JP4403280B2

JP4403280B2 - 軟質薄膜の物性値測定方法とそのための装置

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Publication number: JP4403280B2
Application number: JP2006140770A
Authority: JP
Inventors: 泰成燈明; 真澄坂; 卓也今泉
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2026-05-19
Also published as: JP2007309850A

Description

本発明は、超音波が薄膜を通過する際に生じる音響共鳴現象を利用して、軟質薄膜の物性値を高精度に測定する軟質薄膜の物性値測定方法と、そのための装置を提供するものに関する。本発明は特に軟質で、薄い高分子薄膜の高精度な物性値測定に好適な技術であり、従来測定が難しかった、数μｍ厚さの軟質薄膜や、低い音響インピーダンスを有する薄膜の物性値測定に利用できる。

従来、薄膜の物性値を測定する手法として、固体材料表面に形成した固体薄膜の物性値を測定する超音波顕微鏡法がある。

当該超音波検査手法は、固体基板上に測定対象である薄膜を製膜する必要があることから、その利用が固体薄膜の評価に限られ、単体の軟質薄膜の物性値を測定することが困難であった。

単体の軟質薄膜の物性値を測定する手法として、液体音響媒体である水の中に配置した薄膜に対して、集束型超音波探触子により超音波を発信し、薄膜の表面と裏面から得られる超音波エコーの時間差から薄膜の音速、厚さを測定する超音波検査法がある。しかしながら当該手法は、薄膜の厚さが３０μｍ程度以下になると表面波と裏面波が重畳するために物性値の測定が困難となる（下記「非特許文献１」参照）。

また、単体の軟質薄膜の物性値を測定する手法として、液体音響媒体である水の中に薄膜と金属反射板とを配置した超音波伝達系において、薄膜を介して得た金属反射板表面からの超音波エコーを収録し、水−薄膜−水間の超音波音圧往復通過率より、薄膜の音響インピーダンスを測定する手法がある。しかしながら当該手法は、薄膜の音響インピーダンスが水のそれに近くなると測定が困難になる（下記「非特許文献２」参照）。

V. Hanel, "Journal of Applied Physics" 84 (1998) 668-670 A. Kumar, et al., "Ultrasonics" 35 (1997) 53-56

前述のように、従来の薄膜の物性値測定方法では、測定可能な薄膜が固体基板上に成膜された固体薄膜に限られており、また、単体の軟質薄膜を評価できる物性値測定方法では、薄膜の厚さが薄い場合や、薄膜の音響インピーダンスが低い場合に高精度な薄膜の物性値測定が困難であった。

本発明は、従来の薄膜の物性値測定方法では測定が困難な、単体の軟質薄膜の物性値を超音波が軟質薄膜を通過する際に生じる音響共鳴現象を利用して、高精度に測定する軟質薄膜の物性値測定方法と、そのための装置を提供せんとすることを目的とする。

課題を解決するための手段は、次のとおりである。
（１）液体音響媒体と、ZC及びZTよりも大きい値であって、ZTに対してθ _ｒが一義的に決まるような大きさのZBを持つ固体平板との間に、軟質薄膜を介して、当該薄膜と固体平板とを密着させた状態と、軟質薄膜を介さない状態とで超音波伝達系を構成し、両者の伝達系において液体音響媒体から超音波を伝達して得られた固体平板裏面からの超音波エコーの振幅スペクトルの比から軟質薄膜の物性値を算出することを特徴とする軟質薄膜の物性値測定方法。
ただし、ZC、ZT、ZBは、それぞれ液体音響媒体、軟質薄膜、固体平板の音響インピーダンスであり、また、θ _ｒは３媒体超音波伝達系の超音波音圧往復透過率Ｔ _１と軟質薄膜を介さない状態の２媒体超音波伝達系の超音波音圧往復透過率Ｔ _２との比の最大値である。
（２）液体音響媒体として水を、固体平板として音響インピーダンスの高い金属平板を用い、水と金属板との間に、軟質薄膜を介して、当該薄膜と金属平板とを密着させた状態と、軟質薄膜を介さない状態とで超音波伝達系を構成し、両者の伝達系において水側から超音波を伝達して得られた金属平板裏面からの超音波エコーの振幅スペクトルの比が最大値を示す周波数から軟質薄膜の物性値を算出することを特徴とする軟質薄膜の物性値測定方法。
（３）音響インピーダンスが既知の液体音響媒体と音響インピーダンスが既知であってZC及びZTよりも大きい値であり、ZTに対してθ _ｒが一義的に決まるような大きさのZBを持つ固体平板との間に、軟質薄膜を介して、当該軟質薄膜と固体平板とを密着させた３媒体超音波伝達系の超音波音圧往復透過率Ｔ_１及び軟質薄膜を介さない状態の２媒体超音波伝達系の超音波音圧往復透過率Ｔ_２を測定するステップと、Ｔ_１／Ｔ_２の値の最大値θ_ｒを与える共鳴周波数ν_ｒを決定するステップと、決定されたθ_ｒ及びν_ｒの数値を用いて当該軟質薄膜の物性値を算出するステップとを含むことを特徴とする軟質薄膜の物性値測定方法。
ただし、ZC、ZT、ZBは、それぞれ液体音響媒体、軟質薄膜、固体平板の音響インピーダンスである。
（４）上記液体音響媒体及び固体平板はそれぞれ水及び金属平板であることを特徴とする（３）に記載の軟質薄膜の物性値測定方法。
（５）上記（１）又は（３）に記載の軟質薄膜の物性値測定方法を実施する軟質薄膜の物性値測定装置であって、液体音響媒体を収容した容器の中に超音波計測手段と接続された超音波探触子を内装するとともに、当該容器に設けた開口部に軟質薄膜を配置し、軟質薄膜と、その下部にある固体平板との間の空気を排除するための機構と、これと連結された排気能力の高い真空装置とから構成されることを特徴とする軟質薄膜の物性値測定装置。
（６）上記（２）又は（４）に記載の軟質薄膜の物性値測定方法を実施する軟質薄膜の物性値測定装置であって、液体音響媒体である水を収容した容器の中に超音波計測手段と接続された超音波探触子を内装するとともに、当該容器に設けた開口部に軟質薄膜を配置し、軟質薄膜と、その下部にある金属平板との間の空気を排除するための機構と、これと連結された排気能力の高い真空装置とから構成されることを特徴とする軟質薄膜の物性値測定装置。

本発明の方法および装置により、薄膜の厚さが薄い場合であっても、また、薄膜の音響インピーダンスが低い場合であっても、超音波が軟質薄膜を通過する際に生じる音響共鳴現象を利用して、単体の軟質薄膜の物性値を高精度に測定できるようになった。

本発明は、液体音響媒体と固体平板との間に、軟質薄膜を介して、当該軟質薄膜と固体平板とを密着させた状態と、軟質薄膜を介さない状態とで超音波伝達系を構成し、両者の超音波伝達系において液体音響媒体側から超音波を伝達し、軟質薄膜を介した状態と、軟質薄膜を介さない状態とで得られた固体平板裏面からの超音波エコーの振幅スペクトルを解析し、超音波が軟質薄膜を通過する際に生じる音響共鳴現象を利用して軟質薄膜の物性値を測定することを特徴とする軟質薄膜の物性値測定方法である。

また本発明は、超音波が軟質薄膜を通過する際に生じる音響共鳴現象を利用して単体の軟質薄膜の音響インピーダンス、密度、音速、厚さを高精度に測定するものであり、以下にその測定原理の一例を示す。

液体音響媒体−軟質薄膜−固体平板からなる３媒体超音波伝達系の超音波音圧往復通過率Ｔ１は次式で与えられる。

ここでｋTは軟質薄膜内での波数（＝２πν／CT）であり、νは周波数、CTは薄膜内での超音波音速である。またＺは音響インピーダンスであり、次式で与えられる。

ここでρは密度、ｃは超音波音速であり、式（１）中の下添え字Ｃは液体音響媒体を、Ｂは固体平板を、Ｔは軟質薄膜をそれぞれ表す。一方、軟質薄膜がない場合の、液体音響媒体−固体平板からなる２媒体超音波伝達系の超音波音圧往復通過率Ｔ２は次式で与えられる。

したがって、両者の比θ（＝Ｔ１／Ｔ２）は次式となる。

ここでＡは次式で与えられる。

式（４）より、θは次式で与えられる共鳴周波数

において最大値θｒをとり、かつ、θは周波数の関数である。これが本発明で着目する音響共鳴現象である。またθｒは、次式で与えられる。

式（５）および式（７）を変形して、次の二次方程式を得る。

ここで、Ｂは次式で与えられる。

式（８）をＺＴついて解けば、ＺＴ＜√（ＺＣＺＢ）の時

となる。

あらかじめＺＣとＺＢが既知であり、θｒを測定すれば、式（１０）よりＺＴが求まる。またCT、ｄ、ρＴのうち、いずれか一つが既知であれば、νｒを測定することで、求めたＺＴと式（２）および式（６）を用いて残る２つの物性値が求まる。

ここで、液体音響媒体と固体平板との間に、軟質薄膜を介して、当該軟質薄膜と固体平板とを密着させた状態と、軟質薄膜を介さない状態とで構成した超音波伝達系において、軟質薄膜内での超音波減衰損失が無視しえるほど小さく、かつ、薄膜／固体平板界面での超音波信号損失が無視しえるほど小さい場合、両者の超音波伝達系において液体音響媒体側から超音波を伝達し、軟質薄膜を介した状態と、軟質薄膜を介さない状態とで得られた固体平板裏面からの超音波エコーの振幅スペクトルの比は、Ｔ1とＴ2の比に一致する。したがって、液体音響媒体と固体平板との間に、軟質薄膜を介して、当該軟質薄膜と固体平板とを密着させた状態と、軟質薄膜を介さない状態とで構成した超音波伝達系において、本発明で着目する超音波が軟質薄膜を通過する際に生じる音響共鳴現象を観察することができ、これを利用して軟質薄膜の物性値を測定することが可能である。

本発明の実施に当たり、液体音響媒体として水を、固体平板として音響インピーダンスの高い金属平板を用い、水と金属平板との間に、軟質薄膜を介して当該薄膜と金属平板とを密着させた状態と、軟質薄膜を介さない状態とで超音波伝達系を構成し、両者の伝達系において水側から超音波を伝達して得られた金属平板裏面からの超音波エコーの振幅スペクトルを解析し、超音波が軟質薄膜を通過する際に生じる音響共鳴現象を利用して、軟質薄膜の音響インピーダンス、密度、音速、厚さを高精度に測定することができる。

図１に液体音響媒体として水（ＺC = 1.48MNm-3s）を用い、固体平板（ZB）との間にZT = 6MNm-3sの軟質薄膜を介した場合のθrをＺBの関数として実線でデシベル表示する。また、ZT = 4MNm-3sの軟質薄膜を介した場合のθrを破線で、ZT = 2MNm-3sの軟質薄膜を介した場合のθrを点線でデシベル表示する。

図１より、ZC < ZT < ZBであればθrが１を上回ることがわかる。いずれのZTにおいてもZBが大きければθrが大きくなり、また、ZBが大きな固体平板を用いた場合はZTに対してθrが一義的に決まることがわかる。よってZBが大きな固体平板を用いることで、本発明で着目する音響共鳴現象が明瞭に観察でき、高精度で確実な軟質薄膜の物性値測定が可能となる。

さらに、液体音響媒体として水を、固体平板として音響インピーダンスの高い金属平板を用い、水と金属平板との間に、軟質薄膜を介して、当該薄膜と金属平板とを密着させた状態と、軟質薄膜を介さない状態とで超音波伝達系を構成し、両者の伝達系において水側から超音波を伝達して得られた金属平板裏面からの超音波エコーの振幅スペクトルの比から軟質薄膜の音響インピーダンス、密度、音速を測定することができる。

また、液体音響媒体として水を、固体平板として音響インピーダンスの高い金属平板を用い、水と金属板との間に、軟質薄膜を介して、当該薄膜と金属平板とを密着させた状態と、軟質薄膜を介さない状態とで超音波伝達系を構成し、両者の伝達系において水側から超音波を伝達して得られた金属平板裏面からの超音波エコーの振幅スペクトルの比が最大値若しくは最小値を示す周波数から軟質薄膜の厚さ、音速を測定することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。図２は、本発明にかかる軟質薄膜の物性値測定方法とそのための装置の構成例を示す図である。液体音響媒体１と固体平板２との間に軟質薄膜３を介し、軟質薄膜３と固体平板２とを密着させる手段４により密着させる。液体音響媒体側から超音波計測手段５と接続された超音波探触子５ａにより超音波を発信し５ｂ、固体平板２と周囲環境６との界面である固体平板裏面２ａからの超音波エコー５ｃを収録する。また、軟質薄膜３を挿入しない場合についても固体平板２と周囲環境６との界面である固体平板裏面２ａからの超音波エコー５ｃを収録し、両者の振幅スペクトルを解析して軟質薄膜の物性値を算出する。

実施例１での軟質薄膜３は厚さが11.8μｍのポリエチレン（ＰＥ）薄膜であり、実施例２での軟質薄膜３は厚さが7.6μｍのポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜である。液体音響媒体１として水を、固体平板２として厚さ1mmのタングステン平板（ZB = 99.84MNm-3s）を用いた。また、実験は大気中、室温下（293K）において実施した。軟質薄膜３と固体平板２とを密着させる手段４として、薄膜と平板２との間の空気を真空装置により排除した。超音波計測手段５と接続された超音波探触子５ａとして、公称周波数が50MHz、振動子直径が3.2mmの広帯域超音波探触子を用いた。用いた超音波探触子５ａの圧電振動子の前面には長さが7.6mmの石英でできた遅延材が取り付けられており、超音波探触子５ａの前面と軟質薄膜３との間の距離は5mmであった。

軟質薄膜３を介した状態で、水側から超音波計測手段５と接続された超音波探触子５ａにより超音波を発信し５ｂ、タングステン平板２と空気６との界面であるタングステン平板裏面２ａからの超音波エコー５ｃを収録した。また、軟質薄膜３を介さない場合についてもタングステン平板２と空気６との界面であるタングステン平板裏面２ａからの超音波エコー５ｃを収録した。ここで、軟質薄膜３を介した状態で得た超音波エコー５ｃの振幅スペクトルをφ１、軟質薄膜３を介さない状態で得た超音波エコー５ｃの振幅スペクトルをφ２とする。

実施例１および実施例２の超音波エコー５ｃの振幅スペクトルφ１とφ２を図３に示す。図中、破線はＰＥ薄膜を挿入して得たφ１であり、実線はＰＶＣ薄膜を挿入して得たφ１である。また、点線は薄膜を挿入しない状態で得たφ２である。図３より、いずれの薄膜を挿入した場合も周波数範囲20〜70MHzにおいて、φ１がφ２を上回っており、超音波が薄膜を通過する際の音響共鳴現象が明瞭に観察されている。

実施例１および実施例２の振幅スペクトルの比（φ１／φ２）を図４にデシベル表示する。図中、破線はＰＥ薄膜に対するφ１／φ２であり、実線はＰＶＣ薄膜に対するφ１／φ２である。ここで、軟質薄膜３内での超音波減衰損失と、軟質薄膜３と固体平板２との界面での信号損失が無視できるほど小さい場合、φ１／φ２はθにほぼ一致する。ＰＥ薄膜に対するφ１／φ２の最大値とその周波数は1.61±0.01と42.6±0.6MHzであった。また、ＰＶＣ薄膜に対するφ１／φ２の最大値とその周波数は2.76±0.02と63.5±1.1MHzであった。

ＰＥ薄膜、およびＰＶＣ薄膜に対するφ１／φ２の最大値を式（９）のθrに代入してBを求め、これを式（１０）に代入することで、ＰＥ薄膜、およびＰＶＣ薄膜の音響インピーダンスはそれぞれ、1.89±0.01MNm-3s、2.53±0.01MNm-3sと測定された。

また、式（２）および式（６）より、ＰＥ薄膜の音速と密度はそれぞれ、2010±30m/s、940±20kg/m3と測定された。また、ＰＶＣ薄膜の音速と密度はそれぞれ、1930±40m/s、1310±30kg/m3と測定された。ＰＥ薄膜に対する測定結果（実施例１）より、本発明を用いれば、音響インピーダンスが水に近い軟質薄膜の物性値を高精度に測定可能であることが明らかである。また、ＰＶＣ薄膜に対する測定結果（実施例２）より、本発明により厚さが約8μｍと非常に薄い軟質薄膜であっても高精度に物性値測定が可能であることが明らかである。

液体音響媒体として水を用い、固体平板との間にZTが6MNm-3sの軟質薄膜を介した場合のθrを実線で、ZT = 4MNm-3sの軟質薄膜を介した場合のθrを破線で、ZT = 2MNm-3sの軟質薄膜を介した場合のθrを点線でＺBの関数としてデシベル表示したものである。本発明にかかる軟質薄膜の物性値測定方法とそのための装置の構成例を示す図である。実施例１および実施例２で収録した超音波エコーの振幅スペクトルである。実施例１および実施例２の振幅スペクトルの比である。

１液体音響媒体
２固体平板
２ａ固体平板裏面
３軟質薄膜
４軟質薄膜と固体平板とを密着させる手段
５超音波計測手段
５ａ超音波探触子
５ｂ超音波を発信
５ｃ固体平板と周囲環境との界面である固体平板裏面からの超音波エコー
６周囲環境

Claims

液体音響媒体と、ZC及びZTよりも大きい値であって、ZTに対してθ _ｒが一義的に決まるような大きさのZBを持つ固体平板との間に、軟質薄膜を介して、当該薄膜と固体平板とを密着させた状態と、軟質薄膜を介さない状態とで超音波伝達系を構成し、両者の伝達系において液体音響媒体から超音波を伝達して得られた固体平板裏面からの超音波エコーの振幅スペクトルの比から軟質薄膜の物性値を算出することを特徴とする軟質薄膜の物性値測定方法。
ただし、ZC、ZT、ZBは、それぞれ液体音響媒体、軟質薄膜、固体平板の音響インピーダンスであり、また、θ _ｒは３媒体超音波伝達系の超音波音圧往復透過率Ｔ _１と軟質薄膜を介さない状態の２媒体超音波伝達系の超音波音圧往復透過率Ｔ _２との比の最大値である。
液体音響媒体として水を、固体平板として音響インピーダンスの高い金属平板を用い、水と金属平板との間に、軟質薄膜を介して、当該薄膜と金属平板とを密着させた状態と、軟質薄膜を介さない状態とで超音波伝達系を構成し、両者の伝達系において水側から超音波を伝達して得られた金属平板裏面からの超音波エコーの振幅スペクトルの比が最大値を示す周波数から軟質薄膜の物性値を算出することを特徴とする軟質薄膜の物性値測定方法。
音響インピーダンスが既知の液体音響媒体と音響インピーダンスが既知であってZC及びZTよりも大きい値であり、ZTに対してθ _ｒが一義的に決まるような大きさのZBを持つ固体平板との間に、軟質薄膜を介して、当該軟質薄膜と固体平板とを密着させた３媒体超音波伝達系の超音波音圧往復透過率Ｔ_１及び軟質薄膜を介さない状態の２媒体超音波伝達系の超音波音圧往復透過率Ｔ_２を測定するステップと、Ｔ_１／Ｔ_２の値の最大値θ_ｒを与える共鳴周波数ν_ｒを決定するステップと、決定されたθ_ｒ及びν_ｒの数値を用いて当該軟質薄膜の物性値を算出するステップとを含むことを特徴とする軟質薄膜の物性値測定方法。
ただし、ZC、ZT、ZBは、それぞれ液体音響媒体、軟質薄膜、固体平板の音響インピーダンスである。
上記液体音響媒体及び固体平板はそれぞれ水及び金属平板であることを特徴とする請求項３に記載の軟質薄膜の物性値測定方法。
請求項１又は３に記載の軟質薄膜の物性値測定方法を実施する軟質薄膜の物性値測定装置であって、液体音響媒体を収容した容器の中に超音波計測手段と接続された超音波探触子を内装するとともに、当該容器に設けた開口部に軟質薄膜を配置し、軟質薄膜と、その下部にある固体平板との間の空気を排除するための機構と、これと連結された排気能力の高い真空装置とから構成されることを特徴とする軟質薄膜の物性値測定装置。
請求項２又は４に記載の軟質薄膜の物性値測定方法を実施する軟質薄膜の物性値測定装置であって、液体音響媒体である水を収容した容器の中に超音波計測手段と接続された超音波探触子を内装するとともに、当該容器に設けた開口部に軟質薄膜を配置し、軟質薄膜と、その下部にある金属平板との間の空気を排除するための機構と、これと連結された排気能力の高い真空装置とから構成されることを特徴とする軟質薄膜の物性値測定装置。