KR100347727B1 - 적외선 고온계용 자동이득제어 - Google Patents

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Abstract

자동이득제어 기법은 샘플의 크기가 아날로그-디지탈 변환기 또는 다른 신호처리 디바이스의 바람직한 입력 윈도우내에 있도록 제어된 시간에 착신 아날로그 신호의 샘플을 적분시킨다. 상기 샘플의 값은 그후 신호 처리 디바이스의 출력 및 적분시간의 결합으로부터 결정된다. 이는 적외선 방출레벨을 측정함으로써 표면과 접촉하지 않고서 물체의 표면 온도를 결정하기 위한 시스템에서 사용된다. 상기 시스템의 특정 용도는 상부에 집적회로를 형성하는 동안 처리 챔버내의 반도체 웨이퍼의 온도를 측정하는 것이다. 상기 측정 시스템은 냉각 유니트가 장착되는 극히 높은 금속 히트 싱크 구조를 지니는 단일의 인쇄회로 기판상에 구성된다. 광검출기 및 신호적분을 이행하는 회로칩은 냉각 유니트내에 장착되어 균일한 온도로 동작된다. 가변 시간 적분 및 냉각 기법의 결합은 측정 시스템의 신호대 잡음비를 대단히 증가시킨다. 이는, 대개 매우 약해서 정확하게 측정할 수 없는 신호레벨을 제공하는 상태에서, 1미크론보다 약간 작은 파장에서 물체 방출을 측정함으로써 표면 온도 측정이 약 250℃까지 행해지는 것을 허용한다.

Description

적외선 고온계용 자동이득제어
[발명의 배경]
본 발명은 일반적으로 전자 자동이득제어 기법에 관한 것이며, 보다 구체적으로 기술하면 온도가 측정되는 물체 표면에 의해 방출되는 적외선의 레벨을 측정함에 있어서, 그러한 기법을 사용하는 것에 관한 것이다.
적외선이 물체표면으로부터 방출되는 강도가 광 검출기에 의해 검출되고 물체표면의 온도 또는 다른 어떤 파라메타를 결정하도록 측정되는 용도는 여러 가지가 있다. 그중 한가지 용도는 온도 감지기로서 광섬유의 한 단부상에 형성된 소형의 흑체 공동부를 사용하고 상기 공동부로 부터의 방출은 광섬유의 타단부에 있는 광검출기에 전송된다. 상기 흑체 감지기가 위치선정되는 환경의 온도는 그러한 방식으로 측정된다. 그러한 시스템의 일례는 미국특허 제 4,750,139호에 개시되어 있다. 적외선 방출의 강도 레벨이 관심있는 온도범위에 걸쳐 10의 1승배 이상만큼 상당히 변화하기 때문에 자동이득 제어회로는 아날로그-디지탈 변환기(DAC) 또는 다른 신호처리 디바이스의 바람직한 입력범위에 내재하는 레벨로 온도에 비례하는 아날로그 신호를 유지하도록 측정기구의 전단부에서 사용된다. 자동 이득제어는 이득이 스위치드 레지스터 회로망을 통해 설정되는 최소한 하나의 증폭기를 포함하는 아날로그 회로로 형성되는 것이 전형적이다.
고온계(pyrometer)는 또는 표면과의 어떠한 접촉도 가지지 않고서도 표면의온도를 측정하는데 장기간 사용되어 왔다. 상기 표면으로부터의 적외선 방출은 광검출기상에 원격으로 이미지가 형성되어 표면온도를 결정하도록 처리된다. 최근에는, 광섬유 또는 다른 광 파이프는 적외선 전송 및 이미징 시스템의 일부로서 사용된다.
그러한 비접촉 온도 측정의 한가지 중요한 현재의 용도는 집적회로의 제조분야에 있다. 반도체 웨이퍼상에 집적회로를 형성하는 여러단계가 반응챔버내에서 이행된다. 상기 웨이퍼의 온도는 급속 열처리(RTP)로서 언급되는 공정의 한 부류에 속하는 미리 결정된 온도 윤곽을 통해 급속하게 순환된다. 처리공정의 시간동안 미리 결정된 온도 윤곽을 따라야 할 필연성은 그와같이 형성된 집적회로의 여러 영역 및 구성요소가 극히 작은 치수인 결과이다. 따라서, 웨이퍼의 온도에 대한 정확한 실시간(real time)측정은 RTP의 달성에 극히 중요하다.
거의 모든 반도체 처리는 실리콘 웨이퍼상에서 이행된다. 실리콘은 대략 1미크론을 초과하는 파장을 지니는 방사선에 투명한 특성을 지닌다. 그러므로, 대개는 1미크론 미만의 파장에서 실리콘 웨이퍼로 부터의 적회선 방출레벨을 측정하는 것이 바람직스럽다. 지금까지, 그러한 기법은 대략 500℃까지만 온도를 측정하는데 사용될 수 있었다. 이는 웨이퍼표면, 그러한 어떤 표면으로 부터의 적외선 방출이 개온에서는 너무 낮아서 현재의 기법으로는 그러한 방출을 정확하게 측정할 수 없는 레벨로 떨어지기 때문이다. 신호 대 잡음비는 극히 낮게 되어, 정확한 측정을 매우 곤란하게 한다.
그러므로, 본 발명의 주 목적은 개선된 정확도로 그러한 온도 측정을 행하는것을 허용하는 개별기법 및 기법의 조합을 제공하는 것이다.
본 발명의 특정 목적은 고정밀도로 행해지도록 현재 가능한 것보다 넓은 범위에서 1미크론 미만의 온도 방출파장을 감시함으로써 반도체 웨이퍼 온도의 측정을 허용하는 개별기법 및 기법의 조합을 제공하는 것이다.
본 발명의 더 일반적인 목적은 그러한 측정을 행하는데 사용되는 기구의 전단부에서의 사용을 위한 개선된 자동 이득 제어기법을 제공하는 것이다.
본 발명의 훨씬 더 일반적인 목적은 아날로그 변화기 또는 다른 신호처리 디바이스로 바람직한 입력범위보다 훨씬 큰 범위에 걸쳐 변할 수 있는 아날로그 신호를 디지탈화하는 기법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 방사선 방출의 레벨을 검출하기 위한 광학 및 전자 구성요소의 개선된 물리적 배치를 제공하는 것이다.
발명의 개요
본 발명의 제 1실시태양은 아날로그-디지탈 변환기와 같이 제한된 입력신호범위를 지니는 디바이스에 인가되는 신호의 크기를 제어하도록 그러한 방사선 방출을 수광하는 광 검출기의 전기 신호출력의 적분 특성을 변화시키는 개선된 자동이득제어(AGC)기법이다. 적분기법은 적분회로에 의해 발생되는 잡음을 최소화시키도록 적분회로에서 어느 상당량의 저항을 없애는 구성요소로서 캐패시터만을 사용한다. 광검출기를 타격하는 방출레벨의 측정은 아날로그-디지탈 출력의 조합 및 제공된 신호의 크기에 응답하여 변화되는 적분기의 특성이고, 적분시간은 제어되는 바람직한 특성이다. 이러한 신호처리 기법의 고온계 용도이외에도, 이는 또한 그러한 넓은 변화가 가능한 신호를 측정할 필요가 있는 그밖의 용도를 지닌다. 더욱이, 기타 용도에서, 상기 기법은 아날로그 신호가 폭넓은 변화를 지니든 지니지 않든 아날로그 신호를 디지탈화하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시태양에 의하면, 광검출기 및 적분 전자회로칩은, 균일한 냉온으로 유지됨으로써 잡음의 발생을 부가적으로 감소시키는 온도제어 챔버내에 서로 장착되어 있다. 그러한 챔버는, 큰 열 소산 부위를 지니도록 형상화되어 있을뿐만 아니라 인쇄 회로 기판상에 직접적으로 전자 구성요소의 보통의 장착에 대한 스페이스를 심하게 저해하지 않고서 표준 인쇄 회로 기판상에 장착되어 있는 금속 히트 싱크 표면상에 장착되는 것이 바람직스럽다. 이는 또한 적외선 신호가 광 검출기와 직접적으로 광섬유에 의해 통신되는 것이 바람직스럽다.
자동 이득제어 기능으로서의 적분기능의 결합 및 균일한 냉온으로의 광검출기 및 적분 전자 회로칩의 유지는 1미크론 보다 약간 작은 적외선 방출파장에서 대략 250℃까지 온도를 측정할 수 있는 기구를 제공한다. 상기 측정은 고정밀도 및 양호한 신호대 잡음비로 이행된다. 따라서, 이러한 기법은 급속 열처리시 반도체 웨이퍼 온도의 감시에 대한 중요한 용도를 지닌다. 정확한 온도 측정은 대략 250℃내지 1200℃의 범위에 걸쳐 이들 기법으로 달성된다.
본 발명의 다양하고 여러 상이한 실시태양의 추가 목적, 이점 및 특징은 첨부된 도면과 연관지어 취해지는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명을 참조하면 가장 양호하게 이해될 것이다.
도 1A 및 도 1B는 본 발명의 여러 실시태양이 특정한 실용성을 지니는 온도 측정용도를 일반적으로 예시한 것이다.
도 2는 물체표면 온도의 함수로서 물체표면으로 부터의 적외선 방출의 강도를 보여주는 곡선이다.
도 3은 자동이득제어에 대한 적분 기법을 사용하는 측정기구의 전단부분의 전자회로 다이어그램이다.
도 4A-4F는 도 3의 회로 다이어그램에서 존재하며 서로 도 3의 회로동작의 타이밍 다이어그램을 제공하는 개별신호이다.
도 5는 도 3 및 도 4A-4F에 예시되어 있는 전자 시스템의 동작을 예시하는 플로우챠트이다.
도 6은 본 발명의 여러 실시태양이 사용 될 수 있는 다른 한 시스템을 도시한 것이다.
도 7A 및 도 7B는 도 6의 시스템에 대한 동작을 예시하는 곡선이다.
도 8은 도 3-5의 전단 시스템을 구현하는 인쇄회로 기판 구조를 도시한 것이다.
도 9는 단면 9-9에서 취해진 도 8의 구성일부로서 제공되는 온도제어 챔버의 단면도이다.
도 10은 도 9의 단면 10-10에서 취해진 도 8 및 도 9의 온도제어챔버의 단면도이다.
도 11은 도 8의 물리적 시스템 배치의 다른 한 구성요소의 구조를 개략적으로 예시하는 광학 다이어그램이다.
바람직한 실시예에 대한 설명
도 1A의 개략적인 다이어그램에서는 본 발명의 여러 실시예중 한 용도가 도시되어 있다. 일정 길이의 광섬유(11)는 흑체 공동부(13)가 부착되어 있는 한 단부에 제공되어 있다. 이러한 형태의 예인 흑체 구조는 미국특허출원 제 07/874,829호에서 허여된 미국특허 제 4,576,486호에 개시되어 있으며, 그의 개시 내용은 이러한 참조로 본원에 기재된 것이다. 상기 흑체 공동부(13)는 온도가 측정될 환경내에 배치되며, 대개는 봉입스페이스가 열원(17)에 의해 가열된다. 따라서, 흑체 공동부(13)는 이것이 배치되는 환경(15)의 온도로 가열된다. 상기 흑체(13)의 적외선 방출은 광섬유(11)를 통해 상기 환경(15) 외부에서 통신된다. 상기 흑체(13)의 온도의 함수로서 이들 방출의 범위 및 상대적인 강도는 공지된 원리로부터 확인될 수 있다.
이러한 온도에 따른 적외선 방출은 광섬유(11)에 의해 측정기구(19)와 통신된다. 이러한 기구는 하기에 기술될 본 발명의 실시예를 포함한다. 간단히 기술하면, 광검출기는 흑체 공동부(13)로부터 수신되는 적외선 방출을 변환시킨다. 광검출기의 전기 신호출력은 상기 흑체(13)의 온도를 나타내는 신호를 출력시키도록 전자적으로 처리된다. 한 출력(21)은 그러한 온도 측정 신호를 디지탈 형태로 호스트 컴퓨터 시스템(23) 또는 다른 실용 디바이스에 전송한다. 그러한 호스트 컴퓨터 시스템은 상기 온도 측정을 통신시키는 통상의 출력 디바이스(25) 및키보드(27)와 같은 입력 디바이스를 포함한다. 상기 기구(19)의 제 2출력(29)은 흑체 공동부(13)의 온도에 비례하는 아날로그 신호를 제공한다. 디지탈 출력(21) 또는 아날로그 출력(29) 중 어느 하나는, 상기 환경(15)내에서의 온도의 표시를 간단히 제공하는 것이외에도, 그러한 온도에 응답하여 열원(17) 또는 한 공정의 다른 어떤 파라메타를 제어하는데 사용될 수 있다.
도 1B에는 흑체 온도 측정기법의 다른 한 용도가 예시되어 있다. 이 경우에, 광섬유의 한 단부에 부착된 흑체 공동부를 지니는 것 보다는 오히려, 일정길이의 광섬유(11')는 온도가 결정될 물체(31)의 표면으로부터 직접 적외선 방출을 수신한다. 상기 광섬유(11')의 원단부는 상기 물체(31)로부터 방출되는 방사선을 수집하는데 사용될 수 있거나, 광섬유(11')의 단부로 보다 큰 범위의 방사선 방출을 수집하기 위한 렌즈나 다른 광학요소(도시되지 않음)의 사용에 의해 보충될 수 있다. 도 1B의 기법에 대한 일례의 용도는 상기 물체(31)가 처리 챔버(33)내에서 처리되는 반도체 웨이퍼인 경우이다. 그러한 공정의 일부로서, 상기 웨이퍼(31)의 온도는 어떤 열원(35)에 의해 세밀하게 제어된다. 웨이퍼 자체의 온도를 감시할 수 있는 능력은 진보된 반도체 처리기법에 점점 더 중요하게 되고 있다. 그러한 공정에 사용되는 열원(31)의 형태는 가열 램프, 무선주파 소오스등으로부터 선택된다.
도 2를 참조하면, 방출이 측정되는 물체의 온도(y축)와 적외선 방출의 한정된 대역폭의 강도(x축)를 관련시키는 일례의 특성 곡선이 제공되어 있다. 여러 상업용 고온계는 공지된 플랑크의 흑체 방출특징으로부터 유도되는 제 2의 형태의 특정 곡선으로 교정된다. 그러한, 곡선은 상기 기구(19)와 같은 측정기구에서 사용되는 경우, 검출되는 적외선을 방출하는 표면의 방사성을 고려하도록 교정된다.
도 2의 예시곡선으로부터 방사선 레벨(x축)이 로그자인 점에 유념하기 바란다. 따라서, 측정기구는, 종종 10의 1승(10배) 또는 그 이상 만큼 극히 넓은 범위에 걸쳐 변하는 강도를 지니는 착신 광 신호를 조종할 수 있어야 한다.
전형적인 고온계의 온도 측정기구는, 도 2의 곡선상에서 방출레벨이 존재하는 부위를 측정하도록 검출된 광학 신호를 디지탈화시킨다. 전형적으로는, 그러한 기구에서 사용되는 아날로그-디지탈 변화기는 측정기구의 전 온도 범위에 걸쳐 검출된 광학 신호의 범위보다 훨씬 작은 선형 입력 범위를 지닌다. 따라서, 자동 이득 제어회로의 어떤 형태는 상기 아날로그-디지탈 변환기의 이러한 동작 윈도우내에서 착신 신호를 유지하는데 사용된다. 이는 대개 증폭기 이득을 조절하도록 스위치드 레지스터 회로망을 지니는 증폭기의 사용에 의해 달성된다. 그러한 레지스터의 사용은 본래 전기적 잡음을 발생시킨다. 광 검출기 자체에 의해 발생되는 이러한 잡음은 그러한 기구에 의해 얼마나 낮은 온도가 측정될 수 있는지를 제한하여 왔다. 보다 낮은 온도에서는 광학신호가 낮음으로써, 처리되는 광검출기의 전기 신호 출력은 상기 회로에서 발생되는 잡음에 대해 낮다.
그러므로, 본 발명은 통상적인 자동이득 제어 기법으로부터 상당히 탈피하는 것인바, 본 발명의 구현은 도 3의 개략적인 다이어그램에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 예는 2개의 신호채널을 지닌다. 광 검출기(41)는 광섬유(43)로부터 광학 신호를 수신하며, 광 검출기(45)는 광섬유(46)로부터 광학 신호를 수신하다. 각각의 라인(47,49)에서의 광검출기의 출력신호는 2개의 동일한 적분회로를 포함하는 상업상 입수가능한 집적회로 칩(51)에 인가된다. 단지 하나의 채널 및 적분 회로의 구조 및 동작은 본원에 기술되겠지만, 다른 채널도 동일하다고 인식될 것이다.
회로 칩(51)의 한 채널은, 출력 및 반전 입력 사이에 접속된 피드백 캐패시터(C1)를 지니는 차동 증폭기(53)를 포함한다. 비반전 입력은 접지 전위에 접속되어 있다. 광 검출기(41)의 전기신호출력은 유지 스위치(55)를 통해 증폭기(53)의 반전 입력에 접속되어 있다. 그의 출력은 상기 칩(51)의 라인(59)의 출력을 형성하도록 선택 스위치(57)를 통해 접속되어 있다. 리세트 스위치(61)는 피드백 캐패시터(C1) 양단에 접속되어 있다. 상기 스위치(55,57,61) 각각은 제어기(69)로부터와 같이 상기 회로칩(51)의 외부로 부터의 라인(63,65,67)의 각 제어 신호에 응답하여 도통 및 비도통 상태 사이로 동작된다. 상기 회로칩(51)은 Burr-Brown Corporation으로부터 입수가능한 부품번호 ACF2101인 것이 바람직스럽다.
적분기는, 그의 유지 스위치(55)가 닫혀질 때 동작하고 그의 리세트 스위치(61) 및 선택 스위치(57)는 유지스위치(55)가 닫혀지는 시간 및 광검출기(41)로부터의 라인(47)에 흐르는 전류의 레벨에 따른 크기를 지니는 전하를 그의 캐피시터(C1)에 축적하도록 개방된다. 라인(47)에 흐르는 전류는 광섬유(43)를 통해 광 검출기(41)를 타격하는 광학신호의 레벨에 비례한다. 그러한 단계후에, 캐패시터(C1)상의 전하는 , 유지 스위치(55) 및 리세트 스위치(61)가 개방되는 동안 선택스위치(57)를 닫음으로써 적분기 칩(51)의 외부에 있는 다른 한캐패시터(C2)에 이동된다. 캐패시터(C2)의 전하는 그후 버퍼증폭기(71)에 의해 증폭되고, 그의 출력은 아날로그-디지탈 변화기(73)의 입력이 된다. 라인(75)의 디지탈 출력은 다시 제어기(69)에 접속된다. 라인(75)의 디지탈 출력은 개시적분 사이클 동안 광검출기(41)를 타격하는 적외선의 강도의 측정치를 제공한다. 일단 그러한 샘플이 포착되는 경우, 리세트 스위치(61)는 닫혀져서 캐패시터(C1)를 방전시켜 또다른 적분 사이클을 개시한다.
검출된 방사선을 방출하는 물체의 온도는 제어기에 의해 라인(75)상의 디지탈 신호로부터 결정된다. 상기 제어기는 광다이오드(41)의 전달 특성에 대해 보정되어진 플랑크의 흑체 곡선의 적분값을 포함한다. 이는 도 2에 도시된 것과 유사한 곡선이다. 변형적으로는, 그러한 곡선의 정보는 제어기(69)의 메모리내의 조사표 (look-up table)에 포함될 수 있다. 어느 경우든, 그러한 정보는, 방출물체의 온도를 확인하기 위하여, 샘플을 포착하도록 유지 스위치(55)가 라인(63)의 제어신호에 의해 닫혀진 상태로 유지된 시간과 연관되는 경우, 제어기가 라인(71)에서 제공된 적외선 강도를 변환시키는 것을 허용한다. 제어기(69)는, ADC가 대부분 선형인 경우에 디지탈 변환기(73)의 입력이 바람직한 동작 윈도우내에 있다는 것을 라인(75)의 측정 신호가 결과적으로 나타내는 각각의 샘플의 포착시 일정길이의 시간동안 유지 스위치(55)를 닫는다. 입력이 그러한 바람직한 윈도우 범위밖에 있다는 것을 라인(75)의 ADC출력 신호가 나타내는 경우, 제어기(69)는 유지스위치(55)가 다음 샘플을 포착할 경우에 닫혀진 상태로 유지되는 시간을 조절한다. 착신 신호의 새로운 샘플이 포착될때마다 제어기(69)가 온도를 계산 할 수 있지만, 우선 여러 샘플의 값을 평균하여 그들을 흑체곡선 또는 조사표에 인가시키는 것이 바람직스럽다.
그러한 측정에 응답하는 적분시간의 변화는 자동 이득제어(AGC)기능을 제공한다. 그러나, 적분시간은 제어될 수 있는 유일한 적분 특성이 아니다. 변형적으로는, 상기 적분시간은 피드백 캐패시터(C1)의 값이 변화되는 동안 고정된 상태로 유지될 수 있다. 캐패시터(C1)의 사이즈 및 가변 적분 시간의 결합은 원활하게 구현될 수 있다. 그러나, 캐패시터(C1)를 변화시킬 수 있는 능력은 회로 칩상에서 대단한 스페이스를 소비하며 그러한 이유로 해서 바람직하지 않은 스위치드 캐패시터 회로망을 필요로 한다.
시간 경과에 따라 그리고 서로 다른 동작 상태하에서 생기는 버퍼 증폭기(71)에서의 이득 변화를 보상하기 위해, 버퍼 증폭기(71)의 비반전 압력은 선택 스위치(57)가 개방 상태로 유지되는 동안 스위치(77)를 통해 기준전압원(VREF1)에 주기적으로 접속된다. 상기 전압(VREF1)은 아날로그-디지탈 변환기(73)가 그러한 기준 조절용으로 필요한 것이다. 일단 버퍼 증폭기(71)의 출력에서의 측정이 이러한 기준 전압원에 접속되는 경우에 행해졌으면, 그 후의 판독은 존재하는 어떠한 에러에 대해 보상하도록 아날로그-디지탈 변환기(73)에 의해 조절된다. 하기에 기술되는 바와같이, 적분회로에 의해, 그리고 아마도 또한 광검출기에 의해 도입되는어떠한 오프셋에 대하여 보정하도록 다른 한 보상이 이행된다. 이들의 기준 및 오프셋 측정 각각은 다음의 그러한 측정이 행해질때까지 포착되는 데이터에 차후 가해지는 보정인자를 확인하도록 주기적으로 행해진다.
광검출기로부터 디지탈 -아날로그(73)까지 도 3의 신호경로는 어떠한 레지스터도 포함하지 않는다는 점에 유념하기 바란다. 대개 아날로그-디지탈 변화기(73)의 바람직한 윈도우내에서의 신호레벨을 조절하도록 행해지는 바와같이, 증폭기의 레지스터 및 피드백 그룹을 스위칭함으로써 그러한 전단 회로에서의 증폭레벨을 조절하기보다는 오히려, 적분시간이 대신 제어된다. 즉, 한 샘플의 포착시 유지 스위치(55)가 닫혀진 상태로 유지되는 시간은 버퍼 증폭기(71)의 출력이 바람직한 범위내에 있는 전압의 레벨을 제어한다. 물리적으로는, 이들 전단 회로내에서의 어떠한 잡음 발생이라도 부가적으로 감소시키기 위하여, 적분 칩(51) 및 광검출기(41,45)는 온도 제어부(77)내에 포함된다. 온도제어 시스템은 온도 제어부(77)에 내재하는 서미스터(81) 및 냉각기(79)를 포함한다. 일정 전류원(도시되지 않음)으로 부터의 라인(83)의 전류는 서미스터(81)에 통과된다. 상기 서미스터(81) 양단의 전압 강하는 전위차계(87)를 통해 사용자에 의해 설정되는 전압강하와 차동 증폭기(85)에 의해 비교된다. 상기 전위차계는 상기 온도 제어부(77)내에서 유지되는 것이 바람직한 온도를 설정한다. 증폭기(85)의 출력은 냉각기(79)에 전류를 공급하는 가변 전류원(89)를 제어한다. 도 3에 개략적으로 도시된 것에 대한 물리적 배치는 도 8-10에 대해 하기에 기술된다.
자동이득제어(AGC)기능을 이행하기 위한 도 3에 대해 기술된 적분회로의 동작은 도 4 및 도 5에 대해 기술될 것이다. 도 5의 처리 플로우챠트의 단계(91)는 주기적 오프셋 및 기준측정을 행하는 것을 요구한다. 오프셋 측정은 간격(93)(도4)동안에 생긴다. 이러한 간격동안, 선택 스위치(57)(도 4C) 및 리세트 스위치(61)(도 4B)가 닫혀지고 입력 유지스위치(55)(도 4A)가 개방된다. 따라서, 어떠한 신호도 인가되지 않을 경우 적분 증폭기(53)에 의해 발생되는 신호가 측정되고, 그러한 오프셋은 그후 차후에 포착되는 데이터를 보정하는데 사용된다.
마찬가지로, 단계(91)(도 5)의 일부로서, 다음 시간간격(95)(도 4)은 버퍼 증폭기(71)(도 3)의 이득이 기준으로 되는 경우이다. 이러한 간격동안, 기준 스위치(77)는 스위치(77)가 닫혀지는 상태에 있는 유일한 시간에 닫혀진다(도 4D). 기준전압(VREF1)은 아날로그-디지탈 변환기(73)의 입력에 접속되어 있다. 그러한 전압은, 전형적인 ADC부품에 대해, 비록 신호가 전 압력 윈도우 보다 훨씬 작은 범위인 바람직한 범위(97)(도 4F)로 수신되는 것이 바람직스럽지만, 입력 윈도우의 양(+) 단부에 있다. 간격(95)후에, 필요한 보정 인자는 오프셋 및 증폭기 이득 기준 단계가 다시 이행되기 전에 다음의 차후 개수(N)의 온도 측정 샘플이 취해지도록 결정되었다.
단계(97)(도 5)는 그후 착신 광학 신호의 크기의 한 샘플을 포착하는데, 그러한 한 사이클의 일례는 간격(99)동안 생기며, 다른 한 입력 신호 레벨을 가지는 그러한 사이클의 다른 한 예는 간격(101)동안 생긴다(도 4F). 각각의 그러한 사이클에는 리셋트 주기가 있으며 이 경우에 리세트 스위치(61)는 캐패시터(C1)(도 3)를방전시키도록 닫혀진다. 그 다음에는 적분주기가 오며, 이 경우에는 리세트 스위치(61)가 개방되고 유지스위치(55)가 닫혀져서 착신 신호를 포착한다. 적분간격의 지속기간은 제어기(69)에 의해 제어되어, 미리 결정된 범위내에서, 캐패시터(C2)에 전달되는 신호, 결과적으로는 아날로그-디지탈 변환기(73)의 입력에 인가되는 신호의 크기를 유지한다. 간격(99,101) 각각의 적분 부분의 단부에서, 캐패시터(C1)에 축적된 전하는 선택 스위치(57)를 닫아서 리세트 스위치(61)를 오프상태로 유지함으로써 독출 위상으로 캐패시터(C2)에 전달된다. 유지스위치(55)는 또한 시간간격(99,101) 각각의 이러한 최종 위상동안 오프상태로된다.
도 4E로부터, 예시되는 예가 간격(101)동안 보다는 간격(99)동안 보다 높은 입력신호레벨을 지닌다는 점에 유념하기 바란다. 제어기(69)(도 3)에 의한 적분시간의 제어는 자동이득제어를 제공한다. 이는 도 4F로부터 알 수 있는데, 비록 입력 신호가 상당히 상이하다고는 하지만, 각각의 간격(99,101)동안 아날로그-디지탈 변환기(73)의 입력에 인가되는 전압은 바람직한 범위(97)내에 존재한다.
도 5를 참조하면, 다음 단계(107)는 결과적으로 라인(75)의 아날로그-디지탈 변환기(73)의 출력이 제어기(69)에 의해 판독되게 한다. 다음 단계(109)는그러한 출력을 바람직한 입력범위(97)에 해당하는 출력과 비교하여, 그것이 상기 범위밖에 있는지 아닌지의 여부를 결정한다. 상기 측정이 바람직한 범위밖에 있는 경우, 다음 단계(111)는 적분시간(도 4의 예에서 도면번호(103,105))이 증가 또는 감소하여 결과적으로는 아날로그-디지탈 변환기(73)의 입력에 인가되는 신호레벨을 조절하게한다. 일단 그러한 조절이 행해지는 경우, 상기 공정은 다시 단계(97)로 순환하여 새로운 적분 시간을 갖는 다른 한 샘플을 포착한다.
그 반면에, 상기 측정이 ADC(73)의 바람직한 범위내인 경우, 다음단계(113)는 최종 오프셋 측정에 의해 수신된 측정값을 조절한다. 단계(115)에서, 아날로그-디지탈 변환기(73)의 조절된 출력은 제어기(69)에 의해 등식용 내부온도표에 사용된다. 또한, 그러한 조사표 또는 등식에는 입력으로서, 샘플이 포착된 적분시간(도 4의 예에서 도면번호(103 또는 105))이 사용된다. 단계(117)에 표시된 그러한 표의 출력은 그후 제어기(69)의 출력(21,29)을 통해 사용될 수 있게 하는 온도 측정을 제공한다.
상기 처리 단계에서의 부가적인 단계(119)로서, 오프셋 측정이 행해지고 증폭기 이득이 기준화된 최종시간 이래로 몇번(N)의 측정 사이클이 점유하였는지가 결정된다. N측정 사이클이 점유한 경우, 상기 처리 단계는 경로(121)에 의해 복귀되어 오프셋 및 이득기준단계(91)를 반복한다. 그러하지 않은 경우, 상기 처리 단계는 경로(123)에 의해 단계(97)로 복귀되어 도 4의 간격(99,101)에 대해 기술한 바와같이 다른 한 측정 사이클을 이행한다.
도 6은 어느정도 상이한 용도로 도 3에 예시된 이중 채널 기구의 사용을 도시한 것이다. 처리 챔버(33')내의 반도체 웨이퍼(31')는 이러한 예시적인 예에서, 가열램프(35')에 의해 가열된다. 측정기구(19)의 광섬유입력중 하나(11')는 도 1B에 예시된 시스템의 경우 만큼 상기 웨이퍼(31')로부터 적외선 방출을 수광한다. 그러나, 도 6의 용도에서는, 광섬유(11')에 의해 포획되는 신호는 또한 상기램프(35')로부터 상기 웨이퍼(31')에 의해 반사되는 방사선을 포함한다. 상기 기구(19)가 반사된 방사선과 온도에 따른 적외선 방출을 분리시키는 것을 가능하게 하기 위해, 제 2입력 광섬유(12)는 가열 램프자체로부터나, 상기 웨이퍼(31')를 가열하는 동일 형태의 더미(dummy)램프로부터 신호를 포착한다.
웨이퍼가열램프(35')가 교류에 의해 구동되기 때문에, 출력강도는 도 7A에 예시되어 있는 작은 리플(ripple)을 지닌다. 도 7A의 신호는 광섬유(12)에 의해 포착된다. 도 7B에 예시된 결합신호는 광섬유(11')에 의해 포착되는 신호이다. 이들 2가지 신호는 도 3의 회로에 의해 초기에 디지탈화되고, 디지탈 샘플은 그후 웨이퍼(31')의 표면온도 또는 다른 특성의 측정을 이루도록 처리된다. 이러한 공정은 이러한 참고로 본원에 지개된 Schietinger등의 미국특허 제 5,310,260호에 기재되어 있다.
도 8에는 기구(19)에 내재하는 주 회로 기판에 대한 물리적 배치가 예시되어 있다. 통상적인 인쇄회로기판(125)은 상부에 장착된 금속외피(127)를 지닌다. 상기 외피(127)는, 한 단부(129)가 봉입되는 것 이외에는 하부측면 및 단부에서 대체로 개방되어 있다. 금속외피(127)는, 전체 조립체가 통상적인 컴퓨터 시스템내에 삽입되어 단지 3개의 인쇄회로기판 슬롯의 스페이스를 취할 수 있기 위해 인쇄회로기판(125)으로 부터의 두께 (전체두께) 및 최대 치수를 지니도록 크기가 정해진다.
상기 외피(127)의 상부 표면에 부착되는 광학 조립체(131,133)에 대한 지지부를 제공하는 것이외에도, 그의 주 표면은 적분 회로 칩 및 광검출기용봉입체(135)에 대한 히트싱크(heat sink)로서 제공된다. 부속기판(137)은, 주 기판(125)에 의해, 주 기판(125)과 실질적으로 수직한 배향 및 상기 외피(127)의 단부표면(129)으로부터 떨어진 짧은 간격으로 지지된다. 부속기판(137)은 캐패시터(C2), 버퍼증폭기(71), 디지탈 -아날로그 변환기(73), 기준 스위치(77), 및 모두가 도면번호(138)로 표시된 관련 구성요소 및 그와의 상호 접속부를 지닌다. 제 2채널에 대한 유사한 구성요소는 또한 부속기판(137)상에 포함되어 있다. 상기 부속기판은, 적분회로 칩 및 광다이오드가 배치되어 있는 챔버(77)를 형성하는 용기(137)로부터 외피단부벽(129)의 대향 측면에나 그 상부에 근접하도록 배치되어 있다. 제어기(69)를 형성하는 칩(139)은 상기 외피(127) 하부의 주 기판(125)상에 장착되어 있다. 상기 회로기판(125)의 양단부상의 접속기(145,147)는 어떠한 시스템이라도 도 8의 유니트의 기판이 사용되는 것과의 상호 접속을 위해 적합하게 선택된다.
도 9 및 도 10을 참조하여, 냉각 유니트(135)의 구조가 기술된다. 그의 온도 제어 챔버(77)내에는 금속히트싱크(151)상에 장착되어 있는 전기적으로 구동되는 냉각기(79)가 있다. 상기 히트싱크(151)는 히트싱크 외피(127)의 금속단부(129)에 확고하게 부착되어 그와 접촉한다. 따라서, 냉각 유니트(79)에 의해 온도 제어부(77)로부터 제거되는 열은 상기 외피(127)의 벽(129) 및 히트싱크(151)를 통하는 전도에 의한 분위기에서 소산된다.
도 11에 도시된 바와같이, 광학요소(131,133) 각각은 광학 필터(155)를 포함한다. 한쌍의 렌즈(157,159), 또는 다른 간편한 광학시스템은 외부 광섬유(11)의 한 단부로부터 내부 광섬유(43)의 한 단부내로 적외선 신호를 이미지화한다. 상기 필터(155)의 목적은 관련된 광검출기상에 통과하도록 허용되는 방사선의 대역폭을 제한하는 것이다. 실리콘 웨이퍼의 온도가 감시되는 경우에, 그러한 파장 대역은 높은 파장을 지니며 1미크론에 가까운 극히 좁은 대역인 것이 바람직스럽다.
선택적으로는, 광학 유니트(134,133) 각각은 또한, 솔레노이드(163) 또는 다른 간편한 운동력에 의해 광섬유(43)의 한 단부로부터 가까운 위치에 이동 가능한 셔터(161)를 포함할 수 있다. 모든 방사선이 광섬유(43)에 들어오지 못하게 되는 경우, 간격(93)(도 4)동안 행해지는 오프셋 측정은 그후 닫혀진 위치(온상태)로 유지 스위치(55)가 작동되도록 수정된다. 따라서, 상기 광검출기(41)는 오프셋 측정에 포함된다. 상기 셔텨(161)는 기타의 시간에는 광섬유(43)의 단부로부터 제거된다.
도 8 및 도 9로부터, 내부 광섬유(43,46)는 광학유니트(131,133) 및 각각의 광검출기(45,41) 사이에서 통신한다는 점에 유념하기 바란다. 이들 섬유 연계부의 단부는 그들 각각의 광검출기에 직접 접촉된다. 이러한 배치는 원치않은 광학신호가 시스템내로 도입되는 것을 방지하며 2개의 채널 사이의 누화를 없앤다.
본 발명의 여러 실시태양이 그의 바람직한 실시예에 대해 기술되었지만, 본 발명은 첨부된 청구의 범위내에서 보호받고자 한 것임을 이해할 것이다.

Claims (22)

  1. 물체에 의해 방출되는 적외선의 강도 레벨로부터 물체의 온도를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 적외선 방출을 수광하여 그에 비례하는 전기 신호를 발생시키도록 광검출기를 배치시키는 단계 ;
    상기 전기 신호를 주기적으로 적분하는 단계로서, 개별 적분 특성이 제어될 수 있는 단계 ;
    최적의 입력 신호 범위를 지니는 아날로그-디지탈 변환기에 상기 적분신호를 인가하는 단계 ;
    상기 최적의 입력신호 범위내에 상기 적분 신호를 유지하도록 상기 개별 적분 특성을 제어하는 단계 ; 및
    상기 개별 적분의 시간 및 상기 아날로그-디지탈 변환기의 출력으로부터 상기 물체의 온도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 온도에 비례하는 신호가 인가되지 않고서 상기 아날로그-디지탈 변환기의 출력을 주기적으로 측정하여, 오프셋 값을 측정하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 오프셋 값이 상기 물체의 온도를 결정하는 경우에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 어떠한 온도 비례 신호라도 상기 광검출기 및 아날로그-디지탈 변환기 입력 사이의 전기 신호경로를 개방시킴으로써 상기 아날로그-디지탈 변환기의 입력에 인가되지 않게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2항에 있어서, 어떠한 온도 비례 신호라도 상기 광검출기가 상기 적외선 방출을 수광하는 것을 차폐시킴으로써 상기 아날로그-디지탈 변환기의 입력에 인가 되지 않게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 광검출기를 유지하고 냉온제어 봉입체내에서 신호적분을 이행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제어된 개별 적분 특성이 개별 적분시간인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 광검출기 배치 단계는 상기 물체 및 상기 광검출기 사이에 광섬유신호경로를 배치시키는 단계를 포함하여, 상기 광검출기에 상기 광섬유 신호경로의 한 단부를 물리적으로 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 물체에 의해 방출되는 적외선은 물리적 접촉없이 상기 광섬유 신호경로의 다른 한 단부내로 수집되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 물체는 상기 광섬유 신호경로의 다른 한 단부에 부착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물체는 집적회로 처리 챔버내에 배치되는 반도체 웨이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 2항 내지 제 5항 또는 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어된 개별적분 특성은 개별 적분시간인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 시간 경과에 따라 변하는 리플 성분을 지니는 적외선을 방출하는 램프에 의해 가열되는 물체의 표면특성을 측정하는 방법에 있어서,
    비례하는 제 1전기 신호를 얻기 위한 방식으로 상기 램프로부터 상기 물체의 표면에 의해 반사되는 방사선 및 상기 표면에 의해 방출되는 방사선의 결합을 검출하는 단계 ;
    비례하는 제 2전기신호를 얻기위한 방식으로 램프 방사선을 직접 검출하는 단계 ;
    상기 전기 신호를 주기적으로 적분하는 단계로서, 개별 적분 시간이 제어될 수 있는 단계,
    최적의 입력 신호범위를 지니는 아날로그-디지탈 변환기에 상기 적분 신호를 인가하는 단계,
    상기 최적의 입력 신호범위내에 상기 적분 신호를 유지하도록 상기 개별적분 시간을 제어하는 단계, 및
    상기 개별 적분시간 및 상기 아날로그-디지탈 변환기의 출력으로부터 상기 전기 신호의 디지탈 값을 얻는 단계
    를 포함하는 방법으로 상기 제 1 및 제 2전기 신호 각각을 디지탈화하는 단계 ;
    디지탈화 후에 상기 제 1 및 제 2전기 신호 각각에서 시간경과에 따라 변하는 성분의 크기를 결정하는 단계 ; 및
    상기 물체 표면 특성을 결정하기 위한 방식으로 최소한 상기 제 1 및 제 2의 디지탈화된 전기 신호의 시간경과에 따라 변하는 성분을 결합하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 측정되는 표면 특성은 표면온도인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2전기신호 각각의 디지탈화는 검출된 방사선에 비례하는 어떠한 신호도 인가되지 않고서 상기 아날로그-디지탈 변환기의 출력을 주기적으로 측정하여, 오프셋 값을 측정하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 오프셋 값은 상기 전기 신호의 디지탈 값을 얻을 경우에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 상기 제 1 및 제 2 전기 신호 각각의 디지탈화는 냉온제어 봉입체내에 유지되는 단일의 집적회로상에서 각각의 신호의 적분을 이행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 12항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물체는 상부에 형성되는 집적회로를 지니는 반도체 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 최적의 입력신호범위를 지니는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지탈 변환기에 샘플을 인가함으로써 아날로그신호를 디지탈 화하는 방법에 있어서,
    상기 최적의 신호범위내에 적분된 신호샘플을 배치시키는 시간동안 상기 아날로그 신호를 적분시킴으로써 개별 아날로그 신호샘플을 포착하는 단계 ; 및
    상기 아날로그-디지탈 변환기의 출력 및 적분시간으로부터 상기 아날로그 샘플의 값을 결정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 아날로그 신호는 한 파라메타와 관련된 광학 신호를 수신하는 광검출기의 출력이어서, 상기 디지탈화된 아날로그 신호 샘플이 상기 파라메타와 관련되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 아날로그 신호를 수신하고 착신 아날로그 신호의 스윙보다 작은 한정된 입력신호범위 윈도우를 지니는 것을 특징으로 하는 신호처리 디바이스에 상기 아날로그 신호를 인가하는 전자 시스템에 있어서,
    제어 가능한 시간동안 개별 샘플을 적분하도록 상기 착신 아날로그 신호를 수신하는 수단 ;
    상기 한정된 입력 신호범위 윈도우내에 상기 신호적분 샘플을 유지하도록 개별 신호 샘플이 적분되는 시간을 제어하는 수단 ; 및
    개별 신호샘플이 적분되는 시간 및 상기 신호처리 디바이스의 출력으로부터 개별 신호 샘플의 값을 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 이득제어회로를 지니는 시스템.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 신호처리 디바이스는 아날로그-디지탈 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제 19항에 있어서, 아날로그 신호원인 전기적 출력을 지니는 광검출기, 및상기 광검출기상에 광학 신호를 향하게 하도록 일정 길이의 광섬유를 포함하는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 주 인쇄 회로 기판 ;
    상기 주 기판의 한 측면상에 장착되어 있는 금속 외피로서, 상기 기판 한 측면으로부터 제거되며 그와 나란한 표면을 지니고 상기 기판 한 측면과 실질적으로 수직 배향되어 있는 최소한 하나의 인접단부표면에 연장되어 있는 금속외피;
    히트싱크로서 상기 외피를 사용하기 위한 방식으로 상기 외피 단부표면에 부착되는 냉각 유니트 ;
    상기 냉각 유니트내에서 균일한 온도를 유지하도록 상기 냉각 유니트내에 온도 감지기를 포함하는 수단 ;
    상기 냉각 유니트내에 장착되며 전기 신호출력을 지니는 최소한 하나의 광검출기 ;
    한 단부가 상기 광검출기에 유지되도록 장착된 일정길이의 광섬유로서, 상기 광검출기의 신호출력이 상기 광섬유를 따라 향하게 되는 광학 신호에 해당하는 일정길이의 광섬유 ;
    상기 냉각 유니트내에 장착된 집적회로 칩으로서, 상기 광검출기 신호출력의 샘플을 반복적으로 적분하여 전분기의 출력에서 적분된 샘플을 제공하도록 광검출기 출력과 접속된 최소한 하나의 신호 적분기를 포함하는 집적회로 칩 ;
    상기 적분된 샘플을 처리하도록 상기 적분기 칩으로부터 적분기 출력을 수신하는 전기 회로 수단으로서, 상기 외피 단부 표면에 인접한 위치에서 상기 주 기판에 의해 지지되는 인쇄회로 부속 기판상에 장착되는 전기회로수단 ; 및
    최소한 적분기 칩의 동작을 제어하며 상기 광학신호의 어떤 특성의 측정인 신호를 제공하도록 상기 처리된 적분 샘플을 수신하는 수단으로서, 상기 외피하부의 주기판의 한 측면상에 장착되는 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
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