JPH0432962B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、基板上に形成された膜の厚さを超音
波によつて測定する方法に関するものである。 従来の技術 超音波によつて膜厚を測定する方法では、従来
から基板およびその表面に形成された膜と超音波
発生用のトランスデユーサーの間に超音波伝搬用
の液体を充填して膜および基板に超音波を照射
し、反射超音波あるいは透過超音波を発生用と同
一あるいは別のトランスデユーサーによつて受信
する。これらには、パルス状超音波を入射させ反
射超音波パルスの時間的おくれから膜厚を測る方
法、膜厚が入射波の1/4波長の整数倍のとき共振
することを利用する方法、表面弾性波の音速が膜
厚によつて変化することを利用した方法などがあ
る。特に超音波顕微鏡によつて弾性表面波の音速
変化を測定する場合は、表面からの直接反射波と
弾性表面波との干渉を利用するいわゆるＶ（ｚ）
曲線による方法や、パルス状超音波によつて発生
したパルス状の弾性表面波の時間的なおくれを測
定する方法などが知られている。 発明が解決しようとする問題点 しかしながら、パルス状超音波の時間的おくれ
を測定する方法においては、測定可能な時間差は
およそパルスの巾と同等程度までであるため、測
定可能な膜厚ｄは、パルス巾Ｔ、中心周波数ｆ、
膜の音速Ｃとして、 ｄＣ・Ｔ Ｃ／ｆ となる。たとえば、中心周波数100MHzのパルス
で金の膜厚を測定するとおよそ30μｍ程度までが
測定可能範囲である。また共振を利用する方法で
は、測定可能な膜厚は超音波の膜中での波長の1/
４までであること、および共振による反射超音波
の振巾変化が小さいこと、共振のＱ値が小さいこ
とが欠点であるという問題があり、Ｖ（ｚ）曲線
による方法では、超音波音響レンズを基板と垂直
な方向いわゆるＺ方向に走査する必要があるた
め、一回の測定に時間がかかつてオンラインの計
測には不向きであること、および音響レンズの平
面的な走査によつて膜厚の２次元的分布を測定す
るには不向きであることが欠点であるという問題
点があつた。 問題点を解決するための手段 本発明は、波長に比べて、基板上に形成された
薄い膜の膜厚を、機械的走査なしに短時間で測定
することができる新規な胆音波膜厚測定方法に関
し、従来の測定方法の問題点を解消することを目
的としている。 発明の詳述 以下に具体的に本発明を説明する。 本発明は、測定しようとする被測定体すなわち
基板上に形成された薄い膜に超音波伝搬用の液体
を介して入射する超音波の入射角が前記基板、薄
い膜そして液体からなる組合せ体に応じて定めら
れ、前記被測定体に照射される超音波の波長と膜
厚（前記基板上に形成された薄い膜の膜厚）との
比が前記基板おび薄い膜の組合せ体に応じて定め
られたときに被測定体から反射されてくる超音波
の反射率が低下することを利用して、その時の周
波数を測定することにより被測定体の薄い膜の膜
厚を測るものである。 さらに詳細に説明すれば、先ず測定系を図面に
従つて説明する。第１図に示すごとく、この測定
系は、被測定体１すなわち基体２とこの表面に形
成された膜３から成るものの上に伝搬用液体４を
位置させ、その上方に被測定体１に超音波を入射
させ、さらに被測定体１によつて反射された超音
波を受ける超音波発生並び受信装置たとえば圧電
トランスデユーサ５を設けたものである。 この測定系において求める被測定体の膜の膜厚
を求めるために、本発明者等は、被測定体の基板
と膜そして超音波伝搬用液体を種々に組合せて、
その組合せに応じて、被測定体上に照射される超
音波の入射角、並びに膜厚と超音波の波長の比を
広範に選び実験したところ、基板、膜、そして液
体の物質の組合せに固有な入射角で入射する超音
波の反射率は、膜厚と波長の比が物質の組合せに
固有の値をとつた時極小になることを見い出し
た。すなわち、第１図において、液体４、膜３と
基板２の物質が定まるとこの系を特徴づけるパラ
メーターは入射角１７および、膜厚と超音波の波
長の比の２つである。このとき、反射波の入射波
に対する比で定義される反射率Ｒもまたこの２つ
のパラメーターの関数となる。一方、反射率Ｒが
液体と膜の間および膜と基板の間における音場の
境界条件から計算されることは、D.E.Chimenti
A.H.NayfenD.L.Butler；Journal of Applied
Physics、53(1)P.170（1982）において示されてい
るが、そこでは反射率Ｒは弾性表面波の音速を計
算するために用いられている。そこで、この反射
率Ｒを、入射角および膜厚と波長の比の広範な値
に対して、液体、膜、基板の種々な組合せについ
て計算すると、物質の組合せに固有な入射角で入
射する超音波の反射率は、膜厚と波長の比が物質
の組合せに固有の値をとつた時極小になる。つま
り液体中の音速をCf、波長をλf、周波数をｆ、
膜厚をｄとし物質の組合せに固有の比をＨとする
と ｄ／λf＝ＨまたはＤ・ｆ＝Cf・Ｈ−(1) において、反射率Ｒが極小となる。このときの入
射角もまた物質の組合せに固有な値である。 これは、固体基板上の膜に超音波を照射した場
合に膜内および膜と基板の境界面近傍にきよく在
して伝搬するモードの波が、レーリー波以外にも
れい起され、その強度が入射波の角度と周波数に
依存して変化し、最適の角度、周波数において最
大強度で膜にそつて伝搬していくため、反射波は
相対的に強度が低下することによる。 そこで、本発明においては、超音波伝搬用の液
体から固体基板に入射する超音波の入射角が基
板、液体および膜の物質に固有の値で、かつ超音
波の波長（λ）と膜厚(d)の比が基板、液体および
膜の物質に固有の値(H)のとき、超音波の反射率が
低下することを利用して、反射波の強度が低下す
る超音波の波長（λ）を測定し、前記(1)式によつ
て膜厚(d)を求める。周波数の測定としては入射超
音波の周波数を掃引して反射強度が極小となる周
波数を見い出す方法や広帯域のパルスを照射して
反射波を周波数解析し強度が極小となる周波数を
見い出す方法などがあるが、本発明は特定の周波
数測定方法にはよらない。 被測定系の基板、膜および超音波伝搬用液体が
定まつた後、反射率が極小になるこの系に固有の
入射角とＨを求めるには、反射率Ｒの理論的な数
値計算による方法と、膜厚の異なつた数種の試験
片をつくり、さまざまな入射角と周波数の超音波
を照射して反射強度を実測することで、反射率の
極小となる系固有の入射角と周波数を実験的に求
める方法等が存在するが、本発明はこれらに限定
されるものではない。また物質に固有の入射超音
波を発生し反射超音波を受信するための圧電トラ
ンスデユーサーの形状、配置は、意図した入射角
で超音波を発生し受信できるものであれば任意の
ものでよく、本発明はその形状、配置にはよらな
い。たとえば、超音波顕微鏡に使用する場合のト
ランスデユーサーとして、図面の第２図に示す様
に、くさび状に凹みをもうけた熔溶石英、サフア
イヤ等の伝搬材から成るクサビ状音響レンズ２８
の上端面に圧電膜２５を付着させて、所定の入射
角２７で超音波を発生させる超音波顕微鏡レンズ
などが使用可能であるが、いずれにしても本発明
は添付の図面の第１図、第２図のトランスデユー
サーの形状、配置によつて規定されない。また本
発明は、基板、膜の物質の特定の組合せにはよら
ない。 たとえば、基板は主に固体物質で鉄、鉄合金、
錫、銅等の金属、セラミツク等、そして基板上の
膜は、金、鉄、ニツケル等のメツキ膜、または蒸
着膜、ペイント塗膜、印刷インキ皮膜等である。 また組合せ体は前記被測定体と超音波伝搬用液
体として水、アルコール等である。これらの組合
せ体によりそれぞれ固有の超音波の入射角並びに
ｄ／λf＝Ｈすなわち膜厚と波長が特定される。 本発明は前記したように、被測定体の基板並び
に膜の物質の組合せが定まり、さらに超音波伝搬
用液体が定まつたら、それらのもつ固有の入射角
で超音波を照射して、その反射波の入射波に対す
る強度の比すなわち反射率が極小となる周波数ｆ
を周波数計測器（図示せず）で測定し周波数ｆを
求め、次に前記式(1)より被測定体の膜の膜厚ｄを
算出し、目的とする膜厚ｄを求めるのである。こ
こで周波数の測定方法について一例で説明する。
一つは入射超音波の周波を掃引して反射強度が極
小となる周波数を見出す方法、一つは広帯域のパ
ルスを照射して反射波を周波数解析し強度が極小
となる周波数を見い出す方法などがある。しか
し、ここにあげた測定方法でなくても他の方法に
よつてもよい。 作 用

【表】 この値をもちいて、反射率Ｒを入射角0゜〜90゜、
膜厚×周波数０〜1400ｍ／ｓの範囲で計算し表示
したものが第６図である。図でもわかる様に入射
角32゜、膜厚×周波数300ｍ／ｓにおいて反射率が
極小となる。そこで、容器に満たした水の中に試
料を水平に設置しこれに入射角32゜で超音波を照
射してその反射波を受信する様に圧電トランスデ
ユーサーを配置した。圧電トランスデユーサー
（パナメトリクス社M111、中心周波数10MHz）に
パルサーレシーバー（パナメトリクス社
50S2PR）でパルス電圧を加え、超音波パルスを
発生させて試料面に照射し反射波をスペクトルア
ナライザー（YHP社141T）によつて周波数解析
した。金メツキを施こさなかつた部分と施こした
部分の反射波の周波数分布をそれぞれ図面の第３
図と第４図に、またその周波数分布の差を第５図
に示す。図からわかる様に金メツキ膜が出来たこ
とによつて反射波の周波数分布に顕著なデイツプ
が発生する事が観察される。ただし図中の４０
１，５０１は12MHzに極小がある試料、４０２，
５０２は7.5MHzに極小がある試料の場合を示す。
周波数から ｄ＝300／ｆ（ｍ） によつて膜厚を求めると、それぞれ25μｍ、40μ
ｍとなる。最後にこれらの試料を切断して断面を
研摩して観察したところメツキ膜厚がそれぞれ
25μｍ、40μｍである事が確認された。この実施
例１の場合、金メツキ中のたて波の波長は10MHz
で324μｍであるが、本発明によれば波長1/10以
下の膜厚が、一回のパルス発生で機械的走査なし
で測定されることが分かる。 実施例 ２ 鉄の基板の上にスズメツキを施こしたものにつ
いて実施例１と同様の測定を行なつた。密度と音
速は以下の通り。

【表】 反射率Ｒの計算値から求めた極小値の入射角と
周波数×膜厚はそれぞれ20゜、400ｍ／ｓである。
反射波の周波数分布を測定したところ8MHzに極
小が見い出されたため、ｄ＝400／ｆ（ｍ）によつ
て、膜厚は50μｍと測定された。切断後の断面観
察から膜厚が50μｍと測定され、本発明の有効性
が確認された。 発明の効果 本発明の膜厚測定方法によれば、固体基板上に
形成された膜の厚さを、機械的走査無しに短時間
に測定することが可能であり、その際、用いる超
音波の波長に比べて薄い膜の厚さを測定すること
が出来る。従つて、従来は実施することができな
かつた、固体基板上の薄い膜の膜厚を工程内にお
いてオンライン測定することが可能となり、産業
上甚だ有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明に使用する測定系
の説明図、第３図は金メツキを施さなかつた基板
における反射波の周波数分布図、第４図は基板上
の金メツキ部における反射波の周波数分布図、第
５図は第３図および第４図のそれぞれに示す周波
数分布の差を示す説明図、第６図は反射率Ｒを入
射角0゜〜90゜、膜厚×周波数０〜1400ｍ／ｓの範
囲で計算し、表示した説明図をれぞれ示す。 ２……基板、３……膜、４……液体、１４……
容器、５……圧電トランスデユーサー、１７……
入射角、２１……基板、２２……膜、２３……液
体、２５……圧電膜、２７……入射角、２８……
クサビ状音響レンズ、３０１……金メツキなしの
周波数分布、４０１……金メツキ25μｍの場合の
周波数分布、４０２……金メツキ40μｍの場合の
周波数分布、５０１……金メツキ25μｍとメツキ
なしの場合の周波数分布の差、５０２……金メツ
キ40μｍとメツキなしの場合の周波数分布の差。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固体基板上に層状に形成された、メツキ、コ
   ーテイング、クラツド、塗装などにより形成した
   膜の膜厚を超音波によつて測定する方法におい
   て、超音波伝搬用の液体から基板に入射する超音
   波の入射角が基板、液体および膜の物質に固有の
   値で、かつ超音波の波長（λ）と膜厚(d)の比が基
   板、液体および膜の物質に固有の値(H)のとき、超
   音波の反射率が低下することを利用して、反射波
   の強度が低下する超音波の波長（λ）を測定し、
   下記(A)式 ｄ＝λ・Ｈ ……(A) によつて膜厚(d)を求めることを特徴とする膜厚測
   定方法。