【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.11】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24TU0062
利用課題名 / Title
弾性波デバイスの開発
利用した実施機関 / Support Institute
東北大学 / Tohoku Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
高周波デバイス/ High frequency device,スパッタリング/ Sputtering,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
神 翔太
所属名 / Affiliation
ジオマテック株式会社
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
櫛引淳一
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
櫛引淳一
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
TU-324：直線集束ビーム超音波材料解析システム#1
TU-325：直線集束ビーム超音波材料解析システム#2
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
UMS技術による音速測定値を基に決定した基板および膜の厚さを基準として光学厚さ計を校正する方法、言い換えると光学厚さ計で参照する材料の屈折率を校正する方法を提案し、実験的なデモンストレーションを行った。光学基板厚さ計では縦波速度を用いるが、光学膜厚計ではLSAW速度を用いた校正法が測定法の簡便さの観点で適している。また、測定試料と共に光学厚さ計装置自体の温度環境を安定化させることで、光学厚さ計の測定精度を向上させることができることを実証した。
実験 / Experimental
基板や薄膜の伝搬速度の測定には、UMS技術を用いる。図1に示すようにUMS技術には、直線集束ビーム超音波(LFB)を用いて水を負荷した材料表面を伝搬する漏洩弾性表面波(LSAW)を計測するモード[1,2]がある。このモードでの測定原理については、LSAW速度は文献[1]や[2]に詳しい。ここでは後述するように、薄膜の厚さをLSAW速度を用いて決定する。 光学膜厚測定法光学膜厚計として、Optical NanoGauge C13027 (浜松ホトニクス製)を用いた。膜厚の測定方法としては、基板上に形成された薄膜に対し光(波長400〜1100 nm)を入射させたときに、膜の内部で生じる多重反射により干渉する反射光を、光の波長を変化させて測定して得られる反射スペクトルの周期性から膜厚を求める。この反射スペクトルの周期性は、光の波長λと光路長Lo（＝薄膜内で光が往復する距離Lp×膜の屈折率n）に依存する。図2は、膜付き基板に対する反射スペクトルの例とそれを高速フーリエ変換(FFT)して得られる解析スペクトルのピークから膜厚を算出した例を示している。
結果と考察 / Results and Discussion
薄膜付試料として、42Y-LT薄膜／Si(100)基板構造試料を準備した。この試料サイズは直径4インチ、42Y-LT薄膜の厚さが１µm程度、Si(100)基板の厚さが0.5 mm程度である。薄膜付基板に対し光学膜厚計を用いて反射スペクトルを測定した。仮の屈折率ntemp=2.1678を仮定し、FFT解析スペクトルのピーク位置から得られた試料中心点での仮の薄膜厚さはLtemp=1017.00 nmであった。次に、上記薄膜付基板に対して90°X軸伝搬のLSAW速度の周波数依存性の測定を行った。結果を図3(a)に示す。42Y-LT薄膜／Si(100)基板構造の場合の90°X軸伝搬のLSAW速度のfH依存性の計算値を算出した。結果を図3(b)の点線で示す。このときの計算には文献[3]および文献[4]の材料定数を使用した。図3(a)で得られたLSAW速度の周波数依存性測定値に対して、膜厚Hを仮定して周波数fと膜厚Hとの積fHとLSAW速度との関係に変換し、この測定値と図3(b)の計算値(点線)との速度差が最小になるように膜厚を決定するとH=1005.66 nmが得られた。これを薄膜厚さの真値Ltrueとして決定した。最後に、上記で得られた仮の薄膜厚さL temp、仮の屈折率n temp、薄膜厚さ真値L trueを用いて、名目上の真値となる屈折率をn nominal＝2.1922と決定した。得られたn nominalを用いて、薄膜付基板の薄膜厚さ分布の測定結果が図3(c)で、点線が校正前(Ltemp)、実線が校正後(Ltrue)である。ここで屈折率について「名目上の真値」と表現しているのは、本来ならば屈折率には分散性があるため、屈折率を一定値として処理する場合、FFT解析に用いる波長範囲の選択の仕方に依存して算出される薄膜厚さが変動してしまうため、ここで決定する屈折率は必ずしも物理的に正しくはないが、実験上は最終値として正しい薄膜厚さを求めることができるという観点からである。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 UMS技術の概念図
図2 光学膜厚計による反射スペクトル測定例とFFT解析例．(a) 膜付基板に対する反射スペクトル．(b)反射スペクトルのFFT解析スペクトル．
図3 42Y-LT薄膜/Si(100)基板に対する測定値と校正例．(a) LSAW速度の周波数依存性測定値．(b)LSAW速度のfH依存性測定値(赤実線)を理論計算値(点線)にフィッティングして膜厚を推定した結果．一点鎖線：膜厚を-10%した場合．二点鎖線：膜厚を+10%した場合．(c)光学膜厚計の膜厚測定値の校正前後の結果
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
参考文献
[1]
J.
Kushibiki and N. Chubachi,” Material characterization by line-focus-beam
acoustic microscope,” IEEE Trans. Sonics Ultrason., Vol. SU-32, No. 2,
pp.189-212 (1985).
[2]
J.
Kushibiki et al., “Development of the line-focus-beam ultrasonic material
characterization system,” IEEE Trans. UFFC, Vol. 49, No. 1, pp.99-113 (2002).
[3]
J.
Kushibiki et al., “Accurate Measurements of the Acoustical Physical Constants
of LiNbO3 and LiTaO3 Single Crystals”, IEEE Trans. UFFC, Vol.
46, no. 5, pp. 1315-1323 (1999).
[4]
J.
Kushibiki et al., “High-accuracy standard specimens for the line-focus-beam
ultrasonic material characterization system,” IEEE Trans. UFFC, Vol. 49, No. 6,
pp.827-835 (2002).
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 「UMS技術による光学厚さ計の校正法の検討」 大橋雄二1、櫛引淳一1、戸津健太郎1、伊東孝洋2 (1東北大, 2ジオマテック) 圧電デバイス材料シンポジウム（2025年1月）
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件