JPS59192907A - 厚み測定方法 - 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】 本発明は、試料に照射された超音波の直接反射波と表面
弾性波の介在により先じる二次反射波の反射信号が試料
の厚みと関係があることを利用した集束超音波を用いた
厚み測定方法に関するものである。

圧電トランデューサーから発生した超音波を、音響レン
ズにより試料に集束照射したとすると、超音波の入照角
が臨界角（θＣ）内の時に試料からの反射波は、音響レ
ンズにより圧電トランデューサーに戻り反射信号として
出力される。超音波の入射角が臨界角（θＣ）以上の時
に、超音波は、入射波のエネルギーによって試料の表面
に表面弾性波が励起される。

励起された超音波は、カプラー中に二次放射されてレー
リーの臨界角で音響レンズにより屈折して圧電トランデ
ューサーに戻り反射信号として出力される。すなわち超
音波の反射波の反射信号は、試料に直接照射されて反射
して来る直接反射波と入射波のエネルギーによって試料
の表面に励起される表面弾性波による二次反射波の二種
がある。

１、　　　　　こ臂反射波の反射信号は、圧電トランデ
ューサーで反射波の振幅に比例した電気信号に変換され
てザーキュレーターを通り信号処理系に送られる。

信号処理においては、試料だけからの反射波をとるだめ
にゲートをかけて、増幅させ検波し出力電圧として出力
する。超音波の入射波の集束点から試料表面までの距離
をＺとし、このＺと試料からの反射信号による出力電圧
との関係をＶ（Ｚ１曲線という。

従来の超音波を用いた厚み測定方法には、超音波を試料
に照射し、試料に共振を生じさせて、それを検知し、試
料の厚みを測定する共振法や超音波を試料に照射し、そ
の反射信号の時間を利用して試料の厚みを測定するパル
ス反射法があった。

しかし、いずれの測定方法も試料の厚さが太きいものし
か用いる。ことができないという欠点がある。

また試料の厚さが薄い金属のメッキの膜厚を測定する方
法には、螢光Ｘ線を用いた膜厚測定の方法があるが、し
かし、この方法は、測定する時にＸ線が人体に悪影響を
及ぼす危険性があり、また測定の際、試料部を密閉しな
ければならないので、実用的な面から難点があった。

本発明は、上記のような欠点を考慮し、試料の厚さがサ
ブミクロンから測定する事が可能な測定方法である。ま
たＸ線と違って超音波は人体に悪ｑン 影響を与えないので、実用的ある。そして測定の際、試
料部を密閉しなくても良いので、集束超音波を用いた厚
み測定は、操作性の面からも能率的であり、簡便な測定
方法である。このように集束超音波を用いた厚み測定方
法は、従来の測定方法ではできない測定を可能にし、し
かも安全な測定方法であり、操作性も良く、工業的に有
意義な方法である。

本発明の測定原理を図を用いて詳細に説明する。

高周波パルス発生器（８）によって出力されたパルスは
、サーキュレータ−（１）を介し、音響レンズ上部の圧
電トランデー−サー（２）に印加される。圧電トランデ
ューサー（２）は、例えば２枚の金属フィルムに酸化亜
鉛（ＺｎＯ）膜をサンドインチ状にはさんだ構造の圧電
素子であり、ここで高周波パルスは超音波に変換される
。超音波の振動数は、例えば数メガヘルツから数ギガヘ
ルツである。圧電トランデー−サー（２）で発生した超
音波は、サファイア（Ａ／？２０３）等からなる音響レ
ンズ（３）内では平面波であるが、音響レンズ（３）の
球面凹部（３ａ）において超音波が球面波に変換され、
集束され、焦点（９）をもつに到る。超音波は、音響レ
ンズ（３）と試料（５）の間に充填された液体カプラー
（例えば水、二硫化炭素）（４）を媒介として試料（５
）に照射される。第１図では、説明の便宜上、焦点（９
）を試料（５）の表面に位置させているが、実際の測定
では、第２図に示すように、焦点（９）は試料（５）の
下方に位置させるように、試料（５）と音響レンズ（３
）を近ずける。なお、図中（６）は試料（５）を積層し
ている基板である。

この試料（５）からの反射波は、同じ径路を逆に通って
圧電トランジューサー（２）に戻り、反射波の振幅に比
例した電気信号に変換され、サーキュレータ−（１）を
経て信号処理系（７）に送られる。

測定状態を示す第２図に従ってさらに反射波について説
明すれば、焦点が試料（５）の下方に位置するとき、反
射波は試料（５）面に対して垂直に入射した超音波の直
接反射波（Ｓ）と、表面弾性波の介在により生じる二次
反射波（Ｌｌの二種が生じる。この二種の反射波の干渉
による反射信号が出力電圧として得られ、信号処理系（
７）に送られるのである。その出力電圧Ｖ　（Ｚ）は次
式で与えられる。

Ｖ（Ｚ）＝　ｆ：　ｒ　［ｕ＋（γ）：Ｉｆ２Ｐ＋（γ
）　Ｐｚ（ｒｌ　’Ｒ（ｒｌｆ）Ｘ　ｅｘｐ　Ｃ−ｉ　
（ｋｏｚ／ｆ２）γ２）ｄγ・・・・・・・・・・・・
・・・・・・（１）ここでγはレンズ中心軸と入射音波
との距離、１１１（γ）は入射音波のレンズ後方焦点に
おける音場、Ｐ、（γ）、Ｐ２（γ）はレンズの瞳関数
、ｆは焦点距離、ｋｏは液体カプラーの縦波の位相定数
、Ｒ（γ／ｆ）は反射関数、Ｚは焦点から試料表面まで
の距離とする。集束超音波が試料表面に焦点が合った第
１図の状態から距離Ｚだけレンズを試料に近づけた状態
を第２図に示す。試料（５）を等方性の固体とすると、
入射角θで入射する平面波の反射関数Ｒは次式で与えら
れろ。

ここでＰ、及びρＳは液体及び固体の密度、Ｖ、ＶＪ’
。

米 Ｖｔ　　は液体カプラー中の縦波の音速、固体中の縦波
の音速、固体中の横波の音速である。

また、θｌ、θｔは縦波及び横波の屈折角である。

ス４ネルの法則より次式が与えられる。

ｉθＡ−ｉθｚ／Ｖ？＝澗θｔ／Ｖｔ　　・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・＋３１固体に
おける表面弾性波の減衰定数をαとすれば、Ｖｚ　、Ｖ
ｔ　　は次式で与えられる １／Ｖｌ　＝　１／Ｖｌ　＋ｉ（＆ω１／Ｖｔ　＝　１
／Ｖｔ　＋　ｉ（Ｚ／ω−（４１ここでＶＪ、Ｖｔは波
動方程式から得られる音速の実部であり、ωは角周波数
である。

式（２）〜式（４）を式（１）に代入すると試料からの
直接反射波と表面弾性波による二次反射波との干渉波の
出力電圧Ｖ　（Ｚ＋が得られる。

前述したＶ（Ｚ１曲線の極小の周期ΔＺｎは経験的に次
式で与えられる。

△Ｚｎ　＝　入ｕ／５ｉｌｌ　ｔｈ　　　　　　　−・
−−−−一・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　
＋５１ここで入Ｒは試料のレーリー波の時の波長、　θ
Ｒは試料のレーリーの臨界角である。また入Ｒ＝Ｖａ／
ｆとスネルの法則より次式が得られる。

囮θＲ＝　■ｈ／％ｌ’ｎ　　　　　　・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　
（６１式（６）を式（５）に代入すると次式が得られる
。

△Ｚｎ＝■Ｒ２／ｆＶｈ　　　　　　・・・・・曲旧旧
・・旧聞間（７１ここでｆは超音波の周波数、ＶＲは試
料のレーＩＪ−波速度ＶＲは液体カプラー中の音速であ
る。試料のレーリー速度盲は試料の厚さｂの関数で次式
のように表わされる。

ＶＲ＝　Ｆ（ＩＩ／入）　　　　　　・・・曲・凹・・
旧・・・・・・・・・曲・・・・・（８１従って周期Δ
Ｚｎは試料の厚さｈの関数として表わされる。反射波の
出力電圧Ｖ（Ｚ）が得られれば、その極小の周期△７．
ｎより試料の厚さｈが求められる。

次に表面弾性波の位相情報から試料の厚さを求める原理
について述べる。

表面弾性波が試料の表面を伝播する時と試料を積層して
いる基板の表面を伝播する時の位相差をムψ＝−２ωｌ
Ｒ／ｖＲ・Δ■１１／／ｖＲ−−２ωｔｔａＪＩθＲ／
ＶＲ＠ΔＶＲ／ＶＲ・・・・・・・・・・・・・・−曲
・・＋９１ここで２／ｌ’Ｒは試料の表面の伝播距離、
ωは角周波数、■ｎは試料のレーリー波速度、ΔＶＲ／
ＶＲは試料のレーリー波速度の摂動、ｔは焦点から試料
の表面までの距離、θＲはレーリーの臨界角である。従
って位相差ψは、試料の厚さの関数として表わされる。

位相差ψが測定できればその値より試料の厚さが分る。

次に反射信号の関数の振幅が厚みの関数で表わすことが
できることを利用した厚み測定方法の原理について述べ
る。

試料からの反射信号から得られる出力電圧Ｖは式（１）
で述べたように焦点から試料表面までの距離の関数で表
わされる。その関数Ｖ（Ｚ）の振幅は、反射関数Ｒ（ｒ
ｌｆ）に依存している。

反射関数Ｒ（γ／ｆ）は、カプラー及び試料の音響イン
ピーダンスと試料の減衰定数に依存している。

Ｖ（Ｚ）の振幅は、表面弾性波が減衰すれば式（１）か
ら明らかなように減衰する。表面弾性波は試料の厚さが
変化すれば、それに伴って変化する。従って試料の厚さ
が変化すれば出力電圧Ｖ（Ｚ＋は変化する。

すなわち、反射波の出力電圧Ｖ（Ｚ）の振幅は、試料の
厚みの関数として表わすことができる。実際の試料の厚
み測定は次のように行う。厚みが既知の基準片について
出力電圧Ｖ（２））を測定する。そのＶ（Ｚ）の振幅を
基準片の厚み毎に測定しキャリプレ−ジョンする。その
較正値に従って試料の厚みを測定する。

最後に軸に垂直に入射した超音波の直接反射波と表面弾
性波による二次反射波との時間差が試料の厚みの関数と
して表せることを利用した集束超音波を用いた厚み測定
方法の原理について述べる。

直接反射波と表面弾性波は、インパルス集束超音波を用
いると時間的に分離できる。両波が圧電トランデューサ
ーに達する時間差をΔｔとすると、幾伺光学的考察から
次式が得られる。

Δｔ　＝　２Ｚ　（１−ｏｏｓθＲ）／Ｖｏ　　・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・　（１０）スネルの法則より弛θＲ＝Ｖｏ／ＶＲ
である。

ここでＺはレンズの焦点から試料表面までの距離、θ■
【はレーリーの臨界角、■ｏはカプラ〜の音速、ＶＲは
試料の表面弾性波の音速である。

式（１０）はｓＪｎθ−■。／ｖＲを用いると次式が得
られる。

’　　　　　　、ａｔ＝２Ｚ（１−Ｊｉ　　（ＶＱ／Ｖ
Ｒ）”）／ＶＯ−−−−−−−ＱＤ従って直接反射波と
表面弾性波が圧電トランデー−デーに達する時間差ム１
は、表面弾性波速度ＶＢの関数として表わすことができ
る。表面弾性波速度ＶＲは試料の厚みが変化すれば、そ
れに伴って変化するので、時間差△ｔは、試料の厚みの
関数として表わすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の集束超音波を用いた厚み測定方法に
用いる装置を示す概略図、第２図は、測定方法の状態を
示す概略説明図である。 （１１・・・サーキュレータ− （２）・・・圧電トランデューサー （３）・・・音響レンズ （４）・・・カプラー （５）・・・試料 （６）・・・基板 （７）・・・信号処理系 （８）・・・高周波パルス発生器 特許出願人 凸版印刷株式会社

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電トランデューサーから発生した超音波を音響
   レンズにより集束して試料に照射し、生ずる直接反射波
   と表面弾性波の介在により生ずる二次反射波との干渉に
   よる反射波を電気信号に変換し、該電気信号の出力電圧
   の関数が超音波の集束する焦点から試料表面までの距離
   の関数であり、かつ該出力電圧の関数の極小の周期が試
   料の厚みの関数であることから、試料の厚みを求める厚
   み測定方法。
2. （２）圧電トランデューサーから発生した超音波を音響
   レンズにより集束して試料に照射し、生ずる直接反射波
   と表面弾性波の介在により生ずる二次反射波との干渉に
   よる反射波を電気信号に変換し、該電気信号の出力電圧
   の関数が超音波の集束する焦点から試料表面までの「離
   の関数であり、かつ該出力電圧の関数の振幅が試料の厚
   みの関数であることから、試料の厚みを求める厚み測定
   方法。
3. （３）圧電トランデー−サーから発生した超音波を音響
   レンズにより集束して試料に照射し、生ずる直接反射波
   と表面弾性波の介在により生ずる二次反射波のそれぞれ
   を分離した電気信号に変換し、両者の電気信号の相違が
   、試料の厚みの関数であることを利用して試料の厚みを
   求める厚み測定方法。
4. （４）両者の電気信号の位相が試料の厚みの関数である
   ことから試料の厚みを求める特許請求の範囲第３項記載
   の厚み測定方法。
5. （５）両者の電気信号の時間差が試料の厚みの関数であ
   ることから試料の厚みを求める特許請求の範囲第３項記
   載の厚み測定方法。