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Die
Erfindung betrifft ein akustisches Rastermikroskop mit automatischem
Autofokus.
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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 59-44 582 B4 und
JP 58-1 06 453 A , 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 mit den Vorrichtungen des
Standes der Technik begrenzt ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur akustischen
Rastermikroskopie zu schaffen, die eine Einstellung der Fokuslage
unabhängig vom durchgeführten Messverfahren ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird durch ein akustisches Rastermikroskop gelöst,
das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
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Das
akustische Rastermikroskop ist von besonderem 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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Es
ist selbstverständlich, dass das von der erfindungsgemäßen
Vorrichtung durchgeführte Verfahren auch bei einem akustischen
Rastermikroskop mit nur einem Transducer anwendbar ist und erfolgreich
arbeitet.
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Das
akustische Autofokus-Verfahren bei einem akustischen Rastermikroskop
umfasst eine Reihe von Schritten. Zunächst wird mit mindestens
einem Transducer eine von verschiedenen Probenstellen einer Probe
durchgeführt; wobei die verschiedenen Probenstellen, die
durch die Abrasterung angefahren werden, durch den mindestens einen
Transducer mit akustischen Signalen bestrahlt werden. Die von der
Probe an den verschiedenen Probenstellen hindurch gelassenen und/oder
reflektierten akustischen Signale werden durch eine piezoelektrische Wandlerschicht
des Transducers detektiert. Mit einem AD-Wandler werden die akustischen
Signale demoduliert. Mit einem Auto-Fokus-Algorithmus wird die Maximalamplitude
der Signale in Abhängigkeit von Geometrieparametern des
verwendeten, fokussierenden Transducers ermittelt. Schließlich
erfolgt das Verstellen des mindestens einen Transducers in Z-Richtung
aufgrund der ermittelten Maximalamplitude, so dass ein Signalmaximum
der vom Element hindurch gelassenen und/oder reflektierten akustischen
Signale erhalten wird.
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Das
Autofokus-Verfahren 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
bei dem Signalmaximum erhaltenen Daten des Elements der Probe werden
aufgezeichnet. Die bei dem Signalmaximum erhaltenen Daten des Elements
der Probe werden verglichen und simultan aufgezeichnet.
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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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Die
von mindestens 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. Die erhaltenen Daten des zu detektierenden
Elements werden als ein im Fokus befindliches Bild auf einem Display
dargestellt. Das zu detektierende Element in der Probe kann eine
Schicht sein.
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Mit
Hilfe des Verfahrens 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;
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7 eine
Prinzipdarstellung einer Verfahreinheit für den Scanner
mit einer Vielzahl von Transducern;
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8 eine
Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der der
Transducer an einer festen Stelle steht;
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9 eine
Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der der
Transducer in einer Richtung über die Probe bewegt wird;
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10 eine
Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der der
Transducer entsprechend der in der 3 dargestellten
Weise über die Probe bewegt wird;
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11 eine
Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der der
Transducer entsprechend der in der 3 dargestellten
Weise über die Probe bewegt wird, wobei eine geneigte Ebene
im Innern der Probe aufgenommen wird;
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12 eine
Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der der
Transducer entsprechend der in der 3 dargestellten
Weise über die Probe bewegt wird, und wobei Bilder aus
unterschiedlichen Ebenen der Probe erzeugt werden;
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13 eine
Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der der
Transducer in automatisierter Weise über die Probe bewegt
wird, um Bilder gemäß unterschiedlicher Verfahren
zu erzeugen;
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14 eine
Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der der
Transducer derart gesteuert wird, dass mehrere Schnitte in Z-Richtung
durch die Probe erzeugt werden; und
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15 eine
Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop; bei der die
Transmission der Schallwellen durch die Probe bestimmt wird.
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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 Transducer 4 versehen,
der 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 2 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 50 Hz 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.
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8 zeigt
eine Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der
der Transducer 50 an einer festen Stelle 80 steht.
Die Information über das Innere der Probe 2 wird
dadurch erhalten, dass eine akustische Welle 81 von der
Probe 2 reflektiert wird. Die Flugzeitmessung ist abhängig
von der Tiefe des Elements im Innern der Probe 2. Auf dem Display 54 oder
User-Interface können die am Transducer 50 ankommenden
Echos dargestellt werden. Diese quantitative Zeitmessung wird benutzt,
um die elektronischen Gates für die Tiefe des Einblicks
in das Innere der Probe zu setzen. Falls mehr als ein Gate gesetzt
wird, können Bilder aus unterschiedlichen Ebenen der Probe 2 auf
dem Display 54 dargestellt werden.
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9 zeigt
eine Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der
der Transducer 50 in einer Richtung über die Probe 2 bewegt wird.
Die Bewegung des Transducers 50 kann dabei in beliebiger
X- und Y-Richtung erfolgen. Man erhält Informationen aus
dem Innern der Probe 2 entlang einer Linie 90 oder
einer Linie 91. Dadurch kann die Tiefe von unterschiedlichen
Strukturen im Innern einer Probe 2 bestimmt werden.
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10 zeigt
eine Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der
der Transducer entsprechend der in der 3 dargestellten Weise über
die Probe bewegt wird. Abhängig von der Einstellung der
Parameter des Mikroskops wird eine Ebene 100 innerhalb
der Probe aufgenommen. Das Bild wird entsprechend Zeile für
Zeile und Pixel für Pixel zusammengestellt.
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11 zeigt
eine Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der
der Transducer entsprechend der in der 3 dargestellten Weise über
die Probe bewegt wird, wobei eine geneigte Ebene 110 im
Innern der Probe 2 aufgenommen wird. Um die geneigte Ebene 110 im
Innern der Probe 2 aufnehmen zu können, wird das
elektronische Gate in entsprechender Weise geändert.
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12 zeigt
eine Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der
der Transducer entsprechend der in der 3 dargestellten Weise über
die Probe 2 bewegt wird, und wobei Bilder aus unterschiedlichen
Ebenen 120, 121, 122, 123 der
Probe 2 erzeugt werden.
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13 zeigt
eine Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der
der Transducer in automatisierter Weise über die Probe
bewegt wird, um Bilder gemäß unterschiedlicher
Verfahren zu erzeugen. Mit dieser Untersuchungsmethode können
verschiede Volumenbereiche 130, 131, 132 und 133 untersucht
werden. Ein erster Volumenbereich 130 ist z. B. die Tiefenanalyse
der Probe mit mehreren senkrechten Ebenen. Ein zweiter Volumenbereich 131 ist
z. B. die Tiefenanalyse der Probe mit mehreren Ebenen, die parallel
zur X/Y-Ebene ausgerichtet sind. Ein dritter Volumenbereich 132 ist
z. B. die Tiefenanalyse der Probe mit mehreren Ebenen, die geneigt
zur X/Y-Ebene ausgerichtet sind. Ein vierter Volumenbereich 133 ist
z. B. die Tiefenanalyse der Probe mit mehreren parallelen Linien,
die parallel zur X/Y-Ebene ausgerichtet sind.
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14 zeigt
eine Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der
der Transducer 50 derart gesteuert wird, dass mehrere Schnitte 140, 141, 142, 143, 144, 145 in
Z-Richtung durch die Probe erzeugt werden. Die Anzahl der Schnitte 140, 141, 142, 143, 144, 145 ist
frei wählbar.
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15 zeigt
eine Untersuchungsmethode mit einem akustischen Mikroskop, bei der
die Transmission der Schallwellen durch die Probe bestimmt wird.
Ein Transducer 50 ist über der Probe 2 vorgesehen
und emittiert ein Ultraschallsignal, das von einem zweiten Transducer 150 unterhalb
der Probe detektiert wird. Diese Untersuchungsmethode stellt aufgrund
des zweiten Transducers 150 eine Volumenauflösung
bis tief in die Probe zur Verfügung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 59-44582
B4 [0002]
- - JP 58-106453 A [0002]
- - WO 01/86281 A1 [0003]