(57)【要約】【課題】  本発明では、前記で挙げた問題点に鑑み、機器構成を簡略化し安価な構成を提供すると共に、測定方法も簡便で専門的な知識がなくとも、炭素系材料、例えばグラフェンなどの品質管理に必要な測定が出来るラマン散乱顕微鏡を用いた欠陥検査装置を提供する。【解決手段】  試料にレーザ光を照射する光源と、前記試料から散乱される光をフィルタするバンドパスフィルターユニットを備え、前記バンドパスフィルターユニットは、バンドパスフィルターとハーフミラーで構成されることを備えたことを特徴とする欠陥検査装置。【選択図】  図１
2015025764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料にレーザ光を照射する光源と、前記試料から散乱される光をフィルタするバンドパスフィルターユニットを備え、
前記バンドパスフィルターユニットは、バンドパスフィルターとハーフミラーで構成されることを備えたこと
を特徴とする欠陥検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の欠陥検査装置において、
照明光を走査させる機能と、
前記試料に対し、水平方向に走査するステージを備え、進行方向に回転して前記試料を送る回転送りステージを備えること
を特徴とする欠陥検査装置。
【請求項３】
請求項１に記載の欠陥検査装置において、
少なくとも２種類以上の倍率を備えることで、測定分解能を任意に可変できること
を特徴とする欠陥検査装置。
【請求項４】
請求項1に記載の欠陥検査装置において、
前記試料の高さ変動に合わせて、対物レンズを調整し、検出性能を一定に保つことが出来ること
を特徴とする欠陥  検査装置。
【請求項５】
請求項1に記載の欠陥検査装置において、
前記試料の測定に関する情報を、結晶欠陥に起因する位置情報と、層数に関する位置情報をそれぞれ測定し、上記各位置情報を表示できる表示画面を備えることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項６】
請求項１にに記載の欠陥検査装置において、
前記試料は炭素系材料であり、試料の結晶欠陥または層数の違いを判別すること
を特徴とする欠陥検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、欠陥検査装置に関し、特に炭素系材料(グラフェン、カーボンナノチューブ、SiC(炭化珪素))の結晶性の測定が可能な欠陥検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素材料は、金属、ガラス、セラミックに次ぐ材料と言われ、抜群の耐熱性や耐薬品性、導電性などを備えているため、工業材料としての重要な位置を占め、電極や発熱体、構造/補強材として広く使用されている。しかし、炭素材料は、その他にも特筆すべき物性を持つにもかかわらず、活用できていないため古い完成した材料と思われてきた。ところが、１９８５年に炭素原子６０個がサッカーボール型の籠状結晶になっているフラーレン、１９９１年に炭素原子の六角形網目状結晶の１層のみがチューブ状で存在するナノチューブ、２００３年に六角形網目状結晶の１層のみがチューブ状ではなく平面のまま存在するグラフェンの製造方法が発見されて注目を浴び始め、現在は、電子材料や半導体材料に向けての研究が活発に行われている。
【０００３】
その中でも近年特に注目されるグラフェンは炭素原子がシート状に並んだ材料である。特筆すべき物性としては、まず電気輸送特性が極めて高いということである。グラフェンの中を動く電子の運動速度も光速の１／３０程度という非常に速い運動が可能であることがわかっている。また、グラフェン１層は極めて薄い(電子の広がりを考慮しても０．３〜０．４ｎｍ程度しかない)ために、ほぼ透明な膜である。これにより、タッチパネルや電子ペーパー、有機ＥＬパネル、そして太陽電池などでの透明導電膜としてのグラフェンシートの利用が期待されている。従来、グラファイトの機械的剥離によってグラフェン薄片を作る簡便な方法が開発された。
【０００４】
ただし、この同方法で作製したグラフェンには、様々な層数のグラフェンが混在していることや、電子の状態が同一層数のグラフェンシート内においても、一様ではないと言う問題も判明している。
【０００５】
また近年このグラフェンシートを大面積で生産する技術も相次いで開発されてきている。しかしながら、大面積のグラフェンシートを実用化するためにはグラフェンシートの品質管理が求められている。
【０００６】
炭素原子がシート状に並んだグラフェンの結晶状態を分析する手法として、顕微ラマン分光法が有効であることは良く知られている。グラフェンの微細構造の評価は、ラマンスペクトルから知見を得ることが出来る。
【０００７】
ラマン分光法とは、物質に単色光(例えばレーザ光)を照射し、物質から散乱される光を分光器によって観測する分析法である。得られたスペクトルより物質の評価を行うことが出来る。ラマン散乱においては、単色レーザ光(振動数：Vo)を照射した時、そこから生じる散乱光の振動数は、Vo、Vo±Va、Vo±Vb、Vo±Vcとなっている。試料に入射した光の大部分は分子、原子に衝突した後も同じ大きさのエネルギーで弾性散乱を起こす。この散乱光をレイリー散乱という。しかし、一部の光は試料に衝突した際に分子・原子とエネルギーのやり取りを行い、入射した光とは異なるエネルギー、すなわち、振動数の異なった光が散乱される。この非弾性散乱光をラマン散乱光という。
【０００８】
ラマン散乱光のうち、レイリー散乱光よりエネルギーの小さい(振動数が小さい)散乱光をストークス散乱、大きくなった方をアンチストークス散乱といい、通常は散乱強度の大きいストークス散乱を観測する。これらの観測を行う機器構成としては、レーザ顕微鏡を用いることが一般的である。レーザ顕微鏡にて試料を観察した際、通常、二次元ＣＣＤに光を結像させ、試料もしくはレーザ光を走査することで２次元イメージを作り出す。ラマン分光法では、レーザ顕微鏡で得られた光をＣＣＤに入る光をスプリッターなどで分岐させ、一方の光を分光器に導く構成を備え、分光器に導かれた光はプリズムもしくはグレーティングで回折(分光)された光をＣＣＤなどで検出し、波長や強度を測定することが出来る。この方式を顕微ラマン分光法という。
【０００９】
これらの機器構成を持つラマン顕微鏡（たとえば、特許文献１参照）は、装置の総額が非常に高額であり、ある特定の物質、例えばグラフェンなどを測定する為に導入するには費用対効果が低くなる場合がある。また、分光器での測定に際して、ラマン散乱の信号を理解する専門知識を必要とし、簡便性に欠けるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開2007-147357号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明では、前記で挙げた問題点に鑑み、機器構成を簡略化し安価な構成を提供すると共に、測定方法も簡便で専門的な知識がなくとも、炭素系材料、例えばグラフェンなどの品質管理に必要な測定が出来るラマン散乱顕微鏡を用いた欠陥検査装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は以下の構成を備える。試料にレーザ光を照射する光源と、前記試料から散乱される光をフィルタするバンドパスフィルターユニットを備え、前記バンドパスフィルターユニットは、バンドパスフィルターとハーフミラーで構成されることを備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、機器構成の中で最も高額な分光器を無くすことで、装置システムの総額が安価となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の１実施例である構成図大面積ロールｔｏロール式グラフェンの        欠陥検査装置構成(例)を示す。
【図２】一般的なラマン散乱顕微鏡でグラフェンを取得したラマンスペクトルを              示す。
【図３】一般的なラマン散乱顕微鏡でグラフェンを測定した場合、層数によるラ        マンスペクトルの変化を示した図。
【図４】レーザ照明波長λ＝532nmでのラマンシフトに対応するバンドパスフィルタの中心波長を示した図。
【図５】ファンドパスフィルター仕様の概念図。
【図６】大面積ロールｔｏロール式グラフェン欠陥検査装置にて、Ｄバンド測定        モード時の操作画面(例)。
【図７】大面積ロールｔｏロール式グラフェン欠陥検査装置にて、Ｇ−２Ｄバン        ド測定モード時の操作画面(例)
【図８】欠陥検査の動作フロー
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。なお、以下の説明では、ロールステージ有する大面積ロールｔｏロール式グラフェン欠陥検査装置について説明するが、ＸＹステージを有するＳｉＣウェーハ欠陥検査装置、または、カーボンナノチューブの評価装置としても適用可能である。
【００１６】
図１に本発明の実施形態の一例である大面積ロールｔｏロール式グラフェン欠陥検査装置１００の構成図を示す。ステージ駆動系は、ロールステージ(１２４)、Ｘ軸走査ステージ(１２１)を備え、ステージコントローラ(１２６)にて駆動コントローラされ、制御ＰＣ(１０１)にて制御コントロールされる。
【００１７】
検出光学系は、対物レンズ(１２３)、対物レンズレボルバー(１２２)、結像レンズ(１１４)、ＣＣＤ用ハーフミラー(１１１)、ＣＣＤカメラ(１１２)、ピンホール(１１０)、バンドパスフィルターユニット(１０２)にて構成される。ＣＣＤ用ハーフミラー(１１１)は可動式となっており、例えばエアシリンダーにて検出光路に出し入れ出来るように配置され、測定条件によって、制御ＰＣ(１０１)にて可動制御される。
【００１８】
バンドパスフィルターユニット(１０２)は、コリメータレンズ(１０９)、Ｄバンド用バンドパスフィルター(１０３)、Ｇ−２Ｄバンド用ハーフミラー(１０４)、２Ｄバンド用バンドパスフィルター(１０６)、フォトディデクター２(１０８)、Ｇバンド用バンドパスフィルター(１０５)、フォトディデクター１(１０７)にて構成され、検出光路上に配置される。Ｄバンド用バンドパスフィルター(１０３)、Ｇ−２Ｄバンド用ハーフミラー(１０４)、Ｇバンド用バンドパスフィルター(１０５)は、可動式となっており、例えばエアシリンダーにて検出光路に出し入れ出来るように配置され、測定条件によって、制御ＰＣ(１０１)にて可動制御される。
【００１９】
照明光学系は、レーザ照明光源(１１８)、照明レンズ２(１１９)、レーザ照明用ガルバノハーフミラー(１２０)、ハロゲン照明用ハーフミラー(１１５)、照明レンズ１(１１６)、ハロゲン照明(１１７)にて構成される。ハロゲン照明用ハーフミラー(１１５)は可動式となっており、例えばエアシリンダーにて検出光路に出し入れ出来るように配置され、測定条件によって、制御ＰＣ(１０１)にて可動制御される。
【００２０】
次に測定原理について説明する。図２に一般的なラマン散乱顕微鏡にてグラフェンを観察した際のラマンスペクトルを示す。スペクトル１(２０１)は単層グラフェンを測定したラマンスペクトルを示す。単層のグラフェンは、１５８０ｃｍ-1にＧバンドと呼ばれるスペクトルと、２７００ｃｍ-1に２Ｄバンドと呼ばれるスペクトルが観測される。単原子層のグラフェンのラマンスペクトルの特徴は、２Ｄバンドの強度がＧバンドよりも大きいこと、また、スペクトルの線幅が細いことである。
【００２１】
スペクトル２(２０２)は、結晶性の悪いグラフェンを測定したラマンスペクトルを示す。結晶性の悪いグラフェンの場合には、１３５０ｃｍ-1に欠陥に起因するＤバンドと呼ばれるスペクトルが現れる。ＧバンドとＤバンドの強度の比は、グラファイトの微結晶の大きさにほぼ比例することが知られている。このことから、結晶性の評価が出来ると知られている。
【００２２】
図３はグラフェンの原子層の違いによるラマンスペクトルを示す。グラフェンの原子層が増えると、Ｇバンドの強度は層の数に比例して大きくなるが、２Ｄバンドはスペクトル幅が広がるだけであり、２Ｄバンドのピーク強度は、Ｇバンドより相対的に小さくなる。このことより、Ｇバンドと２Ｄバンドの強度比を観測することで、単層グラフェン、２層グラフェン、３層グラフェン以上と大別し、観測結果を示すことが出来る。
【００２３】
図４は、レーザ照明波長をλ＝５３２ｎｍとした場合の、ラマンシフト量から換算した波長を示す。この波長はバンドパスフィルタの中心波長に対応する。ラマンシフト量から波長換算を行う式は図４に示した。
【００２４】
従って、中心波長：５７３ｎｍの光のみが透過するバンドパスフィルターを作製することで、Ｄバンド用バンドパスフィルター(１０３)が完成する。
【００２５】
同じ換算にて、Ｇバンド＝５８１ｎｍ、２Ｄバンド＝６２１ｎｍの光のみが透過するバンドパスフィルターを製作することで、Ｇバンド用バンドパスフィルター(１０５)および、２Ｄバンド用バンドパスフィルター(１０６)が完成する。
【００２６】
図５は、それぞれのバンドパスフィルターの概念図を示す。中心波長の最大値(Ｔｍａｘ)を最大透過率とした場合、半値幅(Ｔｍａｘ／２)を最小波長幅(ｍｉｎ)とする。最小波長幅は、図４の各バンドのバンドパス中心波長の差以内であればよい。つまり、ＤバンドとＧバンドが８ｎｍの差であるため、例えば中心波長より±６ｎｍ程度に指定しておけばよい。この仕様値は一般的なバンドパスフィルターの半値幅であるため、標準仕様の安価なバンドパスフィルターで構成することが出来る。
【００２７】
本発明は、これらの現象を巧みに利用することで、結晶性の悪い部分、層数の違いを判別できる、安価で簡便な専門的な知識を必要としないラマン散乱顕微鏡を用いた欠陥検査装置を提供することが出来る。
【００２８】
次にロールステージ有する大面積ロールｔｏロール式グラフェン欠陥検査装置について具体的な測定方法を説明する。
【００２９】
まず、大面積ロールｔｏロール式グラフェンとは、フレキシブルな基材、例えばＰＥＴ(ポリエチレンテレフタレート)フィルムなどに転写された単層グラフェンもしくは、２層グラフェンシートで、タッチパネルなどに用いられる透明電極フィルムなどをいう。
【００３０】
ロール状に巻かれたグラフェンをロールステージ(１２４)にセットする。ＣＣＤ用ハーフミラー(１１１)とハロゲン照明用ハーフミラー(１１５)を検出光路に挿入する。対物レンズレボルバー(１２２)にて、対物レンズ(１２３)を任意の倍率、例え１０倍の対物レンズ(１２３)をセットする。ハロゲン照明(１１７)の明るさ調整を行い、ＣＣＤカメラ(１１６)の画像をモニター(１１３)にて観察しながら、ロールステージ(１２４)を動かし、大面積ロールｔｏロール式グラフェン(１２５)の欠陥検査を行いたい開始位置まで可動させる。
【００３１】
開始位置を指定し、対物レンズレボルバー(１２２)にて、対物レンズ(１２３)の倍率を選択する。これは、測定分解能によって任意に選択できるようにしておく。例えば、対物レンズ(１２３)を１０倍、５０倍、１００倍とする。高倍率になるに従い、対物レンズＮＡが拡大し、空間分解能が向上する。対物レンズの選択倍率により、走査ピッチが自動選択される。例えば空間分解能の1／２ピッチにて走査する。
【００３２】
走査方法は、対物レンズの視野に対して、レーザ照明用ガルバノハーフミラー(１２０)にてレーザビームによる走査を行い、Ｘ軸走査ステージ(１２１)にて対物レンズ視野寸法を移動させ、レーザ照明用ガルバノハーフミラー(１２０)にてレーザビームによる走査を行い、これを繰り返すことで、水平方向の走査を行う。
次に、ロールステージ(１２４)を対物レンズ視野寸法を送り、再度水平方向の走査を行う。これら一連の動作を繰り返し行い、大面積ロールｔｏロール式グラフェン全面の走査を行う。
【００３３】
測定モードは、Ｄバンド測定モードとＧ−２Ｄバンド測定モードがある。Ｄバンド測定モード時の設定は次のようになる。
ハロゲン照明用ハーフミラー(１１５)とＣＣＤ用ハーフミラー(１１１)を検出光路から退避させ、バンドパスフィルターユニット(１０２)のＤバンド用バンドパスフィルター(１０３)を挿入、Ｇ−２Ｄバンド用ハーフミラー(１０４)、Ｇバンド用バンドパスフィルター(１０５)、２Ｄバンド用バンドパスフィルター(１０６)を退避させ、フォトディデクター１(１０７)にてシグナルを測定し、シグナルが観測される位置を記憶させていく。全面測定終了後、測定結果をモニター(１１３)に表示させる。Ｄバンドが観測された位置を欠陥位置として表示させる。図６にＤバンド測定モード時の表示画面(例)を示す。表示された欠陥位置を指定すると、Ｘ軸走査ステージ(１２１)及び、ロールステージ(１２４)にて、記憶させた位置に大面積ロールｔｏロール式グラフェンを移動させ、ＣＣＤ用ハーフミラー(１１１)及び、ハロゲン照明用ハーフミラーを検出光路に挿入することで、欠陥位置での光学顕微鏡画像を見ることが出来る。
次に、Ｇ−２Ｄバンド測定モード時の設定は次のようになる。ハロゲン照明用ハーフミラー(１１５)とＣＣＤ用ハーフミラー(１１１)を検出光路から退避させ、バンドパスフィルターユニット(１０２)のＤバンド用バンドパスフィルター(１０３)を退避、Ｇ−２Ｄバンド用ハーフミラー(１０４)、Ｇバンド用バンドパスフィルター(１０５)、２Ｄバンド用バンドパスフィルター(１０６)を挿入させ、フォトディデクター１(１０７)及び、フォトディデクター２(１０８)にてシグナルを測定し、シグナル強度を常時することで、図３の関係式に基づき、単層、２層、３層以上というようにマッピングしていく。全面測定終了後、測定結果をモニター(１１３)に表示させる。図7にＧ−２Ｄバンド測定モード時の表示画面(例)を示す。
【００３４】
これら測定を行う場合、大面積ロールｔｏロール式グラフェンの高さ変動に合わせて、対物レンズ(１２３)の焦点距離を調整する必要がある。これは、高さ検出センサー(１２７)の検出結果を、フォーカス用ステージ(１２８)にフィードバックさせ、対物レンズ(１２３)の焦点を常に一定に保つことで、安定した測定が出来る。
【００３５】
図８に、上記２つの測定モードについての欠陥検査の動作フローを示した。
【符号の説明】
【００３６】
１００：大面積ロールｔｏロールグラフェンの欠陥検査装置
１０１：制御ＰＣ
１０２：バンドパスフィルターユニット
１０３：Ｄバンド用バンドパスフィルター(Ｔ＝５７３ｎｍ)
１０４：Ｇ−２Ｄバンド用ハーフミラー(Ｔ＝５０％、Ｒ＝５０％)
１０５：Ｇバンド用バンドパスフィルター(Ｔ＝５８１ｎｍ)
１０６：２Ｄバンド用バンドパスフィルター(Ｔ＝６２１ｎｍ)
１０７：フォトディデクター１
１０８：フォトディデクター２
１０９：コリメートレンズ
１１０：ピンホール
１１１：ＣＣＤ用ハーフミラー
１１２：ＣＣＤカメラ
１１３：モニター
１１４：結像レンズ
１１５：ハロゲン照明用ハーフミラー 
１１６：照明レンズ１
１１７：ハロゲン照明
１１８：レーザ照明光源
１１９：照明レンズ２
１２０：レーザ照明用ガルバノハーフミラー
１２１：Ｘ軸走査ステージ
１２２：対物レンズレボルバー
１２３：対物レンズ
１２４：ロールステージ
１２５：大面積ロールｔｏロール式グラフェン
１２６：ステージコントローラー
１２７：高さ検出センサー
１２８：フォーカス用ステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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