JP2017211293A - 画像取得装置及び膜厚測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で、基材の屈折率ばらつきの影響が小さく、計測誤差が小さな画像取得装置及び膜厚測定方法を提供する。
【解決手段】 本発明の画像取得装置は、光学干渉を利用した膜厚測定を行う画像取得装置であって、測定光を放射する光源と、基材上に被測定物が配された試料を搭載する試料ステージと、基材の底面と前記試料ステージとの間に配され、基材の底面及び試料ステージから被測定物の方向に反射される測定光を低減する低反射体と、被測定物で反射された測定光を受光してデータに変換するカメラと、カメラで取得されたデータに基づいて被測定物の膜厚を測定する制御手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光干渉を用いて塗装膜やコーティング等の膜厚を計測するための画像取得装置及び膜厚測定方法に関する。

周波数が０．１ＴＨｚ（テラヘルツ）から１０ＴＨｚまで（波長３０μｍから３ｍｍまで）の電磁波は「テラヘルツ波」と呼ばれる。近年は、コンパクトで使いやすいテラヘルツ波の光源や受光器が開発されるとともに、これらをシステムアップした分光器や検査システムが実用化されている（例えば、特許文献１参照）。

テラヘルツ波の特徴の１つは、紙、プラスチック等の素材に対して物質透過性を有することである。非特許文献１には、この性質を利用して、超短パルスレーザで励起されたテラヘルツ波パルスを光源に用いた、車の塗装膜厚を測定する方法が開示されている。非特許文献１では、膜厚の測定方法として、テラヘルツ波パルスを照射したときの、膜の表面と裏面からの戻り光の時間差から膜厚を同定する、いわゆる飛行時間法（Time of Flight Method、ＴＯＦ法）が用いられる。

塗装膜やコーティング等の膜厚を測定する別の方法として、光学干渉を利用する方法がある。この方法は、膜の表面で反射される反射光と膜の裏面で反射される反射光とが干渉することで、反射光強度が膜厚に応じて変化することを利用する。特許文献２には、光学干渉を利用したフォトレジストの膜厚測定方法が記載されている。可視光や赤外光は、一般的に、数μｍ以下の比較的薄い膜厚の測定に適している。数十μｍから数ｍｍ程度の比較的厚い膜厚の測定には、これらの光よりも波長が長いテラヘルツ波の光学干渉を利用するのが好適である。さらに、特許文献３には、特定の偏光の反射率が最小になる角度に基づいて、可視光を用いて膜厚測定を行うための方法及び装置が記載されている。

特開２０１５−１２２３５４号公報 特表２００２−５２３７６３号公報 特開２００７−０７８６０８号公報

T.Yasui et al., Terahertz paintmeter for noncontact monitoring of thickness and drying progress in paint film, Applied Optics, Vol. 44, No. 32, pp. 6849-6856, 2005年11月10日

テラヘルツ波を測定光として用い、基材上に堆積した塗装膜やコーティングの膜厚を測定する場合、測定光の周波数において、基材による測定光の吸収が小さい場合に、膜厚の測定値がばらつくことがある。これは、被測定物に照射されたテラヘルツ波が基材の裏面に達し、基材の裏面において新たな反射光が生成されるためである。その結果、基材の屈折率や厚みのわずかな変動により、観測されるトータルの反射光強度が変動し、膜厚の測定値にばらつきが生じる。基材による測定光の吸収が小さく、また、測定試料を設置する試料ステージの屈折率と基材の屈折率との間に大きな差がある場合（すなわち、両者が接する界面における測定光の反射が大きい場合）に、この現象は顕著に起こる。そして、特許文献１〜３及び非特許文献１は、テラヘルツ波を用いた被測定試料の膜厚測定におけるこのような課題を解決する技術を開示していない。

（発明の目的）
本発明の目的は、光学干渉を用いた膜厚の測定方法において、簡易な構成で、測定誤差が小さい画像取得装置及び膜厚測定方法を提供することにある。

本発明の画像取得装置は、光学干渉を利用した膜厚測定を行う画像取得装置であって、測定光を放射する光源と、基材上に被測定物が配された試料を搭載する試料ステージと、基材の底面と試料ステージとの間に配され、基材の底面及び試料ステージから被測定物の方向に反射される測定光を低減する低反射体と、被測定物で反射された測定光を受光してデータに変換するカメラと、カメラで取得されたデータに基づいて被測定物の膜厚を求める制御手段と、を備える。

本発明の膜厚測定方法は、光学干渉を利用した膜厚測定方法であって、光源から測定光を放射し、基材上に被測定物が配された試料を試料ステージに搭載し、基材の底面と試料ステージとの間に、基材の底面及び試料ステージから被測定物の方向に反射される測定光を低減する低反射体を配置し、被測定物で反射された測定光を受光し、受光結果に基づいて被測定物の膜厚を求める、ことを特徴とする。

本発明は、光学干渉を利用した膜厚測定において、簡単な構成で精度の高い膜厚測定が可能な画像取得装置及び膜厚測定方法を提供できる。

第１の実施形態の画像取得装置１００の構成例を示す図である。 画像取得装置１００を用いた場合の、基材６上の被測定物５の膜厚と反射光強度との関係のシミュレーション結果を示す図である。 画像取得装置１００と対比される、画像取得装置２００の構成を示す図である。 画像取得装置２００を用いた場合の、基材６上の被測定物５の膜厚と反射光強度との関係のシミュレーション結果を示す図である。 画像取得装置１００と対比される、画像取得装置３００の構成を示す図である。 画像取得装置３００を用いた場合の、基材６上の被測定物５の膜厚と反射光強度との関係のシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態の画像取得装置４００の構成例を示す図である。 第３の実施形態の画像取得装置５００の構成例を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の実施形態では、特に数十μｍから数ｍｍ程度の厚さを測定するのに好適な、周波数が０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚのテラヘルツ波の光学干渉を利用した画像取得装置について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の画像取得装置１００の構成例を示す図である。画像取得装置１００は、光学干渉を利用して被測定物の膜厚を測定するために用いられる。画像取得装置１００は、テラヘルツ波光源１、テラヘルツカメラ２、テラヘルツレンズ３、試料ステージ７、低反射体８、制御部９を備える。低反射体８は、試料４と試料ステージ７との間に配置される。試料４は、基材６と、基材６上に塗布された被測定物５と、を含む。被測定物５は、画像取得装置１００による膜厚の測定対象であり、例えば、基材６に施された塗装や被覆である。

テラヘルツ波光源１は、テラヘルツ波を放射する光源である。テラヘルツ波光源１として、波長帯域の狭い、概ね単一波長（すなわち、略単色光）のテラヘルツ波を放射する光源が用いられてもよい。波長帯域の狭いテラヘルツ波を用いることで、波長のばらつきに起因する、被測定物５の膜厚の測定誤差を低減することができる。

低反射体８は、基材６の底面と試料ステージ７との間に密着して配置される。低反射体８は、基材６と低反射体８との境界における、テラヘルツ波の基材６の方向への反射を抑制する素材である。低反射体８は、基材６との接触面において、テラヘルツ波光源１から放射されるテラヘルツ波の反射を抑制するための反射防止膜を備えてもよい。また、低反射体８は、テラヘルツ波光源１が放射するテラヘルツ波に対する吸収性を備えてもよい。すなわち、低反射体８は、基材６から入射したテラヘルツ波及び試料ステージ７で反射されたテラヘルツ波を吸収する電波吸収体であってもよい。

テラヘルツ波光源１から放射されたテラヘルツ波の一部は、被測定物５の表面及び裏面において反射され、テラヘルツレンズ３に入射する。テラヘルツレンズ３は、テラヘルツ波を集光してテラヘルツカメラ２に入力させる。テラヘルツカメラ２に入力されるテラヘルツ波の強度を制御部９で解析することにより、被測定物５の膜厚を求めることができる。例えば、テラヘルツ波光源１は、テラヘルツ波を被測定物５に照射し、テラヘルツカメラ２は、被測定物５の表面及び裏面において反射されたテラヘルツ波を受光する。そして、テラヘルツカメラ２は、被測定物５上におけるテラヘルツ波の反射強度の２次元分布のデータを生成して、制御部９へ出力する。

制御部９は、光学干渉を用いた膜厚の算出機能を備える。制御部９は、テラヘルツカメラ２で得られたテラヘルツ波の反射強度のデータを処理して、被測定物の膜厚の分布を求める。光学干渉を用いた膜厚の測定方法は知られているので、詳細な説明は省略する。制御部９は、ＣＰＵ（central processing unit）及び半導体メモリ等の記録装置を備え、記録装置に記録されたプログラムをＣＰＵが実行することで制御部９の機能を実現してもよい。また、制御部９の機能は、テラヘルツカメラ２に含まれてもよい。制御部９は、テラヘルツ波光源１を含む画像取得装置１００の全体を制御する機能を備えていてもよい。

図２に、画像取得装置１００を用いた場合の、基材６上の被測定物５の膜厚と反射光強度との関係のシミュレーション結果を示す。図２のシミュレーションにおいて、試料ステージ７は金属（アルミニウム）製である。アルミニウムの屈折率は１３３であり、消衰係数は２０９である。被測定物５の屈折率は１．４９であり、わずかに吸収がある（消衰係数０．１２）。また基材６の厚みは３．２ｍｍである。基材６の屈折率は約１．６であるが、最大で１．６２程度の値を示すものとする。テラヘルツ波の周波数は２ＴＨｚ（波長１５０μｍ）である。テラヘルツ波の入射角度（被測定物５の表面法線方向とのなす角）は２０度である。偏波方向はｐ偏光である。図２は、基材６の底面から被測定物５の方向への反射光の発生が充分に抑制されるような低反射体８が用いられた場合のシミュレーション結果を示す。

図１に示す構成を備える画像取得装置１００では、基材の屈折率にばらつきがあっても、低反射体８によって基材６の底面から被測定物５の方向への反射光の発生が抑制される。このため、図２に示すように、基材６上の被測定物５の膜厚と被測定物５からの反射光強度との関係に差がほとんど生じないことがわかる。すなわち、画像取得装置１００は、光学干渉を利用した膜厚測定において、簡単な構成で精度の高い膜厚測定が可能である。

このように、画像取得装置１００は、光学干渉を利用した膜厚測定において、低反射体８を基材６の底面と試料ステージ７との間に配置することで、簡単な構成で精度の高い膜厚測定が可能な画像取得装置を提供できる。また、画像取得装置１００は、テラヘルツ波の偏波方向に依存することなく膜厚測定が可能である。

なお、第１の実施形態では光源がテラヘルツ波光源である場合について説明したが、第１の実施形態の構成が適用可能な光源の周波数帯はテラヘルツ帯に限定されない。また、被測定物５は膜に限定されず、テラヘルツ波光源１から放射される光を透過する物質であれば画像取得装置１００によってその厚みを測定できる。

（第１の実施形態の最小構成）
また、第１の実施形態の画像取得装置１００の効果は、以下の最小構成によってももたらされる。第１の実施形態の構成要素の参照符号を括弧内に示す。

すなわち、最小構成の画像取得装置（１００）は、光学干渉を利用した膜厚測定を行う。画像取得装置は、光源（１）、テラヘルツカメラ（２）と、試料ステージ（７）、低反射体（６）、制御部（９）を備える。光源（１）は、測定光を放射する。試料ステージ（７）は、試料（４）を搭載する。試料（４）は、基材（６）上に被測定物（５）が配された、測定試料である。低反射体（８）は、基材（６）の底面と試料ステージ（７）との間に配される。低反射体（８）は、基材（６）の底面及び試料ステージ（７）から被測定物（５）の方向に反射される測定光を低減する機能を備える。テラヘルツカメラ（２）は、被測定物（５）で反射された測定光を受光して、受光データを生成する。制御部（９）は、受光データを処理して、被測定物（５）の膜厚を求める。

このような構成を備える最小構成の画像取得装置では、基材の底面と試料ステージとの間に、低反射体が配置される。低反射体は、基材の底面から被測定物の方向に放射される光を低減する。この構成により、基材の底面における反射光や基材を透過して外部で反射されて基材に戻った光が被測定物の方向に戻ることが抑制される。その結果、被測定物からの反射光の強度に対する、それ以外の箇所で発生した反射光による影響を抑制できる。すなわち、最小構成の画像取得装置も、光学干渉を利用した膜厚測定において、簡単な構成で精度の高い膜厚測定が可能である。

（比較例の第１の形態）
図３は、画像取得装置１００と対比される、画像取得装置２００の構成を示す図である。以降の図面の説明では、既出の要素には同一の名称及び参照符号を付して、重複する説明は省略する。図３を参照すると、画像取得装置２００は、テラヘルツ波光源１、テラヘルツカメラ２、テラヘルツレンズ３、制御部９を備える。画像取得装置２００を用いた測定では、試料４は空中に保持された状態である。すなわち、図３において基材６の底面は空気と接している。なお、試料４を空中に保持するための構造は図３では省略されている。図４に、画像取得装置２００を用いた場合の、基材６上の被測定物５の膜厚とテラヘルツ波の反射光強度との関係のシミュレーション結果を示す。図１に示した画像取得装置１００と比較して、図３の画像取得装置２００は試料ステージ７及び低反射体８を備えない。それ以外のシミュレーションの条件は、画像取得装置１００のシミュレーションと同じ条件としている。

図４は、画像取得装置２００を用いた場合の、基材６上の被測定物５の膜厚と反射光強度との関係のシミュレーション結果を示す図である。画像取得装置２００は、図１に示された低反射体８を備えないため、基材６の底部と空気との屈折率差に起因する基材６の裏面からの反射光が、被測定物５の両面の反射光の強度に大きい影響を与える。その結果、被測定物５の膜厚の測定値は、基材６の屈折率のばらつきにより大きく変化する。図４は、基材の屈折率が１．６から１．６２までばらつくと、被測定物５を上面から見た反射率が大きく変化することを示す。すなわち、図４は、基材６の屈折率がばらついた場合に、画像取得装置２００では、基材の屈折率を正確に知らない限り被測定物５の正確な膜厚測定が困難であることを示す。

（比較例の第２の形態）
画像取得装置１００と比較される他の画像取得装置の構成について説明する。図５は、画像取得装置１００と対比される、画像取得装置３００の構成例を示す図である。図５を参照すると、画像取得装置３００は、テラヘルツ波光源１、テラヘルツカメラ２、テラヘルツレンズ３、試料ステージ７、制御部９を備える。画像取得装置３００では、試料４は直接試料ステージ７上に配置される。

図６は、画像取得装置３００を用いた場合の、基材６上の被測定物５の膜厚とテラヘルツ波の反射光強度との関係のシミュレーション結果の例である。図１に示した画像取得装置１００と比較して、図５の画像取得装置３００は、試料４と試料ステージ７との間に低反射体８を備えない。それ以外のシミュレーションの条件は、画像取得装置１００におけるシミュレーションと同じ条件としている。

画像取得装置３００では、図５における基材６の底部と試料ステージ７とが接している。このため、基材６と試料ステージ７との屈折率差に起因する基材６の裏面からテラヘルツカメラ２への反射光が、被測定物５の両面の反射光の強度に大きい影響を与える。図６は、画像取得装置３００を用いた場合の、基材６上の被測定物５の膜厚と反射光強度との関係のシミュレーション結果を示す図である。図６は、画像取得装置３００においても、基材の屈折率が１．６から１．６２までばらつくと、被測定物５の上面から見た反射率が大きく変化することを示す。このように、比較例の第２の形態の画像取得装置３００においても、被測定物５の膜厚の測定値が、基材６の屈折率のばらつきにより大きく変化する。すなわち、図６は、基材の屈折率がばらついた場合には、画像取得装置３００においても、基材の屈折率を正確に知らない限り、正確な膜厚測定が困難であることを示している。

（第２の実施形態）
図７を参照すると、第２の実施形態の画像取得装置４００は、テラヘルツ波光源１、コリメートレンズ１０、テラヘルツカメラ２、テラヘルツレンズ３、試料ステージ７、制御部９を備える。画像取得装置４００は、試料４と試料ステージ７との間に低反射体８を備える。コリメートレンズ１０は、テラヘルツ波光源１から放射されたテラヘルツ波を略平行に伝搬するテラヘルツ波に変換する。テラヘルツ波光源１と被測定物５との間にコリメートレンズ１０を配置することで、テラヘルツ波光源１から放射されたテラヘルツ波は試料に対し略平行光として照射される。その結果、画像取得装置４００は、画像取得装置１００の効果に加えて、テラヘルツ波の被測定物５への入射角の分散に起因する、被測定物５の膜厚の測定結果への影響を低減できるという効果を奏する。

（第３の実施形態）
図８を参照すると、第３の実施形態の画像取得装置５００は、テラヘルツ波光源１、テラヘルツカメラ２、テラヘルツレンズ３、試料ステージ７、低反射体８、制御部９を備える。試料４と試料ステージ７との間に低反射体８が配置される。画像取得装置５００の試料ステージ７は、低反射体８及び試料４を乗せた状態で、被測定物５の表面と略平行な方向に移動する機能を備える。試料ステージ７の移動は、制御部９により制御されてもよい。あるいは、図示されないステージ駆動装置により制御されてもよい。このような構成を備える画像取得装置５００は、試料ステージ７を移動させながら被測定物５の画像を取得することができる。その結果、画像取得装置５００は、第１の実施形態の画像取得装置１００の効果に加えて、大面積の試料の膜厚測定が可能になるという効果を奏する。本実施形態では、試料ステージ７を移動させる例について述べたが、テラヘルツ波光源１、テラヘルツカメラ２、テラヘルツレンズ３を一体として被測定物５に対して移動させても、同様の効果が得られることは明らかである。

本発明の実施形態は以下の付記のようにも記載されうるが、これらには限定されない。

（付記１）
光学干渉を利用した膜厚測定を行う画像取得装置であって、
測定光を放射する光源と、
基材上に被測定物が配された試料を搭載する試料ステージと、
前記基材の底面と前記試料ステージとの間に配され、前記基材の底面及び前記試料ステージから前記被測定物の方向に反射される前記測定光を低減する低反射体と、
前記被測定物で反射された前記測定光を受光してデータに変換するカメラと、
前記カメラで取得されたデータに基づいて前記被測定物の膜厚を測定する制御手段と、
を備える画像取得装置。

（付記２）
低反射体が、前記測定光の周波数域に対して光学的な吸収性を備える吸収体を含むことを特徴とする付記１に記載の画像取得装置。

（付記３）
前記測定光は、周波数が０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの略単色光であることを特徴とする付記１又は２に記載の画像取得装置。

（付記４）
前記光源は、前記被測定物に対し前記測定光を略平行光として照射するコリメートレンズを備える、ことを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の画像取得装置。

（付記５）
前記試料ステージは、前記測定光が照射される位置に対して、前記被測定物の表面に平行な方向に可動であり、前記カメラは前記試料ステージの移動中に前記被測定物で反射された前記測定光を受光してデータに変換する、ことを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の画像取得装置。

（付記６）
光学干渉を利用した膜厚測定方法であって、
光源から測定光を放射し、
基材上に被測定物が配された試料を試料ステージに搭載し、
前記基材の底面と前記試料ステージとの間に、前記基材の底面及び前記試料ステージから前記被測定物の方向に反射される前記測定光を低減する低反射体を配置し、
前記被測定物で反射された前記測定光を受光してデータに変換し、
前記データに基づいて前記被測定物の膜厚を求める、
膜厚測定方法。

（付記７）
低反射体が、前記測定光の周波数域に対して光学的な吸収性を備える吸収体を含むことを特徴とする付記６に記載の膜厚測定方法。

（付記８）
前記測定光は、周波数が０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの略単色光であることを特徴とする付記６又は７に記載の膜厚測定方法。

（付記９）
前記被測定物に対し前記測定光を略平行光として照射することを特徴とする付記６乃至８のいずれか１項に記載の膜厚測定方法。

（付記１０）
前記試料ステージを、前記測定光が照射される位置に対して前記被測定物の表面に平行な方向に可動させ、
前記試料ステージの移動中に前記被測定物で反射された前記測定光を受光して前記データに変換する、
ことを特徴とする付記６乃至９のいずれか１項に記載の膜厚測定方法。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記の実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

また、それぞれの実施形態に記載された構成は、必ずしも互いに排他的なものではない。本発明の作用及び効果は、上述の実施形態の全部又は一部を組み合わせた構成によって実現されてもよい。

１ テラヘルツ波光源
２ テラヘルツカメラ
３ テラヘルツレンズ
４ 試料
５ 被測定物
６ 基材
７ 試料ステージ
８ 低反射体
９ 制御部
１０ コリメートレンズ
１００〜５００ 画像取得装置

Claims (10)

1. 光学干渉を利用した膜厚測定を行う画像取得装置であって、
   測定光を放射する光源と、
   基材上に被測定物が配された試料を搭載する試料ステージと、
   前記基材の底面と前記試料ステージとの間に配され、前記基材の底面及び前記試料ステージから前記被測定物の方向に反射される前記測定光を低減する低反射体と、
   前記被測定物で反射された前記測定光を受光してデータに変換するカメラと、
   前記カメラで取得されたデータに基づいて前記被測定物の膜厚を測定する制御手段と、
   を備える画像取得装置。
2. 低反射体が、前記測定光の周波数域に対して光学的な吸収性を備える吸収体を含むことを特徴とする請求項１に記載の画像取得装置。
3. 前記測定光は、周波数が０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの略単色光であることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像取得装置。
4. 前記光源は、前記被測定物に対し前記測定光を略平行光として照射するコリメートレンズを備える、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像取得装置。
5. 前記試料ステージは、前記測定光が照射される位置に対して、前記被測定物の表面に平行な方向に可動であり、前記カメラは前記試料ステージの移動中に前記被測定物で反射された前記測定光を受光してデータに変換する、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像取得装置。
6. 光学干渉を利用した膜厚測定方法であって、
   光源から測定光を放射し、
   基材上に被測定物が配された試料を試料ステージに搭載し、
   前記基材の底面と前記試料ステージとの間に、前記基材の底面及び前記試料ステージから前記被測定物の方向に反射される前記測定光を低減する低反射体を配置し、
   前記被測定物で反射された前記測定光を受光してデータに変換し、
   前記データに基づいて前記被測定物の膜厚を求める、
   膜厚測定方法。
7. 低反射体が、前記測定光の周波数域に対して光学的な吸収性を備える吸収体を含むことを特徴とする請求項６に記載の膜厚測定方法。
8. 前記測定光は、周波数が０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの略単色光であることを特徴とする請求項６又は７に記載の膜厚測定方法。
9. 前記被測定物に対し前記測定光を略平行光として照射することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の膜厚測定方法。
10. 前記試料ステージを、前記測定光が照射される位置に対して前記被測定物の表面に平行な方向に可動させ、
    前記試料ステージの移動中に前記被測定物で反射された前記測定光を受光して前記データに変換する、
    ことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の膜厚測定方法。

Images