JPH0421139B2 - - Google Patents

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JPH0421139B2
JPH0421139B2 JP60221806A JP22180685A JPH0421139B2 JP H0421139 B2 JPH0421139 B2 JP H0421139B2 JP 60221806 A JP60221806 A JP 60221806A JP 22180685 A JP22180685 A JP 22180685A JP H0421139 B2 JPH0421139 B2 JP H0421139B2
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surface acoustic
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Kyoshi Ishikawa
Hiroshi Kanda
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B17/00Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
    • G01B17/02Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations for measuring thickness
    • G01B17/025Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations for measuring thickness for measuring thickness of coating
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G01H3/10Amplitude; Power
    • G01H3/12Amplitude; Power by electric means
    • G01H3/125Amplitude; Power by electric means for representing acoustic field distribution
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、超音波顕微鏡の計測機能に係わる。
〔発明の背景〕
近年1GHzに及ぶ超高周波の音波の発生検出が
可能となつたので、水中で約1μmの音波長が実
現できることになり、その結果、高い分解能の音
波撮像装置が得られることが特開昭50−116058号
にて示されている。即ち、凹面レンズを用いて集
束音波ビームを作り、1μmに及ぶ高い分解能を
実現するのである。
上記ビーム中に試料をそう入し、試料による反
射超音波を検出して試料の微細領域の弾性的性質
を解明したり、或いは試料を機械的に2次元に走
査しながら、この信号の強度をブラウン管の輝度
信号として表示すれば、試料の微細構造を拡大し
てみることができる。
第1図は、その超音波顕微鏡の主要構造部を示
す図である。超音波の集束及び送受は球面レンズ
1により行つているが、その構造は円柱状の熔融
石英等をもちいた物質の一面を光学研磨し、その
上に圧電薄膜(ZnO)2を上下電極3によりはさ
む、このようにサンドウイツチ構造になつている
圧電薄膜2に、パルス発振器4から発生されたパ
ルス5を印加して、超音波6を発生させる。ま
た、他端部は口径0.1mmφ〜1.0mmφ程度の凹面状
の半球穴が形成されており、この半球穴と試料と
の間には、超音波6を試料7に伝播させるための
媒質(例えば水)8が満される。
圧電薄膜2によつて発生した超音波6は円柱の
中を平面波となつて伝播する。この平面波が半球
穴に達すると石英(音速6000m/s)と水(音速
1500m/s)との音速の差により屈折作用が生
じ、試料7面上に集束した超音波6を照射するこ
とができる。逆に試料7から反射されてくる超音
波は球面レンズにより集音整相され、平面波とな
つて圧電薄膜2に達し、ここでRF信号9に変換
される。このRF信号9を受信器10で受信し、
ここでダイオード検波してビデオ信号11に変換
し、CRTデイスプレイ12の入力信号として用
いている。
この様に構成された装置において、試料台14
が試料台駆動電源13によりx−y平面内で2次
元に走査していると試料の走査にともなう試料面
からの反射信号の強弱が2次元的にCRT面12
に表示される。
反射型超音波顕微鏡において、試料を二次元に
走査せず音響レンズをZ軸方向に稼動しながら、
その出力電圧を計測すると、第2図に示すような
周期的に変化する曲線を得ることができる。この
曲線はV(Z)曲線と呼ばれており、曲線にみられる
周期ΔZは超音波照射領域で励起された表面弾性
波とZ軸近傍で入射した波との干渉によるもので
ある。
したがつて、周期ΔZをVRとの間には式(1)の関
係が成り立つ。
ΔZ=(VR/VW2・λW ……(1) すなわち、超音波の波長λW、媒質の音速VW
および周期ΔZを用いると、本来試料の弾性的性
質を反映する表面弾性波の伝播速度VRを決定で
きる。
一方、セラミツクスなどの強脆性材料の強度は
材料内部に存在する欠陥や加工時に試料表面に導
入される微小欠陥などにより、その強度が大きく
左右されることから、このような材料の欠陥評価
法の確立が望まれている。
しかしながら非破壊でこのような強度劣化の原
因となる欠陥の程度、すなわち加工変質層の厚さ
を効率的に評価することは困難とされていた。
〔発明の目的〕
本発明は、このような問題を解決するためのも
ので、試料の加工変質層の厚さを非破壊的に求め
ることが可能な超音波顕微鏡を用いた計測方法を
提案するものである。
〔発明の概要〕
本発明の基本概念は、表面弾性波の伝播速度の
周波数依存性を求め、伝播速度の変曲点に相当す
る周波数の波長より加工変質層の厚さを算出する
というものである。
すなわち、試料の表面弾性波の伝播領域は周波
数が高くなる程浅くなるので、伝播速度に影響を
与える硬度変化や塑性ひずみ等が存在する領域、
つまり加工変質層の厚みは表面弾性波の伝播速度
の周波数特性の変曲点から算出できるのである。
具体的には、音波伝播媒質を介して試料の所定の
位置に超音波ビームを照射し、前記試料からのじ
よう乱音波を検出する超音波発生検出手段と、前
記試料を保持する試料台と、前記試料台と前記超
音波発生手段とを相対的に走査する手段とを有す
る超音波顕微鏡を用い、前記超音波発生検出手段
と試料との距離を変化しながら超音波の照射を行
なつて得られる検出信号の電圧曲線(V(Z)曲線)
の周期から前記試料の表面弾性波の伝播速度を測
定し、前記超音波の周波数を変えながらこの表面
前記の測定をくり返してこの伝播速度の周波数依
存性を求める。
以下、図面を参照して本発明をさらに詳細に説
明する。
〔発明の実施例〕
第3図に各種加工条件で研摩を行つた試料の表
面弾性波の伝播速度を第1図に示すような超音波
顕微鏡にて周波数を300MHzから450MHzまで変化
させながら測定した結果を示す。
測定の方法は、それぞれに試料を第1図の試料
台14に搭載し、試料台14をZ方向(レンズ1
との距離方向)に移動しながら検討信号の強度を
計測して第2図の曲線(V(Z)曲線)を得、その周
期ΔZ、媒質8の波長λW、音速VWから(1)式により
試料の表面弾性波VRを求める。周波数を300MHz
から450MHzまで変化させて各資料につき測定を
くり返した結果が第3図に示すものである。
350MHzまでは各試験片ともほぼ同じ伝播速度で
あつたものが、それ以上高い周波数領域になると
伝播速度にばらつきが生じ、その値は450MHzに
おいては、無ひずみ試料Aに対して、B、C、D
の試料はそれぞれ3%、4%、5%の減少であつ
た。また、その変化の様子は表面粗さとも密接に
関係していることがわかつた。
450MHzにおいて、各試験片の伝播速度にちが
いが見出せたことは、周波数が高くなるにつれて
表面弾性波の伝播する領域が浅くなり、伝播速度
に影響をあたえる因子が表面層の状態に移行して
くるので加工時に導入された硬度変化や塑性ひず
みなどによる表面層の弾性的性質のちがいの影響
を受けている結果であると考えられる。したがつ
て、伝播速度の周波数依存性から加工変質層の厚
みを推定することができる。
こゝでは第4図に示すように無ひずみシリコン
基板14の上に厚さbの加工変質層15が形成さ
れ、その音響インピーダンス、表面弾性波16の
伝播速度をそれぞれZS、VSおよびZS′、VS′とし
て等方体近似でLamb波の伝播速度の周波数依存
性を求めてみた。このような層構造の伝播速度
VRは、周波数をωとして VR=f(ZS、ZS′、b、ω) ……(2) の関数の形であたえられるからVS′、VSにそれぞ
れ低周波極限、高周波極限の値を用いるなら、b
をパラメータとして実測値との一致を調べること
により、厚さbを求めることができる。第3図の
破線はb=5.4μmとしたときの計算結果の1例
で、実験値と比較的良い一致を示している。
したがつて、#2000研摩剤における加工変質層
の厚さは、および5μmを見積るこができた。
なお、加工変質によつて硬度が増加した加工硬
化層が表面に形成されている試料の場合は、第3
図と逆に、周波数を高くするにつれて音速が上昇
し、更に周波数を高くすると、一定の音速で安定
する傾向が現れるので、全く同様にして、硬化質
の厚さを測ることができる。
〔発明の効果〕
上述の如く、本発明により超音波の周波数を変
化させながら、表面弾性波の伝播速度を測定し、
速度変化の変曲点をさがすことにより加工変質層
の厚さを非破壊で計測することができ工業上利す
るところ大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は超音波顕微鏡の構造を示す図、第2図
はV(Z)曲線の一例を示す図、第3図は各種加工条
件における表面弾性波の周波数依存性を求めた結
果を示す図、第4図は多層構造を表面弾性波が伝
播するモデルを示す図。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 音波伝播媒質を介して試料の所定の位置に超
    音波ビームを照射し、前記試料からじよう乱音波
    を検出する超音波発生検出手段と、前記試料を保
    持する試料台と、前記試料台と前記超音波発生検
    出手段とを相対的に走査する手段とを有する超音
    波顕微鏡を用い、前記超音波発生検出手段と試料
    との距離を変化しながら超音波の照射を行なつて
    得られる検出信号の電圧曲線の周期から前記試料
    の表面弾性波の伝播速度を測定し、前記超音波の
    周波数を変えて前記の測定をくり返して前記試料
    の表面弾性波の伝播速度の周波数依存性曲線を
    得、該周波数依存曲線から前記試料の表面欠陥を
    有する層の厚みを計測することを特長とする超音
    波顕微鏡を用いた計測方法。
JP60221806A 1985-10-07 1985-10-07 超音波顕微鏡を用いた計測方法 Granted JPS6281561A (ja)

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JP60221806A JPS6281561A (ja) 1985-10-07 1985-10-07 超音波顕微鏡を用いた計測方法
US06/904,400 US4730494A (en) 1985-10-07 1986-09-08 Method for examining a surface of a sample by means of ultrasound

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JP60221806A JPS6281561A (ja) 1985-10-07 1985-10-07 超音波顕微鏡を用いた計測方法

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JPS6281561A JPS6281561A (ja) 1987-04-15
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JPS6281561A (ja) 1987-04-15
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