JP2000055747A

JP2000055747A - 蛍光式光ファイバー温度計

Info

Publication number: JP2000055747A
Application number: JP10221225A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Kawaguchi; 雄一川口
Original assignee: Anritsu Meter Co Ltd
Current assignee: Anritsu Meter Co Ltd
Priority date: 1998-08-05
Filing date: 1998-08-05
Publication date: 2000-02-25
Anticipated expiration: 2018-08-05
Also published as: JP4345870B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体のシリコンウェーハー等の測温対象物の
温度を測定する場合に、測温対象物に悪影響を与えるこ
となく、また、光ファイバーを損傷することなく、耐久
性に富み、再現性のよい、その上、測温時に蛍光物質と
光ファイバーと間の作動距離を一定にすることができる
蛍光式光ファイバー温度計を提供する。【解決手段】温度により蛍光特性が変化する蛍光物質３
の蛍光光線Ｌ２を測定することにより、測温対象物20の
温度を算出する蛍光式光ファイバー温度計１であって、
測温時に測温対象物20に当接させるキャップ部２を先端
部が閉じた筒状の熱伝導体で形成し、キャップ部２に蛍
光物質３を詰めて測温部10を形成すると共に、測温部10
の蛍光物質３と光ファイバー６の先端との間に所定の作
動距離Ｄを有して、光ファイバー６を測温部10と分離し
て設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧延中の金属材料
や半導体材料等に接触して温度を測定するための蛍光式
光ファイバー温度計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧延中の高温の金属材料等の温度測定に
おいては、熱放射温度計を使用して温度測定をしている
場合が多いが、熱放射温度計では、測温対象物の表面の
熱放射係数によって測定される輻射熱量が異なるので、
接触式温度計により、時々直接測温対象物の温度を測定
する必要がある。

【０００３】また、半導体製品の材料となるシリコンウ
ェハーは、製品の品質がドーピング、エッチング等の加
工時の温度管理に大きく影響されるので、非常に厳重な
温度管理をする必要があり、シリコンウェハーの温度を
厳密に測定している。このような測温対象物の温度測定
の技術の一つとして、蛍光式光ファイバー温度計を用い
る方法が知られている。

【０００４】この蛍光式光ファイバー温度計は、図４に
示すように、光ファイバー46の先端に温度によって異な
った蛍光特性を示す蛍光物質41を配置し、これ全体をテ
フロン等の保護カバー（プローブ・カバー）42で包んで
保護したものである。この蛍光式光ファイバー温度計40
の蛍光物質41を有する保護カバー42の先端を、金属材料
やシリコンウェーハー等の測温対象物20に当接して保持
し、蛍光物質41の温度が測温対象物20と同じ温度になっ
た後、光ファイバー46を経由して励起用光線Ｌ１を当て
て蛍光物質41を励起させて蛍光光線Ｌ２を発光させ、こ
の蛍光光線Ｌ２を光ファイバー41の元側で光の波長又は
光量を計測して、予め得られているこれらの諸量と温度
との関係から、温度に換算している。

【０００５】この換算方法には、例えば、蛍光光線Ｌ２
の２つの波長間の強度比較にする方法があり、又別の方
法としては励起用光線Ｌ１のパルスに対する蛍光光線Ｌ
２の特定波長の減衰特性を電子回路により測定して、こ
の減衰特性と蛍光物質の温度との関係からシリコンウェ
ーハー20の温度を算出する方法がある。また、この蛍光
物質は、主成分がマグネシウム酸化物で、フッ素、マン
ガンとゲルマニウムの酸化物が含まれた粉末状をしてお
り、一例を上げれば、１〜１０ミクロン程度のサイズ粒
子の、４価マンガンによって活性化されたゲルマニウム
酸マグネシウムやフルオロゲルマニュム酸マグネシウム
等がある。

【０００６】また、バインダーとしては、ケイ酸カリウ
ム等の水ガラスやコーニング封止ガラス等のガラス結合
剤等があり、これらのバインダーを蛍光物質に混入して
固形化して、光ファイバーの先端で押さえている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、蛍光物
質41と光ファイバー46を保護している保護カバー42のテ
フロンの耐熱温度（３００℃程度）が低く、圧延工程の
金属板や半導体ウェハー等の高温域での温度計測ができ
ないという問題がある。また、このテフロン製の保護カ
バー42の代わりに、光ファイバー46を保持する純アルミ
製の保護カバーを設けて、これらの測温対象物20に当接
することも試みられたが、当接を繰り返す時の衝撃を受
けてキャップ部に一体的に固定された光ファイバー46が
壊れやすく、また、衝撃により蛍光物質41と光ファイバ
ー46の相対位置に微小なズレを生じるため温度の再現性
が悪いという問題がある。

【０００８】その上、この加工中の圧延材料やシリコン
ウェーハーは、純度が非常に高く、異種金属等を接触さ
せると品質の劣化を招くので、品質を劣化させる純アル
ミなどのキャップ部を当接することができない。また、
純アルミは柔らかい上に、融点が６６０℃と比較的低
く、耐熱性に問題がある。また、これらの装置、特に半
導体関連の装置は、加工装置が自動化され、空調を始め
様々な加工条件が厳しく管理されているので、頻繁に温
度計を点検や交換したり、温度計の位置決め設定を繰り
返したりすることが難しい状況下にあり、長寿命が要求
される温度計としては、比較的早く壊れる純アルミ製の
ものは組み入れることができないという問題がある。

【０００９】この蛍光式光ファイバー温度計の改良とし
て、図５に示すように、純アルミ製のキャップ部を設け
ずに、蛍光物質51と光ファイバー56を分離して非接触と
し、分離した蛍光物質51を測温対象物20にバインダーで
固着して、この蛍光物質51と一定の距離Ｃを置いて光フ
ァイバー56を配置する温度計測方法がある。

【００１０】しかしながら、この場合に、蛍光物質51を
測温対象物20に固着するためのガラス系バインダーに含
まれているカリウム、ナトリウム等がシリコンウェハー
等の測温対象物20に浸潤して、品質を劣化するという問
題と、バインダーの耐熱温度が比較的低く（例えば、ケ
イ酸カリウムの場合は４００℃以下）、また、高温にな
ると膨張率等が影響して固着が困難になり、高温域の温
度計測ができないという問題がある。

【００１１】また、正確に温度測定するためには、蛍光
以外の外部からの光が光ファイバーに入らないように遮
光する必要があるが、この蛍光物質を塗布する方法では
別にこの遮光手段を設ける必要がある。本発明は、上述
の問題を解決するためになされたものであり、その目的
は、半導体のシリコンウェーハー等の測温対象物の温度
を測定する場合に、測温対象物に悪影響を与えることな
く、測温時に蛍光物質と光ファイバーと間の作動距離を
一定にすることができて計測精度を向上できると共に、
光ファイバーの損傷を防止できて耐久性に優れた蛍光式
光ファイバー温度計を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
するための蛍光式光ファイバー温度計は、温度により蛍
光特性が変化する蛍光物質に光ファイバーを経由して励
起光線を当てて、前記光ファイバーを経由して戻ってく
る前記蛍光物質の蛍光光線を測定することにより、測温
対象物の温度を算出する蛍光式光ファイバー温度計であ
って、測温時に測温対象物に当接させるキャップ部を先
端部が閉じた筒状の熱伝導体で形成し、該キャップ部に
前記蛍光物質を詰めて測温部を形成すると共に、該測温
部の前記蛍光物質と前記光ファイバーの先端との間に所
定の作動距離を有して、該光ファイバーを前記測温部と
分離して設けたことを特徴とする。

【００１３】そして、更に、前記蛍光物質を前記キャッ
プ部に詰めて透明板で封入して前記測温部を形成し、該
透明板との間に所定の隙間を設けて前記光ファイバーの
先端を配置して形成する。また、前記測温部を移動可能
に保持して、測温時に前記測温部の前記キャップ部の先
端部を測温対象物に弾力性を持って当接するように構成
する。

【００１４】即ち、測温部をスプリングなどの弾性体で
支持して、測温部を案内孔に挿入して移動可能に保持し
て、測温時には、測温対象物に押圧されて移動するが、
スプリングの付勢力により、弾力性を持ってこの測温対
象物に当接するように構成する。また、前記透明板を前
記キャップ部に圧入した筒状の蓋押さえで保持すると共
に、前記光ファイバーを前記蓋押さえの筒内に非接触で
挿入した状態にして形成するか、或いは、前記透明板を
前記キャップ部に螺合した円筒状の蓋押さえで保持する
と共に、前記光ファイバーを前記蓋押さえの円筒内に非
接触で挿入した状態にして形成する。

【００１５】これらの構成により、計測時には、測温部
を測温対象物に当接でき、しかも、光ファイバーと蛍光
物質、透明板との間に所定の作動距離、所定の隙間を設
け、また、蓋押さえとは非接触に配置しており、光ファ
イバーを測温対象物に当接する部分とは分離して配置し
ているので、光ファイバーの先端は、他の部品に当接す
ることがなくなり、測温対象物に測温部を当接させる際
の衝撃を受けることがなくなり、光ファイバーの破損が
防止される。

【００１６】しかも測定時には常に一定の作動距離をお
いて、光ファイバーと蛍光物質を対向させることができ
るので、この作動距離の変化によって発生する計測誤差
を無くすことができ、計測精度を向上できる。この蛍光
物質と光ファイバーの先端との所定の作動距離とは、蛍
光物質と光ファイバー間で光線の移動が円滑に行え、外
部の光に邪魔されず、良好な温度計測が行える距離であ
り、また、据え付けが簡単で、多少強くキャップ部に測
温対象物が当接してキャップ部が光ファイバー側へ移動
したりや振動したりしても光ファイバーの先端に隙間を
確保できる距離であり、測定時の距離で２ｍｍ以下であ
る。この作動距離を設けることにより、据え付け精度を
簡単に維持でき据え付け時の調節作業が不要となる。

【００１７】そして、このキャップ部に使用する材料
は、高温の金属材料やシリコンウェハー等に悪影響を及
ぼすことが非常に少なく、また、熱伝導性のよい、チタ
ンやタングステンを使用し、また、前記透明板を石英ガ
ラスで形成する。即ち、チタン製やタングステン製の熱
伝導の良い金属で形成したキャップ部に蛍光物質をつめ
て、石英ガラス製の透明板で蓋をして、更にチタン製の
パイプを圧入又は螺合してこの透明板を押さえて、蛍光
物質をキャップ部と透明板の間に封入して保持する。

【００１８】この構成により、蛍光物質を粉末状のまま
保持できるので、バインダーを混ぜて固める必要がなく
耐高温性に劣るバインダーが不要になり、高温域でも計
測可能となる。さらに、測温部が劣化したり、破損や故
障した時には、この測温部のみを交換でき、また、測定
温度帯域が変化した時に、その温度帯域に相応しい蛍光
物質を挿入した測温部と入れ換えることにより、容易に
対応できる。

【００１９】この蛍光式光ファイバー温度計は、測温対
象物を圧延中の金属や半導体製品用のシリコンウェハー
として説明しているが、他の測温対象物にも使用するこ
とができ、特に対象を限定するものではない。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明に係
る蛍光式光ファイバー温度計について説明する。本発明
の蛍光式光ファイバー温度計は、図１及び図２に示すよ
うに、チタンやタングステンなどの金属の熱伝導体を材
料として、先端側を平面形状にして閉止した筒状のキャ
ップ部２に、粉末状の蛍光物質３を詰めて、石英ガラス
の透明板４で蓋をし、更に、筒状の蓋押さえ５をキャッ
プ部２に圧入嵌合して、透明板４を押さえて測温部10を
形成する。

【００２１】そして、この測温部10を基部30の設置孔31
に挿入して移動可能に保持し、弾性体であるスプリング
７をこの測温部10と基部30に螺合するスプリング押さえ
32との間に配設して、このスプリング７により測温部10
を測温対象物20側に付勢し、弾力性を持って測温部10の
キャップ部２の先端を測温対象物20に当接する構造とす
る。

【００２２】このスプリング押さえ32には、貫通孔32ｈ
が設けられており、光ファイバー６はこの貫通孔32ｈと
蓋押さえ５の貫通孔５ｈとを挿通して、光ファイバー６
の先端部６ａが測温部10の透明板４に近接して所定の隙
間ｄだけ離間するように、基部30側に固定具33により固
定される。この固定具33に光ファイバーの位置調整手段
34を設ける。この位置調整手段34は、固定具33にネジ孔
を設けて、このネジ孔に先端が平坦乃至丸みを帯びた形
状のボルトを螺合させて、このボルトの進出量を微調整
することにより、光ファイバーの取付け位置を変化さ
せ、固定ボルト35により固定する。勿論別の位置調整手
段と固定手段を用いることもできる。

【００２３】また、図３に示す他の実施の形態のよう
に、測温部10Ａの円筒状の蓋押さえ５Ａを、キャップ部
２Ａに螺合して透明板４を押さえることもでき、更に、
スプリング７Ａをキャップ部２Ａでなく、蓋押さえ５Ａ
で保持する構成にすることもできる。

【００２４】以上の構成の蛍光式光ファイバー温度計を
使用して、測温対象物20の温度を計測する時には、測温
対象物10を基部30上に載せる。この時、測温部10、10Ａ
はスプリング７、７Ａの付勢力により測温対象物20側に
当接しながら、測温対象物20により基部30の表面まで下
げられて、光ファイバー先端部６ａと蛍光物質３との作
動距離Ｄは予め設定された一定の値となる。

【００２５】この時、測温対象物20に当接するキャップ
部２は熱伝導の良い物質で作られ、また、小型に形成さ
れているので、多少時間遅れはあるが、キャップ部２は
測温対象物20と同じ温度になり、蛍光物質３も同じ温度
となる。そして、測定用の励起光線Ｌ１を光ファイバー
６を経由して蛍光物質３に照射し、蛍光物質３からの蛍
光光線Ｌ２を同じ光ファイバー６を経由して受光して、
この受光した光を分析することにより、蛍光物質３の温
度を算定し、測温対象物20の温度とする。この算定方法
としては、パルス状の励起光線Ｌ１に対する蛍光光線Ｌ
２の減衰特性（減衰係数）を測定し、予め実験等で求め
たこの減衰特性と温度との関係から蛍光物質３の温度を
算定する方法を用いるが、他の算定方法をもちいてもよ
い。

【００２６】この時、測温部10はスプリング７によって
支持され、測温対象物20に当接及び押圧されるが、光フ
ァイバー６は基部30に固定されており、しかも、光ファ
イバー６の先端６ａは透明板４との間に一定の隙間ｄを
常に有して、当接することがないので、光ファイバー６
が破損する恐れは無い。以上の構成の蛍光式光ファイバ
ー温度計によれば、光ファイバー６の先端６ａを、測温
部10、10Ａから分離しているので、光ファイバー６の破
損を防止でき、しかも、常に測定時には、スプリング７
の付勢力で測温部（キャップ部）10、10Ａの接触面を測
温対象物10に押圧して、常に、蛍光物質３から２ｍｍ以
下程度の一定の作動距離Ｄに位置決めすることができる
ので、計測精度を向上することができ、再現性のよい計
測温度を得ることができる。また、据え付け精度が簡単
に保持でき、光ファイバー６の位置決め作業が不要とな
る。

【００２７】また、チタン製やタングステン製の熱伝導
のよい金属で形成したキャップ部２に蛍光物質３をつめ
て、透明板４で蓋をしているので、蛍光物質３を粉末状
のまま保持することができる。そのため、蛍光物質３を
バインダーを混ぜて固める必要がなく、バインダーが不
要になるので、バインダーの耐熱温度以上の高温範囲で
も測定可能となる。

【００２８】そして、測温部10のキャップ部２の大きさ
は、例えば、蛍光物質３を保持する部分の外径が３ｍｍ
で、キャップ部２の長さ６ｍｍ、蓋押さえ５、５Ａを入
れた長さでも１０ｍｍ程度に小型に形成される。この小
型化により使用材料を少なくできるために、高価である
が、耐熱性に優れ、しかも、圧延中の金属や半導体のシ
リコン材料等に悪影響を及ぼさないチタン等の材料を使
用できるので、耐熱性に優れ、壊れ難く耐久性に富む測
温部10を形成できる。

【００２９】また、小型化により、熱容量が小さくなる
ので、応答性も良くなり、測温部10の蛍光物質３が劣化
時に簡単に交換できる。また、更に、スプリング７を熱
伝導性の悪いセラミックスで代替すると、キャップ部の
鍔部から熱伝導で逃げる熱量を少なくすることができ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明のように、本発明の蛍光式光
ファイバー温度計によれば、次のような効果を奏するこ
とができる。光ファイバーの先端を、測温部の蛍光物質
から所定の作動距離だけ離間しているので、常に光ファ
イバーの先端の位置を蛍光物質から一定の作動距離にし
て配置することができるので、計測精度が向上し再現性
のよい温度計測ができ、また、測温対象物に繰り返し当
接する測温部から光ファイバーを分離して配置している
ので、測温部が受ける当接時の衝撃を光ファイバーが伝
達されることが無くなり、光ファイバーの破損を防止で
きる。。

【００３１】また、測温部を独立して形成したので、測
温部が劣化したり、破損や故障した時には、この測温部
のみを交換することができ、また、測定温度帯域が変化
した時には、その温度帯域に相応しい蛍光物質を挿入し
た別の測温部と入れ換えることにより、容易に対応でき
る。そして、チタン製やタングステン製等の熱伝導のよ
い金属で小型に形成したキャップ部に蛍光物質をつめ
て、石英ガラス等の透明板で蓋をした構成により、蛍光
物質を粉末状のまま保持することができるので、蛍光物
質を固めるためのバインダーが不要になり、バインダー
の耐熱温度以上の高温範囲でも測定可能となる。

【００３２】また、光ファイバーと蛍光物質を封入して
いる透明板との間に所定の隙間を設けているので、測定
時に測温対象物に測温部を当接したときでも、光ファイ
バーの先端が透明板に接触することがないので、光ファ
イバーの破損を防止できる。そして、測温部を移動可能
に保持して、測温時にはスプリングなどの弾性体の付勢
力で測温部の接触面を測温対象物に弾力的に押圧及び当
接するので、熱移動を円滑にして蛍光物質の温度を測温
対象物と迅速に同じにでき、しかも、蛍光物質と光ファ
イバーの先端との作動距離を測温時に所定の一定値にす
ることができる。

【００３３】また、測温部のキャップ部は小型にするこ
とができるので、チタン等高価であるが、耐熱性に優
れ、圧延中の高純度の金属材料や半導体のシリコン材料
等の測温対象物に悪影響を及ぼさない材料を使用できる
ので、耐熱性に優れ、耐久性の良い測温部を形成でき、
また、小型化により、熱容量を小さくでき、応答性も向
上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る蛍光式光ファイバー温度計を示す
断面図である。

【図２】図１の蛍光式光ファイバー温度計の、測温対象
物と接触しない状態を示す断面を含む斜視図である。

【図３】本発明に係る他の実施の形態の蛍光式光ファイ
バー温度計を示す側断面図である。

【図４】従来技術の蛍光式光ファイバー温度計を示す側
断面図である。

【図５】改良技術の蛍光式光ファイバー温度計を示す側
断面図である。

【符号の説明】

１蛍光式光ファイバー温度計２、２Ａキャップ
部３蛍光物質（粉末状）４蓋５、５Ａ蓋押さえ５ｈ、32ｈ貫通孔６光ファイバー６ａ光ファイバー
の先端７、７Ａスプリング 10 測温部 11 保護カバー 20 測温対象物 30 基部 31 設置孔 32 スプリング押さえ 33 光ファイバー固
定具 34 位置調整手段 35 固定ボルト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度により蛍光特性が変化する蛍光物質
に光ファイバーを経由して励起光線を当てて、前記光フ
ァイバーを経由して戻ってくる前記蛍光物質の蛍光光線
を測定することにより、測温対象物の温度を算出する蛍
光式光ファイバー温度計であって、測温時に測温対象物
に当接させるキャップ部を先端部が閉じた筒状の熱伝導
体で形成し、該キャップ部に前記蛍光物質を詰めて測温
部を形成すると共に、該測温部の前記蛍光物質と前記光
ファイバーの先端との間に所定の作動距離を有して、該
光ファイバーを前記測温部と分離して設けたことを特徴
とする蛍光式光ファイバー温度計。
【請求項２】前記蛍光物質を前記キャップ部に詰めて
透明板で封入して前記測温部を形成し、該透明板との間
に所定の隙間を設けて前記光ファイバーの先端を配置し
たことを特徴とする前記請求項１記載の蛍光式光ファイ
バー温度計。
【請求項３】前記測温部を移動可能に保持して、測温
時に前記測温部の前記キャップ部の先端部を測温対象物
に弾力性を持って当接する請求項１又は２記載の蛍光式
光ファイバー温度計。
【請求項４】前記透明板を前記キャップ部に圧入嵌合
又は螺合した筒状の蓋押さえで保持すると共に、前記光
ファイバーを前記蓋押さえの筒内に非接触で挿入した請
求項１〜３のいずれかに記載の蛍光式光ファイバー温度
計。