JPS60171455A - 超音波顕微鏡による撮像方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は超音波エネルギーを用いる撮像装置、特に超音
波顕微鏡に関する。

〔発明の背景〕

近年において医学界において人体の内部構造をｗｔ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（１） 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、超音波が取り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ＩＧＨｚ、従って水中での音波長として約１
μｍに及ぶ超高周波音波を利用して、上記の超音波の特
徴を生かした超音波顕微鏡が検討されている（Ｒ，Ａ、
レモン氏とＣ，Ｆ、クウエーツ氏のＡ　Ｓｃａｎｎｉｎ
ｇ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅと題する
Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　Ｃａｔ、　Ｎｏ７３ＣＨ１４８２９Ｓ
　Ｕ　ＰＰ４２３−４２６に掲載の文献）。

この超音波顕微鏡の原理は、約１μｍ位まで細く絞った
超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た散乱、反射、透過減衰と
いったしよう乱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り顕微画像を得るものである。

（２） 第１図はその従来の超音波顕微鏡の基本構成を示す図で
ある。図において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）は、その一端面４１は光
学研磨された平面であり、他端面には微小な曲率半径（
例えば０．１〜１））の半球穴４２が形成されている。

端面４１に蒸着等によって設けられた上部電極ＩＯ１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て試料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
により集音され、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（３） ２０の逆圧電効果によりＲＦパルス電気信号に変換され
る。このＲＦパルス電圧信号はＲＦ受信器１１０で増巾
検波後、ビデオ信号（１〜１０ＭＨｚ）に変換されブラ
ウン管１３０の輝度信号（２人力）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−７面内の２次元機械走査系１２０によっ
て、２次元機械振動を行なわせながら、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、この様な装置の分解能には、超音波の伝播方
向の深度分解能（焦点深度）Ａρと超音波の伝播方向と
垂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とレンズの照るさを表わすＦナンバＦ
によって定まり、Δγ＝λ・Ｆ　・・・（１） Δρ＝２λ・Ｆ２　・・・（２） で与えられる。

例えばＦナンバ０．７のレンズ系の場合ＩＧＨｚ（４） の超音波を用いて（水中での波長１．５μｍ）方位分解
能１μｍ、深度分解能１．５μｍが得られるのである。

ところで、超音波顕微鏡で試料をｗｔ察する場合まず低
倍率で試料全体のＸ７面内の画像を観察し、画像内より
関心領域を見つけてその上で高倍率でその部分を拡大し
てｉｌｌ察することが行なわれている。ところが、従来
のように単一のセンサで、云い換えれば固定の方位分解
能の超音波ビームを走査した場合、ＩＣなどの規則的な
構造を有する撮像対象の場合、重要な障害が生ずること
を本発明者らは見出したのである。まずこの事情を第２
図（ａ）に示すようなアルミの直線が規則的に配置され
た集積回路チップをｍ察する場合を例にとって説明する
。前述の如く、超音波顕微鏡では、超音波の送受信によ
って得られる試料からの反射超音波の大きさを画素とし
て、いわばポイント・パイ・ポイントで多数個の画素の
集りとして２次元顕微画像を表示する。表示には、ディ
ジタルメモリが用いられ、例えば５１２Ｘ５１２の画素
の集（５） 合として表示される。今、視野が５１２μｍ×５１２μ
ｍとすると、各画素間は１μｍのピッチで配列され、視
野が５１２０μｍＸ５１２０μｍとすると、各画素間は
１０μｍピッチで配列表示されることになる。今、１μ
ｍの方位分解能を有する超音波ビームで撮像する場合を
考えると、後者の場合には１μｍのスポットビームで１
０μｍおきに云えば飛び飛びに画素を形成することにな
るが、第２図（ａ）のパターンのピッチが１０μｍのと
きには、試料上のパターンの方向と、機械走査の方向が
一致していないときには、上記のパターンを正しく描画
しないのである。第２図（ｂ）は、機械走査の方向と、
パターンの方向Ｑが一致している場合で、レンズの焦点
をパターン上に合せた場合を示している。この場合、ス
ポット径１μｍのビームがパターン上にあたった場合、
強い反射信号が得られ（図中白丸）パターン間の溝に合
った場合には、深度分解能従って焦点深度の効果で弱い
反射信号が得られる（図中黒丸）ことになる。このよう
に、機械走査の方向（ａｔ〜ａ、５）がバタ（６） −ンの方向Ｑと一致している場合には、白黒の濃淡像は
正しく５本のパターン配列が直線平行配列していること
を示すことになる。他方、第２図（ｃ）のように両者が
少し傾むいている場合には、得られる画像はあたかも斜
めの線が交互にあって、モアレ縞のようなものになり、
パターンの平行配列していることを正しく描画すること
が出来ないのである。超音波顕微鏡の重要な撮像対象で
ある半導体ウェハには、かかる規則的な構造が多数存在
し、しかも機械走査軸とかかる構造とを方向をそろえて
設定することも又極めて困難であることから、かかる像
の歪みの存在は画像を正しく解釈するうえで重大な障害
となるのである。又、上記のモアレ縞は、ＴＶ表示をし
た場合に、画面の著るしいチラッキとして表われ、観察
者に著るしい不快感を与えることも見出した。

〔発明の目的〕

本発明は以上の点を鑑みてなされたもので、かかる機械
走査軸と試料内の規則構造の方向の不一致によって生ず
る低倍率時の画像の歪みを解消す（７） る手段を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明者等は、上記のようなモアレ縞の発生原因の解析
をした結果、高倍率の画像を得る場合と低倍率の画像を
得る場合に共通の細い超音波ビームを用いている事がか
かる縞の発生原因であることから、倍率に応じて超音波
ビームの巾、云いかえれば方位分解能を可変にし、例え
ば高倍率の時には１μｍのビームを、また低倍率の時に
は１０μｍのビームを用いることによってこの問題を解
決できることを見出したのである。第３図は、第２図で
示したような構造の撮像対象をビーム巾ｌＯμｍの超音
波ビームで描画する様子を模式的に示したもので、この
場合機械走査軸と試料上のパターンの方向は第２図（ｃ
）と同様、傾いているものである。

第３図でも超音波のビームがパターン上にある場合を白
でパターン間の溝にある場合を黒で表示しているが、ビ
ームが太いために発生するモアレ縞は大巾に軽減される
のである。これは、ビーム（８） 巾を太くすることは、一般に（１）（２）式かられかる
如く、焦点深度も又深くなることに対応する為、パター
ンの段差が反射超音波の強弱として反映されにくいこと
、ビームが太いために画像上にパターンの平行配列が表
わに表われないことによるのである。更に、もし機械走
査軸と試料−ヒのパターンの方向を合わせる場合にも、
はるかに合わせやすいのである。８μｍのビームで１０
μｍピッチのパターンを１０μｍピッチの表示で観察し
てモアレ縞がでないためには、第２図（Ｃ）かられかる
如く、該パターンの長さをＭとして Ｍ　ｔａｎθ≦ｄ　−（３） を満足すればよいがｄ＝１μｍでＭ＝４００μｍとする
と、θ＝０．１４°となるのに対しｄ＝１０μｍとすれ
ば、θ＝１．４３’　となるからであり、はるかに容易
に設定することができるからである。

〔発明の実施例〕

以上述べたように本発明では、視野、従って倍率に応じ
て方位分解能を変化せしめ、高倍率では秀れた高方位分
解能とし、低倍率では低方位分解（９） 能とすることによって、規則的な構造を有する撮像対象
において画像上に生ずるモアレ縞を大巾に軽減せんとす
るものであるが、かかる方位分解能の倍率に連動した変
化を具体化する実施例を次に述べる。

第１の実施例では、式（１）（２）式かられかるように
波長人、従って使用超音波周波数とＦナンバを倍率に連
動して変えることにより方位分解能を変化させるのであ
る。レンズ上に形成された圧電薄膜はレンズそのものが
機械的制御材として働らくために広帯域の応答関数を有
するから、周波数を高倍率では高く、低倍率では低く設
定することを、超音波トランスデユーサを取りかえるこ
とな〈実施することができる。

本実施例では、ＩＧＨｚ、Ｆ＝０．７のレンズ系を最大
高倍率に用い、５００ＭＨｚ、Ｆ＝３．３のレンズ系を
最低倍率時に用いている。視野２５０×２５０μｍ及び
視野２５００　ｘ　２５００μｍの場合を含むここでは
４つの倍率に対応して実施した周波数とＦナンバの設定
値を図４に示めす。かかる方法（１０） によって最大倍率では１μｍの方位分解能が、最低倍率
では１０μｍの方位分解能が得られることになるのであ
る。

かかるＦナンバの変化を行なう手段について、レンズ系
に関する部分を第４図を用いて説明する。

第４図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は上面図であり、レ
ンズ材２００にはその一端面に下部電極２０５を蒸着し
、その上にはＺｎＯ等の圧電薄膜２２０を蒸着する。更
にその上に従来と異なり同心円状の２つの−Ｌ部電極２
３０，２１０を図の如く設は各々に電気入力端子２４０
，２５０を設けることにより、Ｆナンバ可変の音波トラ
ンスデユーサ−３００を得る。かかる構成において、周
波数を１００１００ＯとしてＲＦ電気パルス信号を端子
２４０．２５０に同時に印加すれば、２６０の様な［１
］の平面超音波パルスが発生し焦点Ｆに集束する。この
時の焦点Ｆからみたレンズ径の見込み角θ１がＦナンバ
をめ、 Ｆ＝　１　／　２ｇｊｎ　Ｏｉ・・＊５）で与えられる
。Ｆナンバ０．７のときはμｉ鐸（１１） ４５．６″である。従って、方位分解能は、（１）式よ
り１μｍとなる。今、本構成で端子２５０のみにＲＦ電
気信号を印加するなら、周波数を５００ＭＨｚとして上
部電極２３０と下部電極２０５ではさまれた圧電薄膜２
２０の一部のみが振動し、２７０の様な巾の集束超音波
パルスが発生し、同じく焦点Ｆに集束する。この時のＦ
ナンバは、Ｆ＝　１　／　２ｇ１ｎθ２　・（６）で与
えられる。θ２＝８．７°となる様に上部電極の大きさ
を設定する事によりＦナンバは３．３となるのである。

従って５００ＭＨｚの波長３μｍを用い、この時の方位
分解能は（１）式より１０μｍとなる。即ち、本発明の
トランスデユーサの構成では、使用する上部電極の大い
さと使用する超音波周波数を倍率に応じて切り換える事
によって、Ｆナンバ及び波長を変え、方位分解能が倍率
に連動して変化する様にしているのである。

第４図において、上記電極を選択的に励振する手段を第
５図に示す。

即ち、トランスデユーサ３００の２つの端子（１２） ２５０及び２４０は、Ｒ，Ｆパルス送受信器３２０とＲ
Ｆアナログスイッチ３１０ａ、３１０ｂを介して結合さ
れている。ＲＦパルス送受信器３２０のキャリア周波数
が１００１００Ｏのときは、スイッチ３１０ａ、３１０
ｂはいずれもＯＮ状態にしておけば、上述の上部電極２
１０，２３０は共に駆動され、従ってＦ＝０．７が実現
される。又、ＲＦパルス送受信器３２０のキャリア周波
数が５００ＭＨｚの時は、スイッチ３１０ａのみＯＮ状
態に設定すれば、上部電極２３０のみ駆動され、従って
Ｆ＝３．３を実現する事が出来る。

第年図及び第Ｓ図の実施例では説明の為、２つの視野、
すなわち倍率に応じてＦナンバ、及びキャリア周波数を
切替える例について述べたが、一般に多数の倍率の切り
換えに対してＦナンバ及びキャリア周波数を変化せしめ
る事は、Ｎ本の多重リング上部電極構成のセンサと、Ｎ
ヶのＲＦアナログスイッチと、キャリア周波数の切り換
え可能なＲＦパルス送受信器を用いれば容易に実施しろ
る。

（１３） 次の表は視野、すなわち倍率を４段階に変え、これに応
じて周波数、Ｆナンバもそれぞれ４段階に変化させ、も
って方位分解能を１０μｍ。

４μｍ、２μｍ、１μｍと４段階に変える実施例を示す
。

表 これまで述べた実施例では、視野、すなわち倍率の変化
に応じてλ、すなわちキャリア周波数及びレンズのＦナ
ンバ双方を変える例について述べたが、（１）式かられ
かる通り、λすなわちキャリア周波数か、もしくはＦナ
ンバの一方を固定とし、他の一方のみ変えても方位分解
能が変化する。したがって、倍率に応じた方位分解能の
値を上記方式で得ても良い。

（１４） またレンズのＦナンバを変えるに際し、」二記実施例で
は単一の１〜ランスデユーサ上の電極の選択を行なって
いるが、それぞれ異なるＦ値のレンズを有するトランス
デユーサを個別に具備し、これを倍率に応じて切り換え
て用いても本発明の目的を達成しうろことは明らかであ
ろう。

また、レンズを用いた例についてのみ説明したが、凹面
振動子や反射鏡を用いた構成においても実効的にＦナン
バを切り換えるか、もしくはこれら実効的なＦナンバの
異なるこれらの振動子や反射鏡を切り換えて用いても本
発明を具備することができることを併せて述べておく。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明によれば、センサの実効的Ｆナ
ンバか周波数の少なくとも一方倍率に応じて可変とし、
高倍率、低倍率に応じて細い方位分解能と太い方位分解
能の超音波ビームを用いて撮像する構成を用いることに
より、ＩＣなど規則的な構造を描画する際発生するモア
レ縞現像を大巾に低減することにより、超音波顕微鏡の
観察能（１５） 力を向上させるもので当業界への寄与は極めて大である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の超音波顕微鏡の概略構成を示す図、第
２図は本発明を説明する為のモアレ縞の発生を説明する
図、第３図は本発明におけるモアレ縞の発生を説明する
図、第４図及び第５図は本発明の一実施例の要部の構成
を示す図である。 ２００・・・レンズ、２０５・・・下部電極、２１０゜
２３０・・・上部電極、２２０・・・圧電薄膜、３００
・・・１〜ランスデユーサ、３１０ａ、３１０ｂ−ＲＦ
ア（１６） −Ｎ　”ｌ唾Ｉ７′１鵠ト ｄ　ば　ペ　ペペらぺ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、倍率可変な超音波顕微鏡において、倍率に応じて方
   位分解能を変化する手段を有したることを特徴とする超
   音波顕微鏡。 ２、低倍率程、方位分解能を劣化せしめたることを特徴
   とする第１項記載の超音波顕微鏡。 ３、レンズ又は探触子の下ナンバと使用音波周波数の少
   なくとも１つを倍率に対応して変化せしめる手段を有す
   ることを特徴とする第１項記載の超音波顕微鏡。