JP5942494B2 - 厚さ測定装置及び厚さ測定方法 - Google Patents
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かかる電子デバイスは、基材上に機能性薄膜が複数積層された多層膜を備えているが、各層の厚さは、発光効率や受光効率等、電子デバイスの性能を大きく左右すると共に、物理的強度、ガスバリア性、接着性等の性質にも影響を与えるため、多層膜の品質管理を行なうために各層の厚さを測定することは重要である。
例えば、特許文献1には、カラーカメラを使って予め用意したマスターデータと比較して厚さを算出する方法が開示されている。
しかしながら、上記特許文献1の方法は、単層膜の膜厚測定には適した手法であるが、多層膜に適用した場合、膨大なマスターデータ或いは予測値を準備する必要があるのに加え比較演算量も多く、多層膜の厚さ測定には好ましくない。
そこで、多層膜の厚さ測定方法として、例えば、特許文献2には、レーザー顕微鏡を用い、対物レンズと試料との距離を変化させていくときの光出力変化を元に各層の厚さを推定する方法が開示されている。
請求項1に記載の発明は、
搬送される、可撓性を有する長尺な基材上に形成される複数の多層膜の厚さを測定する厚さ測定装置であって、
前記多層膜の各層が形成される毎に、当該形成された層に対して、前記基材の搬送方向と直交する直交方向に沿ってライン状に光を照射するライン状光源、及び、前記ライン状光源により光の照射された層からの透過光又は反射光を受光するラインCCDカメラを備え、前記多層膜の各層が形成される毎に、当該形成された層に対して光を照射して、前記光の照射された層からの透過光又は反射光の光強度分布に応じたライン状の画像データを取得する画像データ取得手段と、
前記画像データ取得手段で画像データを取得する際に、当該画像データを取得した多層膜を識別する識別情報を取得する識別情報取得手段と、
前記画像データ取得手段で取得した画像データより、直交方向に沿った厚さ分布データで示される各層の厚さを算出する算出手段と、
前記算出手段により算出した各層の厚さを、前記識別情報取得手段により取得した識別情報と対応付けて記憶する記憶手段と、
を備え、
前記算出手段は、
前記基材上の1層目の第一層の画像データを、予め記憶された基準データと比較して前記第一層の厚さを算出し、
前記第一層上に順次形成される2層目以降の各層の厚さを算出する場合、前記2層目以降の各層の画像データと、下層の厚さに関するデータを所定の理論式に当てはめることで作成された前記光強度分布のシミュレーションデータとを比較して前記2層目以降の各層の厚さを算出し、
前記画像データ取得手段は、
前記2層目以降の各層の画像データを取得する場合、1つ下層の識別情報を参照して位置合わせを行うことを特徴とする。
前記算出手段は、
前記第一膜上に順次形成される2層目以降の各層の厚さを算出する場合、前記2層目以降の各層の画像データと、前記シミュレーションデータとを比較して、その差が最も少ない値を厚さとして算出することを特徴とする。
前記画像データ取得手段は、複数の不連続な所定の波長の光を照射することを特徴とする。
請求項1〜3の何れか一項に記載の厚さ測定装置を用いた厚さ測定方法であって、
前記基材上に1層目の第一層が形成された場合に、前記画像データ取得手段により前記第一層の画像データを取得すると共に、前記識別情報取得手段により前記第一層の識別情報を取得する第1取得工程と、
前記第1取得工程により取得した前記第一層の画像データを、予め記憶された基準データと比較して前記第一層の厚さを算出する第1算出工程と、
前記第1算出工程により算出した前記第一層の厚さを、前記識別情報取得手段により取得した前記第一層の識別情報と対応付けて前記記憶手段に記憶する第1記憶工程と、
前記第一層上に2層目の第二層が形成された場合に、前記画像データ取得手段により前記第二層の画像データを取得すると共に、前記識別情報取得手段により前記第二層の識別情報を取得する第2取得工程と、
前記第2取得工程により取得した前記第二層の画像データを、前記記憶手段に記憶された厚さに関するデータを所定の理論式に当てはめることで作成されたシミュレーションデータと比較して前記第二層の厚さを算出する第2算出工程と、
前記第2算出工程により算出した前記第二層の厚さを、前記識別情報取得手段により取得した前記第二層の識別情報とともに記憶する第2記憶工程と、
を有することを特徴とする。
前記第2算出工程は、
前記第二層の画像データと、前記シミュレーションデータとを比較して、その差が最も少ない値を厚さとして算出することを特徴とする。
前記第1算出工程及び第2算出工程により算出した各層の厚さは、前記基材の搬送方向と直交する直交方向に沿った厚さ分布データで示されることを特徴とする。
前記基材を、ロール・ツー・ロール方式により搬送することを特徴とする。
また、2層目以降の各層の画像データを取得する場合、1つ下層の位置情報を参照して位置合わせを行う。
このため、高速且つ高精度に多層膜の厚さ測定を行うことができる。
先ず、本発明の実施形態に係る厚さ測定装置100について説明する。
厚さ測定装置100は、図1に示すように、基材Kをロール・ツー・ロール方式により連続搬送している過程において、図示しない成膜部により基材K上に形成される多層膜10の厚さを測定する装置である。
具体的に、厚さ測定装置100は、基材K上に多層膜10を構成する各層が形成される毎に、後述する厚さ測定処理を実行してその各層の物理層厚を算出し、最終的に多層膜10の膜厚を測定することが可能となっている。
なお、以下の説明において、基材Kの幅方向(基材Kの搬送方向と直交する方向)をX方向とし、基材Kの搬送方向をY方向とする。
多層膜10は、図2に示すように、長尺な基材Kの長手方向(Y方向)に延在した平面視略長方形状をなしており、基材K上に幅方向(X方向)において2列で、かつ、長手方向に沿って複数所定間隔で設けられている。
多層膜10とは、例えば、有機エレクトロルミネッセンスパネルや有機薄膜太陽電池などの電子デバイスに備えられるものであって、図3に示すように、基材K上に、複数の薄膜(第一層101〜第N層10N)が積層された構成である。
なお、以下の説明において、基材K上に形成される1層目の膜を第一層101とし、第一層上に形成される2層目の膜を第二層102とし、これ以降も同様に、基材Kに近い方から数えてN層目の膜を第N層10Nとする。
多層膜を構成する各層(第一層101〜第N層10N)は、基材Kが搬送方向(Y方向)に沿ってロール・ツー・ロール方式により連続搬送される過程において、図示しない成膜部による塗布、蒸着、またはスパッタリング等の方法により基材K上に成膜・積層される。
図2に示すように、この基材K上の幅方向一端部には、アライメントマーク11が設けられ、他端部には、バーコード12が設けられている。
アライメントマーク11及びバーコード12は、何れも、搬送方向(Y方向)に沿って所定間隔毎に設けられ、基材Kの幅方向(X方向)に並んだ2つの多層膜10、10に対して一つずつ対応している。
アライメントマーク11は、厚さ測定装置100による膜厚測定時に、1つのバーコード12にて付与されるID毎に保存される画像データ領域を把握するために設けられたものである。アライメントマーク11は、基材KのX方向に並んだ2つの多層膜10、10の撮像時に、同時にラインCCDカメラ42(後述)にて撮像される。
また、バーコード12は、厚さ測定装置100による測定時に、基材KのX方向に並んだ2つの多層膜10、10を一組として、各組を識別するIDを付与するために設けられたものである。バーコード12は、バーコードリーダー52(後述)にて読み取られる。
なお、本実施形態においては、搬送部20は、基材K上に膜を一層形成する度に基材Kを繰出ロール21から巻き出して巻取ロール22にて巻き取るようになっている。つまり、基材K上の薄膜に更に膜を積層する場合には、再度、基材Kを繰出ロール21から巻き出すこととなる。
搬送された基材Kは、ガイドロール23の表面で支持されることで、平滑性が維持された状態となっている。
この画像データ取得部40は、多層膜10を構成する各層毎に画像データを得るものである。
光源41からの照射光は、常時、所定位置にライン状に照射されるようになっており、基材Kに形成された膜は、その所定位置を通る際に光が照射される。
ラインCCDカメラ42としては、R、G、B専用のCCD素子が平行に配置され、R信号、G信号、B信号の3原色信号を出力するカラーラインCCDカメラが用いられる。 従って、ラインCCDカメラ42は、基材K上の膜からの透過光の光強度分布に応じたR、G、Bの3種類の画像データを出力する。出力された画像データは、後述する制御部70において、厚さ算出処理に用いられることとなる。
アライメントマーク11は、取得した画像データのうちの、保存する画像データ領域(以下、「保存画像データ領域」という)を認識するために利用される。
具体的には、図5に示すように、ラインCCDカメラ42が、アライメントマーク11を含む撮像エリアを撮像すると、制御部70の制御に基づき、アライメントマーク11の重心位置が求められ、その重心位置を0点として予め設定された複数の点(0,0)〜(XW,YL)からなる領域が保存画像データ領域として求められる。各保存画像データ領域には、バーコード12によってIDが付与される。そして、各ID毎に、各点(0,0)〜(XW,YL)に対応する画像データが一時メモリー734に保存されるようになっている。
また、図6に示すように、保存画像データ領域のうちの所定領域が、厚さを算出する際に用いる計算領域として用いられる。保存画像データ領域が一時メモリー734に保存された後、計算領域のみを抽出した画像データが新たに作成され、一時メモリー734に保存される。
この光電センサー51から出力された検知信号をトリガー信号として、ロータリーエンコーダー24から発信されるパルスのカウントが開始される。
バーコード12は、基材K上のX方向に並んだ2つの多層膜10、10毎に設けられ、バーコード12により付与されるIDは、この一組の多層膜10、10のそれぞれを識別するための識別情報として利用される。
即ち、IDは、画像データ取得部40により取得された画像データ(保存画像データ領域、計算領域)や、後述の厚さ算出処理により算出される厚さと対応づけられて一時メモリー734に記憶される。
また、記憶部73は、CPU71が厚さ測定装置100全体を制御する機能を実現させるための各種データ、各種処理プログラム、これらプログラムの実行により処理されたデータ等を記憶する。
具体的には、記憶部73には、取得プログラム731、算出プログラム732、記憶プログラム733、一時メモリー(記憶手段)734等が格納されている。
例えば、第二層102の光学データを取得する場合には、CPU71は、そのとき一時メモリー734に記憶されている第一層101の識別情報を参照し、第一層101と同一位置で画像データの測定がなされるよう制御している。
また、CPU71は、かかる取得プログラム731を実行することにより、ID情報取得部50と共に識別情報取得手段として機能している。
この基準データとは、基材K及び第一層101の複素屈折率やCCD受光スペクトル及び光源の発光スペクトルを元にユーザにより予め作成されて記憶されたものである。
なお、図7、8において、縦軸はエネルギー透過率(%)、横軸は層厚(nm)である。また、破線、実線、一点鎖線は、それぞれR、B、Gを示す。
図9に示すように、実測データとシミュレーションデータとで、R、B、Gの各値の差が最も少ないところ(図9では、140nm)が層厚として算出される。
なお、算出された層厚は、位置情報と対応づけられて一時メモリー734及びデータベース90に記憶される。
また、測定の信頼性を上げるため、ノイズの少ない波長に重みづけをしたり、安定な工程である場合には極力層厚範囲を狭くするのが好ましい。
また、CPU71は、上記算出プログラム732の実行により、例えば第二層102の厚さが算出されると、既に一時メモリー734に格納された第一層101の厚さ及び識別情報と共に、第二層102の厚さを一時メモリー734に格納する。
この一時メモリー734には、厚さ測定対象ロットの全ての層の厚さ測定処置が終了するまで当該厚さ測定処置にて取得及び算出した全データが記憶され、ロットの変更に応じて当該データが上書き或いは消去されるようになっている。
例えば、表示部80には、画像データやシミュレーションデータ、これらを比較するためのフィッティングデータ等が表示される。
即ち、データベース90には、一時メモリー734と同一なデータが格納されており、一時メモリー734ではロット変更時にデータが上書き或いは消去されるのに対し、データベース90ではロットが変更されてもデータが上書きや消去されることなく、蓄積されていく。
従って、例えばデータ破損時等、必要に応じてデータベース90を参照し、データの復元を行うことができる。
次に、本発明の実施形態に係る厚さ測定方法について図10のフローチャートを参照しつつ説明する。
なお、下記のフローチャートでは、基材Kに二層の膜(第一層101、第二層102)を形成する場合を例示して説明する。
また、厚さ測定方法の前提として、繰出ロール21、巻取ロール22、及びガイドロール23が回転して基材Kが搬送されており、また、光源41からの照射光は、常時ガイドロール23の所定位置に照射され、ラインCCDカメラ42は透過光を受光可能となっている。
このとき、制御部70は、上記ステップS3において一時メモリー734に記憶した第一層101の識別情報を参照し、画像データ取得位置の位置合わせを行っている。
また、2層目以降の各層102〜10Nの画像データを取得する場合、1つ下層101〜10N−1の識別情報を参照して位置合わせを行う。
このため、高速且つ高精度に多層膜の厚さ測定を行うことができる。
このため、より高精度に多層膜の厚さ測定を行うことができる。
このため、より生産性の高い方式で生産される基材Kに対して、効率よく厚さ測定を行うことができる。
以下に、本発明に係る厚さ測定装置の変形例について説明する。
変形例1の厚さ測定装置100Aは、図11に示すように、光源41は、ガイドロール23の上方に配置され、基材Kに対して光を照射し、ラインCCDカメラ42は、光源41より光の照射された膜からの反射光に基づき、基材Kの幅方向(X方向)に並んだ2つの多層膜10、10を撮像して画像データを取得し、制御部70に出力する構成となっている。
なお、光源41からの照射光は、常時、ガイドロール23の所定位置にライン状に照射されるようになっており、基材Kに形成された膜は、そのガイドロール23の所定位置を通る際に光が照射される。
また、搬送された基材Kがガイドロール23に支持された際に、画像データ取得部40により基材K上に形成された膜の画像データが取得されるようになっている。
変形例2の厚さ測定装置100Bは、図12に示すように、3つの光源41a〜21cと、3つの光源41a〜21cに対応する3つのモノクロラインCCDカメラ42a〜22cとが、設けられた構成である。
3つの光源41a〜21cからは、それぞれR、B、Gに対応する異なる波長の光が出射するようになっており、各モノクロラインCCDカメラ42は、R、B、Gに対応する画像データを取得することができる。
なお、3つのモノクロラインCCDカメラ42a〜22cのぞれぞれに、R、B、Gに対応するフィルタを設け、3つの光源41a〜21cからは同一波長の光が出射される構成としても良い。
K 基材
10 多層膜
101〜10N 第一膜〜第N膜
11 アライメントマーク
12 バーコード
20 搬送部(搬送手段)
21 繰出ロール
22 巻取ロール
23 ガイドロール
24 ロータリーエンコーダー
30 搬送制御部(搬送手段)
40 画像データ取得部(画像データ取得手段)
41 光源
42 カメラ
43 インターフェース
50 ID情報取得部(識別情報取得手段)
51 光電センサー
52 バーコードリーダー
60 機器制御部
70 制御部
71 CPU(画像データ取得手段、識別情報取得手段、算出手段、記憶手段)
72 RAM
73 記憶部
731 取得プログラム
732 算出プログラム
733 記憶プログラム
734 一時メモリー(記憶手段)
80 表示部
90 データベース
Claims (7)
- 搬送される、可撓性を有する長尺な基材上に形成される複数の多層膜の厚さを測定する厚さ測定装置であって、
前記多層膜の各層が形成される毎に、当該形成された層に対して、前記基材の搬送方向と直交する直交方向に沿ってライン状に光を照射するライン状光源、及び、前記ライン状光源により光の照射された層からの透過光又は反射光を受光するラインCCDカメラを備え、前記多層膜の各層が形成される毎に、当該形成された層に対して光を照射して、前記光の照射された層からの透過光又は反射光の光強度分布に応じたライン状の画像データを取得する画像データ取得手段と、
前記画像データ取得手段で画像データを取得する際に、当該画像データを取得した多層膜を識別する識別情報を取得する識別情報取得手段と、
前記画像データ取得手段で取得した画像データより、直交方向に沿った厚さ分布データで示される各層の厚さを算出する算出手段と、
前記算出手段により算出した各層の厚さを、前記識別情報取得手段により取得した識別情報と対応付けて記憶する記憶手段と、
を備え、
前記算出手段は、
前記基材上の1層目の第一層の画像データを、予め記憶された基準データと比較して前記第一層の厚さを算出し、
前記第一層上に順次形成される2層目以降の各層の厚さを算出する場合、前記2層目以降の各層の画像データと、下層の厚さに関するデータを所定の理論式に当てはめることで作成された前記光強度分布のシミュレーションデータとを比較して前記2層目以降の各層の厚さを算出し、
前記画像データ取得手段は、
前記2層目以降の各層の画像データを取得する場合、1つ下層の識別情報を参照して位置合わせを行うことを特徴とする厚さ測定装置。 - 前記算出手段は、
前記第一膜上に順次形成される2層目以降の各層の厚さを算出する場合、前記2層目以降の各層の画像データと、前記シミュレーションデータとを比較して、その差が最も少ない値を厚さとして算出することを特徴とする請求項1に記載の厚さ測定装置。 - 前記画像データ取得手段は、複数の不連続な所定の波長の光を照射することを特徴とする請求項1又は2に記載の厚さ測定装置。
- 請求項1〜3の何れか一項に記載の厚さ測定装置を用いた厚さ測定方法であって、
前記基材上に1層目の第一層が形成された場合に、前記画像データ取得手段により前記第一層の画像データを取得すると共に、前記識別情報取得手段により前記第一層の識別情報を取得する第1取得工程と、
前記第1取得工程により取得した前記第一層の画像データを、予め記憶された基準データと比較して前記第一層の厚さを算出する第1算出工程と、
前記第1算出工程により算出した前記第一層の厚さを、前記識別情報取得手段により取得した前記第一層の識別情報と対応付けて前記記憶手段に記憶する第1記憶工程と、
前記第一層上に2層目の第二層が形成された場合に、前記画像データ取得手段により前記第二層の画像データを取得すると共に、前記識別情報取得手段により前記第二層の識別情報を取得する第2取得工程と、
前記第2取得工程により取得した前記第二層の画像データを、前記記憶手段に記憶された厚さに関するデータを所定の理論式に当てはめることで作成されたシミュレーションデータと比較して前記第二層の厚さを算出する第2算出工程と、
前記第2算出工程により算出した前記第二層の厚さを、前記識別情報取得手段により取得した前記第二層の識別情報とともに記憶する第2記憶工程と、
を有することを特徴とする厚さ測定方法。 - 前記第2算出工程は、
前記第二層の画像データと、前記シミュレーションデータとを比較して、その差が最も少ない値を厚さとして算出することを特徴とする請求項4に記載の厚さ測定方法。 - 前記第1算出工程及び第2算出工程により算出した各層の厚さは、前記基材の搬送方向と直交する直交方向に沿った厚さ分布データで示されることを特徴とする請求項4又は5に記載の厚さ測定方法。
- 前記基材を、ロール・ツー・ロール方式により搬送することを特徴とする請求項4〜6の何れか一項に記載の厚さ測定方法。
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