专利名称：金属有机物化学气相沉积设备中实时测量薄膜温度的方法及测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学检测设备，特别涉及一种金属有机物化学气相沉积设备中实时测量薄膜温度的方法及测量装置。
背景技术：
随着LED技术的迅速发展，金属氧化物化学汽相淀积设备(MOCVD)生产设备越来越重要。该设备的发展不仅决定了 LED的质量和性能，而且在很大程度上决定了 LED制造的产量和成本。MOCVD生长工艺的相关参数的实时精确测量是任何改进MOCVD工艺及LED 芯片努力的前提。因此，发展更高精度在位监测技术是MOCVD系统制造商的一个关键目标。外延薄膜的温度是影响MOCVD外延薄膜质量最重要的因素。在MOCVD外延生长过程中，需要对外延薄膜的温度进行高精度的实时监控。传统的温度的测量主要依靠钼、 铑等贵重金属制造的热电偶，对于MOCVD系统，热电偶由于设备空间布置受限的关系，无法直接测量外延片上的薄膜生长温度，所以必须依赖非接触式高温测量方法。目前的光学测温方法是通过直接测量一定波段的辐射光来计算外延片表面的温度，但是要得到准确的温度值，需要测试外延片表面的发射率。另外测试的辐射能量与测试设备安装位置与辐射光窗口的结构有关，要求每次测试的环境是能重复再现的，实现上由于各种安装误差，操作误差，完全再现是不可能的，实际结果是用这种方法测试的温度重复性不好。为了消除外延薄膜表面发射率对温度测量的影响，人们在MOCVD设备中添加红外发光管，通过标定物体表面发射率，来实现较高精度的实时在线测量薄膜温度。随着外延技术的发展，人们对温度测量准确性、实时性及效率的要求越来越高。现在商用的MOCVD温度测试仪均采用单波长实现外延薄膜的温度测量，这种测量方法对测量仪器的安装精度要求非常高，光学测温仪与被测物体距离变化会明显影响测量精度，从而限制了同一温度测温仪在不同MOCVD设备和不同MOCVD外延生长工艺情况下的使用。而且目前的温度测试仪都无法消除光学探测器立体接收角的变化、反应气体气流、石墨盘旋转等对温度测量精度的影响。因此发展更高精度的非接触式温度监测技术非常重要。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的问题，通过监测两种不同波长的物体黑体辐射光，简化掉普通单波长光学测温技术中需要标定薄膜表面发射率的步骤，并克服了目前光学测温技术无法消除接收探测器立体接收角的变化和探测器与被测物距离变化所带来的误差等缺点。用本发明所提出的非接触测温方法可以实现高准确性的在线温度测量。本发明的金属有机物化学气相沉积设备中实时测量薄膜温度的方法的技术方案为在金属有机物化学气相沉积生长过程中，外延薄膜上的发出的光谱依次通过喷淋孔、测试窗口、分光机构，由在线监测的光学探测器接收物体辐射能量，光学探测器首先测量通过分光机构记录的一个黑体辐射频谱中辐射波长X1下的辐射功率P1,然后再测量通过分光机构记录另外一个黑体辐射频谱中辐射波长λ 2下的辐射功率P2,也即是 _5] Ρχ=Κ ι, )^ε{λ)^- λ(3)&(4)由数据采集系统计算= I"的值来测量对应的温度Τ，其计算公式为
r^+^/2C1I'5C1A'5 =Fi _ ^n ec^(XT)-1 .. k-^'2-1(9)上列公式中f (Ω，d)外延片的表面对应到光学探测器的立体角Ω与距离d的函数，与辐射光通过的路径几何结构相关。ε (λ)为外延片表面发射率，R(T)是两个波段上的辐射功率之比，式中λρ Δ入工和λ2、Δ λ 2分别为两个测量波长和带宽，C1为黑体辐射第一辐射常量3. 742 X IO-16Wgn2, C2是黑体辐射第二辐射常量1. 4388 X 10_2mgK，e是数学常数，即自然对数的底数。公式中忽略了辐射光路上光学器件透过率以及光学探测器响应的影响。从公式中可以看到，通过两个波长的辐射光相除，影响测量辐射能量大小的几何结构因素被巧妙地去掉了，另外，假设两个波长接近的情况下，外延片的热辐射的表面发射率相等，g卩ε (X1) ε ( λ 2)，这样两个波长辐射能量相除也去掉了测量表面发射率的麻烦。本发明还提供了根据本发明的在金属有机物化学气相沉积设备中实时测量薄膜温度方法的测量装置，由分光机构、光学探测器12、数据采集系统11组成，反应腔体20内设有旋转的石墨盘，石墨盘的上方设有喷淋板16，喷淋孔17，其特征在于反应腔体20的上部设有测试窗口 15，测试窗口 15外侧设有分光机构，分光机构为窄带滤波片13、14，安装在测试窗口 15的外侧，窄带滤波片13、14经滤波片旋转主轴21在测试窗口 15外侧旋转切换， 数据采集系统11的下方设有光学探测器12，光学探测器12与显示系统25电路连接，外延薄膜的实时温度经显示系统25显示。外延薄膜18发射出光谱，首先通过喷淋孔17，再经过腔体20上的测试窗口 15后由窄带滤波片13进入光学探测器12中，数据采集系统11检测并记录外延薄膜18在X1下的辐射功率P1，然后通过转换窄带滤波片13和窄带滤波片 14，将窄带滤波片14切换至光学探测器12下方，外延薄膜18发射的光，首先通过喷淋孔 17，再经过腔体20上的测试窗口 15后由窄带滤波片14进入光学探测器12中，数据采集系统11检测并记录外延薄膜18在λ 2下的辐射功率P2,最后在数据分析及显示系统25中进行数据处理分析获得表面温度。数据采集系统11、光学探测器12、滤波片13、14以及旋转主轴21作为一个温度测量装置简称23设在运动导轨M上，测量测量装置23在喷淋孔 17上方自由移动，通过移动到不同喷淋孔上方可进行薄膜圆片特定轨迹上的表面温度的测量。也可通过阵列分布多个薄膜温度测量装置，同时进行薄膜温度监测，获得薄膜圆片在阵列轨迹上的温度分布。本发明的优点是简化掉现有在线测量采用单波长光学测温技术中首先测量薄膜表面发射率的步骤，消除了接收探测器立体接收角的变化和探测器与被测物距离变化所带来的误差。针对金属氧化物化学汽相淀积(MOCVD)设备的具体运用环境，进一步消除了石墨盘旋转和MOCVD反应气体流动气流的影响。极大的提高了 MOCVD在线温度测量仪器的使用范围和测量精度，可以实现高精度的薄膜生长温度测量。
图1为双波长光学测温方法装置示意图。图2为可滑动式双波长光学测温系统图。图3为多探头式双波长光学测温系统图。 图4为本发明实施例四的系统图。图中11数据采集系统、12光学探测器、13窄带滤波片、14窄带滤波片、15测试窗口、16喷淋板、17喷淋孔、18外延薄膜、19石墨盘、20反应腔体、21载玻片旋转主轴、22石墨盘旋转主轴、23温度测量装置、24运动导轨、25数据分析及显示系统、26光学探测器阵列固定器件、27多探头数据采集系统、28多探头阵列系统、29阵列探测器固定器件。
具体实施例方式下面结合实施例及附图进一步详细描述本发明。实施例一非接触式光学测温方法的基本原理是普朗克分布定律，该定律揭示了黑体辐射能量在不同黑体温度下波长的分布规律，其数学表达式如下
权利要求
1.一种金属有机物化学气相沉积设备中实时测量薄膜温度的方法，其特征在于在金属有机物化学气相沉积生长过程中，外延薄膜上发出的辐射光依次通过喷淋孔、 测试窗口、分光机构，由在线监测的光学探测器接收其辐射能量，光学探测器首先测量通过分光机构分出的一个热辐射频谱中辐射波长X1下的辐射功率P1，然后再测量通过分光机构记录另外一个黑体辐射频谱中辐射波长λ 2下的辐射功率p2，也即是巧=/灿(4)由数据采集系统计算A(T)=■!的值来测量对应的温度Τ，在辐射波长入工与λ2接近的情况下，以近似认为ε (A1) ^ ε (A2)jR(T)与外延薄膜表面发射率ε (λ)无关，其计算公式为 上列公式中 ·(Ω，d)为外延片的表面对应到光学探测器的立体角Ω与距离d的函数，与辐射光通过的路径几何结构相关，ε (λ)为外延片表面发射率，R(T)是两个波段上的辐射功率之比，式中λρ Δ入工和λ2、Δ λ 2分别为两个测量波长和带宽，C1为黑体辐射第一辐射常量3. 742X IO-16Wgn2, C2是黑体辐射第二辐射常量1. 4388X 10_2mgK，e是自然对数的底数。
2.根据权利要求1所述的金属有机物化学气相沉积设备中实时测量薄膜温度的方法， 其特征在于所述分光机构为窄带滤波片或分光光栅。
3.根据权利要求1所述的金属有机物化学气相沉积设备中实时测量薄膜温度的方法， 其特征在于黑体辐射频谱中不同的辐射波长具体波长值入工和λ 2根据不同通带的窄带滤波片记录选�。蛘咄ü止夤庹せ袢∪牍ず挺�2。
4.根据权利要求1或2所述的金属有机物化学气相沉积设备中实时测量薄膜温度的方法，其特征在于外延薄膜发射出的热辐射光谱，首先通过喷淋孔，再经过腔体上的测试窗口后由分光机构的分光光栅进入光学探测器中，此时分光光栅分出的波长被设置为X1，通过数据采集系统检测并记录外延薄膜在X1波长下的辐射功率P1，然后通过分光光栅分出另外一个波长设置为λ 2，数据采集系统检测并记录外延薄膜在λ 2下的辐射功率P2,最后在数据分析及显示系统中进行数据处理分析获得表面温度。
5.如权利要求1所述的在金属有机物化学气相沉积设备中实时测量薄膜温度方法的测量装置，设有分光机构、光学探测器、数据采集系统，反应腔体内设有旋转的石墨盘，石墨盘的上方设有喷淋板和喷淋孔，其特征在于反应腔体的上部设有测试窗口，测试窗口外侧设有分光机构，分光机构为窄带滤波片，安装在测试窗口的外侧，窄带滤波片经滤波片旋转主轴在测试窗口外侧旋转切换，数据采集系统的下方设有光学探测器，光学探测器与显示系统电路连接，外延薄膜的实时温度经显示系统显示，外延薄膜发射出光谱经喷淋孔、腔体上的测试窗口、窄带滤波片进入光学探测器，经数据采集系统检测并记录外延薄膜在波长 A1下的辐射功率P1,经滤波片旋转主轴转换窄带滤波片，外延薄膜发射出光谱经通过同样的路径，在数据采集系统检测并记录外延薄膜在波长λ 2下的辐射功率Ρ2，最后在数据分析及显示系统中进行数据处理分析获得表面温度。
6.根据权利要求5所述的实时薄膜温度的测量装置，其特征在于由数据采集系统、光学探测器、窄带滤波片、旋转主轴组成温度测量装置，该温度测量装置安装在运动导轨上， 温度测量装置经运动导轨在喷淋孔上方移动，以获得薄膜圆片径向温度分布，或根据石墨盘的圆周运动，以实时测量出整个石墨盘上的薄膜温度。
7.根据权利要求5所述的实时薄膜温度的测量装置，其特征在于运动导轨的运动轨迹能改变，或者阵列多个光学探测器来获得数据采集系统所需要的温度测量点上的温度。
8.根据权利要求5所述实时薄膜温度的测量装置，其特征在于在金属有机物化学气相沉积设备中设有多个薄膜温度测量装置同时进行薄膜温度监测，获得薄膜圆片径向温度分布。
全文摘要
金属有机物化学气相沉积设备中实时测量薄膜温度的方法及测量装置，在气相沉积工艺过程中，监测外延片的热辐射通过喷淋孔的辐射光，通过对辐射光进行滤波分离来检测两个或两个以上不同波长的薄膜辐射光能量，本发明的测量装置包括分光机构、光学探测器和数据采集系统，本发明简化掉现有在线测量采用单波长光学测温技术中首先测量薄膜表面发射率的步骤，消除了接收探测器立体接收角的变化和探测器与被测物距离变化所带来的误差，极大地提高了MOCVD在线温度测量仪器的使用范围和测量精度，通过本发明方法进行处理获得更准确的薄膜温度。
文档编号G01J5/52GK102455222SQ20101051517
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月21日 优先权日2010年10月21日
发明者甘志银 申请人:甘志银
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
