JP3876316B2

JP3876316B2 - Surface wave evaluation system

Info

Publication number: JP3876316B2
Application number: JP2003078958A
Authority: JP
Inventors: 夏肖; 信宏秦
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: JP2004286594A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面弾性波（ＳＡＷ）伝播位相速度分散計測のための複数のトランスデューサを持つ検出部を備えた表面波評価装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の表面弾性波（ＳＡＷ）測定は、図６に示す装置によって行われている。図６に示す装置は、レーザ誘起表面弾性波を利用した非破壊のヤング率を測定する薄膜評価試験機で、レーザパルスを薄膜試料表面に照射して高周波の表面弾性波を発生し、伝播させ、この表面弾性波を単数のトランスデューサで測定するものである。その波形は薄膜のヤング率、密度、膜厚により決定されるので、逆に、密度と膜厚が既知であれば信号処理により波形からヤング率を求めることができる。この装置は、このレーザアコースティック薄膜試験機と呼ばれている。
【０００３】
図７は、密度１．０ｇ／ｃｍ³で厚さ３００ｎｍの０．１から１０ＧＰａのヤング率を持つ物質の表面弾性波の周波数分散を示している。逆に、密度や厚さが既知の膜の場合、この関係を用いることによって、表面弾性波の周波数分散から、ヤング率を求めることができる。
【０００４】
このレーザアコースティック薄膜試験機のトランスデューサは、図６に示されるように、金属製のナイフエッジの先端で圧電性のポリマーを試料表面に押し付ける構造をしているため表面波の波面に平行に保持される必要がある。これを、シリコン結晶のように方位をもった試料に適用する場合、方位により伝搬速度が異なるため、その表面波の波面の方向は容易には判別できないことから、この金属製のナイフエッジをその波面方向に合わせることは容易ではない。このため、測定値として得られるヤング率は、誤差を含みやすかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様に、従来のレーザアコースティック薄膜試験機では、表面弾性波の検出を一つのトランスデューサを用いて行っており、表面弾性波の波面方向とトランスデューサの方向の整合をとることが難しく、測定誤差を含みやすい。
【０００６】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、表面弾性波の波面方向とトランスデューサの方向の整合をとりやすい構成をもち、従って測定誤差を抑制することのできる表面波評価装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の表面波評価装置の第１の特徴は、測定対象物の表面に表面波を発生する表面波発生手段と、前記の測定対象物を伝播する表面波を検出する一列に並んだ複数の表面波検出手段と、前記の表面波検出手段で検出した表面弾性波波形を比較する比較手段と、前記の表面弾性波波形が時間的に一致するように前記の一列に並んだ複数の表面波検出手段の列の向きを調整することのできる表面波検出手段の保持手段と、を、含み、上記の一列に並んだ複数の表面波検出手段のそれぞれの検出結果を用いて保持手段の調整を行った後に、上記の一列に並んだ複数の表面波検出手段の少なくともひとつの表面波検出手段を用いて測定することである。
【０００８】
また、第２の特徴は、測定対象物の表面に表面波を発生する表面波発生手段と、前記の測定対象物を伝播する表面波を検出する一対の位置決め用の検出手段と少なくともひとつの測定用の検出手段とのそれぞれが同じ一列に並んだ表面波検出手段と、前記の一対の位置決め用の表面波検出手段で検出した表面弾性波波形を比較する比較手段と、前記の表面弾性波波形が時間的に一致するように前記の一列に並んだ複数の表面波検出手段の列の向きを調整することのできる表面波検出手段の保持手段と、を、含み、上記の一対の位置決め用の表面波検出手段のそれぞれの表面波検出結果を用いて保持手段の調整を行った後に上記の測定用の表面波検出手段を用いて測定することである。
【０００９】
また、第３の特徴は、上記の測定に用いる表面波検出手段以外の表面波検出手段を上記の測定対象物の表面から離間して保持する保持手段を備え、離間して測定することである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。この発明の表面波評価装置の模式図を図１に示す。
【００１１】
図１の表面波発生手段は、パルスレーザ光を円筒形レンズで薄膜試料表面に直線状にフォーカスし、その吸収により発生する熱パルスで表面弾性波を発生させるものである。図１では、便宜的にトランスデューサへ向かう表面弾性波のみを図示している。このパルスレーザ光は、１５ｍｍ×５〜６μｍのサイズのものであり、パルス幅＝０．８〜２ｎ秒、繰り返し周波数＝１０パルス／ｓのものである。この表面弾性波の波面はなるべく直線状になるようにするために、なるべく幅広のレーザ光を照射するのが望ましい。
【００１２】
そこから離れた位置で、伝播してくる表面弾性波を検出部で検出する。また、この検出部は、２個のトランスデューサを用いるものであり、そのナイフエッジは共通の直線上に配置されている。このトランスデューサは、それぞれが表面波検出手段である。この検出に用いる検出部は、図１あるいは図３（ａ）に示すように金属製のナイフエッジの先端で圧電性のポリマーを試料表面に押し付ける構造をしている。このナイフエッジの先端は、微動装置により、上下方向の動きと、ナイフエッジの方向とをデータ処理装置（ＰＣ）１５により遠隔制御できる構成である。また、この検出部は、図３（ｂ）に上部から見た平面図を示すように微動回転装置によって保持されており、波面に平行になるようにトランスデューサの２つのナイフエッジを結ぶ線の向きを調整することが可能である。
【００１３】
図２に、上記の検出部を用いて測定する測定系を示す。検出部からの信号は、濾波器で低周波成分を除去した後、オシロスコープで表示する。ここで、パルスレーザからの信号でオシロスコープを掃引し、複数のトランスデューサからの出力を同時に表示することによって、これらの信号を比較することができる。図４にオシロスコープの波形例を示す。
【００１４】
図４に示す検出波形では数１０ナノ秒以上のずれが観測されている。このずれの原因は、表面弾性波発生部と検出部が互いに平行な配置からずれていることにある。複数トランスデューサを有する検出部では、それぞれのトランスデューサからのＳＡＷ波形のずれを観察することにより、こうした平行配置のずれを検出して、その配置を微調整することにより、理想的な配置を実現し、測定の精度を改善できる。
【００１５】
これらの波形が重なるように検出部の向きを調整することによって、波面に平行になるようにトランスデューサのナイフエッジを設置することが可能であり、また、表面弾性波の状況を正しく検出できるようになる。このように設置された後は、測定においてはどちらか一方のトランスデューサのみでよいので、他方をその表面から離すことによって、トランスデューサからの干渉を抑制することができる。また、上記の例では、２個のトランスデューサを用いた検出部を用いたが、３個のトランスデューサを用いることによってさらにアラインメントを高めた測定を行うことができる。この場合は、外側の２つをアラインメント用に用いて、中央のトランスデューサでヤング率を見積もるためのデータを取得するものである。これら３個のトランスデューサは、直線状に配置してもよいし、中間のものだけを、表面弾性波に対して前進してあるいは後退して配置することも可能であるが、前進して配置するのが望ましい。
【００１６】
ヤング率の見積もりにあたっては、異なる２点（ｘ１とｘ２）での測定データを取得し、それぞれをフーリエ変換して周波数表現にすることによりそのスペクトルを算出する。このスペクトルの振幅や位相は、図５（ｂ）あるいは、図５（ｃ）で与えられる。伝播位相速度の周波数分散スペクトルは、図５（ｄ）にしたがって求めることができる。このデータ処理は、データ処理装置（ＰＣ）１５で行う。
【００１７】
【発明の効果】
この発明は、表面波発生手段と、一列に並んだ複数の表面波検出手段と、比較手段と、表面波検出手段の列の向きを調整することのできる表面波検出手段の保持手段と、を含む表面波評価装置を用いて、保持手段の調整を行った後に、測定するようにしたので、従来の測定装置よりも誤差の少ない測定を行うことができる。例えば、従来法では精度の高い測定が不可能な柔らかい膜について、本発明では、０．１GPaの精度で弾性率を測定できた。
【００１８】
また、一対の位置決め用の表面波検出手段のそれぞれの表面波検出結果を用いて保持手段の調整を行った後に上記の測定用の表面波検出手段を用いて測定するようにしたので、さらに測定誤差を抑制することができる。
【００１９】
また、測定に用いる表面波検出手段以外の表面波検出手段を上記の測定対象物の表面から離間して測定するようにしたので、さらに測定誤差を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面波評価装置の検出部を示す模式図である。
【図２】本発明の表面波評価装置を示す模式図である。
【図３】検出部部を示す写真である。
【図４】トランスデューサからの出力を比較するためのオシロスコープの波形例である。
【図５】ヤング率を求める際の手順を示す図である。
【図６】従来の表面弾性波測定装置の検出部を示す模式図である。
【図７】ヤング率によって決まる表面波の速度の周波数分散を示す図である。
【符号の説明】
１パルスレーザ光
２円筒型レンズ
３表面弾性波発生部
４検出部
５トランスデューサ
６圧電性のポリマー
７測定物質
８補助物質
９表面弾性波
１０濾波器
１１オシロスコープ
１２プリズム
１３フォトダイオード
１４パルスレーザ装置
１５データ処理装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface wave evaluation apparatus including a detection unit having a plurality of transducers for surface acoustic wave (SAW) propagation phase velocity dispersion measurement.
[0002]
[Prior art]
Conventional surface acoustic wave (SAW) measurement is performed by the apparatus shown in FIG. The apparatus shown in FIG. 6 is a thin film evaluation tester that measures non-destructive Young's modulus using laser-induced surface acoustic waves, and irradiates a laser pulse on the surface of a thin film sample to generate and propagate high-frequency surface acoustic waves. The surface acoustic wave is measured with a single transducer. Since the waveform is determined by the Young's modulus, density, and film thickness of the thin film, conversely, if the density and film thickness are known, the Young's modulus can be obtained from the waveform by signal processing. This apparatus is called this laser acoustic thin film testing machine.
[0003]
FIG. 7 shows the frequency dispersion of surface acoustic waves of a material having a density of 1.0 g / cm ³ and a thickness of 300 nm and a Young's modulus of 0.1 to 10 GPa. Conversely, in the case of a film having a known density and thickness, the Young's modulus can be obtained from the frequency dispersion of the surface acoustic wave by using this relationship.
[0004]
As shown in FIG. 6, the transducer of this laser acoustic thin film tester has a structure in which a piezoelectric polymer is pressed against the sample surface at the tip of a metal knife edge, so that it is held parallel to the wavefront of the surface wave. It is necessary to When this is applied to a sample having an orientation such as a silicon crystal, the propagation speed differs depending on the orientation, and the direction of the wave front of the surface wave cannot be easily determined. It is not easy to match the wavefront direction. For this reason, the Young's modulus obtained as a measured value was likely to include an error.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional laser acoustic thin film testing machine uses a single transducer to detect surface acoustic waves, making it difficult to match the wavefront direction of the surface acoustic waves and the transducer direction, resulting in measurement errors. It is easy to include.
[0006]
The present invention has been proposed in view of the above, and it is an object of the present invention to provide a surface wave evaluation apparatus that has a configuration in which the wavefront direction of a surface acoustic wave and the direction of a transducer can be easily matched, and therefore can suppress measurement errors. And
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the first feature of the surface wave evaluation apparatus of the present invention is that surface wave generating means for generating surface waves on the surface of the measurement object and surface waves propagating through the measurement object are provided. A plurality of surface wave detection means arranged in a row to be detected , a comparison means for comparing the surface acoustic wave waveforms detected by the surface wave detection means , and the surface acoustic wave waveforms so as to coincide with each other in time Each of the plurality of surface wave detection means arranged in a row, and a detection result of each of the plurality of surface wave detection means arranged in a row After the holding means is adjusted using, measurement is performed using at least one surface wave detecting means of the plurality of surface wave detecting means arranged in a row.
[0008]
The second feature is that the surface wave generating means for generating a surface wave on the surface of the measurement object, a pair of positioning detection means for detecting the surface wave propagating through the measurement object, and at least one measurement The surface acoustic wave detecting means arranged in the same row, the comparing means for comparing the surface acoustic wave waveforms detected by the pair of positioning surface wave detecting means , and the surface acoustic wave waveform A surface wave detecting means holding means capable of adjusting the orientation of the plurality of surface wave detecting means arranged in a line so that the two are aligned in time, and the pair of positioning members described above After adjusting the holding means using the respective surface wave detection results of the surface wave detection means, the measurement is performed using the surface wave detection means for measurement.
[0009]
The third feature is that the surface wave detection means other than the surface wave detection means used for the measurement is provided with a holding means for holding the measurement object away from the surface of the measurement object , and the measurement is performed separately. .
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. A schematic diagram of a surface wave evaluation apparatus of the present invention is shown in FIG.
[0011]
The surface wave generating means shown in FIG. 1 focuses a pulsed laser beam linearly on the surface of a thin film sample with a cylindrical lens and generates a surface acoustic wave by a heat pulse generated by the absorption. In FIG. 1, only the surface acoustic wave toward the transducer is shown for convenience. This pulse laser beam has a size of 15 mm × 5 to 6 μm, a pulse width = 0.8 to 2 nsec, and a repetition frequency = 10 pulses / s. In order to make the wavefront of this surface acoustic wave as straight as possible, it is desirable to irradiate laser light as wide as possible.
[0012]
The surface acoustic wave propagating at a position away from it is detected by the detector. Further, this detection unit uses two transducers, and the knife edges are arranged on a common straight line. Each of the transducers is a surface wave detection means. The detection unit used for this detection has a structure in which a piezoelectric polymer is pressed against the sample surface at the tip of a metal knife edge as shown in FIG. 1 or FIG. The tip of the knife edge can be remotely controlled by the data processing device (PC) 15 with the fine movement device, and the movement in the vertical direction and the direction of the knife edge are controlled. Further, this detection unit is held by a fine rotation rotating device as shown in a plan view seen from above in FIG. 3B, and the direction of the line connecting the two knife edges of the transducer so as to be parallel to the wavefront Can be adjusted.
[0013]
FIG. 2 shows a measurement system for measuring using the above-described detection unit. The signal from the detection unit is displayed on an oscilloscope after removing low frequency components with a filter. Here, these signals can be compared by sweeping the oscilloscope with the signal from the pulse laser and displaying the outputs from the plurality of transducers simultaneously. FIG. 4 shows an example of an oscilloscope waveform.
[0014]
In the detected waveform shown in FIG. 4, a shift of several tens of nanoseconds or more is observed. The cause of this deviation is that the surface acoustic wave generation unit and the detection unit are deviated from the parallel arrangement. In the detection unit having a plurality of transducers, an ideal arrangement is realized by observing the deviation of the SAW waveform from each transducer to detect such a deviation in parallel arrangement and finely adjusting the arrangement. Measurement accuracy can be improved.
[0015]
By adjusting the orientation of the detection unit so that these waveforms overlap, it is possible to install the knife edge of the transducer so that it is parallel to the wavefront, and to correctly detect the surface acoustic wave status Become. After being installed in this manner, only one of the transducers is required for measurement, and interference from the transducer can be suppressed by separating the other from the surface. In the above example, the detection unit using two transducers is used. However, by using three transducers, measurement with higher alignment can be performed. In this case, data for estimating the Young's modulus with the central transducer is obtained by using the outer two for alignment. These three transducers may be arranged in a straight line, or only the middle one may be arranged to advance or retract with respect to the surface acoustic wave, but it is arranged to advance. Is desirable.
[0016]
In estimating the Young's modulus, the measurement data at two different points (x1 and x2) are acquired, and the spectrum is calculated by Fourier-transforming each to obtain a frequency expression. The amplitude and phase of this spectrum are given in FIG. 5 (b) or FIG. 5 (c). The frequency dispersion spectrum of the propagation phase velocity can be obtained according to FIG. This data processing is performed by a data processing device (PC) 15.
[0017]
【The invention's effect】
The present invention comprises a surface wave generating means, a plurality of surface wave detecting means arranged in a row, a comparing means, and a holding means for a surface wave detecting means capable of adjusting the direction of the row of surface wave detecting means. Since the measurement is performed after adjusting the holding means using the surface wave evaluation apparatus, the measurement with less error than the conventional measurement apparatus can be performed. For example, the elastic modulus of a soft film that cannot be measured with high accuracy by the conventional method can be measured with an accuracy of 0.1 GPa.
[0018]
In addition, after the holding means is adjusted using the respective surface wave detection results of the pair of positioning surface wave detection means, the measurement is performed using the surface wave detection means for measurement. Errors can be suppressed.
[0019]
Further, since the surface wave detection means other than the surface wave detection means used for measurement are measured away from the surface of the measurement object, measurement errors can be further suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a detection unit of a surface wave evaluation apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a surface wave evaluation apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a photograph showing a detection unit.
FIG. 4 is a waveform example of an oscilloscope for comparing outputs from transducers.
FIG. 5 is a diagram showing a procedure for obtaining Young's modulus.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a detection unit of a conventional surface acoustic wave measurement device.
FIG. 7 is a diagram showing frequency dispersion of surface wave velocity determined by Young's modulus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pulse laser beam 2 Cylindrical lens 3 Surface acoustic wave generation part 4 Detection part 5 Transducer 6 Piezoelectric polymer 7 Measurement substance 8 Auxiliary substance 9 Surface acoustic wave 10 Filter 11 Oscilloscope 12 Prism 13 Photo diode 14 Pulse laser apparatus 15 Data Processing equipment

Claims

測定対象物の表面に表面波を発生する表面波発生手段と、前記の測定対象物を伝播する表面波を検出する一列に並んだ複数の表面波検出手段と、前記の表面波検出手段で検出した表面弾性波波形を比較する比較手段と、前記の表面弾性波波形が時間的に一致するように前記の一列に並んだ複数の表面波検出手段の列の向きを調整することのできる表面波検出手段の保持手段と、を、含み、
上記の一列に並んだ複数の表面波検出手段のそれぞれの検出結果を用いて保持手段の調整を行った後に、上記の一列に並んだ複数の表面波検出手段の少なくともひとつの表面波検出手段を用いて測定することを特徴とする表面波評価装置。A surface wave generating means for generating a surface wave on the surface of the measuring object, and a plurality of surface wave detection means arranged in a row to detect a surface wave propagating through the measurement object, detected by the surface wave detecting means The comparison means for comparing the surface acoustic wave waveforms, and the surface wave capable of adjusting the direction of the plurality of surface wave detection means arranged in one row so that the surface acoustic wave waveforms coincide with each other in time Holding means for detecting means, and
After adjusting the holding means using the detection results of the plurality of surface wave detection means arranged in a row, at least one surface wave detection means of the plurality of surface wave detection means arranged in a row A surface wave evaluation apparatus characterized by using and measuring.

測定対象物の表面に表面波を発生する表面波発生手段と、前記の測定対象物を伝播する表面波を検出する一対の位置決め用の検出手段と少なくともひとつの測定用の検出手段とのそれぞれが同じ一列に並んだ表面波検出手段と、前記の一対の位置決め用の表面波検出手段で検出した表面弾性波波形を比較する比較手段と、前記の表面弾性波波形が時間的に一致するように前記の一列に並んだ複数の表面波検出手段の列の向きを調整することのできる表面波検出手段の保持手段と、を、含み、
上記の一対の位置決め用の表面波検出手段のそれぞれの表面波検出結果を用いて保持手段の調整を行った後に上記の測定用の表面波検出手段を用いて測定することを特徴とする表面波評価装置。 Each of a surface wave generating means for generating a surface wave on the surface of the measurement object, a pair of positioning detection means for detecting the surface wave propagating through the measurement object, and at least one measurement detection means , The surface acoustic wave detection means arranged in the same row, the comparison means for comparing the surface acoustic wave waveforms detected by the pair of positioning surface wave detection means , and the surface acoustic wave waveforms so as to coincide temporally A holding means for surface wave detection means capable of adjusting the orientation of the plurality of surface wave detection means arranged in a row, and
The surface wave is measured by using the surface wave detection means for measurement after adjusting the holding means using the respective surface wave detection results of the pair of surface wave detection means for positioning. Evaluation device.

上記の測定に用いる表面波検出手段以外の表面波検出手段を上記の測定対象物の表面から離間して保持する保持手段を備え、離間して測定することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の表面波評価装置。3. The surface wave detection means other than the surface wave detection means used for the measurement is provided with a holding means for holding the measurement object apart from the surface of the measurement object , and the measurement is performed separately. The surface wave evaluation apparatus of description.

上記の一対の位置決め用の検出手段のいずれか一方は、測定用の検出手段を兼ねることを特徴とする請求項２に記載の表面波評価装置。3. The surface wave evaluation apparatus according to claim 2, wherein any one of the pair of positioning detection means also serves as a measurement detection means.