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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Rastermikroskopie.
Im Besonderen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur simultanen
Erfassung von akustischen Bildern. Mit dem erfindungsgemäßen Scanner
ist es möglich,
simultan verschiedene Bereiche einer Probe zur erfassen, Bilder
darzustellen und zu analysieren.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur akustischen Rastermikroskopie.
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Ultraschall-Mikroskope,
bei denen eine Probe 2-dimensional mittels Ultraschall abgerastert
wird und die hindurch gelassenen oder reflektierten Schallwellen
verarbeitet werden, um daraus ein Bild zu erzeugen, sind aus dem
Stand der Technik, wie z. B. JP-PS No. 59-44 582 und JP-OS No. 58-1
06 453, bekannt.
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Die
internationale Patentanmeldung WO 01/86281 A1 offenbart ein Ultraschall-Mikroskop, welches
3-dimensionale Bilder einer Probe liefert. Dabei ist die Bilderzeugung
zerstörungsfrei
und man erhält
dadurch Informationen über
den inneren Aufbau einer Probe. Die Bilder dienen zur Analyse oder Überwachung
von Materialien, Elektronikkomponenten, Mechaniken und leisten Dienste
bei der medizinischen Anwendung.
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Der
oben beschriebene Stand der Technik ist jedoch nicht für eine schelle
Datenaufnahme der zu untersuchenden Proben ausgelegt. Hinzu kommt, dass
ebenfalls der Durchsatz der mit den Vorrichtungen des Standes der
Technik begrenzt ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur akustischen
Rastermikroskopie zu schaffen, das die Messzeit pro Probe reduziert
und dabei eine sichere Detektion ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs
1 umfasst.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
akustischen Rastermikroskopie zu schaffen, die die Messzeit pro
Probe reduziert und dabei eine sichere Detektion ermöglicht.
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Die
objektive Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur akustischen Rastermikroskopie
gelöst, die
die Merkmale des Anspruchs 8 umfasst.
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Das
Verfahren zur akustischen Rastermikroskopie ist von Vorteil, wenn
mindestens zeitlich parallel eine doppelte Abrasterung von unterschiedlichen Probenstellen
einer Probe erfolgt, wobei die unterschiedlichen Probenstellen von
jeweils einem Transducer oder akustischen Objektiv mit akustischen
Signalen bestrahlt werden. Die von einem Element in der Probe an
den unterschiedlichen Probenstellen hindurch gelassenen und/oder
reflektierten akustischen Signale werden durch eine piezoelektrische
Wandlerschicht des jeweiligen Transducers detektiert. Durch einen
AD-Wandler werden die akustischen Signale demoduliert. Die jeweiligen
Transducer werden derart verstellt, dass die Transducer ein Signalmaximum der
von dem Element reflektierten akustischen Signale registrieren.
Die so erhaltenen Daten werden bezüglich des zu detektierenden
Elements simultan aufgezeichnet.
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Mit
mindestens zwei Transducern wird die Probe in X-Y-Richtung abgescannt.
Die Probe wird dabei Pixel für
Pixel und Zeile für
Zeile abgescannt, so dass die gesamte Fläche der Probe erfasst wird.
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Zum
Einstellen des Signalmaximums der vom Element hindurch gelassenen
und/oder reflektierten akustischen Signale werden die mindestens zwei
Transducer in Z-Richtung verstellt. Die Verstellung der mindestens
zwei Transducer erfolgt unabhängig
voneinander über
einen motorischen Antrieb in Z-Richtung.
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Die
Vorrichtung zur akustischen Rastermikroskopie ist von Vorteil, da
mindestens zwei Transducer auf einer Verfahreinheit in Wirkstellung
zu einer Probe angeordnet sind. Die Verfahreinheit verfährt die
mindestens zwei Transducer in einer Ebene. Ferner sind Mittel vorgesehen,
die die mindestens zwei Transducer unabhängig voneinander in einer Richtung
senkrecht zu der Ebene verstellen.
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Die
Verfahreinheit verfährt
die mindestens zwei Transducer in X-Y-Richtung. Das Mittel zum Verstellen
verstellt die mindestens zwei Transducer unabhängig voneinander in Z-Richtung.
Das Mittel zum Verstellen der mindestens zwei Transducer umfasst
unabhängig
voneinander einen motorischen Antrieb.
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Ein
Transducer ist ein Master-Transducer und die anderen Transducer
sind Slave-Transducer.
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Das
akustische Rastermikroskop enthält
erfindungsgemäß zwei oder
mehrere Transducer, die so angeordnet sind, dass sie gleichzeitig
verschiedene Stellen oder Punkte einer Probe abrastern können. Die
von den verschiedenen Probenstellen der Probe detektierten Signale
werden simultan aufgenommen und daraus werden für die Bilddarstellung simultan
Daten erzeugt. Es ist möglich,
solche Arrays mit mehreren Transducern aufzubauen. Die Vorrichtung
enthält
weiterhin eine X-Y-Abtastvorrichtung, die gleichzeitig die zwei
oder mehreren Transducer im Fokus behalten kann, um diese unabhängig voneinander
in die erforderliche Fokuslage zu steuern und zu regeln.
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Das
akustische Rastermikroskop enthält
erfindungsgemäß des Weiteren
ein spezielles Dual-Autofokus-System, welches für zwei oder mehrere Transducer
die Signalamplitude der reflektierten akustischen Signale aus dem
Probeninneren ermittelt, wobei zunächst mit einem Transducer,
dem so genannten Master-Transducer fokussiert wird und dann die
Daten auf die Slave-Transducer übertragen werden,
wobei diese nach einem speziellen Algorithmus den Vorgang unabhängig voneinander
durchführen.
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Die
Master-Slave-Konfiguration für
die simultane Datenaufnahme besteht aus einem Master Ultraschallmikroskop
mit dem n Untermikroskope verbunden werden können. Die erfindungsgemäße X-Y-Z-Scan-Mechanik
bewegt das Transducer-Array Zeile für Zeile, Pixel für Pixel über die
Probenoberfläche
und zeichnet dabei Daten simultan auf.
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Mit
Hilfe des Verfahrens und der Vorrichtung können beispielsweise Wafer bis
zu 300 mm Durchmesser und Proben bis 320 mm Breite, 200 mm Länge und
45 mm Höhe
untersucht werden. Die Ultraschallfrequenz liegt im Bereich von
bis zu 500 MHz mit Transducern von 3 MHz bis 400 MHz.
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In
besonderer Ausführung
kommen 2 × 500 MHz
rf-Interfaces für
Transducer bis 400 MHz zum Einsatz.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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In
der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt
und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Weitere Einzelheiten,
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise eines
Ultraschallmikroskops für
die Übertragung
des Schallpulses auf die Probe;
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2 eine
schematische Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise eines
Ultraschallmikroskops für
die Aufnahme des Schallpulses von der Probe;
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3 eine
schematische Darstellung des Scanverlaufs über einer Probenfläche;
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4 eine
Prinzipdarstellung der Anwendung der akustischen Bildanalyse und
die Detektion der möglichen
Störungen
in oder auf einer Probe;
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5 eine
Prinzipdarstellung eines Scanners mit zwei Transducern;
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6 eine
Prinzipdarstellung eines Scanners mit einer Vielzahl von Transducern;
und
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7 eine
Prinzipdarstellung einer Verfahreinheit für den Scanner mit einer Vielzahl
von Transducern.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise eines
Ultraschallmikroskops 1 für die Übertragung eines Schallpulses 6 auf
eine Probe 2. Das Ultraschallmikroskop 1 arbeitet im
akustischen Rastermikroskop-Verfahren nach dem Impuls-Echo-Verfahren.
Das Ultraschallmikroskop 1 ist mit einem speziellen Objektiv
versehen, das kurze akustische Pulse von hoher Durchgangsrate produziert, überträgt und empfängt. Die
im Objektiv-Mittelstück 3 vorgesehenen
Linsen (nicht dargestellt) wandeln hohe Frequenzen elektromagnetischer
Schwingungen um, welche als planes paralleles Wellenfeld in der
Linse verarbeitet werden.
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Ein
Transducer 4 transformiert die von einem Schallgenerator 8 gelieferten
Schallpulse 6 in elektromagnetische Pulse, welche als Pixel
mit definierten Grauwerten dargestellt werden. Um ein Bild herzustellen,
tastet das akustische Objektiv die Probe 2 Linie für Linie
ab. Der Transducer 4 mit guten Fokussierungseigenschaften
in der Achse 5 kann sowohl für das Übersenden als auch das Empfangen
des Signals genutzt werden. Das Bild wird so durch Scannen des Transducers
mechanisch über
die Probe erzeugt.
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2 stellt
eine schematische Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise des
Ultraschallmikroskops 1 für die Aufnahme des Schallpulses 6 von der
Probe 2 dar. Die vom Transducer 4 empfangenen und
von der Probe 2 rückgestrahlten
Schallwellen 40 (siehe 4) werden
zu einem A/D-Wandler 10 geleitet. Dabei ist ein Schalter 11 vorgesehen,
der abwechselnd Schallwellen vom Schallgenerator 8 zur Probe 2 leitet
und von der Probe 2 zum A/D-Wandler 10 leitet.
Die Schallwellen können
dabei von der Oberfläche
der Probe oder von einem Element 7 im Innern der Probe 2 reflektiert
oder zurückgestreut werden.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung des Scanverlaufs über einer Probenfläche 20 der Probe 2.
Das mechanische Abscannen der Probe geschieht in Form eines Mäanders 21.
Die Dauer zur Durchführung
eines Scans einer Probe 2 ist von der zu scannenden Probenfläche 20 abhängig. Ferner
ist die Dauer von der Scanrate und der gewählten Bildauflösung abhängig. Für eine vorgegebene
Ablenkung eines akustischen Objektivs bei 50Hz und 512 Pixel pro
Zeile dauert es über
10 Sekunden, um ein Bild von 512 × 512 Pixel zu erzeugen.
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4 stellt
eine Prinzipdarstellung der Anwendung der akustischen Bildanalyse
und die Detektion der möglichen
Störungen
in oder auf einer Probe 2 dar. In vielen Anwendungen des
akustischen Rastermikroskops wurde das Mikroskop verwendet, um Bilder
auch vom Innern einer lichtundurchlässigen Probe 2 zu
erhalten. In solchen Fällen
werden Frequenzen von 10–400
MHz benutzt, um eine größere Penetranz
der Schallwellen 40 zu erhalten.
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Bei
starren Proben, wie z.B. den meisten Metallen, Halbleitern und Keramiken,
können
für den Kontrast
die Rayleigh-Wellen an der Oberfläche eine dominante Rolle spielen.
Sind die zu untersuchenden Proben anisotropisch, dann wird es von
der Oberflächenorientierung
und der Richtung der Ausbreitung darin abhängig sein. Die in oder auf
der Probe vorhandenen Elemente können
z.B. Risse 30, Maserungen, Texturen oder Grenzstrukturen 31 auf
der Oberfläche,
Ablösungen 32 zwischen
zwei Schichten im Inneren der Probe 2, Perlen oder Blasen 33 und/oder Partikel 34 sein.
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Zur
Bestimmung der Materialeigenschaften ist die Evaluierung der Amplitude
(Grauwert) aus dem Echosignal erforderlich. Ein Impedanzwert ist
jedem Grauwert zugeordnet. Ein Reflexionskoeffizient wird aus dem
zugeordneten Impedanzwert und dem Impedanzwert des gekoppelten Mediums
kalkuliert. Die korrespondierende akustische Impedanz kann kalkuliert
werden.
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5 ist
eine Prinzipdarstellung eines Scanners mit einem ersten und einem
zweiten Transducer 50 und 51. Die Transducer 50, 51 sind über der
Oberfläche 20 der
Probe 2 angeordnet. Die Transducer 50, 51 werden
entsprechend der in 3 dargestellten Art und Weise über der
Probe 2 verfahren. Zeitlich parallel erfolgt mindestens
eine doppelte Abrasterung von unterschiedlichen Probenstellen der
Probe 2, wobei die unterschiedlichen Probenstellen von jeweils
dem Transducer 50 bzw. dem zweiten Transducer 51 (akustisches
Objektiv) mit akustischen Signalen aus dem Schallgenerator 8 bestrahlt
werden. Mit einer Verfahreinheit 70 (siehe 7)
werden die beiden Transducer 50, 51 in einer X/Y-Ebene über der
zu scannenden Probenfläche 20 verfahren.
Die von dem mindestens einen Element in der Probe 2 an den
unterschiedlichen Probenstellen, die durch Verfahren der Transducer 50, 51 angefahren
werden, hindurch gelassenen und/oder reflektierten akustischen Signale
werden durch eine piezoelektrische Wandlerschicht 56 des
jeweiligen Transducers 50, 51 detektiert. Die
jeweiligen Transducer 50, 51 werden derart verstellt,
dass die Transducer 50, 51 ein Signalmaximum der
vom Element 7 hindurch gelassenen und/oder reflektierten
akustischen Signale registrieren. Die Probe 2 wird Pixel
für Pixel
und Zeile für Zeile
abgescannt. Die Art des Scannens ist bereits in 3 dargestellt.
Zum Einstellen des Signalmaximums der vom Element 7 hindurch
gelassenen und/oder reflektierten akustischen Signale werden die
mindestens zwei Transducer 50, 51 in Z-Richtung verstellt.
Hierzu ist jeder Transducer 50, 51 mit einem motorischen
Antrieb 52 versehen, der die entsprechende Verstellung
vornimmt. Die Transducer 50, 51 können mit
dem motorischen Antrieb 52 unabhängig voneinander verstellt
werden. Die erhaltenen Daten des zu detektierenden Elements werden
als Bild auf einem Display 54 dargestellt. Zur Datenauswertung und
Bilddarstellung ist ein Computer 55 vorgesehen. Ein Transducer 50 ist
ein Master-Transducer und der andere oder die anderen Transducer 51 ist/sind
ein Slave-Transducer.
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6 ist
eine Prinzipdarstellung eines Scanners mit einer Vielzahl von Transducern 60, 61, 62 und 63.
Wie bereits in 5 beschrieben ist, wird die Probe 2 mäanderförmig abgescannt.
Die Transducer 60, 61, 62 und 63 werden
entsprechend der in 6 dargestellten Bahnkurven 64, 65, 66 und 67 über die Probe
geführt.
Die Bahnkurven 64, 65, 66 und 67 sind
mit Pfeilen und gestrichelt dargestellt.
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7 ist
eine Prinzipdarstellung einer Verfahreinheit 70 für den Scanner
mit einer Vielzahl von Transducern. Mit der Verfahreinheit 70 werden
die Transducer in der X-Richtung X und der Y-Richtung Y verfahren.
Die Verfahreinheit 70 umfasst einen ersten Linearmotor 71 und
einen zweiten Linearmotor 72. Der erste Linearmotor 71 sorgt
für eine
Bewegung in X-Richtung
X und der zweite Linearmotor 72 sorgt für eine Bewegung in Y-Richtung Y. Die Bewegung
in Y-Richtung ist durch mindestens zwei Schienen 73a und 73b geführt. Die
Bewegung in X-Richtung ist ebenfalls durch zwei Schienen 74a und 74b geführt. Die
Lagerung der Verfahreinheit 70 wird durch mehrere Luftlager 75 erreicht.
Ferner kann die Verfahreinheit 70 um die drei Raumrichtungen
X, Y und Z geschwenkt werden. Die Pfeile 76, 77 und 78 zeigen
die Schwenkrichtung an.
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Eine
Ausführungsform
des akustischen Scanningmikroskops umfasst einen hochauflösenden Linear-Servo-Scanner,
der in X-Richtung X und in Y-Richtung
Y eine Reichweite (travel range) von bis zu 400 mm bei der Verwendung
von Luftlagern besitzt. Die Geschwindigkeit des Scanvorgangs ist
1 m/sec. Die Beschleunigung der Verfahreinheit 70 kann
bis zu 10 m/sec2 betragen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Scan-System mit
den zwei Transducern (siehe 5) erhält man ein
2 × 500
MHz rf-Interface für
Transducer bis 400 MHz. Die Transducer werden mit einer luftgelagerten Verfahreinheit 70 bewegt.
Dabei erreicht man eine minimale Scan-Breite von 250 μm auf 250 μm und eine
maximale Scan-Breite von 320 mm auf 320 mm. Die Geschwindigkeit
des Scanvorgangs ist 1 m/sec. Die Beschleunigung der Verfahreinheit 70 kann
bis zu 10 m/sec2 betragen. Die Wiederholbarkeit
beträgt +/– 0,1 μm. Ferner
ist eine hochauflösende
Elektronik realisiert, so dass eine Auflösung von 15 nm erzielt wird.
Der motorische Antrieb in Z-Richtung Z eines jeden Transducers,
der als Auto-Fokus-System dient, stellt somit auf einen konstanten
Signalpegel ein.
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Der
Computer ist eine PC-Workstation mit Windows 2000 Professional oder
XP. Die erreichte Bildauflösung
beträgt
4096 × 4096
Pixel.