JPH0251060A - スペクトラム超音波顕微鏡 - 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】 〈産業上の利用分野〉 間に行うスペクトラム超音波顕微鏡に関する。

〈従来技術〉 近年、圧電体を用いて超音波を発振し、音響し検 ンズで屈折させ超音波伝播用液体を介して被験体。

倹 表面上に収束させながら被験体表面をＸ−Ｙスキャンさ
せ、その反射波或いは透過波の出力を得る櫟 ことで被験体の弾性的性質を二次元で表示する超音波顕
微鏡が開発されている。

代表的な超音波顕微鏡の概要を説明すると、第２図に示
すように、数十から数百ＭＨｚの一定の周波数を発振す
る高周波発振器９を用いて高周波バースト信号を作り、
圧電体１０に印加する。高周波バースト信号は圧電体で
音波に変換（印加され挾 た電気信号を音波に変換して被験体に入射し、その反射
音波を再び電気信号に変換する装置を「トランスジュー
サー」と呼ぶ）され、溶融石英或いはサファイア等より
なる遅延材ｌｌ中を伝播し、遅延材と超音波伝播用液体
１２の音速の差により屈折され被検体１３上に収束され
る。試料の音響的な性質を反映した音波の反射波は、再
び超音波伝播用液体１２に放出され、遅延材１１で位相
整合されたのち圧電体１０で再び電気信号に変換される
。得られた電気信号を増幅しダイオード検波した後その
出力をビデオ信号として用いている。

二次元の反射強度の画像として表示する。

今までの超音波顕微鏡はこのようにある一定の周波数の
音波を音響レンズによって垂直成分も含−めた広い入射
角で被験体に照射し、その反射波ｏｆ１．ｉｂ：出力を
画像の明暗として表示するものが殆どであ＼５、二、［ される弾性表面波によるエネルギーの基板深部力ｌ向へ
の漏洩、エネルギーが弾性表面波としてトランスジュー
サーの位置から検出不可能な領域へ逃げてしまうことに
よる反射波成分の現象等、多くの現象の影響が積分され
た結果としての出力しか得れず、且つ常に一画像内での
相対的な出力の関係しか提供しえない、このように今日
の超音波顕微鏡は、その原理からくる定量計測を行う上
での困難さをもっている。

超音波顕微鏡を用いて定量計測を可能とするものに特開
昭６１−２０８５７号公報に記載の■（ｚ）曲線法を原
理とするものがある。　Ｖ　（ｚ）上を伝播し、再放出
された成分の干渉に起因するような機械的走査をするこ
となく、被験体表面に１’！１＼　・ 励起される弾性表面波の音速成いは弾性表面波をゝ゛−
−励起る超音波の周波数など、絶対値として正確に、短
時間に試料表面二次元的に高分解能で得ならば膜厚をあ
るいは亀裂深さを定量的にそれら−の情報から得ること
が可能となり、現在の精密加工等における被破壊検査手
段、あるいは物性研究の分野など極めて広い分野で有用
な評価装置となる。

〈発明が解決しようとする課題〉 点トランスジューサーを精度良（上下する必要が〜ある
ため、−枚の画像を作成するのに膨大な時間梼 被験体の定量測定を行おうとすると測定に長時間かかる
という問題点があった。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は以上の問題点を省みてなされたもので、広帯域
の高周波パルスを発振する手段と、発振さ体に入射しそ
の反射波を受信するトランスジューサーと、得られた信
号を周波数分析する手段と、その周波数分布の特徴を定
量的に抽出あるいは記した変化が観られ、実際の非破壊
検査や物性研究に重要な情報を提供しえることを我々は
明らかにンスジューサーを移動させるか或いはトランス
ジ゛音波の試料への入射角に依存した反射波の周波数ゝ
−厚等の構造パラメータ、あるいは亀裂の存在や剥−１
梗 離を被験体表面で二次元的にかつ定量的に測定、検出を
可能とするものである。

その反射波の周波数分布や反射係数の周波数依存を得て
おくならば（１）式によって得ることが出来る。

ＰＩ（θ、ｆ） Ｒ（θ ｆ　） Ｐ２（θ ｆ　） ・・・・・・　（１） ここでＰ２は装置の応答関数の周波数分布であり、綬 Ｐｌは被験体に於ける反射波の周波数分布である。１こ
のように入射角θを一定とするならば、無次元データで
ある周波数ｆの関数の反射係数が得られる。

特に、第４図に示すように反射係数が物性定数或いは構
造パラメータの関数として、ある周波数２３で極小をも
つ場合、反射係数の極小をとる周定な情報として反射波
全体のエネルギーに影ｌを゛受けることなく得ることが
出来る。

このように、−画面内に於ける出力の相対値を情報とし
て用いる従来の超音波顕微鏡に対して、７秩 本発明のスペクトラム超音波顕微鏡は、被験体表１面各
点に於ける反射波の周波数分布の形状を測定状 対象とすることで、被験体の表面状態やトランス１！ジ
ユーサーの特性、装置全体の電気的或いは機械検 的な不安定要素を取り除き、被験体固有の音波にに対し
ているいろな超音波の入射角で反射波の周検 波数依存性を調べたところ、被験体の物性と構造１に依
存して入射角にある程度の幅を持たせた場合゛−でもそ
の周波数分布の形状はその入射角の広がりの中心の角度
で入射したときとほぼ同じ形状をとることを見出してい
ることから、トランスジューサーの形状を第６図に示す
ような構造にすること穢 で超音波を被験体表面に収束させ、トランスジューサー
の圧電体面積より狭い領域の観察が可能で高い分解能を
もって画像を得ることができる。

〈実施例〉 以下本発明を実施例により図面に基づき詳細に説明する
。

第１図にスペクトラム超音波顕微鏡のブロックダイアダ
ラムの例を示した。

インパルス発信器を広帯域高周波パルス発信器１として
用い、トランスジューサーは超音波を被検 験体に入射し、反射波を受信するよう設置する。

トランスジューサーの受信部３は広帯域用増幅器４に接
続され、増幅された信号はスペクトルアナライザーより
なる周波数分析装置５に依って周波数分析され、Ａ／Ｄ
変換される。得られた周波数分布はコンピューターより
なる周波数分布デジタル演算及び記憶装置６によって操
作者に依ってプログラムされた特徴抽出が行われて記憶
された後、結果が画像出力装置７に表示される。試料台
と連結しているＸ−Ｙステージ駆動装置８はインバルス
発信器から出される信号に同期してＸ−Ｙスキャンされ
る。

以上の構成によりなる装置によってつぎの様な測定が可
能であった。

膜の構成されている試料に基板、膜、超音波伝播用液体
の組合せで決まるある特定の入射角で超音波を入射し、
その反射率が極小になる周波数があった場合、膜厚ｄと
反射率極小周波数ｆは基板、膜、超音波伝播用液体の組
合せで決定される定数Ｃとつぎの関係があることを我々
は見出している。

ｆ＊ｄ−Ｃ・・・・・・（２） 入射角で特定の周波数で特異な吸収による極小を示さな
いものに対して同じトランスジューサーを用いて採取し
た場合の周波数分布２４を記憶させておく０次に第５図
Ｂに示すように同じ入射角で。

梗　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　！−・□
被験体で得られたそれぞれの周波数での反射波の、１゛
周波数分布２５の成分が得られたとすると、各周波数で
於いて周波数分布２５の値から周波数分布祇 ２４の値を引くと第５図Ｃに示すように被験体特有の極
小現象を明確に示す周波数分布２６が得られる。得られ
た周波数分布２６で極小値をとった周波数２７を得、（
２）式から膜厚ｄを算出してｄの大小を明暗として画像
出力装置のモニター画超音波を約３０ｄｅｇで入射する
と、擬領弾性表梗 開披と呼ばれる表面波が被験体表面に励起され、基板に
エネルギーを放出しながら伝播することがわかっている
。このことから、トランスジューサーの音波の入射角を
３０ｄｅｇに設定し、スペクトル超音波顕微鏡の周波数
分布のデジタル演算及び記憶装置に、第５図Ａに示すよ
うに試料が先の杖　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　・５、−い、被験体全面の膜厚分布図
を得るように設定し１雫だ。

檎 測定の結果、被験体全面に渡って高い空間分解能１・τ
Ｚ１、 で膜厚の分布図が二次元的に得られ、後に破壊検・ヘー
査に依って調べたところスペクトラム超音波顕微鏡に依
って得られた膜厚分布図が正しい値を示している事が実
証された。

また膜の構成されている試料に基板、膜、超音波伝播用
液体の組合せで決まる、ある特定の入射角で超音波を入
射すると弾性表面波と呼ばれる波が強く試料表面に励起
される。この場合、極微小な面積に超音波を照射し、そ
の領域の反射音波を採取すると、基板にエネルギーを放
出しなくとも弾性表面波として受信用トランスジューサ
ーによって検出出来ない領域まで伝播していくため、弾
性表面波を励起した周波数成分のみが大きく反射波出力
の極小をとることを我々はみいだした。

このため、第６図に示すように中心入射角４０ｄｅｇ、
入射角幅４ｄｅｇにトランスジューサーを設定した０周
波数分布のデジタル演算及び記憶装置では先の例と同様
、得られる反射波の周波数分布の極小周波数を求め、膜
がクロム、基板が銅の場合の定数Ｃを求め、膜厚ｄを求
めるように設定し、被；体全面にわたり測定を行・た、
この結′１果、極微小な面積に超音波を照射し、その領
域の一反射波を採取することによって反射波出力の極小
現象が大きく現れ、正確にしかも短時間に膜厚の瞠 被験体全面の膜厚測定が行われた。

溶融石英基板上に金の膜を蒸着した試料を塩酸に浸して
おくと、境界への塩酸の進入によって金の膜が短時間に
しかも微小領域で多くの部分から剥離する事が知られて
いる。

しかし、今までこの剥離の過程を継続的に観察すること
は困難であった。このため超音波伝播媒体に塩酸を用い
、本発明のスペクトラム超音波顕微鏡によって測定を行
った。基板から膜が剥離すると、膜が密着していた時に
は基板へのエネルギーと漏洩しながら伝播する擬似弾性
表面波の影響で存在していた反射波出力のある周波数で
の極小現象が起きなくなることを我々は見出したため、
周波数分布のデジタル演算及び記憶装置に於いて一枚 極小現象の起きた被験体の部分はモニター画面を１１明
に、極小現象の起きなかった点に於いてはモニター画面
を暗として表示しながら且つ（２）式にを行った。

この測定によって金の膜の剥離の様子が時間を追って観
察された。また観察の後スペクトラム超音波顕微鏡の記
憶していた反射波出力極小周波数から膜厚分布を画像表
示したところ、膜厚の薄い部分からより多くの剥離が発
生していたことが判明した。

基板上に膜の形成されている試料に於いて第（３）式の
関係が成り立つ場合は膜と基板の間に異種の物質よりな
る中間層が存在するか、あるいは境界が完全に接合して
いないことを示しているその領域の反射波を採取してそ
のそれぞれの入射−角で反射波の出力が極小となる周波
数が完全に密・・・・・・　（３） このため、溶融石英の上に金の膜を蒸着し、入射角θ１
＝１７．Ｏｄｅｇ及び入射角θ２−２５゜Ｑｄｅｇに設
定し、入射角幅θ３＝３　ｄ　ｅ　ｇで第７図に示す樺
なセンサーを用いてそれぞれの入射角で独立に反射波を
採取出来るように設定を行った。

さらに前もって得られたｆｌ、ｆ２に対して（３）式が
成り立つかどうか判断を行い、成り立たなければ明を、
成り立てば暗をその測定点の状態としてモニター両面に
表示するよう周波数分布のデジタル演算及び記憶装置を
設定し測定を行っ７．−た、この結果、被替体に明の部
分が認められたた′１め、破壊試験に依って確認したと
ころ、モニター両面で明の表示の行われた領域に油膜の
存在が確ｆｌ　　　　　　　　　　　　　ｆ２ ≠ ｆｌ’　　　　　　　　　　　ｆ２　　。

た。

広帯域パルス発信器は１００ＭＨｚ付近までの周波数成
分を持つ信号を発信するよう設定を行い、出力はカラー
モニター画面で赤青緑の３原色それぞれの色の輝度を独
立に周波数分布のデジタル演算及び記憶装置からの命令
により表現するように設定を行った。

周波数分布のデジタル演算及び記憶装置には前さらに得
られた反射係数の周波数分布をＯＭＨｚから３０ＭＨｚ
までを緑に、３０ＭＨｚから６０ＭＨｚまでを青に、６
０ＭＨｚから１００ＭＨｚまでを赤で、それぞれの周波
数領域の反射係数の積分値をそれに対応する色の輝度に
変換してカラーモニター画面に表示する信号を送るよう
設定を−っぽく表される領域と、緑に表現される領域の
２つの領域に大別されて表された。この観察の後、被；
体各部の化学組成比を化学分析装置を用い＋１字調べた
ところ、カラーモニター画面で黄色っぽ＜−表される領
域は緑に表現される領域とは異なった化学組成比をして
いることが判明した。

〈発明の効果〉 秋 以上説明したように、本発明によれば被験体表面をＸ−
Ｙスキャンしながら一定の入射角で広帯５棟 域の超音波を被験体に入射しその反射波を採取し、１定
量的に観察することが出来、極めて汎用性の高い測定装
置として活用される。

の周波数分布の特徴を色に依って表現するようにスペク
トラム超音波顕微鏡の設定を行い、ｘ−Ｙ秩 ステージ駆動装置によって被験体全面の観測を行測定の
結果、被験体はカラーモニター画面で買追、１゜且つ定
量的に測定することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の典型的な実施例のブロックダイヤグラ
ム、第２図は従来の超音波顕微鏡のブロツクダイヤグラ
ム、第３図はＶ（ｚ）曲線法を超音波顕微鏡で行うとき
のブロックダイヤフグラム、第４図は出力極小を持つ周
波数分布の例、第５図、へＡ、Ｂ、Ｃは反射係数の求め
方の説明図、第６図は中心入射角θｌ、入射角幅θ２に
設定したトランスジューサーの説明図、第７図は２つの
入射角θ１及びθ２を持ち、入射角幅θ３のトランスジ
ューサーの説明図である。 ｌ・・Ｊ・・・広帯域高周波パルス発信器２・・・・・
・トランスジューサーの発信部３・・・・・・トランス
ジューサーの受信部４・・・・・・広帯域用増幅器 ５・・・・・・周波数分析装置 ６・・・・・・デジタル演算及び記憶装置７・・・・・
・画像出力装置 ８・・・・・・Ｘ−Ｙステージ駆動装置９・・・・・・
高周波発信器 ＩＯ・・・・・・圧電体 ｌ・・・・・・遅延材 ２・・・・・・超音波伝播用液体 族 ３・・・・・・被験体 ４・・・・・・サーキエレーター ５・・・・・・増幅器 ６・・・・・・出力検出装置 ７・・・・・・画像出力装置 ８・・・・・・Ｘ−Ｙステージ駆動装置９・・・・・・
音響レンズ ０・・・・・・出力検出装置 ｌ・・・・・・Ｖ（ｚ）曲線出力解析装置２・・・・・
・Ｚステージ駆動装置 ３・・・・・・反射係数極小周波数 ４・・・・・・特異な極小を持たない周波数分布棟 ５・・・・・・被験体に於いて 得られる周波数分布 千金 ２６・・・・・・得られた被験体の反射率捻 ２７・・・・・・得られた被験体の反射率の極小をとる
周波数 秋 ２８・・・・・・被験体の基板 ９・・・・・・被験体の膜 ０・・・・・・超音波伝播用液体 １・・・・・・中心入射角 ２・・・・・・入射角幅 ３・・・・・・超音波伝播用液体 ４・・・・・・中心入射角θ１ ５・・・・・・中心入射角θ２ ６・・・・・・入射角幅θ３ 特　　許 出　　　願 人 凸版印刷株式会社 代表者　鈴木和夫 第１図 第２図 第４図 十 Ｊ５図Ｃ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）広帯域の高周波パルスを発振する手段と、発振され
   た電気信号を音波に変換し被検体に一定の入射角で入射
   しその反射波を受信するトランスジューサーと、得られ
   た信号を周波数分析する手段と、その周波数分布の特徴
   を定量的に抽出あるいは記憶する手段とを具備し、さら
   にこれらの行程と連動する、被検体表面平行に、被検体
   に対してトランスジューサーを移動させるか或いはトラ
   ンスジューサーに対して被検体を音波の発振と受信およ
   び周波数分析の行程を同期させて二次元的に移動させる
   駆動手段を有し、被検体各点に於ける超音波の試料への
   入射角に依存した周波数分布の情報或いは其から求めら
   れた定量的な被検体の情報を二次元に出力する手段を有
   する事を特徴とするスペクトラム超音波顕微鏡。 ２）広帯域の高周波パルスを発振する手段と、入射角に
   依存する周波数分布の特徴を損なわない程度に入射角に
   幅を持たせ被検体表面に音波を収束させるか或いは微小
   部からの反射波成分のみを受信する等の方法によって被
   検体の微小領域のみからの反射波を受信するトランスジ
   ューサーと、得られた信号を周波数分析する手段と、そ
   の周波数分布の特徴を定量的に抽出あるいは記憶する手
   段とを具備し、さらにこれらの行程と連動する、被検体
   表面平行に、被検体に対してトランスジューサーを移動
   させるか或いはトランスジューサーに対して被検体を音
   波の発振と受信および周波数分析の行程を同期させて二
   次元的に移動させる駆動手段を有し、被検体各点に於け
   る超音波の試料への入射角に依存した周波数分布の情報
   或いは其から求められた定量的な被検体の情報を二次元
   に出力する手段を有する事を特徴とするスペクトラム超
   音波顕微鏡。