JPS58129246A - 超音波顕微鏡 - 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】 本発明は、超音波エネルギーを用いた撮像装置、特に超
音波顕微鏡の受信装置に関する。

近年において医学界において人体の内部構造を観察する
のに有効な波動として応用されている超音波は、光や電
子線には不可能な光学的に不透明な物体をも透過する性
質を持っており、その周波数が高ければ高い程より微細
な対象物まで描き出す事が可能である。その上、超音波
が取シ出す情報は対象物の弾性、密度、粘性等の力学的
性質を反映している為、光や電子線では得られない内部
の構造までみる事が出来る。

音波周波数ｉ　ＧＨｚ　、従って水中での青波長として
約１μｍに及び超高周波音波を利用して、上記の超音波
の特徴を生かし九超音波顕微鏡が検討されている（ａ、
Ａ、レモン氏とＣ，Ｆ、クウエーッ氏のＡ　Ｓｃａｎｎ
ｉｎｇ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｍｉｃｒｏ＠ｃｏｐｅ　　
と題するＩＥＥＢ　Ｃａｔ、Ｎｏ、７３ＣＨ１４８２９
ＳＵ　ＰＰ　４２３−４２６に掲載の文献）。

この超音波顕微鏡の原理は、約１４ｍ位まで細く絞つ＆
１ｆｆｌ音波ビームによって試料面を機械的に２次元走
査しながら、試料によって惹起され友散乱９反射、透過
減衰といったしよう記音波を集音して電気信号に変換し
、この電気信号をブラウン管上に、上記機械走査と同期
して２次元表示する事によシ顕微画線を得るものである
。

本発明は、試料からの反射超音波を検出描画する反射型
超音波顕微鏡にと〕わけ係っているのでまず第１図を用
いてその従来基本構成を説明する。

超音波を発生検出するトランスデユーサは、主として、
圧電薄膜２０．音響レンズ４０から構成される。即ち、
レンズ結晶４０（例えば、サファイア、石英ガラス等の
円柱状結晶）＃′ｉ、その一端面４１は光学研磨された
平面でめシ、他端面には微小な曲率半径（例えば０．１
〜１　ｗｍ　）の半球穴４２が形成されている。端面４
１に蒸着等によって設けられた上部電極１０、圧電薄膜
２０及び下部電極１１からなる層構造の上下電極間に、
ＲＦパルス発振器１００の出力電気信号を印加すれば、
上記圧電薄膜の圧電効果により、レンズ結晶４０内に平
面波のＲＦパルス超音波８０が放射される。

この平面超音波は上記半球穴４２と媒質５０（一般に純
水が用いられる）との界面で形成される正の音響球面レ
ンズにより所定焦点面におかれ九試料６０上に集束され
る。

試料６０によって反射された超音波は、上記音響レンズ
によシ集音され、平面超音波に変換されてレンズ結晶４
０内を伝播し、最終的に圧電薄膜２０の逆圧電効果によ
シＲＦパルス電気信号に変換される。このＲＦパルス電
気信号はＲＦ受信器１１０で増巾検波後、ビデオ信号（
１＝　１０ＭＨｘ　）に変換されブラウン管１３０の輝
度信号（Ｚ入力）として用いられる。

かかる構成において、試料ステージ７０上に貼付された
試料６０をｘ　−ｙ面内の２次元機械走査系ｊ２０によ
って、２次元機械損ｗＪヲ行なわせながら、上記ビデオ
信号をこの走査と同期してブラウン管１３０上に表示す
れば、顕微画像が得られる事になる。

ところで、この様な撮像装置の分解能には、超音波の伝
播方向（Ｚ軸方向）の深度分解能（焦点深度）Δρと超
音波の伝播方向と垂直な面内の方位分解能Δｒとがアシ
、いずれも使用超音波の波長λとレンズの照るさを表わ
すＦナンバによって定まシ、それぞれ Δｒ＝λ・Ｆ　　　　　　　　　町・・（１）Δρ＝２
λ・Ｆ８　　　　　　　　　・・・・・・（２）で与え
られる。

作成可能なレンズのＦナンバは０，７程度であるからＩ
ＧＨｚの超音波を用いると水中（波長λ＝１、５　ａ　
ｍ　）で、Δｊ〜１μｍ、　　ΔＩ　〜１．５　ａ　ｍ
が侍られる。超音波顕微鏡では、この様に極めて浅い焦
点深度を利用して試料内部のおる深さの面内１偉をスラ
イスして描画する事が出来る。第２図はこの間の事情を
模式的に示したものである。ここで、試料６０はｘｙ平
面内で機械的に２次元に走査されている。上記の超音波
センサ２００が第２図（ａ）の位置にいる時は、レンズ
の焦点Ｆは試料６０から離れておシ、ピントのボケた画
像が得られ、第２図（ｂ）の位置にいる時には焦点Ｆは
丁度試料６０の表面に合い、試料６０の表面の音響像が
得られ、又、第２図（Ｃ）の位置にいる時には、試料６
０の深さ２なる内部のスライス面の音響像が得られるの
である。

この様に、超音波顕微鏡はその極めて浅い焦点深度を用
いて試料表面よシいろいろな採さのスライス像を撮像す
る事が出来る。従って、ある試料の楕々の深さにおける
顕微画像會得るには、センサと試料間の距離を変えてや
る必要がある。他方、般通な画像を出すには受信器１１
０の増巾度をブラウンｔ１３０を充分間るく縛らせる様
変えてやる必要があるのである。本発明者等は、センサ
と試料間の距離を変えると、上記の必要な増巾度が大き
く変化する事を見出した。云い換えれば、あるセンナと
試料間の距離２において、操作者がＣＦｔＴ上で最適な
明るさの顕微画像が得られる様に合せた受信器１１０の
増巾度は、他の距離Ｚ′においては適切ではないのであ
る。本発明者等はこの間の事情を検討した。

第３図は、試料として所定の半導体ウェハを例にとシ、
試料のｘｙ面内の機械的な走査をとめた７状態で、レン
ズと試料間の距離２を変えながら測定した試料からの反
射強度の変化を示したものである、。横軸はレンズと試
料の間の距離を、縦軸は試料からの反射強度を表６した
ものである。本考案者等は、第３図中Ｒ０で表わした距
離、即ち反射強度が最大になる距離にレンズと試料間の
距離を設定して、試料を機械走査して音響像をとった時
、その音響像は丁度試料の表面の音＊ｍになっている事
を見出した。試料を色々かえて測定した結果、−Ｆ記作
業によって求めた８０点にレンズと試料間の距離を設定
する事は、極めて良い精度で試料の表面にレンズ系の焦
点をあわせた事に対応している事がｍｗ出来たのである
。

ところで、この曲線から明らかのように、ＲＯなる点、
即ち焦点が試料表面に合っている時、ＣＲＴ上で最適な
明るさの顕微画像を得るべく設定した受信器の増巾度を
用いて、Ｒ１なる点で顕微画像を得るとＣＲＴ上の画像
の明るさが不足するのである。従って、操作者は試料と
センサ間の距離に応じて、絶えず受信器の増巾度を変え
てやる必要がアシ、煩雑で又再現性も保証されない。

かかる事情から、センサと試料間の距離に応じた増巾度
の修正を、規則的に又定量的に行なう手段があれば、操
作者はセンサと試料間の距離を変える毎に（焦点の位置
を変える毎に）、受信器の増巾度を変える必要がなく、
超音波顕微鏡の撮像操作を着しい簡便にする事が期待さ
れる。

本発明は以上の点ｔ−鑑みてなされたもので、試料とセ
ンサ間の距離に対応して、定量的かつ合理的に受信器の
増巾度を変える手段を提供する事を目的とする。

本発明では、第３図の曲線そのものか、第３図の中で破
線で示しである曲線の包絡線を用いて受信器の増巾度を
変えるのである。本発明の手順は下記の通シである。■
まず機械走査をとめて図中Ｒ０なる点、即ち焦点が試料
表面に合致した時の試料とセンサ間の距離を求める。■
この時、ＣＲＴ上に最適な明るさの顕微画像が得られる
様に受信器の増巾度を設定する。■センサと試料間の距
離を変えて反射強度の曲線を求める。■各距離、（例え
ばＺｔ　）における反射強度と８０点における反射強度
の比（ここではＡＩ）を求め記憶する。

■機械走査を始めて、センサと試料間の各距離に対応し
て上記Ａ＋だけ受信器の増巾度を増やすのである。

受信器を変化させる必要性が、正にこの反射強度がセン
サー試料間距離に対応している事を考えれば、かかる手
順によシ受信器の増巾度を絶えず最適な明るさの画像を
得る様、自動的にしかも合理的に変化させる事ができる
。

以下、具体的な実施例に基き、よシ詳しく本発明を説明
する。まず、第１にＲｏなる試料表面への合焦点の検出
法について説明する。

超音波顕微鏡では、第３図に示す如く光学顕微鏡の様に
単峰特性ではなく、多峰特性のある事が特長で、これは
音波がコヒーレントである為に生じる現象と考えられる
。従って、超音波顕微鏡では、レンズを試料に近づけて
いつ死時の最初の極大値を求めるという光学顕微鏡で用
いられている従来の合焦点法ではなく、数ある極大値の
中から真の最大値を求める必要があり、これは超音波顕
微ｆｉＩ！特有の要請である。

本発明で用いたる８０点の検出は、次の手順によシ実現
される。即ち、 （１“）任意の厚みの試料に対し、センサと試料が接触
しない程度にセンナを試料よシ離す。（この量は試料の
厚みが既知の時は、厚み＋センサの焦点距離にすると便
利である。

（２“１）センナを試料に近づけながら、反射信号の最
初の極大ＩＩ　”　ｔ　とその時のセンサー試料間の距
離２．を検出、記憶する。

（２“ｂ）更にセンサを試料に近づけて、次の極大値ａ
、とＺ、を記憶する。ａ、”＞ａ、なら次の極大値を求
めていく。

この作業を繰シ返してｉ番目の極大値ａ１がａ　、　（
ａ　ｔ−１になつ死時にこの作業を停止する。この時第
３図から明らかなように、ａ、−、が真の蝦大値である
。従って、最後に （３“）センサー試料間の距離がＺｔ−ｓＫなるように
センナを試料よシ遠ざける。

ことになる。

なお、この手順の間、受信器の増中度はある値で固定し
ておく事を付は加えたい。従って、かかる手１陳でＲ，
点の検出と各Ｚ＋における反射強度ａ１がＲ・点におけ
るそれに比べてどれだけ不足しているかが判ったわけで
ある。上記例では、極大値のみについて反射強度を求め
たが、すべてのセンサー試料間の距離についであるピッ
チで求めてもよい事は勿論である。前者では、反射強度
の包結線が、後者では反射強度のセンサー試料間距離依
存性そのものが得られたことになるからである。

第４図は以上のアルゴリズムを実現する一実施例の構成
を示すブロック図である。即ち、レンズ２００と試料２
２０の間の距離を変化させるものとして、レンズ２００
を支持する台２１０と、これＫとシつけたボールネジに
連結せるパルスモータ２３０によるボールネジの回転を
利用するのである。パルスモータ２３０を駆動する駆動
電源２４０に、パルス発振器２５０によシパルスを送れ
ば、パルスモータ２３０の正回転、送回転に従ってレン
ズ系２００を試料２２０に近づけたシ遠ざけたシできる
わけである。パルス発振器２５０よシ送られたパルスは
同時にアップ・ダウ／カウンタ２６０によシ計数され、
この計数値は表示器２７０に表示されると同時にバス・
ライン２８０上に載せられる。レンズ２００には、ＲＦ
発振器１８０よシＲＦ電力が供給され、レンズよ郵細い
超音波ビームが放射され、試料２２０による反射により
増巾後、検波器３００によシビデオ信号に変換される。

このビデオ信号は、上記パルス発振器２５０から発生す
るパルスに同期してアナログディジタル変換器３１０に
よりディジタル化され、パスライン２８０上に載せられ
る。バス・ライン２８０は近年多用されているマイクロ
・コンピュータ３２０のＩ１０ボートを介してマイクロ
・コンピュータの内部メモリに結がっている。

この様な構成にすると、上記作業は以下の様な信号のや
υとシで実行する事が出来る。即ち、（１“）マイクロ
コンピュータ３２０よυ所定の距離だけレンズ２００と
試料２２０が離れるようにパルス発振器２５０にパルス
発生の指令を送ル、パルス発振器２５０よシモータ駆動
電源２４０に正回転パルスを必要個数送る。

（２”ａ）レンズ２２０を試料に近づける作業は、（１
“）と同様であ）、極大値を求める作業が加わっている
。ステップモータを１パルス分回転させ、レンズを試料
に近付けた時、この動作後反射信号の強度データ（アナ
ログ・ディジタル変換器３１０の出力）をバス・ライン
２８０を介して、コンピュータ３２０に取υ込み記憶す
る。この作業を、レンズの動龜従ってパルス発振器２５
０から発生するパルスと同期して逐次性ないソフトウェ
ア的に極大値を検出する。極大値（例えばａ、）が求ま
ると、その時のカウンタ２６０の計数値（Ｚ＋）をパス
ライン２８０を介してコンビエ〒り３２０内のメモリに
記憶する。この手順を続けて、ａ■（ａ、−、なる極大
値が求まると、最大値ａ、−，とその時のレンズ−試料
間の距離Ｚ＋−１を求められる。

（３“）鍾後に、Ｚｔ−２Ｉ−８の距離に相当する逆回
転パルスを駆動電源２４０に加えて、レンズ−試料間の
距離をＺ＋−１に設定する。

以上述べた構成によれば、第３図の様に変化する反射信
号の強度のセンサー試料間距離への依存性から、試料表
面に焦点の合致せるセンサー試料間の距離を検出出来る
ばかシでなく、各距離に応じて反射強度Ａ＋が最大１１
Ａ、□　（焦点が試料表面に合致せる時の反射強度）よ
りどれだけ小さいかを求める事が出来るのでおる。従っ
て、１度、焦点が試料面に合致せる時、最適な明るさの
１儂を得るよう受信器２９０の増巾度を設定しておけば
、それ以外の試料−センサ間の距離Ｚ＋の時は、ｋｗａ
ａｚ　　Ａｔなる値だけ受信器の増中度を増してやれば
、この時も最適な明るさの１儂が得られる事になるので
ある。

第４図では、この作業はマイクロコンピュータ３２０で
上記Ａ□ｘＡ＋を計算し、この量をパスライン２８０を
介しかつＤＡ変換器３３０を用いてアナログ量に変換し
、これを受信器２９０のＡＧＣ端子に印加する事によシ
実現している。

以上述べた実施例では、マイクロコンピュータを用いて
いるが、センサと試料間の距離を変化させる手段と、そ
の変化全計数記憶する手段とを有し、反射信号の上記距
離変化に対応した大きさを検出記憶する手段と、上記反
射強度間の差に応じて受信器の増巾度を変える手段とを
有していれば、ランダム・ロジックで作成してもよい事
は勿論である。

以上述べた如く、本発明によれば１度センサの焦点が試
料表面にあっている時、最適な明るさの１ＩＩＩｊ像が
得られる様に受信器の増巾器を設定しておけば、センサ
ー試料間の距離が変化した事による信号レベルの低下を
自動的に補償しする事が出来、絶えず最適な明るさの画
像が得られるのであって、超音波顕微鋳等、集束ビーム
を用いたる超音波撮儂機器や計測器における操作性を著
しく高め、当業界への寄与は極めて大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、超音波顕微鋳の概略構成を示す図、第２図及
び第３図は、その動作を説明するための図、第４図は、
本発明の一実施例の構成を示す図第　１　　図 ￥Ｉ　　Ｚ’図 ′￥Ｊ３図 ■４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、集束する超音波ビームの焦点面内を試料が実効的に
   ２次元走査し、試料による該ビームのしよう乱を検出表
   示する超音波顕微鏡において、該集魚面と試料との間の
   距離を変化させる手段を具備し、該変化に応じて受信器
   の増巾度を変化せしめる手段を具備せる事を特徴とする
   超音波顕微鏡。