DE69730639T2

DE69730639T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung eines Infrarot-Pyrometers in einer Wärmebehandlungsanlage

Info

Publication number: DE69730639T2
Application number: DE69730639T
Authority: DE
Inventors: Mark San Jose Yam
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2017-03-18
Also published as: DE69730639D1; KR100512191B1; KR970065738A; EP0798547A2; US5762419A; US6056433A; JP4226593B2; JP2006078501A; JPH1026557A; EP0798547A3; EP0798547B1; US6345909B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Kalibrieren von Pyrometern, die in Wärmebehandlungssystemen verwendet werden.
Bei der schnellen Wärmebehandlung (RTP) wird ein Substrat schnell auf eine hohe Temperatur, beispielsweise 1200°C, erhitzt, um einen Fertigungsschritt auszuführen, beispielsweise eine Glühbehandlung, eine Reinigung, eine chemische Gasphasenabscheidung, eine Oxidation oder eine Nitrierung. Um hohe Ausbeuten und eine Prozesszuverlässigkeit zu erhalten, muss insbesondere bei den Submikron-Abmessungen der gegenwärtigen Vorrichtungen die Temperatur des Substrats während dieser Wärmebehandlungsschritte genau gesteuert werden. Zur Herstellung einer dielektrischen Schicht mit einer Dicke von beispielsweise 60 bis 80 Å bei einer Gleichförmigkeit von ±2 Å, was für die Anforderungen der gegenwärtigen Vorrichtungsstrukturen typisch ist, darf sich die Temperatur in aufeinander folgenden Behandlungsschritten um nicht mehr als wenige °C von einer Zieltemperatur aus ändern. Um dieses Niveau einer Temperatursteuerung zu erreichen, wird die Temperatur des Substrats in Realzeit und in situ gemessen.
Die optische Pyrometrie ist eine Technologie, die zum Messen der Substrattemperaturen in RTP-Systemen verwendet wird. Ein optisches Pyrometer, das eine optische Sonde verwendet, prüft die von dem Substrat emittierte Strahlungsstärke und berechnet die Temperatur des Substrats basierend auf dem spektralen Emissionsvermögen des Substrats und der Beziehung Strahlung-Temperatur des idealen schwarzen Körpers.
Wenn das System zum ersten Mal eingerichtet wird, muss die optische Sonde so kalibriert werden, dass sie eine genaue Temperaturablesung erzeugt, wenn sie der Strahlung ausgesetzt wird, die von dem erhitzten Substrat kommt. Während des wiederholten Einsatzes kann sich zusätzlich die von der Sonde gefühlte Temperatur mit der Zeit ändern, so dass es erforderlich wird, die Sonde wieder zu kalibrieren oder wenigstens die Änderung festzustellen, die eingetreten ist, damit eine Korrekturmaßnahme getroffen werden kann. Beispielsweise kann das Lichtleitkabel, das verwendet wird, um die von dem Substrat bei seiner Erhitzung emittierte Strahlung zu prüfen, schmutzig werden oder absplittern, können Verbindungen längs der optischen Säule locker werden oder können elektronische Bauteile in dem Pyrometer "driften".
Ein üblicherweise verwendetes Verfahren zum Kalibrieren des Pyrometers besteht darin, dass in der Kammer ein spezielles Substrat oder ein spezieller Wafer verwendet wird. Das spezielle Substrat, das im Handel käuflich ist, hat ein vorher gemessenes bekanntes Emissionsvermögen und trägt ein "eingebettetes" Thermoelement, das an dem Substrat mit einem Keramikmaterial befestigt ist. Wenn das Substrat erhitzt wird, wird seine tatsächliche Temperatur von dem Thermoelement angezeigt. Da das Emissionsvermögen des Substrats bekannt ist, kann die tatsächlich von dem Substrat emittierte Strahlung leicht berechnet werden, indem die Strahlungsstärke, die von einem sich auf der vorgegebenen Temperatur befindlichen idealen schwarzen Körper zu erwarten wäre, mit dem Emissionsvermögen des Substrats multipliziert wird. Dies ist der Strahlungswert, der von der optischen Sonde des Pyrometers geprüft wird. Das Pyrometer wird so eingestellt, dass es eine Temperaturablesung erzeugt, die der tatsächlichen Temperatur entspricht.
Dieses Verfahren hat unglücklicherweise Nachteile. Die tatsächliche Temperatur des Substrats kann tatsächlich anders sein als die von dem Thermoelement gemessene Temperatur. Zunächst führt das Vorhandensein des eingebetteten Thermoelements und des keramischen Materials dazu, dass der Bereich mit dem Thermoelement eine andere Temperatur als andere Teile des Wafers hat, d. h. es stört das Temperaturprofil auf dem Substrat. Als Nächstes neigt die Verbindung zwischen dem Wafer und dem Thermoelement bei höheren Temperaturen (beispielsweise 1000°C, wie sie üblicherweise bei RTP-Prozessen auftreten) dazu, schlechter zu werden, so dass nach vier oder fünf Einsätzen die Thermoelementablesungen unzuverlässig werden. Aufgrund dieser Nachteile kann diese Kalibrierungstechnik eine Pyrometergenauigkeit, die besser ist als zehn bis fünfzehn °C, nicht wirklich garantieren.
Zusätzlich gibt es in Verbindung mit dem Einbringen eines mit einem Thermoelement versehenen Substrats in die Kammer und bei der Herstellung der elektrischen Verbindung mit dem Thermoelement Schwierigkeiten.
Ein früherer Vorschlag zum Prüfen der Leistung eines Pyrometers wurde in der deutschen Patentanmeldung DE 32 21 382 gemacht, die Einrichtungen zum Prüfen des Ausgangs eines Pyrometers beschreibt, das eine Anzahl von Glühlampen aufweist, von denen jede mit einer Anzahl von Lichtwegen versehen ist, wobei die Anzahl der Lichtwege aller Lampen die gleiche Länge hat und die Enden zur Bildung einer einzigen gedrängten Zielfläche gesam melt werden, die Enden der Anzahl von Lichtwegen aus allen Lampen willkürlich verteilt sind, um jeden Helligkeitsunterschied zwischen den Glühfäden der Lampen auszugleichen, und ein optischer Filter zwischen jeder Lampe und ihrer Anzahl von Lichtwegen vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung stellt gemäß einem Aspekt eine Vorrichtung zum Kalibrieren einer Temperatursonde für eine thermische Behandlungskammer bereit, die

a) eine Lichtquelle mit stabiler Stärke,
b) ein Lichtleitkabel, wobei die Lichtquelle optisch mit einem ersten Ende des Lichtleitkabels gekoppelt ist, um Licht durch ein zweites Ende des Lichtleitkabels während der Kalibrierung zu emittieren, und
c) einen Ausrichtmechanismus zum Ausrichten des zweiten Endes des Lichtleitkabels zu einem Eingangsende der Temperatursonde aufweist und sich dadurch auszeichnet, dass der Ausrichtmechanismus eine erste Ausrichtanordnung hat, die mit dem zweiten Ende des Lichtleitkabels für einen Eingriff mit einem entsprechenden ersten Ausrichtelement der Kammer gekoppelt ist, in der die Temperatursonde angebracht ist.

Insgesamt betrifft deshalb die Erfindung eine Vorrichtung zum Kalibrieren einer Temperatursonde für eine thermische Behandlungskammer. Die Vorrichtung hat eine Lichtquelle mit stabiler Stärke, die optisch mit einem ersten Ende eines Lichtleitkabels gekoppelt ist, um Licht durch ein zweites Ende des Lichtleitkabels während der Kalibrierung zu emittieren. Ein Ausrichtmechanismus richtet das zweite Ende des Lichtleitkabels zu dem Eingangsende der Temperatursonde aus. Der Ausrichtmechanismus hat eine erste Ausrichtanordnung für den Eingriff mit einem entsprechenden ersten Ausrichtelement der Kammer.
Zu den Ausführungen der Erfindung können die folgenden Ausgestaltungen gehören. Das Lichtleitkabel kann ein verdrilltes Faserbündel aufweisen. Die Lichtquelle kann in einem Hohlraum in einem Beleuchtungskörper angeordnet sein. Das Lichtleitkabel kann mit dem Beleuchtungskörper verbunden werden, wobei die Lichtquelle so positioniert ist, dass Licht durch das erste Ende des Lichtleitkabels geleitet wird. Der Ausrichtmechanismus kann eine erste Ausrichtvorrichtung, die mit dem zweiten Ende des Lichtleitkabels verbunden ist, und eine zweite Ausrichtvorrichtung, beispielsweise eine Scheibe, aufweisen, die eine Vielzahl von Vorsprüngen hat, die so ausgelegt sind, dass sie in eine Vielzahl von Hubstiftlöchern in einer Reflektorplatte passen. Die erste Ausrichtvorrichtung kann eine zweite Ausrichtanordnung aufweisen, beispielsweise eine Stufe in einer Außenfläche für einen Eingriff mit einem entsprechenden zweiten Ausrichtelement, beispielsweise einer Leitung mit einer Ringlippe an der zweiten Ausrichtvorrichtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Kalibrieren einer Temperatursonde bereit, die eine Temperatur eines Substrats während einer Behandlung in einem thermischen Behandlungssystem misst. Die Vorrichtung hat eine Lichtquelle, die optisch mit einer Fläche gekoppelt ist, um Licht mit einer vorgegebenen Stärke durch die Fläche während der Kalibrierung zu emittieren. Zwischen der Lichtquelle und der Fläche ist ein Filter angeordnet, um das von der Oberfläche über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich emittierte Strahlungsspektrum zu veranlassen, sich enger an das Strahlungsspektrum des schwarzen Körpers mit einer vorgegebenen Temperatur über dem vorgegebenen Wellenlängenbereich anzunähern. Die Vorrichtung hat auch einen Ausrichtmechanismus zum Ausrichten der Fläche mit einem Eingangsende der Temperatursonde.
Zu den Ausführungen der Erfindung gehören die folgenden Merkmale. Die Lichtquelle kann eine Licht emittierende Diode (LED) umfassen. Der vorgegebene Wellenlängenbereich kann im infraroten Bereich liegen, beispielsweise bei etwa 0,80 bis 0,94 Mikron. Es können Anzeigen vorgesehen werden, die die vorgegebene Temperatur anzeigen, der sich die Fläche annähert. Die Lichtquelle kann mit einem Hohlraum in einem Beleuchtungskörper angeordnet sein. Der Filter ist in dem Hohlraum angeordnet. Die Fläche kann eine Öffnung in dem Beleuchtungskörper aufweisen oder ein Ende eines Lichtleitkabels sein.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Temperatursonde für eine thermische Behandlungskammer bereit, das sich durch die Schritte auszeichnet, in die Kammer eine Ausrichtvorrichtung einzuführen, durch die eine Lichtübertragungsleitung hindurchgeht, eine Ausrichtanordnung der Ausrichtvorrichtung mit einem Ausrichtelement der Kammer in Eingriff zu bringen, um die Lichtübertragungsleitung zu einem Einlassende der Temperatursonde auszurichten, ein Ende des Lichtleitkabels mit der Ausrichtvorrichtung an der Lichtübertragungsleitung zu verbinden und Licht mit einer stabilen Stärke durch das Lichtleitkabel und die Lichtübertragungsleitung zur Temperatursonde zu emittieren.
Insgesamt betrifft somit die Erfindung ein Verfahren zum Eichen einer Temperatursonde, die eine Temperatur eines Substrats während einer Behandlung in einem thermischen Behandlungssystem misst. Bei dem Verfahren wird Licht mit einer stabilen Stärke von einer Lichtquelle erzeugt und auf eine Fläche gerichtet, um Licht mit einer vorgegebenen Stärke von der Fläche während der Kalibrierung zu emittieren, und die Fläche fluchtend zu einem Eingangsende der Temperatursonde ausgerichtet. Das Licht wird von einem Filter gefiltert, der zwischen der Lichtquelle und der Fläche angeordnet ist, um das von der Fläche über einem vorgegebenen Wellenlängenbereich emittierte Strahlungsspektrum dazu zu bringen, sich enger an das Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers mit einer vorgegebenen Temperatur über dem vorgegebenen Wellenlängenbereich anzunähern.
Die Erfindung hat u. a. die folgenden Vorteile. Das Pyrometer kann genau (beispielsweise weniger als 1°C Fehler) kalibriert werden, ohne dass ein Wafer mit einem eingebetteten Thermoelement verwendet wird. Die Kalibrierung kann schneller und unter Einsatz von weniger Energie ausgeführt werden. Die Kalibrierung kann auf einen absoluten Standard zurückgeführt werden. Das Pyrometer kann geeicht werden, ohne dass das Lichtleitkabel von der Kammer entfernt wird. Das Kalibrierungsinstrument kann tragbar und robust sein.
Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen
1 eine Kammer für eine schnelle thermische Behandlung zeigt,
2 eine Kalibriersonde zeigt,
3 eine Temperaturmesssonde zeigt,
4 in einem Diagramm die Übertragung eines Pyrometerfilters und einer normierten Lichtstärke einer LED jeweils als Funktion der Wellenlänge zeigt,
5 einen Schnitt durch eine Kalibriersonde zeigt,
6 ein Schaltplan einer Kalibriersonde ist,
7 eine Draufsicht auf eine Ausrichtvorrichtung ist,
8A und 8B Schnittansichten der Ausrichtvorrichtung von 7 längs der Linien A bzw. B sind,
9 die Ausrichtvorrichtung von 8 mit einer daran angebrachten Kalibriersonde zeigt,
10 den Lichtstrahl von einer Kalibriersonde aus zeigt,
11 eine weitere Ausführungsform einer Kalibriersonde mit einer daran angebrachten Ausrichtvorrichtung zeigt,
12 eine weitere Ausführungsform eines Kalibrierinstruments zeigt,
13 ein Ablaufdiagramm eines Kalibriervorgangs unter Verwendung des Kalibrierinstruments ist,
14 eine weitere Ausführungsform einer Kalibriersonde zeigt,
15 ein Diagramm ist, das die Übertragung eines Kalibrierfilters als Funktion der Wellenlänge zeigt,
16 ein Diagramm ist, das die Emission eines schwarzen Körpers normalisiert bei 0,94 Mikron als Funktion der Wellenlänge zeigt,
17 ein Diagramm ist, das die Emission einer LED als Funktion der Wellenlänge zeigt, und
18 eine weitere Ausführungsform einer Kalibriersonde zeigt.
Bevor die Einzelheiten einer Pyrometerkalibriervorrichtung beschrieben werden, die zum Kalibrieren von Pyrometern in einem RTP-System verwendet wird, wird zuerst ein RTP-System beschrieben, welches die Pyrometer aufweist, die zu kalibrieren sind. 1 und 2 zeigen insgesamt ein RTP-System mit einer Behandlungskammer 60 zum Behandeln eines scheibenförmigen Siliziumsubstrats 10 mit einem Durchmesser von 8 Zoll (200 mm). Das Substrat 10 wird in der Kammer 60 durch einen Substrathalteaufbau 62 gehalten und von einem Heizelement 70 erhitzt (beispielsweise einer Reihenanordnung von Wolframhalogenlampen), das direkt über dem Substrat angeordnet ist. Das Heizelement 70 erzeugt eine Strahlung, die in die Kammer 60 durch ein wassergekühltes Quarzfenster 72 eintritt, das etwa einen Zoll über dem Substrat 10 angeordnet ist. Unter dem Substrat 10 befindet sich eine Reflektorplatte 20, die an einer Basis 65 aus rostfreiem Stahl angebracht ist. Die Reflektorplatte 20 besteht aus Aluminium und hat eine stark reflektierende Oberflächenbeschichtung 24 (beispielsweise eine Goldlegierung). Die Unterseite des Substrats 10 und die Oberseite der Reflektorplatte 20 bilden einen reflektierenden Hohlraum 30, der das Substrat stärker an einen idealen schwarzen Körper annähert, d. h. er erzeugt ein gesteigertes effektives Emissionsvermögen für das Substrat.
Eine Leitung 35, die sich von der Rückseite der Basis 65 durch die Oberseite der Reflektorplatte 20 erstreckt, hält ein Saphir-Lichtleitkabel 40, welches als die Eingangssonde einer Temperatursonde 15 wirkt, die ein Pyrometer 50 aufweist. Ein Eingangsende 22 des Lichtleitkabels 40 ist nahe an (beispielsweise bündig zu) der Oberseite der Reflektorplatte 20 angeordnet und nimmt Strahlung aus dem reflektierenden Hohlraum 30 auf. Die aufgenommene Strahlung geht im Lichtleitkabel 40 nach unten, durch eine flexible Lichtleitfaser 45 und in das Pyrometer 50. Die gekoppelten Enden der Lichtleitfaser 45 und des Saphir-Lichtleitkabels 40 werden durch eine Schraubverbindung 42 in engem optischem Kontakt gehalten. Es gibt eine Vielzahl von Temperatursonden 15 (beispielsweise acht), die in der Reflektorplatte 20 zur Aufnahme von Strahlung an unterschiedlichen Radien des Substrats angeordnet sind.
In der beschriebenen Ausführungsform hat das Saphir-Lichtleitkabel 40 einen Durchmesser von etwa 0,05 bis 0,125 Zoll (beispielsweise 0,080), wobei das Pyrometer 50 ein Luxtron Accufiber Model 100 ist. Eine vollständigere Beschreibung eines RTP-Systems zusammen mit einer Erläuterung, wie der reflektierende Hohlraum zur Erzeugung eines virtuellen schwarzen Körpers wirkt, findet sich in der US-Patentanmeldung Serial No. 08/359,302, eingereicht am 19. Dezember 1994, die hier als Referenz eingeschlossen wird.
In dem Pyrometer 50 geht die Strahlung aus der Lichtleitfaser 45 zuerst durch einen optischen Pyrometerfilter 52, ehe sie auf einen Siliziumdetektor 54 (beispielsweise eine Photodiode) fällt. Das Signal aus dem Detektor 54 ist das Eingangssignal für eine Steuerelektronik 56, die dieses Signal in einen Temperaturwert T_out umwandelt, der von einer Stromregulierungsschaltung (nicht gezeigt) für die Lampen verwendet wird. Die Steuerelektronik 56 hat eine Verweistabelle (nicht gezeigt), die sie zur Umwandlung des gemessenen Stroms in einen Temperaturwert T_out als Ausgang umwandelt. Die Verweistabelle, die ein gemessenes Ausgangssignal für die entsprechende Temperatur eines idealen schwarzen Körpers aufzeichnet, kann leicht aus dem in der Fachwelt bekannten Planckschen Gesetz abgeleitet werden. Die Steuerelektronik 56 hat auch eine Verstärkungsregulierungsstelle, über die die Verstärkung der Steuerelektronik während der Kalibrierung eingestellt werden kann, so dass das Pyrometer einen genauen Temperaturmesswert ausgibt.
Gemäß 3 richtet im Normalbetrieb das Heizelement 70, beispielsweise eine Lampenanordnung, Strahlung auf das Substrat 10. Ein Teil der Strahlung (d. h. die Strahlung 74) wird von dem Substrat absorbiert, während ein Teil (die Strahlung 75) durch das Substrat in den Hohlraum 30 durchgelassen wird. Das Substrat emittiert auch die Strahlung 76, deren Stärke eine Funktion der Temperatur des Substrats ist. Gewöhnlich lässt ein Siliziumwafer Strahlung mit einer Wellenlänge durch, die größer als etwa 1,0 Mikron ist, während ein Siliziumdetektor 54 auf Strahlung anspricht, die eine Wellenlänge von bis zu 1,5 Mikron hat. Wenn zugelassen wird, dass durchgelassene Strahlung den Siliziumdetektor 54 erreicht, wird ein fehlerhafter Temperaturwert erzeugt. Um zu verhindern, dass durchgelassene Strahlung den Detektor 54 erreicht und die Temperaturmessung beeinträchtigt, werden deshalb die Bandpasseigenschaften des Pyrometerfilters 52 so gewählt, dass verhindert wird, dass die von den Lampen aus hindurchgegangene Strahlung den Detektor erreicht. Bei der beschriebenen Ausgestaltung besteht der Pyrometerfilter 52 aus Glas, das mit einer optischen Beschichtung überzogen ist, beispielsweise einer Viertelwellenbeschichtung, die Licht in einem schmalen Bereich von Wellenlängen (beispielsweise 0,89 bis 0,93 Mikron) durchlässt und eine sehr hohe Rückweisung von über 1,0 Mikron hat. Die Durchlässigkeit eines Pyrometerfilters 52 als Funktion der Wellenlänge ist durch eine gestrichelte Linie 52a in 4 gezeigt.
Zur Kalibrierung des Pyrometers wird ein spezielles Kalibrierinstrument verwendet (siehe 9, 11 und 12). Das Kalibrierinstrument hat eine stabile Lichtquelle, beispielsweise eine Licht emittierende Diode (LED), die Strahlung hauptsächlich in dem schmalen Spektrum emittiert, das von dem Pyrometerfilter 52 begrenzt wird. Die stabile Lichtquelle simuliert einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur. D. h., sie emittiert die gleiche Strahlungsmenge über dem interessierenden Spektrum, wie sie ein schwarzer Körper emittieren würde, der auf die vorgegebene Temperatur erhitzt ist. Das Kalibrierinstrument, von dem mehrere Ausgestaltungen nachstehend beschrieben werden, richtet die Lichtquelle fluchtend zu dem Eingangsende des Saphir-Lichtleitkabels so aus, dass eine bekannte und wiederholbare Strahlungsmenge in das Saphir-Lichtleitkabel während jedes Kalibriervorgangs eintritt.
Die Lichtquelle ist so gebaut und/oder so ausgewählt, dass sie zum Pyrometerfilter 52" passt". Das bedeutet, dass ihr Maximalausgang und ihr Spektralbereich mit dem Bandpassbereich des Pyrometerfilters 52 zusammenfallen. In 4 sind die Kennlinien einer LED durch die ausgezogene Linie 115a gezeigt, die mit dem vorstehend beschriebenen Pyrometerfilter 52 verwendet wird. Die LED hat eine annähernd Gaußsche Spektralverteilung, die etwa 0,2 Mikron breit ist und eine maximale Stärke bei etwa 0,89 Mikron hat.
Gemäß 14 kann ein Kalibrierfilter 220 zwischen der LED 115 und einer Öffnung 110 so angeordnet werden, dass die Kalibriersonde 100 einen schwarzen Körper simuliert. D. h., dass der Kalibrierfilter 220 das von der Kalibriersonde emittierte Licht veranlasst, als Funktion der Wellenlänge die gleiche relative Stärke anzunehmen wie ein schwarzer Körper bei einer vorgegebenen Temperatur. Der Kafibrierfilter kann innerhalb eines Mantels 222 der LED angeordnet werden, beispielsweise zwischen einer Linse 224 und einem Diodenelement 115. Alternativ kann der Kalibrierfilter 220 in einem Hohlraum 104 in der Kalibriersonde 100 zwischen der Linse 224 und der Öffnung 110 angeordnet werden.
Die Durchlasseigenschaften des Kalibrierfilters 220 werden, wie nachstehend beschrieben, so gewählt, dass die Differenz zwischen der LED 115 und einem idealen schwarzen Körper ausgeglichen wird. In 15 ist die Durchlässigkeitskurve, d. h. die Durchlässigkeit als Funktion der Wellenlänge, des Kalibrierfilters 210 durch eine ausgezogene Linie 230 gezeigt. Die Durchlässigkeitskurve 230 des Kalibrierfilters 220 ist annähernd parabolisch und hat eine minimale Durchlässigkeit (beispielsweise etwa 0,15) bei einer Wellenlänge von etwa 0,87 Mikron. Kalibrierfilter mit spezifizierten Durchlässigkeitskurven können bei Filterherstellern bestellt werden. Wenn Licht aus der LED 115 durch den Kalibrierfilter 220 hindurchgeht, simuliert die sich ergebende Lichtstärke einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur, beispielsweise 950°C, über den größten Teil des Spektralemissionsbereichs der LED, beispielsweise von 0,80 bis 0,94 Mikron.
Die Durchlässigkeitskurve des Kalibrierfilters 220 wird von den Emissionskurven, d. h. der Lichtstärke als Funktion der Wellenlänge, eines schwarzen Körpers und der LED abgeleitet. Insbesondere wird die Durchlässigkeitskurve des Kalibrierfilters 220 dadurch berechnet, dass die Emissionskurve eines schwarzen Körpers durch die Emissionskurve der LED 115 geteilt wird. Die Emissionskurve eines schwarzen Körpers bei einer vorgegebenen Temperatur kann von dem Planckschen Gesetz abgeleitet werden. In 16 ist die Emissionskurve für einen schwarzen Körper bei einer Temperatur von 950°C mit einer ausgezogenen Linie 232 gezeigt, während die Emissionskurve für einen schwarzen Körper bei einer Temperatur von 1050°C durch eine ausgezogene Linie 234 gezeigt ist. Die Emissionskurven 232 und 234 wurden bei 0,94 Mikron normiert, d. h. die Lichtstärke bei Wellenlängen unter 0,94 Mikron ist als Prozentsatz der Lichtstärke bei 0,94 Mikron gezeigt. Die Emissionskurve der LED 115 kann mit eine Spektrographen gemessen werden. In 17 ist die Emissionskurve einer LED, insbesondere einer bei 30 Watt in einem Kalibrierinstrument 100 betriebenen OD88FHT, durch eine ausgezogene Linie 236 gezeigt. Zur Erzeugung der Durchlässigkeitskurve 230 für den Kalibrierfilter 220 in der Kalibriersonde 100 zur Simulierung einer vorgegebenen Temperatur von 950°C wird die Emissionskurve 232 des schwarzen Körpers durch die LED-Emissionskurve 236 geteilt.
Der Kalibrierfilter 220 versetzt unterschiedliche Pyrometer, insbesondere Pyrometer mit unterschiedlichen Pyrometerfiltern 52, in die Lage, mit dem gleichen Kalibriergerät genau kalibriert zu werden. Die Durchlässigkeitskurven des Pyrometerfilters 52 unterscheiden sich von Pyrometer zu Pyrometer. Beispielsweise kann ein Pyrometer Licht mit Wellenlängen zwischen 0,91 und 0,93 Mikron durchlassen, während ein anderer Pyrometerfilter Licht mit Wellenlängen zwischen 0,87 und 0,88 Mikron durchlassen kann. Der Kalibrierfilter 220 bringt das Kalibriergerät 100 dazu, die gleiche Temperatur bei allen interessierenden Wellenlänge zu simulieren, d. h. über den größten Teil des LED.
Ein Kalibriergerät ohne Kalibrierfilter 220 kann eine einzige Temperatur bei allen Wellenlängen des Lichts nicht simulieren. Wie in 17 gezeigt ist, passt die Emissionskurve der Lichtquelle 115 nicht auf eine Kurve eines schwarzen Körpers. Insbesondere stimmt die relative Stärke der Lichtquelle 115 bei zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen nicht mit der relativen Stärke eines schwarzen Körpers überein. Wie beispielsweise in 16 gezeigt ist, hat ein schwarzer Körper bei einer Wellenlänge von 0,925 Mikron eine größere Stärke als bei einer Wellenlänge von 0,875 Mikron, während, wie in 17 gezeigt ist, die Lichtquelle 115 bei einer Wellenlänge von 0,925 Mikron eine geringere Stärke hat als bei einer Wellenlänge von 0,875 Mikron. Wenn deshalb die Lichtquelle 115 die genaue Strahlungsmenge erzeugt, um einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur, beispielsweise 950°C, bei einem Wellenlängenbereich, beispielsweise 0,87 bis 0,88 Mikron, zu simulieren, kann die Lichtquelle einen schwarzen Körper der gleichen Temperatur bei einem anderen Wellenlängenbereich, beispielsweise 0,92 bis 0,93 Mikron, nicht simulieren.
Da Pyrometerfilter 52 unterschiedliche Durchlässigkeitsbereiche haben, simuliert eine Lichtquelle, die einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur für ein Pyrometer simuliert, die gleiche Temperatur für ein anderes Pyrometer mit einem anderen Pyrometerfilter nicht. Ein zusätzlicher Kalibrierfilter 220 bringt das Kalibriergerät 100 jedoch dazu, die korrekte relative Stärke des Lichts zu erzeugen, um einen schwarzen Körper einer einzigen Temperatur bei allen interessierenden Wellenlängen zu simulieren, wodurch die simulierte Temperatur unabhängig von dem Durchlässigkeitsbereich des Pyrometerfilters 52 wird. Dies macht es möglich, dass Pyrometer mit unterschiedlichen Pyrometerfiltern mit dem gleichen Kalibriergerät richtig kalibriert werden.
Wie 5 zeigt, hat eine Kalibriersonde 100, die einen schwarzen Körper bei einer bekannten Temperatur simuliert, einen insgesamt zylindrischen Körper 102 mit einem inneren Hohlraum 104. Ein Ende des zylindrischen Körpers 102 ist mit Ausnahme eines kleinen Kanals 110 geschlossen, der eine Öffnung bildet, durch die Licht aus dem Hohlraum 104 austreten kann. Eine in dem Hohlraum 104 angeordnete, Licht emittierende Diode (LED) 115 emittiert Licht, das durch den Kanal 110 austritt.
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der Körper 102 ein spanabhebend bearbeitetes, zylindrisches Aluminiumrohr mit einem Durchmesser von 0,3745 Zoll und einer Länge von 2,0 Zoll. Der Kanal 110 erstreckt sich zwischen einer Bodenfläche 130 des Körpers 102 und dem Hohlraum 104 und hat einen Durchmesser von etwa 0,02 Zoll, eine Länge von etwa 0,02 Zoll und liegt zentrisch auf der Achse des zylindrischen Körpers 102. An der Stirnseite des Körpers 102, in der sich der Kanal 110 befindet, gibt es einen schmaleren zylindrischen Bereich 132 mit einem Durchmesser von etwa 0,30 Zoll und einer Länge von etwa 0,10 Zoll. Ein kreisförmiger äußerer Rand 134 des zylindrischen Körpers 102 ist mit einem Winkel von 45° abgeschrägt, um das Einführen der Kalibriersonde in eine Ausrichtvorrichtung, die nachstehend beschrieben wird, zu erleichtern.
Da sich die Lichtausgabe der LED 115 als Funktion der Temperatur ändert, sind ferner Einrichtungen vorgesehen, um die Temperatur der LED zu stabilisieren. Insbesondere hat die Kalibriersonde 100 auch einen kleinen Heizwiderstand 122, beispielsweise einen Widerstand von fünfzig Ω, und ein Thermoelement 124, beispielsweise ein Thermoelement in K-Bauweise, das in unmittelbarer Nähe der LED 115 angeordnet ist. Der Widerstand 122 wird dazu verwendet, die LED auf etwa 80°F aufzuheizen, d. h. etwas über die erwartete Umgebungstemperatur. Alternativ kann die LED auf eine Temperatur unter Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Das Abkühlen ist jedoch eine schwierigere und kostenaufwändigere Alternative.
Alle drei Komponenten (d. h. die LED 115, das Thermoelement 124 und der Widerstand 122) werden an Ort und Stelle durch eine wärmeleitende Keramikmasse 117 gehalten, beispielsweise Azemco Ceramiccast 583. Die Keramikmasse 117 gewährleistet, dass die Wärme aus der Heizeinrichtung 122 wirksam auf die LED 115 und das Thermoelement 124 übertragen wird. Die Keramikmasse 117 hält auch die Position der LED 115 bezüglich des Kanals 110 konstant, so dass keine Änderungen der Lichtstärke aufgrund einer Verschiebung oder Verdrehung der LED 115 innerhalb des Hohlraums 104 auftreten.
Gemäß 6 speist eine Stromzuführung 120 einen konstanten Strom in die LED 115 ein. Bei der beschriebenen Ausführungsform verwendet die Stromversorgung 120 zur Stabilisierung des Stroms durch die LED 115 und somit zur Stabilisierung ihrer Lichtabgabe in bekannter Weise eine Laserdiode (nicht gezeigt). Alternativ kann die Abgabeleistung der LED 115 dadurch stabilisiert werden, dass eine Photodiode (nicht gezeigt) verwendet wird, die so angeordnet ist, dass sie die Lichtabgabe der LED 115 prüft. In diesem Fall ist die Photodiode über eine Rückkoppelungsschaltung mit der Stromquelle 120 verbunden, damit von der LED 115 eine konstante Lichtabgabe erzeugt wird.
Das Thermoelement 124 und die Heizeinrichtung 122 sind mit einem Proportional-Integral-Regler 126 (PID) zur Bildung einer Rückkoppelungsschaltung verbunden, um die Temperatur der LED 115 zu stabilisieren. Dadurch, dass sowohl die Temperatur der LED 115 als auch der Strom durch die LED 115 konstant gehalten werden, erzeugt die LED 115 eine Strahlung mit einer sehr stabilen Stärke.
Alternativ kann, wie in 14 gezeigt ist, die Lichtabgabe der LED 115 dadurch stabilisiert werden, dass ein Lasertreiber 240 in Verbindung mit einer Photodiode 242 und einem Thermoelement 244 verwendet wird. Die treibende Leistungsabgabe des Lasertreibers 240 ist mit dem Leistungseingang der LED 115 verbunden. Die Photodiode 242 ist innerhalb des Gehäuses der LED angeordnet, um ihre Lichtstärke zu prüfen und um ein Stärkesignal zu erzeugen. Das Stärkesignal aus der Photodiode wird in den Lasertreiber 240 zur Bildung einer Rückkoppelungsschleife rückgekoppelt, so dass die Lichtabgabe des Kalibriergeräts 100 extrem stabil ist.
Wie oben erwähnt, ändert sich die Lichtabgabe der LED als Funktion der Temperatur. Insbesondere, wenn die Temperatur der LED 115 steigt, nimmt ihre Lichtabgabe ab. Das Ausgangssignal aus dem Thermoelement 244 kann über einen Koppler 246 mit einem Modulationseingang des Lasertreibers 240 verbunden werden. Der Koppler 246 wandelt ein Signal mit der Stärke x in ein Signal mit der Stärke y entsprechend der Gleichung y = a – bx um. Die Neigung b und die Verschiebung a des Kopplers 246 sind in bekannter Weise so eingestellt, dass, wenn die Temperatur der LED abfällt, die Leistungsabgabe des Lasertreibers 240 erhöht wird, so dass die Lichtabgabe der LED konstant bleibt.
Während der Kalibrierung wird eine Ausrichtvorrichtung dazu verwendet, die Kalibriersonde 100 zu dem Lichtleitkabel der zu kalibrierenden Temperatursonde fluchtend auszurichten. Es werden Beispiele von zwei Konstruktionsweisen für diese Ausrichtvorrichtung angegeben. Eine Bauweise wird in situ verwendet. D. h., sie richtet die Kalibriersonde 100 zu dem Lichtleitkabel 40 aus, ohne dass das Lichtleitkabel aus dem System entfernt werden muss. Die andere Bauweise wird dazu verwendet, die Kalibrierung entfernt auszuführen. D. h., das Lichtleitkabel 40 wird von der RTP-Kammer entfernt und in die Ausrichtvorrichtung eingeführt.
Gemäß 7, 8A, 8B und 9 wird eine Ausrichtvorrichtung gemäß der einen Ausgestaltung für eine In-situ-Kalibrierung verwendet und ist so ausgelegt, dass sie in die RTP-Kammer über der Reflektorplatte passt. Wenn die Ausrichtvorrichtung 149 in die RTP-Kammer eingeführt ist, hält sie die Kalibriersonden in einer festen Position bezogen auf die Lichtleitkabel. Die Ausrichtvorrichtung 149 ist insbesondere eine Kreisscheibe 150 mit einer Anordnung von Löchern 154, in welche einzelne Kalibriersonden 100 eingeführt werden können. Die Anzahl der Löcher 154 stimmt mit der Anzahl der Wärmesonden der Reflektorplatte überein. Die Löcher 154 sind auf unterschiedlichen Radien von der Mitte der Scheibe 150 aus angeordnet und so positioniert, dass sie mit den Stellen der Leitungen 35 in der Reflektorplatte 20 zusammenfallen und fluchtend dazu ausgerichtet sind, wenn die Ausrichtvorrichtung 149 in Position in der Kammer eingebracht ist. Wie deutlich in 9 gezeigt ist, befindet sich am Boden eines jeden kleinen Lochs 154 eine Ringlippe 158, in der sich ein Loch 155 mit kleinerem Durchmesser befindet. Das Loch 155 hat einen Durchmesser, der etwas größer ist als der Durchmesser des schmaleren zylindrischen Bereichs 132 am Boden der Kalibriersonde 102, während die Lippe 158 eine Dicke hat, die gleich der Länge des schmaleren zylindrischen Bereichs 132 an der Kalibriersonde 102 ist. Dadurch kommt die Kalibriersonde 102, wenn sie in ein Loch 154 eingeführt ist, an der Lippe 158 mit ihrer unteren Fläche 130 im Wesentlichen bündig zum Boden der Scheibe 150 zum Anliegen (d. h. bündig zur Oberfläche der Scheibe 150, die der Reflektorplatte am nächsten liegt, wenn sie in der RTP-Kammer während einer Kalibrierung installiert ist).
Bei der beschriebenen Ausgestaltung besteht die Ausrichtvorrichtung 149 aus Kunststoff oder Nylon, beispielsweise Delrine. Sie ist etwa 1,0 Zoll dick und hat einen Durchmesser von 8,9 Zoll. Jedes der Löcher 154 hat einen Innendurchmesser von 0,375 Zoll und ist etwas größer als der Außendurchmesser des zylindrischen Körpers 102, so dass die Kalibriersonde 100 leicht in das Loch eingeführtwerden kann. Die Ringlippe 158 ist etwa 0,11 Zoll dick und steht nach innen um etwa 0,047 Zoll vor, so dass der Innendurchmesser des von der Ringlippe 158 gebildeten kleineren Lochs etwa 0,328 Zoll beträgt.
Gemäß 8 befinden sich auf der Unterseite der Scheibe 150 drei Vorsprünge 156. Diese Vorsprünge 156 haben einen gleichen Abstand voneinander auf einem Kreis, dessen Mitte mit der Mitte der Scheibe 150 zusammenfällt, und sind so positioniert, dass sie zu Hubstiftlöchern fluchten, die sich in der Reflektorplatte in der RTP-Kammer befinden, wenn die Ausrichtvorrichtung 149 in die RTP-Kammer eingeführt ist. Wie in 8A gezeigt ist, hat jeder Vorsprung 156 einen zylindrischen unteren Abschnitt 161 mit einem ersten Durchmesser und einem zylindrischen oberen Abschnitt 165 mit einem größeren zweiten Durchmes ser, wodurch eine Ringschulter 162 an der Stelle des Übergangs vom unteren Abschnitt 161 zum oberen Abschnitt 165 gebildet wird. Der erste Durchmesser ist etwas größer als der Durchmesser des entsprechenden Hubstiftlochs in der Reflektorplatte, während der zweite Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Hubstiftlochs. Die Ringschulter 162 liegt etwa 0,01 bis 0,04 (beispielsweise 0,03) Zoll von der Bodenfläche der Scheibe 150 weg. Dadurch rutschen, wenn die Ausrichtvorrichtung 149 in die RTP-Kammer eingesetzt ist, die unteren Abschnitte 161 in ihre entsprechenden Hubstiftlöcher in der Refiektorplatte, während die Ringschultern 162 die untere Fläche der Scheibe 150 auf einer Entfernung von etwa 0,03 Zoll über der Oberfläche der Reflektorfläche halten.
Die Scheibe 150 hat auch drei größere Löcher 152, von denen sich jedes in einer kurzen Entfernung radial innerhalb von einem entsprechenden Vorsprung 156 befindet. Diese Löcher 152, die einen Durchmesser von etwa 0,75 Zoll haben, ermöglichen es dem Benutzer, die Stelle der Hubstiftlöcher in der Reflektorplatte zu sehen, wenn die Ausrichtvorrichtung in die RTP-Kammer eingeführt wird. Auf der Oberseite der Scheibe 150 ist ferner ein Handgriff 160 vorgesehen, mit dem der Techniker die Scheibe heben und handhaben kann, wenn sie in die RTP-Kammer eingebracht wird.
Wie in 9 gezeigt ist, ist die Kalibriersonde 100 in ein kleines Loch 154 eingeführt. Wenn die Ausrichtvorrichtung vollständig in der RTP-Kammer montiert ist, ist jedes kleine Loch 154 und die Kalibriersonde 100, die es enthält, fluchtend zu einem entsprechenden Saphir-Lichtleitkabel 40 ausgerichtet. Durch Einführen einer Kalibriersonde 100 in jedes der acht Löcher 154 können die acht Pyrometer 50 gleichzeitig kalibriert werden. Alternativ kann eine einzelne Kalibriersonde 100 verwendet und aus einem Loch zum nächsten für jede Kalibrierung bewegt werden.
Wenn die Kalibriersonde 100 durch die Ausrichtvorrichtung über ein Lichtleitkabel positioniert ist, besteht typischerweise ein freier Raum von etwa 0,03 Zoll zwischen dem Boden 130 der Kalibriersonde 100 und dem oberen Ende des Lichtleitkabels 40. Das Lichtleitkabel 40 ist in 10 in zwei Positionen gezeigt. In einer Position liegt seine obere Fläche 41' nahe an der Kalibriersonde 100, in der anderen Position liegt seine obere Fläche 41'' weiter weg von der Kalibriersonde 100. Das Licht tritt in einem Strahl 140 aus dem Kanal 110 mit einem Streuwinkel von etwa 90° aus. Der genaue Winkel α hängt natürlich von der Länge und dem Durchmesser des Kanals 110 und der Position der LED 115 innerhalb des Hohlraums 104 ab. Man möchte, dass sich der Boden 130 der Kalibriersonde 100 nahe genug zur Oberfläche 41' befindet, so dass die Abdeckung des Strahls 140 sich nicht auf einen Bereich ausdehnt, der größer ist als die obere Fläche des Lichtleitkabels zu der Zeit, zu der er das Lichtleitkabel 40 erreicht. D. h., mit anderen Worten, dass sich die Kalibriersonde 100 nahe genug an dem Lichtleitkabel 40 befinden sollte, damit das Lichtleitkabel 40 im Wesentlichen das gesamte Licht einfängt, das von der Kalibriersonde 100 kommt. Wenn dieser Bedingung genügt wird, ist die Temperatursonde relativ unempfindlich gegenüber kleinen Änderungen im Abstand und der Ausrichtung zwischen dem Kalibriersondenkanal und dem Lichtleitkabel 40. Wenn im Gegensatz dazu sich die Kalibriersonde 100 zu weit von dem Lichtleitkabel 40 entfernt befindet (beispielsweise mehr als 0,1 Zoll bei der beschriebenen Ausgestaltung), wie es dies durch die Oberfläche 40'' gezeigt ist, wird die Abdeckung des Strahls 140 größer als der Durchmesser des Lichtieitkabels 40'', das demzufolge nur einen Bruchteil des Strahls 140 einfängt. Der Bruchteil, der eingefangen wird, ist sehr empfindlich sowohl hinsichtlich der Ausrichtung als auch der Entfernung zwischen der Kalibriersonde und der Reflektorplatte.
Zum Eichen des Pyrometers 50 wird die Scheibe 150 vom Handgriff 160 angehoben und in der Kammer 60 so platziert, dass die Vorsprünge 156 in die Hubstiftlöcher 67 passen. Die Kalibriersonden 100 passen in die kleinen Löcher 154, die LED 115 wird eingeschaltet, und es wird die Temperatur aufgezeichnet, die von den Pyrometern 50 gemessen wird. Die unkalibrierten Messungen werden mit den Temperaturen des schwarzen Körpers verglichen, die bekanntlich mit den Geräten 100 simuliert werden.
Eine weitere Ausführungsform der Ausrichtvorrichtung, die ebenfalls für eine In-situ-Kalibrierung verwendet wird, ist in 11 gezeigt. Die Ausrichtvorrichtung 200 ist teilweise mit einer Kalibriersonde 180 integriert, die eine etwas andere Bauweise als die vorstehend beschriebene Kalibriersonde hat. Im vorliegenden Fall ist die Kalibriersonde 180 ein zylindrisches Rohr mit einem gleich bleibenden, durchgehenden Durchmesser (d. h. ohne den schmaleren zylindrischen Bereich 132 von 5). Von der Bodenfläche 130 stehen zwei Ausrichtstifte 185 vor. Die Stifte 185 gleiten in entsprechende Löcher 187, die sich in der Oberfläche der Reflektorplatte 20 auf beiden Seiten des Lichtleitkabels 40 befinden. Wenn die Stifte 185 in die passenden Löcher 187 eingeführt sind, ist der Kanal 110 fluchtend zu dem Lichtleitkabel 40 ausgerichtet. Bei dieser Ausführungsform ist die Kalibriersonde 180 etwa 1,5 Zoll lang und hat einen Durchmesser von 0,5 Zoll, während die Stifte 185 jeweils 0,30 Zoll lang sind und einen Durchmesser von 0,024 Zoll haben.
In 12 ist eine Ausführungsform gezeigt, die zum Kalibrieren von Temperatursonden verwendet wird, die aus dem RTP-System entfernt worden sind. Bei dieser Ausführungsform wird die Kalibriersonde durch einen Körper 190 ausgetauscht, der einen Hohlraum 191 hat, in dem die LED 115 angeordnet ist. Der Körper 190 hat eine Leitung 192, die fluchtend längs der Achse des Hohlraums 191 ausgerichtet und für die Aufnahme eines Lichtleitkabels 40 für die Kalibrierung bemessen ist. Eine Wand 195 mit einer schmalen Öffnung 197 trennt den Hohlraum 191 von der Leitung 192. Die Öffnung 197 ermöglicht wie der Kanal 110 in den vorher beschriebenen Ausführungsformen den Durchgang von Licht von der LED 115 in die Leitung 192, wo sich das zu kalibrierende Lichtleitkabel befindet. Der Rest der Kalibriersonde einschließlich der Elektronik und der Temperaturstabilisierschaltung sind wie vorstehend beschrieben ausgebildet.
In 18 ist eine weitere Ausführungsform des Kalibriergeräts gezeigt. Bei dieser Ausführung hat die Kalibriersonde 250 einen Beleuchtungskörper 252, eine Ausrichteinrichtung 254 und ein Lichtleitkabel 256, das den Beleuchtungskörper mit der Ausrichteinrichtung verbindet. Der Beleuchtungskörper 252 ist ein insgesamt zylindrischer Körper 260 mit einem inneren Hohlraum 262. Innerhalb des Hohlraums 262 ist eine Lichtquelle, beispielsweise eine LED 115 in einem Gehäuse 222, platziert. Ein Eingangsende des Lichtleitkabels 256 ist in eine Öffnung 264 in dem zylindrischen Körper so eingeführt, dass eine Eingangsfläche 266 so positioniert ist, dass sie Licht von der LED empfängt. Das Lichtleitkabel 256 ist in dem Hohlraum durch Madenschrauben 267 oder durch eine andere mechanische oder haftende Verbindung befestigt. Zwischen der LED und dem Lichtleitkabel können andere optische Komponenten, beispielsweise der Kalibrierfilter 220 oder die Linse 224, angeordnet werden. Zusätzlich kann zwischen die LED 115 und die Fläche 266 ein Diffusionsglasfilter 268 eingesetzt werden, das Licht beim Durchgang streut. Die elektronische Steuerung der LED 115 entspricht der vorstehend anhand von 14 beschriebenen.
Von der LED 115 abgestrahltes Licht tritt durch das Lichtleitkabel 256 über die Eingangsfläche 266 ein und geht durch das Lichtleitkabel zu einer Ausgangsfläche 268. Das Lichtleitkabel 256 ist ein verdrilltes Bündel von optischen Glasfasern. Das gesamte verdrillte Bündel hat einen Durchmesser von etwa drei oder vier Millimeter, während die einzelnen optischen Glasfasern einen Durchmesser von etwa fünfzig Mikron haben. In dem verdrillten Faserbündel sind die einzelnen Glasfasern "verschlungen", d. h. ihre Wege kreuzen sich, so dass die Relativposition einer Faser an der Eingangsfläche 266 nicht mit der Relativposition der gleichen Glasfaser an der Auslassfläche 268 übereinstimmt. Dadurch wird das Licht, das in das Bündel durch die Eingangsfläche 266 eintritt, an der Auslassfläche 268 "randomisiert", d. h. neu verteilt. Als Folge ist die Lichtstärke, nachdem das ungleich verteilte Licht aus der LED 115 durch das Lichtleitkabel 256 hindurchgegangen ist, über der Auslassfläche 268 gleichmäßig verteilt.
Das Ausgangsende des Lichtleitkabels 256 ist an der Ausrichteinrichtung 254 durch Madenschrauben 270 festgelegt, obwohl auch andere mechanische oder haftende Verbindungsverfahren verwendet werden können. Die Ausrichteinrichtung 254 ist ein spanabhebend bearbeitetes, zylindrisches Aluminiumrohr mit einer Länge von etwa 2 Zoll und einem Durchmesser von etwa 1/3 Zoll. Die beiden Enden des zylindrischen Rohrs sind offen, und das Lichtleitkabel 256 erstreckt sich durch das Rohr so, dass die Auslassfläche 268 bündig zu der unteren Öffnung ist. Ansonsten ist die Ausrichteinrichtung ähnlich gebaut wie die anhand von 5 beschriebene Kalibriersonde. Insbesondere hat das untere Ende der Außenfläche der Ausrichteinrichtung 254 einen schmalen zylindrischen Bereich 272 und eine Ringschulter 274.
Die Ausrichteinrichtung 254 wird in das kleine Loch 154 der Ausrichtvorrichtung 149 so eingeführt, dass die Ringschulter 274 der Ausrichteinrichtung an der Lippe 158 der Ausrichtvorrichtung anliegt, während die Auslassfläche 268 des Lichtleitkabels im Wesentlichen bündig zum Boden der Scheibe 150 ist. Bei dieser Ausgestaltung ist die Austrittsfläche des Lichtleitkabels über und fluchtend zu dem Saphir-Lichtrohr 40 angeordnet. Licht aus der LED 115 geht durch das Lichtleitkabel hindurch und wird von dem Lichtrohr 40 aufgenommen.
Die Auslassfläche des Lichtleitkabels simuliert ein Schwarzkörpersubstrat, das vor dem Lichtrohr angeordnet ist. Ein Schwarzkörpersubstrat hat verglichen mit der Aufnahmefläche des Lichtrohrs 40 einen größeren Oberflächenbereich, und die Oberfläche des Substrats strahlt Licht in alle Richtungen ab. Ähnlich emittiert die Auslassfläche 268 des Lichtleitkabels 256 Strahlung über einen relativ breiten Bereich verglichen mit dem Aufnahmebereich des Lichtrohrs, während die aus der Auslassfläche 268 austretende Strahlung eine breite Winkelstreuung hat. Zusätzlich wird die Stärke der LED 115 so eingestellt, dass die Kalibriersonde 250 die gleiche Strahlungsmenge emittiert, wie es ein schwarzer Körper würde, der auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt ist. Deshalb simuliert das Kalibriergerät 250 ein Schwarzkörpersubstrat bei einen vorgegebenen Temperatur.
In 13 ist ein Verfahren zum Kalibrieren von Pyrometern 50 gezeigt, das die oben beschriebenen Ausgestaltungen verwendet. Zuerst wird ein Referenzpyrometer kalibriert, um Schwarzkörpertemperaturen genau zu messen (Schritt 200). Dies kann mit Hilfe einer Normierungsorganisation, beispielsweise dem National Institute of Standards and Technology (NIST) erfolgen, das kalibrierte Quellen zur Erzeugung eines genau bekannten Schwarzkörper-Strahlungsspektrums für eine gegebene Temperatur zur Verfügung hat. Das Referenzpyrometer wird zur Erzeugung eines genauen Temperaturwerts von der Schwarzkörper-Referenznorm aus kalibriert.
Mit einem genau kalibrierten Referenzpyrometer wird dann die effektive Schwarzkörpertemperatur T_eff gemessen (Schritt 205), die durch ein Kalibriergerät erzeugt wird. Zu berücksichtigen ist, dass es wahrscheinlich ist, dass jede Kalibriersonde eine etwas andere Schwarzkörpertemperatur aufgrund der Unterschiede in der Elektronik der Positionierung der LED 115 innerhalb der Kammer 104 usw. simuliert. Somit sollte jede Kalibriersonde individuell gemessen und durch die Temperatur gekennzeichnet werden, die sie simuliert. Beispielsweise kann eine Kalibriersonde 100 143°C simulieren, während eine andere Kalibriersonde 852°C simulieren kann.
Die Kalibriersonde kann auf eine Anzahl von Weisen gekennzeichnet werden. So kann ein Etikett mit der simulierten Temperatur direkt an der Sonde befestigt werden. Alternativ kann an der Sonde eine Teilzahl, ein Code oder eine andere Identifizierungsmarkierung befestigt werden. In diesem Fall können die Teilzahl, der Code oder die Identifizierungsmarkierung für die simulierte Temperatur in einer gesonderten Liste registriert werden.
Die Kalibriergeräte werden dann dazu verwendet, die nicht kalibrierten thermischen Sonden zu kalibrieren (Schritt 210). Insbesondere wird durch Verwendung der Ausrichtvorrichtung die Kalibriersonde zu dem Lichtrohr 40 ausgerichtet, wird die LED 115 aktiviert und wird eine Temperatur T_D angezeigt, die von dem Pyrometer 50 erzeugt wird.
Schließlich wird die Verstärkung des Pyrometers so eingestellt, dass eine gemessene Temperatur T_m erzeugt wird, die T_eff gleich ist, d. h. der Schwarzkörpertemperatur, die von der Kalibriersonde simuliert wird (Schritt 215).
Zusammenfassend wird das Referenzpyrometer auf die Norm bei NIST kalibriert, werden die Kalibriersonden nach dem Referenzpyrometer kalibriert und werden die Pyrometer nach den Kalibriersonden kalibriert. Deshalb kann die Kalibrierung der Pyrometer zurück bis zur Norm verfolgt werden. Da die Norm eine genaue Schwarzkörpertemperaturquelle ist, sind die Pyrometertemperaturmessungen ebenfalls genau.
Im Falle von In-situ-Kalibrierungen kann das Kalibriergerät auch zum Messen verwendet werden, wenn Wärmesonden in einer Kammer ihre Kalibrierung aufgrund von Teilchenverunreinigung, abdriftender Elektronik oder dergleichen verloren haben. Die von der Kalibriersonde gemessene Temperatur T_m kann mit der bekannten effektiven Temperatur T_eff der Kalibriersonde verglichen werden. Wenn die Differenz von T_eff – T_m einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, können die Wärmesonden gereinigt, neu kalibriert oder einfach ausgetauscht werden.
Weitere Ausgestaltungen liegen innerhalb des Rahmens der folgenden Ansprüche. Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsform eine LED als Lichtquelle verwendet, können beispielsweise andere stabile Lichtquellen verwendet werden, beispielsweise eine Laserdiode mit einer geeigneten Stabilisierungssteuerschaltung.

Claims

Vorrichtung zum Kalibrieren einer Temperatursonde für eine thermische Behandlungskammer a) mit einer Lichtquelle (115), die eine stabile Stärke aufweist, b) mit einem Lichtleitkabel (256), wobei die Lichtquelle optisch mit einem ersten Ende des Lichtleitkabels gekoppelt ist, um Licht durch ein zweites Ende des Lichtleitkabels während der Kalibrierung zu emittieren, und c) mit einem Ausrichtmechanismus zum Ausrichten des zweiten Endes des Lichtleitkabels zu einem Eingangsende der Temperatursonde, dadurch gekennzeichnet, – dass der Ausrichtmechanismus eine erste Ausrichtanordnung (185, 156) hat, die mit dem zweiten Ende des Lichtleitkabels für einen Eingriff mit einem entsprechenden ersten Ausrichtelement (187, 67) der Kammer gekoppelt ist, in der die Tempertursonde angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Lichtleitkabel ein verdrilltes Faserbündel aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin einen Beleuchtungskörper mit einem Hohlraum aufweist, wobei die Lichtquelle in dem Hohlraum angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher das Lichtleitkabel mit dem Beleuchtungskörper verbunden und die Lichtquelle in dem Hohlraum angeordnet ist, um Licht durch das erste Ende des Lichtleitkabels zu emittieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Ausrichtmechanismus weiterhin – einen scheibenförmigen Aufbau (150), – eine zweite Ausrichtanordnung (254), in der das zweite Ende des Lichtleitkabels angebracht ist, und – eine Leitung (154), in dem scheibenförmigen Aufbau aufweist, in der die zweite Ausrichtanordnung aufgenommen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die zweite Ausrichtanordnung (254) eine dritte Ausrichtanordnung (272, 274) aufweist, die mit einem entsprechenden Ausrichtelement (158) in dem scheibenförmigen Aufbau in Eingriff steht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher das entsprechende Ausrichtelement (158) eine Ringlippe in der Leitung und die dritte Ausrichtanordnung eine Stufe in der Außenfläche der zweiten Ausrichtanordnung für das Angreifen an der Ringlippe aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die erste Ausrichtanordnung eine Vielzahl von Vorsprüngen vom Boden der Scheibe aus aufweist, wobei die Vorsprünge so ausgelegt sind, dass sie in eine Vielzahl von Hubstiftlöchern in einer Reflektorplatte in der Kammer passen.
Verfahren zum Eichen einer Temperatursonde für eine thermische Behandlungskammer, gekennzeichnet durch die Schritte: – Einführen einer Ausrichtvorrichtung in die Kammer, wobei durch die Ausrichtvorrichtung eine Lichtübertragungsleitung hindurchgeht, – Ineingriffbringen einer Ausrichtanordnung (158 oder 156) der Ausrichtvorrichtung mit einem Ausrichtelement (187 oder 67) der Kammer, um die Lichtübertragungsleitung zu einem Eingangsende der Temperatursonde auszurichten, – Verbinden des einen Endes des Lichtleitkabels mit der Ausrichtanordnung an der Lichtübertragungsleitung und – Emittieren von Licht mit einer stabilen Stärke durch das Lichtleitkabel und die Lichtübertragungsleitung zur Temperatursonde.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Ausrichtanordnung einen Stift und das Ausrichtelement ein Stiftloch aufweist und der Eingriffsschritt das Einpassen des Stifts in das Stiftloch umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Ausrichtanordnung einen Vorsprung und das Ausrichtelement ein Stiftloch aufweist und der Eingriffsschritt das Einpassen des Vorsprungs in das Stiftloch umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Ausrichtanordnung eine Vielzahl von Vorsprüngen und das Ausrichtelement eine Vielzahl von Stiftlöchern hat, wobei der Eingriffsschritt das Einpassen der Vorsprünge in die Stiftlöcher umfasst.