JP3916100B2

JP3916100B2 - 微小部分の膜厚測定方法

Info

Publication number: JP3916100B2
Application number: JP21905397A
Authority: JP
Inventors: 三沢　　俊司; 素子市橋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2017-07-30
Also published as: JPH1151630A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微小部分の膜厚測定方法に関するものであり、更に詳しくは微小部分のコーティング膜に対して電子線を入射させ、発生する特性Ｘ線の強度を測定して膜厚を測定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ドリルの耐久性の向上、旋盤用バイトの切削性の向上、カミソリの肌触り感の向上のために、鋭い刃先面に対して目的に応じたコーティング膜を形成させたり、また、数μｍから数十μｍ単位の凹凸を有するプラスチック成形品の表面にコーティング膜を形成させることは広く行なわれている。しかし、この鋭い刃先面や微小な凹凸を有する表面へのコーティング膜における微小部分の膜厚を直接に測定することは困難であり、実際には行われていない。
【０００３】
平坦で広い面積を有する母材に施されたコーティング膜の膜厚を直接に測定することは比較的容易であり従来から行われている。コーティング膜と母材の種類や材質によって異なるが、例えば、膜のある箇所と無い箇所との段差部分に針の先端を接触させて移動させる触針式表面粗さ計を使用する機械的な方法、コーティング膜による干渉縞を利用する光学的な方法、コーティング膜の抵抗値や静電容量を測定する電気的な方法、コーティング膜によるＸ線の干渉を利用するＸ線回折方法、その他の方法が適宜選択されて適用されている。しかし、鋭い刃先面や数μｍから数十μｍ単位の凹凸を有する表面へのコーティング膜の微小部分の膜厚は従来の方法で直接に測定することは困難であるために、平坦で広い面積を有するダミー板を用いて希望の膜厚のコーティング膜を形成させ得るコーティング条件を設定し、その条件下に目的の微小部分へコーティング膜を形成させるか、または微小部分へのコーティング膜の形成と同時にダミー板にもコーティング膜を形成させ、ダミー板におけるコーティング膜の膜厚を従来の方法で測定して、目的とする微小部分のコーティング膜の膜厚を間接的に求める方法が採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
微小部分のコーティング膜についての従来の間接的な測定方法による膜厚はあくまで推測値であり直接的な測定値ではない。また、微小部分のコーティング膜に対して従来のＸ線回折方法によるＸ線を絞って直接に照射することも考えられるが、Ｘ線を細く絞るには限度があり、例えば、松村訳、「Ｘ線回折要論」、アグネ社（１９６１）やＷ．Ｔ．スプロール著、「Ｘ線の実務」、マックグローヒル社（１９６４）［Ｗ．Ｔ．Ｓｐｒｏｕｌ、Ｘ−ＲａｙｓｉｎＰｒａｃｔｉｃｅ；ＭｃＧｒａｗＨｉｌｌ、Ｎ．Ｙ．（１９６４）］によっても、絞ったＸ線のビーム径はたかだか数１００μｍであって、鋭い刃先面や数μｍから数十μｍ単位の凹凸を有する表面へのコーティング膜の微小部分に照射して膜厚の測定に適用することはできない。更には、Ｘ線は電子線と比較して透過力が大きく、薄膜の膜厚を測定するには本質的に適していない。
【０００５】
本発明は上記の問題に鑑みてなされ、鋭い刃先部分や数μｍから数十μｍ単位の凹凸面のような微小部分に対するコーティング膜の膜厚を直接的に測定し得る膜厚測定方法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は請求項１の構成によって解決されるが、その解決手段を実施の形態によって例示すれば、本発明の微小部分の膜厚測定方法は図２に示すように測定試料としてのカミソリの刃先である母材１１の表面に形成させたクロム膜１２に対して、図１に示す膜厚測定装置１によってビーム径を約１μｍに絞った電子線ｅを入射させ、クロム膜１２から発生される特性Ｘ線（ＣｒＫα線）ｘの強度をＸ線検出器６で測定し、同じクロム膜で膜厚既知の標準試料からの特性Ｘ線の強度と比較することによって、クロム膜１２の膜厚を測定する。
【０００７】
このような測定方法を採用することによって、カミソリの刃先面や数μｍから数十μｍの凹凸を有するプラスチック成形品の表面へのコーティング膜の微小部分の膜厚を測定することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による膜厚測定方法について、図面を参照し、具体的に説明する。
【０００９】
本発明の微小部分の膜厚測定方法の原理は、測定試料の微小部分に電子線を入射させ、発生する特性Ｘ線の強度を測定することによるものである。すなわち、入射される電子のエネルギーがコーティング膜の原子の例えばＫ軌道電子の結合エネルギー以上である場合には衝突によってＫ軌道電子ははじき出されて空席ができ、その空席へＬ軌道の電子が落ち込む。その時、Ｌ軌道電子とＫ軌道電子とのエネルギー準位の差に相当する電磁波、Ｘ線が発生するが、軌道エネルギーはそれぞれの原子に固有であるから、そのＸ線は特性Ｘ線または固有Ｘ線、示性Ｘ線と称される。本発明の膜厚測定方法はこの特性Ｘ線の強度によってコーティング膜の膜厚を測定するので、電子線源とＸ線検出器とを備えた装置を使用する。
【００１０】
図１は実施の形態において使用される膜厚測定装置１の基本的な構成を示す図であり、この装置構成はＸ線マイクロアナライザ（ＥＭＰＡ）の創始者であるフランスのカスティン（Ｃａｓｔａｉｎｇ）によって１９４９年に発表された装置と同様である。すなわち、膜厚測定装置１は電子銃２と呼ばれる電子線源、電子線ｅを細く絞る電子レンズ３、測定試料Ｓ上で電子線ｅを走査させる走査コイル４、測定試料Ｓを水平方向、上下方向に動かしたり、回転、傾斜させる試料微動装置５、Ｘ線検出器６、電子検出器７が真空容器８内に設置され、この真空容器８に排気用の真空ポンプ９が取り付けられている。Ｘ線検出器６には波長分散形とエネルギー分散形とがあるが、本実施の形態においては波長分散形を使用する場合について説明する。すなわち、波長分散形Ｘ線検出器６はＸ線を波長で分光するための分光結晶を備えたＸ線分光器と各波長域におけるＸ線強度を検出するためのシンチレーション計数管、光電子増倍管からなっている。
【００１１】
測定試料Ｓの膜厚の測定に際しては、電子銃２内のフィラメントから出た熱電子は加速されて電子銃２から電子線ｅとして放射され、電子レンズ３で直径数μｍから０．２μｍまでの範囲内、通常的には直径約１μｍに絞られて測定試料Ｓ上に真円に照射される。電子線ｅは必要に応じ走査コイル４で測定試料Ｓの面上を任意に走査される。そして、その照射によって発生する測定試料固有の特性Ｘ線ｘがＸ線検出器６に入り、その強度が測定される。なお、電子検出器７は発生する二次電子ｅ’を参考的に観測するためのものであり、本発明の目的とする膜厚の測定に直接の関連はない。勿論、この電子検出器６を別途付設する電子顕微鏡の作像用としてもよい。
【００１２】
図２は微小部分のコーティング膜の一例を示し、母材１１としてのカミソリの刃先の表面に形成させたクロム（Ｃｒ）膜１２とを示す断面図である。刃先のＣｒ膜１２に径１μｍに絞った例えば加速電圧１５ｋＶの電子線ｅを照射し、発生する特性Ｘ線の強度を測定して、その膜厚を求めることができる。すなわち、図３は膜厚既知のＣｒ膜について加速電圧１５ｋＶの電子線で測定されたＣｒの特性Ｘ線であるＣｒＫα線の強度と膜厚との関係を示す図であるが、測定試料のＣｒ膜１２についてのＣｒＫα線の強度を測定し、その強度を図３と対照することによって測定試料Ｃｒ膜１２の膜厚を求めることができる。すなわち、膜厚測定装置１で測定して得られるＣｒＫα線の強度が２５０カウント／秒であれば、そのＣｒ膜１２の膜厚は２０ｎｍであるということが分かる。
【００１３】
図３は特性Ｘ線の強度からＣｒ膜厚を求めるための補正曲線ないしは検量線の図に相当するが、その線は原点を通る直線であり、膜厚が０の時はＣｒＫα線の強度も０であるので、補正曲線を作成するための標準試料には膜厚既知の一試料があればよいことを示している。
【００１４】
上記の例は単一元素の膜であるが、これ以外に化合物膜の膜厚の測定も可能である。図４はプラスチック成形品の表面に形成させた酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）膜について、加速電圧１５ｋＶの電子線で測定されたＡｌの特性Ｘ線であるＡｌＫα線の強度と膜厚との関係を示す図であるが、図２のＣｒの場合と同様に、その関係を示す線は原点を通る直線であり、化合物においても補正曲線を作成するための標準試料には膜厚既知の一試料があればよいことを示す。ただ、電子線の照射はｎＡ単位の電流が流れることを前提としているので、Ａｌ₂ Ｏ₃ のような電気絶縁物については、コーティング母材が導電性でない場合、表面層あるいはそのごく近傍を導電性にする工夫が必要であり、例えば、その表面に炭素（Ｃ）や金（Ａｕ）などの導電性コーティングを行うこともその手段である。表面のみを導電性とするだけで膜厚は十分に測定される。
【００１５】
本発明の膜厚測定方法によって測定することができる厚さの薄い方の限界は１ｎｍ（１０Å）程度であるが、厚い方の限界は加速電圧によっても異なる。すなわち、電子銃で加速されて測定試料へ入射される電子の最大侵入深さＲを求めるモデル式、ないしは入射電子の散乱深さを求めるモデル式が種々提案されているなかで、副島は入射電子が侵入する実効深さＲｓ（μｍ）として経験的に次式を提案している。［副島啓義著、「電子線マイクロアナリシス」、日刊工業新聞社（１９８７）］。
【００１６】
Ｒｓ＝（１／４０）（Ａ／ρＺ）Ｖ^1.7 （式１）
ここにおいてＡ；原子量、
ρ；密度
Ｚ；原子番号
Ｖ；加速電圧（Ｖ）
そして、（式１）の加速電圧Ｖ^1.7 を（Ｖ^1.7 −Ｖ_E ^1.7）に置き換えて、特性Ｘ線が発生する深さの実効値Ｒｓｘ（μｍ）は次式で求められるとしている。
Ｒｓｘ＝（１／４０）（Ａ／ρＺ）（Ｖ^1.7 −Ｖ_E ^1.7）（式２）
ここにおいてＶ_E ；特性Ｘ線の最小励起電圧（Ｖ）
【００１７】
しかし、特性Ｘ線の発生領域の深いところでは入射電子のエネルギーの吸収効果が大きいので、膜厚と特性Ｘ線の強度との間に直線関係が成立するのは（式２）で示される特性Ｘ線が発生する深さの実効値Ｒｓｘの４０％に相当する深さ迄である。図５は広い膜厚範囲の金（Ａｕ）膜について、加速電圧２５ｋＶの電子線で測定した特性Ｘ線であるＡｕＬα線の強度と膜厚との関係を示す図であり、図中の矢印は測定条件を（式２）に代入して得られる上記の実効値Ｒｓｘを示す。
【００１８】
以上に説明したようにして、膜厚未知の測定試料と膜厚既知の標準試料との特性Ｘ線の強度を比較することにより、微小部分の膜厚を直接に測定することができる。なお、市販の波長分散形Ｘ線検出器は元素の周期表において原子番号４のベリウム（Ｂｅ）から原子番号９２のウラン（Ｕ）までのすべての元素の検出が可能となっている。また、前述したＡｌ₂ Ｏ₃ はその一例であるが、上記の多数の元素の中の２種以上の組み合わせからなる化合物のコーティング膜の膜厚の測定も可能である。そのほか、母材の材質（元素）とコーティング膜の材質（元素）との組み合わせについては、化合物材質（元素）の種類をＡ、Ｂ、Ｃで表示して、母材Ａ／コーティング膜Ａの組み合わせについては、コーティング膜Ａの膜厚は測定不能であるが、母材Ａ／化合物コーティング膜ＡＢＣの組み合わせについては、Ａを除くＢ、Ｃ元素による膜厚の測定は可能であり、化合物母材ＡＢＣ／コーティング膜Ｂの組み合わせについては、母材のなかでＡが主成分でありＢが副成分である場合に、コーティング膜Ｂの膜厚の測定は可能である。
【００１９】
本発明の実施の形態による膜厚測定方法は以上のように構成され作用するが、勿論、本発明はこれに限られることなく本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００２０】
例えば本実施の形態においては、特性Ｘ線を分光結晶によって分光して検出する波長分散形Ｘ線検出器（ＷＤＸ、ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｓｐｅｒｓｉ−ｖｅＸｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を使用した膜厚測定装置１を説明したが、特性Ｘ線をエネルギー的に分光して検出するエネルギー分散形Ｘ線検出器（ＥＤＸ、ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸｒａｙＳｐｅｃｔ−ｒｏｍｅｔｅｒ）を使用しても同様に膜厚の測定が可能である。すなわち、特性Ｘ線を分光するのに波長を用いても、またエネルギーを用いても、両者は逆数の関係にあるので本質的には同じである。エネルギー的な分光にはＸ線の検出が可能な半導体が使用されるが、その半導体はＰ形シリコン（Ｓｉ）にリチウム（Ｌｉ）を拡散させたものであり、ほかに計数回路、および波形分離や定量計算を行なうコンピュータを組み合わせた検出システムが使用される。
【００２１】
また本実施の形態においては、電子線のビーム径を１μｍに絞ったが、測定するコーティング膜の面積によっては数μｍから０．０１μｍまでの範囲内で最も適したビーム径に選定されることは言うまでもない。
【００２２】
また本実施の形態においては特に示さなかったが、膜厚測定装置１内における測定試料Ｓの位置決めのために、一般的には電子顕微鏡ないしは光学顕微鏡が付設される。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の微小部分の膜厚測定方法は上記のような形態で実施され、以下に述べるような効果を奏する。
【００２４】
鋭い刃先面や数μｍから数十μｍ単位の凹凸を有する表面へのコーティング膜の微小部分の膜厚を、従来のように平坦性の良好なダミー板へのコーティング膜の膜厚を測定して間接的に求めるのではなく、微小部分へ絞った電子線を入射させて、コーティング膜の膜厚を直接に測定することができる。
【００２５】
また、コーティング膜の材質は ₄Ｂｅから₉₂Ｕまでの元素が単独または化合物、混合物として測定が可能であり、母材の材質は金属、セラミックからプラスチックスに至るまで材質に関係なく測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態で使用する膜厚測定装置の基本構成を示す図である。
【図２】母材のカミソリの刃先に形成させたクロム膜を示す断面図である。
【図３】クロム膜についての膜厚と特性Ｘ線の強度との関係を示す図である。
【図４】酸化アルミニウム膜についての膜厚と特性Ｘ線の強度との関係を示す図である。
【図５】金膜についての膜厚と特性Ｘ線の強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１膜厚測定装置
２電子銃
３電子レンズ
６Ｘ線検出器
８真空容器
９真空ポンプ
１１母材（カミソリの刃先）
１２クロム膜
Ｓ測定試料

Claims

鋭い刃先面や数μｍから数十μｍ単位の凹凸を有する表面におけるコーティング膜の微小部分に対し、細く絞った電子線を入射させることによって前記コーティング膜の構成元素から発生する特性Ｘ線の強度を測定し、
前記コーティング膜と同一の構成元素で厚さが既知の標準試料からの特性Ｘ線の強度と比較して前記コーティング膜の膜厚を求める微小部分の膜厚測定方法において、
Ｒｓｘ＝（１／４０）（Ａ／ρＺ）（Ｖ ^1.7 −Ｖ _E ^1.7 ）
（但し、式においてＡは原子量、ρは密度、Ｚは原子番号、Ｖは
加速電圧（Ｖ）、Ｖ _E は特性Ｘ線の最小励起電圧（Ｖ）を表わす。）
によって算出される特性Ｘ線が発生する深さの実効値Ｒｓｘ（μｍ）内であり、かつ前記コーティング膜の膜厚と発生する前記特性Ｘ線の強度との間に直線関係が成立する範囲において前記膜厚の測定を行うことを特徴とする微小部分の膜厚測定方法。
前記コーティング膜の膜厚と発生する前記特性Ｘ線の強度との間に直線関係が成立する範囲として、前記実効値Ｒｓｘ（μｍ）の４０％に相当する深さまでとする請求項１に記載の微小部分の膜厚測定方法。
前記数μｍから数十μｍ単位の凹凸を有する表面がプラスチック成形品の表面である請求項１または請求項２に記載の膜厚測定方法。
前記電子線ビーム径を約１μｍ、必要によっては数μｍから０．２μｍまでの範囲内の値に絞って前記コーティング膜に入射させる請求項１または請求項２に記載の微小部分の膜厚測定方法。