JP4345870B2 - 蛍光式光ファイバー温度計 - Google Patents

Description

【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Ｌ２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、該光ファイバーを測温対象物に当接する前記測温部と分離配置し、該測温部を独立して形成しており、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、更に、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ことを特徴としている。
【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Ｌ２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 (2)

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、該光ファイバーを測温対象物に当接する前記測温部と分離配置し、該測温部を独立して形成しており、
   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、
   更に、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蛍光式光ファイバー温度計。
2. 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記載の蛍光式光ファイバー温度計。

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