NDC 501．223
真空中で使用する高温計
岡 田 正＊
（昭和54年4月20日受理）
Pyrometer for Use in a Vacuum
Tadashi OKADA
（Received April 20， 1979）
To evaporate a thin film， it is essential to measure the heater temperature in a vacuum．
rn this paper， the pyrometer suitable for this measurement is reported．
Phototra皿sistor is adopted as a detector， and thus the pyro皿eter is capable of measuring the temperature range of 400 to 10000C．
1．ま え が き
蒸着薄膜の諸特性は，真空度・蒸着速度・下地温度等の 蒸着条件によって大きく変わる1）。なかでも，蒸着速度 は，実験の準備段階では決定することができない要因であ り，測定や制御が困難なものの一つである。
蒸着速度は，質量分析計等を使って蒸気流から直接測定 することもできるが，装置が複雑になり，測定値を較正す る必要がある2）。むしろ，蒸着速度が蒸発源の温度により 決まることから3），ヒータ温度を測定し，これを通して間 接的に蒸着速度を制御するのが効果的であると考えられ
る4）。
本報は，この蒸着速度安定化のための，ヒータ温度測定 用高温計について述べる。真空中で使用でき，応答性，波 長感度等の点で，ホトトランジスタを検出器として採用し ている。これに，対数増幅器等を付加して，約400。Cから 1000。Cの範囲で良好な直線関係を持つ高温計が得られた。
2．使用目的と仕様
真空中で加熱された物質の蒸着速度Glg／cm2・sec〕は，
G＝5．833×10r2α1PゾM／T α1：凝結係数
P：飽和蒸気圧〔Torr〕
M：蒸発分子のグラム分子量 T：温度〔。K〕
で与えられる3）。．この中で，温度T（それに対応して飽和 蒸気圧P）以外は，実験の準備条件で決まるので蒸着速度 Gを一定に保つためには，Tを一定に保てばよい。ここで 述べる高温計は，Tすなわちヒータ温度を測定することを
目的としたものである。
したがって，この高温計に要求される仕様をまとめれ ば，次のようになる。
（1）製作条件から，400。Cから1000。C以上の温度が測定 できること。
（2）測定によって，ヒータ温度や蒸着物質の状態が乱さ れないこと。
（3）信号が外部に，気密を保ったまま取り出せること。
（4）応答が早いこと。
（5）制御信号として利用できるよう，出力が後の処理に 便利な範囲にあること。
＊電気工学科
3．回 路 構 成
高温が測定できる温度計には種々のものがあるが5），2 で述べた条件を満たすものとしては，非接触方式の部分放 射温度計があげられる。この方式に用いられる検出素子に は，光電管・光電池・ホトトランジスタ等があるが6），波 長感度や形状の点で，ホトトランジスタを採用することに する。
ここで使用したホトトランジスタOS18は，波長感度0・3
〜1．1μmにあり暗電流も小さく，高温まで安定に動作す る7）。 しかし，Fig．1に示すように，高温のヒータ近くで
一51一
津山高専紀要第17号（1979）
使用するので，温度上昇が許容できるかどうかは，確認し ておかなければならない。なお，温度較正用としては，応 答は遅いが，標準的に使用されている熱電対のうち，高温 まで使用可能なPR熱電対8）を使っている。
Heater
PR Ther rn ocoupLe
ノ
「鰐階灘
sn」co 氏@DjolElt］IIIISISi xphototransistor
Fig．1 Structure of detector in bell jar
Fig・2に全体の回路図を示す。ホトトランジスタは，
Fig・1のようにベルジャー内に配置し，気密を保って外部 に端子を取り出す。
IRt
seae
l
sh・一liat
＋15V
．
Rd
一15V
測定範囲を決める目的で，コレクターエミッタ間に分流抵 抗Rsを接続してある。したがって，光入力がなくてもRs によりRdに電圧降下が発生するので，差動増幅器を通し て温度に対応した信号のみを取り出している。さらに，差 動増幅器の反転側と非反転側の帰還抵抗を等しくしないこ とにより，出力電圧の零からの変化と必要な増幅度を確保 している。
続いて，演算増幅器と複合トランジスタを使った対数増 幅器を通して，直線関係に変換して最終出力とする。この 最終出力は，将来AD変換器に接続することを考慮して，
0〜10Vが得られるようにする。
41
Rs
2SC1583
741
t
OS18 ！ ：
Det ec tor Diff e［ 9ptal Lqgari／ t．h mic
Amplifier Amp［ifier
Fig．2 Experimental pyrometer circuit
Fig．3に示すように，ヒータ温度とコレクタ電流の間に は良好な指数関数的関係があるので，これを検出抵抗Rd で検出すればよい。この場合，次段の演算増幅器に許容最 大入力電圧以下の電圧しか印加されないようにし，また，
︹︿︺ 一⊂Φヒ⊃U ﹂〇一〇り一㎝⊂弔おO嗣O工住 ﹄ 4 尋 巧110﹁r一℃﹁﹂1沿﹁1卜10﹁× X− う﹂ 葉 x M3 4− 3 1 し13
mbtOO60080010001ZOLQ
Heater Tempereture 〔。C工
4．測定結果と考察
Fig．3 Relation between phototransistor current and he ater temperature
まず，Fig・4にホトトランジスタの温度上昇の状態を示 す。これは，Fig．1の配置で，ヒータ温度を760。Cとし，
通電後のホトトランジスタの温度を，あらかじめ較正した シリコンダイオードの順方向電圧降下の温度特性を利用し て測ったものである。これによれ ば，60分後においても70。C程度しか
一、@ 上昇していない。ここでは，銀を数
一＋J n・tp・t 、。。腿麟着する実験・）に使用す 741
ることを考えているので，60分もの 長時聞実験することはなく，ヒータ 温度が高くなれば実験時間はますま す短くなることを考えれば，使用上 の問題はない。なお，ホトトランジ スタの最大消費電力から計算した許 容周囲温度は，106℃である。
0 0 0 0 07 6 5 4 3
︹り・︺Φ﹂コ拓﹂ΦαE・ト
Heater一． Jerppera ture
＝7600C
O 10 20 30 40 50 60
Time （mjn，）
Fig．4 Time charactristic of temperature rise of phototransistor
高温計の最終的な構成を決めるため，分流抵抗Rsによ る測定範囲の変化，しゃへい板の平版による感度の変化に ついての予備実験を行なった。その結果，Rsは220Ωが最 適であり，穴径の変化（5mmφ〜2・5mmφ）によって感度は ほとんど変化しないので，熱的に有利な2・5mmφを最：終値 とした。
Fig．5に，こうして試作した高温計の出力電圧とヒータ
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真空中で使用する高温計 岡 田
10
8
6 4 2
︹﹀︺Φg琶﹀ぢαぢ○ ． ． ．
e．r−
0 400 600 800 1000 1200
Heater Temperature ［OC＞
Fig．5 Relation between output voltage and heater
temperature
温度の関係を示す。2．で述べた仕様は十分満たしている。
すなわち，約400。Cから1000。 Cまでが，良好な直線関係で OVから10V程度に変換されている。しかし，通常あまり 使われない領域ではあるが，500。C以下の部分では，ホト
トランジスタを流れる電流が少なく，安定度が悪い。これ は，差動増幅器と対数増幅器のドリフトの影響と思われる ので，必要ならこの部分を改善すればよい。また，1050℃
以上の高温についても，分流抵抗Rs等を変更すれば，低 温側を犠牲にしてではあるが，測定可能である。
5．む す び
蒸着速度が，蒸発源の温度により定まることを利用し て，蒸着速度安定化のためヒータ温度を測定する高温計を 試作した。
真空中で使用でき，応答性・波長感度などがヒータ温度
の測定にふさわしいものとして，検出器にホトトランジス タを使用した，非接触部分放射温度計を採用した。
ホトトランジスタのコレクタ電流とヒータ温度との間に は，良好な指数関数的関係がみられた。これに，温度変化 に対応した信号を取り出すための差動増幅器と，直線関係 に変換するための対数増幅器を付け，ヒータ温度を電圧出 力として取り出した。
その結果，400〜1000。Cが約0〜10Vに対応する高温計 が得られた。
こうして，ヒータ温度が測定できfが，蒸着速度を安定 にするには自動制御系を構成し，ヒータ温度の安定化を計 らなければならない。これは，今後の課題である。
謝 辞
本研究をはじめ，御在職中何かと御指導いただいた元本 校教授藤田志郎先生，並びに，本稿を通読下さり有益な御 教示をいただいた本校助教授岸本俊祐先生に深く感謝致し
ます。
また，実験の一部を担当された昭和52年度卒業生，青戸 雅美，吉田清志の両君に謝意を表します。
文 献
1）三宅，薄膜の基礎技術，（昭43），199，朝倉書店．
2）S．シラーほか，真空蒸着，（1977），115，アグネ．
3）沢木，真空蒸着，（昭40），2，日刊工業新聞社．
4）塩山ほか，大阪府立工業技術研究所報告，62（1974），
32．
5）山内，新版電気計測便覧，（昭41），1061，オーム社．
6）栗野，高温・熱技術，（1977），146，東京大学出版会．
7）東芝半導体ハンドブック，（昭45），476，誠文堂新光
社．
8）栗野，高温・熱技術，（1977），56，東京大学出版会．
9）岡田ほか，津山高専紀要，14（1976），83．
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