一种干涉测温的新方法

　　摘要：针对前后表面平行抛光的物质(如半导体芯片等),干涉测温是一种非常有效的非侵入性测量方法。本文中对常规干涉测温法进行改进,提出了一种新方法——弱相干法。该方法利用光源的弱相干性抑制背景反射光,选择所需信号光进行干涉测量,从而提高测量精度。文中描述了弱相干法的基本原理及相应的实验。

　　引　言

　　干涉测温法是本世纪二、三十年代提出的,它通过干涉法测量由温度变化引起的热膨胀和折射率变化来测定样品温度,可以非接触、无损地测量样品温度,测量响应速度快。但由于它要求被测样品前后表面抛光平行,因此应用范围极其狭窄。近年来,由于微电子工业的飞速发展,人们意识到半导体芯片温度严重影响着它薄膜层的生长[1],因此要求能够快速精确地测量工艺过程中的温度,而常用的热电偶、光学高温计存在许多不足,这样在干涉测温基础上采用激光作为光源的激光干涉测温技术得到发展,并在金属有机物化学气相外延、等离子体刻蚀、分子束外延、快速热处理等半导体工艺中得到广泛应用[2-4]。在分析干涉测温上,如果采用弱相干[5]光作为干涉光源(如发光二极管、激光二极管、超辐射二极管等),则引入了弱相干测温技术(LT)。由于光源的弱相干性,则可以方便的选取测量光束中的单一级次反射光作为信号光,从而使样品较小的温度变化产生较大的光程差。实验表明弱相干法有比激光干涉测温法更高的测量精度。

　　1　干涉测量原理

　　样品温度的变化会改变样品折射率、热膨胀,从而引起样品表面反射干涉光的光程差变化。前后表面平行的样品有如一个F-P腔,当探测光束入射到该平面平行平板时产生多波场干涉。样品温度变化引起的光程变化会导致反射光强发生周期性变化(如图1所示),对光学均匀的样品若采用给定波长的探测光,由这一光强变化则可以定量地测定温度变化[6]。以后的讨论中样品均指前后表面平行、对探测光透明的光学均匀样品(如半导体芯片等可充分满足这一假设)。若忽略样品吸收和散射造成的光能损失,波长为λ的探测光束正入射时光强反射率为[6]

　　2　弱相干测温原理

　　弱相干测温(LT)是以双光场干涉方式工作(图2),其核心是一迈克尔逊干涉仪,待测样品取代一个反射镜。根据弱相干层析原理,探测光与参考光产生的干涉信号为[5]

　　从(4)式可以得出,适当选择光源的谱线宽度,使其相干长度Lc<Δl0,测量信号中仅含有单一级次反射光,其余级次反射光产生的干涉信号可以忽略不计,从而达到抑制背景反射光的作用。而级次m的确定依赖于参考镜位置所确定的L0,较大的m可以获取较大的光程差,这极利于对低温升薄样品的测量,但m的选择同时受到系统最小可探测功率的限制。由文献[5]有当最大光程差远小于光源相干长度时,Γ(τ)～1,1～cos肌Ｍ时采用相移干涉技术可精确测量相位变化,一般情况下测相精度易达λ/100[7]。因此在LT中引入相移干涉技术可提高测温精度。

　　下面以硅片为测量样品,分析LT测温原理,选择探测光波长为1.3μm,研究表明,掺杂种类及浓度对吸收及折射率影响不大,因此以下分析中仅考虑温度变化引入的光程变化。据Ma-gunov[8],折射率、膨胀系数与温度间存在线性变化关系

　　因此,采用双光束干涉方法实时测量工艺过程中探测光强的变化,将测量值代入(4)可得到探测光相位变化,再由(10)式即可求得芯片的温度变化。

　　3　实验及其结果

　　图2为根据上述原理设计的实验系统[5]。光源为InGaAsP激光二极管,λ=1.3μm,阈值附近相干长度～200μm,尾纤输出功率～1mW。压电陶瓷PZT以17.3kHz微振动,产生正弦调制相移。高灵敏度、宽动态范围的PIN-FET组件记录干涉光强的变化,信号经过解调进入计算机。调节参考镜的位置,选择适当级次反射光进行测量,以获得最佳测试灵敏度。图中He-Ne激光起校准光学系统的作用。

　　选择厚度120μm硅片样品进行实验。图3、图4为测量结果示例。图3为室温时扫描参考镜测得芯片的各级反射光强度。前表面反射光约为-10dBm,对应表面反射率～10%,低于理论值(～30%),是因为前表面覆盖有SiO2薄膜,具有增透作用。图中横线为系统最小可探测功率(～71dB)。m≥8的反射级次由于低于系统最小可探测功率而不能测量。图4为芯片受热温度上升至稳态的过程。图中曲线a为测量的光强变化,曲线b为由(1)、(10)式求得的温升。当注入热量逐渐与损失散热量平衡时,芯片温度趋于稳定值,探测光光程变化极小,因此测量信号趋于稳定。采用振荡周期计数方法,LT测得的稳定温度～342.0±3.3K,与红外辐射测温仪(RAYTEKPM)的结果345K较为接近。同时我们采用激光干涉法测量该样品温度,其结果为～339±13K。由此可见,对样品较薄、温度变化较小的情况,LT方法优于激光干涉法。

　　4　结　论

　　本文在干涉测温的基础上提出了一种新型测温方法——弱相干测温。研究表明弱相干测温可以选择所需要的反射光进行测量,从而使它与传统干涉测温法相比相同的温度变化可产生更大的光强变化,且反射光强与相位变化具有简明的余弦关系,因此该方法不但可精确测量半导体芯片温度,而且适合于传统干涉测温难以完成的对低温升、薄样品的测量。最后,对硅片的测量结果较好地证实了分析的结果。

　　参考文献

　　1　Singh R K,et al.In-Situ Processing of Epitaxial Y-Ba-Cu-O High Tc Superconducting Films on (100) SrTiO3and(100) YS-ZrO2Substrate at 500～650℃Appl.Phys.Lett,1929,54(25):2271～2273

　　2　Saenger K L,Gupta J.Laser interferometric themometry for substrate temperature measurement.Appl.Opt,1991,30(10):1221～1226

　　3　Donnelly V M,McCaully J A.IR-laser interferometric thermometry:a noNInvasive technique for measuring semicon-ductor wafer temperatures.J Vac.Sci.Technol.A,1990,8(1):84～92

　　4　Lukin O V,Magunov A N.Temp.meas.of semiconductor wafer via laser thermometer with fiberoptic communicationline,SPIE,1994,Vol.2321:439～442

　　5　曾绍群,骆清铭,刘贤德等.光学相干层析系统相干传递函数研究.光学学报,1996,16(3):340～344

　　6　Saenger K L,et al.Wavelength modulated interferometric thermometry for improved substrate temp.meas Rev.Sci.Instrum,1992,63(8):3862～8

　　7　刘冲.相移干涉技术在表面粗糙度非接触测量中的理论和应用研究.华中理工大学博士学位论文,1993:13～33

　　8　Magunov A N.Temperature dependence of the refractive index of monocrystalline sillcon.Opt.Spectrosc,1992,73(2):352～355(in Russian)

　　* 国防科工委科技预研基金资助研究项目

　　本文作者：

　　鲁　强:男,1973年4月生,1993年毕业于华中理工大学工业电气自动化专业,1996年毕业于华中理工大学物理电子学与光电子学专业(理学硕士)。助教,从事光电信息技术教学与科研。

　　曾绍群:男,1969年4月生,1990年毕业于华中理工大学光电子技术专业,1992年毕业于该校物理电子学与光电子学专业(理学硕士),1996年毕业于华中理工大学物理电子学与光电子学专业(理学博士)。讲师,从事光电信息技术教学与科研。

　　徐海峰:男,1965年4月生,1987年毕业于华中理工大学光电技术专业,1990年毕业于华中理工大学电子物理与器件专业(理学硕士)。讲师,现为在职博士研究生。从事光电技术教学与科研。

　　刘贤德:男,1938年6月生,1962年毕业于华中工学院无线电专业。教授,物理电子学与光电子学专业博士学位指导教师,中国光学学会红外技术专委会委员、光电技术专委会委员,中国电子学会光电技术专委会委员。负责的“红外无损焊缝检测技术”获1992年国家教委科技进步奖三等奖。发表有多篇学术论文,著有《激光与红外手册》(北京:国防工业出版社,1992年)、《红外系统设计基础》(武汉:华中理工大学出版社,1986年)。在国内外发表有多篇学术论文。