Отдел проводит работы по бесконтактному измерению температуры полупроводниковых и диэлектрических пластин (например, подложек в микротехнологии) с помощью лазерного зондирования. Сам исследуемый объект (кристалл, стекло) является термочувствительным датчиком, показания которого считываются лазерным пучком малой мощности. К настоящему времени разработано более 10 методов лазерной термометрии. Наиболее чувствительным и наиболее простым из них является метод лазерной интерференционной термометрии (ЛИТ).
Метод ЛИТ основан на том, что прозрачная или полупрозрачная плоскопараллельная пластинка является для зондирующего светового пучка эталоном Фабри-Перо, оптическая толщина (nh) которого изменяется с температурой (здесь n – показатель преломления, h – геометрическая толщина). Основной вклад в это изменение вносит температурная зависимость показателя преломления. При изменении температуры пластины наблюдаются периодические осцилляции интенсивности отраженного и проходящего света, т.е. сдвиг полос интерференции. Обработка интерферограммы позволяет найти зависимость температуры пластины от времени после начала нагрева или охлаждения.
В методе ЛИТ температурная чувствительность регистрируемого сигнала в 10¸100 раз выше, чем при использовании термопар. Метод является помехозащищенным, т.к. лазерное излучение имеет несколько характерных признаков (длина волны, направление распространения, поляризация, модуляция интенсивности и т.д.), позволяющих достоверно различать его на фоне самых интенсивных оптических помех. Источниками зондирующего излучения являются обычно He-Ne (длины волн 0.633, 1.15, 1.52 и 3.39 мкм) или полупроводниковые лазеры ближнего ИК диапазона спектра.
Для проведения измерений используется установка, схема и фото которой показаны ниже.
Для регистрации интерферограммы включается нагрев образца. Показания термопары и фотоприемника обрабатываются с помощью электронных модулей, обеспечивающих усиление и оцифровку (с частотой до 100 Гц) сигнала, и регистрируются компьютером.
Метод многократно применялся для измерения температуры ряда монокристаллов (Si, GaAs, InP, ниобад лития), стекол и полимеров (плавленый кварц, оптическое стекло К-8, полиметилметакрилат).
Проведение температурных измерений в области широкозонных полупроводников и диэлектриков затруднено тем, что в литературе отсутствуют данные о температурных зависимостях оптических параметров для большинства материалов (ZnO, GaP, SiC, AlN, алмаз), применяемых в настоящее время в качестве подложек при изготовлении интегральных схем электроники, оптоэлектроники, механики. Нами проводятся экспериментальные исследования по определению температурных зависимостей показателя преломления новых материалов.
На рисунках, приведенных ниже показаны некоторые результаты проведенных нами измерений.
Рис. 3. ZnO – интерферограммы при нагревании и остывании
Рис 4. ZnO – температурная зависимость показателя преломления
Рис. 5. Алмаз – интерферограммы при нагревании и остывании
Рис. 6. Температурная зависимость показателя преломления алмаза
Нами подготовлены и размещены текстовые и графические материалы по лазерной термометрии твердых тел, а также предложения по сотрудничеству, на Всероссийском информационном портале “Температура” (www.temperatures.ru).
Для многих объектов характерна пространственная и временная неоднородность температуры. Объектами с пространственно-неоднородной температурой являются стационарные пламена, плазма дуговых, оптических и микроволновых разрядов, нагретые лазерным лучом поверхности, области тепловой неустойчивости при микроволновом нагреве, активные области полупроводниковых лазеров, поверхности работающих высокотемпературных интегральных схем (без корпуса, в тестовом режиме).
В отделе разрабатывается новый метод оптической пирометрии нагретых объектов – спектральная пирометрия. Преимущество метода перед традиционными (яркостная и цветовая пирометрия) в том, что при регистрации широкого спектра излучения нет необходимости измерять или вычислять коэффициент черноты исследуемого объекта. Спектральная пирометрия позволяет измерять температуру объектов, для которых традиционные методы неприменимы.
Для реализации метода создан спектральный пирометр состоящий из малогабаритного ПЗС-спектрометра HR-2000 (фирма Ocean Optics, США) и ноутбука Тошиба (рис.1).
Рис.1. Спектральный пирометр с волоконно-оптическим входом (спектрометр слева от ноутбука). На мониторе спектр ртутной лампы.
Спектрометр позволяет проводить накопление спектра в течение любого времени в интервале от 1 мс до 1 с. Возможна регистрация одиночных спектров, как в режиме ручного запуска, так и при использовании внешнего синхроимпульса. В режиме клипа можно получать 1000 спектров в течение 1 с, этот режим важен при изучении кинетики нагревания или остывания.
Разработана программа “Спектральная пирометрия”, которая сводится к исключению ряда ручных операций (перенос полученного массива чисел в программу для обработки и построения графика, замена массива коэффициентов чувствительности при смене спектрометра). Расширены возможности проведения вычислительных операций. Программа считывает регистрируемый спектр, обрабатывает его и строит в необходимых координатах. Время выполнения алгоритма составляет примерно 10 мс.
Использование данного пирометра позволило впервые провести измерения температуры газовых и твердофазных пламен, эрозионной плазмы, твердых тел в плазме. На рисунках 2 – 5 приведены экспериментальные спектры излучения СВЧ разряда на поверхности порошковой смеси Mo – CuO и спектр излучения прозрачного пропанового пламени и результаты обработки этих спектров: температура объекта определяется по наклону прямой.
Рис.2. Спектр излучения СВЧ разряда на поверхности порошковой смеси Mo – CuO
Рис.3. Спектр СВЧ разряда, построенный в виновских координатах после удаления спектральных линий. По наклону определяется температура Т » 2790 К.
Рис. 4. Спектр излучения прозрачного пропанового пламени до (1) и после (2) коррекции чувствительности ПЗС-линейки.
Рис. 5. Участок спектра пламени в виновских координатах в интервале длин волн 460-750 нм. Температура Т = 1915 ± 4 К.
Нами обобщены результаты исследований по спектральной пирометрии, проведенных в разных областях науки за последние десятилетия, опубликован первый обзор по состоянию и проблемам нового направления. Материалы по спектральной пирометрии (2 статьи и обзор) помещены нами в 2009 г. на Всероссийском информационном портале “Температура” (www.temperatures.ru), ориентированном на аудиторию, включающую разработчиков методов и средств термометрии, пользователей и метрологов.