DE19935907C2 - Kalibrierkörper für Ultraschallmikroskope - Google Patents

Abstract

Es wird ein Kalibrierkörper für Ultraschallmikroskope beschrieben, der mit genau definierten geometrischen Abmessungen eine sehr gute Reproduzierbarkeit von Ultraschallmessungen ermöglicht. Der Kalibrierkörper besteht aus einem Plexiglassubstrat mit darauf aufgebrachter strukturierter Metallschicht mit Strukturen im mum-Bereich und weist eine darauf aufgebrachte Deckschicht beispielsweise aus Araldit auf. Alternativ können die Strukturen durch in einem Siliziumsubstrat oberflächlich eingebrachte Gasvolumen dargestellt werden, die gegenüber der Grenzschicht einen hohen Ultraschallkontrast aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kalibrierkörper für Ultraschall­ mikroskope mit dem die Ergebnisse verschiedener Geräte mit­ einander vergleichbar sind oder mit dem verschiedene Geräte möglichst identisch eingestellt werden.

Für die Ultraschallmikroskopie wird ein Kalibrier-Testkörper benötigt, mit dem die Leistungsfähigkeit insbesondere hin­ sichtlich des lateralen Auflösungsvermögens sowie die Repro­ duzierbarkeit der Ergebnisse hinsichtlich der Geräteeinstell­ parameter, der zeitlichen Gerätestabilität sowie der gesamten Datenaufnahme und Abbildungseigenschaften überprüft werden kann.

Die Ultraschallmikroskope werden zur Zeit schwerpunktmäßig in der Halbleiterindustrie zur Inspektion von kunststoffumhüll­ ten Bauelementen zur Detektion von Delaminationen (Ablösun­ gen) eingesetzt. Dabei müssen Details im Inneren der Bauele­ mente unter einer Kunststoffabdeckung von ca. 0,1 bis 0,5 mm Dicke dargestellt werden. Aus diesem Grund wird angestrebt einen Testkörper herzustellen, der definierte Strukturen ver­ schiedener Abmessungen enthält, die mit einer Kunststoff­ schicht von 0,1 bis 0,5 mm Dicke abgedeckt sind und die einen möglichst großen Abbildungskontrast in der Ultraschallbild­ darstellung gewährleisten.

Als Testkörper für die Ultraschallmikroskopie werden im Stand der Technik Prüfobjekte mit Strukturen verwendet, die aus Zo­ nen mit relativ geringer bzw. mit relativ großer Ultraschall­ reflektion bzw. Transmission bestehen. Die Abmessung dieser Strukturen muß dem Auflösungsvermögen des Gerätes entspre­ chen. Da das Ultraschallmikroskopieverfahren ein scannendes Verfahren ist (im allgemeinen mäanderförmig abrasternd) wird das physikalische Auflösungsvermögen durch den Focusdurchmesser des abtastenden Ultraschallstrahls am Prüfobjekt be­ stimmt. Der Focusdurchmesser beträgt beispielsweise 10 bis 200 µm.

Aus der DE 35 01 355 A1 sind ein Verfahren und eine Einrich­ tung zum Eichen eines Biopsie-Vorsatzes für Ultraschallabbil­ dungs-Einrichtungen bekannt. Beschrieben wird u. a. ein Eich­ bauteil, welches mindestens zwei Ultraschall- Reflexionsbereiche aufweist.

Das Gebrauchsmuster DE 296 19 823 U1 beschreibt eine Vorrich­ tung zum Kalibrieren eines Ultraschall-Bildsystems. Ziel ist die Erstellung von dreidimensionalen Ultraschall- Bilddatensätzen. In dieser Druckschrift wird eine Kalibrier­ vorrichtung beschrieben, die in einer Ausführungsform einen würfelförmigen Hohlkörper darstellt und beispielsweise aus Acrylglas hergestellt ist. Die Kalibriervorrichtung weist mehrere Ebenen auf, die im Ultraschallbild erkennbare Bild- oder Bezugspunkte bilden.

Aus der DE 28 24 629 A1 ist weiterhin eine Kalibriervorrich­ tung für Ultraschall-Inspektionsgeräte bekannt, die einen ku­ gelförmigen Kalibrierkörper mit einer Ultraschall reflektie­ renden Oberfläche verwendet.

Aus der DE 38 35 886 A1 sowie aus der EP 198 944 B1 ist je­ weils ein in Reflexion betriebenes Ultraschallmikroskop be­ kannt.

Das Ortsauflösungsvermögen ist der geringste Abstand zwischen zwei Objektdetails die im Bild als getrennt wahrgenommen wer­ den. Für die Unterscheidbarkeit muß ein bestimmter Schwellen­ kontrast überschritten werden. Die Ortsauflösung kann in ver­ schiedenen Richtungen unterschiedliche Werte haben.

Die abzubildenden strukturierten Bereiche können sowohl an der Oberfläche des Testkörpers liegen als auch im Volumen des Testkörpers unter einer Abdeckschicht eingebettet sein.

Prinzipiell werden zwei verschiedene Gitter bzw. Rasterstruk­ turen verwendet. Zum einen sind dies Gitter bzw. Rasterstruk­ turen aus Stegen und Zwischenräumen und zum anderen nicht rasterartige Strukturen. Die erst genannte Art von Strukturen orientiert sich an den Abbildungstestproben für optische und radiologische Geräte. Dabei sind Strichgitter verschiedener Strukturbreiten in verschiedenen Anordnungsweisen wie bei­ spielsweise senkrecht oder waagerecht gebräuchlich. Bei ver­ schiedenen Strukturbreiten variiert die Anzahl von Linienpaa­ ren pro mm. Eine spezielle Anordnung wird durch den sogenann­ ten Siemens-Stern realisiert, bei dem die Zonen unterschied­ licher Reflexion bzw. Transmission strahlenförmig angeordnet sind. Dabei wird eine Kreisfläche auf ca. 30 bis 50 gleich große Sektoren aufgeteilt, die abwechselnd gering bzw. stark reflektieren bzw. transmittieren.

Als nicht rasterartige Strukturen werden hauptsächlich ver­ wendet:
Scharfe Kanten wie Rasierklingen, Bruchkanten oder dünne Si­ liziumwafer,
Strukturen bestehend aus einzelnen Streifen (beispielsweise gleich breit wie verschiedene Drähte oder keilförmig schmäler werdende Streifen, sowie kleine kreis- und kugelartige Objekte, in Glas oder Metall­ kugeln in einem anderen Medium eingebettet.

Die Informationen, die durch die Abbildung erlangt werden, sind unterschiedlich. Es sind insbesondere drei charakteri­ stische Funktionen zur Charakterisierung eines Bildübertra­ gungssystems zu nennen:

• - bei der Abbildung von eindimensionalen Strukturen wie Punkten wird die Punktbildfunktion,
• - bei der Abbildung von zweidimensionalen Strukturen wie sehr schmale Linien wird die Linienbildfunktion,
• - bei der Abbildung von dreidimensionalen Strukturen wie Kanten wird die Kantenbildfunktion

ermittelt. Die verschiedenen Funktionen lassen sich mathema­ tisch ineinander überführen. Für die Bewertung der Abbil­ dungsqualität wird vorzugsweise die Übertragungsfunktion her­ angezogen, die sich aus der Fourier-Transformation der Lini­ enbildfunktion ergibt. Der Betrag der im allgemeinen komple­ xen Übertragungsfunktion wird als Modulationsübertragungs­ funktion (MÜF) bezeichnet.

Der Vorteil der Rasterstrukturen liegt darin, daß sich aus ihrer Abbildung relativ einfach ohne mathematische Berechnun­ gen die Übertragungsfunktion und damit das Auflösungsvermögen ablesen läßt. Die MÜF beschreibt mit welchem Kontrast die Gitterstrukturen als Funktion des Rastermaßes (LP/mm; Linien­ paare pro mm) abgebildet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kalibrierkör­ per zu schaffen, dessen ultraschallaktive Strukturen im µm- Bereich mit hoher Auflösung und reproduzierbar wiedergegeben werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombi­ nation von Anspruch 1 bzw. Anspruch 10.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Festkörper, die die erforderten Bedingungen erfüllen, reproduzierbar und mit hoher Präzision hergestellt werden können. Die erforder­ lichen Strukturen, die zu ihrer Umgebung einen ausreichend hohen Ultraschallkontrast aufweisen, sind als Einlagerungen im Testkörper dargestellt. Sie sind in Form von Material aus­ gebildet, das sich in der akustischen Impedanz, eine Größe die sich aus dem Produkt von Schallgeschwindigkeit und spezi­ fischer Dichte ermitteln läßt, vom Substrat sowie von der Deckschicht stark unterscheidet. Diese Kombination von Berei­ chen mit hoher Ultraschallreflektivität und Bereichen mit niedriger Ultraschallreflektivität läßt sich zum einen dar­ stellen durch eine auf einem Substrat befindliche struktu­ rierte Metallschicht, deren Strukturen im µm-Bereich liegen und im wesentlichen geradlinige Kanten aufweist. Eine andere Lösung geschieht durch die Darstellung von Vertiefungen in der Oberfläche eines Substrats des Testkörpers bzw. des Ka­ librierkörpers, wobei diese Vertiefungen gasgefüllt bleiben und exakte geradlinige Kanten aufweisen. Die die strukturier­ te Metallschicht und die Vertiefungen umgebenden Bereiche sind derart ausgebildet, daß sie eine geringe Ultraschall­ reflektivität aufweisen. Dazu ist es notwendig, daß im erst genannten Fall die Deckschicht vollständig auf dem Substrat aufliegt und keinerlei Ablösungen bzw. Gaseinschlüsse vorhan­ den sind. Im zweiten Fall ist es notwendig, die Deckschicht derart auf die strukturierte Substratoberfläche aufzubringen, daß die Vertiefungen in ihrer ursprünglichen Form erhalten bleiben, so daß beispielsweise keinerlei Verbindungshilfsmit­ tel wie Lot oder Klebstoff eingesetzt werden dürfen.

Die Lösung der Probleme im Stand der Technik geschieht dem­ nach zum einen mit einer Kombination aus Metall und Kunst­ stoff (strukturierte Metallschicht gegenüber einer Kunst­ stoffdeckschicht) und zum anderen mit einer Kombination aus gasgefüllten Vertiefungen gegenüber einem Festkörper, bei­ spielsweise Silizium. Diese Kombinationen gewährleisten einen hohen Kontrast an Reflexionsgrad bezüglich Ultraschall. Für die Bereiche mit geringer Reflektion, das heißt hoher Transmission, ist ein Verbund von identischen Materialien bzw. ein Verbund mit Materialien annähernd gleicher akustischer Impedanzen erfor­ derlich. Diese Bereich sind entweder die nicht metallisierten Bereiche oder die zwischen den Vertiefungen liegenden Berei­ che.

Im folgenden werden anhand von die Erfindung nicht einschrän­ kenden schematischen Figuren Ausführungsbeispiele beschrie­ ben.

Fig. 1 zeigt einen Testkörper aus einer Metallkunststoffma­ terialkombination im Querschnitt,

Fig. 2 zeigt den Testkörper entsprechend Fig. 1 in der Auf­ sicht,

Fig. 3 zeigt ein Bild des Ultraschallsignals als Testergeb­ nis.

In einer ersten Ausführung sind die Bereiche mit hohem Refle­ xionsgrad bezüglich Ultraschall als dünne Metallschichten auf einem Kunststoffsubstrat aufgebracht. Das Kunststoffsubstrat besteht vorzugsweise aus Plexiglas (PMMA). Die Größe des Re­ flexionsgrades hängt von der akustischen Impedanz des Me­ talls, des Substrats und der darauf aufgebrachten Abdeckmasse (Deckschicht) ab. Als Material für die Deckschicht wird vor­ zugsweise Araldit verwendet. Darüber hinaus existiert eine Abhängigkeit der akustischen Impedanz von der Frequenz des Ultraschallsignals und der Stärke der Metallschicht. Um einen ausreichenden Kontrast des Reflexionsgrades bezüglich Ultra­ schall der Bereiche der Metallschicht zu den umgebenden Be­ reichen zu erzielen, muß die Stärke der Metallschicht für Frequenzen von 5 bis 25 Mhz mindestens 10 bis 15 µm betragen. Für Frequenzen von 25 bis 150 Mhz muß eine Schichtstärke von mindestens 5 µm vorliegen.

Es ist vorteilhaft für ein möglichst gut definiertes Reflek­ tionsverhalten die Strukturen der Metallschicht mit einem möglichst kastenförmigen Profil herzustellen. Dabei sollte die Oberfläche der Metallschicht möglichst eben und glatt sein und die Strukturen sollten scharfe Kanten aufweisen. Für dünne Schichten ist es erheblich leichter, die Anforderungen zu erfüllen. Allerdings kann das Aspektverhältnis (Hö­ he : Breite) maximal den Wert 0,7 bis 1 annehmen. Für hohe Fre­ quenzen wie beispielsweise 100 Mhz ist die Metallisierungs­ schicht beispielsweise 5 µm stark. Die Linienbreiten von ka­ sten- oder quaderförmigen Metallstrukturen liegen dabei ca. bei 12 µm. Dies entspricht in einem Balkenmuster etwa 40 Li­ nienpaaren pro mm (LP/mm). Dies ist dem maximalen Auflösungs­ vermögen von Ultraschallmikroskopien bei 100 Mhz von ca. 30 bis 35 LP/mm angepaßt.

Die Deckschicht des Kalibrierkörpers, die beispielsweise aus Araldit besteht, kann in definiert abgestufter Form unter­ schiedliche aufeinander folgende Stärken aufweisen. Diese be­ sondere Ausführung liegt in dem Bereich der ultraschallakti­ ven Strukturen vor. Die Stufen können beispielsweise duch Abfräsen dargestellt werden. Der Kalibrierkörper, dessen Sub­ strat aus Plexiglas und dessen Deckschicht aus Araldit be­ steht, gewährleistet eine nahezu verschwindende Reflektion (lediglich 4% der eingebrachten Ultraschallenergie werden re­ flektiert).

Der Kalibrierkörper muß derart ausgeführt sein, daß die Kon­ taktstellen zwischen Substratmetallisierung und Deckschicht gleichmäßig gut verbunden sind. Insbesondere dürfen keine Ab­ lösungen, sogenannte Delaminationen, auftreten.

Ein besonderer Vorteil wird erzielt, in dem das Substrat und/oder die Deckschicht transparent sind, so daß jederzeit eine visuelle Kontrolle der Strukturen und der Verbindungs­ qualität zwischen den verschiedenen Schichten möglich ist. Eine derartige Kontrolle wird beispielsweise mit einem Mikro­ skop durchgeführt.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind Bereiche mit hohem Reflexionsgrad bezüglich Ultraschall als gasgefüll­ te Kammern im Innern des Testkörpers dargestellt. Dazu werden in einem Substrat Vertiefungen eingebracht, die geradlinige Kanten aufweisen. Diese Vertiefungen sind vorzugsweise recht­ eckig ausgebildet. Die Vertiefungen werden vorzugsweise durch Ätzungen in Silizium, Ausfräsungen im Metall oder Kunststoff hergestellt. Zur Erzeugung von Grenzschichten wird eine Deck­ schicht aufgebracht, die die Vertiefungen abdeckt, wobei kei­ nerlei Material in die Vertiefungen eindringen darf. Somit muß die Verbindung zwischen Substrat und Deckschicht kleb­ stofffrei und ohne verflüssigbare Verbindungshilfsmittel wie Lote ausgeführt sein. Ein mögliches Verbindungsverfahren ist das Kaltverschweißen beispielsweise eines mit Vertiefungen versehenen Siliziumsubstrats mit einer Siliziumdeckschicht. Voraussetzung hierfür ist eine ebene Ausführung und geringe Rauhigkeit der Fügepartner.

Die zweite Ausführungsform bietet den Vorteil, daß der maxi­ mal mögliche Kontrast zwischen der 100%-Reflektion an der gasgefüllten Kastenstruktur bzw. an der Grenzschicht Deck­ schicht/Gasvolumen und der 0%-Reflektion am Übergang Silizi­ um/Silizium erreicht wird. Ein weiterer Vorteil besteht dar­ in, daß die Reflektion an der Grenzfläche Silizium (Deck­ schicht/Gasvolumen) von der Dicke der Gasschicht und damit zugleich von der Ultraschallfrequenz unabhängig ist, da der Ultraschall praktisch nicht in das Gasvolumen eindringt.

Ein Herstellungsverfahren für die erste Ausführungsform der Erfindung sieht beispielsweise folgende Kennwerte und Verfah­ rensschritte vor:
Substrat: Plexiglas, Stärke 3 mm
Deckschicht: Araldit
Beschichtungsprozeß:
Vorbereitung des Substrats:

• - Oberfläche mit Quarzmehl (Rauhigkeit: < 3 µm) aufrauhen
• - Reinigung mit Aethanol

Aufdampfen einer Haftvermittlerschicht: Titan, 40 nm stark
Aufdampfen der stromleitenden Schicht: Kupfer, 150 nm stark
Photolackbeschichtung, 10-12 µm (schleudern oder spróhen)
Belichten
Entwickeln
Galvanikabscheidung von Kupfer, Stärke im Bereich von 50 bis 10 µm
Lack entschichten
Kupferstärke messen
Aufgedampfte Kupferschicht abätzen
Aufgedampfte Titanschicht abätzen
Abdeckung der strukturierten Metallschicht blasenfrei mit Araldit
Abdünnen der Deckschicht durch Fräsen und Polieren auf einen vorgegebenen Sollwert mit einer vorgegebenen Schichtstärke.

In Fig. 1 wird ein Kalibrierkörper im Querschnitt darge­ stellt. Als Substrat dient eine Schicht aus Plexiglas. Darauf aufgebracht ist eine strukturierte Metallschicht, in diesem Fall eine Kupferschicht. In den Bereichen der strukturierten Metallschicht wird eine Kunststoffabdeckung aufgebracht. In Fig. 1 besteht diese Deckschicht aus Araldit, die zusätzlich stufenartig in Form einer Treppe ausgeführt ist. Die Kanten der Stufen verlaufen insbesondere quer zu einem Balkenmuster der strukturierten Metallschicht.

Fig. 2 zeigt die Aufsicht auf einen Kalibrierkörper. Der Vorteil einer durchsichtigen Deckschicht besteht wie erwähnt darin, daß die strukturierte Metallschicht trotz einer Deck­ schicht sichtbar bleibt. In Fig. 2 ist ein vorgegebenes Bal­ kenmuster dargestellt, das zur Kalibrierung von Ultraschall­ mikroskope dient. Verglichen wird die Struktur eines Kalibrier- oder Testkörpers nach Fig. 2, wobei das Ultraschall­ bild, das heißt das Ergebnis oder Nutzsignal in Fig. 3 dar­ gestellt ist. Der als Fenster in Fig. 2 dargestellte Aus­ schnitt entspricht dem Testergebnis in der Ultraschallaufnah­ me in Fig. 3. Dabei wurde eine Ultraschallaufnahme mit den in Fig. 3 angegebenen Daten erstellt.

Anstelle von den in den Figuren dargestellten Balkenmustern können Gitterstrukturen oder andere Testmuster verwendet wer­ den.

Claims (12)

1. Kalibrierkörper für Ultraschallmikroskope bestehend aus:
einem Substrat aus Kunststoff,
einer darauf aufgebrachten strukturierten Metallschicht mit Strukturabmessungen im µm-Bereich mit hohem Reflexi­ onsgrad bezüglich Ultraschall und
einer Deckschicht, die zusammen mit dem Substrat an den nicht metallisierten Bereichen einen wesentlich niedri­ geren Reflexionsgrad bezüglich Ultraschall als den der Metallschicht aufweist.

2. Kalibrierkörper nach Anspruch 1, wobei die Deckschicht aus einem Epoxidharz besteht.

3. Kalibrierkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturen innerhalb der Metallschicht quader­ förmig ausgebildet sind.

4. Kalibrierkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metalloberflächen eben ausgebildet sind und/oder die Metallstruktur geradlinige Kanten aufweist.

5. Kalibrierkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat aus transparentem Material besteht.

6. Kalibrierkörper nach Anspruch 5, wobei das transparente Material Plexiglas (PMMA) ist.

7. Kalibrierkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die (Struktur in der)Metallschicht bei Ultraschall­ frequenzen von 5-25 MHz eine Stärke von mindestens 10- 15 µm und bei Ultraschallfrequenzen von 25-150 MHz eine Stärke von mindestens 5 µm aufweist.

8. Kalibrierkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite der Struktur weniger als 12 µm beträgt.

9. Kalibrierkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Deckschicht in verschiedenen vorgegebenen Stär­ ken ausgebildet ist.

10. Kalibrierkörper für Ultraschallmikroskope, bestehend aus:
einem Substrat aus Metall, Kunststoff oder Silizium,
einer Oberflächenstruktur mit mindestens einer mit ge­ radlinigen Kanten versehenen Vertiefung, durch die ein Gasvolumen mit hohem Reflexionsgrad bezüglich Ultra­ schall dargestellt wird und
einer mit dem Substrat verbundenen Deckschicht, die das Gasvolumen abschließt, so daß Bereiche der Substratober­ fläche ohne Vertiefungen einen wesentlich geringeren Re­ flexionsgrad bezüglich Ultraschall aufweisen als Berei­ che mit Vertiefungen.

11. Kalibrierkörper nach Anspruch 10, wobei Substrat und Deckschicht aus Silizium bestehen und gegeneinander kalt­ verschweißt sind.

12. Kalibrierkörper nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Ober­ flächenstruktur rechteckförmige Geometrie aufweist.