DE69920143T2

DE69920143T2 - Verfahren für die Feststellung des Schwärzens einer Lampe

Info

Publication number: DE69920143T2
Application number: DE69920143T
Authority: DE
Inventors: Tetsuji Yokohama-shi Arai; Shinji Kawasaki-shi Suzuki; Yoshiki Yokohama-shi Mimura
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: US6365899B1; JP2000162090A; DE69920143D1; EP1006553B1; EP1006553A1; TW449659B; JP3438624B2; KR20000047843A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
Für eine Schichtbildung, eine Diffusion, ein Ausglühen und dergleichen eines Halbleiterwafers (nachfolgend "Wafer" genannt) wird eine Wärmebehandlungsvorrichtung vom Licht-Bestrahlungstyp verwendet, bei welcher der zu behandelnde Gegenstand rasch erwärmt, bei einer Hochtemperatur gehalten und rasch gekühlt wird. Als Lichtquelle für diesen Zweck wird eine Glühlampe verwendet. Ferner wird für eine Halbleiter-Lithographie, für eine Aushärtung, eine Trocknung von Tinte sowie Klebemitteln und zu ähnlichen Zwecken eine Entladungslampe, wie eine Quecksilber-Höchstdrucklampe, eine Quecksilber-Hochdrucklampe oder dergleichen, verwendet. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Schwärzung einer Lampe, bei welchem man die Schwärzung einer Lampe, wie der vorstehend beschriebenen Glühlampe, Entladungslampe und dergleichen, ohne visuelle Überprüfung ermitteln kann.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Eine Wärmebehandlung vom Licht-Bestrahlungstyp bei der Herstellung von Halbleitern wird in breiten Gebieten, wie bei einer Schichtbildung, einer Diffusion, einem Ausglühen und dergleichen, durchgeführt. Bei jeder dieser Behandlungen wird ein Wafer auf eine Hochtemperatur erwärmt. Wenn man für diese Wärmebehandlung eine Wärmebehandlungsvorrichtung vom Licht-Bestrahlungstyp verwendet, kann man den Wafer rasch erwärmen. Man kann die Temperatur des Wafers in einem Zeitrahmen zwischen einigen Sekunden und einigen Dutzend Sekunden bis auf wenigstens 1000 °C erhöhen. Ferner kann man eine rasche Kühlung erzielen, wenn man die Lichtbestrahlung stoppt.
10 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels der vorstehend beschriebenen Wärmebehandlungsvorrichtung vom Licht-Bestrahlungstyp. In der Darstellung umfasst eine Wärmebehandlungsvorrichtung 10 vom Licht-Bestrahlungstyp mehrere Glühlampen 1 für eine Wärmebehandlung sowie Spiegel 2. Um ein Werkstück W einer Wärmebehandlung zu unterziehen, wird das Werkstück W, z.B. ein Wafer oder dergleichen, auf einen Halter 3 aus Keramik oder dergleichen aufgesetzt und dann in einer Behandlungskammer platziert, in welcher die vorstehend beschriebenen Glühlampen 1 und Spiegel 2 angeordnet sind. Durch einen Betrieb der Glühlampen 1 wird der zu behandelnde Gegenstand mit dem von den Glühlampen 1 ausgestrahlten Licht bestrahlt und rasch erwärmt. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der US-A-4,832,777 beschrieben.
Wenn bei einer Erwärmung des Wafers durch die vorstehend beschriebene Wärmebehandlungsvorrichtung 10 vom Licht-Bestrahlungstyp im Wafer eine Ungleichmäßigkeit der Temperaturverteilung entsteht, tritt im Wafer ein Phänomen auf, welches "Gleiten" genannt wird und Kristallversetzungsfehler bedeutet. Hierbei besteht die Gefahr, dass Ausschuss erzeugt wird.
Es besteht deshalb bei einer Wärmebehandlung eines Wafers mit einer Wärmebehandlungsvorrichtung vom Licht-Bestrahlungstyp ein Bedarf an einer Regelung der Licht-Bestrahlungsmenge in der Weise, dass die Temperaturverteilung des Wafers vergleichmäßigt wird.
Als Lichtquelle der Wärmebehandlungsvorrichtung vom Licht-Bestrahlungstyp werden Lampen verwendet, welche einen Leuchtfaden aufweisen und mit hohem Wirkungsgrad IR-Strahlung ausstrahlen, wie in 10 gezeigt. Wenn derartige Glühlampen über eine lange Zeit benutzt werden, verdampft das im Leuchtfaden enthaltene Material, beispielsweise Wolfram, nach und nach und wird auf der Wandfläche der Innenseite des Lampenkolbens niedergeschlagen. Die Stellen, an welchen ein derartiger Gasphasenniederschlag auftrat, werden schwarz verfärbt, was "Schwärzung" genannt wird.
Wenn in einer Lampe eine Schwärzung auftritt, lässt die Stelle, an welcher die Schwärzung aufgetreten ist, das Licht vom Leuchtfaden nicht mehr durch. Auf der mit dem Licht bestrahlten Fläche unmittelbar unterhalb dieser geschwärzten Stelle, werden die Bestrahlungsdichte sowie die Temperatur der mit dem Licht bestrahlten Fläche abgesenkt. Als Folge davon gibt es Fälle, in welchen im Wafer eine Ungleichmäßigkeit der Temperaturverteilung und somit Ausschuss entsteht.
Die geschwärzte Stelle absorbiert beim Lampenbetrieb leichter Wärmeenergie vom Leuchtfaden. Wenn man im Zustand, in welchem die Schwärzung da ist, den Lampenbetrieb fortsetzt, steigt die Temperatur an, bis eine Temperatur erreicht wird, bei welcher das Quarzglas des Lampenkolbens (des Glasgefäßes der Lampe, welches nachfolgend "Kolben" bzw. "Kolbenglas" genannt wird) erweicht, wodurch der Kolben verformt wird und zerbricht. Es besteht deshalb die Notwendigkeit, die Lampe, bei welcher eine Schwärzung aufgetreten ist, gegen eine neue Lampe auszutauschen.
Auch bei der vorstehend beschriebenen Entladungslampe, welche für eine Halbleiter-Lithographie, für eine Aushärtung, eine Trocknung von Tinte und Klebemittel und zu ähnlichen Zwecken verwendet wird, sinkt die Bestrahlungsdichte auf der mit dem Licht bestrahlten Fläche ebenfalls ab, wenn eine Schwärzung auftritt. Es gibt deshalb Fälle, in welchen Ausschuss erzeugt wird.
Herkömmlicherweise wird die Ermittlung der Schwärzung einer Lampe visuell durchgeführt. Das heißt, bei einer regelmäßigen Untersuchung wird die Belichtung unterbrochen, die Fotoerwärmungskammer sowie das Lampengehäuse werden geöffnet, der Zustand der Lampen im Lichtquellenteil wird visuell überprüft, und bei Vorhandensein einer Schwärzung werden die betroffenen Lampen ausgetauscht.
Bei der vorstehend beschriebenen Wärmebehandlungsvorrichtung vom Licht-Bestrahlungstyp sind die Lampen in einer Fotoerwärmungskammer oder in einem Lampengehäuse angeordnet und können nicht von außen betrachtet werden. Wenn zwischen zwei regelmäßigen Untersuchungen in den Lampen eine Schwärzung auftritt, kann man diese deshalb nicht ermitteln.
Es gibt deshalb Fälle, in welchen durch die Schwärzung der Lampen die Bestrahlungsdichte absinkt und Ausschuss erzeugt wird, wie vorstehend beschrieben wurde, oder in welchen die Lampen erwärmt und deshalb beschädigt werden.
Um die vorstehend beschriebenen Nachteile zu beseitigen, besteht ein Bedarf an einer Ermittlung der Schwärzung einer Lampe in Echtzeit oder in einem Zustand, in welchem die Wärmebehandlungsvorrichtung vom Licht-Bestrahlungstyp sich im Betrieb befindet. Herkömmlicherweise hatte man jedoch kein Verfahren zur Ermittlung der Schwärzung einer Lampe in Echtzeit oder während des Betriebs. JP-04351832 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Schwärzung einer Lampe durch Messen der Luminanz an jedem Punkt der Lampe. Dieses Verfahren ist aber nicht für Messungen während des Betriebs geeignet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wurde gemacht, um die vorstehend beschriebenen Nachteile zu beheben. Der Erfindung liegt daher eine erste Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Schwärzung einer Lampe anzugeben ohne visuelle Kontrolle in Echtzeit oder während des Betriebs.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Ermittlung der Schwärzung einer Lampe anzugeben, bei welchem man die Schwärzung des Lampenkolbens unabhängig von der Temperatur des Lampenkolbens in Echtzeit oder während des Betriebs ermitteln kann.
Ein Festkörper strahlt spektrale Strahlungsenergie ab, welche der jeweiligen Temperatur entspricht und für den jeweiligen Festkörper nach dem Prinzip der Festkörperemission charakteristisch ist. Diese vom Lampenkolben ausgestrahlte spektrale Strahlungsenergie zu einem Zeitpunkt, in welchem die Lampe nicht geschwärzt ist, unterscheidet sich von der spektralen Strahlungsenergie zu einem Zeitpunkt, in welchem die Lampe geschwärzt ist. Durch Ermittlung der Veränderung der vom Lampenkolben ausgestrahlten spektralen Strahlungsenergie kann man deshalb die Schwärzung einer Lampe ohne visuelle Kontrolle ermitteln.
Die spektrale Strahlungsenergie verändert sich jedoch auch mit der Temperatur eines Körpers. Bei einer Lampe, bei welcher sich die der zugeführte Lampen-Eingangsleistung sowie die Temperatur des Lampenkolbens verändern, gibt es deshalb auch Fälle, in welchen man beim Auftreten einer Veränderung der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie bei einer einzigen bestimmten Wellenlänge nicht unterscheiden kann, ob diese Veränderung durch die Schwärzung oder durch die Veränderung der Temperatur des Lampenkolbens verursacht wurde.
In einem derartigen Fall wird deshalb die vom Lampenkolben abgestrahlte Strahlungsenergie bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen (in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen) gemessen und das Verhältnis zueinander ermittelt. Dieses Verhältnis wird mit dem Wert im Fall, dass in der Lampe keine Schwärzung aufgetreten ist, verglichen. Wenn das Veränderungsmaß größer/gleich einem vorgegebenen Wert ist, bedeutet dies, dass in der Lampe eine Schwärzung auftrat. Dadurch kann man die Schwärzung einer Lampe ohne visuelle Kontrolle ermitteln, auch wenn die Temperatur des Lampenkolbens sich verändert.
Im Fall einer Glühlampe wird während des Lampenbetriebs vom Emissionsteil eine enorm große spektrale Strahlungsenergie abgestrahlt. Es gibt deshalb Fälle, in welchen die vom Kolben abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie gegenüber der vom Emissionsteil abgegebenen Energie in den Hintergrund tritt und nur noch als Hintergrundrauschen wahrgenommen werden kann. Wenn man nach Ausschalten der Lampe und vor Abkühlen des Kolbens die spektrale Strahlungsenergie misst, kann man die Schwärzung einer Lampe ermitteln, ohne dass die vom Emissionsteil abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie einen Einfluss ausübt.
Bei einer Entladungslampe gibt es ferner Fälle, in welchen die spektrale Strahlungsenergie-Verteilung im Emissionsteil Maxima aufweist. In diesem Fall kann man die Schwärzung einer Lampe ohne Einfluss der vom Emissionsteil abgestrahlten spektralen Strahlungsenergie ermitteln, wenn man den Wellenlängenbereich, in welchem die vom Kolben abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie gemessen wird, unter Vermeidung der vom Lampen-Emissionsteil ausgestrahlten Wellenlängen mit maximaler Intensität in der Weise auswählt, dass in diesem Mess-Wellenlängenbereich die vom Emissionsteil ausgestrahlte spektrale Strahlungsenergie bezüglich der vom Kolben ausgestrahlten spektralen Strahlungsenergie als Hintergrundrauschpegel bezeichnet werden kann und die Messung der vom Lampenkolben abgegebenen Energie nicht unterbricht.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß folgendermaßen wie in Ansprüchen 1 bis 4 gelöst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Graph, der die spektrale Strahlungsenergie eines schwarzen Körpers sowie die spektrale Strahlungsenergie des Glases, welches für den Kolben einer Glühlampe verwendet wird, bei 800 °C darstellt;
2 ist eine vergrößerte Darstellung eines Wellenlängenbereiches um 1,5 bis 5 μm in den in 1 dargestellten Kurven;
3(a) & 3(b) zeigen schematisch die vom Lampenkolben ausgestrahlte spektrale Strahlungsenergie beim Auftreten einer Schwärzung und bei Nichtauftreten einer Schwärzung;
4 ist ein Graph, der die spektrale Strahlungsenergie zeigt, welche vom Kolbenglas im selben Wellenlängenbereich wie in 2 und bei 800 °C (1073K) abgestrahlt wird;
5 zeigt schematisch die Anordnung einer Ausführungsform eines Meßsystems zum Ermitteln der Schwärzung einer Glühlampe;
6 ist ein Graph, der ein Beispiel der Wellenlängen-Charakteristik eines Bandpass-Filters zeigt;
7 ist ein Graph, der ein Beispiel der spektralen Strahlungsenergie-Verteilung des Emissionsteils einer Entladungslampe zeigt;
8 ist ein Graph, der, zusätzlich zu den Kurven der 4, ebenfalls Kurven zeigt, die die spektrale Strahlungsenergie, welche vom Kolben bei 400 °C bei Auftreten einer Schwärzung und beim Nichtauftreten einer Schwärzung ausgestrahlt wird, darstellen;
9 ist eine schematische Darstellung der Anordnung einer Ausführungsform eines Meßsystems zum Messen der spektralen Strahlungsenergie in zwei Wellenlängenbereichen und
10 zeigt ein Beispiel einer bekannten Wärmebehandlungsvorrichtung vom Licht-Bestrahlungstyp.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf eine Glühlampe beschrieben, welche als Lichtquelle einer Wärmebehandlungsvorrichtung vom Licht-Bestrahlungstyp verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorstehend beschriebene Glühlampe beschränkt, sondern kann auch für eine Quecksilber-Höchstdrucklampe, eine Quecksilber-Hochdrucklampe oder dergleichen angewendet werden, wie vorstehend beschrieben wurde.
(1) Ausführungsbeispiel 1
Ermittlung der Schwärzung einer Lampe durch den Unterschied zwischen der spektralen Strahlungsenergie beim Auftreten einer Schwärzung und der spektralen Strahlungsenergie beim Nichtauftreten einer Schwärzung
Bei einer mit einem Leuchtfaden versehenen Halogenlampe, welche als Lichtquelle einer Wärmebehandlungsvorrichtung vom Licht-Bestrahlungstyp verwendet wird, wird eine Vorrichtung zum Abkühlen der Lampe sowie der Vorrichtung angeordnet, damit die Kolbentemperatur der Lampe bei einem Betrieb durch Zuführen der Nennleistung ca. 800 °C erreicht (1073 K). Nach dem Prinzip einer Festkörperemission emittiert der Festkörper eine spektrale Strahlungsenergie, welche von der Temperatur abhängt und für der Festkörper charakteristisch ist. Die spektrale Strahlungsenergie ist eine Funktion der Temperatur und der Wellenlänge.
1 zeigt die spektrale Strahlungsenergie MQ (λ, T) eines schwarzen Körpers sowie die spektrale Strahlungsenergie MQ (λ, T) des für den Kolben der Glühlampe verwendeten Glases bei 800 °C (1073 K). Hierbei stellen die x-Achse die Wellenlänge (μm) und die y-Achse die Strahlungsenergie (W/m³) dar. 2 zeigt ferner den Wellenlängenbereich von 1,5 bis 5 μm gemäß 1 in einer Vergrößerung. Die spektrale Strahlungsenergie (MQ (λ, T)) des Kolbenglases kann man durch Multiplizieren der spektralen Strahlungsenergie MQ (λ, T) des schwarzen Körpers mit dem spektralen Emissionsgrad ∈ (λ, T) bei der jeweiligen Wellenlängen-Komponente des Kolbenglases berechnen (im Hinblick auf den spektralen Emissionsgrad des Glases wird beispielsweise auf "Special emissivity and absorption coeffient of silica glass at extremely high temperatures in the semitransparent", Infrared Physics, Bd. 19, S. 465-469, Pergamon Press Ltd., 1979, hingewiesen).
Hierbei wird ein Fall eines Betriebs der Lampe bei 800 °C (1073 K) angenommen. Wie vorstehend beschrieben, wird vom Kolbenglas die spektrale Strahlungsenergie MQ (λ, T) in 1 und 2 abgestrahlt. Andererseits strahlt auch der auf die Innenwand des Kolbenglases aufgedampfte Stoff spektrale Strahlungsenergie bei 800 °C (1073 K) ab, wenn bei dieser Temperatur im Lampenkolben eine Schwärzung aufgetreten ist. Die spektrale Strahlungsenergie (Mn', (λ, T)) des aufgedampften Stoffs, welche von außerhalb der Lampe beobachtet wird, wird durch Multiplizieren der spektralen Strahlungsenergie (Mn (λ, T)) des aufgedampften Stoffs mit dem Durchlassgrad (lλ/loλ) bei der jeweiligen Wellenlänge des Kolbenglases bei dieser Temperatur berechnet, weil sie durch das Kolbenglas hindurchgeht.
Wie in 3(a) gezeigt, wird die vom Kolbenglas 1a der Lampe abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie beim Nichtauftreten einer Schwärzung der Lampe mit MQ (λ, T) bezeichnet, während diejenige beim Auftreten einer Schwärzung der Lampe mit MQ (λ, T) + Mn' (λ, T) bezeichnet wird ( 3(b)). Die vom Kolben abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie beim Auftreten einer Schwärzung unterscheidet sich also von der beim Nichtauftreten einer Schwärzung. Man kann deshalb durch Ermitteln dieser Veränderung der spektralen Strahlungsenergie die Schwärzung der Lampe ermitteln.
4 ist eine schematische Darstellung der spektralen Strahlungsenergie, welche vom Kolbenglas im selben Wellenlängenbereich wie in 2 und bei 800 °C (1073 K) abgestrahlt wird. In der Darstellung stellt (1) die spektrale Strahlungsenergie (MQ (λ, T)) beim Nichtauftreten einer Schwärzung und (2) die spektrale Strahlungsenergie (MQ (λ, T) + Mn' (λ, T)) beim Auftreten einer Schwärzung dar.
Hierbei wird die spektrale Strahlungsenergie Mn' (λ, T) des aufgedampften Stoffes, welche durch das Kolbenglas hindurchging, folgendermaßen ermittelt:
Als aufzudampfender Stoff, welcher eine Schwärzung hervorruft, wurde Wolfram gewählt, welches für den Leuchtfaden der Lampe verwendet wird. Die spektrale Strahlungsenergie wurde dadurch ermittelt, dass die spektrale Strahlungsenergie Mo (λ, T) des schwarzen Körpers mit dem spektralen Emissionsgrad des Wolframs und dem Durchlassgrad des Kolbenglases bei den vorstehend beschriebenen Wellenlängen multipliziert wurde. Die Dicke des Kolbenglases lag bei 1 mm.
Wie aus 4 ersichtlich, wird insbesondere in einem Wellenlängenbereich von kleiner/gleich 3,5 um die vom Kolben abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie mindestens um eine Zehnerpotenz vergrößert, wenn man den Fall einer Schwärzung des Kolbens mit dem Fall einer Nicht-Schwärzung vergleicht. Man kann deshalb die Schwärzung einer Lampe dadurch ermitteln, dass man anhand eines Detektors, mit welchem man die spektrale Strahlungsenergie in diesem Wellenlängenbereich messen kann, die spektrale Strahlungsenergie ermittelt.
Nachfolgend wird die konkrete Messung beschrieben:

(1) Man führt eine Echtmessung der vom Kolben einer neuen Lampe ohne Schwärzung abgestrahlten Strahlungsenergie sowie der vom Kolben einer geschwärzten Lampe abgestrahlten Strahlungsenergie durch. Die Wellenlänge, bei welcher die Werte der beiderseits ermittelten spektralen Strahlungsenergien die Bereiche der Messfehler und des Hintergrundrauschens in großem Maß überschreiten und verändern, wird als Messwellenlänge bezeichnet, bei der man die spektrale Strahlungsenergie misst.
(2) Man stellt einen Detektor bereit, mit welchem man bei der in der vorstehend beschriebenen Weise festgelegten Wellenlänge die spektrale Strahlungsenergie ermitteln kann. In der Praxis wird vor dem Detektor ein Bandpass-Filter angeordnet und die spektrale Strahlungsenergie in einem bestimmten Wellenlängenbereich, welcher die Messwellenlänge enthält, gemessen.
(3) Man ordnet eine neue (ungebrauchte) Lampe in der Vorrichtung an, betreibt sie und misst die vom Kolben abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie dabei, das heißt, im Zustand einer Nicht-Schwärzung.
(4) Man ordnet eine geschwärzte Lampe in der Vorrichtung an, betreibt sie und misst die vom Kolben abgestrahlte Strahlungsenergie dabei.
(5) Durch die beiden Messwerte wird auf geeignete Weise einen Bezugswert festgelegt, und dieser Bezugswert wird verwendet, um zu beurteilen, welches Maß der Veränderung des Messwertes als Auftreten einer Schwärzung bezeichnet wird. Auf diese Weise wird die Vorbereitung für die Messung abgeschlossen.
(6) Beim Betrieb der Vorrichtung wird die vom Lampenkolben abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie durch den vorstehend beschriebenen Detektor stets in Echtzeit gemessen. Wenn der er mittelte Wert den Bezugswert überschreitet, erhält man das Ergebnis, dass eine Schwärzung ermittelt wurde. Man tauscht dann also die Lampe aus.

5 ist eine schematische Darstellung der Anordnung einer Ausführungsform eines Meßsystems zum Ermitteln der Schwärzung einer Glühlampe, welche als Lichtquelle der vorstehend beschriebenen Wärmebehandlungsvorrichtung vom Licht-Bestrahlungstyp verwendet wird.
In 5 hat eine Lampe 1 einen Kolben 1a und einen Leuchtfaden 1b sowie einen Spiegel 2, welcher mit einer Durchgangsöffnung 2a versehen ist. Die von der Lampe 1 abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie wird über eine in der Durchgangsöffnung 2a angeordnete optische Faser 5a zu einem Hauptteil 5b eines Detektors 5 für spektrale Strahlungsenergie gesendet. Im Hauptteil 5b sind ein Ermittlungselement 5c zum Messen der spektralen Strahlungsenergie sowie ein Bandpass-Filter 5d angeordnet. Der Bandpass-Filter 5d wird verwendet, um die spektrale Strahlungsenergie nur im zu messenden Wellenlängenbereich an das Ermittlungselement 5c weiterzuleiten, wie vorstehend beschrieben wurde. 6 zeigt ein Beispiel der Wellenlängen-Charakteristik des Bandpass-Filters 5d.
Da die Strahlungsenergie des schwarzen Körpers und die Strahlungsenergie des Quarzes die in 1 gezeigte Wellenlängen-Charakteristik aufweisen, ist es erwünscht, einen Bandpass-Filter 5d mit einer Halbwertsbreite von ca. 0,5 μm, wie in 6 gezeigt, zu verwenden.
Als Mittel zur Messung der spektralen Strahlungsenergie kann man beispielsweise ein Strahlungsthermometer verwenden. Da ein Strahlungsthermometer in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich die spektrale Strahlungsenergie eines Körpers erfassen kann, kann man somit eine Schwärzung ermitteln.
5 zeigt ein Beispiel bei einer Messung der spektralen Strahlungsenergie einer einzigen Lampe. Bei einer mit mehreren Lampen versehenen Vorrichtung werden jedoch entsprechend der Lampenanzahl mehrere Detektoren 5 für die spektrale Strahlungsenergie angeordnet. Man kann die Schwärzung der jeweiligen Lampe in Echtzeit und ohne visuelle Kontrolle dadurch ermitteln, dass man unter Verwendung des Meßsystems mit der vorstehend beschriebenen Anordnung die vorstehend beschriebenen Messungen (1) bis (6) durchführt. Somit kann man die Lampen austauschen, wenn in ihnen eine Schwärzung auftritt.
Im Fall einer Glühlampe strahlt während des Lampenbetriebs der Emissionsteil, das heißt, der Leuchtfaden, eine enorm große spektrale Strahlungsenergie ab. Die vom Leuchtfaden durch den Kolben hindurch abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie wird mit Mn' (λ, T) bezeichnet. Auf dieser Grundlage gibt es Fälle, in welchen die vom Kolben abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie (MQ (λ, T) oder MQ (λ, T) + Mn' (λ, T)) auf ein bloßes Hintergrundrauschen absinkt. In diesem Fall kann man die Lampe ausschalten und die vom Kolben abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie messen.
Da der Leuchtfaden eine geringe Wärmekapazität aufweist, wird er beim Ausschalten sofort abgekühlt, während der Kolben, da er aus Glas besteht, infolge seiner großen Wärmekapazität nicht so leicht abgekühlt wird. Man kann sich deshalb vorstellen, dass für eine Weile nach dem Ausschalten der Lampe vom Kolben spektrale Strahlungsenergie im gleichen Maß wie beim Betrieb abgestrahlt wird. Dieser Zeitabschnitt wird ausgenutzt, um die Messung durchzuführen.
Bei einer Entladungslampe gibt es Fälle (siehe 7), dass die spektrale Strahlungsenergie des Emissionsteils Spektrallinien großer Intensität aufweist. Wenn die spektrale Strahlungsenergie-Verteilung des Emissionsteils Spektrallinien großer Intensität aufweist, kann man die vom Kolben abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie auch während des Lampenbetriebs, bei welchem vom Emissionsteil eine große spektrale Strahlungsenergie abgestrahlt wird, dadurch messen, dass man einen Wellenlängenbereich (außerhalb der Wellenlängen der Spektrallinien hoher Intensität)) auswählt, in welchem die vom Emissionsteil ausgestrahlte spektrale Strahlungsenergie bezüglich der vom Kolben ausgestrahlten spektralen Strahlungsenergie als Hintergrundrauschen bezeichnet werden kann.
(2) Ausführungsbeispiel 2
Ermittlung der Schwärzung einer Lampe durch einen Vergleich des Verhältnisses der Strahlungsenergie, welche bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen (in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen) gemessen wird.
Wenn man nur die Veränderung der Emissionsenergie bei einer einzigen bestimmten Wellenlänge (in einem einzigen bestimmten Wellenlängenbereich) misst, wie vorstehend bei (1) beschrieben wurde, ist es erforderlich, folgendes zu beachten:
Die spektrale Strahlungsenergie verändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Körpers nach dem Planck'schen Gesetz. 8 ist eine schematische Darstellung, bei welcher zusätzlich zu den Kurven der 4 (welche die spektrale Strahlungsenergie zeigen, die vom Kolben bei 800 °C emittiert wird) auch die spektrale Strahlungsenergie gezeigt wird, welche vom Kolben bei 400 °C (623 K) beim Auftreten einer Schwärzung und beim Nichtauftreten einer Schwärzung ausgestrahlt wird. Hierbei stellt (3) einen Fall einer Nicht-Schwärzung bei 400 °C (623 K) und (4) einen Fall einer Schwärzung bei 400 °C (623 K) dar. Die jeweilige spektrale Strahlungsenergie wurde in derselben Reihenfolge wie in 4 ermittelt.
Bei der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie beispielsweise mit einer Wellenlänge von 3,5 um stimmt der Wert beim Auftreten einer Schwärzung im Kolbenglas der Lampe bei 400 °C mit dem Wert bei 800 °C im Zustand, in welchem der Lampenkolben nicht geschwärzt ist, im Wesentlichen überein.
Insbesondere wird bei einer Wärmebehandlungsvorrichtung vom Licht-Bestrahlungstyp die Lichtbestrahlungsmenge stets durch Verändern der der Lampe zugeführten Eingangsleistung in der Weise geregelt, dass die Temperaturverteilung des Wafers bei einer vorgegebenen Temperatur vergleichmäßigt wird. Durch Verändern der der Lampe zugeführten Eingangsleistung verändert sich auch die Lampenkolben-Temperatur.
Es gibt deshalb Fälle, in welchen man auch beim Auftreten einer Veränderung der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie bei einer einzigen bestimmten Wellenlänge nicht unterscheiden kann, ob diese Veränderung durch die Schwärzung oder durch die Veränderung der Temperatur des Lampenkolbens verursacht wurde. Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung, bei welcher die Lampenkolben-Temperatur sich verändert, gibt es Fälle, in welchen eine Ermittlung der Schwärzung schwierig ist.
In einem derartigen Fall wird die Schwärzung einer Lampe dadurch ermittelt, dass man die Veränderung der spektralen Strahlungsenergie vom Lampenkolben durch die Schwärzung und die Veränderung der spektralen Strahlungsenergie durch die Veränderung der Kolbentemperatur getrennt ermittelt, wie nachstehend beschrieben wird.
Die vom Lampenkolben abgestrahlte Strahlungsenergie wird bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen (in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen) gemessen und das Verhältnis zueinander ermittelt, welches mit dem Wert beim Nichtauftreten einer Schwärzung der Lampe verglichen wird. Wenn das Veränderungsmaß größer/gleich einem vorgegebenen Wert ist, wird festgestellt, dass in der Lampe eine Schwärzung aufgetreten ist. Die Lampen werden also ausgetauscht.
Wie aus 8 ersichtlich, verändert sich die Größe der abgestrahlten spektralen Strahlungsenergie, wenn die Temperatur sich verändert.
Die Steigung der graphischen Darstellungen der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie im Fall ohne Schwärzung (das heißt, das Verhältnis der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen) ((1) und (3) in 8) sowie die Steigung der graphischen Darstellungen der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie im Fall einer Schwärzung (das heißt, das Verhältnis der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen) ((2) und (4) in 8) verändern sich jedoch jeweils kaum. Durch Ermitteln der Steigung der graphischen Auftragungen kann man deshalb unabhängig von der Temperatur des Lampenkolbens eine Schwärzung ermitteln.
Im Fall einer Lampe mit der in 8 gezeigten Eigenschaft kann man beispielsweise folgendermaßen eine Schwärzung ermitteln: Bei einer Wellenlänge (λ2), bei welcher auch bei Auftreten einer Schwärzung die Größe der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie sich kaum verändert, sowie bei einer Wellenlänge (λ1), bei welcher sich beim Auftreten einer Schwärzung die Größe der Strahlungsenergie in großem Maß verändert, wird die vom Kolben abgestrahlte Strahlungsenergie MQ (λ1, T), MQ (λ2, T) gemessen und das Verhältnis zueinander, MQ (λ1, T)/MQ (λ2, T), berechnet. Man misst beispielsweise die vom Kolben abgestrahlte Strahlungsenergie bei einer Wellenlänge von 3,5 μm sowie die vom Kolben abgestrahlte Strahlungsenergie bei einer Wellenlänge von 2,5 μm.
Aus 8 wird ersichtlich, dass die bei 400 °C im Fall ohne Schwärzung vom Kolben abgestrahlte Strahlungsenergie bei einer Wellenlänge von 3,5 μm bei ca. 1 × 10⁸ W/m³ und bei einer Wellenlänge von 2,5 μm bei ca. 2 × 10⁶ W/m³ liegt. Das Verhältnis liegt bei 1 × 10⁸/2 × 10⁶ = 50. Im Fall einer Schwärzung liegt sie bei einer Wellenlänge von 3,5 μm bei ca. 1,6 × 10⁹ W/m³ und bei einer Wellenlänge von 2,5 μm bei ca. 7,5 × 10⁸ W/m³. Das Verhältnis wird deshalb in derselben Weise berechnet und liegt bei 2,1. Andererseits liegt sie bei 800 °C im Fall ohne Schwärzung bei einer Wellenlänge von 3,5 μm bei ca. 1,6 × 10⁹ W/m³ und bei einer Wellenlänge von 2,5 μm bei ca. 6.5 × 10⁷ W/m³. Das Verhältnis liegt bei 24,6. Im Fall einer Schwärzung liegt sie bei einer Wellenlänge von 3,5 μm bei ca. 1,6 × 10¹⁰ W/m³ und bei einer Wellenlänge von 2,5 μm bei ca. 1,8 × 10¹⁰ W/m³. Das Verhältnis liegt bei 0,9. Das Verhältnis der spektralen Strahlungsenergie bei einer Wellenlänge von 3,5 μm zu der spektralen Strahlungsenergie bei einer Wellenlänge von 2,5 μm liegt also zusammengefasst wie nachfolgend anhand von Tabelle 1 gezeigt:
(Tabelle 1) Spektrale Strahlungsenergie bei einer Wellenlänge von 3,5 μm/Spektrale Strahlungsenergie bei einer Wellenlänge von 2.5 μm
Die Veränderung des Verhältnisses der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie beim Auftreten einer Schwärzung verändert sich im Vergleich zur Veränderung des Verhältnisses der Strahlungsenergie infolge einer Temperaturveränderung um eine Zehnerpotenz. In diesem Fall kann man deshalb feststellen, dass eine Schwärzung aufgetreten ist, wenn beispielsweise eine 10-fache Veränderung bezüglich des Verhältnisses bei einer neuen Lampe aufgetreten ist.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann man durch eine Messung der Veränderung des Verhältnisses der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie bei zwei geeigneten Wellenlängen eine Schwärzung ermitteln, ohne von der Temperaturveränderung der Lampe abzuhängen.
Als Meßsystem zum Messen der spektralen Strahlungsenergie in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und zum Ermitteln einer Schwärzung der Lampe kann man dasselbe wie in 5 verwenden. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden, wie in 9 gezeigt, im Detektor 5 für spektrale Strahlungsenergie ein erster Hauptteil 5b sowie ein zweiter Hauptteil 5b' angeordnet, und die von der Lampe 1 ausgestrahlte spektrale Strahlungsenergie wird über eine verzweigte optische Faser 5a dem ersten Hauptteil 5b und dem zweiten Hauptteil 5b zugeführt.
Im ersten Hauptteil 5b wird ein erster Bandpass-Filter 5d angeordnet, welcher die Wellenlängen-Charakteristik hat, nur die spektrale Strahlungsenergie der ersten Wellenlänge (im ersten Wellenlängenbereich) λ1 durchzulassen. Im zweiten Hauptteil 5b' wird ein zweiter Bandpass-Filter 5d' angeordnet, welcher die Wellenlängen-Charakteristik hat, nur die spektrale Strahlungsenergie der zweiten Wellenlänge (im zweiten Wellenlängenbereich) λ2 durchzulassen. Das durch den ersten Bandpass-Filter 5d sowie den zweiten Bandpass-Filter 5d' durchgelassene Licht fällt in ein erstes Ermittlungselement 5c sowie ein zweites Ermittlungselement 5c' ein.
Die zwei Wellenlängen (Wellenlängenbereiche) λ1, λ2, welche durch den vorstehend beschriebenen Detektor 5 für spektrale Strahlungsenergie gemessen werden, werden folgendermaßen festgelegt:
Die spektrale Strahlungsenergie von Kolben einer neuen Lampe ohne Schwärzung wird unter Veränderung der Lampentemperatur gemessen. Ferner wird die spektrale Strahlungsenergie eines geschwärzten Lampenkolbens unter Veränderung der Lampentemperatur gemessen. Es wird ein Bereich ermittelt und festgelegt, in welchem das Verhältnis der Strahlungsenergie bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen bei einer Schwärzung sich von dem bei einer Nicht-Schwärzung in großem Maß unterscheidet.
Wenn man beispielsweise eines der Wellenbänder als Bereich (beispielsweise mit Wellenlängen von größer/gleich 4,5 μm in 8) festlegt, in welchem die Strahlungsenergie sich unabhängig vom Vorhanden- oder Nichtvorhandensein einer Schwärzung kaum verändert, und das andere der Wellenbänder als Bereich (beispielsweise mit Wellenlängen von kleiner/gleich 3,5 μm in 8) festgelegt, in dem die Strahlungsenergie sich durch das Vorhanden- oder Nichtvorhandensein einer Schwärzung in großem Maß verändert, verändert sich die Steigung der Kurve der spektralen Strahlungsenergie durch das Vorhanden- oder Nichtvorhandensein einer Schwärzung in großem Maß. Diese Maßnahme ist deshalb vorteilhaft. Ferner legt man auf geeignete Weise Zahlenwerte fest, mit welchen die Veränderung des Energieverhältnisses mit einer Schwärzung identifiziert wird. Auf diese Weise wird die Vorbereitung für die Messung abgeschlossen.
Durch das Meßsystem mit der vorstehend beschriebenen Anordnung wird beim Betrieb der Vorrichtung die spektrale Strahlungsenergie eines zu messenden Gegenstandes durch den vorstehend beschriebenen Detektor bei zwei vorgegebenen Wellenlängen gemessen. Ferner wird das Verhältnis der gemessenen spektralen Strahlungsenergie durch ein Divisionselement oder dergleichen stets in Echtzeit ermittelt. Durch einen Vergleich des ermittelten Verhältnisses mit dem Verhältnis bei der neuen Lampe kann man ein Entstehen der Schwärzung ermitteln.
Im Hinblick auf das zeitliche Verhalten der Messung kann man die Messung nach Ausschalten der Lampe durchführen, wenn während des Lampenbetriebs die Messung der vom Kolben abgestrahlten spektralen Strahlungsenergie schwierig ist, wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
Wenn die spektrale Strahlungsenergie-Verteilung des Emissionsteils Spektrallinien großer Intensität aufweist, wie bei einer Entladungslampe, kann man die vom Lampen-Emissionsteil ausgestrahlten Wellenlängen mit starker Strahlung vermeiden und zwei Wellenlängenbereiche auswählen, in welchen die spektrale Strahlungsenergie kleiner ist als die vom Kolben abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie. Dadurch kann man auch während des Lampenbetriebs die vom Kolben abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie messen.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann man erfindungsgemäß folgende Wirkungen erhalten:

(1) Durch eine Messung der Veränderung der vom Kolben abgestrahlten spektralen Strahlungsenergie wird eine Schwärzung der Lampe ermittelt. Somit kann man die Schwärzung der Lampe ohne visuelle Kontrolle in Echtzeit oder in einem ähnlichen Zustand ermitteln. Man kann beispielsweise im Verfahren einer raschen Wärmebehandlung eines Werkstücks mit einer Lampe die Schwärzung der Lampe schnell ermitteln. Man kann deshalb Ausschuss infolge einer Absenkung der Bestrahlungsdichte der Lampe minimieren.
(2) Durch eine Messung des Verhältnisses der vom Kolben abgestrahlten spektralen Strahlungsenergie in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen wird eine Schwärzung ermittelt. Dadurch kann man die Schwärzung der Lampe ermitteln, ohne von der Temperaturveränderung der Lampe abzuhängen.
(3) Durch eine Messung der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie nach Ausschalten der Lampe kann man die vom Kolben abgestrahlte Strahlungsenergie messen und eine Schwärzung ermitteln, auch wenn während des Lampenbetriebs infolge der vom Lampen-Emissionsteil abgestrahlten spektralen Strahlungsenergie eine Messung der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie schwierig ist.
(4) Wenn der Lampen-Emissionsteil spektrale Strahlungsenergie bei bestimmten Wellenlängen mit hoher Intensität abstrahlt, kann man auch während des Lampenbetriebs die vom Kolben abgestrahlte spektrale Strahlungsenergie messen, wenn man einen Wellenlängenbereich (außerhalb der Wellenlängen mit hoher Strahlungsintensität) auswählt, in welchem die vom Emissionsteil abgestrahlte Strahlungsenergie bezüglich der vom Kolben abgestrahlten Strahlungsenergie als Hintergrundrauschen bezeichnet werden kann.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Schwärzung einer Lampe, welches folgende Verfahrensschritte umfasst: – Messen der von einem Lampenkolben abgestrahlten Strahlungsenergie bei zumindest einer vorgegebenen Wellenlänge; – Festlegen eines Bezugswertes auf der Grundlage von gemessenen Werten der spektralen Strahlungsenergien, welche von den Kolben einer neuen Lampe und einer geschwärzten Lampe abgestrahlt werden; – Messen der spektralen Strahlungsenergie, welche vom Lampenkolben während des Betriebs abgestrahlt wird sowie Ermitteln des Ausmaßes der Zunahme der Strahlungsenergie, die vom Kolben abgestrahlt wird, gemessen nach Ingebrauchnahme der Lampe in Bezug zu der beim Einschalten der Lampe gemessenen Strahlungsenergie; sowie – Ermitteln, ob eine Schwärzung der Lampe eingetreten ist aufgrund des Ausmaßes der Veränderung, das im vorhergehenden Schritt ermittelt wurde, so dass, wenn das Ausmaß der Veränderung größer ist als der Bezugswert, das Auftreten einer Schwärzung festgestellt wird.
Verfahren zur Ermittlung der Schwärzung einer Lampe nach Anspruch 1, welches die Schritte umfasst: – Messen der Strahlungsenergie, welche vom Lampenkolben bei zwei verschiedenen Wellenlängen abgestrahlt wird; – Ermitteln des Verhältnisses der bei den beiden Wellenlängen gemessenen Strahlungsenergie zueinander; sowie – Ermitteln des Ausmaßes der Veränderung des Verhältnisses, welches nach Ingebrauchnahme der Lampe ermittelt wurde in Bezug auf das Verhältnis, welches beim ersten Einschalten der Lampe gemessen wurde.
Verfahren zur Ermittlung der Schwärzung einer Lampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlungsenergie gemessen wird, nachdem die Lampe ausgeschaltet wurde.
Verfahren zur Ermittlung der Schwärzung einer Lampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vom Lampenkolben abgestrahlte Strahlungsenergie bei einer Wellenlänge in einem Bereich gemessen wird, in dem die Strahlungsenergie, die von einem Emissionsteil der Lampe abgestrahlt wird, etwas geringer ist im Vergleich zu der Strahlungsenergie, die vom Kolben abgestrahlt wird.