MPCVD中测准温度有多难？

参考文献：Kaishu Nitta, Takehiro Shimaoka, Akiyoshi Chayahara, Nobuteru Tsubouchi, Yoshiaki Mokuno, Hideaki Yamada. Evaluation of plasma emission effects on substrate temperature measurement during diamond CVD: A comparative study between radiation pyrometry and in-situ Raman thermometry. Diamond & Related Materials, 168 (2026), 113935. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2026.113935

最近看到一篇日本产综研（AIST）团队发在《Diamond & Related Materials》上的论文，专门测了MPCVD反应腔里常用的单色、双色测温仪，在等离子体环境下到底有多准。数据挺有意思，整理出来分享一下。

先看两个数字。在90 Torr / 4000 W、甲烷浓度9.1%的条件下，双色测温仪读出来的温度，比真实衬底温度高了1200多摄氏度；同样条件下，单色测温仪只高了大约200度。也就是说，理论上更”聪明”的双色测温，在这个工况下反而错得更离谱。

作者是怎么知道”真实温度”是多少的？他们用了原位拉曼测温做参照——利用金刚石一阶拉曼峰的峰位会随温度红移这个物理现象，配合纳秒脉冲激光和门控探测，把等离子体本身的背景光滤掉，只测衬底真实的热信号。这套方法不受等离子体发光干扰，被当作这篇论文里的”标准答案”。

实验分了三种条件：没有等离子体、纯氢等离子体、氢-甲烷等离子体。前两种情况下，测温仪表现其实都不错——只要做了合适的发射率校正，单色和双色测温仪的读数都能跟拉曼测温对得上。差异是从加了甲烷之后才炸开的。

原因是甲烷等离子体里多了两种光：C2分子的Swan带发射，还有碳烟颗粒（甲烷等离子体里常见的副产物）发出的类黑体连续辐射。这些光会和衬底本身的热辐射叠加在一起，被测温仪一起收进去。

单色和双色测温仪犯错的方式不一样。单色测温仪是”加法错误”——等离子体的光直接叠加在衬底的热辐射信号上，探测器区分不出哪部分是衬底、哪部分是等离子体，测出来的强度偏高，温度自然就偏高。双色测温仪原本是靠两个波段的光强比值来算温度，好处是能抵消掉发射率这个未知量，理论上更抗干扰。但甲烷等离子体的连续辐射在短波方向增强得更明显，这会扭曲两个探测波段之间的光强比例——而对黑体辐射来说，“温度越高，短波方向的光越强”正是它的固有特征。于是双色测温的算法把这种由等离子体造成的”光谱形状畸变”，误判成了”衬底温度更高”，读数被系统性地推高，而且离C2发射带越近的波段，这个误判越明显。

论文里还有一个背景信息值得说一下：裸金刚石在近红外波段的发射率非常低，大概只有0.05左右，这也是为什么单色测温仪对发射率的设定特别敏感——发射率差一点，算出来的温度可能差几百度。作者也对比了背面做过石墨化处理的衬底，发现它的发射率能提高到0.7左右，光谱行为更接近理想的灰体，受等离子体干扰的程度也明显更小。这算是论文里顺带交代的一个材料层面的差异，供大家了解。

最后想问问大家：你们平时在MPCVD反应腔里是怎么测衬底温度的？用单色还是双色测温仪，或者有没有别的办法？欢迎留言聊聊。