Изобретение относится к измерительной технике, конкретно к способам определения температуры твердых веществ и может быть использовано для изучения процессов в полупроводниковых материалах, Известен способ определения температуры образцов, заключающийся в сравнении двух нагретых образцов, один из которых является контрольным. Недостатком способа является невозможность определения температуры внутри образцов. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения температуры образцов полупроводниковых материалов, заключающийся в облучении образца монохромическим излучением и регистрации временного изменения интенсивности прошедшего излучения по изменению интерференционной картины на выходе из образцов. В этом способе монохроматическое излучение направляют на испытуемый образец, находящийся при известной начальной температуре, нагревают образец и регистрируют временное изменение интенсивности прошедшего излучения, вызванное изменением оптическото пути луча в образце, по интерференционной картине на выходе. Недостатком этого способа является невысокая точность, так как с его помощью нельзя определить распределение температуры внутри образца при его однородном разогреве. Целью изобретения является повышение точности определения температуры образцов полупроводниковых материалов. Это достигается тем, что в способе определения температуры образцов полупроводн1 ковых материалов, заключающемся в облучении образца монохроматическим излучением и регистрации временного изменения интенсивности прошедшего излучения по изменений интерференционной картины на выходе из образца, образец облучают не менее чем с двух сторон и выделяют увеличенные изображения выходных граней образца с локализованными на этих гранях интерференционными полосами равной оптической толщины. При прохождении монохроматического излучения. например, от лазера через прозрачный образец на его выходной грани и за ней образуется интерференционная картина полос равной оптической толщины. При неравномерном разогреве образца в нем будет н равномерно. п соответствии с рзс|фвдогени ;м температуры, изменяться его оптическая толщина о направлению просве чивания. Это приводит к изменению первоначальной картины интерференционных полос, образованных на выходной грани образца. Это найдет свое выр.ажение в том, что через каждую точку изображения выходной грани пройдет определенное количество полос, т.е. чередующихся максимумов и минимумов излучени5. Это количество прошедшихполоссоответствуетинтегральному по линии просвечивания измене нию набега фаз, вызванному нагревом образца. По зарегистрированному изменению по время интенсивности излучения в точке изображения выходной грани образца можно определить разогрев образца. Температуру образца находят из соотношенияU)-r2 - 2ti -f-1 - 2 (1 - ti) cos 6 (r) где t (т) энергетическое пропускание прозрачной пластины; -J- пропускание каждой (п + 1) грани; (5 4jrn 1/Я - разность фаз между интерферирующими лучами; п - показатель п|эеломления; I - толщина пластины в направлении распространения излучения; т- время. Отсюда видно, что при временном изменении фазы (5 ( т ) , вызванном нагревом образца, его пропускание вдоль линии просвечивания будет меняться в соответствии с законом, выраженным формулой (1.). Следовательно, зная временное изменение пропускания t( т), можно определить происшедший набег фаз вдоль линии просвечиеания ci(r). С другой стороны это изменение фазы (5 (т) можно связать с температурой. Из определений температурных коэффициентов толщины и показателя преломления иуЗп J:лeдyeт д (г) до ехр ( / рп (Т) + /:(, (Т) d Т1, (2) Uo LJ где да 4 тг По 1о/Я -- разность между интерферируюц.(ими лучами в начяпьный момент времени; То начальная (),: Т( г) - температура в момент измерения г. В интервале температур 300-500 К Коэффициент ( слабо зависит от температуры и его можно представить либо средним значением д ° пятидесятиградусных интервалах температур с точностью 5%, либо линейной зависимостью д (Т + Ь) а во всем указанном интервале со значительно меньшей погрешностью. В этих случаях, поскольку Pd(J о) можно получить выражения для температуры Т То соответственно 1 а(г)-а, Т То + T(To+b)2-ff .(4) в последней формуле b /Зо/а где ;5о ;6Й (То) . Поскольку п и I в фазовом набеге равноправны, а рефракцией на температурных неоднородностях мы пренебрегаем, так как расстояние от неоднородностей до пло ости выходной грани образца мало ( 100 мкм), то можно приписать все температурное изменение фазы показателю преломления и считать |51(Т) а Апэф ПоуЗбДТ. Следовательно, T(x,y,z, г) То + о. 1 Дпзф(х. у ,Z.T) T(x,y,z, г) (Т,ч-Ь))-Ь..(6) а; По: Из этих формул видно, что можно динамически измерить распределение температуры в образце, зная его начальную температуру и пространственно-временное эффективное изменение показателя преломления Лп эф (х , у , Z , г), вызванное неоднородным нагревом. Начальную температуру измеряют, а Д п эф (х , у , z , г) определяют, просвечивая образец одновременно с нескольких направлений и измеряя на созданных изображениях выходных для излучения граней образца е нескольких точках изображения изменения фазового набега по временному изменению интенсивности, а также координаты просвечивающих лучей относительно образца, Зная изменения фазового набега по линиям просвечивания и зная координаты прямых (а в общем случае - и кривых), по которым этот набег образован, можно вычислить Дп эф (х , у , Z , г) , которое этот фазовый набег по данным прямым вызывало. Чем больше направлений просвечивания и точек измерения и чем более равномерно они распределены в пространстве относительно исследуемого образца, тем более полную и точную информацию о Д Пэф можно получить, В действительности число направлеНИИ будет ограничено усл-овиями образования интерференции в образце экспериментальными возможностями. Таким образом, в каждый момент времени г измеряют набежавшее по прямой просвечивания изменение фазы, имеющее вид интеграла по прямой 5l (Pi . г) / Д п эф (х , у . 2 , г) d I , (7) Li где di - набег фазы по Pi направлению; LI - траектория 1-го луча в просвеченном теле, кготорую мы, пренебрегая рефракцией на исследуемых неоднородностях, считаем прямой; Р| - параметр 1-ой прямой просвечивания,, Подынтегральнуюфункцию Д п эф (х , у , Z , т) определяют известными методами решения уравнений в линейном приближении, а по ней с использованием формулы 5 и формулы 6 - определяют распределение Т (х , у , z , г) , Поскольку полупроводниковые образцы малы по размерам и имеют значительный показатель преломления, то на расстояниях от образца порядка сантиметров или миллиметров дифракция на края образца подавляет полезную интерференционную картину. Таким образом, измерения необходимо проводить непосредственно на увеличенном изображении выходной грани образца. В качестве системы, создающей такое изображение, может быть применена чисто оптическая, например микроскоп, или комбинированная оптико-электронная, например телевизионная. В первом случае измерения проводят с помощью нескольких
фотодиодов, размещенных в плоскости изОбражения. во втором - фотодиоды размещены по зкрану телевизора. В первом случае оказывается возможным измерять распределение температур даже в импульсном режиме.
Пример. Производят исследования .температуры а полупроводниковых образцах GaP размером 2Х О, 5 X О, 03 см на длине волны 0,63 мкм при разогреве образца специально созданным токовым шнуром от комнатной температуры до 100°С, Изображения увеличивают с помощью телевизионной системы МТУ-1 в 50 раз и подают на зкран телевизора, с которого пятью пер мещаемыми фотодиодами через пятикратные усилитель и самописец записывают временные изменения интенсивности в точках выходных изображений образца. По записанному изменению определяют распределение температур в образцах через 0,2; 0,5; 1 и 10 с после лодачи напряжения на образцы. Созданное распределение температур с максимальным значением до QO-IOO C измеряют с точностью ± 1.7°С.
Таким образом, описанный способ позволяет измерить динамическое изменение пространственного распределения температуры внутри прозрачных для излучения материалов, чего до сих пор не обеспечивал ни один из способов.
Более того, поскольку предлагаемый способ является оптическим, а следовательно,-неразрущающим, неконтактным, то он не влияет на температурный баланс прибора, подвергаемого измерения, а на процесс измерения не оказывают влияния различные электрические и магнитные поля.
(56) Гордов А.Н. Основы пирометрии. М.; Металлургия, 1964, с. 285.
nateHT Франции N 1596927, кл. G 01 J 5/60, 1968. прототип.
Формула изобретения СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБРАЗЦОВ ПОЛУПРОВОДНИКО-1 ВЫХ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в облучении образца монохроматическим излучением и регистрации временного изменения интенсивности прошедшего излучения по изменению интерференцион ;
ной картины на выходе из образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения температуры, 30 образец облучают не менее чем с двух сторон и выделяют увеличенные изображения выходных граней образца с локализованными на зтих гранях интерференционными (полосами равной оптической толщины.
