Mocvd外延片表面温度测量的紫外测温方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于非接触紫外温度测量技术领域，具体涉及一种应用在金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)工艺生长中外延片表面真实温度的测量方法及装置。
【背景技术】
[0002]在半导体薄膜的生长过程中，表面温度是决定薄膜质量好坏的一个重要参数，它影响着薄膜表面的厚度、翘曲度以及表面量子阱生长的好坏。目前，工业上批量生产半导体薄膜大多采用MOCVD (金属有机气相沉积)，因此，在MOCVD中对薄膜表面温度的精确检测与控制具有重要的意义。
[0003]目前，MOCVD中薄膜表面温度的测量大多采用红外测温仪，但随着半导体产业的发展，红外测温仪已不能满足部分新型材料的表面温度测量，尤其是对红外透明的材料，如蓝宝石、氮化镓、碳化硅等材料。而在半导体照明行业，大多采用图形化蓝宝石衬底外延氮化镓、铟镓氮等材料，因此，红外测温已不能满足目前应用的需求。
[0004]由于蓝宝石、氮化镓、碳化硅等材料对紫外不透明，因此可以采用紫外对其温度进行测量。但是由于紫外波段热辐射大大弱于红外波段，给紫外热辐射测量带来了很大的困难；其次紫外区单个波长的热辐射强度随温度变化非常快，如物体在600°C和1190°C下405nm处的热辐射强度相差7个数量级之多，随着波长变短，这个差距还会增大。而在红外区如I μπι处的热辐射强度只相差3个数量级；2μπι处在1190°C下热辐射强度约为600°C下的40倍，只差一个数量级。
[0005]为了拓宽测量范围，实现红外测量仪的大量程，通常有两种方法:一种是采用中红外波长，这个波段的热辐射强度在各温度下的变化相对均衡，在不同温度下辐射强度差异基本在2个数量级以内，选择合适的光电探测器以及模数转换电路，可实现对温度量程内各个温区的测量；另一种是同时采用不同波长测温，如温度过低时，采用波长较长的测温模块，随着温度升高，较长波长能量超过测试量程后采用较小波长模块进行温度测量；通过多个测温模块来拓宽测试量程。第一种实现大量程的方法简单，但是应用于紫外测温时，由于紫外热辐射强度随温度变化过大，单一放大倍数无法满足大量程的温度测量；第二种实现大量程的方法可增大测量量程，但是应用于紫外测温时，同样的温度范围内紫外测温需要的模块更多，结构复杂，成本高。
【发明内容】
[0006]本发明针对【背景技术】存在的缺陷，提出了一种应用于MOCVD外延片表面温度测量的紫外测温方法及装置，可实现MOCVD工艺中外延片表面真实温度的高速、精确测量。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]一种应用于MOCVD外延片表面温度测量的紫外测温方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0009]步骤1:测量被测物体在选定波长下的热辐射信号强度，若当前子量程对应的光电探测器输出信号饱和，则进入步骤2 ;若当前子量程对应的光电探测器没有输出响应，则进入步骤3 ;否则，进入步骤4 ;
[0010]步骤2:若当前子量程为测温量程的上限，则输出“温度过高，超出测温量程”指示并返回到步骤I;否则，降低一档光电探测器增益，切换到相邻更高的子量程并进入步骤I;
[0011]步骤3:若当前子量程为测温量程的下限，则输出“温度过低，超出测温量程”指示并返回到步骤I;否则，提升一档光电探测器增益，切换到相邻更低的子量程并进入步骤I;
[0012]步骤4:根据步骤I中的当前子量程，选择与光电探测器增益档位匹配的光源强度，进行反射率测量；电磁波入射到不同介质的交界面上时，会发生反射、透射和吸收，且α+Ρ+Τ = 1，其中α为吸收率，P为反射率，T为透射率，根据基尔霍夫定律，在相同温度下吸收率α =发射率ε，而对于不透明表面有T = 0，则发射率ε = 1_Ρ，因此可通过测量反射率P计算得到发射率ε ;
[0013]步骤5:根据步骤4得到的发射率ε对步骤I得到的热辐射信号强度进行发射率校正，得到被测物体表面的准确温度。
[0014]步骤I中采用单波长测温方法测量温度，是因为在采用MOCVD生长薄膜的过程中，探头处的石英观察窗内表面可能会生长薄膜，薄膜对不同波长的透过率不同，会导致双波长测温结果不准确。
[0015]本发明还提供了上述应用于MOCVD外延片表面温度测量的紫外测温方法的测温装置，包括光源模块、测量模块、信号传输与控制模块和上位机；所述光源模块用于提供反射率测量所需的光源，并对光源信号进行调制，这样光电探测器测得光源发出的反射信号为交流信号，热辐射信号为直流信号，通过对信号进行处理可提取出光源反射信号与热辐射信号；所述测量模块包括测量光路和光电探测器，用于被测物体表面的热辐射信号强度的测量以及被测物体表面反射率的测量；信号传输与控制模块用于控制光源模块中光源的开关与光强、测量模块中光电探测器的增益和信号采集；上位机用于与信号传输与控制模块进行通信，实现子量程、光电探测器增益、光强等参数的设置，数据处理和界面显示。
[0016]本发明是根据测量到的被测物体的热辐射信号强弱来自动选择测温光电探测器响应以及测量反射率所用光源的强度，从而实现不同温度下高精度测量。本发明光电探测器的增益以及测量反射率所用的光源强度是可调的，测试时，首先将测温量程划分为两个或多个子量程，每个子量程所对应的光电探测器增益档位以及测量反射率所用光源强度不同，档位越高，光电探测器增益越高，光源强度越低；然后再通过信号传输与控制模块及上位机，即可在光电探测器不饱和的条件下实现各子量程温度的精确测量。根据选定的波长选择合适的光电探测器以及相同波长的光源，根据普朗克黑体辐射定律、确定的测温量程以及装置的信号传输特性划分子量程，每个子量程所对应的光电探测器增益确定且不同子量程的增益不同，子量程的切换根据光电探测器输出信号强度由信号传输与控制模块和上位机判断并自动切换档位。
[0017]本发明的有益效果为:
[0018]1、本发明提供的紫外测温方法可自动调节光电探测器增益及反射率测量的光源强度，实现对红外透明材料表面温度的精确测量，且能够满足MOCVD工艺中的测温范围400?1400°C ;同时，反射率的测量与热辐射强度的测量共用光路与光电探测器，简化了结构，提高了测温装置安装数量的灵活性。
[0019]2、本发明采用测量紫外波段热辐射并进行发射率修正来测量物体表面温度，得到的温度准确；采用单波长测温技术，可自动调节自身光电响应增益以及光源强度，实现大量程、高精度的温度测量，且单波长测温只需采用一个光电探测器，结构简单，可在MOCVD上同时安装多个测温仪，实现多点的精确测量。
【附图说明】
[0020]图1为本发明提供的测温方法的流程图；
[0021]图2为本发明提供的测温装置的原理图；
[0022]图3为本发明提供的测温装置的结构示意图。
[0023]其中，I为光源模块、II为测量模块；
[0024]I为MOCVD石墨盘转轴，2为墨盘，3为外延片，4为MOCVD上盖，5为观察窗，6为透镜模块，7为分光模块，8为滤光模块，9为光电探测器，10为信号传输与控制模块，11为上位机，12为光源，13为准直透镜模块，14为MOCVD腔体，15为聚焦透镜，16为光阑，17为第一准直透镜，18为二相色分光束镜，19为红外吸收玻璃，20为低通滤光片，21为窄带滤光片，22为第二准直透镜。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明做进一步地介绍。