Введение к работе
Актуальность работы. Качество и повторяемость характеристик катодов, используемых в процессах молекулярно-лучевой эпитаксии, в системах электронной накачки мощных источников электромагнитного излучения, и т.д., предъявляет жесткие требования как к структуре и составу используемых материалов, так и к соблюдению параметров технологических процессов при их изготовлении. При этом необходимо жестко контролировать большое число параметров технологического цикла, без чего невозможно обеспечить стабильность производства и повторяемость характеристик изготавливаемых материалов и изделий. Поэтому точное измерение температуры, являющейся одним из основных технологических параметров как в технологии изготовления катодов, так и в микроэлектронике в целом, является одной из ключевых проблем. Разнообразие геометрических форм и размеров изделий, физико-химических свойств используемых материалов, различающиеся на порядки скорости течения тех или иных фаз технологического цикла зачастую делает неприменимыми стандартные методы измерений, разработанные и обеспеченные приборными средствами в прошлом веке. В связи с этим развитие твердотельной электроники, а также микросистемной техники невозможно без параллельного совершенствования методов и средств измерений.
Среди традиционно используемых в массовом производстве методов не-разрушающего контроля оптические методы пользуются неоспоримым преимуществом в силу бесконтактного воздействия, локальности, быстродействия. Измерители температуры, реализующие оптоэлектронные методы, принято называть инфракрасными термометрами или пирометрами. Наиболее распространенными оптоэлектронными бесконтактными измерителями температуры в настоящий момент являются пирометры с одиночным приемником излучения. К их главным достоинствам относятся относительно невысокая стоимость и возможность измерять низкие температуры, вплоть до отрицательных. Подобные приборы подробно описаны в классических работах У. Гаррисона, П. Линеве-га, Д. Я. Света, А. А. Поскачея. Однако они характеризуются очень существенным недостатком: точность измерения таким прибором зависит от правильности установки корректирующего коэффициента, связанного с излучательной
способностью поверхности измеряемого объекта. А она чаще всего неизвестна или измерена с очень большой погрешностью, что зачастую приводит к недопустимо большой погрешности измерений.
Возможность перехода к более прогрессивным и экономически целесообразным методам контроля параметров технологических процессов, в том числе происходящих в высокотемпературной газоразрядной плазме при очистке и термообработке изделий, связана с изменением парка измерительных приборов, комплектованием его новейшими средствами измерительной микропроцессорной техники. Успехи в этой области обусловлены развитием полупроводниковых фотодиодов на основе гетероструктур, в основе которых лежат работы Нобелевского лауреата Ж. И. Алферова. Эти фотодиоды нашли широкое применение в пирометрах спектрального отношения. Они имеют обычно 2 приемника излучения с различной спектральной чувствительностью, и температура объекта определяется по отношению сигналов, вырабатываемых этими приемниками. В последние годы большое распространение получили оптоэлектронные приборы с двумя фото диодными приемниками излучения, расположенными один поверх другого, при этом верхний фотодиод прозрачен в диапазоне спектральной чувствительности нижнего. Такие структуры получили название двухспек-тральных фотодиодов (ДСФ). Использующие их приборы лишены главного недостатка приборов, основанных на одиночном приемнике - для измерения температуры объекта они не нуждаются в знании его излучательной способности.
Существуют препятствия на пути использования ДСФ: до сих пор не найдены аналитические зависимости є^ от X, пригодные для любых объектов при любых температурах, удовлетворяющие требуемой точности (особенно в спектральном диапазоне от 0,2 до 2 мкм); не получено аналитическое выражение погрешности использующего ДСФ метода измерения температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью ("несерых тел").
Недавние исследования показали, что у ряда материалов, используемых при изготовлении вакуумных сплавных катодов, работа выхода в сплаве ниже работы выхода каждого из материалов в отдельности. Измерение работы выхода, являющейся одним из ключевых параметров исходного материала для катода, неразрывно связано с измерением температуры образца, что в серийно вы-
пускаемых вакуумных изделиях требует применения бесконтактных методов измерения температуры. Однако большинство материалов, используемых при создании таких катодов (молибден, вольфрам и т.д.) являются типичными "несерыми телами", что переводит задачу измерения температуры таких композитных материалов ДСФ с учетом спектральной излучательной способности в разряд весьма актуальных. Решение этой задачи позволит выявить особенности протекания технологических процессов формирования композитных вакуумных катодных структур и повысит качество эксплуатационных характеристик формируемых изделий.
В настоящее время решением задачи снижения систематической погрешности, возникающей в пирометрах спектрального отношения с ДСФ при измерении температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью, практически никто не занимается. Все исследования сейчас сконцентрировались в области измерения температуры при помощи спектрометров, т.е. с использованием всего спектра, излучаемого нагретым объектом. В результате проблема повышения выхода годных изделий за счет снижения систематической погрешности измерений температуры "несерых тел" пирометрами на основе ДСФ до сих пор остается актуальной для электронной промышленности. Решение задачи видится в объединении знаний физики полупроводников и диэлектриков, методологии оптико-физических измерений, вычислительной техники и метрологии.
Целью настоящей работы явились разработка метода повышения точности измерений широкополосными двухспектральными фотодиодными пирометрами температуры материалов, используемых в ионно-лучевых технологиях, на основе исследования зависимости их спектральной излучательной способности Е\ ОТ ДЛИНЫ ВОЛНЫ X.
Основные задачи исследований
1. Установить закономерности влияния спектральной излучательной способности Е\ и спектральной чувствительности каждого из элементов ДСФ S\ на методическую погрешность измерения температуры "несерых тел" с использованием ДСФ.
Построить и исследовать физическую модель температуры спектрального отношения объекта измерения как функции спектральной чувствительности фотодиодных приемников излучения S\, спектральной излучательной способности є^ объекта измерения и температуры объекта Т.
Разработать метод снижения методической систематической погрешности измерений температуры материалов для ионно-лучевых технологий с использованием пирометров спектрального отношения, выполненных на основе широкополосных ДСФ.
Разработать и создать специализированное оптоэлектронное средства измерений для определения (в том числе в цеховых условиях) спектральной излучательной способности е\ нагретых объектов, реализующее метод.
Научная новизна
Установлены закономерности влияния спектральной излучательной способности Е\ и спектральной чувствительности каждого из элементов ДСФ S\ на методическую погрешность измерения температуры "несерых тел" с использованием ДСФ.
Разработан алгоритм решения задачи измерения температуры "несерого тела" пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.
Получены важные аналитические и численные оценки для найденного решения задачи измерения температуры "несерого тела" пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.
Разработан метод повышения точности измерений температуры "несерого тела" пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.
5. Произведен метрологический анализ метода, теоретически
предсказаны и экспериментально определены предельные воз-
можности метода по границам применимости и уровню минимизации систематической погрешности измерений.
Практическая значимость работы
Разработана методика измерения температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью пирометрами спектрального отношения на основе широкополосных ДСФ.
Установлена связь между остаточной погрешностью, неском-пенсированной при измерениях температуры разрабатываемым методом, и точностью измерения спектральных характеристик чувствительности элементов ДСФ.
Разработано, создано и исследовано специализированное опто-электронное средство измерений для определения спектральной излучательной способности материалов для ионно-лучевых технологий, температура которых лежит в пределах до 3000 С.
Применение метода измерений температуры ДСФ для композитных материалов расширяет инструментальную базу для решения задач физической электроники при создании катодов из молибдена, вольфрама и других тугоплавких материалов, которые являются типичными "несерыми телами".
Основные положения, выносимые на защиту
Алгоритм решения задачи измерения температуры "несерого тела" пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.
Полученные важные аналитические и численные оценки для найденного решения задачи измерения температуры "несерого тела" пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.
Обоснование предельных возможностей метода по границам применимости и уровню минимизации систематической погрешности измерений.
4. Разработанное, созданное и исследованное специализированное оптоэлектронное средство измерений для определения спектральной излучательной способности материалов для ионно-лучевых технологий, температура которых лежит в пределах до 3000 С.
Апробация работы
Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на:
Третьем Всероссийском научно-техническом семинаре "Метрологическое обеспечение в области неразрушающего контроля", 2002 г.;
Научной сессии МИФИ-2002;
15-й Всероссийской конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", 2005 г.;
4-й международной научно-практической конференции "Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении", 2008
г.;
18-й Всероссийской конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", 2009 г.
на семинарах во ФГУП ВНИИОФИ, НИТУ "МИСиС".
Основные научные и практические результаты диссертации изложены в более 15 печатных работах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
Общий объем составляет 214 страниц печатного текста, в т.ч. 63 рисунка, 55 страниц приложений, список литературы состоит из 133 наименований.
