JPS5815152A - 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、静圧空気軸受等によって非接触で支持された
試料台において、該試料台へ装着される試料の傾きを調
節できるようにしたことを特徴とする超音波顕微鏡勢の
試料台に関する。

近年ＩＧＨｚ　Ｋ及ぶ超高周波の音波の発生検出が可能
となったので、水中で約１μｍの青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
る様になった。即ち、凹面レンズを用ｉて県東音波ビー
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開昭５０−１８４４’号公報により
既に知られている。かかる従来装置の問題点を説明する
。

第１図は、その超音波顕微鏡の要部である探触子系の概
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に印加され九ＲＦパルス電気信号により結晶２０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上に県東される。

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図体）は、この様な従来構成で、ある繰す返し周期
ｔＲの、ＲＦパルス電気信号を印加した時のビデオ領域
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。人は印加し九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
する為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１ならない様に設定し、Ｃ信号の
みをタイムゲート（図２（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には、超音波の伝播方
向の深度分解能Δρと超音波の伝播方向と垂直な面内の
方位分解能Δｒ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ナンバによって定り、 Δｒ−λ・Ｆ　　　　　　　　・田川・・・・印・ｆｌ
）Δ／７＝２λ・Ｆ！　　　　　　　・１旧・・・・・
・・・（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、
Ｉ　ＧＨｚ　Ｃ）超音波を用いると水中（１５００ｍ／
ｓ）でΔｆ〜１１１ｍ、ΔＩ）〜１．５Ａｍ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−
？ＬＳＩでは、更に−れたＲ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ＩＣは１μｍ〜３μｍの多層構造になっているが
、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２
ＩＩｍといっ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ＩＧＨｚ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。

このような問題点を解決する方法として、干渉法を用い
ることにより深度分解能を向上することができる。

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って実現している。

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よねルンズと試料間の
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す、Ｖｗは水中の音速）だけ遅れて
戻ってくるから、ＲＦパルスの継続時間ｔｄを ”＞２Ｚ／Ｖｗ　（■ｔｉ）　　・・・・・・・・・・
・・・・・（３）と長くすると、２つの反射信号は重な
シあう事になる。この重なわあう時間領域の信号をタイ
ムゲートでとわ出すことにより、２つの反射旧号の干渉
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 Ｖ）（す＝ＡＳ１ｎＷ−ｔｔ、〈ｔ＜ｔ、十を櫨・・・
・・・（４）ここでＷ、は使用超音波周波数 ”　＠　＝　２　Ｌ／’ＶＬはＬ／　７　Ｘ　Ｏ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（リ−Ｂ
ｓｉｎＷ、（ｔ＋２Ｚ／Ｖｖ　）ｔ・＋１．＜１＜１・
＋ｔ、　−１−１−・・・（５）で表わされるから、（
３）の条件下では２つの信号は重なりあい Ｌ　＋ｔａ　＜”＜Ｌ　＋　ｔａ　　　　・旧・・・旧
・・・・・（６）でＶ（す＝ＡｓｉｎＷ、　ｔ　＋Ｂｓ
１ｎＷ　＠　（ｔ　＋２　Ｚ／ｖｗ　）と衣わされ、（
第２１９（ｄ）の破線領域）ダイオード２乗検波すると
、ビデオ領域で となる。（６）式の時間域の信号を利用すると、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
号が変真され、換言すれば試料の凹凸や内部の層構造の
パターンを、約λ１５（変調度５（１）で検出する拳が
可能になる。このλδが従来法でのＲ変分解能λ（Ｆ±
０．７のとき）に対応するもので干渉法によって、５倍
改善される事になるわけである。ＩＧＨｚの超音波を用
いると、従来は、水の中で約１．５μｍ１シリコン（８
４００ｍ／Ｉ！　）中で＆４μｍの深度分解能しかなか
ったものを、本発明によると水中で０．３μｍシリコン
中で１．７μｍという高いＲ度分解能に改善する事が出
来、上述したようなＩＣの多層溝造の＃！度態別観察始
めて可能になるのである。

上述の如く、超音波の干渉を用いることによりＲ度分解
能を向上することができる。而して、機械的に二次元に
走査される試料の上下動の軒容値はＲ度分解能の１０分
の、、１．・程度の０．０３μｍが要求されてくる。し
たがって、従来一般に使用されている軸受方法により試
料台を支−持する構成では、軸受部の凹凸や、接触の不
均一等により、試料台実現する方法として、空気静圧、
盪たは磁気力によって非接触で保持する構造の試料台が
考えら′！′Ｌる。

第３図及び第５図は、このような試料台の一νりを示す
図で、試料台の両側１１０Ｖｃ配置された２個の軸受と
試料台との間に圧縮空気を流し、この静圧力で試料台を
支持する。なお、第４図は、第３図の矢印部分の拡大断
面図である。したがって非接触ガイドであるために、従
来一般に用いられている軸受支持の場合のような摩擦抵
抗がｌ′！とんとなく、各部の摩耗がないことである。

さらにテーブルとガイド面の静圧空気層が緩衝材として
作用し、ガイド面や試料台の対向面にわずかな凹凸があ
っても影響されることなく、平滑に移動させることがで
きる特徴がある。

図において、ｌ・□・：：００はガイド部である。ガイ
ド部には、圧縮空気吐出口１０１が、所定の位置に取り
つけられており、この圧縮空気吐出口１０１から吐出さ
れる圧縮空気により、試料台１０３を保持する。１０２
は圧縮空気取入口である。また１０７は試料台駆動軸で
ある。

上述のような構成の試料台を使用することＫより、試料
の上下動を０．０３μｍ以下が実測され、干渉法による
超音波顕微鏡像を極めて安定に動作させることができる
。

以上の説明では、ガイド面と試料台のガイド対向面を非
接触にするため、圧縮空気を用いる場合を述べたが、磁
気の反撥力を用いることもできる。

第５図及び第６図は磁気力を利用しての非接触型試料台
の構成を示している。なお、第６図は、第５図の矢印部
分を拡大した断面図である。図においてガイド１０５０
両端部には磁石のＮ極１０５ＮとＳ極１０５８とが設け
てあり、このガイド１０５内に試料台１０６が挿入され
る。この試料台１０６の端部、すなわちガイド１０５と
対向する部分には磁石１０６Ｎと１０６８とが取わつけ
られており、その極性はガイド１０５の磁力と反撥し合
うように各々のＮ極およびＳ極が互いにむき合うように
配置されている。このため、試料台１０６は、ガイド１
０５内で非接触で保持される。

この様子は、丁度、第３図で記述した圧縮空気を利用し
て、試料台を非接触で保持していることとまったく同様
であり、この状態にある試料台を周期的に往復運動を繰
り返している試料台駆動軸１０７と連結することにより
、試料台を走査することができる。

上述の如く、超音波顕微鏡において、仝気静圧や、磁気
の反撥力を用いることＫより、上下動の極めて少ない試
料台を実現でき、これに干渉法をとりいれることにより
深度分解能をｌ／′５波長まで向上することが可能とな
り、高性能超音波顕微鏡が実現される。

この゛ような干渉型超音波顕微鏡をもちいて、試料を観
察する場合、試料の〆きにともなって、干渉縞が生ずる
。この干渉縞を使用して、試料面の凹凸の高さを正確に
測定できることから、超音波顕微鏡も単なる形態観察装
置から、計測機能を加味した計測装置への発展の可能性
をもっている。

しかしながら、この干渉縞が逆に形態観察のときに邪魔
になってしまう場合が生ずる。すなわち、試料の設定位
置の関係で観察しようとしている視野上に丁度干渉縞が
出てしまうために、試料の微細構造を観察することは不
可能となる。

このような場合、試料の傾きを少しずつ調節し、試料面
が走査面に近くにしたがって、干渉縞はその位置を移動
しながら、縞の間隙も広くなり、試料面の構造観察に支
障のない程度に試料を設定することができる。

この試料の＃４ｆ！＋角度の調節をＸＹ平面内で高速に
機械走査している状態で行うとすることは不可能である
。

多くの場合は、走査を一時停止し、所定の方向に試料を
傾斜させてから、また儂を観察するなど、試行錯誤を繰
り返しながら最適条件をみいだすなどの方法が用いられ
ており・、繁雑な手続を必要とするという問題点がある
。

本発明はこのような４を鑑みてなされたもので、走査可
能な試料台上に試料を容易に傾斜させることができるよ
うな手段を具備したことを特徴とした試料台を提供する
ことにある。

以下、本発明の詳細を図にもとづいて詳＃に述べる。

第７図は試料台１０３上に試料５０を任意な方向に傾斜
させるための傾斜手段１１０を取りつけた状態を示す図
である。この傾斜手段１１０は圧電素子で形成されてい
る。この圧電素子は電源１３０により電圧印加により、
軸方向への伸縮を発生し、その伸縮量は印加する′＃Ｌ
Ｆｉ：、の大小に比例する。したがって、大きな傾斜角
を得ようとするならば高い電圧を印加すればよく、また
微小な傾斜角を得ようとするならば低い電圧を印加する
など、目的に応じて印加電圧を加減すればよい。

このような圧電素子を、試料台１０３の上面に３ケ所配
置し、その上部に試料の固定板１２０を取りつける。さ
らにその上面に試料５ｏを固定することにより、試料５
０は任意の方向に容易に傾斜することが可能となる。

上述の如く、簡単な構成により試料を任意の方向に自由
に傾斜できる仁とは、繁雑な手続を要することなく像観
察が可能となり、取得されるデータの精度向上にも役立
つのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は音波顕微鏡の探触子系の構成図を示す図、第２
図（ａ）〜（ｄ）は干渉朧微法の原理を示す図、第３図
、第４図、第５図、第６図は非接触製試料移動台の要部
を示す図、第７図は亨発明の−実施ｚ　２　図 （リ １（Ｃ） （ｃＬ） ′ｆＪ　３　圀 第４図 ／〃

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 音波伝搬媒体とこの伝搬媒体の端部に形成された圧電素
   子と上記伝搬媒体の他端部に形成され、かつ所定焦点を
   有する音波レンズとからなり、上記焦点近傍に設けられ
   た所定試料からのじよう乱音波により上記試料を撮像す
   る音波顕微鏡において、観察中の試料を任意な方向に傾
   斜できる手段を真値したことを特徴とする超音波顕微鏡
   。