專利名稱：原位非接觸探測mocvd石墨溫度分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種探測MOCVD設(shè)備石墨溫度分布的方法。
背景技術(shù)：
金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)又稱MOCVD(Metal-Organic ChemicalVapor Deposition的簡稱)。它自二十世紀(jì)六十年代首次提出以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)成為砷化銦、磷化銦等光電子材料和器件生產(chǎn)的核心技術(shù)。另外，金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)還是制備氮化鎵發(fā)光二極管和激光二極管外延片的主流方法。使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備生長材料，特別是要生長出高質(zhì)量的材料，對于石墨溫度的監(jiān)測是非常重要的。因為外延片放置于石墨上，因此，反應(yīng)室中石墨溫度均勻性影響外延膜的均勻性。以往的設(shè)備，均是在反應(yīng)室中放置一個熱電偶來測量反應(yīng)室中的溫度，但僅用這一溫度來表示反應(yīng)室的溫度是非常粗糙的，它不能反應(yīng)出反應(yīng)室中的溫度分布，特別是石墨的溫度分布。如果要測量溫度分布，一般方法為(1)用多個探頭(如熱電偶、光學(xué)高溫計等)在多點同時測量；(2)用一個探頭對多個點掃描測量。前者成本高，空間分辨率有限；后者不能對多個點同時測量，而且需要X-Y平動裝置實現(xiàn)掃描功能。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種原位非接觸探測石墨的溫度分布的方法。此方法以數(shù)碼相機(jī)作為媒介，通過分析所拍攝到的圖像的數(shù)據(jù)，得到石墨溫度分布的信息。該方法不僅成本低、溫度分辨率和空間分辨率很高，而且多點同時測量，測量速度快，可以進(jìn)行數(shù)字處理、記錄和保存。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種原位非接觸探測MOCVD石墨溫度分布的方法，其采用數(shù)碼相機(jī)對石墨進(jìn)行拍照，根據(jù)數(shù)碼相機(jī)所記錄的圖片的數(shù)據(jù)來分析石墨溫度分布的特性；包括步驟(1)，用數(shù)碼相機(jī)對整塊石墨進(jìn)行拍照；(2)，用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，分析每一個象素點的分量；(3)，以所得的象素點的分量數(shù)據(jù)，對比取樣象素點的相應(yīng)分量值，并根據(jù)“黑體輻射”規(guī)律來確定石墨溫度分布。
所述的探測MOCVD石墨溫度分布的方法，其所用的數(shù)碼相機(jī)，為普通的可見光數(shù)碼相機(jī)，或紅外數(shù)碼相機(jī)。
所述的探測MOCVD石墨溫度分布的方法，其所述第二步，用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，分析每一個象素點的分量，包含三種方法a、三波長法用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，分析每一個象素點的紅、綠、藍(lán)色分量后，再進(jìn)行第三步，根據(jù)“黑體輻射”的規(guī)律，擬合出每個象素點的溫度；b、雙波長法用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，因為金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室的生長溫度一般小于2000攝氏度，所以石墨的發(fā)射光譜中藍(lán)光成分一般較弱，數(shù)碼相機(jī)中藍(lán)色分量很小，因此舍棄數(shù)碼相機(jī)每個像素點的藍(lán)色分量后，再進(jìn)行第三步，根據(jù)每一個象素點的紅、綠分量的比值，以及“黑體輻射”的規(guī)律，推算每個像素點的溫度；c、單波長法用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)中只留下紅色分量值，舍棄綠色和藍(lán)色分量值后，再進(jìn)行第三步，根據(jù)每一個象素點紅色分量的強(qiáng)度，并對比“黑體輻射”規(guī)律，就可以推算出石墨的溫度分布。
所述的探測MOCVD石墨溫度分布的方法，其所述c、單波長法，包含窄帶單波長法在數(shù)碼相機(jī)鏡頭前加一個窄帶紅光濾波器后，(1)，用數(shù)碼相機(jī)對整塊石墨拍照；(2)，然后用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中只留下紅色分量值，舍棄綠色和藍(lán)色分量值；再進(jìn)行(3)，與取樣象素點對比每一個象素點紅色分量的強(qiáng)度，推算出石墨的溫度分布。


圖1是原位非接觸探測MOCVD石墨溫度分布的技術(shù)路線圖；圖2是數(shù)碼相機(jī)拍攝到的通紅的石墨的示意圖。
具體實施例方式一切溫度高于絕對零度的物體都可以發(fā)射熱輻射，俗稱“黑體輻射”。當(dāng)物體的溫度升高時，一方面熱輻射增強(qiáng)，另一方面發(fā)光顏色(頻譜)也將發(fā)生變化。一般情況下，我們可以用肉眼觀察到這種變化。但當(dāng)物體的溫度高到一定程度后，物體的熱輻射已經(jīng)很強(qiáng)，人眼已經(jīng)分辨不出由溫度差異造成的顏色差別。這時，就需要借助一些比較精密的儀器來替代人眼進(jìn)行記錄和觀察。數(shù)碼相機(jī)可以用數(shù)字的方式記錄所拍攝到的圖像信息，有很強(qiáng)的顏色分辨能力，而且還可以根據(jù)物體發(fā)光強(qiáng)度調(diào)整曝光時間，以達(dá)到最佳記錄效果。因此，它非常適合于監(jiān)測物體高溫時的溫度分布。
數(shù)碼相機(jī)是由鏡頭、電荷藕合器(Charge Coupled Device，簡稱CCD)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog Digital Converter，簡稱ADC或A/D)、微處理器(Micro-Processor Unit，簡稱MPU)、內(nèi)置存儲器、液晶顯示器(LiquidCrystal Display，簡稱LCD)、可移動存儲器(PC卡)和接口(計算機(jī)接口、電視機(jī)接口)等部分組成，通常它們都安裝在數(shù)碼相機(jī)的內(nèi)部，也有一些數(shù)碼相機(jī)的液晶顯示器與相機(jī)機(jī)身分離。數(shù)碼相機(jī)中只有鏡頭的作用與普通相機(jī)相同，它將光線會聚到感光器件CCD(電荷耦合器件)上，CCD是半導(dǎo)體器件，它代替了普通相機(jī)中膠卷的位置，它的功能是把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。這樣，就得到了對應(yīng)于拍攝景物的電子圖像，但是它還不能馬上被送去計算機(jī)處理，還需要按照計算機(jī)的要求進(jìn)行從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)器件用來執(zhí)行這項工作。接下來MPU(微處理器)對數(shù)字信號進(jìn)行壓縮并轉(zhuǎn)化為特定的圖像格式，例如JPEG格式。最后，圖像文件被存儲在內(nèi)置存儲器中。至此，數(shù)碼相機(jī)的主要工作已經(jīng)完成，剩下要做的是通過LCD(液晶顯示器)查看拍攝到的照片。
上面已經(jīng)提到，數(shù)碼相機(jī)是用一種特殊的半導(dǎo)體材料來記錄圖片，這類特殊的半導(dǎo)體叫電荷藕合器，簡稱CCD。它是由數(shù)千個獨立的光敏元件組成，這些光敏元件通常排列成與取景器相對應(yīng)的矩陣。在拍攝時，外界景像所反射的光透過鏡頭照射在CCD上，并被轉(zhuǎn)換成電荷，每個元件上的電荷量取決于它所受到的光照強(qiáng)度。當(dāng)按動數(shù)碼相機(jī)上的按鍵，CCD將各個元件的信息傳送到一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器上，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)編碼后送到RAM(隨機(jī)存儲器)中，此時得到一張完整的數(shù)碼圖片。CCD本身不能分辨色彩，它僅僅是光電轉(zhuǎn)換器。實現(xiàn)彩色攝影的方法有多種，包括給CCD器件表面加以CFA(Color Filter Array，彩色濾鏡陣列)，或者使用分光系統(tǒng)將光線分為紅、綠、藍(lán)三色，分別用3片CCD接收。剛剛提到的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)又叫做ADC(Analog Digital Converter)，即模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它是將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號的器件。一般來說CCD是將實際景物在X和Y的方向上量化為若干像素，而A/D轉(zhuǎn)換器則是將每一個像素的亮度或色彩值量化為若干個等級。具體來說，一般的數(shù)碼相機(jī)(中低檔數(shù)碼相機(jī))中每種基色采用8位(或1O位)表示，以24位為例，三基色(紅、綠、藍(lán))各占8位二進(jìn)制數(shù)，也就是說紅色可以分為2^8＝256個不同的等級，綠色和藍(lán)色也可以分別分為256個不同的等級，那么它們的組合為256×256×256＝16777216，即1600萬種顏色。經(jīng)分析可以看出，數(shù)碼相機(jī)能采用數(shù)字方式精確記錄所拍攝物體的色彩信息。數(shù)碼相機(jī)的高顏色分辨能力，有助于它實現(xiàn)監(jiān)測高溫物體溫度分布的功能。
數(shù)碼相機(jī)不僅具有很高的顏色分辨率，而且具有很高的空間分辨率。數(shù)碼相機(jī)把每一個測量的點叫“像素”。目前數(shù)碼相機(jī)的像素達(dá)到100萬以上。
1.利用數(shù)碼相機(jī)對金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)中石墨基座進(jìn)行拍攝，并根據(jù)需要在相機(jī)鏡頭前加濾光鏡，然后利用電腦讀取所拍攝的圖像中的數(shù)據(jù)文件，根據(jù)文件所記錄的構(gòu)成每個象素點的三基色(紅、綠、藍(lán))分量值的大小來確定石墨的溫度分布特性。
2.以金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長材料時，生長溫度一般在800攝氏度以上，此時石墨已經(jīng)紅熱，主要發(fā)光波段在紅光區(qū)。利用數(shù)碼相機(jī)能夠精確記錄所拍攝物體的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)即RGB值(R、G、B分別代表紅、綠、藍(lán)三基色)的特性，來原位監(jiān)測石墨的溫度分布。
具體監(jiān)測方法有四種(1)三波長法用數(shù)碼相機(jī)對整塊石墨拍照，然后用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，分析每一個象素點的RGB分量(R、G、B分別代表紅、綠、藍(lán))，根據(jù)“黑體輻射”的規(guī)律，擬合出每個象素點的溫度。(2)雙波長法用數(shù)碼相機(jī)對整塊石墨拍照，然后用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)。因為金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)反應(yīng)室的生長溫度一般小于2000攝氏度，所以石墨的發(fā)射光譜中藍(lán)光成分一般較弱，數(shù)碼相機(jī)中B分量很小，因此舍棄數(shù)碼相機(jī)每個像素點的B分量。根據(jù)每一個象素點的R、G分量的比值(R/B)，以及“黑體輻射”的規(guī)律，就可以推算每個像素點的溫度。(3)單波長法用數(shù)碼相機(jī)對整塊石墨拍照，然后用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中只留下R(紅色)分量值，舍棄G(綠色)和B(藍(lán)色)分量值。根據(jù)每一個象素點R分量的強(qiáng)度，并對比“黑體輻射”規(guī)律，就可以推算出石墨的溫度分布。(4)窄帶單波長法在數(shù)碼相機(jī)鏡頭前加一個窄帶紅光濾波器(為已有技術(shù))，用數(shù)碼相機(jī)對整塊石墨拍照，然后用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中只留下R(紅色)分量值，舍棄G(綠色)和B(藍(lán)色)分量值(G、B分量值很小，幾乎為零)。對比每一個象素點R分量的強(qiáng)度，就可以推算出石墨的溫度分布。其技術(shù)路線如圖1所示。
3.如金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長材料時，生長溫度小于800攝氏度，此時用紅外數(shù)碼相機(jī)(一般為軍用產(chǎn)品)代替不同數(shù)碼相機(jī)即可。具體監(jiān)測方法同樣有四種，與第2條完全類似，不再贅述。
以金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長材料時，生長溫度一般在800攝氏度以上，此時石墨已經(jīng)紅熱，主要發(fā)光波段在紅光區(qū)。原位監(jiān)測金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長過程中石墨溫度分布采用以下方法
在材料生長過程中，用數(shù)碼相機(jī)拍攝整塊石墨的照片。溫度大于800攝氏度時，石墨主要發(fā)射紅光。此時石墨所發(fā)射的光透過鏡頭照射在CCD上，并被轉(zhuǎn)換成電荷。由于石墨存在溫度分布，溫度不同，輻射強(qiáng)度也不同。另外CCD由光敏元件組成，每個元件上的電荷量取決于它所受到的光照強(qiáng)度。因此，表現(xiàn)在圖像上就是溫度不同，所拍攝到的顏色也不同。
當(dāng)采用雙波長法測量時，數(shù)碼相機(jī)拍攝到的是彩色圖像，圖像每個象素點的顏色由該象素點的R、G、B值決定?？紤]到B分量較小可舍棄。求出每個像素的R、G分量的比值(R/B)，并對照“黑體輻射”規(guī)律就可計算出每個像素點的溫度分布。數(shù)碼相機(jī)對顏色的分辨程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人眼對顏色的分辨程度，因此，在石墨上取樣不同的點，由于石墨的溫度較高，紅光占主要地位，即RGB值分量中R值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于G值。此時只比較R值就可以比較取樣各點的溫度，R值越大，溫度越高。
當(dāng)采用窄帶單波長法測量時，在數(shù)碼相機(jī)鏡頭前加一個窄帶紅光濾波器，然后用相機(jī)對整塊石墨拍照。由于窄帶紅光濾波器只允許紅光通過，因此，所拍攝到圖像的每個象素點只有R值分量(G、B值分量很小)。此時也只要比較每個像素點R值的強(qiáng)度并對照“黑體輻射”規(guī)律就可以比較取樣各點的溫度。
應(yīng)用實例用MOCVD生長GaN時，石墨的溫度大于1000攝氏度，此時石墨通紅，以發(fā)射紅光為主。某MOCVD設(shè)備的石墨基座采用高頻感應(yīng)加熱，在趨膚效應(yīng)的影響下，石墨邊緣溫度高于中心溫度，則用數(shù)碼相機(jī)拍攝到圖片的示意圖如圖2所示(本圖以灰度表示紅光強(qiáng)度，中心部分灰度高表示發(fā)光強(qiáng)度弱)。此時，用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)所拍攝圖像的數(shù)據(jù)，分析每一個象素點的R、G、B分量，則通過對比R分量可以分析出，中心O和邊緣M的一條半徑上溫度均勻性的好壞，也可以比較以O(shè)為圓心，以任意r＜＝M為半徑的圓周上溫度均勻性的好壞，還可以比較任意取樣象素點的溫度的相同與否。
如果用熱電偶測出中心O和邊緣M的溫度，則可根據(jù)所拍攝圖片的數(shù)據(jù)分析出石墨大概的溫度分布。假設(shè)用熱電偶測得中心O的溫度為1000℃，邊緣M溫度為1005℃；而此時用電腦分析得出中心O處的RGB值為(205，11，0)，邊緣M處的RGB值為(255，11，0)。由于G和B值很小，可以忽略不計，則中心邊緣R值差距為255-205＝50；而中心邊緣的溫度差為1005℃-1000℃＝5℃。假設(shè)溫度變化均勻，則每個R值變化對應(yīng)的溫度改變?yōu)?℃/50＝0.1。如果在OM這條半徑上有一象素點的R值為235，則可以粗略的推斷出該點的溫度為1000℃+0.1*(235-205)＝1003℃。
權(quán)利要求
1.一種原位非接觸探測MOCVD石墨溫度分布的方法，其特征是，采用數(shù)碼相機(jī)對石墨進(jìn)行拍照，根據(jù)數(shù)碼相機(jī)所記錄的圖片的數(shù)據(jù)來分析石墨溫度分布的特性；包括步驟(1)，用數(shù)碼相機(jī)對整塊石墨進(jìn)行拍照；(2)，用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，分析每一個象素點的分量；(3)，以所得的象素點的分量數(shù)據(jù)，對比取樣象素點的相應(yīng)分量值，并根據(jù)“黑體輻射”規(guī)律來確定石墨溫度分布。
2.如權(quán)利要求1所述的探測MOCVD石墨溫度分布的方法，其特征是所用的數(shù)碼相機(jī)，為普通的可見光數(shù)碼相機(jī)，或紅外數(shù)碼相機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述的探測MOCVD石墨溫度分布的方法，其特征是所述第二步，用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，分析每一個象素點的分量，包含三種方法a、三波長法用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，分析每一個象素點的紅、綠、藍(lán)色分量后，再進(jìn)行第三步，根據(jù)“黑體輻射”的規(guī)律，擬合出每個象素點的溫度；b、雙波長法用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，因為金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室的生長溫度一般小于2000攝氏度，所以石墨的發(fā)射光譜中藍(lán)光成分一般較弱，數(shù)碼相機(jī)中藍(lán)色分量很小，因此舍棄數(shù)碼相機(jī)每個像素點的藍(lán)色分量后，再進(jìn)行第三步，根據(jù)每一個象素點的紅、綠分量的比值，以及“黑體輻射”的規(guī)律，推算每個像素點的溫度；c、單波長法用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)中只留下紅色分量值，舍棄綠色和藍(lán)色分量值后，再進(jìn)行第三步，根據(jù)每一個象素點紅色分量的強(qiáng)度，并對比“黑體輻射”規(guī)律，就可以推算出石墨的溫度分布。
4.如權(quán)利要求3所述的探測MOCVD石墨溫度分布的方法，其特征是所述c、單波長法，包含窄帶單波長法在數(shù)碼相機(jī)鏡頭前加一個窄帶紅光濾波器后，(1)，用數(shù)碼相機(jī)對整塊石墨拍照；(2)，然后用電腦讀入數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中只留下紅色分量值，舍棄綠色和藍(lán)色分量值；再進(jìn)行(3)，與取樣象素點對比每一個象素點紅色分量的強(qiáng)度，推算出石墨的溫度分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種原位非接觸探測金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)石墨溫度分布的方法。該方法是利用數(shù)碼相機(jī)對石墨進(jìn)行拍攝，并根據(jù)需要在相機(jī)鏡頭前加濾光鏡，然后利用電腦讀取所拍攝的圖像中的數(shù)據(jù)文件，根據(jù)文件所記錄的構(gòu)成每個象素點的三基色(紅、綠、藍(lán))分量值的大小來確定石墨的溫度分布特性。該方法不僅成本低、溫度分辨率和空間分辨率很高，而且多點同時測量，測量速度快，可以進(jìn)行數(shù)字處理、記錄和保存。
文檔編號G01K13/00GK1844867SQ20051006380
公開日2006年10月11日 申請日期2005年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月7日
發(fā)明者劉祥林, 趙鳳璦, 焦春美 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所