JPH0577025B2 - - Google Patents

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JPH0577025B2
JPH0577025B2 JP61032062A JP3206286A JPH0577025B2 JP H0577025 B2 JPH0577025 B2 JP H0577025B2 JP 61032062 A JP61032062 A JP 61032062A JP 3206286 A JP3206286 A JP 3206286A JP H0577025 B2 JPH0577025 B2 JP H0577025B2
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lens
acoustic
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sample
scanning
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Hooru Sutooru Eritsuhi
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International Business Machines Corp
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    • G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
    • G01N29/0654—Imaging
    • G01N29/0681—Imaging by acoustic microscopy, e.g. scanning acoustic microscopy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G01H3/10—Amplitude; Power
    • G01H3/12—Amplitude; Power by electric means
    • G01H3/125—Amplitude; Power by electric means for representing acoustic field distribution
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S15/8906—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
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Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本発明は、音響エネルギ・ビームを使つて、光
学顕微鏡の分解能に匹敵するかまたはそれ以上の
分解能で、試料のある侵入深さまでの表面領域に
関する情報が得られる走査型音響顕微鏡に関する
ものである。
Ｂ 開示の概要 本発明の走査型音響顕微鏡は、音響伝播特性は
異なるが音響インピーダンスが一致する２つの材
料区画２，５からなる固体レンズ・ボデー１を含
んでいる。上記区画２，５の界面３に、レンズ４
がその焦点が一方の区画５の自由表面に形成され
た尖つた先端７の頂点８にくるように配置され
る。先端７および調べようとする試料１０を吸収
係数が比較的大きな結合媒体９に浸たす。レン
ズ・ボデー１は、その表面６上の先端７の反対側
に、平面音波を上記レンズ４と上記先端７を経て
試料１０上に送るための変換器１１を載荷してい
る。反射波と透過波を、それぞれレンズ・ボデー
１に取り付けられた変換器１１および試料の裏側
に配置された変換器２１が受け取る。それらの出
力信号を適当に処理すると、試料１０の高分解能
（10nｍ）の像を得ることができる。
Ｃ 従来技術 走査型音響顕微鏡は、従来技術で知られてい
る。
S.Sokolovの「超音波顕微鏡」（“An Ultrasonic
Microscope”）、Dokl.Akad.Nouk.第64巻（1949
年）、P.333〜335によつて開示された初期の努力
の後に、最初の走査型音響顕微鏡が、R.A.
LemonsおよびC.F.Quate、「機械走査による音響
顕微鏡技術」（“Acoustic Microscopy by
Mechanical Scanning”）、Appl.Phys Letters、
第24巻（1974年）、P.163〜194によつて実現され
た。光ではなく音を利用する顕微鏡には、２つの
主要な利点がある。第１に、音波と試料の相互作
用で得られた情報から像が形成され、したがつ
て、音響によつて形成された像のコントラストは
試料の力学的特性に関係するものとなる。実際
に、光学顕微鏡では均一または不透明にみえる試
料が、音響顕微鏡で検査すると鋭いコントラスト
を示すことができる。第２に結像システムの空間
分解能は、照明放射線の波長に依存する。光学顕
微鏡では、最大の分解能は緑色光で約0.3μｍであ
る。音波の伝播速度は光の速度よりもずつと小さ
く、したがつて匹敵する音響波長を得るのに適度
の音響周波数しか必要でないため、音響顕微鏡
は、光学顕微鏡の限界よりも５〜10倍も高い分解
能をもつ可能性がある。
通常の音響顕微鏡の原理と設計は、例えばV.
JipsonとC.F.Quateの「光学波長での音響顕微鏡
技術」（“Acoustic Microscopy at Optical
Wavelengths”）、Appl.Phys Letters、第32巻
（1978年）、P.789〜791；J.E.Heisermanの「低温
音響顕微鏡技術：低温液体を使用する超高分解能
の研究」（“Cryogenic Acoustic Microscopy：
The search for Ultrahigh Resolution Using
Cryogenic Liguids”）、Physica、第109＆110B巻
（1982年）、P.1978〜1989；D.A.Sinclair、I.R.
SmithとH.K.Wickramasingheの「走査型音響顕
微鏡技術の最近の進歩」（“Recent
Developments in Scanning Acoustic
Microscopy”）、The Radio and Electronic
Engineer、第52巻（1982年）、第10号、P.479〜
493などの文献で詳細に考察されている。
簡単にいうと、通常の走査型音響顕微鏡では、
試料は集束された音響ビームに対してラスタ・パ
ターン方式で点毎におよび行毎に移動される。音
響ビームは、圧電変換器と向き合つたサフアイア
表面に切削形成された片面球形レンズの軸に中心
合わしてサフアイア・デイスクの裏面に取り付け
られた圧電変換器によつて生成される。もちろ
ん、試料をレンズの焦点面中で移動させるが、こ
の焦点面は大部分の音響顕微鏡では厚さが四分の
一波長の厚さの反射防止ガラス層でコーテイング
されている。レンズと試料が水などの液体中に浸
される。サフアイア中を通過した音響ビームは試
料上に集束され、そこで反射されて圧電変換器に
よつて検出される。反射信号を入力信号と区別す
るために電子サーキユレータが使われる。出力信
号を使つて、CRT表示装置の輝度が変調される。
表示装置のＸ軸とＹ軸は、試料走査と同期化され
ている。結合液中の音波の波長は1μｍ以下にす
るために、変換器はギガヘルツ領域の周波数で励
振される。第２図は上記に引用したいくつかの参
考文献に発表されたものであるが、先行技術によ
る走査型音響顕微鏡の基本的コンポーネントを示
している。
Ｄ 発明が解決しようとする問題点 D.J.BishopとR.C.Dynesの「ベル研究所走査音
響顕微鏡の説明」（“Ａ Description of the
Bell Laboratories Scanned Acoustic
Microscope”）、The Bell Syst.Tech.Journ、第
61巻（1982年）、第９号、P.2174以下で既に指摘
されているように、音響顕微鏡の理論的分解能は
波長と比例し、したがつて周波数を高くすると分
解能が高くなるはずである。しかしながら、水や
その他の多くの液体では、音響減衰率が周波数の
２乗に比例するため、周波数を高くしても結合液
中での出力損失が大幅に多大するだけである。信
号・雑音比を妥当なレベルに保つには、3GHzの
オーダの周波数が現在最適と考えられている。
通常の音響顕微鏡の分解能は、また音響ビーム
の直径に、すなわち使用するレンズの口径に関係
する問題によつて制限されている。文献に報告さ
れている最小のレンズ口径は20μｍ（Sinclair外、
上掲文献、P.492）であり、レンズで実現できる
分解能は、結合媒体として40barのアルゴン・ガ
スを使つて1GHzで220nｍあると報告されている。
明らかに、通常の音響顕微鏡では、アルゴンな
どの単原子気体を高圧で使用するか、または水の
代りに液体ヘリウムなどの低温液体を結合媒体と
して使用する（Heiserman、上掲文献）かしな
い限り、光学顕微鏡よりも高い分解能を実現する
ことは不可能である。これらの周囲条件は、分解
能が向上するものの、限られた範囲の試料しかか
かる環境に適しないため、音響顕微鏡の用途が制
限される。
試料に対して難しい環境条件に課さずに妥当な
信号・雑音比で10nｍのオーダの分解能が得られ
る、新しい走査型音響顕微鏡を提供することが、
本発明の一目的である。
Ｅ 問題点を解決するための手段 したがつて、本発明では、検査しようとする試
料を浸す結合媒体と接する固体ボデー中に形成さ
れた音響レンズ、上記の固体ボデー中で音波を生
成または検出するための変換器１個、および試料
を横切つて上記レンズの焦点面をラスタ走査する
ための手段を含み、上記の固体ボデーが第１の音
速をもつ第１の材料区画と上記の第１の音速より
も低い第２の音速をもつ第２の材料区画から構成
され、かつ変換器が固体ボデーの上記第１区画の
自由表面に取り付けられ、かつ上記レンズが固体
ボデーの上記第１区画と第２区画の間の界面に形
成され、上記レンズの焦点が上記第２区画の上記
レンズと向き合つた所に形成された尖つた先端に
きて、上記先端が上記結合媒体に浸され、上記試
料に対してラスタ走査されるように適合されてい
ることを特徴とする、走査型音響顕微鏡を提案す
る。
つぎに、添付の図面を参照しながら、本発明の
実施例の詳細について説明する。
Ｆ 実施例 先に述べたように、第２図は、先行技術から知
られる走査型音響顕微鏡を概略的に示したもので
ある。これは、試料から反射される音波を使つて
表示画面に像を形成するように設計されている。
一定の条件下では、試料の下側に試料を通過する
音響エネルギを検出するための第２の変換器を設
けて、試料を透過方式で検査することが可能であ
る。
通常の音響顕微鏡に付随する基本的な制限条
件、すなわちビーム直径の大きさおよび固体レン
ズ構造中と結合媒体中の音波の速度比は、第１図
に概略的に示した新奇な設計では回避される。
レンズ・ボデー１は、普通のサフアイアなど比
較的高い音速をもつ第１の固体材料区画２からな
つている。第１区画２の下面３には、半径50μｍ
〜600μｍの片面レンズ４が嵌入されている。下
面３には、区画２の材料よりも低い音速をもつ第
２の固体材料区画５が取り付けられている。区画
５の形は、区画２のレンズ４を含む輪郭と継目な
しに符合するようになつている。すなわち区画２
と５の間にはレンズ４の場所に隙間がない。
区画５のレンズ４と反対側の面６には、尖つた
先端７が設けられており、その縦軸がレンズ４の
軸と中心合わせられている。レンズ４の形、区画
５の厚さおよび先端７の長さは、レンズ４の焦点
が先端７の頂点８にくるように設計されている。
頂点の所で先端の半径は、10nｍのオーダにすべ
きである。
レンズ・ボデー１の頂部には、圧電変換器１１
が設けられている。これは、２枚の金フイルム１
３と１４の間に酸化亜鉛フイルム１２がスパツタ
されたものである。この変換器は、電気整合回路
１５を経てマイクロ波発生装置１６に接続されて
いる。この型式の変換器は、様々なマイクロ波音
響技術で、ときとして10GHzをも超える周波数の
電気パルスを音響平面波に変換するために広く使
用されている。この音響平面波がサフアイア結晶
２中を通過して球面レンズ４に、さらに区画５の
材料中を通つて先端７に進む。変換器１１は、ま
た試料から反射されて先端７とレンズ・ボデー１
の区画５と２を通つて戻つてくる音波を検出する
にも使用される。つぎに変換器は音波をマイクロ
波に変換する。入マイクロ波を変換器へ送り、ま
た出マイクロ波を表示のために区別するために、
サーキユレータ１７が必要である。走査コンバー
タ１８は、ＸおよびＹ位置情報を変換器１１の整
流出力パルスと一緒に使つて、ビデオ表示装置１
９の画面にビデオ画像を形成する。
音響顕微鏡を透過方式で動作させたい場合、先
端７からの音響方射は薄いポリエステル・フイル
ム２０上に載せた試料中を通過し、走査コンバー
タ１８に適当に接続された第２の変換器２１によ
つて集めまれる。この場合、サーキユレータ１７
は不要である。
上記のように、レンズ・ボデー１の区画２は、
サフアイア（Al2O3）からなり、球面レンズ４が
その下面３に嵌入されている。区画２と隣接する
区画５との間の界面での望ましくない反射を防止
するため、サフアイア中での音速とサフアイアの
密度の積は、区画５の材料の音速とその密度の積
とほぼ等しくなければならない。この条件は、区
画５が鋼、ニツケル、銅、銀など普通の金属の一
つからなる場合に良い近似で満たされる。
もちろん、レンズ突起部と先端７を備えた区画
５の製造は非常に微妙である。一つの方法は、レ
ンズ４の球面中で材料間の隙間ができないよう
に、低融点合金をサフアイアの下面３に流し込む
ことである。ねじとナツトを使つて領域２と５を
互いに固定する以外に、カナダ・パルサムなど光
学で知られている接着剤を使つて接着してもよ
い。レンズ領域に隙間ができた場合は水銀の滴で
充填することができるが、その音速と密度の積が
小さいために反射率が大きくなる恐れがある。
先行技術にもとづく大部分の音響顕微鏡では、
吸収係数が小さいために水を結合液に使用してい
るが、本発明の音響顕微鏡では、当該の周波数領
域での吸収係数が大きい結合液が必要である。ベ
ンゼン（C6H6）や四塩化炭素（CCl4）などの液
体が使用できるが、水でもよい。
結合媒体９の吸収特性のために、反射音波また
は透過音波の強度は、先端７と試料１０の表面の
間の間隔によつて大きく左右される。顕微鏡を反
射方式で操作する時にその間隔を一定に保つと、
試料１０の表面の粗面度のために、反射信号の振
幅が初期値ないし基準値から外れることになる。
この偏差を適当なフイード・バツク・ループ装置
２２に送つて、試料を取り付けたＺ方向駆動モジ
ユール２３の制御により先端と試料の間隔をオン
ラインで調節する。またフイードバツク装置２２
からの制御信号をXY走査信号と一緒にプロツタ
２４に送る。試料１０はマトリツクス式に走査さ
れるので、プロツタ２４は垂直方向で約10nｍの
分解能で試料１０の微細形状の像を描く。もちろ
んXY方向の分解能は、水平走査手段によつて決
まる。ナノメートル範囲での水平走査ステツプが
可能な、圧電素子からなる一体型XYZ駆動モジ
ユールを使用することが知られている。
反射方式で操作する際は、マイクロ波発生装置
１６によつて３〜10GHzの範囲の周波数で入力パ
ルス列が生成される。入力波と反射波を区別する
のに必要な時間をサーキユレータ１７に与えるた
めに、パルス波が必要である。入力波は整合回路
１５を通過して変換器１１を励振し、変換器１１
は平面音波をレンズ・ボデー１の区画２に送る。
この音波はレンズ４によつて先端７の頂点８に焦
点がくるようにして区画５に集束される。
つぎに、本発明のレンズ・ボデーの寸法の例を
示す。レンズ口径が約0.25mmで曲率半径が約１mm
の場合、レンズの焦点距離は約0.8mmとなる。こ
のうち、先端の長さが約0.5mmで、区画５の長さ
が約0.3mmとなる。区画２は、レンズ・ボデー１
の直径が１mmの所で厚さ0.4mmとすることができ
る。Al2O3からなるレンズを区画２に嵌入した
後、レンズ領域での隙間形成を避けるため、区画
２のレンズ後載面３を使つて区画５の金属を流し
込む。つぎに、区画５をエツチして先端７を形成
する。直径と長さの比が１：３〜４で頂点での半
径が約10nｍの先端を得ることが可能なはずであ
る。
先端７を試料１０の表面から10nｍの一定距離
に維持する。この場合、入射点での音響ビームの
直径も10ナノメートルの範囲となり、したがつて
それがこの装置で達成できる分解能となる。
妥当な信号・雑音比を得るには、熱ノイズが最
大の妨害源であることを考慮すると、どちらの操
作方式でも30μWの一次音響出力で充分である。
先端を試料１０の表面から10〜15nｍ以内の距
離の所にもつてくると、反射信号は一定の振幅と
なり、基準値として記憶される。音響ビームが試
料を横切つて操作されると、測定振幅は、表面の
起伏、試料の表面下のゾーン中にある構造的特
徴、音響ビームの侵入深さによつて決まるゾーン
の広がりに応じて変わる。この侵入深さは、入射
ビームの周波数と出力および試料の材料特性の関
数である。
もちろん透過方式の操作は、試料１０の厚さが
音響ビームの侵入深さよりも小さい場合しか使え
ない。試料を薄いプラスチツク・フイルムに載せ
る。試料１０の裏側に配置された変換器２１が、
試料１０中を通過する音響エネルギを検出する。
反射方式の場合と同様に、各走査点についての出
力信号の振幅を走査座標情報を一緒に使つて、試
料の像を生成する。出力信号は本来あいまいであ
る。すなわち、試料の材料と構造に関する情報が
混入した試料の厚さに関する情報を含んでいる。
両方の変換器、すなわち反射方式用の変換器１１
と透過方式用の変換器２１の出力信号を適当な計
算機で処理して、試料の微細形状および内部構造
に関する総合機を得るのが有用である。
上記実施例ではレンズ４は区画２に凹状に形成
されたいたが、区画５内の音速が区画２内の音速
よりも大きければ、レンズ４は凸状に形成しても
良い。また区画は上記実施例では２つであるが、
３層以上の区画を用いて複合レンズを構成しても
よい。その他、種々の変型が可能な事は言うまで
もない。
Ｃ 発明の効果 本発明の音響顕微鏡は、一般的な使用条件の下
で、高い分解能を得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明にもとづく走査型音響顕微鏡
を示したものである。第２図は、従来の走査型音
響顕微鏡を示したものである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 検査される試料を浸した結合媒体に接した固
    体ボデー内に形成された音響レンズと、該固体ボ
    デー内に音波を生じさせる変換器と、該音響レン
    ズにより収束された音響ビームで該試料をラスタ
    走査させる走査手段とより成る走査型音響顕微鏡
    であつて、該固体ボデーは第１の音速を持つた材
    料の第１区画と該第１の音速と異なる第２の音速
    を持つた材料の第２区画とより成り、該変換器は
    該第１区画の自由面に固定され、該レンズは該第
    １区画および第２区画の界面に形成されたものに
    おいて、 前記第２区画は、前記界面と反対側に、約10ナ
    ノメートルの半径を持つ鋭く尖つた先端を有する
    突出部が形成され、前記突出部は、前記レンズの
    軸と一致した長手方向の軸を持ち、且つ、前記レ
    ンズの焦点が前記先端に一致するような長さに形
    成されていることを特徴とする走査型音響顕微
    鏡。
JP61032062A 1985-04-26 1986-02-18 走査型音響顕微鏡 Granted JPS61250551A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP851051599.9 1985-04-26
EP85105159A EP0198944B1 (en) 1985-04-26 1985-04-26 Scanning acoustic microscope

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS61250551A JPS61250551A (ja) 1986-11-07
JPH0577025B2 true JPH0577025B2 (ja) 1993-10-25

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ID=8193469

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP61032062A Granted JPS61250551A (ja) 1985-04-26 1986-02-18 走査型音響顕微鏡

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US (1) US4646573A (ja)
EP (1) EP0198944B1 (ja)
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DE (1) DE3576752D1 (ja)

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