JP7137925B2

JP7137925B2 - 放射温度計

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Publication number: JP7137925B2
Application number: JP2017235693A
Authority: JP
Inventors: 翔藤野; 直博大須賀
Original assignee: Horiba Advanced Techno Co Ltd
Current assignee: Horiba Advanced Techno Co Ltd
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2022-09-15
Anticipated expiration: 2037-12-08
Also published as: KR102651676B1; US20190178719A1; KR20190068425A; JP2019100987A; US11150138B2

Description

本発明は、放射温度計に関するものである。

放射温度計は、特許文献１に示すように、測定対象から放出された赤外線を赤外線検出素子によって検出することで、その検出強度に基づいて測定対象の温度を測定できるように構成されている。

上述した構成において、例えば測定対象の膜厚が薄い場合など、測定対象の放射温度計とは反対側にある部材から放出されている赤外線が測定対象を透過してしまうと、その赤外線が検出されて測定誤差が生じる。

そこで、測定対象を透過する透過波長帯の赤外線をカットする赤外線フィルタを用いて、測定対象から放出される赤外線のうち、測定対象を透過しない波長帯の赤外線を赤外線検出素子に導くとともに、測定対象を透過する波長帯の赤外線をカットすることで、上述した測定誤差の低減を図れる。

しかしながら、上述した方法では、測定対象を透過しない波長帯が狭い場合、赤外線検出素子に導かれる赤外線の光量が減少してしまい、検出強度が大幅に低下してしまう。
検出感度を向上させるために、大きいレンズを用いて赤外線検出素子に導く光量を増やす方法も考えられるが、この場合は放射温度計のサイズが大きくなり、例えば半導体製造プロセス等における放射温度計の大きさの制約に対応できないという問題が生じる。

特許第２７５６６４８号

そこで、本願発明は、上述した問題を一挙に解決すべくなされたものであり、放射温度計のサイズを大きくすることなく、測定対象を透過しない波長帯が狭い場合であっても精度良く温度測定できるようにすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る放射温度計は、測定対象から放出された赤外線を検出する赤外線検出素子を有し、前記赤外線検出素子により検出された赤外線の強度に基づいて前記測定対象の温度を測定する放射温度計であって、前記赤外線検出素子に導かれる赤外線の光路上に設けられた複数の赤外線フィルタからなるフィルタ群をさらに有し、前記フィルタ群が、互いに重なり合わない少なくとも第１波長帯及び第２波長帯の赤外線を透過させることを特徴とするものである。

このように構成された放射温度計であれば、赤外線検出素子に導かれる赤外線の光路上に、互いに重複しない第１波長帯及び第２波長帯の赤外線を透過させるフィルタ群を設けているので、これらの波長帯の１つ１つが狭かったとしても、赤外線検出素子に導く赤外線の光量を増やすことができる。これにより、大きいレンズ等を用いることなく検出感度を向上させることができるので、放射温度計のサイズを大きくすることなく、測定対象を透過しない波長帯が狭い場合であっても精度良く温度測定することができる。

測定対象の温度を精度良く測定するためには、前記第１波長帯及び前記第２波長帯の赤外線が、前記測定対象を透過しないことが好ましい。
なお、ここでいう「透過しない」とは、全く透過しないことのみならず、放射温度計の測定精度を担保できる程度であれば僅かに透過することも含む。

前記フィルタ群の具体的な構成としては、少なくとも前記第１波長帯及び前記第２波長帯の赤外線を透過させるとともに、前記第１波長帯及び前記第２波長帯の間の波長帯の赤外線を透過させない第１赤外線フィルタと、前記第１波長帯から前記第２波長帯までの連続波長帯の赤外線を透過させるとともに、前記連続波長帯以外の波長帯の赤外線を透過させない第２赤外線フィルタとを有している構成が挙げられる。

前記第２赤外線フィルタが、前記第１赤外線フィルタよりも前記赤外線検出素子側に配置されていることが好ましい。
このような構成であれば、例えば赤外線検出素子を収容するケーシングの内壁などから、上述した連続波長帯以外の波長の赤外線が放出したとしても、この赤外線を第１赤外線フィルタによりカットして赤外線検出素子によって検出されることを防ぐことができ、測定精度のさらなる向上を図れる。

前記第１波長帯が、６．８μｍ以上７．８μｍ以下であり、前記第２波長帯が、８．６μｍ以上８．６４μｍ以下であることが好ましく、かかる放射温度計を用いてイソプロピルアルコールの温度を測定すれば、本発明の作用効果が顕著に発揮される。

このように構成した本発明によれば、放射温度計のサイズを大きくすることなく、例えばイソプロピルアルコール等といった測定対象を透過しない波長帯が狭い場合であっても精度良く温度測定することができる。

本実施形態の放射温度計の使用状態を示す模式図。同実施形態の放射温度計の構成を示す模式図。同実施形態の測定対象の放射率スペクトル。同実施形態のフィルタ群を用いた実験結果。

以下に本発明に係る放射温度計の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の放射温度計１００は、例えば半導体製造プロセスに使用される液体等の測定対象の温度測定に用いられるものであり、具体的には半導体の乾燥工程等に用いられるイソプロピルアルコール（以下、ＩＰＡという）の温度を測定するためのものである。ここでのＩＰＡは、図１に示すように、回転するウエハの表面に垂らされて例えば厚さ１００μｍ以下の薄膜状となっており、放射温度計１００は、そのセンサ部が薄膜状のＩＰＡと対向するようにウエハの上方に配置されている。なお、放射温度計１００の演算処理等を行う図示しないアンプ部は、センサ部とは別体であり、電気ケーブル等によりセンサ部と接続されている。

具体的に放射温度計１００は、図２に示すように、ケーシング１０と、ケーシング１０内に収容された赤外線検出素子２０と、赤外線検出素子２０及び測定対象の間に配置されるレンズ３０とを具備している。

ケーシング１０は、例えば筒状に形成されており、その内部の軸方向一端側に赤外線検出素子２０が配置されるとともに、軸方向他端側に赤外線検出素子２０と対向するようにレンズ３０が配置されており、赤外線検出素子２０とレンズ３０との間には１又は複数の絞り４０が設けられている。

赤外線検出素子２０は、測定対象から放出される赤外線を検出して、検出した赤外線のエネルギーに応じた強度信号を出力するものである。具体的に赤外線検出素子２０は、例えば赤外波長帯の全波長帯の赤外線を検出するものであり、ここではサーモパイルなどの熱型のものである。なお、赤外線検出素子２０としては、その他のタイプのもの、例えば、HgCdTe、InGaAs、InAsSb、PbSeなどの量子型光電素子を用いても構わない。

レンズ３０は、測定対象から放出される赤外線を赤外線検出素子２０に集光するＩＲレンズ３０であり、例えば平面視において直径１０ｍｍ～２２ｍｍ程度の略円形状をなすものである。なお、レンズ３０の形状やサイズは上記のものに限らず適宜変更して構わない。

ここで、ある波長の光が物体に当たった時、反射率、透過率、及び吸収率の和は１であり、キルヒホッフの法則によると吸収率は放射率と等しい。アルコールは、分子構造起因の振動モードを有し、各々の振動モードは赤外線を多く吸収する固有の波長帯、言い換えれば放射率の高い固有の波長帯を持つ。ＩＰＡは、振動モードとして対称ＣＨ３変角振動や２級アルコールのＣ－ＯＨ伸縮振動を有しており、これらの振動に起因してＩＰＡの放射率スペクトルには、図３に示すように、放射率が高い波長帯、言い換えればＩＰＡを透過しない波長帯（以下、非透過波長帯という）が存在している。本実施形態のＩＰＡは、互いに重なり合わない少なくとも２つの非透過波長帯（以下、第１非透過波長帯Ｚ１及び第２非透過波長帯Ｚ２という）を有しており、第１非透過波長帯及び第２非透過波長帯は非連続な波長帯である。なお、非透過波長帯の赤外線は、フィルタ群５０を全く透過しないことが好ましいが、放射温度計１００の測定精度を担保できる程度であれば僅かに透過しても構わない。

然して、本実施形態の放射温度計１００は、図２に示すように、赤外線検出素子２０とレンズ３０との間に介在する複数の赤外線フィルタからなるフィルタ群５０を備えており、このフィルタ群５０が、上述した第１非透過波長帯Ｚ１及び第２非透過波長帯Ｚ２の赤外線を透過させるように構成されている。

より具体的に説明すると、本実施形態のフィルタ群５０は、透過波長帯が互いに異なる第１赤外線フィルタ５１及び第２赤外線フィルタ５２からなり、第１非透過波長帯Ｚ１である６．８μｍ以上７．８μｍ以下の赤外線及び第２非透過波長帯Ｚ２である８．６μｍ以上８．６４μｍ以下の赤外線を透過させるものである。

本実施形態では、第１赤外線フィルタ５１は、例えばケーシング１０内の絞り４０に支持されており、第２赤外線フィルタ５２よりもサイズの大きいものである。
一方、第２赤外線フィルタ５２は、第１赤外線フィルタ５１よりも赤外線検出素子２０側に配置されており、ここでは赤外線検出素子２０に近接配置されている。

第１赤外線フィルタ５１は、少なくとも第１非透過波長帯Ｚ１及び第２非透過波長帯Ｚ２の赤外線を透過させるとともに、第１非透過波長帯Ｚ１及び第２非透過波長帯Ｚ２の間の波長帯の赤外線を透過させないものである。
具体的にこの第１赤外線フィルタ５１は、第１非透過波長帯Ｚ１である６．８μｍ以上７．８μｍ以下の赤外線、及び、第２非透過波長帯Ｚ２である８．６μｍ以上８．６４μｍ以下の赤外線を透過させるとともに、７．８μｍよりも長く８．６μｍよりも短い波長の赤外線は透過させないものであり、バンドストップフィルタと称されるものである。なお、この第１赤外線フィルタ５１は、第１非透過波長帯Ｚ１よりも短い波長（６．８μｍよりも短い波長）や第２非透過波長帯Ｚ２よりも長い波長（８．６４μｍよりも長い波長）であっても透過させる波長を持つ。

第２赤外線フィルタ５２は、第１非透過波長帯Ｚ１から第２非透過波長帯Ｚ２までの連続波長帯の赤外線を透過させるとともに、連続波長帯以外の波長帯の赤外線を透過させないものである。ここでの連続波長帯は、第１非透過波長帯Ｚ１の最も短い波長から第２非透過波長帯Ｚ２の最も長い波長までの波長帯であり、第１非透過波長帯Ｚ１及び第２非透過波長帯Ｚ２の全波長帯を含んでいるが、第１非透過波長帯Ｚ１の短波長側の一部や第２非透過波長帯Ｚ２の長波長側の一部が含まれていなくても良い。
具体的にこの第２赤外線フィルタ５２は、連続波長帯である６．８μｍ以上８．６４μｍ以下の赤外線を透過させるとともに、それ以外の波長帯の赤外線を透過させない赤外線フィルタであり、ブロードバンドストップフィルタと称されるものである。

そして、第１赤外線フィルタ５１及び第２赤外線フィルタ５２を重ね合わせることにより、本実施形態のフィルタ群５０は、６．８μｍ以上７．８μｍ以下の赤外線及び８．６μｍ以上８．６４μｍ以下の赤外線のみを透過させて、それ以外の波長帯の赤外線（すなわち、第１非透過波長帯Ｚ１及び第２非透過波長帯Ｚ２以外の赤外線）を透過させないものとなる。このフィルタ群５０を赤外線検出素子２０に導かれる赤外線の光路上に設けることにより、赤外線検出素子２０では、６．８μｍ以上７．８μｍ以下の赤外線及び８．６μｍ以上８．６４μｍ以下の赤外線のみが検出される。

このように構成された本実施形態に係る放射温度計１００によれば、第１赤外線フィルタ５１及び第２赤外線フィルタ５２によって、６．８μｍ以上７．８μｍ以下の赤外線及び８．６μｍ以上８．６４μｍ以下の赤外線のみを赤外線検出素子２０に導くことができるので、ＩＰＡを透過しない非透過波長帯の赤外線を検出することによってＩＰＡの温度を測定することができる。これにより、例えばＩＰＡの放射温度計１００とは反対側にある部材から放出されてＩＰＡを透過する赤外線は、フィルタ群５０によってカットされるので、測定誤差を低減することができる。

さらに、第１非透過波長帯Ｚ１と第２非透過波長帯Ｚ２との両方の波長帯を利用しているので、何れか一方の非透過波長帯のみを利用している場合に比べて、赤外線検出素子２０に導く赤外線の光量（入射エネルギー）を増やすことができる。図４は本実施形態のフィルタ群５０を用いて第１非透過波長帯Ｚ１及び第２非透過波長帯Ｚ２の赤外線を検出した場合Ａと、第２非透過波長帯Ｚ２の赤外線を検出した場合Ｂとを比較した実験結果を示している。この実験結果から分かるように、本実施形態のフィルタ群５０を用いた場合Ａの方が、第２非透過波長帯Ｚ２の赤外線を検出した場合Ｂに比べて、赤外線の光量（入射エネルギー）が低温域では約２．３倍、高温域では約３．０倍となっている。これにより、大きいレンズ３０等を用いることなく検出感度を向上させることができるので、放射温度計１００のサイズを大きくすることなく、例えば半導体製造プロセス等のように放射温度計の大きさに制約がある場合であっても、ＩＰＡの温度を精度良く測定することができる。

また、第２赤外線フィルタ５２を赤外線検出素子２０に近接配置しているので、例えばケーシング１０の内壁などから６．８μｍより短い波長の赤外線や８．６４μｍよりも長い波長の赤外線が放出されたとしても、これらの赤外線を第２赤外線フィルタ５２によりカットすることができ、測定精度のさらなる向上を図れる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態のフィルタ群５０は、第１非透過波長帯Ｚ１及び第２非透過波長帯Ｚ２の赤外線のみを透過させるように構成されていたが、第１非透過波長帯Ｚ１及び第２非透過波長帯Ｚ２とは別の第３非透過波長帯の赤外線をさらに透過させるように構成されていても良い。

また、本発明に係る放射温度計１００は、ＩＰＡの温度測定のみならず、例えば対称ＣＨ３変角振動や２級アルコールのＣ－ＯＨ伸縮振動を振動モードとして有する別のアルコール等、測定対象は前記実施形態に限定されるものではない。

さらに、前記実施形態のフィルタ群５０は、２枚の赤外線フィルタから構成されていたが、３枚以上の赤外線フィルタから構成されていても良い。

加えて、第１赤外線フィルタ５１及び第２赤外線フィルタ５２の配置は前記実施形態に限らず、第１赤外線フィルタ５２が、第２赤外線フィルタよりも赤外線検出素子２０側に配置されていても良い。

さらに加えて、フィルタ群５０は、互いに重なり合わない少なくとも第１波長帯及び第２波長帯の赤外線を透過させることができれば、１枚の赤外線フィルタであっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・放射温度計
１０・・・ケーシング
２０・・・赤外線検出素子
３０・・・レンズ
５０・・・フィルタ群
５１・・・第１赤外線フィルタ
５２・・・第２赤外線フィルタ
Ｚ１・・・第１非透過波長帯
Ｚ２・・・第２非透過波長帯

Claims

イソプロピルアルコールから放出された赤外線を検出する赤外線検出素子を有し、前記赤外線検出素子により検出された赤外線の強度に基づいて前記イソプロピルアルコールの温度を測定する放射温度計であって、
前記赤外線検出素子に導かれる赤外線の光路上において互いに重なり合わされた状態で設けられた複数の赤外線フィルタからなるフィルタ群をさらに有し、
前記フィルタ群が、互いに重なり合わない少なくとも第１波長帯及び第２波長帯の赤外線を透過させるものであり、
前記赤外線検出素子が、熱型のものであり、
前記フィルタ群が、
少なくとも前記第１波長帯及び前記第２波長帯の赤外線を透過させるとともに、前記第１波長帯及び前記第２波長帯の間の波長帯の赤外線を透過させない第１赤外線フィルタと、
前記第１波長帯から前記第２波長帯までの連続波長帯の赤外線を透過させるとともに、前記連続波長帯以外の波長帯の赤外線を透過させない第２赤外線フィルタとを有しており、
前記第１波長帯が、６．８μｍ以上７．８μｍ以下であり、
前記第２波長帯が、８．６μｍ以上８．６４μｍ以下であることを特徴とする放射温度計。
前記第１波長帯及び前記第２波長帯の赤外線が、前記イソプロピルアルコールを透過しない請求項１記載の放射温度計。
前記第２赤外線フィルタが、前記第１赤外線フィルタよりも前記赤外線検出素子側に配置されている請求項１又は２記載の放射温度計。