温度测量设备的制作方法

(一个或多个)相关申请的交叉引用

本申请基于在2016年10月6日提交的日本专利申请no.2006-198407并要求该专利申请的优先权的权益，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。

本文描述的实施例通常涉及温度测量设备。

背景技术：

已知一些将热转换成电信号的温度测量设备，但是对于这类设备来说存在这样的问题，即在电磁噪声环境下不能精确地测量温度。

此外，当电材料被用于温度测量设备时，可能会发生短路。因此，近来已经开发了应用诸如光纤之类的光波导的温度测量设备，其将光而不是电信号用作信号。

作为使用光波导的温度测量设备，已经设计了光纤温度计、荧光光纤温度计、使用拉曼散射的温度分布测量系统等。它们主要使用将在诸如发电厂和厂房设施之类的大型基础设施中使用的长距离光纤，并且适用于测量大范围区域中的温度。

同时，对这样的温度测量设备有需求，即该温度测量设备能够测量在诸如半导体器件表面之类的狭窄区域中的温度，该狭窄区域例如是500平方微米或更小。

技术实现要素：

根据一个实施例，提供了一种温度测量设备，包括：光源；第一光波导，其具有一侧和另一侧并且被安置在待测量对象的期望区域的表面上；第二光波导，其被连接到第一光波导的一侧，第二光波导将光从光源引导到第一光波导；第三光波导，其被连接到第一光波导的另一侧，第三光波导引导被引导到第一光波导的光；第一滤光器，其透射在被引导到第三光波导的光当中在第一频带中的光；第二滤光器，其透射在被引导到第三光波导的光当中在第二频带中的光；检测器电路，其检测在第一频带中的光的强度和在第二频带中的光的强度；以及控制器，其根据在第一频带中的光的检测强度和在第二频带中的光的检测强度，计算所测量对象的期望区域的温度。

附图说明

图1是第一实施例中的温度测量设备的整体图；

图2a和图2b是第一实施例中的温度测量设备的光波导的放大图；

图3是第一实施例中的温度测量设备的光波导的透视图；

图4是散射光的强度与频率之间的关系；

图5是第二实施例中的温度测量设备的整体图；以及

图6是第三实施例中的温度测量设备的整体图。

具体实施例

在下文中参照附图来说明本发明的实施例。具有相同附图标记的那些部分表示相似的项目。附图是示意性或概念性的，并且每个部件的厚度和宽度之间的关系、部件之间的尺寸比率系数等不一定与实际的相同。即使当表示相同部件时，该部件的尺寸和比率系数也可以取决于附图而彼此不同。

图1图示了温度测量设备的整体图。

温度测量设备10包括光源1、光波导3、3a、3b和3c、第一滤光器4、第二滤光器5、显示器8、驱动电路9和输入接口16。

温度测量设备10的测量对象是在半导体衬底13的表面上的期望区域(第一区域2)。测量对象不限于半导体衬底，而可以是任何对象。由于本实施例的温度测量设备可以执行测量而不受电磁波噪声的影响，因此它可以被适当地应用于具有影响电磁波的构件(诸如金属)的对象，例如，诸如电子部件、半导体器件、半导体衬底之类的半导体器件。此外，它可以被应用于对发出特别大的电磁波噪声的高压电力设备或高频设备的测量。

在本实施例中，通过将光波导3b安置在半导体衬底13上的第一区域2中来测量第一区域2的温度。

在此，根据实施例，例如，在一个半导体芯片上设置了待测量的半导体衬底13上的第一区域2和光波导3a、3b和3c。光源1和驱动电路9可以被包含在另一个半导体芯片中或者以半导体芯片的不同形式来配置。也可能以一个芯片来配置温度测量设备10。

例如，光源1是半导体激光光源。例如，光源1发出波长为1.5μm的相干光。

光波导3a的一侧被连接到光源1。光源1和光波导3a、3b、3c以这个顺序被连接。从光源1发出的光被提供作为光波导3a的入射光并且在光波导3a、光波导3b和光波导3c中被散射，并且散射光以这个顺序被引导。

图2a图示了布置在第一区域2中的光波导3a、3b和3c的放大图。如上所述，光波导3a、3b和3c以这个顺序被连接。也就是说，光波导(第一光波导)3b的一端被连接到光波导(第二光波导)3a。光波导3b的另一端被连接到光波导(第三光波导)3c。

光波导3b中包含的材料的折射率大于光波导3a和3c中含有的材料的折射率。结果，光波导3b的入射光的导光效率被增加。光波导3b由含有si(硅)的材料制成，比如，例如a-si、多晶硅、单晶硅等。此外，光波导3b由含有例如aln、alo、sin和gan中任意一个的材料制成。在光波导3b是含有a-si(非晶硅)的材料的情况下，光波导3a和3c优选地由含有具有大折射率差的sion的材料制成。此外，在光波导3b由含有aln、alo、sin和gan中任意一个的材料制成的情况下，光波导3a和3c由含有sio的材料制成是可取的，因为光波导3b中的散射光的频率与光波导3a、3c中的散射光的频率不同。

例如，光波导3a、3c的线宽为2μm。例如，光波导3a、3c的厚度为1.2μm。

例如，光波导3b的线宽为400nm。例如，光波导3b的厚度为220nm。

在图2a中，光波导(第一光波导)3b的一侧被光波导(第二光波导)3a覆盖。光波导3b的另一侧被光波导(第三光波导)3c覆盖。

光波导3b被安置在半导体衬底13上的第一区域2中，以便测量半导体衬底13上的区域的温度。为了更精确地测量第一区域2的温度，增加与第一区域2接触的光波导3b的面积尺寸是可取的。例如，如图2a中所图示，光波导3b被布置在第一区域2中，光波导3b通过具有至少一个曲折部分而形成长距离。

为了将来自光波导3a的光引导到光波导3b的一侧，光波导3b的一侧和光波导3a被光学连接。光波导3b的另一侧和光波导3c也被光学连接。为了光学地连接光波导3b的一侧和光波导3a，光波导3b的该一侧被光波导3a覆盖是更可取的。所述的一侧与光波导3a接触或靠近光波导3a也是可能的。类似地，为了光学地连接光波导3b的另一侧和光波导3c，光波导3b的另一侧被光波导3c覆盖是更可取的。所述的另一侧与光波导3c接触或靠近光波导3c也是可能的。

图3是半导体衬底13上的光波导3b和光波导3c的立体图，半导体衬底13是待测量的对象。

例如，半导体衬底13由衬底11和绝缘膜12构成。光波导3b和光波导3c位于半导体衬底13上。

光波导3b被光波导3c覆盖的一个端部的形状被做成狭窄的锥形的。由于光波导3b的一个端部被做成狭窄的锥形的，因此在光波导3b和光波导3c中光被更容易地引导。另外，光波导3b的光波导3c中的光耦合效率被提高。

由于光波导3b的另一个端部的形状也被做成狭窄的锥形的，因此光波导3b的一侧与光波导3a之间的光耦合效率被提高。也就是说，由于光波导3b的两个端部都被做成狭窄的锥形的，所以光波导3a、3b、3c的光耦合效率被提高。

在此，如上所述，光波导3b的一侧被光波导3a覆盖，光波导3b的另一侧被光波导3b覆盖。然而，如图2b所示，有可能整个光波导3b以与光波导3a和3c相同的方式被光波导(第四光波导3d)覆盖。

在这种情况下，光波导3d被连接到光波导3a和3c。光波导3d沿着光波导3b的形状覆盖光波导3b。光波导3d包括与光波导3a和3c的那些材料相同的材料。

考虑到光耦合效率的提高，光波导3b的一侧和另一侧的端部都可以具有其它形状而不是图示的锥形形状。

图4图示了通过光波导3a、3b和3c引导的散射光的频率和强度之间的关系。

横轴表示散射光的频率(cm^-1)，纵轴表示散射光的强度(a.u.)。纵轴上的强度(a.u.)是对数。

ω0是具有与光源1的光相同的频率的散射光的频率。通过光波导3a、3b和3c引导的大部分散射光具有与来自光源1的入射光相同的频率ω0。也就是说，具有频率ω0的散射光的强度几乎不恶化。

在通过光波导3a、3b和3c引导的散射光当中，低于频率ω0的第一频带中的光是斯托克斯(stokes)光。斯托克斯光的峰值出现在第一频带中的频率ω0-ωk的位置处。在此，频率ωk是与介质中的分子振动能量相对应的频率。也就是说，频率ωk的值是基于光波导3b中含有的材料来确定的。在第一个频带中的频率ω0-ωk的位置处的斯托克斯光的峰值强度被用于分析。

在通过光波导3a、3b和3c引导的散射光当中，高于频率ω0的第二频带中的光是反斯托克斯(anti-stokes)光。反斯托克斯光的峰值出现在第二频带中的频率ω0+ωk的位置处。在第二频带中的频率ω0+ωk的位置处的反斯托克斯光的峰值强度被用于分析。返回到图1，光波导管3c在两个方向上分支，并且被连接到第一滤光器4和第二滤光器5中的每一个。

因此，来自光波导3c的散射光被引导到第一滤光器4和第二滤光器5中的每一个。

例如，第一滤光器4和第二滤光器5中的每一个都是带通滤光器。作为在光波导上形成的带通滤光器，使用通过对衍射光栅的周期进行调整来配置的滤光器、使用光谐振器的滤光器，等等。

例如，在光波导3c引导的散射光当中第一滤光器4透射在第一频带中的散射光。有可能通过改变第一滤光器4的带通滤光器的类型，来改变通过第一滤光器4的散射光的频带。例如，频带(1360nm至1420nm)的带通滤光器被用作第一滤光器4，斯托克斯光被透射通过该频带。

例如，第二滤光器5在光波导3c引导的散射光当中透射在第二频带中的散射光。有可能通过改变第二滤光器5的带通滤光器的类型，来改变通过第二滤光器5的散射光的频带。例如，频带(1600nm至1660nm)的带通滤光器被用作第二滤光器5，反斯托克斯光被透射通过该频带。另外，例如，第一滤光器4可以透射反斯托克斯光，而第二过滤器5可以透射斯托克斯光。

驱动电路9包括检测器电路6、控制器7、存储器15和信号电缆14。

经由检测器电路与第一滤光器4和第二滤光器5之间的光波导3，检测器电路6被连接到第一滤光器4和第二滤光器5中的每一个。检测器电路6检测透射通过第一滤光器4的斯托克斯光。检测器电路6检测透射通过第二滤光器5的反斯托克斯光。

控制器7经由信号电缆14被连接到检测器电路6。控制器7控制温度测量设备10的全部操作。

使用频率ω0-ωk的斯托克斯光的强度is，频率ω0+ωk的反斯托克斯光的强度ias，斯托克斯光的频率ω0-ωk以及反斯托克斯光的频率ω0+ωk，控制器7根据下面的等式来计算温度t(k)的值，

[等式1]

其中，kb是玻尔兹曼(boltzmann)常数，是普朗克常数。波尔兹曼常数(kb)和普朗克常数是已知的，并且峰值强度比ias/is，频率ω0+ωk和频率ω0-ωk是测量值。因此，通过将这些值代入等式，可以计算温度t(k)。

例如，当si被用于光波导3b时，频率ωk约为520cm^-1。因此，当ias/is的值为0.1时，半导体衬底13上的第一区域2的温度被计算为450k。在此，光波导3b中含有的材料与上述的相同，半导体衬底13上的区域2的温度通过ias/is的值被确定。也就是说，取决于第一区域2的温度，斯托克斯光的强度is和反斯托克斯光的强度ias被可变地检测。

控制器7进行控制以在显示器8上显示测量温度。

存储器15存储取决于光波导3b的材料而变化的频率ωk、具有与光源1的光相同的频率的散射光的频率ω0，或者上述等式。

输入接口16向控制器7传送各种指令和各种设置的信息，各种指令和各种设置通过操作员的鼠标或键盘等操作输入。输入接口16从操作员接收上述等式中的各种值、测量频率等的设置。

显示器8被连接到控制器7。显示器8是由操作员参考的监视器设备。在控制器7的控制下，显示器8显示由控制器7计算的半导体衬底13上的第一区域2的温度。显示器8经由输入接口16来显示来自操作员的各种类型的指令。

检测器电路6和控制器7可以由一个控制电路来驱动，或者可以被单独地驱动。

根据本实施例的温度测量设备10，由于具有细线(线宽较细)的光波导被用于待测量对象的温度传感，因此测量诸如半导体器件的表面之类的狭窄区域是可能的。此外，由于本实施例的温度测量设备10通过使用从斯托克斯光和反斯托克斯光获得的光信号的变化来进行温度传感，因此温度测量设备10即使处于出现电磁波噪声的环境中也不受电磁波噪声的影响，并且它能够精确地测量期望区域的温度。

(第二实施例)

图5图示了根据第二实施例的温度测量设备100。

类似于第一实施例以及图1到图3的部件用相同的附图来标示，并且其说明被省略。

温度测量设备100包括光源1和1a、光波导3、3a、3a’、3b、3b’、3c和3c’、第一滤光器4、第二滤光器5、第三滤光器4a、第四滤光器5a、显示器8、驱动电路9a和输入接口16。

温度测量设备100的测量对象是半导体元件13上的期望区域(第一区域2)和半导体元件13a上的期望区域(第二区域2a)，第二区域2a与第一区域2不同。温度测量设备100与第一实施例的温度测量设备10的不同之处在于，它可以分别测量半导体元件13和13a上的两个区域。因此，掌握测量对象中的多个地方的温度是可能的。

在此，测量对象可以是在一个半导体衬底上提供的区域2、2a，或者是分别在两个半导体衬底上提供的区域2、2a。测量对象也可以是分别在一个半导体器件或区域上提供区域2、2a，或者是分别在两个半导体器件上提供的区域。在第二实施例中，假设区域2、2a被提供在相同的半导体衬底上。测量对象不限于半导体元件，而可以是任何对象。然而，由于本实施例的温度测量设备可以在不受电磁波噪声影响的情况下进行测量，所以该设备适用于发出大的电磁噪声的高压电力设备或高频设备的测量。

通过将光波导3b安置在半导体衬底13上的第一区域2中，有可能测量第一区域2的温度。此外，通过将光波导3b’安置在半导体衬底13a上第二区域2a中，可以测量第二区域2a的温度。

光源1a类似于光源1，并且例如是半导体激光光源。

光波导3a和光波导3a’具有相同的形状并且含有相同的材料。光波导3b和光波导3b’具有相同的形状并且含有相同的材料。光波导3c和光波导3c’具有相同的形状并且含有相同的材料。

光波导3a’被连接到光源1a。从光源1a发出的光被提供为光波导3a’的入射光，并在光波导3a’、光波导3b’和光波导3c’中被散射，并且散射光以这个顺序被引导。

第二区域2a是半导体衬底13a上的任意区域。光波导3b’被布置在第二区域2a中。通过将光波导3b’布置在半导体衬底13a上的第二区域2a中，可以测量第二区域2a的温度。

光波导3c’在两个方向中分支，并且被连接到第三滤光器4a和第四滤光器5a中的每一个。

光波导3c’的散射光被分别引导到第三滤光器4a和第四滤光器5a。

例如，第三滤光器4a和第四滤光器5a中的每一个都是带通滤光器。第三滤光器4a透射反斯托克斯光，而第四滤光器5a透射斯托克斯光。

另外，例如，第三滤光器4a可以透射斯托克斯光，而第四滤光器5a可以透射反斯托克斯光。

驱动电路9a包括检测器电路6a、控制器7、存储器15和信号电缆14。

检测电路6a经由光波导3被分别连接到第一滤光器4、第二滤光器5、第三滤光器4a和第四滤光器5a。检测器电路6a检测通过第一过滤器4和第三过滤器4a中的每一个透射的斯托克斯光。检测器电路6a还检测通过第二滤光器5和第四滤光器5a透射的反斯托克斯光。

控制器7计算第一区域2和第二区域2a中的每一个的温度。

存储器15还存储频率ωk或上述等式的值，其取决于光波导3a、3a’、3b、3b’、3c和3c’的材料而不同。

输入接口16向控制器7传送各种指令和各种设置的信息，各种指令和各种设置通过操作员的鼠标或键盘等操作被输入。输入接口16从操作员那接收上述等式中的各种值、测量频率等的设置。

显示器8被连接到控制器7。显示器8是由操作员参考的监视器设备。在控制器7的控制下，显示器8显示由控制器7计算的第一区域2和第二区域2a的温度。显示器8经由输入接口16显示来自操作员的各种指令。

温度测量设备100同时测量第一区域2和第二区域2a的温度是可能的。因此，掌握测量对象的温度分布是可能的。在本实施例中，描述了在两个位置处测量温度的示例，但是通过增加光源、光波导和滤光器的数量来测量两个以上位置处的温度是可能的。

因此，根据第二实施例，由于可以测量至少两个区域的温度，所以如果这些区域彼此非常接近，则可以在测量对象的区域周围进行更精确的测量是可能的。此外，如果用离散位置来选择这些区域中的一部分，则观察该测量对象上的温度分布是可能的。因此，可以实现这样的各种温度观察。

尽管示出了分别提供光源1和1a的示例，但是也有可能将单个光源的输出分开以使得来自该光源的光被共享并被输入到光波导3a和3a’中的每一个。

因此，以低能耗和低成本使测量设备变得更简单。

(第三实施例)

图6图示了根据第三实施例的温度测量设备101。

与图5相似的部件用相同的附图标记来标示，并且其说明被省略。

温度测量设备101包括光源1、光波导3a、3b、3b’、3c和3d、第一滤光器4、第二滤光器5、第三滤光器4a、第四滤光器5a、显示器8、驱动电路9a和输入接口16。

在温度测量设备101中，有可能通过将光波导3a、3b、3b’、3c和3d连接成单个光波导，测量第一区域2和第二区域2a中的每一个的温度。在这种情况下，光波导3b被安置在第一区域2中，而光波导3b’被安置在第二区域2a中。

通过改变安置在第一区域2中的光波导3b的材料和安置在第二区域2a中的光波导3b’的材料，可以获得取决于测量部分而不同的频率ωk。例如，考虑这样一种情况，其中，si被用于第一区域2的光波导3b的材料，而alo被用于第二区域2a的光波导3b’的材料。此时，通过第一区域2的光波导3b引导的散射光的频率ωk1约为520cm^-1，通过第二区域2a的光波导3b’引导的散射光的频率ωk2是395cm^-1。因此，光波导3d分支成四部分。透射频率为ωk1的斯托克斯光的第一滤光器4，透射频率为ωk1的反斯托克斯光的第二滤光器5，透射频率为ωk2的斯托克斯光的第三滤光器4a和透射频率为ωk2的反斯托克斯光的滤光器5a被分别安置在光波导3d中，光波导3d分支成四部分。从透射穿过第一滤光器4和第二滤光器5的散射光来测量第一区域2的温度是可能的。从透射穿过第三滤光器4a和第四过滤器5a的散射光来测量第二区域2a的温度是可能的。

根据第三实施例，由于光的两种不同的频率是可用的，因此可以通过选择光波导3b和3b’的期望材料来测量两个期望的温度范围。结合上述内容，可以如第二实施例所述的那样，以低能耗和低成本实现使测量设备变得简单。

虽然已经描述了本发明的几个实施例，但是这些实施例是通过示例的方式呈现的并且不是意在限制本发明的范围。实施例可以以各种其他形式实现，并且可以在不脱离本发明的主旨的情况下进行各种省略、替换和改变。实施例及其修改被包括在说明书以及权利要求及其等同范围中描述的发明的范围和主旨中。