JP2007218591A - ハイブリッド型表面温度計、温度分布測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、熱電対のような接触式手法の利点と放射測温のような非接触式手法の利点とを組み合わせて相乗的効果を発揮すると同時に、両者の弱点を克服した新しいハイブリッド型表面温度計を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明に係るハイブリッド型表面温度計では、薄膜金属を測定対象に所定の圧力で押圧接触させ、薄膜金属の裏面からの放射輝度を光センサで計測することによって、測定対象の表面温度を測定することを特徴とするハイブリッド型表面温度計。更に、該測定対象に直近してサファイアなどのロッド状の光透過体を設置し、該ロッド状の光透過体を通して、該測定対象からの放射を透過させて光センサで検出することを特徴とするハイブリッド型表面温度計。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱電対のような接触式表面温度計測手法の利点と放射測温のような非接触式表面温度計測手法の利点とを組み合わせて相乗的な効果を発揮すると同時に、両者の弱点を克服した新しいハイブリッド型の表面温度計、温度分布測定装置及び測定方法に関する。特に熱伝導率の良い薄膜金属材料を測定対象に押圧接触させて熱平衡状態を現出させ、その薄膜金属材料の測定対象に接触されていない裏面を放射測温法で測温することにより、測定対象の真温度を計測することができるハイブリッド型表面温度計や温度分布測定装置及び測定方法を提供するものである。

温度はさまざまな分野で最も基本的かつ重要な物理量の１つである。そのため、多彩な温度計測手法が存在し、現在もなお研究開発が進められている。測定対象を物体の表面温度計測に限定して概観すると、大別して熱電対のように測定対象に溶接等により熱的に接触させ、その熱起電力を測定することによって温度を計測する、いわゆる接触式の温度計測手法と、対象物の温度に対応して放射される電磁波を検出することによって温度を計測する放射測温法、いわゆる非接触式の温度計測手法がある。

前者は、基本的に対象物に溶接することを要請されるために、溶接自体が困難な対象や走行する対象には適用しがたいこと、溶接するために対象物に損傷を与えること、環境や経年変化による熱電対そのものの劣化の問題などを内包している。一方、後者の放射測温法は、測定対象表面の放射率が変化する場合に決定的な測温誤差を惹起する。放射率が一定である測定対象物は現実的には極めてまれであり、放射測温法を適用するためには基本的に放射率を何らかの方法で補正する手立てが必要である。

熱電対を使用し、この熱電対を直接に測定対象に溶接するのではなく、薄膜金属を介して測定対象に間接的に接触させて温度計測する方法が下記の非特許文献１に開示されている。すなわち熱電対を固定した薄膜の金属を測定対象に接触させて温度計測すると、測定精度が改善することが記載されている。だがシリコン半導体ウエハ等の表面温度測定に容易に使用することができないものであり、前述の熱電対を使用した温度計測の欠点を持つものであった。
D. Yakob著HeatTransfer, Vol.II, John Wiley & Sons (1965) P.151-P.152

更に、低放射率測定用非接触温度計のアダプターとして、凸状断面形状で光軸を横断する部分を薄膜の合成樹脂の赤外線放射部材で、非接触温度計の先端部に着脱可能に取付けた構成の表面温度計が特許文献１に、測定対象の内部を測温する内部温度計が特許文献２に開示されている。これらは比較的に簡単な構成ではあるが、シリコン半導体ウエハ等の表面温度測定に容易に使用することができないものであった。
特開平１０−９９５８号公報 特開平１０−２８１８７８号公報

本発明は、熱電対のような接触式手法の利点と放射測温のような非接触手法の利点とを組み合わせて相乗的効果を発揮すると同時に、両者の弱点を克服した新しいハイブリッド型表面温度計を提供することを目的とする。

また、熱伝導率のよい薄膜金属材料を測定対象に接触させて熱平衡状態を現出させ、その薄膜金属材料の測定対象に接触されていない裏面を放射測温法により、真温度を計測する新しいハイブリッド型表面温度計を提供することを目的とする。さらに、薄膜金属材料の裏面を高放射率加工して放射率の変動に依存しない放射測温法により真温度を計測する新しいハイブリッド型表面温度計を提供することを目的とする。

更に、測定対象に接触させる薄膜金属を用いる表面温度計部分と用いない放射計部分を組み合わせて、測定対象の温度のみならず、放射測温法の弱点である測定対象の放射率をも同時に計測することができる新しいハイブリッド型表面温度計を提供することを目的とする。

更に、熱電対などを表面に溶接することが困難な半導体ウエハなどの温度計測に特に効果的である新しいハイブリッド型表面温度計を提供することを目的とする。

更に、測定温度領域が、常温付近の低温から２０００度Ｃを超える高温まで幅広い範囲に適用が可能である新しいハイブリッド型表面温度計を提供することを目的とする。また更に、１mm径以下の微小な面の１点測定等の局所的な点測定のみならず、光ファイバや光透過ロッドなどとの組み合わせにより、多点同時測定可能な、且つ付加価値の高い、多くの分野で使用することができる新しいハイブリッド型表面温度計、温度分布測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。

前述の課題および目的を解決するために、本発明の請求項１のハイブリッド型表面温度計では、薄膜金属を測定対象に所望の圧力で押圧接触させ、測定対象に接触していない薄膜金属の裏面からの放射輝度を光センサで計測することによって、測定対象の表面温度を測定するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２及び３のハイブリッド型表面温度計では、測定対象に直近してサファイア、石英、フッ化カルシウム（CaF₂）、フッ化バリウム（BaF₂）などのロッド状の光透過体を設置し、このロッド状の光透過体を通して、薄膜金属の測定対象に接触していない裏面からの放射を透過させて光センサで検出するようにしたことを特徴とする。また、本発明の請求項４のハイブリッド型表面温度計では、薄膜金属の測定対象に接触していない裏面を高放射率加工して、放射率の依存を少なくしたことを特徴とする。

更に、本発明の請求項５のハイブリッド型表面温度計では、薄膜金属が測定対象に接触するときに生じる熱接触抵抗によって低下する該薄膜金属の温度を補償する補償手段を持ち、この補償手段によって該測定対象の表面温度を補償して測定するようにしたことを特徴とする。

更に、本発明の請求項６のハイブリッド型表面温度計による温度分布測定装置では、請求項１〜５に記載されている一つ又は複数個のハイブリッド型表面温度計を複数個所定の間隔で並べて、測定対象の温度分布を測定するようにしたことを特徴とする。

更に、本発明の請求項７の測定方法及びハイブリッド型表面温度計では、請求項１〜５に記載されている一つのハイブリッド型表面温度計で測定対象の表面温度を測定し、薄膜金属をもたない別途用意した第２の光センサによる放射計で、測定対象の同じ測定領域の放射輝度を計測することによって、該測定対象の表面温度と放射率を測定できるようにしたことを特徴とする。

更に、本発明の請求項８の測定方法及びハイブリッド型表面温度計では、請求項７の測定方法及びハイブリッド型表面温度計の放射計に、偏光子を取り付けたことによって、測定対象の温度と偏光放射率を測定できるようにしたことを特徴とする。

更に、本発明の請求項９の測定方法及びハイブリッド型表面温度計では、請求項７の測定方法及びハイブリッド型表面温度計の放射計の前に、分光器をつけることによって、測定対象の温度と分光放射率を測定できるようにしたことを特徴とする。

本発明に係るハイブリッド型表面温度計及び測定方法では、熱電対のような接触式手法の利点と放射測温のような非接触手法の利点とを組み合わせて相乗的効果を発揮すると同時に、両者の弱点を克服した新しい表面温度計測が可能である。すなわち、熱伝導率のよい薄膜金属材料を測定対象に接触させて熱平衡状態を現出させ、その裏面を放射測温法により真温度を正確に計測することが可能であり、測定対象を損傷することなく、測定温度領域は薄膜金属材料を選択することにより、常温付近の低温から２０００度Ｃを超える高温まで幅広い範囲にわたり真温度を正確に計測することが可能である。

更に、本発明に係るハイブリッド型表面温度計及び測定方法では、測定対象に熱電対などを表面に溶接したり、測定対象に黒体テープや黒体塗料を付着したりする必要が無い為、不要な手間がかからず操作性がよいものである。またシリコン半導体ウエハのように、試料表面に熱電対を溶接することがきわめて困難な試料に対して、特に有効な温度計測技術となり得るものである。又、製造プロセス中での、いわゆるin-situ 測温法としても威力を発揮するものである。この為、半導体ウエハなどの温度計測に特に効果的である。

更に、本発明に係るハイブリッド型表面温度計及び測定方法では、薄膜化した金属材料を使用するので、熱電対のように機能の劣化、すなわち起電力の変化を伴わず、熱電対素線の熱伝導損失などを伴わないため、測定対象との間に速やかな熱平衡状態を実現しやすく測定対象の真温度を正確に計測することが可能である。

更に、請求項２及び３の本発明に係るハイブリッド型表面温度計では、サファイアロッド、石英ロッド、フッ化カルシウム（CaF₂）ロッド、フッ化バリウム（BaF₂）ロッド等のロッド状の光透過体を設け、この光透過体を通して薄膜金属からの放射輝度を透過させて光センサで検出するので、表面温度計を小型に構成でき、微小な表面の表面温度を測定することができる。

更に、請求項４の本発明に係るハイブリッド型表面温度計では、薄膜金属の測定対象に接触していない裏面を高放射率加工してある為、薄膜金属の放射率の変動による影響を少なく出来、測定対象の真温度を正確に計測することが可能である。

更に、請求項５の本発明に係るハイブリッド型表面温度計では、薄膜金属が測定対象に接触するときに生じる熱接触抵抗によって低下する該薄膜金属の温度を補償する補償手段を持ち、この補償手段によって表面温度を補償して測定する為、熱接触抵抗が生じる場合があっても、測定対象の真温度を正確に計測することが可能である。

更に、請求項６の本発明に係る温度分布測定装置では、本発明のハイブリッド型表面温度計を複数個所定の間隔で並べて、微小な面の多点を同時に測定可能な為、微小測定対象の温度分布を正確に測定することが可能である。又、１mm径以下の微小な面の１点測定のみならず、光ファイバや光透過ロッドなどとの組み合わせにより、多点を同時測定可能な、付加価値の高い温度計測器として、多くの分野で使用されることが可能である。

更に、請求項７から９の本発明に係る測定方法及びハイブリッド型表面温度計では、ハイブリッド型表面温度計と放射計を持ち、測定対象の同一測定領域の表面温度のみならず並びに放射率や偏光放射率及び分光放射率をほぼ同時に測定することが可能である。又更に例えばシリコン半導体ウエハ面に成長する酸化膜(SiO₂)による放射率の激しい変動があっても、本測定方法及びハイブリッド表面温度計で温度と放射率の同時計測が可能であるから、温度と放射率のプロセス中での関連性を調べること等も可能である。

本発明を実施するための最良の形態を説明する前に、以下に本発明に係るハイブリッド型表面温度計の基本原理につき原理図である図1とともに説明する。本発明に係るハイブリッド型表面温度計は、熱伝導率のよい薄膜金属材料を測定対象の表面に接触させて熱平衡状態を現出させ、その薄膜金属材料の測定対象に接触していない裏面からの放射輝度を光センサで計測して、測定対象の表面温度を計測するものである。図１中１はシリコン半導体ウエハ等の測定対象、２は薄膜金属、３は光センサとして作用する放射計である。薄膜金属２は通常５mm幅、１０mm長、厚さ２０〜５０μm程度の大きさであり、この薄膜金属２を測定対象１に押圧接触させると、測定対象１と薄膜金属２は理想的には熱平衡状態となり、ほぼ同温度となる。したがって、この薄膜金属２の測定対象１との接触面２Ａの反対側である裏面２Ｂを放射計３で輝度測定することによって、間接的に測定対象１の温度を求めることができる。本発明はこの技術を基本原理とする。この際、薄膜金属２の裏面２Ｂの放射率が安定して既知の状態であるか、または人工的に高放射率状態にしておくことが好ましく、かかる場合にはさらに正確な温度測定が可能となる。
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。
以下の実施例では、シリコン半導体ウエハの表面温度を測定する表面温度計として実施した実施例につき説明する。

図２は、本発明に係るハイブリッド型表面温度計の一実施例の基本構成図であり、シリコン半導体ウエハである測定対象１１に接触させる薄膜金属１２は断熱性にすぐれる石英パイプ１３によって支持されている。この薄膜金属１２に先端部が直近するようにサファイアロッド１４をホルダ１５に設け、このサファイアロッド１４を通して薄膜金属１２からの放射を透過させる。また図２に図示されるように、ホルダ１５はサファイアロッド１４の薄膜金属１２が取り付けられていない方の端部を保持している。さらにサファイアロッド１４の他端に接続された光ファイバ１６を介して、光センサ１７で薄膜金属１２からの放射輝度が検出される。検出された放射輝度は信号処理部１８で必要により補正処理される。後述する如く信号処理され、表面温度の表示信号が形成されて、表面温度が図示されていないディスプレイに表示され、また図示されていないプリンタで記録される。薄膜金属１２と石英パイプ１３とサファイアロッド１４とこれらを保持するホルダ１５でセンサ部１９を構成している。更にこのホルダ１５に駆動部２０が接続され、センサ部１９が駆動部２０により図２中で上下方向に所定の距離（薄膜金属１２が測定対象１１に押圧接触された状態と、図２に図示されている測定対象１１から離間された状態）だけ移動可能に設けられている。薄膜金属１２はこのセンサ部１９の先端に石英パイプ１３により、サファイアロッド１４の先端から所定の距離だけ離間されて支持されている。本実施例では石英パイプ１３を使用して薄膜金属１２を支持しているが、石英パイプの他にセラミック系の断熱材を用いて薄膜金属１２を支持することもできる。

測定対象１１に接触させる薄膜金属１２の厚さが２０〜５０μm程度であるとき、理想的な接触状況においては、測定対象１１と薄膜金属１２の温度差はほとんど生じない（０．１Ｋ以内）が、測定対象面と薄膜金属面の表面粗さの程度によっては、熱接触抵抗を生じる場合がある。この場合には、測定対象１１の表面温度と薄膜金属１２の温度には温度ギャップを生じる。この熱接触抵抗を小さくするためには、本発明者による実験の結果５ｘ１０^３Pa以上の圧力で薄膜金属１２を測定対象１１に押圧する必要があることが判明した。

センサ先端部の薄膜金属１２は、標準的には（好ましくは）５mm幅、１０mm長、厚さ２０〜５０μm程度の薄膜化した金属材料で、金ないし白金、イリジウムなどの貴金属やアルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、タングステン、ハステロイなどの卑金属あるいは合金を用いることができる。材料の選択は、主として温度領域によって使い分ける。この薄膜化した金属板の利点は、熱電対のように機能の劣化、すなわち起電力の変化を伴わず、熱電対素線の熱伝導損失などを伴わないため、測定対象１１との間に速やかな熱平衡状態を実現しやすいことである。

更に、光センサ１７は、薄膜金属１２の裏面１２Ｂ、すなわち測定対象１１と接触する面１２Ａの反対側の面１２Ｂからの放射輝度を検出する。金や白金のような貴金属の場合、物性値としての光学定数は極めて安定で既知であるから、その放射率もまた極めて安定かつ既知と見なせるので、これを利用し放射輝度を補正し、真温度を求めることができる。あるいはアルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、ハステロイのような金属では表面を微細加工により粗面にして実効的な放射率を高めたり、表面に擬似黒体塗料を塗布するなどして０．９５程度の高放射率にすることによってほとんど真温度に近い測温を実現できる。また、金、白金の場合、金黒、白金黒などの化学処理により同様に高放射率状態にすることができ、放射率補正なしで真温度測定を実現できる。このように放射率の補正は必要により行えばよいといえる。

更に、前述した如く薄膜金属１２の薄膜金属材料を選択することによって、常温から２０００Ｋ程度の高温までの測定温度領域で、測定対象１１の真温度を計測することが可能である。すなわち、常温から６００Ｋ程度まではアルミニウムのような高熱伝導率薄膜金属、６００Ｋ程度から１３００Ｋ程度までの中高温域では、ステンレス鋼板やインコネル、チタン、ハステロイなどの各種金属あるいは合金を選択使用できる。また、加熱による酸化を避ける必要のある場合には、白金や金などの貴金属を使用することができる。また、更に１３００Ｋ程度から２０００Ｋに至る高温域ではイリジウムなどの高温に耐える金属を利用することができる。また、これら薄膜金属１２を支える断熱材は、石英や高温セラミック系断熱材を使用することができる。特殊環境として真空中での測温では、前記の材料に加えて、薄膜のタングステンが使用できる。

表１は、平坦で鏡面的な表面のシリコン半導体ウエハを測定対象１１として文献値を利用して熱接触抵抗を６０×１０^−６[ｍ^２/Ｗ・Ｋ]（ここでＷはワット、Ｋはケルビンを示す。）と想定し、薄膜金属１２として厚さ２０μm、熱伝導率を７０Ｗ/ｍ^２Ｋとした薄膜合金ハステロイを使用し、放射輝度測定面の放射率を０．９５としたときの、シミュレーションによるハイブリッド表面温度計の測定結果を示す。表１の左欄のシリコン半導体ウエハの表面温度を３２０Ｋから１１００Ｋと仮定し、該ウエハ表面に接触したハステロイに熱伝達したとき、該ハステロイの裏面の表面温度、すなわち薄膜金属１２の温度をシミュレーションしたときの値が中央の欄に記述されている。右欄は仮定したシリコン半導体ウエハ（測定対象１１）の表面温度と薄膜金属１２の温度の差を示している。（この差は、殆どが熱接触抵抗のために生じる誤差と判断できる。）表１からわかるように測定対象のシリコン半導体ウエハの表面温度が４００Ｋ以下の比較的低温域では、ハイブリッド表面温度計による測温誤差は１Ｋ以下にとどまるが、温度が高くなるにしたがって、誤差は増加する。この温度誤差は、一定の条件下において必ず生じるものであるから、系統的な誤差と考えることが出来る。

表２は、図２に図示されている本発明に係るハイブリッド型表面温度計の実施例を使用して、実際にシリコン半導体ウエハの表面温度を測定した実験結果を示す。表２中の左側のシリコン半導体ウエハの表面温度は、本発明に係るハイブリッド型表面温度計の動作確認のためにシリコン半導体ウエハの表面温度を別の方法で実測した表面温度を示す。ここでいう別の方法とは、シリコン半導体ウエハ表面に擬似黒体となる黒色塗料を塗布してウエハの放射率を０．９５程度にして、別の（従来の）放射温度計でシリコン半導体ウエハの表面温度を測って、放射率０．９５で補正した後の放射温度計出力を使用する方法であり、この出力をシリコン半導体ウエハの真の表面温度として表２の左側の欄に記載した。それに対して、表２の中央の欄に本発明に係るハイブリッド型表面温度計の図２に示す実施例で測定し信号処理部１８で補正処理される以前の温度を記載した。表２の右欄は別の方法で実測したシリコン半導体ウエハの表面温度（左欄）と本発明に係るハイブリッド型表面温度計で実測した薄膜金属１２の上記の補正以前の温度（中央欄）の差を示している。たとえば、左側の欄のシリコン半導体ウエハの表面温度が５００Ｋのとき、中央の欄のハイブリッド型表面温度計の指示は、４９７．５±０．７Ｋとなっているが、これは４９７．５Ｋを中心にして±０．７Ｋだけばらついていることを示している。つまり、右欄の温度差にあるように系統的誤差が２．５Ｋで、偶然誤差が±０．７Ｋということになる。また同様にシリコン半導体ウエハの表面温度（左欄）が１２００Ｋのとき、右欄の温度差が、１０．１±０．９Ｋとなり、そのうち１０．１Ｋが系統的誤差で、±０．９Ｋの部分が、本当のランダムな誤差を示しており、偶然的な誤差と呼ばれ、これが本来の意味での温度誤差になる。

したがって、本発明のハイブリッド型表面温度計の実用的な使用法としては、まず薄膜金属の温度を光センサで測定し、その表示値より大体の系統的誤差を想定し信号処理部１８で補正する。例えば、薄膜金属を１０８０Ｋと測定したら、系統的な誤差は略８Ｋだと想定して、１０８０Ｋに８Ｋを加えて、１０８８Ｋと信号処理部で補正してシリコン半導体ウエハの真の表面温度とする。その場合、±０．８Ｋ程度の偶然誤差を含んでいると考える。ここで、薄膜金属１２の接触時にシリコン半導体ウエハである測定対象１１にかかる圧力を０．０２ＭＰａとした。本発明者による実験の結果、５ｘ１０^３Pa以上で且つシリコン半導体ウエハ等の測定対象が損傷されない範囲での圧力が必要であることが判明した。また、系統的な温度誤差はシミュレーション結果と同様な結果を示している。更に、それぞれの温度域での偶然的な測定誤差は±１Ｋ以下に抑えられている。

以上詳述した如くシミュレーションおよび実測結果から、ハイブリッド表面温度計の信号処理として、図２の信号処理部１８で次の手順の信号処理が行われる。すなわち、ハイブリッド表面温度計先端部（薄膜金属１２）の測定対象１１に対する接触圧力が所定のもとで、光センサ１７で放射輝度が検出された後、温度に変換したとき、その温度に対応する系統的な温度誤差を加えてやれば、測定対象１１の正しい温度を求めることができる。上記系統的温度誤差は測定対象１１の材料とその表面粗さがわかれば、前述した如くにそれぞれの温度域で決定することができる。このように信号処理によって、得られる最終的な測温誤差は１０００Ｋを超える温度域で常に±１Ｋ以下にできる。

図３は、本発明に係るハイブリッド型表面温度計の他の実施例の基本構成図である。２１はシリコン半導体ウエハ等の測定対象、２２は断熱材ホルダ２４により支持されている薄膜金属である。この薄膜金属２２を支える断熱材ホルダ２４としては石英パイプのほか、セラミック系の断熱材を使用することも出来る。本実施例では前述の図２の実施例１で使用されているサファイアロッド１４や光ファイバ１６を使用せずに、薄膜金属２２からの放射輝度をレンズ２３などの光学系を通して直接光センサ２７に取り込み、その後図２の実施例１と同様に信号処理部２８で前述実施例1と同様に信号処理される。２４はレンズ２３や薄膜金属２２を保持する断熱材ホルダであり、図２の実施例１と同様に駆動部３０により図３中で上下方向に所定の距離（図３に図示されている薄膜金属２２が測定対象２１に押圧接触された状態と、測定対象２１から離間された状態の間）だけ移動可能に設けられている。その他の構成作用は図2の実施例１と同じである為、重複記載を省略する。

更に、本発明に係るハイブリッド型表面温度計は、測定対象の表面温度だけではなく、測定対象の放射率をほぼ同時に測定する手段としても応用することができる。図４は、本発明に係るハイブリッド型表面温度計の第３の実施例の基本構成図であり、図２に図示するサファイアロッドと光ファイバの組み合わせによる第1実施例のハイブリッド表面温度計を利用した温度と放射率の同時測定装置の概念図である。図２の実施例１と同一構成には同一の符号を付し重複する説明を省略する。

図４に図示される如く、薄膜金属１２、石英パイプ１３、サファイアロッド１４、ホルダ１５、光ファイバ１６、光センサ１７、信号処理部１８、及び駆動部２０からなる実施例１のハイブリッド型表面温度計部と、薄膜金属を持たない第２のサファイアロッド４０、第２の光ファイバ４１、第２の光センサ４２、及び第２の信号処理部４３からなる放射計部４４が測定対象１１の同じ領域を見るように設置する。前者、すなわちハイブリッド型表面温度計部４５を駆動部２０で前述した如く昇降して、間歇的に測定対象１１に接触押圧させて、測定対象１１の表面温度Ｔを前述した信号処理による補正をかけて、正確に測定する。その前後に後者、すなわちサファイアロッド４０、光ファイバ４１、光センサ４２、及び信号処理部４３からなる放射計部４４で測定対象１１の同じ領域からの放射輝度Ｅ=εＬ_λ._b(Ｔ)を測定する。ここで、Ｌ_λ._b(Ｔ)は、温度Ｔの分光黒体放射輝度で、サファイアロッド４０、光ファイバ４１を介して光センサ４２で検出した信号出力を表す。εは、光センサ４２の検出波長に対応する測定対象１１の分光放射率である。先にハイブリッド表面温度計で測定した温度Ｔにより、この放射計に対応する黒体放射輝度出力Ｅ_ｂ=Ｌ_λ._b(Ｔ)が得られるから、測定対象の放射率εが２つの信号ＥとＥ_ｂの比をとることによって、次の数１の数式で求められる。

図４の実施例３に於いては、放射輝度Ｅを検出する光センサの前に分光器を設置することによって、波長ごとの放射率、すなわち分光放射率を求めるように改良変形することもできる。さらに、サファイアロッド４０の前面に偏光子を設置し、この放射計で該測定対象の表面法線方向からθ＝30°以上角度をつけて測定するようにすれば、ｐ-偏光放射率、またはｓ-偏光放射率を測定することもできる。このように広い波長帯での分光放射率や偏光放射率を測定できれば、単に温度測定だけでなく、測定対象の放射率に係わる表面情報、例えば酸化膜特性（厚さなど）もin-situで把握できる可能性があり、用途が拡大される。

図５は、図４に図示されている本発明に係るハイブリッド型表面温度計の第3実施例による波長l=0.9 mmにおける分光放射率と表面温度の同時測定結果を示すグラフである。測定対象としてステンレス鋼板（ＳＵＳ４３０）を大気中で加熱し、温度上昇過程において、ハステロイを薄膜金属１２として構成したハイブリッド型表面温度計で温度測定するとともに、前述の数１の数式にもとづいて間歇的に放射率を求めたものである。温度の上昇とともに放射率は増加していくが、その後減少に転じていることが観測できる。これは、温度上昇とともに薄膜金属１２の表面の酸化膜生成とともに放射率が増大するが、酸化膜厚がある程度増加すると、測定対象１１の表面と酸化膜表面との間で、放射の多重反射を生じ、干渉効果によって生じた放射率の反転現象を示している。本発明によるハイブリッド型表面温度計は前記のように放射率と温度を同時測定することができるため、このようなプロセス中の現象を把握する手段を提供することができる。前述した如く、in-situで放射率が温度と同時に測定できるため、放射率に関する測定対象の表面現象を把握する有力な新しい手段を提供できることとなる。本ハイブリッド型表面温度計は、かかる可能性があるので温度計測センサとしての役割を超えた新規なセンサとなりうるものである。

更に、本発明に係るハイブリッド型表面温度計は、複数個所定の間隔で配置することにより、測定対象の表面温度だけではなく、測定対象の温度分布も測定することができる。図６は、図２に図示されているハイブリッド型表面温度計の実施例のセンサ部１９を１２個所定の間隔で配置したセンサアレイを図示している。各センサ部１９は図２の実施例と同様に薄膜金属１２、石英パイプ１３、サファイアロッド１４、ホルダ１５により構成されている。図２の光ファイバ１６及び光センサ１７等は簡略化のため図示されていないが図２の実施例と同様に設けられている。すなわちハイブリッド型表面温度計のセンサ先端部をアレイ状に多数並べて、測定対象（試料面）１１の温度分布を測定する基本的な方式を示している。

更に、本発明に係るハイブリッド型表面温度計、温度分布測定装置及び測定方法は、大気中で使用できるだけでなく、適当な構造の変更により、真空装置内での試料の測温、あるいは放射率の測定にも利用できる。本発明に係るハイブリッド型表面温度計、温度分布測定装置及び測定方法は、シリコン半導体ウエハのように、測定対象（試料表面）に熱電対を溶接することがきわめて困難な試料に対して、特に有効な温度計測技術となる。また、製造プロセス中での、いわゆるin-situ 測温法としても威力を発揮することができる。例えば、シリコン半導体ウエハ面に成長する酸化膜(SiO₂)による放射率の激しい変動があっても、本発明に係るハイブリッド型表面温度計で温度と放射率の同時計測も可能であるから、温度と放射率のプロセス中での関連性を調べることもできる。

本発明に係るハイブリッド型表面温度計の基本原理を示した図である。 本発明に係るハイブリッド型表面温度計の第１実施例の基本構成図である。 本発明に係るハイブリッド型表面温度計の第２実施例の基本構成図である。 表面温度と放射率を同時測定する本発明に係るハイブリッド型表面温度計の第３実施例の基本構成図である。 本発明に係るハイブリッド型表面温度計の第3実施例による放射率と表面温度の同時測定結果を示すグラフである。 本発明に係るハイブリッド型表面温度計の第１実施例のセンサ部を使用した温度分布測定装置のセンサアレイの基本構成図であるである。

符号の説明

１、１１、２１ 測定対象
２、１２、２２ 薄膜金属
３ 放射計（光センサ）
１３ 石英パイプ
１４、４０ サファイアロッド
１５、２４ ホルダ
１６、４１ 光ファイバ
１７、２７、４２ 光センサ
１８、２８、４３ 信号処理部
１９ センサ部
２０、３０ 駆動部
２３ レンズ

Claims (9)

1. 薄膜金属を測定対象に所望の圧力で接触させ、該薄膜金属の該測定対象に接触していない裏面からの放射輝度を光センサで計測することによって、該測定対象の表面温度を測定することを特徴とするハイブリッド型表面温度計。
2. 請求項１に記載されているハイブリッド型表面温度計において、該薄膜金属の裏面側に該測定対象に直近してロッド状の光透過体を設置し、該ロッド状の光透過体を通して、該薄膜金属からの放射輝度を透過させて光センサで検出することにより、該測定対象の表面温度を測定することを特徴とするハイブリッド型表面温度計。
3. 請求項２に記載されているハイブリッド型表面温度計において、該ロッド状の光透過体としてサファイアロッド、石英ロッド、フッ化カルシウム（CaF₂）ロッド、フッ化バリウム（BaF₂）ロッドの一つ若しくは複数個を使用したことを特徴とするハイブリッド型表面温度計。
4. 請求項３に記載されているハイブリッド型表面温度計において、該薄膜金属の該測定対象に接触していない裏面を高放射率加工して、放射率の相違による依存を少なくしたことを特徴とするハイブリッド型表面温度計。
5. 請求項１に記載されているハイブリッド型表面温度計において、更に該薄膜金属が測定対象に接触するときに生じる熱接触抵抗によって低下する該薄膜金属の温度を補償する補償手段を持ち、この補償手段によって該測定対象の表面温度を補償して測定することを特徴とするハイブリッド型表面温度計。
6. 請求項１から５に記載されている一つ又は複数のハイブリッド型表面温度計を複数個所定の間隔で並べて、該測定対象の温度分布を測定することを特徴とするハイブリッド型表面温度計による温度分布測定装置。
7. 請求項１から５に記載されている一つのハイブリッド型表面温度計と、薄膜金属をもたない第２の光センサによる放射率を測定する放射計とを持ち、該測定対象の同一測定領域の放射輝度をそれぞれ計測することによって、該測定対象の表面温度と放射率を測定することを特徴とする測定方法及びハイブリッド型表面温度計。
8. 請求項７に記載されている測定方法及びハイブリッド型表面温度計において、該放射計に偏光子を取り付けることによって、該測定対象の表面温度と偏光放射率を測定することを特徴とする測定方法及びハイブリッド型表面温度計。
9. 請求項７に記載されている測定方法及びハイブリッド型表面温度計において、該放射計の前に、分光器を取り付けることによって、該測定対象の表面温度と分光放射率を同時に測定することを特徴とする測定方法及びハイブリッド型表面温度計。

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