JPS61259170A

JPS61259170A - 超音波顕微鏡における試料の傾き調整装置

Info

Publication number: JPS61259170A
Application number: JP60102041A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Imaide; 慎一今出; Koichi Karaki; 幸一唐木
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1985-05-14
Filing date: 1985-05-14
Publication date: 1986-11-17
Also published as: DE3616283A1; DE3616283C2; US4683751A

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〕本発明は超音波顕微鏡における試料の傾き調整装置に関
し、特に超音波顕微鏡の試料台に載置した試料面と、音
響レンズにより集束した超音波ビームの集束スポットに
よって形成される走査平面とを容易に、特にコンピュー
タを用いて自動調整するようにしたものである。

〔従来の技術〕

超音波顕微鏡は、収束した超音波スポットを２次元に走
査し、画像化する装置であり、超音波ビームの集束スポ
ットによって形成される走査平面に対して、試料面を相
対的に平行させる必要がある。これは例えば半導体の集
積構造を観察する上で不可欠である。

第９図は、一般的超音波顕微鏡の基本構成を示すブロッ
ク線図である。

制御部１からの制御信号に同期した周期で高周波のバー
スト状高周波信号を発生する高周波送信部２からの高周
波バースト信号は、サーキュレータ３を経て、電気信号
と超音波信号を可逆変換する圧電トランスデユーサ４に
加わり、超音波に変換される。この超音波は、音響レン
ズ５によって集束され、超音波伝達媒体６たとえば水を
介して試料７の面上に微小スポットとして照射される。

この照射された超音波は、試料Ｔの音響的特性に応じて
反射し、音響レンズ５により受波されて電気信号に変換
され、再びサーキュレータ３を介して受信部８に導かれ
る。この受信部８に導かれた前記電気信号は、ここで制
御部１からのゲート信号によりゲートされて不必要な信
号が除去された後、増幅および検波されて試料Ｔからの
反射強度に応じた検波出力信号となる。このようにして
得た検波出力信号は、Ｘ方向走査部９およびＹ方向走査
部１０からの諸料７の走査位置に関するＸ方向およびＹ
方向情報信号とともにスキャンコンバータ１１に導かれ
、ここで輝度信号として記録された後、これをテレビジ
ョン信号に変換して読み出し、表示部１またとえばテレ
ビジョン画像モニタにより試料７の超音波顕微鏡像とし
て画像表示する。なお、Ｘ方向走査部９およびＹ方向産
前部１０は、それぞれ制御部１からの制御信号によって
駆動されて、そのＸ方向走査部９により音響レンズ５が
Ｘ方向に高速加振され、そのＹ方向走査部１０により試
料台１３がＹ方向に低速移動する構成となっている。

上記の如き構成の超音波顕微鏡によって、試料７を観察
するに際し、高解像度の超音波顕微鏡像を得るためには
、試料７は、超音波ビームが最小に絞られる集束スポッ
トの位置に配置する必要がある。換言すれば、超音波ビ
ームの集束スポットにより形成される走査平面と、観察
すべき試料７の面は、一致あるいは平行するように試料
Ｔを試料台１３上に載置しなければならない。そのため
に、試料台１３として二方向に関する面の平行度を調整
することができるゴニオメータが従来から用いられてい
る。そしてその調整に当っては、超音波ビームの集束ス
ポットにより形成される走査平面と、試料Ｔの面を平行
にするために、走査を何回も繰り返して表示部１２に表
示される画像を観測しながら、その画像に非平行時に現
われる干渉縞が減るように、ゴニオメータを何度も調整
しなければなら、ない煩わしさがあり、そのための観察
時間の大半をその調整に費やす等、超音波顕微鏡の使用
効率を妨げる原因ともなっている。

尚、この穏の調整に関し、ゴニオメータを用いず電気的
に行う手法の一例として特開昭５９−２２５３４９号公
報には、試料台上の試料を超音波ビームにより走査して
得られる試料上の複数箇所における各超音波受信信号の
基準時刻から受信されるまでの時間に対応した信号をそ
れぞれ検出し、これら両信号が等しくなるように前記試
料台の傾斜を？ｉｌｌ！！することが記載されている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するため、本発明は例えば第６図に示
すように試料台上の試料表面の任意の一点０に、音響レ
ンズからの超音波ビームを集束して焦点を合わせる手段
と、上記焦点が合わされた音響レンズと点Ｏとの距離ｚ
ａを計測し記憶する第１の検出手段と、上記０点上にて
対応した音響レンズと試料とを、超音波ビームの集束ス
ポットにより形成される走査平面に沿って０点以外の異
る２点ａ、ｂの二方向に相対移動させる駆動手段と、こ
の駆動手段によって移動された音響レンズ京なは試料と
のａ点およびｂ点方向への移動量を計測し記憶する第２
の検出手段と、上記ａ点及びｂ点に対応した走査平面上
のａ′点　Ｂ１点とａ点、ｂ点との各距離ｌ　Ｚｏ　　
Ｚａ　ｌ　＝　ｌ　Ｚｏ−Ｚｂ　Ｉ　を算出して記憶す
る演算手段と、上記第１および第２検出手段並びに演算
手段からの各出力に基いて前記走査平面と試料平面との
なす３次元的傾きを演算によって求め、この演算結果よ
り音響レンズの走査平面と試料平面とが相対的に平行関
係となるように制御する手段とを具備している。

〔作　用〕

本発明は、例えば第６図に示すように、試料２１が音響
レンズ２２の走査平面２３に対して傾いている場合、試
料表面上の任意の一点０に音響レンズ２２の焦点を合わ
せ、その０点上での音響レンズと試料表面との距離（焦
点距離）　Ｚｏを第１の検出手段で測定し記憶し、次に
駆動手段によって音響レンズ２２を順次２２’　、　２
２’の位置に移動してその各移動量を第２の検出手段に
て検出・記憶するとともに、各位ｔ　２２’　、　２２
’に対応した、試料表面および走査平面２３上の各ａ　
、　ａ’間及びｂ　、　ｂ’間距離を算出し記憶し、さ
らに上記第１および第２の検出手段からの距離情報と上
記ａ　、　ａｌ及びす。

５２間距離情報とに基いて、超音波レンズの走査平面に
対する試料表面の３次元的傾きを調整することができる
。

〔実施例〕

以下１本発明を図示の実施例について詳述する。

第１図は本発明にかかる傾き調整装置の一実施例を示す
ブロック図、第２図は本発明で用いた試料台の構造例を
示す図、第３図および第４図（Ａ）（Ｂ）は本発明を適
用した超音波顕微鏡の全体概略図およびパネル平面図、
第５図は本発明の調整動作の流れを示すフローチャート
、第６図は同チャートに対応した説明用斜視図、第７図
は受信出力特性の一例を示す特性図、第８図は調整時コ
ンピュータにより指示表示されるグラフイク図、第９図
は一般的超音波顕微鏡の一例を示す概略図である。

本実施例は、第１図の構成から明らかなように。

コンピュータ・システム３１を利用して音響レンズ２２
の走査平面に対し試料の傾き、すなわち試料台３２の傾
きを自動又は画像表示による調整角度の指示で調整可能
としたものである。符号３３は超音波顕微鋺本体を示し
、その構成は、第８図で説明したように高周波送信部、
サーキュレータおよび受信部等から成り、音響レンズ２
２をＸ方向に走査する加振器３４は、コンピュータ（以
下ＣＰＵとする）３１からのＸ走査信号をインターフェ
イス回路３５を介して供給される。また、本体３３は、
音響レンズ２２で得られた電気信号をアナログデジタル
変換器３６を介してインターフェイス回路３５にデジタ
ル信号として導出し、ＣＰＵ３１にて３つの画像メモリ
３７，３８．３９を駆動するスキャン・コンバータ４０
に転送可能とされる。そして、上記３つの画像メモリに
対応してｌｃｈ〜３ｃｈの３つＣＲＴ４１，４２．４３
がスキャン・コンバータ４０に接続されている。

ここで、上記スキャン・コンバータ４Ｇは、３つの画像
メモリ３７〜３９に書き込まれた顕微鏡像を、ＣＲＴ４
１，４２．４３で表示可能な信号に変換するものである
が、各画像メモリ３７〜３９による画像は、例えば音響
レンズ２２を相対的に試料台３２に所定ステップで遠近
させたとき、すなわち、２方向へ走査して得られる試料
の平面断面像あるいは、同一平面上での異る像を同時に
表示することができるものである。そして、これらの像
は、音響レンズ２２による一画面分の走査が終了するご
とに前に表示した像の順から更新させることができる。

また、各ＣＲＴ４１．４２．４３は白黒画像用であるが
、ＣＰＵ３１は、各画像メモリ３７〜３９からの所定階
調の画像データを再構成することで、擬似的なカラー画
像をメインＣＲＴ（カラー表示装置）４４に表示するこ
とができる。

次に、符号４５は試料台３２を保持したＸ−Ｙステージ
であり、このＸ−Ｙステージ４５は、ステップモータを
主体に構成されたＸ方向駆動手段４６、Ｙ方向駆動手段
４７にシャフト４８　、４９を介して連設されている。

また、図ではＸ−Ｙステージ４５は、Ｚ方向に駆動され
るようにシャフト５０を介してＺ方向駆動手段５１に連
接されているが、実際には音響レンズ２２を２方向に駆
動するようにしても良い。そして、各ｘ、ｙ、ｚ方向駆
動手段４６．４７．５１は、ＣＰＵ３１からの獣動信号
によってその方向にステージ４５を移動することができ
る。また、Ｘ−Ｙステージ４５のＸ、Ｙ方向への移動量
およびＺ方向への移動量は、それぞれの駆動手段を構成
するモータからの回転パルスを検出するエンコーダを主
体としたＸ。

ｙ、ｚ方向移動量検出手段５２．５３．５４によって検
出可能となっており、それらの検出信号は、それぞれイ
ンターフェイス回路３５を通してＣＰＵ３１に供給され
る。

次に、試料台３２の機構の一例を第２図に基いて説明す
る。

第２図において、試料台３２は、それ自体がゴニオメー
タを構成しており、伸縮継手５５に支持されたテーブル
５６をウオーム調整棒５７　、５８にて、それぞれ独立
にＸ及びＹ方向を軸として所定角度回動させることがで
きるものである。詳細には、テーブル５６は、下方に突
出した螺子５９゜５９．５９（５９）を有する板材６０
を介して、互いに直交する方向に斜面６１ａ　、　６２
ａを有するウオーム体６１，６２に支持されている。つ
まり、上記螺子５９の突出端がウオーム体６１．６２の
斜面６１ａ　、　６１ｂに９０度間隔で当接しているの
であり、ウオーム体６１．６２は相互に回転可能で且つ
、同軸的にベース６３に取り付けられている。

本発明は以上のように構成されるが、更に本発明を適用
した超音波顕微鏡の全体的概略を説明して理解の一助と
する。

第３図において％６４は入力装置％６５は超音波顕微鏡
本体３３に相当するが、送信部および受信部を含む高周
波回路部６６は別体にて示し、その他の第１図と共通部
分には同一符号を記す。

入力装置６４は、グループ１のコントロール機能６７、
グループ２のコントロール機能６８、及び各種動作モー
ド表示用ＬＥＤ群６９を備え、コントロール機能６Ｔは
、第４図（Ｂ）の第１エリア１０１に設けられた、スイ
ッチ及びモニタ素子に対応し、コントロール機能６８は
、１０２にて示すスイッチ群にて達成される。

グループｌのコントロール機能６Ｔは、スキャン・コン
バータ４０およびステージコントローラＴＯに接続され
、超音波像書き込み開始スイッチング（ｐｏｗａｒｄ　
、　Ｒｅｖｅｒｓｅ　）、Ｘ方向走査のスイッチング、
Ｙ方向走査の停止、スキャン幅（５ＣＡＮ−ＷＩＤＴＨ
）切換を行う。そして、ステージコントローラ７０のＸ
およびＹ走査駆動信号は、それぞれ加蚕器３４およびＹ
方向書込み送りモータ７１に供給される。尚、Ｄ、Ｓ、
Ｃリセットスイッチ機能７２は、スキャン・コンバータ
４Ｇに接続される。スキャン・コンバータ４０は、３つ
の画像メモリ３７〜３９を有していることにより、これ
に対応したチャンネル出力端ＣＨＩ　、　ＣＨ２、ＣＨ
３は、出力切替回路７３を介して外部モニタ出力端子７
４およびＴＶモニタ７５に導出可能である。また、スキ
ャンコンバータ４０は、ＴＶカメラ７６を接続でき、音
響レンズ２２からの電気信号は高周波回路部６６、ログ
アンプ７７およびビデオ信号処理回路７８を介して超音
波像入力端ＵＳに取り込んでいる。さらにログアンプ７
７の出力はバッファ７９を介して受信信号出力端８０に
導出され、波形観測可能である。

また、コントロール機能６８は、極性切換スイッチング
（ＮＥＧＡ／ＰＯ８Ｉ　）、映像消去（ＥＲＡＳＥ）。

ｘｙ相ｐスイッチング（スムージング処理のオン−オフ
）、ＴＶ／ＵＳ切換、オーバレイ選択（オーバレイメモ
リ（ＣＰＵ３１からの図形情報表示用）スイッチング、
キーボードキャラクタ出力選択スイッチング（ＫＥＹＢ
ＯＡＲＤ　ＣＨＡＲＡｅＴＥＲ）、スケールキャラクタ
オンオフスイッチング（ＳＣＡＬＥＣＨＡＲＡＣＴＥＲ
）％ＴＶ　ＩＪ　７’ル／７１Ｊ　−Ｘ　（Ｔ　Ｖカメ
ラ信号をメモリする）、外部モニタ用出力切換スイッチ
ング（ＥＸＴＲＮＡＬ　ＭＯＮＩＴＯＲ）、ゲートタイ
ミング切換スイッチング（ＧＡＴＥ　ＴＩＭＩＮＧＩ−
ＩＩ）等を備え、さらに、前記出力切替回路７３を制御
することで１画像メモリ３７〜３９の書込みブレーン選
択および部分出力ブレーン選択ができるようになってい
る。

このほか、リモートＬＥＤは、スキャンコンバータ４０
がＣＰＵ３１で制御されているとき点灯し、トーカＬＥ
Ｄは、スキャンコンバータ４０の画像メモリの内容をＣ
ＰＵ３１に転送中に点灯し、り入すＬＥＤは書き込み中
のとき点灯し、ＧＰ−ＩＢアクセスチャンネル表示ＬＥ
Ｄは、ＣＰＵ３１がアクセスしたコンバータ４０のチャ
ンネルを表示し、ＧＢ−ＩＢアクセスオーバレイメモリ
ＬＥＤは、ＣＰＵ３１がアクセスしたコンバータ４０の
オーバレイメモリを表示する。

また、８１はアッテネータ量および周波数の切換え機能
、８２は処理回路Ｔ８の制御機能、８３は試料台３２の
温度制御機能であり、サーミスタ８４およびヒータ８５
に接続されている。８６は光学顕微鏡８１の制御機能で
あり、光源コントローラ８８に接続され、光源コントロ
ーラ８８は光学顕９鏡８Ｔへの照明光を制御している。

さらに、本超音波顕微鏡は写真撮影装置８９を備え、こ
のための制御機能９０を備えている。また、ＣＰＵ３１
は、フロッピー装置９１を備え、各種の画像処理および
傾き調整を行うことができる。

尚、符号４６’　、　４７’　、　５１’は、Ｘ方向、
Ｙ方向、２方向駆動手段４６，４γ、５１のモータを示
し。

５２’　、　５３’　、　５４’はＸ方向、Ｙ方向、Ｚ
方向移動量検出手段５２．５３．５４のエンコーダを示
し、各ステップモータ４６’、４７’、５１はＣＰＵ３
１によって制御されるコントロール／ドライバ９２によ
って駆動され、エンコーダ５２’　、　５３’　、　５
４’の出力はカウンタ９３を介してＣＰＵ３１にインプ
ットされる。

更に、第４図ＣＢ）において１０３はリアパネルであり
、ＣＨＩ　〜ＣＨ３（７）　出力端子（ＶＩ　ＤＥＯ−
０ＵＴ　）、同期信号出力端（ＳＹＮＣ）　ＧＰ−Ｉ　
Ｂコネクタ、ＶＩＤＥＯ−ＩＮ端子、ＥＸＴ、ＭＯＮＩ
−ＯＵＴ、Ｖ−ＯＵＴ。

Ｚ−ＩＮ、　ＲＦ−Ａ％ＲＦ−Ｂ、ＲＥ−Ｃ％Ｃ１、Ｃ
２、Ｃ３ｊネクタを備えている。

次に、上記構成に基づく作用を第５図、第６図を参照し
て説明する。

試料台３２に載置された試料２１の表面が、第６図に示
すように音響レンズ２２の超音波ビームスポットにより
形成される走査平面２３に対して斜めであった場合、試
料表面に走査平面２３を一致させるにあたって、ＣＰＵ
３１は先ず、音饗レンズ２２の焦点を試料表面の任意位
ｆＬＯ点において合わせる。この焦点が合った否かは、
音響レンズ２２を試料２１に対して遠近させたとき、音
響レンズ２２の受信出力が最大値となるので、このとき
の値を検出することで可能である０尚、これは、音響レ
ンズの出力特性（通称Ｖ　（ｚ）特性）により導かれ、
第７図に示すように横軸に示すレンズ対試料間距離＋：
＃シて受信出力値が周期的に上下し、焦点距離（０）の
とき最大出力が得られることが判る。本装置では、第３
図において、符号９４にて示すＸＹモニタ９４の出力が
最大となったとき、０点上でレンズ対試料間距離が音響
レンズ２２の焦点距離に一致したことを確認することが
できる。

尚、このＸＹモニタ９４は静電偏光管であって、加振器
３４．への駆動信号およびビデオ信号処理回路７８から
の超音波像信号が供給されている。

こうして焦点が合わされると、ＣＰＵ３１は、０点上で
の音響レンズ２２と試料２１との距離Ｚ０を測定し記憶
する。この処理が終了すると、ＣＰＵ３１は次に音響レ
ンズ２２をＸ方向に所定ステップだけ移動せしめる信号
をＸ方向駆動手段４６のステップモータ４６′に、コン
トロール／ドライバ９２を介して供給する。この所定ス
テップだけＸ方向に移動した点をａ点とすると、ＣＰＵ
３１はこのａ点と、走査平面上でのａ点に対応した点ａ
′との距離ｌ　Ｚｏ　　Ｚａ　　ｌを測定する。この場
合、音響レンズ２２は、その２２′の位置でＺ方向に移
動されることでＶ（ｚ）　　特性に従う最大値を出力す
るので、そのときの移動景、即ち、走査平面２３に沿っ
て平行に所定ステップだけ移動されたときの始めの位置
よりどれだけ移動したかは、エンコーダ５４′からのパ
ルスをカウントすることで求められ、これによりＣＰＵ
３１は、　　Ｉｚｏ−Ｚａｌ　（ａａ／間距離）を求め
ることができる。更に、音響レンズ２２を２２′の位置
に移動（Ｙ方向に平行移動）したときにも、同様の手段
でＩＺ、−ｚｂｌ（ｂｌ、７間距離）を求めることがで
きる。尚、各ＸおよびＹ方向への移動帯は、そわぞれＸ
方向ステップモータ４６’、Ｙ方向ステップモータ４７
′の発生するパルスをエンコーダ！Ｊ”、５３’でカウ
ントすることで、これらエンコーダ５７’　、　５３’
の出力よ？’）ＣＰＵ３１に取り込むことができる。

以上のようにしてＣＰＵ３１はｓ　Ｚｌｌ　＃　０−８
’間距離、ａ−ａ’間距離、　ａ’　−ｂ’間［Ｍ、ｂ
’−ｂ間距離を知ることができる。ここで、０−ａ′と
Ｏ−ａとのなす角θ１は１〇−暑１１と！　Ｚｏ−Ｚａ
ｉにて容易に演算され、ｂ−ａとｂｌ−ａ／のなす角θ
、は１ｂ′−ａ’ｌと（ｌ　Ｚｅ−Ｚｂｌ　−Ｉ　Ｚ６
−Ｚａｌ　）により演算することができる。したがって
％ＣＰＵ３１は、θ、。

θ、を求めることができる。本装置では、上記θ、。

Ｃ２を第８図に示すようにＣＲＴ（図示略）に表示して
、　ｌＩＮ整者がＣＩｔＴどの対話形成でθ１，０２、
即ち、走査平面２３に対する試料表面の３次元的な傾き
を知り、それに応じてｆｌ格にＸＹテーブル４５を調整
することができるものである。尚、本発明によるＸＹテ
ーブル４５の１ステツプ景は１例えば１μ翼であり、２
方向の移動距離表示分解能は０．５μ重で、最大±５°
の範囲で傾きを修正することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、超音波ビームの集
束スポットが、試料面を２次元走査することによって形
成される走査平面に対し、試料平面を容易かつ、迅速に
高精度をもって平行させることができる効果がある。し
かも、コンピュータの指示によるため、調整者の慣れ等
の技巧を必要としない利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第８図は本発明の一実施例にかがる図面を
示し、第１図は同実施例の傾き！！ｌａｌ整装置を示す
ブロック図、第２図は試料台の構造の一例を示す断面図
、第３図および第４図は本発明を適用した超音波顕微鏡
の全体概略図およびパネル平面図、第５図は本発明の調
整動作の流れを示すフローチャート、第６図は同チャー
トに対応した説明用斜視図、第７図は受信出力特性の一
例を示す特性図％第８図は調整時コンピュータにより指
示表示されるグラフィック図、第９図は一般的超音波顕
微鏡の一例を示す概略図である。２１−・・試料、　　　　　　２２・・・音響レンズ、
２３−走査平面、　　　　３ｌ−ＣＰＵ、３２・−・試
料台、３３・−超音波顕微鏡本体、３４−・・加振器、
　　　　　４０−スキャン・コンバータ、　　　　　　
　　４６−Ｘ方向駆動手段、４７・−Ｙ方向駆動手段、
　５１−２方向駆動手段、５２−・Ｘ方向移動量検出手
段、５３・・・Ｙ方向移動量検出手段、５４−Ｚ方向移動量検出手段、４６’、　４７’、　５１’　、−・ステップモータ。５２’、　５３’、　５４’　−−・エンコーダ。第２図第５図第７図第８図第９図手続ネ甫装置（方式）特許庁長官　宇　賀　道　部　殿１、事件の表示　　　昭和６０年特許願第１０２０４１
号２６発明の名称　　　超音波顕微鏡における試料の傾
き調整装置３、補正をする者事件との関係　　　特許出願人代表者　　下　　山　　敏　　部６、補正の対象　　　明細書および図面企図−＼、−

Claims

【特許請求の範囲】

音響レンズからの超音波ビームが集束する試料台上の試
料表面の任意の一点を基準点０とし、この基準点０にお
ける音響レンズと試料との距離Ｚ＿０を測るとともに、
上記基準点０以外の少なくとも２点ａ、ｂにおける上記
音響レンズ対試料間距離Ｚａ、Ｚｂを測定し、超音波ビ
ームの集束スポットにより形成される走査平面での０、
ａ間および０、ｂ間距離並びに｜Ｚ＿０−Ｚｂ｜および
｜Ｚ＿０−Ｚａ｜長に基いて、走査平面に対する試料表
面の３次元的傾きを演算して、上試走査平面に試料平面
を平行させるようにしたことを特徴とする超音波顕微鏡
における試料の傾き調整装置。