JP6159510B2 - 表面プロファイルの解析方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上記のような事情に鑑み、例えば微小な対象物の洩れ判定等のために対象物の表面プロファイルを測定して解析する際に、測定のための位置決め作業を効率化するとともに解析の信頼性を高めることを目的とする。
前記反復測定データは、同じ表面プロファイルを何度も繰り返して測定して得た言わば周波数データであるから、外乱振動等の余計なデータ成分を除いた正味のデータ成分は、前記対象物の表面がまったく平坦でない限り、同じ波形を或る周期で幾つも連ねた波状になると予想される。そこで、前記所定周波数を、前記正味のデータ成分の予想周波数に対応させる。したがって、前記反復測定データ中に前記予想周波数の正味のデータ成分が含まれていれば該正味のデータ成分を抽出することができる。要するに、本発明は、1つの表面プロファイルのデータを複数回採取し、これら採取データを連ね、又はまとめることによって、反復測定データと言う周波数データを生成し、該周波数データから前記表面プロファイルの正味のデータ成分のスペクトルそのもの又は該スペクトルに相当する物理量を抽出するものである。これによって、前記反復測定データから前記余計なデータ成分をカットすることができ、表面プロファイル解析の信頼性を向上できる。また、前記表面プロファイルを測定する際は、対象物及び測定光を走査方向と交差(直交)する方向にさえ位置決めすれば、走査方向へは特定の一点に位置決めする必要がない。したがって、位置決め作業を効率化でき、例えば量産ラインで多数の対象物を処理する場合であっても、位置決めの総所要時間を短縮できる。
ここで、「前記所定周波数が前記反復測定周波数と対応する」とは、前記所定周波数が前記反復測定周波数に対して或る関係を有していることを云い、前記所定周波数が前記反復測定周波数と同等であるのに限られず、前記所定周波数が前記反復測定周波数の一定倍又は一定割合であってもよい(第4実施形態参照)。
本発明装置によれば、前記所定周波数を正味の表面プロファイルのデータ成分の予想周波数に対応するように設定しておくことで、前記抽出手段によって、前記反復測定データから外乱振動及び表面粗さ等の余計なデータ成分をカットすることができ、かつ前記反復測定データ中に前記予想周波数の正味のデータ成分が含まれていれば該データ成分を抽出することができる。これによって、表面プロファイル解析の信頼性を向上できる。また、前記測定手段によって前記表面プロファイルを測定する際は、対象物及び測定光を走査方向と交差(直交)する方向にさえ位置決めすれば、走査方向へは特定の一点に位置決めしなくてもよい。したがって、位置決め作業を効率化できる。
前記抽出手段が、前記反復測定周波数と対応する周波数よりも高い周波数のデータ成分をカットするローパスフィルタを含んでいてもよい。前記反復測定周波数を外乱振動等の余計なデータ成分の周波数よりも低く設定することで、ローパスフィルタによって前記余計なデータ成分を十分にカットできる。
或いは、前記抽出手段が、高速フーリエ変換法(FFT)や相関関数等を用いた演算処理によって、前記反復測定の周波数と対応するデータ成分のスペクトルそのもの又は該スペクトルに相当する物理量を抽出する演算処理部を含んでいてもよい。
前記ホルダ及び前記照射部の一方(以下「移動体」と称す)を、前記移動手段によって前記走査方向の往側又は復側に片道移動させることで、前記対象物が前記測定光を相対的に1回横切る。これによって、前記表面プロファイルを1回測定でき、前記表面プロファイルの1つの測定データを得ることができる。この操作を往復しながら繰り返すことで、前記表面プロファイルの複数の測定データが得られ、これら複数の測定データの集合からなる反復測定データ、即ち周波数データが得られる。ここで、前記移動体と前記移動手段との間には不可避的にガタが存在し得る。このガタによって、前記移動体が前記移動手段による移動中に不連続的に変位する可能性がある。そこで、この不連続的な変位(ノイズ)を前記振動入力手段によって強制的に、かつ規則的又は周期的に起こす。この強制的な不連続変位の周波数を前記抽出手段の抽出周波数帯から外れるように設定することで、前記反復測定データ中の前記不連続変位のデータ成分を前記抽出手段によって確実にカットすることができる。この結果、正味の表面プロファイルのデータ成分を容易に、かつより正確に抽出できる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る解析装置1を示したものである。解析装置1は、対象物9の表面プロファイルを解析し、ひいては対象物9の密封性判定すなわち洩れ判定を行う。
キャップ15を閉塞板14から外すか、又は閉塞板14を収容器12から外すことで、ホルダ13を収容器12に出し入れでき、ひいては対象物9を収容器12に出し入れできる。
なお、レーザ変位計としては、その分解能等の性能及びコストに応じて、三角測距方式、レーザ干渉式、共焦点方式、光ヘテロダイン方式等、任意のものが使用可能である。
[ガス圧導入工程]
開閉弁24を開いて、ガス圧源21から圧縮ガスを収容器12内に導入する。これによって、収容器12の内圧をレギュレータ23で設定した一定の正の圧力(大気圧とは異なる圧力)にする。上記一定の圧力は、レーザ変位計30の測定能力、対象物9の耐圧強度等に応じて適宜設定するとよい。このガス圧が、対象物9のパッケージ9bに作用する。そのため、対象物9が完全に密封されているか、又は密封性の欠陥(洩れ)があってもそれが極めて小さい場合、図2(a)及び(b)において二点鎖線にて誇張して示すように、パッケージ9bの表面9sの中央部分が凹むように歪変形する。この歪変形によって、表面9sの幅方向の中心線Lcが、正弦波の1周期分の波又はこれに近似した波形状の曲線になることが予想される。この歪変形の最大変位量αは、社団法人日本機械学会編の機械工学便覧基礎編α3材料力学、表5.3 No.2に示されている計算式等によって算出でき、例えば1mm角〜2mm角の対象物9においては、1μm程度である。
上記一定のガス圧を印加し続けた状態で、対象物9の表面9sのプロファイルをx方向(走査方向)に複数回反復して光学的に測定する。パッド17上に複数の対象物9が並べられている場合、対象物9を1つずつ測定する。詳しくは、測定すべき1つの対象物9を光学ヘッド31の直下に配置して、かつx方向に往復移動させながら、照射部35からレーザを光軸Lに沿って出射する。レーザは、上記対象物9の表面9s上のレーザ光軸Lと交差する一点p(以下「検知スポットp」と称す)に当たって反射する。この反射光を検出部36にて受光し、その位相、強さ等によって検知スポットpのz方向の位置を検知する。併行して、対象物9をx方向に移動させることで、相対的に検知スポットpを対象物9に対しx方向にずらしながら、一定のサンプリング間隔置きに上記検知を行う。
上記測定工程の後、反復測定データにおける所定周波数のデータ成分の抽出を試みる。上記所定周波数は、反復測定データ中の正味のデータ成分の予想周波数すなわち上記反復測定周波数f0に合わせる。要するに、解析装置1は、1つの表面プロファイルのデータを複数回採取することによって反復測定データすなわち周波数データを生成し、この周波数データから正味のデータ成分のスペクトルそのもの又は該スペクトルに相当する物理量を抽出する。具体的な抽出手段としては、バンドパスフィルタ33を用い、その抽出周波数帯R内に反復測定周波数f0が入るようにする。このバンドパスフィルタ33によって、反復測定データから上記抽出周波数帯R内の周波数のデータ成分を抽出するとともに、上記抽出周波数帯R外の周波数のデータ成分をカットする。これによって、反復測定データから外乱振動や表面粗さ等の余計なデータ成分をカットでき、かつ、反復測定データ中に上記予想周波数の正味のデータ成分が含まれていれば該正味のデータ成分を抽出することができる。バンドパスフィルタ33の抽出周波数帯Rは、反復測定周波数f0を含み、かつ出来るだけ狭いことが好ましい。これによって、反復測定データから正味のデータ成分を確実に抽出できる一方で、外乱振動や表面粗さ等の余計なデータ成分を確実にカットすることができる。図3(b)に示すように、抽出された正味のデータ成分の波の1つ1つが、対象物9の正味の表面プロファイルすなわちガス圧印加による歪変形の状態を表している。この正味のデータ成分の波高h(図3(c)の周波数f0のスペクトルのピーク値に相当)が、対象物9の最大凹み量α(図2(b))に対応する。
次に、上記抽出結果に基づいて、演算部34によって対象物9の洩れ判定を行う。具体的には、対象物9の正味の表面プロファイルデータの波高hが閾値以上であれば、対象物9の密封性が良好であると判定する。一方、波高hが閾値未満であれば、その対象物9は密封性不良つまり欠陥有りと判定する。ちなみに、大きな密封性欠陥がある対象物9の場合、ガス圧を印加しても表面9sが歪変形せずに平坦なままであるために、バンドパスフィルタ33によって所定周波数f0のデータ成分が抽出されないから、図3(b)における正味の表面プロファイルデータはz=0の直線状になるものと考えられ、図3(c)においては、周波数f0の付近に大きなスペクトルは現れないものと考えられる。したがって、波高hは0であり、当然に上記閾値を下回ることで、不良と判定されることになる。
図4は、本発明の第2実施形態を示したものである。第2実施形態の解析装置1には、加振機50(振動入力手段)が付加されている。加振機50は、可動台11の側部に取り付けられている。詳細な図示は省略するが、加振機50は、例えば回転軸と、該回転軸に対して偏心するように設けられた小さな錘(振動子)を有している。この錘が回転軸の周りに回転することで、可動台11に微細な振動が強制的に付与される。この強制振動の周波数は、バンドパスフィルタ33の抽出周波数帯R(所定周波数f0)から外して設定する。強制振動の周波数が、抽出周波数帯Rより高くてもよく低くてもよい。強制振動の振幅は、リードスクリュー42のバックラッシュ等によるホルダーヘッド10のガタツキ量とほぼ同程度であることが好ましい。強制振動の方向は、x,y,zの3つ方向成分を有していることが好ましい。加振機50が、x方向に振動する振動子と、y方向に振動する振動子と、z方向に振動する振動子とを有していてもよい。強制振動の方向が、時間的に変動するようになっていてもよい。
なお、加振機50の配置場所は、可動台11の側部に限られず、ホルダーヘッド10を強制振動させることができる位置であれば特に限定がない。
なお、図5では、面9sが上に凸の曲面になっているが、面9sが平常状態において凹曲面になっていてもよい。例えば、パッケージ9bの密封空間9cが真空状態の場合は、面9sが平常状態(外部ガス圧の非印加時)において凹曲面となることが予想される。この場合であっても、前述と同様の手順によって洩れ判定できる。
例えば、実施形態では、抽出手段33がバンドパスフィルタにて構成されていたが、抽出手段33としてローパスフィルタを用いてもよい。ローパスフィルタは、反復測定周波数f0と対応する周波数よりも高い周波数のデータ成分をカットすることが好ましい。そして、反復測定周波数f0を、外乱振動や表面粗さ等の余計なデータ成分の周波数に対して十分に低く設定することで、ローパスフィルタによって上記余計なデータ成分を確実にカットでき、かつ正味の表面プロファイルのデータ成分を確実に抽出できる。
抽出手段33は、高速フーリエ変換法(FFT)による周波数解析によって、所定の抽出周波数帯Rのスペクトルを抽出するものであってもよい。抽出手段33は、相関関数(「相関函数およびスペクトル」(磯部孝編、東京大学出版会、1968.02)、「科学計測のための波形データ処理」(南茂夫編著、CQ出版社、1986.04)第4章等参照)を使用してフィルタリングを行なうものであってもよい。
解析装置1に対象物9の自動搬入出機構を組み込むことで、量産ラインに対応させてもよい。
移動手段40の駆動部は、回転モータ41に限られず、リニアモータであってもよく、リードスクリュー42に代えてリニアガイドを用いてもよい。
ホルダーヘッド10ひいては対象物9を移動体とするのに代えて、光学ヘッド31を移動体としてもよい。移動手段を、ホルダーヘッド10に接続するのに代えて、光学ヘッド31に接続してもよい。光学ヘッド31をx方向(走査方向)に往復移動させてもよい。或いは、レーザの照射角度をx方向にスイングさせることで、検知スポットpを対象物9上でx方向に往復移動させてもよい。
光学ヘッド31を往復移動させる場合、加振機50を光学ヘッド31に接続して、加振機50によって光学ヘッド31を強制振動させてもよい。
往行区間と復行区間とは必ずしも連続していなくてもよく、往行区間と復行区間との間に休止区間が介在されていてもよい。往行区間でだけ測定を行ない、復行区間では測定を行なわずに上記移動体を比較的高速で移動させることにしてもよい。
照射部35と検出部36が分離されていてもよく、照射部35と検出部36とがx方向に離れて配置されていてもよい。
対象物9は、MEMS等の例えば1mm以下の微小物に限られず、比較的大きな寸法(例えば数mm〜数十mm)を有していてもよい。本発明は、MEMS等の微小電子デバイスの洩れ判定に限られず、比較的大きな寸法(例えば数mm〜数十mm)の密封性容器の洩れ判定にも適用できる。
本発明方法を、エアリークテストや上述したヘリウムリークテストと組み合わせて対象物の洩れ判定を行なってもよい。
更には、本発明の表面プロファイル解析手法は、洩れ判定に限られず、種々の目的で表面プロファイルを利用する用途に適用できる。
1 解析装置
2 基台
9 対象物
9a デバイス本体
9b パッケージ
9c 密封空間
9d 柱部
9s 表面
10 ホルダーヘッド
11 可動台
11a 壁部
12 収容器
13 ホルダ
14 閉塞板
15 キャップ
16 予圧付与バネ(ガタ除去手段)
17 パッド
20 印加手段
21 ガス圧源
22 ガス圧路
23 レギュレータ
24 開閉弁
30 レーザ変位計(測定手段)
31 光学ヘッド
32 処理部
33 バンドパスフィルタ(抽出手段)
34 演算部(判定手段)
35 照射部
36 検出部
40 移動手段
41 駆動モータ
42 リードスクリュー
43 ナット
44 予圧付与バネ(ガタ除去手段)
50 加振機(振動入力手段)
Claims (9)
- 対象物の表面プロファイルを解析する解析方法において、
前記表面プロファイルを光学的に走査方向に複数回反復して、かつ一定のサンプリング間隔で測定することによって、前記走査方向の片道分の前記表面プロファイルの採取データを複数連ね又はまとめてなる反復測定データを生成し、
前記反復測定データにおける所定周波数のデータ成分の抽出を試みることを特徴とする解析方法。 - 前記所定周波数を、前記表面プロファイルの1回の測定時間の逆数と対応させることを特徴とする請求項1に記載の解析方法。
- 前記表面プロファイルの1回の測定時間の逆数を、予測される外乱振動の周波数からずらすことを特徴とする請求項1又は2に記載の解析方法。
- 前記対象物に大気圧とは異なるガス圧を印加した状態で前記測定を行い、前記所定周波数のデータ成分の抽出結果に基づいて前記対象物の密封性を判定することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の解析方法。
- 更に前記対象物を大気圧下に配置した状態で前記測定を行い、前記ガス圧を印加した状態での反復測定データから抽出したデータ成分と、前記大気圧下での反復測定データから抽出したデータ成分との差に基づいて前記判定を行うことを特徴とする請求項4に記載の解析方法。
- 対象物の表面プロファイルを解析する解析装置において、
前記対象物を保持するホルダと、
前記表面プロファイルを光学的に走査方向に複数回反復して、かつ一定のサンプリング間隔で測定することによって、前記走査方向の片道分の前記表面プロファイルの採取データを複数連ね又はまとめてなる反復測定データを生成する測定手段と、
前記反復測定データにおける所定周波数のデータ成分を抽出する抽出手段と、
を備えたことを特徴とする解析装置。 - 前記抽出手段が、前記表面プロファイルの1回の測定時間の逆数と対応するデータ成分を抽出するバンドパスフィルタを含むことを特徴とする請求項6に記載の解析装置。
- 前記測定手段が、前記対象物に測定光を照射する照射部と、前記対象物からの光を検出する検出部と、を含み、
更に、前記ホルダ及び前記照射部の一方を他方に対して前記走査方向に往復移動させる移動手段と、
前記ホルダ及び前記照射部の一方を前記所定周波数とは異なる周波数で強制的に振動させる振動入力手段と、
を備えたことを特徴とする請求項6又は7に記載の解析装置。 - 前記対象物に大気圧とは異なるガス圧を印加する印加手段と、
前記所定周波数のデータ成分の抽出結果に基づいて前記対象物の密封性を判定する判定手段と、
を更に備えたことを特徴とする請求項6〜8の何れか1項に記載の解析装置。
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