DE3835886A1 - Zeitfensterautomatik fuer ultraschallmikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Mikroskopie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeignetes Ultraschallmikroskop gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 7.

Am Empfangsverstärker eines Ultraschallmikroskops für Impulsbe­ trieb im Reflexionsmodus treten neben dem eigentlichen Meßsignal vom Reflex aus dem Fokus der Akustolinse stets auch eine Reihe anderer, störender Signale auf. Das bedeutendste hiervon ist das Linsenreflexsignal aus der Reflexion an der Grenzschicht von Linse und Kopplungsflüssigkeit. Das sogenannte "flat pulse"-Signal ent­ steht durch die Oberflächenreflexion von Ultraschallwellen, die durch die plane Randzone des Linsenkörpers übertragen werden. Wird der Fokus unter die Probenoberfläche verlegt, dann tritt die Reflexion an der Grenzschicht von Kopplungsflüssigkeit zur Proben­ oberfläche als Störsignal in Erscheinung. Weiter kommen Stör­ signale durch Mehrfachreflexionen zustande, so das "folded path"- Signal, wenn bei einem bestimmten Abstand von Akustolinse und Probenoberfläche die Linsenoberfläche gerade im Fokus der an der Probenoberfläche reflektierten Ultraschallwellen liegt und so eine resonante Mehrfachreflexion auftritt.

Da diese Störsignale, besonders das Linsenreflexionssignal, oft sogar intensiver als das Meßsignal sind, ist es notwendig, mit einer elektronischen Torschaltung ein Zeitfenster zu erzeugen, mit dem das Meßsignal von den Störsignalen getrennt werden kann.

Die Laufzeit all dieser Signale vom Anregungszeitpunkt bis zum Empfangsverstärker wird bestimmt durch die Schallgeschwindigkeit in den einzelnen durchlaufenen Medien bei der gewählten Betriebs­ frequenz und durch die Wegstrecken in diesen Medien. Bei einer Veränderung des Abstandes (z) zwischen der Akustolinse und der Probenoberfläche verändert sich daher die zeitliche Lage der verschiedenen Signale absolut und relativ zueinander.

Die Lage und Breite des Zeitfensters wird herkömmlich manuell nach dem Kriterium des optimalen Bildkontrastes eingestellt. Dieses Verfahren ist praktisch nicht reproduzierbar. Bei der Aufnahme der Leistungsreflexionskurve V(z) (US-Z IEEE Trans., Vol.SU-32 (1985), S. 225 - R.D.Weglein) wird die Fokuslage als Meßparameter verändert und es fehlt ein objektives Kriterium zur Festlegung des richtigen Zeitfensters.

Aus der DE-OS 36 16 127 ist es bekannt, ein Ultraschallmikroskop mit einer Torzeitgabe-Wechselvorrichtung zu versehen, womit an die Arbeitsfrequenz und Linsenlänge angepaßte und entweder für die Messung an der Probenoberfläche oder für die Messung im Inneren der Probe eingerichtete Torzeiten nach Bedarf eingeschaltet werden können.

Dabei sind aber nur zwei unterschiedliche Zeittore für verschie­ dene Fokuslagen, nämlich die Stellungen "Oberfläche" und "Inneres" vorgesehen. Eine Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Linse und der Probe wird nicht hergestellt. Zur Bestimmung der Daten der Zeittore werden keine Angaben gemacht.

In dem besonders bevorzugten Bereich der Ultraschallfrequenz von ca. 50-400 MHz wird die größte Nachweistiefe und mit dieser der nutzbare Verstellweg der Fokusebene und die Änderung der Laufzeiten, so groß, daß ein festes Zeitfenster, das bei allen Abständen das Meßsignal erfassen soll, unweigerlich auch Störsignale einfängt, weil es zu breit, d.h. mit zu großer Öffnungszeit, angelegt werden muß.

Aus der Druckschrift Ultraschallmikroskop LEITZ ELSAM, S. 13, Ernst Leitz Wetzlar GmbH; Wetzlar, DE 1987, Best. Nr. 913 317, ist es bekannt, daß die Position des Zeitfensters vollautomatisch optimiert und softwaregesteuert verschoben werden kann. Es ist daraus auch bekannt, daß dies zur Optimierung von Tiefenabbildungen bei niedrigen Frequenzen geeignet ist. Es wird aber nicht angege­ ben, welche Parameter konkret zur Einstellung des Zeitfensters herangezogen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Akustomikro­ skopie und ein dafür geeignetes Ultraschallmikroskop bereitzustel­ len, mit dem bei der Messung in allen zugänglichen Probentiefen automatisch eine zuverlässige Trennung des Meßsignals von Störsig­ nalen erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zeit­ dauer von einem Zeitbezugssignal bis zum Öffnen des Zeitfensters und die Öffnungsdauer des Zeitfensters in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Akustolinse und der Oberfläche der Probe verändert wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile zeigen sich besonders in einem Bereich der Ultraschallfrequenz von ca. 50-400 MHz bei der Aufnahme der Leistungsreflexionskurve V(z), welche damit bei mini­ malen Störeinflüssen über große Tiefenbereiche gemessen werden kann.

Zugleich kann mit der Erfindung die xy-Bildabtastung bei reduzier­ ten Störungen in besonders einfacher Weise in unterschiedlichen Tiefen der Probe durchgeführt werden. Es muß nur noch die Mate­ rialkategorie der Probe eingegeben werden und der Abstand von Akustolinse und Probe eingestellt werden. Die geeignete Einstel­ lung des Signal-Zeitfensters erfolgt dann automatisch und repro­ duzierbar. Die Bedienung des Ultraschallmikroskops wird also we­ sentlich vereinfacht und beschleunigt und die Anforderungen an das Bedienungspersonal werden verringert.

Wird das Zeitfenster durch eine automatische Einrichtung zusätz­ lich in Abhängigkeit vom Verlauf der Meßsignale von verschiedenen Meßpunkten verändert, dann kann in vorteilhafter Weise ein Ver­ gleich von Proben mit vorgegebenen Mustern durchgeführt werden, beispielsweise bei der Überwachung von Produktionsschwankungen von Schichtdicken oder der Adhäsion von Schichten bei dünnen Mehrfach- Schichten.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Zeichnung nachfol­ gend weiter erläutert. Diese zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Gesamtanordnung eines Ultraschallmikroskops, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Der Aufbau basiert auf einem bekannten Ultraschallmikroskop für den Impulsbetrieb im Reflexionsmodus (Leitz Mitt. Wiss. Techn. Bd. VIII (1982), S. 61-67).

An der Rückseite einer Akustolinse 1 ist ein piezoelektrischer Ultraschallwandler 2 aufgebracht, welcher über ein Anpassungs­ netzwerk 3 an einen Zirkulator 4 angeschlossen ist. Zum Erzeugen des Ultraschallimpulses verbindet der Zirkulator 4 den piezoelek­ trischen Ultraschallwandler 2 mit dem Mikrowellensender 5. Zum Empfang trennt der Zirkulator 4 in Verbindung mit einem PIN- Dioden-Schalter 6, der die Trennung besonders hochohmig macht, den piezoelektrischen Ultraschallwandler 2 vom Mikrowellensender 5 und verbindet den Wandler 2 zugleich mit einer Empfangselektronik. Die Empfangselektronik besteht aus einem Zeittor 7 zum Trennen der empfangenen Signale, Verstärkerstufen 8, 8′ Umform- und Speicher­ einrichtungen, z.B. zur Bildung von Standard-Video-Signalen 9 und Ausgabeeinrichtungen, z.B. Oszillograph oder Video-Monitor 10.

Akustolinse 1, Wandler 2 und Anpassungsnetzwerk 3 sind durch ein Gehäuse 11 zu einer leichten Objektiveinheit zusammengefaßt, wel­ che im Mikroskopgehäuse 12 beweglich gelagert ist und zur raster­ förmigen Abtastung des Objekts in zwei Koordinatenrichtungen schwingen kann (Rasterbewegung 13).

Von der Akustolinse 1 wird der Ultraschall durch ein Ankopplungs­ medium (Wasser) 14 auf die Probe 15 übertragen und in der Fokus­ ebene 16 fokussiert. Die Probe 15 ist auf einen Objekttisch 17 aufgebracht. Eine Höhenverstelleinrichtung 18 erlaubt die Einstel­ lung einer gewünschten Fokustiefe in der Probe bzw. die Aufnahme von V(z)-Kurven. Die Höhenverstelleinrichtung 18 kann elektrisch angetrieben und gesteuert 19 sein.

Über ein Bedienpult 20 kann der Benutzer des Ultraschallmikroskops u. a. die Frequenz des Mikrowellensenders 5 bestimmen, die Bildab­ tastbewegung des Objektivs 11 vorgeben und über die Höhenverstell­ einnrichtung 18, 19 eineFokusebene 16 auswählen, sowie die Darstellung auf der Ausgabeeinrichtung 10 einstellen.

Ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Ultraschallmikroskop benötigt demgegenüber verschiedene Ergän­ zungen.

Eine elektronische Präzisions-Längenmeßeinrichtung 21 erfaßt die relative Höhendifferenz zwischen dem Objekttisch 17 und der in der Höhe gegen das Mikroskopgehäuse 12 fixierten Akustolinse 1 und erzeugt ein entsprechendes elektronisches Signal 22. So werden durch die Höhenverstelleinrichtung 18, 19 bewirkte Änderungen des Ab­ stands von der Linse 1 zur Oberfläche der Probe 15 direkt gemes­ sen. Der Absolutwert dieses Abstandes wird durch eine Eichein­ richtung 23 bestimmt, wie weiter unten beschrieben wird. Das ge­ eichte z-Abstandssignal 24 steuert im Zusammenwirken mit einer in einem Kennlinienspeicher 25 gespeicherten t(z)-Kennlinie 26 einen Torzeitgeber 27, welcher durch ein Signal 28 vom Ultraschall­ empfangsteil getriggert wird. Dieser Torzeitgeber 27 schaltet das Zeittor 7 im Empfangsteil ein und aus (29).

Der im Kennlinienspeicher 25 abgelegte Zusammenhang t(z) 26 von Torzeit und Abstand der Akustolinse 1 zur Oberfläche der Probe 15 wird zuvor für zu untersuchende Materialien empirisch ermittelt. Kennlinienspeicher 25 und Torzeitgeber 27 können als analoge oder digitale elektronische Schaltungen aufgebaut werden. Vorzugsweise werden diese jedoch in programmierbarer Mikroprozessortechnik realisiert. Je nach Bedarf und schaltungstechnischem Aufwand kann der Zusammenhang t(z) 26 beispielsweise in einzelnen Stufen, als Steigung einer linearen Kennlinie oder als digital abgespeichertes komplexes Kennlinienfeld realisiert werden.

Zur Eichung der präzisions-Längenmeßeinrichtung 21 auf den Absolutwert des Abstandes von der Linse 1 zur Oberfläche der Probe 15, welche wegen der unterschiedlichen Dicken der verschiedenen Proben erforderlich wird, kann in der Eicheinrichtung 23 von der Tatsache Gebrauch gemacht werden, daß im Falle der Fokussierung auf die Oberfläche der Probe 15 das Maximum des Meßsignals erhal­ ten wird. Es wird also der z-Abstand verändert und bei einer breiten, mittleren Einstellung des Zeittors das maximale Signal gesucht und diesem z=0 zugeordnet. Geeignete elektronische Prä­ zisionslängenmeßeinrichtungen stehen in vielen Varianten zur Verfügung.

Der Abstand von der Linse 1 zur Oberfläche der Probe 15 kann je­ doch auch direkt bestimmt werden. Eine Möglichkeit hierfür bietet das in das Ultraschallobjektiv integrierte optische Verfahren nach der DE-OS 33 40 646.

Claims (14)

1. Verfahren zur akustischen Mikroskopie mit einem Ultraschall­ mikroskop für Impulsbetrieb im Reflexionsmodus

• a) mit einer Verstelleinrichtung (18) für den Abstand (z) zwischen der Akustolinse (1) und der Oberfläche der Probe (15),
• b) mit einer Meßeinrichtung (21) zur Bestimmung und Erfassung des Abstandes zwischen der Akustolinse (1) und der Ober­ fläche der Probe (15),
• c) mit einer elektronischen Torschaltung (7, 27), die bezogen auf ein von der Probe unabhängiges Zeitbezugssignal (28) ein Zeitfenster für Ultraschallechosignale festlegt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• d) die Zeitdauer vom Zeitbezugssignal (28) bis zum Öffnen des Zeitfensters und die Öffnungsdauer des Zeitfensters durch eine automatische Einrichtung (7, 21, 23, 25, 27) in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Akustolinse (1) und der Oberfläche der Probe (15) verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeitdauer vom Zeitbezugssignal (28) bis zum Öffnen des Zeitfensters nach einer vorgegebenen, gespeicherten Kennlinie (25, 26) in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Akusto­ linse (1) und der Oberfläche der Probe (15) verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeitdauer vom Zeitbezugssignal (28) bis zum Öffnen des Zeitfensters in vorgegebenen Stufen in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Akustolinse (1) und der Oberfläche der Probe (15) verändert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch die Anwendung bei der Messung der Leistungsreflexionskurve V(z) durch das Variieren des Abstandes zwischen der Akustolinse (1) und der Oberfläche der Probe (15).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch die Anwendung bei der Aufnahme eines akustomikroskopischen Bildes in einer bestimmten Tiefe der Probe (15).

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitbezugs­ signal das Linsenreflexsignal genutzt wird.

7. Ultraschallmikroskop für Impulsbetrieb im Reflexionsmodus

• a) mit einer Verstelleinrichtung (18) für den Abstand zwischen der Akustolinse (1) und der Oberfläche der Probe (15),
• b) mit einer Meßeinrichtung (21) zur Bestimmung und Erfassung des Abstandes zwischen der Akustolinse (1) und der Ober­ fläche der Probe (15),
• c) mit einer elektronischen Torschaltung (7, 27), die bezogen auf ein von der Probe unabhängiges Zeitbezugssignal (28) ein Zeitfenster für Ultraschallechosignale festlegt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• d) eine automatische Einrichtung vorhanden ist, welche die Zeit­ dauer vom Zeitbezugssignal (28) bis zum Öffnen des Zeit­ fensters und die Öffnungsdauer des Zeitfensters in Abhängig­ keit vom Abstand zwischen der Akustolinse (1) und der Ober­ fläche der Probe (15) verändert.

8. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die automatische Einrichtung die Zeitdauer vom Zeitbezugssignal (28) bis zum Öffnen des Zeitfensters nach einer vorgegebenen, gespeicherten Kennlinie (26) in Abhängig­ keit vom Abstand zwischen der Akustolinse (1) und der Oberfläche der Probe (15) verändert.

9. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die automatische Einrichtung die Zeitdauer vom Zeitbezugssignal (28) bis zum Öffnen des Zeitfen­ sters in vorgegebenen Stufen in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Akustolinse (1) und der Oberfläche der Probe (15) verändert.

10. Ultraschallmikroskop nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitbezugssignal (28) das Linsenreflexionssignal genutzt wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitfenster durch eine automatische Einrichtung zusätzlich in Abhängigkeit vom Verlauf der Meßsignale von verschiedenen Meßpunkten verändert wird.

12. Ultraschallmikroskop nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitfenster durch eine automatische Einrichtung zusätzlich in Ab­ hängigkeit vom Verlauf der Meßsignale von verschiedenen Meßpunkten verändert wird.