JPH01237404A - 膜厚測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光透過性の薄膜体、例えは、磁気テープの膜厚
を測定する膜厚測定方法および装置に関し、−層詳細に
は、少なくとも２層からなる被測定薄膜体に光を照射し
前記被測定薄膜体からの透過光を検出分析するごとによ
り前記被測定薄膜体の各層の膜厚を分離して測定するこ
とを可能とした膜厚測定方法および装置に関する。

［発明の背景］ 例えは、各種の情幸浸を簡単に記録するためにカセット
に入れた磁気テープか広汎に普及している。周知のよう
に、磁気テープは基本的に磁性体と当該磁性体の塗設さ
れるベース面とから構成されている。そして、通常、前
記磁性体の膜厚を音楽鑑賞用、Ｉ］述録音用等の用途の
違いにより変更すると共に、例えは、カセ・ノドテープ
の録音可能時間を調整するためにも前記ベース面の膜厚
を変更している。そのため、カセ・７トテープの製造工
程においてはカセ・７トテープのフルアッセンブリの前
工程に磁気テープ自体の膜厚を測定する装置が配設され
ている。

従来、磁気テープ等の磁性膜の厚さを測定するためには
、磁気テープの磁性膜を一部分剥離してベース面との段
差を接触手の動きにより機械的に測定するタリーステッ
プ法、または光学的に干渉計により測定する方法等が主
に用いられている。然しなから、これらの方法では、被
測定体を破壊してしまうため、測定の再現性や精度の点
で難点が存在している。また、測定に長時間を要するた
め、製造工程での実時間での膜厚の測定には他の工程と
の時間的調和がとれないため到底利用出来るものではな
い。

また、テープやフィルム等の単一薄膜の光による非接触
での膜厚測定法として、光の透過率の変化を測定する方
法が用いられている。第１図にこの種の光学的透過法に
よる膜厚測定装置の構成を示ず。ずなわち、電源２によ
り付勢される赤外光源４からの赤外光３を集光反射鏡６
を用いて平行光とし、ビームスプリンタ８を介した後、
一方では参照用光検出器１０に照射し、他方ではテープ
等の被測定薄膜７に照射する。

そして、参照用光検出器１０の出力信号は増幅器１２を
介して演算回路１４の一方の入力端子に導入される。こ
の場合、被測定薄膜７からの透過光は信号用光検出器１
８および増幅器２０を介して前記演算回路１４の他方の
入力端子に導入される。

この場合、被測定薄膜７からの透過光の透過率Ｔが次式
のランハートへ−アの法則に従う。

Ｔ＝Ｐ／Ｐｏ　＝Ｒｅｘｐ　−（ｋｄ）　　　　−（１
）ここで、Ｐ、は入射光電力、Ｐば透過光電力、ｋば薄
膜の光減衰係数、ｄは膜厚、Ｒは薄膜８の表面での光の
反射率である。（］）弐の関係式を考察することにより
光減衰係数にと反射率Ｒの値を予め校正して求めておき
、透過光電力Ｐと入射光電力Ｐ。の値を測定すれは、次
式の関係より膜厚が求められることば容易に諒解されよ
う。

ｄ＝（１／ｋ）Ａ、、（Ｐｏ／Ｐ−Ｒ）　　　・１２）
この方法は光のみならず放射線等による極めて一般的な
膜厚の測定法であり、広範囲の利用がなされている。

然しなから、その原理を用いる従来の膜厚測定装置は単
一の薄膜体の測定が殆どであり、装置も大型であり測定
にも比較的長時間を要するため、高速で移動する膜厚の
測定には用いられていない。

上記のように従来技術に係る磁気テープ等の磁性膜の剥
離による機械的測定法や光干渉法においては測定に長時
間を費やすため製造工程での実時間測定は実際的でなく
、また、光透過法では単一層の薄膜の膜厚のみが測定出
来、複数の層が被覆された膜の各膜厚を分離して測定す
ることは特別の複雑な分光測定等の操作を行わない限り
不可能であり、板金測定したとしても測定の誤差が大き
く、さらに、測定時間も比較的長時間を要する。結局、
上記２つの方法においてはいずれも薄膜の製造工程等に
おいて高速で移動する膜厚を実時間で測定することは実
質的に不可能である。

［発明の目的］ 本発明は前記の不都合を悉く克服するためになされたも
のであって、少なくとも２層からなる被測定薄膜体に異
なる波長の赤外光を選択的に照射し、前記被測定薄膜体
からの透過光を検出分析することにより前記被測定薄膜
体の各層の膜厚を同時に分離測定することを可能とする
膜厚測定方法および装置を提供することを目的とする。

［目的を達成するための手段］ 前記の目的を達成するために、本発明は光透過係数の異
なる少なくとも２層からなる薄膜状の被測定体の夫々の
層の膜厚を非破壊測定する膜厚測定方法であって、前記
被測定体にその層数に応して波長の異なる所定光量の光
を入射し、前記被測定体からの透過光の光量を前記波長
の異なる所定光量の光量に選択的に検出し、その検出信
号に対し所定の演算を実行することにより前記被測定体
の夫々の膜厚を測定することを特徴とする。

さらに、本発明は光透過係数の異なる少なくとも２層か
らなる薄膜状の被測定体の夫々の層の膜厚を非破壊測定
する膜厚測定装置であって、少なくとも膜厚の既知な参
照体を含む２以上の被測定体に波長の異なる所定光量の
光を照射する光源と、前記参照体および被測定体からの
透過光量を検出する検出手段と前記両検出手段の出力信
号を所定演算して被測定体の夫々の層の膜厚を算出する
演算手段とを含み、被測定体の夫々の層の膜厚は、被測
定体に係る検出手段の出力信号を基に演算手段によって
算出される膜厚値に前記参照体を読み取ることによって
算出される補正値を加算して算出するよう構成すること
を特徴とする。

［実施態様］ 次に、本発明に係る膜厚測定方法についてこれを実施す
るための装置との関係において好適な実施態様を挙げ、
添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

第２図は、磁気テープの赤外域光透過スペクトル特性で
あり、先ず、第１にこの特性図に基づいて本発明の詳細
な説明する。

第２図において、横軸の波長軸に係る参照符号Ｂの波長
域は合成樹脂ベース層が光を透過する場合、その磁性膜
が厚く光を吸収して全体として透過率ｒが低下している
領域である。一方、波長域Ａの領域はベース層の合成樹
脂（ポリエステル等）の振動モードによる赤外光吸収帯
に相当していて、殆どの光を吸収してしまい、透過率ｒ
が減少する領域である。例えは、ポリエステルの場合に
は、前記赤外光吸収中心波長λ３としては、５．８μｍ
、７．９μｍ、８．９μｍ等の多数の吸収帯が存在して
いる。すなわち、本発明では、例えは、磁気テープの透
過スペクトルを、前記のように、２つの特徴的な波長領
域に分類し、その特性の相違を利用するものである。

そこで、第３図に示すように、ハツチング領域で表す磁
性膜Ｘの厚さをｄｌ、ベース層Ｙの厚さをｄ２）波長λ
での光減衰係数を夫々ｋ。

（λ）、ｋｚ（λ）とすると、前記の（２）弐の関係か
ら に＋（λ）ｄｔ　＋　ｋｚ（λ）ｄ２−ら（ＰＱ／Ｐ　
’　Ｒ）・・・（３） が得られる。この場合、第２図のへ領域の波長λｍでは
（３）式において、ｋ＋（／Ｉ）ｄｌ　＞ｋｚ（λ）ｄ
ｚとなるため、磁性ＦＩＩＪＸの厚さｄ、が次の（／ｌ
）弐により求められる。

ｄｌ＝　（１／に＋（λａ））　　β、（ｐｏ／ｐ　−
Ｒ）　４−α・・・（４） ここで、符号αはベース層Ｙの吸収による微小な補正成
分である。

また、第２図のＢ領域の波長λｍでは逆にｋ　ｚ（！　
ｂ）ｄｚ　＞　ｋ　＋　（ハ）６１　よなるため、ヘー
スｌｙの膜ＪＩＪ　ｄ２が次の（５）式により求められ
る。

ｄ２−（１／に２（λｍ））　　ら（Ｐａ／Ｐ−Ｒ）４
−β・・・（５） ここで、符号βは磁性膜Ｘの吸収による補正成分である
。

すなわち、本発明は第２図のΔまたはＢ領域の波長を持
つ赤外光を選択して利用することにより」−記（４）弐
または（５）式で与えられる関係式によって複数の膜厚
を分離して同時に測定することを可能とするものである
。

ここで、λ３およびλｍを放射する光源としては広い彼
是域に出力を持つ具体に近い光源（赤外線ヒータ等）に
相当する波長の帯域透過フィルタを通して出力光源とす
る方法が適しており、さらに相当する波長の輝線スペク
トル光源やＬ　Ｅ　Ｄ、レーザ等が利用出来る。

以」二の原理に基づき、次に第４図に示す回路ブロック
図を用いて本発明の実施態様について詳細ムこ説明する
。

なお、第１図乃至第３図で示す構成要素と同一の構成要
素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略す
る。

電源２の付勢により赤外光源４がら発せられる赤外光３
は集光反射鏡６により平行光束とされ、帯域通過フィル
タ３２を介してビームスブリック８に照射される。ビー
ムスプリッタ８で２分割された赤外光３の中、一方の赤
外光３ａば多層膜参照物体３４を通過して参照用光検出
器１゜に入射する。参照用光検出器１０の出力信号は増
幅器１２を介して演算回路１４の一方の入力端子に導入
される。

一方、前記ビームスプリ・ツタ８により分割された他方
の赤外光３ｂは多層膜からなる多層膜被測定物体３６を
通過して信号用光検出器１８に入射する。信号用光検出
器１８の出力信号は増幅器２０を介して前記演算回路１
４の他方の入力端子に導入される。そこで、演算回路１
４の出力信号は表示器２２に導入され、表示器２２上に
膜厚を表示する。

本実施態様に係る膜厚測定方法を実施するための装置ば
基本的には以上のように構成されるものであり、次にそ
の作用並びに効果について説明する。

電源２の付勢された赤外光源４からの赤外光３は集光反
射鏡６によって平行光束とされ、前記赤外光ｔＸ４から
の赤外光３を所定の波長の帯域通過フィルタ３２を通じ
てビームスプリッタ８により前記赤外光３を参照用赤外
光３ａと測定用赤外光３ｂに２分割し、その中、測定用
赤外光３ｂは多層膜被測定物体３６に照射されその透過
光が半博体あるいは熱起電力型の信号用光検出器１８で
検出され、測定信号Ｓ。が増幅器２０に導出される。

一方、参照用赤外光３ａは膜厚が既知の多層膜参照物体
３４に照射され、その透過光が前記信号用光検出器１８
の構成と同様な参照用光検出器１０により検出され、参
照信号ＳＲとして増幅器１２に導入される。前記測定信
号Ｓ、と参照信号ＳＲは夫々増幅器２０および増幅器１
２により増幅され、演算回路１４に導入される。演算回
路１４では前記（３）式または（４）式の演算式に基づ
いて参照用赤外光３ａに係る参照信号ＳＲと測定用赤外
光３ｂに係る測定信号Ｓヨが演算され、多層膜被測定物
体３６の膜厚の測定値が得られる。

第５図は本発明方法を実施するための装置の他の実施態
様であって、強度変調可能な赤外光源を用いて３つの測
定チャンネルを有する膜厚測定装置の例を示す。このよ
うな赤外光源に強度変調を加える方法としては、従来、
光チョッパが利用されている。すなわち、光チョッパの
出力光を機械的に断続することにより所要の周波数の強
度変調光か取り出されていた。

これに対して、本発明では、赤外光源自体に強度変調を
加えることを特徴としており、従来の光チョッパ等の機
械的手段が不要となる。このための赤外光源の具体例と
して、先ず、太さ数１０μｍのニクロム線のヒータ細線
をフィラメント状にして約２１ｍ以下に空間密度を高く
集合させた小型の点状光源が挙げられる。第２の形状と
して、金属を薄膜状にしてアルミナ等の絶縁基板に付着
またはコーティングした小型の薄膜抵抗体光源が利用出
来る。これらの光源の条件として、ヒータ部の熱拡散時
定数を数１０ｍ　ｓ以下と短くするように熱伝導、拡散
率を大きくとることが必要である。すなわち、光源に加
える電流を断続変調することによって電気的に赤外出力
光強度が変調される。上記の条件により変調周波数は数
１０　ｆｉｚまで応答が可能である。

第５図の装置では、このようにして構成される赤外光源
４０を利用し、３方向の光を集光反射鏡６で集めて略平
行光とし、所望の中心波長の帯域通過フィルタ３２を通
じ２つの多層膜参照物体３４と１つの多層膜被測定物体
３６の透過光を３個の光検出器１０．１８（２個）で検
出する。この場合に採用される光検出器１０並びに１８
としては交流光強度成分に感度を持つ焦電型検出器が選
択される。小型、高感度特性の点で優れているからであ
る。夫々の光検出器１０．１８の出力信号は信号周波数
成分を通す帯域フィルタ（図示せず）および位相同期検
波回路４４を通じて各光電力に比例した直流信号成分が
取り出される。２つの被測定チャンネルの信号成分と参
照チャンネルの出力成分を前記（３）式または（４）式
に基づき信号処理を行う演算回路４６を介することによ
り、２つの多層膜参照物体３４の所期の膜厚が同時に表
示器２２に出力される。ここで、多層膜参照物体３４を
光軸方向に移動させることにより各膜厚の位置による変
化特性も求めることが出来る。なお、第５図に示す方式
ではさらに多くの測定チャンネルを設定することも可能
であり、その結果、多数の被測定体および多膜厚体を構
成する夫々の膜厚体の測定を実時間で遂行することが可
能である。

さらに、第６図は、本発明方法を実施するための膜厚測
定装置の他の実施態様を示し、これは測定用赤外光３ｂ
および参照用赤外光３ａの伝送部に赤外域光ファイバ５
ｏを用いた装置として構成している。光ファイバ５ｏに
より多層膜被測定物体３６および多層膜参照物体３４に
光を導くことにより、極めて狭い場所や遠隔点での測定
が可能となることが利点となる。なお、多層膜被測定物
体３６と多層膜参照物体３４の透過光を光ファイバ５０
で送信点に戻して光検出することも可能である。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれは、少なくとも２層からな
る被測定薄膜体と当該被測定薄膜体の参照薄膜体に異な
る波長の赤外光を選択的に照射し、前記被測定薄膜体お
よび参照薄膜体からの透過光を演算式に基づいて検出分
析している。このため、前記被測定薄膜体の各層の膜厚
を分離して月つ可及的短時間に測定することが可能とな
る効果を奏する。

以上、本発明について好適な実施態様を挙げて説明した
が、本発明はこの実施態様に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並び
に設計の変更が可能なことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の膜厚測定装置の概略ブロック図、 第２図は磁気テープの赤外光透過スペクトル説明図、 第３図は２層磁気テープの光透過特性についての概略説
明図、 第４図は本発明に係る膜厚測定方法が適用される膜厚測
定装置の概略ブロック図、 第５図は本発明に係る膜厚測定方法が適用される膜厚測
定装置の他の実施態様を示す概略ブロック図、 第６図は本発明に係る膜厚測定方法が適用される膜厚測
定装置のさらに他の実施態様を示す概略ブロック図であ
る。 ２・・・電源　　　　　　　３・・・赤外光４・・・赤
外光源　　　　　６・・・集光反射鏡８・・・ビームス
プリッタ　１０・・・参照用光検出器１２・・・増幅器
　　　　　　１４・・・演算回路１８・・・信号用光検
出器　　２０・・・増幅器２２・・・表示器　　　　　
　３２・・・帯域通過フィルタ３４・・・多層膜参照物
体　　３６・・・多層膜被測定物体λｂ　λｍ　　λｂ
　　　λｍ　　λｂ波１番ノ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）光透過係数の異なる少なくとも２層からなる薄膜
   状の被測定体の夫々の層の膜厚を非破壊測定する膜厚測
   定方法であって、前記被測定体にその層数に応じて波長
   の異なる所定光量の光を入射し、前記被測定体からの透
   過光の光量を前記波長の異なる所定光量の光毎に選択的
   に検出し、その検出信号に対し所定の演算を実行するこ
   とにより前記被測定体の夫々の膜厚を測定することを特
   徴とする膜厚測定方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の方法において、所定
   の演算は下記の式に基づいて実行してなる膜圧測定方法
   。 ｄ＿ｍ＝｛１／Ｋ（λ＿ｍ）｝ｌ＿ｎ（Ｐ＿ｏ＿ｍ／Ｐ
   ＿ｍ・Ｒ＿ｍ）＋α＿ｍここで、ｄ＿ｍ：ｍ（ｍは自然
   数）層目の膜厚 λ＿ｍ：被測定体のｍ層目の膜厚測定に係る固有の波長 Ｋ（λ＿ｍ）：波長λ＿ｍに係る光減衰係数 Ｐ＿ｏ＿ｍ：被測定体への入射光電力 Ｐ＿ｍ：被測定体からの透過光電力 Ｒ＿ｍ：被測定体からの光反射率 α＿ｍ：波長λ＿ｍに係る被測定膜厚の光吸収による補
   正成分
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の方法に
   おいて、所定の光は赤外光からなる膜厚測定方法。
4. （４）光透過係数の異なる少なくとも２層からなる薄膜
   状の被測定体の夫々の層の膜厚を非破壊測定する膜厚測
   定装置であって、少なくとも膜厚の既知な参照体を含む
   ２以上の被測定体に波長の異なる所定光量の光を照射す
   る光源と、前記参照体および被測定体からの透過光量を
   検出する検出手段と前記両検出手段の出力信号を所定演
   算して被測定体の夫々の層の膜厚を算出する演算手段と
   を含み、被測定体の夫々の層の膜厚は、被測定体に係る
   検出手段の出力信号を基に演算手段によって算出される
   膜厚値に前記参照体を読み取ることによって算出される
   補正値を加算して算出するよう構成することを特徴とす
   る膜厚測定装置。
5. （５）特許請求の範囲第４項記載の装置において、光源
   は赤外光源からなる膜厚測定装置。
6. （６）特許請求の範囲第５項記載の装置において、赤外
   光源から発生する赤外光の強度を所定の周波数で周期的
   に強度変調し、且つ光検出手段と演算手段との間に位相
   検波手段を配設してなる膜厚測定装置。
7. （７）特許請求の範囲第５項または第６項記載の装置に
   おいて、赤外光源から被測定体に導入される入射赤外光
   および／または被測定体から光検出器に導入される透過
   赤外光の光路に光導波路を挿入してなる膜厚測定装置。