专利名称：原位非接触探测mocvd石墨温度分布的方法
技术领域：
本发明涉及一种探测MOCVD设备石墨温度分布的方法。
背景技术：
金属有机物化学气相沉积技术又称MOCVD(Metal-Organic ChemicalVapor Deposition的简称)。它自二十世纪六十年代首次提出以来，经过几十年的发展已经成为砷化铟、磷化铟等光电子材料和器件生产的核心技术。另外，金属有机物化学气相沉积(MOCVD)还是制备氮化镓发光二极管和激光二极管外延片的主流方法。使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备生长材料，特别是要生长出高质量的材料，对于石墨温度的监测是非常重要的。因为外延片放置于石墨上，因此，反应室中石墨温度均匀性影响外延膜的均匀性。以往的设备，均是在反应室中放置一个热电偶来测量反应室中的温度，但仅用这一温度来表示反应室的温度是非常粗糙的，它不能反应出反应室中的温度分布，特别是石墨的温度分布。如果要测量温度分布，一般方法为(1)用多个探头(如热电偶、光学高温计等)在多点同时测量；(2)用一个探头对多个点扫描测量。前者成本高，空间分辨率有限；后者不能对多个点同时测量，而且需要X-Y平动装置实现扫描功能。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种原位非接触探测石墨的温度分布的方法。此方法以数码相机作为媒介，通过分析所拍摄到的图像的数据，得到石墨温度分布的信息。该方法不仅成本低、温度分辨率和空间分辨率很高，而且多点同时测量，测量速度快，可以进行数字处理、记录和保存。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种原位非接触探测MOCVD石墨温度分布的方法，其采用数码相机对石墨进行拍照，根据数码相机所记录的图片的数据来分析石墨温度分布的特性；包括步骤(1)，用数码相机对整块石墨进行拍照；(2)，用电脑读入数码相机的数据，分析每一个象素点的分量；(3)，以所得的象素点的分量数据，对比取样象素点的相应分量值，并根据“黑体辐射”规律来确定石墨温度分布。
所述的探测MOCVD石墨温度分布的方法，其所用的数码相机，为普通的可见光数码相机，或红外数码相机。
所述的探测MOCVD石墨温度分布的方法，其所述第二步，用电脑读入数码相机的数据，分析每一个象素点的分量，包含三种方法a、三波长法用电脑读入数码相机的数据，分析每一个象素点的红、绿、蓝色分量后，再进行第三步，根据“黑体辐射”的规律，拟合出每个象素点的温度；b、双波长法用电脑读入数码相机的数据，因为金属有机物化学气相沉积反应室的生长温度一般小于2000摄氏度，所以石墨的发射光谱中蓝光成分一般较弱，数码相机中蓝色分量很小，因此舍弃数码相机每个像素点的蓝色分量后，再进行第三步，根据每一个象素点的红、绿分量的比值，以及“黑体辐射”的规律，推算每个像素点的温度；c、单波长法用电脑读入数码相机的数据，在这些数据中只留下红色分量值，舍弃绿色和蓝色分量值后，再进行第三步，根据每一个象素点红色分量的强度，并对比“黑体辐射”规律，就可以推算出石墨的温度分布。
所述的探测MOCVD石墨温度分布的方法，其所述c、单波长法，包含窄带单波长法在数码相机镜头前加一个窄带红光滤波器后，(1)，用数码相机对整块石墨拍照；(2)，然后用电脑读入数码相机的数据，这些数据中只留下红色分量值，舍弃绿色和蓝色分量值；再进行(3)，与取样象素点对比每一个象素点红色分量的强度，推算出石墨的温度分布。
图1是原位非接触探测MOCVD石墨温度分布的技术路线图；图2是数码相机拍摄到的通红的石墨的示意图。
具体实施例方式一切温度高于绝对零度的物体都可以发射热辐射，俗称“黑体辐射”。当物体的温度升高时，一方面热辐射增强，另一方面发光颜色(频谱)也将发生变化。一般情况下，我们可以用肉眼观察到这种变化。但当物体的温度高到一定程度后，物体的热辐射已经很强，人眼已经分辨不出由温度差异造成的颜色差别。这时，就需要借助一些比较精密的仪器来替代人眼进行记录和观察。数码相机可以用数字的方式记录所拍摄到的图像信息，有很强的颜色分辨能力，而且还可以根据物体发光强度调整曝光时间，以达到最佳记录效果。因此，它非常适合于监测物体高温时的温度分布。
数码相机是由镜头、电荷藕合器(Charge Coupled Device，简称CCD)、模/数转换器(Analog Digital Converter，简称ADC或A/D)、微处理器(Micro-Processor Unit，简称MPU)、内置存储器、液晶显示器(LiquidCrystal Display，简称LCD)、可移动存储器(PC卡)和接口(计算机接口、电视机接口)等部分组成，通常它们都安装在数码相机的内部，也有一些数码相机的液晶显示器与相机机身分离。数码相机中只有镜头的作用与普通相机相同，它将光线会聚到感光器件CCD(电荷耦合器件)上，CCD是半导体器件，它代替了普通相机中胶卷的位置，它的功能是把光信号转变为电信号。这样，就得到了对应于拍摄景物的电子图像，但是它还不能马上被送去计算机处理，还需要按照计算机的要求进行从模拟信号到数字信号的转换，ADC(模数转换器)器件用来执行这项工作。接下来MPU(微处理器)对数字信号进行压缩并转化为特定的图像格式，例如JPEG格式。最后，图像文件被存储在内置存储器中。至此，数码相机的主要工作已经完成，剩下要做的是通过LCD(液晶显示器)查看拍摄到的照片。
上面已经提到，数码相机是用一种特殊的半导体材料来记录图片，这类特殊的半导体叫电荷藕合器，简称CCD。它是由数千个独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常排列成与取景器相对应的矩阵。在拍摄时，外界景像所反射的光透过镜头照射在CCD上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。当按动数码相机上的按键，CCD将各个元件的信息传送到一个模数转换器上，模数转换器将数据编码后送到RAM(随机存储器)中，此时得到一张完整的数码图片。CCD本身不能分辨色彩，它仅仅是光电转换器。实现彩色摄影的方法有多种，包括给CCD器件表面加以CFA(Color Filter Array，彩色滤镜阵列)，或者使用分光系统将光线分为红、绿、蓝三色，分别用3片CCD接收。刚刚提到的模数转换器(A/D转换器)又叫做ADC(Analog Digital Converter)，即模拟数字转换器。它是将模拟电信号转换为数字电信号的器件。一般来说CCD是将实际景物在X和Y的方向上量化为若干像素，而A/D转换器则是将每一个像素的亮度或色彩值量化为若干个等级。具体来说，一般的数码相机(中低档数码相机)中每种基色采用8位(或1O位)表示，以24位为例，三基色(红、绿、蓝)各占8位二进制数，也就是说红色可以分为2^8＝256个不同的等级，绿色和蓝色也可以分别分为256个不同的等级，那么它们的组合为256×256×256＝16777216，即1600万种颜色。经分析可以看出，数码相机能采用数字方式精确记录所拍摄物体的色彩信息。数码相机的高颜色分辨能力，有助于它实现监测高温物体温度分布的功能。
数码相机不仅具有很高的颜色分辨率，而且具有很高的空间分辨率。数码相机把每一个测量的点叫“像素”。目前数码相机的像素达到100万以上。
1.利用数码相机对金属有机物化学气相沉积(MOCVD)中石墨基座进行拍摄，并根据需要在相机镜头前加滤光镜，然后利用电脑读取所拍摄的图像中的数据文件，根据文件所记录的构成每个象素点的三基色(红、绿、蓝)分量值的大小来确定石墨的温度分布特性。
2.以金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长材料时，生长温度一般在800摄氏度以上，此时石墨已经红热，主要发光波段在红光区。利用数码相机能够精确记录所拍摄物体的数字图像数据即RGB值(R、G、B分别代表红、绿、蓝三基色)的特性，来原位监测石墨的温度分布。
具体监测方法有四种(1)三波长法用数码相机对整块石墨拍照，然后用电脑读入数码相机的数据，分析每一个象素点的RGB分量(R、G、B分别代表红、绿、蓝)，根据“黑体辐射”的规律，拟合出每个象素点的温度。(2)双波长法用数码相机对整块石墨拍照，然后用电脑读入数码相机的数据。因为金属有机物化学气相沉积(MOCVD)反应室的生长温度一般小于2000摄氏度，所以石墨的发射光谱中蓝光成分一般较弱，数码相机中B分量很小，因此舍弃数码相机每个像素点的B分量。根据每一个象素点的R、G分量的比值(R/B)，以及“黑体辐射”的规律，就可以推算每个像素点的温度。(3)单波长法用数码相机对整块石墨拍照，然后用电脑读入数码相机的数据，这些数据中只留下R(红色)分量值，舍弃G(绿色)和B(蓝色)分量值。根据每一个象素点R分量的强度，并对比“黑体辐射”规律，就可以推算出石墨的温度分布。(4)窄带单波长法在数码相机镜头前加一个窄带红光滤波器(为已有技术)，用数码相机对整块石墨拍照，然后用电脑读入数码相机的数据，这些数据中只留下R(红色)分量值，舍弃G(绿色)和B(蓝色)分量值(G、B分量值很小，几乎为零)。对比每一个象素点R分量的强度，就可以推算出石墨的温度分布。其技术路线如图1所示。
3.如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长材料时，生长温度小于800摄氏度，此时用红外数码相机(一般为军用产品)代替不同数码相机即可。具体监测方法同样有四种，与第2条完全类似，不再赘述。
以金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长材料时，生长温度一般在800摄氏度以上，此时石墨已经红热，主要发光波段在红光区。原位监测金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长过程中石墨温度分布采用以下方法
在材料生长过程中，用数码相机拍摄整块石墨的照片。温度大于800摄氏度时，石墨主要发射红光。此时石墨所发射的光透过镜头照射在CCD上，并被转换成电荷。由于石墨存在温度分布，温度不同，辐射强度也不同。另外CCD由光敏元件组成，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。因此，表现在图像上就是温度不同，所拍摄到的颜色也不同。
当采用双波长法测量时，数码相机拍摄到的是彩色图像，图像每个象素点的颜色由该象素点的R、G、B值决定。考虑到B分量较小可舍弃。求出每个像素的R、G分量的比值(R/B)，并对照“黑体辐射”规律就可计算出每个像素点的温度分布。数码相机对颜色的分辨程度远远大于人眼对颜色的分辨程度，因此，在石墨上取样不同的点，由于石墨的温度较高，红光占主要地位，即RGB值分量中R值要远远大于G值。此时只比较R值就可以比较取样各点的温度，R值越大，温度越高。
当采用窄带单波长法测量时，在数码相机镜头前加一个窄带红光滤波器，然后用相机对整块石墨拍照。由于窄带红光滤波器只允许红光通过，因此，所拍摄到图像的每个象素点只有R值分量(G、B值分量很小)。此时也只要比较每个像素点R值的强度并对照“黑体辐射”规律就可以比较取样各点的温度。
应用实例用MOCVD生长GaN时，石墨的温度大于1000摄氏度，此时石墨通红，以发射红光为主。某MOCVD设备的石墨基座采用高频感应加热，在趋肤效应的影响下，石墨边缘温度高于中心温度，则用数码相机拍摄到图片的示意图如图2所示(本图以灰度表示红光强度，中心部分灰度高表示发光强度弱)。此时，用电脑读入数码相机所拍摄图像的数据，分析每一个象素点的R、G、B分量，则通过对比R分量可以分析出，中心O和边缘M的一条半径上温度均匀性的好坏，也可以比较以O为圆心，以任意r＜＝M为半径的圆周上温度均匀性的好坏，还可以比较任意取样象素点的温度的相同与否。
如果用热电偶测出中心O和边缘M的温度，则可根据所拍摄图片的数据分析出石墨大概的温度分布。假设用热电偶测得中心O的温度为1000℃，边缘M温度为1005℃；而此时用电脑分析得出中心O处的RGB值为(205，11，0)，边缘M处的RGB值为(255，11，0)。由于G和B值很小，可以忽略不计，则中心边缘R值差距为255-205＝50；而中心边缘的温度差为1005℃-1000℃＝5℃。假设温度变化均匀，则每个R值变化对应的温度改变为5℃/50＝0.1。如果在OM这条半径上有一象素点的R值为235，则可以粗略的推断出该点的温度为1000℃+0.1*(235-205)＝1003℃。
权利要求
1.一种原位非接触探测MOCVD石墨温度分布的方法，其特征是，采用数码相机对石墨进行拍照，根据数码相机所记录的图片的数据来分析石墨温度分布的特性；包括步骤(1)，用数码相机对整块石墨进行拍照；(2)，用电脑读入数码相机的数据，分析每一个象素点的分量；(3)，以所得的象素点的分量数据，对比取样象素点的相应分量值，并根据“黑体辐射”规律来确定石墨温度分布。
2.如权利要求1所述的探测MOCVD石墨温度分布的方法，其特征是所用的数码相机，为普通的可见光数码相机，或红外数码相机。
3.如权利要求1所述的探测MOCVD石墨温度分布的方法，其特征是所述第二步，用电脑读入数码相机的数据，分析每一个象素点的分量，包含三种方法a、三波长法用电脑读入数码相机的数据，分析每一个象素点的红、绿、蓝色分量后，再进行第三步，根据“黑体辐射”的规律，拟合出每个象素点的温度；b、双波长法用电脑读入数码相机的数据，因为金属有机物化学气相沉积反应室的生长温度一般小于2000摄氏度，所以石墨的发射光谱中蓝光成分一般较弱，数码相机中蓝色分量很小，因此舍弃数码相机每个像素点的蓝色分量后，再进行第三步，根据每一个象素点的红、绿分量的比值，以及“黑体辐射”的规律，推算每个像素点的温度；c、单波长法用电脑读入数码相机的数据，在这些数据中只留下红色分量值，舍弃绿色和蓝色分量值后，再进行第三步，根据每一个象素点红色分量的强度，并对比“黑体辐射”规律，就可以推算出石墨的温度分布。
4.如权利要求3所述的探测MOCVD石墨温度分布的方法，其特征是所述c、单波长法，包含窄带单波长法在数码相机镜头前加一个窄带红光滤波器后，(1)，用数码相机对整块石墨拍照；(2)，然后用电脑读入数码相机的数据，这些数据中只留下红色分量值，舍弃绿色和蓝色分量值；再进行(3)，与取样象素点对比每一个象素点红色分量的强度，推算出石墨的温度分布。
全文摘要
本发明涉及一种原位非接触探测金属有机物化学气相沉积(MOCVD)石墨温度分布的方法。该方法是利用数码相机对石墨进行拍摄，并根据需要在相机镜头前加滤光镜，然后利用电脑读取所拍摄的图像中的数据文件，根据文件所记录的构成每个象素点的三基色(红、绿、蓝)分量值的大小来确定石墨的温度分布特性。该方法不仅成本低、温度分辨率和空间分辨率很高，而且多点同时测量，测量速度快，可以进行数字处理、记录和保存。
文档编号G01K13/00GK1844867SQ20051006380
公开日2006年10月11日 申请日期2005年4月7日 优先权日2005年4月7日
发明者刘祥林, 赵凤瑷, 焦春美 申请人:中国科学院半导体研究所