JPS60220855A - 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】 〔発明の利用分野〕 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。

〔発明の背景〕

近年ＩＧＨｚに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
様になった。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。

これに関して特開昭５０−１１６０５８号に記載されて
いる。

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る事が出来る。

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に印加された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上に集束される。

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。

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）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
によって定り、Δγ＝λ・Ｆ（１） Δρ＝２λ・Ｆ　”　（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、
ＩＧＨｚの超音波を用いると水中（１５００ｍ／ｓ）で
６７〜１μｍ、Δρ〜１．５μｍとなる。

音波顕微鏡では、このように極めて浅い焦点深度を利用
して試料内部のある深さの面内画像を検出する事ができ
る。第２図はこのことを模式的に示したものである。こ
こで試料１２０はｘｙ平面内で機械的に２次元に走査さ
れている。上記の超音波センサ１００が第２図（ａ）の
位置にいる時は、レンズの焦点Ｆは試料１１０から離れ
ており、ピントのボケた画像が得られ、第２図（ｂ）の
位置にいる時には焦点Ｆは丁度試料１１０の表面に合い
、試料１１０の表面の音響像が得られ、又、第２図（ｃ
）の位置にいる時には、試料１１０の深さＺ。

なる内部のスライス面の音響像が得られるのである。

従って、超音波顕微鏡で試料を観察する際の最初のステ
ップは、超音波センサ】００の焦点Ｆを試料１１０の表
面にあわせる事、即ち焦点合せを行なう事である。この
事情は光学顕微鏡と同様である。光学顕微鏡の場合、（
１）対物レンズを試料に出来る限り近すけておいてから
、（２）対物レンズを少しずつ試料より離していき接眼
レンズをのぞきながら焦点が合う位置をめるという作業
が一般に行なわれている。超音波顕微鏡では、上記（１
）の作業は、レンズ１００と試料１１０の間を満してい
る水の為極めて困難な為、あらかじめ、（１）ルンズが
試料に接触しない程度にレンズを試料より離しておき、
（２）′少しずつレンズを試料に近すけなから得られる
画像を見て、焦点が試料表面にあったかどうかを判定し
ていた。

ところで、−機械走査型の音波顕微鏡では、試料を２次
元に機械的に走査するので、１画像を完像させるのに（
いいかえれば焦点があったかどうかを判定するのに）１
０〜３０秒という光学顕微鏡に比べれば桁違いに長い時
間が要求される。従って、従来のようにレンズを試料に
少しずつ近ずけつつ及び試料の破損につながる為）、画
面を完像させながら試行錯誤的に焦点合せを行なう方法
では到底有効な焦点合せを行なう事が出来ない。

〔発明の目的〕

本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、その目的は
上記検討を踏まえて、試料面に焦点があったかどうかの
判定を自動化する方法及び手段を提供する事にある。

〔発明の概要〕

本発明の装置はレンズと試料の間の膜離をかえながら検
出した試料からの反射信号の強度そのものの変化の特徴
を利用して上記目的を実現するものである。

第３図は、試料として所定の半導体ウェハを例にとり、
試料のｘｙ面内の機械的な走査をとめた状態で、レンズ
と試料間の距離Ｚを変えながら測定した試料からの反射
強度の変化を示したものである。横軸はレンズと試料の
間の距離を、縦軸は試料からの反射強度を表わしたもの
である。本発明者等は、第３図中Ｒ８で表わした距離、
即ち反射強度が最大になる距離にレンズと試料間の距離
を設定して、試料を機械走査して音響像をとった時、そ
の音響像は丁度試料の表面の音響像になっている事を見
出した。試料を色々かえて測定した結果、上記作業によ
ってめたＲ８点にレンズと試料間の距離を設定する事は
、極めて良い精度で試料の表面にレンズ系の焦点をあわ
せた事に対応している事が確認出来たのである。

超音波顕微鏡では、光学顕微鏡の様に単峰特性ではなく
、多峰特性のある事が特長で、これは音波がコヒーレン
トである為に生じる現像と考えられる。従って、超音波
顕微鏡では、レンズを試料に近すけていった時の最初の
極大値をめるという光学顕微鏡で用いられている従来の
合焦点法ではなく、真の最大値をめる必要があり、これ
は超音波顕微鏡特有のものである。

以上のことから、本考案は試料の２次元機械的走査を止
めた状態で、試料とレンズ間の距離を変えながら検出し
た試料からの反射信号の強度が最大になる時の試料とレ
ンズ間の距離に、レンズを近ずける事によって自動的に
試料の表面にレンズの焦点を合わせることを特徴とする
。

かかる特徴は、次の手順により実現される。即ち、 （１”）任意の厚みの試料に対し、レンズと試料が接触
しない程度にレンズを試料より離す。（この量は試料の
厚みが既知の時は、厚み＋レンズの焦点距離にすると便
利である）。

（２″ａ）レンズを試料に近すけなから、反射信号の最
初の極大値ａ、とその時のレンズ−試料間の距離Ｚ１を
検出、記憶する。

（２“ｂ）更にレンズを試料に近すけて、次の極大値ａ
２と２２を記憶する。ａ２）ａｌなら次の極大値をめに
くい。

この作業を繰り返してｉ番目の極大値ａ１がａｔ＞ａｌ
−１になった時にこの作業を停止する。

この時第３図から明らかなように、Ｊｌｌ−１が真の最
大値である。従って、最後に （３″）レンズ−試料間の距離がＺｌ−１になるように
レンズを試料より遠ざける。

となる。

【発明の実施例〕

第４図は以上のアルゴリズムを実現する一実施例の構成
を示すブロック図である。即ち、レンズ２００と試料２
２０の間の距離を変化させるものとして、レンズ２００
を支持する台２１０と、これにとりつけたボールネジに
連結せるパルスモータ２３０によるボールネジの回転を
利用するのである。パルスモータ２３０を駆動する駆動
電源２４０に、パルス発振器２５０によりパルスを送れ
ば、パルスモータ２３０の正回転、転回転に従ってレン
ズ系２００を試料２２０に近ずけたり遠ざけたりできる
わけである。パルス発振器２５０より送られたパルスは
同時にアップ・ダウンカウンタ２６０により計数され、
この計数値は表示器２７０に表示されると同時にバス・
ライン２８０上に載せられる。レンズ２００には、ＲＦ
発振器１８０よりＲＦ電力が供給され、レンズより細い
超音波ビームが放射され、試料２２０による反射超音波
は再びレンズで集音され、ＲＦ受信器２９０により増１
Ｊ後、検波器３００によりビデオ信号に変換される。こ
のビデオ信号は、上記パルス発振器２５０から発生する
パルスに同期してアナログディジタル変換器３１０によ
りディジタル化され、パスライン２８０上に載せられる
。バス・ライン２８０は近年多用されているマイクロ・
コンピュータ３２０のＩ１０ポートを介してマイクロ・
コンピュータの内部メモリに結がっている。

この様な構成にすると、上記作業は以下の様な信号のや
りとりで実行する事が出来る。即ち、（１”）マイクロ
コンピュータ２３０より所定の距離だけレンズ２００と
試料２２０が離れるようにパルス発振器２５０にパルス
発生の指令を送り。

パルス発振器２５０よりモータ駆動電源２４０に正回転
パルスを必要個数送る。

（２”ａ）レンズ２２０を試料に近ずける作業は、（１
”）と同様であり、極大値をめる作業が加わっている。

ステップモータを１パルス分回転させ、レンズを試料に
近付けた時、この動作後反射信号の強度データ（アナロ
グ・ディジタル変換器３１０の出力）をバス・ライン２
８０を介して、コンピュータ３２０に取りこみ記憶する
。この作業を、レンズの動き従ってパルス発振器２５０
から発生するパルスと同期して逐次行ないソフトウェア
的に極大値を検出する。極大値（例えばａｌがまると、
その時のカウンタ２６０の計数値（Ｚｌ）をパスライン
２８０を介してコンピュータ３２０内のメモリに記憶す
る。この手順を続けて、ａ３＜ａｔ−ｔなる極大値４＜
求まる、最大値ａ　ｉ−ｉとその時のレンズ−試料間の
距離Ｚ　ｉ−１をめる。

（３”）最後に、Ｚ　１−Ｚｓ−ｓの距離に相当する逆
回転パルスを駆動電源２４０に加えて、レンズ−試料間
の距離を２１−１に設定する。

以上述べた様に本構成によれば、第３図の様に変化する
反射信号の強度から、試料表面に焦点のあうレンズ−試
料間の距りに自動的に設定する事が出来る。

以上の実施例により、殆んどの試料の場合、試料表面を
検出する自動焦点化が実現出来るのであるが、本考案者
等は試料面にかなり凹凸があって、試料の２次元面内の
位置によっては誤差の大きい場合がある事を見出した。

この場合にも、本考案によれば自動焦点化が可能である
。

即ち、第４図の実施例では試料のｘｙ面内の機械的走査
を止めて焦点合せを行なったものであるが、今度は高速
走査軸（ボイスコイル等のピストン運動が多用されてお
り、−走査時間１００ｍｇ〜１０　ｍ　ｓである）Ｘ軸
方向のみ走査しながら、ｙ方向の走査は止めて上記方法
を行なうのである。

この場合、Ｘ軸方向に一走査する間、試料の反射特性の
分布によってレンズ−試料間の距りを固定しても反射強
度は変化するから単純に強度のみをめて上記方法を適用
する事は出来ない。第５図は、所定の半導体ウェハにつ
いてＸ軸のみ走査した時の反射強度の変化を示したもの
である。横軸はＸ軸の走査中を示す。本発明者等はレン
ズ系が試料の表面にあってくると、この反射強度の変化
分ΔＸと共に平均値マが大きくなり、これ等の量をレン
ズ−試料間の距離を変えながら測定してみると、第３図
と同様の変化をする事、更にこの場合もＲ８点に相当す
る距りにレンズと試料間の距りを設定すると、丁度レン
ズの焦点が試料表面に合っている事を見出した。この事
情は、他の試料についても確める事が出来た。又、ある
種の試料では単なる変化分ΔＸではなく、分散Δｘ２が
木目的に好都合なパラメータである事も見出した。

従って、本発明は、試料の２次元機械走査のうち低速軸
を止めた状態で、試料とレンズ間の距りを変えながら検
出した試料からの反射信号の強度の高速機械走査中の変
化分又は平均値あるいは両方が最大となるよう、レンズ
−試料間の距りを設定する事により、試料の表面にレン
ズは焦点を合わせることを特徴とする。この場合と第３
図の実施例との差異は、反射強度そのものでなく、反射
強度の高速機械走査中の平均値や変化分を利用する点に
あるから、第４図の構成そのものを用いる事が出来る。

この場合、マイクロコンピュータ３２０は、パスライン
２８０を介して取りこんだ反射強度データの平均値や変
化中を演算するのである。

以上述べた実施例では、いずれもマイクロコンピュータ
を用いているが、本質的に、レンズと試料間の距離を変
化させる手段と、その変化を計数する手段と、反射信号
の上記変化を検出して極大値をめ、かつ極大値間の大小
を判別する手段を有しているものであれば、これに限る
わけではない事は勿論である。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明では、レンズと試料間の距離を
変えて得られる反射信号の変化から、極大値を２ヶ以上
見出し、極大値間の比較により得られる最大値を与える
レンズ−試料間の距離を決定する事により、レンズの焦
点を試料の表面に自動的に合わせる事を可能にするもの
で、超音波顕微鏡等、集束レンズを用いた超墜波撮像機
器や超音波計測機器に於ける焦点合せの自動化により合
せ時間の大巾な短縮等が可能となりその効果は著るしく
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を示す図、第２図（
ａ）〜（Ｃ）及び第３図は本発明の詳細な説明するため
の図、第４図は本発明の一実施例の構成を示すブロック
図、第５図は本発明の他の実施例を説明するための図で
ある。 第　１　図 ノθ 第　２　図 第　３　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、超音波レンズと試料間の距離を変化させる手段を有
   する超音波顕微鏡において、該距離の変化に伴なう反射
   超音波の強度変化から、１つ以上の極大値とその値を与
   える該距離を記憶する手段と、該極大値の間から最大値
   を与える該距離を弁別する手段とからなる自動焦点装置
   を具備せる事を特徴とする超音波顕微鏡。