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工業製品検査用の非破壊・非接触光断層計測システム

和歌山大学 システム工学部

准教授 尾崎 信彦

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Outline

• これまでの研究– 半導体量子ドットを用いた近赤外広帯域光源開発

および医療用光断層イメージング(OCT)への応用

• 今回の提案技術– 可視光広帯域光源による工業用途非破壊・非接触

光断層計測および画像取得

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• 生体表皮から1~2mmの断面を非侵襲に観察可能• 分解能約10m• 面内方向走査による2D,3D断層画像取得

Inte

nsity

Wavelength

Low Coherence Light Source

Det

ecto

r

Sample(OCT image)

Mirror

Axial

http://www.shec.jp/oct.html

OCTで観察された眼底

http://www.saiseikai-shiga.jp/jusin/sinryo/me/oct1000.html

3D画像

医療用OCT : 光干渉断層計

•コヒーレンス長(lC)内の局所範囲での干渉強度を光軸方向に測定

•生体組織による反射率（屈折率）変化をコントラスト表示

•面内方向走査による2D,3D画像

Lateral

Axi

al

Inte

nsi

ty

Wavelength

0

OCT光軸方向分解能：

大→高分解能

Low-coherenceLight Source

Z観察対象：生体サンプル

参照ミラー

OCTの原理

Detector

OCTの（光軸）分解能は、用いる光源の帯域と中心波長によって決まる

医療用途での光源波長：近赤外波長帯（生体の窓）

画像範囲を確保するために近赤外波長帯(0.7～1.3mm)に光源波長を設定する必要がある

近赤外広帯域光源材料：GaAs基板上InAs量子ドット(QD)

100nm

QDのサイズ：高さ 約5nm 直径 約40nm密度 約4.0×1010個/cm2

AFM像

一定のサイズ分布を有する

格子不整合による歪誘起成長（S-Kモード成長）

近赤外波長帯(1~1.3m)で広帯域発光

1100 1200 1300Wavelength [nm]

EL In

tens

ity [a

rb. u

.]

26.7 A/cm2

400 A/cm2J=

200 A/cm285 nm

電流注入型デバイスからのEL発光

Nanomater. Nanotechnol. 4, 26 (2014).JJAP 54, 04DG07 (2015).

市販SLD[mm]

近赤外広帯域QD光源で取得したOCT画像

QD-SLD光源でキャベツの表皮構造の高分解断層画像取得に成功

QD-SLD

深さ

方向

[mm]

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Outline

• これまでの研究– 半導体量子ドットを用いた近赤外広帯域光源開発

および医療用光断層イメージング(OCT)への応用

• 今回の提案技術– 可視光広帯域光源による工業用途非破壊・非接触

光断層計測および画像取得

可視光光源スペクトル

光源中心波長を可視光とすることで光軸分解能1 m以下が見込まれる(m-OCT)

400 500 600 700 800 9000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Inte

nsity

(arb

.u.)

Wavelength (nm)

0:625 nm:260 nm

0

可視光光源m-OCT

PSF予測光軸分解能

③ - ( ① + ② )＝④（干渉成分）の逆フーリエ変換→ 実空間での反射率プロファイル

2.8 m= 2.0×1.4(屈折率)

サンプル模式図

干渉成分

SD-OCT方式でのデータ処理

可視光OCT画像

0.1mm 10m

市販近赤外OCT画像

可視光を用いることで薄膜表面および裏面の識別化→近赤外光源を可視光光源に変えることで高分解能化を実現

0.1mm

10m

薄膜サンプルの2次元断層画像観測物：ニトロセルロース膜（膜厚2m）

20m

30m

粘着テープの光学顕微鏡画像

可視光OCTプロファイルでのピーク間距離は基材と粘着層厚に屈折率1.5を乗じた値に対応

可視光OCTを用いて透明多層構造を観測可能

薄膜多層構造サンプル（粘着テープ）断層プロファイル

干渉成分のフーリエ変換後のスペクトル

26m

46m

26m

住友スリーエム社製 粘着テープ

可視光OCTを用いて透明薄膜多層構造の断層イメージングができることを実証

面内走査範囲(m)

奥行

き(

m)

粘着テープの画像化

粘着層

セロハン層

粘着層

薄膜多層構造サンプル（粘着テープ）断層イメージ

レジスト膜厚やエッチング中およびエッチング後の非破壊・非接触での導波路高さ測定が重要

加工精度を上げるために要求されるプロセス• 導波路エッチング加工時に塗布するレジスト膜厚の均一性• エッチング加工によって得られる導波路高さの正確な制御

伝搬光強度

更なる応用先：半導体微細加工プロセス

集積シリコンフォトニクスデバイスの例（NTT-AT HPより）

導波路端面出射型光源デバイスの例

出射光強度プロファイル 加工後の導波路断面SEM像

計測手法非破壊・

非接触計測面内局所領域計測

断層イメージング

多層構造計測

分解能

触針式段差計 × ○ × × 数百Å

走査型電子顕微鏡

(SEM) × ○ ○ △ 数十nm

光学的手法(エリプソメトリ) ○ △ × ○ 数nm

半導体微細加工プロセス時の断層計測手法

微細加工を施した半導体基板面内の局所領域を非破壊・非接触で計測できる方法は確立されていない

光を用いた断層画像取得手法であるOCTが新規な断層計測技術となりうる

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従来技術とその問題点

光を用いた既存の断層計測手法として、

• エリプソメトリ• 白色干渉法などがあるが、それぞれ、

• 面内局所領域の計測や断層イメージングが困難• 半導体などの光吸収材料に対する計測が困難といった問題がある。

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新技術の特徴・従来技術との比較

• 可視光OCTは集光プローブを用いてイメージングが可能であるため、面内の分解能を得やすい。

• 従来は光吸収材料では不可能とされた、多層構造の計測についても、新技術の導入により計測の可能性が見出された。

• 本技術の適用により、透明および不透明（光吸収材料）の多層構造を有する材料に対しても非破壊・非接触の断層計測・イメージングが期待される。

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想定される用途

• 半導体微細加工プロセス時の非破壊・非接触モニタリング技術

• 薄膜多層構造を有する工業製品の非破壊・非接触検査技術

• 透明フィルムコーティングやカラー塗装膜の検査、計測など

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実用化に向けた課題

• 光吸収材料について定量計測が可能であることを原理実証済みであるが、実測実証がこれからの段階である。

• 今後、様々な薄膜多層膜材料について実験データを取得し、条件最適化を施した上で実用化の目処を立てていく。

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称：断層構造の観測方法、観測装置、及びコンピュータプログラム

• 出願番号：特願2015-206611• 出願人：国立大学法人和歌山大学• 発明者：尾崎信彦、西 剛史、杉本喜正、池田直樹

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産学連携の経歴

• 2010年 JST研究成果展開事業(A-STEP)に採択• 2011年 JST研究成果展開事業(A-STEP)に採択• 2012年 日立造船株式会社と共同研究実施• 2014年 シンクランド株式会社と共同研究実施• 2015年 JST研究成果展開事業マッチングプランナー

プログラムに採択

（本技術以外も含む）

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お問い合わせ先

和歌山大学

産学連携・研究支援センター

TEL: 073-457-7575FAX: 073-457-7550e-mail: liaison@center.wakayama-u.ac.jp