(57)【要約】【課題】リフトオフを大きく確保しながらも高い空間分解能を持ち、スケールの下の欠陥を計測することができる表面検査装置および欠陥計測方法を提供すること。【解決手段】本発明の表面検査装置は、テラヘルツ波を発生する非線形光学結晶５と、非線形光学結晶５から発生したテラヘルツ波をコリメートし、Ｐ偏光を含むテラヘルツ波を鋼板８の酸化膜に対するブリュースター角で鋼板８に照射させる放物面鏡７および偏光板１９と、鋼板８の酸化膜と鋼板８との界面で反射されたテラヘルツ波の進行方向垂直平面上の強度分布を検出するテラヘルツ波検出装置１７と、テラヘルツ波検出装置１７において検出されたテラヘルツ波の強度分布に基づいて欠陥を検出する欠陥判定装置１８とを備える。【選択図】図４
2013228329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段と、
前記テラヘルツ波発生手段から発生したテラヘルツ波をコリメートし、Ｐ偏光を含むテラヘルツ波を被検体の酸化膜に対するブリュースター角で前記被検体に照射させるテラヘルツ波照射手段と、
前記被検体の酸化膜と前記被検体との界面で反射されたテラヘルツ波の進行方向垂直平面上の強度分布を検出するテラヘルツ波検出手段と、
前記テラヘルツ波検出手段において検出された前記テラヘルツ波の強度分布に基づいて欠陥を検出する欠陥判定手段と、
を備えることを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
前記テラヘルツ波発生手段および前記テラヘルツ波検出手段には、短パルスレーザを発生する同一のレーザ光源から分離された励起光と検出光とがそれぞれ入射され、
前記テラヘルツ波発生手段は、前記励起光が入射されたタイミングでテラヘルツ波を発生し、
前記テラヘルツ波検出手段は、前記検出光が入射されたタイミングでテラヘルツ波を検出することを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
【請求項３】
前記レーザ光源から前記テラヘルツ波発生手段までの光路、または、前記レーザ光源から前記テラヘルツ波検出手段までの光路に、前記励起光と前記検出光との光路長差を可変とする光路長可変手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の表面検査装置。
【請求項４】
前記欠陥判定手段は、前記被検体の酸化膜と前記被検体との界面に存在する欠陥で反射されたテラヘルツ波の集束または拡散によって生じるテラヘルツ波の強度分布に基づいて前記欠陥を検出することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の表面検査装置。
【請求項５】
前記ブリュースター角は、酸化膜に対する入射角度が５０度から８０度の範囲であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の表面検査装置。
【請求項６】
被検体の表面に存在する酸化膜と該被検体との界面に存在する欠陥を計測する欠陥計測方法において、
前記酸化膜に対するブリュースター角を入射角度としてＰ偏光を含むテラヘルツ波を投射するステップと、
前記酸化膜と前記被検体との界面で反射されるテラヘルツ波を計測するステップと、
前記テラヘルツ波の空間的な強度分布あるいは位相分布を基に欠陥を検出するステップと、
を含むことを特徴とする欠陥計測方法。
【請求項７】
前記ブリュースター角は、酸化膜に対する入射角度が５０度から８０度の範囲であることを特徴とする請求項６に記載の欠陥計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属表面の酸化膜と金属との界面に存在する欠陥を計測する表面検査装置および欠陥計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱延鋼板、厚鋼板、電磁鋼板、シームレスパイプ、電縫鋼管、UOE鋼管、および、形鋼などの鉄鋼材料の表面には、酸化物（鋼の場合は鉄の酸化物であるスケール）の膜が存在する。そして、この酸化物の膜は、酸化物と鉄鋼材料との界面に存在する欠陥（介在物やスケールかみ込みなど）を高精度に検出することに関する阻害要因となっている。
【０００３】
ところで、近年の鉄鋼製品に求められる品質レベルの高度化により、表面欠陥などの有害欠陥の少ない磁性金属材料に対する要望がますます強まっている。このような磁性金属製品としては、例えば鉄鋼薄板製品では、自動車用、製缶用の冷延鋼板、および、めっき鋼板などがある。また、厚板鋼材および鋼管などにおいても、表面近傍の欠陥が割れの起源となり得るので、表面欠陥および表層欠陥を減少させることは非常に重要である。
【０００４】
例えば自動車用めっき鋼板は、製鋼工程、熱延工程、酸洗工程、冷延工程、めっき工程、および、プレス工程を通して製造される。自動車用めっき鋼板における重大欠陥の一つは、一般にヘゲと呼ばれるもので、最終製品（自動車）において、欠陥部が健全部と明らかに異なっているので、最終製品の外観を損ねるという問題を引き起こす。さらに、程度の酷いヘゲに至っては、プレス成型時にプレス機を損傷するという損害を生じさせることもある。
【０００５】
上記のように重大な欠陥であるヘゲは、全製造工程のうち上工程側に起源があるとされている。具体的には、製鋼工程において生じる介在物に発生原因がある場合、または、製鋼工程および熱延工程の入り側（熱延前）における酸化物の鋼材内部への混入に発生原因がある場合などが起源であるとされている。そして、これら上工程側にて発生したヘゲの原因が、熱間圧延および冷間圧延を経ることで、幅方向に非常に微小かつ圧延方向に長い形状に延ばされることにより、最終的にヘゲという欠陥に変容する。
【０００６】
上記ヘゲの例のように、製品の欠陥は上工程の時点に起因することが多い。したがって、製品の品質向上のためには、プロセス改善の結果を早期に判定することが重要である。そして、欠陥の発生状況を早期に把握した上で、合格品として出荷する、あるいは、健全な部分のみを出荷する、別の低グレード品に転用するなどの、最適な対応を取ることが求められている。
【０００７】
この対応の実現のためには、欠陥が顕在化する前（特に表面がスケールで覆われている状態）の鉄鋼材料において、スケール下の欠陥および欠陥の原因部を検出することが必要とされる（以下、この観点から、本明細書では、欠陥とその原因とを区別せず、欠陥の原因部も含めて欠陥と称する）。一方で、上述のように、鉄鋼材料の表面上のスケールの存在が、スケール下の欠陥および欠陥の原因部を検出する阻害要因ととなっているので、欠陥が顕在化する前にこれを検出することは、鉄鋼材料の製造において困難な課題となっている。
【０００８】
スケール下の欠陥を検出する技術として例えば特許文献１の技術が開示されている。この技術は、欠陥が最終工程で顕在化する前に交流磁束を鋼板に流し欠陥部における磁束の変化を検出する探傷法を用いて顕在化する前の欠陥を検知し、研削又は切削により欠陥部を切除するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２３６６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、検出するセンサのサイズとピッチによって空間分解能が決定するという特性を有する。よって、特許文献１に記載の技術は、センササイズとセンサのピッチを小さくすると、検出感度が上がるがプローブの数が増えて交流信号を処理する信号回路が多くなるという問題があり、一方、センササイズとセンサのピッチを大きくすると、空間分解能が不足して検出感度が小さくなるという問題がある。
【００１１】
また、特許文献１に記載の技術は、センサと被検体の距離であるリフトオフを１ｍｍ〜数ｍｍ程度と小さい値で一定に保つ必要がある。よってインライン測定を行おうとすると、特許文献１に記載の技術では、被検体の振動の影響でリフトオフが増加した場合に、検出感度が下がり、一方、リフトオフが減少した場合に、被検体がセンサと接触してセンサを壊してしまう危険性がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、リフトオフを大きく確保しながらも高い空間分解能を持ち、スケールの下の欠陥を計測することができる表面検査装置および欠陥計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る表面検査装置は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段と、前記テラヘルツ波発生手段から発生したテラヘルツ波をコリメートし、Ｐ偏光を含むテラヘルツ波を被検体の酸化膜に対するブリュースター角で前記被検体に照射させるテラヘルツ波照射手段と、前記被検体の酸化膜と前記被検体との界面で反射されたテラヘルツ波の進行方向垂直平面上の強度分布を検出するテラヘルツ波検出手段と、前記テラヘルツ波検出手段において検出された前記テラヘルツ波の強度分布に基づいて欠陥を検出する欠陥判定手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる欠陥計測方法は、被検体の表面に存在する酸化膜と該被検体との界面に存在する欠陥を計測する欠陥計測方法において、前記酸化膜に対するブリュースター角を入射角度としてＰ偏光を含むテラヘルツ波を投射するステップと、前記酸化膜と前記被検体との界面で反射されるテラヘルツ波を計測するステップ、前記テラヘルツ波の空間的な強度分布あるいは位相分布を基に欠陥を検出するステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる表面検査装置および欠陥計測方法によれば、リフトオフを大きく確保しながらも高い空間分解能を持ち、スケールの下の欠陥を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１ａ】図１ａは、テラヘルツ波の透過測定に用いた実験装置の概略構成図である。
【図１ｂ】図１ｂは、テラヘルツ波の透過測定の結果を示すグラフである。
【図２】図２は、ブリュースター角でスケールに入射されたＰ偏光とＳ偏光との光路の違いを説明する図である。
【図３】図３は、Ｐ偏光とＳ偏光の反射率を入射角に関して表したグラフである。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。
【図５】図５は、検出タイミング毎のテラヘルツ波の電場強度画像を概略的に説明する図である。
【図６】図６は、時間ずれ画像の作成方法を概略的に説明する図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。
【図８ａ】図８ａは、本測定例に用いた模擬サンプルの概略構成図である。
【図８ｂ】図８ｂは、模擬サンプルを本発明の実施に係る表面検査装置により測定した結果を示す最大値画像である。
【図８ｃ】図８ｃは、模擬サンプルを本発明の実施に係る表面検査装置により測定した結果を示す最大値画像の中心横断のプロファイルである。
【図９】図９は、テラヘルツ波の電場強度画像を周波数毎にフィルタをかけた最大値画像である。
【図１０】図１０は、図９の各画像の０．５ｍｍ幅スリットに対するＦＷＨＭ（半値全幅）をプロットしたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態を説明する前に、本発明の原理についての説明を行う。
【００１８】
本発明の発明者は、厚さｄ=１００μｍのスケール膜(主成分：マグネタイト)を実験的に作成し、このスケール膜に対してテラヘルツ波の透過測定を行った。図１ａは、このテラヘルツ波の透過測定に用いた実験装置の概略構成図であり、図１ｂは、その透過測定の結果を示すグラフである。
【００１９】
図１ａに示されるように、スケールを透過するテラヘルツ波には、スケールを直接透過する第１透過波と、スケール内で２回反射された波である第２透過波と、が存在する。図１ｂに示されるように、第１透過波と第２透過波とは、伝播する距離が異なるので、テラヘルツ検出器では伝播する距離に応じた時間差（図１ｂ中Δｔ）を有して検出される。なお、本透過測定において、図１ｂに示される第１透過波および第２透過波の振幅は、それぞれ第１透過波が０．８６５であり、第２透過波が０．５６８であった。この振幅の比から本透過測定のスケールの減衰率は６５．６％であると導かれる。また、単位長さあたりの吸収率は、（１００−減衰率）／（膜厚×２）を算出することにより、０．１７％／μｍである。
【００２０】
図１ｂの計測結果には入射光の振幅を記載してはいないが、仮に記載したとした場合、入射光の振幅は、図１ｂ中スケールで１００以上となる。つまり、入射光と第１透過光との振幅の比を考えると、本実験のスケールの反射率は９９％以上であり、大部分が表面で反射されていることになる。本透過測定の結果は、可視光および赤外光は言うに及ばずテラヘルツ波でさえも、スケールの内部に殆ど侵入しないことを示している。
【００２１】
そこで、本発明の発明者は、ブリュースター角で入射されたＰ偏光が界面を１００％透過し、Ｓ偏光では一部のみが透過することに着目した。すなわち、Ｐ偏光のテラヘルツ波をブリュースター角でスケールに入射し、Ｐ偏光の反射成分を観察することで、スケール下の欠陥を計測できる可能性に想到した。図２は、ブリュースター角でスケールに入射されたＰ偏光とＳ偏光との光路の違いを説明する図である。
【００２２】
また、テラヘルツ波は金属に対してほぼ１００％の反射率を持つ。このため、ブリュースター角で入射したテラヘルツ波はスケール表面を１００％透過しスケールと鋼の界面で１００％反射される。よって、Ｐ偏光は多重反射せずにひとつのピークのみが検出される。
【００２３】
さらに本発明の発明者は、通常の厚鋼板および熱延鋼板などの表面にできるスケールのテラヘルツ領域における屈折率を測定した。この測定結果により、テラヘルツ領域でのスケールの屈折率は２．９〜３．９程度に収まることがわかった。図３は、この測定結果からスケールの反射率をフレネルの式に従い計算し、Ｐ偏光とＳ偏光の反射率を入射角に関して表したグラフである。図３のグラフによれば、テラヘルツ波のブリュースター角は７０度から７５度程度であることが示されている。
【００２４】
また、図３から、入射角を５０度以上８０度以下の範囲では、Ｔｐ（Ｐ偏光の表面の透過率）＞９０％となり、Ｐ偏光のほとんどの成分がスケール中に透過する。すなわち、本発明の実施に関して、入射角が５０度以上８０度以下では、ブリュースター角で入射した場合と同等の結果が得られる。よって、以下では、ブリュースター角を５０度以上８０度以下であるとみなして、本発明の説明を行う。
【００２５】
上述した本発明の原理に基づく表面検査装置および欠陥計測方法の実施例を図面に基づいて以下に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００２６】
〔第１実施形態〕
図４は、本発明の第１実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。
【００２７】
図４に示されるように、本発明の第１実施形態に係る表面検査装置は、短パルスレーザを発生するレーザ光源１と、レーザ光を励起光としてテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶５と、非線形光学結晶５から発生したテラヘルツ波をコリメートする放物面鏡７と、ブリュースター角で鋼板８にＰ偏光のテラヘルツ波を照射させるテラヘルツ波照射手段としての偏光板１９およびテラヘルツ波用ミラー９ａと、入射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出装置１７と、検出されたテラヘルツ波の強度分布に基づいて欠陥を検出する欠陥判定装置１８とを主な構成要素として備える。
【００２８】
レーザ光源１は、パルスレーザ光２ａを同一周期で繰り返し発生しするものである。例えば、レーザ光源１として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源が用いられる。レーザ光源１から射出されたパルス光レーザ光２ａは、ビームスプリッタ３で励起光２ｂと検出光２ｃに分けられ、励起光２ｂはミラー４ｃで反射され非線形光学結晶５に伝送される。
【００２９】
非線形光学結晶５は、光パラメトリック発生、光パラメトリック発振、光注入型光パラメトリック発生、差周波発生などの非線形光学効果により、入射された励起光２ｂからテラヘルツ波を発生する光学素子である。
【００３０】
非線形光学結晶５により発生したテラヘルツ波６は、放物面鏡７などでコリメートされ、偏光板１９にて鋼板８の表面（より正確にはスケール層）に対してＰ偏光となるように偏光される。その後、テラヘルツ波６は、テラヘルツ波用ミラー９ａで反射されスケールに対するブリュースター角で鋼板８に照射される。
【００３１】
鋼板８に照射されたのち、鋼板８で反射されたテラヘルツ波は、ミラー９ｂを介してハーフミラー１０を透過してテラヘルツ波検出器１６へと導かれる。
【００３２】
一方、前段のビームスプリッタ３で分離された検出光２ｃは、ミラー４ａ，４ｂ，４ｄで反射され、レンズ１２ａ，１２ｂによりビーム径が広げられ、偏光板１３ａにより直線偏光に整えられ、前記ハーフミラー１０において、鋼板８で反射されたテラヘルツ波と同一の光軸で合成され、ＥＯ結晶利用型のテラヘルツ波検出装置１７に入射される。
【００３３】
上記ミラー４ａ，４ｂ，４ｄのうちミラー４ａは、光路長変更用ステージ１１によって位置を変更し、ビームスプリッタ３からテラヘルツ波検出装置１７までの光路長を変えることができるようになっている。なお、この光路長の情報は、後段の欠陥判定装置１８に送られる。
【００３４】
テラヘルツ波検出装置１７は、ＺｎＴｅで構成される電気光学結晶（ＥＯ結晶）１４とλ／４波長板１５と偏光板１３ｂとテラヘルツ波検出器１６を内部に備える。
【００３５】
ＥＯ結晶１４は、ポッケルズ効果により、鋼板８で反射されたのちに入射されるテラヘルツ波の電場強度に応じて複屈折が発生する。一方、入射された検出光２ｃは、偏光板１３ａを調整することにより、鋼板８で反射されたのちに入射されるテラヘルツ波が存在しない場合に、λ／４波長板１５を透過後の偏光状態が円偏光となるように設定される。すると、テラヘルツ波が存在する場合には、テラヘルツ波の電場よって生じたＥＯ結晶１４の複屈折により検出光２ｃに位相変化が生じるため、ＥＯ結晶１４を透過後の検出光２ｃが楕円偏光となる。
【００３６】
偏光板１３ｂを偏光状態の変化が大きいものを透過する向きに設置しておくと、偏光板１３ｂを透過したプローブ光の強度はテラヘルツ波の電場強度に応じた値となっている。このプローブ光をCCDカメラ（テラヘルツ波検出器）１６を用いて２次元画像として撮像することで、テラヘルツ波の電場強度の分布を計測することが可能となる。テラヘルツ波の電場強度分布データは、画像の形式で欠陥判定装置１８へ送られる。これをテラヘルツ波の電場強度画像と呼ぶ。欠陥判定装置で１８は、テラヘルツ波の電場強度画像と光路長変更用ステージ１１の位置の情報とを合わせて欠陥判定がされる。
【００３７】
〔欠陥判定装置での処理〕
次に、図５および図６を参照しながら、欠陥判定装置１８における判定処理について説明する。
【００３８】
欠陥判定装置１８には、テラヘルツ波検出器１６により取得されたテラヘルツ波の電場強度画像が、検出光２ｃによって定められる検出タイミング毎に蓄積される。図５は、テラヘルツ波の検出タイミング毎に欠陥判定装置１８に蓄積される電場強度画像を概略的に説明する図である。図５に示されるように、一枚のテラヘルツ波の電場強度画像は、Ｘ１座標とＹ１座標とにより定まる２次元画像であり、各画素にテラヘルツ波の電場強度のデータが格納されている。したがって、Ｘ１座標およびＹ１座標を固定した画素の値を各検出タイミングでつなげた場合、そのＸ１座標およびＹ１座標におけるテラヘルツ波の波形が再生できるというデータ構造となっている。
【００３９】
次に、欠陥判定装置１８は、上述のように検出タイミング毎に蓄積されたテラヘルツ波の電場強度画像から最大値画像を作成する。具体的には、欠陥判定装置１８が、テラヘルツ波の電場強度画像の各画素について（つまり、各Ｘ１座標およびＹ１座標を固定して）、テラヘルツ波形の時間方向（検出タイミング方向；図中ｔ座標）に関する最大値を算出し、その最大値を当該画素の値とする画像を作成する。
【００４０】
上記のように作成された最大値画像は、テラヘルツ波の強度分布を表している。鋼板８の凹欠陥に対応する画素では、凹欠陥の凹形状によりテラヘルツ波が当該画素に集束するためテラヘルツ波の検出強度が大きくなり、凸欠陥に対応する画素では、凸欠陥の凸形状によりテラヘルツ波が当該画素から拡散するためテラヘルツ波の検出強度が小さくなる。このことから、この最大値の大きい部分を凹欠陥、小さい部分を凸欠陥と判定することができる。
【００４１】
例えば、この判定の具体的方法としては、予め健全部を測定しておき、健全部の最大値画像の最大値の平均値を計算しておき、その値を実際に測定された最大値画像から減算する方法をとり得る。そして、この値が正の方向に大きいもの(例えば健全部におけるこの値の標準偏差をノイズとしてＳＮ比が３を越えるもの)を凹欠陥、負の方向に大きいもの（同様にその絶対値のＳＮ比が３を越えるもの）を凸欠陥と判定することができる。
【００４２】
なお、上記説明では、テラヘルツ波の電場強度画像から画素毎に最大値をとった分布である最大値画像を使用したが、最大値の代わりに最小値を使用しても良いし、ピークトゥーピーク値などの他のテラヘルツ波電場強度を代表する値を用いても、本発明を適切に実施することができる。
【００４３】
一方、欠陥判定装置１８は、最大値画像の作成と並行して、最大値を取る検出タイミングｔを画素毎に並べて時間ずれ画像を作成する。図６は、この時間ずれ画像の作成方法を概略的に説明する図である。図６に示されるように、この時間ずれ画像における時間ずれ量ｔｉは、下記（式１）に従い高さｄに換算され、凹凸形状へと変換され、欠陥形状および欠陥体積を求めることが可能である。この欠陥の欠陥形状および欠陥体積からより詳細な欠陥の種別、有害度、有害無害の別を判定される。
【数１】
2013228329.tif 000003
ただし、Ｄｅｌａｙ＿Ｉｍａｇｅ（ｉ２，ｊ２）：画素（ｉ２，ｊ２）における基準信号と検出信号との最大値を取る検出タイミングの差、ｃ：光速、ｎ：空気の屈折率、θ：テラヘルツ波の鋼板への入射角である。
【００４４】
なお、上記説明では、テラヘルツ波の位相分布として、基準信号に対する最大値のタイミングのずれを用いたが、最小値を取るタイミングのずれ、最大値と最小値を取るタイミングの中間点、最大値と最小値の間で０点を横切るタイミングなど、各テラヘルツ波パルスのテラヘルス波発生装置から検出装置への伝達時間を代表する値であれば、本発明を適切に実施することができる。
【００４５】
以上のように、本発明の第１実施形態に係る欠陥判定装置は、テラヘルツ波の強度分布から欠陥の有無と概略の大きさ凹凸を１次判定し、テラヘルツ波の位相分布から欠陥の種別、有害度、および、有害無害の区別を最終判定する。
【００４６】
以上の判定方法によれば、テラヘルツ波の強度分布のみを用いる場合より正確に有害無害を判定可能になり、また、テラヘルツ波の位相分布のみを用いる場合と比較すると、テラヘルツ波の強度分布で１次判定を行うことで、欠陥候補の数を絞ることができるので、欠陥判定に係る計算量が大幅に低下する。
【００４７】
なお、上記実施形態の説明では、光源として非線形光学結晶を用いたが、光伝導アンテナ、半導体表面発光など他の光源を用いてもよい。
【００４８】
〔第２実施形態〕
図７は、本発明の第２実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。以下、図７を参照しながら、本発明の第２実施形態にかかる表面検査装置について説明する。なお、図７に示された構成要素のうち、図４に示された構成要素と同一のものについては同一の番号を付与し、その説明を適宜省略する。
【００４９】
本発明の第２実施形態にかかる表面検査装置のテラヘルツ波検出装置２１は、その内部に検出用光伝導アンテナ２２が光軸と垂直な平面方向に２次元配列として配置されている点で、上述の第１実施形態にかかる表面検査装置と異なる。
【００５０】
レーザ光源１は、パルスレーザ光２ａが同一周期で繰り返し発生する。本実施形態では、このレーザ光源１にＴｉサファイアレーザを用いられている。このレーザ光源１のパルス周波数は、検出用アンテナ２２の基板に応じて決定すべきものである。本実施形態の場合は、検出用アンテナ２２の基板に低温成長ＧａＡｓを用いるので、波長７８０ｎｍのパルスを使用しているが、例えばＩｎＧａＡｓ基板を検出用アンテナ２２の基板に用いる場合は波長１５８０ｎｍのパルスが望ましい。
【００５１】
レーザ光源１から射出されたパルスレーザ光２ａは、ビームスプリッタ３によって励起光２ｂと検出光２ｃに分離される。分離された励起光２ｂは、ミラー４ｃ，４ｄを経由して、ＧａＡｓからなる半導体バルク結晶２０に照射される。
【００５２】
レーザ光の照射によって半導体バルク結晶２０の表面にキャリア(電子・正孔)が励起される。このキャリアは、半導体表面の電位の曲がり、ないしは励起されたキャリア密度の空間的な差によって生じる電位差によって加速される。このキャリアの加速により過渡電流が流れ、過渡電流によりパルス状のテラヘルツ波６が発生する。
【００５３】
発生されたテラヘルツ波は、放物面鏡７によりコリメートされ、テラヘルツ波用ミラー９ａで反射され鋼板８にブリュースター角で照射される。鋼板８で正反射されたテラヘルツ波６は、テラヘルツ波用ミラー９ｂ，9ｃで反射されテラヘルツ波検出装置２１に導かれる。
【００５４】
一方、検出光２ｃは、ミラー４ａ，４ｂで反射され連続プリズム型ビームスプリッタ２３に導かれる。連続プリズム型ビームスプリッタ２３とは、半透明の材質で作られたプリズム型のビームスプリッタを連続配置したものであり、１本のプローブ光を複数のレーザ光に分岐することができる。この分岐された検出光２ｃとしてのレーザー光は、テラヘルツ波検出装置２１の内部にアレイ状に複数配置されたテラヘルツ波検出用の光伝導アンテナ２２の各々のギャップ部に照射される。
【００５５】
また、検出光２ｃの光路上に配置されたミラー４ａは、光路長変更用ステージ１１によって位置を変更し、ビームスプリッタ３からテラヘルツ波検出装置２１までの光路長を変えることができる。このミラー位置の情報は、後述する時間波形計測装置２６に送られ、テラヘルツ波の再生に用いられる。
【００５６】
テラヘルツ波検出用の光伝導アンテナ２２は、Ｐ偏光を受光する向きに配置され、検出光２ｃが照射されたタイミングにおけるテラヘルツ波の振幅に応じた電圧を検出し、この電圧をプリアンプ２４に出力する。プリアンプ２４は、入力された電圧を増幅し、これをロックインアンプ２５に送る。ロックインアンプ２５は、検出光２ｃないしは励起光２ｄの光路のいずれかの場所に設置された図示しないチョッパーからの参照信号に従い、テラヘルツ波の検出信号のＳＮ比を向上させるものである。ロックインアンプ２５の出力は時間波形計測装置２６へ送られ、時間波形計測装置２６が、光路長変更用ステージ１１から取得するミラー位置情報を元にテラヘルツ信号の計測されたタイミングを決定し、テラヘルツ波検出装置２１に入射されたテラヘルツ時間波形を再生する。
【００５７】
上記のように計測されたテラヘルツ時間波形は、テラヘルツ波画像作成装置２７へ送られ、テラヘルツ波画像作成装置２７によりテラヘルツ波の電場強度画像が作成される。その後、このテラヘルツ波の電場強度画像に基づいて欠陥判定装置２８が欠陥を判定する。
【００５８】
第２実施形態では、各光伝導アンテナ２２からの出力を並べることで、テラヘルツ波の電場強度画像を画像化することができるので、この画像を第１実施形態におけるＣＣＤカメラの出力と同様に考えることができる。よって、第２実施形態における欠陥判定装置２８は、第１実施形態と同様の手順によって、テラヘルツ波の強度分布およびテラヘルツ波の位相分布を算出することにより、欠陥の検出および判定を行うことができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、光伝導アンテナ１０を２次元に配列したが、光伝導アンテナ１０を１次元に配列して、被検体又はアンテナを光伝導アンテナ１０の配列と垂直方向に走査させて画像を形成しても同様の計測が可能である。また、一つの光伝導アンテナ１０をテラヘルツ波と直交する２次元方向に走査させても同様の計測が可能であることは言うまでもない。また、本実施形態では、光源として半導体表面からのテラヘルツ発光を用いたが、光伝導アンテナ、非線形光学結晶、ＥＯ結晶など他の光源を用いてもよい。なお、本実施形態では、光伝導アンテナ２２の向きによりＰ偏光を受光するように設定したが、例えば照射側に偏光板を設ける、または照射側を光伝導アンテナにしてＰ偏光のテラヘルツ波を発生させるなどの方法を用いても良い。
【００６０】
〔計測例〕
以下、上記説明した本発明の実施形態に係る表面検査装置および欠陥計測方法による、人工欠陥の計測例について説明する。
【００６１】
図８ａは、本測定例に用いた模擬サンプルの概略構成図である。図８ａに示されるように、本測定例に用いた人工欠陥は、厚さ１ｍｍの熱延鋼板に幅０．５ｍｍと０．２ｍｍでいずれも長さ５ｍｍの２つの貫通スリットを間隔１０ｍｍで配置したものである。本測定例に用いた模擬サンプルは、この人工欠陥の前面に厚さ２０μｍのスケール層を貼り付け、スケール層の下の欠陥の再現をしたものである。
【００６２】
図８ｂおよび図８ｃは、上記模擬サンプルを本発明の実施形態に係る表面検査装置により測定した結果を示す画像及びグラフであり、図８ｂは、上述の方法で作成された最大値画像であり、図８ｃは、その中心横断のプロファイルである。なお、図８ｂおよび図８ｃは、検出用の光伝導アンテナを１個用いてそれを２次元走査させて計測した例であるが、上述の実施形態１または実施形態２にかかる表面検査装置を用いても同様の結果が得られる。また、本計測例におけるテラヘルツ波の入射角は、屈折率３．４に対するブリュースター角である７４度とし、テラヘルツ波発生器と模擬サンプルの距離(リフトオフ)は１００ｍｍとした。
【００６３】
図８ｂおよび図８ｃに示されるように、本発明の実施形態に係る表面検査装置によれば、スケールの下に存在する人工欠陥を計測することができる。
【００６４】
図９はテラヘルツ波の電場強度画像を時間方向に並べたデータ列において、各画素ごとのデータを時間方向に並べたテラヘルツ時間波形に対して、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行い周波数表示し、この周波数空間でのデータに周波数毎にフィルタをかけてからテラヘルツ波の強度分布(最大値画像)をとったものである。
【００６５】
図９における各最大値画像は、それぞれ(1)0.1THz〜0.4THz、(2)0.4THz〜0.8THz、(3)0.8THz〜1.2THz、(4)1.2THz〜1.6THz、(5)1.6THz〜2.0THzのバンドパスフィルタをかけたものである。なお、これはＦＦＴを行わずにテラヘルツ時間波形に対してデジタルフィルタをかけても、アナログフィルタを用いても同様である。図９の各最大値画像を比較すると、波長の高い領域になると空間分解能が高くなることが確認できる。
【００６６】
図１０は、図９の各画像の０．５ｍｍ幅スリットに対するＦＷＨＭ(半値全幅)をプロットしたグラフである。ＦＷＨＭは画像の空間分解能に関する値であり、この値が大きいとボケた画像に、値が小さいとシャープな画像となっている。図９から周波数が高くなるほどＦＷＨＭの値が小さくなり、特に１．２ＴＨｚ以上でＦＷＨＭが１．０ｍｍ程度となり高い分解能での計測が可能になる。
【００６７】
以上のように、テラヘルツ波をブリュースター角で入射してその反射波を観測することで、スケール下の欠陥を高精度に観測可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１      レーザ光源
２ａ      パルスレーザ光
２ｂ      励起光
２ｃ      検出光
３      ビームスプリッタ
４ａ〜ｄ      ミラー
５      非線形光学結晶
６      テラヘルツ波
７      放物面鏡
８      鋼板
９ａ，９ｂ      ミラー
１０      ハーフミラー
１１      光路長変更用ステージ
１２ａ，１２ｂ      レンズ
１３ａ，１３ｂ      偏光板
１４      電気光学結晶（ＥＯ結晶）
１５      λ／４波長板
１６      テラヘルツ波検出器
１７      テラヘルツ波検出装置
１８      欠陥判定装置
１９      偏光板
２０      半導体バルク結晶
２１      テラヘルツ波検出装置
２２      光伝導アンテナ
２３      連続プリズム型ビームスプリッタ
２４      プリアンプ
２５      ロックインアンプ
２６      時間波形計測装置
２７      テラヘルツ波画像作成装置
２８      欠陥判定装置
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図９】
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【図１０】
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【図５】
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【図６】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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