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温度測定装置及びこれを利用した熱処理装置、温度測定方法 新技術説明会

国内特許コード P09S000364
掲載日 2010年3月12日
出願番号 特願2007-524074
登録番号 特許第4742279号
出願日 平成18年7月4日(2006.7.4)
登録日 平成23年5月20日(2011.5.20)
国際出願番号 JP2006313304
国際公開番号 WO2007004644
国際出願日 平成18年7月4日(2006.7.4)
国際公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
優先権データ
  • 特願2005-195691 (2005.7.5) JP
発明者
  • 東 清一郎
出願人
  • 国立大学法人広島大学
発明の名称 温度測定装置及びこれを利用した熱処理装置、温度測定方法 新技術説明会
発明の概要

急速加熱を行って熱処理を行う基板の温度測定等に好適な温度測定装置及び方法、熱処理装置等を提供する。
本温度測定装置は、温度と屈折率が一義的な相関関係を有する被加熱体にレーザ光を照射し、被加熱体内部において多重反射されるレーザ光の干渉の結果生じる反射光又は透過光の光強度と時間との関係を示す光強度特性Xを測定する光強度測定部と、前記被加熱体と同等の形状、熱的及び光学的特性を有する仮想被加熱体に前記被加熱体が加熱された条件と同等の熱負荷を与え、前記レーザ光と同等の特性を有するレーザ光を照射したとき該仮想被加熱体から得られる光強度特性が前記光強度特性Xに最も一致する光強度特性Zを有する仮想被加熱体を再現被加熱体として求める再現被加熱体取得のための演算部と、前記再現被加熱体に基づいて前記被加熱体の所定部位の所定時間における温度を求める温度出力部と、を有する。

従来技術、競合技術の概要


半導体基板等の基板の熱処理においては高い精度でかつ効率的に熱処理を行うために、非接触で基板の温度を測定する方法が求められている。非接触型の温度測定装置として、従来より放射温度計が用いられているが、放射温度計は、基板の表面状態によって放射率が変化し基板の正確な温度を測定することが困難なことから、レーザによる基板の温度を測定する方法が提案されている。



例えば、特許文献1には、半導体レーザからレーザ光を被測温体に照射するとともに参照用部材にも照射し、被測温体からの反射光と参照用部材からの反射光との合成光を検出し、この合成光のスペクトルにおいて、被測温体の温度に対応して特異的に強度変化を生じた光成分の周波数を求め、その周波数から前記被測温体の温度を把握する方法が提案されている。



また、特許文献2には、ワークの表面温度を測定する表面温度測定装置において、レーザ光を前記ワークの測定点に照射するレーザ光照射部と、このレーザ光照射部から照射されたレーザ光を分離して前記ワークの測定点及びこの測定点から所定距離だけ隔てた位置の参照点に平行に照射するレーザ光分離部と、前記測定点にパルスレーザ光を照射し、前記測定点を間欠的に加熱するパルスレーザ光照射部と、前記測定点及び参照点から反射した反射光を集めて干渉を検出する干渉計と、この干渉計で得られた前記測定点の超音波振動の周波数に基づいて前記測定点の温度を算出する演算部と、を備えている表面温度測定装置により温度を測定する方法が提案されている。




【特許文献1】特開2000-162048号公報

【特許文献2】特開平11-190670号公報

産業上の利用分野


レーザを用いて温度を測定する温度測定装置及びこれを利用した熱処理装置、温度測定方法に係り、特に半導体基板等の基板の熱処理のように基板内に高い温度勾配を生ぜしめ短時間で熱処理が行われる場合の温度測定に好適に使用される温度測定装置及びこれを利用した熱処理装置、温度測定方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】 温度と屈折率が一義的な相関関係を有する被加熱体にレーザ光を照射し、被加熱体内部において多重反射されるレーザ光の干渉の結果生じる反射光又は透過光の光強度と時間との関係を示す光強度特性Xを測定する光強度測定部と、
前記被加熱体と同等の形状、熱的及び光学的特性を有する仮想被加熱体に前記被加熱体が加熱された条件と同等の熱負荷を与え、前記レーザ光と同等の特性を有するレーザ光を照射したとき該仮想被加熱体から得られる光強度特性が前記光強度特性Xに最も一致する光強度特性Zを有する仮想被加熱体を再現被加熱体として求める再現被加熱体取得のための演算部と、
前記再現被加熱体に基づいて前記被加熱体の所定部位の所定時間における温度を求める温度出力部と、を有する温度測定装置であって、
前記演算部は、所定の入力データを入力するデータ入力部と、該入力データに基づき仮想被加熱体の温度分布特性を求める熱伝導解析部と、求められた温度分布特性を対応する屈折率分布特性に変換する変換部と、変換された屈折率分布特性を有する仮想被加熱体の所定の光学特性Yを求める光学解析部と、前記光強度特性Xから所定の光学特性Xを抽出し、該光学特性XとYとの差異を判別し、その差異が最小になるまで補正された初期値をデータ入力部に再入力して前記光学特性Xに最も一致する光学特性Zを求める判定部と、そのような光学特性Zに対応する光強度特性Z及び温度分布特性を有する仮想被加熱体を再現被加熱体として出力する再現被加熱体出力部と、を有する温度測定装置。
【請求項2】 光学特性は、被加熱体及び仮想被加熱体について得られる光強度特性に関する波形の振動数、位相、山の頂点と谷の最下点に関する特性、または、仮想被加熱体について得られる光学厚み特性であることを特徴とする請求項に記載の温度測定装置。
【請求項3】 判定部は、パターン・マッチング法、特徴点法又は周波数解析法により光強度特性Xと光強度特性Yとの差異を判別するパターン認識部を有することを特徴とする請求項に記載の温度測定装置。
【請求項4】 判定部は、光学厚み特性Xと光学厚み特性Yとの差異を平均二乗誤差法により判別する平均二乗誤差計算部を有することを特徴とする請求項に記載の温度測定装置。
【請求項5】 光強度測定部は、レーザ光源、光路分岐素子、レーザ集光レンズ及び光強度測定機を有することを特徴とする請求項1に記載の温度測定装置。
【請求項6】 レーザ集光レンズは、その焦点距離fが被加熱体の厚みdに対しf>2dなる関係を有するものであることを特徴とする請求項に記載の温度測定装置。
【請求項7】 1μs~10sで室温~3000Kの範囲で変化する被加熱体の温度を求めることを特徴とする請求項1に記載の温度測定装置。
【請求項8】 プラズマジェット発生装置に請求項1に記載の温度測定装置を付設した熱処理装置。
【請求項9】 温度測定装置からの信号によりプラズマジェット発生装置の出力を制御する制御装置を設けたことを特徴とする請求項に記載の熱処理装置。
【請求項10】 温度と屈折率が一義的な相関関係を有する被加熱体にレーザ光を照射し、被加熱体内部において多重反射されるレーザ光の干渉の結果生じる反射光又は透過光の光強度と時間との関係を示す光強度特性Xを求める段階と、
まず、前記被加熱体と同等の形状、熱的、光学的特性を有する仮想被加熱体に前記被加熱体が加熱された条件と同等の熱負荷を与えたときの温度分布特性を求め、該温度分布特性に対応する屈折率分布特性を求めるともに、そのような屈折率分布特性を有する仮想被加熱体に、前記レーザ光と同等の特性を有するレーザ光を照射したとき得られる光強度特性Yを求めて該光強度特性Yと前記光強度特性Xとの差異を判別し、
つぎに、前記仮想被加熱体に与える熱負荷条件のうちの所定の条件を補正して補正された光強度特性を求め、前記光強度特性Xと最も差異の小さい補正された光強度特性Z及びそのような光強度特性Zに対応する温度分布特性を有する仮想被加熱体を再現被加熱体として求める段階と、
前記再現被加熱体の温度分布特性に基づき前記被加熱体の所定部位の所定時間における温度を求める段階と、を有する温度測定方法。
【請求項11】 熱負荷条件のうちの所定の条件は、パワー伝達効率又は/及び仮想被加熱体が投入されるパワーを有効に受ける領域の大きさであることを特徴とする請求項10に記載の温度測定方法。
【請求項12】 温度と屈折率が一義的な相関関係を有する被加熱体にレーザ光が照射されたとき、被加熱体内部において多重反射されるレーザ光の干渉の結果生じる反射光又は透過光の光強度と時間との関係を示す光強度特性Xを求める手順と、
前記被加熱体と同等の形状、熱的、光学的特性を有する仮想被加熱体に前記被加熱体が加熱された条件と同等の熱負荷を与えたときの温度分布特性を求める手順と、
前記温度分布特性に対応する屈折率分布特性を求める手順と、
前記屈折率分布特性を有する仮想被加熱体に、前記レーザ光と同等の特性を有するレーザ光を照射したとき得られる光強度特性Yを求める手順と、
前記光強度特性Xと前記光強度特性Yとの差異を判別し、その差異が最小になるまで熱負荷条件のうちの所定の条件を補正しつつ該光強度特性Xと最も差異の小さい光強度特性Zを求める手順と、
前記光強度特性Zを有し、これに対応する温度分布特性を有する仮想被加熱体を再現被加熱体として求める手順と、
前記再現被加熱体の温度分布特性に基づき前記被加熱体の所定部位の所定時間における温度を求める手順と、をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体
【請求項13】 温度と屈折率が一義的な相関関係を有する被加熱体にレーザ光を照射し、被加熱体内部において多重反射されるレーザ光の干渉の結果生じる反射光又は透過光の光強度と時間との関係を示す光強度特性Xを測定する光強度測定部と、
前記被加熱体に関する形状、熱的及び光学的特性を入力して測定対象を選択するためのデータを入力する入力部と、
前記入力部に入力可能な対象に関する所定の初期値及びその初期値のなかの特定の初期値を変化させた補正値に基づいて予め計算された光強度特性に関するデータ群と、該データ群に対応する温度分布特性を有する再現被加熱体に関するデータ群と、を蓄積した記録部と、
前記光強度特性及び前記再現被加熱体に関するデータ群の中から被加熱体より取得される光強度特性Xに最も一致した光強度特性Z及びその光強度特性Zに対応する再現被加熱体を検索する検索部と、を有するデータベースと
前記データベースの検索により得られた再現被加熱体に基づいて前記被加熱体の所定部位の所定時間における温度を求める温度出力部と、を有する温度測定装置。
【請求項14】 被加熱体に関する形状、熱的及び光学的特性を入力して測定対象を選択するためのデータを入力する入力部と、
前記入力部に入力可能な対象に関する所定の初期値及びその初期値のなかの特定の初期値を変化させた補正値に基づいて予め計算された光強度特性に関するデータ群と、該データ群に対応する温度分布特性を有する再現被加熱体に関するデータ群と、を蓄積した記録部と、
前記光強度特性及び前記再現被加熱体に関するデータ群の中から被加熱体より取得される光強度特性Xに最も一致した光強度特性Z及びその光強度特性Zに対応する再現被加熱体を検索する検索部と、を有するデータベース。
産業区分
  • 測定
  • 固体素子
  • 試験、検査
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中


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