ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Термометрия поверхности по отражению света из "Лазерная термометрия твердых тел " Коэффициент зеркального отражения. Коэффициенты отражения Кд и Кр изменяются с температурой поверхности вследствие того, что действительная (п) и мнимая (х) части комплексного показателя преломления зависят от температуры. Для сильнопоглощающего материала возможна термометрия при зондировании поверхности под любым углом, для пластин из прозрачного материала необходимо облучать поверхность под углом к нормали. [c.97] Экспериментальные данные по температурным зависимостям отражения от металлов немногочисленны [4.15, 4.16]. Кроме того, результаты могут суш ественно зависеть от состава примесей и поликри-сталлической структуры металла. Поэтому наиболее надежный способ получения зависимостей К в), необходимых для термометрии, состоит в проведении калибровки. Регистрация калибровочных зависимостей перед проведением экспериментов по ЛТ позволяет избежать суш е-ственных систематических ошибок, которые могут возникать при использовании расчетных данных. [c.97] Например, при нагревании кристалла от вг = 20 °С до в коэффициент отражения изменился от Лх = 0,35 до /2 = 0,37. Из (4.3) и (4.4) получаем в = 460 °С. [c.98] Коэффициент отражения Яр при угле падения, несколько меньшем угла Брюстера, увеличивается с температурой. Однако температурные изменения угла Брюстера невелики для монокристалла кремния на длине волны 633 нм д,п/(1в 3 К ) при нагревании от 293 К до 373 К угол в увеличивается всего на 0,09°. [c.99] Вычисления показывают, что для проведения брюстеровской термометрии необходимо точно измерять угол падения света на поверхность ошибка в установке угла на 0,01° вблизи pp может привести к ошибке, достигающей 100% при определении изменения температуры Ав. [c.100] Структуру кремний-на-изоляторе нагревали сканирующим электронным пучком в вакууме. При этом регистрировали интенсивность отраженного света (Л = 633 нм), затем с помощью калибровочной зависимости Я в) определяли распределение температуры поверхности в зоне нагревания и вокруг нее с пространственным разрешением порядка 10 мкм [4.24]. При зондировании фиксированной точки ее температура при прохождении электронного пучка поднималась от 700 до 1000 °С за время порядка 0,3 мс, а затем уменьшалась за 1,5-ь2 мс до начального уровня. [c.100] Подобные эффекты, состоящие в изменении оптических свойств нагретой поверхности при протекании химических реакций, давно изучаются в лазерной термохимии [4.26]. Химические превращения на поверхности существенно затрудняют проведение лазерной термометрии. В частности, при образовании прозрачной пленки на непрозрачной подложке измерение температуры возможно лишь тогда, когда толщина пленки удовлетворяет неравенству h Л/4п. В противном случае коэффициент отражения металла изменяется за счет интерференции в пленке существенно сильнее, чем за счет изменения температуры. Если условие h /Ап не выполняется, возможен переход к более длинноволновому зондированию. [c.101] Метод термометрии по коэффициенту отражения от полированной поверхности может применяться для случаев, когда изменение R обусловлено только изменением температуры, а характер взаимодействия света с поверхностью качественно не меняется. Если R изменяется во времени по причинам, не связанным с температурой (например, из-за развития шероховатости или образования пленки на поверхности), точность определения температуры падает и метод становится ненадежным, так как в течение эксперимента меняются не только параметры модели, описывающей взаимодействие света с поверхностью, но и сама модель. Например, при плазменном распылении монокристалла кремния уменьшение температуры, измеряемой по отражению лазерного пучка (Л = 633 нм) [4.17] может быть фиктивным если при ионной бомбардировке развивается шероховатость поверхности и уменьшается коэффициент отражения света, это уменьшение можно ошибочно принять за понижение температуры кристалла. [c.101] Описанный метод может применяться в основном для единичных измерений. Можно также облучать поверхность широким пучком и регистрировать отраженный свет матричным фотоприемником для получения картины температурного поля. Идентифицируемость сигнала отсутствует любое постороннее излучение при попадании на фотоприемник будет регистрироваться как результат отражения от исследуемой поверхности дрейф мощности лазера также воспринимается как изменение температуры, если отсутствует опорный пучок для контроля мощности и коррекции ее дрейфа. В большинстве применяемых установок ЛТ по отражению света от поверхности лазерный пучок делят на две части, и одну часть направляют на исследуемый образец, а вторую используют как опорный пучок, который не взаимодействует с образцом и детектируется отдельным фотоприемником для учета флуктуаций мощности излучения. [c.102] Край плазменного отражения с увеличением температуры заметно сдвигается в коротковолновую область, поскольку концентрация собственных носителей заряда п ехр —Е /кв) экспоненциально растет с температурой. Край плазменного отражения имеет однозначно идентифицируемую форму в виде резкого минимума отражения (поскольку частота рассеяния мала по сравнению с плазменной частотой) и быстрого увеличения коэффициента отражения практически до единицы. Длина волны Лр1, соответствующая краю отражения, определяется соотношением Лр1 ехр Е /4 кв) и для g и 0,3 эВ изменяется в 4 раза в диапазоне 2004-300 К. Примеры применения особенностей плазменного отражения для термометрии кристаллов неизвестны. [c.102] Термометрия ближнего поля. Метод оптической термометрии ближнего поля, позволяющий достичь пространственного разрешения порядка 30-ь100 нм (т. е. существенно лучшего, чем Л/2) при зондировании поверхности через отверстие примерно такого же диаметра светом видимого диапазона, разработан для измерения температуры в элементах микросхем при прохождении токовых импульсов [4.28]. Схема оптического зонда показана на рис. 4.7. Сужающийся конец оптического волокна с помощью пьезоэлектрического устройства подводится к поверхности на расстояние, сравнимое с диаметром выходного отверстия ( 50 нм). По световоду распространяется зондирующее излучение. Свет, прошедший сквозь отверстие, отражается от поверхности. Часть отраженного света рассеивается и регистрируется фотоприемником. Излучение, отраженное обратно в волокно, зарегистрировать труднее, так как в волокне имеется намного более интенсивное излучение, отраженное от конца световода. В случае, когда образец прозрачен для зондирующего излучения, можно регистрировать проходящий свет. [c.103] Поэтому проводить измерение температуры приходится на очень низких уровнях мощности зондирующего излучения. Таким образом, пространственная разрешающая способность и время накопления сигнала являются в термометрии ближнего поля взаимно дополнительными характеристиками. [c.104] Вернуться к основной статье