JPH10506714A

JPH10506714A - 自動利得制御を含み対象物表面からの赤外線放射により対象物の温度を測定する電気光学的基盤組立体

Info

Publication number: JPH10506714A
Application number: JP8511939A
Authority: JP
Inventors: アール、エム．ジェンセン、
Original assignee: Luxtron Corp
Current assignee: Luxtron Corp
Priority date: 1994-09-26
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 1998-06-30
Also published as: EP0783672B1; DE69527362D1; US5897610A; US5717608A; EP0783672A1; KR100347727B1; KR970705742A; WO1996010164A1; DE69527362T2

Abstract

(57)【要約】自動利得制御技術により、制御された時間内に入力アナログ信号のサンプルが積分されるので、前記サンプルの大きさは、ＡＤ変換器または他の信号処理装置の好ましい入力の窓内に存在する。前記サンプルの値は前記信号処理装置の出力とそれらの積分の時間の組み合わせにより決定される。これは、赤外線放射のレベルを測定することによって、無接触で対象物の表面の温度を決定するシステムに利用できる。このシステムの特種な応用は、集積回路を製造する加工室内で半導体ウェーハの温度の測定である。前記計測システムは一つのプリント回路基盤と冷却ユニットが設けられる余分な高さをもつ金属のヒートシンク構造で構成される。光電検出器および信号積分を行う回路チップは冷却ユニットに設けられ、均一な温度で動作させられる。時間可変の積分と冷却技術の組合せにより、測定システムの信号対雑音の比率を増大させることができる。これにより、波長が１ミクロンより僅かに小さい波長での対象物の放射を測定することにより前記対象物の表面の温度の測定が、およそ２５０℃まで下げられ、この状態は、通常は正確に測定するためには弱すぎる信号のレベルである。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称自動利得制御を含み対象物表面からの赤外線放射により対象物の温度を測定する電気光学的基盤組立体発明の背景本発明は、一般的に、電子自動利得制御技術に関し、さらに明確に言うと、温度が測定されようとしている対象物の表面により放射される赤外線放射のレベルの測定に利用される前記技術の使用に関する。対象物表面の赤外線放射の発光強度が光電検出器で検知され、そして前記対象物表面の温度もしくは他のパラメータを決定するために測定される応用が多くある。そのような一つの応用は、温度センサとして光ファイバの末端上に形成された小さな黒体の空洞を使用することで、前記空洞からの発光は、前記光ファイバの他端にある光電検出器に伝達される。黒体のセンサが設置されている領域の温度はこのように測定される。そのようなシステムの一例は、米国特許第４，７５０，１３９号で開示されている。赤外線放射の強度レベルが、一桁以上の大きさを持って関心領域の温度範囲を超えてかなり変化するので、自動利得制御回路は、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）もしくは他の信号処理装置の望ましい入力範囲内のレベルで温度に比例するアナログ信号を維持するために、測定装置の入力面端で使用される。前記自動利得制御は、典型的に、増幅器の利得が切換抵抗回路網を介してセットされた少なくとも一つの増幅器を含むアナログ回路で形成される。熱電温度計もまた、対象物の表面に接触することなく、表面の温度を測定するために、長い間使用されてきた。前記表面からの赤外線放射は、離れている光電検出器上に映し出され、そして前記表面の温度を決定するために処理される。最近、光ファイバもしくは他の光パイプは、赤外線照射伝送および画像装置の一部として使用されている。そのような非接触で温度を測定する一つの重要な最近の応用は、集積回路の製造の分野において利用されている。半導体ウェーハ上に集積回路を形成するいくつかのステップは、反応室内で行われる。前記ウェーハの温度は、高速熱処理（ＲＴＰ）と呼ばれる一つの工程で、既定の温度プロファイルの間を急速に循環させられる。処理時間中に既定の温度プロファイルに従う必要性は、集積回路の種々の領域や構成部分を非常に小さい寸法に形成するためである。ウェーハ温度の正確な実時間測定は、このように、ＲＴＰを成功させるために非常に重要なことである。ほとんど全ての半導体処理はシリコンウェーハ上で実行される。シリコンは、約１ミクロンを超える波長をもつ放射に透明であるという特徴をもつ。それ故に、１ミクロン以下の波長でシリコンウェーハからの赤外線放射レベルを測定することが通常望ましいことである。従来、そのような技術は、約５００℃まで下げた温度のみを測定するために使用可能であった。これは、ウェーハ表面またはそのような表面からの赤外線放射が、非常に低いレベルなのは、現在の技術が正確に放射を測定出来ないからである。ＳＮ比は非常に低くなり、正確な測定をすることが非常に困難になる。それ故に、本発明の主要な目的は、さらに正確な温度測定を可能にする個々の技術および技術の組合せを提供することである。本発明の一つの特別な目的は、非常に正確に現在実行可能であるより広い範囲の温度である１ミクロン以下の発光波長をモニタすることで、半導体ウェーハの測定が可能となる個々の技術および技術の組合せを提供することである。本発明のより一般的な目的は、測定をするために使用される装置の入力面端で使用される、改善された自動利得制御技術を提供することである。本発明のさらなるより一般的な目的は、ＡＤ変換器もしくは他の信号処理装置の好ましい入力範囲よりもかなり広い範囲で変化可能なアナログ信号をディジタル化するための技術を提供することである。本発明の追加的な目的は、放射発光レベルを検知するための光および電気構成部分の改善された形態配置を提供することである。発明の要約本発明の第１の特徴は、制限された入力信号幅をもつ装置，例えばＡＤ変換器のような装置に印加される信号の強度を制御するために、放射発光を受ける光電検出器の電気信号出力の積分特性を変化させる改良された自動利得制御（ＡＧＣ）技術である。前記積分技術は、好ましくは、積分回路により発生する雑音を最小限に抑えるために、前記回路にあるかなりの抵抗量を回避して、構成要素としてコンデンサのみを使用する。光電検出器に入る放射レベルの測定は、ＡＤ出力および発生した信号の強度に応じて変化する積分特性との組合せであり、積分時間は制御されるのに好ましい特性である。この信号処理技術の前記熱電温度計の応用に加え、それはまた、前記の幅広く変化することが可能な信号を測定する必要性がある場合、どこにでも応用される。さらに、他の応用において、前記技術は、それが幅広い変化を持とうが持つまいが、アナログ信号をディジタル化するために応用される。本発明の別の特徴に関して、光電検出器および積分電子回路チップは温度が制御された室内に共に搭載されており、前記室は、一定な低温で保たれていることで、さらにそれにより発生する雑音をさらに減らすことができる。そのような室は、好ましくは、金属製のヒートシンク表面に搭載されており、前記ヒートシンクは、大量の熱を放散する領域を持つように形成され、そしてプリント回路基盤上に電子構成要素を通常直接搭載するための空間をあまり妨げずに、標準的なプリント回路基盤上に搭載される。また、赤外線信号が光ファイバにより直接光電検出器に伝わることもまた好ましいことである。自動利得制御として積分を結合したり、光電検出器および積分電子回路チップを、冷却した一定の温度に保つことにより、赤外線の放射波長が１ミクロンよりわずかに小さいもので約２５０℃に下がった温度を測定することが可能となる装置が得られる。前記測定は、高い精度でそして良いＳ／Ｎ比で実行される。かくして、この技術は、高速熱処理中に、半導体ウェーハの温度をモニタするための重要な応用を持つものである。正確な温度測定は、この技術により約２５０℃から１２００℃の範囲で得られる。追加の目的，利点，そして本発明の種々のいくつかの異なる側面の特徴は、添付図面と共に記述されている好適な実施例の以下の記載を参照することにより十分に理解されたい。図面の簡単な説明図１Ａおよび図１Ｂは、一般的に、本発明の種々の特徴が特に有用である温度測定の応用を図示している。図２は、対象物表面の温度の関数としての前記表面からの赤外線放射発光強度を示す曲線である。図３は、自動利得制御用の積分技術を利用する測定装置の入力面端部分の電子回路図である。図４Ａ〜４Ｆは、図３の回路図中に存在する個々の信号を示し、それは、図３の回路の動作のタイミング図と共に示されている。図５は、図３および４Ａ〜４Ｆに図示された電子装置の動作を示すフローチャートである。図６は、本発明の種々の特徴が利用可能である別の装置を示している。図７Ａおよび７Ｂは、図６の装置の動作を示す曲線である。図８は、図３〜５の入力面端装置を実行するためのプリント回路基盤構造を示している。図９は、図８の構造の部分として提供され部分９−９で切断され示された、温度を制御された室の断面図である。図１０は、図９の部分１０−１０で切断され示された、図８および図９の温度が制御された室の断面図である。図１１は、図８の物理的な装置配置の別の構成部分の構造を略図的に図示した光路図である。好適な実施形態の記載本発明の種々の実施例の一つの応用は、図１Ａの略図に示されている。光ファイバ１１は、前記ファイバに取り付けられている黒体の空洞１３をもつ一端に設けられている。このタイプの黒体構造の例は、米国特許第４，５７６，４８６号および米国特許出願第０７／８７４，８２９号に開示されており、その開示は、本引用例によりここに合体されている。前記黒体の空洞１３は、温度が測定される環境１５内に位置させられており、通常、熱源１７により加熱されている囲われた空間である。前記黒体の空洞１３は、このようにして、設けられた環境１５の温度まで加熱される。前記黒体１３の赤外線放射発光は、光ファイバ１１を介して前記環境１５から伝わる。前記黒体１３の温度の関数としてのスペクトルおよびこれらの発光の相対的な強度は、既知の原理から確認される。この温度に依存する赤外線放射発光は、光ファイバ１１によって測定装置１９へと伝わる。以下に記述された本発明の実施例を含むものがこの装置である。簡潔に言うと、光電検出器は、黒体の空洞１３から受けた赤外線発光を変換する。光電検出器の電気信号出力は、黒体１３の温度を示す信号を出力するために、電子的に処理される。一つの出力２１は、ディジタル式の温度測定信号をホストコンピュータ装置２３か他の利用装置へと伝える。そのようなホストコンピュータのシステムは、前記測定温度を伝達する通常の出力装置２５と、キーボード２７のような入力装置を含む。装置１９の第２の出力２９は、黒体の空洞１３の温度に比例するアナログ信号を供給する。ディジタル出力２１かアナログ出力２９のどちらかは、環境１５内の温度を簡単に示すのに加え、熱源１７もしくはその温度に応じた処理のいくつかの他のパラメータを制御するために使用される。黒体の温度測定技術の別の応用は、図１Ｂに図示されている。この場合、光ファイバの末端に黒体の空洞を取付けずに、光ファイバ１１’は、温度が決定される対象物３１の表面から直接赤外線放射を受ける。前記光ファイバ１１’の露出した末端は、対象物３１から放出された放射を集めるために働くか、もしくは前記光ファイバ１１’の末端に広い範囲の放射発光を集めるためのレンズか他の光要素（図示せず）を使用することにより補足されることが可能である。図１Ｂの技術を用いた応用例は、対象物３１が処理室３３内で処理される半導体ウェーハの場合である。その処理の部分として、前記ウェーハ３１の温度は、熱源３５により慎重に制御される。前記ウェーハ自体の温度をモニタ可能にする能力は、高度な半導体処理技術において、ますます重要になってくる。そのような処理において使用される熱源３１のタイプは、加熱ランプ，高周波源およびその他から選択される。図２を参照すると、一例の特性曲線は、赤外線放射発光の確定帯域幅の強度（Ｘ軸）と放射が測定される対象物の温度（Ｙ軸）との関係を示している。種々の商業熱電温度計は、図２のタイプの特有の曲線に対して調整され、前記タイプは、既知のプランク黒体放射特性から得られている。装置１９のような測定装置において使用されるとき、そのような曲線は、検知される赤外線放射を放出する表面の放射率を考慮に入れて調整される。図２の例の曲線にある放射レベル（Ｙ軸）が対数の目盛りであることを留意されたい。測定装置は、このように、しばしば一桁（１０倍）以上の極端に広い範囲を超えて変化する強度を持つ入力光信号を取り扱うことが可能となる。典型的な熱電温度計の温度測定装置は、測定するために検知された光信号をディジタル化し、図２の曲線上に放射レベルが示される。典型的に、そのような装置で使用されているＡＤ変換器は、測定装置の完全な温度幅を超えた、検知された光信号よりもかなり小さなものである線形入力幅を持つ。このように、自動利得制御の電気回路構成の形は、ＡＤ変換器のこの作動窓内に入力信号を保持するために使用される。これは、通常、増幅器の利得を調整するために、切換抵抗回路網を持つ増幅器を使用することにより達成される。そのような回路網を使用することにより、本質的に、電気雑音が発生する。前記および光電検知器自体により発生させられた雑音は、どのくらい低く温度がそのような装置により測定されるかということを制限してきた。光信号が低いということは、より低い温度であることで、そしてこのように、処理される光電検出器の電気信号出力は、回路内に発生した雑音に対して低いものである。それ故に、本発明は、通例の自動利得制御技術からの重要な新しい試みであり、図３の略図に示されている技術を実行することである。図３に示されている例は、２つの信号チャンネルを持つ。光電検知器４１は、光ファイバ４３から光信号を受け、そして光電検知器４５は光ファイバ４６から光信号を受ける。それぞれのライン４７および４９にある光電検知器の出力信号は、２つの全く同一の積分回路を含む商業上入手可能な集積回路チップ５１に印加される。一つのチャンネルおよび積分回路のみの構造および作動がここに記述されており、他方のチャンネルも同様のものであることを認識されたい。前記回路チップ５１の一つのチャンネルは、出力端および反転入力端との間に接続されたフィードバックコンデンサＣ１を持つ差動増幅器５３を含む。非反転入力端は接地されている。光電検出器４１の電気信号出力は、保持スイッチ５５を介して、増幅器５３の反転入力端に接続される。出力端は、選択スイッチ５７を介して、チップ５１のライン５９に出力を形成するように接続される。リセットスイッチ６１は、フィードバックコンデンサＣ１に並列に接続される。スイッチ５５，５７，そして６１のそれぞれは、回路チップ５１の外側から，例えば制御装置６９からのように、ライン６３，６５，そして６７にあるそれぞれの制御信号に応じて、導電および非導電の状態の間で動作させられる。前記回路チップ５１は、好ましくは、バー・ブラウン社の部品番号ＡＣＦ２１０１である。保持スイッチ５５が閉じられ、そしてリセットスイッチ６１および選択スイッチ５７が開くとき、光電検知器４１からライン４７に流れる電流のレベルと保持スイッチ５５が閉じる時間量に依存する大きさを持つ電荷をコンデンサＣ１に充電させるように、積分器が動作する。ライン４７に流れる電流は、光ファイバ４３を介して、光電検知器４１に入る光信号のレベルに比例する。そのステップの後、コンデンサＣ１の電荷は、保持スイッチ５５とリセットスイッチ６１が開かれている間に、選択スイッチ５７を閉じることにより、積分器チップ５１の外側にある別のコンデンサＣ２に移される。そのとき、コンデンサＣ２にある電荷は、緩衝増幅器７１により増幅され、前記増幅器７１の出力は、ＡＤ変換器７３の入力となる。ライン７５のディジタル出力は、制御装置６９へ戻され接続される。ライン７５のディジタル信号は、最初の積分サイクル中に、光電検知器４１に入る赤外線放射の強度を測定する。そのようなサンプルが獲得されると、リセットスイッチ６１がコンデンサＣ１を放電するために閉じられ、そして別の積分サイクルが始まる。検知された放射を放出した対象物の温度は、ライン７５上のディジタル信号から制御装置により決定される。前記制御装置は、フォトダイオード４１の伝達特性用に修正されてきたプランクの黒体曲線の積分を含む。これは、図２に示されているものに類似した曲線である。替わりに、そのような曲線の情報は、制御装置６９のメモリ内にあるルックアップテーブルに含められている。いずれにしても、放出する対象物の温度を確認するために、保持スイッチ５５がサンプルを獲得するためにライン６３にある制御信号により閉鎖される時間と組み合わされるとき、前記の情報により、制御装置がライン７１にある赤外線放射の強度を変換することが可能となる。前記制御装置６９は、それぞれのサンプルを獲得する間、保持スイッチ５５を閉じ、前記サンプルは、ＡＤ変換器７３への入力が、ＡＤＣが最も直線である作動の望ましい窓内であることを示すライン７５に測定信号を生じる。ライン７５にあるＡＤＣ出力信号がその入力が望ましい窓を超えていることを示すならば、制御装置６９は、保持スイッチ５５が次のサンプルを獲得しているときに閉鎖状態を維持する時間を調整する。入力信号の新しいサンプルが獲得されるたびに、制御装置６９は温度を計算しているが、多くのサンプルの数値を最初に平均し、そしてそれらを黒体曲線かルックアップテーブルに対して加えることが好ましい。測定動作に応じた種々の積分時間は、自動利得制御（ＡＧＣ）機能を提供する。しかしながら、積分時間は、制御可能な積分特性のみではない。替わりに、積分時間は、フィードバックコンデンサＣ１の数値が変化する間、固定される。変化する積分時間とコンデンサＣ１の大きさの組合せがさらに実行される。しかしながら、コンデンサＣ１を変化させる能力は、回路チップ上のかなりの空間を消費する変換コンデンサ回路網を必要とし、そしてこの理由で、好ましいものではない。時間外で異なる作動状況の下で生じる緩衝増幅器７１の利得変異を補うために、選択スイッチ５７が開かれている間、非反転入力は、スイッチ７７を介して、基準電圧源Ｖ_REF1に周期的に接続される。前記電圧Ｖ_RB _F1 は、ＡＤ変換器７３がそのような基準調整を必要とするものである。この基準電圧源に接続されているときに緩衝増幅器７１の出力で測定がなされると、その後の読取は、発生するいかなるエラーも補うために、ＡＤ変換器７３により調整される。以下に記述されるように、積分回路により、そしておそらく光電検出器により信号に導入されたオフセットを修正するために、別の補償が実行される。これらの基準とオフセットの測定のそれぞれは、次のそのような測定がなされるまでに、獲得されたデータにその後印加される修正要因を確認するために、周期的になされる。光電検出器からＡＤ変換器７３までの図３の信号通路は全く抵抗器を含んでいないということを留意されたい。これは、低レベルの信号を取り扱う際に重要になる雑音源をなくすためである。増幅器の抵抗器やフィードバックグループを切り換えることにより、入力面端の回路において増幅レベルを調整するよりも、通常は、ＡＤ変換器７３の望ましい窓内で信号レベルを調整するのに積分時間の制御がその代わりに行われる。すなわち、保持スイッチ５５が１サンプルを獲得している間閉じられる時間の長さで、緩衝増幅器７１の出力が望ましい範囲内にあるように電圧のレベルが制御される。物理的に、これらの入力面端回路においてあらゆる雑音の発生をさらに減少させるために、積分チップ５１および光電検出器４１と４５は、温度を制御された仕切り７７内に含まれる。温度制御装置は、前記仕切り７７内に冷却器７９とサーミスタ８１を含む。定電流源（図示せず）からのライン８３の電流はサーミスタ８１を通過する。前記サーミスタ８１の電圧降下は、ポテンショメータ８７により使用者によってセットされたものと差動増幅器８５により比較される。ポテンショメータは、前記仕切り７７内で維持されることが望ましい温度をセットする。前記増幅器８５の出力は、前記冷却器７９に供給される可変電流源８９を制御する。図３において略図的に示された物理的な配置は、以下の図８〜１０に記述される。図３に関して説明された集積回路の自動利得制御（ＡＧＣ）機能は図４および５を参照して行われる。図５の前記処理フローチャートのステップ９１は、周期的なオフセットの作成および参考の測定を求めている。前記オフセットの測定は期間９３（図４）で行われる。この期間に、前記選択スイッチ５７（図４Ｃ）およびリセットスイッチ６１（図４Ｂ）は閉鎖される一方、前記入力保持スイッチ５５（数字４Ａ）が開の状態となる。このようにして、前記積分増幅器５３によって発生させられたいかなる信号も、信号が印加さていないときに測定され、そのオフセットは引き続き得られたデータを訂正するために使われる。同様にして、ステップ９１（図５）の一部として、次の間隔時間９５（図４）は、緩衡増幅器７１（図３）の利得が参照されるときである。この期間、参考スイッチ７７は閉鎖された（図４Ｄ）状態にあり、スイッチ７７の唯一閉じられた状態にある。参照電圧Ｖ_REF1はＡＤ変換器７３の入力端に接続されている。前記電圧は、典型的なＡＤ変換器部品では、希望する範囲９７（図４Ｆ）で好ましく受信されてさえも、前記入力窓の正の端にあり、前記全入力窓の範囲よりもより小さい範囲である。期間９５のあと、前記オフセットと増幅器の利得参照ステップが再度実行される前に、必要な訂正要素が決定され、引き続くＮの温度測定サンプルに利用される。次のステップ９７（図５）で入力光学信号の大きさの一つのサンプルを取得し、その例は期間９９でおき、そしてさらにそのようなサイクルで異なる入力信号のレベルを持つ他の例は期間１０１（図４Ｆ）で発生する。そのようなそれぞれのサイクルにおいて、リセット期間があり、そこではリセットスイッチ６１はコンデンサＣ１（図３）を放電するために閉鎖される。引き続いて積分の期間があり、前記リセットスイッチ６１は開けられ、保持スイッチ５５は入力信号を獲得するために閉鎖される。前記積分の期間は、コンデンサＣ２に伝達される信号の大きを保つために、制御装置６９によって制御され、そしてそれが、予め定められた限度以内で、ＡＤ変換器７３に印加される。それぞれの期間９９および１０１の積分の部分の終りに、コンデンサＣ１に蓄積された電荷は、読み出しフェイスに移行され、前記選択スイッチ５７を閉じ前記リセットスイッチ６１を維持することにより、コンデンサＣ２に移される。保持スイッチ５５はそれぞれの期間９９および１０１の最終の段階でオフにされる。図４Ｅから理解できるように、図示されている例では、期間９９のほうが期間１０１よりも高い入力信号レベルにある。期間９９中の積分期間１０３（図４Ｅ）は期間１０１中の積分期間１０５より短い。これは制御装置６９（図３）による積分時間の制御により自動利得制御を提供するものである。このことは図４Ｆから理解できるように、入力される信号がかなり異なっていても期間９９および１０１の各期間、前記ＡＤ変換器７３の入力に印加される電圧は望ましい範囲９７の範囲内に保たれる。図５に戻ると、次のステップ１０７は制御装置６９によって、線７５中の前記ＡＤ変換器７３の出力が読み取られる結果となる。次のステップの１０９は、出力を望ましい入力の範囲に対応するある出力と比較し、それがその範囲の外かそうでないかを決定する。もしそうであれば、次のステップ１１１は、積分時間（図４の実施例での１０３および１０５）を増加または減少させることにより、これによりＡＤ変換器７３の入力端に印加される信号のレベルを調整する。一度その調整がなされると、処理のサイクルは新しい積分時間で他のサンプルを取得するためのステップ９７へ戻る。他方、もし測定がＡＤ変換器７３の望ましい範囲内であれば、次のステップ１１３は最後のオフセットの測定によって受信した測定を調節する。ステップ１１５で、制御装置６９により演算用の内部の温度テーブルに適用される前記ＡＤ変換器７３の出力を調整する。またそのようなルックアップテーブルまたは方程式に入力として印加されるのは、積分時間の量（図４の実施例での１０３，１０５）である。前記テーブルの出力は、ステップ１１７に示されており、制御装置６９の出力２１および２９を介して利用でき、温度の測定値を提供する。前記処理のさらなるステップ１１９として、最後に前記オフセットの測定と前記増幅器の利得参照が行われてから、ある数Ｎの測定サイクルが起こったかどうかを決定する。もしそうであれば、前記処理は前記オフセットと利得参照ステップ９１を繰り返すために経路１２１により戻る。もしそうでなければ、前記処理は経路１２３によりステップ９７に戻り、図４の期間９９および１０１に関して記述された他の測定のサイクルを実行する。図６には、図３に示された幾分異なる用途のための２重のチャンネルの装置の使用例が示されている。この図示されている例では、半導体ウェーハ３１’が処理室３３’内で加熱用のランプ３５’で加熱されている。図１Ｂに図示したシステムで説明したが、前記光ファイバの入力端１１’の一つが、前記計測装置１９へ前記ウェーハ３１’からの赤外線放射を受け取る。しかしながら、図６の応用では、光ファイバ１１’によって獲得された信号はランプ３５’のウェーハ３１によって反射された放射を含む。前記計測装置１９に前記反射された放射から温度に依存する赤外線放射を分離可能にさせるために、前記第２の入力光ファイバは、加熱用ランプそれ自体または前記ウェーハ３１’を加熱しているものと同一の形式のダミーランプからの信号を獲得する。前記ウェーハ加熱ランプ３５’は交流電流により駆動されるから、出力の強度は図７Ａに示されているように小さい脈流をもっている。図７Ａの信号は前記光ファイバ１２によって得られるものである。図７Ｂに示されている合成された信号は、前記光ファイバ１１’によって得られたものである。これら２個の信号は、図３の回路によって最初にディジタル化され、前記ディジタルサンプルは前記ウェーハ３１’の表面の温度か他の特質を得るために処理される。この方法はシェッチインガー等の米国特許第５，３１０，２６０号に記述されており、それを本願で合体しておく。計器１９内の主要回路ボード用の物理的な配置が図８に図示されている。通常のプリント基盤１２５はそれに載置された金属の殻１２７を持っている。前記殻１２７は一般的に底の面と側面が、側面１２９が閉じている以外、開いている。前記金属の殻１２７は、前記全体的な組立が通例のコンピュータシステムに挿入され、３個のプリント基盤スロットだけの空間を占有するように、厚さと前記プリント基盤１２５からの最大寸法（全体の厚さ）が決められている。前記殻１２７の頂面に取り付けられている光学組立１３１と１３３の支持構造を提供することに加えて、その主要な表面は集積回路チップおよび光電検出器のための同封物１３５のためのヒートシンクとして役立つことである。副基盤１３７は主基盤により、それから実質的に直角方向で前記殻１２７の前記端表面１２５から僅かに離れて、支持されている。副基盤１３７は前記コンデンサＣ２、緩衝増幅器７１，ＡＤ変換器７３、参照スイッチ７７および関連する部品を支持しておりそれらは１３８として示され、接続されている。２番目のチャンネルのための同様な要素は副基盤１３７にまた含まれる。前記副基盤は、容器１２７に対して、前記殻の端壁１２９に近接しかつ反対側に設けられ、前記容器室１７７を形成しその中に集積回路チップとフォトダイオードが配置されている。前記制御装置６９を形成するチップ１３９が殻１２７の下の主基盤１２５の上に載置されている。回路基盤１２５の反対の末端の上のコネクタ１４５および１４７は、図８の基盤が接続されるべきあらゆるシステムとの相互接続のために適切に選ばれる。図９および図１０を参照すると、そこには冷却ユニット１３５が示されている。その温度制御室１７７には電気的に駆動される冷却器７９が設けられ、それは金属のヒートシンク１５１に乗せられている。前記ヒートシンク１５１は前記ヒートシンク殻１２７の金属端面１２９に接触させられしっかりと付けられている。このように、冷却ユニット７９により区画７７から移された熱は殻１２７のヒートシンク１５１および壁の１２９を通る伝導による大気雰囲気に消散させられる。それぞれの光学要素１３１および１３３は、図１１に示されているように光学フィルタ１５５を含んでいる。一対のレンズ１５７および１５９、または他の適当な光学システムが、外部の光ファイバ１１の端部からの赤外線信号を内部の光ファイバ４３の端面に結像させる。フィルタ１５５の使用目的は、関連する光電検出器に通過することが許される放射の帯域幅を制限することである。シリコンウェーハの温度がモニタされる例では、波長バンドは好ましくは大変狭く，高い波長で１ミクロンに近いものである。オプションとして、各光学ユニット１３１および１３３はまた、ソレノイド１６３または他の動力によって駆動され、前記光ファイバ４３の端部を閉じる位置にもたらされるシャッタ１６１を含む。もし、すべての輻射が光ファイバ４３に入ることが妨げられると、間隔９３（図４）の間になされるオフセットの測定は、前記保持スイッチ５５が閉じ位置（オン）にあるものに変更される。このように、前記光電検出器４１は前記オフセットの測定に含まれる。シャッタ１６１は他の全の期間で、光ファイバ４３の末端から外されている。前記シャッタ１６１は前記制御装置６９からの線１６５で伝達される信号によって動作させられる。図８と９から理解できるように、内部光ファイバ４３および４６が光学ユニット１３１，１３３とそれぞれの光電検出器４５、４１間を接続している。前記それぞれの光ファイバリンクの末端はそれらの対応する光電検出器に直接つながっている。この配置は不必要な光学的信号の前記システムへの導入を妨げ、２つのチャンネルの間の漏話を防いでいる。様々な発明の特徴がその好適な実施形態に関して記述されたけれども、本発明の保護は添付の請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであると理解されたい。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】には弱すぎる信号のレベルである。

Claims

【特許請求の範囲】１．対象物からの赤外線放射の強度レベルから対象物の温度を測定する方法において：前記赤外線放射を受信するために光電検出器を位置決めすることにより、比例する電気信号を発生させるステップと、前記電気信号を周期的にそれぞれ制御可能な積分特性で積分するステップと、最適の入力信号の範囲をもつＡＤ変換器に前記積分された信号を印加するステップと、前記最適入力信号の範囲内に積分された信号を維持するために、個々の積分の前記特徴を制御するステップと、および個々の積分時間および前記ＡＤ変換器の出力の両方から対象物の温度を決定するステップとを含む対象物の温度を測定する方法。２．請求項１記載の方法において、さらに、温度に比例する信号を印加することなしに周期的にＡＤ変換器の出力を測定し、オフセット値を測定し、そしてさらに前記オフセット値は前記対象物の温度を決定するときに利用される対象物の温度を測定する方法。３．請求項２記載の方法において、温度に比例する任意の信号の前記ＡＤ変換器の入力端への印加は、前記光電検出器と前記ＡＤ変換器の入力間の電気信号の経路を開けることによって遮断されるものである対象物の温度を測定する方法。４．請求項２記載の方法において、温度に比例する任意の信号の前記ＡＤ変換器の入力端への印加は、前記光電検出器が前記の赤外線放射を受信することを阻止することにより遮断されるものである対象物の温度を測定する方法。５．請求項１記載の方法において、さらに前記光電検出器を冷却された温度制御囲い内に保ち前記信号の積分を実行するステップを含む対象物の温度を測定する方法。６．請求項１記載の方法において、前記制御された個々の積分特性は前記個々の積分の時間である対象物の温度を測定する方法。７．請求項１記載の方法において、前記光電検出器の位置決めは光ファイバ信号経路を前記対象物と前記光電検出器間に配置し、前記光電検出器に対して光ファイバ信号経路の端末を物理的に突き合わせることを含むものである対象物の温度を測定する方法。８．請求項７記載の方法において、前記対象物によって発生させられた赤外線は前記光ファイバ信号の経路の他の末端に物理的な接触なしで集められる対象物の温度を測定する方法。９．請求項７記載の方法において、前記対象物は光ファイバ信号の経路の他の末端に付けられる対象物の温度を測定する方法。１０．請求項１〜８記載の任意の方法において、前記対象物は集積回路処理室に配置された半導体ウェーハを含むものである対象物の温度を測定する方法。１１．請求項２〜５または７〜９記載の任意の方法において、前記個々の積分の制御された特徴は個々の積分の時間である対象物の温度を測定する方法。１２．ランプによって加熱され時間的に変化するリップル成分を含む赤外線を放射する対象物の表面の特質を測定する方法において：前記対象物の表面からの前記ランプと前記表面から放出された放射との結合した放射に比例した最初の電気信号を得る検出ステップと、前記ランプの放射を直接検出してそれに比例する第２の電気信号を得る検出ステップと、前記第１および第２の電気信号をディジタル化する以下のステップを含むディジタル化ステップで：前記電気信号を周期的に個々の積分の時間が制御することができるようにして積分するステップと、最適入力信号の範囲をもつＡＤ変換器に前記積分された信号を印加するステップと、積分された信号が前記最適入力信号の範囲内に保持されるように個々の積分の時間を制御するステップと、前記個々の積分時間および前記ＡＤ変換器の出力の両者から前記電気信号のディジタル値を得るステップと、前記各第１および第２の電気信号のディジタル化の後でそれらの中の時間的に変化する要素の大きさを決定するステップと、および前記第１および第２のディジタル化した電気信号の少なくとも前記時間的に変化する要素を前記対象の表面の特性を決定するように結合するステップとを含む対象物の温度を測定する方法。１３．請求項１２記載の方法において、測定される前記表面の特徴はその温度である対象物の温度を測定する方法。１４．請求項１３記載の方法において、前記第１および第２の電気信号のディジタル化は、そこに印加されている検出された放射に比例するいかなる信号も印加せずに、前記ＡＤ変換器の出力を周期的に測定し、オフセット値を測定し，前記電気信号のディジタル値を得るときに前記オフセット値を利用するステップをさらに含む対象物の温度を測定する方法。１５．請求項１２記載の方法において、前記第１および第２の各電気信号のディジタル化は、冷却温度制御がなされている囲いの中に配置された単一の集積回路チップで前記各第１および第２の電気信号の積分を行うステップを含む対象物の温度を測定する方法。１６．請求項１２〜１５の任意の一つの方法において、前記対象は集積回路が作られる半導体ウェーハである対象物の温度を測定する方法。１７．サンプルを最適入力信号範囲をもつことを特徴とするＡＤ変換器に印加してアナログの信号をディジタル化する方法において：積分された信号サンプルが前記最適入力信号範囲内になるようにアナログ信号を一定の時間積分することにより個々のアナログ信号サンプルを取得するステップと、および前記のＡＤ変換器の出力および前記積分の時間、前記アナログサンプルの値を決定するステップを含むアナログの信号をディジタル化する方法。１８．請求項１７記載の方法において、前記アナログ信号はあるパラメータに関連する光学信号を受信する光電検出器の出力であり、前記ディジタル化されたアナログ信号サンプルは前記パラメータに関連するものである対象物の温度を測定する方法。１９．受信したアナログ信号を信号処理装置で入力信号の範囲の振れよりも狭い窓をもつ前記装置の入力に印加する電子システムにおける自動利得制御回路において：前記入力アナログ信号を受信して制御することができる時間、個々のサンプルを積分する手段と、前記規定された入力信号の範囲の窓内に前記積分されたサンプルの信号を保持するように前記個々の信号サンプルが積分される時間を制御する手段と、および前記個々の信号サンプルが積分された時間と前記信号処理手段の出力の両者から個々の信号サンプルの値を決定することを含む自動利得制御回路。２０．請求項１９記載のシステムにおいて、前記信号処理手段はＡＤ変換器を含む自動利得制御回路。２１．請求項１９記載のシステムにおいて、前記アナログ信号源である電気出力端をもつ光電検出器と、前記光電検出器に光学的信号を導入するためのある長さの光ファイバを含む自動利得制御回路。２２．測定するシステムにおいて：主要なプリント基盤と、前記主要な基盤の一面に設けられた金属殻であり、前記殻は前記基盤の一面から平行に離れた面をもち前記基盤の一面に実質的に直角に設けられた少なくとも一つの連続する端表面にのびる殻と、前記殻をヒートシンクとして利用するように前記殻の端表面に取り付けられた冷却ユニットと、前記冷却ユニットの中の温度を均一に保つために前記冷却ユニット内に温度センサを含む手段と、前記冷却ユニット内に設けられ電気信号出力端子をもつ少なくとも一つの光電検出器と、一端が前記光電検出器に向けて配置されている一定の長さの光ファイバで、前記光電検出器の信号出力が前記光ファイバにより導かれた光信号に対応するようにする光ファイバと、前記冷却ユニットに載置された集積回路チップで、前記光電検出器の出力と連結させられる少なくとも一つの信号積分器を含み、前記光電検出器の出力サンプルを繰り返し積分して前記積分器の出力に前記サンプルの積分を提供するチップと、前記積分されたサンプルを処理するために前記積分回路チップからの積分器の出力を受信する電子回路手段であり、前記回路は前記殻の端表面に近接する一以上の前記主要基盤により支持されるプリント回路副基盤に載置されている電子回路手段と、処理された積分サンプルを受信する手段で、前記少なくとも積分チップの作動を制御して、そして、前記光学信号のある特徴の測定値である信号を提供し、前記制御手段は前記殻の下の前記主要基盤の前記一面に載置されている受信手段とを含む測定するシステム。