способ бесконтактного измерения температуры

Формула изобретения

Способ бесконтактного измерения температуры оптически гладких поверхностей тел, включающий прием теплового излучения объекта, спектральную фильтрацию, его модуляцию, детектирование, усиление на частоте модуляции, выделение переменной составляющей, отличающийся тем, что излучение объекта регистрируют под углом к нормали к поверхности излучения, равным главному углу падения, причем модулируют путем последовательной коммутации на детектор ортогонально поляризованных компонент излучения объекта, а в детектируемом сигнале выделяют составляющую, пропорциональную разности ортогонально поляризованных компонент излучения, по которой определяют температуру объекта.

Описание изобретения к патенту

Способ относится к бесконтактным методам измерения температуры по тепловому излучению и может быть использован для определения температуры оптически гладких поверхностей различных нагретых объектов, в частности полупроводниковых пластин в вакуумных технологических установках.

Известен способ бесконтактного измерения температуры (Pepperhof W. Arch. Eisehuttenwes, 1959, B/30, N 3, p. 131-135), заключающийся в том, что излучение оптически гладкой поверхности регистрируется под углом 80^o от нормали к поверхности излучения. В излучении выделяется компонента, поляризованная в плоскости наблюдения. По интенсивности этой компоненты излучения определяется температура поверхности.

Данный метод применим для измерения только высоких температур (около 1500^oC), когда отраженное от образца излучение фона пренебрежимо мало (по сравнению с собственным излучением).

Также известен способ бесконтактного измерения температуры (Tingwaldt С. P., Magdeburg Н., TMCSI, 1962. V. 3. Part 1. P. 483-486) заключающийся в измерении отношения двух ортогонально поляризованных компонент излучения оптически гладкой поглощающей поверхности под углом 45^o к ней. При этом выполняется соотношение R₁₁() = R()², где R(), R₁₁() - коэффициенты отражения ортогонально поляризованных компонент теплового излучения. Что позволяет по известным формулам рассчитать температуру поверхности.

В данном способе, так же как и в предыдущем, используется видимый диапазон спектра, в котором измеряемые объекты (металлы) непрозрачны и дают достаточно яркое излучение, по сравнению с которым отраженное поверхностью излучение фона пренебрежимо мало. Кроме того, при углах измерения, отличных от 45^o, нарушается приведенное выше соотношение и, соответственно, становится невозможным расчет температуры поверхности.

В диапазоне температур поверхности образцов 0-650^oC, которые используются в технологических установках осаждения и эпитаксии, видимые диапазоны неприменимы из-за малой яркости излучения, а в среднем инфракрасном диапазоне излучение фона (стенок камеры), отраженное поверхностью образца, сопоставимо с собственным излучением образца и вносит существенную погрешность в измерения.

Известен способ пирометрического измерения температуры объекта, состоящий в приеме излучения объекта оптической системой пирометра, спектральной фильтрации этого излучения и модуляции, включающей последовательную коммутацию на детектор с заданной частотой двух потоков излучения - от объекта и эталонного источника, преобразовании в электрический сигнал, его усилении и выделении в этом сигнале переменной составляющей, пропорциональной разности коммутируемых сигналов. По величине этого сигнала и известным характеристикам эталонного излучения определяется условная температура объекта. Истинная температура объекта находится по известной калибровочной зависимости с учетом независимо измеренной температуры стенок камеры (А.Н.Гордов, О.М.Жагулло, А. Г.Иванова. Основы температурных измерений. - М., 1992, стр. 232-243).

Недостатком данного способа измерения температуры является необходимость применения эталонного источника теплового излучения, что существенно усложняет конструкцию пирометра, его размеры, вес и стоимость.

При измерении температуры подложек в вакуумных системах в поле зрения прибора попадают элементы конструкции, которые в технологическом процессе нагреваются и вносят неконтролируемую погрешность в измеренное значение температуры. Кроме того, излучение от нагретых элементов конструкции, часто имеющих температуру существенно выше температуры подложки, непосредственно не попадающее в поле зрения прибора за счет переотражения от внутренних поверхностей стенок оптического канала, попадающее на детектор излучения, вносит также неконтролируемую погрешность в измерение температуры.

По указанным выше причинам юстировку пирометра на измеряемый участок поверхности нельзя проводить "вслепую" по сигналу пирометра. Необходим визуальный канал, позволяющий непосредственно наблюдать измеряемый участок и совмещать с ним поле зрения пирометра. Это не всегда возможно, т.к. материал окна, прозрачный в рабочем спектральном диапазоне, может быть непрозрачным в видимом (например, германий прозрачен в ИК, но непрозрачен в видимом диапазоне).

Техническим результатом изобретения является бесконтактное измерение температуры оптически гладких поверхностей без использования эталонного излучателя, устранение влияния излучения нагретых элементов конструкции и упрощение юстировки пирометра.

Технический результат достигается тем, что в способе бесконтактного измерения температуры, включающем прием теплового излучения объекта, спектральную фильтрацию, его модуляцию, детектирование, усиление на частоте модуляции, выделение переменной составляющей, излучение объекта регистрируют под углом нормали к поверхности излучения, равным главному углу падения, причем модулируют путем последовательной коммутации на детектор ортогонально поляризованных компонент излучения объекта, а в детектируемом сигнале выделяют составляющую, пропорциональную разности ортогонально поляризованных компонент излучения, по которой определяют температуру объекта.

Угол, под которым регистрируют излучение образца, выбирается из условия получения максимальной разности ортогонально поляризованных компонент излучения. Для поглощающих сред он близок главному углу падения (см. Р.Аззам, Н. Башара. Эллипсометрия и поляризованный свет. - M., 1981 г., стр. 294, 323).

Схема устройства для бесконтактного измерения температуры оптически гладких тел представлена на чертеже.

Тепловое излучение от образца (1), нагретого нагревателем (2), из вакуумной камеры (3) выходит под углом, близким к главному углу падения, через окно (4), выполненное из материала, прозрачного в рабочем спектральном диапазоне. С помощью полосового фильтра (5, 6) выделяется рабочий спектральный диапазон, в котором материал образца непрозрачен. Затем происходит модуляция излучения образца поляризатором (7), вращающимся вокруг оптической оси с заданной частотой . Объектив (8) строит изображение пластины на диафрагме поля зрения (9), которая вырезает в изображении пластины центральную часть. Непосредственно за диафрагмой расположен детектор теплового излучения (10), сигнал с которого подается на блок регистрации (11), где выделяется и детектируется переменная составляющая сигнала на частоте 2, т.к. период модуляции вращающимся поляризатором равен 1/2 оборота.

Переменная составляющая потока излучения, падающего на детектор излучения, может быть рассчитана по формуле



где () - общее спектральное пропускание оптической системы;

(T,) - спектральная плотность излучения абсолютно черного тела;

T - температура образца;

T₀ - температура стенок камеры;

R(), R₁₁() - коэффициенты отражения ортогонально поляризованных компонент теплового излучения;

A - постоянный коэффициент, определяемый апертурным углом и полем зрения прибора;

₁, ₂ - границы рабочего спектрального диапазона.

При фиксированных величинах ₁, ₂ переменный сигнал с детектора определяется только температурой образца и стенок камеры. Следовательно, температура образца может быть определена по величине переменного сигнала без использования эталонного источника.

Излучение нагретых элементов конструкции является неполяризованным и поэтому не дает вклада в переменную составляющую потока излучения. Вследствие чего при смещении поля зрения пирометра с образца величина регистрируемого сигнала уменьшается. Наведение (юстировка) пирометра на измеряемую нагретую подложку осуществляется по максимуму сигнала с детектора как при визуальном контроле, так и без визуального контроля подложки.

Пример реализации 1.

Способ бесконтактного измерения температуры поверхности был реализован в сверхвысоковакуумной установке молекулярно-лучевой эпитаксии для измерения температуры поверхности пластин GaAs в интервале 100-250^oC. Рабочий спектральный диапазон 20-35 мкм, в котором образцы непрозрачны, выделялся с помощью полосового фильтра остаточных лучей путем 2-кратного отражения от пластин CaF₂ (5, 6). Окно наблюдения на камере МЛЭ выполнено из кристалла КРС-5 (4), прозрачного в указанном спектральном диапазоне. Угол визирования образца составлял 67^o от нормали к образцу. Модуляция излучения образца производилась пленочным поляризатором, вращающимся вокруг оптической оси с частотой 20 Гц (7). Объектив (8) строит изображение пластины на диафрагме (9), которая вырезает центральную часть пластины. Непосредственно за диафрагмой расположен детектор теплового излучения (пироприемник) (10), сигнал с которого подается на блок регистрации (11), где выделяется и детектируется переменная составляющая сигнала на частоте 40 Гц. Юстировка прибора (наведение оптической оси прибора на центр пластины) осуществляется по максимуму сигнала с детектора, благодаря тому, что окружающие образец элементы конструкции дают неполяризованное излучение, которое не вносит вклада в переменную составляющую сигнала.

Предварительная калибровка прибора осуществлялась путем снятия зависимости сигнала U (T,T₀) с регистратора от независимо измеренной температуры образца и стенок камеры. В рабочем режиме температура стенок камеры поддерживается постоянной Т₀ = 20^oC и малое отклонение T₀ от 20^oC учитывается при определении температуры в виде малой аддитивной поправки. По величине полученного сигнала и предварительно снятой калибровочной зависимости определяют температуру образца.

Использование предлагаемого способа бесконтактного измерения температуры оптически гладких тел позволяет в пирометре обойтись без опорного источника излучения и тем самым упростить конструкцию, уменьшить размеры и стоимость.

Предложенный способ измерения температуры позволил упростить юстировку и исключить влияние нагретых элементов конструкции вакуумной камеры.

Достоинством предложенного способа измерения температуры подложек является его слабая чувствительность к наличию на поверхности тонких пленок других материалов.

Например, на подложке GaAs (400 мкм толщиной) наличие буферной пленки ZnTe толщиной 1-2 мкм не вносит вклада в измерение температуры. Дополнительно выращенный слой CdTe толщиной 4-5 мкм также не повлиял на показания пирометра при заданной температуре подложки.

Еще одним достоинством данного способа бесконтактного измерения температуры является его слабая чувствительность к изменению угла наклона подложки относительно оси пирометра. Например, при измерении температуры пластины GaAs в районе 200^oC, изменение угла наклона пластины в пределах нескольких градусов приводило к изменению показания пирометра меньше 1^oC. Это связано с тем, что, с одной стороны, при таких наклонах изменение телесного угла, с которого собирается излучение (зависит от геометрических размеров измеряемой пластины, расстояния до пирометра, размера окна и т.п.), меняется в нашем случае меньше чем на 0,05^o, а с другой стороны - вблизи главного угла падения слабо изменяются коэффициенты отражения ортогонально поляризованных компонент теплового излучения R(), R₁₁().

Пример реализации 2.

Для измерения температуры подложек из германия необходимо выбирать другой спектральный диапазон, чем в предыдущем примере. Это связано с тем, что данный материал прозрачен в области длин волн 20-35 мкм, следовательно, нужно работать в области ближнего ИК-излучения, т.е. 1-2 мкм, где он непрозрачен. Схема и принцип реализации остаются такими же, как и в предыдущем примере. Изменяются только конструкция полосового фильтра. В качестве полосового фильтра применяется полосовой интерференционный фильтр вместо CaF₂, и окно наблюдения на камере МЛЭ выполняется из кварцевого стекла вместо кристалла КРС-5. Угол наблюдения тоже должен быть вблизи 76^o.

Пример реализации 3.

Для измерения температуры стеклянной пластины можно использовать полностью вариант реализации пирометра, описанный в примере 1, но для увеличения точности угол наблюдения должен быть вблизи 56^o (см. Р.Аззам, Н.Башара Эллипсометрия и поляризованный свет. - М., 1981 г., стр. 318).

В последних двух примерах сохраняются полностью достоинства предложенного способа измерения температуры, которые описаны в примере 1.