JP2007198771A - 膜厚測定方法及び膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光透過性膜の膜厚測定方法において、支持基板上に設けられた光透過性の膜の膜厚を精度よく測定することが可能な膜厚測定方法を提供することを目的とする。
【解決手段】支持基板上の光透過性膜の膜厚測定方法において、前記光透過性膜に光を入射させ、該膜の表面で反射された光と、前記支持基板と前記光透過性膜との界面で反射された光との干渉により得られる反射光を６００ｎｍ以上の範囲にわたって分光して前記分光した反射光の光量を検出して反射率曲線を求め前記反射率曲線を反射率が既知の標準試料を用いて校正して前記反射率曲線から極小及び極大を有する反射率曲線を求め、前記極大及び極小を有する反射率曲線の前記極大及び極小での波長並びに前記光透過性膜の屈折率を用いて前記光透過性膜の膜厚を測定する方法を主たる構成にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜厚測定方法及び膜厚測定装置に関し、特に電子写真感光体の膜厚等に適用される光干渉式膜厚計の改良に関する。

従来、支持基板上に塗布された膜の膜厚測定方法としては、段差計、表面粗さ計、渦電流膜厚計等の接触式膜厚測定方法、静電容量式膜厚計、蛍光Ｘ線膜厚計、光干渉式膜厚計等の非接触式膜厚測定方法、或いは光学顕微鏡、電子顕微鏡等の試料断面を観察する写真法等が挙げられる。

これらのうち、接触式膜厚測定方法は、被測定物を傷つけるため、測定に使用された被測定物は製品には使用できないという問題を有しており、また写真法も、被測定物の断面を観察する破壊検査法であるため、前記同様の問題を有している。また、膜厚が１μｍ以下である場合には、接触式膜厚測定法及び写真法のいずれも、測定時又は試料調製時に、接触による弾性変形が発生するなど、正確な膜厚を測定できない可能性がある。

一方、非接触式の膜厚測定方法においても、静電容量式膜厚計では、測定精度、測定分解能等に問題があり、蛍光Ｘ線膜厚計では、測定できる素材に制約があるだけでなく、膜厚が１μｍ近傍になると、測定精度にも問題がある。
このため従来から非接触、非破壊で測定精度の高い測定手法が望まれているが、近年、光干渉式の膜厚計が多く用いられてきた。

光干渉式は、光学的測定であるから、物理的に接触すること無く、膜厚を測定できる利点を有している。しかしながら、被測定物の表面が粗である場合、散乱確率が高く、よって反射光量が弱くなる。このため、表面状態によっては、必要な測定精度が得られないため、測定できなくなる場合もある。
このように、光干渉式は、被測定物の表面が平行平面であることが前提条件となるなど、支持基板や膜の表面が粗い場合には、光の散乱により、十分な反射光量を検出することが困難になる。

この問題を解決するために、たとえば電子写真感光体の基体の表面が粗い場合に、基体の十点平均粗さより長い波長の光を用いた膜厚測定方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、基体の十点平均粗さが測定光の波長以上になった場合に、膜厚を測定できないという問題がある。

同様に、電子写真感光体の基体の表面が粗い場合に、基体の最大表面粗さ高さより長い波長の光を用いて膜厚を測定する方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。しかしながら、基体の最大表面粗さが測定光の波長以上になった場合に、膜厚を測定できないという問題がある。

また、光導電性感光体における、光透過性の感光層の表面での反射光と下引き層の表面での反射光とを、干渉を用いて感光層の膜厚を測定する方法が開示されている（特許文献３参照）。この方法は、積層された光導電性感光体の層間の屈折率差を利用した膜厚測定に向いているが、表面が粗い支持基板上の膜、特に、膜厚が１μｍ以下の膜を含む膜厚測定には適しにくい。

更に従来では、１μｍ以下の薄膜と２０〜４５μｍ程の膜厚を光干渉方式で測定する場合は、干渉波形の次数（出現する干渉の山と谷の数）の影響で、全く同じ光源、分光器を用いた同一の測定波長域で膜厚計測することが困難で有り、通常は近紫外域と可視域、或いは近赤外域の２つの光干渉システムを切り替えて膜厚測定を行うということが為されて来た。
特開２０００−３５６８５９号公報 特開２０００−１８６９１６号公報 特開２００３−２８７４０９号公報

本発明は、上述した実情を考慮してなされたもので、支持基板上に設けられた光透過性の膜の膜厚を精度よく測定することが可能な膜厚測定方法及び膜厚測定装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、支持基板上の光透過性膜の膜厚測定方法において、前記光透過性膜に光を入射させ、該膜の表面で反射された光と、前記支持基板と前記光透過性膜との界面で反射された光との干渉により得られる反射光を７００〜１０００ｎｍの波長域を含む６００ｎｍ以上の範囲にわたって分光して前記分光した反射光の光量を検出して反射率曲線を求め前記反射率曲線を反射率が既知の標準試料を用いて反射光量を変化させて校正して前記反射率曲線から極小及び極大を有する反射率曲線を求め、前記極大及び極小を有する反射率曲線の前記極大及び極小の波長並びに前記光透過性膜の屈折率を用いて前記光透過性膜の膜厚を測定する膜厚測定方法を特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記支持基板の十点平均粗さは、０．７μｍ以上１．２μｍ以下である請求項１又は２に記載の膜厚測定方法を特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記支持基板は、略円筒形状である請求項１または２に記載の膜厚測定方法を特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、前記光透過性膜の膜厚は、０．３μｍ以上４５μｍ以下である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の膜厚測定方法を特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、前記校正は、前記標準試料の反射光の光量を減少させて反射率を任意の大きさにして前記反射率曲線を校正する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の膜厚測定方法を特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、前記光透過性膜の表面に入射する光の膜表面における直径が、０．９ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の膜厚測定方法を特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、前記支持基板上の光透過性膜の膜厚測定装置において、光源と、この光源から放射された光を伝送して射出すると共に前記反射光を伝送するファイバプローブを有し、当該ファイバプローブの光射出部から放射された光を前記光透過性膜に集束させる集束光学系と、前記光透過性膜の表面で反射された光と、前記支持基板の表面と前記光透過性膜との界面で反射された光との干渉された反射光とを７００〜１０００ｎｍの波長域を含む６００ｎｍ以上の波長範囲で分光する分光手段と、前記分光された反射光の光量を検出する光量検出手段と、前記光量から反射率を演算する演算手段とを有し、前記演算手段は、前記光量検出手段により得られた反射光を用いて反射率曲線を演算する際に、前記反射率曲線を反射率が既知の標準試料を用いて反射光量を変化させて校正して前記反射率曲線から極小及び極大を有する反射率曲線を求め、前記反射率が極小及び極大となる波長並びに前記膜の屈折率を用いて前記光透過性膜の膜厚を演算する膜厚測定装置を特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、前記ファイバプローブの透過波長域と分光手段の分光波長域と、所望波長領域の光を放射する光源の発光波長域とが一致している請求項７に記載の膜厚測定装置を特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、前記集束光学系の開口数が、０．０８以上０．１以下である請求項７又は８に記載の膜厚測定装置を特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、前記集束光学系は、色消しレンズを用いる請求項７又は９に記載の膜厚測定装置を特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、前記光源は、ハロゲン−タングステンランプを用いる請求項７〜１０のいずれかに記載の膜厚測定装置を特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、前記分光手段は、回折格子、プリズム又は分光フィルタの中から選択される１つである請求項７〜１１のいずれかに記載の膜厚測定装置を特徴とする。

また、請求項１３に記載の発明は、前記光量検出手段は、ラインセンサ又はシリコンフォトダイオード列である請求項７〜１２のいずれかに記載の膜厚測定装置を特徴とする。

また、請求項１４に記載の発明は、前記ファイバプローブの集束光学系を構成するレンズ側端部が、検出光伝送用ファイバを中心とし、反射光導光ファイバが前記検出光伝送用ファイバを囲繞するように構成されている請求項７〜１３のいずれかに記載の膜厚測定装置を特徴とする。

また、請求項１５に記載の発明は、前記光透過性膜の屈折率を前記演算手段は利用可能に記憶している請求項７〜１４に記載の膜厚測定装置を特徴とする。

本発明によれば、支持基板上の光透過性膜の膜厚測定方法において、前記光透過性膜に光を入射させ、該膜の表面で反射された光と、前記支持基板の表面で反射された光との干渉により得られる反射光を７００〜１０００ｎｍの波長域を含む６００ｎｍ以上の波長巾（波長範囲）で分光して、分光された反射光の光量を検出し、当該光量から反射率を演算する際に、当該反射率を任意の大きさに拡大することにより反射率が極小及び極大となる波長を求め、前記反射率が極小及び極大となる波長並びに前記膜の屈折率を用いて前記膜の膜厚を測定する膜厚測定方法により、前記光透過性膜の膜厚を測定するので、支持基板上に設けられた膜の膜厚を１μｍ以下薄膜から４５μｍ近傍厚さまで、同じ光学系で精度よく測定する膜厚測定方法を提供することが可能となる。
また、膜の表面に入射する光の膜表面における直径が、０．９ｍｍ以上、１．５ｍｍとすると、支持基板に酸化に依る汚れが有った場合や支持基板の表面粗さが大きい場合でも膜厚を精度よく測定することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の膜厚測定方法は、支持基板上に設けられた光透過性の膜（以下、コート膜という）の膜厚を測定する。具体的には、光をコート膜に入射し、コート膜の表面で反射された光と、支持基板の表面で反射された光とで干渉により得られる反射光を７００〜１０００ｎｍの波長域を含む６００ｎｍ以上の波長範囲を分光し、この分光された光の光量を検出する。さらに、この光量から反射率を演算する際に、反射率を任意の大きさにすることにより、反射率が極小及び極大となる波長を求め、反射率が極小及び極大となる波長並びにコート膜の屈折率を用いてコート膜の膜厚を測定する。たとえば分光波長範囲を４００ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下とすることができる。

本発明において、コート膜は、光学的に透明であれば、特に限定されない。すなわち、支持基板上に、以下に示されるような方法でコート膜が設けられた被測定物であれば、コート膜の膜厚を測定することができる。さらに、支持基板は、膜厚測定に用いられるスペクトル光の波長以上の十点平均粗さを有していてもよい。

支持基板は、膜厚測定に用いられるスペクトル光を反射すればよく、特に限定されない。シート状（平板状）、パイプ状（曲率を有する円筒形状）等の様々な形状の支持基板を用いることができる。

支持基板としては、たとえば、アルミニウム、ニッケル、クロム、ニクロム、銅、金、銀、白金等の金属をシート状又はパイプ状に成形した材料、酸化スズ、酸化インジウム等の金属酸化物を蒸着又はスパッターにより、シート状又はパイプ状のプラスチック、紙等に被覆した材料、上記材料上に金属粉体等をバインダー樹脂中に分散した層をさらに設けた材料等が挙げられる。

被測定物の具体例としては、光導電性感光体における、アルミニウム切削ドラム上に下引層、或いは感光層を形成したものが挙げられる。一般に、デジタル複写機、プリンター等に使用される感光体の基体では、レーザー光等を散乱させるために表面を粗面化している。しかしながら、表面が粗い基体では、基体の表面で反射される光とコート膜の表面で反射される光との干渉が起こりにくいため、従来の光干渉方式の膜厚計を用いて膜厚を測定することは困難である。

画像形成装置の露光手段としてレーザー光による光走査装置が用いられる場合、感光体の支持基板（基体）の表面を粗面化しないと、レーザー光が導電性基体の表面で反射される光と、中間層の表面で反射される光とが感光層の内部で干渉し、画像上に干渉模様が現れることがある。そこで、このような干渉を抑制するために、支持基板である基体の表面を粗面化したり、あるいは中間層に顔料の微粒子を分散させて乱反射させたりすることが行われている。基体の表面を粗面化する方法としては、ホーニング法、エッチング法、切削、研削等の機械的に粗面化する方法、陽極酸化法、ベーマイト処理法、加熱酸化処理法等の酸化処置を行う方法等が挙げられる。

本発明において、支持基板は、膜厚測定に用いられるスペクトル光（少なくとも６００ｎｍ以上の波長の光の成分を連続的に有する光源）を反射することが肝要であるが、表面粗さの影響を受けるため、１０％程度の垂直反射率を有することが好ましい。また、支持基板の十点平均粗さＲｚは、０．７〜１．２μｍの範囲であることが好ましい。
コート膜を構成する材料としては、膜厚測定に用いられるスペクトル光を透過する材料であればよく、特に限定されないが、有機材料でも無機材料でもよい。

有機材料としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の樹脂が挙げられる。このような樹脂は、色素、可塑剤、酸化防止剤、導電剤等の添加剤が添加されていてもよい。このような材料は、光学的に透明であることが必要であり、添加剤としては、樹脂中に分散されていることが好ましい。具体的には、ポリアミド樹脂、ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−無水マレイン酸共重合体、ポリエステル樹脂、ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアレート、フェノキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、酢酸セルロース樹脂、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、ポリビニルホルマール、ポリビニルトルエン、ポリビニルアルコール、ポリ（Ｎ−ビニルカルバゾール）、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、アルキッド樹脂等が挙げられる。

無機材料としては、Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｉ，Ｃｕ等の金属酸化物あるいは二酸化ケイ素等、特開平３−１９１３６１号公報に記載されている金属酸化物のガラス質ネットワーク、すなわち、ガラス質ネットワークはゾル−ゲル法により、Ｓｉ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｉ，Ｃｕ等の酸化物を含む、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃等のガラス質ネットワークにより形成され、具体的な例として、ＳｉＯ₂およびＳｉＯ₂−ＴｉＯ₂金属酸化物混合物、さらに、有機金属化合物を熱架橋させた材料等が挙げられる。

また、コート膜（光透過性膜）の形成方法は、特に限定されないが、湿式成膜法と乾式成膜法（真空薄膜作製法）の２つに大別される。

湿式成膜法は、コート膜を形成する材料を溶媒中に溶解又は分散させた塗工液を基板上に成膜することにより形成され、必要に応じて乾燥手段を設ける。塗工方法としては、ブレード塗工、浸漬塗工法、スプレーコート、ビートコート、ノズルコート法等が挙げられ、塗工後は、乾燥や加熱、光等の硬化処理を実施する。

乾式成膜法は、減圧下（真空中）で分子又は原子を基板上に堆積させて成膜する方法である。具体的には、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の方法が挙げられる。このとき、成膜中又は成膜後に基板を加熱して、重合することもできる。

図１は、本発明の膜厚測定装置の一例を示す構成概略図である。膜厚測定装置は、光源１１と、伝送光学系としてファイバプローブ１２、及び集束光学系としてレンズ１３を有する。光源１１は、スペクトル光を放射する。放射されたスペクトル光は、ファイバ１２ａによりファイバプローブ１２の射出部へ伝送され、ファイバプローブ１２の射出部から被測定物１０に向けて射出される。射出されたスペクトル光は、レンズ１３により、被測定物１０のコート膜に集光され、コート膜の表面に対して略垂直に入射される。この入射光はコート膜の表面で反射され、また支持基板の表面で反射され、これらが干渉により得られた反射光は、入射光と逆の順番で、レンズ１３を介して、ファイバプローブ１２に受光され、反射光伝送用ファイバ１２ｂにより伝送される。伝送された反射光は、分光手段１４により分光され、分光された反射光は、光量検出手段１５により光量が検出される。演算手段１６は、光量検出手段１５により得られた光量から反射率を演算する際に、反射光の反射率を校正する標準試料を用いて、光源と受光素子の分光特性の正規化を行いながら、反射率を任意の大きさに拡大する。これにより、反射率が極小及び極大となる波長を求める。さらに、これらの波長とコート膜の屈折率とを用いて、コート膜の膜厚を演算する。

集束光学系の開口数NAは、０．０８以上０．１以下であることが好ましい。開口数を０．０８以上とすることにより、膜厚測定に必要な反射光量を確保することができる。また、開口数を０．１以下とすることにより、膜厚測定に必要な「垂直入射／垂直受光」の基本原理を満たす（入射または反射）光を確保することができる。これにより、精度よく膜厚を測定することができる。

また膜の表面に入射する光の膜表面における直径が、０．９ｍｍ以上、１．５ｍｍ（好ましくは１．５ｍｍ以下）とすることが好ましい。膜の表面に入射する光の膜表面における直径を、０．９ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下とすることで、支持基板の酸化による汚れに関わらない照射領域の反射光を取得出来る為、汚れや表面粗さの影響を軽減することが出来る。
０．９ｍｍ以下では、支持基板の酸化汚れや切削痕ピッチ等の表面性状の影響を受け、干渉光を検出できない。逆に、１．５ｍｍ以上とすると円筒形状に起因する曲率の影響を受け光が散乱してしまう。
更に、表面で反射された光と、支持基板の表面で反射された光との干渉により得られる反射光を７００〜１０００ｎｍの波長域を含む６００ｎｍ以上の波長範囲を分光することが望ましい。

一般に１μｍ以下の膜厚（薄膜）の場合には、干渉計測の際、反射率（干渉）の極大と極小を得る為に近紫外域の波長が必要となり、また４５μｍ近傍の厚膜の場合には、近紫外域では干渉の極大・極小の出現周期が狭くなり分離が厳しくなるため、干渉波形の可視性が確保される可視域から近赤外での光干渉計測を行う場合が多い。

ここで、表面で反射された光と、支持基板の表面で反射された光との干渉により得られる反射光を７００〜１０００ｎｍの波長域を含む６００ｎｍ以上の波長で分光し、反射光の光量から反射率を演算する際に、前記反射率を任意の大きさに拡大することで、１μｍ以下の薄膜から４５μｍ近傍の厚さの膜まで、膜厚を同一光学系で精度良く測定することが可能となる。

コート層（光透過性膜）の表面性に寄与するコート層界面の垂直反射率は、コート層の表面（空気と接触する面）での反射率に対する支持基板界面の反射率を確保する観点から、４００〜１０００ｎｍの波長領域に対して４％以上９０％未満で有ることが好ましい。コート層の界面での反射率が９０％を超えると、振動する（すなわち、極大、極小を有する）分光スペクトル強度（反射率曲線）の極大・極小の差が小さくなり、測定の感度が低下する。また、４％以下では、反射光の分光後の各スペクトル成分強度が小さくなり、迅速な膜厚測定が難しくなる。

以下、レンズ１３として、レンズ径１２．５ｍｍ、焦点距離１５ｍｍ、開口数０．０９となる色消しレンズが被測定物から６５ｍｍの距離で設置されている場合について説明する。レンズ１３は、鏡筒１７の一端に固定され、鏡筒１７の他端には、ファイバプローブ１２の射出側の端部が保持されている。レンズ１３とコート膜の表面との距離は、６５ｍｍであり、レンズ１３とファイバプローブ１２の射出側の端部との距離は、１９．５ｍｍであるとする。

光源１１は、ハロゲン−タングステンランプであることが好ましく、この光源は可視領域から近赤外領域に亘る広い波長領域の明るい光を照射することができる。１μｍ以下の薄膜測定の場合には、近紫外域での光干渉計測を行うのが多いため、この領域の光源として、通常、重水素ランプを用いるが、この光源はけっして明るい光源では無いので、支持基板が例えば膜厚を超えて粗面化されている場合には、使用する光が短波長ゆえに散乱が多くなり、光干渉方式を用いての安定的な測定が出来なくなる可能性がある。

ファイバプローブ１２の射出側の端部は、図２に示すように、反射光伝送用ファイバ１２ｂを放射光伝送用ファイバ１２ａが囲む構成とすることが好ましい。これはファイバプローブ１２から射出された光は、レンズ１３により、コート膜の表面に直径１．３２ｍｍの光スポットとして集光される。すなわち、放射光伝送用ファイバ１２ａの端面の直径は、０．２ｍｍであり、図２に示す放射光伝送用ファイバ１２ａの束を直径０．４ｍｍの円形光源とすると、レンズ１３の結像倍率（＝６５／１９．５＝３．３）を用いて、光スポットの直径は、（０．４×３．３＝）１．３２ｍｍとなる。

分光手段１４としては、回折格子であることが好ましく、具体的には、分光領域が４００〜１０００ｎｍの範囲であり、分解能が１．１７ｎｍ／ポイントである固定型ツェルニターナ型回折格子が挙げられる。また、回折格子の波長分解能は、０．７〜１．５ｎｍ／ポイントであることが好ましい。回折格子の波長分解能を高めることは、電気信号取得時のサンプリング周波数を高めることと同様の効果を有する。これにより、コート膜の膜厚が大きい場合及び散乱により波形の形が崩れる場合に、情報を欠落することなく離散サンプリングすることができ、表面の粗い支持基板における膜厚測定を精度よく行うことができる。

また、回折格子以外の分光手段１４としては、プリズム又は分光フィルタを用いることもできる。回折格子等の分光手段１４は、回転により分光波長領域を変化させる回転方式のものを用いることもできるが、空間的に固定して用いられる回折格子等の固定型の分光手段１４を用いると、回転のためのスペースや回転機構が不要となるため、膜厚測定装置のコンパクト化が可能になる。

光量検出手段１５は、ラインセンサであることが好ましく、具体的には、検出範囲が４００〜１０００ｎｍ、受光素子数が５１２であるラインセンサが挙げられる。光量検出手段１５としては、上記したラインセンサの他に、シリコンフォトダイオード列（シリコンフォトダイオードアレイ）を用いることもできる。シリコンフォトダイオードは、小型、軽量、安価であり、膜厚測定装置を小型化し、製造ラインに進展させる場合にも回路構成が容易であるため、工業化しやすく、コスト上でもメリットがある。

コート膜の膜厚測定の原理を、図３に示す被測定物の層構成図を用いて説明する。ここでは、被測定物は、Ｒｚが０．７〜１．２μｍの範囲の支持基板３１及びコート膜３２から構成されている例により説明する。

コート膜３２の膜厚をｄとし、その屈折率をｎ₁とし、対物レンズ１３によりスペクトル光をコート膜３２の表面に集光すると共に垂直入射する場合を考える。入射されたスペクトル光は、図１に示すように感光体を構成するコート膜に対して略垂直に入射し、この入射光の一部が、コート膜３２の表面（図３では、コート膜３２の上面）に対して垂直に反射され、一部は、コート膜３２内に入射して、支持基板３１の表面（コート膜３２と支持基板３１との界面）に対して垂直に反射される。これらは、干渉し、非常に微弱な反射光となるが、反射光は対物レンズ１３を介して反射光伝送用ファイバ１２ｂの端部に集光され、分光手段１４へ伝送される。反射光は、分光手段１４により各成分に分光され、光量検出手段１５により、この分光された各成分の反射光の光量（あるいは光強度）が検出される。

図４に、本発明の膜厚測定装置を用いて測定した１μｍ以下薄膜の測定結果の一例を示す。ここでは、光量検出手段１５により検出された反射光量から光源の分光分布（スペクトル）と受光素子の分光特性（感度特性）と標準試料の反射特性を正規化した後の反射率曲線４１及び演算手段１６により反射率曲線４１から演算される理論反射率曲線４２が示されている。なお、理論反射率曲線４２は、光学モデルから非線形最小二乗法（例えば、シンプレックス法等のカーブフィットアルゴリズムを使用）により、連続する反射率曲線として、演算された理論値の反射率曲線を示す。

反射率曲線の振動（周期性：極大、極小を有する特性）は、反射光の干渉の結果を示すが、反射率の振動の振幅は、図４に示すように十点平均粗さより小さい４００〜６００ｎｍの波長領域でも、また十点平均粗さの下限である７００ｎｍ以上の波長領域でも出現している。しかしながら、膜厚が１μｍ以下となった場合、干渉の次数の関係で膜厚測定に必要な反射率の極大と極小が多く出現するのは十点平均粗さ以下の波長領域となり、十点平均粗さ以上となる０．７〜１．２μｍ（７００〜１２００ｎｍ）の波長領域では、反射率の極大と極小の一部しか確認できない場合がある。

支持基板の十点平均粗さが０．７〜１．２μｍである場合、約７００ｎｍ以下の波長光の多くは、支持基板の表面で散乱されるが、反射光の中で微弱な垂直成分だけを検出することができれば、膜厚測定が可能な干渉波形の可視度（すなわち図４に示されるような反射率曲線の振動が見て解ること）を確保することができる。

この場合、光源が放射するスペクトル光が、支持基板上に設けられた光透過性を有する膜の光学的吸収端（約７００ｎｍ）以上の波長領域を含んでいることが好ましい。
光透過性を有するとは、光に対して吸収が無い、即ち光学的な消光係数がゼロの場合で有ることが好ましいが、膜の消光係数がゼロでも、膜物性から決まるバンドギャップ以上のエネルギーを有する波長領域の場合、光の吸収が起こってしまい干渉計測が成り立たなくなることがある。また、ファイバプローブの透過波長域と分光手段の分光波長域と、所望波長領域の光を放射する光源の発光波長域が一致していることが望ましい。

一般には、支持基板の凹凸の周期と振幅が入射光の波長と同程度の表面粗さかそれ以上の場合、凹凸が周期的であれば、回折が生じ、特定の角度に強く反射する。また、凹凸がランダムであれば、全方向に一様に散乱する。なお、支持基板の表面粗さが入射光の波長と同程度の場合に、散乱が最も強くなる。

一方、入射光の波長が支持基板の凹凸（の差）よりも一桁以上大きくなるか、支持基板の凹凸（の差）が入射光の波長より一桁以上小さい周期あるいは振幅であれば、レイリー散乱となり、入射光は、支持基板の凹凸に左右される散乱ではなくなり、反射光は、良好に干渉（すなわち、膜厚に依存する散乱光となる）する。

コート膜に入射されるスペクトル光の波長が支持基板の凹凸（の差）よりも小さい場合、完全にランダムであれば、反射光は全方向に一様に散乱し、周期的であれば、特定の角度（ブレーズ角）で強く反射するが、支持基板上で光が散乱しても、膜厚測定に必要な垂直反射光は、弱いながらも存在する。

この微弱な垂直反射光は、通常の受光手段では顕在化しないため、散乱光中の微弱な垂直反射光を受光する為に、光束の状態をペンシル状に（開口数ＮＡを小さく）したり、入射光の膜表面上の直径を大きくしたり、可干渉性を高めた垂直入射される光（スペクトル光）を用いると共に反射率を任意の（所定の、たとえば、標準試料を用いて反射光量を変化させて校正して）大きさに拡大することによって、干渉波形の可視性を向上させることができる。

本発明の場合、図４の理論反射率曲線４２の４００ｎｍを超える波長領域において、隣接する極大と極小の好適な物を選択し、極大及び極小を与える波長を、それぞれλ_2m及びλ_2m+1とする。ここでｍは、干渉の次数であり適宜に定めることができる。

コート膜の膜厚ｄ、屈折率ｎ１及び干渉の次数ｍの間には、
２ｍ＝４ｎ₁ｄ／λ_2m
２ｍ＋１＝４ｎ₁ｄ／λ_2m+1
の関係が成り立つので、ｍを消去すると、
ｎ₁ｄ＝λ_2m・λ_2m+1／４（λ_2m−λ_2m+1）
の関係が得られる。
したがって、λ_2m、λ_2m+1が与えられると、コート膜の光学的膜厚ｎ₁ｄが得られる。さらに、屈折率ｎ₁が与えられると、コート膜の膜厚ｄは、下記式（１）
ｄ＝λ_2m・λ_2m+1／４ｎ₁（λ_2m−λ_2m+1）・・・（１）
として、演算することができる。

屈折率ｎ₁は、コート膜の材質が定まれば一義的に定まるものであり、その分光特性（以下、分光屈折率という）、すなわち、波長による屈折率の変化を予め演算手段１６内にテーブル又は波長の関数として記憶しておくことができる。これにより、λ_2m、λ_2m+1及びｎ₁から、コート膜の膜厚ｄを、式（１）に従って演算することができる。
この式（１）からも明らかなように、コート膜（光透過性膜）の膜厚の演算に際しては、反射率の絶対値は必要無く、極大及び極小を与える波長が高精度で取得できれば、コート膜の分光屈折率を用いて、コート膜の膜厚ｄが測定できる。この反射率の極大及び極小を与える波長の精度を高めるために、反射率を任意の大きさに拡大する。

一般に、分光光度計、分光反射率測定計、光干渉膜厚計等で直接測定されるのは、試料からの反射光量（あるいは光強度）であり、反射率を求めるには反射率が既知の標準試料を事前に測定して校正する必要がある。これにより、試料の反射率（曲線）Ｒ(λ)は、下記式(２)
Ｒ(λ)＝[（Ｉ_s(λ)−Ｉ_d(λ)）／（Ｉ_r(λ)−Ｉ_d(λ)）]・ｒ(λ)・・・（２）
として算出することができる。ここで、Ｉ_s(λ)は、試料からの反射光を受光して演算手段内で扱われるデジタルデータであり、Ｉ_d(λ)は、演算手段内で扱われる受光器の暗電流成分のデジタルデータであり、Ｉ_r(λ)は、標準試料からの反射光を受光演算手段内で扱われるデジタルデータであり、ｒ(λ)は、標準試料の理論的な反射率を表す。

本発明においては、標準試料の反射光量を減少させることにより、Ｒ(λ)を任意の大きさに拡大することが好ましい。具体的には、Ｉ_r1(λ)及びｒ₁(λ)を有する標準試料に対して、Ｉ_r1(λ)より小さいＩ_r2(λ)を有する標準試料を用意し、Ｉ_r2(λ)及びｒ₁(λ)を用いて、Ｒ(λ)を演算する。

すなわち、演算手段１６は、光量検出手段１５により検出された反射光の光量から反射率を演算する際に、反射率を任意の大きさに拡大する。さらに、得られた測定値である反射率に対して光学モデルから理論値の反射率曲線を更に導出させた後、この理論反射率曲線に対して微分演算等により、極小及び極大を与える波長λ_2m+1及びλ_2mを求め、コート膜の屈折率ｎ₁に基づいて、コート膜の膜厚ｄを、式（１）に従って演算する。

図５は、本発明の膜厚測定装置を用いて測定した膜厚が４５μｍ近傍の膜の測定結果の例を示し、図５(ａ)は入射光の分光範囲（スペクトル範囲）が４００〜１０００ｎｍの波長域を、図５(ｂ)は、７００〜１０００ｎｍの波長域をそれぞれ示した拡大反射率曲線である。

図６に、通常の膜厚測定方法を用いて得られる反射率の一例を示す。ここでは、反射率を任意の大きさに拡大していないので、反射光の反射率の極大及び極小は分離できず、λ_2m及びλ_2m+1を求めることが困難であり、測定精度が低下することが判る。

また、図７は、測定波長範囲を４７０ｎｍ巾とした場合の測定結果の例を示す。測定波長の範囲は、３８０〜８５０ｎｍ（測定巾８５０−３８０＝４７０）である。図７では、７００〜１０００ｎｍを含む波長範囲が６００ｎｍ以上となっておらず、充分な可視性を持った反射率の極大・極小の出現回数が少ない為、反射光の反射率曲線６１に対する理論反射率曲線６２がうまく求められず測定精度が低下する。

演算手段１６には、コート膜の分光屈折率を記憶し、これを演算の際に活用されていることが好ましい。これにより、コート膜の膜厚の演算に、分光屈折率を用いることができる。したがって本発明の膜厚測定装置においては膜厚測定装置の汎用性を高め、複数種の被測定物に対して適応できるように、演算手段１６は、１種以上のコート膜の分光屈折率を利用可能に記憶されていることが好ましい。
図８に、本発明で用いられるコート膜の分光屈折率の一例を示す。

［比較例１］
本発明の膜厚測定装置では、伝送光学系１２から射出されるスペクトル光を集束光学系を構成するレンズ１３によりコート膜に集光させている。これに対し、本比較例では、図９に示すように、ファイバプローブ１２をコート膜の表面から０．５ｍｍの距離に近接させ、射出光を直接被測定物１０の表面に入射するようにした。得られた反射率は、図１０のようであった。
図１０から明らかなように、得られた反射率曲線は、振動の振幅が極めて小さく、波長λ_2m及びλ_2m+1を求めることが困難であり、よって膜厚を精度よく測定することが困難であることが判る。

[実施例１、２]
直径が１００ｍｍであり、十点平均粗さが０．９μｍのアルミ製シリンダー上に、アルコール可溶性ポリアミドの商品名アミランＣＭ８０００（東レ株式会社製）４部、メタノール７０部及びｎ−ブタノール３０部からなる塗工液を直径１３３ｍｍのガラスシリンダーに入れ、浸漬塗工法により塗工速度を変えて塗布し、指触乾燥後、１３０℃で１０分加熱乾燥して塗膜を形成し、アルミ製シリンダー上に膜厚０．３μｍと０．７μｍの塗膜の被測定物を１と２を作製した。

[実施例３、４]
アルコール可溶性ポリアミドの商品名アミランＣＭ８０００（東レ社製）を７部に代えた以外は、実施例１と同様にしてアルミ製シリンダー上に膜厚０．９μｍ及び１．２μｍの塗膜の被測定物３及び４を作製した。

［実施例５］
直径１００ｍｍ、十点平均粗さが０．７μｍのアルミ製シリンダー上に、トリブトキシジルコニウムアセチルアセトネートのトルエン溶液、商品コードＺＣ５４０（松本交商社製）、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、商品コードＡ１１１０（日本ユニカー社製）１２部、エタノール６００部及びｎ−ブタノール１５０部からなる塗工液を直径１３３ｍｍのガラスシリンダーに入れ、浸漬塗工法により塗布し、指触乾燥後、１３０℃で１０分加熱乾燥し、塗膜を形成して、アルミ製シリンダー上に膜厚０．４μｍの被測定物５を作製した。

［実施例６］
塗工液として、電荷輸送物質（化合物）：７重量部、ポリカーボネート樹脂（ユーピロンＺ２００：三菱ガス化学社製）：１０重量部、シリコーンオイル（ＫＦ−５０：信越化学工業社製）：０．００２重量部をテトラヒドロフラン：１００重量部に溶解して調製した塗工液を用い、乾燥時間を２０分間とした以外は実施例３及び４と同様にして、塗膜として電荷輸送層がアルミ製シリンダー上に膜厚２２μｍ及び３８μｍ形成された被測定物６及び７を作製した。
なお上記「電荷輸送物質」の化学構造式を下記に示す。

（評価結果）
図１に示す膜厚測定装置を用いて被測定物１〜７の塗膜の膜厚を測定したところ、０．０１μｍ以下の分解能で精度よく測定することができた。

なお前記した図４に示すように本発明の膜厚測定装置により極値を求めて膜厚を求めると、理論反射率曲線４２からの３つの極値４１１〜４１３により、４４８ｎｍ（４１１：極大）、５３６ｎｎｍ（４１２：極小）となり、またこの波長の範囲の屈折率は１．５３（図８参照）であることから、前記式（１）を用いて、膜厚ｄを求めると、ｄ＝４４８×５３６／（４×１．５３×（５３６−４４８））より、ｄ≒４４０ｎｍとなる。また、他の膜厚測定により得られた膜厚は０．４３であり、かなりよい一致が確認された。

本発明の膜厚測定装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の膜厚測定装置に使用される伝送光学系の射出側端部の断面図である。 本発明の膜厚測定装置で測定する被測定物の一例を示す断面図である。 本発明の膜厚測定装置を用いて測定した結果例を示す図である。 本発明の膜厚測定装置で測定した測定結果例を示す図であり、(ａ)は本発明の膜厚測定装置を用いて測定した４５μｍ近傍膜の測定結果の一例を示し、（b）は、７００〜１０００ｎｍの波長域を拡大したものである。 通常の膜厚測定方法による反射率と波長との関係を示す図である。 測定波長域を４７０ｎｍとした場合の測定結果を通常の膜厚測定の例を示す図である。 本発明で使用されるコート膜の分光屈折率（コート膜の屈折率の波長依存性）の例を示す図である。 通常（従来）のファイバプローブをコート膜の表面から近距離に近接させた膜厚測定装置の例を示す概略側面図である。 近距離膜厚測定の場合の反射率の波長依存性を示す図である。

符号の説明

１０ 被測定物
１１ 光源
１２ ファイバプローブ
１２ａ 放射光伝送用ファイバ
１２ｂ 反射光伝送用ファイバ
１３ 対物レンズ
１４ 分光手段
１５ 光量検出手段
１６ 演算手段
１７ 鏡筒
４１ 反射率曲線
４２ 理論値反射率曲線
６１ 反射光の反射率
６２ 理論値反射率曲線

Claims (15)

1. 支持基板上の光透過性膜の膜厚測定方法において、
   前記光透過性膜に光を入射させ、
   該膜の表面で反射された光と、前記支持基板と前記光透過性膜との界面で反射された光との干渉により得られる反射光を７００〜１０００ｎｍの波長域を含む６００ｎｍ以上の範囲にわたって分光して前記分光した反射光の光量を検出して反射率曲線を求め前記反射率曲線を反射率が既知の標準試料を用いて反射光量を変化させて校正して、
   前記反射率曲線から極小及び極大を有する反射率曲線を求め、
   前記極大及び極小を有する反射率曲線の前記極大及び極小での波長並びに前記光透過性膜の屈折率を用いて前記光透過性膜の膜厚を測定することを特徴とする膜厚測定方法。
2. 前記支持基板の十点平均粗さは、０．７μｍ以上１．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の膜厚測定方法。
3. 前記支持基板は、略円筒形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の膜厚測定方法。
4. 前記光透過性膜の膜厚は、０．３μｍ以上４５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
5. 前記校正は、前記標準試料の反射光の光量を減少させて反射率を任意の大きさにして前記反射率曲線を校正することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
6. 前記光透過性膜の表面に入射する光の膜表面における直径が、０．９ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
7. 前記支持基板上の光透過性膜の膜厚測定装置において、
   光源と、
   前記光源から放射された光を伝送して射出すると共に前記反射光を伝送するファイバプローブを有し、
   当該ファイバプローブの光射出部から放射された光を前記光透過性膜に集束させる集束光学系と、
   前記光透過性膜の表面で反射された光と、
   前記支持基板の表面と前記光透過性膜との界面で反射された光との干渉された反射光とを７００〜１０００ｎｍの波長域を含む６００ｎｍ以上の波長範囲で分光する分光手段と、
   前記分光された反射光の光量を検出する光量検出手段と、
   前記光量から反射率を演算する演算手段とを有し、
   前記演算手段は、前記光量検出手段により得られた反射光を用いて反射率曲線を演算する際に、前記反射率曲線を反射率が既知の標準試料を用いて反射光量を変化させて校正して前記反射率曲線から極小及び極大を有する反射率曲線を求め、前記反射率が極小及び極大となる波長並びに前記膜の屈折率を用いて前記光透過性膜の膜厚を演算することを特徴とする膜厚測定装置。
8. 前記ファイバプローブの透過波長域と分光手段の分光波長域と、所望波長領域の光を放射する光源の発光波長域とが一致していることを特徴とする請求項７に記載の膜厚測定装置。
9. 前記集束光学系の開口数が、０．０８以上０．１以下であることを特徴とする請求項７又は８に記載の膜厚測定装置。
10. 前記集束光学系は、色消しレンズを用いることを特徴とする請求項７又は９に記載の膜厚測定装置。
11. 前記光源は、ハロゲン−タングステンランプを用いることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の膜厚測定装置。
12. 前記分光手段は、回折格子、プリズム又は分光フィルタの中から選択される１つであることを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の膜厚測定装置。
13. 前記光量検出手段は、ラインセンサ又はシリコンフォトダイオード列であることを特徴とする請求項７〜１２のいずれかに記載の膜厚測定装置。
14. 前記ファイバプローブの集束光学系を構成するレンズ側端部が、検出光伝送用ファイバを中心とし、反射光導光ファイバが前記検出光伝送用ファイバを囲繞するように構成されていることを特徴とする請求項７から１３のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
15. 前記光透過性膜の屈折率を前記演算手段は利用可能に記憶していることを特徴とする請求項７から１４のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。

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