JP2010156664A - 検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触で物体の厚さ、物性などの性状の値、或いはそれらの分布を同時に取得できる検査装置、検査方法を提供する。
【解決手段】物体検査装置は、物体２に電磁波を照射する照射手段９と、物体からの電磁波を検出する検出手段１０と、取得手段２６と、記憶手段２１と、演算手段２０を有する。取得手段は、検出手段による電磁波の検出時間に係る電磁波の伝搬時間と検出された電磁波の振幅とを取得する。記憶手段は、伝搬時間及び電磁波振幅と、物体の電磁波に対する性状の典型値との関係データを予め格納する。演算手段は、取得した伝搬時間及び電磁波振幅と格納した関係データとを用いて、物体２の厚さと性状の絶対値を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波を用いて物体の情報を得る装置及び方法に関する。特に、主にミリ波からテラヘルツ波領域（３０GHz以上３０THz以下の領域）の高周波電磁波を用いて物体の物性や厚さなどの性状の分布を取得する検査装置、その駆動方法などに関する。

近年、ミリ波からテラヘルツ(THz)波にかけた電磁波（３０GHz以上３０THz以下の周波数帯の成分を含む電磁波で、以後単にテラヘルツ(THz)波などとも言う）を用いた非破壊なセンシング技術が開発されている。この周波数帯の電磁波の応用分野については、X線に代わる安全な透視検査装置としてイメージングを行う技術がある。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術、キャリア濃度や移動度、導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術などが開発されている。

更には、このTHz波による検査装置を、非破壊で品質チェックを行う内部検査手段として応用することが検討されている。すなわち、粉体中の異物検査、プラスティック成形品の欠陥検査、半導体ウエハのキャリア濃度の検査などへの応用が検討されている。

特許文献１は、この様な検体内部の検査に関して、THz時間領域分光（THz-TDS）法を用いて透過THzパルスの時間波形を取得すれば、これのフーリエ変換で得られるスペクトルの解析によって検体の物性が判別できることを開示している。特許文献１の発明は、取得した信号と予め物質毎にデータベース化した情報とを比較して物体の構成特性をポイント毎に識別し、物体を動かしてこのポイントを移動させ構成特性のイメージを取得することを特徴とする。

一方、特許文献２は、半導体ウエハの場合は、ドゥルーデのモデルを用いることで、THz時間領域分光法を用いて求めた複素誘電率から移動度、導電率、キャリア濃度が構成特性として算出できることを開示している。このため、この技術は、非破壊でSi、GaAsなどのウエハを検査する手段として開発されている。
特許３３８７７２１号公報 特開２００２-９８６３４号公報

しかし、特許文献１の技術は、物体を透過したTHzパルスが受けた特徴的な波形変化を捉えて、物体のイメージを分析するものであり、導電率等の定量的な物性値を与える手法に係るものではない。実際にTHzパルスが物体を透過する場合には、同一組成でも物体の厚さによってTHzパルスの波形変化量が異なるため、スペクトル解析によって成分の分布の相対値を知ることができるだけである。また、特許文献２では、半導体ウエハの移動度、導電率、キャリア濃度の絶対量を求めることが開示されているが、この技術は、ウエハの様に厚さが高精度に均一で厚さが既知の場合に適用できるものである。

従って、任意の板状物体で厚さが未測定のもの、おおよその厚さが分かっていても厚さ分布があるものについては、複素誘電率の絶対量を求めることが困難であるため、導電率等の絶対量の分布を計測できるとは言い難かった。

上記課題に鑑み、本発明の物体を検査する装置は、物体に電磁波を照射する照射手段と、照射された物体からの電磁波を検出する検出手段と、取得手段と、記憶手段と、演算手段と、を有する。取得手段は、前記検出手段による電磁波の検出時間に係る電磁波の伝搬時間と検出された電磁波の振幅とを取得する。記憶手段は、前記伝搬時間及び電磁波振幅と、前記物体の前記電磁波に対する性状の典型値との関係データを予め格納する。演算手段は、前記取得した伝搬時間及び電磁波振幅と前記格納した関係データとを用いて、前記物体の厚さと性状の値を求める。ここにおいて、典型値とは、物体の物性、厚さなどの性状に関する所定の標準的な値からの製造工程などにおいて想定変動範囲内にある値である。既知の物体の標準的な状態からの差異を検出して、製品検査や製造装置でのフィードバック制御等を行う際、殆どの場合、検査する物体の状態は標準的な状態から一定の想定変動範囲内にあると看做し得るので、こうした典型値を対象とするのである。また、電磁波の検出時間に係る電磁波の伝搬時間とは、任意の基準時間から検出手段での電磁波検出時間までの電磁波の伝搬時間、例えば、照射手段による電磁波照射から検出手段での電磁波検出までの電磁波の伝搬時間である。

また、上記課題に鑑み、本発明の物体を検査する方法は、電磁波を照射された物体からの電磁波を検出する検出ステップと、取得ステップと、記憶ステップと、演算ステップと、を有する。取得ステップでは、前記検出ステップでの電磁波の検出時間に係る電磁波の伝搬時間と検出された電磁波の振幅とを取得する。記憶ステップでは、前記伝搬時間及び電磁波振幅と、前記物体の前記電磁波に対する性状の典型値との関係データを予め格納する。演算ステップでは、前記取得ステップで取得した伝搬時間及び電磁波振幅と前記記憶ステップで格納した関係データとを用いて、前記物体の厚さと性状の値を求める。

本発明によれば、伝搬時間及び電磁波振幅と、物体の電磁波に対する物性、厚さなどの性状の典型値との関係データを予め格納しておく。そして、未知の物体について取得した伝搬時間及び電磁波振幅と格納データに基づいて、物体の厚さと所定の性状の値を算出する。従って、例えば、対象とする物体の物性や厚さなどの性状の値、或いはそれらの分布を同時に求めながら、イメージングなども可能となる。

また、例えば、THz波を用いて検査物体の厚さと物性の２次元的な分布をイメージとして取得することができ、品質のチェックや製造工程でのスクリーニング、製造プロセスのフィードバック制御などが可能となる。こうして、生産効率を向上させることができる。また、非接触で抵抗率、導電率などの物性の絶対値を計測することで、物体を損傷することなく高速に分析することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の装置及び方法において重要なことは、次の点である。検出手段での電磁波の検出時間に係る電磁波の伝搬時間と検出された電磁波振幅と、物体の性状の典型値との関係データを格納して、取得する伝搬時間及び電磁波振幅と格納した関係データとを用いて、物体の厚さと性状の値を求めることである。

上記の考え方に基づき、本発明の装置及び方法の基本的な実施形態は、次の様な構成を有する。物体を検査する装置は、物体に電磁波を照射する照射手段と、物体からの電磁波を検出する検出手段と、取得手段と、記憶手段と、演算手段と、を有する。取得手段は、前記検出手段による電磁波の検出時間に係る電磁波の伝搬時間と検出された電磁波振幅とを時間領域分光法などにより取得する。記憶手段は、前記伝搬時間及び電磁波振幅と、物体の電磁波に対する性状の典型値との関係データを予め格納する。演算手段は、取得した伝搬時間及び電磁波振幅と格納した関係データとを用いて、物体の厚さと性状の絶対値（相対的ではない値）を求める。また、物体を検査する方法は、電磁波を照射された物体からの電磁波を検出する検出ステップと、取得ステップと、記憶ステップと、演算ステップと、を有する。取得ステップでは、前記検出ステップでの電磁波の検出時間に係る電磁波の伝搬時間と検出された電磁波の振幅とを取得する。記憶ステップでは、前記伝搬時間及び電磁波振幅と、前記物体の前記電磁波に対する性状の典型値との関係データを予め格納する。演算ステップでは、前記取得ステップで取得した伝搬時間及び電磁波振幅と前記記憶ステップで格納した関係データとを用いて、前記物体の厚さと性状の絶対値を求める。

前記基本的な実施形態において、以下に述べる様なより具体的な実施形態が可能である。
前記電磁波は、典型的には、３０GHz以上３０THz以下の周波数領域の一部の周波数成分を含む。また、前記電磁波はパルスであり、前記取得手段は、時間領域分光法により前記伝搬時間及び電磁波振幅を求め、前記演算手段は、前記求めた伝搬時間及び電磁波振幅を前記格納した関係データと比較する。前記演算手段で求める前記物体の性状は、例えば、導電率もしくは抵抗率である。

また、次の様な構成にすることができる。すなわち、前記取得手段で取得される電磁波パルスの伝搬時間であるピーク時間位置と電磁波振幅であるピーク振幅の変化量を記憶しながら物体と電磁波照射の相対位置を移動させつつ前記演算手段により各相対位置での物体の厚さと性状の値を求める。そして、これにより前記物体の厚さと性状の値の分布をイメージングする構成にできる。前記物体の厚さと性状の値の分布のイメージングにおいて、イメージ取得後に空間フィルタを用いて厚さと性状の値の分布を分割する構成にもできる。

また、前記物体が特定周波数の吸収を持つ場合、次の様な構成にすることができる。すなわち、前記記憶手段は、電磁波振幅として前記特定周波数の振幅を選択的に予め格納し、前記演算手段は、前記取得手段で取得した前記特定周波数の振幅と前記格納した関係データとを用いて前記物体の厚さと性状の値を求める構成にできる。

前記電磁波パルスを用いて物体の厚さと性状の値の分布をイメージングする構成の装置の駆動方法として、次の様な移動ステップと制御ステップと記憶ステップを含む方法を実行することができる。移動ステップでは、物体と電磁波照射の相対位置を移動させる。制御ステップでは、前記移動ステップにおいて電磁波パルスのピーク時間位置を常に保持して取得できる様に時間領域分光法で用いる遅延手段の遅延位置をフィードバック制御する。記憶ステップでは、前記制御ステップで制御された遅延位置を記憶する。

以下、図を用いて、本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明による物体の検査装置の構成を示し、基本構成は、特許文献１に示された様な一般的なテラヘルツ時間領域分光（THz-TDS）装置と同じである。

図１の構成において、波長８００nmでおよそ８０fsecの光パルスの発生が可能なフェムト秒レーザ１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ３で２つの経路に分けられる。一方は、レンズ７で集光されたのちLT-GaAs（低温成長ガリウム砒素）上にアンテナを形成した光伝導素子９に照射され、パルス幅が５００fsec程度のTHzパルスを発生させる。発生については、半絶縁性GaAs、InP、ZnTe、GaSbなどの結晶の表面から直接発生する方法を用いてもよい。発生側の光伝導素子には、電源１８によってバイアス電圧を印加する。典型的には、１０V程度のDC電圧を印加する。この電圧値を増大させると発生THz波が増大するが、素子形態によっては、或る電圧で飽和特性を示す。

もう一方のレーザ光は、反射ミラー５と駆動ステージ１５、１６及びステージ１６に搭載したリトロリフレクター１７により構成した遅延手段を経て、ミラー４、レンズ８を介して光伝導素子１０に照射される。こうして、THz波を検出するときのゲート信号として用いられる。光伝導素子９で発生したTHz波は放物面鏡１１、１３を介して対象物体２に照射され、これを透過したTHz波は放物面鏡１４、１２を介して検出用の光伝導素子１０に集光される。THz波の検出は、EO（電気光学）結晶などを用いて行ってもよい。

対象物体２には、図１の様に光伝導素子９で発生したTHzパルスを放物面鏡１１、１３でおおよそ１mmΦのスポットにして照射し、透過したものを放物面鏡１４、１２で検出側の光伝導素子１０に結合する様にしている。物体全体の透過イメージを取得するために２次元的に移動する場合には、図１の様に左右（矢印）、及び紙面と垂直方向（不図示）に対象物体２を移動させればよい。または、対象物体２は移動せずにガルバノミラー等でテラヘルツ波ビームをスキャンさせて２次元イメージを得てもよい。

ここで、本発明における対象物体の厚さと導電率を同時に取得する方法の例について説明する。本例の装置は、既知の物体の標準的な状態からの差異を検出して、工場などでの製品検査や、製造装置でのフィードバック制御等に用いることを想定している。

例えば、厚さ１００μmで体積抵抗率１０Ωcmの導電性シートを検査する場合を例に取る。この抵抗率を持つ標準的なシートに対して、例えば１００Ωcm以下１Ωcm以上の抵抗率を持つシートを作製して（別途、抵抗率測定器で校正）予めそれぞれの複素屈折率の抵抗率依存性をTHz-TDS装置などで取得しておく。その模式図を図２(a)、(b)に示す。このグラフでは、抵抗率ρをパラメータにして代表的な３つの結果（すなわち、抵抗率の３つの典型値との関係データ）について書かれているが、実際にはその間を補完するデータを取得しておく。

一方、実際に検体（物体）を検査する場合には、検体がないときをレファレンスとしたとき、透過THzパルスのFFTを行った場合の振幅比、位相差と複素屈折率の実部n、虚部k及び厚さdが次の様な式で関連付けられている。添字のsam、refはそれぞれ検体、レファレンスを表す。

ただし、Eは電界振幅、θは位相、ωは角周波数、cは光速である。

検査する物体の各抵抗率における複素屈折率は既知であり、予め取得して図１の記憶部２１に格納したデータの範囲内の抵抗率の物体であれば、次の様にできる。すなわち、データ処理部２０において、厚さdの実厚に近い値を代入して逐次dの値を変え、上記式（１）、（２）から求まる複素屈折率が記憶部２１に格納したデータ（図２(a)、(b)に示す様なもの）にフィッティングする様に収束させる。こうすれば、フィッティング結果から厚さdと抵抗率ρが演算できる。これは、或る一定種類の物体の抵抗率等の物性値にゆらぎがあっても、複素屈折率の実部と虚部に一定の関係（クラマース・クローニッヒの関係）があるため、nとkの値は独立ではなく未知数が１つの場合に相当することに由来する。従って、THz-TDS測定によって振幅比、位相差の２つのパラメータが計測できれば、２つの未知数として、厚さdとn（及びk）、或いはn、kから導き出せる抵抗率ρなどの物性値を処理部２０で導き出して表示部２２に表示できることになる。

検査に用いる物体が略同一成分で抵抗率等のゆらぎがそれほど大きくない場合には特に演算が容易になる。この様な原理のため、任意の物体の分析ができるわけではなく、予め対象物体の典型値として、或る幅を持って複素屈折率或いはそこから導出できる物性などの性状の値を記憶しておき、対象物体毎に引き出して測定値と照合できる場合に可能になる処理である。

更に望ましくは、厚さや検査したい物性値のバラツキが大きくない場合には、周波数領域での分散が大きく変化しない、すなわち時間領域のTHzパルス波形の形状が殆ど変化しないときは、演算、検査時間が軽減される。それは、パルス波形が相似形のまま変化し、その時間シフトΔtやピーク振幅の変化ΔAだけを見れば十分なためである。すなわち、こうした場合は、予め標準値からのずれとして（Δt、ΔA）と（Δd、Δρ）の対応ルックアップテーブルを作成しておけば、最初の測定点の初期値だけ標準値からのずれを前記のフィッティングを伴うステップによる演算により求めればよい。その後の２次元スキャンデータは、初期値からのピークシフト時間及びピーク振幅の変化のみを測定すればよいので、高速に２次元イメージとして厚さd、抵抗率ρの値の分布を取得して対象物体の検査を行うことができる。

このとき、取得する物性値については、既に述べた様な抵抗率のみならず、n、kと関連付けられる量、例えば導電率、キャリア濃度、移動度、構成材料の濃度などでもよい。

ここで、高速に２次元分布イメージを取得するために、Δt、ΔAのみをデータ列化してイメージングする検査装置の実施形態について図１を用いて説明する。遅延系を構成するステージは２つある。ステージ１５は、１０mm以上スキャンが可能なロングストロークの比較的低速な第１ステージである。ステージ１６は、１００μm以下のストロークを持ち、数kHzから１００kHz程度の高速で振動が可能（振動振幅により周波数を選択）な第２ステージである。第１ステージ１５では、各種モータ、超音波方式、電磁方式などを用いた駆動手段が好適に用いられる。一方、第２ステージ１６では、ピエゾアクチュエータやMEMSデバイスなどが用いられる。また、第２ステージ１６において、リニア駆動系でなく回転駆動系にすることで振動を高速化してもよい。例えば、プリズム透過系で、プリズムを回転制御すればプリズムへのTHz波の入射角が変化する。これにより、プリズム内を伝搬するTHz波の距離が変化して遅延時間を高速に変化させることができる。

第１ステージ１５の動作は一般的なTHz時間領域分光法におけるものと同様で、例えば６mmのスキャンストロークで４０psecの遅延時間に相当するパルスを観察することができる。時間波形の検出には、電源１８の電圧を１kHz程度で変調し、光伝導素子１０の出力をアンプ１９及びロックインアンプ２６を用いて検出する。これは、時間波形を取得したい場合や、測定初期設定でピーク位置をサーチする場合に必要なステップとなる。このとき得られる時間波形の一部は図３(a)に示した様なパルスである。

一方、ピーク検出のみでよい場合には、ショートストロークの第２ステージ１６を用いてピーク位置のロック制御を行う。すなわち、パルス幅に相当する距離以下の振幅で数kHz以上の高速で振動して遅延時間を変調させる手段を第２ステージ１６に設ける。その信号源となる発振器２５とロックインアンプ２６によって同期検波を実行する。このことで、検出側では、電気的にその変調信号の成分のみを取り出して、ノイズを低減させてピーク位置を高感度で計測する。その計測の原理を図３を用いて説明する。

第２ステージ１６で微小振幅の振動を与えることは、図３(a)のパルス信号の遅延時間をパルス幅以下の時間で往復運動させることに相当する。その場合、振動の中心位置が、(1)パルスの正のスロープ、(2)パルスのピーク位置、(3)パルスの負のスロープのどこにあるかによって、検出される信号が変化する（図３では丸囲み数字であらわす。以下同様）。その様子を示したものが図３(b)であり、例えば１０kHzの正弦波で変調させた場合には、(1)と(3)では、それぞれ、位相が１８０度反転した１０kHzの強度変調信号が得られる。このとき第１ステージ１５の動きは静止している。一方、ピーク位置を中心として振動させた場合には、倍周波数の２０kHzの信号となる。そのため、１０kHzのローパスフィルタを用いるか（図１とは異なるシステムとなる）、ロックインアンプ２６で同期検波により１０kHzの成分を取り出せば、その振幅の大きさは図３(ｃ)の様になる。すなわち、ピーク位置は、正負の入れ替わるゼロクロスのポイントとして検出できる。

次に、物体の測定点を移動して他のポイントを測定する場合は、上記の同期検波信号が０になる様に第１ステージ１５の位置制御にフィードバックを行う。そのとき、安定点における第１ステージ１５のシフト量から、測定点が移動したことによるTHzパルスのシフト時間を取得することができ、同時に、そのときの検出信号の大きさがTHzパルスのピーク振幅になる。

２次元的な測定を行いたい場合は、対象となる検体の検査したい領域全体に対して上記動作を繰り返していけばよい。すなわち、例えば、図４(a)の様に導電率分布のあるシート状物体４０の場合、初期測定点４１から走査しながらTHzパルスのピーク位置のロック制御を行い、例えば図４(b)の測定点４２、４３間の時間シフト量Δt、振幅変化量ΔAを計測していく。こうすれば、図１のデータ処理部２０により、リアルタイムにシート厚さd、抵抗率ρの分布を検査し表示部２３に出力することができる。ただし、この表示部は必須なものではなく、工場などにおいては生産管理として、データ処理部２０からの制御信号出力を基に製造物のスクリーニングを行ったりすることができる。また、データ処理部２０からの制御信号出力を用いて、押し出し成形の圧力、温度、スピード等の物理条件にフィードバックを行い、均一性の高い構造体の製造を行ったりすることもできる。

従来は、例えば、この様なシート状物体の２次元的な抵抗率分布を測定するには、接触型の抵抗率測定器を走査する必要があり、相当な時間を要するとともに、物体に接触するために構造体そのものを傷つける可能性があるなどという問題があった。本発明による上記の如き装置や方法により、例えば、この様な導電シート材料の品質管理を簡便に高速に行うことができ、多大な品質向上につなげることができる。

次に、本発明による他の実施形態を説明する。本実施形態では、特徴的な周波数領域の情報を用いて検査するものである。対象物体によっては、特徴的な吸収を持つ周波数帯がある場合がある。その様子を吸光度（Absorbance）スペクトルとして模式的に表した事例を図１１(a)に示す。１.１THzと２.６THz近傍に特徴的な吸収ピークを持つことがわかるが、或る条件（過度に濃度が大きくなく、濃度に分布が無いという条件）のもとでは各ピークの吸光度aが次に示すランベルトベールの法則に従って近似的に変化する。
a＝αnd （α：モル吸収係数、n：濃度、d：伝播長） （３）

この様な物体を検査する場合にも、上記実施形態で述べた様な予め取得したデータベースをもとに検査を行うことができる。例えば１.１THzにおける吸収量は、厚さdが一定とした場合に、物体中に含まれる検査物体の濃度nによって変化する。従って、典型値の厚さを持つ検査物体について、各濃度において時間波形を求めフーリエ変換により吸光度スペクトルを取得することで、特徴的な周波数での濃度に対する吸光度の変化を求めることができる。その変化の様子を示したグラフが図１１（ｂ）である。濃度が増大すれば吸光度は比例的に増大することがわかる。

この場合は、図４の様に測定位置を移動させながら、注目すべき周波数、例えば１.１THzのデータのみを記憶させる様にしていけば、蓄積すべきデータは減らすことができる。特定周波数の吸光度を測定する手段はいくつかあるが、THz-TDS方式で行う場合には時間波形を取得してFFTを行い、特定周波数での吸光度及び時間差もしくは位相差のデータ列を作成すればよい。または、図１２の様に、１.１THzで発振する発生器１２１としての量子カスケードレーザや共鳴トンネルダイオード型レーザなどからのテラヘルツ波を物体１２３に照射する。そして、マイクロボロメータ或いはショットキーバリアダイオードなどの検出器１２２、１２４で透過強度とサンプル透過による時間差を測定することが考えられる。その場合、位相差を取得するために、図１２の様にサンプル透過THz波と透過しないTHz波を合波させて２つの検出器のバランス検出による強度の変化から干渉計測を、すなわち一方の光の経路を遅延光学系で変化（不図示）させて行えばよい。２つの検出器からの信号を処理部で適当に処理することで、吸光度及び時間差もしくは位相差を算出できる。このとき、検出器の特性によっては（例えば、ボロメータの様に位相情報を検出できない特性の検出器の場合は）、当該検出器を移動させつつ計測値を得て処理する必要がある場合もある。

位相差に与える影響は物質の濃度と厚さの変動によって異なるため、検査対象の物体の標準的な厚さと物質の濃度からのずれに対する吸光度と位相差の関係を予め取得して記憶しておけばよい。こうすれば、厚さΔdと濃度Δnの分布は、吸光度の差分Δaと位相差Δθ（もしくは時間差Δt）を測定すれば求まることになる。初期位置での検査対象の厚さdは、別の方法で正確に測定することができればそれで測定してもよい。或いは、複数の典型値の厚さを持つ検査物体について、図１１（ｂ）に示す様なグラフを取得しておき、初期位置における複数の特定周波数での吸光度の測定値から厚さd及び濃度nを上記の如きフィッティングを伴うステップを用い演算することができる。

本実施形態は、この様に線幅の比較的狭い特徴的な吸収ピークを持つ場合だけでなく、或る周波数領域にブロードな吸収帯がある場合にも適用できる。

以下、実施例を説明する。
（第１実施例）
図１に示す本発明による第１実施例を説明する。これは、図１を用いて既に説明した上記実施形態と同じく、２つのステージから構成される遅延系を持つTHz波透過検査装置である。ここでは、チタンサファイア結晶などの固体を用いた８０fsecパルス幅のフェムト秒レーザを用いたが、これに限るものではない。すなわち、取得したいTHz波のスペクトル帯域に応じて１０fsec程度の非常に狭いパルス幅などを選択してもよい。

本実施例では、第１のステージ１５ではステッピングモータを用いており、第２のステージ１６ではピエゾアクチュエータを用いた。前述した様に、この第２のステージ１６ではウォブリング制御のための高速変調を行う。例えば１０kHzで３μmの振幅（peak to
peak）で変調することで、遅延時間にして２０fsec相当の変調が行われる。THzパルスのピークにロックしながらTHzパルスを捉えるために第１のステージ１５のフィードバック制御を行うシステムになっている。

実際の測定ステップについて図５のフローチャートを用いて説明する。計測前にサンプルが無い状態のピークを検出するために第２のステージ１６で微小振動を行いながら第１のステージ１５をスキャンする。前述した様にゼロクロスポイントが見つかってピークがあると認識するまでは第１のステージ１５をスキャンさせる。ピークが見つかったら、第１のステージ１５のスキャンは停止し、リファレンス時間位置、パルスピーク値を記憶させる。

次にサンプルを挿入し、初期位置（図４の４１）の測定ポイントになったら同様に動作させる。すなわち、第２のステージ１６の微小振動を行いながら第１のステージ１５をスキャンさせる。そして、ゼロクロスポイントが見つかってピークがあると認識したら、第１のステージ１５のスキャンは停止させ、サンプル初期位置の時間位置として記憶させる。次のフローの「サンプル初期位置の厚さ、物性値を演算」では、第１のステージ１５をスキャンさせてサンプル初期位置での時間波形を取得し、前述した様に図６の様な特性とのフィッティングにより厚さと物性値を求める。

次に、第２のステージ１６を微小振動させながら常にゼロクロスポイントを保つ様に第１のステージ１５の位置のフィードバック制御を行い、対象物体の位置を移動させる。その際、第１のステージ１５の時間位置の初期位置からのずれΔtとTHzパルスのピーク振幅の初期位置からのずれΔAを記憶しておく。

本実施例では、厚さが約８０μm、抵抗率が１０^１０Ωcm前後の比較的抵抗が高い導電性樹脂材料について、検査工程に適用した。この材料の抵抗率と屈折率実部及び虚部（消衰係数）の予め取得した特性例を図６に示す。これは、厚さが既知の材料において図１に示す装置によってTHz透過測定を行ない、抵抗率をパラメータとして複素誘電率を上記式（１）、（２）式から導出したものである。このグラフから作成されたグラフであって、例えば周波数のパラメータとして１THz、１.５THz、２THzを選択して、抵抗率とn、kに相関があることを示したグラフが図７である。この様な相関があることから、（Δt、ΔA）から（Δd、Δρ）を求められる様にルックアップテーブルを作成して格納しておく。図７の（ａ）、（ｂ）はテラヘルツ波の或る方向の偏波におけるn、kの値である。一方、図７（ｃ）、（ｄ）はそれとは直交方向の偏波における特性であり、偏波によって特性が若干異なることを示している。これらの特性を記憶しておけば、これらを併せて用いて計測信号を分析することで対象物体の異方性についても検査することができる。

初期位置での対象物体の厚さd及び抵抗率ρは、次の様にして求める。すなわち、対象物体がないときの測定結果をリファレンスとして、標準値であるd＝８０μm、抵抗率ρ＝１０^１０Ωcmを初期値として代入し、予め取得した抵抗率毎の図６の様な複素屈折率スペクトルとの上記の如きフィッティングを行いながら求める。この操作によって初期位置での標準値からのずれが求められるので、前述した様に図４の如く対象物体を移動させながら初期値からのΔt、ΔAが測定できれば、標準値からのずれΔd、Δρの面内分布を演算により求めることができる。これに基づいてイメージ化することもできる。

そのイメージ化した事例を図８に示す。サブmmオーダーで濃淡の縞が観察されることがわかる。これは抵抗率の分布に対応しており、１０^９から１０^１１Ωcmの範囲でばらついていることがわかったが、白い部分は透過率が高く抵抗率が高い部分を示している。この変化の様子を断面図で示したイメージ図を図９(b)に示す。これに対して、対象物体の厚さの分布は図９(a)の様に１０mmオーダーの緩やかな周期で５μm程度の変動幅を持っていることがわかる。

この様なイメージングにより、製造ラインの検査装置はもとより、導電性樹脂シートを延展により製作する場合に、延展装置による物の圧力、押し出しスピードなどの物理条件にフィードバックすることで従来よりも均一な分布を持つ物を作製することができる。

本実施例では、対象物体がないときをリファレンスとして計測を行ったが、初期位置での対象物体を別の方法で正確に測定することができれば、THz透過測定により即座にn、kが記憶データより算出できる。よって、第１のステージ１５のスキャンによる時間波形取得やフィッティング演算が不要となり、初期操作を短時間にすることができる。

以上の信号取得は透過パルスについて説明してきたが、反射パルスを取得した場合にも層構成の界面で多重反射されたパルスが観測されるので、それを測定して同様のことを行えばよい。また、反射パルスと透過パルスをあわせて解析すれば、より多くの情報量を取得することができる。

（第２実施例）
第１実施例では、各測定点においてΔtとΔAを測定しながら逐次Δd及びΔρを演算して厚さ及び抵抗率の分布のイメージ像を作成していた。実際には、第１実施例の様なシート状物体の場合、既に図９を用いて説明した様に、厚さの分布と抵抗率ρの分布は異なるパターンを持っている。

そこで本実施例では、（Δt、ΔA）の２次元データ列から２次元或いは方向性がわかっている場合には、１次元の空間フィルタリングをかけ、例えば８mmでカットオフを持つ様なフィルタで信号分離を行う。８mm以下のローパスフィルタでは厚さ一定として変動周期の小さい抵抗率のみ分布があるとして演算を行い、逆に、８mm以上のハイパスフィルタでは抵抗率一定で厚さ分布があるとして演算してもよい。

対象物体の特性として予めこの様に２つの性状値に周期的な違いがある場合、空間フィルタを用いた信号処理を行うと、高速かつ精度の高い検査を行うことができる。

（第３実施例）
本発明による第３実施例は、対象物体を反射配置としたものである。検査したい対象物体がロール状になっていた場合に、図１０の様にローラ１０１でロール状物体１００を所定の方向に回転させながら計測する場合がある。この場合、ロール状物体内にテラヘルツの検出部が挿入できる場合にはこれまで説明した様に透過測定を行えばよい。しかし、スペースが小さい場合や、ロール状物体の内側に金属等の反射物体が備えられている場合には、符号１０３の方向に反射するテラヘルツ波を分析すればよい。

反射配置の場合には反射位置の精度がピーク時間位置のシフト量に大きく影響するため、テラヘルツ波の発生器と検出器からの相対位置が変動しない様に固定板１０２を設置するのがよい。この固定板１０２を平坦なAl（アルミニウム）板で構成すれば反射器として機能し、対象物体１００を２回透過して来た反射テラヘルツ波を検出して検査することができる。この様な反射配置では、透過配置が難しい対象物体に対しても検査を実行することができる。

（第４実施例）
第４実施例は、グルコースの様な糖類を分散させた食品、例えばガムに本発明の検査手法を適用したものである。本実施例ではTHz-TDSシステムの励起光源としてファイバレーザを用いたが、もちろん従来のチタンサファイアレーザを用いてもよい。通常のファイバレーザは、Erなどの希土類をドープした光ファイバを増幅体として、１.５５μm帯近傍で発振するものが開発されている。また、パルスレーザとして１０fsecレベルの超短パルスレーザも全て光ファイバを用いて実現されている。ファイバレーザを用いた場合は、固体レーザを用いた場合に比べて非常に小型、安価となり、また発振安定性に優れているなどの利点を持つ。

ファイバレーザをTHz波発生の光源として用いる場合には、非線形結晶などによる高調波発生器を用いて７８０nm帯の光を照射させれば、前記実施形態と同様のLT-GaAsを用いた光伝導素子を用いることができる。一方で、ファイバレーザで直接発生可能な１.５５μm帯や１.０６μm帯でTHz波発生をさせるためには、InP基板上もしくはGaAs基板上のLT-InGaAsエピタキシャル層を用いてもよい。

本実施例では、図１３の様にファイバレーザ５０の出力は、THz波発生部５５、検出部５６まで全て光ファイバ５１、５３、５４で結合されるために、光軸調整の手間がかからない。ここで、５２はファイバカップラである。THz波発生部であるTHz波発生モジュール５５、検出部であるTHz波検出モジュール５６は、それぞれ、レーザ光を集光する部分と、光遅延部と、光伝導素子と、THz波発生或いは検出の窓、及び指向制御のためのレンズが一体となったモジュールである。図１３の構成においては、図１と同様の電気系部分については省略している。

光遅延部は、第１実施例と同様に、ロングストロークのものとショートストロークのものがそれぞれTHz波発生部５５、検出部５６に別々に内蔵されている。この光遅延部は全て光ファイバで構成することが可能である。この場合、電界もしくは温度を変化させることでファイバ媒質の屈折率を変化させ、それにより伝播遅延を起こさせる。ファイバグレーテイングなどを用いて周波数毎に遅延時間を調整するものでもよい。

検査対象としてガムを用いた場合、含まれるグルコースなどの糖類特有の指紋スペクトルがある。本実施例では、図１４の様に１.３THz付近に特徴的な吸収スペクトルがあった。予め取得しておくデータとしては、一定の厚さの検査対象における、糖の混入割合の変化に対する１.３THzの吸光度の基準値からの差ΔaとTHzパルスの基準値からの位相差の値Δθである。

第１実施例と同様に、サンプルを挿入して移動させながらTHzパルスの照射を行い、各測定点におけるデータを取得していく。初期位置でのシステムの動作は第１実施例と同様である。すなわち、サンプルがない状態からサンプルを挿入したときのパルスピークのシフトを求めトラッキングする。本実施例では周波数スペクトル情報も必要であることから、更に、第１の遅延ステージを移動させTHz波形を取得した後にFFTスペクトルを計算し、１.３THzでのサンプルが無い場合と比較した吸光度を抽出する。こうして、サンプルがないときからのピークシフト量ともあわせて、初期位置での厚さとターゲットとなる糖類の含有量を演算する。

その後は、ピークトラッキングによる初期位置からのピークシフト量の取得、及び遅延時間を掃引した際の時間波形のFFTより得られた１.３THzにおけるスペクトル強度の初期値からの変化量の取得を、検査すべき全面に渡って行う。以上により、初期位置での計算値と測定した各点における変化量、及び注目する周波数の吸光度変化とピークシフト時間（Δa、Δt）と厚さ、含有量nの変化分（Δd、Δn）との関係データから、厚さと含有量の２次元イメージ分布が得られる。上記関係データは予め測定して格納してある。

こうして得た情報は、第１実施例と同様に、製造中の物のその場検査によるスクリーニングに用いたり、製造装置のパラメータのフィードバック制御に用いたりして、均一性の高いものを製造することに有効である。また、初期位置において正確な厚みを測定しておけば初期位置での演算速度が速くなり、工程全体で高速化できることも第１実施例と同様である。

特定の周波数を用いる場合にはTHzパルスの時間波形を取得するために第１実施例よりも検査時間を多く要するが、本実施例は、導電性や複素屈折率でなく対象物体中のターゲット物質の濃度分布を非接触、非破壊でイメージングできるところが特徴である。

（第５実施例）
本実施例は、注目すべき電磁波として赤外線の１０μm帯を持つカットフィルタの特性を調べるものである。装置形態の光学系部分は図１２に示した通りである。THz波発生器１２１としては、発振波長１０μmの量子カスケードレーザを用いる。検出器１２２、１２４としては、長波長帯用のMCT（HgCdTe）半導体フォトダイオードを用いる。

測定すべきフィルタは対象物体として符号１２３の位置に設置し、２次元的に走査しながら検出器１２２、１２４によって位相変化と透過強度変化をそれぞれ取得する。予め取得した位相変化と透過強度変化の量及び厚さと減衰量の変化分の関係データから、赤外線フィルタの厚さと減衰量の分布を演算してイメージングできる。

本発明の上記手法では電磁波の波長帯には限定はなく、電磁波であればマイクロ波、ミリ波、THz波、光波などいずれも用いることができる。

本発明による検査装置の一例の構成図。 導電性物体の複素屈折率の説明図。 微小振動による信号取得を説明する図。 対象物体のイメージングを説明する図。 本発明による検査のためのフローチャート。 本発明による第１実施例の導電性樹脂の特性例を示す図。 本発明による第１実施例の抵抗率と複素屈折率の関係を示す図。 本発明による第１実施例の対象物体イメージングの例を示す図。 本発明による第１実施例の抵抗率と厚さの分布の例を示す図。 本発明による第３実施例の検査装置の構成図。 本発明による実施形態の吸収ピークの例を示す図。 本発明による検査装置の一例の構成図。 本発明による第４実施例の検査装置の構成図。 本発明による第４実施例のスペクトルの例を示す図。

１、５０‥フェムト秒レーザ
２、４０、５７、１００、１２３‥物体
９、５５、１２１‥照射手段（光伝導素子、THz波発生モジュール、発生器）
１０、５６、１２２、１２４‥検出手段（光伝導素子、THz波検出モジュール、検出器）
１５、１６‥遅延手段（駆動ステージ）
１７‥遅延手段（リトロリフレクター）
２０‥演算手段（データ処理部）
２１‥記憶手段（記憶部）
２２‥表示部
２５‥発振器
２６‥取得手段（ロックインアンプ）
４１、４２、４３‥測定ポイント
５１、５３、５４‥光ファイバ
１０２‥固定板
１０３‥テラヘルツ波

Claims (9)

1. 物体を検査する装置であって、
   前記物体に電磁波を照射する照射手段と、
   照射された物体からの電磁波を検出する検出手段と、
   前記検出手段による電磁波の検出時間に係る電磁波の前記照射手段からの伝搬時間と検出された電磁波の振幅とを取得する取得手段と、
   前記伝搬時間及び電磁波振幅と、前記物体の前記電磁波に対する性状の典型値との関係データを予め格納する記憶手段と、
   前記取得した伝搬時間及び電磁波振幅と前記格納した関係データとを用いて、前記物体の厚さと性状の値を求める演算手段と、を有することを特徴とする検査装置。
2. 前記電磁波は、３０GHz以上３０THz以下の周波数領域の一部の周波数成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
3. 前記電磁波はパルスであり、
   前記取得手段は、時間領域分光法により前記伝搬時間及び電磁波振幅を求め、
   前記演算手段は、前記求めた伝搬時間及び電磁波振幅を前記格納した関係データと比較することを特徴とする請求項２に記載の検査装置。
4. 前記演算手段で求める前記物体の性状は、導電率もしくは抵抗率であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の検査装置。
5. 前記取得手段で取得される電磁波パルスの伝搬時間であるピーク時間位置と電磁波振幅であるピーク振幅の変化量を記憶しながら物体と電磁波照射の相対位置を移動させつつ前記演算手段により各相対位置での物体の厚さと性状の値を求めることで、前記物体の厚さと性状の値の分布をイメージングすることを特徴とする請求項３又は４に記載の検査装置。
6. 前記物体の厚さと性状の値の分布のイメージングにおいて、イメージ取得後に空間フィルタを用いて厚さと性状の値の分布を分割することを特徴とする請求項５に記載の検査装置。
7. 前記物体が特定周波数の吸収を持ち、
   前記記憶手段は、電磁波振幅として前記特定周波数の振幅を選択的に予め格納し、
   前記演算手段は、前記取得手段で取得した前記特定周波数の振幅と前記格納した関係データとを用いて前記物体の厚さと性状の値を求めることを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
8. 請求項５に記載の電磁波パルスを用いて物体の厚さと性状の値の分布をイメージングする検査装置の駆動方法であって、
   前記物体と電磁波照射の相対位置を移動させる移動ステップと、
   前記移動ステップにおいて電磁波パルスのピーク時間位置を常に保持して取得できる様に時間領域分光法で用いる遅延手段の遅延位置をフィードバック制御する制御ステップと、
   前記制御ステップで制御された遅延位置を記憶するステップと、を含むことを特徴とする検査装置の駆動方法。
9. 物体を検査する方法であって、
   電磁波を照射された物体からの電磁波を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップでの電磁波の検出時間に係る電磁波の前記照射手段からの伝搬時間と検出された電磁波の振幅とを取得する取得ステップと、
   前記伝搬時間及び電磁波振幅と、前記物体の前記電磁波に対する性状の典型値との関係データを予め格納する記憶ステップと、
   前記取得ステップで取得した伝搬時間及び電磁波振幅と前記記憶ステップで格納した関係データとを用いて、前記物体の厚さと性状の値を求める演算ステップと、を有することを特徴とする検査方法。