激光微細加工中微小曝光區溫度測量系統的改進

(3)取α=1/20μm，W=24μm，得W=1.2。據式(3)做出的N(R)～R關系曲線如圖3所示。

由圖3可看出，曝光區內的溫度分布是不均勻的，具有較大的溫度梯度。在進行激光微細加工實驗時，需要測出溫度場的分布。另外，實驗需用最高溫度區域的溫度來表示加工溫度。因此，需調節套筒位置，使得測量區域為最高溫度區域。可以通過移動測溫套筒，逐點記錄溫度值及對應的套筒坐標的方法來測量溫度場的分布和尋找最高溫度區域。但由于調節臺的坐標值和檢流計的電流示值要用人工方法記錄成表格，測量一個點的時間較長。同時必須要測量盡量多的點才能真實反應溫度場的分布。這樣，即使進行一維的測量，也要花費很長時間。重要的是，要這樣一段長的時間里，由入射激光功率本身的變化，整個溫度場的溫度都會做相應的變化，這事實上使得用這種方法測量溫度場變得無法實現。而最高溫度點需要在整個曝光區尋找，應在得到溫度場分后才能準確獲得。因此，必須另尋方法來測量溫度場的分布。

圖4　計算機溫度測量系統實驗裝置3.系統的改進

針對系統在實際使用時遇到的困難，我們對原系統進行了改進。改進后測溫系統的裝置如圖4所示。系統去掉了檢流計，采用高精度電流放大器將探測器產生的光電流信號轉換為電壓信號，再經A/D轉換器轉為數字信號輸入計算機進行計算、記錄及顯示。通過實驗定標，可將數字量直接和溫度對應。這樣，不但解決了測量范圍與測量精度之間的矛盾，還使得實驗時讀數方便、準確。溫度分辨率主要決定于所選A/D轉換器的位數，并不影響測量范圍。實驗裝置中，采用集成運放OP37組成電流放大器，A/D轉換器選用AD1674A。在溫度為600℃時，溫度分辨率達到0.2℃。

計算機控制精密電動平臺帶動測溫套筒移動并同時記錄由探測器輸出的溫度信號，對基片上的熱斑作二維掃描得到熱斑的溫度分布，從而利用軟件測出焦斑中心溫度、熱斑邊界等參數。同時，利用計算機軟件計算出熱斑最高溫度區的位置，并使測溫套筒移動，對準該位置。精密電動平臺的步距為1.25μm，掃描速度達20mm/s，滿足我們對溫度分布測量的要求。

在測量之前，同樣需對系統進行定標。在得到定標數據后，利用計算機的快速計算，在對實驗中的基片進行溫度測量時，將從A/D轉換器讀出的數據字量用插值計算的方法直接轉換為溫度值顯示在我們設計的虛擬儀器面板上。這很大程度上方便了激光微細加工實驗中對溫度的調節。

另外，我們利用計算機軟件及系統對溫度信號的快速記錄功能，實現了對基片溫度隨時間變化過程的測量、記錄。

4.改進后的系統在實驗中的應用

我們用上述系統測量了用功率為10W的連續波10.6μm聚焦激光束照射預熱溫度為580K的InP時產生熱斑的溫度分布，電動平臺移動的速度設置為0.5mm/s，結果示于圖5。從圖中可以看出，熱斑隨半徑有較大的溫度梯度。熱斑中心溫度隨時間變化過程如圖6所示。

圖5　熱斑的溫度分布

圖6　熱斑中心溫度隨激光束照射時間的變化5.結束語

現有用于半導體的激光微細加工中微小曝光區的溫度測量系統在實際使用過程中出現了一些需要解決的問題。首先是溫度分辨率和溫度測量范圍不能同時滿足使用要求，其次是不能進行溫度分布的準確測量和最高溫度點的準確定位。本文提出了一種在原有系統基礎上經過改進的計算機溫度測量系統，該系統通過軟、硬件的結合，較好的解決了原有系統的這些問題。新的計算機溫度測量系統在半導體的多種激光微細加工實驗中將發揮重要作用。

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