特開 2022-108424 貫通孔検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022108424

(43)【公開日】2022-07-26

(54)【発明の名称】貫通孔検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/59 20060101AFI20220719BHJP

   G01B 11/12 20060101ALI20220719BHJP

【ＦＩ】

G01N21/59 Z

G01B11/12 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021003403

(22)【出願日】2021-01-13

(71)【出願人】

【識別番号】520169166

【氏名又は名称】西野 朋季

(71)【出願人】

【識別番号】501441094

【氏名又は名称】アクシス・ネット株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100113712

【弁理士】

【氏名又は名称】野口 裕弘

(72)【発明者】

【氏名】西野 朋季

(72)【発明者】

【氏名】塙 昇

(72)【発明者】

【氏名】上田 高義

(72)【発明者】

【氏名】長谷部 仁志

【テーマコード（参考）】

2F065

2G059

【Ｆターム（参考）】

2F065AA27

2F065BB01

2F065CC17

2F065DD02

2F065DD03

2F065DD16

2F065GG04

2F065GG21

2F065HH15

2F065JJ18

2F065PP15

2F065PP25

2F065QQ21

2F065QQ25

2F065RR06

2F065SS13

2G059AA05

2G059BB08

2G059EE01

2G059EE11

2G059GG01

2G059HH02

2G059HH06

2G059KK01

2G059MM05

2G059PP04

(57)【要約】

【課題】真空が不要で、微小な貫通孔を容易に検出する。
【解決手段】貫通孔検出装置１は、試料２における貫通孔２１を検出するための装置である。貫通孔検出装置１は、光源部３と、光検出器４とを備える。光源部３は、所定波長の光を出射する。光検出器４は、その波長の光エネルギーの大きさを検出する。光源部３は、光検出器４に向けて光を出射する。試料２は、貫通孔２１が無い場合には光源部３が出射する波長の光を遮る物である。試料２は、光源部３と光検出器４との間に位置する。光源部３が出射する光の所定波長は、検出対象の貫通孔２１の孔径よりも長い。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料における貫通孔を検出するための貫通孔検出装置であって、
所定波長の光を出射する光源部と、
前記波長の光のエネルギーの大きさを検出する光検出器とを備え、
前記光源部は、前記光検出器に向けて光を出射し、
前記試料は、貫通孔が無い場合には前記波長の光を遮る物であり、前記光源部と前記光検出器との間に位置し、
前記所定波長は、検出対象の貫通孔の孔径よりも長いことを特徴とする貫通孔検出装置。

【請求項2】

前記光検出器の出力を表示する表示部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の貫通孔検出装置。

【請求項3】

前記光検出器の出力が入力される判定部をさらに備え、
前記判定部は、前記光検出器の出力が所定の閾値より大きいとき、前記試料に貫通孔が存在すると判定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の貫通孔検出装置。

【請求項4】

前記判定部は、前記光検出器の出力の大きさに基づいて、前記試料に存在する貫通孔の孔径を定量的に判定することを特徴とする請求項３に記載の貫通孔検出装置。

【請求項5】

前記試料を支持する支持部をさらに備え、
前記支持部は、前記光源部と前記光検出器との間に前記試料を支持することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の貫通孔検出装置。

【請求項6】

検出対象の貫通孔の孔径は、可視光の波長よりも小さく、
前記光源部が出射する光は、可視光であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の貫通孔検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、微小な貫通孔を検出するための貫通孔検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

センサやフィルタ等の製造において、孔径１μｍ未満の微小な貫通孔（ナノポア）の有無や孔径を検出するニーズがある。一般的に、高精度な微細加工プロセスで用いられる評価装置として走査型電子顕微鏡がある（例えば、特許文献１参照）。しかし、走査型電子顕微鏡は、構造が複雑で大掛かりで、高コストのため、製造ラインに組み込むことが容易ではない。また、走査型電子顕微鏡で微細構造を評価するには、真空の環境場が必要である。このため、走査型電子顕微鏡は、真空中の電子ビームによる蒸着で製品を汚染することがあり（コンタミネーション）、製品の品質保証を行うための装置として適しているとはいえない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－１１０８６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、上記問題を解決するものであり、真空が不要で、微小な貫通孔を容易に検出することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の貫通孔検出装置は、試料における貫通孔を検出するための装置であって、所定波長の光を出射する光源部と、前記波長の光のエネルギーの大きさを検出する光検出器とを備え、前記光源部は、前記光検出器に向けて光を出射し、前記試料は、貫通孔が無い場合には前記波長の光を遮る物であり、前記光源部と前記光検出器との間に位置し、前記所定波長は、検出対象の貫通孔の孔径よりも長いことを特徴とする。

【0006】

この貫通孔検出装置において、前記光検出器の出力を表示する表示部をさらに備えることが好ましい。

【0007】

この貫通孔検出装置において、前記光検出器の出力が入力される判定部をさらに備え、前記判定部は、前記光検出器の出力が所定の閾値より大きいとき、前記試料に貫通孔が存在すると判定することが好ましい。

【0008】

この貫通孔検出装置において、前記判定部は、前記光検出器の出力の大きさに基づいて、前記試料に存在する貫通孔の孔径を定量的に判定することが好ましい。

【0009】

この貫通孔検出装置において、前記試料を支持する支持部をさらに備え、前記支持部は、前記光源部と前記光検出器との間に前記試料を支持することが好ましい。

【0010】

この貫通孔検出装置において、検出対象の貫通孔の孔径は、可視光の波長よりも小さく、前記光源部が出射する光は、可視光であることが好ましい。

【発明の効果】

【0011】

本発明の貫通孔検出装置によれば、光のエネルギーで貫通孔を検出し、電子線を用いないので、真空が不要であり、シンプルな構成により微小な貫通孔を容易に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係る貫通孔検出装置のブロック構成図。

【図2】同装置の斜視図。

【図3】同装置の側面図。

【図4】同装置における支持部のサンプルテーブルの断面図。

【図5】同装置による検出原理を説明するための概念図。

【図6】実施形態の変形例に係る貫通孔検出装置のブロック構成図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の一実施形態に係る貫通孔検出装置について図１乃至図５を参照して説明する。図１に示すように、貫通孔検出装置１は、試料２における貫通孔２１を検出するための装置である。貫通孔検出装置１は、光源部３と、光検出器４とを備える。光源部３は、所定波長の光を出射する。光検出器４は、その波長の光エネルギーの大きさを検出する。光源部３は、光検出器４に向けて光を出射する。試料２は、貫通孔２１が無い場合には光源部３が出射する波長の光を遮る物である。試料２は、光源部３と光検出器４との間に位置する。光源部３が出射する光の所定波長は、検出対象の貫通孔２１の孔径よりも長い。

【0014】

貫通孔検出装置１は、光源部３及び光検出器４以外に、支持部５と、表示部６とを備える。支持部５は、試料２を支持する部材であり、光源部３と光検出器４との間に試料２を支持する。表示部６は、光検出器４の出力を表示する。

【0015】

試料２の材料は、例えば、シリコン（Ｓi）である。試料２の材料は、遮光性があればよく、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂であってもよい。

【0016】

貫通孔検出装置１の構成について詳述する。図２及び図３に示すように、光源部３は、レーザ装置であり、所定波長のレーザ光を出射する。

【0017】

光検出器４は、光のエネルギーを電気エネルギーに変換するフォトセンサである。光検出器４は、光源部３が出射する波長域の光を受光すると、受光した光のエネルギーの大きさに応じた電流を出力する。表示部６は、電流計を有する（図１参照）。

【0018】

支持部５は、サンプルテーブル５１と、ベースプレート５２と、アーム部５３とを有する（図２参照）。サンプルテーブル５１は、上面に凹部５１１を有する。その凹部５１１に試料２（サンプル）が載置される。サンプルテーブル５１は、ベースプレート５２上に固定される。ベースプレート５２は、平板状の基部である。アーム部５３は、ベースプレート５２に基端側が支持され、光源部３を光検出器４の上方に支持する。光源部３の光軸は、光検出器４に向いている。図４に示すように、サンプルテーブル５１は、フォトセンサ（光検出器４）を支持するセンササポートを兼ねる。なお、支持部５は、このような構成に限定されず、例えば、ベルトコンベアやロボットアーム等の搬送装置を有してもよい。

【0019】

上記のように構成された貫通孔検出装置１による貫通孔の検出について説明する。光源部３は、光を出射する（図３参照）。光源部３と光検出器４との間に光を遮る物が無ければ、光源部３から出射された光は、光検出器４に直接入射する。

【0020】

光源部３と光検出器４との間に試料２があれば、光源部３から出射された光は、試料２を照射する。試料２に貫通孔が無い場合、光源部３から出射された光は、試料２に遮られ、光検出器４に入射しない。

【0021】

本願の発明者が行った実験によれば、試料２における光が照射される範囲に貫通孔２１がある場合、光検出器４は、光源部３から出射された波長の光のエネルギーを検出する。光源部３が出射する光の強さ及び波長が同じであれば、貫通孔２１の孔径が大きいほど、光検出器４が検出する光のエネルギーが大きい。この実験結果は、再現性を有する。

【0022】

ここで、貫通孔２１の検出について説明する。光で物を観測するためには、その物の大きさよりも短い波長の光を用いる必要がある（自然法則）。このため、微小な物の観測には、光（電磁波）ではなく、電子（物質波）を用いる必要がある。このような従来の技術常識によれば、貫通孔２１の孔径よりも長い波長の光を用いて、貫通孔２１の有無や孔径を知ることはできないはずである。

【0023】

ところが、本願の発明者は、貫通孔２１の孔径よりも長い波長の光であっても、その光のエネルギーの一部が貫通孔２１を通り抜ける現象を実験により発見した。その実験によれば、貫通孔２１を通り抜ける光のエネルギーの大きさは、貫通孔２１の孔径と対応関係がある。この現象を利用することにより、貫通孔２１の孔径よりも長い波長の光を用いて、貫通孔２１の有無や孔径を検出することができる。

【0024】

貫通孔２１の位置検出については、存在が検出された貫通孔２１は、試料２における光が照射される範囲内に位置する。

【0025】

ただし、貫通孔２１の孔径よりも長い波長の光によって、その貫通孔２１の像を得ることはできない。つまり、貫通孔２１の有無や孔径が光のエネルギーから間接的に分かっても、量子力学の不確定性原理に反しない。

【0026】

量子力学では、光路が試料２で遮られても、トンネル効果により、試料２の反対側に光が通り抜ける確率振幅は、極めて小さいものの、完全には０にならない。しかし、試料２の厚さ等から推論すると、光が試料２を通り抜けるトンネル効果は、小さ過ぎて、上述の現象を説明できない。

【0027】

古典論が適用されるマクロな世界では、貫通孔の孔径より大きな物体は、貫通孔を通り抜けることができない。しかし、上述の現象は、マクロな現象ではない。図５に示すように、光Ｌのエネルギーは、電磁場のエネルギー量子である光子Ｐによって運ばれる。光子Ｐは、大きさが無いので、試料２の貫通孔２１を通り抜ける確率が存在すると考えられる。なお、この説明は、上述の現象を説明するための発明者による一説であり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

【0028】

本実施形態の変形例として、貫通孔２１の有無や孔径を自動的に検出するように貫通孔検出装置１を構成してもよい。図６に示すように、本変形例では、貫通孔検出装置１は、判定部７をさらに備える。判定部７は、光検出器４の出力が入力される。判定部７は、光検出器４の出力が所定の閾値より大きいとき、試料２に貫通孔２１が存在すると判定する。

【0029】

判定部７は、ハードウェアとしてマイクロコントローラを有し、プログラムを実行することにより動作する。判定部７のマイクロコントローラは、ＣＰＵ７１、メモリ７２、入出力インターフェース等を有する。なお、判定部７は、光検出器４の出力を増幅する増幅器を有してもよい。また、貫通孔検出装置１がシステムに組み込まれる場合、そのシステムの制御装置を判定部７と兼用してもよい。

【0030】

この判定における所定の閾値は、光検出器４の誤差によって判定部７が誤判定をすることを防ぐために設定される。したがって、その閾値は、光検出器４が受光しないときの光検出器４の出力よりも大きい値に設定される。設定された閾値は、判定部７のメモリ７２に予め記憶される。なお、光検出器４の誤差が０、すなわち、光検出器４が受光しないときの光検出器４の出力が０であれば、その閾値は０であってもよい。

【0031】

判定部７は、光検出器４の出力の大きさに基づいて、試料２に存在する貫通孔２１の孔径を定量的に判定する。

【0032】

光検出器４の出力の大きさに対応する貫通孔２１の孔径は、実験に基づいて決められた数式として判定部７のメモリ７２に予め記憶される。光検出器４が検出する光のエネルギーの大きさと、貫通孔２１の孔径とは、対応関係があるからである。

【0033】

光検出器４の出力の大きさに対応する貫通孔２１の孔径をデータテーブルとしてメモリ７２に予め記憶してもよい。例えば、貫通孔２１が特定の孔径であることを貫通孔検出装置１で評価する場合、その特定の孔径に対応する光検出器４の出力の大きさがメモリ７２に予め記憶される。

【0034】

以上、本実施形態に係る貫通孔検出装置１によれば、光のエネルギーで貫通孔２１を検出し、電子線を用いないので、真空が不要であり、シンプルな構成により微小な貫通孔２１を容易に検出することができる。

【0035】

貫通孔検出装置１が表示部６を有することにより、貫通孔検出装置１を貫通孔２１の有無や孔径を検出する測定器として用いることができる。

【0036】

貫通孔検出装置１が判定部７を有することにより、貫通孔検出装置１で自動的に貫通孔２１の有無や孔径を判定することができる。

【0037】

光源部３が出射する光を可視光とすることにより、光源部３が出射する光が試料２を照射する範囲を容易に確認することができる。また、可視光を出射する光源部３は、可視光より短波長の光源よりも低コストである。

【0038】

貫通孔検出装置１は、走査型電子顕微鏡を用いる場合と比べて、真空が不要であるので、試料２への汚染物質の蒸着（コンタミネーション）が起こらない。貫通孔の測定を非常に短時間に行うことができる。装置の構成がシンプルであるので、低コストである。

【0039】

このような特長により、貫通孔検出装置１は、製造ラインに組み込むことが容易であり、様々な用途に用いることができる。例えば、貫通孔検出装置１は、製造工程における校正等に工業的に用いることができる。また、貫通孔検出装置１は、半導体製造工程に用いることができる。貫通孔検出装置１は、バイオセンサにおける、大きさ１００ｎｍ程度のウイルスが通過する孔の正確な評価に用いることができる。貫通孔検出装置１は、マイクロ流路の加工精度の評価に用いることができる。貫通孔検出装置１によって、フィルタの透過膜や、燃料電池のセパレータにおける微細な孔を正確に評価することができる。

【0040】

本発明の実施例として、複数の試料２を作り、貫通孔検出装置１（図２参照）を用いて、試料２の貫通孔２１を検出する実験を行った。

【0041】

貫通孔検出装置１の光源部３として、青色レーザ（波長４０５ｎｍ）を出射するレーザ装置（出力１ｍＷ）と、赤色レーザ（波長６５０ｎｍ）を出射するレーザ装置（出力３ｍＷ）とを用意した。

【0042】

光検出器４として、受光領域が１．３０ｍｍ四方の正方形であるフォトセンサを用いた。その受光面積は、１．３０ｍｍ×１．３０ｍｍ＝１．６９×１０^－６ｍ^２である。

【0043】

光検出器４が外部の影響によるデータを出力しないようにするため、貫通孔検出装置１を、ノイズ除去効果を有する暗箱（シールドボックス）に入れて実験した。

【0044】

光検出器４が受光しないときの光検出器４の出力（暗電流）は、１０ｐＡ（１．００×１０^－１１Ａ）であった。この暗電流は、光検出器４の誤差である。

【0045】

光検出器４が光源部３から青色レーザを直接受光したとき（試料２が無い状態）、光検出器４の出力は、青色光による飽和電流１．２０ｍＡであった。受光面積に対するその飽和電流の電流密度は、１．２０ｍＡ／（１．６９×１０^－６ｍ^２）＝７．１０×１０^２Ａ／ｍ^２である。

【0046】

光検出器４が光源部３から赤色レーザを直接受光したとき（試料２が無い状態）、光検出器４の出力は、赤色光による飽和電流１．３０ｍＡであった。

【0047】

試料２として、シリコンウエハを用いた。各試料２にエッチングによって貫通孔２１を１つ形成した。貫通孔２１の孔径がそれぞれ２００ｎｍ、３００ｎｍである試料２を用意した。孔径２００ｎｍ、３００ｎｍは、青色レーザの波長（４０５ｎｍ）及び赤色レーザの波長（６５０ｎｍ）よりも小さい。また、比較用として、貫通孔２１の孔径が１０００ｎｍである試料を用意した。孔径１０００ｎｍは、青色レーザの波長（４０５ｎｍ）及び赤色レーザの波長（６５０ｎｍ）よりも大きい。形成した貫通孔の孔径は、予め走査型電子顕微鏡で確認した。その電子顕微鏡像によれば、貫通孔の開口形状は、ほぼ円であった。

【0048】

（比較例１）
試料における光が照射される範囲内に貫通孔が無い場合、光検出器４の出力は、暗電流であった。光源部３が出射する光は、試料に遮られ、光検出器４で受光されないので当然の結果である。

【0049】

（比較例２）
孔径１０００ｎｍの貫通孔を有する試料を用いた。光源部３から青色レーザを出射した。青色レーザの波長４０５ｎｍは、貫通孔の孔径１０００ｎｍよりも短い。光検出器４の出力は、２．７０×１０^－１０Ａであった。この出力は、暗電流より大きく、青色レーザが貫通孔を通り抜けたことが確認された。

【0050】

貫通孔に照射された青色レーザが全て光検出器４で受光される場合、光検出器４の出力の計算値は、前述した電流密度７．１０×１０^２Ａ／ｍ^２×貫通孔の開口面積π（５．００×１０^－７ｍ）^２＝５．５７×１０^－１０Ａとなる（πは円周率）。光検出器４の出力の実測値は、その計算値と同じオーダー（桁）の数値であった。

【実施例0051】

孔径３００ｎｍの貫通孔２１を有する試料２を用いた。光源部３から青色レーザを出射した。青色レーザの波長４０５ｎｍは、貫通孔２１の孔径３００ｎｍよりも長い。光検出器４の出力は、４．７０×１０^－１１Ａであった。この出力は、暗電流より大きく、青色レーザが貫通孔２１を通り抜けたことが確認された。

【実施例0052】

孔径２００ｎｍの貫通孔２１を有する試料２を用いた。この孔径は、実施例１よりも小さい。それ以外の条件は、実施例１と同じにした。光検出器４の出力は、３．５０×１０^－１１Ａであった。貫通孔２１の孔径を小さくすると、光検出器４の出力が小さくなった。

【0053】

孔径１０００ｎｍ、３００ｎｍ、２００ｎｍの貫通孔の開口面積の比は、π（１０００ｎｍ）^２：π（３００ｎｍ）^２：π（２００ｎｍ）^２＝１：０．０９：０．０４である。各孔径に対応する光検出器４の出力は、それぞれ、２．７０×１０^－１０Ａ、４．７０×１０^－１１Ａ、３．５０×１０^－１１Ａであった。光検出器４の出力から暗電流１．００×１０^－１１Ａを引くと、各孔径に対応する光検出器４の出力の比は、２．６０×１０^－１０Ａ：３．７０×１０^－１１Ａ：２．５０×１０^－１１Ａ＝１：０．１４：０．０９６であった。光検出器４の出力と、貫通孔２１の開口面積とは、比例関係から若干の乖離が見られるが、対応関係（正の相関関係）がある。