(57)【要約】      （修正有）【課題】試料上における赤外光束の照射位置を測定中に自由に移動させることができる膜厚測定装置を提供する。【解決手段】膜厚測定装置１０は、赤外分光法による膜厚測定装置であって、赤外光束を出射する光出射ユニット１と、試料Ｓを経由した赤外光束を検出する検出器２と、赤外光束を光出射ユニット１から試料Ｓを経由して検出器２へと導くミラー３，４（導光手段）とを備え、ミラー３，４は、光出射ユニット１、検出器２及び試料Ｓに対して移動することにより赤外光束を照射する位置を移動させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外分光法による膜厚測定装置であって、
赤外光束を出射する光出射ユニットと、
試料を経由した前記赤外光束を検出する検出器と、
前記赤外光束を前記光出射ユニットから前記試料を経由して前記検出器へと導く導光手段と、を備え、
前記導光手段は、前記光出射ユニット、前記検出器及び前記試料に対して移動することにより前記赤外光束を照射する位置を移動させることができる
膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は膜厚測定装置に関し、特に、赤外分光法を用いた膜厚測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外分光法を用いた膜厚測定装置は、種々の膜厚の測定に用いられている。例えば、特許文献１には、フーリエ変換赤外線分光光度計を用いて、ＳＯＩ基板上の単結晶薄膜の膜厚を測定する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３０８０９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の赤外線分光光度計は、赤外光束の出射位置を移動させる機構を有しないため、試料上における赤外光束の照射位置を測定中に自由に移動させることができなかった。そのため、特許文献１に記載の赤外線分光光度計では、試料上の複数位置における膜厚を素早く測定することができず、インラインでの膜厚測定を行うことが困難だった。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、試料上における赤外光束の照射位置を測定中に自由に移動させることができる膜厚測定装置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】
【０００６】
本発明の膜厚測定装置は、
赤外分光法による膜厚測定装置であって、
赤外光束を出射する光出射ユニットと、
試料を経由した前記赤外光束を検出する検出器と、
前記赤外光束を前記光出射ユニットから前記試料を経由して前記検出器へと導く導光手段と、を備え、
前記導光手段は、前記光出射ユニット、前記検出器及び前記試料に対して移動することにより前記赤外光束を照射する位置を移動させることができる。
【０００７】
本発明の膜厚測定装置において、導光手段が光出射ユニット、検出器及び試料に対して移動することにより、赤外光束を照射する位置を移動させることができる。これにより、本発明の膜厚測定装置は、試料上における赤外光束の照射位置を測定中に自由に移動させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、試料上における赤外光束の照射位置を測定中に自由に移動させることができる膜厚測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る膜厚測定装置を示す側面図である。
【図２】実施の形態１に係る膜厚測定装置を示す平面図である。
【図３】実施の形態１に係る光出射ユニットの内部の構成を示す図である。
【図４】実施の形態１に係る膜厚測定装置を用いた薄膜試料の良否判定方法を示すフローチャートである。
【図５】波数が１５００ｃｍ−１から９００ｃｍ−１の範囲における電解質層の赤外線スペクトルを示す図である。
【図６】波数が１２５０ｃｍ−１から４５０ｃｍ−１の範囲における補強層の赤外線スペクトルを示す図である。
【図７】波数９９０ｃｍ−１付近のピークの検量線を示す図である。
【図８】波数１３２５ｃｍ−１付近のピークの検量線を示す図である。
【図９】図７で示した検量線の上に良品部と不良部のピーク面積の算出結果を載せた図である。
【図１０】電解質膜の搬送速度を変化させて、良品部と不良部における電解質膜の厚さを算出した結果を示す図である。
【図１１】トラバース計測による膜厚測定における赤外光束の照射位置の一例を示す図である。
【図１２】トラバース計測による電解質層の膜厚測定結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［実施の形態１］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る膜厚測定装置１０は、光出射ユニット１と、検出器２と、ミラー３，４と、ステージ５と、制御部（不図示）と、を有する。膜厚測定装置１０は、赤外分光法により試料Ｓの膜厚を測定する。膜厚測定装置１０は分光光度計を用いた膜厚測定装置であり、光出射ユニット１と、検出器２と、ミラー３，４と、により分光光度計が構成される。ステージ５の上に試料Ｓを配置して、膜厚測定を行う。
【００１１】
光出射ユニット１は、赤外光束を出射する。光出射ユニット１から出射される赤外光束は平行光束であることが好ましく、赤外光束の波長は、波数４０００ｃｍ−１から４００ｃｍ−１となる範囲が好ましい。赤外光束は集光光束であってもよいが、平行光束の方が光を照射するスポット径を大きくすることができる。検出器２は、試料Ｓを経由した後の赤外光束の強度を検出する。本実施の形態では、試料Ｓを透過した赤外光束の強度を検出する。
【００１２】
図３に示すように、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ：Fourier Transform Infrared Spectroscopy）を用いる場合には、光出射ユニット１は、赤外光源１１と、ビームスプリッタ１２と、固定鏡１３と、移動鏡１４と、を有する。赤外光源１１、ビームスプリッタ１２、固定鏡１３、及び移動鏡１４は、マイケルソン干渉計を構成するように配置されている。
【００１３】
赤外光源１１は、赤外線を発する光源であり、例えば、高輝度セラミック光源を用いることが好ましい。ビームスプリッタ１２は、入射した光束の光路を２つに分割する。ビームスプリッタ１２により分割された光束の強度は、それぞれ入射時の約半分になる。固定鏡１３は、光束を反射するミラーであり、固定鏡１３により反射された光が、参照光になる。移動鏡１４は、光束を反射するミラーであり、光軸に沿った方向に移動することができる。移動鏡１４により反射された光束Ｒ２と参照光の光束Ｒ１とにより干渉光が生成される。移動鏡１４の移動量により検出器２で検出される干渉光の強度は変化する。
【００１４】
図１に示すように、ミラー３，４は、光出射ユニット１から出射された赤外光束を、試料Ｓを経由して検出器２に導く。一対のミラー３，４は試料Ｓを挟んで配置されており、一方のミラー３は光出射ユニット１側に配置され、他方のミラー４は検出器２側に配置されている。一対のミラー３，４は、光出射ユニット１から検出器２への導光手段として働く。
【００１５】
ミラー３，４は、試料Ｓ上を移動することにより赤外光束を照射する位置を移動させることができる。本実施の形態に係る膜厚測定装置１０では、ミラー３，４は図中のＸ軸方向に移動することができる。例えば、ミラー３，４を支持する支持部材がレール上をスライドすることにより、ミラー３，４が移動する構成としてもよい。
【００１６】
膜厚測定装置１０は、ステージ５上において試料ＳをＹ軸方向に移動させることができる。試料Ｓを載せるステージ５がレール上を移動する構成でもよいし、ステージ５がベルトコンベア上になっていて、試料ＳがベルトコンベアによりＹ軸方向に移動する構成でもよい。
【００１７】
膜厚測定装置１０は、試料Ｓ上における赤外光束の照射位置の移動パターンを変えることにより、ライン計測やトラバース計測を行うことができる。ライン計測では、ミラー３，４のＸ軸方向の位置を固定して、試料ＳをＹ軸方向に移動させる。トラバース計測では、ミラー３，４をＸ軸方向に移動させるとともに、試料ＳをＹ軸方向に移動させる。
【００１８】
制御部は、ミラー３，４の移動を制御するとともに、検出器２の検出結果から赤外線スペクトルを算出する。ＦＴ−ＩＲの場合には、検出器２の検出結果に対してフーリエ変換を行うことにより赤外線スペクトルを算出する。制御部としては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いることができる。パーソナルコンピュータ上で特定のプログラムを実行することにより、ミラー３，４の制御及び赤外線スペクトルの算出を行うことができる。
【００１９】
図４を用いて、本実施の形態に係る膜厚測定装置１０を用いた薄膜試料の良否判定方法について説明する。まず、図２中のバックグラウンド測定領域ＡＢに赤外光束の照射位置が来るようにミラー３，４を移動させて、試料Ｓに赤外光束を当てていない状態において、検出器２に入射する赤外光束の強度を測定し、バックグラウンドを測定する（ＳＴ４０１）。
【００２０】
次に、試料Ｓ上の所望の測定位置に赤外光束が照射されるように、ミラー３，４を試料Ｓ上で移動させ、赤外光束の照射位置を移動させる（ＳＴ４０２）。そして、試料Ｓ上の所望の測定位置に赤外光束を照射し、試料Ｓを透過した赤外光束を検出器２で検出し、赤外線スペクトルを測定する（ＳＴ４０３）。
【００２１】
次に、赤外線スペクトルの測定結果から、予め定めておいた波数付近に現れるピークのピーク面積を算出する（ＳＴ４０４）。例えば、波数が１５００ｃｍ−１から９００ｃｍ−１の付近に生じるピークに囲まれる面積を計算する。
【００２２】
次に、算出されたピーク面積を、予め作成しておいた検量線におけるピーク面積と比較することにより、試料Ｓの膜厚を算出する（ＳＴ４０５）。検量線は、複数の膜厚が既知の試料Ｓについて赤外線スペクトルを測定して、それらのピーク面積を算出し、膜厚とピーク面積との関係の近似直線を求めることにより作成される。
【００２３】
次に、算出された膜厚が、予め定めた基準範囲内に入っているか判定を行う（ＳＴ４０６）。算出された膜厚が基準範囲内に入っていない場合（ＳＴ４０６  ＮＯ）、試料Ｓを不良品と判定し（ＳＴ４０９）、測定を終了する。
【００２４】
算出された膜厚が基準範囲内に入っている場合（ＳＴ４０６  ＹＥＳ）、全ての測定位置について赤外線スペクトルを算出したか判定する（ＳＴ４０７）。全ての位置について赤外線スペクトルを算出していないと判定した場合（ＳＴ４０７  ＮＯ）、次の測定位置に照射位置を移動させ（ＳＴ４０２）、次の測定位置において赤外線スペクトルを測定する（ＳＴ４０３）。全ての位置について赤外線スペクトルを算出したと判定した場合（ＳＴ４０７  ＹＥＳ）、試料Ｓを良品と判定し（ＳＴ４０８）、測定を終了する。
【００２５】
以上説明したように、本実施の形態に係る膜厚測定装置１０によれば、ミラー３，４（導光手段）が光出射ユニット１、検出器２及び試料Ｓに対して移動することにより、赤外光束を照射する位置を移動させることができる。これにより、本発明の膜厚測定装置１０は、試料Ｓ上における赤外光束の照射位置を測定中に自由に移動させることができる。
【実施例】
【００２６】
燃料電池用の高分子電解質膜を試料Ｓとして用いた実施例について説明する。電解質膜は、電解質層と補強層とが張り合わされた構成となっている。膜厚測定装置１０により電解質層又は補強層を透過した赤外線スペクトルを測定した。図５及び図６に、膜厚測定装置１０で測定した赤外線スペクトルの例を示す。図５及び図６の横軸は波数［ｃｍ−１］であり、縦軸は吸光度である。図５及び図６に示す赤外線スペクトルは、それぞれ同じ膜厚の試料について３箇所測定した結果の平均値である。
【００２７】
図５は、波数が１５００ｃｍ−１から９００ｃｍ−１の範囲における電解質層の赤外線スペクトルを示す。燃料電池用の電解質層は、スルホン酸基（−ＳＯ２）を有するフッ素系ポリマーであり、電解質層の赤外線スペクトルはスルホン酸基に対応する波数１３２５ｃｍ−１、９００ｃｍ−１付近のピークを有する。
【００２８】
図６は、波数が１２５０ｃｍ−１から４５０ｃｍ−１の範囲における補強層の赤外線スペクトルを示す。燃料電池用の補強層は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であり、補強層の赤外線スペクトルは−ＣＦ２−に対応する波数５５６ｃｍ−１付近のピークを有する。
【００２９】
次に、膜厚測定に用いる検量線を作成した。図７は、波数９９０ｃｍ−１付近のピークの検量線を示す図である。図８は、波数１３２５ｃｍ−１付近のピークの検量線を示す図である。複数の膜厚が既知の電解質膜（試料Ｓ）について赤外線スペクトルを測定し、赤外線スペクトルのピーク面積を測定した。電解質膜は、電解質層の膜厚５．０μｍ、８．０μｍ、９．０μｍ、１０．０μｍのものを用いた。検量線は、膜厚とピーク面積との関係をプロットし、近似直線を求めることにより作成された。図７及び図８において、近似直線の相関係数はｒ２＝０．９９９であった。
【００３０】
図７及び図８に示す検量線を作成するとき、各試料で５か所についてピーク面積を測定し、それらの平均値を用いた。図７及び図８には各試料におけるピーク面積の最大値と最小値が誤差範囲（エラーバー）として示されている。赤外線スペクトルの測定において、波数は４０００ｃｍ−１から４００ｃｍ−１の範囲であり、ミラー３，４の移動速度は２０ｍｍ／秒であり、測定スピードは１．２秒／２データである。
【００３１】
次に、電解質層の膜厚が１０．０μｍの電解質膜の良品部と不良部について、電解質膜を静止させた状態で赤外線スペクトルを測定し、波数９９０ｃｍ−１付近のピークのピーク面積を算出した。ここで、不良部とは、電解質膜の表面に電解質層が無く、補強層が露出している部位のことをいう。
【００３２】
図９は、図７で示した検量線の上に良品部と不良部のピーク面積の算出結果を載せた図である。図９では、良品部は○印、不良部は×印で示されている。図９に示すように、良品部のピーク面積は概ね検量線上に乗っているが、不良部におけるピーク面積は検量線から外れている。
【００３３】
次に、ミラー３，４の位置を固定し、電解質膜のみを移動させながら、１．２秒間隔で赤外線スペクトルを取得し、電解質層の厚さを算出した。図１０に、電解質膜の搬送速度を変化させて、良品部と不良部における電解質層の厚さを算出した結果を示した。図１０では、良品部は○印、不良部は×印で示されている。図１０において、搬送速度が１０ｍ／分のときでも、良品部と不良部との間に、ＦＴ−ＩＲにより算出された電解質層の膜厚の違いが見られた。これにより、搬送速度が１０ｍ／分のときでも、ＦＴ−ＩＲにより電解質層の良否判定が可能であるといえ、本実施例に係る膜厚測定装置１０がインラインでの良否判定に有効であることが示された。
【００３４】
次に、ミラー３，４をＸ軸方向、電解質膜をＹ軸方向に移動させながら、トラバース計測による膜厚測定を行った。図１１に示すように、赤外光束の照射位置を電解質膜上でジグザグに移動させて、各点における赤外線スペクトルを測定し、電解質層の膜厚を算出した。
【００３５】
図１２に、トラバース計測による膜厚測定結果の一例を示す。図１１中の１番の測定位置から順番に膜厚を測定していくと、２５番の測定位置の膜厚は、他の測定位置の膜厚と比べて小さくなっている。このことから、２５番の測定位置は不良部であることがわかる。
【００３６】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明はフーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）を用いた膜厚測定装置に限定されるものではなく、その他の赤外分光法を用いた膜厚測定装置にも適用することができる。また、本発明は試料Ｓを透過させた赤外光束を検出する膜厚測定装置に限定されるものではなく、試料Ｓで反射させた赤外光束を検出する膜厚測定装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１            光出射ユニット
２            検出器
３，４            ミラー
５            ステージ
１０            膜厚測定装置
１１            赤外光源
１２            ビームスプリッタ
１３            固定鏡
１４            移動鏡
ＡＢ            バックグラウンド測定領域
Ｓ            試料
【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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【図９】
2016138798.tif 000011
【図１０】
2016138798.tif 000012
【図１１】
2016138798.tif 000013
【図１２】
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