JPH0486553A - 超音波顕微鏡における試料の傾き調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、超音波顕微鏡における試料の傾き調整装置、
さらに詳しくは音響レンズの二次元走査により得られる
走査平面と試料平面間の相対的傾きを算出し、その算出
結果に基づいて試料平面の傾きを補正する傾き調整装置
に関する。

Ｂ、従来の技術 第５図は、半導体ＩＣのパターン検査などに適用される
超音波顕微鏡の基本構成を示すブロック図である。

図において、１は高周波のパルスをバースト波状に発生
するパルス発生部、２はサーキュレータ、３は圧電振動
子、４は音響レンズ、５は水等の媒質、６は試料、７は
試料６を載置する試料台である。８は試料６から音響レ
ンズ４．サーキュレータ２を通して得られる反射波信号
を増幅、検波する受信部、９は受信部８がらの検波信号
を試料台７の走査位置に関する情報とともに輝度信号に
変換して映像化処理し、かつ試料台７の制御などを行う
制御回路であり、ＣＰＵ等から構成される。

１０は制御回路９により制御される試料台の走査・駆動
部、１１は制御回路９からの映像信号を可視化する表示
装置である。

このように構成された超音波顕微鏡において、制御回路
９からパルス発生部１に制御信号が入力されると、パル
ス発生部１から制御信号に同期したバースト波状の高周
波パルスが発生する。このパルス波はサーキュレータ２
を通して圧電振動子３に加わり、圧電振動子３によって
超音波に変換される。この超音波は音響レンズ４で集束
され、水などの媒質５を介して試料６に照射される。試
料６に到達した超音波はその音響特性に応じて反射して
音響レンズ４により受信される。受信された反射波は圧
電振動子３で電気信号に変換され、サーキュレータ２を
通して受信部８に送られる。

受信部８で受けた電気信号は増幅され、かつ検波される
ことにより試料６からの反射強度に応じた信号に変換さ
れ、制御回路９に入力される。

制御回路９では、試料の走査位置に対する位置情報を加
味して超音波顕微鏡像の映像化処理を行い、モノクロま
たはカラー画像として表示袋ｗ１１に表示する。

ところで、このような超音波顕微鏡において、高分解能
の試料像が観察できるようにするためには、試料平面を
音響レンズから照射される超音波集束ビームの軸線に対
し鉛直におくことが必要である。この場合、試料６を載
置する試料台７は、ｆｉＦレンズを２次元走査すること
により得られる走査平面と試料６の観察平面とが平行に
調整できる機能を有していなければならない。走査平面
と試料平面の平行度を調整するものとしては、直交する
二方向に対して平面を傾斜させることができるゴニオメ
ータがある。これは表示袋Ｎ１１に表示される超音波顕
微鏡像を見ながらマニアル操作することで走査平面と試
料平面の平行度を調整するものである。これに対し、走
査平面と試料平面の相対的傾きを自動的に検出し、その
検出結果に基づいて走査平面に試料平面を平行させる傾
き調整装置が特開昭６１−２５９１７０号公報で知られ
ている。この方式は、音響レンズにより走査される試料
平面の任意の複数点で焦点が合った状態での音響レンズ
と試料との距離を測定し、これらの距離データから走査
平面に対する試料平面の傾きを演算し、この演算結果に
基づいて試料台７に付設のゴニオメータを自動操作する
ことにより走査平面に試料平面を平行させるように制御
する。

Ｃ１発明が解決しようとする課題 上述のような従来の傾き調整方式において、ゴニオメー
タをマニアル操作するものでは、走査平面に試料平面を
平行させるのに熟練を要し、かつ調整に多くの時間を要
する問題がある。

また、走査平面と試料平面間の傾きを自動的に調整する
方式では、任意の数点における音響レンズと試料間の距
離情報から走査平面に対する試料平面の傾きを求めるも
のであるため、例えば計測点のうちの１点が試料平面に
対し突出した点であったりすると、この距離データが試
料平面の傾き結果に直接影響を及ぼし、実際の試料平面
と異なった平面情報となってしまうほか、正確な傾き情
報が得られないという問題がある。

本発明の目的は、走査平面に対する試料平面の傾きを容
易にかつ高精度に得ることができる試料の傾き調整装置
を提供することにある。

９０課題を解決するための手段 一実施例である第１図に対応づけて本発明を説明すると
、本発明は、音響レンズ４を用いて試料６に超音波を集
束し、その反射波を音響レンズ４を通して受信すること
により電気信号に変換し、かつ映像化処理して画像表示
する超音波顕微鏡に適用される。

そして、上記目的は、音響レンズ４を試料６に対しＸ軸
およびＹ軸方向に走査することにより超音波で形成され
る検出信号をＸ軸およびＹ軸方向の少なくとも各１ライ
ンずつ抽出する抽出手段９゜１２と、抽出手段９，１２
により抽出された１ラインの検出信号から音響レンズ４
の走査平面と試料平面とのなす角度により生じる強度分
布を検出し、その強度分布結果から試料平面の三次元的
傾きを算出する演算手段１３と、演算手段１３で求めら
れた傾きに応じて試料平面の傾きを補正する補正手段１
４とを備えることにより達成される。

Ｅ０作用 抽出手段１２で抽出されるＸ軸およびＹ軸方向の１ライ
ン分の検出信号を演算手段１３に取り込んで演算するこ
とにより、直交する２方向の強度分布９例えば干渉縞の
間隔が求められ、これから走査平面と試料平面とのＸ軸
およびＹ軸の傾きが算出される。この傾きから試料平面
の傾きを補正するから、高精度の傾き調整が可能になり
、さらに走査平面に対する試料平面の傾きを容易にかつ
精度良く求め得る。

なお、本発明の詳細な説明する上記り項およびＥ項では
、本発明を分かり易くするために実施例の図を用いたが
、これにより本発明が実施例に限定されるものではない
。

Ｆ、実施例 以下、本発明の一実施例を第１図〜第３図に基づいて説
明する。

第１図は全体の構成図を示すもので、第４図に示す場合
と同様に高周波パルス発生部１、サーキュレータ２．圧
電振動子３、音響レンズ４、試料台７、受信部８、制御
回路９、試料台７の走査・駆動部１０および表示装置１
１を備え、これにより試料６を超音波により観察する。

また、第１図において、Ｘ、Ｙ軸方向の１ライン選定回
路１２、傾き演算回路１３、傾き補正回路１４およびこ
れらを管理制御する制御部１５は。

本実施例の特徴部分である。

１ライン選定回路１２は、音響レンズ４による試料６の
Ｘ軸およびＹ軸方向の走査ラインの任意１つを選定する
もので、そのライン選定信号は走査・駆動部１０に供給
される。これにより試料台７をＸ軸またはＹ軸と平行に
移動して選定された試料平面の１ライン上を音響レンズ
４が走査できるようにする。

傾き演算回路１３は、音響レンズ４による試料平面の１
ライン走査で得られるＸ軸およびＹ軸方向の各１ライン
分のデータを制御回路９を通して取り込み、この各１ラ
イン分のデータから第２図に示す干渉縞の間隔Ｑｘ、Ｑ
ｙを演算し、かつ走査平面に対する試料平面のＸ方向、
Ｘ方向の傾きを演算する。

傾き補正回路１４は、傾き演算回路１３で算出された試
料平面の傾きを補正するものであり、これから出力され
る補正信号は試料台７の走査・駆動部１０に入力される
。

なお、１ライン選定回路１２．傾き演算回路１３および
傾き補正回路１４を管理し制御する制御部１５はＣＰＵ
等から構成される。

次に動作について説明する。

超音波顕微鏡が通常の観察動作モードにあるとき、音響
レンズ４および試料台７を相対的に二次元走査すること
により得られる音響レンズ４の走査平面と試料平面とが
平行でない場合、音響レンズ界面の反射波と試料平面の
反射波との干渉によって超音波顕微鏡像には、第２図に
示すように干渉波が極大となる白抜き部分と干渉波が極
小となるハツチング部分とを交互に有する干渉縞が現れ
る。ここで、干渉縞は、音響レンズ界面からの反射超音
波と試料平面からの反射超音波との位相が一致したとき
に極大となり、両反射超音波の位相が１８０°ずれた（
逆相）ときに極小となる。

また、干渉縞の間隔Ｑθは走査平面に対する試料平面の
傾きθによって変化し、傾きθが小さくなれば、干渉縞
の間隔は大きくなる。この傾きθと干渉縞の間隔Ｑθと
の関係を第３図を参照して説明する。

干渉縞が極大となる場合の走査平面と試料平面とのＸ方
向の距離Ｑａは、 となり、極小となる場合のＸ方向の距離ｎｂは、となる
。但し、λＷは媒質５中での波長、Ｋは正の整数である
。

（１）、（２）式により、干渉縞の間隔Ｑθは、Ωθ＝
　２　（Ｑ　ａ　−Ｑ　ｂ　）　／　ｔ　ａ　ｎθ＝λ
ｗ／２ｔａｎθ　　　　　・・・（３）となる。媒質の
音速をＶｗ、超音波の周波数をＦとすると、１ｗ　＝　
Ｖ　ｗ　／　Ｆであるから、Ｑθ＝Ｖｗ／　２　Ｆ　ｔ
　ａ　ｎθ　　　　−１４）となる、よって、θはＱθ
によって、 θ＝ｊ　ａ　ｎ””　（Ｖｗ／２ＦＱθ）　　＝・（５
）と表される。

Ωθは第２図に示すＸ方向成分Ｑｘと、ｙ方向成分子ｌ
ｙに分解できるから、それぞれに対するＸ方向の傾きθ
Ｘ、ｙ方向の傾きθｙは次式によって求めることができ
る。

次に、第４図に示すフローチャートを参照して実際の傾
き調整について説明する。

傾き調整に際し、制御部１５からの制御指令により１ラ
イン選定回路１２が動作すると、まずＸ軸方向のライン
選定指令が走査・駆動部１０に与えられる。これにより
走査・駆動部１０が動作すると、試料台７はＸ軸方向に
パルス発生部１からのバースト波状パルス信号の発生動
作に同期して移動される。このため、パルス発生部１か
らのパルス信号により励振される圧電振動子３からの超
音波は音響レンズ４を通して試料６に照射されると共に
、その反射波および音響レンズ界面の反射波は圧電振動
子３で電気信号に変換された後、サーキュレータ２を通
して受信部８で受信され制御回路９へ出力される。

すなわち、試料平面は第２図に示すようにＸ軸と平行な
任意の１ライン上で音響レンズ４により走査され、これ
によってＸ軸方向の１ライン分のデータを抽出する（ス
テップＳｌ）。

次のステップＳ２では、抽出されたＸ軸方向の１ライン
分のデータを傾き演算回路に取り込み、このデータに対
して高速フーリエ変換（以下ＦＦＴと略称する）を行う
。そして、次のステップＳ３において、ＦＦＴで得られ
たパワースペクトルのピーク位置に対応する周期から干
渉縞のＸ軸方向の間隔１１ｘを計算する。次のステップ
Ｓ４では、上記（６）式を用いて試料平面のＸ成分の傾
きθＸを計算する。

ステップＳ５では、制御部１５からの制御指令により１
ライン選定回路１２を動作させて、Ｙ軸方向のライン選
定指令を走査・駆動部１０に与える。これにより走査・
駆動部１０が動作すると、試料台７はＹ軸方向にパルス
発生部１からのバースト波状パルス信号の発生動作に同
期して移動される。このため、Ｘ軸の場合と同様にパル
ス発生部１からのパルス信号により励振される圧電振動
子３からの超音波は音響レンズ４を通して試料６に照射
されると共に、その反射波および音響レンズ界面の反射
波は圧電振動子３で電気信号に変換され、さらにサーキ
ュレータ２を通して受信部８で受信された後、制御回路
９へ出力される。

すなわち、試料平面は第２図に示すようにＹ軸と平行な
任意の１ライン上で音響レンズ４により走査され、これ
によってＹ軸方向の１ライン分のデータを抽出する。こ
の抽出されたデータは傾き演算回路１３に取り込むこと
で、まず、ＦＦＴを行う（ステップＳ６）。そして、次
のステップＳ７において、ＦＦＴで得られたパワースペ
クトルのピーク位置に対応する周期から干渉縞のＹ軸方
向の間隔Ｑｙを計算する０次のステップＳ８では、上記
（６）式を用いて試料平面のｙ成分の傾きθｙを計算す
る。

その後、傾き演算回路１３で算出した傾きθＸ。

θｙを傾き補正回路１４に出力して傾き補正信号に変換
し、これを走査・駆動部１０に加えて試料台７内のゴニ
オメータを制御することにより、試料台を調整して、そ
の傾きθＸ、θｙを補正する。

これにより走査平面と試料平面とを平行にすることがで
きる。

このように本実施例によれば、超音波顕微鏡像から任意
の１ライン分のデータを抽出し、このデータから試料平
面の傾きを求めるものであるから、走査ライン中に凹凸
が存在しても、これによる傾き情報の算出精度への影響
は少なく済むほか、試料平面の凹凸の少ない部分、すな
わち、干渉縞に対して影響の少ない部分のデータを抽出
できる利点があるほか、ＦＦＴの点数を増加することに
より、干渉縞の間隔に対する精度を向上できる。

なお、上記実施例では、音響レンズ４と試料台７との相
対的な走査により１ライン分のデータを抽出する方式に
ついて述べたが、これに限らず、例えば音響レンズの二
次元走査により得られる第２図に示す如き超音波顕微鏡
像を画像メモリに格納しておき、この画像メモリから任
意の１ライン分のデータを読み出して干渉縞の間隔を算
出するようにしてもよい。

また、干渉縞の間隔を算出するためのデータは１ライン
分に限定されない。さらにまた、−軸走査で超音波顕微
鏡像データを得る場合には、実施例に示す１ライン選定
回路を省略できる。

Ｇ１発明の詳細 な説明したように本発明によれば、音響レンズを試料に
対し走査することにより超音波で形成される検出信号を
Ｘ軸およびＹ軸方向の少なくとも各１ラインずつ抽出し
、この１ラインの検出信号から音響レンズの走査平面と
試料平面とのなす角度により生じる強度分布を検出し、
その強度分布結果から試料平面の三次元的傾きを算出す
る構成にしたので、試料平面の傾きを高精度にかつ容易
に算出でき、かつ高精度の傾き調整が安定して得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体の構成図、第２図
は本実施例における超音波顕微鏡像の干渉縞の例を示す
図、第３図は走査平面と試料平面の関係を示す説明図、
第４図は本実施例における傾き調整の手順を示すフロー
チャート、第５図は超音波顕微鏡の基本構成を示すブロ
ック図である。 １：パルス発生部　　２：サーキュレータ３：圧電振動
子　　　４：音響レンズ ５：媒質　　　　　　６：試料 ７：試料台　　　　　８：受信部 ９：制御回路　　　１０：走査・駆動部１１：表示装置
　　　１２：１ライン選定回路１３：傾き演算回路　１
４：傾き補正回路１５：制御部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 音響レンズを用いて試料に超音波を集束し、その反射波
   を音響レンズを通して受信することにより電気信号に変
   換し、かつ映像化処理して画像表示する超音波顕微鏡に
   おいて、 前記音響レンズを試料に対しＸ軸およびＹ軸方向に走査
   することにより超音波で形成される検出信号をＸ軸およ
   びＹ軸方向の少なくとも各１ラインずつ抽出する抽出手
   段と、 前記抽出手段により抽出された１ラインの検出信号から
   前記音響レンズの走査平面と試料平面とのなす角度によ
   り生じる強度分布を検出し、その強度分布結果から試料
   平面の三次元的傾きを算出する演算手段と、 前記演算手段で求められた傾きに応じて試料平面の傾き
   を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする超音波
   顕微鏡における試料の傾き調整装置。