JP3930871B2 - 透湿度・気体透過度測定装置及び気体透過度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜物質の透湿度や、薄膜物質のガス透過度などの気体透過度を測定する透湿度・気体透過度測定装置に関わり、特に電子部品の保護膜の透湿度やガス透過度を測定するのに好適な、透湿度・気体透過度測定装置及び気体透過度測定方法に関する。

従来、プラスチックフィルム及びプラスチックシートに対する水蒸気透過度や気体透過度を試験する方法が日本工業規格により規定されている。例えば、ＪＩＳ「プラスチックフィルム及びシートの水蒸気透過度試験方法（機器測定法） Ｋ ７１２９−１９９２」（日本規格協会 発行）に開示されているＡ法（感湿センサー法）は以下のような試験方法である。

透過セルの上部測定セルと下部測定セルとの間に試験片を挟み、乾燥空気で上部測定セル内を乾燥させるとともに、貯水器に接続した下部測定セルに相対湿度の高い雰囲気を持たせ、上部測定セルに接続した感湿センサにより上部測定セル内の相対湿度を測定し、測定した相対湿度と標準試験片の水蒸気透過度とから試験片の水蒸気透過度（ＷＶＴＲ）を算出する。

また、例えば、ＪＩＳ「プラスチックフィルム及びシートの気体透過度試験方法 ＪＩＳ Ｋ ７１２６−１９８７」（日本規格協会 発行）に開示されているＡ法（差圧法）は以下のような試験方法である。

透過セルの上部と下部との間に試験片を挟み、透過セルの下部から真空ポンプで吸引して、透過セル内の圧力を１０Ｐａ（０．０８ｍｍＨｇ）以下にしておく。そこに、上部から１００Ｐａ（０．７５ｍｍＨｇ）程度の試験気体を導入し、圧力検出器により５Ｐａ（０．０４ｍｍＨｇ）以下の精度で透過セルの下部の圧力変化を検出し、その圧力変化（直線の傾き）から気体透過度を求める。

なお、本出願人はインターネットを利用して透湿度測定装置及びガス透過測定装置を開示している。
ＪＩＳ「プラスチックフィルム及びシートの水蒸気透過度試験方法（機器測定法） Ｋ ７１２９−１９９２」（日本規格協会 発行） ＪＩＳ「プラスチックフィルム及びシートの気体透過度試験方法 ＪＩＳ Ｋ ７１２６−１９８７」（日本規格協会 発行） 「透湿度（WVTR）測定装置 / ガス透過率（GTR）測定器」、株式会社クリエテック、インターネット＜http://www.createc.jp/product/＞

近年、電子部品技術が進歩しているが該電子部品の保護膜の透湿度や気体透過度を検査することが要求されるようになった。しかしながら、前記従来の試験方法は例えば食品包装用のプラスチックフィルムやシートを対象とするものであり、電子部品の保護膜のように測定結果に高い精度を要求されるものには適用することができない。

ところで、透湿度や気体透過度の測定精度を高めるためには、試験片を超高真空状態の環境において測定することも必要になるが、このような超高真空状態を実現するためのシステムは高価なものとなる。したがって、透湿度の測定と気体透過度の測定を別のシステムで測定するように構成すると、過大なコスト増加を招いてしまう。

本発明は、保護膜等の透湿度、ガス透過度の測定を従来に比べて高精度で短時間に行えるとともに、コストを低減した透湿度・気体透過度測定装置を提供することを課題とする。

本出願人は、前記非特許文献３にて開示した透湿度測定装置及びガス透過測定装置を用いて、特に電子部品の保護膜の透湿度やガス透過度を測定するのに好適な測定方法を見出すとともに、この測定方法により１つのシステムで透湿度とガス透過度を測定できる透湿度・気体透過度測定装置を開発した。すなわち、１つのシステムで透湿度とガス透過度を測定できる。

請求項１の透湿度・気体透過度測定装置は、外気から密閉される雰囲気チャンバと、外気から密閉される真空チャンバと、前記雰囲気チャンバと真空チャンバとの間に試験片を挟持して該雰囲気チャンバと真空チャンバとを密着固定する固定手段と、前記雰囲気チャンバに接続され水蒸気を該雰囲気チャンバに導入する水蒸気導入手段と、前記雰囲気チャンバに接続され試験気体を該雰囲気チャンバに導入する試験気体導入手段と、前記雰囲気チャンバに対して前記水蒸気導入手段と前記試験気体導入手段との接続状態を選択切り換えする接続切換手段と、前記雰囲気チャンバと前記真空チャンバとに接続され該雰囲気チャンバ内と該真空チャンバ内とをそれぞれ独立に吸引可能な真空発生手段と、前記真空チャンバの内の圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、前記雰囲気チャンバと前記真空チャンバとで前記試験片を挟持した状態で該雰囲気チャンバと真空チャンバの内部を真空状態とし、該真空チャンバの内部圧力が一定となる第１の定常状態になったときの該内部圧力を第１の圧力として検出し、該真空チャンバの内部の吸引を続けながら、前記接続切換手段の選択切換により該雰囲気チャンバの内部に水蒸気または試験気体を導入し、該真空チャンバの内部圧力が一定となる第２の定常状態になったときの該内部圧力を第２の圧力として検出し、前記第１の圧力と該第２の圧力との圧力差により、水蒸気の前記試験片に対する透湿度、または試験気体の該試験片に対する気体透過度を、それぞれ切り換えて測定できるようにしたことを特徴とする。

請求項１の透湿度・気体透過度測定装置において、雰囲気チャンバに気体（水蒸気または試験気体）を導入すると、該気体は試験片を透過して真空チャンバに溜る。これにより、該真空チャンバの内部圧力が上昇するが、真空チャンバの内部は吸引が続けられるので、試験片を透過して真空チャンバ内に溜る気体の量と該真空チャンバを吸引する気体の量とが平衡状態となり、該真空チャンバの内部圧力が定常状態となる。この定常状態となったときの内部圧力と、雰囲気チャンバに気体を導入開始時の該真空チャンバの内部圧力との差は、試験片に対する該気体の気体透過度が大きいほど大きくなる。したがって、雰囲気チャンバと真空チャンバとで試験片を挟持した状態で該雰囲気チャンバと真空チャンバの内部を真空状態として該真空チャンバの内部圧力が一定となる第１の定常状態になったときの該内部圧力である第１の圧力と、該真空チャンバの内部の吸引を続けながら、雰囲気チャンバの内部に水蒸気または試験気体を導入して、真空チャンバの内部圧力が一定となる第２の定常状態になったときの該内部圧力である第２の圧力とを圧力検出手段で検出し、この第１の圧力と第２の圧力との圧力差から透湿度または気体透過度を測定できる。

また、定常状態での測定値から求めるので、従来のように直線の傾きから求めるような過渡状態の測定値から求める場よりも、精度良く測定することができる。さらに、真空チャンバの内部の吸引を続けるので、内部圧力の定常状態に早く達することができ、短時間に測定を行うことができる。

また、圧力検出手段で圧力を検出することで透湿度と気体透過度の両方に対して測定を行うようにしているので、１つのシステムで透湿度とガス透過度を測定でき、コストを低減したシステムとなる。

請求項２の気体透過度測定方法は、請求項１に記載の透湿度・気体透過度測定装置を用いた気体透過度測定方法であって、前記試験気体としてトレーサーガスを使用し、該トレーサーガスによる前記真空チャンバの内部のトレーサーガス圧力により、該トレーサーガスの前記気体透過度を測定し、予め定めた検量線の式と該測定されたトレーサーガスの気体透過度とから、所定の気体についての気体透過度を求めるようにしたことを特徴とする。

請求項２の気体透過度測定方法によれば、各種の試験気体についてキャリブレーションにより検量先を用意しておき、実際の試験気体を用いなくても気体透過度を測定することができる。

請求項３の気体透過度測定方法は、請求項２に記載の気体透過度測定方法であって、前記試験気体がヘリウムガスであることを特徴とする。

ヘリウムガスは大気中で希有ガスであり、それに応じ、該真空チャンバ内の残留、試験片に含む量も微量である。したがって、請求項３の気体透過度測定方法によれば、圧力の定常状態に要する時間が短時間になるとともに真空排気系が極めて簡単になる。

請求項１の透湿度・気体透過度測定装置によれば、保護膜等の透湿度、ガス透過度の測定を従来に比べて高精度で短時間に行うことができるとともに、システムのコストを低減することができる。

請求項２の気体透過度測定方法によれば、実際の試験気体を用いなくても気体透過度を測定することができる。

請求項３の気体透過度測定方法によれば、請求項１と同様な効果が得られるとともに、排気時間を短縮して短時間で測定を行うことができる。

次に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は実施形態における測定装置の要部概略図であり、この装置は、チャンバ部１、試験気体導入系２、高真空排気系３、超高真空排気系４及び５に大別される。チャンバ部１は、雰囲気チャンバ容器１１、真空チャンバ容器１２及び漏洩防止チャンバ容器１３を備えている。これらのチャンバ容器はステンレス製であり、真空チャンバ容器１２は架台Ｔに取り付けられるとともに、この真空チャンバ容器１２と雰囲気チャンバ容器１１との接合部分は架台Ｔ上の漏洩防止チャンバ容器１３内に収容されている。

雰囲気チャンバ容器１１には試験気体導入系２の導管ａが接続されている。試験気体導入系２は、水槽２２、キャパシタンスマノメータ２３、試験気体及びトレーサーガス導入口２４を備えており、それぞれ導管ａに接続されている。また、導管ａの要所には開閉弁Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅが配設されている。

高真空排気系３はターボ分子ポンプ３２と油回転ポンプ３１で構成されており、それぞれ配管ａ，ｂに接続され、この導管ｂの要所には開閉弁Ｆ，Ｈ，Ｊが配設されている。このことにより、試験気体配管を高真空に管理し、試験気体の純度を損なうことなく、試験片に導くことができ、透過物質中に試験気体以外を透過させない管理ができる。超高真空排気系４はターボ分子ポンプ４２と油回転ポンプ４１で構成され、更に、吸湿量の多い試験片のために、水に対する圧縮比が極めて大きい、クライオポンプ５１と油回転ポンプ５２で構成された、クライオポンプ系５を備え、それぞれ真空チャンバ容器１２に接続されている。なお、開閉弁Ｂ，Ｅが請求項１における「接続切換手段」に相当する。

図２は雰囲気チャンバ容器１１と真空チャンバ容器１２の要部断面図であり、雰囲気チャンバ容器１１には、試験気体導入系２の導管ａが連通された雰囲気チャンバ１１ａが形成されている。真空チャンバ容器１２には、超高真空排気系４及び５が直結された真空チャンバ１２ａが形成されている。また、この真空チャンバ１２ａの上端には金網（メッシュ）１２ｂが配設されるとともに、その周囲にＯリング１２ｃが配設されている。なお、図１に示したように真空チャンバ１２ａ内には超高真空計１４が配設されている。試験時には、金網１２ｂ及びＯリング１２ｃ上に試験片Ｓが載置されるとともに、この試験片Ｓを雰囲気チャンバ１１ａと真空チャンバ１２ａの間に挟持する。そして、雰囲気チャンバ容器１１と真空チャンバ容器１２の各フランジ部１１ｂ，１２ｄをトルクで締め付けることで、雰囲気チャンバ１１ａと真空チャンバ１２ａが外気から密閉される。

水蒸気の発生、チャンバ部１の真空状態の発生、及び水蒸気の導入は以下のようにして行う。試験気体導入系２の水槽２２には純水が入れられており、開閉弁Ｂ，Ｃ，Ｊを「開」、開閉弁Ａを「閉」として、高真空排気系３を駆動することで導管ａ内に水蒸気を発生させる状態とするとともに、雰囲気チャンバ１１ａ内と漏洩防止チャンバ容器１３内が高真空状態とされる。同時に、超高真空排気系４を駆動することで、真空チャンバ１２ａ内が超高真空状態とされる。そして、試験気体導入系２の開閉弁Ｊを「閉」とし、開閉弁Ａ，Ｂ，Ｃを「開」とすることで、雰囲気チャンバ１１ａ内に水蒸気が導入される。

図３は透湿度試験時の操作を示すフローチャート、図４は透湿度試験時の雰囲気チャンバ１１ａと真空チャンバ１２ａの圧力の変化を状態遷移図であり、同図に基づいて試験時の操作手順と状態の変化を説明する。なお、試験を開始すると超高真空計１４の計測値並びに試験気体分圧力値、試験片の温度等がコンピュータ等によりデータ収集される。まず、サンプル（試験片Ｓ）を雰囲気チャンバ容器１１及び真空チャンバ容器１２内に固定し（ステップＳ１）、所定のテストスイッチをＯＮにする（ステップＳ２）。これにより、試験片が温度管理されるとともに（ステップＳ３）、開閉弁Ｇ，Ｆを「閉」として、開閉弁Ｈ，Ｉを「開」の状態で、スロー排気を行ってチャンバ内が吸引される（ステップＳ４）。このスロー排気とは少しずつ吸引することであり、これはサンプルの雰囲気チャンバ１１ａ側と真空チャンバ１２ａ側の圧力差をでき得る限り小さくしてサンプルの破損を防止するためである。次に所定時間がタイムアップすると（ステップＳ５）、自動的に、試験気体系も含め本排気となる（ステップＳ６，Ｓ７）。そして、試験片の吸湿量に適合した時間の経過後（ステップＳ８）、超高真空計１４により真空チャンバ１２ａ内の真空度を確認する（ステップＳ９）。

予め設定された時間内に所定の真空度が得られないときはＮＧとなって警報が発せられ（ステップＳ１０）、サンプルの固定からやり直す。所定の真空度に達していると、真空排気を続行し、一定の時間経過後をもって（ステップ１１）、真空チャンバ１２ａ内の真空度が定常状態であるかを確認する（ステップＳ１３）。ここで、このステップＳ１２で試験気体系の排気を停止し、雰囲気チャンバ１１ａ内に水蒸気を供給する（ステップＳ１４）。

次に、予め設定した所定時間が経過してタイムアップすると（ステップＳ１５）、真空チャンバ１２ａ内の真空度が定常状態であるかを確認する（ステップＳ１６）。定常状態となったら、これでテスト完了となるのでテスト終了スイッチをＯＮし（ステップＳ１７）、スロー排気時と同様にサンプルの破損を防止するためにスローベントする（ステップＳ１８）。そして、サンプルを取り出し（ステップＳ１９）、雰囲気チャンバ１１ａを盲蓋して、系内を真空排気後、乾燥空気を密封する（ステップＳ２０）。試験の終了後は、パーソナルコンピュータ等により、データ収集システムで収集した計測データから後述のように透湿度（ＷＶＴＲ）、ガス透過度（ＧＴＲ）を計算する（ステップＳ２１）。

以上の試験により、例えば図４のように状態が遷移する。まず、ステップＳ４のスロー排気により区間Ｔ１のように真空チャンバ１２ａ内の圧力が下降し、ステップＳ６の本排気によりさらに圧力が排気曲線に沿って下降する。区間Ｔ２後（ステップＳ７のタイムアップ）真空度の確認をする。次に、定常状態を見極める。そして、ステップＳ１４の試験気体の供給開始により試験気体が発生し、真空チャンバ１２ａ内の圧力が昇圧曲線に沿って上昇し、区間Ｔ３後、定常状態を見極める。そして、水蒸気の供給開始前の定常状態の圧力（超高真空計１４の計測値）と、この水蒸気供給後の定常状態の圧力との圧力差ΔＰから透湿度（ＷＶＴＲ）を求める。

ここで、透湿度（ＷＶＴＲ）の場合は［ｇ／ｍ² ・ｄａｙ］の単位であり、次式（１）から求める。

ｑ＝ΔＰ・Ｓ／Ａ …（１）

ここで、ｑは透湿度［ｇ／ｍ² ・ｄａｙ］、ΔＰは圧力差［Ｐａ］、Ｓは真空チャンバ１２ａの実行排気速度［ｍ³ ・／ｓｅｃ］、Ａはサンプルの実行透過面積［ｍ² ］であり、実施形態の装置では、Ｓ＝０．０４６７８５ｍ³ ・／ｓｅｃ、Ａ＝１．２５７×１０^-3 ｍ² である。

すなわち、この実施形態では圧力差ΔＰに２５４８０．４４３７を乗じた値が透湿度ｑ［ｇ／ｍ² ・ｄａｙ］として得られる。

図５〜図８は透湿度測定の試験結果の一例を示す図であり、図５は基板に使用する厚さ２５μのポリイミドフィルムの透湿度と水蒸気圧力の関係を示し、図６は厚さ２５μのカプトンフィルムに保護膜である厚さ１００ｎｍのＳｉＮｘ層を形成したサンプルの透湿度と水蒸気圧力の関係を示している。また、図７は基板に使用する厚さ１００μのＰＥＴフィルムの透湿度と水蒸気圧力の関係を示し、図８は厚さ１００μのＰＥＴフィルムに厚さ７０μのエポキシ層を形成したサンプルの透湿度と水蒸気圧力の関係を示している。

これらの試験結果の図では、水蒸気圧力の変化に対する透湿度の変化を図示しているが、この透湿度は前掲の式から得られる値に対応しており、この図における透湿度は真空チャンバ１２ａで逐次変化する圧力差（定常状態のΔＰと同様）を示している。いずれの例でも、所定の水蒸気圧を加えるとその水蒸気圧に応じて透湿度が定常状態に達していることがわかる。

以上は透湿度の測定を行う例について説明したが、次に、例えば酸素（Ｏ₂ ）の試験気体についての気体透過度の測定について説明する。なお、この気体透過度の測定前には系内に乾燥空気が密封されている。チャンバ部１の真空状態を発生させるには、透湿度の測定の場合と同様の手順で、試験気体を導管ａを介して雰囲気チャンバ１１ａ内に導入する。

そして、試験気体の導入開始前の定常状態の圧力（超高真空計１４の計測値）と、この試験気体の導入後の定常状態の圧力との圧力差ΔＰから、気体透過度［ｃｃ／ｍ² ・ｄａｙ・ａｔｍ］を求めることは前記同様である。

また、試験気体としてトレーサーガスを用いて、各種の気体についてのガス透過度を測定することもできる。この場合は、試験気体導入口２４から試験気体のトレーサガスを導管ａを介して雰囲気チャンバ１１ａに供給する。真空チャンバ１２ａを超高真空にし、この真空チャンバ１２ａ内のヘリウム分圧（ヘリウムディテクタ７の計測値）の定常状態に達した時の値とヘリウムガス供給前の圧力差ΔＰを求め、この圧力差ΔＰから気体透過度をることは前記同様である。

このトレーサーガスのガス透過度の場合には、求めた圧力差ΔＰを所定の検量線の式に代入してガス透過度を演算する。この検量線の式は、各種のガスに対するガス透過度が既知である多数の試験片Ｓに対して、上記トレーサガスで試験を行い、そのときの圧力差ΔＰを求める。そして、各種のガスのおのおのについて、キャリブレーションを行ってガス透過度を変えたときの圧力差ΔＰとガス透過度との関係を計算式として求めたものである。

また、図１に示したように、真空チャンバ１２ａ内に水晶発振子６を配設し、この水晶発振子６の共振周波数の変位を検出し、この検出される共振周波数の変位値から水分量を計測する。これは、水晶発振子６に水分が凝結するとその凝結量に応じて共振周波数が変化することを検出原理としている。この場合も、検出される共振周波数の変位と透湿度との関係はキャリブレーション等により予め検量線の式として求めておき、試験時に検出される固有振動数と検量線の式とから透湿度を求めるようにすればよい。

本発明の実施形態における測定装置の要部概略図である。 本発明の実施形態における雰囲気チャンバと真空チャンバの要部断面図である。 本発明の実施形態における透湿度試験時の操作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における透湿度試験時の雰囲気チャンバと真空チャンバの圧力の変化を状態遷移図である。 本発明の実施形態におけるカプトンフィルムの透湿度の試験結果の一例を示す図である。 本発明の本発明の実施形態におけるカプトンフィルムにＳｉＮｘ層を形成したサンプルの透湿度の試験結果の一例を示す図である。 本発明の実施形態におけるＰＥＴフィルムの透湿度の試験結果の一例を示す図である。 本発明の本発明の実施形態におけるＰＥＴフィルムにエポキシ層を形成したサンプルの透湿度の試験結果の一例を示す図である。

符号の説明

１ チャンバ部
２ 試験気体導入系
３ 高真空排気系
４ 超高真空排気系
１１ａ 雰囲気チャンバ
１２ａ 真空チャンバ
２１ 水蒸気発生用真空ポンプ
２２ 水槽
２４ トレーサーガスボンベ
３１ 補助真空ポンプ
４１ 超高真空ポンプ

Claims (3)

1. 外気から密閉される雰囲気チャンバと、
   外気から密閉される真空チャンバと、
   前記雰囲気チャンバと真空チャンバとの間に試験片を挟持して該雰囲気チャンバと真空チャンバとを密着固定する固定手段と、
   前記雰囲気チャンバに接続され水蒸気を該雰囲気チャンバに導入する水蒸気導入手段と、
   前記雰囲気チャンバに接続され試験気体を該雰囲気チャンバに導入する試験気体導入手段と、
   前記雰囲気チャンバに対して前記水蒸気導入手段と前記試験気体導入手段との接続状態を選択切り換えする接続切換手段と、
   前記雰囲気チャンバと前記真空チャンバとに接続され該雰囲気チャンバ内と該真空チャンバ内とをそれぞれ独立に吸引可能な真空発生手段と、
   前記真空チャンバの内の圧力を検出する圧力検出手段と、
   を備え、
   前記雰囲気チャンバと前記真空チャンバとで前記試験片を挟持した状態で該雰囲気チャンバと真空チャンバの内部を真空状態とし、該真空チャンバの内部圧力が一定となる第１の定常状態になったときの該内部圧力を第１の圧力として検出し、該真空チャンバの内部の吸引を続けながら、前記接続切換手段の選択切換により該雰囲気チャンバの内部に水蒸気または試験気体を導入し、該真空チャンバの内部圧力が一定となる第２の定常状態になったときの該内部圧力を第２の圧力として検出し、前記第１の圧力と該第２の圧力との圧力差により、水蒸気の前記試験片に対する透湿度、または試験気体の該試験片に対する気体透過度を、それぞれ切り換えて測定できるようにしたことを特徴とする透湿度・気体透過度測定装置。
2. 請求項１に記載の透湿度・気体透過度測定装置を用いた気体透過度測定方法であって、
   前記試験気体としてトレーサーガスを使用し、
   該トレーサーガスによる前記真空チャンバの内部圧力により、該トレーサーガスの前記気体透過度を測定し、予め定めた検量線の式と該測定されたトレーサーガスの気体透過度とから、所定の気体についての気体透過度を求めるようにしたことを特徴とする気体透過度測定方法。
3. 前記試験気体がヘリウムガスであることを特徴とする請求項２に記載の気体透過度測定方法。

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