JP5911012B2 - 温度計測装置、および温度計則方法 - Google Patents

Description

本発明は、光の干渉を利用して測定物の温度を計測する温度計測装置、および温度計則方法に関する。特に、測定物がロールツーロールにより巻き取られて移動するものであっても、精度よく温度を計測することができる温度計測装置および温度計則方法に関する。

非接触で温度を計測する技術として、光の干渉を利用した方法がある（特許文献１、２）。特許文献１では、測定物に照射する測定光と参照光とを干渉させて時間波形を測定し、測定物表面での反射による干渉ピーク位置と、測定物裏面での反射による干渉ピーク位置との差から光路長を求め、光路長の変化によって温度変化を測定している。この温度計測方法では、参照光の光路長を変化させるためにミラーを移動させている。また、測定できるのは温度変化であるため、温度を測定するためにはあらかじめ初期値（所定温度における測定物の厚さ）を測定しておく必要がある。

特許文献２では、測定物に照射する測定光と参照光とを干渉させて分光装置により波数スペクトルを測定し、これを逆フーリエ変換し、相互相関による干渉ピーク位置から、特許文献１と同様にして温度を測定している。この特許文献２に記載の温度計測方法では、参照光の光路長を変化させる必要がなく、ミラーを移動させる必要がない。そのため計測時間を短縮することができ、ミラーの移動による振動が干渉波形にノイズとして加わらないため測定精度を向上させることができる。

また、同じく特許文献２には、参照光を用いずに測定光のみを用い、分光装置によりスペクトルを測定し、これを逆フーリエ変換して時間波形を取得し、その時間波形の自己相関による干渉ピーク位置から、特許文献１、２と同様にして温度を測定している。この温度計測方法では、参照光自体を必要としないため、参照光を得るためのミラー等の光学系が必要なく、装置の簡略化、低コスト化を図ることができる。

他方で、電子デバイス等を効率的に大量量産することができ、製造コストの低減を図ることができる製造方法として、ロールツーロールプロセスが注目されている。これは、フィルム状の基板をロール状に巻き取って移動させながら、透明電極や有機半導体の成膜、クリーニング、表面改質、などの工程を行うことで、フィルム状基板を連続的に処理する手法である。ロールツーロールプロセスではフィルム状の基板を用いるため、低温で処理する必要があり、フィルム基板の温度制御が重要である。

特開２００６−１９４６７９号公報 特開２０１２−２０９２２３号公報

しかし、ロールツーロールプロセスでは、巻き取りによってフィルム基板自体が移動するため、従来の熱電対や蛍光温度センサなどの接触型の温度センサでは温度計測を行うことができない。

そこで、特許文献１、２に記載の非接触で温度を計測する技術をロールツーロールプロセスに適用することが考えられるが、この技術はロールツーロールプロセスにはそのまま適用することはできない。特許文献１、２の技術では、温度計測のために初期値としてフィルム基板の厚さ情報が必要であるのに、ロールツーロールプロセスではフィルム基板の巻き取りによる引張でフィルム基板の厚さが変化してしまうためである。

そこで本発明の目的は、ロールツーロールプロセスにより巻き取られて移動する測定物に対しても、精度よく温度計測が可能な温度計測装置、温度計則方法を実現することである。

請求項１に記載の発明は、測定物に低コヒーレンス光を照射し、その反射光から干渉波形を得て、干渉ピーク位置の変化から測定物の温度を計測する温度計測装置において、測定物は、ロールツーロールプロセスにより移動させつつ温度変化を伴う処理をされるものであり、基板の処理位置と、および処理位置直前の位置と、に低コヒーレンス光を照射する照射手段と、基板の処理位置に低コヒーレンス光を照射した場合の干渉波形と、処理位置直前の位置に低コヒーレンス光を照射した場合の干渉波形とをそれぞれ取得する干渉波形取得手段と、測定物の処理位置における光路長ＬＡと、処理位置直前の位置での測定物の光路長ＬＢを、干渉波形取得手段により得た干渉波形の干渉ピーク位置から求め、測定物の前記処理位置における温度を光路長ＬＡから算出するに際し、光路長の初期値として光路長ＬＢを用いて、測定物の処理位置における温度を算出する算出手段と、を有することを特徴とする温度計測装置である。

低コヒーレンス光の光源としては、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）、ＬＥＤ、スーパーコンティニューム光源などを用いることができる。特にスーパーコンティニューム光（ＳＣ光）は、帯域が広くて平坦なスペクトルを有した光であり、コヒーレンス長が短いことから、分解能を向上させて測定精度の向上を図ることができると考えられる。スーパーコンティニューム光（ＳＣ光）とは、帯域の広いスペクトルを有し、位相が揃った光である。帯域幅は５０〜２６００ｎｍであることが望ましく、コヒーレンス長は０．５μｍ以上、１００μｍ以下であることが望ましい。さらに望ましくは、０．５μｍ以上、１０μｍ以下である。さらに望ましいのは０．５〜２μｍである。

照射手段は、光スイッチなどを用いて、基板の処理位置と処理位置直前の位置のいずれか一方に切り換えることで、それぞれ別に照射するようにしてもよいし、光カプラなどによって分割して同時に照射するようにしてもよい。

処理位置直前の位置は、ロールツーロールプロセスの処理による温度変化の影響がない領域であって、最も処理位置に近い位置である。温度変化の影響がない領域とは、つまりロールツーロールプロセスの処理前の温度と、処理中の温度とで、測定物の光路長に変化のない領域である。そのような領域が不明の場合には、測定物の複数の位置に低コヒーレンス光を照射して、処理前と処理中とで光路長に変化のなかった領域を選択的して、温度変化の影響がなかった領域として採用してもよい。なお、光路長に変化がないというのは、厳密に変化がないことをいうのではなく、５％程度の範囲で変化があっても誤差とみなしてよい。最も処理位置に近い位置とするのは、測定物の引張により生じる厚さの位置依存性を小さくするためである。これにより、処理位置における厚さ（光路長）の初期値と、処理位置直前の位置における厚さ（光路長）との差が小さくなるため、測定物の処理位置における厚さをより精度よく計測することができる。なお、最も処理位置に近い位置とは、厳密に最も近くである必要はない。

干渉波形取得手段は、特許文献１、２に記載のいずれの方法を用いてもよい。つまり、特許文献１に記載のように、ＳＣ光を測定光と参照光とに分割し、参照光を反射させるミラーを走査して参照光の光路長を変化させ、測定物により反射された反射光と参照光とを干渉させ、受光装置により干渉波形（時間波形）を測定してもよい。また、特許文献２のように、参照光を反射させるミラーを固定し、測定物により反射された反射光と参照光を干渉させてスペクトルを測定し、そのスペクトルを逆フーリエ変換することにより、干渉波形を算出してもよい。干渉波形は、波数スペクトルを測定して逆フーリエ変換する場合には空間座標軸での波形であり、周波数スペクトルを測定して逆フーリエ変換する場合には時間軸での波形である。この場合は干渉波形に相互相関による干渉ピークと自己相関による干渉ピークとが生じるが、相互相関による干渉ピーク位置を用いる。また、参照光を用いずに、反射光のスペクトルを測定し、そのスペクトルを逆フーリエ変換することにより、干渉波形を算出してもよい。この場合は干渉波形に自己相関による干渉ピークが生じる。

算出手段は、処理位置直前の位置での基板の光路長を測定するのに替えて、処理位置直前の位置での基板の厚さを求めてもよい。その基板の厚さに屈折率を乗じることで光路長を算出することができる。

測定物は、ロールツーロールプロセスが適用可能な任意の材料でよい。たとえばフィルム状の樹脂基板などである。また、ロールツーロールプロセスにおける処理は、温度変化を伴う処理であれば任意であるが、特に局所的な温度変化を伴う処理に本発明は好適である。

温度変化を伴う処理は、たとえば、表面改質などのためのプラズマ処理、乾燥や電極のアロイ化などのための熱処理、スパッタ、蒸着、ＣＶＤなどの方法により透明電極、半導体、絶縁膜、配線、などを成膜する成膜処理、である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明は、前記処理はプラズマ処理または熱処理であることを特徴とする温度計測装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、干渉波形取得手段は、測定物により反射された反射光のスペクトルを測定し、そのスペクトルを逆フーリエ変換して干渉波形を算出する、ことを特徴とする温度計測装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３に記載の発明において、低コヒーレンス光は、スーパーコンティニューム光であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、測定物に低コヒーレンス光を照射し、その反射光から干渉波形を得て、干渉ピーク位置の変化から測定物の温度を計測する温度計測方法において、測定物は、ロールツーロールプロセスにより移動させつつ温度変化を伴う処理をされるものであり、測定物の処理位置と、および処理位置直前の位置と、に低コヒーレンス光を照射し、測定物の処理位置に低コヒーレンス光を照射した場合の干渉波形と、処理位置直前の位置に低コヒーレンス光を照射した場合の干渉波形とをそれぞれ取得し、測定物の処理位置における光路長ＬＡと、処理位置直前の位置での測定物の光路長ＬＢを、干渉波形取得手段により得た干渉波形の干渉ピーク位置から求め、測定物の処理位置における温度を光路長ＬＡから算出するに際し、光路長の初期値として光路長ＬＢを用いて、測定物の処理位置における温度を算出する、ことを特徴とする温度計測方法である。

本発明によれば、ロールツーロールプロセスにより測定物の厚さが変化してしまう場合であっても、その厚さ変化を処理位置直前の位置での測定物の光路長ＬＢをもって補償して、精度よくロールツーロールプロセスの処理位置における測定物の温度を計測することができる。

実施例１の温度計測装置の構成について示した図。 光路長と温度との関係を示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の温度計測装置の構成を示した図である。実施例１の温度計測装置は、光源１０と、光ファイバカプラ１１と、光スイッチ１２と、光スペクトルアナライザ１３と、温度センサプローブ１４Ａ、Ｂと、コンピュータ１７と、によって構成されている。測定対象は、ロールツーロールプロセスにより、巻き取られて移動するフィルム状基板１５であり、プラズマ装置１６によってフィルム状基板１５が連続的にプラズマ処理されている。このプラズマ処理は、たとえばフィルム状基板１５の親水処理などの表面改質処理である。光ファイバカプラ１１、光スイッチ１２、および温度センサプローブ１４Ａ、Ｂが本発明の照射手段に相当し、光スペクトルアナライザ１３およびコンピュータ１７が本発明の干渉波形取得手段に相当し、コンピュータ１７が本発明の算出手段に相当している。

光源１０は、帯域幅が広く位相が揃った連続スペクトルを有した光であるスーパーコンティニューム光（ＳＣ光）を放射する光源である。また、このＳＣ光は、発信周波数５０ＭＨｚのパルス光である。光源１０が放射するＳＣ光は、中心波長が約１．６μｍであり、波長１．３〜１．９μｍまでの広帯域で平坦なスペクトルである。また、コヒーレンス長は約２μｍである。

なお、ＳＣ光のコヒーレンス長は、０．５〜１０μｍが望ましい。この範囲であると、干渉ピークの幅が広がってしまったり、干渉ピーク同士が重なってしまうなどの問題を防止することができ、また干渉ピークも良好に測定することができるため、測定精度を向上させることができる。より望ましいＳＣ光のコヒーレンス長は、０．５〜２μｍである。 また、波長帯域の幅は、５０〜２６００ｎｍであることが望ましい。５０ｎｍ以下では、含まれる波長成分が少なく、スペクトルによる測定物１６の物性解析が困難となるからである。また、２６００ｎｍ以上では、光源、受光素子の帯域で制限があり望ましくない。

また、光源１０には、ＳＣ光を出力するＳＣ光源以外にも、任意の低コヒーレンス光を出力する光源を用いることができる。たとえば、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）やＬＥＤなどを用いることができる。

光ファイバカプラ１１は、２×２ポートの構造であり、入力ポートの一方には光源１０からのＳＣ光が入力され、２つの出力ポートの一方から放射されて光スイッチ１２に至る。また、他方の入力ポートには光スペクトルアナライザ１３が接続されている。光ファイバカプラ１１と光源１０との間には光アイソレータ１８が設けられており、光ファイバカプラ１１から光源１０に光が入力されることを防止している。

光スイッチ１２は、温度センサプローブ１４Ａ、Ｂに接続されていて、光ファイバカプラ１１と各温度センサプローブ１４Ａ、Ｂのいずれか１つとの間の接続を切り換えるものである。

光スペクトルアナライザ１３は、各温度センサプローブ１４Ａ、Ｂのいずれか１つからの反射光を、光ファイバカプラ１１を介して受光し、反射光の波数スペクトルを測定する。光スペクトルアナライザとしては、波長により回折角が異なる回折格子と、回折された光を受光するＣＣＤとで構成することができる。ＣＣＤの受光位置により波長を、受光強度により光強度を計測することができる。光スペクトルアナライザ１３はコンピュータ１７に接続されている。コンピュータ１７は、光スペクトルアナライザ１３によって計測したデータから波数スペクトルを求め、波数スペクトルを逆フーリエ変換して空間座標軸での波形を求め、その結果から温度センサプローブ１４Ａ、ＢによるＳＣ光照射位置におけるフィルム状基板１５の温度を計測する。その詳細な温度計測方法については後述する。波数スペクトルではなく周波数スペクトルを求め、それを逆フーリエ変換することで時間波形を求めるようにしてもよい。

温度センサプローブ１４Ａ、Ｂは、フィルム状基板１５の所定箇所の温度を計測する探針部であり、光源１０からのＳＣ光をコリメータを介してフィルム状基板１５に照射し、フィルム状基板１５によって反射された反射光をコリメータを介して受光する。

温度センサプローブ１４Ａは、フィルム状基板１５のうち、プラズマ装置１６によってプラズマが照射される領域に、光源１０からのＳＣ光が照射されるよう配置されている。以下、この温度センサプローブ１４Ａによる、フィルム状基板１５におけるＳＣ光照射位置を位置Ａとする。

温度センサプローブ１４Ｂは、フィルム状基板１５のうち、プラズマ装置によってプラズマが照射される領域の直前の領域に、光源１０からのＳＣ光が照射されるよう配置されている。以下、この温度センサプローブ１４Ｂによる、フィルム状基板１５におけるＳＣ光照射位置を位置Ｂとする。位置Ｂは、プラズマ処理による温度変化の影響を受けない領域であって、もっとも位置Ａに近い位置である。

測定物であるフィルム状基板１５は、図２に示すように、送り出しローラー２０に巻き付けられてセットされ、巻き取りローラ２１によって巻き取られる。また、フィルム状基板１５を平坦に延ばし、しわが生じないように補助ローラ２２がフィルム状基板１５に接触して設置されている。

次に、実施例１の温度計測装置による、ロールツーロールプロセスでのプラズマ処理中のフィルム状基板１５の温度計測方法について説明する。

まず、光スイッチ１２により温度センサプローブ１４ＡからＳＣ光が照射される状態とする。温度センサプローブ１４Ａよりフィルム状基板１５に放射されるＳＣ光は、フィルム状基板１５の表面（温度センサプローブ１４Ａ、Ｂ側の面）に対して垂直な方向に照射される。そして、フィルム状基板１５の表面および裏面（表面とは反対側の面）により反射されて、光スペクトルアナライザ１３にはこれら反射光が入射される。

この反射光の波数スペクトルを光スペクトルアナライザ１３、コンピュータ１７により測定し、その波数スペクトルを逆フーリエ変換して、その波形から自己相関による干渉ピーク位置を求め、ピーク位置の間隔から、温度センサプローブ１４ＡによるＳＣ光照射位置Ａでの、フィルム状基板１５の光路長ＬＡが求まる。ここで、プラズマ処理前の温度Ｔ０において、フィルム状基板１５の屈折率ｎ０、厚さｄ（Ｔ０）、線膨張係数α、屈折率の温度変化の係数βが既知であるとすると、プラズマ処理によって温度がＴ０からΔＴ変化したときの光路長の変化ΔＬは、
ΔＬ＝ＬＡ−Ｌ０＝ｎ０＊ｄ（Ｔ０）＊（α＋β）＊ΔＴ・・・（１）
で表わされる。したがって、ｎ０、ｄ（Ｔ０）、α、β、Ｔ０をあらかじめ初期値として測定しておけば、温度センサプローブ１４ＡによるＳＣ光照射位置での、フィルム状基板１５の温度ＴＡは、干渉ピーク位置の変化からΔＬを計測することにより、
ＴＡ＝ΔＴ＋Ｔ０＝（ＬＡ−Ｌ０）／（ｎ０＊ｄ（Ｔ０）＊（α＋β））＋Ｔ０・・・（２）
によって測定することができる。ｎ０、ｄ（Ｔ０）をそれぞれ測定するのに替えて、Ｔ０における光路長Ｌ０（＝ｎ０＊ｄ（Ｔ０））を干渉ピーク位置からあらかじめ測定しておいても、同様にしてＴＡを測定することができる。つまり、
ＴＡ＝（ＬＡ−Ｌ０）／（Ｌ０＊（α＋β））＋Ｔ０・・・（３）
によっても温度ＴＡを測定することができる。

しかし、フィルム状基板１５は巻き取りによって引張されているため、ｄ（Ｔ０）あるいはＬ０は位置によって変化しており、位置ＡにおけるＬ０と、他の位置におけるＬ０は異なる値となっている。つまり、他の位置におけるＬ０をもって位置ＡにおけるＬ０として代用することはできない。また、ロールツーロールプロセス中には、フィルム状基板１５は絶えず巻き取られて移動しているので、ある時刻に位置ＡにおけるＬ０を測定したとしても、次の瞬間には位置ＡにおけるＬ０の値は変化している可能性がある。そのため、初期値としてＬ０を定めることが困難であり、その結果、フィルム状基板１５の温度ＴＡの測定精度も悪化してしまう。

そこで、光スイッチ１２により温度センサプローブ１４ＢからＳＣ光が照射される状態として、その位置Ｂでのフィルム状基板１５の光路長ＬＢを求める。位置Ｂは、位置Ａの極近傍であり、プラズマ処理による温度変化を受けていないため、その位置Ｂでのフィルム状基板１５の温度はＴ０と近似できる。また、厚さｄ（Ｔ０）も位置Ａと位置Ｂとではほとんど変化していないものとみなせる。そのため、位置ＡにおけるＬ０としてＬＢを近似的に用いることにより、位置Ａにおけるフィルム状基板１５の温度ＴＡをより精度よく測定することができる。すなわち、
ＴＡ＝（ＬＡ−ＬＢ）／（ＬＢ＊（α＋β））＋Ｔ０・・・（４）
によってＴＡをより精度よく測定することができる。もちろん、位置Ｂにおけるフィルム状基板１５の光路長ＬＢの測定に替えて、位置Ｂにおけるフィルム状基板１５の厚さｄＢを測定し、式（４）におけるＬＢとしてｎ０＊ｄＢを用いるようにしてもよい。同様に、位置Ａにおけるフィルム状基板１５の温度ＴＡをより精度よく測定することができる。

図２は、位置Ａにおけるフィルム状基板１５の光路長と温度との関係を示したグラフである。測定値は直線上に載っており、光路長と温度とが線形に対応していることが分かり、精度よく温度測定可能であることが確認できた。

以上のように、実施例１の温度計測装置では、ロールツーロールプロセスでのプラズマ処理位置Ａにおけるフィルム状基板１５の温度ＴＡを測定するに際し、プラズマ処理位置Ａの直前である位置Ｂにおけるフィルム状基板１５の光路長ＬＢを求めて補償することにより、温度ＴＡをより精度よく測定することができる。

なお、実施例１は、自己相関による干渉ピーク位置の変化から温度計測を行う手法を用いているが、光源１０からのＳＣ光を測定光と参照光に分割し、参照光をミラー等によって反射させ、測定光と参照光とを干渉させてそのスペクトルを測定し、逆フーリエ変換することで干渉波形を算出し、測定光と参照光との相互相関による干渉ピーク位置の変化から温度計測を行う手法についても、本発明に適用することができる。また、光源１０からのＳＣ光を測定光と参照光に分割し、参照光の光路長をミラーを走査して変化させ、測定光と参照光とを干渉させ、受光装置によって干渉波形を測定する手法についても、本発明に適用することが可能である。すなわち、本発明は、干渉波形を測定して干渉ピーク位置の変化により温度計測を行う方法であれば適用可能である。

また、実施例１は、プラズマ処理位置である位置Ａ以外に位置Ｂの１点でのみ計測を行っているが、２点以上の位置で測定することで、さらなる位置Ａでの温度測定の精度向上を図るようにしてもよい。

また、実施例１ではロールツーロールプロセスにおける処理はプラズマ処理であったが、温度変化を伴う処理であればプラズマ処理以外の処理であってよい。たとえばスパッタ、蒸着、ＣＶＤなどの方法により透明電極、半導体、絶縁膜、配線、などを成膜する成膜処理、乾燥や電極のアロイ化などのための熱処理である。また、実施例１では測定物はフィルム状基板であったが、ロール状に変形可能な任意の材料を測定物とすることができる。

本発明は、ロールツーロールプロセスにおけるフィルム基板の温度計測に適用することができる。

１０：光源
１１：光ファイバカプラ
１２：光スイッチ
１３：光スペクトルアナライザ
１４Ａ、Ｂ：温度センサプローブ
１５：フィルム状基板
１６：プラズマ装置
１７：コンピュータ

Claims (5)

1. 測定物に低コヒーレンス光を照射し、その反射光から干渉波形を得て、干渉ピーク位置の変化から前記測定物の温度を計測する温度計測装置において、
   前記測定物は、ロールツーロールプロセスにより移動させつつ温度変化を伴う処理をされるものであり、
   前記測定物の前記処理位置と、および前記処理位置直前の位置と、に前記低コヒーレンス光を照射する照射手段と、
   前記測定物の前記処理位置に前記低コヒーレンス光を照射した場合の前記干渉波形と、前記処理位置直前の位置に前記低コヒーレンス光を照射した場合の前記干渉波形とをそれぞれ取得する干渉波形取得手段と、
   前記測定物の前記処理位置における光路長ＬＡと、前記処理位置直前の位置での前記測定物の光路長ＬＢを、前記干渉波形取得手段により得た干渉波形の干渉ピーク位置から求め、前記測定物の前記処理位置における温度を光路長ＬＡから算出するに際し、光路長の初期値として光路長ＬＢを用いて、前記測定物の前記処理位置における温度を算出する算出手段と、
   を有することを特徴とする温度計測装置。
2. 前記処理はプラズマ処理、または熱処理であることを特徴とする請求項１に記載の温度計測装置。
3. 前記干渉波形取得手段は、前記測定物により反射された反射光のスペクトルを測定し、そのスペクトルを逆フーリエ変換して前記干渉波形を算出する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度計測装置。
4. 前記低コヒーレンス光は、スーパーコンティニューム光であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度計測装置。
5. 測定物に低コヒーレンス光を照射し、その反射光から干渉波形を得て、干渉ピーク位置の変化から前記測定物の温度を計測する温度計測方法において、
   前記測定物は、ロールツーロールプロセスにより移動させつつ温度変化を伴う処理をされるものであり、
   前記測定物の前記処理位置と、および前記処理位置直前の位置と、に前記低コヒーレンス光を照射し、
   測定物の前記処理位置に前記低コヒーレンス光を照射した場合の前記干渉波形と、前記処理位置直前の位置に前記低コヒーレンス光を照射した場合の前記干渉波形とをそれぞれ取得し、
   前記測定物の前記処理位置における光路長ＬＡと、前記処理位置直前の位置での前記測定物の光路長ＬＢを、前記干渉波形取得手段により得た干渉波形の干渉ピーク位置から求め、前記測定物の前記処理位置における温度を光路長ＬＡから算出するに際し、光路長の初期値として光路長ＬＢを用いて、前記測定物の前記処理位置における温度を算出する、
   ことを特徴とする温度計測方法。