DE4008816C2

DE4008816C2 -

Info

Publication number: DE4008816C2
Application number: DE4008816A
Authority: DE
Inventors: Carl Murray Saratoga Springs N.Y. Us Penney; Tushar Shashikant Pittsburgh Pa. Us Chande
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-03-27
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1991-12-19
Also published as: JPH02267270A; GB9005861D0; GB2232792A; IT1239491B; DE4008816A1; FR2644797A1; GB2232792B; IT9019833A1; IT9019833A0; US4959244A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer laserunterstützten chemischen Dampfabscheidung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Vorrichtung ist in der US-PS 47 11 790 beschrieben. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird die Temperatur des Werkstückes anhand der von dort emittierten IR-Strahlung in ein entsprechendes Signal umgewandelt, wobei nicht ersichtlich ist, daß dabei gerade die kürzere Wellenlänge zur blauen Kante des thermischen Emissionsspektrums benutzt wird.

Sowohl bei dem impulsartigen als auch kontinuierlichen laserunterstützten chemischen Dampfabscheiden (LCVD), bei Anwendungen, bei denen die Abscheidung durch ein Lasererhitzen der Oberfläche unterstützt wird, kann das Ausmaß des Erhitzens wegen Änderungen bei der Absorption und des Emissionsvermögens der Oberfläche nicht berechnet werden, da sie durch die Abscheidung modifiziert wird. Gleichermaßen kann wegen der unbekannten Variation beim Emissionsvermögen mit der Wellenlänge die übliche IR- Thermographie keine genauen Temperaturmessungen liefern. Viele andere Methoden zur Temperaturbestimmung, wie unter Verwendung von Thermoelementen, werden durch die starken Variationen in den räumlichen und/oder zeitlichen Eigenschaften des Laserstrahlens ungenau. Temperaturmessungen sind nichtsdestotrotz erwünscht, weil sie die empfindlichsten Steuerparameter für viele interessierende CVD-Prozesse liefern.

Übliche LCVD-Systeme haben ein Fenster in der Reaktionskammer mit abgeschlossener Umgebung, durch das der Laserstrahl zu einem Werkstück innerhalb der Kammer übertragen wird (vergleiche u.a. die obige US-PS). Die Lieferung des Laserstrahles über eine Leitleitfaser hat viele Vorteile. Der gasförmige Reaktant kann mittels einer Gasdüse auf dem Ausgangskoppler der Lichtleitfaser in der Nähe des Werkstückes eingeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Temperatur genauer gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das kurzweilige Ende der Planck′schen Emission zum kurzwelligen hin zur Bestimmung der Oberflächentemperatur eines Werkstückes während der laserunterstützten, thermisch angetriebenen CVD benutzt. Es ist bekannt, daß diese Komponente der Spektralverteilung thermischer Emission sehr viel stärker mit der Temperatur variiert als die längerwellige Emission weiter zum Langwelligen hin. Folglich führen unbekannte Variationen im Emissionsvermögen einen kleineren Fehler in die erhaltene Temperatur ein. Das empfangene Detektorsignal wird jedoch rasch schwächer, wenn die ausgewählte Wellenlänge zu kürzeren Wellenlängen hin bewegt wird, so daß weniger empfindliche übliche Festkörper-Photodetektoren nicht benutzt werden können. Ein Element der Erfindung ist der Einsatz eines Photonen zählenden Detektors, um den Vorteil der verminderten Empfindlichkeit gegenüber dem Emissionsvermögen bei Temperaturmessungen zu erhalten, die auf der Beobachtung der thermischen Emission bei den kürzest möglichen Wellenlängen beruhen.

Bei der Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Dampfabscheiden erfolgt ein Zuführen von Laserstrahlung zu einem Teil der Oberfläche eines Werkstückes, um die Abscheidung gasförmiger chemischer Reaktanten auf dem Werkstück durch Lasererhitzen der Oberfläche zu verursachen, ein Abtasten der Oberflächentemperatur des Werkstückes, die sich aus dieser Strahlung ergibt und ein Nutzen der abgetasteten Temperatur zur Steuerung der Strahlung und des Abscheidungsprozesses.

Im einzelnen umfaßt das Temperatur-Meßsystem der Vorrichtung nach der Erfindung eine Einrichtung zum Fokussieren thermischer Strahlung, die während eines chemischen Dampfabscheidungsprozesses emittiert wird und das Gesichtsfeld begrenzt; eine Spektrometereinrichtung zum Abtrennen des Lichtes kürzerer Wellenlänge von anderen Komponenten des thermischen Emissionspektrum und ein Photonen zählendes System, das die thermische Emission kürzerer Wellenlänge nachweist und ein Signal erzeugt, das repräsentativ für die Oberflächentemperatur ist. Der Photonen zählende Detektor weist üblicherweise mehrfache Kanäle auf und ist zusammengesetzt aus einem Bildverstärker und einer linearen oder zweidimensionalen (2-D)-Photodetektorreihe. Die lineare Reihe wird bei Punktmessungen benutzt und die zweidimensionale Reihe zur Durchführung mehrerer Punktmessungen längs einer Linie. Eine andere Ausführungsform mit einem einzelnen Kanal weist einen Photoelektronen-Vervielfacher (Photovervielfacher bzw. Photomultiplier) auf, um mittels einer Photonen zählenden Technik Licht kürzerer Wellenlänge nachzuweisen, das durch ein Interferenzfilter gegangen ist.

Die bevorzugten Ausführungsformen des Temperatur meßsystems der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen aus einer Einrichtung zum Fokussieren thermischer Emission und zum Begrenzen eines Quellenortes für die thermische Emission oder zum Begrenzen des Gesichtsfeldes; einer Einrichtung zum Kollimieren und Dispergieren der thermischen Emission in Wellenlängenkomponenten und Farben, z. B. durch Benutzung eines optischen Prismas oder Gitters; ein Photonen nachweisendes Mehrkanalsystem, das aus einem Bildverstärker und einer Festkörper-Photodetektorreihe zusammengesetzt ist, um in jedem Kanal ein Signal zu erzeugen, das von der Intensität der aufgenommenen Komponente der Spektralverteilung abhängt und einer Einrichtung zur Auswahl des oder der Kanäle, die die Emission kürzester Wellenlänge empfangen und das entsprechende Detektorsignal abgeben, das eine Anzeige für die Oberflächentemperatur des Werkstückes ist. Der Photodetektor ist eine lineare Reihe oder eine zweidimensionale Reihe in Instrumenten, um die Temperatur eines Fleckes oder einer Linie auf der Oberfläche des Werkstückes zu bestimmen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 die Variation des Faktors G, der die Genauigkeit der Temperaturmessung mit dem Produkt aus Wellenlänge und Temperatur bestimmt;

Fig. 2 ein Diagramm eines die Temperatur eines Fleckes messenden Systems, das eine verstärkte lineare Photodetektorreihe benutzt;

Fig. 3 schematisch ein Photonenzählsystem aus einem Bildverstärker und einer linearen Photodetektorreihe, wobei die obere Hälfte des ersteren einen Mikrokanal-Plattenverstärker aufweist und die untere Hälfte einen einfachen elektrostatischen Verstärker zeigt;

Fig. 4 ein System zur Temperaturmessung einer Linie unter Verwendung einer verstärkten 2-D-Detektorreihe;

Fig. 5 ein anderes System zum Messen der Temperatur eines Punktes mit einem Interferenzfilter, das thermische Strahlung kurzer Wellenlänge zu einem Photovervielfacher durchläßt und

Fig. 6 eine Vorrichtung zur chemischen Dampfabscheidung unter Verwendung eines Lasers sowie einer verbesserten Temperatursteuerung unter Verwendung thermischer Emission kurzer Wellenlänge.

Fig. 1 veranschaulicht den Punkt, daß ein kleiner Fehler hinsichtlich der Temperatur auftritt, wenn es unbekannte Variationen beim Emissionsvermögen während der Beobachtung der thermischen Emission im Bereich kurzer Wellenlängen zur Temperaturbestimmung gibt. Fig. 1 ist der Fig. 4 der technischen Veröffentlichung von D. P. DeWitt "Optical Engineering" 25, 596-601, entnommen. In der Figur ist ein hier mit G bezeichneter Faktor aufgetragen, der das Verhältnis der partiellen Veränderung der spektralen Ausstrahlung aufgrund einer Parzellenänderung der Temperatur als eine Funktion der Wellenlänge (für eine gegebene Temperatur) wiedergibt. Die Bedeutung dieses Verhältnisses kann folgendermaßen abgeleitet werden: Die grundlegende Beziehung zwischen der Signalstärke S in einem speziellen Wellenlängenkanal von einer Oberfläche bei einer Temperatur T beträgt:

S_g = K_λe_λL_λ _,b(T) (1)

oder nach Weglassen der tiefgestellten Buchstaben

S = KeL(T) (1′)

wobei L(T) die spektrale Ausstrahlung des schwarzen Körpers für die Wellenlänge λ und die Temperatur T, e das Emissionsvermögen und K eine Funktion der die Leistungsfähigkeit des optischen Systems beschreibenden Wellenlänge ist, die von Kalibrierungsmessungen bekannt ist. Die thermische Strahlung wird üblicherweise in die Farbkomponenten getrennt, woraufhin es mehrere Wellenlängenkanäle gibt.

Eine typische Temperaturmessung ergibt ein Signal S_λ für jeden Wellenlängenkanal, doch können die Signale aus Kanälen zur kurzwelligen Kante der nachgewiesenen Spektralverteilung hin wegen eines dem System eigenen oder Hintergrundrauschens zur genauen Bestimmung zu schmal sein. Man lasse S für das Signal vom ersten Kanal stehen, der sich vom kurzwelligen zum langwelligen Anteil längs der thermischen Emissionsverteilung bewegt, die aufgrund dieser Emission ein Signal ergibt, das merklich oberhalb des Rauschniveaus liegt. Ein Wert für die Temperatur kann aus diesem Signal errechnet werden, wenn das Emissionsvermögen bekannt ist, da e und L die einzigen nicht gemessenen Größen in der Gleichung sind und L aus der Theorie als Funktion von λ und T bekannt ist. Im Falle dieses Beispiels wird davon ausgegangen, daß ein genauer Wert für das Emissionsvermögen nicht verfügbar ist. Es ist daher erwünscht, die Temperaturbestimmung so unempfindlich als möglich vom Emissionsvermögen zu machen. Die Bestimmung erfolgt durch Schätzen eines Wertes für das Emissionsvermögen e_g, der in die Gleichung (1′) eingesetzt wird:

S = Ke_gL(T) (2)

Diese Gleichung wird gelöst, um den etwaigen Wert für die geschätzte Temperatur T_g zu erhalten. Um den partiellen Fehler in diesem Ergebnis (T-T_g/T) zu erhalten, der sich aus einem Fehler De im Wert von e ergibt:

De = e-e_g (3)

kann der Ausdruck für S der Gleichung (1′) in Gleichung (2) eingesetzt werden:

eL(T) = e_gL(T_g) (4)

und es kann eine Taylor-Expansion erster Ordnung benutzt werden:

L(T) = L(t_g) + WDT (5)

in der w = |dL/dT |_T und DT = T-T_g ist.

Dann erhält man aus den Gleichungen (3), (4) und (5):

(T-T_g)/T_g = (De/e) (l/G) (6)

wobei kleine Glieder höherer Ordnung weggelassen wurden, wie dies bei der linearen Analysis üblich ist.

Der partielle Fehler bei der Temperatur ist somit gleich dem partiellen Fehler beim Emissionsvermögen dividiert durch G, das oben definiert ist. Es folgt daher, daß ein großer Wert von G erwünscht ist, weil dies zum kleinsten Temperaturmeßfehler führt. Aus Fig. 1 ergibt sich, daß der Wert von G stetig zunimmt, wenn man Messungen mehr zum kurzwelligen Teil des Spektrums hin vornimmt (Verminderung der Werte von λT im Bereich von 500 bis 1000 µm · K). Das Signal wird jedoch bei der Bewegung der Probenwellenlänge zum kurzwelligen hin rasch schwächer. Frühere Temperaturmeßinstrumente, die auf der Beobachtung der thermischen Emission beruhten, benutzten üblicherweise Festkörperdetektoren, die um einen Faktor Tausend weniger empfindlich waren als die hier vorgeschlagenen Photonen zählenden Detektoren. Der Gebrauch von weniger empfindlichen Detektoren verhindert die volle Realisierung des Vorteils der verminderten Empfindlichkeit für das Emissionsvermögen bei Temperaturmessungen. Ein Element ist demgemäß der Gebrauch von Photonen zählenden Multikanaldetektoren, um eine zusätzliche Genauigkeit und Überprüfung für die Temperaturmessung zu erhalten. Ein anderes Element ist der Gebrauch zweidimensionaler, Photonen zählender Detektorreihen, um diesen Vorteil bei mehreren Temperaturmessungen entlang einer Linie zu haben. Konfigurationen, um dies auszuführen, sind für eine Punktmessung in den Fig. 2 und 5 und für Mehrfach-Punktmessungen längs einer Linie in Fig. 4 gezeigt. Die Photonen zählenden linearen und 2-D-Reihendetektoren, die für diese Messungen erforderlich sind, sind nun im Handel erhältlich.

Ein Beispiel des durch den Gebrauch von Photonen zählenden Instrumenten zu gewinnenden Vorteils ist erhältlich durch Betrachtung eines Problemes, das typisch ist für eine vorgeschlagene Anwendung: Temperaturmessungen sind auf einer Oberfläche unbekannten Emissionsvermögens mit einer Zeitauflösung von einer ms und einer räumlichen Auflösung von 20×20 µm erforderlich. Die ungefähre Temperatur der Oberfläche beträgt 1000°C. Benutzt man die Ausführungsform der Fig. 2, dann ist die Anzahl N der nachgewiesenen Photonen in einem Multikanal-Analysator-Kanal gegeben durch:

wobei η die Quantenwirksamkeit des Detektors (Zähleranzeigen pro auf den Detektorkanal auftreffendem Photon), τ die Expositionszeit, h das Planck'sche Wirkungsquantum, c die Lichtgeschwindigkeit, D der effektive Durchmesser des Kollimators des Spektrometers, F die Brennweite des fokussierenden Kollimators, A die reziproke Zerlegung des Prismas (oder das Grating in einem Gitterspektrometer), x die Abmessungen des einzelnen Detektors in Richtung der Zerlegung, y die entsprechende senkrechte Abmessung, T die optische Wirksamkeit ist und die anderen Größen die obengenannten Bedeutungen haben. Vernünftige technische Annahmen für einen Spektralkanal nahe 600 nm sind:

x = y = 20 µm = 2×10⁻³ cm
η = 0,1
hc/λ = 3×10⁻¹⁹ Joule
e = 0,2
D = 2,5 cm
F = 10 cm
A = 5 × 10³ nm/Radian
T = 0,2

Obwohl das Signalniveau von der räumlichen Auflösung abhängt, erscheint diese Abhängigkeit nicht explizit in der Gleichung, weil diese räumliche Auflösung letztendlich durch die Pixelgröße des Detektors und die Vergrößerung der Eingangsoptik bestimmt wird. Mit den obigen Zahlen erhält man eine 0,2-mm-Auflösung in einem Arbeitsabstand von etwa 1 m. Gleichermaßen hängt das Signalniveau umgekehrt von der spektralen Auflösung jedes Kanales ab, doch ist diese Quantität nicht explizit gezeigt. Die spektrale Auflösung R ist durch die folgende Gleichung gegeben:

R = A x/F (8)

und für diesen Fall beträgt sie 1 nm. Benutzt man die obigen Zahlen und das spektrale Emissionsvermögen für einen 1000°C heißen schwarzen Körper, dann findet man, daß bei λ=600 nm N=10 ist. Nimmt man an, daß diese Zähleranzeigen nachgewiesene Photonen sind, die der Poisson-Statistik folgen, dann beträgt die Standardabweichung dieser Messung

Es wäre vernünftig, einen vergleichbaren oder größeren Fehler aufgrund der Ungenauigkeit im Emissionsvermögen zu erwarten. Es wird jedoch festgestellt, daß bei 1000°C und einer Wellenlänge von 0,6 µm λT=0,76 ist, und nach Fig. 1 ist der Faktor G etwa 20. Eine mit Photonen zählender Empfindlichkeit an der kurzwelligen Kante der Planck'schen Kurve ausgeführte Messung ist daher durch eine Temperaturmessung charakterisiert, die nur 1/20 der Größe der gesamten Unsicherheit oder 1,5% in diesem Falle hat. Im Gegensatz dazu wäre eine Messung, die mit einer nicht verstärkten Festkörper-Detektorreihe, die ein Tausendstel der Empfindlichkeit des Photonen zählenden Gerätes hat, auf Wellenlängen von mehr als 1,6 µm für diese Meßbedingungen beschränkt. Gemäß Fig. 1 wäre dabei G=7 und der Temperaturfehler dreimal größer.

Photonen zählende Filtertypinstrumente mit einem einzigen oder wenigen Kanälen, wie sie in Fig. 5 gezeigt sind, können sehr viel empfindlicher gemacht werden als ein Spektrometerinstrument und ergeben einen vergleichbaren Vorteil über ihre weniger empfindlichen Gegenstücke, die derzeit in weitem Maße für Temperaturmessungen benutzt werden.

Die Mehrfachkanäle bei einem Detektor mit mehreren Kanälen können dazu benutzt werden, die Genauigkeit der Temperaturmessung weiter zu erhöhen. So kann z. B. das Emissionsvermögen nicht größer als 1 sein, so daß ein Fehlerband an der kurzwelligen Kante, das Temperaturwerte einschließt, für die das Emissionsvermögen größer als 1 bei einer längeren Wellenlänge sein müßte, um für das beobachtete Signal zuständig zu sein, verengt werden könnte, um solche Temperaturen zu beseitigen. Ein anderer Vorteil der Mehrfachkanäle, die hinsichtlich der Zahl größer als die zwei oder drei Kanäle in einigen derzeit benutzten Instrumenten sind, besteht darin, Temperaturmessungen über einen weiten Bereich zu gestatten. Dieser Vorteil wird realisiert, weil die genaueste Temperaturanzeige von den ersten wenigen Kanälen zur kurzwelligen Seite hin erhalten wird, um ein Signal zu sehen, und diese Kanalgruppe verschiebt sich rasch mit der Temperatur. Wird z. B. die Oberflächentemperatur auf 900°C vermindert, dann sind die ersten Kanäle, um ein brauchbares Signal zu liefern, nahe 670 nm statt bei 600 nm. Bei der angenommenen Auflösung von 1 nm/Kanal beträgt diese Verschiebung nahezu 70 Kanäle. Sogar ein anderer Vorteil des Einsatzes des Multikanaldetektors wird durch seine Fähigkeit geliefert, zu bestätigen, daß das beobachtete Spektrum charakteristisch für die thermische Emission ist. Diese Fähigkeit gestattet es, Fehler zu vermeiden, die durch Verwendung von Daten eingeführt würden, die z. B. Absorptions- oder Emissionslinien enthalten.

Das Temperaturmeßsystem der Fig. 2 bestimmt die Temperatur eines Fleckes 10 auf einer beobachteten Oberfläche 11 unter Verwendung eines verstärkten linearen Reihenphotodetektors. Die Oberfläche kann die auf einem Werkstück in einer abgedichteten Umgebungsreaktionskammer sein, in der ein CVD-Prozeß oder ein laserunterstützter CVD-Prozeß ausgeführt wird. Das Emissionsvermögen der heißen Oberfläche ist nicht bekannt, und es ändert sich durch die Abscheidung. Die thermische Strahlung, die vom Werkstück emittiert wird, insbesondere vom Fleck 10 auf der Oberfläche 11, wird gesammelt und durch eine Kameralinse 12 fokussiert. Um den Quellenort für die thermische Emission zu definieren oder das Gesichtsfeld des Systems zu begrenzen, wird ein Löchelchen 13 in einer Platte 14 am Brennpunkt der Linse angeordnet. Fokussierte thermische Emission, die durch das Loch 13 hindurchgeht, wird durch eine kollimierende Linse 15 gesammelt, und der austretende Lichtstrahl fällt auf ein optisches Prisma 16, das das Licht in die Wellenlängenbestandteile und Farben zerteilt und bricht. Da der Brechungsindex des optischen Materials mit der Wellenlänge variiert, werden die im Licht vorhandenen verschiedenen Wellenlängen um unterschiedliche Winkel abgelenkt. Die thermische Emission zum kurzwelligen hin wird nur um einen geringen Betrag abgelenkt, verglichen mit der thermischen Strahlung zur langwelligen Kante der Spektralverteilung der thermischen Emission hin.

Die Wellenlängenkomponenten, die aus dem Prisma 16 austreten, gelangen durch eine fokussierende Linse 17 und werden auf die verschiedenen Kanäle eines Photonen zählenden Multikanalsystems fokussiert, in diesem Falle einen verstärkten Linearreihendetektor 18, der aus einem Bildverstärker 19 und einer Festkörper-Photodetektorreihe 20 zusammengesetzt ist. Fokussiertes Licht zur kurzwelligen Kante des Spektrums hin wird von einer bekannten Gruppe von Kanälen des linearen Reihendetektors 18 empfangen, und Licht weiter zum langwelligen hin wird von einer anderen Gruppe von Kanälen empfangen, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Die Photodetektorreihe 20 wird zu gegebenen Intervallen abgetastet, und die ausgelesene Spannungswellenform 21 wird zu einer Elektronikeinheit 22 zur Analyse geschickt. Jeder Kanal des verstärkten linearen Reihendetektors 18 erzeugt ein Detektorsignal, dessen Größe von der Intensität der empfangenen Komponente der Spektralverteilung der thermischen Emission abhängt. Die Elektronikeinheit wählt den oder die Kanäle, die Licht kürzerer Wellenlänge empfangen, und gibt das entsprechende Detektorsignal ab, das die Oberflächentemperatur des Werkstückes anzeigt. Andere Funktionen des Elektronikuntersystems sind beschrieben worden.

Der verstärkte lineare Reihendetektor 18 und der Bildverstärker 19 sind in Fig. 3 detaillierter dargestellt. Ein Bildverstärker ist auch als Lichtverstärker bekannt, und er ist ein Gerät, das bei Betätigung durch ein Lichtbild ein ähnliches Bild größerer Helligkeit erzeugt, und er ist in der Lage, bei sehr geringen Lichtniveaus ohne Einführen unechter Helligkeitsvariationen in das reproduzierte Bild zu arbeiten. Es sind zwei Arten von Bildverstärkern dargestellt, doch gibt es noch andere Arten davon, die bei der Verwirklichung der Erfindung benutzt werden können. Die untere Hälfte zeigt einen einfachen, elektrostatisch fokussierten Bildverstärker. Licht trifft auf eine halbtransparente Photokathode 23, die Elektronen 24 mit einer Dichteverteilung proportional der Verteilung der auftreffenden Lichtintensität emittiert. Ein positiv geladener Leuchtstoffschirm 25 an der anderen Seite des Verstärkers wandelt die Elektronenenergie in sichtbares Licht um. Die obere Hälfte veranschaulicht einen Mikrokanal-Platten-Bildverstärker, der aus einem parallelen Bündel schmaler, hohler Glaszylinder 26 besteht, bei denen die Innenwandungen der Zylinder mit einem sekundären emittierenden Material überzogen sind. Elektronen, die von der Photokathode 23 emittiert werden, treffen auf die Innenwandungen der Zylinder 26 und verursachen eine Sekundärelektronenerzeugung. Die Sekundärelektronen setzten sich kaskadenförmig auf den Innenwandungen der Zylinder nach unten zum Leichtstoffschirm 25 hin fort, was zu einer hohen Gesamtstromverstärkung führt. Die integrierte Schaltungsdetektorreihe 20 besteht aus einer großen Anzahl paralleler Linien einzelner photoempfindlicher Bereiche und der erforderlichen Schaltung, um die Zellen individuell auszulesen. Es können entweder ladungsgekoppelte (CCD), Ladungsinjektions-(CID)- oder bipolare Photodiodengeräte benutzt werden. Es werden etwa 1000 Photonen benötigt, um ein meßbares Signal zu erhalten. Ein Bildverstärker, der eine brauchbare Verstärkung von 1000 ergibt, gestattet daher den Nachweis einzelner Photonen.

Fig. 4 zeigt ein Temperaturmeßsystem zur Ausführung von Temperaturmessungen an Linien unter Verwendung einer verstärkten 2-D-Detektorreihe. Die Oberflächentemperatur der Vielzahl von Punkten längs einer Linie 27 auf der beobachteten Oberfläche 11 wird bestimmt. Die thermische Emission von der Vielzahl von Punkten auf der heißen Oberfläche wird durch eine Kameralinse 28 auf einen Schlitz 29 in einer Platte 30 fokussiert, der das Gesichtsfeld des Systems begrenzt. Die fokussierte thermische Emission, die den Schlitz passiert, gelangt zu einer kollimierenden Linse 31. Der Parallelstrahl des Lichtes wird in die Wellenlängenkomponenten und Farben durch ein optisches Prisma 32 zerlegt, und die verschiedenen Farben werden durch eine Linse 33 auf einen verstärkten 2-D-Reihendetektor 34 fokussiert, der aus einem Bildverstärker 35 und einer Festkörper-2-D-Photodetektorreihe 36 zusammengesetzt ist.

Das optische System ist der Art, daß die von den Punkten längs der Linie 27 in der Richtung x emittierte thermische Strahlung an separaten Kanälen längs der Dimension x des verstärkten 2-D-Reihendetektors 34 nachgewiesen wird. Die Wellenlängenkomponenten λ der thermischen Emission sind entlang den Kanälen in der orthogonalen Richtung ausgebreitet, wie in der Figur gezeigt. Das elektronische System 37 analysiert die ausgelesenen Detektorsignale Vertikalkanal für Vertikalkanal und wählt den Kanal aus, der Licht kürzerer Wellenlängen empfängt, und gibt dieses Detektorsignal ab, das die Oberflächentemperatur des Werkstückes an einem gegebenen Punkt längs der Linie 27 anzeigt. Dies erfolgt für jeden Punkt längs der Linie.

In den Ausführungsformen der Fig. 2 und 4 wird ein Prismenspektrometer benutzt, um den Lichtstrahl in seine Komponentenfarben aufzubrechen und festzustellen, welche Wellenlängen im Lichtstrahl vorhanden sind. Statt eines Prismas kann ein Diffraktionsgitter als Spektrometer benutzt werden, um den Lichtstrahl zu dispergieren. Ist der Gitterabstand bekannt, dann kann von einer Messung des Ablenkungswinkels irgendeiner Wellenlänge der Wert dieser Wellenlänge errechnet werden. Das Punktstrich-Temperaturmeßsystem der Fig. 5 hat einen Einkanalspektrometer in Form eines Interferenzfilters, und ein Photonen zählendes Einzelkanalsystem ist aus einem Photovervielfältigerrohr zusammengesetzt. Die thermische Emission vom Fleck 10 auf der beobachteten Oberfläche 11 wird durch eine Kameralinse 38 fokussiert und gelangt durch ein Loch 39 in einer Stop-Platte 40, die zur Begrenzung des Gesichtsfeldes des Temperaturmeßsystems dient. Parallele Strahlen von einer kollimierenden Linse 38′ fallen auf einen Interferenzfilter 41, der Licht einer bestimmten kürzeren Wellenlänge durchläßt. Ein Photovervielfacher bzw. Photomultiplier 42 weist auftreffende Lichtphotonen nach und hat eine Ausgangsspannung, die von der Anzahl der Photonen und der Intensität des empfangenen Lichtes abhängt. Um eine hier nicht dargestellte Mehrkanalversion dieses Systems zu schaffen, kann das Interferenzfilter geneigt werden, um die Farbkanäle zu isolieren, oder es kann mehr als ein Filter vorhanden sein. Es gibt eine Vielzahl von Photovervielfacherdetektoren jeweils einen für jeden Farbkanal (vgl. US-PS 40 81 215).

Die Temperatursteuerung für eine chemische Dampfabscheidung mittels Laser unter Benutzung der thermischen Emission kurzer Wellenlänge ist in Fig. 6 dargestellt. Bei diesem Verfahren erwärmt ein Laserstrahl die Oberfläche und erleichtert die Abscheidung gasförmiger chemischer Reaktanten auf dem Werkstück. Es ist ein typisches LCVD-System dargestellt. Ein Werkstück 43 ist innerhalb einer Reaktionskammer 44 mit abgedichteter Umgebung angeordnet, die einen Einlaß 45 für Reaktantengas, einen Auslaß 46 für Gas und ein Druckmanometer 47 aufweist. Ein Fenster 48, geeignet für die Übertragung eines Laserstrahles, und ein Beobachtungsfenster 49 zur Betrachtung des Werkstückes sind ebenfalls vorhanden. Ein Laser 50 erzeugt einen kollimierten Laserstrahl 51, der durch einen Spiegel 52 reflektiert und durch eine Linse 53 fokussiert wird. Der Laserstrahl tritt durch das Fenster 48 und wird auf der Oberfläche des Werkstückes 43 zu einem Fleck fokussiert. Die laserunterstützte Abscheidung der gasförmigen chemischen Reaktanten auf dem Werkstück erfolgt entweder durch Photolyse, bei der der Laserstrahl die Moleküle des gasförmigen Reaktanten dissoziieren und mit dem Substratmaterial reagieren läßt, oder durch Pyrolyse, bei der der Laserstrahl das Substrat erhitzt und der gasförmige Reaktant direkt mit dem Substrat reagiert.

Die Temperatursteuerung wird mittels eines Temperaturmeßsystems 54 gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt, mit dem kontinuierlich die Oberflächentemperatur des Werkstückes bestimmt wird. Das durch das System erzeugte Temperatursignal wird der Lasersteuerung 55 zugeführt, die den Laser 50 und die Leistung des Laserstrahles steuert, um die Oberflächentemperatur auf einen vorbestimmten Wert einzustellen. Alternativ kann der Laserstrahl über eine Lichtleitfaser zum Werkstück übertragen werden.

Einige der vielen Anwendungen der vorliegenden Erfindung sind Temperaturbestimmung und -steuerung während der kontinuierlichen oder impulsförmigen laserunterstützten chemischen Dampfabscheidung von Oxiden, Nitriden oder Carbiden auf Stahloberflächen.

Die Erfindung ist anwendbar auf strahlungsunterstützte, thermisch angetriebene Verfahren, die auch als photothermische Verfahren bekannt sind. Beispiele sind die Wärmebehandlung einer Oberfläche, um Oberflächenkomponenten in das Material diffundieren zu lassen, sowie Verfahren zum Rekristallisieren einer Oberfläche.

Claims

1. Vorrichtung zur Durchführung einer laserunterstützten chemischen Dampfabscheidung eines gasförmigen chemischen Reaktanten auf einem Werkstück, umfassend:
einen Laser zur Erzeugung eines Laserstrahles und eine Einrichtung zum Abgeben von Laser-Energie zum Erhitzen der Oberfläche des Werkstückes;
ein Temperatur-Meßsystem und eine Einrichtung, die auf das Temperatursignal anspricht, um den Laser und die Laserstrahl-Energie zu steuern zur Erzeugung einer vorbestimmten Oberflächentemperatur des Werkstückes,
dadurch gekennzeichnet, daß das Temperatur-Meßsystem zusammengesetzt ist aus einer Einrichtung (12, 14) zum Fokussieren der thermischen Emission des Werkstückes (11) und zum Begrenzen des Gesichtsfeldes des Systems, einem Spektrometer (16) zum Abtrennen des Lichtes kürzerer Wellenlänge zur blauen Kante des thermischen Emissionsspektrums von anderen Spektralkomponenten und einem Photonen zählenden Detektor (18) zum Nachweisen der thermischen Emission kürzerer Wellenlänge und zum Erzeugen eines Oberflächentemperatur-Signals.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrometer eine Einrichtung (16) zum Auftrennen der thermischen Emission in Wellenlängenkomponenten umfaßt und der Photonen zählende Detektor (18) mehrfache Kanäle zum Nachweisen mehrerer Spektralkomponenten aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrometer zusammengesetzt ist aus einem optischen Prisma (16) und die thermische Emission in Wellenlängenkomponenten und Farben zerlegt und der Photonen zählende Detektor (18) aus einem Bildverstärker (19) und einer Festkörper-Photodetektorreihe (20) zusammengesetzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur eines Fleckes (10) auf der Oberfläche des Werkstückes (11) gemessen wird, die Einrichtung zum Begrenzen des Gesichtsfeldes eine Platte (14) mit einem Loch (13) ist, durch das die fokussierte thermische Emission gelangt, das Spektrometer aus einer Einrichtung (15) zum Kollimieren der thermischen Emission und einem optischen Prisma (16) zusammengesetzt ist und der Photonen zählende Detektor (18) aus einem Bildverstärker (19) und einer linearen Photodetektorreihe (20) zusammengesetzt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur mehrerer Punkte entlang einer Linie (27) auf der Oberfläche des Werkstückes (11) gemessen wird, die Einrichtung zum Begrenzen des Gesichtsfeldes eine Platte (30) mit einem Schlitz (29) ist, durch den die fokussierte thermische Emission tritt, das Spektrometer aus einer Einrichtung (31) zum Kollimieren der thermischen Emission und einem optischen Prisma (32) zusammengesetzt ist und der Photonen zählende Detektor (34) aus einem Bildverstärker (35) und einer zweidimensionalen Photodetektorreihe (36) zusammengesetzt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrometer ein Interferenzfilter (41) umfaßt, das Licht kürzerer Wellenlänge durchläßt und der Photonen zählende Detektor ein Photovervielfacher (42) ist.