Термометрия лазерная - Методы

Применение нелинейной оптики для термометрии твердых тел в настояш,ее время ограничено единичными публикациями вследствие сложности методов и установок, а также достаточности ресурсов линейной оптики для решения большинства задач лазерной термометрии. По этой причине настояш,ий раздел содержит лишь беглое упоминание о нелинейно-оптической диагностике твердых тел. Вероятно, по мере усложнения задач, стояш,их перед термометрией твердых тел, методы нелинейной оптики станут применяться шире. [c.58]

В книге обсуждаются физические принципы, измерительные характеристики, особенности и ограничения различных методов активной термометрии твердого тела. Термочувствительным элементом в активной термометрии является сам исследуемый объект, а считывание информации о температуре объекта проводится с помощью зондирующего светового пучка (обычно лазерного). Появление новых методов бесконтактной термометрии существенно расширило возможности для исследований в области новых технологий (в частности, процессов при взаимодействии газоразрядной плазмы и пучков заряженных частиц с поверхностью). Исследовательские группы, в которых были разработаны новые методы, быстро получили информационные преимущества при изучении процессов на границе раздела плазма-поверхность, ранее недоступных для диагностики. Лазерная термометрия впервые сделала практически осуществимыми температурный мониторинг и контроль в вакуумных процессах микротехнологии (осаждение тонких пленок, травление микроструктур, ионная имплантация полупроводников и т. д.). К настоящему времени предложены и развиваются более десяти методов лазерной термометрии (ЛТ), хотя в исследованиях и технологическом контроле активно применяется пова лишь 4-5 методов. [c.5]

Первая глава содержит введение в проблему термометрии твердого тела, обоснование необходимости новых методов для развития микротехнологии и постановку задачи по разработке лазерной термометрии. Во второй главе приведены сведения о взаимодействии света с твердыми телами, об оптических свойствах металлов, полупроводников и диэлектриков и о температурных зависимостях, лежащих в основе ЛТ. Глава 3 содержит данные по температурным зависимостям оптических параметров твердых тел. Главы 4-7 посвящены рассмотрению методов ЛТ, основанных на измерении интенсивности, поляризации, расходимости светового пучка, времени высвечивания, особенностей спектра после взаимодействия излучения с исследуемым объектом. В гл. 8 обсуждаются преимущества и недостатки методов ЛТ, сравниваются их измерительные характеристики. [c.6]

При исследованиях тепловых процессов малой длительности на поверхности твердого тела (например, при наносекундном лазерном отжиге полупроводниковых кристаллов после легирования примесями) для термометрии также сразу стали разрабатываться активные методы, основанные на отражении или рассеянии лазерного [c.10]

Пример идентифицируемого сигнала при измерении температуры образца методом лазерной интерференционной термометрии приведен на рис. 1.3. Кварцевая пластинка облучается лазерным пучком малой [c.17]

Создание универсального метода, объединяющего все перечисленные свойства, является трудной и, вероятно, неосуществимой задачей. Однако группа специализированных методов лазерной термометрии твердого тела представляет собой в целом хорошее приближение к решению задачи, что и делает эти методы наиболее перспективными именно для применения в плазменных и плазмохимических исследованиях, а также для контроля в реальном времени в процессах микротехнологии. [c.18]

Рис. 1.4. Накопленное количество публикаций по разработке и применению методов лазерной термометрии твердых тел. По оси абсцисс отложены годы окончания 5-летних интервалов, когда проводился подсчет полного числа публикаций, выполненных от появления первой статьи

Лазерная термометрия неразрывно связана с комплексом представлений оптики и спектроскопии твердого тела. В основе любого из лазерных методов лежит температурная зависимость какого-либо оптического параметра твердого тела, определенный способ облучения объекта и регистрации сигнала, содержащего информацию о температуре. По данным измерений определяются параметры модели, описывающей взаимодействие излучения с объектом. Даже незначительные несоответствия между экспериментальной схемой и моделью, на основе которой проводятся вычисления, могут приводить к существенным ошибкам при определении температуры. Поэтому применение лазерной термометрии требует детального понимания принципов, особенностей и пределов применимости каждого из методов. [c.24]

В лазерной термометрии для достижения наибольшей чувствительности перспективно использовать диагностические методы, которые [c.69]

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]

Метод термометрии по сдвигу края поглощения позволяет измерять как стационарную, так и нестационарную температуру полупроводниковых монокристаллов в диапазоне от криогенных до высоких [в 1500 °С) температур. В настоящее время этот метод является вторым (после лазерной интерференционной термометрии) по температурной чувствительности сигнала. [c.109]

В настоящее время метод термометрии по сдвигу края поглощения занимает ведущее положение в лазерной термометрии твердых тел по той причине, что наиболее актуальной задачей является термометрия полупроводниковых кристаллов в микротехнологии. Для термометрии широкозонных кристаллов (СаРг, и т.д.) по сдвигу края поглощения можно, вероятно, использовать двухфотонное поглощение. [c.130]

В данной главе описан самый чувствительный метод измерения температуры прозрачных плоскопараллельных пластин. В настоящее время метод лазерной интерференционной термометрии (ЛИТ) применяется наиболее часто (по сравнению с любыми другими методами) для изучения процессов при взаимодействии плазмы с поверхностью, а также для контроля температуры полупроводниковых и диэлектрических подложек в микротехнологии. Метод ЛИТ объединяет качества, на первый взгляд кажущиеся взаимно исключающими очень высокую температурную чувствительность и широкий диапазон измеряемых температур. [c.131]

Сравнение с другими методами лазерной термометрии [c.172]

Причина разброса точек связана с флуктуациями мощности лазерного излучения. Эти флуктуации не влияют на положение интерференционных экстремумов и не приводят к появлению или потере полос в интерферограмме, т. е. практически не вносят погрешностей в определение температуры методом ЛИТ. Однако флуктуации мощности падающего излучения являются источником погрешностей для термометрии по сдвигу края поглощения. Для уменьшения случайных погрешностей необходимо применять лазер со стабилизацией мощности или создавать схему с опорным пучком для более точного измерения коэффициента пропускания. [c.175]

На стыке возможностей оптики и спектроскопии твердого тела и потребностей новых технологий возникло новое направление — лазерная термометрия твердых тел. Трудности и ограничения, присущие традиционной термометрии, были преодолены путем создания сразу нескольких новых методов, положивших начало активной термометрии твердых тел, которая проводится путем зондирования изучаемого объекта внешним оптическим (обычно лазерным) пучком. Закончившийся первый этап развития ЛТ включал разработку новых физических принципов, экспериментальную проверку новых методов термометрии, изучение их особенностей, предварительные оценки измерительных характеристик. Некоторые из методов лазерной термометрии широко применяются в настоящее время в исследованиях и технологическом контроле и характеризуются низкой трудоемкостью и высокой помехозащищенностью, высокой чувствительностью и относительной [c.195]

Распространенность методов Л Т. Количество статей, посвященных разработке и применению методов ЛТ, достигло в начале 2001 г. приблизительно двухсот. Десятки лабораторий, связанных с микротехнологией, разработали или освоили по крайней мере по одному методу ЛТ. Благодаря ЛТ в 90-е годы впервые за время существования микротехнологии (й 30 лет) появилась реальная возможность проводить систематическое изучение температурных режимов поверхности при плазмохимическом нанесении и травлении тонких пленок, их эпитаксиальном наращивании, быстром термическом окислении кремния, лазерном отжиге легированных монокристаллов и ряде других операций. Исследовательские группы, первыми применившие методы ЛТ, получили существенное информационное преимущество, поскольку традиционные методы термометрии практически не позволяли достигать надежных результатов в области микротехнологии. [c.196]

Таблица 8.1. Частота применения различных методов лазерной термометрии в основных операциях микротехнологии

Относительная температурная чувствительность регистрируемого сигнала заключена в диапазоне 3 0,014-100% (для платинового термометра сопротивления 3 0,4% при Т = 300 К). Существуют методы с высокой чувствительностью и узким диапазоном измеряемых температур, методы с низкой чувствительностью и широким диапазоном температур. Выбор условий зондирования объекта и считывания сигнала позволяет изменять чувствительность на несколько порядков. К таким условиям относятся длина волны, поляризация и угол падения света на поверхность изучаемого объекта. Лазерная интерференционная термометрия полупроводников и диэлектриков сочетает очень высокую чувствительность с широким интервалом измеряемых температур (чувствительность увеличивается с толщиной образца, и для кремния толщиной 1 мм в среднем по периоду интерференции 3 160% К , температурный диапазон О Т 1000 К максимальная чувствительность составляет 600% на участке интерферограммы, где достигается максимальный наклон К/ в). [c.200]

Оптические схемы ряда методов лазерной термометрии (нелиней-но-оптических, по спектру комбинационного рассеяния света, по параметрам эллипса поляризации и т. д.) довольно сложны по сравнению со схемами традиционной термометрии. Тем не менее, сложные методы ЛТ применяются все чаще, поскольку позволяют проводить измерения в условиях, где традиционные и более простые методы неэффективны. [c.201]

МЕТОДЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ (МЛТ) [c.94]

Однако уникальные свойства лазерного излучения (яркость, монохроматичность, когерентность, направленность) позволили реализовать и принципиально новые методы термометрии. [c.94]

Лазерная термометрия основана на дистанционном измерении темпера-турно-зависимых параметров твердых тел с помощью зондирующего светового пучка и определении искомой температуры по известной температурной зависимости измеренного параметра. Рассматриваются принципы, особенности и ограничения ряда новых методов бесконтактного измерения температуры твердых тел. Проведено сравнение различных лазерных методов по ряду критериев, важных при практическом применении чувствительности, инерционности, помехозащищенности, производительности измерений, сложности оптической схемы. Лазерная термометрия применяется в условиях, где традиционные методы оказались неэффективными при взаимодействии газоразрядной плазмы, ионных или лазерных пучков с поверхностью, при нанесении тонких пленок и травлении микроструктур интегральных схем. [c.1]

Книга адресуется специалистам в области термометрии, теплофизики, физики плазмы и газового разряда, плазмохимии, гетерогенного катализа, а также физикам и инженерам, работающим в области микро-и нанотехнологии, плазменных и пучковых технологий, связанных с различными воздействиями на поверхность твердых тел. Основная цель автора — пор<азать, на какой теоретической и экспериментальной основе развиваются новые методы, каковы предельные возможности, перспективы применения активной термометрии, а также нерешенные проблемы, препятствующие широкому применению ЛТ Овладение методами лазерной термометрии необходимо тем, кто создает и исследует новые материалы и технологические процессы, и при этом испытывает [c.5]

В других областях, где отсутствовали возможности применить термопары и радиационные пирометры, разработка и применение лазерных методов проводилась давно. При исследованиях горячей плазмы активные бесконтактные методы измерения температуры также начали применяться на 20-25 лет раньше [1.10], поскольку в этой области не было никакой возможности адаптировать традиционные методы из-за высокой тепловой нагрузки на термозонд, влияния распыляемого зонда на параметры плазмы, а также малой оптической толщины плазмы (при этом спектр излучения существенно отличается от равновесного). Десятки лет проводится термометрия газовых и плазменных потоков с высоким временным разрешением (нано- и микросекундный диапазоны) методами лазерной интерферометрии, спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС), лазерно-индуцированной флуоресценции, поскольку традиционные методы не обеспечивают такого быстродействия, какое достигается с помощью импульсных лазеров [c.10]

При изменении температуры пластинки происходит изменение сразу нескольких параметров кристалла, от которых зависят коэффициенты Д и Т. Зависимость, вносяш,ую основной вклад в температурное изменение регистрируемого сигнала, назовем управляюш,ей функцией. Далее будет показано, что среди многих управляющих функций наиболее эффективны ехр(—а/г) и со8 2пкН). Первая из этих функций лежит в основе широко распространенного метода термометрии полупроводников по температурному сдвигу края межзонных оптических переходов [1.40]. При выполнении условия 0,2 аН 2 этот сдвиг обеспечивает высокую температурную чувствительность при регистрации отраженного или проходящего излучения. При аН <С 0,1 и аН > 3 чувствительность мала. На гармонической управляющей функции основан не менее распространенный метод лазерной интерференционной термометрии полупроводников и диэлектриков [1.43]. Здесь чувствительность также имеет максимум при определенной длине волны и падает как в длинноволновой, так и в коротковолновой областях спектра. Обе эти управляющие функции позволяют реализовать усиление изменений при малом относительном изменении температуры в и управляющего параметра а в) или п в) относительное изменение регистрируемой интенсивности света оказывается не малым. Двухступенчатое преобразование изменений температуры в регистрируемый сигнал (в данном случае сигналом является изменение интенсивности света после взаимодействия с пластинкой) характерно для активной оптической термометрии и, по-видимому, не характерно для традиционных методов (это проявляется в том, что отсутствует возможность усиливать или ослаблять коэффициент преобразования К = Д2/Д0 путем выбора условий считывания сигнала). [c.21]

Никакие дополнительные операции по созданию микрорельефа поверхности не требуются, для термометрии используется естественная шероховатость, свойственная любой, даже полированной, поверхности. Метод лазерной экстенсометрии можно применять для термометрии любых поверхностей в температурном диапазоне до 1500-ь2000 °С. Погрешность измерения температуры оценивается величиной 0,5 К. [c.95]

Метод спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) применялся для термометрии при абляции полимера (полиметилметакрилата, ПММА) под действием лазерного импульса (Л = = 1,064 мкм) длительностью 150 пс [4.43]. Для получения расеянного света использовались два импульсных (г 50 пс) лазера на красителях, перестраиваемые по длине волны генерации. Рассеянное излучение анализировалось с помощью спектрометра и детектировалось фотодиодной матрицей. [c.107]

Методы лазерной термометрии поверхности можно применять в широком диапазоне температур, практически совпадаюш,ем с диапазоном суш,ествования твердой фазы. Методы, основанные на отражении света, активно используются для термометрии поверхности металлов и полупроводников. По отражению света проводится микротермография элементов интегральных схем (транзисторов, металлических соединений) с пространственным разрешением порядка длины волны зондируюш,его света и временным разрешением порядка наносекунды. Метод отражательной термометрии ближнего поля позволяет улучшить пространственное разрешение примерно на порядок. Для получения надежных результатов необходимо перед проведением измерений температуры выполнить дополнительные исследования по построению калибровочных кривых, т. е. температурных зависимостей регистрируемого сигнала. [c.108]

Пучок взаимодействует с полупространством (ск/г 1, но о. -С 47гп/Л), регистрируется коэффициент отражения До = = п — 1) / п + 1) . При изменении температуры на 1 К и показателя преломления п = 4) на Ап = 2 10 коэффициент отражения изменяется на АД = 2 10 . Произошло ослабление изменений из-за того, что п(0) входит в числитель и знаменатель. Такая схема часто применяется для термометрии кристаллов 81 в области высоких температур на длине волны 0,633 мкм. Чувствительность схемы очень низка, однако, более чувствительных лазерных методов для области температур в > 1000 К, где кристалл непрозрачен, не суш,ествует. [c.173]

Если бы интенсивность света изменялась монотонно с температурой пластинки, то для достижения обычных параметров (1000 различимых градаций сигнала при изменении температуры на 0,2-Ь2 К, в зависимости от толш,ины) в диапазоне температур порядка 1000 К потребовался бы динамический диапазон 10 -Ь10 . Эти цифры характеризуют эффективный динамический диапазон регистрируемого сигнала в методе лазерной интерференционной термометрии такое изменение интенсивности света потребовалось бы для достижения чувствительности Ои диапазона измеряемых температур, если бы сигнал не имел формы периодических колебаний. [c.173]

В первых работах по термометрии методом КР изучали нагревание поверхности кремния импульсным лазером [7.4, 7.5]. Показано, что при возбуждении КР светом с энергией кванта Ну > необходимо учитывать разный объем рассеяния для стоксовой и антистоксовой компонент, поскольку глубина, с которой выходят эти компоненты, может существенно различаться. Кроме того, различны сечения рассеяния со сдвигом в стоксову и антистоксову области (для кремния при возбуждении на длине волны Л = 405 нм получено соотношение сечений сгд/сгай 0,7). Основной результат состоит в том, что увеличение температуры кристаллической решетки при лазерном отжиге может быть сравнительно невелико (Ав 300 °С), и при этом плавления поверхности не происходит. [c.182]

Ограничения методов ЛТ. Степень универсальности метода определяется количеством разнородных объектов, для которых возможна регистрация температурно-зависимого параметра и термометрия. Методы ЛТ являются узкоспециализированными, в отличие от универсального метода термометрии по тепловому излучению. Узрсая специализация методов ЛТ означает, что любой из них позволяет проводить измерения лишь для ограниченного набора материалов, а в некоторых случаях имеются еще дополнительные требования к геометрической форме образца и свойствам поверхности. Например, для применения метода лазерной интерференционной термометрии полупроводников и диэлектриков необходимо, чтобы образец имел форму плоскопараллельной пластины, которая прозрачна для зондирующего излучения и имеет достаточно гладкие поверхности (тогда пластина может выполнять роль интерферометра Фабри-Перо). Компенсировать узкую специализацию рсаждого из методов ЛТ удается их многочисленностью и разнообразием. [c.201]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...