JPH05149931A - 音速・密度測定方法及び装置 - Google Patents
音速・密度測定方法及び装置Info
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- JPH05149931A JPH05149931A JP3336289A JP33628991A JPH05149931A JP H05149931 A JPH05149931 A JP H05149931A JP 3336289 A JP3336289 A JP 3336289A JP 33628991 A JP33628991 A JP 33628991A JP H05149931 A JPH05149931 A JP H05149931A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 フラット型探触子を用いることなく、平面反
射波を利用して、薄膜内の音速及び密度を測定して算出
したい。 【構成】 表面に膜を有する試料に超音波を放射し、試
料から反射してきた超音波の周波数特性から膜内の音速
・密度を求める音速・密度測定方法において、探触子と
して焦点型探触子を使用し、該焦点型探触子の焦点より
内側に試料を設置した状態において試料から反射してき
た反射波の周波数特性を求め、この周波数特性から膜の
音速・密度を求める。
射波を利用して、薄膜内の音速及び密度を測定して算出
したい。 【構成】 表面に膜を有する試料に超音波を放射し、試
料から反射してきた超音波の周波数特性から膜内の音速
・密度を求める音速・密度測定方法において、探触子と
して焦点型探触子を使用し、該焦点型探触子の焦点より
内側に試料を設置した状態において試料から反射してき
た反射波の周波数特性を求め、この周波数特性から膜の
音速・密度を求める。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、焦点型探触子を使った
音速・密度測定方法及び装置に関する。
音速・密度測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波を利用した薄膜の物性値である音
速及び密度の測定では、図４に示すようにフラット型探
触子（超音波放射面がフラット形状の探触子）１０から
周波数の異なる平面波を試料１１に放射し、各周波数毎
の反射波の強度から音速及び密度を測定する。図５に
は、基板１２上に形成された薄膜１３の音速及び密度測
定例を示す。平面波超音波は水等の媒質を介して薄膜１
３に達するが、この時の反射強度Ｒは、
速及び密度の測定では、図４に示すようにフラット型探
触子（超音波放射面がフラット形状の探触子）１０から
周波数の異なる平面波を試料１１に放射し、各周波数毎
の反射波の強度から音速及び密度を測定する。図５に
は、基板１２上に形成された薄膜１３の音速及び密度測
定例を示す。平面波超音波は水等の媒質を介して薄膜１
３に達するが、この時の反射強度Ｒは、
【０００３】
【数１】Ｒ＝Ａ／Ｂ ここで、Ａ、Ｂは
【０００４】
【数２】 となる。［数２］のＺ12、Ｚ23は以下である。
【０００５】
【数３】Ｚ12＝Ｚ1／Ｚ2 Ｚ23＝Ｚ2／Ｚ3 ここで、Ｚ1は媒質１４中の音響インピーダンス、Ｚ2は
薄膜１３中の音響インピーダンス、Ｚ3は基板１２中の
音響インピーダンスである。更に、［数２］中のｋ
2は、薄膜１３中の波数である。
薄膜１３中の音響インピーダンス、Ｚ3は基板１２中の
音響インピーダンスである。更に、［数２］中のｋ
2は、薄膜１３中の波数である。
【０００６】薄膜１３と基板１２の音響インピーダンス
Ｚ2、Ｚ3の間でＺ2＜Ｚ3の場合、薄膜１３の厚さｄが、
超音波の波長λの１／４、３／４、５／４、…倍におい
て反射率Ｒが極小となることが知られている。薄膜内の
音速及び密度の測定では、このことを利用する。図６に
は、Ｚ2＜Ｚ3のもとでの、反射率Ｒとｄ／λとの関係図
を示す。この関係図は、基板１２がサファイァ、薄膜１
３が石英ガラスの例であり、サファイァの音速を１１０
００ｍ／ｓ、密度４．０ｇ／ｃｍ3、石英ガラスの音速
５９００ｍ／ｓ、密度２．２ｇ／ｃｍ3とした。図６で
は、（ｄ／λ）＝０．２５と、０．７５の２点で極小値
が現われていることがわかる。反射率Ｒの極小率は、約
０．４４である。
Ｚ2、Ｚ3の間でＺ2＜Ｚ3の場合、薄膜１３の厚さｄが、
超音波の波長λの１／４、３／４、５／４、…倍におい
て反射率Ｒが極小となることが知られている。薄膜内の
音速及び密度の測定では、このことを利用する。図６に
は、Ｚ2＜Ｚ3のもとでの、反射率Ｒとｄ／λとの関係図
を示す。この関係図は、基板１２がサファイァ、薄膜１
３が石英ガラスの例であり、サファイァの音速を１１０
００ｍ／ｓ、密度４．０ｇ／ｃｍ3、石英ガラスの音速
５９００ｍ／ｓ、密度２．２ｇ／ｃｍ3とした。図６で
は、（ｄ／λ）＝０．２５と、０．７５の２点で極小値
が現われていることがわかる。反射率Ｒの極小率は、約
０．４４である。
【０００７】尚、Ｚ3＞Ｚ2では、
【数４】 なる関係にある場合に極小値０、即ち超音波は反射せ
ず、完全透過となる。この極小値０での反射率特性例を
図７に示す。この反射特性は、薄膜１３をカルコゲナイ
ト（音速２３２０ｍ／ｓ、密度３．５ｇ／cm3）とした
場合である。一方、Ｚ2＞Ｚ3では、厚みｄが、超音波の
波長λの１／２、１、３／２、２、…倍において反射率
Ｒが極小となる。尚、Ｚ2＞Ｚ3でＺ1＝Ｚ3となる場合、
極小値は０、即ち、超音波は反射せず、完全に透過とな
る。
ず、完全透過となる。この極小値０での反射率特性例を
図７に示す。この反射特性は、薄膜１３をカルコゲナイ
ト（音速２３２０ｍ／ｓ、密度３．５ｇ／cm3）とした
場合である。一方、Ｚ2＞Ｚ3では、厚みｄが、超音波の
波長λの１／２、１、３／２、２、…倍において反射率
Ｒが極小となる。尚、Ｚ2＞Ｚ3でＺ1＝Ｚ3となる場合、
極小値は０、即ち、超音波は反射せず、完全に透過とな
る。
【０００８】図６の如き特性から薄膜内の音速及び密度
を測定するには、超音波の周波数を小さく設定してお
き、これを次第に大きくしながら、各周波数毎に反射率
Ｒを求める。そして、最初に現われる極小値をみつけ
る。この最初に現われる極小値とは、（ｄ／λ）＝０．
２５である。一方、音速ｖと超音波の周波数ｆiと波長
λとは、
を測定するには、超音波の周波数を小さく設定してお
き、これを次第に大きくしながら、各周波数毎に反射率
Ｒを求める。そして、最初に現われる極小値をみつけ
る。この最初に現われる極小値とは、（ｄ／λ）＝０．
２５である。一方、音速ｖと超音波の周波数ｆiと波長
λとは、
【０００９】
【数５】Ｖ＝λ・ｆi の関係にある故に、薄膜内の音速Ｖは、膜厚ｄが既知で
あれば、
あれば、
【数６】Ｖ＝４ｄ・ｆi
【００１０】なる数式で求まることになる。次ぎに、密
度Ｐは、薄膜１３の音響インピーダンスＺ2がわかれ
ば、Ｚ2とＰとＶとは、
度Ｐは、薄膜１３の音響インピーダンスＺ2がわかれ
ば、Ｚ2とＰとＶとは、
【００１１】
【数７】Ｚ2＝Ｐ・Ｖ の関係にある故に、［数７］を変形して密度Ｐは、
【００１２】
【数８】Ｐ＝Ｚ2／Ｖ から求めることができる。ここで、音響インピーダンス
Ｚ2は、反射率Ｒの特性から反射率Ｒの極小値Ｒexを求
め、この極小値ＲexとなるＺ2を［数１］、［数２］を
利用して求める。
Ｚ2は、反射率Ｒの特性から反射率Ｒの極小値Ｒexを求
め、この極小値ＲexとなるＺ2を［数１］、［数２］を
利用して求める。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】従来例では、平面波の
放射のためにフラット型探触子を使用しなければならな
い。フラット型探触子は、図４に示すように放射面が平
行な面であり、超音波を放射される面積は、探触子の径
Ｄによって決まる。そして測定結果は放射される面積全
体の平均値となる。また、この探触子では画像取得が困
難であるため、試料の任意位置における測定ができな
い。尚、膜厚測定に関しては、同一出願人同一発明者に
なる特許出願を既に行っている（特願平３−２０４９２
２号）。
放射のためにフラット型探触子を使用しなければならな
い。フラット型探触子は、図４に示すように放射面が平
行な面であり、超音波を放射される面積は、探触子の径
Ｄによって決まる。そして測定結果は放射される面積全
体の平均値となる。また、この探触子では画像取得が困
難であるため、試料の任意位置における測定ができな
い。尚、膜厚測定に関しては、同一出願人同一発明者に
なる特許出願を既に行っている（特願平３−２０４９２
２号）。
【００１４】本発明の目的は、フラット型探触子ではな
く、焦点型探触子を使用して膜内の音速及び密度の測定
を可能にする音速・密度測定方法及び装置を提供するも
のである。
く、焦点型探触子を使用して膜内の音速及び密度の測定
を可能にする音速・密度測定方法及び装置を提供するも
のである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の測定方法は、探
触子として焦点型探触子を使用し、該焦点型探触子の焦
点より内側に試料を設置した状態において試料から反射
してきた反射波の周波数特性を求め、この周波数特から
膜内の音速及び密度を求めることとした（請求項１）。
触子として焦点型探触子を使用し、該焦点型探触子の焦
点より内側に試料を設置した状態において試料から反射
してきた反射波の周波数特性を求め、この周波数特から
膜内の音速及び密度を求めることとした（請求項１）。
【００１６】更に本発明の測定装置は周波数可変の打ち
出しパルス源と、該周波数を可変にしてのパルスに従っ
て超音波を、焦点より内側に設置した試料に向けて放射
する焦点型探触子と、試料からの反射波の中で直達反射
波のみを表面弾性波との時間差を利用して抽出する手段
と、パルス周波数と直達波の反射信号（反射率）との関
係を参照して反射信号の極小値となるパルス周波数を求
め、このパルス周波数と膜厚とから膜内の音速及び密度
を算出する手段と、より成る（請求項２）。
出しパルス源と、該周波数を可変にしてのパルスに従っ
て超音波を、焦点より内側に設置した試料に向けて放射
する焦点型探触子と、試料からの反射波の中で直達反射
波のみを表面弾性波との時間差を利用して抽出する手段
と、パルス周波数と直達波の反射信号（反射率）との関
係を参照して反射信号の極小値となるパルス周波数を求
め、このパルス周波数と膜厚とから膜内の音速及び密度
を算出する手段と、より成る（請求項２）。
【００１７】
【作用】本発明によれば、焦点型探触子の焦点より内側
に試料を設置して反射波を測定することにより、音速及
び密度の測定が可能となる（請求項１）。
に試料を設置して反射波を測定することにより、音速及
び密度の測定が可能となる（請求項１）。
【００１８】更に本発明によれば、パルス信号の周波数
を変えながら直達反射波のみを検出し、平面波と同様な
考え方で極小値より音速及び密度の測定が可能になる
（請求項２）。
を変えながら直達反射波のみを検出し、平面波と同様な
考え方で極小値より音速及び密度の測定が可能になる
（請求項２）。
【００１９】
【実施例】図１は本発明の音速及び密度測定装置の実施
例図である。以下の各構成要素より成る。 高周波パルス発振器１…可変周波数のパルスを発生可能
とする発振器である。ここで、可変周波数とは、パルス
幅及び周波数が可変との意である。 受信器２…探触子６から戻ってくる反射波信号（高周波
パルス電圧）を受信し、増幅する。 ＡＤ変換器３…受信器２で受信した反射波信号をＡＤ変
換する。 コンピュータ４…ＡＤ変換器３で得た反射波波形に対す
るデータをバッファ内（図示せず）に格納し、解析処理
を行う。 モニタ５…コンピュータ４での解析・処理結果を表示し
て、観察者に示す。 探触子６…圧電素子６Ａと音響レンズ６Ｂとより成り、
音響レンズ６Ｂの放射面６Ｃは凹面形状をなす。この凹
面の形状によって超音波の焦点が定まる。一点焦点形で
は、凹面部６Ｃは円錐状をなし、ライン焦点形では、探
触子６全体が長方形であって凹面部６Ｃは紙面から裏面
にかけて円筒形状をなす。この探触子６は、高周波パル
ス電圧の印加によって、励起した超音波は、レンズ６Ｂ
の凹面部６Ｃで集束し、放出される。
例図である。以下の各構成要素より成る。 高周波パルス発振器１…可変周波数のパルスを発生可能
とする発振器である。ここで、可変周波数とは、パルス
幅及び周波数が可変との意である。 受信器２…探触子６から戻ってくる反射波信号（高周波
パルス電圧）を受信し、増幅する。 ＡＤ変換器３…受信器２で受信した反射波信号をＡＤ変
換する。 コンピュータ４…ＡＤ変換器３で得た反射波波形に対す
るデータをバッファ内（図示せず）に格納し、解析処理
を行う。 モニタ５…コンピュータ４での解析・処理結果を表示し
て、観察者に示す。 探触子６…圧電素子６Ａと音響レンズ６Ｂとより成り、
音響レンズ６Ｂの放射面６Ｃは凹面形状をなす。この凹
面の形状によって超音波の焦点が定まる。一点焦点形で
は、凹面部６Ｃは円錐状をなし、ライン焦点形では、探
触子６全体が長方形であって凹面部６Ｃは紙面から裏面
にかけて円筒形状をなす。この探触子６は、高周波パル
ス電圧の印加によって、励起した超音波は、レンズ６Ｂ
の凹面部６Ｃで集束し、放出される。
【００２０】媒体１５…探触子６との間で超音波の伝播
を減衰させることなく行わせるためのもので、例えば水
より成る。 試料１６…薄膜をその表面に有するものである。試料１
６は、例えば半導体装置であり、基板上に半導体回路が
形成され、この回路膜内の音速及び密度の測定が目的と
する。 ステージ１７…試料１６を保持し、且つＸ、Ｙ、Ｚ方向
への移動が可能な機械系である。 コンピュータ９…ステージ１７の制御目的で設置してあ
る。コンピュータ４が兼用してもよい。 以上の構成で、探触子６は焦点形である故に、平面波を
いかに得るかが問題となる。探触子６の放出超音波とし
ては、直下の試料に直角（法線）方向からそのまま直進
する直達波（垂直入射波）と、臨界角で入射して弾性表
面波として働く斜向波とがあり、直達波のみが平面波と
しての性格を持つと考えられる。そこで、本実施例で
は、直達波のみを反射波として検出するように工夫した
点に特徴を持つ。直達波と斜向波（表面波）とは反射波
としては干渉することがあり、本実施例では、この干渉
がないような状態のもとで、直達反射波を検出すること
にした。
を減衰させることなく行わせるためのもので、例えば水
より成る。 試料１６…薄膜をその表面に有するものである。試料１
６は、例えば半導体装置であり、基板上に半導体回路が
形成され、この回路膜内の音速及び密度の測定が目的と
する。 ステージ１７…試料１６を保持し、且つＸ、Ｙ、Ｚ方向
への移動が可能な機械系である。 コンピュータ９…ステージ１７の制御目的で設置してあ
る。コンピュータ４が兼用してもよい。 以上の構成で、探触子６は焦点形である故に、平面波を
いかに得るかが問題となる。探触子６の放出超音波とし
ては、直下の試料に直角（法線）方向からそのまま直進
する直達波（垂直入射波）と、臨界角で入射して弾性表
面波として働く斜向波とがあり、直達波のみが平面波と
しての性格を持つと考えられる。そこで、本実施例で
は、直達波のみを反射波として検出するように工夫した
点に特徴を持つ。直達波と斜向波（表面波）とは反射波
としては干渉することがあり、本実施例では、この干渉
がないような状態のもとで、直達反射波を検出すること
にした。
【００２１】先ず、図１の動作を簡単に述べる。探触子
６の圧電素子に高周波パルス発振器１より発せられたパ
ルス電圧が印加されると、圧電素子下面に超音波が励起
される。励起された超音波は探触子６のもう一方の端面
に設けられた凹面によって集束される。集束された超音
波は液体音場媒体１５を介し、被検査体１６に照射され
る。その際、コンピュータ９からの信号によって、ステ
ージ１７は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動する。そして、被検
査体１６の反射波は探触子６によって集音され、電気信
号に変換され、受信器２によって増幅される。増幅され
た電気信号はＡＤ変換器３によってディジタル値に変換
され、コンピュータ４のメモリに記憶され、信号を解析
・処理した結果はモニタ５上に表示される。
６の圧電素子に高周波パルス発振器１より発せられたパ
ルス電圧が印加されると、圧電素子下面に超音波が励起
される。励起された超音波は探触子６のもう一方の端面
に設けられた凹面によって集束される。集束された超音
波は液体音場媒体１５を介し、被検査体１６に照射され
る。その際、コンピュータ９からの信号によって、ステ
ージ１７は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動する。そして、被検
査体１６の反射波は探触子６によって集音され、電気信
号に変換され、受信器２によって増幅される。増幅され
た電気信号はＡＤ変換器３によってディジタル値に変換
され、コンピュータ４のメモリに記憶され、信号を解析
・処理した結果はモニタ５上に表示される。
【００２２】本実施例では、焦点位置よりも手前（デフ
ォーカス位置）に試料１７を設置し、パルス周波数を変
化させて多重反射波の中のｎ次反射波を検出する。この
ｎ次反射波による反射率Ｒと周波数との関係を、周波数
を低い値から高い値へと変化させながら求める。焦点位
置よりも手前に試料１７が存在する場合には、直達波と
斜向波からの表面弾性波とは、振動子６Ａに到達する時
間が異なり、且つ多重反射波のうち次数の高いもの程、
この時間差が大になる。そこで、次数の高い反射波を検
出し反射率と周波数との関係から極小値となる位置を検
出し、［数６］、［数８］を用いて試料１７の薄膜内の
音速及び密度を算出する。更に詳述する。
ォーカス位置）に試料１７を設置し、パルス周波数を変
化させて多重反射波の中のｎ次反射波を検出する。この
ｎ次反射波による反射率Ｒと周波数との関係を、周波数
を低い値から高い値へと変化させながら求める。焦点位
置よりも手前に試料１７が存在する場合には、直達波と
斜向波からの表面弾性波とは、振動子６Ａに到達する時
間が異なり、且つ多重反射波のうち次数の高いもの程、
この時間差が大になる。そこで、次数の高い反射波を検
出し反射率と周波数との関係から極小値となる位置を検
出し、［数６］、［数８］を用いて試料１７の薄膜内の
音速及び密度を算出する。更に詳述する。
【００２３】（１）、デフォーカスと多重反射波の関
係。 探触子６の焦点位置に被検査体１６が位置する場合、時
間軸上の反射波の位置関係は図２のように、レンズエコ
ー（１）→被検査体反射エコー→レンズエコー（２）と
なる。この状態より探触子６と被検査体１６の間の距離
を縮めていく、即ち、デフォーカスしていくと、反射波
の位置関係は図３のようになり、被検査体１６の表面で
反射した超音波がレンズ球面において再び反射し、被検
査体１６に向い、更に被検査体１６の表面で反射する多
重反射波（１）→（２）→（３）が現われてくる。探触
子６をデフォーカスしていくと圧電素子６Ａからの出力
に寄与する超音波はレンズ効果により中心軸近傍の直達
入射波（直角入射波）と、表面を伝搬する弾性表面波の
水１５中への再放射波（斜向波）の２種類であるが、打
ち出しパルスのパルス幅をΔｔを短くすることにより、
圧電素子面におけるこの２種類の波は時間的に離れたも
のとなり、干渉させないことが可能となる。即ち、この
２種類の波は伝搬距離及び伝搬速度が異なる為、圧電素
子面に到達するまでの時間が異なり、時間軸上で分離で
きる。
係。 探触子６の焦点位置に被検査体１６が位置する場合、時
間軸上の反射波の位置関係は図２のように、レンズエコ
ー（１）→被検査体反射エコー→レンズエコー（２）と
なる。この状態より探触子６と被検査体１６の間の距離
を縮めていく、即ち、デフォーカスしていくと、反射波
の位置関係は図３のようになり、被検査体１６の表面で
反射した超音波がレンズ球面において再び反射し、被検
査体１６に向い、更に被検査体１６の表面で反射する多
重反射波（１）→（２）→（３）が現われてくる。探触
子６をデフォーカスしていくと圧電素子６Ａからの出力
に寄与する超音波はレンズ効果により中心軸近傍の直達
入射波（直角入射波）と、表面を伝搬する弾性表面波の
水１５中への再放射波（斜向波）の２種類であるが、打
ち出しパルスのパルス幅をΔｔを短くすることにより、
圧電素子面におけるこの２種類の波は時間的に離れたも
のとなり、干渉させないことが可能となる。即ち、この
２種類の波は伝搬距離及び伝搬速度が異なる為、圧電素
子面に到達するまでの時間が異なり、時間軸上で分離で
きる。
【００２４】（２）、多重反射波の分離。 多重反射波の時間差は計算によって求めることができ
る。このことを以下示す。試算式で用いる定義は以下で
ある。 レンズ材の音速＝ＣL 媒質の音速＝ＣW 表面波の音速＝ＣR レンズ球面の半径＝Ｒ 焦点距離Ｆ＝Ｒ／｛１−（ＣW／ＣL）｝ また、図８には、探触子６と試料１８との位置関係を示
す。図８において、中心軸上の超音波がレンズ６Ｂ内を
伝播する距離Ｌａ、表面波として伝わった超音波がレン
ズ６Ｂ内を伝播する距離Ｌｂとすると、Ｌａ、Ｌｂは下
記となる。
る。このことを以下示す。試算式で用いる定義は以下で
ある。 レンズ材の音速＝ＣL 媒質の音速＝ＣW 表面波の音速＝ＣR レンズ球面の半径＝Ｒ 焦点距離Ｆ＝Ｒ／｛１−（ＣW／ＣL）｝ また、図８には、探触子６と試料１８との位置関係を示
す。図８において、中心軸上の超音波がレンズ６Ｂ内を
伝播する距離Ｌａ、表面波として伝わった超音波がレン
ズ６Ｂ内を伝播する距離Ｌｂとすると、Ｌａ、Ｌｂは下
記となる。
【００２５】
【数９】 一方、試料を焦点位置からΔＺだけレンズ側に近づける
とすると
とすると
【００２６】
【数１０】 となる。よって、中心の直達波（垂直入射波）が試料面
でｎ回多重反射して再び圧電素子に戻るまでの時間ｔ1
は
でｎ回多重反射して再び圧電素子に戻るまでの時間ｔ1
は
【００２７】
【数１１】 となる。また、試料表面を表面波として伝搬し、Ａ→Ｂ
→Ｃ→Ｄ→Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｂ…とｎ回多重反射して再び圧
電素子に戻るまでの時間ｔ2は
→Ｃ→Ｄ→Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｂ…とｎ回多重反射して再び圧
電素子に戻るまでの時間ｔ2は
【００２８】
【数１２】 となる。
【００２９】例として球面の半径Ｒ＝２ｍｍ、レンズ材
の音速ＣL＝１１０００ｍ／ｓ、水の音速ＣW＝１５００
ｍ／ｓ、表面波の音速ＣR＝３０００ｍ／ｓ、軸長Ｌ1＝
１１ｍｍとした場合のデフォーカス量ΔＺに対する時間
差を計算した例を図９に示す。図中の数字は多重反射の
次数で、３次まで示してある。図より、次数が大きくな
るに従って同じデフォーカス量に対して伝搬時間差が大
きくなっていくのがわかる。また、次数が１の線に注目
すると、ΔＺ＝１ｍｍの時、時間差は０．２３４μｓで
ある。よって、打ち出しパルスのパルス幅を０．２３４
μｓ以下にするとΔＺ＝１ｍｍの場合、２つの波の干渉
は起こらないことになる。
の音速ＣL＝１１０００ｍ／ｓ、水の音速ＣW＝１５００
ｍ／ｓ、表面波の音速ＣR＝３０００ｍ／ｓ、軸長Ｌ1＝
１１ｍｍとした場合のデフォーカス量ΔＺに対する時間
差を計算した例を図９に示す。図中の数字は多重反射の
次数で、３次まで示してある。図より、次数が大きくな
るに従って同じデフォーカス量に対して伝搬時間差が大
きくなっていくのがわかる。また、次数が１の線に注目
すると、ΔＺ＝１ｍｍの時、時間差は０．２３４μｓで
ある。よって、打ち出しパルスのパルス幅を０．２３４
μｓ以下にするとΔＺ＝１ｍｍの場合、２つの波の干渉
は起こらないことになる。
【００３０】（３）、分離のための手段。 本実施例では、先ず、試料１８を焦点位置からレンズに
近づくようにデフォーカス（距離Δｚ）する。このデフ
ォーカス量ΔＺは、図９に示すように大きい程よいが、
パルス発振器１の発振パルス（打ち出しパルス）のパル
ス幅は、デフォーカス量ΔＺの位置での多重エコーの時
間（ｔ1−ｔ2）よりも小さいように、ΔＺとパルス幅と
は選ぶ必要がある。更に、ΔＺの位置で発振パルスの周
波数ｆを、小さい値から大きい値へ変更しながら直達波
としての反射信号のみを選択し、反射率Ｒを求める。こ
こで、反射信号のエコー次数は事前に決めておく。かく
して、反射率Ｒの最初に現われる極小値を見つけ出し、
［数６］［数８］に従って、薄膜内の音速と密度を測定
算出する。以上の膜厚測定算出のための手順は、操作者
の指示とコンピュータ４の指示と処理とによってなされ
る。
近づくようにデフォーカス（距離Δｚ）する。このデフ
ォーカス量ΔＺは、図９に示すように大きい程よいが、
パルス発振器１の発振パルス（打ち出しパルス）のパル
ス幅は、デフォーカス量ΔＺの位置での多重エコーの時
間（ｔ1−ｔ2）よりも小さいように、ΔＺとパルス幅と
は選ぶ必要がある。更に、ΔＺの位置で発振パルスの周
波数ｆを、小さい値から大きい値へ変更しながら直達波
としての反射信号のみを選択し、反射率Ｒを求める。こ
こで、反射信号のエコー次数は事前に決めておく。かく
して、反射率Ｒの最初に現われる極小値を見つけ出し、
［数６］［数８］に従って、薄膜内の音速と密度を測定
算出する。以上の膜厚測定算出のための手順は、操作者
の指示とコンピュータ４の指示と処理とによってなされ
る。
【００３１】例として、サファイア基板上に厚さ６．２
μｍのコーニング（Corning）７７４０（Pyrex glas
s）を製膜し、超音波の周波数を１３０〜２１０ＭＨｚ
まで振って反射率Ｒの変化を測定した例を図１０に示
す。図より、反射率Ｒは、１６０ＭＨｚで極小値を示
し、その極小値Ｒexは、Ｒex＝０．４０４であった。そ
こで、先ず、［数６］を利用して［数１３］によって音
速Ｖを求める。
μｍのコーニング（Corning）７７４０（Pyrex glas
s）を製膜し、超音波の周波数を１３０〜２１０ＭＨｚ
まで振って反射率Ｒの変化を測定した例を図１０に示
す。図より、反射率Ｒは、１６０ＭＨｚで極小値を示
し、その極小値Ｒexは、Ｒex＝０．４０４であった。そ
こで、先ず、［数６］を利用して［数１３］によって音
速Ｖを求める。
【００３２】
【数１３】Ｖ＝４ｄ・ｆi ＝４×６．２×１０-6×１６０×１０6 ＝３９６８ｍ／ｓ 一方、密度ｇは、［数８］を利用するが、この際のＺ2
は、［数１］、［数２］を利用してＲex＝０．４０４と
おいて求めることが出来る。この計算結果によれば、薄
膜の音響インピーダンスＺ2は、Ｚ2＝１２４６５．８ｍ
／ｓ・ｇ／ｃｍ3となり［数８］を利用して［数１４］
によって密度Ｐを求める。
は、［数１］、［数２］を利用してＲex＝０．４０４と
おいて求めることが出来る。この計算結果によれば、薄
膜の音響インピーダンスＺ2は、Ｚ2＝１２４６５．８ｍ
／ｓ・ｇ／ｃｍ3となり［数８］を利用して［数１４］
によって密度Ｐを求める。
【００３３】
【数１４】Ｐ＝Ｚ2／Ｖ ＝１２４６５．８÷３９６８ ＝３．１４ｇ／ｃｍ3 以上から測定結果として、薄膜内の音速Ｖ＝３９６８ｍ
／ｓ、密度Ｐ＝３．１４ｇ／ｃｍ3となる。以上の実施
例では、Ｚ3＞Ｚ2の例での測定計算例であったが、Ｚ2
＞Ｚ3の例でも同じように音速及び密度を測定算出可能
である。
／ｓ、密度Ｐ＝３．１４ｇ／ｃｍ3となる。以上の実施
例では、Ｚ3＞Ｚ2の例での測定計算例であったが、Ｚ2
＞Ｚ3の例でも同じように音速及び密度を測定算出可能
である。
【００３４】尚、直達平面波を求めるために、パルス幅
を小さくし、且つデフォーカスしたが、音響レンズの開
口角θ（中心線からの開口角度を云う）を小さくして
も、平面波の測定は、可能である。また、薄膜以外に厚
膜等の一般の音速及び密度の測定算出をも、可能であ
る。
を小さくし、且つデフォーカスしたが、音響レンズの開
口角θ（中心線からの開口角度を云う）を小さくして
も、平面波の測定は、可能である。また、薄膜以外に厚
膜等の一般の音速及び密度の測定算出をも、可能であ
る。
【００３５】
【発明の効果】焦点型探触子を用いて直達波のみの反射
エコーから膜内の音速及び密度測定が可能になった。更
に、焦点型であるため、フラット型に比べて音速及び密
度測定における測定位置の分解能を向上でき且つ位置決
めが可能となった。
エコーから膜内の音速及び密度測定が可能になった。更
に、焦点型であるため、フラット型に比べて音速及び密
度測定における測定位置の分解能を向上でき且つ位置決
めが可能となった。
【図１】本発明の音速及び密度測定装置の実施例図であ
る。
る。
【図２】レンズエコーと反射エコーとの出現の様子を示
す図である。
す図である。
【図３】レンズエコーと多重反射エコーとの出現の様子
を示す図である。
を示す図である。
【図４】従来のフラット型探触子を用いての膜厚測定例
を示す図である
を示す図である
【図５】膜厚測定のための各層でのインピーダンスを示
す図である。
す図である。
【図６】ｄ／λと反射率との関係を示す図である。
【図７】ｄ／λと反射率との関係を示す図である。
【図８】本発明での多重反射エコーでの時間差を説明す
る図である。
る図である。
【図９】本発明の実施例でのデフォーカス量ΔＺと時間
差との具体例を示す図である。
差との具体例を示す図である。
【図１０】反射率の実際の測定例を示す図である。
１ 高周波パルス発振器 ４ コンピュータ ６ 焦点型探触子 １６ 試料 １７ ステージ
Claims (2)
- 【請求項１】 表面に膜を有する試料に超音波を放射
し、試料から反射してきた超音波の周波数特性から膜内
の音速・密度を求める音速・密度測定方法において、探
触子として焦点型探触子を使用し、該焦点型探触子の焦
点より内側に試料を設置した状態において試料から反射
してきた反射波の周波数特性を求め、この周波数特性か
ら膜の音速・密度を求めることを特徴とする膜厚測定方
法。 - 【請求項２】 表面に薄膜を有する試料に超音波を放射
し、試料から反射してきた超音波の周波数特性から膜内
の音速・密度を求める音速・密度測定装置において、周
波数可変の打ち出しパルス源と、該周波数を可変にして
のパルスに従って超音波を、焦点より内側に設置した試
料に向けて放射する焦点型探触子と、試料からの反射波
の中で直達反射波のみを表面弾性波との時間差を利用し
て抽出する手段と、パルス周波数と直達波の反射信号
（反射率）との関係を参照して反射信号の極小値となる
パルス周波数を求め、このパルス周波数と膜厚とから膜
内の音速・密度を算出する手段と、より成る音速・密度
測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3336289A JPH05149931A (ja) | 1991-11-26 | 1991-11-26 | 音速・密度測定方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3336289A JPH05149931A (ja) | 1991-11-26 | 1991-11-26 | 音速・密度測定方法及び装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05149931A true JPH05149931A (ja) | 1993-06-15 |
Family
ID=18297568
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3336289A Pending JPH05149931A (ja) | 1991-11-26 | 1991-11-26 | 音速・密度測定方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05149931A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007120946A (ja) * | 2005-10-24 | 2007-05-17 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 固体材料表層部の物性値測定方法 |
| JP2010518396A (ja) * | 2007-02-05 | 2010-05-27 | ブラウン ユニバーシティ | 改良型高解像度超音波顕微鏡 |
| JP2010243176A (ja) * | 2009-04-01 | 2010-10-28 | Kanto Auto Works Ltd | 膜厚測定方法及び測定装置 |
| CN114216857A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-03-22 | 长江存储科技有限责任公司 | 薄膜的检测方法 |
-
1991
- 1991-11-26 JP JP3336289A patent/JPH05149931A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007120946A (ja) * | 2005-10-24 | 2007-05-17 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 固体材料表層部の物性値測定方法 |
| JP2010518396A (ja) * | 2007-02-05 | 2010-05-27 | ブラウン ユニバーシティ | 改良型高解像度超音波顕微鏡 |
| JP2010243176A (ja) * | 2009-04-01 | 2010-10-28 | Kanto Auto Works Ltd | 膜厚測定方法及び測定装置 |
| CN114216857A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-03-22 | 长江存储科技有限责任公司 | 薄膜的检测方法 |
| CN114216857B (zh) * | 2021-11-25 | 2023-12-22 | 长江存储科技有限责任公司 | 薄膜的检测方法 |
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