JPS6049254B2 - 試料の顕微鏡的部分の音波による検査法と検査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は広く顕微鏡的音波結像技術及び分光学に関連す
る。

１８８１年にジエー・チンダル（Ｊ．Ｔｙｎｄａｌｌ）
、ウイルヘルム●ケー・レントゲン（ＷｉｌｈｅｌｍＫ
●ＲＯｎｔｇｅｎ）及びアレキサンダー・ジ・ベル（Ａ
ｌｅｘａｎｄｅｒＧ．Ｂｅｌｌ）は光音響効果を発見し
た。

低周波数におけるこの効果は、密閉セル内のガスが脈動
光線で照射される時に発生する。ガスが光から吸収する
エネルギーは全て運動エネルギーに変換される。この変
換でセル内ガス分子の圧力変動を生じる。上記の３人の
研究者はこの圧力変動が可聴音を発生することを発見し
た。アール●エム●ホワイト（Ｒ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅ）は
、ジャーナル●オブ●アプライド フイジクス（ＪＯｕ
ｒｍｌＯｆＡｐｐＩｊｅｄＰｈｙｓｉｃｓ）１９６３年
１２月■０１．３４，Ｎ０．１２，３５５９−３５６７
ページの゜゛ＧｅｎｅｒａｔｉＯｎＯｆＥｌａｓｔｉｃ
ＷａｖｅｓｂｙＴｒａｎｓｉｅｎｔＨｅａｔｉｎｇ′ゞ
と題する論文で種々の型式の電磁エネルギーが物質を加
熱して音波を発生することを発表した。

彼は物体の表面が瞬間的に加熱されると熱膨張による表
面運動のため弾性波が発生することを発見した。多年に
わたり光音響効果に研究者はこの技術分野に多くの論文
を発表している。サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）の１９
７１年７月２日版、４５−４７ページの″Ｎｊｔｒｉｃ
ＯｘｉｄｅＡｉｒＰＯｌｌｕｔｉＯｎ：Ｄｅｔｅｃｔｉ
ＯｎｂｙＯｐｔＯａｃＯｕｓｔｊｃＳｐｅｃｔｒＯｓｃ
Ｏｐｙ′２と題する論文でＬ．Ｂ．Ｋｒｅ匿ＥｒとＣ．
Ｋ．Ｎ．Ｐａｔｅｌは、光音響効果を利用する低濃度ガ
ス汚染物質の検出に高感度マイクロホンと同調可能なレ
ーザの使用を発表している。更にＡ．ＲＯｓｅｎｃｗａ
ｉｇは０ｐｔｉｃＣ０ｍｍｕｎｉｃａｔｉ０ｎｓ．■０
１．７●ＮＯ．４，ｌ９７３年４月、３０５−３０８ペ
ージの′４Ｐｈ０ｔ０ａｃ０ｕｎｓｔｉｃＳｐｅｃｔｒ
０ｓｃ０ｐｙ０ｆＳ０Ｉｊｄｓ″と題する論文で固体の
光音響効果の研究を発表している。Ｌ．Ｐ．ＡａｍＯｑ
ｄｔその他は、ＪＯｕｒｎａｌＯｆＡｐｐＩｉｅｄＰｈ
ｙＳｉＣＳ，ｌ９７７年３月ＶＯｌ，４８，ＮＯ．３，
９２７−９３３ページの６６ＳｉｚｅＣ０ｎｓｉｄｅｒ
ａｔｉ０ｎｉｎｔｈｅＤｅｓｉｇｎ０ｆＣｅ１１ｓｆ０
ｒＰｈ０ｔ０ａｃ０ｕｓｔｉｃＳｐｅｃｔｒ０ＳｃＯｐ
ｙ′１と題する論文で標本セルの物理的寸法に対する光
音響式分光計の感度依存性についての研究を発表した。
更に、Ｍ．Ｊ．ＢｒｊｅｎｇａとＡ．Ｊ−ＤｅＭａｒｉ
ａは１９６７年のＡｐｐｌｌｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｆ
ｆｅｒｓＶＯＩ．ｌｌ，４４ページに、モード固定Ｑス
イッチレーザを使用して圧電ノ結晶上の蒸着金属フィル
ムの表面加熱により強力な音響ビームを発生することを
発表した。Ｍ．Ｍ．Ｆａｒｒ′０ｗその他は１９７８年
４月１日ＡｐｐｌｌｅｄＯｐｔｉｃｓ，■０１．１７，
Ｎ０，７，１０９３−１０９８ページの論文６Ｐｉｅｚ
０ｅ１ｅｃｔｒｉｃＤｅｔｅｃｔｉ０ｎ０ｆＰｈ０ｔ０
ａｃ０ｕｓｔｉｃ７Ｓｉｇｒ１ａ１ｓ゛で光学的に発生
された音響信号を測定するのに圧電検出器を使用てきる
ことを発表した。Ｃ．Ｃ．ＧｈＩｚＯｎｉその他は１９
７８年５月１日ＡｐｐｌｌｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔ
ｅｃｓ，ＶＯｌ．３２（９），５５４−５５６ページの
論文″０ｎｔｈｅＵｓｅ０ｆＰｈ０ｔ０ａｃ０ｕｓｔｉ
ｃ′）ＣｅｌｌｆＯｒＩｎｖｅｓｔｊｇａｊｎｇｔｈｅ
ＥｌｅｃｔｒＯＰｈＯｎＯｎＩｎｔｅｒａｃｔｉＯｎｉ
ｎＳｅｍｊ−ＣＯｎｄｕｃｔＯｒｓ′２でケイ素を加熱
しかつ有用な熱弾性信号を発生するため周期的電流を使
用したことを報告している。Ｒ．Ｊ．ｖＯｎＧｕｔｆｅ
ｌｄとＲ．Ｌ．Ｍｅｌｃｈｅｒは、１９７７年３月１５
日ＡｐｐｌｌｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ＶＯｌ
．３Ｏ，ＮＯ．６，２５７−２５９ページの６６２０Ｍ
ＨｚＡｃ０ｕｓｔｉｃＷａｖｅｓＦｒ０ｍＰｕ１ｓｅｄ
Ｔｈｅｒｍ０上１ａｓｔｉｃＥｘｐａｎｓｉ０ｎｓ０ｆ
Ｃ０ｎｓｔｒａｉｎｅｄＳｕｒｆａｃｅｓ′１と題する
論文で、音波の熱弾性発生の問題を考察した。彼等は金
属試料の欠陥検出に光音響信号の使用を示唆した。Ｙ．
Ｈ．ＷＯｎｇは、１９７８年５月１日ＡｐｐｌｌｅｄＰ
ｈｙｓｉｃｓレＴｔｅｒｓ，ＶＯｌ．３２（９），５３
８−５３９ページの論文′４ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＳＬ
１ｂＳＵｒｆａＣｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ０ｆＳ０１１ｄ
ｓｂｙｋｇｓｅｒＰｈ０ｔ０ａｃ０ｕｓｔｉｃＳＰｅｃ
ｔｒｓｃＯｐｙ５′で窒化ケイ素で造られたセラミック
の探傷用ガラスセルに光音響信号の使用を発表している
。更にＧ．Ｐ．ＣａｃｈｉｅｒはＪＯｕｒｎａｌＯｆｔ
ｈｅＡｃＯｕｔｓｉｃａｌＳＯｃｉｅｔｙＯｆＡｍｅｒ
ｉｃａ，■０１，４９，Ｎ０．３（Ｐａｒｔ３）９７４
−９７８ページの′４ＬａｓｅｒＥｘｃｊｔａｔｉ０ｎ
０ｆＭｉｃｒ０ｗａｖｅＳ０ｕｎｄｉｎＳ０１１ｄｓ０
でＱスイッチ●ルビー●レーザによるマイクロ波周波数
の音響発生と８００ＭＨｚのパルス発生を論じている。
１９７奔にＲ．Ａ．レＭｍＯｎｓとＣ．Ｆ．Ｑｎａ拍は
走査型音波顕微鏡を発明した。

この装置では、高周波平面波が音波レンズで集束され、
このレンンズの焦点に置かれた対象物を走査する。この
音波は対象物を透過するか、又は対象物で反射される。
何れの場合もその音波は第２音波レンズで再びコリメー
ト、即ち規準され、圧電検出器て検出される。この検出
信号はオシロスコープに送られて視覚表示を与える。こ
の顕微鏡装置は１９７７年６月１４日付米国特許第４，
０２８，９３３号の“゜音波顕微鏡゛に記載されている
。更にこのの顕微鏡は、１９７拝５月３０日Ｓｃｉｅｎ
ｃｅ，■０１．１８８，９０５−９１１ページの．１Ｊ
ｅｍｍ０ｎＳとＱｕａ拍の論文４６Ａｃ０ｕｓｔｉｃＭ
ｉｃｒ０ｓｃ０ｐｙ：ＢｉＯ−ＭｅｄｉｃａｌＡｐｐｌ
ｌｃａｔｉＯｎｓｌ及び１９７８年６月１５日Ａｐｐｌ
ｌｅｄＰｈｙｓｌｃｓひＴｔｅｒｓ，ＶＯｌ．３２（１
２）のＶ．ＪｉｐｓＯｍ＜１５Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅの論
文４′ＡｃＯｕｓｔｉｃＭｉｃｒＯｓｃＯｐｙａｔＯｐ
ｔｉｃａｌ、ＷａｖｅＬｆ−Ｎｇｔｈｓ゛に記載されて
いる。走査型音波顕微鏡は、光波と音波の基本的な差の
ため、これら２型式の放射が試料の構成要素に異なる作
用を与えるから顕微鏡分野においては一前進であつた。
光学顕微鏡は対象物の誘電特性を・感知し、一方、走査
型音波顕微鏡は試料の弾性特性の変化を測定する。本発
明装置は試料の吸収特性によつて動作するものであるか
ら顕微鏡検査技術にも一進歩をもたらすものである。

本発明の顕微鏡装置は、種々の励起条件で試料から放射
される音波を記録することによつて試料の顕微鏡的結像
を得るものである。更にこの顕微鏡は試料の吸収スペク
トル及びラマンスペクトルを測定するのにも使用できる
。本発明の一目的は、対象物を周期的に過熱して対象物
を膨張させてその顕微鏡的部分から発生する音波を検出
することにより新規な顕微鏡的影像を得ることができる
試料の顕微鏡的部分の音波に）よる検査法及ひ検査装置
を提供することにある。これらの目的は、対象試料を励
起するために極めて高周波の電磁放射及ひ高周波電流を
使用することによつて達成される。この周波数が増加す
ると対象物の励起部分の直径は小さくなる。従つて顕微
鏡の分解能は増加し又測定される特性構造の尖鋭な像が
得られる。本発明では１００ＭＨｚ以上の周波数を有す
る電磁放射、及び１００ＭＨｚ以上の周波数を有する電
流を使用する。本発明の他の目的は顕微鏡的尺度の吸収
スペクトルを測定することに”より物質を検出又は確認
することにある。本発明では高周波電磁放射線の走査、
及び吸収スペクトルの記録が行なわれる。この走査によ
つて結像区域内の各点で試料の構成成分を確認できる。
又本発明では試料のラマン・スペクトルにより分子成分
を確認できる。本発明の重要特徴は、生物試料及び単一
細胞の吸収スペクトルの測定及び生物系の著しい特徴の
描写ができることである。本発明は生体細胞を走査して
ヘモグロビンとＤＮＡのような成分を確認できる。更に
結像区域内のこれらの細胞の分布を描写して観察てきる
。更に本発明の他の一目的は種々の物質の構造的現象及
び表面下の物質特性を観察することである。

特に本発明では半導体及び集積回路を走査して内部欠陥
を探傷てきる。一実施例ては、集積回路はこれを通る電
流をパルス状で印加ることにより付勢され、この付勢に
よる回路の抵抗発熱を観察する。他の一実施例では、光
は半導体ウエフアの背面を通つて伝搬され、このウエフ
アの前面を通つて伝搬された音波が結像される。又ケイ
素基質上の金属薄膜及びその接点は高速度で走査して不
均一部分が検出てきる。本発明の更に他の一目的は波長
がほぼ１０ないし１００ナノメータのＸ線で対象物を走
査してＸ線顕微鏡検査を行うことてある。この走査はシ
ンクトロン粒子加速装置で発生されたＸ線及び紫外線て
対象物を照射することにより種々の応用装置で行なわれ
る。顕微鏡検査に長波長Ｘ線を使用することは、１９７
８年１１月Ｓｃｊｅｎｔｉｆｊｃ．ＡｌＴｌｅｒｉｃａ
ｎＶＯｌ．２３９，ＮＯ．５のＥ．ＳｐｉｌｌｅｒとＲ
．Ｆｅｅｄｅｒ（７） ′１１１ｅ０ｐｔｉｃｓ０ｆＬ
０ｎｇＷａｖｅ１ｅｎｇｔｈＸ−Ｒａｙｓ゛と題する論
文に記載されている。これら及び他の諸目的は、音波が
伝搬されるように対象物を励起する装置を含む音波顕微
鏡によつて達成される。この顕微鏡は又対象物の顕微鏡
的部分から伝搬された音波を検出する装置、及び対象物
と上記検出装置とを相対的に移動して対象物をラスタパ
ターンで走査する装置を含み、又対象物から伝搬された
音波は記録される。本発明の他の目的及び特徴は、添付
図面に示される好実施例による発明の詳細な説明から明
らかであろう。第１図は本発明による音波顕微鏡の一実
施例を示す。

この実施例はレーザ１０を含み、このレーザは音波が対
象物から伝搬されるように対象物を励起する。このレー
ザ光線と対象物との間の熱弾性結合作用から発生する音
波は、レーザ光ビームの変調包絡面で決定される周波数
を有する。好適実施例では出力波長１．０６μｍを有す
るＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられる。このレーザはモー
ド固定されたＱスイッチレーザである。モード固定のた
めレーザは第２図に示される複数の狭いパルスを放射す
る。Ｑスイッチングは変調包絡面を決定し、又これらの
パルスをパーストに変える。実際に構成した一実施例の
レーザ出力は、２．７ＭＨｚの繰返し周波数で２００ナ
ノ秒の持続時間のレーザ光パーストて構成される。

各パースト内で、第２図のモード固定パルス列内のパル
スは２１０ＭＨｚ（１／γ２）の繰返し周波数で０．２
ナノ秒の幅を有する。第１図のレーザ１０の出力は、光
を焦点１４に集束する光学的対物レンズ１２に向けられ
る。

好適実施例では顕微鏡対物レンズ（ＮＡ＝０．２５）が
用いられ、レーザ光線は直径２ミクロンに集束される。
取扱いに便利なように第１図の対象物１５はマイラーの
シート又はガラスのスライド等の透明架台に取付けられ
る。

図面を簡単にするためこの架台は省略してある。対象物
、即ち試料１５はｘ−ｙ平面に平行なうスタ走査パター
ン内で焦点１４を通つて移動される。試料はｘ一軸並進
装置１７によつて顕微鏡焦面内で移動される。好適実施
例ではこのｘ一軸並進装置は試料を垂直方向に徐々に上
昇する機械的載物台である。この並進装置は又ポテンシ
オメータ（図面省略）に接続され、このポテンショメー
タは焦面上の試料のｘ位置を電気的出力信号に変換する
。試料は又ｙ一軸並進装置１９でｙ軸に沿つて焦面内で
移動される。好適実施例のこの並進装置は可聴周波拡声
器（図面省略）で水平方向に試料を急速に前後に移動す
る。可聴周波発振器は又ｙ一軸上の試料位置を示す電気
的出力信号を供給する。上記のＸ軸とｙ軸の位置信号は
従来型式の残像オシロスコープ又は陰極線管（ＣＲＴ）
２０に送られ、ＣＲＴのラスタ走査は顕微鏡焦点を通る
試料の１５の運動のラスタ走査と同期される。上記の音
波顕微鏡は光ビームから音波放射にエネルギーを変換す
る光学的吸収帯を有する物質に用いられる。光エネルギ
ー吸収に伴う温度変化及び熱膨張により光ビームの振幅
変調の２倍に相当する周波数で音波を発生する。発熱は
入力の２乗に比例するから音波エネルギーは加熱源の振
幅変調周波数の２倍を含む項で表わされる。第１図の試
料１５上に集束される光パルス列のため試料は焦点１４
から音波を発生する。これ・らの音波は音波レンズ２２
の凹面に入射される。この音波レンズはこれらの音波を
平面波に規準し、これらの平面板は大きな歪なしに検出
される。この音波レンズは２００ミクロンの半径の受信
面面積を有するサファイア結晶てある。この音波）レン
ズは約８４０ＭＨｚの周波数を有する音波を検出し、又
直径約１ミクロンの焦点を有する。この音波レンズはレ
ンズ面の反射を最小にするため１１４波長厚のガラス層
（図示省略）で被覆される。この音波レンズ１２の焦点
１４に一致するような位７置に配置される。この配置に
より焦点１４に集束される光パルス列は音波を発生し、
これらの音波が音波レンズで受信される。第１図の音波
レンズ２２に音波が達すると、音波は水のような液体２
４中を伝搬される。

メタノつール、液体窒素及び液体アルゴン等の他の流体
も使用できる。。この液体のため対象物は音波レンズに
対して移動でき、又音波は対象物とレンズとの間隙を伝
搬する。音波レンズ２２で規準された平面音波はトラン
スデューサ２６で電気信号に変換される。トランスデュ
ーサは音波レンズの背面に蒸着された金の薄層を含み、
この上に酸化亜鉛の蒸着層及び金の第２外層を含む。こ
れらの３層の組合せは酸化亜鉛を誘電体とするコンデン
サを形成する。好適実施例では、上記酸化亜鉛トランス
デューサは約８００ＭＨｚを中心とした帯域幅１００一
２００ＭＨｚの周波数レスポンスを有する。トランスデ
ューサ２６（第１図）の出力信号は増幅器２８に送られ
、ここで増幅され、周波数は８００ＭＨｚから基底帯域
に低下される。この増幅器の出力は同調可能の無線周波
受信機である検波器３０に接続される。この検波器は又
増幅器出力を、ＣＲＴ２Ｏの輝度変調に用いられるＤＣ
信号に変換する。これらのＤＣ信号は又磁気テープ等の
記憶装置３１に記録される。実際に構成した本発明の一
実施例では、音波レンズ２２、トランスデューサ２６、
Ｘ軸及びｙ軸の並進装置１７及び１９、増幅器２８、検
波器３０及びＣＵＴ２Ｏは全て、“音波顕微鏡゛と題す
る米国特許第４，０２８，９３３号に記載されているも
のを採用した。

この走査型音波顕微鏡を第１図に示された実施例に変換
するため音波源及び入力音波レンズをレーザ１０及び光
学レンズ１２と交換した。

一つの動作モードでは第１図の顕微鏡は試料１５を顕微
鏡的に結像する。

レーザ１０は第２図に示される光パルス列を発生して伝
搬する。これらの複数のパルスは光学レンズ１２で焦点
１４に集束される。これらの光パルスは焦点で試料によ
つて吸収され音響エネルギーに変換される。上記光。パ
ルスは焦点で試料の温度変動と熱膨張変動とを生じる。
これらの変動は光ビームの振幅変調の２倍に相当する周
波数を有する音波を発生する。発熱は入力の２乗に比例
するので、上記の音波エネルギーは熱源の振幅変調周波
数の２倍を含む項でｊ表わされる。焦点１４で発生され
た音波は液体２４を通つて伝搬し、音波レンズ２２の凹
面に入射する。この音波レンズは上記の音波を受信トラ
ンスデューサ２６て検出される平面波に規準する。この
トランスデューサは音響平面波を電気信号にク変換し更
にこれらの信号を増幅器２８と検波器３０に送る。電気
信号は増幅され周波数が低下される。この検波器は狭帯
域周波数以外を全て沖別し、これらの周波数を、オシロ
スコープ又はＣＲＴ２Ｏのビーム輝度を変調するＤＣ電
圧に変換する。ｘ一軸及びｙ一軸の並進装置１７及び１
９は、オシロスコープの走査に同期されるラスタ走査で
焦点を通して試料１５を移動する。

試料は顕微鏡の焦面内を移動する。このオシロスコープ
は対象試料の映像区域に対応するｘ−ｙ表示を有する遅
延像オシロスコープである。表示のコントラストは透過
モードでは試料の音波吸収に比例する。他の一動作モー
ドでは上記の音波顕微鏡で分光分析ができる。この場合
はレーザの出力周波数が変更されて試料の吸収スペクト
ルが測定される。試料は静止状態に維持され、焦点位置
の試料の顕微鏡的部分で発生される音波の振幅はレーザ
周波・数の関数として測定される。焦点位置の試料成分
は吸収スペクトルから決定される。例えば、ケイ素は波
長１．３ミクロン以下の光を吸収する。この周波数以下
ではケイ素は光学的に透明であるから音波信号は発生な
い。同様に、ＤＮＡは約２６０ナノ・メータの光を吸収
し、又ヘモグロビンは４００から５００ナノメータの間
に吸収スペクトルを有する。第３図は音波顕微鏡の他の
実施例を示す。この実施例では、音波はレーザビームの
伝搬軸に沿つて反射される。レーザ１０は前記と同様に
動作し、この出力は光学レンズ１２で焦点１４に集束さ
れる。レーザビームの伝搬軸は対象試料の平面に直角で
ある。このレーザ光束はサファイア又はＹＡＧ等の２個
の光学的透明物質３２，３２″を通過する。試料１５は
入射光に応じて音波を発生し、これらの音波は反射軸に
沿つて液体２４を通つて伝搬され上記の透明物質の音波
レンズ３２″の凹面に達する。反射軸は試料平面に直角
てある。この音波レンズは凹面に入射する音波を平面波
に規準する。２個の光学的透明物質３２，３２″は、光
を透過するが音波は反射する小間隙で分離される。

第３図では、平面音波は物質３２″の傾斜内面で反射さ
れ、トランスデューサ２６に向けられる。このトランス
デューサは試料１５で発生した音波を検出して電気信号
に変換し、これらの信号は前記のように増幅器、検波器
及びオシロスコープで処理される。試料は又同期ラスタ
走査で焦点を通り、ｘ一軸及びｙ一軸並進装置１７及び
１９で移動される。第３図に示される顕微鏡は、零度反
射動作も鏡面反射動作も使用てきる。

零度反射動作は、光束の透過軸と音波反射軸とが一致し
、これらの軸は試料平面に直角である。音波は入射レー
ザビームの頂点から直接逆方向に伝搬される。鏡面反射
動作ては透過軸は試料平面に直交する軸に対し角度．α
傾斜して試料表面に入射する。反射軸は角度βだけ上記
直交軸に対して傾斜している。この鏡面反射モードては
Ｚα＝Ｚβで、又透過軸、反射軸及び直交軸は全て同一
平面内にある。第３図に示される実施例は顕微鏡的結像
モードでも分光写真的モードても動作できる。

更に重要なことは、反射モードによる試料検査は、熱的
表面効果厚は光吸収厚よりも大きく、又音波波長よりも
小さいのて金属フィルムに特殊応用を有することである
。本発明は光音響吸収（ＰｈＯｔＯａｃＯｕｓｔｊｃａ
ｂｓＯｒｐｔｉＯｎ）によりこれらの層を貫通して下層
構造の探傷ができる。

この場合、変換効率は音の周波数に正比例する。第１図
および第３図に示される実施例は分光分析モードに使用
して試料成分の確認ができることに注意すべきである。

この分光分析は前記のように走査区域の各点で行なわれ
る。この出力型式は擬似色の多重像でよい。この場合の
検出器帯域フィルタが使用てき、検出信号を３つの周波
数範囲に分離する。各範囲内の信号はカラーテレビジョ
ンセットの一原色入力の一つの輝度を変調する。光音響
効果の理論によれば、結合係数は発生音波エネルギーと
吸収光エネルギーに関係がある。光弾性結合定数は、小
さい熱容量、大きい膨張係数、及び高い熱伝導率を有す
る物質では大きい。多くの金属では熱弾性効果が音波減
衰の主因である。従つて高い数値の光音響結合定数は音
波減衰が大きい金、銀等の物質に見られる。こられらの
高い数値は音波減衰が小さいニッケルやアルミニウム等
の物質に見られる小さい光音響結合定数と対照的である
。金は光反射率が高いので入射エネルギーの極めて少量
（５％）が吸収されるにすぎず、又音響インピーダンス
が高いので発生した音波エネルギーの極めて少量（１０
％）が液体内に伝達されるにすぎないことに注意すべき
である。

しかしアルミニウムのような物質は反射率も音響インピ
ーダンスも低いので、光弾性結合が金よりも劣るとして
もはるかに良好な結像用媒体である。第４図に示される
実施例は正弦波変調光束を利用する。

この実施例は単一周波数のみが検出されるから焦点位置
の試料を加熱する光エネルギーは少量でよい。レーザ３
３は従来型式のもので一定の光学的出力を有する。この
出力は既知構造の電気光学変調器３４に向けられ、周波
数ωて光束を変調する。好適実施例では周波数ωは１０
００ＭＨｚと３０００ＭＨｚとの間で変化する。次に光
束が前記と同様に試料上に集束される。光音響走査装置
３６は、第１図の説明のように、光学レンズ１２、Ｘ軸
及びｙ軸の並進装置１７及び１９、音波レンズ２２、ト
ランスデューサ２６及び液体２４を含んでいる。この音
波レンズ及びトランスデューサは周波数２ωの音波に最
適感度を有するように選択される。増幅器２８と検波器
３０は又この単一振動周波数を検波増幅するように同調
される。好適実施例ではこの増幅器と検波器は単一変調
周波数に同調された普通の無線周波受信機である。光エ
ネルギーはパルス化され、この各パルスは多くの無線周
波数を含んでいる。第４図の実施例は主として顕微鏡的
結像に用いられ、又第１図の実施例よりも効率がよいと
思われる。各実施例は同じように動作するが第１図の実
施例はレーザービームをパルスに変調し、これらのパル
スはトランスデューサ２６（第１図）に含まれるよりも
はるかに広い帯域幅を有する音波を発生する。これに対
して第４図の実施例ではレーザビームの振幅が例えば８
００ＭＨｚで正弦波変調され、この変調波は光エネルギ
ーを音響帯域に集中し、変換効率を大幅に）改善する。
第５図は、２つの選択周波数の光入力に対する非線型光
音響レスポンスを観察することにより任意試料の原子及
び分子成分を確認する音波顕微鏡装置の実施例である。
この装置は、光周波数ν１５の末変調出力を有するレー
ザ３９を含む。この装置は又光周波数ν２を有する第２
レーザ４０を含む。レーザ４０の出力は周波数ωでパル
ス化、即ち変調される。レーザのこれらの２出力は、鏡
４１及び半銀鏡４２又はプリズムの使用で組合されθる
。この組合せ出力は周波数ωでパルス化、即ち変調され
る。２個のレーザ３９，４０の組合せ出力は光音響走査
装置３６に向けられ、この走査装置は第１図に示される
透過型装置でも第３図に示される反射型装置てもよい。

何れの場合も光出力は対象試料上の小さい点に集束され
、音波レンズ又は対象試料の相対的運動で走査される。
試料から放射される音波は増幅器２８と検波器３０に送
られる。この検波器は同調可能な無線周波受信機で入力
ビームの振幅変調周波数に対応する音波を検波する。検
波器３０の出力はＣＲＴ２Ｏの表示の輝度変調に用いら
れる。ｘ−ｙ並進装置は、前記のようにＣＲＴの表示に
対応するラスタ走査で試料を移動する。上記の顕微鏡は
、任意の原子核種内の電子レベルに対応する入力光周波
数ν１とν２とを調節して原子又は分子成分のラマン振
動モードを励起することにより分子成分を確認するのに
用いられる。

電子レベルを観察するため、周波数ν１は原子の電子励
起状態に対応するように調整される。この調整で原子は
基底状態から励起状態になる。励起状態の原子は基底状
態にある時よりも強い吸収性があることが観察されてい
る。従つて周波数ν１の光束が存在すると周波数ν２の
第２ビームの光エネルギーの吸収を強める。現在までの
光音響学については１９７７年７月１日発行、Ａｐｐｌ
］ＥＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ＶＯｌ．３ｌ，Ｐ
．２４，Ｍ．Ｇ．ＲＯｃｋｌｅとＪ．Ｐ−Ｄｅ■１１ｎ
の論文″Ｏ比ＥｒｕａｔｉＯｎＯｆａＮＯｎｌｌｎｅａ
ｒＰｈＯｔＯａｃＯｕｓｔｉｃＳｉｇｒｌａｌｗｉｔｈ
ＰＯｔｅｎｔｉａｌ，ＡｐｐｌｌｃＡｔｊＯｎｔＯＮａ
ｎＯｓｅｃＯｎｄＴｉｍｅＲｅｓＯｌｕｔｉＯｎ″を参
照されたい。ラマン振動モードを観察するため、レーザ
出力周波数は２つの動作周波数ν１とν２との差の絶対
値、即ちＩν１−ν２１が対象試料のラマン振！動モー
ドの一つに等しくなるまで調整される。

これらの２入力に対する分子の非線型レスポンスは、和
（ν１＋ν２）と差（ν１−ν２）を含む項で表わされ
る駆動力を発生し、本発明者等は差（ν１−ν２）がラ
マン振動モードに等しくなる３ように選択する。第５図
の装置は顕微鏡的像及び分光分析が可能である。しかし
この装置は、試料の分子及び原子成分が確認され、又こ
の分布が走査区域内で測定できるように、適当周波数で
試料を励起することに注意すべきである。この動作モク
ードは単一周波数の光エネルギーが入力に使用される前
記実施例と対照的である。この状態では上記のエネルギ
ー吸収は通常原子の電子の基底状態に関連する。第６図
は音波顕微鏡装置の一実施例を示し、この実施例では対
象物は電流で加熱されてこの装置で走査される音波を発
生する。

この装置は、パルス状モード又は周期的出力の高周波で
動作する電流発生機４６を含む。好適実施例てはこの電
流発生機は１．５ギガヘルツの出力周波数を有する。こ
の電流発生機は２本の導線で対象物５０に接続される。
対象物は顕微鏡ガラススライドのような電気的に絶縁さ
れた支持構造体に載せる。ｊ 電気的に励起された対象
物５０（第６図）は、電流が導電性通路を通るように電
流発生機４６に接続される集積回路その他種々の物でよ
い。

電流は集積回路内の抵抗素子を発熱し音波を発生させる
。これらの音波は音波レンズ２２とトランスデ・ユーザ
２６によつて検出される。従つて抵抗素子の位置と発熱
特性が観察できる。又対象物は絶縁性表面に蒸着された
金属膜でもよい。この金属膜の形状と絶縁層に対する付
着性は金属膜に電流を通して走査できる。この電流は金
属が音波を放射する温度まてその金属を周期的に加熱す
る。対象物は半導体チップ、記憶素子又は半導体素子を
接続する導線でもよい。もし対象物の励起電流が通る導
電径路に電気抵抗がなければ、電流発生機の電流は正常
動作レベル以上に増加して局部発熱が起こる。この局部
発熱で対象物から音波が伝搬される。第６図の装置では
、、対象物から放射された音波はトランスデューサ２６
で電気信号に変換され、増幅器２８及び検波器３０で増
幅及び検波される。

支持板４８はｘ一軸とｙ一軸の並進装置１７と１９によ
つてｘ−ｙ平面内て移動される。トランスデューサによ
つて検出された音波は、焦面内の対象物５０の運動と一
致して走査されるＣＲＴ２Ｏの輝度変調するように処理
される。勿論、対象物５０（第６図）が電流によつて励
起されると、局部加熱が対象物の全面に起こる。しかし
音波レンズ２２は対象物の各点を走査する最大感度軸を
有する。この音波レンズは放射音波を選択的に検出する
から高度の解像力が得られる。第７図に示される実施例
は、レーザ１０及び光学対物レンズ１２を加えた第６図
の実施例に類似している。

このレーザはパルス化出力又は周期的出力が得られるよ
うに変調される。この光出力はレンズ１２で焦点１４に
送られる。この焦点は音波レンズの最大感度点に一致し
、叉交レンズ１２と音波レンズ２２とは同焦点である。
このレーザと電流発生機４６との組合せでこの装置の感
度は増加し、又音波を放射する対象物の顕微鏡的部分を
事実上バイアスする。動作の際は、レーザ１０（第７図
）の光出力及ひ電流発生機４６の電流は対象物の選択部
分を発熱させ、又対象物の他の部分に対し周期的に膨張
させる。

この周期的膨張は液体２４中を伝搬され、音波レンズ２
２及びトランスデューサ２６で検出される音波を発生す
る。この音波は前記と同様に、処理され、かつ表示され
る。第８図は対象物５２に使用できる数種励起源を示す
。

これらの励起源はマイクロ波発生器５牡紫外線源５５、
Ｘ線源５６、レーザ５７及び電流発生機５８てある。こ
れらの全ての励起源は、対象物の顕微鏡的部分が音波発
生点まで励起されるように、対象物に電磁放射線を向け
るか又は電流を供給する。本発明はこれらの全励起源の
別個使用、又は組合せ使用により対象物から検出可能の
音波出力を得るものである。この音波出力から検出され
た信号は増幅され前記と同様に対象物のラスタ位置と共
に記録される。対象物に入射した光の大部分は試料に吸
収されずに反射されることに注意すべきである。

この反射は絶縁被膜の使用て克服てきる。更に対象物内
の音波の速度と液体内の音波の速度との間の大きい不整
合は音波レンズで検出できる有効音波エネルギーを減少
する。この不整合はインピーダンス整合物質層て対象物
を被覆して減少できる。本明細書の上記実施例では、音
波エネルギーは通常加熱源の振幅変調周波数の２倍を含
む項で表わされることに注意すべきである。これは発熱
が入力の２乗に比例するからである。発熱−１２ 従つてＩ＝ＩＯｅＪＯ）Ｔ，ωは周波数 しかしＩ＝ＩＣＸ）＋ＩＯｅｊ（Ｊ）Ｔ，ＩＣ（＞＝
ー定成分 及び１２＝Ｉム＋２１０１００ｅｊω１
十Ｉ＆Ｅ２Ｊω１ のバイアス状態で
は ｅ■♂項は小さいから周波数ωの音波エネ ルギー
が存在する。

これは前記第５図のラマン振動モードとして生じる。

これは又もし電流のＤＣ成分とＡＣ成分とを一緒に使用
すれは第６図の電流励起実施例に応用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は音波顕微鏡の一実施例の、一部を断面で示す略
示図でこの実施例では光学レーザは透過モードで動作す
る、第２図は第１図のレーザて放射された光学パルス列
のグラフ、第３図は音波顕微鏡の第２実施例の、一部を
断面で示す略示図で、この実施例では光学レーザは反射
モードで動作する；第４図は音波顕微鏡の第３実施例の
ブロック図でこの本実施例では正弦波変調光学ビームで
対象物を励起する；第５図はラマン振動モードで走査す
る音波顕微鏡の第４実施例のブロック図；第６図は音波
顕微鏡の第５実施例の、一部を断面で示す略示図で、対
象物は電流発生機で励起する；第７図は音波顕微鏡の第
６実施例の、一部を断面で示す略示図で、対象物は電流
発生機とレーザの両者て励起する；第８図は、単独又は
組合せて利用できる数種励起源を示す音波顕微鏡のブロ
ック図である。 １ｅ・・・・・ルーザ、１２・・・・・光学対物レンズ
、１４・・・・・・焦点、１５・・・・・対象物、１７
・・・・・・ｘ一軸並ノ進装置、１９・・・・・・ｙ一
軸並進装置、２０・ＣＲＴｌ２２・・・・音波レンズ、
２４・・・・・液体、２６・・・・・・トランスデュー
サ、２８・・・・・・増幅器、３０・・・・検波器、３
１・・・・・記憶装置、３２，３２″・・・・・光学的
透明物質、３３・・・・・ルーザ、３４・・・・・・電
７気一光学変調器、３６・・・・・・光音響走査装置、
３９・・・ルーザ、４０・・・・・・第２レーザ、４６
・・・・・・電流発生機、５４・・・・・マイクロ波発
生機、５５・・・・・・紫外線源、５６・・・・・Ｘ線
源、５７・・・・・ルーザ、５８・・・・電流発生機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 対象物を周期的に加熱して対象物を膨張させて音波
   を発生することによつて対象物を検査する方法で、（ａ
   ）集束区域の大きさが対象物の顕微鏡的部分を限定する
   対象物区域を焦点として音波レンズを配置する過程、及
   び（ｂ）上記顕微鏡的部分で発生され、これから伝搬さ
   れる周波数１００ＭＨｚ以上の音波のみを検出する過程
   、を含むことを特徴とする試料の顕微鏡的部分の音波に
   よる検査法。 ２ 上記第１項記載の方法で、対象物かれ伝搬される音
   波を音波レンズでコリメートする過程、及び該コリメー
   ト音波を上記音波レンズ上に装着されたトランスデュー
   サによつて電気信号に変換する過程を含む検査法。 ３ 上記第１項又は第２項記載の方法で、電磁放射を対
   象物に向ける操作を含む検査法。 ４ 上記第１項、第２項又は第３項記載の方法で、対象
   物を電流によつて励起する操作を含む検査法。 ５ 上記第１項、第２項、第３項又は第４項記載の方法
   で、対象物の顕微鏡的部分を選択的に励起する操作を含
   む検査法。 ６ 上記第１項、第２項、第３項、第４項又は第５項記
   載の方法で、対象物を周期的に加熱して対象物を膨張及
   び収縮させる操作を含む検査法。 ７ 上記第６項記載の方法で、周期的の振幅変調電磁放
   射で対象物を加熱する過程；該電磁放射を変化させ、対
   応変化周波数の音波を対象物から発生、伝搬させる過程
   ：電磁放射の変化に対応する検出音波強度変化を測定し
   て対象物の吸収スペクトルを観察することによつて対象
   物を分析する過程、を含む検査法。 ８ 上記第１項、第２項、第３項、第４項、第５項又は
   第６項記載の方法で、光学的周波数ν＿１を有するレー
   ザ光線を対象物の顕微鏡的部分に集束する過程；これら
   ２種の光学的周波数の差の絶対値｜ν＿１−ν＿２｜を
   変化させ、加熱によつて対象物に音波を発生させ、かつ
   これら伝搬させることによつて対象物内の分子に振動モ
   ードを与える過程；及び上記絶対値の変化に対応する検
   出音波強度変化を測定して対象物の顕微鏡的部分のラマ
   ンスペクトルをラマン周波数モードと共に決定する過程
   ；を含む検査法。 ９ 上記第１項、第２項、第３項、第４項、第５項又は
   第６項記載の方法で、光学的周波数ν＿１を有するレー
   ザ光線を対象物の顕微鏡的部分に集束する過程；光学的
   周波数ν＿２を有する変調レーザ光線を対象物の同じ顕
   微鏡的部分に集束する過程；上記周波数ν＿１を対象物
   内の原子の電気的励起状態に対応させる過程；及び上記
   レーザ光線を使用して該原子を基底状態から励起状態に
   転移する過程、を含む検査法。 １０ 上記第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、
   第６項、第７項、第８項又は第９項記載の方法で、対象
   物又は音波レンズを相対的に並進移動させ、対象物をラ
   スタパターンで走査する過程を含む検査法。 １１ 上記第１０項項記載の方法で、検出音波及び対象
   物の対応ラスタ位置を記憶することによつて対象物の視
   覚像を得る過程を含む検査法。 １２ 対象物１５に動作結合されこれを周期的に加熱し
   て熱膨張させ、音波を発生させる励起装置１０，１２を
   含む対象物検査装置で、（ａ）集束区域のきさが対象物
   １５の顕微鏡的部分を限定する対象物区域を焦点とする
   音波集束装置２２、及び（ｂ）該顕微鏡的部分から発生
   、伝搬され、かつ１００ＭＨｚ以上の周波数を有する音
   波のみを検出する検出装置２６，２８，３０を有するこ
   とを特徴とする検査装置。 １３ 上記第１２項記載の装置で、音波集束装置２２と
   して音波レンズ及び該音波レンズに結合された音波トラ
   ンスデューサ２６を含む検査装置。 １４ 上記第１２項又は第１３項記載の装置で、加熱装
   置がレーザ１０、Ｘ線源５６、紫外線放射源５５又はマ
   イクロ波発生機５４で、これらの放射線がこれを吸収す
   る対象物に向けられる検査装置。 １５ 上記第１２項、第１３項又は第１４項記載の装置
   で、励起装置が、周波数ωの周期的出力Ｉ（ω）を有す
   る伝流発生器４６で、該電流発生機は対象物に電流を流
   す電気回路に接続され、該対象物は入力周波数に対応す
   る周波数を有する音波を発生しかつ伝搬する検査装置。 １６ 上記第１４項又は第１５項記載の装置で、レーザ
   １０は集束光線出力を有し、音波レンズとレーザは焦点
   が共通で、又対象物がこの共通焦点に配置される検査装
   置。１７ 上記第１４項、第１５項又は第１６項記載の
   装置で、レーザは透過軸に沿つて検査対象物に光線を送
   り、又音波はトランスデューサで検出され、音波の伝搬
   方向と光線伝搬方向と一致しているため伝搬モードで動
   作する検査装置。 １８ 上記第１４項、第１５項又は第１６項記載の装置
   で、レーザは、対象物の表面と直交する軸に対して角度
   αの透過軸に沿つて光線を対象物に送り、又トランスデ
   ューサは上記直交軸に対して角度βの反射軸に沿つて伝
   搬する音波を検出し、この角度αは角度βと等しく、こ
   の透過軸と反射軸は上記直交軸と同一平面内にあるため
   反射モードで動作する検査装置。 １９ 上記第１７項又は第１８項記載の装置で、レーザ
   １０はＱスイッチされ、動作モードは高周波光源の短時
   間パルスが対象物に伝搬されるように固定される検査装
   置。 ２０ 上記第１４項、第１５項、第１６項、第１７項、
   第１８項又は第１９項記載の装置で、レーザは、複数の
   光周波数の一つで対象物を励起する単一振動数、同調可
   能な光源である検査装置。 ２１ 上記第１４項、第１５項、第１６項、第１７項、
   第１８項又は第１９項記載の装置で、レーザの光出力を
   １００ＭＨｚ以上の周波数ωで変調し、対象物を励起す
   る光が正弦的振幅変化する電気−光学変調器３４を含む
   検査装置。 ２２ 上記第１６項、第１７項、第１８項、第１９項、
   第２０項又は第２１項記載の装置で、周波数ν＿１の集
   束光線の出力を有する第１レーザ３９；周波数ν＿２の
   変調集速光線の出力を有する第２レーザ４０を含み、こ
   れらの両レーザは対象物の顕微鏡的部分に集束され、又
   これらの周波数は、｜ν＿１〜ν＿２｜が対象物の成分
   の一つのラマン周波数振動モードに等しくなるような検
   査装置。 ２３ 上記第１６項、第１７項、第１８項、第１９項、
   第２０項又は第２１項記載の装置で、周波数ωの周期的
   入力Ｉ（ω）を有する電流発生機４６を有し、更に集束
   光線出力を有するレーザ１０を含み、音波が電気−電磁
   気結合励起によつて対象物から伝搬される検査装置。 ２４ 上記第１３項、第１４項、第１５項、第１６項、
   第１７項、第１８項、第１９項、第２０項又は第２１項
   記載の装置で、周波数ωの周期的出力Ｉ（ω）を有する
   電流発生機４６を有し、更にマイクロ波発生器５４を含
   み、音波が電気−電磁気結合励起によつて対象物から伝
   搬される検査装置。 ２５ 上記第１６項、第１７項、第１８項、第１９項、
   第２０項又は第２１項記載の装置で、周波数ν＿１の集
   束光線出力を有する第１レーザ；及び周波数ν＿２の変
   調集束光線出力を有する第２レーザを含み、これら両レ
   ーザは対象物の顕微鏡的部分に集束され、上記周波数ν
   ＿１は対象物内の原子の電子的励起状態に対応するため
   この原子が基底状態から励起状態に変換される検査装置
   。 ２６ 上記第１２項、第１３項、第１４項、第１５項、
   第１６項、第１７項、第１８項、第１９項、第２０項、
   第２１項、第２２項、第２３項、第２４項又は第２５項
   記載の装置で、対象物に連結され、音波レンズに対しこ
   れを移動し、試料がラスタパターンで走査される２個の
   並信装置を有する検査装置。 ２７ 上記第２６項記載の装置で、検出装置に接続され
   た記憶装置３１と陰極線管２０、及び検出音波と対象物
   の対応ラスタ位置を記録して対象物の視覚像が得られる
   移動装置を含む検査装置。