусловлен только сторонним излучением Р₂, так как диод установлен таким образом, что излучение от пластины на него не попадает. Так как излучение Р₂ и Р_отр.ст. обусловлены одним и тем же источником, то в любой момент времени имеет место равенство K const (2) На фиг. 2-9 изображены зависимости токов I₁ и I₂ во времени, а также первые производные I₁ по времени на начальном участке нагрева пластин кремния разных толщин и концентраций носителей заряда.

На фиг. 2 изображена зависимость токов фотодиодов от времени при измерении температуры пластины кремния n-типа толщиной h 300 мкм с концентрацией носителей заряда N 1 ˙ 10¹⁷ см^-3. На фиг. 3 изображена зависимость изменения производной тока фотодиода от времени для пластины кремния по фиг. 2. На фиг. 4 изображена зависимость тока основного фотодиода от времени при измерении температуры пластины кремния n-типа толщиной h 100 мкм с концентрацией носителей заряда N 1 ˙ 10¹⁷ см^-3. На фиг. 5 изображена зависимость изменения производной тока фотодиода от времени для пластины кремния по фиг. 4. На фиг. 6 изображена зависимость тока основного фотодиода от времени при измерении температуры пластины кремния n-типа толщиной h 300 мкм с концентрацией носителей заряда N 5 ˙ 10¹⁹ см^-3. На фиг. 7 изображена зависимость изменения производной тока фотодиода от времени для пластины кремния по фиг. 6. На фиг. 8 изображена зависимость тока основного фотодиода от времени при измерении температуры пластины кремния n-типа толщиной h 100 мкм с концентрацией носителей заряда N 5 ˙ 10¹⁹ см^-3. На фиг. 9 изображена зависимость изменения производной тока фотодиода от времени для пластины кремния по фиг. 8.

На фиг. 10-15 показано, как изменяются составляющие токов фотодиодов и температуры пластины во времени. На фиг. 10 изображено изменение интенсивности стороннего излучения во времени. На фиг. 11 изображено изменение тока дополнительного фотодиода во времени. На фиг. 12 изображено изменение тока основного фотодиода во времени. На фиг. 13 изображено изменение вычитаемой части из тока основного фотодиода во времени. На фиг. 14 изображено изменение части тока основного фотодиода, обусловленной собственным излучением пластины. На фиг. 15 изображено изменение температуры пластины во времени.

Участок SD на кривой I₂ f(t) (фиг. 2) соответствует времени разогрева спиралей ламп и выхода излучателей на стационарный режим по интенсивности излучения. Это время для галогенных ламп типа КГ-220-1000 с вольфрамовой спиралью составляет 0,25 с. На участке SA (фиг. 2) собственное излучение пластины очень мало и ток I₁ обусловлен только диффузным отражением стороннего излучения от пластины Р_отр.ст. и сторонним излучением, проходящим через пластину на фотоприемник Р_пр.ст. Участок АВ (фиг. 2) показывает уменьшение пропускания пластины в связи со сдвигом края полосы поглощения в длинноволновую область спектра. Уменьшение пропускания, связанное с прогревом пластины, вызывает уменьшение доли стороннего излучения, проходящего на фотоприемник через пластину на величину Р_пр.ст. Собственное излучение пластины на этом участке также слишком мало из-за ее низкой температуры (менее 900^оС) и не вносит своего вклада в суммарный сигнал. На участке ВО (фиг. 2) изменение фототока не происходит, так как пропускание излучения через пластину практически отсутствует, интенсивность стороннего излучения уже стала постоянной, а собственное излучение пластины еще мало для индикации его кремниевым фотодиодом. По мере дальнейшего нагрева пластины усиливается интенсивность ее собственного излучения и, начиная с точки О (фиг. 2), появляется составляющая тока I₁, обусловленная собственным излучением. Таким образом, на горизонтальном участке ВО можно измерить паразитный сигнал, являющийся фотоответом на стороннее, отраженное от пластины, излучение, и этот сигнал не связан с собственным излучением пластины. На фиг. 4, относящейся к более тонкой пластине кремния, точки В и О практически совпадают (пластина разогревается существенно быстрее).

Таким образом, на всем участке ВО (фиг. 2) равенство (1) имеет вид Р Р₁ Р_{отр.ст.(ВО)} или с учетом равенства (2) Р Р₁ КР_2(ВО), (3) где Р_{отр.ст.(ВО)} и Р_2(ВО) значение величины излучения Р_отр.ст. и Р₂ на этом участке.

Из рассмотрения фиг. 4, 6 и 8 можно сделать заключение, что величину тока I₂, соответствующую Р_2(ВО) (фиг. 2), следует измерять в точках О фиг. 4 и 8 и на участке ВО фиг. 6.

Из анализа зависимостей на фиг. 3, 5 и 7 следует, что наиболее удобно во всех случаях измерять величину I₂ в точках О, характерным для которых является появление сигнала от Р (т. е. начала фиксируемого фотодиодом собственного излучения), а математически то, что величина становится положительной после прохождения ее через ноль. При этом выражение (3) для всех случаев (на фиг. 2, 4, 6) приобретает вид Р Р₁ K R_2(О) или для соответствующих токов I I₁ KI_2(О), (4) где I_2(О) величина тока I₂ в точках О.

При необходимости поддержания температуры на постоянном заданном уровне или регулировке ее величины необходимо изменять интенсивность стороннего излучения, поддерживая величину на соответствующем заданном уровне. При этом измеряется величина Р_отр.ст. Учесть это можно, измеряя Р_отр.ст. и Р₂ один раз в точке О, вычислив при этом К и далее определяя истинную величину I из равенства, полученного из выражения (4): I I₁ KI₂, (5) где I₂ значение тока дополнительного фотодиода в любые последующие моменты времени.

На фиг. 10 показано изменение интенсивности излучения Р_изм.ст. сторонних источников от времени t: на участке EF изменение стороннего излучения проводят с целью поддержания температуры на одном заданном уровне, а на участке после точки F на другом, более низком уровне. На фиг. 11 и 12 показано соответствующее изменение токов дополнительного и основного фотодиодов. Нерезкие изменения тока I₁ обусловлены тепловой инерцией пластины. На фиг. 13 представлено изменение вычитаемой части из величины тока основного фотодиода I₁ (сплошная кривая В). Как видно из фиг. 13, эта часть изменяется при изменении величины стороннего излучения. На этой же фигуре показана вычитаемая часть, если бы не учитывалось ее изменение (пунктирная прямая А).

На фиг. 14 сплошной линией показано изменение во времени расчетной величины составляющей тока основного фотодиода I I₁ I₂ а на фиг. 15 измене- ние температуры t^о пластины, рассчитанное по этой величине I (сплошная кривая).

На фиг. 14 и 15 пунктиром показано изменение I и t^o, рассчитанных без учета изменений вычитаемой части. Разница между ними (Δ t на фиг. 15) показывает погрешность в определении температуры, если не пользоваться предложенным способом корректировки вычитаемой части. Эксперименты показали, что на уровне температур 1000-1300^оС эта погрешность составляла 50^о и более при работе установки в режиме поддержания температуры на заданном уровне (область EF).

П р и м е р 1 конкретного осуществления способа. Пластина кремния n-типа с концентрацией носителей заряда N 1 ˙ 10¹⁷ см^-3 и толщиной h 300 мкм размещалась в установке Импульс-5, в отверстии стенки которой был установлен дополнительный фотодиод марки ФД 265Б 3368.92 ТУ, отгороженный от камеры диафрагмой для предотвращения попадания на него отраженного от кремниевой пластины излучения. Установка Импульс-5 соединена электрически через операционный усилитель типа К 140 УД8А с ЭВМ Микро-86, в которую заложена программа обработки сигналов с фотодиодов установки Импульс-5 в соответствии с заявленной формулой изобретения.

Пластина 3 располагалась в камере установки на кварцевых иглах 4 между двумя панелями трубчатых галогенных ламп 5 типа КГ-220-1000 3 таким образом, что оси галогенных ламп 5 находятся на расстоянии 10--12 мм от пластины 3. Установка снабжена охлаждаемыми водой рефлекторами 6, которые служат для повышения скорости нагрева и его равномерности. Сигналы от фотодиодов поступают на блок 7 управления. Характер изменения токов и температуры во времени выводится на дисплей 8.

Предварительно осуществлялась калибровка величины сигнала основного фотодиода в зависимости от температуры пластины по точкам плавления различных металлов. После установки пластины в камеру проводили включение галогенных ламп, при этом изменение сигнала основного фотодиода непрерывно анализировалось на ЭВМ и отражалось на дисплее. Это изменение соответствовало фиг. 2, причем в точке, обозначенной на фиг. 2 как О, ЭВМ проводила фиксацию значений токов фотодиодов, вычисление величины К и температуры по току I и калибровочной зависимости I f(t^o).

Далее продолжался нагрев пластины при постоянном уровне мощности излучения с непрерывным измерением токов I₁ и I₂ и расчетом на ЭВМ величины составляющей I тока основного фотодиода по формуле (5). По достижении этой составляющей тока величины, равной полученному при калибровке значению t^o 1100^оС, ЭВМ давала сигнал к изменению интенсивности стороннего излучения с целью поддержания достигнутой величины I. При этом в соответствии с формулой (5) учитывалось изменение уровня интенсивности стороннего излучения. Эксперименты показали, что если этот учет не проводить, ошибка в поддерживаемой температуре составляет ≈50^оС.

П р и м е р 2. Производился нагрев пластины кремния n-типа толщиной 100 мкм с концентрацией носителей заряда N 1 ˙ 10¹⁷ см^-3. Измерения температуры пластины осуществлялись аналогично примеру 1, кривые изменения сигнала фотоответа и первой производной его по времени аналогичны представленным на фиг. 4 и 5. На фиг. 4 и 5 в отличие от фиг. 1 и 2 отсутствует полочка ВО, ей соответствует точка О. Это связано с тем, что при такой толщине пластины происходит ее очень быстрый нагрев. Анализ кривых и расчеты проводились на ЭВМ Микро-86.

П р и м е р 3. Проводился нагрев пластины кремния n-типа толщиной 300 мкм с концентрацией носителей заряда N 5 ˙ 11¹⁹ см^-3. Измерения температуры пластины осуществлялись аналогично примеру 1, характер кривых изменения сигнала фотоответа и первой производной его по времени представлен на фиг. 6 и 7, где в отличие от фиг. 2 и 3 отсутствует пик А, так как пластина кремния высокоомная и не пропускает через себя излучение. Анализ кривых и расчеты проводились ЭВМ Микро-86.

П р и м е р 4. Проводился нагрев пластины кремния n-типа толщиной 100 мкм с концентрацией носителей заряда N 5 ˙ 10¹⁹ см^-3. Измерения температуры пластины осуществлялись аналогично примеру 1, характер кривых изменения сигнала и первой производной его по времени представлен на фиг. 8 и 9, где в отличие от фиг. 1 и 2 нет полочки ВО и пика А, поскольку пластина с таким высоким уровнем легирования изначально не пропускает через себя излучения галогенных ламп и при малой толщине нагрев пластины происходит очень быстро.

Данный способ бесконтактного измерения температуры кремниевых пластин в интервале температур 900-1400^оС при нагреве их изменяющимися по интенсивности импульсами стороннего излучения позволили устранить погрешность измерения температуры, которая была без учета изменяющегося отраженного от пластины стороннего излучения и составляла около 50-80^о. В итоге точность измерения определяется только точностью предварительной калибровки, что может быть реализовано с допустимой для практики погрешностью многими современными методами (термопара, пирометрирование, точки плавления металлов и т.д.).

Формула изобретения

СПОСОБ БЕЗКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КРЕМНИЕВОЙ ПЛАСТИНЫ в диапазоне 900 - 1400^oС при нагреве ее сторонним излучением, включающий измерение имеющим оптическую связь с пластиной кремниевым фотодиодом суммарного излучения P₁, состоящего из собственного излучения P пластины, отраженного от нее стороннего излучения P_отр.ст и прошедшего через нее стороннего излучения P_пр.ст, выбор времени начала измерения температуры для устранения влияния P_пр.ст, определение P_отр.ст и расчет температуры пластины по величине P, определяемой как разность P₁ - P_отр.ст, отличающийся тем, что измеряют дополнительным фотодиодом, не имеющим оптической связи с пластиной, не попадающее на пластину стороннее излучение P₂, а величину P_отр.ст определяют как где I_1-0 - значение тока кремниевого фотодиода в точке, где величина первой производной этого тока по времени стала положительной после прохождения ее через нуль, а I_2-0 - значение тока дополнительного фотодиода, измеренное одновременно с I_1-0.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11