JP2016138798A - Film thickness measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は膜厚測定装置に関し、特に、赤外分光法を用いた膜厚測定装置に関する。 The present invention relates to a film thickness measuring apparatus, and more particularly to a film thickness measuring apparatus using infrared spectroscopy.
赤外分光法を用いた膜厚測定装置は、種々の膜厚の測定に用いられている。例えば、特許文献1には、フーリエ変換赤外線分光光度計を用いて、SOI基板上の単結晶薄膜の膜厚を測定する方法が記載されている。
A film thickness measuring apparatus using infrared spectroscopy is used for measuring various film thicknesses. For example,
特許文献1に記載の赤外線分光光度計は、赤外光束の出射位置を移動させる機構を有しないため、試料上における赤外光束の照射位置を測定中に自由に移動させることができなかった。そのため、特許文献1に記載の赤外線分光光度計では、試料上の複数位置における膜厚を素早く測定することができず、インラインでの膜厚測定を行うことが困難だった。
Since the infrared spectrophotometer described in
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、試料上における赤外光束の照射位置を測定中に自由に移動させることができる膜厚測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a film thickness measuring apparatus that can freely move the irradiation position of the infrared light beam on the sample during the measurement. .
本発明の膜厚測定装置は、
赤外分光法による膜厚測定装置であって、
赤外光束を出射する光出射ユニットと、
試料を経由した前記赤外光束を検出する検出器と、
前記赤外光束を前記光出射ユニットから前記試料を経由して前記検出器へと導く導光手段と、を備え、
前記導光手段は、前記光出射ユニット、前記検出器及び前記試料に対して移動することにより前記赤外光束を照射する位置を移動させることができる。
The film thickness measuring device of the present invention is
An apparatus for measuring film thickness by infrared spectroscopy,
A light emitting unit for emitting infrared luminous flux;
A detector for detecting the infrared luminous flux passing through the sample;
A light guide means for guiding the infrared light flux from the light emitting unit to the detector via the sample, and
The light guide means can move the position where the infrared light beam is irradiated by moving with respect to the light emitting unit, the detector, and the sample.
本発明の膜厚測定装置において、導光手段が光出射ユニット、検出器及び試料に対して移動することにより、赤外光束を照射する位置を移動させることができる。これにより、本発明の膜厚測定装置は、試料上における赤外光束の照射位置を測定中に自由に移動させることができる。 In the film thickness measuring apparatus of the present invention, the position where the infrared light beam is irradiated can be moved by moving the light guiding means relative to the light emitting unit, the detector and the sample. Thereby, the film thickness measuring apparatus of this invention can move the irradiation position of the infrared light beam on a sample freely during a measurement.
本発明によれば、試料上における赤外光束の照射位置を測定中に自由に移動させることができる膜厚測定装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the film thickness measuring apparatus which can move freely the irradiation position of the infrared light beam on a sample during a measurement can be provided.
[実施の形態1]
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1及び図2に示すように、本実施の形態に係る膜厚測定装置10は、光出射ユニット1と、検出器2と、ミラー3,4と、ステージ5と、制御部(不図示)と、を有する。膜厚測定装置10は、赤外分光法により試料Sの膜厚を測定する。膜厚測定装置10は分光光度計を用いた膜厚測定装置であり、光出射ユニット1と、検出器2と、ミラー3,4と、により分光光度計が構成される。ステージ5の上に試料Sを配置して、膜厚測定を行う。
[Embodiment 1]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 and 2, the film
光出射ユニット1は、赤外光束を出射する。光出射ユニット1から出射される赤外光束は平行光束であることが好ましく、赤外光束の波長は、波数4000cm−1から400cm−1となる範囲が好ましい。赤外光束は集光光束であってもよいが、平行光束の方が光を照射するスポット径を大きくすることができる。検出器2は、試料Sを経由した後の赤外光束の強度を検出する。本実施の形態では、試料Sを透過した赤外光束の強度を検出する。
The
図3に示すように、フーリエ変換赤外分光法(FT−IR:Fourier Transform Infrared Spectroscopy)を用いる場合には、光出射ユニット1は、赤外光源11と、ビームスプリッタ12と、固定鏡13と、移動鏡14と、を有する。赤外光源11、ビームスプリッタ12、固定鏡13、及び移動鏡14は、マイケルソン干渉計を構成するように配置されている。
As shown in FIG. 3, when using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), the
赤外光源11は、赤外線を発する光源であり、例えば、高輝度セラミック光源を用いることが好ましい。ビームスプリッタ12は、入射した光束の光路を2つに分割する。ビームスプリッタ12により分割された光束の強度は、それぞれ入射時の約半分になる。固定鏡13は、光束を反射するミラーであり、固定鏡13により反射された光が、参照光になる。移動鏡14は、光束を反射するミラーであり、光軸に沿った方向に移動することができる。移動鏡14により反射された光束R2と参照光の光束R1とにより干渉光が生成される。移動鏡14の移動量により検出器2で検出される干渉光の強度は変化する。
The
図1に示すように、ミラー3,4は、光出射ユニット1から出射された赤外光束を、試料Sを経由して検出器2に導く。一対のミラー3,4は試料Sを挟んで配置されており、一方のミラー3は光出射ユニット1側に配置され、他方のミラー4は検出器2側に配置されている。一対のミラー3,4は、光出射ユニット1から検出器2への導光手段として働く。
As shown in FIG. 1, the
ミラー3,4は、試料S上を移動することにより赤外光束を照射する位置を移動させることができる。本実施の形態に係る膜厚測定装置10では、ミラー3,4は図中のX軸方向に移動することができる。例えば、ミラー3,4を支持する支持部材がレール上をスライドすることにより、ミラー3,4が移動する構成としてもよい。
The
膜厚測定装置10は、ステージ5上において試料SをY軸方向に移動させることができる。試料Sを載せるステージ5がレール上を移動する構成でもよいし、ステージ5がベルトコンベア上になっていて、試料SがベルトコンベアによりY軸方向に移動する構成でもよい。
The film
膜厚測定装置10は、試料S上における赤外光束の照射位置の移動パターンを変えることにより、ライン計測やトラバース計測を行うことができる。ライン計測では、ミラー3,4のX軸方向の位置を固定して、試料SをY軸方向に移動させる。トラバース計測では、ミラー3,4をX軸方向に移動させるとともに、試料SをY軸方向に移動させる。
The film
制御部は、ミラー3,4の移動を制御するとともに、検出器2の検出結果から赤外線スペクトルを算出する。FT−IRの場合には、検出器2の検出結果に対してフーリエ変換を行うことにより赤外線スペクトルを算出する。制御部としては、例えば、CPU(Central Processing Unit)を有するパーソナルコンピュータ(PC)を用いることができる。パーソナルコンピュータ上で特定のプログラムを実行することにより、ミラー3,4の制御及び赤外線スペクトルの算出を行うことができる。
The control unit controls the movement of the
図4を用いて、本実施の形態に係る膜厚測定装置10を用いた薄膜試料の良否判定方法について説明する。まず、図2中のバックグラウンド測定領域ABに赤外光束の照射位置が来るようにミラー3,4を移動させて、試料Sに赤外光束を当てていない状態において、検出器2に入射する赤外光束の強度を測定し、バックグラウンドを測定する(ST401)。
The quality determination method for a thin film sample using the film
次に、試料S上の所望の測定位置に赤外光束が照射されるように、ミラー3,4を試料S上で移動させ、赤外光束の照射位置を移動させる(ST402)。そして、試料S上の所望の測定位置に赤外光束を照射し、試料Sを透過した赤外光束を検出器2で検出し、赤外線スペクトルを測定する(ST403)。
Next, the
次に、赤外線スペクトルの測定結果から、予め定めておいた波数付近に現れるピークのピーク面積を算出する(ST404)。例えば、波数が1500cm−1から900cm−1の付近に生じるピークに囲まれる面積を計算する。 Next, the peak area of a peak appearing in the vicinity of a predetermined wave number is calculated from the measurement result of the infrared spectrum (ST404). For example, an area surrounded by a peak generated in the vicinity of a wave number of 1500 cm −1 to 900 cm −1 is calculated.
次に、算出されたピーク面積を、予め作成しておいた検量線におけるピーク面積と比較することにより、試料Sの膜厚を算出する(ST405)。検量線は、複数の膜厚が既知の試料Sについて赤外線スペクトルを測定して、それらのピーク面積を算出し、膜厚とピーク面積との関係の近似直線を求めることにより作成される。 Next, the film thickness of the sample S is calculated by comparing the calculated peak area with the peak area in the calibration curve prepared in advance (ST405). The calibration curve is created by measuring an infrared spectrum of a plurality of samples S with known film thicknesses, calculating their peak areas, and determining an approximate straight line between the film thickness and the peak area.
次に、算出された膜厚が、予め定めた基準範囲内に入っているか判定を行う(ST406)。算出された膜厚が基準範囲内に入っていない場合(ST406 NO)、試料Sを不良品と判定し(ST409)、測定を終了する。 Next, it is determined whether the calculated film thickness falls within a predetermined reference range (ST406). If the calculated film thickness is not within the reference range (NO in ST406), the sample S is determined to be defective (ST409), and the measurement is terminated.
算出された膜厚が基準範囲内に入っている場合(ST406 YES)、全ての測定位置について赤外線スペクトルを算出したか判定する(ST407)。全ての位置について赤外線スペクトルを算出していないと判定した場合(ST407 NO)、次の測定位置に照射位置を移動させ(ST402)、次の測定位置において赤外線スペクトルを測定する(ST403)。全ての位置について赤外線スペクトルを算出したと判定した場合(ST407 YES)、試料Sを良品と判定し(ST408)、測定を終了する。 If the calculated film thickness is within the reference range (YES in ST406), it is determined whether infrared spectra have been calculated for all measurement positions (ST407). If it is determined that the infrared spectrum has not been calculated for all positions (NO in ST407), the irradiation position is moved to the next measurement position (ST402), and the infrared spectrum is measured at the next measurement position (ST403). When it is determined that infrared spectra have been calculated for all positions (ST407 YES), the sample S is determined to be non-defective (ST408), and the measurement is terminated.
以上説明したように、本実施の形態に係る膜厚測定装置10によれば、ミラー3,4(導光手段)が光出射ユニット1、検出器2及び試料Sに対して移動することにより、赤外光束を照射する位置を移動させることができる。これにより、本発明の膜厚測定装置10は、試料S上における赤外光束の照射位置を測定中に自由に移動させることができる。
As described above, according to the film
燃料電池用の高分子電解質膜を試料Sとして用いた実施例について説明する。電解質膜は、電解質層と補強層とが張り合わされた構成となっている。膜厚測定装置10により電解質層又は補強層を透過した赤外線スペクトルを測定した。図5及び図6に、膜厚測定装置10で測定した赤外線スペクトルの例を示す。図5及び図6の横軸は波数[cm−1]であり、縦軸は吸光度である。図5及び図6に示す赤外線スペクトルは、それぞれ同じ膜厚の試料について3箇所測定した結果の平均値である。
An example in which a polymer electrolyte membrane for a fuel cell is used as the sample S will be described. The electrolyte membrane has a configuration in which an electrolyte layer and a reinforcing layer are bonded to each other. The infrared spectrum which permeate | transmitted the electrolyte layer or the reinforcement layer with the film
図5は、波数が1500cm−1から900cm−1の範囲における電解質層の赤外線スペクトルを示す。燃料電池用の電解質層は、スルホン酸基(−SO2)を有するフッ素系ポリマーであり、電解質層の赤外線スペクトルはスルホン酸基に対応する波数1325cm−1、900cm−1付近のピークを有する。 FIG. 5 shows an infrared spectrum of the electrolyte layer in the wave number range of 1500 cm −1 to 900 cm −1 . Electrolyte layer for a fuel cell is a fluorine-based polymer having a sulfonic acid group (-SO 2), the wave number 1325cm -1 IR spectrum of the electrolyte layer that corresponds to a sulfonic acid group, having a peak around 900 cm -1.
図6は、波数が1250cm−1から450cm−1の範囲における補強層の赤外線スペクトルを示す。燃料電池用の補強層は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)であり、補強層の赤外線スペクトルは−CF2−に対応する波数556cm−1付近のピークを有する。 FIG. 6 shows an infrared spectrum of the reinforcing layer in the wave number range of 1250 cm −1 to 450 cm −1 . The reinforcing layer for the fuel cell is polytetrafluoroethylene (PTFE), and the infrared spectrum of the reinforcing layer has a peak near a wave number of 556 cm −1 corresponding to —CF 2 —.
次に、膜厚測定に用いる検量線を作成した。図7は、波数990cm−1付近のピークの検量線を示す図である。図8は、波数1325cm−1付近のピークの検量線を示す図である。複数の膜厚が既知の電解質膜(試料S)について赤外線スペクトルを測定し、赤外線スペクトルのピーク面積を測定した。電解質膜は、電解質層の膜厚5.0μm、8.0μm、9.0μm、10.0μmのものを用いた。検量線は、膜厚とピーク面積との関係をプロットし、近似直線を求めることにより作成された。図7及び図8において、近似直線の相関係数はr2=0.999であった。 Next, a calibration curve used for film thickness measurement was created. FIG. 7 is a diagram showing a calibration curve of a peak in the vicinity of a wave number of 990 cm −1 . FIG. 8 is a diagram showing a calibration curve of a peak in the vicinity of a wave number of 1325 cm −1 . An infrared spectrum was measured for an electrolyte membrane (sample S) having a plurality of known film thicknesses, and a peak area of the infrared spectrum was measured. The electrolyte membrane having an electrolyte layer thickness of 5.0 μm, 8.0 μm, 9.0 μm, 10.0 μm was used. The calibration curve was created by plotting the relationship between the film thickness and the peak area and obtaining an approximate straight line. 7 and 8, the correlation coefficient of the approximate line is r 2 = 0.999.
図7及び図8に示す検量線を作成するとき、各試料で5か所についてピーク面積を測定し、それらの平均値を用いた。図7及び図8には各試料におけるピーク面積の最大値と最小値が誤差範囲(エラーバー)として示されている。赤外線スペクトルの測定において、波数は4000cm−1から400cm−1の範囲であり、ミラー3,4の移動速度は20mm/秒であり、測定スピードは1.2秒/2データである。
When the calibration curves shown in FIGS. 7 and 8 were created, the peak areas were measured at five locations in each sample, and the average value thereof was used. 7 and 8 show the maximum value and the minimum value of the peak area in each sample as an error range (error bar). In the measurement of the infrared spectrum, the wave number is in the range of 4000 cm −1 to 400 cm −1 , the moving speed of the
次に、電解質層の膜厚が10.0μmの電解質膜の良品部と不良部について、電解質膜を静止させた状態で赤外線スペクトルを測定し、波数990cm−1付近のピークのピーク面積を算出した。ここで、不良部とは、電解質膜の表面に電解質層が無く、補強層が露出している部位のことをいう。 Next, for the non-defective part and the defective part of the electrolyte membrane having an electrolyte layer thickness of 10.0 μm, the infrared spectrum was measured in a state where the electrolyte membrane was stationary, and the peak area of the peak near the wave number of 990 cm −1 was calculated. . Here, the defective portion refers to a portion where the electrolyte layer is not present on the surface of the electrolyte membrane and the reinforcing layer is exposed.
図9は、図7で示した検量線の上に良品部と不良部のピーク面積の算出結果を載せた図である。図9では、良品部は○印、不良部は×印で示されている。図9に示すように、良品部のピーク面積は概ね検量線上に乗っているが、不良部におけるピーク面積は検量線から外れている。 FIG. 9 is a diagram in which the calculation results of the peak areas of the non-defective part and the defective part are placed on the calibration curve shown in FIG. In FIG. 9, the non-defective part is indicated by a circle and the defective part is indicated by a cross. As shown in FIG. 9, the peak area of the non-defective part is almost on the calibration curve, but the peak area at the defective part is off the calibration curve.
次に、ミラー3,4の位置を固定し、電解質膜のみを移動させながら、1.2秒間隔で赤外線スペクトルを取得し、電解質層の厚さを算出した。図10に、電解質膜の搬送速度を変化させて、良品部と不良部における電解質層の厚さを算出した結果を示した。図10では、良品部は○印、不良部は×印で示されている。図10において、搬送速度が10m/分のときでも、良品部と不良部との間に、FT−IRにより算出された電解質層の膜厚の違いが見られた。これにより、搬送速度が10m/分のときでも、FT−IRにより電解質層の良否判定が可能であるといえ、本実施例に係る膜厚測定装置10がインラインでの良否判定に有効であることが示された。
Next, while fixing the positions of the
次に、ミラー3,4をX軸方向、電解質膜をY軸方向に移動させながら、トラバース計測による膜厚測定を行った。図11に示すように、赤外光束の照射位置を電解質膜上でジグザグに移動させて、各点における赤外線スペクトルを測定し、電解質層の膜厚を算出した。
Next, the film thickness was measured by traverse measurement while moving the
図12に、トラバース計測による膜厚測定結果の一例を示す。図11中の1番の測定位置から順番に膜厚を測定していくと、25番の測定位置の膜厚は、他の測定位置の膜厚と比べて小さくなっている。このことから、25番の測定位置は不良部であることがわかる。 FIG. 12 shows an example of a film thickness measurement result by traverse measurement. When the film thickness is measured sequentially from the first measurement position in FIG. 11, the film thickness at the 25th measurement position is smaller than the film thickness at the other measurement positions. From this, it can be seen that the measurement position No. 25 is a defective part.
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明はフーリエ変換赤外分光法(FT−IR)を用いた膜厚測定装置に限定されるものではなく、その他の赤外分光法を用いた膜厚測定装置にも適用することができる。また、本発明は試料Sを透過させた赤外光束を検出する膜厚測定装置に限定されるものではなく、試料Sで反射させた赤外光束を検出する膜厚測定装置にも適用することができる。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, the present invention is not limited to a film thickness measurement apparatus using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), but can be applied to a film thickness measurement apparatus using other infrared spectroscopy. it can. Further, the present invention is not limited to the film thickness measuring device that detects the infrared light beam transmitted through the sample S, but is also applied to the film thickness measuring device that detects the infrared light beam reflected by the sample S. Can do.
1 光出射ユニット
2 検出器
3,4 ミラー
5 ステージ
10 膜厚測定装置
11 赤外光源
12 ビームスプリッタ
13 固定鏡
14 移動鏡
AB バックグラウンド測定領域
S 試料
DESCRIPTION OF
Claims (1)
赤外光束を出射する光出射ユニットと、
試料を経由した前記赤外光束を検出する検出器と、
前記赤外光束を前記光出射ユニットから前記試料を経由して前記検出器へと導く導光手段と、を備え、
前記導光手段は、前記光出射ユニット、前記検出器及び前記試料に対して移動することにより前記赤外光束を照射する位置を移動させることができる
膜厚測定装置。 An apparatus for measuring film thickness by infrared spectroscopy,
A light emitting unit for emitting infrared luminous flux;
A detector for detecting the infrared luminous flux passing through the sample;
A light guide means for guiding the infrared light flux from the light emitting unit to the detector via the sample, and
The said light guide means can move the position which irradiates the said infrared light beam by moving with respect to the said light emission unit, the said detector, and the said sample.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015013581A JP2016138798A (en) | 2015-01-27 | 2015-01-27 | Film thickness measurement device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2015013581A JP2016138798A (en) | 2015-01-27 | 2015-01-27 | Film thickness measurement device |
Publications (1)
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ID=56560142
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108827171A (en) * | 2018-07-21 | 2018-11-16 | 东莞市联洲知识产权运营管理有限公司 | A kind of Photoelectric Detection portal frame |
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2015
- 2015-01-27 JP JP2015013581A patent/JP2016138798A/en active Pending
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