JPH0465342B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は超音波顕微鏡、特に試料の広範囲の部
分の低倍率の超音波像と、その中の微小部位の高
倍率の超音波像とを表示することができる超音波
顕微鏡に関するものである。

従来技術 従来、音響レンズと圧電トランスジユーサを有
する超音波ヘツドを加振装置によりＸ軸方向に微
小に振動させると共に試料を載置した試料台をＹ
軸方向に移動させて試料を２次元的に走査しなが
ら超音波ビームを投射してCRT表示装置上に試
料の超音波像を表示する超音波顕微鏡は既知であ
る。このような超音波顕微鏡を用いて、例えば
ICウエフア等の平坦な表面を有する試料を観察
する場合には試料の広範囲の部分を低倍率の画面
として表示すると共に試料の微小部位をさらに拡
大して高倍率の画面として表示することが望まし
い。この場合には、先ず最初に低分解能の超音波
ヘツドを装着し、Ｘ軸およびＹ軸送り機構を用い
て低倍率の超音波像を表示し、この像を観察しな
がら、さらに詳細に観察すべき部位を見出し、Ｘ
軸およびＹ軸方向送り機構を駆動して所望の部位
が検鏡位置に来るようにし、超音波ヘツドを高分
解能のものと交換し、加振装置を用いて所望の部
位の高倍率像を表示するようにしている。この場
合、低倍率の超音波像を観察しながらさらに高倍
率で観察すべき部位を探し出すので、低倍率像と
高倍率像との位置関係を明確に知ることができ
ず、検査部位の特定を明確に行なうことができな
い欠点がある。また、低倍率の像を見ながら高倍
率で観察すべき部位を検鏡位置に位置決めする際
にも相当面倒な操作が必要となると共にかなりの
熟練が要求される欠点もある。また、試料の複数
の部位を高倍率で観察したい場合には、一つの部
位の観察が終つた後に再び低分解能の超音波ヘツ
ドに交換して試料の広範囲の像を表示し、これを
観察しながら次に高倍率で検査すべき部位を探す
と云うきわめて面倒な作業が必要になり、全体の
検査時間が著しく長くなる欠点がある。

発明の目的 本発明の目的は上述した欠点を除去し、試料の
広範囲の部分の低倍率の超音波像と、その中の任
意の微小部位の高倍率の超音波像とをきわめて簡
単な操作によつて表示することができ、しかも、
両超音波像の位置関係を観察者が明確に把握する
ことができる超音波顕微鏡を提供しようとするも
のである。

発明の概要 本発明の超音波顕微鏡は、試料と超音波ヘツド
とをＸ軸方向およびＹ軸方向に相対的に移動させ
るＸ軸方向送り機構およびＹ軸方向送り機構と、
試料と超音波ヘツドとをＺ軸方向に相対的に移動
させるＺ軸方向送り機構と、前記超音波ヘツドを
Ｘ軸方向に微小振動させる加振装置と、前記Ｚ軸
送り機構を駆動して超音波ヘツドから放射される
超音波ビームを試料の内部で集束させた状態で、
前記Ｘ軸方向およびＹ軸方向送り機構により試料
と前記超音波ヘツドとを相対的に移動させて広範
囲の２次元走査を行つて得られる低分解能、低倍
率の超音波像を表示する第１の表示装置と、この
第１の表示装置で表示される試料の超音波像中の
任意の位置を指定できる座標入力装置と、この座
標入力装置によつて指定された任意の位置に対応
する試料の微小部位を、前記Ｚ軸送り機構を駆動
して超音波ヘツドから放射される超音波ビームを
試料の表面で集束させた状態で、前記加振装置お
よびＹ軸方向送り機構に２次元走査して得られる
高分解能、高倍率の超音波像を表示する第２の表
示装置とを具えることを特徴とするものである。

実施例 以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の超音波顕微鏡の一例の構成を
示すブロツク図である。音響レンズ１と圧電トラ
ンスジユーサ２を有する超音波ヘツド３は加振装
置４の加振軸４ａに装着する。検査すべき試料５
は試料台６上に載置し、超音波ヘツド３と試料５
との間には超音波伝播媒質、例えば水７を介在さ
せる。本例では、この試料台６をXYテーブルを
以つて構成し、これをＸ軸方向送り機構８および
Ｙ軸方向送り機構９によつてＸおよびＹ軸方向に
移動できるように構成する。加振装置４は超音波
ヘツド３をＸ軸方向に微小範囲で高速に振動させ
るものであり、例えばムービングコイル装置を以
つて構成することができる。一方、ＸおよびＹ軸
方向送り機構８および９は試料５を超音波ヘツド
３に対して広範囲に亘つて移動させるものであ
り、例えばモータとリードスクリユウを具えるリ
ニア駆動機構を以つて構成することができる。本
例ではさらに、試料台６を超音波ビームの投射方
向であるＺ方向に移動させるＺ軸方向送り機構１
０をも設け、超音波ヘツド３と試料５との間の距
離を調整することができるように構成する。さら
に試料台６はゴニオメータによつて支持されてお
り、Ｘ軸およびＹ軸を中心として回動させること
によつて試料台の傾きを調整することができるよ
うになつているが第１図では、図面を明瞭とする
ためにこの機構は省略してあり、これについては
後に詳述する。

次に第１図に示す本発明の超音波顕微鏡の電気
回路部分について説明する。

制御回路１１からの制御信号に同期したバース
ト状高周波パルス信号を高周波発生器１２から発
生させ、バツフアアンプ１３で増幅した後、サー
キユレータ１４を介して超音波ヘツド３の圧電ト
ランスジユーサ２に加えて、前記バースト状高周
波パルス信号のバースト周波数に対応した超音波
に変換する。この超音波を、音響レンズ１により
集束して超音波ビームスポツトを試料５に投射
し、その反射波を音響レンズ１によつて集めて圧
電トランスジユーサ２により電気信号に変換す
る。この受信信号中には、音響レンズ１での内部
多重反射した超音波によるものや、サーキユレー
タ１４の漏えいバースト状高周波パルス信号等の
不正な不要信号を含んでいるので、これをゲート
１５に導き、制御回路１１からの所定タイミング
を有するゲート信号により、試料５からの直接の
反射波に相当する受信信号のみを取り出す。これ
をアツテネータ１６を介して高周波増幅回路１７
により増幅し、混合器１８に導き局部発振器１９
からの局部発振周波数信号と混合して中間周波数
信号に変換する。この中間周波数信号は、中間周
波数増幅器２０を介して検波器２１に供給され、
ここで包絡線検波された後、ブランキング回路２
２に入力する。このブランキング回路２２には制
御回路１１から制御信号を供給してゲート１５か
ら漏れた不要信号を阻止し、試料５からの直接の
反射波に相当する受信信号のみを取り出すように
する。ブランキング回路２２の出力をピーク検波
回路２３によりピーク検波し、このようにして得
られた検波出力信号をリミツタ２４を経て第１お
よび第２のスキヤンコンバータ２５および２６の
いずれか一方に導く。これらのスキヤンコンバー
タには制御回路１１から、加振装置４によるＸ軸
走査周期に関連した同期情報信号および試料台６
のＸ軸およびＹ軸走査周期に関連した同期情報信
号が供給され、スキヤンコンバータ内の画像メモ
リの所定位置にリミツタ２４からの出力画像信号
を順次一時記憶する。これをテレビジヨン走査周
期によつて連続的に繰り返して読み出すとともに
同期情報を付加してテレビジヨン信号に変換し、
第１および第２のテレビジヨン画像モニタ２７お
よび２８に供給して画像再生することにより超音
波顕微鏡像を得ている。さらに、制御回路１１、
第１および第２のスキヤンコンバータ２５および
２６を制御するための中央処理装置２９とライト
ペン３０とを設ける。

本実施例においては、上述したように第１およ
び第２のスキヤンコンバータ２５および２６を設
け、２画面分の画像を記憶できるようにする。す
なわち、最初に低倍率の画像信号を取り出して第
１スキヤンコンバータ２５に記憶し、試料５の広
範囲の部分の低倍率の超音波像を第１モニタ２７
状に表示する。オペレータはこの低倍率の超音波
像を見ながら、さらに高倍率の観察したい部位を
探し出し、該当する部位にライトペン３０を当て
てその座標を中央処理装置２９へ入力する。中央
処理装置ではこの入力座標に応じて、制御回路１
１を介してＸ軸およびＹ軸方向送り機構８および
９を駆動し、ライトペン３０によつて指定された
部位を検鏡位置に位置決めする。次に加振装置４
とＹ軸方向送り機構９を駆動して指定された部位
を二次元走査し、その画像信号を第２スキヤンコ
ンバータ２６の画像メモリに記憶し、微小部位の
高倍率超音波像を第２モニタ２８上に表示する。
このようにして試料の広範囲の部分の超音波像
と、その中の任意の微小部位の拡大超音波像とを
表示することができるので、両観察部位の位置関
係を明確に把握することができる。また、第１ス
キヤンコンバータ２５に記憶している画像信号は
そのままとしておき、別の微小部位をライトペン
３０によつて指定することによつて新たにこの部
位の高倍率超音波像を第２モニタ２８上に表示す
ることができる。この場合、ライトペン３０によ
つて指定された部位を第１モニタ上で、例えばカ
ーソルによつて表示するようにしてもよい。

上述したように、本実施例によれば低倍率の像
および高倍率の像を表示することができるが、こ
れは主として中央処理装置２９を構成するコンピ
ユータによつて制御することができる。次に、こ
の中央処理装置２９の動作を中心として各部の動
作を詳細に説明する。

第２図は低倍率の超音波像を得る際のフローチ
ヤートを示すものである。低倍率の超音波像を得
るときには、上述したように加振装置４は駆動せ
ず、Ｘ軸およびＹ軸方向送り機構８および９によ
つて試料台６を移動させて２次元走査を行なう
が、この場合には先ず、２次元走査の位置および
範囲を指定する。例えば第３図に示すように２次
元走査すべき範囲F_Lの点P₀およびP₁の座標をそ
れぞれ（X₀、Y₀）および（X₁、Y₁）とすると、
これらの座標をキーボードに設けたキーを操作し
て入力する。このとき、超音波ヘツド３による検
鏡軸が点P₀（X₀、Y₀）にないときは、Ｘ軸および
Ｙ軸方向送り機構８および９を駆動して検鏡軸を
点P₀（X₀、Y₀）に一致させる。このようにして初
期設定が終了したら、高周波パルス発生器１２を
駆動して超音波パルスを試料５へ向け投射し、そ
の反射パルスを受信し、これに対応する画像信号
をゲート１５によつて抽出し、第１スキヤンコン
バータ２５の画像メモリの対応するアドレス位置
に記憶する。次にＸ軸方向送り機構８を駆動して
試料台６をＸ軸方向へ１ステツプだけ移動させ、
同様の動作を行なつて画像メモリのＸ方向に見た
次のアドレス位置に画像信号を記憶する。このよ
うな動作をＸ−X₁となるまで繰返し行ない、１
ライン分の画像情報を第１スキヤンコンバータ２
５の画像メモリの１ラインに順次記憶する。次に
Ｘ−X₁となつたら、Ｘ軸方向送り機構８を駆動
してＸ−X₀の位置まで復帰させると共にＹ軸方
向送り機構９を駆動して試料台６をＹ軸方向に１
ステツプ移動させた後、上述した動作を繰返して
２ライン目の画像信号を第１スキヤンコンバータ
２５の画像メモリの第２ライン目に記憶する。こ
の動作をＹ−Y₁となるまで繰返すことにより、
第１スキヤンコンバータ２５の画像メモリ内に
は、第３図の広範囲の部分F_Lを表わす１画面分
の画像信号が記憶されることになる。

第４図は高倍率の超音波像を得る際の動作を表
わすフローチヤートである。上述したようにして
第１モニタ２７上に表示される低倍率の像を観察
しながら、ライトペン３０の先端を所望の部位の
中心に当てて、ライトペンに設けられているスイ
ツチを駆動する。これによつて第３図に示すよう
に所望の部位F_Hの中心座標（Xm、Ym）が中央
処理装置２９に入力される。この場合視野の大き
さ（Ｄ×Ｗ）はキーボードのキーを操作して予じ
め入力してある。すなわち、加振装置４によるＸ
軸方向の振幅（走査幅）Ｗと、Ｙ軸方向送り機構
９によるＹ軸方向の走査幅Ｄとが入力されてい
る。この大きさは、例えば４段階に切換えること
ができるようになつている。中央処理装置２９で
は上述した入力データＤ，Ｗ，Xm，Ymに基い
て微小部位の点P₀′、P₁′およびPmの座標を以下
のようにして演算する。

P₀′（X₀′、Y₀′）−P₀′（Xm−Ｗ／２、Ym−Ｄ／
２） P₁′（X₁′、Y₁′）−P₁′（Xm＋Ｗ／２、Ym＋
Ｄ／２ Pm（Xm、Ym−Ｄ／２） 次に制御回路１１を介してＸ軸およびＹ軸方向
送り機構８および９を駆動して、超音波ヘツド３
の検鏡軸を点Pmと一致させる。このようにして
初期設定をした後、加振装置４を駆動して超音波
ヘツド３をＸ軸方向へ振動させ、超音波ヘツド３
から超音波ビームを試料５に放射し、その反射波
を受信して電気信号に変換して適切に処理して第
２スキヤンコンバータ２６の画像メモリに記憶す
る。すなわち、加振装置４によつて超音波ヘツド
３を振幅Ｗで１往復させて位置Xmが２回検出さ
れたときに、Ｙ軸方向送り機構９を駆動して試料
台６をＹ軸方向へ１ピツチ移動させ、再び超音波
ヘツド３をＸ軸方向へ１往復させる。上述した動
作をＹ−Y₁′となるまで順次に繰返して試料の微
小部位F_Hを二次元的に走査して得られる画像信
号を第２スキヤンコンバータ２６の画像メモリへ
記憶することができる。この場合、第２モニタ２
８上に表示される微小部位F_Hの拡大像は第１モ
ニタ２７上に表示されている広範囲の部分F_Lの
低倍率像の中からライトペン３０を用いて任意に
選択することができ、両画像の位置関係を明確に
知ることができる。また、広範囲の部分F_Lの中
の他の微小部位の高倍率像を表示したい場合には
ライトペン３０によつて新たにその位置を指定す
るだけでよく、その操作は非常に簡単である。

上述したように、試料の広範囲の部分の低倍率
像を表示するときは低分解能の超音波ヘツドを用
い、微小部位の高倍率像を表示するときは高分解
能の超音波ヘツドを用いる必要がある。これはそ
の都度超音波ヘツドを交換することにより行なう
こともできるが、本発明では同じ超音波ヘツドを
用いて低倍率および高倍率の像の双方を表示する
ことができる。以下、これについて説明する。

第５図Ａは低倍率の超音波像を得る場合の超音
波ヘツド３と試料５との位置関係を示すものであ
り、この場合には超音波ヘツド３から放射される
超音波ビームが試料５の内部で集束されるように
距離l₁を調整して、第６図Ａに示すように直径の
大きな超音波スポツトが試料５の表面上に投射さ
れるようにする。この試料５の表面からの反射波
を選択的に取出すことにより低倍率の超音波画像
を得ることができる。一方、高倍率の超音波像を
得るときには、第５図Ｂに示すように超音波ヘツ
ド３から放射される超音波ビームが丁度試料５の
表面で集束するように両者の距離l₂を第５図Ａに
示す距離l₁よりも長く調整する。この場合には、
第６図Ｂに示すように最小の径の超音波ビームス
ポツトが試料表面上に投射されることになり、高
分解能の走査が行なわれ、高倍率の超音波像が表
示されることになる。このように超音波ヘツド３
と試料５との間の距離を調整するのは、第１図に
示すＺ軸方向送り機構１０を駆動して行なうこと
ができる。

上述したように、本例の超音波顕微鏡において
は試料台６をゴニオメータによつて支持し、Ｘ軸
およびＹ軸方向の傾きを調整することができるよ
うになつている。すなわち、第７図に示すように
ゴニオメータ３１には試料台６をＹ軸を中心とし
て回動してＸ軸方向の傾きを調整するＸ軸方向調
整用モータ３２と、Ｘ軸を中心として回動してＹ
軸方向の傾きを調整するＹ軸方向調整用モータ３
３とを設け、これらのモータを適当に駆動して試
料台６上に載置される試料の表面が超音波ビーム
の投射方向に対して垂直となるようにする。以
下、その動作を第８図を参照して説明する。

第８図はＸ軸方向での傾きを調整する場合のフ
ローチヤートを示すものであり、先ず、第３図の
点P₀（X₀、Y₀）およびP₁（X₁、Y₁）の座標を入力
し、Ｘ軸およびＹ軸方向送り機構８および９を駆
動して試料台６を点P₀（X₀、Y₀）の位置に移動さ
せる。ここで超音波を放射し、試料表面からの反
射波の強度を検出する。第９図は超音波ヘツド３
のＺ方向の位置Ｚを横軸にとり、縦軸に反射波の
強度Ｖをとつて示したものであり、超音波ビーム
が試料表面上で集束される合焦位置Z₀において強
度は最大値V₀となる。したがつて焦点調整を行
ない、最大強度V₀を記憶しておく。次にＸ軸方
向送り機構８を駆動してＸ軸方向に１ステツプ移
動させ、その位置での反射強度Ｖを測定する。こ
の測定した強度Ｖが最大値強度V₀から予じめ設
定した値αを差引いた値よりも小さいときには、
再び試料台を１ステツプ移動させる。このように
して順次検出を行なつて行き、或る点（X_o、Y₀）
において反射強度V_oがV₀−αよりも小さくなつ
たら、許容し得ない程の傾きがあると判断し、こ
の位置でのＺ軸方向の位置Z_oを求める。これらの
値から、傾き角αを α＝tna^-1Z₀−Z_o／X_o−X₀から演算し、Ｘ軸方向調整モ ータ３２を駆動してこれと反対の方向に角αだけ
傾斜させる。上述した動作をＸ＝X₁となるまで
順次に行なうことによりＸ軸方向の傾きを補正す
ることができる。

次に調整台６を点P₀（X₀、Y₀）に移動させて、
Ｙ軸方向についてY₀からY₁までの範囲で同様の
操作を行ない、Ｙ軸方向調整モータ３３を駆動し
てＹ軸方向の傾きを補正することができる。この
ようにして、Ｘ軸およびＹ軸方向の双方について
傾きを補正することができ、より正確な超音波像
を表示することができるようになる。

本発明は上述した実施例にのみ限定されるもの
ではなく、幾多の変更や変形を加えることができ
る。例えば上述した例では、第１および第２のモ
ニタを設け、それぞれによつて低倍率の超音波像
と高倍率の超音波像を表示するようにしたが、１
台のモニタを設け、その画面を二分してその一方
で低倍率の像を表示し、他方で高倍率の像を表示
するようにしてもよい。また、上述した例では、
微小部位の座標を入力する手段としてラインペン
を用いたが、モニタスクリーン上に表示されるカ
ーソルを用いて座標を入力することもできる。さ
らにスキヤンコンバータとモニタをさらに増や
し、２つ以上の微小部位の超音波像を表示するこ
ともできる。また、上述した例ではＸ軸およびＹ
軸方向の送り機構は試料台を移動させるものとし
たが、これらのいずれか一方または双方を、超音
波ヘツドを移動させるものとすることもできる。

発明の効果 本発明によれば、試料の広範囲の部分を低分解
能の超音波ビームで走査して低倍率の超音波像を
表示し、その中の任意の微小部位の位置を座標入
力装置によつて指定し、この指定された部位を高
分解能の超音波ビームで走査して高倍率の超音波
像を表示するようにしたので、２つの超音波像の
位置関係を常に明確に知ることができ、正確で迅
速な観察を行うことができる。また、微小部位の
位置を新たに指定するだけで、その部位の高倍率
像を表示することができるので、操作は非常に簡
単となる。しかも高分解能の超音波ビームと低分
解能の超音波ビームとは、超音波レンズを交換す
ることなく、単にＺ軸方向送り機構を駆動して超
音波レンズと試料との距離を変化させるだけで切
換えることができ、操作性はさらに良好となると
ともに低倍率の超音波像を得るための時間も短縮
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波顕微鏡の一例の構成を
示すブロツク図、第２図は低倍率の超音波像を表
示する場合の動作を示すフローチヤート、第３図
は低倍率像と高倍率像との位置関係を示す図、第
４図は高倍率の超音波像を表示する場合の動作を
示すフローチヤート、第５図ＡおよびＢは同一の
超音波ヘツドを用いて低倍率と高倍率の超音波像
を表示する場合の超音波ヘツドと試料との位置関
係を示す図、第６図ＡおよびＢは同じくその場合
に試料表面上に投射される超音波ビームのスポツ
トを示す図、第７図は試料台の傾きを調整するゴ
ニオメータ機構を示す斜視図、第８図は傾き調整
の動作を示すフローチヤート、第９図は傾き調整
を行なう場合の、超音波ヘツドの位置と反射強度
との関係を示すグラフである。 １……音響レンズ、２……圧電トランスジユー
サ、３……超音波ヘツド、４……加振装置、５…
…試料、６……試料台、８……Ｘ軸方向送り機
構、９……Ｙ軸方向送り機構、１０……Ｚ軸方向
送り機構、１１……制御回路、２５，２６……第
１、第２スキヤンコンバータ、２７，２８……第
１、第２モニタ、２９……中央処理装置、３０…
…ライトペン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 試料と超音波ヘツドとをＸ軸方向およびＹ軸
   方向に相対的に移動させるＸ軸方向送り機構およ
   びＹ軸方向送り機構と、試料と超音波ヘツドとを
   Ｚ軸方向に相対的に移動させるＺ軸方向送り機構
   と、前記超音波ヘツドをＸ軸方向に微小振動させ
   る加振装置と、前記Ｚ軸送り機構を駆動して超音
   波ヘツドから放射される超音波ビームを試料の内
   部で集束させた状態で、前記Ｘ軸方向およびＹ軸
   方向送り機構により試料と前記超音波ヘツドとを
   相対的に移動させて広範囲の２次元走査を行つて
   得られる低分解能、低倍率の超音波像を表示する
   第１の表示装置と、この第１の表示装置で表示さ
   れる試料の超音波像中の任意の位置を指定できる
   座標入力装置と、この座標入力装置によつて指定
   された任意の位置に対応する試料の微小部位を、
   前記Ｚ軸送り機構を駆動して超音波ヘツドから放
   射される超音波ビームを試料の表面で集束させた
   状態で、前記加振装置およびＹ軸方向送り機構に
   ２次元走査して得られる高分解能、高倍率の超音
   波像を表示する第２の表示装置とを具えることを
   特徴とする超音波顕微鏡。 ２ 前記座標入力装置によつて指定される任意の
   位置は、高倍率の超音波像の中心座標であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波
   顕微鏡。