TW201600838A - 修正雙波段測溫誤差的溫度測量方法及系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種修正雙波段測溫誤差的溫度測量方法及系統，在校正階段通過雙波段測溫的測溫儀測算一個基準物體在兩個不同波長下的輻射能量和溫度，通過擬合求取表示發射率比值的對數與1/Tdual之間關係的方程式；在測量階段，通過雙波段測溫的測溫儀測算一個被測物體在兩個波長下對應的輻射能量和溫度，並根據算出的1/Tdual數值和校正階段求得的方程式，計算被測物體的實際溫度。由於Tdual的數值是基於輻射能量的比值來計算的，不受測量路徑上干擾介質的影響，因此本發明可以有效修正雙波段測溫誤差，溫度測量結果更準確。

Description

修正雙波段測溫誤差的溫度測量方法及系統

本發明涉及溫度測量領域，特別涉及一種修正雙波段測溫誤差的溫度測量方法及系統。

基於普朗克（Plank）原理的非接觸式輻射測溫方法，通過對物體自身輻射能量的測量來確定物體的表面溫度。物體的輻射量除依賴於輻射波長及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類、表面狀態等因素有關，一般用發射率或光譜發射率來表徵物體的紅外輻射特性。實際物體的發射率會隨溫度變化而變化。如圖1所示，被測物體1的輻射能量透過石英視窗2進入紅外輻射測溫儀，通過光學單元3聚焦到探測器4中形成相應的電信號，按照發射率校正信號後得到被測物體的溫度。然而，在紅外輻射測溫儀與被測物體之間的測量路徑上存在的任何干擾介質5，如煙霧、蒸汽、粉塵、不乾淨的視窗、機械障礙、測溫儀偏離視窗透光孔中心時形成陰影將探測器的一部分遮擋等原因，都可能導致探測器4接收到的輻射能量衰減，影響物體溫度測量的準確性。

現有一種基於雙波段測溫方法（亦稱雙色測溫、比色測溫等）中，在測溫儀的光學單元中將被測物體的輻射能量分成兩路光束後，通過對應兩個不同波段的波長（一般是不同的兩個紅外波長）的濾光片分別濾波後，聚焦到探測器中來計算被測物體在這兩個波長下的輻射能量及其比值，並計算這兩個波長下溫度之間的關係。

如圖2所示是現有一種雙波段測溫方法的流程圖。探測器求得被測物體在這兩個波長下的輻射能量及其比值，及這兩個波長下的溫度關係，通過以下數學式2來確定被測物體的實際溫度，可以不必知曉數學式1中物體發射率的具體數值。 【數學式1】【數學式2】其中，c₁ 為第一輻射係數c₁ ＝3.7418×10^-16 W·m² ；c₂ 為第二輻射係數c₂ ＝1.4388×10^-2 m·K。當被測物體真實的溫度為T 時，其在第一波長λ₁ 時的溫度為T₁ ，發射率為ε₁ ，輻射能量為P₁ ；其在第二波長λ₂ 時的溫度為T₂ ，發射率為ε₂ ，輻射能量為P₂ 。

設上述數學式1和數學式2中的第一部分為，設數學式中其餘為第二部分。 即， 【數學式3】對於第二部分的計算，已知相關參數有如下的關係： 【數學式4】；【數學式5】

當預先通過大量已知的資料擬合得到與之間的函數關係y 時，探測器根據兩次採集到的溫度資料計算其倒數的差值，根據數學式5及函數關係y 推導出的結果，將其與數學式3中第一部分的計算結果一起代入數學式1，從而確定被測物體的溫度T 。 【數學式6】

在有干擾介質影響時，輻射能量P₁ 、 P₂ 會同步減弱，因此數學式3所示基於比值P₁ /P₂ 計算的結果不會受到干擾介質的影響。然而，由於發射率ε₁ 、 ε₂ 隨物體溫度變化會有很大區別，因而當測量路徑上有干擾介質時，數學式2中第二部分的運算結果與數學式1中第二部分的實際結果會有很大誤差，以數學式2來推導數學式1將導致溫度測試的結果不準確。一般說來，為了提高雙波長測溫的精度，關鍵是選擇合適的波長，使兩個波長處的發射率相近，ε₁ 、 ε₂ 相差越小，基於數學式2中第二部分的測量誤差就越小。

圖3示出輻射強度衰減與測量誤差的關係。可知同一個物體的輻射強度衰減越多，其測量誤差ΔT （即實際溫度與通過上述方法測得的溫度的差值）越大。另外，被測物體的實際溫度越高，測量誤差也越大：例如，實際溫度在765℃的物體，在輻射強度減少10%時的測量誤差ΔT 約為13℃；而實際溫度在1080℃的物體，在輻射強度減少10%時的測量誤差ΔT 約為20℃。

以半導體領域為例，在基板上製作半導體器件時需要極為精確的溫度控制。根據錯誤的溫度測量數值，溫度控制系統會誤認為被測物體（基板或基板的託盤等）出現溫度波動，從而驅使加熱或冷卻裝置進行溫度調節；若溫度調節偏離了製造工藝所需的要求，會導致產品品質和生產效率降低，甚至會導致產品報廢，機台損壞的嚴重後果。

本發明的目的是提供一種更為精確的溫度測量方法及系統，來克服現有雙波段測溫方法中因干擾介質等原因產生測量誤差的問題。

為了達到上述目的，本發明的一個技術方案是提供一種修正雙波段測溫誤差的溫度測量方法，其包含： 在校正階段， A1、通過雙波段測溫的測溫儀Hs ，來測算一個基準物體在兩個不同波長λ₁ 、 λ₂ 下對應的輻射能量P_1s 、 P_2s 及比值P_1s /P_2s ； A2、利用發射率檢測裝置檢測獲得基準物體表面在波長λ₁ 、 λ₂ 下對應的發射率數值ε_1s 、 ε_2s ，並計算獲得；或者，利用基準測溫儀Ws 獲得基準物體的實際溫度T_Ws 計算獲得； A3、根據所述比值P_1s /P_2s 計算獲得基準物體的雙波長溫度測量值T_{dual -s} ： A4、對基準物體進行多次A1-A3步驟的測量，並獲得多個包括T_{dual -s} 與相應溫度下的數值的資料組，得到表示與之間關係的方程式； 在測量階段， B1、通過雙波段測溫的測溫儀Hs ，來測算一個被測物體在兩個波長λ₁ 、 λ₂ 下對應的輻射能量P₁ 、 P₂ 及比值P₁ /P₂ ； B2、根據所述比值P_1s /P_2s 計算獲得被測物體的雙波長溫度測量值T_dual ： B3、根據校正階段求得的方程式計算獲得雙波長溫度修正值，根據所述雙波長溫度測量值T_dual 和所述雙波長溫度修正值計算被測物體的實際溫度T 。

可選地，在校正階段的A2中，測量得到基準物體發射率ε_1s 、 ε_2s 的過程，包含以波長為λ₁ 、 λ₂ 的光線作為基準參考光源入射到基準物體表面，分別測量從基準物體表面反射的輻射值並計算反射率，以1減去該反射率得到相應的發射率ε_1s 、 ε_2s ，進而計算的數值。

可選地，在校正階段的A2中，測量得到基準物體的實際溫度T_Ws 後，利用數學式4或其等價形式來計算的數值； 【數學式4】，其中，T_1s 、T_2s 是基準物體在兩個波長λ₁ 、 λ₂ 下對應的溫度，通過在數學式5中代入基準物體的輻射能量P_1s 、 P_2s 來求取： 【數學式5】，其中，c₁ 為第一輻射係數，c₂ 為第二輻射係數。

可選地，對基準物體進行多次測量，在校正階段的步驟A4中，以橫坐標、縱坐標，或者以橫坐標T_{dual -s} 、縱坐標，繪製每次測量時得到的資料點；對資料點進行直線擬合，得到表示與之間線性關係的方程式。

可選地，所述被測物體是在MOCVD設備中正在進行處理的基片，所述基準物體是與正在進行處理的基片具有相同材質及表面狀態的測試基片。

本發明的另一個技術方案是提供一種修正雙波段測溫誤差的溫度測量系統，其中包含： 一個雙波段測溫的測溫儀Hs ，其光學單元將採集的基準物體或被測物體的輻射能量在分光及濾波後得到兩路波長為λ₁ 、 λ₂ 的光束，發送至探測器進行信號處理； 所述探測器，進一步包含： 輻射能量測算環節，分別對基準物體或被測物體在兩波長λ₁ 、 λ₂ 下對應的輻射能量及比值進行測算； 溫度測算環節，根據基準物體或被測物體的輻射能量，相應計算基準物體或被測物體各自在兩波長λ₁ 、 λ₂ 下對應的溫度； 發射率測算環節，計算基準物體與兩波長λ₁ 、 λ₂ 下的溫度所對應發射率的比值的對數值； 第一運算環節，在數學式2的P₁ 、 P₂ 中代入基準物體的輻射能量並計算對應結果，或在數學式2的P₁ 、 P₂ 中代入被測物體的輻射能量並計算對應結果： 【數學式2】其中，c₂ 為第二輻射係數； 方程擬合環節，根據對基準物體多次測量後繪製的資料點，通過擬合得到表示第一參數和第二參數之間關係的方程式：第一參數是基準物體發射率比值的對數值；第二參數是基準物體實際溫度的倒數值與數學式2中代入基準物體輻射能量後計算結果的差值； 綜合計算環節，根據第一參數、第二參數之間關係的方程式，及數學式2中代入被測物體的輻射能量求得的結果，以數學式3計算被測物體的實際溫度T ； 【數學式3】。

可選地，還包含一個基準參考光源，提供入射到基準物體表面的波長為λ₁ 、 λ₂ 的光線；和一個接收由基準物體表面反射的輻射值並計算反射率的測算單元，通過與測溫儀Hs 的發射率測算環節配合來獲得基準物體的發射率，進而計算發射率比值的對數值。

可選地，還包含一個基準測溫儀Ws ，用來直接精確地測量一個基準物體的實際溫度T_Ws ；所述測溫儀Hs 的發射率測算環節，根據基準物體的實際溫度T_Ws ，計算基準物體與兩波長λ₁ 、 λ₂ 下的溫度所對應的發射率比值的對數。

可選地，所述被測物體是在MOCVD設備中正在進行處理的基片，所述基準物體是與正在進行處理的基片具有相同材質及表面狀態的測試基片。

與現有技術相比，本發明提供的溫度測量方法及系統，其優點在於： 本發明中通過測量實際溫度已知的基準物體，來求取表示物體發射率與之間的函數關係式，例如是發射率比值的對數與數值之間的線性方程，進而通過僅僅涉及變數的關係式來計算被測物體的實際溫度。由於的數值是基於輻射能量的比值來計算的，即使在測量路徑上有干擾介質，兩個波長下測得的輻射能量也會同步衰減，而不影響該的計算結果，因此本發明可以有效修正雙波段測溫誤差，得到更為準確的物體實際溫度測量值。

本發明中基於雙波段測溫原理進行溫度測量，涉及以下數學式： 【數學式7】，其中，c₁ 為第一輻射係數c₁ ＝3.7418×10^-16 W·m² ；c₂ 為第二輻射係數c₂ ＝1.4388×10^-2 m·K。實際溫度為T 的物體，其在第一波長λ₁ 時的溫度為T₁ ，發射率為ε₁ ，輻射能量為P₁ ；其在第二波長λ₂ 時的溫度為T₂ ，發射率為ε₂ ，輻射能量為P₂ 。 根據數學式7可推導出： 【數學式8】，【數學式9】，【數學式10】【數學式11】設數學式11中的第一部分為：  【數學式12】其等價形式有： 【數學式13】則，數學式11的等價形式有： 【數學式14】上式可變換得到： 【數學式15】可知，與為線性關係。為了方便描述，將稱為雙波長溫度測量值，將求取方程式得到的結果稱為雙波長溫度修正值。

如圖4所示，本發明的溫度測量方法，包含校正階段和測量階段。在校正階段，包含以下步驟： A1、通過雙波段測溫的測溫儀Hs ，來採集基準物體在兩個不同波長λ₁ 、 λ₂ 下的輻射能量，記為P_1s 、 P_2s ，並計算其比值P_1s /P_2s ；所述基準物體是由與被測物體具有類似特性的材料或者與被測物體相同的材料製成。 根據數學式8可計算基準物體在這兩個波長λ₁ 、 λ₂ 下的溫度T_1s 、T_2s ； A2、獲取基準物體在溫度T_1s 、T_2s 時的發射率ε_1s 、 ε_2s 的比值的對數，即的數值；具體可以通過以下方式實現： 其一是利用一個發射率檢測裝置，該發射率監測裝置以一個基準參考光源入射到基準物體表面，測量從基準物體表面反射的輻射值並計算反射率，以1減去該反射率得到發射率ε ；發射率檢測裝置分別使用波長為λ₁ 、 λ₂ 的光線，測得對應這些波長時的基準物體的發射率作為ε_1s 、 ε_2s ，並計算的數值； 其二是由熱電偶、或以接觸法、或使用其他更高精度的溫度測量裝置或方法，測量得到基準物體當前的實際溫度T_s 後，利用數學式9或其等價形式來計算的數值； A3、根據數學式12計算數學式11中的第一部分的數值，即基準物體的雙波長溫度測量值的倒數，記為； A4、提供足夠多的實驗資料，以直線擬合等擬合方式得到數學式15中的線性方程。

本發明在測量階段，進一步包含以下步驟： B1、通過雙波段測溫的測溫儀Hs ，採集被測物體在兩個不同波長λ₁ 、 λ₂ 下的輻射能量P₁ 、 P₂ 並計算其比值P₁ /P₂ ； 根據數學式8可計算被測物體在這兩個波長λ₁ 、 λ₂ 下的溫度T₁ 、T₂ ； B2、根據數學式12計算數學式11中的第一部分的數值，即被測物體的雙波長溫度測量值的倒數； B3、代入校正階段獲得的方程，計算被測物體的實際溫度T ： 【數學式16】

本發明基於上述方法提供一種溫度測量系統，其中設置一個雙波段測溫的測溫儀Hs 。該測溫儀Hs 的光學單元能夠將被測物體或基準物體的輻射能量分光後形成兩路光束後分別進行濾波，再分別聚焦至探測器中求取相應物體在這兩個波長下的輻射能量及其比值，和這兩個波長下的溫度關係。

圖5中提供了測溫儀Hs 的一種示例結構，光學部分中包含聚光、分光用的若干透鏡，向探測器提供濾波後波長為λ₁ 、 λ₂ 的光束的兩個濾光片。

所述測溫儀Hs 中，進一步包含以下的信號處理單元： 輻射能量測算環節，分別對步驟A1中基準物體或步驟B1中被測物體，在兩波長下的輻射能量及比值進行測算； 溫度測算環節，分別對步驟A2中基準物體或步驟B2中被測物體，在兩波長下的溫度關係進行測算； 發射率測算環節，對步驟A3中基準物體的發射率或發射率比值的對數進行測算； 第一運算環節，分別對步驟A4中基準物體或步驟B3中被測物體中不受干擾介質影響的第一部分進行計算； 方程擬合環節，在步驟A5中根據基準物體的實驗資料點，以直線擬合方式得到能體現與線性關係的方程式； 綜合計算環節，在步驟B4中，根據步驟B3得到的數值及驟A5中得到的線性方程，計算被測物體的實際溫度T 。

對應上述校正階段步驟A3的不同實現方式，在本發明的溫度測量系統的一個示例中，可以進一步包含：基準參考光源，提供入射到基準物體表面的波長為λ₁ 、 λ₂ 的光線；和接收反射的輻射值並計算反射率的測算單元。這些設備可以是測溫儀Hs 內置的一部分，或者是其他外接的設備。通過與測溫儀Hs 的發射率測算環節配合來計算基準物體的發射率或發射率比值的對數值。

或者，在本發明的溫度測量系統的另一個示例中，還可以包含一個基準測溫儀Ws ，用來直接精確地測量基準物體的實際溫度。配合測溫儀Hs 的發射率測算環節來計算基準物體的發射率比值的對數值。

本發明的主要應用場合是熱化學氣相沉積（thermal CVD）特別是MOCVD設備，被測物體是MOCVD設備中正在進行工藝處理的基片；基準物體可以是測試用的基片，具有與處理中的基片相同的材質、表面狀態等，例如測試基片是在校正階段之前通過MOCVD設備進行了與被測物體基本相同的工藝處理。由於MOCVD設備中為了提高溫度和反應氣體分佈的均勻性，處理中的基片由其支撐基座帶動做高速旋轉，通常為600轉/分，所以雙波段測溫的測溫儀Hs 不僅要測量兩個波長還需要快速的取樣計算能力，否則實際測得的溫度是下方對應環狀區域上的平均溫度，檢測速度越快則實際測得的溫度區域越小，測溫就越精確。而在校正階段由於不是正式加工階段，不需要考慮均一性，可以降低基片轉速甚至不轉，所以對基準測溫儀Ws 的主要要求是高精度，而不是快速檢測所以可以獲得更高精度的溫度用於校正，在校正完成獲得函數後可以拆下基準測溫儀Ws ，用於其它需要校正的反應機台，所以能低成本的實現高精度溫度測量。

如圖6所示的一個示例，在校正階段的步驟A5中，對基準物體測試足夠多的次數，並繪製相應的資料點，橫坐標為T_{dual -s} ，縱坐標為；此處T 代入的是預先通過基準測溫儀Ws 精確測得的基準物體的實際溫度T_Ws ，得到= -1.12×10^-7 ×T_dual-s +0.000147。

則在測量階段的步驟B4中，將步驟B3中得到的及的數值，代入以下數學式，來計算被測物體的實際溫度： 。

如圖7所示的另一個示例中，則是以橫坐標T_{dual -s} ，縱坐標，繪製基準物體的大量實驗資料點，得到= 9×10^-5 ×T_dual-s +0.1613。

則在測量階段的步驟B4中，將步驟B3中得到的及的數值，代入以下數學式，來計算被測物體的實際溫度：。

由於的數值是基於輻射能量的比值來計算，即使在測量路徑上有干擾介質，兩個波長下測得的輻射能量也會同步衰減，而不影響該的計算結果，因此本發明中通過數學式16來計算物體的實際溫度時更為準確。

儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本發明所屬領域具有通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。

1‧‧‧被測物體
2‧‧‧石英視窗
3‧‧‧光學單元
4‧‧‧探測器
5‧‧‧干擾介質
Hs‧‧‧測溫儀
Ws‧‧‧基準測溫儀

圖1是現有紅外輻射測溫儀的結構示意圖； 圖2是現有雙波段測溫方法的流程示意圖； 圖3是使用現有雙波段測溫方法時輻射強度衰減與測量誤差的關係圖； 圖4是本發明所述修正雙波段測溫誤差的溫度測量方法的流程示意圖； 圖5是本發明中修正雙波段測溫誤差的溫度測量系統的示意圖； 圖6、圖7是本發明中校正階段求取線性方程的兩個示例。

Claims (9)

1. 一種修正雙波段測溫誤差的溫度測量方法，其特徵在於，包含： 在校正階段， A1、通過雙波段測溫的測溫儀Hs ，來測算一個基準物體在兩個不同波長λ₁ 、 λ₂ 下對應的輻射能量P_1s 、 P_2s 及比值P_1s /P_2s ； A2、利用發射率檢測裝置檢測獲得所述基準物體表面在波長λ₁ 、 λ₂ 下對應的發射率數值ε_1s 、 ε_2s ，並計算獲得；或者，利用基準測溫儀Ws 獲得所述基準物體的實際溫度T_Ws 計算獲得； A3、根據所述比值P_1s /P_2s 計算獲得所述基準物體的雙波長溫度測量值T_{dual -s} ： A4、對所述基準物體進行多次A1-A3步驟的測量，並獲得多個包括T_{dual -s} 與相應溫度下的數值的資料組，得到表示與之間關係的方程式； 在測量階段， B1、通過雙波段測溫的測溫儀Hs ，來測算一個被測物體在兩個波長λ₁ 、 λ₂ 下對應的輻射能量P₁ 、 P₂ 及比值P₁ /P₂ ； B2、根據所述比值P_1s /P_2s 計算獲得所述被測物體的雙波長溫度測量值T_dual ： B3、根據校正階段求得的方程式計算獲得雙波長溫度修正值，根據所述雙波長溫度測量值T_dual 和所述雙波長溫度修正值計算所述被測物體的實際溫度T 。
2. 如請求項1所述的溫度測量方法，其中 在所述校正階段的A2中，測量得到所述基準物體發射率ε_1s 、 ε_2s 的過程，包含以波長為λ₁ 、 λ₂ 的光線作為基準參考光源入射到所述基準物體表面，分別測量從所述基準物體表面反射的輻射值並計算反射率，以1減去該反射率得到相應的發射率ε_1s 、 ε_2s ，進而計算的數值。
3. 如請求項1所述的溫度測量方法，其中 在所述校正階段的A2中，測量得到所述基準物體的實際溫度T_Ws 後，利用數學式4或其等價形式來計算的數值； 【數學式4】，其中，T_1s 、T_2s 是所述基準物體在兩個波長λ₁ 、 λ₂ 下對應的溫度，通過在數學式5中代入所述基準物體的輻射能量P_1s 、 P_2s 來求取： 【數學式5】，其中，c₁ 為第一輻射係數，c₂ 為第二輻射係數。
4. 如請求項1所述的溫度測量方法，其中 對所述基準物體進行多次測量，在所述校正階段的步驟A4中，以橫坐標、縱坐標，或者以橫坐標T_{dual -s} 、縱坐標，繪製每次測量時得到的資料點；對所述資料點進行直線擬合，得到表示與之間線性關係的方程式。
5. 如請求項1所述的溫度測量方法，其中 所述被測物體是在MOCVD設備中正在進行處理的基片，所述基準物體是與正在進行處理的基片具有相同材質及表面狀態的測試基片。
6. 一種修正雙波段測溫誤差的溫度測量系統，其特徵在於，包含： 一個雙波段測溫的測溫儀Hs ，其光學單元將採集的基準物體或被測物體的輻射能量在分光及濾波後得到兩路波長為λ₁ 、 λ₂ 的光束，發送至探測器進行信號處理； 所述探測器，進一步包含： 輻射能量測算環節，分別對所述基準物體或被測物體在兩波長λ₁ 、 λ₂ 下對應的輻射能量及比值進行測算； 溫度測算環節，根據所述基準物體或被測物體的輻射能量，相應計算所述基準物體或被測物體各自在兩波長λ₁ 、 λ₂ 下對應的溫度； 發射率測算環節，計算所述基準物體與兩波長λ₁ 、 λ₂ 下的溫度所對應發射率的比值的對數值； 第一運算環節，在數學式2的P₁ 、 P₂ 中代入所述基準物體的輻射能量並計算對應結果，或在數學式2的P₁ 、 P₂ 中代入所述被測物體的輻射能量並計算對應結果： 【數學式2】其中，c₂ 為第二輻射係數； 方程擬合環節，根據對所述基準物體多次測量後繪製的資料點，通過擬合得到表示第一參數和第二參數之間關係的方程式：所述第一參數是基準物體發射率比值的對數值；所述第二參數是所述基準物體實際溫度的倒數值與數學式2中代入所述基準物體輻射能量後計算結果的差值； 綜合計算環節，根據所述第一參數、第二參數之間關係的方程式，及數學式2中代入所述被測物體的輻射能量求得的結果，以數學式3計算被測物體的實際溫度T ； 【數學式3】。
7. 如請求項6所述的溫度測量系統， 更包含一個基準參考光源，提供入射到所述基準物體表面的波長為λ₁ 、 λ₂ 的光線；和一個接收由所述基準物體表面反射的輻射值並計算反射率的測算單元，通過與測溫儀Hs 的發射率測算環節配合來獲得所述基準物體的發射率，進而計算發射率比值的對數值。
8. 如請求項6所述的溫度測量系統， 更包含一個基準測溫儀Ws ，用來直接精確地測量所述基準物體的實際溫度T_Ws ；所述測溫儀Hs 的發射率測算環節，根據所述基準物體的實際溫度T_Ws ，計算所述基準物體與兩波長λ₁ 、 λ₂ 下的溫度所對應的發射率比值的對數。
9. 如請求項6所述的溫度測量系統，其中 所述被測物體是在MOCVD設備中正在進行處理的基片，所述基準物體是與正在進行處理的基片具有相同材質及表面狀態的測試基片。