JPH05164622A

JPH05164622A - 材料の表面物性値・温度の測定方法及びその装置

Info

Publication number: JPH05164622A
Application number: JP33357891A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Marui; 智敬丸井; Kazuo Arai; 和夫新井
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1991-12-17
Publication date: 1993-06-29

Abstract

(57)【要約】【目的】材料の表面物性値・温度の測定をする。【構成】この装置は、プロセス材料（被測定材料）２
１０の相違或いはプロセスの相違によって適応的に輻射
センサー１６０₁，１６０₂の測定波長λｉ，測定角度
θj （輻射センサーの検出光の光路と材料表面の法線と
のなす角度）を変えることが可能になっている。輻射セ
ンサー１６０₁の測定波長λ1 ，測定角度θ1 と、輻射
センサー１６０₂の測定波長λ2 ，測定角度θ2 とを相
関関数「ｆ」は多重ループを示さなくなる関係のものに
して、測定を行っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、異なった２つ以上の波
長の熱放射エネルギーを検出することにより、プロセス
中の材料表面の物性値（屈折率、反射率、吸収率等の光
学物性値、粗度等の表面形状物性値など）、表面温度、
薄膜厚等を計測する計測技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体材料、金属材料等の製造プロセス
において、その被プロセス材料表面では酸化，合金化，
蒸着等の種々の反応が人工的あるいは自然発生的に起こ
り、この反応に伴って材料表面物性は著しく変化する。
しかしながら、そういった材料内部のセンシングは困難
を極め、また、多くのセンサーをとりつけ多くのデータ
を取り込むことは実用上望ぞましくない。そのため、上
記の物性値、状態値の中で最も影響の大きなものとして
表面温度をパラメータに選定してこれをオンラインセン
シング、ないしは理論計算上の変化状態予測値して制御
に利用している。例えば、シリコンウェファの酸化膜形
成プロセスでは、酸化プロセス炉のヒートパターンと酸
化膜物性の相関データをオフラインであらかじめ多くオ
フラインデータとして測定しておき、これをもとに炉温
の制御を行っている（表面温度を制御するのが望ましい
のだが、オンラインセンシングが困難であるので、炉温
で間接的に制御している）。

【０００３】オンライン材料表面温度センシングに関し
ては、接触式と非接触式の温度センシング技術がある。
熱電対、サーミスタ等による接触式の温度センシング技
術は、温度限界があること、センシング点の位置の温度
しか測定されないこと、接触によるコンタミネーション
（不純物混入）等、問題がありすぎるため実用的に用い
られるプロセスがきわめて限定される。一方、非接触温
度計測としては「放射測温」がある。これは鉄鋼、アル
ミ等のメタル材料のプロセスラインでは実用技術であ
り、放射温度計が製品として市販されている。

【０００４】放射温度計の一種である２色温度計の温度
測定精度は測定する２波長での分光放射率がほぼ等しい
か一定の比例関係が成立する場合には問題ない。しかし
ながら、熱物体の表面状態が酸化反応などで急変し、分
光放射率が上記の関係から外れるときには測定精度が著
しく悪くなる。単色式放射温度計ではこれよりもさらに
誤差は大きいものとなる。そのため、分光放射率変化に
対応した２色温度計の温度計算方法が望まれ、この点に
付いて現在研究がなされていて、放射率が変動する場合
でも使える改良型２色温度計が考えられている。

【０００５】その技術として「特公平３−４８５５」記
載の方法、および「田中、D.P.Dewitt：Theory of a Ne
w Radiation Thermometry Method and an Experimental
Study Using Galvannealed Steel Specimens （計測自
動制御学会論文集第２５巻第１０号１０３１／１０３
７頁１９８９年１０月）」にて公開されているＴＲＡＣ
Ｅ（Thermometry Re-established by Automatic Compen
sation of Emissivity）法がある。両者は基本的に同一
の計算法であるので前者を説明する。

【０００６】プロセス材料から発せられる輻射エネルギ
ー（光）の分光放射率は、Ｗｉｅｎ（ウィーン）の近似
則をもちいて得られ、波長λ1 ，λ2 においてつぎの式
１，２で表され、これらの式から温度Ｔを消去して式３
が求まる（これらの式に使われている記号を表１に示
す。）。

【０００７】

【表１】

【０００８】

【数１】

【０００９】

【数２】

【００１０】

【数３】

【００１１】この式３の左辺は「分光放射率の波長のべ
き乗」の比である。以下簡単のため、放射率累乗比と呼
ぶことにする。ここで、分光放射率比（ε1 ／ε2 ）を
「１」乃至は一定値として測定するものが旧式の２色放
射温度計であり、分光放射率変化に対応していないた
め、測定誤差が大きくなるのである。

【００１２】さて、特公平３−４８５５ではつぎの式４
に示すような分光放射率比（ε1 ／ε2 ）と放射率累乗
比の相関関数「ｆ」をあらかじめ測定によって決定して
おき、温度測定に際しては前述の式３で計算した放射率
累乗比から相関関数ｆによって分光放射率比をもとめ、
温度Ｔをつぎの式５で計算してもとめている。

【００１３】

【数４】

【００１４】

【数５】

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来技術をシリコン半導体の表面プロセスのような表面薄
膜の形成過程の表面温度計測に適用すると式５の「ｆ」
がきわめて複雑になって計算困難であるか、これを単純
化近似すると誤差がでるという問題点がある。シリコン
半導体の表面プロセスでは表面の薄膜が変化するため、
その表面温度を計測しようとすると薄膜での光干渉で放
射率が大きく変動する。そのため実用的な放射測温は困
難なものになっている。

【００１６】一方、製造プロセスをコントロールする立
場からは、表面温度計測だけではなく、こういった表面
物性変化をモニター（センシング）し、これをもとにフ
ィードバック的にプロセス制御するのがよりのぞまし
い。また、材料表面物性は表面粗度，表面反射率（放射
率），表面吸収率，屈折率など直接的なものだけでな
く、間接的に、酸化膜厚，合金化膜厚，蒸着膜厚，導電
率，境界（膜間）屈折率等の材料内部物性に強く影響さ
れる。すなわち、表面物性は表面付近の反応後に形成さ
れた産物のバルクの物性と、その形成物と素材との界面
に関する物性とで決定づけられ、むしろ表面そのものの
直接的物性値だけでは推定もできない、といって過言で
はない。また、プロセス材料の状態として表面温度，内
部温度やそれらの分布にも強く影響されることはいうま
でもない。

【００１７】このように、オンラインプロセス進行中の
表面物性を正確に捉えるには表面物性もさることながら
内部の物性変化、状態変化などもセンシングするのがよ
りのぞましい。例えば、前述したシリコンウェファの酸
化膜形成プロセスでは、炉温の制御による間接的な表面
物性の制御がなされ、酸化膜物性の実態に関しては「め
くら（オンラインセンサーなし）」制御である。当然、
統計的なプロセスミスが発生するのであるが、このよう
な「めくら」制御がセンシングの難しさから半導体プロ
セス全般にまかり通っていて半導体歩留まりの低さの根
元となっている。このような状況は半導体のみならずセ
ラミクス、超伝導等のハイテク材料のプロセスでも同様
であり、温度で間接的に物性を制御するというこの「め
くら」制御を改善しプロセス歩留まりを向上させるた
め、プロセス進行中の表面物性変化を計測し得るオンラ
インモニター（センシング）が望まれている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の材料の表面物性値・温度の測定装置は、材
料から放射された光を検出する複数の輻射センサーと、
複数の輻射センサーの検出出力から放射率累乗比の実測
値を求める放射率累乗比演算ブロックとを有し、複数の
輻射センサーは、その検出する光の光路と前記材料の表
面の法線とのなす角度についてその位置が可変、或い
は、その検出する光の波長が可変であることを特徴とす
る。

【００１９】また、本発明の材料の表面物性値・温度の
測定方法は、材料の表面の法線と第１の輻射センサーの
検出する光の光路とがなす角度の余弦に対する第１の輻
射センサーの検出する光の波長の比が、材料の表面の法
線と第２の輻射センサーの検出する光の光路とがなす角
度の余弦に対する第２の輻射センサーの検出する光の波
長の比のおよそ整数倍になるように第２の輻射センサー
の位置又は第２の輻射センサーの検出する光の波長を所
定の波長に設定し、材料から放射された光を第１及び第
２の輻射センサーで検出し、第１及び第２の輻射センサ
ーの検出出力から放射率累乗比の実測値を求め、この実
測値から予め決められた分光放射率比−放射率累乗比の
相関に基づいて得た分光放射率に対応する材料の表面物
性値ないし温度を導くことを特徴とする。

【００２０】そして、本発明の材料の表面物性値・温度
の測定方法は、第２の輻射センサーの位置を微小角度さ
らに移動させ、或いは、第２の輻射センサーの検出する
光の波長をさらに変化させることを特徴としても良い。

【００２１】

【作用】本発明の材料の表面物性値・温度の測定装置で
は、材料から放射された光は複数の輻射センサーで検出
され、この検出出力から放射率累乗比演算ブロックにて
放射率累乗比（［ε_iのλi 乗］／［ε_jのλj 乗］；
ここでε_i，ε_jは波長λi ，λj におけるプロセス材
料の放射率）の実測値が求められる。この放射率累乗比
の実測値から材料表面の物性値（屈折率、反射率、吸収
率等の光学物性値、粗度等の表面形状物性値など）、表
面温度、薄膜厚等が得られる。ここで、輻射センサーの
検出出力は、材料，輻射センサーの検出する光の光路と
材料の表面の法線とのなす角度，検出する光の波長など
測定時の様々なファクターの影響を受ける。本発明の材
料の表面物性値・温度の測定装置では、輻射センサーの
検出する光の光路と材料の表面の法線とのなす角度，検
出する光の波長が可変であり、これらを前述のファクタ
ーに応じて設定し得る。

【００２２】本発明の材料の表面物性値・温度の測定方
法では、「材料の表面の法線と第１の輻射センサーの検
出する光の光路とがなす角度に対する第１の輻射センサ
ーの検出する光の波長の比が、材料の表面の法線と第２
の輻射センサーの検出する光の光路とがなす角度に対す
る第２の輻射センサーの検出する光の波長の比のおよそ
整数倍になる」位置関係の第１及び第２の輻射センサー
で、材料から放射された光が検出され、放射率累乗比の
実測値が求められる。ここで、前述の位置関係にあると
き、分光放射率比−放射率累乗比の相関は簡素なものに
なる。そのため、分光放射率（ε_i／ε_i'）を得るのが
簡単になる。このようにして得た分光放射率をもとに材
料の表面物性値・温度が導かれる。

【００２３】そして、前述の位置関係は近似的なもので
あるので、第２の輻射センサーの位置を微小角度さらに
移動させ、或いは、第２の輻射センサーの検出する光の
波長をさらに変化させることで、相関を簡素なものにす
るのに良好な位置関係になり、より精密に分光放射率を
得ることが可能になる。

【００２４】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
記号等について前述の「従来の技術」で用いた符号と同
一または同等のものとしその説明を簡略化し若しくは省
略するものとする。

【００２５】図１には、本発明の材料の表面物性値・温
度の測定装置が示されている。この装置は、プロセス材
料（被測定材料）２１０の相違或いはプロセスの相違に
よって適応的に輻射センサー１６０₁，１６０₂の測定
波長λｉ，測定角度θj （輻射センサーの検出光の光路
と材料表面の法線とのなす角度）を変えることが可能に
なっている。まずこの装置各部について説明する。

【００２６】輻射センサー１６０₁，１６０₂は、とも
に図２に示すような構成を複数有している。これらは、
コントロールユニット２２０からの波長切替信号Ｃj に
応じて、プロセス材料２１０からの波長λi の輻射エネ
ルギーを検出し、波長λi における輝度温度を検出信号
Ｓi として出力するものである。ここで、符号ｉで選択
されたフィルタ即ち測定波長λi （ｉ＝１〜４）を、符
号ｊで輻射センサー（ｊ＝１，２）を識別している。分
光フィルタＦ₁〜Ｆ₄には、順に０．９μｍ，１．０μ
ｍ，１．１μｍ，１．２５μｍのバンドパスフィルタが
使用されている。波長切替信号ＣｉによりモータＭを回
転させてこれらの分光フィルタＦ₁〜Ｆ₄が切り替えら
れ、感度中心１．０μｍのシリコン光電変換素子３１０
の測定波長λi を変えている。また、コントロールユニ
ット２２０からの信号により、輻射センサー１６０₁，
１６０₂のなす角度αは可変になっている。

【００２７】モータコントローラ２４０，ドライブモー
タ２５０，角度センサ２６０で測定角度制御系を構成し
ている。これらにより、コントロールユニット２２０か
らの角度切替信号Ｗに応じて、プロセス材料２１０のの
せられた台２７０を回転させて、輻射センサー１６
０₁，１６０₂の測定角度θ1 ，θ2 （図のθｊ）を所
定の大きさにする（図３）。モータコントローラ２４０
は、ドライブモータ２５０のドライブ回路及び角度セン
サ２６０のインターフェイス回路を有し、角度切替信号
Ｗに応じてドライブモータ２５０の回転角を制御する。

【００２８】コントロールユニット２２０は、図示せぬ
ホストコンピュータ若しくはコンソール２３０からの入
力によりプロセス材料やプロセスの相違に応じて前述の
各部の制御、輻射センサー１６０₁の測定波長λ1 ，λ
3 の検出信号Ｓ₁，Ｓ₃（図のＳｉ），輻射センサー１
６０₂の測定波長λ2 ，λ4 の検出信号Ｓ₂，Ｓ₄（図
のＳｉ’）の演算処理などを行い、その結果を図示せぬ
プロセス制御系へその結果を送る或いはコンソール２３
０へ表示する。内部に放射率累乗比演算ブロックで式３
により、検出信号Ｓ₁，Ｓ₃から放射率累乗比Ｋｕ
₁（［ε₁のλ1乗］／［ε₃のλ3 乗］）を、検出信
号Ｓ₂，Ｓ₄からＫｕ₂（［ε₂のλ2 乗］／［ε₄の
λ4 乗］）を求める。この放射率累乗比Ｋｕ₁，Ｋｕ₂
から材料表面の様々な物性値、表面温度、薄膜厚等が得
られる。輻射センサー１６０₁，１６０₂の検出信号Ｓ
₁〜Ｓ₄は、プロセス材料２１０，測定角度θ1 ，θ2
，測定波長λ1 〜λ4 など測定時の様々なファクター
の影響を受ける。コントロールユニット２２０の制御に
より次に示す動作がなされる。コントロールユニット２
２０は、これらのファクターに応じて測定角度θ1 ，θ
2 ，測定波長λ1 〜λ4を設定し良好な測定を可能にし
ている。

【００２９】まず、この点について、図１の装置の動作
原理を説明する。ここで、プロセス材料２１０として炭
素鋼を用い、この表面に酸化膜が形成されるものとす
る。また、輻射センサー１６０₁はプロセス材料２１０
の表面法線上に設けられ、輻射センサー１６０₂は角度
αが４５度となる位置にあるものとする。

【００３０】輻射センサー１６０₁において検出される
波長λ1 ，λ3 を０．９μｍ，１．０μｍとし、輻射セ
ンサー１６０₂において検出される波長λ2 ，λ3 を
０．９μｍ，１．０μｍとする。波長λ1 ，λ3 から得
られる放射率累乗比Ｋｕ₁と，波長λ2 ，λ4 から得ら
れる放射率累乗比Ｋｕ₂は図４の変化を示す。また、輻
射センサー１６０₂についてのみ測定波長λ2 ，λ4 を
１．０５μｍ，１．２５μｍとした時の変化を図５に示
す。ここで、横軸には酸化膜厚ｄをとっているが、時間
が経つに従い酸化膜厚ｄは増加しているので、酸化膜厚
ｄと時間とは等価であると考えてよい。

【００３１】放射率累乗比の極大値で酸化膜厚ｄを検出
する場合では、酸化膜厚ｄが０．２０μｍとなっている
のが、放射率累乗比Ｋｕ₁が極大値になっていることで
検出される（これをｄ₀とおく）。そして、酸化膜厚が
０．３０μｍとなっているのは、放射率累乗比Ｋｕ₂が
極大値になっていることで検出される（図４）。これら
放射率累乗比Ｋｕ₁，Ｋｕ₂を組み合わせて酸化膜厚ｄ
を検出し、それに応じてプロセス制御系を制御すること
で酸化膜厚ｄの制御をし得る。ここで、酸化膜厚ｄ₀を
検出したときに酸化膜の形成速度を緩めるなどの制御を
することで、より精密な酸化膜厚ｄ₁の制御をし得るよ
うになる。また、酸化膜厚ｄ₁（０．３５μｍ）を検出
するのは、輻射センサー１６０₂の測定波長λ2 ，λ4
を切り替え、放射率累乗比Ｋｕ₂の変化を図５のよう
に、放射率累乗比Ｋｕ₂の極大値を０．３５μｍとなる
ようにすることでなされる。

【００３２】このように、輻射センサー１６０₁，１６
０₂の測定波長λ1 〜λ4 をかえることで放射率累乗比
Ｋｕ₁，Ｋｕ₂の変化が変わり、自由に制御ポイント
（制御目標値）を変更し膜厚プロセスの変更ができるよ
うになる。酸化膜厚ｄを検出するのに極大値を用いる例
を示したが、極小値や中間値としても良い。中間値（ス
レショールドレベル）で酸化膜厚ｄの検出をする場合、
測定波長をかえて中間値付近において放射率累乗比Ｋｕ
₁，Ｋｕ₂の変化の勾配を大きくでき、酸化膜厚ｄの検
出感度が向上するようになる。

【００３３】輻射センサー１６０₂の位置を変え角度α
を３０度にすると放射率累乗比Ｋｕ₁，Ｋｕ₂の変化は
図６のようになり、酸化膜厚ｄ₁が０．２５μｍのとき
放射率累乗比Ｋｕ₂の極大値をとるようになる。そし
て、角度αが４５度のとき台２７０を４５度回転させる
と図４と同じものになる。このように、輻射センサー１
６０₁，１６０₂の測定角度θ1 ，θ2 をかえるのは、
前述のように測定波長をかえるのと同様、放射率累乗比
Ｋｕ₁，Ｋｕ₂の変化を変えるのと同じことになり、測
定波長をかえずに放射率累乗比Ｋｕ₁，Ｋｕ₂の変化を
変え得るようになる。当然、輻射センサー１６０₁，１
６０₂の位置及び台２７０を同時に動かして測定角度θ
1 ，θ2 を変えても同じようになる。

【００３４】つぎに、この装置を用いた材料の表面物性
値・温度の測定方法について説明する。ここで、プロセ
ス材料２１０としてシリコンウェハを用い、この表面に
酸化膜が形成されるものとする。

【００３５】シリコン結晶面と酸化膜等の平行薄膜２重
層の分光放射率は光学理論よりつぎの式６，７となる
（これらの式で新たにに使われる記号を表２に示
す。）。

【００３６】

【数６】

【００３７】

【数７】

【００３８】

【表２】

【００３９】上記放射率理論値を用いてプロセス中の放
射率変化を得ることができる。プロセス温度と酸化膜の
時間的成長の反応理論から、酸化膜の時間的成長は、温
度一定の場合には酸化膜厚はプロセス時間に比例ないし
はプロセス時間の平方根に比例する。プロセス温度と酸
化膜の時間的成長の反応理論によって良く知られてお
り、膜厚が薄い場合、セ氏１４００度において図７のよ
うな変化になる。

【００４０】シリコン表面プロセスでは前述の式６，７
の光学理論式が良く成り立っていてこの点に付いては、
文献「渡辺（日立機械研）,et.al" 放射温度計による
半導体熱処理装置内のウェファ温度測定",計測自動制御
学会論文集,vol.25,no.9,p925-931 (1989)」あるいは文
献「 Schiroky G.H (GA Technologies,Inc.,San Diego,
Calif.)"In situ measurement of silicon oxidation k
inetics by monitoring spectrally emmitted radiatio
n",J.of Materials Science22,(1987),p3595-3601」，
文献「 Colavito D.B and Trimble L.E (AT&T lab.,New
Jersey) "Effect of External Silicon Dioxide and S
ilicon Roughness on theRadiative Melting of Silico
n",vol.134,no.5,p1211-1220 」等に詳細に記述されて
おり、シリコン表面プロセスでは少なくとも１μ以下の
今後の薄膜形成での真の制御目標値となる厚み領域では
式６，７が与える放射率理論値に良い一致を示すことが
知られている。工業材料のなかでもシリコンウェファは
光吸収について無視でき、表面粗度も小さいので、理論
式（式６，７）で実測とほぼ同じ結果が得られる。

【００４１】これから、２つの輻射センサー１６０₁，
１６０₂がプロセス材料２１０の表面法線上にあり、輻
射センサー１６０₁の測定波長λ1 が１μｍ，輻射セン
サー１６０₂の測定波長λ2 が１．６μｍのとき、分光
放射率ε1 ，ε2 は「ρ1＝0.034 ，ρ2 ＝0.186 ，ｎ
＝1.45」をもちいて図８のようになる。これから、測定
波長λ1 ，λ2 から得られる放射率累乗比Ｋｕ（＝［ε
₁のλ₁乗］／［ε₂のλ₂乗］）及び放射率比（ε₁
／ε₂）は図９，図１０のようになる。そして、放射率
累乗比Ｋｕと放射率比（ε₁／ε₂）との相関は図１１
のようになり、これが式４で示した相関関数「ｆ」を示
したものになる。

【００４２】一方、輻射センサー１６０₁がプロセス材
料２１０の表面法線上にあり、他方の輻射センサー１６
０₂が４５度の角をなす位置にあり、一方の輻射センサ
ー１６０₁の測定波長λ1 が１．０μｍ，他方の輻射セ
ンサー１６０₂の測定波長λ2 が２．０μｍのとき、分
光放射率ε1 ，ε2 ，放射率累乗比Ｋｕ，放射率比（ε
₁／ε₂），それらの相関は図１２〜図１５で示され
る。

【００４３】物性値として温度を測定する場合、相関関
数「ｆ」で得られた放射率比（ε_１／ε_２）から前
述の式５を用いて温度が求められる。しかし、上述のよ
うに、相関関数「ｆ」が多重ループを描くような関数と
なるため、式４にて放射率累乗比Ｋｕから放射率比（ε
₁／ε₂）をもとめるのは困難なものになり、これを単
純化近似すると誤差がでるという問題が生じることにな
る。

【００４４】これにはつぎのようにして解決する。輻射
センサー１６０₁の測定波長λ1 ，測定角度θ1 と、輻
射センサー１６０₂の測定波長λ2 ，測定角度θ2 とを
つぎの式８又は式９で示される関係のものにする。

【００４５】

【数８】

【００４６】

【数９】

【００４７】つまり、材料の表面法線と第１の輻射セン
サー１６０₁の検出する光の光路とがなす角度（測定角
度θ1 ）の余弦に対する輻射センサー１６０₁の検出す
る光の波長（測定波長λ1 ）の比が、材料の表面の法線
と第２の輻射センサー１６０₂の検出する光の光路とが
なす角度（測定角度θ2 ）の余弦に対する輻射センサー
１６０₂の検出する光の波長（測定波長λ2 ）の比のお
よそ整数倍になるように、輻射センサー１６０₂の位置
又は輻射センサー１６０₂の検出する光の波長を設定し
ている。これにより、相関関数「ｆ」は、多重ループを
示さず、３価以上にならなくなり、簡単なものになる。
そのため、分光放射率（ε_i／ε_i'）を得るのが簡単に
なって、これによって得た分光放射率をもとに材料の表
面物性値・温度が導かれる。この相関関数「ｆ」が簡素
化される点について様々な態様を例に説明する。

【００４８】２つの輻射センサー１６０₁，１６０₂が
プロセス材料２１０の表面法線上にあり、波長λ1 が１
μｍのとき（前述の図８〜図１１での設定）、Ｎ＝２と
して式８を用いて２．０μｍに輻射センサー１６０₂の
測定波長λ2 を変更すると、分光放射率ε1 ，ε2 （図
１６），放射率累乗比Ｋｕ（図１７），放射率比ε₁／
ε₂（図１８）が変化し、放射率累乗比Ｋｕと放射率比
（ε₁／ε₂）との相関は図１９のような簡単なものに
なる。これにより、放射率累乗比Ｋｕから放射率比ε₁
／ε₂が容易に算出され、誤差の少ない計測がなされる
ことになる。

【００４９】一方の輻射センサー１６０₁がプロセス材
料２１０の表面法線上にあり、他方の輻射センサー１６
０₂が４５度の角をなす位置にあり、一方の波長λ1 が
１．０μｍのとき（前述の図１２〜図１５での設定）、
Ｎ＝２として式８を用いて１．４１４μｍに他方の測定
波長λ2 を変更すると、分光放射率ε1 ，ε2 ，放射率
累乗比Ｋｕ，放射率比ε₁／ε₂は図２０〜図２２で示
すようになり、相関は図２３のような簡単なものにな
る。Ｎ＝３として式８を用い、２．１２１μｍに他方の
測定波長λ2 を変更すると、分光放射率ε1 ，ε2 ，放
射率累乗比Ｋｕ，放射率比ε₁／ε₂は図２４〜図２６
で示すようになり、相関は図２７のような簡単なものに
なる。

【００５０】また、一方の輻射センサー１６０₁がプロ
セス材料２１０の表面法線上にあり、一方の波長λ1 が
１μｍ，他方の波長λ2 が１．６μｍのとき（前述の図
８〜図１１での設定）、Ｎ＝２として式９を用いてプロ
セス材料２１０の表面法線とのなす角が３６．８７度に
なる位置に他方の輻射センサーをもってくると、分光放
射率ε1 ，ε2 ，放射率累乗比Ｋｕ，放射率比ε₁／ε
₂は図２８〜図３０で示すようになり、相関は図３１の
ようになる。ここで、分光放射率ε1 は分光放射率ε2
に対し２倍の周期を持つようになる。Ｎ＝２として式９
を用い、５７．７６９度になる位置に他方の輻射センサ
ー１６０₂をもってくると、分光放射率ε1 ，ε2 ，放
射率累乗比Ｋｕ，放射率比ε₁／ε₂は図３２〜図３４
で示すようになり、相関は図３５のようになる。

【００５１】これらの放射率累乗比Ｋｕと放射率比（ε
₁／ε₂）との相関は、部分的に２価になっているが、
もう一つの測定波長λ3 又は測定角度θ3 で測定して情
報量を増やすことで容易に正しい方を識別できる。

【００５２】Ｎ＝１として式８，９を用いると、２つの
測定波長を用いていても見掛上１つの測定波長を用いる
のと等価になって、放射率比ε₁／ε₂を「１」とした
従来の２色式放射温度計と等価になる。例えば、一方の
輻射センサーがプロセス材料２１０の表面法線上にあ
り、一方の波長λ1が１μｍ，他方の波長λ2 が１．６
μｍのとき（前述の図８〜図１１での設定）、プロセス
材料２１０の表面法線とのなす角が５１．３１８度にな
る位置に他方の輻射センサーをもってくると、分光放射
率ε1 ，ε2 ，放射率累乗比Ｋｕ，放射率比ε₁／ε₂
は図３６〜図３８で示すようになり、相関は図３９のよ
うになる。また、一方の輻射センサーがプロセス材料２
１０の表面法線上にあり、他方の輻射センサーが４５度
の角をなす位置にあり、一方の波長λ1 が１．０μｍの
とき（前述の図１２〜図１５での設定）、０．７０７μ
ｍに他方の測定波長λ2 を変更すると、分光放射率ε1
，ε2 ，放射率累乗比Ｋｕ，放射率比ε₁／ε₂は図
４０〜図４２で示すようになり、相関は図４３のように
なる。

【００５３】シリコン酸化膜では、式６，７が比較的実
際とあうのであるが、材料一般（例えば、ステンレス鋼
板、アルミニウムなど）の酸化進行中などでは、実際の
放射率変化に対し式６，７はあまり良い一致をみせな
い。また、厳密にはシリコンでもあわない。これは光吸
収，表面粗度の影響などのためである。こういった実際
の材料で放射率変化では、左記の図などで示したような
理想的な周期関数ではなく、減衰振動的で、位相がずれ
る、という相違が観測される。式６，７は、光学吸収を
無視してゼロとした近似式だからである。

【００５４】この影響は式６，７に光学定数に複素屈折
率「ｎ^*＝ｎ＋ｉ・ｋ」をもちいて一般化した式６Ｘ，
６Ｙ，７Ｘ，７Ｙをつぎに示す。

【００５５】

【数１０】

【００５６】ここで、「ｋ」は光学吸収係数である。ま
た、添字1 は雰囲気（大気）、添字2 は薄膜物質（SiO
2）、添字3 は母材物質（シリコン）を示す。放射率ε
_iが減衰振動的であるのは、光学吸収係数ｋによってｅ
ｘｐ関数の減衰係数項が現れるためであり、位相がずれ
るのは、式６Ｙの位相βが現れるためである。

【００５７】上記のより厳密な式から、測定波長、測定
角度を決定づけてもよいが、これは実用的ではない。そ
の理由は、光学物性定数ｎ、ｋは、「ハンドブック的
な」公知データが少なく、任意の成分の測定対象材料の
定数が得られない。しかもこれら光学定数は温度依存性
（温度で変化する）も予想される。

【００５８】そのため、本実施例では、式８，９で測定
角度θj 、測定中心波長λi を決め、角度ないしは波長
を微小にかえて測定を行い、最適な測定角度、測定中心
波長を実際に使用する測定プロセス条件下で決定する。
これを詳しく説明すると、まず、式９で決まる値で第２
の放射温度計の仮の測定角度θ2 を決定する。ここで、
「ｋ」を無視した式６，７に基づく式８，９で仮の値
を計算したのは、シリコン、金属などでは放射率εの計
算式に対する「ｎ」よりも「ｋ」の方が効くからであ
る。つぎに、角度θ2 を用い、光学フィルタ等を用いて
感度中心波長λ2を波長λ2 を中心として±Δλ×ｉの
微小波長かえる（Δλは 0.01 μ 程度）。そして、プ
ロセス材料２１０を微小波長（±Δλ×ｉ）に対応させ
て２×ｉ通り測定を実行する。その結果、データのばら
つきの最も小さい波長を測定波長とする。このようにし
て精密でかつ実用的に測定を行っている。

【００５９】本発明は前述の実施例に限らず様々な変形
が可能である。

【００６０】例えば、プロセス材料については、表面酸
化が進行中の材料一般例えば、ステンレス鋼板、アルミ
ニウムおよびアルミ合金などにも適用可能である。ま
た、物性値としては、酸化膜厚、温度を例に用いたが合
金化度、結晶粒径、表面粗度としてもよい。これらにつ
いて現状では理論式がないため、実験により物性値−放
射率累乗比（又は、物性値−放射率比）の相関関数
「ｆ」をきめて用いることになる。

【００６１】

【発明の効果】以上の通り本発明の材料の表面物性値・
温度の測定装置によれば、材料，輻射センサーの検出す
る光の光路と材料の表面の法線とのなす角度，検出する
光の波長など測定時の様々なファクターに応じて輻射セ
ンサーの検出する光の光路と材料の表面の法線とのなす
角度，検出する光の波長を設定し得るので、前述の様々
なファクターに応じた柔軟な材料の表面物性値・温度の
測定をすることができる。

【００６２】また、本発明の材料の表面物性値・温度の
測定方法によれば、分光放射率比−放射率累乗比の相関
は簡素なものになるため、放射率累乗比の実測値から分
光放射率を簡単に得ることができ、それに対応する材料
の表面物性値・温度を導くのを簡単にすることができ
る。

【００６３】そして、第２の輻射センサーの位置を微小
角度さらに移動させ、或いは、第２の輻射センサーの検
出する光の波長域をさらに変化させることで、相関
「ｆ」が単純化するので、応答がよくなり、より正確な
材料の表面物性値・温度を導くことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の材料の表面物性値・温度の測定装置の
構成図。

【図２】輻射センサーの構成図。

【図３】測定角度制御系の動作説明図。

【図４】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図５】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図６】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図７】酸化膜厚の変化のグラフ。

【図８】分光放射率の変化のグラフ。

【図９】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図１０】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図１１】放射率累乗比Ｋｕと放射率比（ε₁／ε₂）
との相関のグラフ。

【図１２】分光放射率の変化のグラフ。

【図１３】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図１４】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図１５】放射率累乗比Ｋｕと放射率比（ε₁／ε₂）
との相関のグラフ。

【図１６】分光放射率の変化のグラフ。

【図１７】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図１８】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図１９】放射率累乗比Ｋｕと放射率比（ε₁／ε₂）
との相関のグラフ。

【図２０】分光放射率の変化のグラフ。

【図２１】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図２２】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図２３】放射率累乗比Ｋｕと放射率比（ε₁／ε₂）
との相関のグラフ。

【図２４】分光放射率の変化のグラフ。

【図２５】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図２６】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図２７】放射率累乗比Ｋｕと放射率比（ε₁／ε₂）
との相関のグラフ。

【図２８】分光放射率の変化のグラフ。

【図２９】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図３０】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図３１】放射率累乗比Ｋｕと放射率比（ε₁／ε₂）
との相関のグラフ。

【図３２】分光放射率の変化のグラフ。

【図３３】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図３４】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図３５】放射率累乗比Ｋｕと放射率比（ε₁／ε₂）
との相関のグラフ。

【図３６】分光放射率の変化のグラフ。

【図３７】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図３８】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図３９】放射率累乗比Ｋｕと放射率比（ε₁／ε₂）
との相関のグラフ。

【図４０】分光放射率の変化のグラフ。

【図４１】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図４２】放射率累乗比の変化のグラフ。

【図４３】放射率累乗比Ｋｕと放射率比（ε₁／ε₂）
との相関のグラフ。

【符号の説明】

１６０₁，１６０₂…輻射センサー，２１０…プロセス
材料，２２０…コントロールユニット，Ｓ₁，Ｓ₃（Ｓ
ｉ）…検出信号，Ｓ₂，Ｓ₄（Ｓｉ’）…検出信号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】材料から放射された光を検出する複数の
輻射センサーと、前記複数の輻射センサーの検出出力から放射率累乗比の
実測値を求める放射率累乗比演算ブロックとを有し、前記複数の輻射センサーは、その検出する光の光路と前
記材料の表面の法線とのなす角度についてその位置が可
変、或いは、その検出する光の波長が可変であることを
特徴とする材料の表面物性値・温度の測定装置。
【請求項２】材料の表面の法線と第１の輻射センサー
の検出する光の光路とがなす角度の余弦に対する前記第
１の輻射センサーの検出する光の波長の比が、前記法線
と第２の輻射センサーの検出する光の光路とがなす角度
の余弦に対する前記第２の輻射センサーの検出する光の
波長の比のおよそ整数倍になるように前記第２の輻射セ
ンサーの位置又は前記第２の輻射センサーの検出する光
の波長を所定の波長に設定し、前記材料から放射された光を第１及び第２の輻射センサ
ーで検出し、前記第１及び前記第２の輻射センサーの検
出出力から放射率累乗比の実測値を求め、この実測値から予め決められた分光放射率比−放射率累
乗比の相関に基づいて得た分光放射率に対応する前記材
料の表面物性値ないし温度を導くことを特徴とする材料
の表面物性値・温度の測定方法。
【請求項３】前記第２の輻射センサーの位置を微小角
度さらに移動させ、或いは、前記第２の輻射センサーの
検出する光の波長を微小波長さらに変化させることを特
徴とする請求項２記載の材料の表面物性値・温度の測定
方法。