JP2803218B2 - 非接触温度計 - Google Patents
非接触温度計Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は被測定体に接触することなくその温度を測定
する温度計に関し、例えば製膜装置の基板温度をモニタ
する等に適した非接触温度計に関する。
する温度計に関し、例えば製膜装置の基板温度をモニタ
する等に適した非接触温度計に関する。
＜従来の技術＞ 製膜装置の真空チャンバ内の基板温度等を非接触で測
定するには、一般に被測定体の熱放射輝度、つまり放射
光強度から温度を求めるが、その手法として、従来、被
測定体の放射率をマニュアルで設定して放射光強度を温
度に換算する方法と、２波長の光を用いて被測定体の放
射率をキャンセルして温度を求める、いわゆる２色温度
計による方法とがある（例えばSubstrate temperature
monitoring in plasma assisted processes,Vacuucm vo
l.36 number1−3 page61−65 1986）。
定するには、一般に被測定体の熱放射輝度、つまり放射
光強度から温度を求めるが、その手法として、従来、被
測定体の放射率をマニュアルで設定して放射光強度を温
度に換算する方法と、２波長の光を用いて被測定体の放
射率をキャンセルして温度を求める、いわゆる２色温度
計による方法とがある（例えばSubstrate temperature
monitoring in plasma assisted processes,Vacuucm vo
l.36 number1−3 page61−65 1986）。
＜発明が解決しようとする課題＞ ところで、放射率は物質によって異なり、また、同一
物質であってもその表面状態や温度によって放射率は変
化するため、従来の手法のうち、放射率をマニュアルで
設定する方法では誤差が大き過ぎる。
物質であってもその表面状態や温度によって放射率は変
化するため、従来の手法のうち、放射率をマニュアルで
設定する方法では誤差が大き過ぎる。
一方、２色温度計の場合は、放射率をマニュアル設定
する方法にくらべて誤差はかなり少なくなるものの、そ
の原理上、２波長それぞれの放射率を等しいと仮定して
いるところに誤差が生じる可能性がある。
する方法にくらべて誤差はかなり少なくなるものの、そ
の原理上、２波長それぞれの放射率を等しいと仮定して
いるところに誤差が生じる可能性がある。
この発明の目的は、誤差がきわめて少ない非接触温度
計を提供することにある。
計を提供することにある。
＜課題を解決するための手段＞ 上記の目的を達成するための構成を、実施例に対応す
る第１図を参照しつつ説明すると、本発明は、所定波長
の単色光源１と、その波長の光強度を検出する検出器
（光学フィルタ2aおよび光検出器２）と、その検出器へ
の入射光を、被測定体Ｗの放射光Le単独の状態、単色光
源１の射出光L0と被測定体放射光Leの合計の状態、およ
び、射出光L0の被測定体による反射光Lrと放射光Leの合
計の状態の少なくとも３状態に切り換える光学系（第1,
第２のチョッパ3,10、ビームスプリッタ６等）と、検出
器２の出力を入力して、射出光L0と放射光Leの合計強度
と放射光Le単独の強度、および、反射光Lrと放射光Leの
合計強度と放射光Le単独の強度から、それぞれ射出光L0
の強度および反射光Lrの強度を求めて被測定体の吸収率
を算出し、かつ、その算出結果と放射光Leの強度から被
測定体の温度を算出する演算手段（マイクロコンピュー
タ13）を備えたことによって特徴付けられる。
る第１図を参照しつつ説明すると、本発明は、所定波長
の単色光源１と、その波長の光強度を検出する検出器
（光学フィルタ2aおよび光検出器２）と、その検出器へ
の入射光を、被測定体Ｗの放射光Le単独の状態、単色光
源１の射出光L0と被測定体放射光Leの合計の状態、およ
び、射出光L0の被測定体による反射光Lrと放射光Leの合
計の状態の少なくとも３状態に切り換える光学系（第1,
第２のチョッパ3,10、ビームスプリッタ６等）と、検出
器２の出力を入力して、射出光L0と放射光Leの合計強度
と放射光Le単独の強度、および、反射光Lrと放射光Leの
合計強度と放射光Le単独の強度から、それぞれ射出光L0
の強度および反射光Lrの強度を求めて被測定体の吸収率
を算出し、かつ、その算出結果と放射光Leの強度から被
測定体の温度を算出する演算手段（マイクロコンピュー
タ13）を備えたことによって特徴付けられる。
＜作用＞ 本発明は熱平衡状態の物体の放射率と吸収率が物理的
に等しいことを利用して、単色の参照光を被測定物体に
照射してその吸収率を測定することによって、その物体
のその波長での放射率を得るとともに、被測定物体から
の放射光のうち、参照光と同一の波長の光の強度を測定
することにより、誤差の無い温度測定結果を得ようとす
るものである。
に等しいことを利用して、単色の参照光を被測定物体に
照射してその吸収率を測定することによって、その物体
のその波長での放射率を得るとともに、被測定物体から
の放射光のうち、参照光と同一の波長の光の強度を測定
することにより、誤差の無い温度測定結果を得ようとす
るものである。
すなわち、被測定体Ｗに波長λの単色参照光L0を照射
し、その参照光L0の被測定体Ｗによる反射光Lrを測定す
ると、その波長での被測定体Ｗの吸収率αλは、参照光
および反射光の強度をi0およびirとし、被測定物体Ｗの
表面が基板のように鏡面であるとすると、散乱光が０で
あるから、 αλ＝（i0−ir）/i0 ‥‥（１） となる。
し、その参照光L0の被測定体Ｗによる反射光Lrを測定す
ると、その波長での被測定体Ｗの吸収率αλは、参照光
および反射光の強度をi0およびirとし、被測定物体Ｗの
表面が基板のように鏡面であるとすると、散乱光が０で
あるから、 αλ＝（i0−ir）/i0 ‥‥（１） となる。
この吸収率αλは、後述するようにこの被測定物体Ｗ
の放射率ελと等しいので、被測定体Ｗの放射光Leの強
度ｅλを測定することによって、下記の（２）および
（３）式から被測定物体Ｗの絶対温度Ｔを算出できる。
の放射率ελと等しいので、被測定体Ｗの放射光Leの強
度ｅλを測定することによって、下記の（２）および
（３）式から被測定物体Ｗの絶対温度Ｔを算出できる。
ｅｂλ＝C1λ-5exp（−C2/λＴ） ‥‥（２） ｅλ＝ελｅｂλ ‥‥（３） ここでｅｂλは黒体の波長λの熱放射輝度、C1および
C2は定数で、ｅλは被測定体Ｗの波長λの熱放射輝度
で、ελは波長λにおける被測定体Ｗの放射率である。
C2は定数で、ｅλは被測定体Ｗの波長λの熱放射輝度
で、ελは波長λにおける被測定体Ｗの放射率である。
さて、物体が熱平衡状態にあるときにその物体の吸収
率と放射率が等しくなることは、一般にキルヒホッフの
法則として知られている。この点を簡単に説明すると、
今、放射を完全に透過する空間を隔てて相対し、十分大
きな広がりを持ち、かつ、温度が互いに等しい二つの平
面S1,S2を考える。S1を黒体とし、S2を不透明体として
その吸収率をａ、放射率をεとする。S1から発した全放
射EBのうち、EBaはS2に吸収される。残りのEB（１−
ａ）はS2からS1に反射されてS1に吸収される。
率と放射率が等しくなることは、一般にキルヒホッフの
法則として知られている。この点を簡単に説明すると、
今、放射を完全に透過する空間を隔てて相対し、十分大
きな広がりを持ち、かつ、温度が互いに等しい二つの平
面S1,S2を考える。S1を黒体とし、S2を不透明体として
その吸収率をａ、放射率をεとする。S1から発した全放
射EBのうち、EBaはS2に吸収される。残りのEB（１−
ａ）はS2からS1に反射されてS1に吸収される。
一方、S2から発する全放射はEBeであり、これもS1に
吸収される。S1とS2は同温度であり、熱的平衡にあると
すると、 EB（１−ａ）＋EBe＝EB EB（１−ａ＋ｅ）＝EB ∴ａ＝ｅ となる。
吸収される。S1とS2は同温度であり、熱的平衡にあると
すると、 EB（１−ａ）＋EBe＝EB EB（１−ａ＋ｅ）＝EB ∴ａ＝ｅ となる。
以上のことは、S1は黒体でなくても、またS1は有限面
積でS2がそれを取りまく半球面のときも成り立つ。
積でS2がそれを取りまく半球面のときも成り立つ。
＜実施例＞ 第１図は本発明実施例の構成図で、製膜装置のチャン
バ内の基板温度の測定に本発明を適用した例を示してい
る。
バ内の基板温度の測定に本発明を適用した例を示してい
る。
被測定体Ｗたる基板は、製膜装置の真空チャンバＣ内
に装着され、ヒータＨによって加熱される。
に装着され、ヒータＨによって加熱される。
真空チャンバＣの両側面には、それぞれ透明な窓w1お
よびw2が設けられており、一方の窓w1側には単色光源１
である波長1.06μｍのYAGレーザが配設され、他方の窓w
2側には光検出器２が配設されている。光検出器２の受
光面の前段には、参照光たる単色光源１の射出光の波長
のみを通過させる光学フィルタ2aが設けられている。
よびw2が設けられており、一方の窓w1側には単色光源１
である波長1.06μｍのYAGレーザが配設され、他方の窓w
2側には光検出器２が配設されている。光検出器２の受
光面の前段には、参照光たる単色光源１の射出光の波長
のみを通過させる光学フィルタ2aが設けられている。
単色光源１を出た参照光L0は、まず第１のチョッパ３
に入射する。この第１のチョッパ３はモータによって回
転駆動されるとともにその一周が３つの表面状態に分割
されており、その回転位置に応じて、単色光源１からの
参照光L0をミラー４側に反射させるか、参照光L0をその
まま透過させるか、あるいは参照光L0を吸収するかの３
状態のいずれかの状態をとる。
に入射する。この第１のチョッパ３はモータによって回
転駆動されるとともにその一周が３つの表面状態に分割
されており、その回転位置に応じて、単色光源１からの
参照光L0をミラー４側に反射させるか、参照光L0をその
まま透過させるか、あるいは参照光L0を吸収するかの３
状態のいずれかの状態をとる。
参照光L0は、ミラー４側に反射された場合には、この
ミラー４、ミラー５およびビームスプリッタ６、更には
光学フィルタ2aを介してそのままの強度で光検出器２に
入射する。
ミラー４、ミラー５およびビームスプリッタ６、更には
光学フィルタ2aを介してそのままの強度で光検出器２に
入射する。
また、第１のチョッパ３を透過した場合には、参照光
L0はミラー７によって窓w1を介して被測定体Ｗの表面に
導かれる。そして、この被測定体Ｗに導かれた参照光L0
の被測定体Ｗによる反射光Lrは、窓w2、レンズ８、ミラ
ー９を介して第２のチョッパ10に導かれる。
L0はミラー７によって窓w1を介して被測定体Ｗの表面に
導かれる。そして、この被測定体Ｗに導かれた参照光L0
の被測定体Ｗによる反射光Lrは、窓w2、レンズ８、ミラ
ー９を介して第２のチョッパ10に導かれる。
第２のチョッパ10はモータによって回転駆動され、そ
の回転位置に応じて入射光をそのまま透過させるか、あ
るいは遮断するかの２状態のうちのいずれかの状態をと
る。
の回転位置に応じて入射光をそのまま透過させるか、あ
るいは遮断するかの２状態のうちのいずれかの状態をと
る。
第２のチョッパ10を透過した反射光Lrは、ビームスプ
リッタ６、光学フィルタ2aを介して光検出器２に入射す
る。
リッタ６、光学フィルタ2aを介して光検出器２に入射す
る。
被測定体Ｗからの放射光Leのうち、窓w2を介して真空
チャンバＣ外に出たものは、レンズ８によって集光さ
れ、ミラー９によって第２のチョッパ10に導かれる。第
２のチョッパ10が入射光を透過させる状態にある場合に
は、被測定体Ｗの放射光Leはビームスプリッタ６および
光学フィルタ2aを介して光検出器２に入射することにな
り、従ってこの場合、参照光L0と同一の波長領域の放射
光強度が検出されることになる。
チャンバＣ外に出たものは、レンズ８によって集光さ
れ、ミラー９によって第２のチョッパ10に導かれる。第
２のチョッパ10が入射光を透過させる状態にある場合に
は、被測定体Ｗの放射光Leはビームスプリッタ６および
光学フィルタ2aを介して光検出器２に入射することにな
り、従ってこの場合、参照光L0と同一の波長領域の放射
光強度が検出されることになる。
光検出器２の出力はＡ−Ｄ変換器11によってデジタル
化された後、入出力インターフェース12を介してマイク
ロコンピュータ13に採り込まれる。このマイクロコンピ
ュータ13は、入出力インターフェース12を介して第１と
第２のチョッパ３と10をそれぞれ駆動するモータのドラ
イバ14に制御信号を供給する。そして、この制御信号に
より、第１と第２のチョッパ３と10は互いに同期した回
転が与えられる。また、マイクロコンピュータ13のＡ−
Ｄ変換データの採取タイミングは、各チョッパの回転位
相と同期している。
化された後、入出力インターフェース12を介してマイク
ロコンピュータ13に採り込まれる。このマイクロコンピ
ュータ13は、入出力インターフェース12を介して第１と
第２のチョッパ３と10をそれぞれ駆動するモータのドラ
イバ14に制御信号を供給する。そして、この制御信号に
より、第１と第２のチョッパ３と10は互いに同期した回
転が与えられる。また、マイクロコンピュータ13のＡ−
Ｄ変換データの採取タイミングは、各チョッパの回転位
相と同期している。
第２図は以上の本発明実施例の作用説明図で、（ａ）
および（ｂ）はそれぞれ第１および第２のチョッパ３お
よび10の回転に伴うそれぞれの状態を示すタイムチャー
トで、（ｃ）はこれらと同一の時間軸で示す光検出器２
への入射光強度を示すグラフである。
および（ｂ）はそれぞれ第１および第２のチョッパ３お
よび10の回転に伴うそれぞれの状態を示すタイムチャー
トで、（ｃ）はこれらと同一の時間軸で示す光検出器２
への入射光強度を示すグラフである。
第１のチョッパ３が入射光を吸収する状態で、かつ、
第２のチョッパ10が入射光を遮断する状態の時間領域t1
においては、光検出器２には参照光L0、反射光Lrおよび
放射光Leのいずれも入射しない。
第２のチョッパ10が入射光を遮断する状態の時間領域t1
においては、光検出器２には参照光L0、反射光Lrおよび
放射光Leのいずれも入射しない。
また、第１のチョッパ３が入射光を吸収する状態で、
かつ、第２のチョッパ10が入射光を透過させる状態の時
間領域t2においては、光検出器２には放射光Leのみが入
射する。
かつ、第２のチョッパ10が入射光を透過させる状態の時
間領域t2においては、光検出器２には放射光Leのみが入
射する。
更に、第１のチョッパ３が入射光を透過させる状態
で、かつ、第２のチョッパ10が入射光を透過させる状態
の時間領域t3においては、光検出器２には放射光Leと反
射光Lrが入射する。
で、かつ、第２のチョッパ10が入射光を透過させる状態
の時間領域t3においては、光検出器２には放射光Leと反
射光Lrが入射する。
更にまた、第１のチョッパ３が入射光をミラー４側に
反射させ、かつ、第２のチョッパ10が入射光を透過させ
る状態の時間領域t4においては、光検出器２には放射光
Leと参照光L0が入射する。
反射させ、かつ、第２のチョッパ10が入射光を透過させ
る状態の時間領域t4においては、光検出器２には放射光
Leと参照光L0が入射する。
マイクロコンピュータ13は、各チョッパ３と10の１回
転ごとに、時間領域t1,t2,t3およびt4のそれぞれで光検
出器２のデータを採り込む。従って、マイクロコンピュ
ータ13には、零点データと、この零点データを各時間領
域でのデータから減算して得られる、放射光強度データ
ｅλ、放射光と反射光の合計強度データ（ｅλ＋ir）、
放射光と参照光の合計強度データ（ｅλ＋i0）が刻々と
採取されることになる。
転ごとに、時間領域t1,t2,t3およびt4のそれぞれで光検
出器２のデータを採り込む。従って、マイクロコンピュ
ータ13には、零点データと、この零点データを各時間領
域でのデータから減算して得られる、放射光強度データ
ｅλ、放射光と反射光の合計強度データ（ｅλ＋ir）、
放射光と参照光の合計強度データ（ｅλ＋i0）が刻々と
採取されることになる。
マイクロコンピュータ13では、これらのデータを用い
て、 ir＝（ｅλ＋ir）−ｅλ i0＝（ｅλ＋i0）−ｅλ によって反射光Lrと参照光L0の強度irとi0を算出し、前
記した（１）から被測定体Ｗの1.06μｍの波長での吸収
率αλを求める。そして、この吸収率αλが被測定体Ｗ
の放射率ελと等しいことを利用して、前記（２），
（３）式から被測定体Ｗの温度Ｔを算出する。
て、 ir＝（ｅλ＋ir）−ｅλ i0＝（ｅλ＋i0）−ｅλ によって反射光Lrと参照光L0の強度irとi0を算出し、前
記した（１）から被測定体Ｗの1.06μｍの波長での吸収
率αλを求める。そして、この吸収率αλが被測定体Ｗ
の放射率ελと等しいことを利用して、前記（２），
（３）式から被測定体Ｗの温度Ｔを算出する。
なお、本発明は、各光を検出器に導く光学系について
は以上の実施例に限定されることなく、例えば被測定体
Ｗに照射されない参照光L0については、ミラーによら
ず、光ファイバを用いて光検出器２に導いてもよい。
は以上の実施例に限定されることなく、例えば被測定体
Ｗに照射されない参照光L0については、ミラーによら
ず、光ファイバを用いて光検出器２に導いてもよい。
また、レンズ８は、光学フィルタ2aの直前に置いてフ
ォーカスズームが可能なものとすることが望ましい。
ォーカスズームが可能なものとすることが望ましい。
更に、零点データについては、装置近傍の明るさが計
時的にほとんど変化しない場合には、温度測定前に零点
データを採取しておくことにより、特にチョッパの回転
ごとに採取する必要はなく、この場合、第１のチョッパ
３は入射光をミラー４側に反射させる状態と、透過させ
る状態との２状態でよく、第２図に示す時間領域t1,t2
およびt3の状態が得られればよいことになる。
時的にほとんど変化しない場合には、温度測定前に零点
データを採取しておくことにより、特にチョッパの回転
ごとに採取する必要はなく、この場合、第１のチョッパ
３は入射光をミラー４側に反射させる状態と、透過させ
る状態との２状態でよく、第２図に示す時間領域t1,t2
およびt3の状態が得られればよいことになる。
更にまた、単色光源１の出力光は極めて厳密に単色光
である必要はなく、ある程度の幅があっても良いことは
勿論である。
である必要はなく、ある程度の幅があっても良いことは
勿論である。
＜発明の効果＞ 以上説明したように、本発明によれば、熱平衡状態で
の物体の吸収率がその物体の放射率と等しいことを利用
して、１色の単色光を参照光としてその波長における物
体の吸収率、従って放射率を求め、得られた放射率と物
体のその波長での放射光強度からその物体の温度を算出
することができ、従来の放射率をマニュアル設定する方
法や、２色温度計を用いた方法よりも正確な温度を刻々
と得ることができる。
の物体の吸収率がその物体の放射率と等しいことを利用
して、１色の単色光を参照光としてその波長における物
体の吸収率、従って放射率を求め、得られた放射率と物
体のその波長での放射光強度からその物体の温度を算出
することができ、従来の放射率をマニュアル設定する方
法や、２色温度計を用いた方法よりも正確な温度を刻々
と得ることができる。
しかも、本発明では、温度測定中に採取する参照光
（射出光）と放射光の合計強度と放射光単独の強度、お
よび、反射光と放射光の合計強度と放射光単独の強度か
ら、それぞれ、参照光の強度および反射光の強度を求め
て被測定体の吸収率を算出するので、単色光源からの参
照光の強度および物体からの反射射の強度に時間的な変
化が生じても、その影響が測定値に及ばない、より正確
な温度測定が可能なる。
（射出光）と放射光の合計強度と放射光単独の強度、お
よび、反射光と放射光の合計強度と放射光単独の強度か
ら、それぞれ、参照光の強度および反射光の強度を求め
て被測定体の吸収率を算出するので、単色光源からの参
照光の強度および物体からの反射射の強度に時間的な変
化が生じても、その影響が測定値に及ばない、より正確
な温度測定が可能なる。
第１図は本発明実施例の構成図、第２図はその作用説明
図である。 １……単色光源 ２……光検出器 2a……光学フィルタ ３……第１のチョッパ 4,5,7,9……ミラー ６……ビームスプリッタ ８……レンズ 10……第２のチョッパ 11……Ａ−Ｄ変換器 13……マイクロコンピュータ Ｃ……真空チャンバ w1,w2……窓 L0……参照光 Lr……反射光 Le……放射光
図である。 １……単色光源 ２……光検出器 2a……光学フィルタ ３……第１のチョッパ 4,5,7,9……ミラー ６……ビームスプリッタ ８……レンズ 10……第２のチョッパ 11……Ａ−Ｄ変換器 13……マイクロコンピュータ Ｃ……真空チャンバ w1,w2……窓 L0……参照光 Lr……反射光 Le……放射光
Claims (1)
- 【請求項１】所定波長の単色光源と、その波長の光強度
を検出する検出器と、その検出器への入射光を、被測定
体の放射光単独の状態、上記単色光源の射出光と上記放
射光の合計の状態、および、上記射出光の被測定体によ
る反射光と上記放射光の合計の状態の少なくとも３状態
に切り換える光学系と、上記検出器の出力を入力して、
上記射出光と放射光の合計強度と放射光単独の強度、お
よび、上記反射光と放射光の合計強度と放射光単独の強
度から、それぞれ、射出光の強度および反射光の強度を
求めて被測定体の吸収率を算出し、かつ、その算出結果
と上記放射光の強度から被測定体の温度を算出する演算
手段を備えてなる非接触温度計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1241477A JP2803218B2 (ja) | 1989-09-18 | 1989-09-18 | 非接触温度計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1241477A JP2803218B2 (ja) | 1989-09-18 | 1989-09-18 | 非接触温度計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03103730A JPH03103730A (ja) | 1991-04-30 |
| JP2803218B2 true JP2803218B2 (ja) | 1998-09-24 |
Family
ID=17074899
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1241477A Expired - Lifetime JP2803218B2 (ja) | 1989-09-18 | 1989-09-18 | 非接触温度計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2803218B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007035609B4 (de) * | 2007-07-30 | 2021-09-16 | Ivoclar Vivadent Ag | Verfahren zur optischen Kontrolle des Verlaufs von einem auf einer Oberfläche eines Körpers erfolgenden physikalischen und/oder chemischen Prozesses |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6186621A (ja) * | 1984-10-04 | 1986-05-02 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 放射率と温度の同時測定方法及びその装置 |
-
1989
- 1989-09-18 JP JP1241477A patent/JP2803218B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03103730A (ja) | 1991-04-30 |
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