IT9019833A1

IT9019833A1 - Misure e controllo di temperature per processi fototermici

Info

Publication number: IT9019833A1
Application number: IT019833A
Authority: IT
Inventors: Tushar Shashikant Chande; Carl Murray Penney
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1989-03-27
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 1991-09-27
Also published as: FR2644797A1; US4959244A; GB9005861D0; JPH02267270A; IT9019833A0; IT1239491B; DE4008816A1; GB2232792A; GB2232792B; DE4008816C2

Description

sistema misuratore di temperatura ha dei mezzi per focalizzare l'emissione termica del pezzo in lavorazione e definire il campo di vista, uno spettrometro per separare le lunghezze d'onda minori da altri componenti spettrali dell'emissione termica e un sistema contatore dì fotoni per rivelare la luce di lunghezza d'onda minore e generare un segnale di temperatura superficiale. Sistemi per determinare la temperatura superficiale su un punto e lungo una linea hanno un prisma ottico per disperdere l'emissione termica in lunghezze d'onda componenti e un rivelatore multicanale contatore di fotoni formato da un complesso di fotorivelatori intensificati.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Questa invenzione riguarda determinazione di temperatura superficiale durante processi condotti termicamente, assistiti da radiazione e usa questa misura per controllare il processo e, più particolarmente, per usare l'emissione termica di lunghezza d'onda minore allo scopo di misurare e controllare temperatura durante un processo di deposizione chimica da vapori (CVD). In deposizione chimica da vapori assistita da laser pulsati e ad onda continua (LCVD), in applicazioni dove la deposizione è assisitita mediante riscaldamento a laser della superficie, la quantità di riscaldamento non può essere calcolata a causa di variazioni di assorbimento di emissività della superficie quando viene modificata dalla deposizione. Similmente, a causa di variazioni sconosciute di emissività con la lunghezza d'onda, una convenzionale termografia infrarossa non può fornire precise misure di temperatura. Parecchie altre soluzioni per determinazione di temperatura, come per esempio quelle usanti termocoppie, sono rese imprecise dalle forti variazioni di proprietà spaziali e/o temporali del fascio laser. Misure di temperature sono tuttavia desiderabili, perchè sembra che forniscano un parametro di controllo massimamente sensibile per parecchi processi CVD di interesse. La letteratura e la tecnica nota anteriore di LCVD mostra nessun tentativo per controllare la temperatura superficiale della parte che viene lavorata. Tipicamente, i gas sono introdotti ad una temperatura nota e la camera di reazione viene mantenuta a temperatura costante durante LCVD. Convenzionali sistemi LCVD hanno una finestra nella camera di reazione sigillata dall'ambiente attraverso la quale viene trasmesso 11 fascio laser ad un pezzo in lavorazione entro la camera. Un rifornimento di fascio laser attraverso una fibra ottica ha parecchi vantaggi. Il reagente gassoso può essere introdotto in vicinanza del pezzo in lavorazione mediante un ugello di gas sull'accoppiatore di uscita della fibra ottica. L'estremo di lunghezze d'onda corte dell'emissione di Planck, verso il blu, viene usato per determinare la temperatura superficiale di un pezzo in lavorazione durante un processo condotto termicamente assistito da radiazione, un esempio del quale è CVD assisitita da laser. Si sa che questa componente di distribuzione spettrale di emissione termica varia molto più fortemente con la temperatura rispetto all'emissione di lunghezze d'onda maggiore oltre il rosso. Di conseguenza, variazioni sconosciute di emissività introdurranno un minore errore nella temperatura risultante. Tuttavia, il segnale rivelatore ricevuto si indebolisce rapidamente quando la prescelta lunghezza d'onda viene mossa verso il blu, cioè a minori lunghezze d'onda, e non possono essere impiegati covenzionali fotorivelatori allo stato solido meno sensibili. Un elemento dell'invenzione è di usare un sistema rivelatore contatore di fotoni per ottenere il pregio di ridotta sensibilità all'emissività in misure di temperatura basate su osservazione di emissione termica alle più brevi possibili lunghezze d'onda. L'invenzione è largamente caratterizzata da un metodo per)controllare un processo CVD assisitito da radiazione comprendente le fasi di fornire radiazione ad una porzione della superficie di un pezzo in lavorazione per provocare deposizione di reagenti chimici gassosi sul pezzo in lavorazione riscaldando per radiazione la superficie, rivelando la temperatura superficiale del pezzo in lavorazione risultante da questa radiazione e utilizzando la temperatura rivelata per controllare la radiazione e il processo di deposizione.

Un perfezionato apparato per un processo condotto termicamente assistito da radiazione è formato da una sorgente di radiazione e da mezzi per fornire radiazione alla superficie del pezzo in lavorazione, un sistema misuratore di temperatura per determinare la temperatura di una zona della superficie rivelando l'emissione termica da quella zona e derivare un segnale di temperatura di superficie e mezzi sensibili al segnale di temperatura per controllare la sorgente di radiazione e produrre una prescelta temperatura di superficie del pezzo in lavorazione.

Una realizzazione illustrativa dell'invenzione è un perfezionato apparato per eseguire deposizione chimica da vapori assistita da un laser di un reagente chimico gassoso. Si impiega un laser per generare un fascio laser e mezzi per fornire energia laser per riscaldare la superficie del pezzo in lavorazione. Un sistema misuratore di temperatura è formato da mezzi per focalizzare l'emissione termica del pezzo in lavorazione, da uno spettrometro per separare luce di lunghezza d'onda minore verso l'estremo blu dello spettro da altri componenti spettrali dell'emissione termica e un rivelatore contatore di fotoni per rivelare l'emissione di lunghezza d'onda minore e generare un segnale di temperatura superficiale. Si impiegano mezzi per utilizzare quest'ultimo per controllare il laser e la potenza di fascio di laser e produrre una predeterminata temperatura superficiale del pezzo in lavorazione.

Un altro aspetto dell'invenzione è un sistema misuratore di temperatura superficiale di un pezzo in lavorazione comprendente: laezzi per focalizzare radiazione termica emessa durante un processo di deposizione chmica da vapori e definire il campo di vista;

uno spettrometro per separare luce di lunghezza d'onda minore da altri componenti dello spettro di emissione termica; e un sistema contatore di fotoni che rivela l'emissione termica di lunghezza d <1>onda minore e genera un segnale rappresentante la temperatura superficiale. Il rivelatore contatore di fotoni tipicamente ha dei canali multipli ed è formato da un intensif icatore di immagini e da un complesso fotorivelatore lineare o bidimensionale, il primo quando si fanno misure puntiformi e il secondo per fare misure a punti multipli lungo una linea.

Un'altra realizzazione a canale singolo ha un fotomoltiplicatore per rivelare, mediante una tecnica di conteggio di fotoni, luce a lunghezza d'onda breve fatta passare da un filtro ad interferenza .

Le realizzazioni preferite del sistema determinatore di temperatura superficiale sono formate da : mezzi per focalizzare emissione termica e definire una localizzazione di sorgente per emissione termica o definire il campo di vista; mezzi per collimare e disperdere l'emissione termica in lunghezze d'onda e colori componenti, come usando un prisma o un reticolo ottico; un sistema rivelatore di fotoni a canali multipli formato da un intensificatore di immagini e da un complesso fotorivelatore allo stato solido per generare in ogni canale un segnale dipendente dall 1intesità della componente ricevuta della distribuzione spettrale, e mezzi per scegliere il canale o i canali riceventi l'emissione di lunghezza d'onda più breve ed emettere il rispettivo segnale di rivelatore che è indicativo della temperatura superficiale di un pezzo in lavorazione. Il fotorivelatore è una disposizione lineare o una disposizione bidimensionale in strumenti che determinano rispettivamente la temperatura di un punto e di una linea sulla superficie del pezzo in lavorazione.

La figura 1 mostra la variazione di fattore G determinante precisione di misura di temperatura con il prodotto di lunghezza d'onda e temperatura; la figura 2 è uno schema di un sistema misuratore di temperatura a punto usante un complesso lineare di fotorivelatore intensificato;

la figura 3 nostra schematicamente un sistema contatore di fotoni formato da un intensificatore di immagini e da un complesso lineare di fotorivelatori; la metà superiore del primo ha un intensificatore a piastra a microcanale e la metà inferiore mostra un semplice intensificatore elettrostatico ;

la figura 4 illustra un sistema per misure lineari di temperatura usante un complesso rivelatore intensificato bidimensionale;

la figura 5 mostra un altro sistema puntiforme misuratore di temperatura avente un filtro di interferenza per far passare radiazione termica di lunghezza d'onda breve ad un fotomoltiplicatore; la figura6 illustra un apparato di deposizione da vapori chimici a laser e un perfezionato controllo di temperatura usante emissione termica a lunghezza d'onda breve.

La figura 1 illustra il punto in cui risulta un minore errore di temperatura, se ci sono variazioni sconosciute di emissività, quando la regione di lunghezza d'onda minore di emissione termica viene osservata per determinare la temperatura. La figura 1 è tratta dalla figura 4 del rapporto tecnico di D.P. DeWitt, Optici Engineering, Voi. 25, No. 4, da pagine 596 a 601. La figura traccia un fatttore, qui indicato con G, che è il rapporto della variazione frazionaria di radianza spettrale risultante da una variazione frazionaria di temperatura in funzione della lunghezza -d'onda (per una data temperatura). Il significato di questo rapporto può essere derivato come segue: la relazione fondamentale tra intensità di segnale S in un particolare canale di lunghezza d'onda da una superficie ad una temperatura T è:

SÌ=KX3⁄4L3⁄4A(T) (i)

o, sopprimendo questi indici sottoscritti,

S=KeL(T) (l·)

dove L(T) è la radianza spettrale di corpo nero per lunghezza d'onda * e temperatura T, e è l'emissività, e K è una funzione della lunghezza d'onda descrivente le prestazioni del sistema ottico che sono note da misure di taratura. La radiazione termica è tipicamente scomposta in colori componenti e c'è quindi una pluralità di canali di lunghezza d'onda.

Una tipica misura di temperatura produce un segnale S& per ciascun canale di lunghezza ei'onda, ma segnali da canali verso l'estremo blu della distribuzione spettrale rivelata possono essere troppo piccoli per una determinazione precisa a causa di distrubi intrinseci o di fondo. Sia S il segnale del primo canale muoventesi dal blu verso il rosso lungo la distribuzione di emissione termica che ha un segnale dovuto a quella emissione il quale è significativamente al di sopra del livello di disturbo. Un valore per temperatura può essere calcolato da questo segnale se l'emissività è nota, dato che e e L sono le sole quantità non misurate dell'equazione e L è nota dalla teoria come una funzione di χ e T. In questo caso di esempio, si suppone non disponibile un valore preciso di emissività. Perciò si desidera rendere la determinazione di temperatura la più possibilmente insensibile all'emissività. La determinazione viene fatta prevedendo un valore per l'emissività, eg, che è sostituita nell'equazione (1').

S= Keg(Tg) (2) Questa equazione è risolta per ottenere il valore corretto per il valore di temperatura stimato Tg. Allo scopo di ottenere l'errore frazionario in questo risultato (T-Tg/t) risultante da un errore De nel valore e,

<De=e-e>g (3)

l'espressione per S -dall'equazione (1*) può essere sostituita nell'equazione (2) :

eL(T) = egL(Tg) (4)

e si può usare uno sviluppo di Taylor del primo ordine

L(T)= L(Tg) + wDT (5)

dove w= |dL/dT |T e DT= T-T .

Dalle equazioni (3), (4) e (5),

(T-Tg)/Tg= (De/e) (1/G) (6)

dove i termini piccoli di ordine superiore sono stati trascurati come è solito in analisi linearizzata.

Quindi, l'errore frazionario di temperatura è uguale all'errore frazionario di emissività diviso per G, che venne precedentemente definito. Ne segue che è desiderabile un grande valore di G perchè questo fornisce il minimo errore di misura di temperatura . Dalla figura 1, è chiaro che il valore di G aumenta costantemente quado si fanno misure oltre il blu (valori decrescenti di λ T nella gamma da 500 a 1000 pm.K). Tuttavia, il segnale si indebolisce rapidamente quando il campione di lunghezza d'onda è mosso verso il blu.

Precedenti strumenti misuratori di temperatura basati su osservazione di emissione termica hanno usato tipicamente rivelatori allo stato solido che sono circa 1000 volte meno sensibili dei rivelatori contatori di fotoni qui proposti. L'uso di rivelatori meno sensibili impedisce una piena realizzazione del vantaggio di ridotta sensibilità all1emissività nelle misure di temperatura. Di conseguenza, un elemento è l'uso di rivelatori multicanali contatori di fotoni per fornire addizionale precisione e verifica per misure di temperature. Ancora un altro elemento è l'uso di complessi bidimensionali di rivelatori contatori di fotoni per fornire questo vantaggio assieme con misure multiple di temperatura su una linea. Configurazioni per realizzare questi scopi sono mostrate nelle figure 2 e 5 per una misura puntiforme e in figura 4 per misure a punti multipli lungo una linea. I rivelatori a complesso ottico contatori lineari di fotoni e bidimensionale richiesti per queste isure sono ora disponibili commercialmente.

Un esempio del vantaggio che si può raggiungere mediante l'uso di strumenti contatori di fotoni può essere ottenuto da una considerazione di un problema tipico di un'applicazione proposta: Si richiedono misure di temperatura su una superficie di emissività sconosciuta con risoluzione di tempo di un millisecondo e risoluzione spaziale di 20 x 20 micron. La temperatura approssimata della superficie e di 1000eC. Usando la realizzazione di figura 2, il numero N di fotoni rivelati in un canale di analizzatore ottico multicanale è dato da:

N - Ax;yD2 L

Mhc/λ) F3 (7)

Qui η è il rendimento quantistico del rivelatore (conteggi per fotone incidente sul canale del rivelatore) , è il tempo di esposizione, h è la costante di Planck, c è la velocità della luce, D è il diametro effettivo del collimatore di spetrometro, χ. F è la lunghezza focale del collimatore focalizzante, A è la dispersioone reciproca del prisma (o del reticolo in uno spettrometro a reticolo), x è la dimensione di un singolo rivelatore nella direzione di dispersione, y è la corrispondente dimensione ortogonale, T è il rendimento ottico e altre quantità sono come sopra definite. Ipotesi ragionevoli di progetto per un canale spettrale vicino a 600nm sono:

x=y = 20 micron = 2 x 10-3⁄4m

η =0.1

hc/λ “ 3 x 10-19joule

b=3⁄45cm

F = 10 cm

A = 5 x IO3 nm/radiante

T - 0,2

!

Benché il livello di segnale dipenda dalla risoluzione spaziale, questa dipendenza non compare esplicitamente nell'equazione perchè la risoluzione spaziale viene infine determinata dalle dimensioni di pixel del rivelatore e dall'ingrandimento dell'ottica di ingresso. Con i numeri precedenti, si ottiene una risoluzione di 0,2 millimetri ad una distanza di lavoro di circa un metro. Similmente, il livello di segnale dipende inversamente dalla risoluzione spettrale di ciascun canale, ma quella quantità non è mostrata esplicitamente. La risoluzione spettrale R è data da

R = A x/F (8) e per questo caso è di 1 nm. Usando i precedenti numeri e 1'emittenza spettrale per un corpo nero a 1000*C, si trova che N=10 a λ = 600 nm. Supponendo che questi conteggi siano fotoni rivelati seguendo una statistica di Poisson, la deviazione standard in questa misura è S.D. = V To/10=31% e sarebbe ragionevole prevedere un errore paragonabile o maggiore dovuta ad incertezze di emissività. Tuttavia, si nota che a 10OO°C e ad una lunghezza d'onda di 0,6 micron, λ T è di 0,76 e da figura 1 il fattore G è ^approssimativamente 20. Quindi, una misura fatta con sensibilità di conteggio di fotoni all'estremo blu della curva di Planck è caratterizzata da una misura di temperatura ampia solo 1/20 dell'incertezza totale, o 1,5% in questo caso. Al contrario, una misura eseguita con un complesso di rivelatori allo stato solido non intensificati, che è all'incirca 1000 volte meno sensibile del dispositivo contatore di fotoni, sarebbe limitato a lunghezza d'onda superiori a 1,6 micron per queste condizioni di misura, quindi, secondo figura 1, G =7 e l'errore di temperatura sarà tre volte maggiore.

Strumenti contatori di fotoni di tipo a filtro a canale singolo o a pochi canali, come mostrato in figura 5, possono essere resi molto più sensibili di uno strumento spettrometrico e fornire un vantaggio comparabile rispetto alle loro controparti meno sensibili che sono attualmente usate in modo estensivo per misura di temperatura. I canali multipli di un rivelatore a canali multipli possono essere usati per aumentare ulteriormente la precisione di misura di temperatura. Per esempio, l'emissività non può essere maggiore di 1, in modo che qualsiasi banda di errore dell'estremo blu che contenga valori di temperatura per la quale l'emissione dovrebbe essere maggiore di 1 ad una lunghezza maggiore per tener conto del segnale osservato potrebbe essere ristretta per eliminare quelle temperature. Tuttavia, un'altro vantaggio di canali multipli, in un numero maggiore di due o tre canali presentemente usati in alcuni strumenti, è di consentire misure di temperatura su una larga gamma. Questo vantaggio è realizzato perchè si ottiene un'indicazione di temperatura massimamente precisa dei primi pochi canali verso il lato blu per vedere un segnale e questo gruppo <ii canali si sposta rapidamente con la temperatura. Per esempio, se la temperatura superficiale è ridotta a 900 “C, i primi canali per fornire un segnale utile saranno vicino a 670 nm piuttosto che 600 nm. Si nota che alla risoluzione supposta di 1 nm per canale, questo spostamento è di circa 70 canali. Ancora un altro vantaggio dell'uso di un rivelatore multicanali è fornito dalla sua capacità di confermare che lo spettro osservato sia caratteristico dell'emissione termica. Questa capacità cosente di evitare errori che sarebbero introdotti usando dati contenenti, per esempio, linee di assorbimento o di emissione.

Il sistema di misura di temperatura di figura 1 determina la temperatura di una macchina 10 su una superficie osservata 11 usando un complesso fotorivelatore lineare intensificato. La superficie può essere un pezzo in lavorazione in una camera di reazione sigillata rispetto all'ambiente in cui si esegue un processo CVD o un processo CVD assistito da laser. L'emissività della superficie calda non è nota e cambia quando viene modificata dalla deposizione. Una radiazione termica emessa dal pezzo in lavorazione, particolarmente dalla macchina 10 sulla superficie 11, è raccolta e focalizzata da una lente fotografica 12, per definire la posizione di sorgente per l'emissione termica o limitare il campo di vista -del sistema, un foro 13 in una piastra 14 è posizionato al punto focale della lente. L'emissione termica focalizzata passante attraverso il foro viene collimata da una lente collimatrice 15 e il facio di luce parallelo emergente cade su un prisma ottico 16 che disperde e scinde la luce in lunghezze d'onda e colori componenti. Poiché l'indice di rifrazione dei materiali ottici varia con la lunghezza d'onda, le svariate lunghezze d'onda presenti nella luce sono deviati di angoli differenti. Un'emissione termica verso il blu viene deviato solo in un piccolo grado rispetto alla radiazione termica verso l'estremo rosso della distribuzione spettrale di emissione termica.

Le lunghezze d'onda componenti emergenti dal prisma 16 sono passate attraverso una lente focalizzatrice 17 e focalizzate su differenti canali di un sistema multicanale contatore di fotoni, in questo caso un complesso di rivelatori lineari 18 intensificati formato da un intensificatore di immagini 18 e da un complesso 20 di fotorivelatore allo stato solido. La luce focalizzata verso l'estremo blu dello spettro è ricevuto da un gruppo noto di canali del complesso lineare 18 di rivelatori e una luce oltre il rosso viene rivelata da un altro gruppo di canali, come viene mostrato nei disegni. Il complesso fotorivelatore 20 è analizzato a dati intervalli e la forma d'onda 21 di tensione di lettura viene inviata ad un'unità elettronica 22 per essere analizzata. Ogni canale del complesso lineare intensificato di rivelatori 18 genera un segnale di rivelatore la cui ampiezza dipende dall'intensità della componente ricevuta della distribuzione spettrale di emissione termica. L'unità elettronica sceglie il canale o i canali riceventi la luce di minore lunghezza d'onda verso il blu ed emette il rispettivo segnale di rivelatore che è indicativo della temperatura superficiale del pezzo in lavorazione. Sono descritte altre funzioni nel sottosistema elettronico.

Il complesso lineare di rivelatori intensificati 18 e 1'intensificatore di immagine 19 sono mostrati in maggior dettaglio in figura 3. Un intensificatore di immagini è anche noto come amplificatore di luce ed è un dispositivo che, quando azionato da un'immagine luminosa, riproduce un'immagine simile di maggiore intensità, ed è capace di funzionare a livelli luminosi molto bassi senza introdurre variazioni spurie di intensità nell’immagine riprodotta. Si illustrano due tipi di intensificatori di immagine; ci sono altri tipi che possono essere usati nel realizzare l'invenzione. La metà inferiore mostra un semplice intensificatore di immagine focalizzato elettrostaticamente. La luce urta un fotocatodo semitrasparente 23 che emette elettroni 24 con una distribuzione di densità proporzionale alla distribuzione dell'intensità luminosa incidente sul medesimo. Uno schermo 25 di fosforo caricato positivamente sull'altro lato dell'intensificatore converte 1'energia degli elettroni in luce visibile. La metà superiore illustra un intesificatore di immagini a piastra a microcanali che consiste in un fascio parallelo di piccoli cilindri cavi di vetro 26, dove le pareti interne dei cilindri sono rivestite con un materiale emettitore secondario. Gli elettroni emessi dal fotocatodo 23 urtano le pareti interne dei cilindri 26, provocando generazione di elettroni secondari. Gli elettroni secondari a loro volta continuano a moltiplicarsi a cascata lungo le pareti interne dei clindri verso lo schermo a fosforo 25, risultando in un alto guadagno totale di corrente. Un complesso integrato 20 di circuito rivelatore è formato da un grande numero di linee parallele di singole zone fotosensibili e dal circuito necessario a leggere singolarmente le celle. Si possono impiegare dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD), dispositivi ad iniezione di carica (CID) o tecnologie di fotodiodi bipolari. All' incirca 1000 fotoni o simili sono hecessari per ottenere un segnale misurabile. Quindi, un intensificatore di immagine fornente un guadagno utile di 1000 consentirà una rivelazione di singoli fotoni.

La figura 4 mostra un sistema misuratore di temperatura per fare misura lineare di temperatura usando un complesso bidimensionale di rivelatori intensificati. Si determina la temperatura superficiale di parecchi punti lungo una linea 27 sulla superficie osservata 11. L'emissione termica della pluralità di punti della superficie calda è focalizzata da una lente fotografica 28 su una fenditura 29 in una piastra 30 che definisce il campo di vista nel sistema. L'emissione termica focalizzata passante attraverso la fenditura è presentata ad una lente collimatrice 31. Il fascio parallelo di luce è disperso in lunghezze d'onda e colori componenti mediante un prisma ottico 32 e i colori differenti sono focalizzati da una lente 33 su un complesso bidimensionale 34 dì rivelatori intensificati che è formato da un intensificatore di immagini 35 e da un complesso bidimensionale 36 di fotorivelatori allo stato solido.

Il sistema ottico è tale che radiazione termica emessa da punti lugo la linea 27 in direzione x viene rivelata in canali separatji lungo la dimensione x del complesso bidimensionale 34 di rivelatori intensificati. Le lunghezze d'onda componenti dell'emissione termica si spargono lungo canali in direzione ortogonale, come mostrato nella figura. Il sistema elettronico 37 analizza i segnali di lettura del rivelatore, canale verticale per canale verticale e sceglie la luce di canale ricevente di lunghezza d'onda minore verso il blu, emettendo quel segnale di rivelatore che è indicativo della temperatura superficiale del pezzo in lavorazione in un dato punto lungo la linea 27. Questo è fatto per ogni punto lungo la linea.

Delle realizzazioni di figure 2 e 4, si usa uno spettrometro a prisma per scindere il fascio luminoso nei suoi colori componenti e scoprire quali lunghezze d'onda sono presenti nel fascio luminoso. Un reticolo di difrazione può essere usato come spettrometro invece di un prisma come mezzo per disperdere il fascio di luce in uno spettro. Se è nota la distanziatura del reticolo, allora da una misura dell'angolo di deviazione di qualsiasi lunghezza d'onda si può calcolare il valore di questa lunghezza d'onda. Il sistema di misura puntiforme di temperatura di figura 5 ha uno spettrometro ad un canale nella forma di un filtro di interferenza e un sistema contatore di fotoni a canale singolo è formato da un tubo fotomoltiplicatore. L'emissione termica da una macchia 10 sulla superficie osservata il è focalizzata da una lente fotografica 38 e passa attraverso un foro 39 di una piastra di arresto 40 che serve per definire e limitare il campo di vista del sistema misuratore di temperatura. Dei raggi paralleli da una lente collimatrice 38' sono incidenti su un filtro di interferenza 41 che scelgie di far passare una luce di particolare lunghezza d'onda verso l'estremo blu. Un fotomoltiplicatore 42 rivela i fotoni di luce incidenti ed ha una tensione di uscita dipendente dal numero di fotoni e dall'intensità della luce ricevuta . Per fornire una versione a canali multipli di questo sistema (non qui illustrato), il filtro ad interferenza può essere fatto oscillare per isolare i canali di colore o ci può essere più -di un filtro. C'è una pluralità di rivelatori a fotomoltiplicatori, uno per ciascun canale di colore. Si faccia riferimento al brevetto USA NO. 4.081.215 di Penney e Lapp, "Stable Two-Channel, Single-Filter Spectrometer", la cui descrizione si considera qui incorporata per riferimento.

Un controllo di temperatura per deposizione chimica da vapori a laser usando emissione termica di breve lunghezza d'onda è illustrato in figura 6. Questo è un processo nel quale un fascio laser riscalda la superficie e facilita la deposizione di reagenti chimici gassosi sul pezzo in lavorazione. Viene qui mostrato un tipico sistema LCVD di tecnica anteriore. Un pezzo in lavorazione 43 è posizionato entro una camera di reazione 44 ad ambiente sigillato avente un'apertura di ingresso 45 di gas reagente, un'apertura di uscita di gas 46 e un manometro 47. Si forniscono una finestra 48 adatta alla trasmissione di un fascio laser e una finestra di osservazione 49 per esaminare il pezzo in lavorazione. Un laser 50 genera un fascio laser collimato 51 che viene riflesso da uno specchio 52 e focalizzato mediante una lente 53. Il fascio laser passa attraverso la finestra 48 ed è focalizzato in una macchia sulla superficie del pezzo in lavorazione 43. Una deposizione assistita da laser di reagenti chimici gassosi sul pezzo in lavorazione capita mediante un processo di fotolisi del quale il fascio laser obbliga le molecole del reagente gassoso a dissociarsi e reagire con il materiale di substrato o mediante un processo di pirolisi del quale il fascio laser riscalda il substrato e il reagente gassoso reagisce direttamente con il substrato.

Il controllo di temperatura viene ottenuto usando un sistema 54 di misura di temperatura di questa invenzione per determinare continuamente la temperatura superficiale del pezzo in lavorazione. Il segnale di temperatura generato dal sistema è fornito al controllo di laser 55 che controlla il laser 50 e la potenza del fascio laser per regolare la temperatura superficiale ad un valore predeterminato. Alternativamente, il fascio laser può essere fornito al pezzo in lavorazione attraverso una fibra ottica.

Alcune delle parecchie appireazioni dell'invenzione sono determinazione e controllo di temperatura durante CVD assistita da laser pulsato di ossidi, nitruri o carburi su superfici di acciaio.

L'invenzione è applicabile ad altri processi condotti termicamente assistiti da radiazioni che sono anche noti come processi fototermici. Esempi sono il trattamento termico di una superficie per obbligare i componenti superficiali a diffondere nel materiale e procedimento per ricristallizzare una superficie.

Benché l'invenzione sia stata particolarmente mostrata e descritta con riferimento a parecchie realizzazioni preferite, si capirà da parte degli esperti nel ramo che i precedenti e altri cambiamenti di forma e dettaglio possono essere resi senza allontanarsi dallo spirito e dal campo dell'invenzione definito dalle seguenti rivendicazioni .

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per controllare un processo di deposizione chimica da vapori assistita da radiazione comprendente: fornire radiazione ad una porzione della superficie di un pezzo in lavorazione per provocare -deposizione di reagenti chimici gassosi sul pezzo in lavorazione mediante riscaldamento da radiazione; rivelare la temperatura superficiale del pezzo in lavorazione risultante da detta radiazione; utilizzare la temperatura superficiale rivelata per controllare detta radiazione e il processo di deposizione .
2. Il metodo di rivendicazione 1, nel quale detta rivelazione comprende rivelare emissione termica da detto pezzo in lavorazione verso l'estremo di lunghezza d'onda corta dello spettro di emissione termica e derivare da questo un segnale di temperatura superficiale.
3. Il metodo di rivedicazione 2, nel quale detta radiazione è radiazione da laser e detta utilizzazione comprende usare detto segnale di temperatura per controllare un laser e la potenza di fascio laser allo scopo di produrre una prescelta temperatura superficiale di pezzo in lavorazione .
4. Perfezionato apparato per eseguire un processo condotto termicamente assistito da radiazione su un pezzo in lavorazione comprendente: una sorgente di radiazione e mezzi per fornire detta sorgente di radiazione alla superficie di detto pezzo in lavorazione; un sistema misuratore -di temperatura per determinare la temperatura superficiale di una porzione di detto pezzo in lavorazione rivelando l'emissione termica da quella porzione e derivare dalla medesima un segnale di temperatura; mezzi sensibili a detto segnale di temperatura per controllare detta sorgente di radiazione allo scopo di generare una predeterminata temperatura superficiale di pezzo in lavorazione.
5. L'apparato di rivendicazione 4, nel quale detta sorgente di radiazione è un laser e detto sistema misuratore di temperatura è formato da mezzi per separare emissione termica di lunghezza d'onda minore da altri componenti spettrali e mezzi rivelatori contatori di fotoni per rivelare detta emissione termica di lunghezza d'onda minore e generare detto segnale di temperatura.
6. Perfezionato apparato per eseguire deposizione chmica da vapori assistita da laser di un reagente chimico gassoso su un pezzo in lavorazione, comprendente: un laser per generare un fascio laser e mezzi per fornire energia laser per riscaldare la superficie di detto pezzo in lavorazione; un sistema misuratore di temperatura formato da mezzi per focalizzare emissione termica di un pezzo in lavorazione e definire il campo di vista di detto sistema, uno spettrometro per separare luce di lunghezza d'onda minore verso l'estremo blu d^llo spettro di emissione termica da altri componenti spettrali e un rivelatore contatore di fotoni per rivelare detta emissione termica di lunghezza d'onda minore e generare un segnale di temperatura superficiale; mezzi sensibili a detto segnale di temperatura per controllare detto laser e detta potenza di fascio laser per produrre una predeterminata temperatura superficiale di pezzo in lavorazione.
7. Il perfezionato apparato di rivendicazione 6, nel quale detto spettrometro comprende mezzi per scindere detta emissione termica in lunghezze d'onda componenti e detto rivelatore contatore di fotoni a dei canali multipli per rivelare una pluralità di detti componenti spettrali.
8. Il perfezionato apparato di rivendicazione 6, nel quale detto spettrometro è formato da un prisma ottico e scinde detta emissione termica in lunghezze d'onda e colori componenti e detto rivelatore contatore di fotoni è formato da un . intensificatore di immagini e da un complesso fotorivelatore allo stato solido.
9. Il perfezionato apparato di rivendicazione 6, nel quale viene misurata la temperatura di una macchia sulla superficie di detto pezzo in lavorazione, detti mezzi per definire il campo di vista è una piastra vente un foro attraverso il quale passa l'emissione termica focalizzata, detto spettrometro è formato da mezzi per collimare l'emissione termica da un prisma ottico e detto rivelatore e contatore di fotoni è formato da un intensificatore di immagini e da un complesso lineare di fotorivelatori.
10. Il perfezionato apparato di rivendicazione 6, nel quale viene misurata la temperatura di punti multipli lungo una linea sulla superficie di detto pezzo in lavorazione, detti mezzi per definire il campo di vista è una piastra avente una fenditura lungo la quale passa l'emissione termica focalizzata, detta spettrometro è formato da mezzi per collimare l'emissione termica e da un prisma ottico e detto rivelatore contatore di fotoni è formato da un intensificatore di immagini e da un complesso bidimensionale di fotorivelatori.
11. Il perfezionato apparato di rivendicazione 6, nel quale detto spettrometro comprende un filtro ad interferenza che fa passare detta luce di lunghezza d'onda minore e detto rivelatore contatore di fotoni è un fotomoltiplicatore.
12. Sistema per misurare la temperatura superficiale di un pezzo in lavorazione in una camera di reazione comprendente: mezzi per focalizzare radiazione termica emessa da detto pezzo in lavorazione durante un processo di deposizione chimica da vapori e definire il campo di vista di detto sistema; mezzi spettromettrici per separare luce di lunghezza d'onda minore da altri componenti della distribuzione spettrale di emissione termica; un sistema contatore di fotoni per rivelare l'emissione termica di lunghezza d'onda minore e generare un segnale rappresentante la temperatura superficiale di detto pezzo in lavorazione.
13. Il sistema di rivendicazione 12, nel quale detto sistema contatore di fotoni ha dei canali multipli ed è formato da un intensificatore di immagini e da un complesso di fotorivelatori allo stato solido.
14. Il sistema di rivendicazione 12, nel quale detto sistema contatore di fotoni è formato da un fotomoltiplicatore .
15. Sistema di rivendicazione 12, nel quale detti mezzo per separare la lunghezza d'onda minore è un filtro ad interferenza e detto sistema contatore di fotoni è formato da un fotomoltiplicatore.
16. Sistema per misurare la temperatura superficiale di un pezzo in lavorazione durante un processo di deposizione chimica da vapori assistito da laser, comprendente: mezzi per focalizzare l'emissione termica del pezzo in lavorazione e definire il campo di vista di detto sistema; mezzi per collimare e disperdere detta emissione termica in lunghezze d'onda e colori componenti; un sistema multicanale contatore di fotoni formato da un intensificatore di immagini e da un complesso di fotorivelatori allo stato solido per generare in ogni canale un segnale di rivelatore che dipende dall'intensità della componente ricevuta della distribuzione spettrale di emissione termica; mezzi per sciegliere il canale ricevente la luce di lunghezza d'onda minore verso l'estremo blu ed emettere il rispettivo segnale di rivelatore che è indicativo della temperatura superficiale di detto pezzo in lavorazione.
17. Il sistema di rivendicazione 16, nel quale detto mezzo per disperdere emissione termica è un prisma ottico.
18. Il sistema di rivendicazione 16, nel quale viene misurata la temperatura di una macchia su una superficie di detto pezzo in lavorazione, detta mezzo per definire il campo di vista è una piastra avente un foro e detto fotorivelatore è un complesso lineare.
19. Il sistema di rivendicazione 16, nel quale viene misurata la temperatura di una linea sulla superficie di detto pezzo in lavorazione, detti mezzi per definire il campo di vista è una piastra avente una fenditura attraverso la quale passa l'emissione termica focalizzata e detto fotorivelatore è un complesso bidimensionale.