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JPS601561B2 - 膜厚測定法 - Google Patents
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JPS601561B2 - 膜厚測定法 - Google Patents

膜厚測定法

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Publication number
JPS601561B2
JPS601561B2 JP7439079A JP7439079A JPS601561B2 JP S601561 B2 JPS601561 B2 JP S601561B2 JP 7439079 A JP7439079 A JP 7439079A JP 7439079 A JP7439079 A JP 7439079A JP S601561 B2 JPS601561 B2 JP S601561B2
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JP
Japan
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layer
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sealed container
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JP7439079A
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仁士 尾形
達生 増見
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Length-Measuring Devices Using Wave Or Particle Radiation (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、非接触法による膜の厚さの測定法に関し、
更に詳しくはオプトアコーステイツク効果において試料
内に起こる温度の定常波により譲超される密封容器内の
圧力波の振幅が入射電磁波の変調周波数に依存すること
を利用して、膜厚を測定する膜厚測定法に関するもので
ある。
オプトアコースティツク効果とは、気体で満たされた密
封容器内に設置された物質に、この物質が吸収する電磁
波に変調を加えて照射すると、密封容器内に電磁波変調
周波数の圧力波が生じる現象をいう。
従来の膜厚測定法には、触針法、くり返し反射法、偏光
解析法、電気抵抗法、電気容量法、超音波法、うず電流
法等が知られている。
しかし触針法の場合には破壊検査であり、偏光解析法で
は一義的に膜厚を決めることができないし又不透明物質
には適用できず、さらに他の電磁気的測定法では物質の
電磁気的性質により適用範囲が制限される等の欠点を有
している。要約すれば、一般に従来の膜厚測定法では破
壊検査であるか、あるいは非電気伝導性基板上の非電気
伝導性薄膜の測定が困難であるなど、適用範囲が著しく
制限される等の匁点を有している。この発明は上記欠点
を除去し、非破壊的に正確に広い範囲の物質に対して膜
厚を測定することができる膜厚測定法を提供することを
目的とする。
この発明に係る膜厚測定法では、被測定層と入射電磁波
を効率よく吸収する薄い吸収層とからなる2重層を試料
とし、この試料を気体(以下バックグラウンドガスと称
する)を封入した密封容器に被測定層がバックグラウン
ドガスに接し、かつ密封容器の盤面の一部を構成するよ
うに設置し、この試料に変調された電磁波を照射してそ
の時に発生する圧力波の振幅と、吸収層のみで同様に測
定された圧力波の振幅の比をとり、この値の対数値の電
磁波の変調周波数の平方根に対する勾配より膜厚を求め
ることを特徴とする。従って、本郷定法は非接触式であ
り、試料を破壊する恐れは全くなく、また試料の透明度
あるいは電磁気的性質等にも依存せず、従来の膜厚測定
法に比しきわめて広い適用範囲を有する膜厚測定法であ
る。以下この発明の実施例を図に基づいて説明する。
第1図はこの発明の一実施例を示すもので、1は試料、
2は密封容器で、その一撃面に電磁波入射窓3が形成さ
れ、他の壁面に音圧検出素子としてマイクロホン5が気
密性を保つように装着されている。
6は光源(例えばキセノンランプ、タングステンランプ
、あるいは各種のレーザ)、7は電磁波の変調(変調周
波数は10〜200肥z)を行うためのチョツパ、8は
マイクロホン5の出力を増幅する増幅器、9は前記チョ
ッパ7からの参照信号と増幅器8の出力を受け、信号の
振幅と位相を測定する、いわゆるロックインアンプで、
このアンプ9には図示されていないがレコーダが接続さ
れる。
なお、4は入射窓3部の気密性を保つための○リングで
ある。また、密封容器2にはバックグラウンドガスが封
入されている。前記試料1は第2図に示すように被測定
層laと吸収層lbとからなり、第1図または第3図に
示すようにその被測定層laがバックグラウンドガスと
接し、かつ容器2の壁面の一部を構成するように、例え
ば接着テープによる貼付等によって入射窓3内面に取付
けるか、あるいは第4図に示すように入射窓3と対向す
る壁面に取付ける。
吸収層lbは変調された電磁波ビームを吸収して発熱し
、被測定層laの吸収層lbと接する面に周期的な温度
変化を起こさせる役割を持つ。この吸収層lbは、例え
ばカーボンブラックバインダー樹脂溶液の塗布等により
形成される。次に上記測定系の動作について説明する。
変調された電磁波ビーム6aを試料1に照射すると、吸
収層lbに電磁波が吸収され、そのエネルギーは吸収層
lb内で熱エネルギーに変換されて吸収層lbの温度が
上昇する。今、仮に試料1が吸収層lbのみで構成され
ているものとすると、上記の熱エネルギーは吸収層lb
と接するバックグラウンドガスに熱伝導により伝達され
、ガスの周期的な温度上昇を引き起こす。
この場合、バックグラウンドガスが一定体積のため、圧
力波が発生する。入射電磁波が角周波数ので変調されて
いるとすると、吸収層lbのバックグラウンドガスと接
する側の表面での温度の変動成分8(t)は8(t)ニ
80COS(のt−ご) ,..,..,..mによ
り表わされる。
ただし、8oは吸収層lbの吸収係数が充分大きければ
、吸収層lb自体の熱伝導率と地熱によって決まる値で
あり、ごは初期位相角である。また、吸収層表面温度の
変動成分の振幅ooと密封容器2内の圧力変動の振幅Q
との間にはQ=rP。
8。
ノ2 1gagT。 ………{21なる関係があ
る。ただし、Po、Toは密封容器2内の圧力と温度、
r及びagはバックグラウンドガスの定圧比熱と定客比
熱の比及び熱拡散率、1gは密封容器2の電磁波入射方
向の長さである。この‘2)式より密封容器2内の条件
が定まると試料表面温度と圧力波のそれぞれの振幅が比
例関係にあることがわかる。ごて、試料【1}が被測定
層laと吸収層lbの2層よりなる場合を考える。
被測定層laと吸収層lbが接しているため、被測定層
laの吸収層lb側の表面温度はやはり‘1}式により
示される。この温度の波動は、被測定層la内を伝播し
、反対側の表面でバックグラウンドガスを加熱し、試料
1が吸収層lbのみの時と同様に密封容器2内に圧力波
を生じさせる。この時バックグラウンドガスと接する被
測定層laの表面の温度8s(x、t)は、被測定層l
aの厚さをx、熱曲広散能をasとすると、8S(X、
t)ニ808Xp(一aS文)COS(のt−aSX−
ご) ……………{3}の形に表わさ
れる。
なお、asは熱拡散率Qsによりas=(■/2Qs)
1/2で定義される。このことから‘1)式と‘3’式
を比較することにより8s(x、t)とひ(t)の振幅
の比R=OS(x、t)/8(t) の対数値は ムhR=A−aSX=A−(多馬)1/2X‐.‐.‐
‐(4)で示される。
ここにA=・n{m善意≠云書竺;)△} である。
従って、lnRとの1/2の関係は直線関係となり、既
知の熱拡散率Qsの値を用いて直線の勾配から膜厚xを
求めることができる。
次に本発明による高分子フィルムの測定結果について述
べる。
即ち、カーボンブラック35%を、バインダー樹脂ポリ
ビニルブチラール65%と共にエチルアルコール適量に
溶解し、5時間ボールミルで蝿拝した塗料を、予めうず
電流法により膜厚を求めた(6山川)ポリ塩化ビニル樹
脂に塗布し、カーボンーブチラール樹脂層を吸収層lb
、ポリ塩化ビニル樹脂層を被測定層laとした2重層の
試料を作製し、これを第4図に示すように設置し、光源
6にキセノンランプを用いて白色光を入射し、圧力波の
振幅の膜厚依存性を周波数をパラメータとして測定した
。なお、吸収層lbの厚さは5〜loAmである。この
ようにして測定した値を予め吸収層lbのみの基準とな
る試料で得られた振幅で除することによって求めたR値
の周波数の平方根依存性を第5図に示す。
第5図よりR値と変調角周波数の平方根とは直接関係に
あり、その額きは0.013である。この値と、別に求
めたポリ塩化ビニル樹脂の熱拡散率の値1.07×10
‐3の・sec‐1を用いて、膜厚を求めると6.0ム
肌となり、うず電流法により求めた値と非常によい一致
が見られた。この高分子フィルムの膜厚測定の例におい
ては、吸収層としてカーボンを樹脂に分散させたフィル
ムを用いたが、たとえば金属等の基板上に存在する薄い
皮膜の厚さを測定する場合には、基板そのものを吸収層
として用いればよい。
またこの発明によれば、従来測定するのが困難であった
油膜の厚さの測定等、固体上の液体状皮膜の厚さについ
ても測定することが可能である。以上のように本発明は
従来の各種膜厚測定法に比し、非接触かつ非破壊検査で
あること、および適用範囲が著しく広いこと等の利点が
ある。第6図はこの発明の他の実施例を示すもので、原
理的には上記実施例と同様に‘4’式を使うものである
が、電磁波吸収層のみからなる基準となる参照用試料と
吸収層及び被測定層からなる試料を、同性能の音圧検出
器を備えた同形、同寸法の2つの密封容器の敦料取付部
に別々に装着し、これらに電磁波を照射した場合の2つ
の音圧検出器の出力信号強度の比の対数値を測定するよ
うにしている。
第7図において、1,101は試料、2,102は密封
容器、3,103は電磁波入射窓、4,104は○リン
グ、5,105はマイクロホン、6は光源、7はチョツ
パ、8,108は増幅器、9.109はロックインアン
プ、10,15は演算回路、11はX一Yレコーダ、1
2はビームスプリッタ、13,113は凹面鏡、14は
スキヤナであり、前記チョツパ7により変調された電磁
波ビーム6aはビ−ムスプリッタ12で分割されて光ビ
ーム6b,6cとなり、凹面鏡13,113により容器
2,102の入射窓3,103に集光される。
前記試料1は吸収層lbと被測定層laからなり、また
試料101は吸収層lbのみからなる。音圧検出器とし
てのマイクロホン5,105の出力信号は増幅器8,1
08で増幅された後、ロックインアンプ9,109によ
り電磁波変調周波数と同じ周波数成分をもつ信号だけが
検出され、増幅される。
この後演算回路10の入力となり、2つのマイクロホン
5,105の出力信号強度の比の対数値が求められ、演
算出力10aが×−Yレコーダ11のY軸の入力となる
。一方、チョッパ7の変調周波数はスキャナ14により
時間の関数として連続的に掃引され、参照信号7aはロ
ックィンアンプ9,109の入力となる。
また、スキャナ14の電圧出力は演算回路15によりそ
の平方根値に変換された後、その出力信号15aがX−
Yレコーダ11のX軸の入力となる。X−Yレコーダ1
1は×、Y軸への入力に応じて動作し、‘41式の関係
が記録される。この記録の直線の勾配を実測することに
より、直ちに濃厚を求めることができる。また、密封容
器2,102を圧力−電気変換材料により構成して青圧
検出器を兼ねるようにしてもよい。
以上のようにこの発明によれば、被測定層の一面に吸収
層を設け、この吸収層に変調された電磁波を照射し、そ
の結果発熱を起こさせ、この温度の波動が他面に伝播さ
れるときに生じる振幅の減衰の大きさが熱拡散率と波動
伝播の距離すなわち被測定層の厚さと周波数に依存する
ことより、周波数を変化させて被測定層の厚さを求める
ことができる。
また、温度の測定は、被測定面が密封容器内のバックグ
ラウンドガスに接してこのガスを加熱し、その結果起こ
る圧力変動を測定することによって可能であり、従って
非接触かつ非破壊的に膜厚を測定することができる。更
に、単体のフィルムから固体上の皮膜および液体状皮膜
に至るまで、幅広い範囲で膜厚を精度よく測定すること
ができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明に係る熱拡散率測定装置の一実施例を
示す測定系のブロック図、第2図は試料の構成を示す側
面図、第3図及び第4図は密封容器への試料取付状態を
説明するための断面図、第5図は吸収層−被測定層から
の信号強度と吸収層のみの信号強度の比と変調角周波数
との関係を示す特性図、第6図はこの発明の他の実施例
を示す測定系のブロック図である。 1,101・・・・・・試料、la・・・・・・被測定
層、lb・・・・・・吸収層、2,102・・・・・・
密封容器、3,103・・・・・・電磁波入射窓、5,
105・・・・・・マイクロホン、6・・・・・・光源
、7・・・・・・チョッパ、8,108・・・・・・増
幅器、9,109・・・・・・ロックィンアンプ、10
,15……演算回路、11・・・・・・X−Yレコーダ
、12……ビームスプリツタ、13,113…・・・凹
面鏡。 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。第1
図 第2図 第3図 第4図 第5図 第6図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 被測定層と入射電磁波を効率よく吸収する吸収層と
    からなる2重層を試料とし、この試料を所要の気体を封
    入した密封容器に上記被測定層が上記気体に接し、かつ
    上記密封容器の壁面の一部を構成するように設置し、上
    記試料に変調された電磁波を照射して、発生する圧力波
    の振幅と、吸収層のみで同様に測定された圧力波の振幅
    との比をとり、この値の対数値の電磁波の変調周波数の
    平方根に対する勾配から膜厚を求めることを特徴とする
    膜厚測定法。
JP7439079A 1979-06-12 1979-06-12 膜厚測定法 Expired JPS601561B2 (ja)

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JPS55166005A JPS55166005A (en) 1980-12-24
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