露形状分布測定装置及び露形状分布測定方法
【課題】試料上で結露させた上で、露の形状及び分布を精度よく測定できるようにする。
【解決手段】測定装置１０は、試料台１６と、プローブ１８と、プローブ１８の先端部を振動させる励振部２０と、プローブ１８の先端部の振動に応じてプローブ１８の先端部と露又は試料Ｗとの接触又は近接を判定する判定部と、試料台１６に対するプローブ１８の相対的な位置を変えさせる変位機構２２と、試料台１６に対するプローブ１８の相対変位量を測定する相対変位量導出部と、試料表面を露点以下に冷却可能な冷却機構４８と、判定部による前記接触又は近接の有無及び相対変位量導出部によって導出された相対変位量に基づいて、冷却機構４８によって冷却された試料表面に発生した露の形状及び分布を測定する測定部と、が含まれている。
【解決手段】測定装置１０は、試料台１６と、プローブ１８と、プローブ１８の先端部を振動させる励振部２０と、プローブ１８の先端部の振動に応じてプローブ１８の先端部と露又は試料Ｗとの接触又は近接を判定する判定部と、試料台１６に対するプローブ１８の相対的な位置を変えさせる変位機構２２と、試料台１６に対するプローブ１８の相対変位量を測定する相対変位量導出部と、試料表面を露点以下に冷却可能な冷却機構４８と、判定部による前記接触又は近接の有無及び相対変位量導出部によって導出された相対変位量に基づいて、冷却機構４８によって冷却された試料表面に発生した露の形状及び分布を測定する測定部と、が含まれている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、露形状分布測定装置及び露形状分布測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に開示されているように液膜の膜厚を測定可能な膜厚測定装置が知られている。この特許文献の膜厚測定装置では、基材上の液膜に対してプローブをＺ軸方向（膜厚方向）に移動させて、プローブ先端部の振動減衰を利用することにより液膜の膜厚を測定することが可能となっている。
【０００３】
一方、下記非特許文献１に開示されているように、試料表面の結露水を顕微鏡で直接観察することが知られている。この方法では、数ｍｍオーダーから数μｍオーダーの結露を観察することができる。
【０００４】
また、下記非特許文献２に開示されているように、既知偏光状態の入射光を試料に反射させ、その反射光の偏光状態の変化から試料表面にある薄膜の厚さを導出することが知られている。
【０００５】
また、下記非特許文献３には、干渉計内の参照光と測定光間に複数の位相差を与え、そのときの干渉光の強度変化を測定することで、参照光と測定光の位相差を算出し、測定光の波長および位相差から試料各点における高さを求めることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００５／０９０９０９号パンフレット
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】井端他、ａｓｂｉｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ ２００６年１２月号、ｐ５２−６０、株式会社山武
【非特許文献２】”エリプソメトリーの基礎”、ジェー・エー・ウーラム・ジャパン株式会社、平成２０年７月３０日検索、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.jawjapan.com/Tutorial_1.html＞
【非特許文献３】Ｓｈｉｇｅａｋｉ Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ、”The measurement of tiny dew droplets at the initial deposition stage and dew point using a phase-shift interference microscope”、Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１４、２００３年、２０７５−２０８０、ＩＯＰ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｌｔｄ．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、電子機器等の精密機器において、結露による配線間の絶縁不良を原因とする故障の増加が懸念されている。また近年実用化されている鉛フリーはんだやナノ材料等においては、結露に伴う新たな種類の故障が発生しており、その故障メカニズムを明らかにすることが望まれている。また以前は不具合や故障の原因とならなかった微小結露が、今後、機器の寿命に影響を与える要因となるおそれもあるため、微小結露を正確に計測できる技術の開発が要望されている。しかしながら、前述した従来の技術には、液膜等の膜厚の測定を精度よくできるものはあるが、個々の水滴の形状を精度よく測定できるものはない。また結露を観察することはできても、個々の露の形状を精度よく測定できるものはない。
【０００９】
そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、試料上で結露させた上で、露の形状及び分布を精度よく測定できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本発明は、試料表面上の露の形状及び分布を測定する装置であって、試料がセットされる試料台と、プローブと、前記プローブの先端部を振動させる励振部と、前記プローブの先端部の振動に応じて前記プローブの先端部と前記露又は前記試料との接触又は近接を判定する判定部と、前記試料台に対する前記プローブの相対的な位置を変えさせる変位機構と、前記試料台に対する前記プローブの相対変位量を測定する相対変位量導出部と、試料表面を露点以下に冷却可能な冷却機構と、前記判定部による前記接触又は近接の有無及び前記相対変位量導出部によって導出された相対変位量に基づいて、前記冷却機構によって冷却された試料表面に発生した露の形状及び分布を測定する測定部と、が含まれている露形状分布測定装置である。
【００１１】
本発明では、冷却機構によって試料表面を露点以下に冷却することにより試料表面に結露させることができる。そして、プローブの先端部を振動させながら、試料台に対するプローブの相対的な位置を変え、プローブの先端部の振動に応じてプローブ先端部と露又は試料との接触又は近接を判定し、その判定結果に基づいて露の形状及び分布を測定する。つまり、プローブの先端部が露又は試料に接触又は近接するとせん断力を受けるので、プローブ振動の振幅が減衰する。測定部がこの減衰を検出するとともに、そのときのプローブの相対変位量を検出することにより露の形状及び分布を精度よく測定することができる。また、微小な露形状及び分布を測定することもできるので、濡れ性等の試料の物性測定への利用が可能となる。また試料の表面検査に利用することも可能となる。
【００１２】
ここで、前記変位機構は、前記試料台に対する前記プローブの相対的な位置を直交３軸方向にそれぞれ変えさせることができ、前記直交３軸方向におけるそれぞれの相対変位量を測定可能である変位測定部が設けられているのが好ましい。この態様では、直交３軸方向におけるそれぞれの相対変位量を測定するので、試料台に対するプローブの３次元位置を正確に算出することができ、この算出データを利用して露の形状及び分布を測定することができる。
【００１３】
また、前記励振部は、前記プローブに接触するように配設される水晶振動子と、前記水晶振動子の共振周波数の信号を発生させる信号発生部と、を有するのが好ましい。この態様では、プローブ先端部と露又は試料との接触により生ずる水晶振動子の共振特性の変化を利用するので、プローブと露又は試料との接触を正確に検出することができる。
【００１４】
また、前記冷却機構は、前記試料表面を冷却する冷却部と、前記試料表面の温度を検出する試料温度検出部と、前記試料表面の温度が所定の温度になるように前記冷却部を制御する試料温度制御部と、を有するのが好ましい。この態様では、試料表面を所定の温度に制御できるので、試料表面での結露量を正確に制御することができる。また試料表面での結露を再現性よく発生させることができるので、露形状及び分布の測定結果の信頼性を向上することができる。
【００１５】
前記冷却部は、ペルチエ素子の吸熱部によって構成されていてもよい。この態様では、ペルチエ素子への印加電圧により冷却能力を調整することができる。
【００１６】
これに代え、前記冷却部は、冷却空気を前記試料に接触させるように冷却空気を供給する冷風供給部を有してもよい。この態様では、試料に接触させる冷却空気流量又は冷却空気温度を調整することにより、冷却能力を調整することができる。
【００１７】
前記露形状分布測定装置は、前記試料を収納可能な測定空間を有する測定槽と、前記測定空間内に所定の温湿度の空気を流通させる空調部と、前記測定空間内の温度を検出する周囲温度検出部と、前記測定空間内の湿度を検出する周囲湿度検出部と、前記測定空間内の温度が所定の温度及び湿度になるように制御する環境制御部と、を有するのが好ましい。この態様では、試料周囲の温度及び湿度を調整するので、結露を再現性よく発生させることができる。このため露形状及び分布の測定結果の信頼性を向上することができる。
【００１８】
本発明は、試料表面上の露の形状及び分布を測定する方法であって、試料表面を露点以下に冷却する冷却ステップと、プローブの先端部を振動させながら、試料がセットされた試料台に対する前記プローブの相対的な位置を変え、前記先端部の振動に応じて前記先端部と前記露又は前記試料との接触又は近接を判定して、前記冷却ステップで冷却された試料表面に発生した露の形状及び分布を測定する測定ステップと、が含まれている露形状分布測定方法である。
【００１９】
前記冷却ステップ及び前記測定ステップにおいて、前記試料は、所定温度に制御された測定空間に収納されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、試料上で結露させた上で、露の形状及び分布を精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】前記測定装置の変位測定部及びＺ軸変位機構の構成を説明するための概略図である。
【図３】前記測定装置のＸ軸及びＹ軸変位機構の構成を説明するための概略図である。
【図４】前記測定装置の冷却部の構成を説明するための概略図である。
【図５】前記測定装置の制御系統の一部を示すブロック図である。
【図６】プローブと露又は試料との接触又は近接の検出を説明するための特性図である。
【図７】本発明のその他の実施形態に係る測定装置の概略構成を示す図である。
【図８】本発明のその他の実施形態による冷却部の構成を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る露形状分布測定装置（以下、単に測定装置という）１０は、試料表面で結露させて、その露の形状及び分布を測定するための装置であり、装置本体１２と試験制御部１４と空調部４２とを備えている。装置本体１２は、試料Ｗをセットするための試料台１６と、プローブ１８と、プローブ１８の先端部を振動させる励振部２０と、直交３軸方向において試料台１６に対するプローブ１８の相対的位置を変えさせる変位機構２２と、を備えている。
【００２４】
変位機構２２は、図３に示すように、試料台１６を水平面内のＸ軸方向に移動させるためのＸ軸変位機構２３と、試料台１６を水平面内のＹ軸方向（Ｘ軸方向と直交する方向）に移動させるためのＹ軸変位機構２４と、プローブ１８を垂直方向に移動させるためのＺ軸変位機構２５とを有する。
【００２５】
図２にも示すように、Ｚ軸変位機構２５は、Ｚ軸ステージ２７を基台２９に固定されたスタンド３０に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に移動させるためのものであり、粗調整機構２５ａと微調整機構２５ｂとを有する。粗調整機構２５ａは、例えば、モータ駆動方式の駆動機構であり、Ｚ軸ドライバ３２（図５参照）によって駆動される。図略のモータを駆動させることでＺ軸ステージ２７をＺ軸方向に移動させる。微調整機構２５ｂは、ＰＺＴ系圧電セラミクスを用いた圧電アクチュエータを有しており、この圧電アクチュエータは、例えば高電圧増幅器によって構成されるＺ軸ドライバ３２によって駆動される。この圧電アクチュエータは、例えば送り幅を１００ｎｍとして駆動させることにより、ｎｍ精度で変位量を制御することができる。
【００２６】
Ｙ軸変位機構２４は、Ｙ軸ステージ３６をＹ軸方向に移動させるための機構であり、図３に示すように、粗調整機構２４ａと微調整機構２４ｂとを有する。粗調整機構２４ａは、例えば、モータ駆動方式の駆動機構であり、Ｙ軸ドライバ３３（図５参照）によって駆動される。図略のモータを駆動させることでＹ軸ステージ３６をＹ軸方向に移動させる。微調整機構２４ｂは、ＰＺＴ系圧電セラミクスを用いた圧電アクチュエータを有している。この圧電アクチュエータは、基台２９に設置されており、例えば高電圧増幅器によって構成されるＹ軸ドライバ３３によって駆動される。圧電アクチュエータを駆動することにより、Ｙ軸ステージ３６をＹ軸方向に移動させることができる。この圧電アクチュエータは、例えば送り幅を１００ｎｍとして駆動させることにより、ｎｍ精度で変位量を制御することができる。
【００２７】
Ｘ軸変位機構２３は、Ｘ軸ステージである試料台１６をＸ軸方向に移動させるための機構であり、粗調整機構２３ａと微調整機構２３ｂとを有する。粗調整機構２３ａは、例えば、モータ駆動方式の駆動機構であり、Ｘ軸ドライバ３４（図５参照）によって駆動される。図略のモータを駆動させることで試料台１６をＹ軸ステージ３６に対してＸ軸方向に移動させる。微調整機構２３ｂは、ＰＺＴ系圧電セラミクスを用いた圧電アクチュエータを有している。この圧電アクチュエータは、Ｙ軸ステージ３６に設置されており、例えば高電圧増幅器によって構成されるＸ軸ドライバ３４によって駆動される。圧電アクチュエータを駆動することにより、Ｙ軸ステージ３６上で試料台１６をＸ軸方向に移動させることができる。これにより、試料台１６は、基台２９に対してＸ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置に移動可能である。この圧電アクチュエータは、例えば送り幅を１００ｎｍとして駆動させることにより、ｎｍ精度で変位量を制御することができる。
【００２８】
図１に戻る。
【００２９】
試料台１６には、試料Ｗを収納可能な測定空間Ｓを有する測定槽４０が設けられている。測定槽４０は試料台１６に設置されているため、試料台１６とともに水平方向に移動する。測定槽４０の上面には、プローブ１８を挿通させる開口４０ａが設けられている。そして、プローブ１８の下端部は測定空間Ｓ内に配置されている。なお、図示省略しているが、測定槽４０には、試料Ｗの出し入れができるように開閉扉が設けられている。
【００３０】
測定空間Ｓ内には、前記空調部４２によって所定の温湿度に調整された空気が流通する。空調部４２は、空気の温湿度を所定の温湿度に調整するとともに、この調整された空気を給気通路４１を通して測定空間Ｓ内に導入する。測定空間Ｓ内の空気は排気通路４３を通して空調部４２に戻されるため、測定時には測定空間Ｓ内の空気が常時流通する。
【００３１】
測定装置１０には、測定空間Ｓ内の温度（試料雰囲気の温度）を検出する周囲温度検出部としての周囲温度センサ４４と、測定空間Ｓ内の湿度（試料雰囲気の湿度）を検出する周囲湿度検出部としての周囲湿度センサ４５と、が設けられ、これらセンサ４４，４５の検出信号は、試験制御部１４に入力される。図５に示すように、試験制御部１４には、温湿度測定部４７が設けられており、温湿度測定部４７は、センサ４４，４５からの検出信号に応じて、測定空間Ｓ内の温度及び湿度を導出する。試験制御部１４の演算装置５９には、環境制御部４６が一機能として含まれており、環境制御部４６は、温湿度測定部４７によって導出された温度及び湿度に基づいて、空調部４２を制御する。つまり、環境制御部４６は、センサ４４，４５からの検出結果に基づいて、測定空間Ｓ内の温度が所定の温度及び湿度になるように空調部４２を制御する。なお、空調部４２は、除湿空気又は加熱空気を供給可能であり、試料Ｗを乾燥させて再測定の準備を行うことも可能である。
【００３２】
試料Ｗは、冷却機構４８によって試料表面が露点以下になるように冷却される。冷却機構４８は、試料表面を冷却する冷却部５０と、試料表面の温度を検出する試料温度検出部としての試料温度センサ５１と、試料表面の温度が所定の温度になるように冷却部５０を制御する試料温度制御部５２と、を有する。本実施形態では、冷却部５０は、ペルチエ素子の吸熱部によって構成されており、図４に示すように、試料台１６の上に載置されている。試料温度制御部５２は、試験制御部１４の演算装置５９の一機能として含まれているものであり、試料温度センサ５１の検出結果に基づいてペルチエ素子へ印加する電圧を制御する。なお、冷却機構４８は、ペルチエ素子を有する構成に限られるものではない。例えば、熱媒体を導入可能に構成された冷却板を用い、この冷却板内に熱媒体を導入して冷却板の温度を調整する機構等を例示することができる。
【００３３】
前記プローブ１８は、下方に向かって延びるように上端部で前記Ｚ軸ステージ２７に固定されている。プローブ１８の下端部（先端部）は、先鋭化されていて、容易に撓む。
【００３４】
前記励振部２０は、水晶振動子５５を有する。水晶振動子５５の形状は限定されるものではないが、本実施形態では、例えば音叉のように２つの対称な突起を有する音叉型の水晶振動子５５として構成されている。水晶振動子５５は、振動子固定部５７を介してＺ軸ステージ２７に固定されている。そして、水晶振動子５５の突起にプローブ１８が接触している。
【００３５】
水晶振動子５５の２つの突起間の間隔は、例えば約０．２ｍｍであり、プローブ１８の水晶振動子５５に接触する部分での直径は、例えば１２５μｍである。プローブ１８としては、例えば光ファイバから作ることができ、例えば直径が約１０μｍのコアと、直径が約１２５μｍのクラッドからなる。光ファイバを溶融延伸することにより、先端部が尖鋭化され、先端部の直径は例えば１００ｎｍ以下にテーパ状に加工されている。
【００３６】
水晶振動子５５は２つの電極５５ａ，５５ｂを備えており、一方の電極５５ａは、試験制御部１４に含まれる電流検出器５８（図５参照）に接続され、他方の電極５５ｂは試験制御部１４に含まれる信号発生器５６（図５参照）に接続されている。電極５５ａ，５５ｂ間に交流信号、例えば正弦波信号を印加すると、水晶振動子５５の有する圧電効果によって水晶振動子５５の突起が振動する。水晶振動子５５を振動させると、これに接触しているプローブ１８もあわせて振動させることができる。特に水晶振動子５５の共振周波数又はその近傍の周波数をもつ信号を印加したときに振幅は大きくなる。
【００３７】
図５に示すように、電流検出器５８には、信号発生器５６の出力信号の一部を分岐して得られる参照信号が接続される。電流検出器５８から出力された信号は、後述の演算装置５９に入力される。
【００３８】
前記試験制御部１４は、露の形状及び分布を演算によって導出可能なものであり、図５に示すように、前記Ｘ軸ドライバ３４と、前記Ｙ軸ドライバ３３と、前記Ｚ軸ドライバ３２と、前記信号発生器５６と、前記電流検出器５８と、前記温湿度測定部４７と、変位測定部６１と、演算装置５９と、入力装置７０と、出力装置７１とを備えている。
【００３９】
変位測定部６１は、試料台１６に対するプローブ１８の相対変位量を測定するものである。変位測定部６１は、直交３軸方向における試料台１６に対するプローブ１８の相対変位量を測定するためのものであり、Ｙ軸ステージ３６に対する試料台１６のＸ軸方向の変位量を測定するＸ軸方向測定部６１ａと、基台２９に対するＹ軸ステージ３６のＹ軸方向の変位量を測定するＹ軸方向測定部６１ｂと、基台２９に対するプローブ１８のＺ軸方向変位を測定するＺ軸方向測定部６１ｃと、を有する。
【００４０】
Ｘ軸方向測定部６１ａは、超精密測長器によって構成されており、図２に示すように、Ｙ軸ステージ３６に固定された固定側部６１ｅと、試料台１６に固定された遊走側部６１ｆとからなり、Ｘ軸方向におけるこれらの相対変位量からＸ軸方向の移動量を測定する。Ｙ軸方向測定部６１ｂ及びＺ軸方向測定部６１ｃも同様に超精密測長器によって構成されている。すなわち、Ｙ軸方向測定部６１ｂは、基台２９に固定された固定側部６１ｇと、Ｙ軸ステージ３６に固定された遊走側部６１ｈとを有する。またＺ軸方向測定部６１ｃは、スタンド３０に固定された固定側部６１ｉと、Ｚ軸ステージ２７に固定された遊走側部６１ｊとを有する。
【００４１】
入力装置７０には、キーボード、外部メモリ等が含まれ、入力装置７０は、演算装置５９に対する指令を入力可能に構成されている。出力装置７１には、表示部、プリンタ等が含まれ、出力装置７１は、演算装置５９による演算結果等を出力可能に構成されている。
【００４２】
演算装置５９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなり、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより所定の機能を発揮する。演算装置５９の機能には、少なくとも、前記環境制御部４６と、前記試料温度制御部５２と、相対変位量導出部６３と、判定部６０と、測定部６２と、解析部６６と、プローブ制御部６７と、が含まれる。
【００４３】
相対変位量導出部６３は、変位測定部６１の測定結果を用い、試料台１６を基準とするプローブ１８の相対変位量を導出する。プローブ制御部６７は、相対変位量導出部６３によって導出されたプローブ１８の相対変位量に基づいて、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ドライバ３４，３３，３２に信号を出力する。これにより、プローブ１８は、目標位置に正確に制御される。
【００４４】
判定部６０は、プローブ１８の先端部の振動に応じてプローブ１８の先端部と露又は試料Ｗとの接触又は近接を判定する。測定部６２は、判定部６０によるプローブ１８と露又は試料Ｗとの接触又は近接の有無及び相対変位量導出部６３によって測定された相対変位量に基づいて、試料表面上の露の形状及び分布を測定する。なお、上記の「接触」とは、プローブ１８の先端部が実際に露等に接触した場合をいい、「近接」とは、実際には露等に接触していないものの、プローブ１８の先端部が、露等との相互作用によってプローブ１８の振幅が変化する程度に露等と所定範囲内まで近接した場合をいう。
【００４５】
判定部６０は、プローブ１８の先端部の振幅の変化からプローブ１８と露又は試料Ｗとの接触又は近接を判定する。その原理を図６を参照しながら説明する。プローブ１８の先端部が被測定試料Ｗの表面から十分はなれているときには、プローブ１８が振動するときの振幅は一定値を保つ（図６中のＡ領域）。一方、プローブ１８の先端部が露の表面に接触又は所定範囲内に近接するとプローブ１８の振幅は減衰する（図６中のＢ領域）。これは、プローブ１８の先端部が露の表面からせん断力（シア・フォース）を受けるためと解される。この振幅の減衰は非常に急峻であるため、この振幅変化の検出により、プローブ１８先端部と露の上面との接触又は近接を検出することができる。さらに、プローブ１８の先端部が試料Ｗの表面に接触又は近接するとプローブ１８の振動の振幅はさらに減衰する（図６のＤ領域）。この振幅減衰まではプローブ１８の振幅は一定値を保つ（図６中のＣ領域）。このＤ領域での振幅減衰も非常に急峻であるので、この振幅変化の検出により、プローブ１８先端部と試料表面との接触又は近接を検出できる。
【００４６】
測定部６２は、Ｂ領域からＤ領域までのプローブ１８の変位量から露の高さを導出する。また測定部６２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における複数個所で露の高さ（又は上面位置）を測定し、これらを連続点として測定結果を統計処理することにより露の形状を導出するとともに、露の分布を測定する。露の形状を導出するには、例えば、接触が検知されたときの座標データ（ｘ、ｙ、ｚ）を順次記憶していき、これら座標データから回帰曲面を演算して粒径を導出することが可能である。なお、露の形状は、３次元形状として特定してもよく、あるいは水平面内の２次元形状として特定してもよい。２次元形状として特定する場合には、粒径で露の形状を規定することができる。粒径は回帰計算によって算出してもよく、あるいは所定方向の露の幅を複数個所測定しておいて、そのうちの最大幅を採用してもよい。
【００４７】
なお、試験制御部１４が指示するＺ軸変位量データとＺ軸変位機構２５で変位する実際の変位量との関係を予め校正しておくことによって、試験制御部１４が指示するＺ軸変位量データにより、実際のＺ軸方向の変位量を取得することができる。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向についても同様である。
【００４８】
解析部６６には、測定部６２によって測定された露の形状を試料表面の傾きに応じて補正する補正処理部６６ａと、画像処理部６６ｂとが含まれている。補正処理部６６ａは、試料表面が基準平面に対して傾斜している場合に、その傾斜角度に応じて露の幅（又は粒径）を補正する処理を行う。基準平面は、Ｚ軸方向に垂直な方向の平面であり、予め記憶されているものである。一方、試料表面は、プローブ１８の先端部と試料表面との接触位置（Ｚ軸方向）を複数取得し、それを平均化したものである。補正処理部６６ａは、基準平面と試料表面とのなす角度θを演算し、測定部６２が導出した露の幅（又は粒径）を補正する。
【００４９】
画像処理部６６ｂは、出力装置７１の表示部に露の画像を表示するための処理を行う制御部である。表示部には、ＸＹ平面内での露の形状の二次元表示をするとともに、Ｚ軸方向の高さを色分けする等の処理を行うことができる。
【００５０】
ここで、本実施形態による測定装置１０による測定方法について説明する。
【００５１】
まず、試料台１６に試料Ｗをセットし、測定槽４０内を所定の温度及び湿度に調整する。その後、ペルチエ素子を駆動して試料Ｗを冷却する。このとき試料表面が露点以下になるように冷却を行う（冷却ステップ）。これに伴い、試料表面では結露が生ずる。
【００５２】
次に、試料表面上の露の形状を測定する（測定ステップ）。具体的には、Ｘ軸変位機構２３及びＹ軸変位機構２４を駆動することにより試料台１６を所定の位置にセットし、水晶振動子５５によってプローブ１８の先端部を振動させながらＺ軸変位機構２５によりプローブ１８を降下させる。これにより、試料Ｗがセットされた試料台１６に対するプローブ１８のＺ軸方向の位置が変わる。そして、プローブ１８の先端部が露の表面又は試料表面と接触又は所定範囲内に近接すると、前述したようにプローブ１８の振幅が急激に変化するので、この振幅変化が発生するまでのプローブ１８の移動量に基づいて、露の高さを導出し、これをＸ軸方向及びＹ軸方向の複数個所で繰返し測定することにより、露の形状及び分布を測定する。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態では、冷却機構４８によって試料表面を露点以下に冷却することにより試料表面で結露させることができる。そして、プローブ１８の先端部を振動させながら、試料台１６に対するプローブ１８の相対的な位置を変え、プローブ１８の先端部の振動に応じてプローブ１８先端部と露又は試料Ｗとの接触又は近接を判定し、その判定結果に基づいて露の形状及び分布を測定する。つまり、プローブ１８の先端部が露又は試料Ｗに接触又は近接するとせん断力を受けるので、プローブ１８の振動の振幅が減衰する。測定部６２がこの減衰を検出するとともに、そのときのプローブ１８の相対変位量を検出することにより露の形状及び分布を精度よく測定することができる。また、微小な露形状及び分布を測定することもできるので、濡れ性等の試料Ｗの物性測定への利用が可能となる。また試料Ｗの表面検査に利用することも可能となる。
【００５４】
しかも本実施形態では、直交３軸方向における相対変位量をそれぞれ測定するので、試料台１６に対するプローブ１８の３軸方向相対位置をそれぞれ正確に算出することができ、この算出データを利用して露の形状及び分布を測定することができる。
【００５５】
また本実施形態では、プローブ１８先端部と露又は試料Ｗとの接触又は近接により生ずる水晶振動子５５の共振特性の変化を利用するので、プローブ１８と露又は試料Ｗとの接触又は近接を正確に検出することができる。
【００５６】
また本実施形態では、冷却機構４８によって試料表面を所定の温度に制御できるので、試料表面での結露量を正確に制御することができる。また試料表面での結露を再現性よく発生させることができるので、露形状及び分布の測定結果の信頼性を向上することができる。
【００５７】
また本実施形態では、測定槽４０を設けて試料Ｗ周囲の温度及び湿度を調整するようにしたので、結露を再現性よく発生させることができる。このため露形状及び分布の測定結果の信頼性を向上することができる。
【００５８】
なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、前記実施形態では試料台１６がＹ軸ステージ３６上に設置される構成について説明したが、これに代え、試料台１６が基台２９に固定されるとともに、プローブ１８を支持するスタンド３０がＸ軸方向及びＹ軸方向に可動するように設けられる構成としてもよい。この構成では、プローブ１８が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能となる。
【００５９】
また、前記実施形態では、プローブ１８がＺ軸方向に移動可能な構成としたが、これに代え、プローブ１８がスタンド３０に対して固定されるとともに、試料台１６がＺ軸ステージにも支持されることでＺ軸方向に移動可能な構成としてもよい。この構成では、試料台１６が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能となる。
【００６０】
また、前記実施形態では、スタンド３０、Ｚ軸ステージ２７、水晶振動子５５が測定槽４０の外側に配設される構成としたが、これに代え、図７に示すように、測定槽４０内にスタンド３０、Ｚ軸ステージ２７、水晶振動子５５、プローブ１８が収納される構成としてもよい。図１の構成では、測定空間Ｓの容積を小さくすることができるので、測定空間Ｓ内の温度湿度の変化を早くすることができる。一方、図７の構成では、測定槽４０にプローブ１８を挿通させる開口４０ａを設ける必要がなくなるので、測定槽４０内を気密状に構成し易くなる。
【００６１】
また、前記実施形態では、冷却部５０がペルチエ素子の吸熱部によって構成される例を説明したが、これに限られるものではない。例えば、図８に示すように、冷却部５０が冷却空気を試料Ｗに接触させるように冷却空気を供給する冷風供給部である冷却空気供給機構７８を有する構成としてもよい。この態様では、冷却空気が流通する冷風路７９が試料台１６に設けられ、この冷風路６９の上面に試料保持部８０が設けられる構成となる。この試料保持部８０は、例えばパンチ孔が設けられていて、試料Ｗが冷却空気によって直接冷却されるようにしてもよい。
【００６２】
また、前記実施形態では、測定槽４０を設ける構成について説明したが、測定槽４０、空調部４２、周囲温度センサ４４、周囲湿度センサ４５、温湿度測定部４７及び環境制御部４６が省略された構成としてもよい。
【００６３】
また、前記実施形態では、測定部６２が、Ｂ領域までのプローブ１８の変位量に基づいて露の上面位置を導出するとともにＤ領域までのプローブ１８の変位量に基づいて露の下面を導出する構成としたが、これに限られるものではない。例えば、試料表面の位置を予め記憶しておき、Ｂ領域にあるプローブ１８の位置と、記憶された試料表面の位置との差分に基づいて、露の高さを導出するようにしてもよい。こうすれば、プローブ１８の先端部がＣ領域に入ったことが検知された時点でプローブ１８を戻す制御を行うことが可能となる。そして１つの露に対してＸ軸方向及びＹ軸方向の複数位置で繰り返し測定を行うことにより、露の形状を導出することができる。なお、この場合には、露の下面（試料表面）の傾斜角度に応じた補正処理は、省略されることになる。
【符号の説明】
【００６４】
１６ 試料台
１８ プローブ
２０ 励振部
２２ 変位機構
２３ Ｘ軸変位機構
２４ Ｙ軸変位機構
２５ Ｚ軸変位機構
２９ 基台
４０ 測定槽
４２ 空調部
４４ 周囲温度センサ
４５ 周囲湿度センサ
４６ 環境制御部
４８ 冷却機構
５０ 冷却部
５１ 試料温度センサ
５２ 試料温度制御部
５５ 水晶振動子
５６ 信号発生器
６０ 判定部
６１ 変位測定部
６１ａ Ｘ軸方向測定部
６１ｂ Ｙ軸方向測定部
６１ｃ Ｚ軸方向測定部
６２ 測定部
６３ 相対変位量導出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、露形状分布測定装置及び露形状分布測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に開示されているように液膜の膜厚を測定可能な膜厚測定装置が知られている。この特許文献の膜厚測定装置では、基材上の液膜に対してプローブをＺ軸方向（膜厚方向）に移動させて、プローブ先端部の振動減衰を利用することにより液膜の膜厚を測定することが可能となっている。
【０００３】
一方、下記非特許文献１に開示されているように、試料表面の結露水を顕微鏡で直接観察することが知られている。この方法では、数ｍｍオーダーから数μｍオーダーの結露を観察することができる。
【０００４】
また、下記非特許文献２に開示されているように、既知偏光状態の入射光を試料に反射させ、その反射光の偏光状態の変化から試料表面にある薄膜の厚さを導出することが知られている。
【０００５】
また、下記非特許文献３には、干渉計内の参照光と測定光間に複数の位相差を与え、そのときの干渉光の強度変化を測定することで、参照光と測定光の位相差を算出し、測定光の波長および位相差から試料各点における高さを求めることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００５／０９０９０９号パンフレット
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】井端他、ａｓｂｉｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ ２００６年１２月号、ｐ５２−６０、株式会社山武
【非特許文献２】”エリプソメトリーの基礎”、ジェー・エー・ウーラム・ジャパン株式会社、平成２０年７月３０日検索、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.jawjapan.com/Tutorial_1.html＞
【非特許文献３】Ｓｈｉｇｅａｋｉ Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ、”The measurement of tiny dew droplets at the initial deposition stage and dew point using a phase-shift interference microscope”、Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１４、２００３年、２０７５−２０８０、ＩＯＰ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｌｔｄ．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、電子機器等の精密機器において、結露による配線間の絶縁不良を原因とする故障の増加が懸念されている。また近年実用化されている鉛フリーはんだやナノ材料等においては、結露に伴う新たな種類の故障が発生しており、その故障メカニズムを明らかにすることが望まれている。また以前は不具合や故障の原因とならなかった微小結露が、今後、機器の寿命に影響を与える要因となるおそれもあるため、微小結露を正確に計測できる技術の開発が要望されている。しかしながら、前述した従来の技術には、液膜等の膜厚の測定を精度よくできるものはあるが、個々の水滴の形状を精度よく測定できるものはない。また結露を観察することはできても、個々の露の形状を精度よく測定できるものはない。
【０００９】
そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、試料上で結露させた上で、露の形状及び分布を精度よく測定できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本発明は、試料表面上の露の形状及び分布を測定する装置であって、試料がセットされる試料台と、プローブと、前記プローブの先端部を振動させる励振部と、前記プローブの先端部の振動に応じて前記プローブの先端部と前記露又は前記試料との接触又は近接を判定する判定部と、前記試料台に対する前記プローブの相対的な位置を変えさせる変位機構と、前記試料台に対する前記プローブの相対変位量を測定する相対変位量導出部と、試料表面を露点以下に冷却可能な冷却機構と、前記判定部による前記接触又は近接の有無及び前記相対変位量導出部によって導出された相対変位量に基づいて、前記冷却機構によって冷却された試料表面に発生した露の形状及び分布を測定する測定部と、が含まれている露形状分布測定装置である。
【００１１】
本発明では、冷却機構によって試料表面を露点以下に冷却することにより試料表面に結露させることができる。そして、プローブの先端部を振動させながら、試料台に対するプローブの相対的な位置を変え、プローブの先端部の振動に応じてプローブ先端部と露又は試料との接触又は近接を判定し、その判定結果に基づいて露の形状及び分布を測定する。つまり、プローブの先端部が露又は試料に接触又は近接するとせん断力を受けるので、プローブ振動の振幅が減衰する。測定部がこの減衰を検出するとともに、そのときのプローブの相対変位量を検出することにより露の形状及び分布を精度よく測定することができる。また、微小な露形状及び分布を測定することもできるので、濡れ性等の試料の物性測定への利用が可能となる。また試料の表面検査に利用することも可能となる。
【００１２】
ここで、前記変位機構は、前記試料台に対する前記プローブの相対的な位置を直交３軸方向にそれぞれ変えさせることができ、前記直交３軸方向におけるそれぞれの相対変位量を測定可能である変位測定部が設けられているのが好ましい。この態様では、直交３軸方向におけるそれぞれの相対変位量を測定するので、試料台に対するプローブの３次元位置を正確に算出することができ、この算出データを利用して露の形状及び分布を測定することができる。
【００１３】
また、前記励振部は、前記プローブに接触するように配設される水晶振動子と、前記水晶振動子の共振周波数の信号を発生させる信号発生部と、を有するのが好ましい。この態様では、プローブ先端部と露又は試料との接触により生ずる水晶振動子の共振特性の変化を利用するので、プローブと露又は試料との接触を正確に検出することができる。
【００１４】
また、前記冷却機構は、前記試料表面を冷却する冷却部と、前記試料表面の温度を検出する試料温度検出部と、前記試料表面の温度が所定の温度になるように前記冷却部を制御する試料温度制御部と、を有するのが好ましい。この態様では、試料表面を所定の温度に制御できるので、試料表面での結露量を正確に制御することができる。また試料表面での結露を再現性よく発生させることができるので、露形状及び分布の測定結果の信頼性を向上することができる。
【００１５】
前記冷却部は、ペルチエ素子の吸熱部によって構成されていてもよい。この態様では、ペルチエ素子への印加電圧により冷却能力を調整することができる。
【００１６】
これに代え、前記冷却部は、冷却空気を前記試料に接触させるように冷却空気を供給する冷風供給部を有してもよい。この態様では、試料に接触させる冷却空気流量又は冷却空気温度を調整することにより、冷却能力を調整することができる。
【００１７】
前記露形状分布測定装置は、前記試料を収納可能な測定空間を有する測定槽と、前記測定空間内に所定の温湿度の空気を流通させる空調部と、前記測定空間内の温度を検出する周囲温度検出部と、前記測定空間内の湿度を検出する周囲湿度検出部と、前記測定空間内の温度が所定の温度及び湿度になるように制御する環境制御部と、を有するのが好ましい。この態様では、試料周囲の温度及び湿度を調整するので、結露を再現性よく発生させることができる。このため露形状及び分布の測定結果の信頼性を向上することができる。
【００１８】
本発明は、試料表面上の露の形状及び分布を測定する方法であって、試料表面を露点以下に冷却する冷却ステップと、プローブの先端部を振動させながら、試料がセットされた試料台に対する前記プローブの相対的な位置を変え、前記先端部の振動に応じて前記先端部と前記露又は前記試料との接触又は近接を判定して、前記冷却ステップで冷却された試料表面に発生した露の形状及び分布を測定する測定ステップと、が含まれている露形状分布測定方法である。
【００１９】
前記冷却ステップ及び前記測定ステップにおいて、前記試料は、所定温度に制御された測定空間に収納されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、試料上で結露させた上で、露の形状及び分布を精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】前記測定装置の変位測定部及びＺ軸変位機構の構成を説明するための概略図である。
【図３】前記測定装置のＸ軸及びＹ軸変位機構の構成を説明するための概略図である。
【図４】前記測定装置の冷却部の構成を説明するための概略図である。
【図５】前記測定装置の制御系統の一部を示すブロック図である。
【図６】プローブと露又は試料との接触又は近接の検出を説明するための特性図である。
【図７】本発明のその他の実施形態に係る測定装置の概略構成を示す図である。
【図８】本発明のその他の実施形態による冷却部の構成を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る露形状分布測定装置（以下、単に測定装置という）１０は、試料表面で結露させて、その露の形状及び分布を測定するための装置であり、装置本体１２と試験制御部１４と空調部４２とを備えている。装置本体１２は、試料Ｗをセットするための試料台１６と、プローブ１８と、プローブ１８の先端部を振動させる励振部２０と、直交３軸方向において試料台１６に対するプローブ１８の相対的位置を変えさせる変位機構２２と、を備えている。
【００２４】
変位機構２２は、図３に示すように、試料台１６を水平面内のＸ軸方向に移動させるためのＸ軸変位機構２３と、試料台１６を水平面内のＹ軸方向（Ｘ軸方向と直交する方向）に移動させるためのＹ軸変位機構２４と、プローブ１８を垂直方向に移動させるためのＺ軸変位機構２５とを有する。
【００２５】
図２にも示すように、Ｚ軸変位機構２５は、Ｚ軸ステージ２７を基台２９に固定されたスタンド３０に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に移動させるためのものであり、粗調整機構２５ａと微調整機構２５ｂとを有する。粗調整機構２５ａは、例えば、モータ駆動方式の駆動機構であり、Ｚ軸ドライバ３２（図５参照）によって駆動される。図略のモータを駆動させることでＺ軸ステージ２７をＺ軸方向に移動させる。微調整機構２５ｂは、ＰＺＴ系圧電セラミクスを用いた圧電アクチュエータを有しており、この圧電アクチュエータは、例えば高電圧増幅器によって構成されるＺ軸ドライバ３２によって駆動される。この圧電アクチュエータは、例えば送り幅を１００ｎｍとして駆動させることにより、ｎｍ精度で変位量を制御することができる。
【００２６】
Ｙ軸変位機構２４は、Ｙ軸ステージ３６をＹ軸方向に移動させるための機構であり、図３に示すように、粗調整機構２４ａと微調整機構２４ｂとを有する。粗調整機構２４ａは、例えば、モータ駆動方式の駆動機構であり、Ｙ軸ドライバ３３（図５参照）によって駆動される。図略のモータを駆動させることでＹ軸ステージ３６をＹ軸方向に移動させる。微調整機構２４ｂは、ＰＺＴ系圧電セラミクスを用いた圧電アクチュエータを有している。この圧電アクチュエータは、基台２９に設置されており、例えば高電圧増幅器によって構成されるＹ軸ドライバ３３によって駆動される。圧電アクチュエータを駆動することにより、Ｙ軸ステージ３６をＹ軸方向に移動させることができる。この圧電アクチュエータは、例えば送り幅を１００ｎｍとして駆動させることにより、ｎｍ精度で変位量を制御することができる。
【００２７】
Ｘ軸変位機構２３は、Ｘ軸ステージである試料台１６をＸ軸方向に移動させるための機構であり、粗調整機構２３ａと微調整機構２３ｂとを有する。粗調整機構２３ａは、例えば、モータ駆動方式の駆動機構であり、Ｘ軸ドライバ３４（図５参照）によって駆動される。図略のモータを駆動させることで試料台１６をＹ軸ステージ３６に対してＸ軸方向に移動させる。微調整機構２３ｂは、ＰＺＴ系圧電セラミクスを用いた圧電アクチュエータを有している。この圧電アクチュエータは、Ｙ軸ステージ３６に設置されており、例えば高電圧増幅器によって構成されるＸ軸ドライバ３４によって駆動される。圧電アクチュエータを駆動することにより、Ｙ軸ステージ３６上で試料台１６をＸ軸方向に移動させることができる。これにより、試料台１６は、基台２９に対してＸ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置に移動可能である。この圧電アクチュエータは、例えば送り幅を１００ｎｍとして駆動させることにより、ｎｍ精度で変位量を制御することができる。
【００２８】
図１に戻る。
【００２９】
試料台１６には、試料Ｗを収納可能な測定空間Ｓを有する測定槽４０が設けられている。測定槽４０は試料台１６に設置されているため、試料台１６とともに水平方向に移動する。測定槽４０の上面には、プローブ１８を挿通させる開口４０ａが設けられている。そして、プローブ１８の下端部は測定空間Ｓ内に配置されている。なお、図示省略しているが、測定槽４０には、試料Ｗの出し入れができるように開閉扉が設けられている。
【００３０】
測定空間Ｓ内には、前記空調部４２によって所定の温湿度に調整された空気が流通する。空調部４２は、空気の温湿度を所定の温湿度に調整するとともに、この調整された空気を給気通路４１を通して測定空間Ｓ内に導入する。測定空間Ｓ内の空気は排気通路４３を通して空調部４２に戻されるため、測定時には測定空間Ｓ内の空気が常時流通する。
【００３１】
測定装置１０には、測定空間Ｓ内の温度（試料雰囲気の温度）を検出する周囲温度検出部としての周囲温度センサ４４と、測定空間Ｓ内の湿度（試料雰囲気の湿度）を検出する周囲湿度検出部としての周囲湿度センサ４５と、が設けられ、これらセンサ４４，４５の検出信号は、試験制御部１４に入力される。図５に示すように、試験制御部１４には、温湿度測定部４７が設けられており、温湿度測定部４７は、センサ４４，４５からの検出信号に応じて、測定空間Ｓ内の温度及び湿度を導出する。試験制御部１４の演算装置５９には、環境制御部４６が一機能として含まれており、環境制御部４６は、温湿度測定部４７によって導出された温度及び湿度に基づいて、空調部４２を制御する。つまり、環境制御部４６は、センサ４４，４５からの検出結果に基づいて、測定空間Ｓ内の温度が所定の温度及び湿度になるように空調部４２を制御する。なお、空調部４２は、除湿空気又は加熱空気を供給可能であり、試料Ｗを乾燥させて再測定の準備を行うことも可能である。
【００３２】
試料Ｗは、冷却機構４８によって試料表面が露点以下になるように冷却される。冷却機構４８は、試料表面を冷却する冷却部５０と、試料表面の温度を検出する試料温度検出部としての試料温度センサ５１と、試料表面の温度が所定の温度になるように冷却部５０を制御する試料温度制御部５２と、を有する。本実施形態では、冷却部５０は、ペルチエ素子の吸熱部によって構成されており、図４に示すように、試料台１６の上に載置されている。試料温度制御部５２は、試験制御部１４の演算装置５９の一機能として含まれているものであり、試料温度センサ５１の検出結果に基づいてペルチエ素子へ印加する電圧を制御する。なお、冷却機構４８は、ペルチエ素子を有する構成に限られるものではない。例えば、熱媒体を導入可能に構成された冷却板を用い、この冷却板内に熱媒体を導入して冷却板の温度を調整する機構等を例示することができる。
【００３３】
前記プローブ１８は、下方に向かって延びるように上端部で前記Ｚ軸ステージ２７に固定されている。プローブ１８の下端部（先端部）は、先鋭化されていて、容易に撓む。
【００３４】
前記励振部２０は、水晶振動子５５を有する。水晶振動子５５の形状は限定されるものではないが、本実施形態では、例えば音叉のように２つの対称な突起を有する音叉型の水晶振動子５５として構成されている。水晶振動子５５は、振動子固定部５７を介してＺ軸ステージ２７に固定されている。そして、水晶振動子５５の突起にプローブ１８が接触している。
【００３５】
水晶振動子５５の２つの突起間の間隔は、例えば約０．２ｍｍであり、プローブ１８の水晶振動子５５に接触する部分での直径は、例えば１２５μｍである。プローブ１８としては、例えば光ファイバから作ることができ、例えば直径が約１０μｍのコアと、直径が約１２５μｍのクラッドからなる。光ファイバを溶融延伸することにより、先端部が尖鋭化され、先端部の直径は例えば１００ｎｍ以下にテーパ状に加工されている。
【００３６】
水晶振動子５５は２つの電極５５ａ，５５ｂを備えており、一方の電極５５ａは、試験制御部１４に含まれる電流検出器５８（図５参照）に接続され、他方の電極５５ｂは試験制御部１４に含まれる信号発生器５６（図５参照）に接続されている。電極５５ａ，５５ｂ間に交流信号、例えば正弦波信号を印加すると、水晶振動子５５の有する圧電効果によって水晶振動子５５の突起が振動する。水晶振動子５５を振動させると、これに接触しているプローブ１８もあわせて振動させることができる。特に水晶振動子５５の共振周波数又はその近傍の周波数をもつ信号を印加したときに振幅は大きくなる。
【００３７】
図５に示すように、電流検出器５８には、信号発生器５６の出力信号の一部を分岐して得られる参照信号が接続される。電流検出器５８から出力された信号は、後述の演算装置５９に入力される。
【００３８】
前記試験制御部１４は、露の形状及び分布を演算によって導出可能なものであり、図５に示すように、前記Ｘ軸ドライバ３４と、前記Ｙ軸ドライバ３３と、前記Ｚ軸ドライバ３２と、前記信号発生器５６と、前記電流検出器５８と、前記温湿度測定部４７と、変位測定部６１と、演算装置５９と、入力装置７０と、出力装置７１とを備えている。
【００３９】
変位測定部６１は、試料台１６に対するプローブ１８の相対変位量を測定するものである。変位測定部６１は、直交３軸方向における試料台１６に対するプローブ１８の相対変位量を測定するためのものであり、Ｙ軸ステージ３６に対する試料台１６のＸ軸方向の変位量を測定するＸ軸方向測定部６１ａと、基台２９に対するＹ軸ステージ３６のＹ軸方向の変位量を測定するＹ軸方向測定部６１ｂと、基台２９に対するプローブ１８のＺ軸方向変位を測定するＺ軸方向測定部６１ｃと、を有する。
【００４０】
Ｘ軸方向測定部６１ａは、超精密測長器によって構成されており、図２に示すように、Ｙ軸ステージ３６に固定された固定側部６１ｅと、試料台１６に固定された遊走側部６１ｆとからなり、Ｘ軸方向におけるこれらの相対変位量からＸ軸方向の移動量を測定する。Ｙ軸方向測定部６１ｂ及びＺ軸方向測定部６１ｃも同様に超精密測長器によって構成されている。すなわち、Ｙ軸方向測定部６１ｂは、基台２９に固定された固定側部６１ｇと、Ｙ軸ステージ３６に固定された遊走側部６１ｈとを有する。またＺ軸方向測定部６１ｃは、スタンド３０に固定された固定側部６１ｉと、Ｚ軸ステージ２７に固定された遊走側部６１ｊとを有する。
【００４１】
入力装置７０には、キーボード、外部メモリ等が含まれ、入力装置７０は、演算装置５９に対する指令を入力可能に構成されている。出力装置７１には、表示部、プリンタ等が含まれ、出力装置７１は、演算装置５９による演算結果等を出力可能に構成されている。
【００４２】
演算装置５９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなり、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより所定の機能を発揮する。演算装置５９の機能には、少なくとも、前記環境制御部４６と、前記試料温度制御部５２と、相対変位量導出部６３と、判定部６０と、測定部６２と、解析部６６と、プローブ制御部６７と、が含まれる。
【００４３】
相対変位量導出部６３は、変位測定部６１の測定結果を用い、試料台１６を基準とするプローブ１８の相対変位量を導出する。プローブ制御部６７は、相対変位量導出部６３によって導出されたプローブ１８の相対変位量に基づいて、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ドライバ３４，３３，３２に信号を出力する。これにより、プローブ１８は、目標位置に正確に制御される。
【００４４】
判定部６０は、プローブ１８の先端部の振動に応じてプローブ１８の先端部と露又は試料Ｗとの接触又は近接を判定する。測定部６２は、判定部６０によるプローブ１８と露又は試料Ｗとの接触又は近接の有無及び相対変位量導出部６３によって測定された相対変位量に基づいて、試料表面上の露の形状及び分布を測定する。なお、上記の「接触」とは、プローブ１８の先端部が実際に露等に接触した場合をいい、「近接」とは、実際には露等に接触していないものの、プローブ１８の先端部が、露等との相互作用によってプローブ１８の振幅が変化する程度に露等と所定範囲内まで近接した場合をいう。
【００４５】
判定部６０は、プローブ１８の先端部の振幅の変化からプローブ１８と露又は試料Ｗとの接触又は近接を判定する。その原理を図６を参照しながら説明する。プローブ１８の先端部が被測定試料Ｗの表面から十分はなれているときには、プローブ１８が振動するときの振幅は一定値を保つ（図６中のＡ領域）。一方、プローブ１８の先端部が露の表面に接触又は所定範囲内に近接するとプローブ１８の振幅は減衰する（図６中のＢ領域）。これは、プローブ１８の先端部が露の表面からせん断力（シア・フォース）を受けるためと解される。この振幅の減衰は非常に急峻であるため、この振幅変化の検出により、プローブ１８先端部と露の上面との接触又は近接を検出することができる。さらに、プローブ１８の先端部が試料Ｗの表面に接触又は近接するとプローブ１８の振動の振幅はさらに減衰する（図６のＤ領域）。この振幅減衰まではプローブ１８の振幅は一定値を保つ（図６中のＣ領域）。このＤ領域での振幅減衰も非常に急峻であるので、この振幅変化の検出により、プローブ１８先端部と試料表面との接触又は近接を検出できる。
【００４６】
測定部６２は、Ｂ領域からＤ領域までのプローブ１８の変位量から露の高さを導出する。また測定部６２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における複数個所で露の高さ（又は上面位置）を測定し、これらを連続点として測定結果を統計処理することにより露の形状を導出するとともに、露の分布を測定する。露の形状を導出するには、例えば、接触が検知されたときの座標データ（ｘ、ｙ、ｚ）を順次記憶していき、これら座標データから回帰曲面を演算して粒径を導出することが可能である。なお、露の形状は、３次元形状として特定してもよく、あるいは水平面内の２次元形状として特定してもよい。２次元形状として特定する場合には、粒径で露の形状を規定することができる。粒径は回帰計算によって算出してもよく、あるいは所定方向の露の幅を複数個所測定しておいて、そのうちの最大幅を採用してもよい。
【００４７】
なお、試験制御部１４が指示するＺ軸変位量データとＺ軸変位機構２５で変位する実際の変位量との関係を予め校正しておくことによって、試験制御部１４が指示するＺ軸変位量データにより、実際のＺ軸方向の変位量を取得することができる。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向についても同様である。
【００４８】
解析部６６には、測定部６２によって測定された露の形状を試料表面の傾きに応じて補正する補正処理部６６ａと、画像処理部６６ｂとが含まれている。補正処理部６６ａは、試料表面が基準平面に対して傾斜している場合に、その傾斜角度に応じて露の幅（又は粒径）を補正する処理を行う。基準平面は、Ｚ軸方向に垂直な方向の平面であり、予め記憶されているものである。一方、試料表面は、プローブ１８の先端部と試料表面との接触位置（Ｚ軸方向）を複数取得し、それを平均化したものである。補正処理部６６ａは、基準平面と試料表面とのなす角度θを演算し、測定部６２が導出した露の幅（又は粒径）を補正する。
【００４９】
画像処理部６６ｂは、出力装置７１の表示部に露の画像を表示するための処理を行う制御部である。表示部には、ＸＹ平面内での露の形状の二次元表示をするとともに、Ｚ軸方向の高さを色分けする等の処理を行うことができる。
【００５０】
ここで、本実施形態による測定装置１０による測定方法について説明する。
【００５１】
まず、試料台１６に試料Ｗをセットし、測定槽４０内を所定の温度及び湿度に調整する。その後、ペルチエ素子を駆動して試料Ｗを冷却する。このとき試料表面が露点以下になるように冷却を行う（冷却ステップ）。これに伴い、試料表面では結露が生ずる。
【００５２】
次に、試料表面上の露の形状を測定する（測定ステップ）。具体的には、Ｘ軸変位機構２３及びＹ軸変位機構２４を駆動することにより試料台１６を所定の位置にセットし、水晶振動子５５によってプローブ１８の先端部を振動させながらＺ軸変位機構２５によりプローブ１８を降下させる。これにより、試料Ｗがセットされた試料台１６に対するプローブ１８のＺ軸方向の位置が変わる。そして、プローブ１８の先端部が露の表面又は試料表面と接触又は所定範囲内に近接すると、前述したようにプローブ１８の振幅が急激に変化するので、この振幅変化が発生するまでのプローブ１８の移動量に基づいて、露の高さを導出し、これをＸ軸方向及びＹ軸方向の複数個所で繰返し測定することにより、露の形状及び分布を測定する。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態では、冷却機構４８によって試料表面を露点以下に冷却することにより試料表面で結露させることができる。そして、プローブ１８の先端部を振動させながら、試料台１６に対するプローブ１８の相対的な位置を変え、プローブ１８の先端部の振動に応じてプローブ１８先端部と露又は試料Ｗとの接触又は近接を判定し、その判定結果に基づいて露の形状及び分布を測定する。つまり、プローブ１８の先端部が露又は試料Ｗに接触又は近接するとせん断力を受けるので、プローブ１８の振動の振幅が減衰する。測定部６２がこの減衰を検出するとともに、そのときのプローブ１８の相対変位量を検出することにより露の形状及び分布を精度よく測定することができる。また、微小な露形状及び分布を測定することもできるので、濡れ性等の試料Ｗの物性測定への利用が可能となる。また試料Ｗの表面検査に利用することも可能となる。
【００５４】
しかも本実施形態では、直交３軸方向における相対変位量をそれぞれ測定するので、試料台１６に対するプローブ１８の３軸方向相対位置をそれぞれ正確に算出することができ、この算出データを利用して露の形状及び分布を測定することができる。
【００５５】
また本実施形態では、プローブ１８先端部と露又は試料Ｗとの接触又は近接により生ずる水晶振動子５５の共振特性の変化を利用するので、プローブ１８と露又は試料Ｗとの接触又は近接を正確に検出することができる。
【００５６】
また本実施形態では、冷却機構４８によって試料表面を所定の温度に制御できるので、試料表面での結露量を正確に制御することができる。また試料表面での結露を再現性よく発生させることができるので、露形状及び分布の測定結果の信頼性を向上することができる。
【００５７】
また本実施形態では、測定槽４０を設けて試料Ｗ周囲の温度及び湿度を調整するようにしたので、結露を再現性よく発生させることができる。このため露形状及び分布の測定結果の信頼性を向上することができる。
【００５８】
なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、前記実施形態では試料台１６がＹ軸ステージ３６上に設置される構成について説明したが、これに代え、試料台１６が基台２９に固定されるとともに、プローブ１８を支持するスタンド３０がＸ軸方向及びＹ軸方向に可動するように設けられる構成としてもよい。この構成では、プローブ１８が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能となる。
【００５９】
また、前記実施形態では、プローブ１８がＺ軸方向に移動可能な構成としたが、これに代え、プローブ１８がスタンド３０に対して固定されるとともに、試料台１６がＺ軸ステージにも支持されることでＺ軸方向に移動可能な構成としてもよい。この構成では、試料台１６が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能となる。
【００６０】
また、前記実施形態では、スタンド３０、Ｚ軸ステージ２７、水晶振動子５５が測定槽４０の外側に配設される構成としたが、これに代え、図７に示すように、測定槽４０内にスタンド３０、Ｚ軸ステージ２７、水晶振動子５５、プローブ１８が収納される構成としてもよい。図１の構成では、測定空間Ｓの容積を小さくすることができるので、測定空間Ｓ内の温度湿度の変化を早くすることができる。一方、図７の構成では、測定槽４０にプローブ１８を挿通させる開口４０ａを設ける必要がなくなるので、測定槽４０内を気密状に構成し易くなる。
【００６１】
また、前記実施形態では、冷却部５０がペルチエ素子の吸熱部によって構成される例を説明したが、これに限られるものではない。例えば、図８に示すように、冷却部５０が冷却空気を試料Ｗに接触させるように冷却空気を供給する冷風供給部である冷却空気供給機構７８を有する構成としてもよい。この態様では、冷却空気が流通する冷風路７９が試料台１６に設けられ、この冷風路６９の上面に試料保持部８０が設けられる構成となる。この試料保持部８０は、例えばパンチ孔が設けられていて、試料Ｗが冷却空気によって直接冷却されるようにしてもよい。
【００６２】
また、前記実施形態では、測定槽４０を設ける構成について説明したが、測定槽４０、空調部４２、周囲温度センサ４４、周囲湿度センサ４５、温湿度測定部４７及び環境制御部４６が省略された構成としてもよい。
【００６３】
また、前記実施形態では、測定部６２が、Ｂ領域までのプローブ１８の変位量に基づいて露の上面位置を導出するとともにＤ領域までのプローブ１８の変位量に基づいて露の下面を導出する構成としたが、これに限られるものではない。例えば、試料表面の位置を予め記憶しておき、Ｂ領域にあるプローブ１８の位置と、記憶された試料表面の位置との差分に基づいて、露の高さを導出するようにしてもよい。こうすれば、プローブ１８の先端部がＣ領域に入ったことが検知された時点でプローブ１８を戻す制御を行うことが可能となる。そして１つの露に対してＸ軸方向及びＹ軸方向の複数位置で繰り返し測定を行うことにより、露の形状を導出することができる。なお、この場合には、露の下面（試料表面）の傾斜角度に応じた補正処理は、省略されることになる。
【符号の説明】
【００６４】
１６ 試料台
１８ プローブ
２０ 励振部
２２ 変位機構
２３ Ｘ軸変位機構
２４ Ｙ軸変位機構
２５ Ｚ軸変位機構
２９ 基台
４０ 測定槽
４２ 空調部
４４ 周囲温度センサ
４５ 周囲湿度センサ
４６ 環境制御部
４８ 冷却機構
５０ 冷却部
５１ 試料温度センサ
５２ 試料温度制御部
５５ 水晶振動子
５６ 信号発生器
６０ 判定部
６１ 変位測定部
６１ａ Ｘ軸方向測定部
６１ｂ Ｙ軸方向測定部
６１ｃ Ｚ軸方向測定部
６２ 測定部
６３ 相対変位量導出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面上の露の形状及び分布を測定する装置であって、
試料がセットされる試料台と、
プローブと、
前記プローブの先端部を振動させる励振部と、
前記プローブの先端部の振動に応じて前記プローブの先端部と前記露又は前記試料との接触又は近接を判定する判定部と、
前記試料台に対する前記プローブの相対的な位置を変えさせる変位機構と、
前記試料台に対する前記プローブの相対変位量を導出する相対変位量導出部と、
試料表面を露点以下に冷却可能な冷却機構と、
前記判定部による前記接触又は近接の有無及び前記相対変位量導出部によって導出された相対変位量に基づいて、前記冷却機構によって冷却された試料表面に発生した露の形状及び分布を測定する測定部と、が含まれている露形状分布測定装置。
【請求項２】
前記変位機構は、前記試料台に対する前記プローブの相対的な位置を直交３軸方向にそれぞれ変えさせることができ、
前記直交３軸方向におけるそれぞれの相対変位量を測定可能である変位測定部が設けられている請求項１に記載の露形状分布測定装置。
【請求項３】
前記励振部は、前記プローブに接触するように配設される水晶振動子と、前記水晶振動子の共振周波数の信号を発生させる信号発生部と、を有する請求項１又は２に記載の露形状分布測定装置。
【請求項４】
前記冷却機構は、前記試料表面を冷却する冷却部と、前記試料表面の温度を検出する試料温度検出部と、前記試料表面の温度が所定の温度になるように前記冷却部を制御する試料温度制御部と、を有する請求項１から３の何れか１項に記載の露形状分布測定装置。
【請求項５】
前記冷却部は、ペルチエ素子の吸熱部によって構成されている請求項４に記載の露形状分布測定装置。
【請求項６】
前記冷却部は、冷却空気を前記試料に接触させるように冷却空気を供給する冷風供給部を有する請求項４に記載の露形状分布測定装置。
【請求項７】
前記試料を収納可能な測定空間を有する測定槽と、
前記測定空間内に所定の温湿度の空気を流通させる空調部と、
前記測定空間内の温度を検出する周囲温度検出部と、
前記測定空間内の湿度を検出する周囲湿度検出部と、
前記測定空間内の温度が所定の温度及び湿度になるように制御する環境制御部と、を有する請求項１から６の何れか１項に記載の露形状分布測定装置。
【請求項８】
試料表面上の露の形状及び分布を測定する方法であって、
試料表面を露点以下に冷却する冷却ステップと、
プローブの先端部を振動させながら、試料がセットされた試料台に対する前記プローブの相対的な位置を変え、前記先端部の振動に応じて前記先端部と前記露又は前記試料との接触又は近接を判定して、前記冷却ステップで冷却された試料表面に発生した露の形状及び分布を測定する測定ステップと、が含まれている露形状分布測定方法。
【請求項９】
前記冷却ステップ及び前記測定ステップにおいて、前記試料は、所定温度に制御された測定空間に収納されている請求項８に記載の露形状分布測定方法。
【請求項１】
試料表面上の露の形状及び分布を測定する装置であって、
試料がセットされる試料台と、
プローブと、
前記プローブの先端部を振動させる励振部と、
前記プローブの先端部の振動に応じて前記プローブの先端部と前記露又は前記試料との接触又は近接を判定する判定部と、
前記試料台に対する前記プローブの相対的な位置を変えさせる変位機構と、
前記試料台に対する前記プローブの相対変位量を導出する相対変位量導出部と、
試料表面を露点以下に冷却可能な冷却機構と、
前記判定部による前記接触又は近接の有無及び前記相対変位量導出部によって導出された相対変位量に基づいて、前記冷却機構によって冷却された試料表面に発生した露の形状及び分布を測定する測定部と、が含まれている露形状分布測定装置。
【請求項２】
前記変位機構は、前記試料台に対する前記プローブの相対的な位置を直交３軸方向にそれぞれ変えさせることができ、
前記直交３軸方向におけるそれぞれの相対変位量を測定可能である変位測定部が設けられている請求項１に記載の露形状分布測定装置。
【請求項３】
前記励振部は、前記プローブに接触するように配設される水晶振動子と、前記水晶振動子の共振周波数の信号を発生させる信号発生部と、を有する請求項１又は２に記載の露形状分布測定装置。
【請求項４】
前記冷却機構は、前記試料表面を冷却する冷却部と、前記試料表面の温度を検出する試料温度検出部と、前記試料表面の温度が所定の温度になるように前記冷却部を制御する試料温度制御部と、を有する請求項１から３の何れか１項に記載の露形状分布測定装置。
【請求項５】
前記冷却部は、ペルチエ素子の吸熱部によって構成されている請求項４に記載の露形状分布測定装置。
【請求項６】
前記冷却部は、冷却空気を前記試料に接触させるように冷却空気を供給する冷風供給部を有する請求項４に記載の露形状分布測定装置。
【請求項７】
前記試料を収納可能な測定空間を有する測定槽と、
前記測定空間内に所定の温湿度の空気を流通させる空調部と、
前記測定空間内の温度を検出する周囲温度検出部と、
前記測定空間内の湿度を検出する周囲湿度検出部と、
前記測定空間内の温度が所定の温度及び湿度になるように制御する環境制御部と、を有する請求項１から６の何れか１項に記載の露形状分布測定装置。
【請求項８】
試料表面上の露の形状及び分布を測定する方法であって、
試料表面を露点以下に冷却する冷却ステップと、
プローブの先端部を振動させながら、試料がセットされた試料台に対する前記プローブの相対的な位置を変え、前記先端部の振動に応じて前記先端部と前記露又は前記試料との接触又は近接を判定して、前記冷却ステップで冷却された試料表面に発生した露の形状及び分布を測定する測定ステップと、が含まれている露形状分布測定方法。
【請求項９】
前記冷却ステップ及び前記測定ステップにおいて、前記試料は、所定温度に制御された測定空間に収納されている請求項８に記載の露形状分布測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１０７４９３（Ｐ２０１０−１０７４９３Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８４４６７（Ｐ２００９−８４４６７）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（０００１０８７９７）エスペック株式会社 (282)
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（０００１０８７９７）エスペック株式会社 (282)
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【Ｆターム（参考）】
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