JPS5958357A - 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、超高周波音波エネルギーを用いた撮像装置、
とシわけ超音波顕微鏡の観察深度の表示に関する。

近年Ｉ　Ｇ　ｌ−ｉ　ｚに及び超重周波の音波の発生検
出が可能となったので、水中で約１μｍの音波長が実現
できる事になり、その結果、篩い分解能の音波撮像装置
が得られる様になった。即ち、凹面レンズを用いて集束
Ｂ波ビーム全作り、１μｍに及ぶ高い分解能を実現する
のである。

上記ビーム中に試料をそう人し、試料による反射超音波
を検出して試料の微細領域の弾性的性質を解明したり、
或Ｃユ試料を機械的に２次元に走査しながらこの４？”
ｊの強度をブラウン管の輝度信号として表示すれば、試
料の微細領域を拡大してみる事が出来る。

まず、この様な超音波顕微撮像装置の従来構成について
説明し、その問題点を説明する。

第１図は、試料からの反射信号を得る為の探触子系の従
来法による概略構成を示す図である。音波伝播媒体２０
（例えばサファイア、石英ガラス等の円柱状結晶）はそ
の一端面２１は光学研摩された平面であり、他端面は凹
面状の半球穴３０が形成されている。端面２１に蒸着さ
れた圧電薄膜１０に印加されたＩＩ、Ｆパルス電気信号
により結晶２０内に平面波のＥＬＦパルス音波が放射さ
れる。

この平面音波は上記半球穴３０と媒質４０（一般に水）
との界面で形成された正の音響レンズにより所定焦点に
おかれた試料５０上に集束される。

試料５０によって反射、散乱された超音波は、同じレン
ズによって集音され平面波に変換されて結晶内２０を伝
播し、最終的に圧電薄膜１０によりｎ＋　Ｆ　１Ｇ、気
信号に変換される。この［１，Ｆ’電気信号をダイオー
ド検波してビデオ信号に変換し、上記のブラウン管の人
力信号として用いるのである。

ところで、この様な装置の分解能には、超音波の伝播方
向の深度分解能（川魚ｎ′度）Δρと超音波の伝播方向
と壬直な面内の方位分解能Δγとがあり、いずれも使用
した超音波の波長λとレンズの照る１さを表わすＦナン
バによって定り、Δγ＝λ・Ｆ　　　　　　　　・・・
・・・（１）Δρ＝２λ・Ｆ２　　　　　　　・・・・
・・（２）で与えられる。

作成可能なレンズのＦナンバは０．７稈度であるから、
１ＧＩ（ｚの超音波を用いると水中（１５００ｍ／ｓｌ
でΔγ〜１μｍ１　Δρ〜１．５μ＋１１となる。

音波顕微鏡では、このように極めて浅い焦点深度を利用
して試料内部のある深さの面内スライス画像を検出する
事ができる。第２図はこのことを模式的に示したもので
ある。ここで試料１２０はｘｙ平面内で機（］１シ的に
２次元に走査されている。

上記の川音？皮センザ１００が第２図（ａ）の位（Ｎに
いる時は、レンズの焦点Ｆは試料１２０から離れており
、ピントのボケだ画像がｍられ、第２図（１））の位置
にいる時には焦点ＦＶｉ丁度試料１２０の表面に合い、
試料１２０の表面の音り１・１５像が得られ、又、第２
図（Ｃ）の位置にいる時には、試料１２０の深さＺ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、センサをＺ軸方向に上下させる事によυ、焦
点Ｆを試料の表面から任意の深さに設定しで、その深度
のスライス像を得る事が出来るのである。

ところで、かかるスライス撮像を行なう際、試料の表面
から如何力る深度に焦点が合っているかを知る事は極め
て大事である。例えば、試料の表面より内７＋７Ｂに存
在するクラックを描画した場合、このクラックの存在情
報に加えて、表面からの深度情報が得られるかどうかは
、撮像装置ドアの有用性に著しく影響するからである。

従来は、センサと試料間の距りを忽えて、試料の表面に
焦点を大略合わせておいて、その時のＺ座標を基準とし
たＺ軸の相対座標を表示する事により、この相対座標を
もって試料表面からの深度の１］安としていた。超音波
顕微鏡とじて単なる観察能力のみを要求するなら、従来
の方法でよいが、計測能力を導入しようとした場合にシ
フ１２、従来法では到底実用に供する事は出来ないのｉ
ｌ明らかであろう。

ところで、本発明者等は、上記の如くセンサの焦点Ｆが
、試料の表面に一致した時を０どして、センサを試別に
近すけていった時のセンサの移動散そのもの（Ｚ軸の相
対座標）は、直の焦点Ｆの表面からの深度に対応してい
ない事を見出した。

第３図はこの事情を説明する図であり、センサ１００は
、その焦点Ｆが試料１０７の表面ｔ−ｔ’に一致した時
から、Ｚなる距離だけ、試料に近付いている状態を示し
ている。従来、センサのＺ軸方向の相対イ゛４重ｈ：ｌ
ＩＺをもってセンサの焦点■、Ｍの試料表面からの深度
としていたのであるが、この表示方法は試才・１１０７
の音速Ｃ１と媒質１０５の音速Ｃ６とが一致するか、棲
めて近いｆ泊？とる場合にのみ正しく、両者が異なる場
合には、正しくないのである。

例えば、（１４，）Ｃｏ　とすると、媒質１０５と試料
１０７の）°１．川差によって超音波ビームは屈析し、
Ｃ＋＝Ｃｎのときの焦点Ｆより表面に近いＦ′に焦点を
結ぶのである。媒質１０５から試別１０７への入射角を
θ。、屈折角をθ１　とすると、スネルの法則から が成立する。又、新しい焦点］−′と表面の間の距離を
Ｚ′と１〜で幾何的に、 Ｚ　ｓｉｎ′ｌθｏ　＝　Ｚ　’　Ｓｉｎθ＋　　　　
　・−・−（２）が成立するから、式（１）（２）より 即ち が成立する。従：つで、媒質１０５と試別１０７の音速
が等しくない場合は、（３）式に従って補正した距離を
表示する必要があるのである。

本発明は、以上の点を鑑みてなされたもので、試料の音
速による集束ビームの変化に応じて、センサのＺ　’ｉ
ｌｌ移動ＩＴｆ’、　Ｚを補正したＺ′を用いて深度表
示しようとするものである。

本発明は、従って、第１図に試料の表面を明確なる計測
量によって検出する事、第２にかくして得られた試料表
面を基準として、焦点面が試料表面からいかなる深度に
あるかを表示する事により上記課題を克服せんとするも
のである。

まず、試料の表向を明確なるＦｔｌ゛（１１１１ｉｉ＋
を用いて同定する手段につき説明する。

第４図は、試料として所定の半導体ウェハを例にとり、
試料のｘｙ面内の機械的な走査をとめた状態で、レンズ
と試料間の距離Ｚ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。ｔ＊　＋ｌＮ１１はレ
ンズと試料の間の距Ｎｙ＋ｆ♀、縦りク１１は試料から
の反α１強度を表わしたものである。本発明者等は、第
４図中Ｒ１ｏで７待わしだ距Ｐｒ１ｔ　、即ち反射強度
が１“１之大になる距ｉｉ！、′ｌにレンズと試料間の
距離を設定して、試オ［４・４贋戒走ｉ”ＥＬ、て音な
ノド像をとった時、その音響［象は丁Ｔ秘試料の表面の
音響像になっている車全県出した。試料？色々かえて測
定した結果、上記作業によって求めたＩｔ。で表わした
距離にレンズと試料間の距Ｐｉｌｌｌを設定する事は、
極めて良い循度で試料の４．３面にレンズ系の加点をあ
わせた事に対応している事が確認出来たのである。

川音Ｓ顕微鏡では、光学顕微鏡の様に単峰特性では々く
、多部’Ｉ’ｊ性のある４ｓ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、レンズを試料に近すけていった時
の最初の極太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り、ｔｏの最大値を求める必
要があり、これは超音波顕微鏡特有のものである。

以上のことから、不発明は試料の２次元機械的走査ケ止
めた状態で、試料とレンズ間の距１１＋ｆＵを変えなが
ら検出した試料からの反射信けの強度が最大になる時の
試料とレンズ間の距肉［１に、レンズを近ずける事によ
って自動的に試料の表向にレンズの焦点を合わせること
を特徴とする。

かかる特徴は、次の手順により実現される。即ち、 げり任童の厚みの試料に対し、レンズと試料が接触しな
い程度にレンズを試料よシ離す。（この■は試料の厚み
が既知の時は、厚み一トレノズの焦点距離にすると便利
である）。

（２’／　ａ　）レンズを試料に近すけなから、反射信
号の最初の極大値ａ、とその時のし／ズー試別間の距ｒ
ｑｔａ　ｚ　、　を検出、記憶する。

（２″ｂ）更にレンズを試料に近ずけて、次の極大値ａ
、とＺ、を記憶する。ａ２）ａ、なら次の極大イ直を求
めにくい。

この作業を繰り返してｉ番目の極太値ａ１がａ　１　＜
　ａ　１　＋ｌになった時にこの作業を停止する。

この時１“ｌ”４１ゾ１から明らかなように、ａｌ−１
が１（の最大値である。従って、最後に （３／／　）　　ｌ／ンズーｔ・ＣＩ間の１市ド；１１
がＺｌ−１になるようにレンズを試Ｉｔ　、１：り遠ざ
ける。

となる。

かかる手順によって、センサの焦点が試料の表面に合っ
た時のレンズ−試料間の距離Ｚ＋−＋を反射強度の最大
値という形で明確なる計測量から設定する事が出来る。

第２１＝Ｚ＋に、式（３）によっでセンサのＺＩｉｌＩ
ｌｌ移動Ｉ４か！：）への／？ｊ　＋ローに浦市ずろ手
段について述べる。

七ンリの７．１ｌ１１移動量そのものは、試料の内部に
焦点を合せた時のレンズと試料間の距離Ｚから上記のＺ
ｌ−２♀差引けばよい。いいかえれば、センサの焦点が
試Ｙ１表面に合致せる時のＺ　）ｉ≦、漂を基順にして
、その後のセンサのＺ　！ｉ町１Ｊ移動量を相対表示す
ればよい。試オニ１の材質と音−速との関係Ｃ」すでに
大量のデータが界（）°ｔされているから、それ等を参
照して、観１察試料の音速を求めれば、上記相対表示量
を式（３）により補正して真の深度情報を表示する事が
出来る。又、未知の試料の場合には１．シングアラウン
ド法等の公知の手段で音速を求めればよい。

第５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
全支持する台２１０と、これにとシつけたボールネジに
連結せるパルスモータ２３０により実現する。即ち、パ
ルスモータ２３０の回転運動を、ボールネジの並進運動
に変えセンサと試料間の距ｔ〜ｆ　（Ｚ軸）を可変にす
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２
３０の正回転、送回転に従ってレンズ系２００を試料２
２０に近ず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
ンカウンタ２６０により計数され、この計数値は表示器
２７０に表示されると共に、パスライン２８０上に載せ
られマイクロコンピュータ３２０の内部メモリに記録さ
れる。この８１゛数値は、レンズと試料間の距離を表わ
しており、上記説明におけるＺに対応する。レンズ２０
０には、Ｒ２発振器１８０よりＩｔ、Ｆ電力が供給され
、レンズより細い超音波ビームが放射され、試料２２０
による反射超音波は再びレンズで集音され、ＲＦ受信器
２９０によシ増巾後、検波器３００によりビデオ信号に
変換される。このビデオ信号は、上記パルス発振器２５
０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によシディジタル化され、バス・ライン２８
０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。

又、バスライフ２８０１ｒｉ、マイクロコンピュータへ
試料の速度情報をインプットする為のキー・ボード３４
０及び一連の材料と速度とのＩ」応を記録したＩＬＯＭ
３３０が結がっている。

この様な構成にすると、上記作業は以下の様な信号のや
りとりで実行する事が出来る。Ｒｌｊち、（１′ツマイ
クロコンピユータ２３０より所定の距離だけレンズ２０
０と試料２２０がｙｒａ、れるように）くバス発振器２
５０にパルス発生の指令を送り、パルス発振器２５０よ
りモータ駆動電τに！２４０１／！１ｍ正回転パルスを
必要個数送る。

（２／／ａ　）レンズ２２０ｆ；Ｃ試料に近ずける作業
ｔゴ、（１“）と同様であり、極大値を求める作君が加
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に取シ
こみ記憶する。この作業を、レンズの動き従ってパルス
発振器２５０から発生するパルスと同期して逐時性ない
ソフトウェア的に極太値を検出する。極大値（例えがａ
、）が求まると、その時のカウンタ２６０の計数値（Ｚ
＋）をバス・ライン２８０を介してコンピュータ３２０
内のメモリに記憶する。この手順ｆｃ続けて、ａＩ＜　
ａ　ｌ−１なる極大値が求まる、最大価、　ａ　ｌ−１
とその時のレンズ−試料間の距離ＺＩ−１を求める。

（３“）　　＋＋！後に、Ｚ＋Ｚｔ−Ｈの距離に相当す
る逆回転パルスを１１１に動電線２４０に加えて、レン
ズ−試１間の距離Ｚ　＋−１に設定する。

かく１〜でブ、（１点が試料表面に合った時のレンズ−
試料間の距離Ｚ１−１が求まったから、第２の表示器２
７５にＺ＋−１を基準として任意のレンズ−試料間のＩ
／ｉ循（ｆをΔＺ＝Ｚ−ｚｌ−，として表示器２７５に
、センサの”ｌ　＋ｌ’ｌｌ移動量として表示する事が
出来る。

（４）最後に　ｉＨ”／試料の音速データによりに従っ
て直の深度ΔＺ′マイクロコンピュータ３２０で：ｉｌ
”ｎし、その結果を深度表示器２７Ｇに表示するのであ
る。

従って本発明によると、操作者は表示器２７５に示され
たΔＺ及び表示器２７６に示されたΔＺ′なる五１を基
に、試別表面から任意の深さに焦点を合わせてスライス
像を観る事が出来るのである。

Ｚ＋、１　なる量又は、ΔＺなる量は、従来のように画
面から求めた試料表面−レンズ間の合焦点位置の様に操
作者の主皓、によるのでになく、反射強度が最大になる
レンズ−試料間の距離として定量的に求められる点をこ
こで改めて強調しておきたい。

以上述べた実施例では、いずれもマイクロコンピュータ
を用いているが、本質的に、レンズと試料間の距離の変
化させる手段と、その変化を計数する手段と、反射信号
の上記変化を検出して極大値を求め、かつ極大値間の大
小を判別する手段を有しており、基準距離をもとに相対
的なレンズ試）１間の距離を表示する手段を有し、かつ
試料の音速と媒質の速度の比により補正したレンズ−試
料間の距離を表示する手段を有しているものであれば、
これに限るわけで１ｌ−ｔ々い事は勿論である。

以上述べた如く、本発明では、レンズと試料間の距離を
変えて得られる反射信号の変化から、極太値を２ヶ以上
見出し、極大値間の比較により得られる最大値を与える
レンズ−試料間の距離を決定する事により、レンズの焦
点を試料の表面に自動的に合わせる事を可能にし、該距
離を基準とした相対距１１１１をもとに試料の音速によ
り補正した距離データによりスライス画面の試料表面か
らの深度を表示するもので、超音波顕微鏡等、集束レン
ズを用いた超１″ｉ−波撮像機緘器や超音波計測機器に
於ける焦点合せの自動化により合せ時間の犬「１］な短
縮等が可能となり、又、スライス面に表面からの深度と
いう新しい情報を付加する事が出来、その効果は著しく
犬である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波顕微鏡の概略を示す図、第２図（
ａ）〜（ｃ）第３図及び第４図は本発明の詳細な説明す
るための図、第５図は本発明の一実施例の第　１　図 第　２　図 ＣＩ−）　　　　　（ｇ　） 不　３　図 第　４　図 ［シス−も氏オ斗間ｊｌ：　ｆｆｉ！ 手続補正書（方式） 小作の表示 昭和５７年４１７１願第１６８３５２　　弓発明の名称 超音波顕微鏡 補正をする者 ’５１１１１１ｉ　　人工：：　＋ｌ　　　Ｉｆ　　　
＋’ｔ’、　　　・！（２作　　所１　　　　・′・　
　　６　　　　　　　、　　　　　１１１　　　　　　
月（ン　　　　　　成人　　　理　　　人 １・・・　　・す・　　　〒則東京都千代１川不丸の内
−Ｊ斗１５番１号株式６廿１１１、″だシ２１’＋’、
＋□１１内　山、、（１１・、・　＋１３５　４２２１
楠１１三曲−介川千情層 補正の内容 １　本願明細書第４百第４行目の１−第２図（３月とあ
る記載を［第２図の（３月と補正する０２　同上岩第４
杓−第６行目の「第２１図（ｈ）」とある記載な「第２
図の（１）月と補正する。 ３゜同上碧第４頁第９行目の［第２図（ＣＬＩとある記
載を１第２図の（０月と補正する。 ４　同一ヒ沓第１６頁第１３行目の１第２図（ａｌ〜（
Ｃ）］とある記載を１第２図、」と補正する。 ５、添付図面第２図を補正図面第２図の如く補正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、超音波−レンズ−又は超音波振動子と試料との間の
   距離を変化させる手段を有するΔ￥’ｌ　ｔｆ波顕微鏡
   において、試料表面に焦点を合わせた時の該距離を基準
   として、試料内部に焦点を合わせた時の該距離を相対的
   に検出する手段と、試料の音速データを人力する手段と
   、前記相対距離と音速データより補正した距離を検出す
   る手段とを有し、焦点の試料表面から深度を表示・記憶
   する手段を具備せる事を特徴とする超音波顕微鏡。