JPH0140309B2 - - Google Patents

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JPH0140309B2
JPH0140309B2 JP55058707A JP5870780A JPH0140309B2 JP H0140309 B2 JPH0140309 B2 JP H0140309B2 JP 55058707 A JP55058707 A JP 55058707A JP 5870780 A JP5870780 A JP 5870780A JP H0140309 B2 JPH0140309 B2 JP H0140309B2
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pulse
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JP55058707A
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Kyoshi Ishikawa
Toshiro Kondo
Kageyoshi Katakura
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S15/8906Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G01H3/10Amplitude; Power
    • G01H3/12Amplitude; Power by electric means
    • G01H3/125Amplitude; Power by electric means for representing acoustic field distribution

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Acoustics & Sound (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

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
特に超音波顕微鏡に関する。
近年1GHzに及ぶ超高周波の音波の発生検出が
可能となつたので、水中で約1μmの音波長が実
現できる事になり、その結果、高い分解能の音波
撮像装置が得られる様になつた。即ち、凹面レン
ズを用いて集束音波ビームを作り、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入し、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、或は試料を機械的に2次元に走査
しながらこの信号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。この様な超音波顕微鏡については
実開昭54−92794号公報にて提案された。
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(例えばサフアイア、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1に蒸着された圧電薄膜1
0に印加されたRFパルス電気信号により結晶2
0内に平面波のRF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によつて反射、散乱された超音波は、
同じレンズによつ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RF電気信号に変換される。このRF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
ブラウン管の入力信号として用いるのである。
第2図aは、この様な従来構成で、ある繰り返
し周期tRのRFパルス電気信号を印加した時のピ
デオ領域での検出信号を示したものである。ここ
で横軸は時間軸をたて軸は信号強度を示してい
る。Aは印加したRFパルスを示し、Bはレンズ
界面からの反射信号を又Cは試料からの反射信号
を示している。
従来の撮像装置では、この所望の反射信号Cを
Bと弁別するに印加パルスの継続時間tdを出来る
だけ短かくして、C及びB信号が重ならない様に
設定し、C信号のみをタイムゲート(第2図c参
照)で取り出す構成を採用している。
ところで、この様な装置の分解能は、超音波の
伝播方向の探度分解能Δρ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ナンバによつて定り、 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程度である
から、1GHzの超音波を用いると水中(1500m/
s)でΔγ〜1μm、Δρ〜1.5μmとなる。
ところが、超音波顕微鏡の最大の撮像対象であ
るICやLSIでは、更に秀れた深度分解能が要求さ
れる。周知の様に、ICではその平面的なパター
ンより深さ方向のパターンの方が細かい事が多い
からである。実際、代表的なCは1μm〜3μmの
多層構造になつているが、焦点の位置をICの表
面より内部にあわせ、これ等の層を各々独立に非
破壊で観察する事は、上述の水中で2μmといつ
た深度分解能ではとうてい不可能である。という
のは、ICの材料であるシリコンやアルミニウム
等の金属はその音速は水より速いので1GHzの超
音波を用いても深度分解能は4〜10μmにすぎな
いからである。
本発明は以上の点を鑑みてなされたもので、深
度分解能を大きく改善する方法として干渉法を用
いる事を特徴とする。即ち、本発明者等は、前述
の不要な反射信号B、すなわちレンズ界面からの
反射超音波を利用して干渉顕微法を実現した。
第2図dは本発明の原理を示したもので、試料
からの反射超音波信号Cとレンズと水の界面での
反射超音波信号Bを干渉させるのにRFパルスの
継続時間tdを従来例とは逆に長くする事によつて
実現している。
詳しく説明すると、試料からの反射超音波信号
Cはレンズと水との界面からの反射信号Bより、
レンズと試料間の水の中を往復伝播する時間
2Z/Vw(ここでZはレンズと試料間の距り、Vw
は水中の音速)だけ遅れて戻つてくるから、RF
パルスの継続時間tdを td>2Z/Vw(≡ts) (3) と長くすると、2つの反射信号は重なりあう事に
なる。この重なりあう時間領域の信号をタイムゲ
ートでとり出すことにより、2つの反射信号の干
渉を検出する事が出来る。
レンズと水の界面からの反射信号Bを VB(t)=A sin wpt tp<t<tp+td (4) ここでwpは使用超音波周波数 tp=2L/VL Lはレンズの長さ、VLはレンズ材
の音速 とおくと、試料からの反射超音波信号Cは Vc(t)=B sin wp(t+2Z/Vw) (5) tp+ts<t<tp+ts+td で表わされるから、(3)の条件下では2つの信号は
重なり合い tp+ts<t<tp+td (6) でV(t)=A sin wpt+B sin wp(t+2Z/
Vw)と表わされ、(第2図dの破線領域)ダイオ
ード2乗検波すると、ビデオ領域で V(t)=A2+B2+2AB cos(wp2Z/Vw) (7) となる。(6)式の時間域の信号を利用すると、 wp2Z/Vw=2πZ/(λ/2) (8) より、レンズと試料間の距りZをかえるとλ/2
周期で検出信号が変調される。2つの反射波が最
も良く干渉する変調度50%、即ち、2つの反射波
の振巾AおよびBが等しい状態を仮定すると(7)式
は、 V(t)=2A2(1−cosθ) …(7′) ただしθ=2πZ/(λ/2) となる。これをV(t)の値が上限値が1、下限
値が0になるように規格化すると V(t)=(1−cosθ)/2 …(7″) となる。極大値より−3dBの振巾減をもつて深度
分解能とする(Rayleigh基準)と、 (1+cosθ0)/2=1/√2 であるから cosθ0=√2−1 であつて、これを解くとθ0=65.5゜=0.36πrad.で
ある。即ち、 2πZ/(λ/2)=0.36π より、Z=0.91λ≒λ/10が得られる。−3dB巾の
深度分解能は、極大値の点よりプラス側−3dBの
所からマイナス側−3dBまでの巾であるから前記
の値の2倍、即ち0.182λ≒λ/5になる。換言す
れば試料の凹凸や内部の層構造のパターンを、約
λ/5(変調度50%)で検出する事が可能になる。
このλ/5が従来法での深度分解能λ(F=0.7の
とき)に対応するもので干渉法によつて、約5倍
改善される事になるわけである。
1GHzの超音波を用いると、従来は、水の中で
約1.5μm、シリコン(8400m/s)中で8.4μmの
深度分解能しかしなかつたものを、本発明による
と水中で0.3μmシリコン中で0.7μmという高い深
度分解能に改善る事が出来、最初に述べたような
ICの多層構造の深度別観察が始めて可能になる
のである。
本発明によると、この様な干渉法と従来法を同
一の装置を用いて、単にRFパルス信号の継続時
間を切り換えるだけで使いわける事を可能にす
る。
即ち、上記説明から明らかなようにRFパルス
の継続時間tdを td<2Z/Vw (9) と短くすれば2つの反射超音波信号B、Cは重な
る事はないからである。
第3図は本発明を具体化する回路構成の一実施
例を示す図で、RFの連続波発振器100で発生
させたRF連続波信号(例えば1GHz)をアナロ
グ・スイツチ110で継続時間tdのRFパルス信
号にかえ、方向性結合器120を介して探触子系
125に印加する。反射検出信号を方向性結合器
120を介して受信アンプ130で増巾後、ダイ
オード検波器140でビデオ信号(帯域〜10M
Hz)に変換し、タイムゲート150により所望の
信号のみとり出して撮像用信号とするわけであ
る。この構成は従来法と同一であるが本発明の特
長は、アナログスイツチ110をON、OFFする
ゲート発生器160にある。即ち、スイツチ17
0によつてアナログスイツチ110用のゲート信
号を条件(3)td>2Z/Vw、又は条件(9)td<2Z/Vw
となる様切り換える回路である。
第4図にその構成の1例を示す。
即ち、パルス発振器161により繰り返し周期
tRのパルスを発生させ、そのパルスの立ち上り
で、マルチバイブレータ162a,162b,1
64でそれぞれΔt1、Δt2、Δt3なる時間巾のパル
スを作る。ここで、Δt1<2Z/Vw、Δt2>2Z/
Vw、Δt3=tp+tsと選ぶのである。マルチバイブ
レータ162a,162bの出力波形(各々、第
2図b,eに示す)をマルチプレキサ163で、
スイツチ170のHigh、Low状態によつて選択
し、アナログスイツチ110のコントロール信号
とし、又、マルチバイブレータ164の出力を再
びマルチバイブレータ165にいれる事により
Δt3だけ遅延したパルスを作成、これをタイムゲ
ート150のゲート信号とするわけである(第2
図c,fに示す)。この様な回路はTTL
(Transistor−Transistor Logic)で容易に実現
出来る。第2図a,b,c及びd,e,fにtd
2Z/Vw、td>2Z/Vw従つて従来例と本干渉法で
のコントロール信号とゲート信号のタイムチヤー
トを示す。
本実施例におけるこのようなモード切り換えに
よつても試料からの反射信号の出現時刻は変化し
ない。即ち第2図dに斜線で示す干渉波の巾、即
ち(td−ts)が第2図cに示す従来法のタイムゲ
ート巾とほヾ同じであり、従つて第2図fにおけ
る干渉波に対するタイムゲートと変りがないか
ら、同一のゲート信号を用いる事が出来る。これ
は本実施例における一つの利点である。本発明で
はこのような場合のみでなく、(3)式を満足するパ
ルス継続時間を採用しさえすれば、干渉波が生じ
且つその出現時刻は試料からの反射信号の立上り
時刻であるので、信号検出のためのタイムゲート
を、モード切換えにより変更する必要がない。
勿論本実施例で述べた構成に限らず、本質的に
RFパルスの継続時間を変える構成なら本発明は
有効である。本発明の他の実施例としては、撮像
装置の深度分解能を大巾に改善する事以外に、い
わゆる干渉法の有する特徴、即ち試料面の凹凸
の検出による等高線高さ計側、レンズと試料間
の距りをかえて得られる反射信号の示すパターン
の周期から(これはλ/2である)レンズと試料
間の間にある未知の流体の音速測定等が考えられ
る。
以上述べた様に、本発明によればRFパルスの
継続時間を2Z/Vwを基準としてこれより長くす
るか短かくするかで干渉法を実現し又従来方法も
具現することが出来、超音波顕微装置に極めて簡
単な構成で干渉法の機能を付加する事が出来、深
度分解能の向上等の性能向上に大きく寄与し、
ICやLSIの欠陥検査や品質管理に威力を発揮し当
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、探触子系の構成図を示す図、第2図
は本発明の原理を示す図、第3図は本発明の一実
施例を示す図、第4図は本発明の特徴部を説明す
る図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 一端にレンズ面を形成し、他端に圧電体を設
    けた音波伝播媒体より、流体媒質中の試料に向け
    て集束超音波ビームを発生させる手段と、前記音
    波ビームと前記試料とを相対走査する手段と、前
    記音波伝播媒体と前記流体媒質との境界面からの
    反射音波信号と前記試料よりの反射音波信号との
    干渉信号を検出し、表示する手段とを備えた超音
    波撮像装置。
JP5870780A 1980-05-06 1980-05-06 Ultrasonic wave image pickup device Granted JPS56155847A (en)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5870780A JPS56155847A (en) 1980-05-06 1980-05-06 Ultrasonic wave image pickup device
EP81103113A EP0039457B1 (en) 1980-05-06 1981-04-24 Acoustic microscope
DE8181103113T DE3162938D1 (en) 1980-05-06 1981-04-24 Acoustic microscope
CA000376542A CA1167958A (en) 1980-05-06 1981-04-29 Acoustic microscope with a variable rf pulse for causing interference
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EP (1) EP0039457B1 (ja)
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JPS56155847A (en) 1981-12-02
EP0039457B1 (en) 1984-04-04
CA1167958A (en) 1984-05-22
EP0039457A1 (en) 1981-11-11
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