一种干涉测温的新方法

　　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。同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。