DE102015120383A1

DE102015120383A1 - Verfahren und Temperaturmessvorrichtung zum Bestimmen der Temperatur einer Probe

Info

Publication number: DE102015120383A1
Application number: DE102015120383.9A
Authority: DE
Inventors: Joerg-Thomas ZETTLER
Original assignee: Laytec AG
Current assignee: Laytec AG
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2016-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur einer Probe (40) sowie eine Temperaturmessvorrichtung (20). Um die Temperatur ohne den Einfluss von Störstrahlung (S) bestimmen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass theoretische, emissivitätskorrigierte Strahlungsspektren mit vermuteten Störstrahlungsspektren überlagert werden und sich daraus ergebende Summenspektren mit gemessenen Strahlungsspektren verglichen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur einer Probe, bei dem die Temperatur anhand von erfassten Messstrahlungsspektren bestimmt wird, wobei die Probe mit Beleuchtungslicht beleuchtet wird und ein erstes Messstrahlungsspektrum (MSP1) von der Probe reflektiertes Beleuchtungslicht und emittierte thermische Strahlung aufweist, ein zweites Messstrahlungsspektrum (MSP2) die von der unbeleuchteten Probe emittierte thermische Strahlung aufweist, die Emissivität der Probe anhand der beiden Messstrahlungsspektren ermittelt wird, und die Temperatur anhand des zweiten Messstrahlungsspektrums unter Berücksichtigung der Emissivität bestimmt wird. Hilfsweise kann ein drittes Messstrahlungsspektrum (MSP3) ermittelt werden, welches ein reines Störstrahlungsspektrum, zum Beispiel an der Störstrahlungsquelle, erfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Temperaturmessvorrichtung mit einem Pyrometer, einer Signal übertragend mit dem Pyrometer verbundenen Auswerteeinrichtung, einer Beleuchtungslichtquelle und optional einem weiteren Detektionskanal zur Erfassung der reinen Störstrahlung.
Verfahren zum Bestimmen der Temperatur einer Probe und Temperaturmessvorrichtungen mit einem Pyrometer und einer signalübertragend mit dem Pyrometer verbundenen Auswerteeinrichtung sind allgemein bekannt. Moderne Prozesspyrometer für Dünnschichtprozesse sind emissivitätskorrigiert. Das heißt, neben der Pyrometer-Detektion ist bei gleicher Wellenlänge auch eine Reflexionsmessung integriert, mit welcher die jeweils aktuelle Emissivität der Schichtstruktur erfasst und das Pyrometersignal korrigiert wird.
Neben 1-Wellenlängen-Pyrometern sind seit längerem auch Mehrwellenlängen- und Spektral-Pyrometer im Einsatz, welche auch regelmäßig methodische Verbesserungen erfahren.
Zur Unterdrückung von Störstrahlungseinflüssen auf das Pyrometersignal hat sich neben der üblichen geometrisch-optischen Optimierung des Pyrometerstrahlengangs und der Pyrometeradaption an Prozesskammern, in denen Proben zum Beispiel strukturiert, beschichtet oder getempert werden, insbesondere die „Ripple“-Technologie bewährt: Die Störstrahlung kann beispielsweise durch Wärmequellen direkt zum Pyrometer gelangen. Alternativ können die Wärmequellen andere Objekte, beispielsweise eine Verunreinigung des Fensters einer Prozesskammer, bestrahlen, sodass diese Objekte diese Wärmestrahlung als Streulicht ablenken, welches dann als Störlicht vom Pyrometer aufgenommen wird. Falls das Störlicht von Lichtquellen kommt, welche zeitlich so moduliert werden können (zum Beispiel das Heizlicht in Prozess-Kammern), dass die Frequenz dieser „Ripple-Modulation“ des Störlichts deutlich höher ist als die Variationsgeschwindigkeit der Probentemperatur, kann diese „Ripple“-Markierung des Heizlichtes zur numerischen oder elektronischen Abtrennung der Störstrahlung von der zur Temperaturmessung exakt und störungsfrei zu bestimmenden thermischen Strahlung der Probe genutzt werden. Dies wird zum Beispiel genutzt, indem das Netz-Brummen der Heizlampenintensität, also die kleine, „natürliche“ Modulation der Heizlampenleistung durch die nicht vollständige Glättung der doppelten Netzfrequenz im Lampen-Gleichstrom, als „Ripple“-Markierung eingesetzt wird.
Es gibt jedoch einige technisch sehr relevante Prozesse, in denen die „Ripple“-Technologie nicht einsetzbar ist, da das Störlichtsignal nicht geeignet moduliert werden kann. Hierzu zählen unter anderem:

a) Störlicht durch die heißen Materialquellen in der Molekularstrahlepitaxie. Diese sind üblicherweise um einige 100 Kelvin heißer als die Probe (z.B. Halbleiter-Substrate), um das Schichtmaterial thermisch zu verdampfen und somit einen Molekularstrahl auf die Substrat-Oberfläche zu richten,
b) Störlicht in der metallorganischen Gasphasenepitaxie, welches durch thermisch träge Heizquellen oder heiße Baugruppen im Reaktor erzeugt wird, oder
c) Störlicht in Prozesskammern der Silizium-Industrie, in denen (zum Beispiel durch Phasenanschnittsregelung der Heizlichtleistung von IR-Strahlern) eine zeitliche Modulation der Heizleistung nicht sinnvoll und wirtschaftlich anwendbar ist.

Als Alternative zur Pyrometrie ist deshalb für derartige Anwendungsfälle die Substrat-Temperaturmessung mittels Bandkantenmethode bekannt. Diese beruht auf spektralen Reflexions- oder Streulichtmessungen, welche die thermische Verschiebung der fundamentalen Absorptionskante des Substrat-Materials detektieren. Da Reflexions- oder Streulichtmessungen aktive optische Messmethoden sind (das Beleuchtungslicht wird aktiv aus einer Lichtquelle in die Prozesskammer eingestrahlt), kann das Beleuchtungslicht stets moduliert und somit von der Störstrahlung getrennt werden. Es gibt jedoch eine Vielzahl von Fällen, in denen diese sogenannte Bandkanten-Temperaturmessung nicht angewandt werden kann. Nur die drei wichtigsten Fälle seien hier genannt:

1) Temperaturmessung mit großer Präzisionsanforderung: Die Bandkantenverschiebung ist ein nahezu linearer Temperatur-Effekt, während das Pyrometriesignal exponentiell mit der Temperatur ansteigt. Dadurch kann die Bandkanten-Temperatur mit einer Genauigkeit von bestenfalls ±3 Kelvin im Prozesstemperaturbereich von 400 bis 700 Grad Celsius die Genauigkeit von Pyrometern (bis zu ±0,1 Kelvin in diesem Temperaturbereich) nicht erreichen,
2) Temperaturmessung bei sehr hohen Prozesstemperaturen: Die spektrale Bandkanten-Signatur verbreitert deutlich mit zunehmender Prozess-Temperatur und verschwindet faktisch vollständig bei sehr hohen Temperaturen, da durch thermisch angeregte freie Ladungsträger der Transmissionsbereich des Substrats (also der Spektralbereich energetisch unterhalb der Bandkante) zunehmend ebenfalls Beleuchtungslicht absorbiert. Die Empfindlichkeit der Pyrometriemessung hingegen nimmt verfahrensgemäß mit zunehmender Temperatur zu und selbst vormals für die Pyrometrie durch geringe Emissivität ungeeignete Spektralbereiche (Transmissionsbereich des Substrats energetisch unterhalb der Bandkante) werden bei sehr hoher Temperatur durch den genannten Effekt (thermisch angeregte freie Ladungsträger) nutzbar, da die Emissivität des Substrats zunimmt, oder
3) Temperaturmessungen in Prozessen, bei denen absorbierende Schichten die Bandkantensignatur des Substrates verdecken. Dies trifft beispielsweise zu auf die Molekularstrahlepitaxie von schmallückigen Halbleitern (energetisch niedrige Bandkante) auf breitlückigen Halbleitersubstraten (energetisch höher liegende Bandkante).

Entsprechend galt es folgendes Problem zu lösen:
Schaffung eines Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtungen, welche eine genaue Probentemperaturbestimmung erlauben, auch unter den oben beschriebenen Prozessbedingungen a) bis c) und in den ebenfalls oben beschriebenen Anwendungsfällen 1) bis 3), sowie in weiteren Anwendungsfällen, in welchen weder Pyrometrie nach Stand der Technik noch Bandkantentemperaturmessung nach Stand der Technik technisch und wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar sind.
Für das eingangs genannte Verfahren ist das Problem dadurch gelöst, dass von dem zweiten Messstrahlungsspektrum ein angenommenes Störstrahlungsspektrum abgezogen wird, bevor die Temperatur bestimmt wird. Die Intensitäts-Skalierung des Störstrahlspektrums wird dabei aus einer Konsistenz-Analyse zwischen MSP1 und MSP2 bestimmt. Diese Konsistenz-Analyse besteht aus einem 2-Parameter-Fit (Temperatur, Störstrahlungs-Skalierungsfaktor), welcher bei Konsistenz das MSP2 exakt reproduziert. Anders formuliert: Nur wenn der Skalierungsfaktor des Störspektrums korrekt ist, führt die Emissivitätskorrektur für alle Wellenlängen des Spektral-Pyrometers zur gleichen Temperatur. Entsprechend wird beim 2-Parameter-Fit sowohl die Probentemperatur (mit Auswirkung auf das Emissivitäts-korrigierte theoretische Emissivitätsspektrum der Probe) als auch der Skalierungsfaktor des Störstrahlungsspektrums so variiert, dass durch das resultierende theoretische Summenspektrum (aus Emissivitäts-korrigiertem theoretischen Emissivitätsspektrum der Probe und skaliertem Störstrahlungsspektrum) das gemessene MSP2 bestmöglich reproduziert wird. Das theoretische Emissionsspektrum der Probe ist vorzugsweise das Planck‘sche Strahlungsspektrum.
Für die eingangs genannte Temperaturmessvorrichtung ist das Problem dadurch gelöst, dass die Temperaturmessvorrichtung ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte und, sofern nicht anders ausgeführt, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
So kann als angenommenes Störstrahlungsspektrum ein Bruchteil des dritten Messstrahlungsspektrums (MSP3) vom zweiten Messstrahlungsspektrum MSP2 abgezogen werden. Aus dem zweiten Messstrahlungsspektrum kann die thermische Strahlung der Probe extrahiert werden, indem vom zweiten Messstrahlungsspektrum das mit einem Skalierungsfaktor multiplizierte MSP3 abgezogen wird. Der Skalierungsfaktor ist vorzugsweise kleiner 1 und beispielsweise kleiner als 0,5. Beispielsweise beträgt der Skalierungsfaktor 0, 0,05, 0,1, 0,15, 0,2, 0,25, 0,3, 0,35, 0,4, 0,45 oder 0,5. Durch diese einfache Maßnahme kann eine spektrale Konsistenz zwischen MSP1 und MSP2 hergestellt werden und somit die die Temperaturmessung beeinflussende Störstrahlung rechnerisch eliminiert werden.
Alternativ zur Messung des Spektralverlaufs des Störspektrums (MSP3) kann auch ein geeignet skaliertes Modell-Spektrum der Störstrahlung vom zweiten Messstrahlungsspektrum abgezogen werden. Die Konsistenz-Analyse (2-Parameter-Fit) erfolgt dann exakt wie oben für das experimentell bestimmte MSP3-Spektrum. Das Modell-Spektrum der Störstrahlung ist vorzugsweise das Planck‘sche Strahlungsspektrum für die Störstrahlungsquelle (z.B. die Temperatur einer MBE-Bedampfungsquelle).
Durch beide Varianten (MSP3 als experimentelles Störstrahlungs-Spektrum bzw. die Nutzung eines theoretischen Modell-Spektrums der Störstrahlung) kann die Probentemperatur sehr genau ermittelt werden, ohne dass die Störstrahlung die Bestimmung der Temperatur ungewünscht beeinflusst.
Durch mehrere Iterationsschritte kann die durch das Emissivitäts-korrigierte theoretische Emissivitätsspektrum der Probe repräsentierte Temperatur immer weiter der wahren Probentemperatur angenähert werden.
Ein Teil dieses iterativen Prozesses ist es, dass das Temperatur-abhängige theoretische Emissionsspektrum der Probe durch das gemessene (MSP1–MSP2) Reflexionsspektrum der Probe emissivitäts-korrigiert wird.
Im Ergebnis dieses iterativen Prozesses wird die Differenz zwischen dem theoretischen MSP2^theor (Überlagerung aus skaliertem Störstrahlungsspektrum und Emissivitäts-korrigiertem theoretischem Emissionsspektrum) und dem gemessenen MSP2 möglichst klein oder sogar null.
Zur Bestimmung der Emissivität können das erste und das zweite Messstrahlungsspektrum voneinander subtrahiert werden, um das Reflexionsspektrum der Probe zu gewinnen, wodurch sich die Emissivität einfach und genau bestimmen lässt.
Da sowohl die Störstrahlung als auch die thermische Probenstrahlung in den beiden Messstrahlungsspektren MSP1 und MSP2 enthalten ist, werden beide Strahlungskomponenten bei der Subtraktion eliminiert und beeinflussen nicht die Bestimmung des Reflexions-Spektrums. Die spektrale Emissivität kann unmittelbar aus dem Reflexionsspektrum, also anhand des reflektierten Beleuchtungslichtes im MSP1, bestimmt werden.
Der Wellenlängenbereich des Beleuchtungslichts muss entsprechend dem Wellenlängenbereich, der zur pyrometrischen Bestimmung der Probentemperatur aus der von der Probe abgegebenen thermischen Strahlung genutzt wird, vollständig enthalten sein.
Die Temperaturmessvorrichtung kann einen Probenhalter zur Aufnahme einer Probe, einen ersten Detektor für von einer auf dem Probenhalter angeordneten Probe abgegebene thermische Strahlung, und einen ersten Strahlteiler aufweisen, wobei der erste Strahlteiler in einem sich vom Probenhalter zum ersten Detektor erstreckenden Strahlengang angeordnet ist und ein polarisierender Strahlteiler sein kann. Ist das von der Probe reflektierte Beleuchtungslicht polarisiert und beispielsweise linear polarisiert, und die von der Probe abgegebene thermische Strahlung nicht polarisiert, so lässt sich das reflektierte Beleuchtungslicht einfach und mit geringem apparativen Aufwand von der thermischen Strahlung trennen. Wenn die Probe mit polarisiertem und beispielsweise linear polarisiertem Beleuchtungslicht beleuchtet wird, kann das Beleuchtungslicht durch den Strahlteiler einfach auf die Probe geleitet werden, wodurch sich der apparative Aufwand weiter reduziert.
Die Temperaturmessvorrichtung kann einen zweiten Strahlteiler aufweisen, wobei der zweite Strahlteiler in einem sich von der Beleuchtungslichtquelle zum Probenhalter erstreckenden Beleuchtungslichtpfad angeordnet ist. Der zweite Strahlteiler ist zum Beispiel ein nicht-polarisierender Strahlteiler und kann beispielsweise in einer Richtung linear polarisiertes Licht passieren lassen, und reflektiert Licht, das in einer anderen Richtung polarisiert ist. Somit kann zum Beispiel Beleuchtungslicht durch den zweiten Strahlteiler beispielsweise zum ersten Strahlteiler und von dort oder direkt in Richtung auf dem Probenhalter geleitet werden. Von der Probe und vom ersten Strahlteiler reflektiertes Beleuchtungslicht wird vom zweiten Strahlteiler nicht zur Beleuchtungslichtquelle, sondern zu einem zweiten Detektor der Temperaturmessvorrichtung für das reflektierte Beleuchtungslicht geleitet.
Der zweite Detektor kann also dem zweiten Strahlteiler reflektiertes Beleuchtungslicht empfangend nachgeschaltet sein und dem ersten Detektor zumindest in seinem Spektral-Verhalten (zum Beispiel spektrale Auflösung) entsprechen, um eine exakte Emissivitätskorrektur zu ermöglichen.
Der erste Detektor ist beispielsweise der Pyrometerdetektor des Pyrometers. Der erste Detektor kann in seinem Empfindlichkeitsverlauf und Zeitverhalten ganz auf bestmögliche Pyrometrieleistung optimiert werden.
Der erste Detektor kann an einem idealen Schwarzkörper kalibriert sein, um den Spektralverlauf des realen Pyrometersignals nach Emissivitätskorrektur mit der idealen Planckkurve vergleichen zu können.
Das neuartige Verfahren wird zudem durch folgende neuartige apparative Lösungen ermöglicht:

a) Verbesserung der Detektionsdynamik durch Anpassung der Empfindlichkeit der Spektral-Detektionskanäle und ggf. auch der Beleuchtungslichtquelle an den Intensitätsverlauf der Planck’schen Strahlungskurve und
b) Verminderung des störenden elektronischen Signal-Übertrags aus der Reflexionsmessung in die Pyrometrie-Messung durch Polarisationstrennung von optischem Beleuchtungsstrahlengang und Pyrometrie-Strahlengang.

Die Temperaturmessvorrichtung kann ein Spektrometer aufweisen, das eingangsseitig mit einem ersten Detektor des Pyrometers verbunden ist, um spektrale Spektren bestimmen zu können.
Die Temperatur-Messvorrichtung kann einen weiteren spektralen Hilfsdetektor enthalten, welcher das reine Störlicht an geeigneter Stelle detektiert.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt. Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist für das Computerprogrammprodukt dadurch gelöst, dass das Computerprogrammprodukt Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Auswerteeinrichtung ausgeführt wird.
Das Computerprogrammprodukt kann ein Computerprogrammprodukt zur Bestimmung der Temperatur eines Objektes sein, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Auswerteeinrichtung ausgeführt wird, wobei das Computerprogrammprodukt thermische Strahlung des Objektes und Störstrahlung repräsentierende Daten auswertet und ausgebildet ist, die Daten gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verarbeiten, um die Temperatur zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung kann ein PC sein, der datenübertragend mit dem Pyrometer verbunden ist. Alternativ kann die Auswerteeinrichtung durch eine Elektronik des Pyrometers ausgebildet sein. Ferner kann die Auswerteeinrichtung ein tragbarer Computer, beispielsweise ein Laptop-, ein Notebook-, oder Tablet-Computer oder ein Handgerät, etwa ein Mobiltelefon sein. Ferner kann die Auswerteeinrichtung durch ein Steuergerät, das Teil des Pyrometers oder datenübertragend mit dem Pyrometer verbindbar sein kann, bereitgestellt sein.
Das Computerprogrammprodukt kann auf einem Datenträger bereitgestellt sein. Wird das Computerprogrammprodukt vom Datenträger in die Auswerteeinrichtung geladen, so kann die Auswerteeinrichtung das Computerprogrammprodukts zur Bestimmung der Temperatur auswerten. Der Datenträger kann also in der Auswerteeinrichtung installiert oder mit dieser verbindbar sein. Alternativ kann der Datenträger als ein Nachrüstelement für bestehende Pyrometer bereitgestellt sein. Beispielsweise wenn ein bestehendes Pyrometer bereits in der Lage ist, die Modulation von Störstrahlung zur Trennung der Störstrahlung von der thermischen Strahlung zu verwenden, kann das Computerprogrammprodukt die Temperaturmessvorrichtung dazu befähigen, mit einer nicht wie gewünscht variierenden Störstrahlung die thermische Strahlung von der Störstrahlung zu trennen, insbesondere gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Der Datenträger kann als ein USB- Stick, eine Diskette, ein optischer Datenträger (CD, DVD, etc.) oder als ein sonstiger transportabler Datenträger bereit gestellt sein. Ferner kann der Datenträger online zugänglich sein, sodass das Computerprogrammprodukt beispielsweise als Download bereitgestellt wird. Ferner kann das Computerprogrammprodukt auf einer entfernt von der Temperaturmessvorrichtung angeordneten Auswerteeinrichtung betrieben werden, wobei von der Auswerteeinrichtung Messdaten während oder mit einem zeitlichen Abstand zur Vermessung der thermischen Strahlung bereit gestellt werden, um die Temperatur mit der Auswerteeinrichtung rechnerisch zu bestimmen.
Um das theoretische Spektrum mit dem thermischen Spektrum vergleichen zu können, kann die Auswerteeinrichtung eine Vergleichseinrichtung aufweisen, der im Betrieb von der Auswerteeinrichtung das von der Störstrahlung getrennte thermische Strahlungsspektrum zugeführt wird.
Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise ein Spektrometer aufweisen, das eingangsseitig mit einem Pyrosensor des Pyrometers verbunden ist, um das Spektrum der thermischen Strahlung zu ermitteln.
Die Emissivität kann auch als Emissionsgrad bezeichnet werden. Die Probe kann ein Substrat sein, dessen Temperatur während der Erzeugung der dünnen Schicht und/oder der Strukturierung der Oberfläche in situ bestimmt wird.
Zusammenfassend kann die Erfindung wie folgt dargestellt sein: Das Verfahren zum Bestimmen der Temperatur einer Probe kann die folgenden Verfahrensschritte aufweisen:

– Detektieren einer thermischen Strahlung der Probe in einem Wellenlängenbereich und Bestimmen des Spektrums der detektierten thermischen Strahlung,
– Einstrahlen von Beleuchtungslicht, dessen Spektrum zumindest im genannten Wellenlängenbereich oder in einem größeren Wellenlängenbereich nicht null ist, auf die Probe,
– Detektieren der von der bestrahlten Probe abgegebenen Strahlung und Bestimmen des Spektrums der detektierten Strahlung,
– Bestimmen einer ersten hypothetischen thermischen Störstrahlung im genannten Wellenlängenbereich durch Reduktion der Intensität der detektierten thermischen Strahlung um einen ersten hypothetischen Fehlerwert,
– Bestimmen einer zweiten hypothetischen thermischen Strahlung im genannten Wellenlängenbereich durch Reduktion der Intensität der detektierten thermischen Strahlung um einen zweiten hypothetischen Fehlerwert,
– Bestimmen einer ersten hypothetischen emissivitätskorrigierten thermischen Strahlung im genannten Wellenlängenbereich durch Korrektur der Emissivität der ersten hypothetischen thermischen Strahlung im genannten Wellenlängenbereich unter Verwendung der detektierten reflektierten Strahlung,
– Bestimmen einer zweiten hypothetischen emissivitätskorrigierten thermischen Strahlung im genannten Wellenlängenbereich durch Korrektur der Emissivität der zweiten hypothetischen thermischen Strahlung im genannten Wellenlängenbereich unter Verwendung der detektierten reflektierten Strahlung,
– Selektion eines der hypothetischen Fehlerwerte unter Berücksichtigung der bestimmten hypothetischen emissivitätskorrigierten thermischen Strahlungen, und
– Bestimmen der Temperatur einer Probe unter Berücksichtigung des selektierten Fehlerwerts.

Ferner kann das Verfahren umfassen:

– Bestimmen einer ersten hypothetischen Temperatur aus der ersten hypothetischen emissivitätskorrigierten thermischen Strahlung im genannten Wellenlängenbereich,
– Bestimmen einer zweiten hypothetischen Temperatur aus der zweiten hypothetischen emissivitätskorrigierten thermischen Strahlung im genannten Wellenlängenbereich,
– Selektion eines der hypothetischen Fehlerwerte unter Berücksichtigung der hypothetischen Temperaturen und unter Berücksichtigung der dazugehörigen hypothetischen emissivitätskorrigierten thermischen Strahlungen.

Die Erfindung ermöglicht, beispielsweise die Temperatur von Proben, etwa Substraten (zum Beispiel Halbleiter-Scheiben), während Hochtemperatur-Bearbeitungsprozessen (zum Beispiel Beschichtung, Ätzen, Tempern, etc.) auch dann genau pyrometrisch zu messen, wenn die Prozesskammer und/oder die Messumgebung durch Fremdlicht überstrahlt werden, welches die quantitative Analyse der vom Substrat ausgesandten thermischen Strahlung überlagert und dadurch die pyrometrische Temperaturmessung verfälscht.
Zur Unterdrückung von Störlicht-Einflüssen auf das Pyrometer-Signal hat sich neben der üblichen geometrisch-optischen Optimierung des Pyrometer-Strahlengangs und der Pyrometer-Adaption an die Prozess-Kammer insbesondere die „Ripple“-Technologie bewährt: Falls das Störlicht von Lichtquellen kommt, welche zeitlich so moduliert werden können (zum Beispiel das Heizlicht in Prozess-Kammern), dass die Frequenz dieser „Ripple-Modulation“ des Störlichts deutlich höher ist als die Variationsgeschwindigkeit der Substrat-Temperatur, dann kann diese „Ripple“-Markierung des Heizlichtes zur numerischen oder elektronischen Abtrennung des Störlichts von der zur Temperaturmessung exakt und störungsfrei zu bestimmenden thermischen Strahlung des Substrates genutzt werden. Beispielsweise wird das Netz-Brummen der Heizlampenintensität genutzt, also die kleine, „natürliche“ Modulation der Heizlampenleistung durch die nicht vollständige Glättung der doppelten Netzfrequenz im Lampen-Gleichstrom, als „Ripple“-Markierung eingesetzt wird.
Es gibt jedoch einige technisch sehr relevante Prozesse, in denen die „Ripple“-Technologie nicht einsetzbar ist, da das Störlichtsignal nicht geeignet moduliert werden kann. Hierzu zählen unter anderem:

a) Störlicht durch die heißen Materialquellen in der Molekularstrahl-Epitaxie. Diese sind üblicherweise um einige 100 Kelvin heißer als die Substrate, um das Schichtmaterial thermisch zu verdampfen und somit einen Molekularstrahl auf die Substrat-Oberfläche zu richten.
b) Störlicht in der metall-organischen Gasphasen-Epitaxie, welches durch thermisch träge Heizquellen oder heiße Baugruppen im Reaktor erzeugt wird.
c) Störlicht in Prozesskammern der Silizium-Industrie, in denen (z.B. durch Phasenanschnittsregelung der Heizlichtleistung von IR-Strahlern) eine zeitliche Modulation der Heizleistung nicht sinnvoll und wirtschaftlich anwendbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Folgenden beschrieben:
Beispielsweise wird ein spektrales Pyrometer in geeignetem Spektralbereich eingesetzt, um die Temperatur von beschichteten oder oberflächen-modifizierten Substraten (nachfolgend Probe genannt) zu bestimmen. Beschichtung und/oder Oberflächenmodifizierung (z.B. 3-dimensional (3D) geätzte Oberflächen-Strukturen) führen in der Regel zur spektralen Modulation der Reflexion durch Inferenz-Effekte (Fabry-Perot-Oszillation (FPO) und/oder phasen-verschiedene Überlagerung von Teilstrahlen der Teilreflexionen an 3D-Oberflächen) und damit auch der Emissivität oder des Emissionsgrades der Substrate. Es kann entsprechend zusätzlich eine spektrale Reflexionsmessung eingesetzt werden, um für jede Wellenlänge eine Emissivitätskorrektur des Spektral-Pyrometers durchzuführen.
Die spektrale überlagerte Emissivitätssignatur der Probe wird nicht nur als zu korrigierende Störgröße betrachtet, sondern zusätzlich auch als eine Spektral-Markierung der thermischen Proben-Strahlung. Erfindungsgemäß wird dabei die spektrale und/oder zeitliche Modulation der Proben-Emissivität zur Trennung der thermischen Proben-Emissionsstrahlung von der (zum Beispiel statischen, also zeitlich konstanten und spektral wenig variierenden) Störstrahlung genutzt. Man könnte dies auch als Nutzung des „Emissivitäts-Ripple“ bezeichnen, bei welchem nicht die zeitliche Modulation des Störlichts zur Unterscheidung und Signaltrennung von der thermischen Probenstrahlung genutzt wird. Vielmehr wird die spektrale (FPO) und/oder zeitliche (bei Schichtwachstums- oder Oberflächen-Modifikationsprozessen) Variation der Proben-Emissivität als Selektionsmerkmal für die thermische Probenstrahlung im Unterschied zur statischen Störstrahlung genutzt.
Das neuartige Verfahren kann durch folgende neuartige apparative Lösungen ermöglicht werden:

a) Verbesserung der Detektionsdynamik durch Anpassung der Empfindlichkeit der Spektral-Detektionskanäle und ggf. auch der Reflexionslichtquelle an den Intensitätsverlauf der Planck’schen Strahlungskurve und
b) Verminderung des störenden elektronischen Signal-Übertrags aus der Reflexionsmessung in die Pyrometrie-Messung durch Polarisationstrennung von optischem Reflexionsstrahlengang und Pyrometrie-Strahlengang.

Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsformen in Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsform können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde:
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Temperatur einer Probe
2 eine schematische Darstellung optionaler Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung,
4 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels der 3,
5 eine schematische Darstellung der Emissivität einer beschichteten Seite einer Probe für unterschiedliche Temperaturen,
6 eine schematische Darstellung von Spektren thermischer Strahlung der beschichteten Probe mit und ohne Störstrahlungsanteil bei 2 Temperaturen (600°C und 700°C),
7 eine schematische Darstellung der zweiten Ableitung der 700°C-Spektren der 6, mit und ohne Störstrahlungsanteil,
8 schematische Darstellungen der Restabweichungen zwischen MSP2^theor und MSP2 nach einem 1-Parameter-Fit (Störstrahlungs-Skalierfaktor). Nur für die korrekte Temperatur (600°C) wird die Restabweichung im gesamten Spektralbereich Null.
Zunächst sind Struktur und Funktion eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Temperatur einer Probe mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren 1 schematisch als ein Flussdiagramm. Das Verfahren 1 startet mit einem Verfahrensschritt 2, in dem beispielsweise eine Probe mit Beleuchtungslicht beleuchtet wird und von der Probe kommende Strahlung, die reflektiertes Beleuchtungslicht, thermische Strahlung der Probe und Störstrahlung aufweisen kann, in einem Wellenlängenbereich gemessen wird, um ein erstes Messstrahlungsspektrum zu erzeugen.
In einem weiteren Verfahrensschritt 3, der vor oder nach dem Verfahrensschritt 2 ausgeführt werden kann, wird thermische Strahlung, die einen Störstrahlungsanteil aufweisen kann, im genannten Wellenlängenbereich gemessen, ohne dass die Probe mit Beleuchtungslicht beleuchtet wird. Aus der gemessenen thermischen Strahlung wird ein zweites Messstrahlungsspektrum ermittelt.
Im auf den Verfahrensschritt 2 oder den Verfahrensschritt 3 folgenden Verfahrensschritt 4 wird die Emissivität der Probe basierend auf den beiden Messstrahlungsspektren ermittelt. Beispielsweise werden die beiden Messstrahlungsspektren voneinander subtrahiert, wodurch die thermische Strahlung der Probe und die Störstrahlung eliminiert werden und die Emissivität nur anhand des reflektierten Beleuchtungslichtes ermittelt werden kann.
Im Verfahrensschritt 5 kann vom zweiten Messstrahlungsspektrum, welches die thermische Strahlung der Probe und die Störstrahlung aufweisen kann, ein angenommenes, wirksames Störstrahlungsspektrum abgezogen. Das angenommene, wirksame Störstrahlungsspektrum kann durch Multiplikation des Störstrahlungs-Gesamtspektrums mit einem Skalierungsfaktor, der kleiner als 1 und größer oder gleich 0 ist, erzeugt werden. Aus der Subtraktion des angenommenen, wirksamen Störstrahlungsspektrums vom zweiten Messstrahlungsspektrum wird ein Messspektrum gebildet, das die von der Probe abgegebene thermische Strahlung ohne die Störstrahlung repräsentiert. Das Störstrahlungs-Gesamtspektrum wird entweder mit einem Hilfsdetektor separat gemessen oder durch ein theoretisches Modell vorgegeben (Planck Formel, Streulicht-Formeln, etc.)
Im Verfahrensschritt 6 wird das Messspektrum im Hinblick auf die ermittelte Emissivität der Probe korrigiert.
Im Verfahrensschritt 7 wird die Temperatur der Probe bestimmt, indem das MSP2 mit dem MSP2^theor (Überlagerung aus dem angenommenen, wirksamen Störstrahlungsspektrum und theoretischen thermischen Strahlungsspektrum unter Berücksichtigung der Emissivität der Probe) verglichen wird.
2 zeigt optionale Verfahrensschritte des Verfahrens 1 schematisch als ein Flussdiagramm.
Im Verfahrensschritt 10 werden mehrere angenommene, wirksame Störstrahlungsspektren gebildet, indem das Störstrahlungs-Gesamtspektrum mit unterschiedlichen Skalierungsfaktoren multipliziert wird.
Im Verfahrensschritt 11, wird eine Vielzahl von Proben-Emissionsspektren gebildet, indem unterschiedliche angenommene wirksame Störstrahlungsspektren von dem zweiten Messstrahlungsspektrum MSP2 subtrahiert werden.
Im Verfahrensschritt 12 werden die Messspektren MSP2 mit mehreren MSP2^theor (angenommene Probentemperaturen repräsentierende theoretischen, emissivitätskorrigierten thermischen Strahlungsspektren der Probe überlagert mit angenommenen wirksamen Störstrahlungsspektren) verglichen. Das theoretische thermische Strahlungsspektrum, dessen MSP2^theor dem MSP2 am nächsten kommt, repräsentiert zumindest näherungsweise die wahre Probentemperatur. Durch mehrere Iterationsschritte 10-11-12 kann die durch die theoretischen thermischen Strahlungsspektren repräsentierte Temperatur immer weiter der wahren Probentemperatur angenähert werden. Alternativ kann ein numerischer 2-Parameter-Fit (Parameter 1 = Temperatur, Parameter 2 = Skalierungsfaktor des Störstrahlungs-Gesamtspektrums) erfolgen.
3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung 20 mit einem Pyrometer 21 und einer Auswerteeinrichtung 22. Die Auswerterichtung 22 ist ausgebildet, das Verfahren 1 mit den Verfahrensschritten 2 bis 7 und optional mit den Verfahrensschritten 10 bis 12 auszuführen. Das Pyrometer 21 und die Auswerteeinheit 22 sind Signal übertragend miteinander verbunden, beispielsweise durch eine Signalleitung 23. Das Pyrometer 21 und die Auswerteeinrichtung 22 können integrale Bestandteile der Temperaturmessvorrichtung 20 sein und zum Beispiel in einem gemeinsamen Gehäuse der Temperaturmessvorrichtung 20 angeordnet sein. Alternativ kann die Auswerteeinrichtung 22 separat vom Pyrometer 21 ausgebildet sein und ein eigenes Gehäuse aufweisen.
Das Pyrometer 21 weist einen der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten ersten Detektor oder Pyrosensor auf, der thermische Strahlung in ein Messsignal wandelt. Das Messsignal kann direkt oder vom Pyrometer 21 verarbeitet an die Auswerteeinrichtung 22 geleitet werden, sodass mittels der Auswerteeinrichtung 22 die Temperatur der Probe bestimmt werden kann.
Die Temperaturmessvorrichtung 20 ist im Betrieb und zusammen mit einer Prozesskammer 30 einer Beschichtungs- oder Strukturierungsvorrichtung dargestellt. Die Prozesskammer 30 weist ein Gehäuse 31 mit einem Beobachtungsfenster 32 auf. Durch das Beobachtungsfenster 32 tritt im Betrieb der Prozesskammer 30 thermische Strahlung. Im Ausführungsbeispiel der 3 ist die Prozesskammer 30 mit einem Substratträger 33 versehen, der im Gehäuse 31 angeordnet ist. Auf dem Substratträger 33 ist eine Probe 40 angeordnet, deren Temperatur bestimmt werden soll. Die Probe 40 ist zwischen dem Substratträger 33 und dem Beobachtungsfenster 32 angeordnet, sodass von der Probe 40 abgegebene thermische Strahlung durch das Beobachtungsfenster 32 treten kann. Ist auf der der Probe 40 gegenüberliegendem Seite des Beobachtungsfensters 32 das Pyrometer 21 angeordnet, sodass dessen Pyrosensor die thermische Strahlung der Probe 40 empfängt, so kann mit der Temperaturmessvorrichtung 20 die Temperatur der Probe 40 bestimmt werden. Allerdings besteht auch die Möglichkeit, mit der Temperaturmessvorrichtung 20 die Temperatur der Probe 40 zu bestimmen, wenn die Probe 40 außerhalb der Prozesskammer 30 angeordnet ist.
Insbesondere gibt die Probe 40 über seine im Messeinsatz dem Pyrometer 21 zugewandte Seite 41 thermische Strahlung an das Pyrometer 21 ab. Die von der Seite 41 abgegebene Strahlung ist als ein Pfeil dargestellt, der mit dem Bezugszeichen T versehen ist. Insbesondere wenn die Seite 41 mit wenigstens einer dünnen Schicht und/oder einer ein Höhenprofil ausbildenden Struktur versehen ist, variiert die Intensität oder die Strahldichte der thermischen Strahlung T mit der Wellenlänge der thermischen Strahlung, sodass die Intensität oder die Strahldichte der thermischen Strahlung T moduliert ist.
Insbesondere wenn die Prozesskammer 30 eine Prozesskammer zum Beschichten oder zum Strukturieren der Seite 41 ist, kann es jedoch vorkommen, dass Wärmequellen der Prozesskammer 30 die Bestimmung der Temperatur der Probe 40 beeinträchtigen. Beispielsweise können diese Wärmequellen Evaporationstiegel beziehungsweise Effusionszellen sein, die bei der Molekularstrahlepitaxie zur Bereitstellung des Schichtmateriales verwendet werden. Auch andere Wärmequellen können in der Prozesskammer 30 angeordnet sein, sodass deren thermische Strahlung die pyrometrische Bestimmung der Temperatur der Probe 40 beeinträchtigt. Beispielsweise kann die Störstrahlung durch Verunreinigungen auf einer Innenseite des Beobachtungsfensters 32 hervorgerufen und an das Pyrometer 21 abgegeben werden. Im Ausführungsbeispiel der 3 ist eine solche Störstrahlung als ein gestrichelter Pfeil mit dem Bezugszeichen S dargestellt. Auch Verunreinigungen an anderen optischen Elementen, etwa Linsen oder Abdeckgläsern, die Teil des Pyrometers sein können, können zu Störstrahlung führen.
Um die Emissivität der Probe 40 bei der Bestimmung der Probentemperatur berücksichtigen zu können, kann die Seite 41 mit Beleuchtungslicht B beleuchtet werden. Das Beleuchtungslicht B trifft auf die Seite 41 und wird als reflektiertes Beleuchtungslicht R zurückgeworfen. Das reflektierte Beleuchtungslicht R kann durch die zumindest eine dünne Schicht und/oder die Oberflächenstruktur der Seite 41 zeitlich oder spektral moduliert sein beziehungsweise variieren. Aus dieser Modulation beziehungsweise Variation kann die Emissivität abgeleitet werden.
Um das reflektierte Beleuchtungslicht R von der thermischen Strahlung T trennen zu können, kann die Temperatur Messvorrichtung 20 einen Farbfilter oder einen polarisierenden Strahlteiler aufweisen. Insbesondere wenn das reflektierte Beleuchtungslicht R durch die Reflektion polarisiert ist, kann der polarisierende Strahlteiler das reflektierte Beleuchtungslicht R einfach von der thermischen Strahlung T, die nicht polarisiert ist, trennen.
Um die reine Störstrahlung S* der Störstrahlungsquelle zu erfassen, kann hinter einem zweiten Beobachtungsfenster ein spektraler Hilfsdetektor 58 angeordnet werden.
4 zeigt das Ausführungsbeispiel der 3 vereinfacht um mit zwei Strahlteilern sowie zwei Detektoren.
Von dem Probenhalter 33 aus gesehen kann ein erster Strahlteiler 42 entlang eines Strahlengangs 43 der thermischen Strahlung T zwischen dem Probenhalter 33 und einem ersten Detektor 44 der Temperaturmessvorrichtung 20 angeordnet sein. Insbesondere kann der Strahlteiler 42 außerhalb der Prozesskammer 30 vorgesehen sein. Der erste Strahlteiler kann ein polarisierender Strahlteiler sein, der die unpolarisierte thermische Strahlung T zumindest teilweise passieren lässt.
Ferner kann die Temperaturmessvorrichtung 20 eine Beleuchtungslichtquelle 45, zum Beispiels eine Weißlichtquelle, aufweisen, deren Beleuchtungslicht B zur Probe 40 geleitet wird. Um das Beleuchtungslicht B zur Probe 40 zu leiten, kann das Beleuchtungslicht B polarisiert sein und durch den ersten Strahlteiler 42 zumindest abschnittsweise entlang des Strahlengangs 43 in Richtung auf die Probe 40 reflektiert werden.
Um das von der Probe 40 reflektierte Beleuchtungslicht R, das ebenfalls polarisiert sein kann, durch den ersten Strahlteiler 42 nicht zurück in die Beleuchtungslichtquelle 45 zu leiten, kann die Temperaturmessvorrichtung 20 einen zweiten, vorzugsweise nicht-polarisierenden Strahlteiler 46 aufweisen. Dieser kann das reflektierte Beleuchtungslicht R zumindest teilweise in Richtung auf einen zweiten Detektor 47 reflektieren. Ein Beleuchtungslichtpfad 48, entlang dessen sich das Beleuchtungslicht B, R zu Probe 40 hin und von dieser weg ausbreitet, kann also durch beide Strahlteiler 42, 46 verlaufen.
Das neuartige Verfahren wird zudem durch die oben ausgeführten apparativen Lösungen der Ausführungsbeispiele der 3 und 4 ermöglicht:

a) Verbesserung der Detektionsdynamik durch Anpassung der Empfindlichkeit der Spektral-Detektionskanäle und ggf. auch der Beleuchtungslichtquelle 45 an den Intensitätsverlauf der Planck’schen Strahlungskurve und
b) Verminderung des störenden elektronischen Signal-Übertrags aus der Reflexionsmessung in die Pyrometrie-Messung durch Polarisationstrennung von optischem Beleuchtungsstrahlengang 48 und Pyrometrie-Strahlengang 43.

5 zeigt die Emissivität beziehungsweise den Emissionsgrad der Probe 40, die beispielhaft mit einer 1000 Nanometer dicken Aluminiumarsenidschicht versehen ist. Die Probe 40 ist zum Beispiel ein Substrat aus Galliumarsenid, das mit Molekularstrahlepitaxie mit der Aluminiumarsenidschicht beschichtet wurde oder wird. Die Emissivität variiert aufgrund der Beschichtung für unterschiedliche Wellenlängen, da die thermische Strahlung oder das Beleuchtungslicht teilweise an der Oberfläche der dünnen Schicht und an der Grenzschicht zwischen der dünnen Schicht und dem Substrat reflektiert wird und sich die an der Oberfläche und der Grenzschicht reflektierten Anteile überlagern. Da sich die spektrale Verteilung der Intensität oder der Strahldichte der thermischen Strahlung bei zubeziehungsweise abnehmenden Temperaturen der Probe 40 ändert, ändert sich auch die Modulation beziehungsweise Variation der Emissivität. Beispielhaft sind Emissivitätsverläufe 50, 51 dargestellt, wobei der Emissivitätsverlauf 50 bei einer Temperatur der Probe 40 von 600 Grad Celsius, und der Emissivitätsverlauf 51 eine Temperatur der Probe 40 von 700 Grad Celsius repräsentiert.
6 zeigt spektrale Strahldichten für eine Vielzahl von Wellenlängen der thermischen Strahlung T mit und ohne Störstrahlung S bei Temperaturen von 600 Grad Celsius und 700 Grad Celsius, wobei die Störstrahlung S beispielhaft von einem 900 Grad Celsius heißen Evaporationstiegel ausgeht. Die Bezugszeichen 52, 53 beziehen sich auf die vom Pyrometer empfangene Gesamtstrahlung bei unbeleuchteter Probe 40, wobei die Gesamtstrahlung die thermische Strahlung T und die Störstrahlung S aufweist.
Die Bezugszeichen 52a, 53a kennzeichnen die spektrale Strahlungsdichte ohne die Störstrahlung S. Die Probe 40 hat bei der spektralen Strahlungsdichte 52a beispielsweise eine Temperatur von 600 Grad Celsius. Die Temperatur der Probe 40 beträgt zum Beispiel bei den spektralen Strahldichten 52, 52a 600 Grad Celsius und bei den spektralen Strahldichten 53, 53a 700 Grad Celsius.
7 zeigt schematisch die zweite Ableitung 53“, 53a“ der spektralen Strahldichten 53, 53a der 6. Es ist ersichtlich, dass die zweiten Ableitungen sowohl der spektralen Strahldichte 53 inklusive der Störstrahlung S als auch der spektralen Strahldichte 53a ohne die Störstrahlung S im Wesentlichen identisch sind. Würden 53 und 53a jedoch tatsächlich störstrahlungs-freie Spektraldichten verschiedener Probentemperatur sein, so müssten sich 53‘‘ und 53a‘‘ unterscheiden.
8 zeigt Differenzspektren der Messspektren und theoretischer Strahlungsspektren für unterschiedliche Temperaturen, jeweils nach Differenz-Minimierung durch Skalierung des Störstrahlungsspektrums. Das Differenzspektrum 54 weicht für die meisten Wellenlängen vom Wert null ab. Ebenso weichen die Differenzspektren 55 und 56 für die meisten Wellenlängen vom Wert null ab. Nur das Differenzspektrum 57 ist über alle betrachteten Wellenlängenbereiche im Wesentlichen null. Folglich repräsentiert das aus dem Spektrum der gemessenen thermischen Strahlung T und dem theoretischen Spektrum für beispielsweise die vorgegebene Temperatur 600 Grad Celsius gebildete Differenzspektrum 57 die Temperatur der Probe 40, nämlich 600 Grad Celsius. Die Differenzspektren 54 bis 56 entsprechen im quadratischen Mittel dem Abstandsminimum nach Störstrahlungsskalierung für andere Temperaturen, beispielsweise 594 Grad Celsius, 606 Grad Celsius und 611 Grad Celsius. Da diese Differenzspektren 54 bis 56 über die meisten betrachteten Wellenlängenbereiche vom Wert null abweichen, repräsentieren diese Differenzspektren 54 bis 56 nicht die Temperatur der Probe. Dies illustriert die zu erwartende Temperatur-Genauigkeit eines 2-Parameter-Fits (Störstrahlungs-Skalierung UND Proben-Temperatur).
Bezugszeichenliste

1: Verfahren
2: beleuchten und erstes Messstrahlungsspektrum erzeugen
3: zweites Spektrum erzeugen
4: Emissivität der Probe bestimmen
5: angenommenes Störstrahlungsspektrum abziehen
6: Emissivitätskorrektur
7: Temperatur bestimmen
10: mehrere angenommene Störstrahlungsspektren bilden
11: mehrere Messspektren bilden
12: Messspektren mit theoretischen Spektren Vergleichen
20: Temperaturmessvorrichtung
21: Pyrometer, spektral, Detektivitäts-kalibriert und Emissivitäts-korrigiert
22: Auswerteeinrichtung
23: Signalleiter
30: Prozesskammer
31: Gehäuse
32: Beobachtungsfenster
33: Probenhalter
40: Probe
41: Seite der Probe
42: erster Stahlteiler
43: Strahlengang der thermischen Strahlung T
44: erster Detektor
45: Beleuchtungslichtquelle
46: zweiter Strahlteiler
47: zweiter Detektor
48: Beleuchtungslichtpfad
50, 51: Emissivitätsverlauf
52, 53: spektrale Strahldichten mit Störstrahlung
52a, 53a: spektrale Strahldichten ohne Störstrahlung
54 bis 57: Differenzspektren
58: Hilfsdetektor für das Störstrahlungs-Gesamtspektrum
B: Beleuchtungslicht
R: reflektiertes Beleuchtungslicht
S: Störstrahlungsanteil, wie der pyrometrischen Messung überlagert
T: thermische Strahlung
S*: reine Störstrahlung von der Störstrahlungsquelle

Claims

Verfahren (1) zum Bestimmen der Temperatur einer Probe (40), bei dem die Temperatur anhand von erfassten Messstrahlungsspektren bestimmt wird (7, 12), wobei die Probe (40) mit Beleuchtungslicht (B) beleuchtet wird und ein erstes Messstrahlungsspektrum von der Probe (40) reflektiertes Beleuchtungslicht (R) und emittierte thermische Strahlung (T) aufweist, ein zweites Messstrahlungsspektrum die von der unbeleuchteten Probe (40) emittierte thermische Strahlung (T) aufweist, die Emissivität der Probe (40) anhand der beiden Messstrahlungsspektren ermittelt wird (4), und die Temperatur anhand des zweiten Messstrahlungsspektrums unter Berücksichtigung der Emissivität bestimmt wird (7, 12), dadurch gekennzeichnet, dass von dem zweiten Messstrahlungsspektrum ein angenommenes, wirksames Störstrahlungsspektrum abgezogen wird (5, 12), um die Temperatur zu bestimmen.
Verfahren (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als angenommenes, wirksames Störstrahlungsspektrum ein durch Skalierungsfaktor erzeugter Bruchteil des Störstrahlungs-Gesamtspektrums vom zweiten Messstrahlungsspektrum abgezogen wird (5, 11).
Verfahren (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Überlagerung eines von der Probentemperatur abhängigen Planck-Spektrums, welches durch ein gemessenes Reflexionsspektrum emissivitätskorrigiert wird, mit einem skalierten Störstrahlungsgesamtspektrum ein theoretisches Summen-Spektrum erzeugt wird, welches mit der gemessenen thermischen Strahlung der Probe (40) verglichen wird (12).
Verfahren (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissions-Messspektren mit mehreren theoretischen Summen-Spektren der thermischen Strahlung der Probe (40) bei unterschiedlichen vermuteten Temperaturen und unterschiedlichen vermuteten Störstrahlungs-Skalierungsfaktoren verglichen werden (12) und dass die vermutete Temperatur, bei der der Unterschied zwischen dem Emissions-Messspektrum und dem theoretischen Summen-Spektrum zu dieser Temperatur am geringsten ist, als Probentemperatur bestimmt wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die theoretischen Summen-Spektren emissivitätskorrigierte theoretische Planck-Spektren als Komponente enthalten (6).
Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Emissivität das erste und das zweite Messstrahlungsspektrum voneinander subtrahiert werden (4), um ein Reflexionsspektrum für die Emissivitätskorrektur zu gewinnen.
Temperaturmessvorrichtung (20) mit einem Pyrometer (21), einer Signal übertragend mit dem Pyrometer (21) verbundenen Auswerteeinrichtung (22) und einer Beleuchtungslichtquelle (48), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessvorrichtung (20) ausgebildet ist, das Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Temperaturmessvorrichtung (20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessvorrichtung (20) einen Probenhalter (33) zur Aufnahme einer Probe (40), einen ersten Detektor (44) für von einer auf dem Probenhalter (33) angeordneten Probe (40) abgegebenen thermischen Strahlung (T), und einen polarisiertes Licht reflektierenden ersten Strahlteiler (42) aufweist, wobei der erste Strahlteiler (42) in einem sich vom Probenhalter (33) zum ersten Detektor (44) erstreckenden Strahlengang (43) angeordnet ist.
Temperaturmessvorrichtung (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessvorrichtung (20) einen zweiten Strahlteiler (46) aufweist, wobei der zweite Strahlteiler (46) in einem sich von der Beleuchtungslichtquelle (45) zum Probenhalter (33) erstreckenden Beleuchtungslichtpfad (48) angeordnet ist.
Temperaturmessvorrichtung (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessvorrichtung (20) einen zweiten Detektor (47) für reflektiertes Beleuchtungslicht (R) aufweist, wobei der zweite Detektor (47) dem zweiten Strahlteiler (46) reflektiertes Beleuchtungslicht (R) empfangend nachgeschaltet ist und dem ersten Detektor (44) zumindest teilweise entspricht.
Temperaturmessvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessvorrichtung (20) einen spektralen Hilfsdetektor enthält, welcher das Störstrahlungsgesamtspektrum an geeigneter Stelle misst.