激光測溫之干涉測溫技術知識簡析

本文從原理和應用的角度介紹了激光干涉測溫技術。

干涉測溫技術原理

干涉測溫技術是幾種主要的激光測溫方法之一。

當入射激光束照射到具有兩個平行平面的透明板上時，由于透明板中的多次反射而產生的干涉會出現，并且可以觀察到光條紋，如下圖。

d是透明薄膜的物理厚度，

L1和L2的光程差，

光程差與材料的溫度相關系數，也與激光的入射波長相關。

指定波長情況下，通過量測條紋的變化，可以推算出厚度d（熱膨脹）、折射率n的變化，進一步可以推測出溫度的變化。

干涉測溫技術應用

干涉測溫技術只能在襯底材料相對于探測光束透明時使用。

使用632.8nm的He-Ne激光器研究許多光學透明電介質，其中熱膨脹是主要影響。

1.15um和1.5um的IR激光器則用于半導體工藝（Si、GaAs、InP、InGaAsP）的溫度監測，如等離子體蝕刻、薄膜沉積和退火。

對于介電材料的溫度測量，熱膨脹在光路變化中占主導地位。

然而，對于半導體干涉溫度測量，熱膨脹效應和折射率的溫度依賴性都會導致干涉現象。折射率的溫度依賴性是由折射率直接相關的能隙Eg的溫度依賴引起的。因此，當通過干涉測溫法確定溫度時，必須同時考慮熱膨脹和折射率。

通常，熱膨脹系數的值比折射率的溫度系數小大約一個數量級，如下圖。

因此，半導體干涉測量法對折射率的變化比對厚度的變化敏感大約10倍。

圖：硅襯底溫度測量實驗系統，來自：Studies on real-time and high sensitive monitoring methods for material processing using ultrashort-pulse laser techniques

審核編輯：劉清