（光学工程专业论文）激光微细加工中微小高温面元温度实时测控系统的研究.pdf

摘要在激光微细加工中，激光曝光区的温度对激光诱导扩散生成p n 结的结深、杂质浓度的分布和激光辅助合金生成欧姆接触的接触电阻等具有决定性影响，必须准确测定。此外，由于s i 、i n p 等半导体基片对1 0 6i 肼波长激光的吸收系数随温度升高而变化，在曝光区面积较小时，激光诱导扩散区的温度随聚焦状况、预置温度和入射激光功率等剧烈变化，容易烧坏半导体基片，导致所谓的热致损坏现象。因此，在对激光诱导扩散区的温度进行测量的同时，还需要对其进行实时控制。本文利用红外不接触测温的原理，结合计算机接口技术、a d 转换技术、步进电机驱动技术等，设计了计算机温度测控系统。该系统由计算机温度测量和计算机温度控制两个子系统组成。温度测量予系统在对半导体基片上的激光焦斑进行不接触测量的同时，可自动对温度最高区进行搜索、定位，并记录温度最高区的温度一时问曲线，其温度分辨率可达0 2 ，测量区域的最小直径达1 8 ，删。在测量子系统进行温度测量的同时，温度控制子系统以测得的温度值作为反馈信号控制电动可调光阑自动控制入射激光的功率，从而实现对扩散区温度的实时闭环控制。如果不加温度控制子系统，热容量极小、温度梯度极大的微小曝光区的温度对入射激光功率、光斑直径等参数的变化都非常敏感，其波动值可高达3 0；加入温度控制子系统后，温度波动控制精度达到土2 ，较原系统提高近一个数量级。据我们检索的结果，目前国内外尚未见到类似的对半导体基片微小高温面元温度实时测控的研究报道，也未见到i n p 半导体基片热致损伤现象的相关研究报道。关键词激光微细加工，激光诱导扩散，温度测量，温度控制a b s t r a c ti nl a s e ra s s i s t e dm i c r o p r o c e s s i n g ，t h et e m p e r a t u r eo ft h es p o ti r r a d i a t e db yl a s e rh a sat r e m e n d o u si m p a c to nt h ed i s t r i b u t i o no fi m p u r i t yc o n c e n t r a t i o n ，t h ed e p t ho fp - nj u n c t i o n ，t h er e s i s t a n c eo fo h mc o n t a c ta n ds oo n i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c e s ，t h et e m p e r a t u r eo ft h ee x p o s e dr e g i o ns h o u l db em e a s u r e da c c u r a t e l y b e s i d e s ，b e c a u s et h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fi n pv a r i e ss h a r p l yw i t ht h ep o w e ro ft h e ，i n c i d e n t10 6c o nl a s e rb e a m ，t h et e m p e r a t u r eo ft h ee x p o s e dr e g i o nf l u c t u a t e sr e m a r k a b l y , e v e nl e a dt ot h e r m a lr u n a w a ye f f e c t ，a n ds o ，t h et e m p e r a t u r eo f t h ee x p o s e dr e g i o ns h o u l db ec o n t r o l l e dr e a lt i m e i nt h i st h e s i s ，ac o m p u t e r - c o n t r o l l e ds y s t e m ，u s i n gi n f r a r e di r r a d i a t i o nt h e o r y ,u t i l i z i n gc o m p u t e ri n t e r f a c et e c h n i q u e s ，a dc o n v e r s i o nt e c h n i q u e s ，a n ds t e p p i n gm o t o rt e c h n i q u e s ，h a sb e e nf a b r i c a t e d t h es y s t e mi n c o r p o r a t e st w os u b s y s t e m ，t h et e m p e r a t u r e m e a s u r i n gs u b s y s t e ma n dt h et e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n gs u b s y s t e m t h et e m p e r a t u r e - m e a s u r i n gs u b s y s t e mc a l lm a pt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc o n v e n i e n t l y ,f i n dt h er e g i o no ft h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ea u t o m a t i c a l l ya n dr e c o r dt h ev a r i a t i o no ft e m p e r a t u r ew i t ht i m ee x a c t l y t h em i n i m u mm e 踟e m e n tr e g i o nd i a m e t e ro f18l u na n dt h et e m p e r a t u r er e s o l u t i o no f 0 2 h a v eb e e no b t a i n e d o nt h eb a s i so f t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，t h et e m p e r a t u r ec a l lb ec o n t r o l l e db yt e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n gs u b s y s t e ma u t o m a t i c a l l y a tt e m p e r a t u r ea r o u n d4 8 0 ，t h ec o n t r o l l i n gp r e c i s i o no f 2 h a sb e e no b t a i n e d i nc o m p a r i s o nw i t ht h e 1 5 b e f o r ea p p l y i n gt h et e m p e r a t u r e - c o n t r o l l i n gs u b s y s t e m ，t h ec o n t r o l l i n ga c c u r a c yh a sb e e ni m p r o v e df o ra no r d e ro fm a g n i t u d ea n dc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fl a s e rm i c r o p r o c e s s i n gt e c h n i c sp e r f e c t l y a sf a ra st h ec o n s u l t a t i o ni sc o n c e m e d ，t h er e p o r to nt h ec o m p u t e rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo ft h em i c r oe x p o s e dr e g i o no nt h es e m i c o n d u c t o r ss u b s t r a t eh a sn o tb e e nf o u n d ，n e i t h e rt h et h e r m a lr u n a w a yo c c u r r i n gi nl n p k e yw o r d sl a s e ra s s i s t e dm i e r o p r o e e s s i n g ，l a s e ri n d u c e dd i f f u s i o n ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：壶耋继日期：勿垆年岁月矽日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：蠡主篮导师签名邋竺：兰日期：卫口夸年5 月2 0 日电子科技大学硕士学位论文1 1 研究背景及意义第一章引言激光微细加工( a s e ra s s i s t e dm i c r o p r o c e s s i n g ) 将激光应用于沉淀、掺杂、合金、退火、腐蚀等工艺”“1 ，具有低温处理、直接写入等独特优点，在微电子、光电子、集成光学、光电混合集成等领域有广阔的应用前景。激光微细加工对曝光区的温度要求很高，在激光诱导扩散、激光辅助合金等激光微细加工工艺中，半导体基片上微小激光曝光区域的温度对激光诱导扩散生成p - n 结的结深、杂质浓度分布和激光辅助合金生成欧姆接触的接触电阻等参数具有决定性影响，必须准确测定和控制。以激光诱导扩散技术为例，扩散系数对温度的波动就非常敏感。根据f i c k 定律丝：d 一0 2 c ( 1 - 1 )研衙式中，d 为扩散系数c 为扩散原予浓度不同温度下，d 与温度的经验公式为。( t ) = d oe x p ( 一嚣j汁z ，式中，d n 为常数k 。为玻尔兹曼常数a e 是有关扩散过程的激活能( 实际上就是杂质原子扩散时所必须克服的某种势垒) 。t 为扩散温度由此可见，d 与温度t 成指数关系，因而t 的微小波动就会引起扩散系数d的巨大变化，并进而对杂质浓度分布及p n 结性能产生重大影响。实际上，微小高温曝光区的温度测控是激光微细加工工艺所必须解决的首要问题，无论是激光诱导扩散还是激光辅助合金，都需要对激光曝光区的温度分布进行实时的精确测控，否则，就难以得到性能良好的p 一疗结或者欧姆接触，当然也就难于做成高品质的光电器件。电子科技大学硕士学位论文1 。2 国内外相关研究发展动态2 0 世纪7 0 年代以来，由于温度测量在激光微细加工中的重要作用，国内外在相关领域开展了广泛的研究”。”。国外有一些关于半导体基片在激光照射下温度变化的理论分析和计算f 6 。j ，但由于具体的实验条件不同，特别是基片材料的光吸收系数和热传导率随温度的变化规律不同，这些理论和计算结果很难直接应用于我们项目的工艺系统。文献( 8 给出了1 0 6 删激光照射下，g a a s 基片的温度随激光功率变化的实验结果并进行了讨论，但该文并没有讨论基片温度随时间的变化以及基片表面的温度分布。文献 9 给出了在不同激光功率密度下，s i在1 0 6 删c o ，激光照射下的温度随时间变化的实验结果，但该实验结果是在假定基片温度是均匀的前提下得到的，这显然与实际情况有出入。国外还有一些公司与研究机构研制开发了用于激光加工的测温仪测温计。美国的s ，r a m a n a t h a n 和m f m o d e s t 运用高温计测定了c o ，激光加工陶瓷材料时的材料表面温度【1 “，该高温计最小可测目标的直径为3 0 0j 删：以色列的y 。t a l 等人用p b s e 光电导体作为探测器测量了c a 激光切割材料时材料的温度p l l ，他们所用的测量计最小可测目标直径为0 2 8 眦。上述两套测量系统共同的缺陷是空间分辨能力不够，不能满足激光微细加工中对直径l o ，删量级甚至更小的微小高温面元进行实时温度测控的要求。国内由中国航空精密机械研究所生产的g f g 红外辐射测温仪【1 2 1 的最小可测目标直径为2 5 衄，可探测波长范围为0 7 5 1 1 0 ，m ；经过改进后的g f g 测温仪”最小可探测目标直径为0 4 6m n ，与激光诱导扩散、激光辅助合金中最小测量面元直径约2 0 m 的要求相差甚远，因此根本不能满足激光微细加工中温度测量的要求。1 3 课题原有的工作基础本课题组曾经报道过微小高温区域的温度测量装置”，该装置采用了红外辐射测温的方法，设计了合适的光路，选择了较小光敏面的光探浸4 器，使测量区域直径可以小到约1 8 朋，温度分辨率达到了1 ，解决了温度的不接触测量问题，但文献u 4 报道的原测量装置未能解决曝光区最高温度区的快速定位及温度随激光功率、光斑尺寸的波动等问题，因而实际应用中很不方便，有时还出现温度过高甚至使基片灼伤的严重后果。电子科技大学硕士学位论文1 3 1 原有温度测量系统的工作原理原有温度测量系统工作原理如图卜l 所示，c o , 激光器输出的1 0 6 o n 激光束经反射镜m 、锗透镜厶聚焦后照射在半导体基片s 上，基片上曝光区受激光照射升温而发出较强的热辐射，曝光区中被测面元的热辐射经透镜i ，投射到探测器d ，探测器d 将接收到的辐射能转换为光电流，实际上也就是把被测面元的温度信号变为电流信号，最后通过检流计g 显示出光电流值，据此可得出相应的温度值。合理地将曝光区y 近似为灰体，其面发光率：r = k o t 4( 卜3 )式中，k 是被测基片在y 区的平均发射本领仃为s t e f a n 常数t 为曝光区中测量点的温度进一步假设透镜接收到的被测面元( 探测器光敏面的共轭面元) 的辐射全部会聚到探测器光敏面，则探测器d 输出的光电流为【1 5 l ：，p = r ，( t ) k c r t 4 s 1 s ( 蒯i )( 1 4 )式中，r ，( ，) 为探测器的电流响应率s 。为透镜厶的通光孔面积s 。为测量区域面积，即ye e 与探测器d 的光敏面共轭面元的面积d 。为厶到基片表面的距离图l 一1 原有温度测量系统的工作原理图( 卜4 ) 式表明，探测器d 输出的光电流对温度的变化非常敏感，只要电流电子科技大学硕士学位论文计g 有较高的电流灵敏度，测温装置就可具有较高的温度分辨率。显然，这种辐射测温法具有不接触测量的功能。在系统中，不采用s ，探测器和g a k l a s g a k s 探测器，而采用光敏面直径为7 0 , u r n 的长波长1 5 5 ，聊的i n g a a s i n p 探测器，是考虑到扩散温度在6 5 0 时，灰体辐射的峰值波长在3 ，肼左右，用后者可使探测器更多地吸收较低能量的光子。考虑探测器输出信噪比和测量区域面积两方面的要求，设计套筒结构和透镜焦距，使透镜成像系统放大率口= 4 ，这样，相应的测量区域直径约为1 8，彻，直径5 0 ，删的曝光区内含3 个测量点，已能满足激光微细加工的工艺要求。透镜l 不但可以减小被测面积，而且还能大幅度提高探测器接收到的被测区域辐射能，因而使探测器输出光电信号的信噪比大幅度提高。由于探测器光敏面的共轭面元( 被测面元) 面积s 、发射本领k 难于准确测定，用理论计算的方法由光电流i 求出温度t 比较困难。本测控系统用热电偶对温度进行定标，即确定检流计的电流示值与被测面元温度之间的关系。测控系统利用对基片进行定标得到的温度t 一光电流i 曲线，示于图卜21 1 ”。利用该结果，就可以根据检流计显示的电流值确定基片的温度。图卜2 定标结果t - i 曲线1 3 2 原有温度测量系统存在的问题1 3 2 1 温度分辨率和测量范围的矛盾由图卜2 可以看出，当温度从4 0 0 变到7 0 0 时，光电流将从几个纳安变到一百多个纳安，变化范围很大。如果采用检流计的高灵敏度档进行测量，量程不能满足这样宽的测量范围。因此只能使用检流计的次灵敏档，但这样测量得6电子科技大学硕士学位论文出的精度又不能令人满意。由于光电流与温度的非线性关系，使系统在低温段的温度分辨率降低，在温度为6 0 0 时，1n a 光电流变化对应的温度变化幅度约为1 ，而在温度为4 5 0 时，1n a 光电流变化对应的温度变化幅度约为1 0 ，温度分辨率显著下降。因此，需要采用新方法使系统能在较宽的测量范围保持足够高的温度分辨率。1 3 3 2 难于准确测得温度场的分布和精确测定曝光区的最高温度区由于种种原因，在曝光区，温度随空间位置的变化是相当剧烈的。为把握温度对激光微细加工质量的影响，必须准确测定的是最高温度、最高温度区空间位置及其邻域的温度空间分布。强度分布为理想高斯分布的c o ，激光垂直照射在磷化铟( i n p ) 基片上时，i n p 片表面的温度分布为：州 ) 。百w 而f j o ( 彻坝南以5 )式中，n t ( r ，w ) 为归一化的温度分布函数r 为i n p 片表面上的点距离光束中心的径向距离出为光束横截面直径盘为i n p 片的吸收系数r = ，肋为基片上点距离光束中心的径向距离一以为单位w = 伽) 为吸收系数与光束横截面直径( 以下简称光束宽度) 的乘积，其值由光束和基片本身的特性决定的 为一阶贝赛尔函数f ( 兄) = = le ( - ( 该形式只对强度分布为高斯分布的激光束适用)基片表面最高温度区应呈现在光束中心，结合式( 卜5 ) ，可得基片表面温度最高区的温度随w 的变化规律：n t ( o , w ) - 而w 丽f 砌) 志以s )利用数学工具软件m a t h e m a t i c a s 对式( 1 6 ) 作图，可得i n p 片表面温度最高区的温度与w 的关系曲线，如图1 3 所示。当w 为一定值时，根据式( 1 5 ) ，可得基片上温度的径向分布曲线，如图1 - 4 所示。实际上，由于光路不可避免引入的波前畸变、基片并不严格垂直于入射光柬电子科技大学硕士学位论文等原因，实际温度场的分布不会严格满足式( 1 5 ) ，在激光微细加工中，一般都应实验测定最高温度区及基片表面温度分布。另一方面，由图1 3 和图1 - 4 ，可以看到，无论是基片最高温度区的温度，还是基片上温度的径向分布，都将随着w 的变化而变化。因为w 是吸收系数与光束宽度的乘积，在激光微细加工的过程中，i n p 片的吸收系数以及光束宽度都将发生波动，所以，w 在加工过程中并不稳定，其值将随着基片吸收和光束宽度的变化而变化，并必然地导致基片最高温度区的温度及基片表面温度分布的频频变化。在利用原有测量系统进行温度场的分布测量和最高温度区的测定时，以手动移动测温套筒、逐点记录温度值及对应套筒坐标的方法来测量温度场的分布和寻找最高温度区。由于调节台的坐标值和检流计的电流示值要用人工方法记录成表格，测量一个图形的时间较长，而且必须要测定尽量多的点才能真实反应温度场的分布。这样，即使进行一维的测量，也要花费相当长的时间，费时费力，更重要的是，在这样长的一段时间里，入射激光功率的波动在所难免，整个曝光区的温度也就必然变化，因而使得用这种方法测量温度场在事实上难于实现。而最高温度区需要在整个曝光区寻找，应在得到温度场分布后才能准确获得，显然就更是难上加难。理论分析和实验结果都表明，如果不采用计算机测量与控制系统对入射光功率等实行实时的快速测量和有效的闭环控制，激光曝光区最高温度的测定及温度场分布的测量都是十分困难的。l 盯o 。图1 3 基片表面温度最高区的温度与w 的关系曲线电子科技大学硕士学位论文图卜4i n p 片表面温度场的径向分布1 3 3 3 系统没有温度控制功能在一定激光功率、曝光区面积及基片预置温度都保持稳定的条件下，可以使曝光区温度保持在一定范围，但是，由于r n p 半导体基片对i o 6 m 波长激光的吸收系数随温度升高而增加，使曝光区的温度很难调整在相应工艺要求的最佳范围。在曝光初期，低温基片的光吸收系数较低，因而即使用较高的入射光功率密度，基片温度也难于达到激光微细加工所要求的温度。在提高入射光功率密度以提升基片温度的过程中，一旦基片温度超过某一阈值，温度升高引起基片光吸收系数增加，光吸收系数增加又反过来引起基片温度进一步升高，一旦进入这极不稳定的“正反馈”状态，如不及时调整曝光区的入射光功率密度，很容易引起基片过热，甚至发生热致损伤的灾难性后果。此外，由于激光曝光区面积极小( 直径仅约5 0 , u r n ) ，微小的光功率波动及光路振动都可能引起显著的光功率密度变化因此，如果不对曝光区温度进行实时控制，要得到符合工艺要求的温度及温度分布是非常困难的。即使采用较大曝光区面积，得到了相对稳定的温度分布，由于实验过程中，激光功率、预置温度等不可避免的波动，对温度的实时控制也同样必不可少，激光微细加工中，只有采取措施对激光微小曝光区的温度进行实时控制，才能制成性能良好的器件。1 4 本文的主要工作本文阐述的计算机温度测控系统的设计研制，主要任务来源于表卜i 所示的科研项目。9电子科技大学硕士学位论文表卜1 计算机温度测控系统的项目来源项目来源项目名称项目编号国家自然科学基金用激光辅助微细加工技术制作单片6 0 2 7 7 0 0 8o e i c s教育部科学技术研究单片o e i c s 的激光微细0 3 1 4 7重点项目加工制作新工艺军事电子预研单片光电集成器件制造新技术研究5 2 3基金项目四川省科技厅资助项目单片光电混合集成器件的激光微细0 1 g g p l 9 0 4加工制作技术针对原有温度测量系统的缺陷和不足，综合利用计算机接口技术、v c + +软件技术、步进电机驱动技术、i s a 总线技术和电路技术对原有的温度测量系统进行了全面改造，设计完成了全新的计算机温度测控系统。本文主要完成了以下几个方面的工作：第一以高精度电流放大器、a d 转换器代替原有系统中的检流计，由计算机通过a d 转换器读入数字信号，计算机通过计算、记录，最后直接显示出基片的温度信息。此时，温度分辨率主要决定于所选a d 转换器的位数，不受测量范围的限制。这样，不但解决了测量范围与测量精度之间的矛盾，还使得微细加工中读数方便，准确。第二系统引入了精密位移平台及相应的步进驱动控制组件。通过计算机控制二维平台移动，对最高温度区域进行搜索、定位，从而测出焦斑中心温度、热斑边界等重要工艺参数。这样，在进行激光微细加工时，可方便迅捷地实时测定、显示曝光区的温度及温度分布。第三增加了计算机温度控制子系统( 改进后的系统称为计算机温度测控系统，由温度测量与温度控制两个子系统组成) ，使原测量系统增加了温度控制的功能。温度控制子系统利用一电动可调光阑控制入射光的入射孔径，这就控制了入射到基片上的激光功率，从而实现了对基片温度的实时闭环控制，并进而有效o电子科技大学硕士学位论文地避免了热致损伤现象的发生。改进后的温度测控系统对曝光区进行温度测量时，其温度分辨率可达o 2 。c 测量区域的最小直径达1 8 , u r n ；利用其控制子系统对曝光区最高温度进行控制的时候，在温度约4 8 0 时，使温度波动幅度降低近一个数量级，由原系统高达3 0 的温度波动降到2 。本计算机温度测控系统的性能参数，能满足激光微细加工中温度测控的要求，因此，该计算机微小面元温度测控系统必将为精确控制激光微细t r i m 中的工艺参数，进而制作出高性能的器件打下坚实的基础。本文的结构如下：第一章引言，先介绍了计算机温度测控系统的研究背景；然后又概括了国内外相关研究发展动态；接着，详细阐述了课题组原来已开发出的计算机温度测量系统的工作原理、实验装置等，总结了原有系统的不足和缺陷；最后，简单介绍了本文的主要工作，即：具体采取了那些措簏对原温度测量系统进行改进，设计完成的计算机测控系统是怎样成功克服原有系统缺陷，从而提高测量精度与控制精度的。第二章计算机温度测量子系统的硬件，详细介绍了计算机温度测量子系统的几个主要硬件模块( 微电流放大器、计算机接口卡、精密位移平台)的工作原理、器件参数、使用方法以及在温度测量子系统中是如何实现对这些硬件模块的控制运用的。第三章温度测量子系统的软件，叙述了计算机温度测量子系统的软件界面、软件算法流程。第四章i n p 衬底激光曝光区的温度波动及热致损伤现象，先介绍了利用温度测量子系统测量基片表面温度分布时遇到的基片表面温度波动及热致损伤现象，然后，利用半导体物理及光学相关知识分析了温度波动及热致损伤现象产生的机制，最后，分析了进行温度计算机实时闭环控制的必要性，引出了本文为避免热致损伤现象及削弱温度波动所研制开发处的计算机温度控制子系统。第五章计算机温度控制子系统，详细介绍了计算机温度控制子系统中所用到关键硬件模块一电动可调光阑，阐述了电动可调光阑控制温度的原理及电动可调光阑的驱动器设计，并给出了电动可调光阑的软件算法。电子科技大学硕士学位论文第六章实验结果，给出了利用计算机温度测控系统进行测量与控制的实验结果，并对实验结果进行了计算分析，分析表明，该温度测控系统在对基片温度进行准确测量的同时，还有效地避免了热致损伤现象、并大大降低了基片表面温度波动的幅度。附录给出了计算机温度控制子系统中所用到软件源程序、芯片资料，以及一些硬件的实物图，供参考。1 5 本文的创新之处1 实验中观察到了i n p 片表面激光曝光区发生的热致损伤现象，并进行了相关的理论分析。国外虽然有关于s i 片表厩热致损伤现象的报道，但有关i n p 片表面热致损伤现象的报道还未曾见过。2 研制成微小高温区( 直径约为5 0 ，册) 温度的计算机控制实时不接触测量子系统，该子系统综合应用红外探测技术、计算机接口技术、a d 转换技术、步进电机驱动技术及软件设计技术等多项技术，很好地实现了温度测量的高度自动化，且测量迅速、操作简便。3 设计研制成激光曝光区温度的计算机控制实时闭环控制子系统，该子系统由计算机控制可调光阑，实时调整入射光功率密度，进而实现对基片表面微小曝光区温度的实时闭环控制。经过对实验结果的分析，证实系统对激光曝光区微小面元温度的控制是实时有效的，可以把温度的波动幅度降低近一个数量级，能满足激光微细加工工艺的要求。2电子科技大学硕士学位论文第二章计算机温度测量子系统的硬件2 1 计算机温度测量子系统的特点改进后的计算机温度测量子系统工作原理如图2 一l 所示，其实物照片见附录二。由图2 一l 可看出，改进后的温度测量子系统主要是由放大透镜，热探测器套筒、前级微电流放大器、计算机接口卡( 主要是由a d 转换器和i s a 总线接口组成) 、步进电机驱动器，精密位移平台组成。该温度测量子系统首先利用1 3 节所述红外辐射测温的原理，将基片上微小被测面元因受激光照射而发出的较强热辐射经透镜l 会聚到光电探测器d 的光敏面上，将热辐射转换为光电流，实际上也就是把被测面元的温度信号转换为电流信号：然后，微电流放大器将d输出的电流信号转换为电压信号：最后，由a d 转换电路将前级微电流放大器输出的电压信号转换为数字信号，并通过i s a 总线输入计算机进行计算、记录及显示。通过实验定标，计算机可将i s a 输入的数字信号直接和温度对应，并通过软件界面显示。计算机是通过对精密位移平台的控制来完成i n p 片表面温度场的扫描的，具体是由计算机通过接口卡控制步进电机的驱动器，步进电机在其驱动器的驱动下实现对精密位移平台的控制。图2 一l 改进后的温度测量子系统原理图改进后的温度测量子系统相对于原有的温度测量系统有以下几个显著优点：第一，改进后的温度测量子系统前端采用了微电流放大器，加上后面的j 2 位逐1 3电子科技大学硕士学位论文次逼近式a d 转换器a d l 6 7 4 ，很好地解决了原有系统测量精度与测量范围之间的矛盾，极大地提高了测量精度，在温度为6 0 0 附近，温度分辨率达到0 2 ；第二，改进后的系统采用计算机控制精密电动平台( 步距1 2 5 a n ) ，对基片表面温度场进行扫描，结合计算机接口技术、软件技术，可以非常准确方便地找到基片表面的最高温度区。克服了原有系统采用手动调节套筒位置带来的误差与不便；第三，由于改进后的系统采用a d 转换技术，及较好地融合了计算机接口技术，我们可以很方便地观测、记录到温度场随时问的变化关系，这为后面准确实现温度控制打下了坚实的基础。本章将详细介绍温度测量子系统中电流放大器、计算机接口卡、精密位移平台三个重要硬件模块，其他硬件模块及软件源程序，详见其它章节及附录一。2 2 微电流放大器由于探测器所采集到的光电流较微弱( 约1 0 0 1 0 2 n a ) ，因此需要对信号进行前级放大，使之能够达到a d 转换器输入模拟信号所要求的强度。温度测量子系统采用微电流放大器对探测器输出的电流进行放大，其原理如图2 2 所示：p d图2 - 2 微电流放大器电路原理图微电流放大器所采用的集成运算放大器是型号为a d 5 4 9 的高性能运算放大器，其主要性能参数如下“：最大偏置电流：6 0f a最大输入失调电压：0 5m v低频时输入电压噪声：41 1v电子科技大学硕士学位论文低频时输入电流噪声：0 3 6f a输入电阻：1 0 ”q开环电压增益：1 0 0 0v m y输入电压范围：2 0v由图2 2 可知，系统所用的是直接反馈式电流放大器。因为系统所采用的集成运放a d 5 4 9 的开环电压增益( 1 0 0 0v m v ) 和输入电阻( 1 0 ”q ) 都很大，且r ，( 3 0m q ) 远大于r ，( 1 5k q ) ，所以根据模拟电路知识有”1 ：u n = 。只f( 2 1 )电流放大器中引入r ”c ( 是为了提高响应速度，对输入信号中的高频分量进行适当的提升。未引入震( 、c 。时，放大器的时间常数为：f = r f c f( 2 2 )引入墨、c 、后：u ，= u ，+ u 。篇= u ，+ u 。于是u fu ，一氓丽11 + j o x y c 覆式中，a 。为a d 5 4 9 的电压增益系数。又u i ：= i ，丽r f由式( 2 - 4 ) 和式( 2 - 5 ) 可以得到u ，( 1 + 雨瓦a u o 瓦) = ，丽r f( 2 5 )( 2 - 6 )击黯赫彘电子科技大学硕士学位论文由( 2 - 5 ) 可以得到折算到电流放大器输入端的等效阻抗：z ，：竺! 二一1 +鱼j1 + j c o c f r f ?1 + j q r r2 瓦1 + j 丽c o c 万c r ( ：瓦i 而r f( n r 7 )1 + j cf r f1 + a l o + j 毋c ：r ( i”j由于系统所采用的器件参数有以下关系：r f c f = r f c f( 2 8 )所以有：乙2 彘2 焉r f i + a e m( 2 - 9 )式( 2 - - 9 ) 表明，可以把z + 看成是由电阻r ，1 + a 。和电容c 。并联雨戏的，可得微电流放大器的时间常数为：。：生f 生盟( 2 - i 0 )式中，c j 为a d 5 4 9 的输入电容。由式( 2 1 0 ) 可知，因为运放a d 5 4 9 的开环增益4 ，。很大，所以电路时间常2 3 计算机接口卡计算机接口卡实现了计算机与外围设备( 精密位移平台、可调电动光阑、及热探测器) 之间的信息交换，是实现温度测量与控制的关键器件。计算机接口卡的电路原理如图2 3 所示，计算机接口卡主要由i s a 总线、译码电路、a d 转换电路和步迸电机接口电路四部分组成，本节将详细介绍这四部分电路。2 。3 1i s a 接口总线“”i s a ( i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线是i b m 公司1 9 8 4 年为推皇三型垫奎堂堡主兰竺丝塞出j d c 爿r 机而建立的系统总线标准，所以也叫a t 总线，它是对船总线的扩展，以适应8 位或1 6 位数据总线要求，它推出后得到广大计算机同行的承认，兼容这一标准的微型计算机纷纷问世。嚣j 二一；8 l -b 1 0e 3 l图2 - 3 计算机接口卡电路原理图a l o姆继嚣正律：驯群疆渐元件珈图2 4i s a 总线信号编号i s a 总线共包含9 8 根信号线( l 脚如图2 4 所示) 。它们是在原胛总线6 2 线的基础上再扩充3 6 线而成的。其扩充卡插头插槽也有两部分组成，一部分是原电子科技大学硕士学位论文灯总线的6 2 线插头插槽( 分为a 、b 两面，每面3 1 线) ，另一部分是新增的3 6线插头插槽( 分c 、d 两面，每面1 8 线) ，新增的3 6 线与原有的6 2 线之间有一凹槽隔开。这样原有的姆16 2 线部分可独立使用，保证了按p c 朋丁总线标准设计的插件板照样可原封不动地插在1 s a 总线扩充槽的前6 2 线位置上工作，因此i s a 总线系统向上与朋1 总线系统兼容。2 3 1 1 系统所用到的i s a 总线编号和信号定义i s a 总线信号编号如图2 - 4 所示，其信号定义如表2l 所示。i s a 总线的所有信号线都是t t l 电平，最大负载为2 个低功率肖特基( l s ) 器件。温度测量系统所用到的信号线说明如下：c l k ( 输出) ；时钟信号，8 m h z 的a t 系统时钟r e s e td r v ( 输出) ：复位驱动信号，高电平有效，在加电时或断电时复位系统s a o s a l 9 ( 输入输出) ：系统地址总线，用于系统内存储器和i 0 设备的地址这2 0 条地址线加上l a l 7 l 2 3 ，允许寻址多达t 6 m b 的存锗空间在“b a l e ”处于高电平时，s a o s a l 9 接到系统总线上，并在“b a l e ”下降沿锁定这些信号是由c p u 或d n a 控制器产生的，它们也可以由驻留在i 0 通道的其它处理器或d m a 控制器驱动s d o s b l 5 ( 输入输出) ：系统数据总线信号。这1 6 根线提供处理器、存储器和i o 设备之间的数据传输。b a l e ( 输出) ：缓冲的地址锁存允许信号，它用来在下降沿时锁存地址信号s a o s a l 9 ，在d m a 周期中，b a l e 被! l 呈为高电平。i o c t l e k ：# ( 输入) ：i 0 通道校验信号。该信号低电平有效，表示i 0通道上的设备存在奇偶错误。i o c h r d y # ( 输入) ：i 0 通道准备好。该信号可以由存储器或i 0 设备拉到低电平以延长存储器或i 0 读写周期它保持低电平的时间不应超过2 5“j 。i o r # ( 输入输出) ：i 0 读信号该值一号低电平有效，它命令i 0 设备把其数据传送到数据总线上。i o w a ( 输入输出) ：i 0 写信号，命令i 0 设备从数据总线上读取数据。a e n ( 输出) ：d m a 地址允许信号。该信号有效时，由d m a 控制器控制地址总线，存储器和i 0 读写命令线。电子科技大学硕士学位论文表2 1i s a 总线信号定义引脚定义方向引脚定义方向引脚定义方向a li ( 3 c hc k 帮_ 一i b lg n dc 1s b h e_ 卜a 2s d 7_ +b 2r e s e td r n_ _ c 2l a 2 3ha 3s d 6忪卜5 vd cbl a 2 2睁a 4s d 5_ +b 4i r q 9扣l c 4l a 2 i1 峥a 5s d 4_ b 5- 5 v d cc 5l a 2 0降a 6s d 3_ +b 6d r q 2- 一c 6l a l 8峥a 7s d 2q | b 71 2 v d c5c 79 l a l 7_ +a 8s d l_ 怫b 8o w s- 。c 8i l a l 6_ i a 9l s d 0降b 9。+ 1 2 vo cc 9m e m r 并a 1 0i ，o c hr d y #呻一岫ol i g n dc 1 0m e m w_ 坐a e n+b 1 】s m e m w #- c l ls d 0 8。降a 1 2s a l 9_ +b 1 2s m e m r #+ | i c l2s d 0 9a 1 3s a l 8_ _ b 1 31 ，0 w- + l i c i3s d l 0_ a 1 4s a l 7卜| | b 1 41 i o r #- c 1 4s d l i_ 卜卜a 1 5s a l 6- b 15i d a c k 3 #_ 。c l5s d l 2_ - a 1 6s a l 5- - b 1 6d r q 3- c 1 6s d l 31 +a 1 7s a l 4- _ 。卜b i7l i d a c k i #_ _ c 17l s d l 4峥a 1 8s a l 3- - b 18d r q i- 。c 1 8s d l5峥a 1 9s a l 2b 1 9r e f r e s h #降d lm e mc s l 6 #_ _a 2 0s a l l_ _ b 2 0c l kl i d 2i o c s l 6一a 2 ls a l o- - b 2 ll r 0 7一d 3i r o l 0_ 一a 2 2i s a 9_ _ b 2 2l r q 6- d 41 r 0 1 1_ -a 2 3s a 8_ _ _ b 2 3i r q 5一d 5i r q l 2- , , i - - -i a 2 4s a 7- - 卜b 2 4i r q 4_ 4 d 6i r q l 5_ - 一a 2 5s a 6_ _ b 2 5i r q 3_d 7t 0 1 4卜_ -l a 2 6s a 5b 2 6d a c k 2 #- - +d 8d a c k 衅_ _ +a 2 7s a 4- - +b 2 71 | c_ - d 9d r q 0_ 一a 2 8s a 3_ +b 2 8b a l e- - d 1 0d a c k 5 #- a 2 9s a 2- - b 2 9+ 5 v d cd 1 id r 0 5一a 3 0s a l- b 3 0o s c_ _ d 1 2d a c k 6 #_ _ a 3 ls a 0l b 3 1l g n dd 1 3d r q 6- _d 1 4d a c k 7 #_ _ d 15l d r q 7_ -d 1 6+ 5 v d cd 1 7m a s t e r #一d i s4 g n d19电子科技大学硕士学位论文2 3 1 2i s a 总线的典型操作时序c p u 是在统的时钟信号c l k 控制下按节拍进行工作的，它执行指令总是经过取指令、指令译码、执行指令规定的操作3 个时间段来完成的。在这期间至少要和系统总线发生一次关系，即通过系统总线对存储器读或写，对i 0 端口进行读或写。我们把通过系统总线的这个时间操作过程称为总线周期。而i s a 总线就是一种系统总线，因此，有关的总线周期也会在i s a 总线上体现。i s a 总线的典型操作时序主要有8 位1 6 位存储器读或写周期、8 位1 6 位的i 0 读或写周期、d m a 周期、中断请求和中断响应周期等。在计算机温度测控系统中，用到了1 6 位的i 0 读或写周期，下面予以简单介绍。s a qs d ot ( )图2 - 51 6 位i o 读写周期1 6 位i 0 读或写周期时序如图2 5 所示，由图2 5 可知，不插入等待状态的1 6 位i o 读写周期需6 个时钟周期，因自动插入了两个等待周期，1 0 r #有效时为读操作，i o w # 有效时为写操作。等待周期是通过i 0c h r d y # 线在t 2结束时置低电平插入，若i oc hr d y # 线一直保持为低电平将不断插入等待周期，但最多只能插入四个等待周期。i oc s l 6 有效表示是1 6 位的i o 读或写操作。2 3 2 译码电路计算机接口卡主要完成的功能是控制a d 转换、读取a d 转换后的数据和控制步进电机。计算机接口卡是通过译码电路来判别应该执行何种功能的，译码电路主要是由比较器7 4 l 9 6 8 8 和译码器7 4 l s l 3 8 组成，如图2 3 所示。应特别指出电子科技大学硕士学位论文的是，由于是i o 端口操作，i o r # 和i o w # 必须参与地址译码。系统设计中，通过软件定义了三个端口：控制电机端口( 0 x 3 0 2 ) 、读取a d 转换数据端口( o x 3 0 0 )和控制a d 转换器端口( o x 3 0 1 ) ，每个端口都定义了各自的端口地址，译码电路通过对i s a 总线传出的地址信号进行译码，判断应该执行何种操作。译码电路工作时，主要是由比较器7 4 l s 6 8 8 和译码器7 4 l s l 3 8 完成对i s a 总线发出的地址信号( a e n ，a o a 9 ) 的译码任务，当i s a 总线发出的地址信号为0 x 3 0 2 时，译码电路输出y 2 为低，y 0 和y l 为高，则锁存器7 4 l s 3 7 3 进入工作状态，计算机通过7 4 1 。$ 3 7 3 控制步进电动机的驱动；当i s a 总线发出的地址信号为o x 3 0 1 时，译码电路输出y 1 为低，y o 和y 2 为高，a d 转换器a d l 6 7 4 进入工作状态，开始进行a d 转换：当i s a 总线发出的地址信号为o x 3 0 0 时，译码电路输出y o 为低，y 1 和y