JPH0432963B2 - - Google Patents

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JPH0432963B2
JPH0432963B2 JP59202269A JP20226984A JPH0432963B2 JP H0432963 B2 JPH0432963 B2 JP H0432963B2 JP 59202269 A JP59202269 A JP 59202269A JP 20226984 A JP20226984 A JP 20226984A JP H0432963 B2 JPH0432963 B2 JP H0432963B2
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JP
Japan
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ultrasonic
film
substrate
incident
liquid
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JP59202269A
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English (en)
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JPS6179157A (ja
Inventor
Jusuke Tsukahara
Eiji Takeuchi
Eisaku Hayashi
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Toppan Inc
Original Assignee
Toppan Printing Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6179157A publication Critical patent/JPS6179157A/ja
Publication of JPH0432963B2 publication Critical patent/JPH0432963B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/30Sound-focusing or directing, e.g. scanning using refraction, e.g. acoustic lenses
    • 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
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/221Arrangements for directing or focusing the acoustical waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

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み測定に適
した超音波顕微鏡レンズに関するものである。
従来の技術 近年開発された超音波顕微鏡は、圧電体に高周
波電気パルスを印加して超音波を発生させ、それ
を音響レンズによつて収束させて試料表面に照射
しながら音響レンズあるいは試料をX−Y走査し
て、その時の試料面からの反射超音波あるいは試
料を透過した透過超音波の強度あるいは位相を音
警レンズと圧電体で受信しX−Y走査と同期して
記録することにより、試料表面および試料の表面
直下の弾性的情報を画像として得るものである。
ここで音響レンズの役割は圧電体によつて発生さ
れた超音波ビームを試料表面上の微小領域に収束
させて超音波顕微鏡画像の分解能を向上させるこ
とにある。この目的のために用いられる音響レン
ズとしては、代表的にはサフアイア、石英ガラス
などの円柱上の一方の端面に圧電体を密着させ、
他方の端面に凹球面をもうけたものがあり、ここ
では圧電体によつて発生した超音波は円柱内を平
面波として進行し、凹球面に達するとそこで屈折
して試料表面の微小領域に収束する。また同様の
円柱の一端面に凹球面をもうけ、更にその面にそ
つて圧電体を密着させて凹球面の圧電体を作り、
これによつて直接に収束球面波を発生させること
を目的とした超音波顕微鏡レンズも発表されてい
る。これらはいずれも超音波ビームを試料表面の
微小領域に収束させて高分解能を得ることを目的
としているが、超音波顕微鏡による測定方法の一
つである、いわゆるV(z)曲線法の際にも用い
られる。これは、試料あるいは音響レンズをX−
Y走査せずに試料面上の一定位置に固定したまま
試料面と音響レンズとの距離を変化させてその時
の試料面からの反射超音波の強度変化を記録する
と、試料の材料に特有の周期で強度が周期的に変
化することが観察されることから、同方法によつ
て得られた記録の周期から試料表面および表面直
下の弾性的特徴を測定するものである。この反射
強度の周期的な変化は、凹球面レンズから発生し
た収束超音波のうち、垂直入射成分といわゆるレ
ーリー角度で試料面に入射した成分との干渉によ
つて生ずるものであり、その周期は試料表面近傍
のレーリー波の音速に依存する。
この様に、従来用いられてきた超音波顕微鏡用
の音響レンズは、球面収束超音波を発生させて試
料表面に収束させることに特徴があるものがほと
んどである。
一方、球面収束超音波以外の超音波を発生させ
る超音波顕微鏡レンズとして知られているものと
して、特開昭58−9063号公報に記載の超音波顕微
鏡レンズがあげられる。これは、固体音場媒体の
一端に圧電トランデユーサーを形成し、他端面に
円筒凹面状に光学研磨された直線状収束レンズで
あり、その使用目的は表面波の音速に異方性があ
る材料をV(z)法によつて測定する際にその異
方性を検出することにある。従来の凹球面形のレ
ンズによつて発生された収束超音波は中心軸の周
囲に対称に分布しており、そのため測定結果は試
料面上の方向について平均化されたものとなり、
試料に異方性があつたとしてもそれが検出できな
いので、その直線状集束レンズにおいて直線状収
束超音波を発生させてその欠点を除いてあるが、
その目的がV(z)曲線の測定よる表面波音速の
検出にあるため、垂直入射成分と任意のレーリー
角度で入射する成分をもつ超音波ビームを発生さ
せる必要があり、そのためにレンズ面として円筒
球面状のものが採用されているのである。
以上に述べたように、従来の超音波顕微鏡レン
ズは試料面に点あるいは直線状に収束する超音波
ビームを発生するように構成されている。
発明が解決しようとする問題点 本発明者らは、固体基板上に形成された膜に対
して超音波を照射した場合、基板、膜の材料に固
有の入射角で照射された超音波は材料と膜厚に固
有の周波数においてその反射率が極小値をとるこ
とを見い出し、この現象を利用して膜厚を測定す
る方法を発明し、既に出願済みである。この出願
に係る測定方法は、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
定方法であるが、その際必要とされる超音波ビー
ムは基板と膜によつて定まる系に固有の入射角で
試料に入射するものでなければならない。また測
定の対象となるのは試料表面における反射率の周
波数依存性なので、試料表面に照射された超音波
のうち表面で反射されたもののみを受信しなけれ
ばならない。つまりこの膜厚測定方法において
は、所定の入射角の超音波を試料表面に照射し、
その表面における反射波を受信しなければなら
ず、更には単結晶のように表面の音速に異方性の
ある試料においては、一定結晶軸方向に対して定
まる固有の入射角でその軸方向に超音波を入射さ
せる必要があるため、前に示した従来の超音波顕
微鏡レンズではその目的にかなわない。
問題点を解決するための手段 本発明は、以上の如き問題点を解決するため、
前記の測定原理に基づいて基板上の膜の厚さを測
定する際に、基板と膜の材料によつて決まる系に
固有の入射角をもつた超音波ビームを一定方向に
向つて試料面に照射でき、表面から反射した超音
波を受信することが出来るようにした超音波顕微
鏡レンズを提供するものである。
発明の詳述 以下、図面を参照にして本発明を詳細に説明す
る。
第1図は本発明に係る超音波顕微鏡レンズの説
明図、第2図は膜が形成された基板上に入射した
超音波の挙動を示す説明図、第3図は超音波顕微
鏡レンズの使用例の説明図である。第2図からも
理解されるように、液体11から入射した超音波
入射ビーム14は入射角16で膜面に入射し、透
過波と入射波とに分かれ、超音波反射ビーム15
は入射角16と同じ角度16′で反射される。こ
のとき、前述したように、膜12基板13の材料
によつて決まる固有の入射角で入射した超音波に
おいては、超音波の周波数と膜厚の積が材料によ
つて決まる固有の値をとるとき反射率が極小にな
ることがある。この現象は本発明者等が見い出し
たものであり、第4図にこの現象を42%ニツケ
ル、合金表面に金メツキを施した材料(メツキ膜
厚は0μm、2μm、3μm、4μm)に入射する超音
波の入射角に対する反射率の変化の度合を金メツ
キ膜厚のそれぞれについて示してある。図面から
もわかるように、42%ニツケル合金の基板に金メ
ツキ膜を施した試料の場合、入射角が32゜のとき
膜厚3μmで反射率が極小になる。ただし、この
例では周波数は100MHzである。
従つて、この膜厚測定方法において使用し得る
超音波顕微鏡レンズとしては、測定試料の基板と
膜の構成材料によつて決まる系に固有の入射角を
もつた超音波ビームを試料面に照射でき、試料表
面で反射した超音波を受信出来る特性を有する必
要がある。そこで本発明においては、第3図に示
すように、固体基板36上に形成された膜37の
膜厚測定に際し、超音波伝搬用の液体35から固
体基板36に入射する超音波38の入射角33が
基板36、液体35および膜37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36、液体35および膜37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) によつて膜厚を求める場合に使用する超音波顕微
鏡レンズを、超音波伝搬材31の一端には圧電膜
32を、他端には円錐形のみぞ39をそれぞれ設
けると共に、円錐形のみぞ39の頂角34は液体
35から固体基板36に入射する超音波38が基
板36、液体35および膜37の物質に固有の前
記値で入射するように設定したものとすることに
より、叙述の特性の付与を可能とした。
具体的には、第3図において、超音波38の試
料面への入射角をθ、超音波伝搬材料31の音速
をCp、液体35の音速をCfとすると、円錐形の凹
み39の角度34をとして、 tan(90゜−)=sinθ/cosθ−Cf/CO の関係があるので、超音波伝搬材料31を溶融石
英、液体35を水、固体基板36を42%ニツケル
合金、膜37を金、入射角θを前記したように
32°に設定すると、凹み39の角度34は48.5゜に
すればよいことになる。前述の測定系及び測定方
法によつて測定試料の膜厚測定を行なう場合、 (周波数)×(膜厚)=300m/sのとき入射角32゜
で反射率が極小となるので、32°の入射角の超音
波を発生できるようにした超音波顕微鏡レンズを
使用して、反射強度の周波数依存性を測定して、
反射強度が極小となる周波数を求めれば、(膜厚)
=300/(周波数)によつて膜の厚さを測ること
ができる。
一方、このような構成の超音波顕微鏡レンズに
似ているレンズとして、叙述したように、特開昭
58−9063号公報に開示の超音波顕微鏡レンズがあ
るが、このレンズは試料へ直線状に集束させた超
音波ビームを入射させその反射波を受信するため
のものであり、それ故に超音波伝搬材料の一方の
面には円筒凹面状のみぞを設けた構成となつてお
り、その使用目的および構成の点で本発明の超音
波顕微鏡とは全く異なるものである。
発明の効果 本発明は以上のような構成であるので、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
なる周波数を周波数計測器で測定し周波数を求
め、次に前記A式により被測定体の膜の膜厚を算
出する測定方法に適用すれば、基板上に形成され
た膜の膜厚やその2次元的分布が短時間に、精度
よく測定できるようになる。特にこのレンズは試
料面に弾性的異方性がある場合には周波数依存性
の異方性からそれを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る超音波顕微鏡レンズを示
す説明図、第2図は膜が形成された基板上に入射
した超音波の挙動を示す説明図、第3図は超音波
顕微鏡レンズの使用例の説明図、第4図は試料に
入射する超音波の入射角に対する反射率の度合を
示す説明図である。 31……超音波伝搬材料、32……圧電膜、3
3……入射角、34……頂角、35……液体、3
6……固体基板、37……膜、38……超音波、
39……みぞ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 固体基板上に形成された膜の膜厚測定に際
    し、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、下記(A)式 d=λ・H ……(A) によつて膜厚を求める場合に使用する超音波顕微
    鏡レンズにおいて、超音波伝搬材の一端には圧電
    膜が、他端にはV字形のみぞがそれぞれ設けてあ
    ると共に、該V字形のみぞの頂角は液体から固体
    基板に入射する超音波が基板、液体および膜の物
    質に固有の前記値で入射するように設定してある
    ことを特徴とする超音波顕微鏡レンズ。
JP59202269A 1984-09-27 1984-09-27 超音波顕微鏡レンズ Granted JPS6179157A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP59202269A JPS6179157A (ja) 1984-09-27 1984-09-27 超音波顕微鏡レンズ

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JP59202269A JPS6179157A (ja) 1984-09-27 1984-09-27 超音波顕微鏡レンズ

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JPS6179157A JPS6179157A (ja) 1986-04-22
JPH0432963B2 true JPH0432963B2 (ja) 1992-06-01

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ID=16454740

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JP59202269A Granted JPS6179157A (ja) 1984-09-27 1984-09-27 超音波顕微鏡レンズ

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