Способ измерения температуры поверхности образца, облучаемого газоразрядной плазмой

Изобретение относится к области измерительной техники. Способ заключается в том, что образец, площадь горизонтальных поверхностей которого много больше площади боковых сторон, бомбардируют потоком газоразрядной плазмы. При этом определяют величину отводимого тепла, а величину искомой температуры определяют по предлагаемой формуле. Технический результат: аналитическое определение температуры поверхности образца, облучаемого газоразрядной плазмой, с целью ее регистрации и контроля в процессах вакуумно-плазменной обработки. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к технике измерения температуры, и может быть использовано для определения температуры поверхности, облучаемой газоразрядной плазмой и недоступной для прямых термоизмерений.

Известен способ измерения температуры (1. Патент Российской Федерации №2005133667 U1, МПК G01J 5/10, опубликованный 2006.04.27. 2. Авторское свидетельство SU 1189191 А1, МПК G01J 5/60, опубликованный 27.04.2006, Бюл. №12) путем регистрации оптического излучения нагретой поверхности по схеме классического приемника излучения.

К недостаткам указанного способа следует отнести собственное мощное немонохроматичное излучение плазмы газового разряда, обусловленное рекомбинационными процессами взаимодействия заряженных и нейтральных частиц рабочего газа.

Известно устройство для измерения температуры поверхности, находящейся под электрическим потенциалом (патент Российской Федерации №2272260 С1, МПК G01K 13/00, опубликованный 20.03.2006, Бюл. №8), помещенное в корпус из электроизоляционного материала. Корпус крепится к поверхности с помощью кронштейна. По оси канала в корпусе размещено термосопротивление, проводники которого выведены через канал наружу. Однако применение данного устройства в процессах формирования элементов микроэлектроники на всей поверхности образца невозможно вследствие экранирования измерителем температуры поверхности обработки и неустранимого влияния устройства на параметры газового разряда.

Известно устройство для измерения температуры объекта, нагреваемого ионизирующим излучением (патент Российской Федерации №2004132593 А, МПК G01K 13/08, опубликованный 20.04.2006, Бюл. №11), содержащее термопару, измерительный спай которой расположен в контролируемой зоне, и блок регистрации электрического сигнала, соединенный со свободными концами термопары, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным электродом, один конец которого соединен с измерительным спаем термопары, а другой заземлен, причем дополнительный электрод выполнен из материала, аналогичного материалу одного из электродов термопары. Однако данный метод неприменим для контроля температурного состояния поверхности в процессах ее обработки в плазме газового разряда.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения максимальной температуры объекта при нагревании его облучением электронным пучком (Патент Российской Федерации №2168156 С1, МПК G01J 5/12, опубликованный 27.05.2001), включающий введение измерительного спая термопары в контакт с контролируемым объектом и регистрацию термоЭДС. При этом спай термопары вводят в контакт с контролируемым объектом на расстояние, которое зависит от пробега электронов в материале объекта. Такое выполнение способа позволяет измерить максимальную температуру объекта при нагревании его облучением электронным пучком.

К причинам, препятствующим применению данного способа, следует отнести слабую проникающую способность потока газоразрядной плазмы в образце, когда максимальная температура характерна для облучаемой поверхности. В дополнение к этому введение измерительного спая термопары в объем образца приводит к невосполнимому нарушению его свойств.

В основу изобретения поставлена задача аналитического определения температуры поверхности образца, облучаемого газоразрядной плазмой, с целью ее регистрации и контроля в процессах вакуумно-плазменной обработки.

Данная задача решается за счет того, что в способе измерения температуры поверхности образца, облучаемого газоразрядной плазмой, заключающемся в бомбардировке потоком газоразрядной плазмы, согласно изобретению определяют величину удельного теплового потока, отводимого с нижнего основания образца, площадь горизонтальных поверхностей которого много больше площади боковых сторон, и с учетом величины удельного потока, поступающего на поверхность, облучаемую газоразрядной плазмой, определяют величину истинной температуры в области бомбардировки, представленную в комплексном виде, по формуле:

где Т(р), Т₀(р) - изображения истинной температуры облучаемой поверхности и начальной температуры образца, определяемые прямым преобразованием Лапласа;

K₁(р), K₂(р) - изображения производных функции температурной реакции верхней и нижней горизонтальных поверхностей образца на единичный тепловой поток по времени соответственно;

q₁(p), q₂(p) - изображения удельного теплового потока, поступающего на облучаемую поверхность, и потока, отводимого с нижнего основания.

Схема устройства для осуществления заявляемого способа представлена на фиг.1, где 1 - облучаемый образец, площадь горизонтальных поверхностей которого много больше площади боковых сторон, 2 - поток газоразрядной плазмы, 3 - измеритель температуры, 4 - аналого-цифровой преобразователь, 5 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ).

Способ осуществляют следующим образом.

Одну из поверхностей образца 1 приводят в контакт с плазмой газового разряда 2, являющейся источником теплоты. С помощью термодатчика 3 измеряют величину отводимого удельного теплового потока основания q₂. Величину истинной температуры в области бомбардировки определяют из уравнения (Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. М.: Машиностроение, 1988, с.33):

где q₁ - удельный тепловой поток, поступающий на поверхность, облучаемую газоразрядной плазмой, Вт/м²;

q₂ - удельный тепловой поток, отводимый от нижнего основания образца, Вт/м²;

b - толщина плоского образца, отсчитываемая вдоль нормали его к горизонтальной поверхности, м;

Θ(х,y) - функция температурной реакции поверхности тела на единичный тепловой поток, определяемая соотношением (Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. М.: Машиностроение, 1988, с.33):

где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К);

а - коэффициент температуропроводности, м /с.

Аналитическое решение уравнения (2) для истинного значения температуры обрабатываемой поверхности с учетом ненулевого начального условия Т(х,0)=Т₀ может быть получено в комплексном виде:

где р - комплексный аргумент; Т₀(р) - изображение начальной температуры образца; Т(р), q₁(p), q₂(p) - изображения соответствующих функций, определяемых прямым преобразованием Лапласа (Данко П.Е. и др. Высшая математика в упражнениях и задачах, 2003, с.305):

K₁(р), K₂(р) - изображения частных производных по времени от функций Θ(0, τ), Θ(b, τ) в точках х=0 и х=b. Данные производные имеют следующий вид:

Изображения указанных производных, определяемые прямым преобразованием Лапласа, соответственно равны:

Выражения в (6) являются сходящимися знакопеременными рядами и могут быть вычислены с необходимой точностью отбрасыванием правой части суммы, при этом погрешность вычисления ряда не превосходит абсолютного значения первого из отброшенных членов.

Нахождение величины отводимого теплового потока q₂ осуществляют следующим образом. Производят измерение температуры нижнего основания образца Т_нижн с помощью термодатчика 3 и с учетом величины подводимого теплового потока q₁ записывают решение уравнения (4) для измеренной температуры:

В этом случае происходит замена координаты х=0 на х=b (фиг.1) и, как следствие, сумма в выражении для K₁(p), K₂(p) меняет свой знак на противоположный, что следует из формулы (3). Поэтому позиции функций K₁(р), K₂(p) при q₁(p), q₂(p) изменены по сравнению с (4).

Далее выражают искомое значение q₂(p) из (8):

Подстановка в (4) приведенных значений для K₁(р), K₂(р), q₂(p) с учетом величины подводимого теплового потока и начальной температуры образца позволяет определить искомую температуру облучаемой поверхности в комплексном виде. Действительное значение температуры поверхности образца T(0,t) определяют на основании обратного преобразования Лапласа, например, с помощью программного обеспечения ЭВМ, сопряженного с датчиком температуры.

Способ измерения температуры поверхности образца, облучаемого газоразрядной плазмой, заключающийся в бомбардировке потоком газоразрядной плазмы, отличающийся тем, что измеряют величину удельного теплового потока, отводимого с нижнего основания образца, площадь горизонтальных поверхностей которого много больше площади боковых сторон, и с учетом величины удельного теплового потока, поступающего на поверхность, облучаемую газоразрядной плазмой, определяют величину истинной температуры в области бомбардировки, представленную в комплексном виде, по формуле

T(p)=q₁(p)K₁(p)+q₂(p)K₂(p)+T₀(p),

где Т(р), Т₀(р) - изображения истинной температуры облучаемой поверхности и начальной температуры образца, определяемые прямым преобразованием Лапласа;

К₁(p), К₂(р) - изображения производных функции температурной реакции верхней и нижней горизонтальных поверхностей образца на единичный тепловой поток по времени соответственно;

q₁(p), q₂(р) - изображения удельного теплового потока, поступающего на облучаемую поверхность, и потока, отводимого с нижнего основания.