レーザー・スペックルによる温度測定方法および装置
【課題】広い面積の測定領域における温度分布を効率的に測定することができ、軸対称でない温度分布も測定対象とすることができるレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置を提供する。
【解決手段】レーザー発振器１からのレーザー光を散乱する散乱板２１〜２３と、散乱レーザー光を平行光線とする平行化レンズ３１〜３３と、平行レーザー光を集光する集光レンズ５１〜５３と、レーザー光のスペックル・パターンを検出する画像センサー６１〜６３とを備えたスペックル検出系を複数系統使用する。複数系統のスペックル検出系を、レーザー光が測定領域内のそれぞれ異なる領域を通過するように配置する手順と、レーザー発振器から複数系統のそれぞれのスペックル検出系にレーザー光を入射する手順と、それぞれのスペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める手順とを有する。
【解決手段】レーザー発振器１からのレーザー光を散乱する散乱板２１〜２３と、散乱レーザー光を平行光線とする平行化レンズ３１〜３３と、平行レーザー光を集光する集光レンズ５１〜５３と、レーザー光のスペックル・パターンを検出する画像センサー６１〜６３とを備えたスペックル検出系を複数系統使用する。複数系統のスペックル検出系を、レーザー光が測定領域内のそれぞれ異なる領域を通過するように配置する手順と、レーザー発振器から複数系統のそれぞれのスペックル検出系にレーザー光を入射する手順と、それぞれのスペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める手順とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定領域の表面温度分布を同時に測定することのできるレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置に関し、さらに詳しくは、例えば大口径のシリコンウェハ等の広い面積の測定領域を有する測定対象物や、軸対称でない温度分布の測定対象物も測定可能とするレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電における二酸化炭素の排出による地球温暖化という問題点や、原子力発電の安全性に対する問題点が指摘されている中、自然エネルギーによる発電システムの重要性がますます増大して来ている。特に、災害時のエネルギー供給の確保という点では、小数の電力会社による集中的な発電・分配システムよりも、例えば各家庭単位で発電し余った電力を送電線を介して他の消費者に供給するような分散的な発電・分配システムが望まれるところである。
【０００３】
そのような分散的な発電システムとしては、各家庭での発電実施条件等を考慮すると、特に太陽光発電が適している。そのための太陽電池モジュールは、一般的にはシリコンウェハから製造される。太陽電池モジュールは、ＬＳＩなどの他の半導体デバイスに比べて、大きさが１００〜１００００倍ほども大きい。また、このような大きな太陽電池モジュールを低コストで効率よく製造するために、大口径のシリコンウェハ上に多数の太陽電池モジュールを作成する製造方法が推進されている。
【０００４】
このように太陽電池モジュールの効率的な製造のために、使用されるシリコンウェハがますます大口径化しつつある。一方、高品質かつ均一品質な太陽電池モジュールの製造のためには、製造工程におけるシリコンウェハの表面の温度管理が重要である。すなわち、製造工程におけるシリコンウェハの表面温度分布を均一にする必要がある。そして、太陽電池モジュールの製造プラントの開発や評価のために、シリコンウェハの表面の温度分布を短時間で測定する方法や装置が有用である。できれば、シリコンウェハの表面全体の温度分布をリアルタイムで測定可能であることが望まれる。
【０００５】
従来の一般的な温度測定方法としては、熱電対やサーミスタを利用した温度測定があるが、この方法はプローブを測定対象に接触させる必要があり、また、基本的にピンポイントでの温度測定となる。このような熱電対などを測定対象に接触させる測定方法は、大口径のシリコンウェハの表面全体の温度分布をリアルタイムで測定するという目的には適していない。
【０００６】
また、測定対象物から放射される光・赤外線などの電磁波を検出して測定対象物の温度を測定する放射温度計も使用されている。この放射温度計によれば非接触で広い範囲の温度測定を行うことができるが、測定値が測定対象物の表面の放射率やその他の表面状態に影響されやすいという問題点がある。このため、表面の放射率による測定値の補正や、熱電対などによる温度測定値によって較正を行う必要がある。このように、放射温度計による測定では、測定の準備段階や測定後の作業および処理に手間と時間がかかり、測定作業が複雑化してしてしまう。
【０００７】
また、非接触で測定対象物の温度を測定する方法としては、下記の特許文献１に開示された方法がある。特許文献１には、基板にレーザー光を照射し、散乱反射されて生じるスペックル・パターンによって基板の温度を求めるようにした基板温度モニタが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−１９６９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のように、熱電対などを利用した接触型の温度計は、大口径のシリコンウェハの表面全体の温度分布をリアルタイムで測定するという目的には不向きである。また、放射温度計も、測定値が測定対象物の表面の放射率やその他の表面状態に影響されやすく、測定の準備段階や測定後の作業および処理に手間と時間がかかり、測定作業が複雑化してしてしまうという問題点がある。
【００１０】
特許文献１のような、レーザー光によるスペックル・パターンによって測定対象物の温度を測定する方法もあるが、この特許文献１の温度測定方法も基本的にはピンポイントでの温度測定であり、シリコンウェハの表面全体の温度分布を求めるには適していない。また、非接触とは言っても測定対象物に直接レーザー光を照射しており、レーザー光が測定対象物に全く影響を及ぼさないとは言い切れない。
【００１１】
そこで、本発明は、広い面積の測定領域であっても表面温度分布を効率的に測定することができるレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置を提供することを目的とする。また、本発明は、測定対象物のシリコンウェハ等にプローブを直接接触させたり、レーザー光を直接照射させることがなく、温度測定によって測定対象物に全く影響を与えることのないレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のレーザー・スペックルによる温度測定方法は、レーザー発振器から射出されたレーザー光を散乱する散乱板と、前記散乱板で散乱された散乱レーザー光を平行光線として測定領域を通過させる平行化レンズと、測定領域を通過した平行レーザー光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光されたレーザー光のスペックル・パターンを検出する画像センサーとを備えたスペックル検出系を複数系統使用するレーザー・スペックルによる温度測定方法であって、複数系統の前記スペックル検出系を、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内のそれぞれ異なる領域を通過するように配置する手順と、前記レーザー発振器から複数系統のそれぞれの前記スペックル検出系にレーザー光を入射する手順と、それぞれの前記スペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める手順とを有するものである。
【００１３】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定方法において、前記スペックル検出系にレーザー光を入射する手順は、単一の前記レーザー発振器からのレーザー光の経路を変更して複数系統の前記スペックル検出系に順次入射させるものであることが好ましい。
【００１４】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定方法において、回転可能な反射鏡によりレーザー光の経路を変更するものであることが好ましい。
【００１５】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定方法において、前記スペックル検出系を配置する手順は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内の互いに平行な領域を通過するように配置するものとすることができる。
【００１６】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定方法において、前記スペックル検出系を配置する手順は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内の互いに交差する領域を通過するように配置するものとすることができる。
【００１７】
また、本発明のレーザー・スペックルによる温度測定装置は、レーザー光を射出するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から射出されたレーザー光を散乱する散乱板と、前記散乱板で散乱された散乱レーザー光を平行光線として測定領域を通過させる平行化レンズと、前記測定領域を通過した平行レーザー光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光されたレーザー光のスペックル・パターンを検出する画像センサーとを備えたスペックル検出系と、前記レーザー発振器から射出されるレーザー光を制御する制御部と、それぞれの前記スペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める演算部とを有し、前記スペックル検出系は、複数系統の前記スペックル検出系が配置され、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内のそれぞれ異なる領域を通過するように配置されたものである。
【００１８】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定装置において、前記レーザー発振器から射出されたレーザー光の経路を変更するための回転可能な反射鏡を有し、前記制御部は、前記反射鏡の回転角度を制御してレーザー光をそれぞれの前記スペックル検出系に選択的に入射するものであることが好ましい。
【００１９】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定装置において、複数系統の前記スペックル検出系は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内の互いに平行な領域を通過するように配置されたものとすることができる。
【００２０】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定装置において、複数系統の前記スペックル検出系は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内の互いに交差する領域を通過するように配置されたものとすることができる。
【００２１】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定装置において、複数系統の前記スペックル検出系は、前記測定領域の周囲に回動可能に配置された基台に設置されたものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。
【００２３】
本発明のレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置によれば、測定対象物のシリコンウェハ等にプローブを直接接触させたり、レーザー光を直接照射させることがなく、温度測定によって測定対象物に全く影響を与えることがない。
【００２４】
また、大口径（大面積）の測定領域の温度分布を高精度に効率的に測定することができる。すなわち、大口径のシリコンウェハであってもその表面全体の温度分布を測定することができる。また、各レンズの口径を測定領域の口径に比べて小さくできるため、測定システム全体のコストを大幅に低減することができる。
【００２５】
さらに、測定領域の温度分布が軸対称でないことを検出したり、温度分布の偏心量を求めたりすることができ、軸対称でない温度分布も測定対象とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の基礎となるレーザー・スペックルによる温度分布の測定方法の概要を示す図である。
【図２】図２は、レーザー・スペックルによる温度分布測定の測定原理を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、本発明の基礎となるレーザー・スペックルによる温度分布の測定方法の概要を説明する。図１は、レーザー・スペックルによる温度分布の測定方法を示す全体図である。測定領域４の温度分布が中心軸に対して軸対称であれば、この測定により測定領域４の温度分布を求めることができる。
【００２８】
レーザー発振器１はレーザー光を発生し出力する装置である。レーザー発振器１から射出されたレーザー光は、散乱板２によって散乱され図示のように拡散される。散乱板２は、例えばすりガラスのような粗面処理をされた透明体である。散乱板２によって散乱されたレーザー光は、平行化レンズ３によって平行な光束とされ測定領域４を通過する。測定領域４を通過したレーザー光は、集光レンズ５によって集光され、画像センサー６によって検出される。なお、平行化レンズ３および集光レンズ５は平凸レンズが使用される。
【００２９】
画像センサー６での検出画像には、散乱板２によって散乱されたレーザー光の干渉によりスペックル・パターンと呼ばれる多数の光斑（光点）が観測される。測定領域４が周囲と温度差のない均一な温度である場合と、測定領域４内に高温または低温の領域がある場合では、光の進路に変化が生じるため、検出画像におけるスペックル・パターンの位置が変化する。このスペックル・パターンの位置の変化を測定して測定領域４の温度分布を求めるのである。
【００３０】
例えば、軸対称な炎の温度分布を測定する場合を説明する。まず、測定領域４に炎がなく周囲と同じ温度である状態（基準状態）の、画像センサー６の検出画像を記録する。次に、測定対象の炎を測定領域４の中央に位置させ、そのときの画像センサー６の検出画像を記録する。そして、コンピュータ７によって両者の検出画像を解析し、スペックル・パターンの位置の変化を検出する。そのスペックル・パターンの位置の変化から炎の軸対称な温度分布を求めることができる。
【００３１】
図２は、レーザー・スペックルによる温度分布測定の測定原理を示す図である。中央の同心円状の領域は炎の温度分布を示しており、この炎の中心はｘｙ座標の原点に位置している。炎の温度分布は、温度Ｔ４の領域が最も高温で、次に温度Ｔ３の領域、中心部と外殻部が温度Ｔ２で比較的低温であることを示している。炎の周囲では温度Ｔ１でほぼ一定の温度であるとする。すなわち、温度Ｔ１〜Ｔ４の大小関係はＴ４＞Ｔ３＞Ｔ２＞Ｔ１となっている。
【００３２】
この炎の領域に対して、光が左方のｙ＝０の位置から進行してきた場合は、光は屈折せずに直進する。また、光がｙ＝Ｙ６の位置から進行してきた場合も温度が一定であるので直進する。光がｙ＝Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４，Ｙ５の位置から進行してきた場合、それぞれの位置に応じて外側に屈折する。光はそれぞれの温度の環状の領域の境界位置で屈折するが、近似的にはｘ＝０の位置で角度αだけ屈折するとしても差し支えない。なお角度αはｘ軸と光の進行方向のなす角度である。
【００３３】
今、光が左方の座標値ｙの位置から進行してきた場合、光が角度α（ｙ）だけ屈折するとする。角度αはｙの関数となる。図２のような環状の温度分布における、座標原点からの距離ｒの位置での屈折率をｎ（ｒ）とすれば、屈折率ｎ（ｒ）は角度α（ｙ）から次の数１によって求めることができる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
また、気体の屈折率と温度との関係はグラッドストーンデールの定理から求めることができる。すなわち、座標原点からの距離ｒの位置での気体の温度Ｔ（ｒ）は、次の数２によって求めることができる。
【００３６】
【数２】
【００３７】
ここで、Ｒは気体定数であり、Ｋはグラッドストーンデールの式における気体の密度と屈折率との関係を規定する定数である。また、温度Ｔ0 は室温等の基準温度を示し、ｎ0 は基準温度における気体の屈折率であり、Ｐ0 は基準温度における気体の圧力である。
【００３８】
以上をまとめると、次のような手順により測定領域の温度分布を求めることができる。まず、スペックル・パターンの基準状態からの位置変化により光の屈折角α（ｙ）を求める。その屈折角α（ｙ）から数１により屈折率ｎ（ｒ）を求める。そして、数２により、温度分布Ｔ（ｒ）を求める。
【００３９】
次に、本発明の実施形態について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態を示す図である。前述のように、太陽電池モジュールの効率的な製造のために使用されるシリコンウェハは近年ますます大口径化してきている。大口径のシリコンウェハの全領域は、図１に示すような１系統のスペックル検出系ではカバーできない。そこで、本発明の第１の実施形態では、複数のスペックル検出系を平行に配置して、大口径のシリコンウェハのほぼ全領域の温度分布を測定可能としたものである。
【００４０】
第１のスペックル検出系は、散乱板２１、平行化レンズ３１、集光レンズ５１および画像センサー６１からなる。第２のスペックル検出系は、散乱板２２、平行化レンズ３２、集光レンズ５２および画像センサー６２からなる。第３のスペックル検出系は、散乱板２３、平行化レンズ３３、集光レンズ５３および画像センサー６３からなる。これらの各スペックル検出系のそれぞれの要素の機能は、図１に示したスペックル検出系と同様である。
【００４１】
第１の実施形態では、３系統のスペックル検出系を備えており、これらのスペックル検出系が互いに平行に配置されている。すなわち、それぞれのスペックル検出系において、レーザー光が測定領域４内の互いに平行な領域を通過するようにされている。これらの３系統のスペックル検出系によって、大口径の測定領域４であっても全面の温度分布を高精度に求めることができる。
【００４２】
レーザー発振器１から射出されたレーザー光は、回転可能な反射鏡８によって反射されレーザー光の経路が変更される。反射鏡８は矢印で示すように回動可能であり、回転角度位置を変更制御することができる。これにより、レーザー発振器１から射出されたレーザー光を第１〜３のスペックル検出系に選択的に入射することができる。反射鏡８としてはポリゴンミラー等の多面鏡を使用することができるが、必ずしも多面鏡である必要はない。
【００４３】
反射鏡８で反射されたレーザー光は、さらに固定反射鏡９１〜９３により反射され、それぞれのスペックル検出系に入射される。すなわち、固定反射鏡９１で反射されたレーザー光は第１のスペックル検出系（散乱板２１〜画像センサー６１）に入射され、固定反射鏡９２で反射されたレーザー光は第２のスペックル検出系（散乱板２２〜画像センサー６２）に入射され、固定反射鏡９３で反射されたレーザー光は第３のスペックル検出系（散乱板２３〜画像センサー６３）に入射される。固定反射鏡９１〜９３は、位置および角度が調整されて固定されており、レーザー光がそれぞれのスペックル検出系に適正に入射されるように配置されている。
【００４４】
反射鏡８の回転角度位置はコンピュータ７によって変更制御される。また、コンピュータ７は、レーザー発振器１のレーザー光のオン・オフおよびレーザー光の出力強度などの制御も行う。つまり、コンピュータ７はレーザー発振器１から射出されるレーザー光のオン・オフ、強度および経路を制御する制御部として機能する。
【００４５】
さらに、コンピュータ７は、画像センサー６１〜６３の検出画像を記録して、前述のようにスペックル・パターンの基準状態からの位置変化を求める。そして、前述と同様な手順により測定領域４における温度分布を求めることができる。コンピュータ７は、３系統のスペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める演算部として機能している。なお、ここではコンピュータ７が制御部と演算部の両方の機能を有しているが、制御部と演算部の機能をそれぞれ別々の処理装置に割り当てるようにしてもよい。
【００４６】
なお、第１〜３のスペックル検出系は水平面上に設置されており、この測定システムではその水平面上の測定領域４の温度分布を測定している。しかし、第１〜３のスペックル検出系全体を上下動可能な基台に設置しておけば、上下方向の位置（ｚ軸方向の位置）を変更しながら、各位置での温度分布を測定することができる。例えば、シリコンウェハの表面の温度分布が知りたい場合、シリコンウェハの上方の複数位置での温度分布を測定することにより、シリコンウェハの表面そのものの温度分布もそれらの測定値から推定することができる。
【００４７】
以上のような、本発明の第１の実施形態により、大口径（大面積）の測定領域の温度分布を高精度に効率的に測定することができる。すなわち、大口径のシリコンウェハであってもその表面全体の温度分布を測定することができる。また、各レンズの口径をシリコンウェハの口径に比べて小さくできるため、測定システム全体のコストを大幅に低減することができる。
【００４８】
図４は、本発明の第２の実施形態を示す図である。この実施形態でも３系統のスペックル検出系を備えているが、第１の実施形態とは異なり、これらの３系統のスペックル検出系が互いに交差するように配置されている。すなわち、それぞれのスペックル検出系において、レーザー光が測定領域４内の互いに交差する領域を通過するようにされている。
【００４９】
第１のスペックル検出系は、散乱板２１、平行化レンズ３１、集光レンズ５１および画像センサー６１からなる。第２のスペックル検出系は、散乱板２２、平行化レンズ３２、集光レンズ５２および画像センサー６２からなる。第３のスペックル検出系は、散乱板２３、平行化レンズ３３、集光レンズ５３および画像センサー６３からなる。これらの各スペックル検出系のそれぞれの要素の機能は、図１に示したスペックル検出系と同様である。
【００５０】
そして、第１のスペックル検出系と第２のスペックル検出系は４５度の角度で交差しており、第２のスペックル検出系と第３のスペックル検出系も４５度の角度で交差している。第１のスペックル検出系と第３のスペックル検出系は９０度の角度で交差している。本発明の基礎となっている図１の温度分布の測定方法では、温度分布が軸対称であることが前提条件であった。すなわち、温度分布が軸対称でなかった場合には、それは温度分布の測定誤差として表れるのみであり、温度分布が軸対称でないことを検出することはできなかった。
【００５１】
そこで、この第２の実施形態においては、複数の方向から測定領域４の温度分布を測定することにより、温度分布が軸対称でないことを検出できるようにしたものである。また、温度分布そのものは軸対称であるがその中心軸が測定領域４の中心軸から偏心しているような場合にも、その偏心量（両中心軸間の距離）を測定可能である。
【００５２】
レーザー発振器１から射出されたレーザー光は、回転可能な反射鏡８によって反射されレーザー光の経路が変更される。反射鏡８は矢印で示すように回動可能であり、回転角度位置を変更制御することができる。これにより、レーザー発振器１から射出されたレーザー光を第１〜３のスペックル検出系に選択的に入射することができる。反射鏡８としてはポリゴンミラー等の多面鏡を使用することができるが、必ずしも多面鏡である必要はない。
【００５３】
反射鏡８で反射されたレーザー光は、さらに固定反射鏡９１，９２，９３１，９３２により反射され、それぞれのスペックル検出系に入射される。すなわち、固定反射鏡９１で反射されたレーザー光は第１のスペックル検出系（散乱板２１〜画像センサー６１）に入射され、固定反射鏡９２で反射されたレーザー光は第２のスペックル検出系（散乱板２２〜画像センサー６２）に入射され、固定反射鏡９３１，９３２で反射されたレーザー光は第３のスペックル検出系（散乱板２３〜画像センサー６３）に入射される。固定反射鏡９１，９２，９３１，９３２は、位置および角度が調整されて固定されており、レーザー光がそれぞれのスペックル検出系に適正に入射されるように配置されている。
【００５４】
反射鏡８の回転角度位置はコンピュータ７によって変更制御される。また、コンピュータ７は、レーザー発振器１のレーザー光のオン・オフおよびレーザー光の出力強度などの制御も行う。つまり、コンピュータ７はレーザー発振器１から射出されるレーザー光のオン・オフ、強度および経路を制御する制御部として機能する。
【００５５】
さらに、コンピュータ７は、画像センサー６１〜６３の検出画像を記録して、前述のようにスペックル・パターンの基準状態からの位置変化を求める。そして、前述と同様な手順により測定領域４における温度分布を求めることができる。コンピュータ７は、３系統のスペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める演算部として機能している。なお、ここではコンピュータ７が制御部と演算部の両方の機能を有しているが、制御部と演算部の機能をそれぞれ別々の処理装置に割り当てるようにしてもよい。
【００５６】
ただし、この実施形態では第１〜３のスペックル検出系の検出結果を重ね合わせて１つの温度分布を求めるのではなく、第１のスペックル検出系から第１の温度分布を求め、第２のスペックル検出系から第２の温度分布を求め、第３のスペックル検出系から第３の温度分布を求める。測定領域４における温度分布が軸対称になっている場合には、第１〜３のスペックル検出系から求めた第１〜３の温度分布は全て同じ温度分布となる。
【００５７】
しかし、測定領域４における温度分布が軸対称から外れた場合は、第１〜３の温度分布に差異が表れる。この第１〜３の温度分布の差異を検出することにより、温度分布が軸対称でなくなったことを検知することができる。例えば、シリコンウェハの表面温度分布が本来は軸対称の分布であるべきところ、何らかの異常や障害により表面温度分布が軸対称ではなくなったような場合、この実施形態の測定方法により、異常を検出し警報信号等を出力することができる。
【００５８】
さらに、温度分布そのものは軸対称であるがその中心軸が測定領域４の中心軸から偏心しているような場合、本実施形態によりその偏心量（両中心軸間の距離）を測定可能である。例えば、第１〜３の温度分布の中心位置の温度をそれぞれ求めるとする。この第１〜３の中心位置温度は、偏心量が０の場合には等しい値となるが、偏心量が０でない場合にはそれぞれに差が生じてくる。多数の角度位置において測定領域４の温度分布を測定して、それぞれの中心位置温度の統計的な分散を求めれば、その分散値が温度分布の偏心量と対応関係を持つものと考えられる。すなわち、偏心量に応じて分散値も大きくなる。
【００５９】
予め、実験的に偏心量と分散値との関係を求めておけば、実際の測定時の中心位置温度の分散値から偏心量を求めることができる。なお、このような温度分布の偏心量を求める場合には、図４に示すように第１〜３のスペックル検出系を水平面上で回動可能な基台１０に設置することが好ましい。基台１０は、測定領域４の周囲に回動可能に配置された環状の台であり、測定領域４の中心軸を中心として矢印で示すように回動可能である。基台１０を例えば５度ずつ回動させ、測定領域４の温度分布を測定することにより多数の測定値を得ることができる。
【００６０】
なお、基台１０は、水平面上で回動可能なだけでなく、上下方向にも移動可能とすることができる。基台１０を上下方向に移動可能とすれば、上下方向の位置による温度分布の変化を測定することが可能となる。
【００６１】
なお、ここでは第１〜３のスペックル検出系を水平面上で回動可能な基台１０上に設置するようにしたが、温度分布が軸対称から外れたことを検知するだけであれば、基台１０は必ずしも回動可能である必要はない。第１〜３のスペックル検出系の３つの角度位置の測定のみにより、温度分布が軸対称でないことは十分に検出できる。
【００６２】
以上のように、本発明のレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置によれば、測定対象物のシリコンウェハ等にプローブを直接接触させたり、レーザー光を直接照射させることがなく、温度測定によって測定対象物に全く影響を与えることがない。
【００６３】
また、大口径（大面積）の測定領域の温度分布を高精度に効率的に測定することができる。すなわち、大口径のシリコンウェハであってもその表面全体の温度分布を測定することができる。また、各レンズの口径をシリコンウェハの口径に比べて小さくできるため、測定システム全体のコストを大幅に低減することができる。
【００６４】
さらに、測定領域の温度分布が軸対称でないことを検出したり、温度分布の偏心量を求めたりすることができ、軸対称でない温度分布も測定対象とすることができる。
【００６５】
なお、以上に説明した本発明の第１および第２の実施形態では、スペックル検出系を３系統配置するようにしているが、３系統に限定されるわけではなく、２系統以上、任意の数のスペックル検出系を配置するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明のレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置により、測定対象物に全く影響を与えることなく温度分布を測定することができる。また、大口径の測定領域の温度分布を高精度に効率的に測定することができる。さらに、軸対称でない温度分布も測定対象とすることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１ レーザー発振器
２，２１，２２，２３ 散乱板
３，３１，３２，３３ 平行化レンズ
４ 測定領域
５，５１，５２，５３ 集光レンズ
６，６１，６２，６３ 画像センサー
７ コンピュータ
８ 反射鏡
１０ 基台
９１，９２，９３ 固定反射鏡
９３１，９３２ 固定反射鏡
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定領域の表面温度分布を同時に測定することのできるレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置に関し、さらに詳しくは、例えば大口径のシリコンウェハ等の広い面積の測定領域を有する測定対象物や、軸対称でない温度分布の測定対象物も測定可能とするレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電における二酸化炭素の排出による地球温暖化という問題点や、原子力発電の安全性に対する問題点が指摘されている中、自然エネルギーによる発電システムの重要性がますます増大して来ている。特に、災害時のエネルギー供給の確保という点では、小数の電力会社による集中的な発電・分配システムよりも、例えば各家庭単位で発電し余った電力を送電線を介して他の消費者に供給するような分散的な発電・分配システムが望まれるところである。
【０００３】
そのような分散的な発電システムとしては、各家庭での発電実施条件等を考慮すると、特に太陽光発電が適している。そのための太陽電池モジュールは、一般的にはシリコンウェハから製造される。太陽電池モジュールは、ＬＳＩなどの他の半導体デバイスに比べて、大きさが１００〜１００００倍ほども大きい。また、このような大きな太陽電池モジュールを低コストで効率よく製造するために、大口径のシリコンウェハ上に多数の太陽電池モジュールを作成する製造方法が推進されている。
【０００４】
このように太陽電池モジュールの効率的な製造のために、使用されるシリコンウェハがますます大口径化しつつある。一方、高品質かつ均一品質な太陽電池モジュールの製造のためには、製造工程におけるシリコンウェハの表面の温度管理が重要である。すなわち、製造工程におけるシリコンウェハの表面温度分布を均一にする必要がある。そして、太陽電池モジュールの製造プラントの開発や評価のために、シリコンウェハの表面の温度分布を短時間で測定する方法や装置が有用である。できれば、シリコンウェハの表面全体の温度分布をリアルタイムで測定可能であることが望まれる。
【０００５】
従来の一般的な温度測定方法としては、熱電対やサーミスタを利用した温度測定があるが、この方法はプローブを測定対象に接触させる必要があり、また、基本的にピンポイントでの温度測定となる。このような熱電対などを測定対象に接触させる測定方法は、大口径のシリコンウェハの表面全体の温度分布をリアルタイムで測定するという目的には適していない。
【０００６】
また、測定対象物から放射される光・赤外線などの電磁波を検出して測定対象物の温度を測定する放射温度計も使用されている。この放射温度計によれば非接触で広い範囲の温度測定を行うことができるが、測定値が測定対象物の表面の放射率やその他の表面状態に影響されやすいという問題点がある。このため、表面の放射率による測定値の補正や、熱電対などによる温度測定値によって較正を行う必要がある。このように、放射温度計による測定では、測定の準備段階や測定後の作業および処理に手間と時間がかかり、測定作業が複雑化してしてしまう。
【０００７】
また、非接触で測定対象物の温度を測定する方法としては、下記の特許文献１に開示された方法がある。特許文献１には、基板にレーザー光を照射し、散乱反射されて生じるスペックル・パターンによって基板の温度を求めるようにした基板温度モニタが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−１９６９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のように、熱電対などを利用した接触型の温度計は、大口径のシリコンウェハの表面全体の温度分布をリアルタイムで測定するという目的には不向きである。また、放射温度計も、測定値が測定対象物の表面の放射率やその他の表面状態に影響されやすく、測定の準備段階や測定後の作業および処理に手間と時間がかかり、測定作業が複雑化してしてしまうという問題点がある。
【００１０】
特許文献１のような、レーザー光によるスペックル・パターンによって測定対象物の温度を測定する方法もあるが、この特許文献１の温度測定方法も基本的にはピンポイントでの温度測定であり、シリコンウェハの表面全体の温度分布を求めるには適していない。また、非接触とは言っても測定対象物に直接レーザー光を照射しており、レーザー光が測定対象物に全く影響を及ぼさないとは言い切れない。
【００１１】
そこで、本発明は、広い面積の測定領域であっても表面温度分布を効率的に測定することができるレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置を提供することを目的とする。また、本発明は、測定対象物のシリコンウェハ等にプローブを直接接触させたり、レーザー光を直接照射させることがなく、温度測定によって測定対象物に全く影響を与えることのないレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のレーザー・スペックルによる温度測定方法は、レーザー発振器から射出されたレーザー光を散乱する散乱板と、前記散乱板で散乱された散乱レーザー光を平行光線として測定領域を通過させる平行化レンズと、測定領域を通過した平行レーザー光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光されたレーザー光のスペックル・パターンを検出する画像センサーとを備えたスペックル検出系を複数系統使用するレーザー・スペックルによる温度測定方法であって、複数系統の前記スペックル検出系を、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内のそれぞれ異なる領域を通過するように配置する手順と、前記レーザー発振器から複数系統のそれぞれの前記スペックル検出系にレーザー光を入射する手順と、それぞれの前記スペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める手順とを有するものである。
【００１３】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定方法において、前記スペックル検出系にレーザー光を入射する手順は、単一の前記レーザー発振器からのレーザー光の経路を変更して複数系統の前記スペックル検出系に順次入射させるものであることが好ましい。
【００１４】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定方法において、回転可能な反射鏡によりレーザー光の経路を変更するものであることが好ましい。
【００１５】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定方法において、前記スペックル検出系を配置する手順は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内の互いに平行な領域を通過するように配置するものとすることができる。
【００１６】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定方法において、前記スペックル検出系を配置する手順は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内の互いに交差する領域を通過するように配置するものとすることができる。
【００１７】
また、本発明のレーザー・スペックルによる温度測定装置は、レーザー光を射出するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から射出されたレーザー光を散乱する散乱板と、前記散乱板で散乱された散乱レーザー光を平行光線として測定領域を通過させる平行化レンズと、前記測定領域を通過した平行レーザー光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光されたレーザー光のスペックル・パターンを検出する画像センサーとを備えたスペックル検出系と、前記レーザー発振器から射出されるレーザー光を制御する制御部と、それぞれの前記スペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める演算部とを有し、前記スペックル検出系は、複数系統の前記スペックル検出系が配置され、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内のそれぞれ異なる領域を通過するように配置されたものである。
【００１８】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定装置において、前記レーザー発振器から射出されたレーザー光の経路を変更するための回転可能な反射鏡を有し、前記制御部は、前記反射鏡の回転角度を制御してレーザー光をそれぞれの前記スペックル検出系に選択的に入射するものであることが好ましい。
【００１９】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定装置において、複数系統の前記スペックル検出系は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内の互いに平行な領域を通過するように配置されたものとすることができる。
【００２０】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定装置において、複数系統の前記スペックル検出系は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内の互いに交差する領域を通過するように配置されたものとすることができる。
【００２１】
また、上記のレーザー・スペックルによる温度測定装置において、複数系統の前記スペックル検出系は、前記測定領域の周囲に回動可能に配置された基台に設置されたものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。
【００２３】
本発明のレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置によれば、測定対象物のシリコンウェハ等にプローブを直接接触させたり、レーザー光を直接照射させることがなく、温度測定によって測定対象物に全く影響を与えることがない。
【００２４】
また、大口径（大面積）の測定領域の温度分布を高精度に効率的に測定することができる。すなわち、大口径のシリコンウェハであってもその表面全体の温度分布を測定することができる。また、各レンズの口径を測定領域の口径に比べて小さくできるため、測定システム全体のコストを大幅に低減することができる。
【００２５】
さらに、測定領域の温度分布が軸対称でないことを検出したり、温度分布の偏心量を求めたりすることができ、軸対称でない温度分布も測定対象とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の基礎となるレーザー・スペックルによる温度分布の測定方法の概要を示す図である。
【図２】図２は、レーザー・スペックルによる温度分布測定の測定原理を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、本発明の基礎となるレーザー・スペックルによる温度分布の測定方法の概要を説明する。図１は、レーザー・スペックルによる温度分布の測定方法を示す全体図である。測定領域４の温度分布が中心軸に対して軸対称であれば、この測定により測定領域４の温度分布を求めることができる。
【００２８】
レーザー発振器１はレーザー光を発生し出力する装置である。レーザー発振器１から射出されたレーザー光は、散乱板２によって散乱され図示のように拡散される。散乱板２は、例えばすりガラスのような粗面処理をされた透明体である。散乱板２によって散乱されたレーザー光は、平行化レンズ３によって平行な光束とされ測定領域４を通過する。測定領域４を通過したレーザー光は、集光レンズ５によって集光され、画像センサー６によって検出される。なお、平行化レンズ３および集光レンズ５は平凸レンズが使用される。
【００２９】
画像センサー６での検出画像には、散乱板２によって散乱されたレーザー光の干渉によりスペックル・パターンと呼ばれる多数の光斑（光点）が観測される。測定領域４が周囲と温度差のない均一な温度である場合と、測定領域４内に高温または低温の領域がある場合では、光の進路に変化が生じるため、検出画像におけるスペックル・パターンの位置が変化する。このスペックル・パターンの位置の変化を測定して測定領域４の温度分布を求めるのである。
【００３０】
例えば、軸対称な炎の温度分布を測定する場合を説明する。まず、測定領域４に炎がなく周囲と同じ温度である状態（基準状態）の、画像センサー６の検出画像を記録する。次に、測定対象の炎を測定領域４の中央に位置させ、そのときの画像センサー６の検出画像を記録する。そして、コンピュータ７によって両者の検出画像を解析し、スペックル・パターンの位置の変化を検出する。そのスペックル・パターンの位置の変化から炎の軸対称な温度分布を求めることができる。
【００３１】
図２は、レーザー・スペックルによる温度分布測定の測定原理を示す図である。中央の同心円状の領域は炎の温度分布を示しており、この炎の中心はｘｙ座標の原点に位置している。炎の温度分布は、温度Ｔ４の領域が最も高温で、次に温度Ｔ３の領域、中心部と外殻部が温度Ｔ２で比較的低温であることを示している。炎の周囲では温度Ｔ１でほぼ一定の温度であるとする。すなわち、温度Ｔ１〜Ｔ４の大小関係はＴ４＞Ｔ３＞Ｔ２＞Ｔ１となっている。
【００３２】
この炎の領域に対して、光が左方のｙ＝０の位置から進行してきた場合は、光は屈折せずに直進する。また、光がｙ＝Ｙ６の位置から進行してきた場合も温度が一定であるので直進する。光がｙ＝Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４，Ｙ５の位置から進行してきた場合、それぞれの位置に応じて外側に屈折する。光はそれぞれの温度の環状の領域の境界位置で屈折するが、近似的にはｘ＝０の位置で角度αだけ屈折するとしても差し支えない。なお角度αはｘ軸と光の進行方向のなす角度である。
【００３３】
今、光が左方の座標値ｙの位置から進行してきた場合、光が角度α（ｙ）だけ屈折するとする。角度αはｙの関数となる。図２のような環状の温度分布における、座標原点からの距離ｒの位置での屈折率をｎ（ｒ）とすれば、屈折率ｎ（ｒ）は角度α（ｙ）から次の数１によって求めることができる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
また、気体の屈折率と温度との関係はグラッドストーンデールの定理から求めることができる。すなわち、座標原点からの距離ｒの位置での気体の温度Ｔ（ｒ）は、次の数２によって求めることができる。
【００３６】
【数２】
【００３７】
ここで、Ｒは気体定数であり、Ｋはグラッドストーンデールの式における気体の密度と屈折率との関係を規定する定数である。また、温度Ｔ0 は室温等の基準温度を示し、ｎ0 は基準温度における気体の屈折率であり、Ｐ0 は基準温度における気体の圧力である。
【００３８】
以上をまとめると、次のような手順により測定領域の温度分布を求めることができる。まず、スペックル・パターンの基準状態からの位置変化により光の屈折角α（ｙ）を求める。その屈折角α（ｙ）から数１により屈折率ｎ（ｒ）を求める。そして、数２により、温度分布Ｔ（ｒ）を求める。
【００３９】
次に、本発明の実施形態について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態を示す図である。前述のように、太陽電池モジュールの効率的な製造のために使用されるシリコンウェハは近年ますます大口径化してきている。大口径のシリコンウェハの全領域は、図１に示すような１系統のスペックル検出系ではカバーできない。そこで、本発明の第１の実施形態では、複数のスペックル検出系を平行に配置して、大口径のシリコンウェハのほぼ全領域の温度分布を測定可能としたものである。
【００４０】
第１のスペックル検出系は、散乱板２１、平行化レンズ３１、集光レンズ５１および画像センサー６１からなる。第２のスペックル検出系は、散乱板２２、平行化レンズ３２、集光レンズ５２および画像センサー６２からなる。第３のスペックル検出系は、散乱板２３、平行化レンズ３３、集光レンズ５３および画像センサー６３からなる。これらの各スペックル検出系のそれぞれの要素の機能は、図１に示したスペックル検出系と同様である。
【００４１】
第１の実施形態では、３系統のスペックル検出系を備えており、これらのスペックル検出系が互いに平行に配置されている。すなわち、それぞれのスペックル検出系において、レーザー光が測定領域４内の互いに平行な領域を通過するようにされている。これらの３系統のスペックル検出系によって、大口径の測定領域４であっても全面の温度分布を高精度に求めることができる。
【００４２】
レーザー発振器１から射出されたレーザー光は、回転可能な反射鏡８によって反射されレーザー光の経路が変更される。反射鏡８は矢印で示すように回動可能であり、回転角度位置を変更制御することができる。これにより、レーザー発振器１から射出されたレーザー光を第１〜３のスペックル検出系に選択的に入射することができる。反射鏡８としてはポリゴンミラー等の多面鏡を使用することができるが、必ずしも多面鏡である必要はない。
【００４３】
反射鏡８で反射されたレーザー光は、さらに固定反射鏡９１〜９３により反射され、それぞれのスペックル検出系に入射される。すなわち、固定反射鏡９１で反射されたレーザー光は第１のスペックル検出系（散乱板２１〜画像センサー６１）に入射され、固定反射鏡９２で反射されたレーザー光は第２のスペックル検出系（散乱板２２〜画像センサー６２）に入射され、固定反射鏡９３で反射されたレーザー光は第３のスペックル検出系（散乱板２３〜画像センサー６３）に入射される。固定反射鏡９１〜９３は、位置および角度が調整されて固定されており、レーザー光がそれぞれのスペックル検出系に適正に入射されるように配置されている。
【００４４】
反射鏡８の回転角度位置はコンピュータ７によって変更制御される。また、コンピュータ７は、レーザー発振器１のレーザー光のオン・オフおよびレーザー光の出力強度などの制御も行う。つまり、コンピュータ７はレーザー発振器１から射出されるレーザー光のオン・オフ、強度および経路を制御する制御部として機能する。
【００４５】
さらに、コンピュータ７は、画像センサー６１〜６３の検出画像を記録して、前述のようにスペックル・パターンの基準状態からの位置変化を求める。そして、前述と同様な手順により測定領域４における温度分布を求めることができる。コンピュータ７は、３系統のスペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める演算部として機能している。なお、ここではコンピュータ７が制御部と演算部の両方の機能を有しているが、制御部と演算部の機能をそれぞれ別々の処理装置に割り当てるようにしてもよい。
【００４６】
なお、第１〜３のスペックル検出系は水平面上に設置されており、この測定システムではその水平面上の測定領域４の温度分布を測定している。しかし、第１〜３のスペックル検出系全体を上下動可能な基台に設置しておけば、上下方向の位置（ｚ軸方向の位置）を変更しながら、各位置での温度分布を測定することができる。例えば、シリコンウェハの表面の温度分布が知りたい場合、シリコンウェハの上方の複数位置での温度分布を測定することにより、シリコンウェハの表面そのものの温度分布もそれらの測定値から推定することができる。
【００４７】
以上のような、本発明の第１の実施形態により、大口径（大面積）の測定領域の温度分布を高精度に効率的に測定することができる。すなわち、大口径のシリコンウェハであってもその表面全体の温度分布を測定することができる。また、各レンズの口径をシリコンウェハの口径に比べて小さくできるため、測定システム全体のコストを大幅に低減することができる。
【００４８】
図４は、本発明の第２の実施形態を示す図である。この実施形態でも３系統のスペックル検出系を備えているが、第１の実施形態とは異なり、これらの３系統のスペックル検出系が互いに交差するように配置されている。すなわち、それぞれのスペックル検出系において、レーザー光が測定領域４内の互いに交差する領域を通過するようにされている。
【００４９】
第１のスペックル検出系は、散乱板２１、平行化レンズ３１、集光レンズ５１および画像センサー６１からなる。第２のスペックル検出系は、散乱板２２、平行化レンズ３２、集光レンズ５２および画像センサー６２からなる。第３のスペックル検出系は、散乱板２３、平行化レンズ３３、集光レンズ５３および画像センサー６３からなる。これらの各スペックル検出系のそれぞれの要素の機能は、図１に示したスペックル検出系と同様である。
【００５０】
そして、第１のスペックル検出系と第２のスペックル検出系は４５度の角度で交差しており、第２のスペックル検出系と第３のスペックル検出系も４５度の角度で交差している。第１のスペックル検出系と第３のスペックル検出系は９０度の角度で交差している。本発明の基礎となっている図１の温度分布の測定方法では、温度分布が軸対称であることが前提条件であった。すなわち、温度分布が軸対称でなかった場合には、それは温度分布の測定誤差として表れるのみであり、温度分布が軸対称でないことを検出することはできなかった。
【００５１】
そこで、この第２の実施形態においては、複数の方向から測定領域４の温度分布を測定することにより、温度分布が軸対称でないことを検出できるようにしたものである。また、温度分布そのものは軸対称であるがその中心軸が測定領域４の中心軸から偏心しているような場合にも、その偏心量（両中心軸間の距離）を測定可能である。
【００５２】
レーザー発振器１から射出されたレーザー光は、回転可能な反射鏡８によって反射されレーザー光の経路が変更される。反射鏡８は矢印で示すように回動可能であり、回転角度位置を変更制御することができる。これにより、レーザー発振器１から射出されたレーザー光を第１〜３のスペックル検出系に選択的に入射することができる。反射鏡８としてはポリゴンミラー等の多面鏡を使用することができるが、必ずしも多面鏡である必要はない。
【００５３】
反射鏡８で反射されたレーザー光は、さらに固定反射鏡９１，９２，９３１，９３２により反射され、それぞれのスペックル検出系に入射される。すなわち、固定反射鏡９１で反射されたレーザー光は第１のスペックル検出系（散乱板２１〜画像センサー６１）に入射され、固定反射鏡９２で反射されたレーザー光は第２のスペックル検出系（散乱板２２〜画像センサー６２）に入射され、固定反射鏡９３１，９３２で反射されたレーザー光は第３のスペックル検出系（散乱板２３〜画像センサー６３）に入射される。固定反射鏡９１，９２，９３１，９３２は、位置および角度が調整されて固定されており、レーザー光がそれぞれのスペックル検出系に適正に入射されるように配置されている。
【００５４】
反射鏡８の回転角度位置はコンピュータ７によって変更制御される。また、コンピュータ７は、レーザー発振器１のレーザー光のオン・オフおよびレーザー光の出力強度などの制御も行う。つまり、コンピュータ７はレーザー発振器１から射出されるレーザー光のオン・オフ、強度および経路を制御する制御部として機能する。
【００５５】
さらに、コンピュータ７は、画像センサー６１〜６３の検出画像を記録して、前述のようにスペックル・パターンの基準状態からの位置変化を求める。そして、前述と同様な手順により測定領域４における温度分布を求めることができる。コンピュータ７は、３系統のスペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める演算部として機能している。なお、ここではコンピュータ７が制御部と演算部の両方の機能を有しているが、制御部と演算部の機能をそれぞれ別々の処理装置に割り当てるようにしてもよい。
【００５６】
ただし、この実施形態では第１〜３のスペックル検出系の検出結果を重ね合わせて１つの温度分布を求めるのではなく、第１のスペックル検出系から第１の温度分布を求め、第２のスペックル検出系から第２の温度分布を求め、第３のスペックル検出系から第３の温度分布を求める。測定領域４における温度分布が軸対称になっている場合には、第１〜３のスペックル検出系から求めた第１〜３の温度分布は全て同じ温度分布となる。
【００５７】
しかし、測定領域４における温度分布が軸対称から外れた場合は、第１〜３の温度分布に差異が表れる。この第１〜３の温度分布の差異を検出することにより、温度分布が軸対称でなくなったことを検知することができる。例えば、シリコンウェハの表面温度分布が本来は軸対称の分布であるべきところ、何らかの異常や障害により表面温度分布が軸対称ではなくなったような場合、この実施形態の測定方法により、異常を検出し警報信号等を出力することができる。
【００５８】
さらに、温度分布そのものは軸対称であるがその中心軸が測定領域４の中心軸から偏心しているような場合、本実施形態によりその偏心量（両中心軸間の距離）を測定可能である。例えば、第１〜３の温度分布の中心位置の温度をそれぞれ求めるとする。この第１〜３の中心位置温度は、偏心量が０の場合には等しい値となるが、偏心量が０でない場合にはそれぞれに差が生じてくる。多数の角度位置において測定領域４の温度分布を測定して、それぞれの中心位置温度の統計的な分散を求めれば、その分散値が温度分布の偏心量と対応関係を持つものと考えられる。すなわち、偏心量に応じて分散値も大きくなる。
【００５９】
予め、実験的に偏心量と分散値との関係を求めておけば、実際の測定時の中心位置温度の分散値から偏心量を求めることができる。なお、このような温度分布の偏心量を求める場合には、図４に示すように第１〜３のスペックル検出系を水平面上で回動可能な基台１０に設置することが好ましい。基台１０は、測定領域４の周囲に回動可能に配置された環状の台であり、測定領域４の中心軸を中心として矢印で示すように回動可能である。基台１０を例えば５度ずつ回動させ、測定領域４の温度分布を測定することにより多数の測定値を得ることができる。
【００６０】
なお、基台１０は、水平面上で回動可能なだけでなく、上下方向にも移動可能とすることができる。基台１０を上下方向に移動可能とすれば、上下方向の位置による温度分布の変化を測定することが可能となる。
【００６１】
なお、ここでは第１〜３のスペックル検出系を水平面上で回動可能な基台１０上に設置するようにしたが、温度分布が軸対称から外れたことを検知するだけであれば、基台１０は必ずしも回動可能である必要はない。第１〜３のスペックル検出系の３つの角度位置の測定のみにより、温度分布が軸対称でないことは十分に検出できる。
【００６２】
以上のように、本発明のレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置によれば、測定対象物のシリコンウェハ等にプローブを直接接触させたり、レーザー光を直接照射させることがなく、温度測定によって測定対象物に全く影響を与えることがない。
【００６３】
また、大口径（大面積）の測定領域の温度分布を高精度に効率的に測定することができる。すなわち、大口径のシリコンウェハであってもその表面全体の温度分布を測定することができる。また、各レンズの口径をシリコンウェハの口径に比べて小さくできるため、測定システム全体のコストを大幅に低減することができる。
【００６４】
さらに、測定領域の温度分布が軸対称でないことを検出したり、温度分布の偏心量を求めたりすることができ、軸対称でない温度分布も測定対象とすることができる。
【００６５】
なお、以上に説明した本発明の第１および第２の実施形態では、スペックル検出系を３系統配置するようにしているが、３系統に限定されるわけではなく、２系統以上、任意の数のスペックル検出系を配置するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明のレーザー・スペックルによる温度測定方法および装置により、測定対象物に全く影響を与えることなく温度分布を測定することができる。また、大口径の測定領域の温度分布を高精度に効率的に測定することができる。さらに、軸対称でない温度分布も測定対象とすることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１ レーザー発振器
２，２１，２２，２３ 散乱板
３，３１，３２，３３ 平行化レンズ
４ 測定領域
５，５１，５２，５３ 集光レンズ
６，６１，６２，６３ 画像センサー
７ コンピュータ
８ 反射鏡
１０ 基台
９１，９２，９３ 固定反射鏡
９３１，９３２ 固定反射鏡
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー発振器（１）から射出されたレーザー光を散乱する散乱板（２１〜２３）と、
前記散乱板（２１〜２３）で散乱された散乱レーザー光を平行光線として測定領域（４）を通過させる平行化レンズ（３１〜３３）と、
測定領域を通過した平行レーザー光を集光する集光レンズ（５１〜５３）と、
前記集光レンズ（５１〜５３）によって集光されたレーザー光のスペックル・パターンを検出する画像センサー（６１〜６３）とを備えたスペックル検出系を複数系統使用するレーザー・スペックルによる温度測定方法であって、
複数系統の前記スペックル検出系を、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内（４）のそれぞれ異なる領域を通過するように配置する手順と、
前記レーザー発振器（１）から複数系統のそれぞれの前記スペックル検出系にレーザー光を入射する手順と、
それぞれの前記スペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める手順とを有するレーザー・スペックルによる温度測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載したレーザー・スペックルによる温度測定方法であって、
前記スペックル検出系にレーザー光を入射する手順は、単一の前記レーザー発振器（１）からのレーザー光の経路を変更して複数系統の前記スペックル検出系に順次入射させるものであるレーザー・スペックルによる温度測定方法。
【請求項３】
請求項２に記載したレーザー・スペックルによる温度測定方法であって、
回転可能な反射鏡（８）によりレーザー光の経路を変更するものであるレーザー・スペックルによる温度測定方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載したレーザー・スペックルによる温度測定方法であって、
前記スペックル検出系を配置する手順は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内の互いに平行な領域を通過するように配置するものであるレーザー・スペックルによる温度測定方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載したレーザー・スペックルによる温度測定方法であって、
前記スペックル検出系を配置する手順は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内の互いに交差する領域を通過するように配置するものであるレーザー・スペックルによる温度測定方法。
【請求項６】
レーザー光を射出するレーザー発振器（１）と、
前記レーザー発振器（１）から射出されたレーザー光を散乱する散乱板（２１〜２３）と、前記散乱板（２１〜２３）で散乱された散乱レーザー光を平行光線として測定領域（４）を通過させる平行化レンズ（３１〜３３）と、前記測定領域（４）を通過した平行レーザー光を集光する集光レンズ（５１〜５３）と、前記集光レンズ（５１〜５３）によって集光されたレーザー光のスペックル・パターンを検出する画像センサー（６１〜６３）とを備えたスペックル検出系と、
前記レーザー発振器（１）から射出されるレーザー光を制御する制御部（７）と、
それぞれの前記スペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める演算部（７）とを有し、
前記スペックル検出系は、複数系統の前記スペックル検出系が配置され、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域（４）内のそれぞれ異なる領域を通過するように配置されたものであるレーザー・スペックルによる温度測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載したレーザー・スペックルによる温度測定装置であって、
前記レーザー発振器（１）から射出されたレーザー光の経路を変更するための回転可能な反射鏡（８）を有し、
前記制御部（７）は、前記反射鏡（８）の回転角度を制御してレーザー光をそれぞれの前記スペックル検出系に選択的に入射するものであるレーザー・スペックルによる温度測定装置。
【請求項８】
請求項６，７のいずれか１項に記載したレーザー・スペックルによる温度測定装置であって、
複数系統の前記スペックル検出系は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域（４）内の互いに平行な領域を通過するように配置されたものであるレーザー・スペックルによる温度測定装置。
【請求項９】
請求項６，７のいずれか１項に記載したレーザー・スペックルによる温度測定装置であって、
複数系統の前記スペックル検出系は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域（４）内の互いに交差する領域を通過するように配置されたものであるレーザー・スペックルによる温度測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載したレーザー・スペックルによる温度測定装置であって、
複数系統の前記スペックル検出系は、前記測定領域（４）の周囲に回動可能に配置された基台（１０）に設置されたものであるレーザー・スペックルによる温度測定装置。
【請求項１】
レーザー発振器（１）から射出されたレーザー光を散乱する散乱板（２１〜２３）と、
前記散乱板（２１〜２３）で散乱された散乱レーザー光を平行光線として測定領域（４）を通過させる平行化レンズ（３１〜３３）と、
測定領域を通過した平行レーザー光を集光する集光レンズ（５１〜５３）と、
前記集光レンズ（５１〜５３）によって集光されたレーザー光のスペックル・パターンを検出する画像センサー（６１〜６３）とを備えたスペックル検出系を複数系統使用するレーザー・スペックルによる温度測定方法であって、
複数系統の前記スペックル検出系を、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内（４）のそれぞれ異なる領域を通過するように配置する手順と、
前記レーザー発振器（１）から複数系統のそれぞれの前記スペックル検出系にレーザー光を入射する手順と、
それぞれの前記スペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める手順とを有するレーザー・スペックルによる温度測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載したレーザー・スペックルによる温度測定方法であって、
前記スペックル検出系にレーザー光を入射する手順は、単一の前記レーザー発振器（１）からのレーザー光の経路を変更して複数系統の前記スペックル検出系に順次入射させるものであるレーザー・スペックルによる温度測定方法。
【請求項３】
請求項２に記載したレーザー・スペックルによる温度測定方法であって、
回転可能な反射鏡（８）によりレーザー光の経路を変更するものであるレーザー・スペックルによる温度測定方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載したレーザー・スペックルによる温度測定方法であって、
前記スペックル検出系を配置する手順は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内の互いに平行な領域を通過するように配置するものであるレーザー・スペックルによる温度測定方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載したレーザー・スペックルによる温度測定方法であって、
前記スペックル検出系を配置する手順は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域内の互いに交差する領域を通過するように配置するものであるレーザー・スペックルによる温度測定方法。
【請求項６】
レーザー光を射出するレーザー発振器（１）と、
前記レーザー発振器（１）から射出されたレーザー光を散乱する散乱板（２１〜２３）と、前記散乱板（２１〜２３）で散乱された散乱レーザー光を平行光線として測定領域（４）を通過させる平行化レンズ（３１〜３３）と、前記測定領域（４）を通過した平行レーザー光を集光する集光レンズ（５１〜５３）と、前記集光レンズ（５１〜５３）によって集光されたレーザー光のスペックル・パターンを検出する画像センサー（６１〜６３）とを備えたスペックル検出系と、
前記レーザー発振器（１）から射出されるレーザー光を制御する制御部（７）と、
それぞれの前記スペックル検出系によるスペックル・パターンの検出結果を総合的に処理することにより測定領域の温度分布を求める演算部（７）とを有し、
前記スペックル検出系は、複数系統の前記スペックル検出系が配置され、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域（４）内のそれぞれ異なる領域を通過するように配置されたものであるレーザー・スペックルによる温度測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載したレーザー・スペックルによる温度測定装置であって、
前記レーザー発振器（１）から射出されたレーザー光の経路を変更するための回転可能な反射鏡（８）を有し、
前記制御部（７）は、前記反射鏡（８）の回転角度を制御してレーザー光をそれぞれの前記スペックル検出系に選択的に入射するものであるレーザー・スペックルによる温度測定装置。
【請求項８】
請求項６，７のいずれか１項に記載したレーザー・スペックルによる温度測定装置であって、
複数系統の前記スペックル検出系は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域（４）内の互いに平行な領域を通過するように配置されたものであるレーザー・スペックルによる温度測定装置。
【請求項９】
請求項６，７のいずれか１項に記載したレーザー・スペックルによる温度測定装置であって、
複数系統の前記スペックル検出系は、それぞれの前記スペックル検出系のレーザー光が前記測定領域（４）内の互いに交差する領域を通過するように配置されたものであるレーザー・スペックルによる温度測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載したレーザー・スペックルによる温度測定装置であって、
複数系統の前記スペックル検出系は、前記測定領域（４）の周囲に回動可能に配置された基台（１０）に設置されたものであるレーザー・スペックルによる温度測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−６４６４１（Ｐ２０１３−６４６４１Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０３３０１（Ｐ２０１１−２０３３０１）
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（３０４０２０１７７）国立大学法人山口大学 (579)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（３０４０２０１７７）国立大学法人山口大学 (579)
【Ｆターム（参考）】
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