KR102651676B1

KR102651676B1 - 방사 온도계

Info

Publication number: KR102651676B1
Application number: KR1020180145619A
Authority: KR
Inventors: 쇼 후지노; 나오히로 오스가
Original assignee: 가부시키가이샤 호리바 어드밴스트 테크노
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2024-03-28
Also published as: KR20190068425A; US20190178719A1; JP2019100987A; US11150138B2; JP7137925B2

Abstract

방사 온도계의 사이즈를 크게 하는 일 없이, 예를 들면 이소프로필알코올 등의 비투과 파장대가 좁은 측정 대상의 온도를 정밀도 좋게 측정할 수 있도록 하기 위해서, 측정 대상으로부터 방출된 적외선을 검출하는 적외선 검출 소자(20)를 가지고, 적외선 검출 소자(20)에 의해 검출된 적외선의 강도에 기초하여 측정 대상의 온도를 측정하는 방사 온도계(100)로서, 적외선 검출 소자(20)에 유도되는 적외선의 광로 상에 마련된 복수의 적외선 필터(51, 52)로 이루어지는 필터군(50)을 더 가지고, 필터군(50)이, 서로 중첩되지 않는 적어도 제1 파장대(Z1) 및 제2 파장대(Z2)의 적외선을 투과시키도록 했다.

Description

방사 온도계{RADIATION THERMOMETER}

본 발명은, 방사 온도계에 관한 것이다.

방사 온도계는, 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이, 측정 대상으로부터 방출된 적외선을 적외선 검출 소자에 의해서 검출하는 것으로, 그 검출 강도에 기초하여 측정 대상의 온도를 측정할 수 있도록 구성되어 있다.

상술한 구성에 있어서, 예를 들면 측정 대상의 막 두께가 얇은 경우 등, 측정 대상의 방사 온도계와는 반대측에 있는 부재로부터 방출되고 있는 적외선이 측정 대상을 투과해 버리면, 그 적외선이 검출되어서 측정 오차가 생긴다.

여기서, 측정 대상을 투과하는 투과 파장대의 적외선을 컷하는 적외선 필터를 이용하여, 측정 대상으로부터 방출되는 적외선 중, 측정 대상을 투과하지 않는 파장대의 적외선을 적외선 검출 소자에 유도함과 함께, 측정 대상을 투과하는 파장대의 적외선을 컷하는 것으로, 상술한 측정 오차의 저감을 도모할 수 있다.

그렇지만, 상술한 방법에서는, 측정 대상을 투과하지 않는 파장대가 좁은 경우, 적외선 검출 소자에 유도되는 적외선의 광량이 감소되어 버리고, 검출 강도가 큰 폭으로 저하되어 버린다.

검출 감도를 향상시키기 위해서, 큰 렌즈를 이용하여 적외선 검출 소자에 유도하는 광량을 증가시키는 방법도 생각할 수 있지만, 이 경우는 방사 온도계의 사이즈가 커지고, 예를 들면 반도체 제조 프로세스 등에 있어서의 방사 온도계의 크기의 제약에 대응할 수 없다고 하는 문제가 생긴다.

: 일본 특허공보 제2756648호

여기서, 본원 발명은, 상술한 문제를 한꺼번에 해결할 수 있도록 이루어진 것이며, 방사 온도계의 사이즈를 크게 하는 일 없이, 측정 대상을 투과하지 않는 파장대가 좁은 경우라도 정밀도 좋게 온도 측정할 수 있도록 하는 것을 그 주된 과제로 하는 것이다.

즉 본 발명에 관한 방사 온도계는, 측정 대상으로부터 방출된 적외선을 검출하는 적외선 검출 소자를 가지고, 상기 적외선 검출 소자에 의해 검출된 적외선의 강도에 기초하여 상기 측정 대상의 온도를 측정하는 방사 온도계로서, 상기 적외선 검출 소자에 유도되는 적외선의 광로 상에 마련된 복수의 적외선 필터로 이루어지는 필터군을 더 가지고, 상기 필터군이 서로 중첩되지 않는 적어도 제1 파장대 및 제2 파장대의 적외선을 투과시키는 것을 특징으로 하는 것이다.

이와 같이 구성된 방사 온도계라면, 적외선 검출 소자에 유도되는 적외선의 광로 상에, 서로 중복되지 않는 제1 파장대 및 제2 파장대의 적외선을 투과시키는 필터군을 마련하고 있으므로, 이들의 파장대의 하나 하나가 좁다고 해도, 적외선 검출 소자에 유도하는 적외선의 광량을 증가시킬 수 있다. 이것에 의해, 큰 렌즈 등을 이용하는 일 없이 검출 감도를 향상시킬 수 있으므로, 방사 온도계의 사이즈를 크게 하는 일 없이, 측정 대상을 투과하지 않는 파장대가 좁은 경우라도 정밀도 좋게 온도 측정할 수 있다.

측정 대상의 온도를 정밀도 좋게 측정하기 위해서는, 상기 제1 파장대 및 상기 제2 파장대의 적외선이, 상기 측정 대상을 투과하지 않는 것이 바람직하다.

또한, 여기서 말하는 「투과하지 않는다」는, 전혀 투과하지 않는 것뿐만 아니라, 방사 온도계의 측정 정밀도를 담보할 수 있는 정도라면, 약간 투과하는 것도 포함한다.

상기 필터군의 구체적인 구성으로서는, 적어도 상기 제1 파장대 및 상기 제2 파장대의 적외선을 투과시킴과 함께, 상기 제1 파장대 및 상기 제2 파장대 사이의 파장대의 적외선을 투과시키지 않는 제1 적외선 필터와, 상기 제1 파장대로부터 상기 제2 파장대까지의 연속 파장대의 적외선을 투과시킴과 함께, 상기 연속 파장대 이외의 파장대의 적외선을 투과시키지 않는 제2 적외선 필터를 가지고 있는 구성을 들 수 있다.

상기 제2 적외선 필터가, 상기 제1 적외선 필터보다 상기 적외선 검출 소자 측에 배치되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 구성이라면, 예를 들면 적외선 검출 소자를 수용하는 케이싱의 내벽 등에서, 상술한 연속 파장대 이외의 파장의 적외선이 방출되었다고 해도, 이 적외선을 제1 적외선 필터에 의해 컷하여 적외선 검출 소자에 의해서 검출되는 것을 방지할 수 있고, 측정 정밀도의 더욱 더의 향상을 도모할 수 있다.

상기 제1 파장대가, 6.8μm 이상 7.8μm 이하이며, 상기 제2 파장대가, 8.6μm 이상 8.64μm 이하인 것이 바람직하고, 상기 방사 온도계를 이용하여 이소프로필알코올의 온도를 측정하면, 본 발명의 작용 효과가 현저하게 발휘된다.

이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 방사 온도계의 사이즈를 크게 하는 일 없이, 예를 들면 이소프로필알코올 등의 측정 대상을 투과하지 않는 파장대가 좁은 경우라도 정밀도 좋게 온도 측정할 수 있다.

도 1은 본 실시형태의 방사 온도계의 사용 상태를 나타내는 모식도이다.
도 2는 상기 실시형태의 방사 온도계의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 3은 상기 실시형태의 측정 대상의 방사율 스펙트럼이다.
도 4는 상기 실시형태의 제1 적외선 필터 및 제2 적외선 필터의 성능을 나타내는 도이다.
도 5는 상기 실시형태의 필터군을 이용한 실험 결과이다.

이하에 본 발명에 관한 방사 온도계의 일실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시형태의 방사 온도계(100)는, 예를 들면 반도체 제조 프로세스에 사용되는 액체 등의 측정 대상의 온도 측정에 이용되는 것이며, 구체적으로는 반도체의 건조 공정 등에 이용되는 이소프로필알코올(이하, IPA라고 한다)의 온도를 측정하기 위한 것이다. 여기서의 IPA는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 회전하는 웨이퍼의 표면에 흘려져서, 예를 들면 두께 100μm 이하의 박막 상태로 되어 있고, 방사 온도계(100)는, 그 센서부가 박막 상태의 IPA와 대향하도록 웨이퍼의 상방에 배치되어 있다. 또한, 방사 온도계(100)의 연산 처리 등을 행하는 도시하지 않는 앰프부는, 센서부와는 별체이며, 전기 케이블 등에 의해 센서부와 접속되어 있다.

구체적으로 방사 온도계(100)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 케이싱(10)과, 케이싱(10) 내에 수용된 적외선 검출 소자(20)와, 적외선 검출 소자(20) 및 측정 대상의 사이에 배치되는 렌즈(30)를 구비하고 있다.

케이싱(10)은, 예를 들면 통 형상으로 형성되어 있고, 그 내부의 축방향 일단측에 적외선 검출 소자(20)가 배치됨과 함께, 축방향 타단측에 적외선 검출 소자(20)와 대향하도록 렌즈(30)가 배치되어 있고, 적외선 검출 소자(20)와 렌즈(30)의 사이에는 1 또는 복수의 조리개(40)가 마련되어 있다.

적외선 검출 소자(20)는, 측정 대상으로부터 방출되는 적외선을 검출하여, 검출한 적외선의 에너지에 대응한 강도 신호를 출력하는 것이다. 구체적으로 적외선 검출 소자(20)는, 예를 들면 적외 파장대의 전체 파장대의 적외선을 검출하는 것이며, 여기에서는 서모 파일 등의 열형(熱型)의 것이다. 또한, 적외선 검출 소자(20)로서는, 그 외의 타입의 것, 예를 들면, HgCdTe, InGaAs, InAsSb, PbSe 등의 양자형 광전 소자를 이용해도 상관없다.

렌즈(30)는, 측정 대상으로부터 방출되는 적외선을 적외선 검출 소자(20)에 집광하는 IR 렌즈(30)이며, 예를 들면 평면시에 있어서 직경 10mm ~ 22mm 정도의 대략 원형 형상을 이루는 것이다. 또한, 렌즈(30)의 형상이나 사이즈는 상기의 것에 한정하지 않고 적절히 변경해도 상관없다.

여기서, 어느 파장의 광이 물체에 닿았을 때, 반사율, 투과율, 및 흡수율의 합은 1이며, 키르히호프의 법칙에 의하면 흡수율은 방사율과 동일하다. 알코올은, 분자 구조 기인의 진동 모드를 가지고, 각각의 진동 모드는 적외선을 많이 흡수하는 고유의 파장대, 다시 말하자면 방사율이 높은 고유의 파장대를 가진다. IPA는, 진동 모드로서 대칭 CH3 변각 진동이나 2급 알코올의 C-OH 신축 진동을 가지고 있고, 이들의 진동에 기인하여 IPA의 방사율 스펙트럼에는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 방사율이 높은 파장대, 다시 말하자면 IPA를 투과하지 않는 파장대(이하, 비투과 파장대라고 한다)가 존재하고 있다. 본 실시형태의 IPA는, 서로 중첩되지 않는 적어도 2개의 비투과 파장대(이하, 제1 비투과 파장대(Z1) 및 제2 비투과 파장대(Z2)라고 한다)를 가지고 있고, 제1 비투과 파장대 및 제2 비투과 파장대는 비연속인 파장대이다. 또한, 비투과 파장대의 적외선은, 필터군(50)을 전혀 투과하지 않는 것이 바람직하지만, 방사 온도계(100)의 측정 정밀도를 담보할 수 있는 정도라면, 약간 투과해도 상관없다.

그렇게 하여, 본 실시형태의 방사 온도계(100)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 적외선 검출 소자(20)와 렌즈(30)의 사이에 개재(介在)하는 복수의 적외선 필터로 이루어지는 필터군(50)을 구비하고 있고, 이 필터군(50)이, 상술한 제1 비투과 파장대(Z1) 및 제2 비투과 파장대(Z2)의 적외선을 투과시키도록 구성되어 있다.

보다 구체적으로 설명하자면, 본 실시형태의 필터군(50)은, 투과 파장대가 서로 다른 제1 적외선 필터(51) 및 제2 적외선 필터(52)로부터 이루어지고, 제1 비투과 파장대(Z1)인 6.8μm 이상 7.8μm 이하의 적외선 및 제2 비투과 파장대(Z2)인 8.6μm 이상 8.64μm 이하의 적외선을 투과시키는 것이다.

본 실시형태에서는, 제1 적외선 필터(51)는, 예를 들면 케이싱(10) 내의 조리개(40)에 지지되어 있고, 제2 적외선 필터(52)보다 사이즈가 큰 것이다.

한편, 제2 적외선 필터(52)는, 제1 적외선 필터(51)보다 적외선 검출 소자(20)측에 배치되어 있고, 여기에서는 적외선 검출 소자(20)에 근접 배치되어 있다.

제1 적외선 필터(51)는, 적어도 제1 비투과 파장대(Z1) 및 제2 비투과 파장대(Z2)의 적외선을 투과시킴과 함께, 제1 비투과 파장대(Z1) 및 제2 비투과 파장대(Z2)의 사이의 파장대의 적외선을 투과시키지 않는 것이다.

구체적으로 이 제1 적외선 필터(51)는, 도 4의 상단에 나타내는 바와 같이, 제1 비투과 파장대(Z1)인 6.8μm 이상 7.8μm 이하의 적외선, 및, 제2 비투과 파장대(Z2)인 8.6μm 이상 8.64μm 이하의 적외선을 투과시킴과 함께, 7.8μm보다 길고 8.6μm보다 짧은 파장의 적외선은 투과시키지 않는 것이며, 밴드 스탑 필터로 칭해지는 것이다. 또한, 이 제1 적외선 필터(51)는, 제1 비투과 파장대(Z1)보다 짧은 파장(6.8μm보다 짧은 파장)이나 제2 비투과 파장대(Z2)보다 긴 파장(8.64μm보다 긴 파장)이라도 투과시키는 파장을 가진다.

제2 적외선 필터(52)는, 제1 비투과 파장대(Z1)로부터 제2 비투과 파장대(Z2)까지의 연속 파장대의 적외선을 투과시킴과 함께, 연속 파장대 이외의 파장대의 적외선을 투과시키지 않는 것이다. 여기서의 연속 파장대는, 제1 비투과 파장대(Z1)의 가장 짧은 파장으로부터 제2 비투과 파장대(Z2)의 가장 긴 파장까지의 파장대이며, 제1 비투과 파장대(Z1) 및 제2 비투과 파장대(Z2)의 전체 파장대를 포함하고 있지만, 제1 비투과 파장대(Z1)의 단파장측의 일부나 제2 비투과 파장대(Z2)의 장파장측의 일부가 포함되지 않아도 좋다.

구체적으로 이 제2 적외선 필터(52)는, 도 4의 상단에 나타내는 바와 같이, 연속 파장대인 6.8μm 이상 8.64μm 이하의 적외선을 투과시킴과 함께, 그 이외의 파장대의 적외선을 투과시키지 않는 적외선 필터이며, 브로드밴드 스탑 필터로 칭해지는 것이다.

그리고, 제1 적외선 필터(51) 및 제2 적외선 필터(52)를 중첩하여 맞추는 것으로, 본 실시형태의 필터군(50)은, 도 4의 하단에 나타내는 바와 같이, 6.8μm 이상 7.8μm 이하의 적외선 및 8.6μm 이상 8.64μm 이하의 적외선만을 투과시켜서, 그 이외의 파장대의 적외선(즉, 제1 비투과 파장대(Z1) 및 제2 비투과 파장대(Z2) 이외의 적외선)을 투과시키지 않는 것이 된다. 이 필터군(50)을 적외선 검출 소자(20)에 유도되는 적외선의 광로 상에 마련하는 것으로, 적외선 검출 소자(20)에서는, 6.8μm 이상 7.8μm 이하의 적외선 및 8.6μm 이상 8.64μm 이하의 적외선만이 검출된다.

이와 같이 구성된 본 실시형태에 관한 방사 온도계(100)에 의하면, 제1 적외선 필터(51) 및 제2 적외선 필터(52)에 의해서, 6.8μm 이상 7.8μm 이하의 적외선 및 8.6μm 이상 8.64μm 이하의 적외선만을 적외선 검출 소자(20)에 유도할 수 있으므로, IPA를 투과하지 않는 비투과 파장대의 적외선을 검출하는 것에 의해서 IPA의 온도를 측정할 수 있다. 이것에 의해, 예를 들면 IPA의 방사 온도계(100)와는 반대측에 있는 부재로부터 방출되어서 IPA를 투과하는 적외선은, 필터군(50)에 의해서 컷되므로, 측정 오차를 저감할 수 있다.

또한, 제1 비투과 파장대(Z1)와 제2 비투과 파장대(Z2)의 양쪽 모두의 파장대를 이용하고 있으므로, 어느 한쪽의 비투과 파장대만을 이용하고 있는 경우에 비하여, 적외선 검출 소자(20)에 유도하는 적외선의 광량(입사 에너지)을 증가시킬 수 있다. 도 5는 본 실시형태의 필터군(50)을 이용하여 제1 비투과 파장대(Z1) 및 제2 비투과 파장대(Z2)의 적외선을 검출했을 경우(A)와, 제2 비투과 파장대(Z2)의 적외선을 검출했을 경우(B)를 비교한 실험 결과를 나타내고 있다. 이 실험 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시형태의 필터군(50)을 이용했을 경우(A)가, 제2 비투과 파장대(Z2)의 적외선을 검출했을 경우(B)에 비해, 적외선의 광량(입사 에너지)이 저온역에서는 약 2.3배, 고온역에서는 약 3.0배가 되고 있다. 이것에 의해, 큰 렌즈(30) 등을 이용하는 일 없이 검출 감도를 향상시킬 수 있으므로, 방사 온도계(100)의 사이즈를 크게 하는 일 없이, 예를 들면 반도체 제조 프로세스 등과 같이 방사 온도계의 크기에 제약이 있는 경우라도, IPA의 온도를 정밀도 좋게 측정할 수 있다.

또한, 제2 적외선 필터(52)를 적외선 검출 소자(20)에 근접 배치하고 있으므로, 예를 들면 케이싱(10)의 내벽 등에서 6.8μm보다 짧은 파장의 적외선이나 8.64μm보다 긴 파장의 적외선이 방출되었다고 해도, 이들의 적외선을 제2 적외선 필터(52)에 의해 컷할 수 있고, 측정 정밀도의 더욱 더의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다.

예를 들면, 상기 실시형태의 필터군(50)은, 제1 비투과 파장대(Z1) 및 제2 비투과 파장대(Z2)의 적외선만을 투과시키도록 구성되어 있었지만, 제1 비투과 파장대(Z1) 및 제2 비투과 파장대(Z2)와는 다른 제3 비투과 파장대의 적외선을 더 투과시키도록 구성되어 있어도 좋다.

또한, 본 발명에 관한 방사 온도계(100)는, IPA의 온도 측정뿐만 아니라, 예를 들면 대칭 CH3 변각 진동이나 2급 알코올의 C-OH 신축 진동을 진동 모드로서 가지는 다른 알코올 등, 측정 대상은 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 실시형태의 필터군(50)은, 2매의 적외선 필터로부터 구성되어 있었지만, 3매 이상의 적외선 필터로부터 구성되어 있어도 좋다.

이에 더하여, 제1 적외선 필터(51) 및 제2 적외선 필터(52)의 배치는 상기 실시형태에 한정하지 않고, 제1 적외선 필터(52)가, 제2 적외선 필터보다 적외선 검출 소자(20)측에 배치되어 있어도 좋다.

또한 이에 더하여, 필터군(50)은, 서로 중첩되지 않는 적어도 제1 파장대 및 제2 파장대의 적외선을 투과시킬 수 있으면, 1매의 적외선 필터라도 좋다.

그 외, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능하는 것은 말할 필요도 없다.

100…방사 온도계
10…케이싱
20…적외선 검출 소자
30…렌즈
50…필터군
51…제1 적외선 필터
52…제2 적외선 필터
Z1…제1 비투과 파장대
Z2…제2 비투과 파장대

Claims

측정 대상으로부터 방출된 적외선을 검출하는 적외선 검출 소자를 가지고, 상기 적외선 검출 소자에 의해 검출된 적외선의 강도에 기초하여 상기 측정 대상의 온도를 측정하는 방사 온도계로서,
상기 적외선 검출 소자에 유도되는 적외선의 광로 상에 마련된 복수의 적외선 필터로 이루어지는 필터군을 더 가지고,
상기 필터군이, 서로 중첩되지 않는 적어도 제1 파장대 및 제2 파장대의 적외선을 투과시키고,
상기 필터군이,
적어도 상기 제1 파장대 및 상기 제2 파장대의 적외선을 투과시킴과 함께, 상기 제1 파장대 및 상기 제2 파장대 사이의 파장대의 적외선을 투과시키지 않는 제1 적외선 필터와,
상기 제1 파장대로부터 상기 제2 파장대까지의 연속 파장대의 적외선을 투과시킴과 함께, 상기 연속 파장대 이외의 파장대의 적외선을 투과시키지 않는 제2 적외선 필터를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 방사 온도계.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 파장대 및 상기 제2 파장대의 적외선이, 상기 측정 대상을 투과하지 않는 방사 온도계.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제2 적외선 필터가, 상기 제1 적외선 필터보다 상기 적외선 검출 소자 측에 배치되어 있는 방사 온도계.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 파장대가, 6.8μm 이상 7.8μm 이하이며,
상기 제2 파장대가, 8.6μm 이상 8.64μm 이하인 방사 온도계.
제 1 항에 있어서,
이소프로필알코올의 온도 측정에 이용되는 방사 온도계.