JP5483341B2 - Ultrasonic microscope - Google Patents
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Description
本発明は、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を試料に照射し、前記試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡に関するものであり、特に試料の微小領域の弾性的性質を超音波を利用して評価する超音波顕微鏡に関する。 The present invention relates to an ultrasonic microscope that generates ultrasonic waves using pulsed light, irradiates the generated ultrasonic waves to the sample, and observes the sample using reflected ultrasonic waves reflected by the sample, In particular, the present invention relates to an ultrasonic microscope that evaluates the elastic properties of a minute region of a sample using ultrasonic waves.
従来より、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を試料に照射し、前記試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡が知られている。
音響レンズを通して収束した超音波を試料に入射させ、その試料からの反射超音波から試料の微小部分の弾性的性質を検出する装置として超音波顕微鏡が知られている。超音波顕微鏡では、光学顕微鏡や電子顕微鏡では得られない試料内部の情報が得られることから、試料の弾性等の力学的性質の評価だけでなく、内部欠陥の検出等にも多く用いられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic microscope is known that generates ultrasonic waves using pulsed light, irradiates the generated ultrasonic waves on a sample, and observes the sample using reflected ultrasonic waves reflected by the sample.
2. Description of the Related Art An ultrasonic microscope is known as an apparatus that makes ultrasonic waves converged through an acoustic lens enter a sample and detects the elastic properties of a minute portion of the sample from reflected ultrasonic waves from the sample. Ultrasonic microscopes can be used not only for evaluation of mechanical properties such as elasticity of samples, but also for detection of internal defects, because information inside samples that cannot be obtained with optical microscopes and electron microscopes can be obtained. .
特許文献１及び特許文献２に示されるように、従来の超音波顕微鏡は、超音波を発生するトランスデューサ（圧電板）と、ステージと、走査手段とを備えている。トランスデューサは、圧電薄膜からなるものであり、音響レンズと一体となるように構成されている。音響レンズは、サファイアや石英ガラスなどの円柱状結晶からなっており、一方の端面は光学研磨された平面であり、他方の端面には、レンズ面を形成する微小な半球状の凹部が設けられている。トランスデューサは、前述した音響レンズの光学研磨された平面上に設けられ、パルス発振器からの高周波パルスで励起されて超音波を発生する。 As shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, a conventional ultrasonic microscope includes a transducer (piezoelectric plate) that generates ultrasonic waves, a stage, and scanning means. The transducer is made of a piezoelectric thin film and is configured to be integrated with the acoustic lens. The acoustic lens is made of a columnar crystal such as sapphire or quartz glass. One end surface is an optically polished flat surface, and the other end surface is provided with a minute hemispherical recess that forms the lens surface. ing. The transducer is provided on the optically polished plane of the acoustic lens described above, and is excited by a high frequency pulse from a pulse oscillator to generate an ultrasonic wave.
ステージは、音響レンズと対向する位置に搭載された試料を保持するものであり、ステージ上に載置された試料と音響レンズとの間には、純水のような超音波の伝播媒体が充填される。この試料台は、走査手段によって３次元方向に変位駆動されるようになっている。
トランスデューサから放射された超音波は、音響レンズを通して試料の微小部位に入射し、当該微小部位で反射する。その反射した超音波は、再び音響レンズを通じてトランスデューサに到達する。トランスデューサは、試料からの反射超音波である超音波エコーを電気信号に変換して、この電気信号を受信部（受信アンプ）に与える。受信部は、この電気信号を増幅及び検波してビデオ信号に変換し、該ビデオ信号を表示部に出力する。表示部は、受信部からビデオ信号を受信し、試料の内部状態を画像として表示する。
The stage holds a sample mounted at a position facing the acoustic lens, and an ultrasonic propagation medium such as pure water is filled between the sample placed on the stage and the acoustic lens. Is done. The sample stage is driven to be displaced in a three-dimensional direction by scanning means.
The ultrasonic wave radiated from the transducer is incident on the minute part of the sample through the acoustic lens and reflected by the minute part. The reflected ultrasonic wave reaches the transducer again through the acoustic lens. The transducer converts an ultrasonic echo, which is a reflected ultrasonic wave from the sample, into an electric signal, and gives the electric signal to a receiving unit (receiving amplifier). The receiving unit amplifies and detects this electric signal, converts it into a video signal, and outputs the video signal to the display unit. The display unit receives the video signal from the receiving unit and displays the internal state of the sample as an image.
ところで、近年、半導体デバイスや電子部品のような極めて微小な試料の評価が必要となっており、超音波顕微鏡にも例えば数μm以下のオーダーといった高い空間分解能が要求されることが多い。
超音波顕微鏡で高い空間分解能を実現するためには、検出波である超音波の周波数を高くする必要がある。ところが、超音波の周波数を高くして高空間分解能を実現しようとすると、低周波数では問題にならなかった音響レンズの収差が問題となる。例えば、周波数帯域が数百ＭＨｚ程度になれば、せっかく波長を小さくしても音響レンズの収差の影響が無視できなくなるため高分解能の実現が困難になる。
By the way, in recent years, it has been necessary to evaluate extremely small samples such as semiconductor devices and electronic components, and an ultrasonic microscope is often required to have a high spatial resolution such as an order of several μm or less.
In order to realize high spatial resolution with an ultrasonic microscope, it is necessary to increase the frequency of the ultrasonic wave that is the detection wave. However, when an attempt is made to achieve high spatial resolution by increasing the frequency of the ultrasonic wave, the aberration of the acoustic lens, which was not a problem at low frequencies, becomes a problem. For example, if the frequency band is about several hundred MHz, it is difficult to realize high resolution because the influence of the aberration of the acoustic lens cannot be ignored even if the wavelength is reduced.
また、従来のように、音響レンズのレンズ面が球面である場合、超音波の収束において球面収差が発生するため、特に、高周波数の超音波をレンズ焦点に収束させることが困難となる。
つまり、超音波顕微鏡でサブμｍの分解能を実現するためには、超音波の周波数を高くするだけでなく、音響レンズの収差を確実に低減しなければならないのである。
In addition, when the lens surface of the acoustic lens is a spherical surface as in the prior art, spherical aberration occurs in the convergence of the ultrasonic wave, so that it is particularly difficult to focus the high-frequency ultrasonic wave on the lens focus.
In other words, in order to realize sub-μm resolution with an ultrasonic microscope, it is necessary not only to increase the frequency of the ultrasonic wave but also to reliably reduce the aberration of the acoustic lens.
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであって、音響レンズの収差を抑制しつつ高周波の超音波を用いて数μｍ〜サブμｍオーダの分解能を実現することができる超音波顕微鏡の提供を目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is an ultrasonic microscope capable of realizing a resolution of several μm to sub-μm order using high-frequency ultrasonic waves while suppressing aberration of an acoustic lens. The purpose is to provide.
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る超音波顕微鏡は、パルス光を照射するパルス光照射手段から照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、超音波送波部から送出された超音波を収束させつつ試料に放射するレンズ面を備えた音響レンズと、を具備する超音波顕微鏡であって、前記音響レンズのレンズ面は、非球面の凹形状に形成されることを特徴とする。
In order to achieve the above-described object, the present invention takes the following technical means.
That is, the ultrasonic microscope according to the present invention absorbs the pulsed light emitted from the pulsed light irradiating means that emits the pulsed light, emits the ultrasonic wave by the thermoelastic effect, and sends the ultrasonic wave to the sample. An acoustic microscope comprising: a wave portion; and an acoustic lens having a lens surface that radiates the sample while converging the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave transmission portion, wherein the lens surface of the acoustic lens is It is formed in an aspherical concave shape.
また、前記音響レンズのレンズ面は、楕円体の表面の一部で構成されてもよい。
また、前記楕円体は、楕円の長軸又は短軸を回転軸として得られる回転体であり、前記レンズ面は、当該回転軸が、音響レンズ内での前記超音波の伝播方向と平行になるように非球面の凹形状に形成されてもよい。ここで、楕円体の回転軸は、音響レンズの主軸と一致する。
Moreover, the lens surface of the acoustic lens may be configured by a part of the surface of an ellipsoid.
The ellipsoid is a rotator obtained with the major axis or minor axis of the ellipse as a rotation axis, and the lens surface has the rotation axis parallel to the propagation direction of the ultrasonic wave in the acoustic lens. Thus, it may be formed in an aspherical concave shape. Here, the rotation axis of the ellipsoid coincides with the main axis of the acoustic lens.
また、前記超音波の周波数が、５００ＭＨｚ以上であり、前記レンズ面における有効開口径は、前記楕円の長軸及び短軸の２軸の内、前記超音波の音響レンズ内での伝播方向と平行な前記回転軸を中心として、該中心からの半径がレンズ面の開口面に平行な前記軸の軸長の６０％以内の範囲にあり、前記楕円の離心率が、理想的な離心率の２．５倍以下の値（ｅ≠０）であってもよい。なお、離心率ｅ＝０であればレンズ面は球面となるので、本願ではｅ＝０については、考慮しない。 Further, the frequency of the ultrasonic wave is 500 MHz or more, and the effective aperture diameter in the lens surface is parallel to the propagation direction of the ultrasonic wave in the acoustic lens among the two major axes of the ellipse. With the rotation axis as the center, the radius from the center is in the range of 60% or less of the axial length of the axis parallel to the aperture surface of the lens surface, and the eccentricity of the ellipse is 2% of the ideal eccentricity It may be a value of 5 times or less (e ≠ 0). If the eccentricity e = 0, the lens surface is a spherical surface. Therefore, e = 0 is not considered in the present application.
さらに、前記音響レンズを単結晶シリコンから構成すると共に音響結合材を水とした際に、前記レンズ面の離心率を、０．４５以下として設定してもよい。
ここで、本発明に係るもう一つの超音波顕微鏡は、パルス光を照射するパルス光照射手段から照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、超音波送波部から送出された超音波を収束させつつ試料に放射するレンズ面を備えた音響レンズと、を具備する超音波顕微鏡であって、前記音響レンズが単結晶シリコンから構成されると共に音響結合材が水であり、前記音響レンズのレンズ面は、楕円の長軸又は短軸を回転軸として得られる回転体である楕円体の表面の一部で
構成されると共に、当該回転軸が前記音響レンズ内での前記超音波の伝播方向と平行になるように非球面の凹形状に形成され、前記超音波の周波数が、５００ＭＨｚ以上であり、前記レンズ面における有効開口径は、前記楕円の長軸及び短軸の２軸の内、音響レンズ内での前記超音波の伝播方向と平行な前記回転軸を中心として、該中心からの半径がレンズ面の開口面に平行な前記軸の軸長の６０％以内の範囲にあり、前記楕円の離心率が、理想的な軸比となる離心率の２．５倍以下（０は除く）の値であり、前記レンズ面の離心率が、０．４５以下であることを特徴とする。
Furthermore, when the acoustic lens is made of single crystal silicon and the acoustic coupling material is water, the eccentricity of the lens surface may be set to 0.45 or less.
Here, another ultrasonic microscope according to the present invention absorbs the pulsed light irradiated from the pulsed light irradiation means for irradiating the pulsed light, emits the ultrasonic wave by the thermoelastic effect, and sends the ultrasonic wave to the sample. And an acoustic lens having a lens surface that radiates the sample while converging the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transmission unit, the acoustic lens comprising: The acoustic coupling material is composed of single crystal silicon and water, and the lens surface of the acoustic lens is a part of the surface of an ellipsoid that is a rotating body obtained by using the major axis or minor axis of the ellipse as a rotation axis.
And is formed in an aspherical concave shape so that the rotation axis is parallel to the propagation direction of the ultrasonic wave in the acoustic lens, the frequency of the ultrasonic wave is 500 MHz or more, and the lens The effective aperture diameter in the plane is centered on the rotation axis parallel to the propagation direction of the ultrasonic wave in the acoustic lens among the two major axes of the ellipse and the minor axis, and the radius from the center is the lens surface. In the range within 60% of the axial length of the axis parallel to the opening surface, the eccentricity of the ellipse is a value that is 2.5 times or less (excluding 0) the eccentricity that is the ideal axial ratio And an eccentricity of the lens surface is 0.45 or less.
本発明に係る超音波顕微鏡装置によれば、試料に対して高周波数の超音波を送出でき、サブμｍ以下のオーダーの高空間分解能で、試料の内部を観察することができる。 According to the ultrasonic microscope apparatus of the present invention, high-frequency ultrasonic waves can be transmitted to the sample, and the inside of the sample can be observed with high spatial resolution on the order of sub-μm or less.
以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
まず、図１及び図２を参照しながら、本発明の第１実施形態による超音波顕微鏡１について詳しく説明する。図１は、本実施形態による超音波顕微鏡１の構成を示す図である。図２は、本実施形態による超音波顕微鏡１の音響レンズ２の構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る超音波顕微鏡１は、試料が載置されるＸ−Ｙステージ３と、Ｘ−Ｙステージ３上の試料にレンズ面１０を向けて配置された音響レンズ２を備えている。この音響レンズ２の上部には、照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料に送出する超音波送波部４が形成されており、超音波送波部４にパルス光を照射するパルス光照射手段５も備えられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the ultrasonic microscope 1 according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an ultrasonic microscope 1 according to the present embodiment. FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the acoustic lens 2 of the ultrasonic microscope 1 according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, an ultrasonic microscope 1 according to the present embodiment includes an XY stage 3 on which a sample is placed, and an acoustic wave disposed with a lens surface 10 facing the sample on the XY stage 3. A lens 2 is provided. The ultrasonic lens 2 is formed with an ultrasonic wave transmission unit 4 that absorbs the irradiated pulsed light, emits ultrasonic waves due to the thermoelastic effect, and sends the ultrasonic waves to the sample. Pulse light irradiation means 5 for irradiating the wave part 4 with pulse light is also provided.
加えて、超音波顕微鏡１は、試料で反射した超音波である反射超音波を受波するとともに、その反射超音波から受ける応力に応じて量子特性を変化させる半導体薄膜を有する超音波受波部６を有する。
また、超音波顕微鏡１は、超音波受波部６の量子特性の変化を検出する特性変化検出手段７と、検出された量子特性の変化を基に試料内部の情報を得る内部情報取得手段８と、を具備する。
In addition, the ultrasonic microscope 1 receives a reflected ultrasonic wave that is an ultrasonic wave reflected by a sample, and an ultrasonic wave receiving unit having a semiconductor thin film that changes a quantum characteristic according to a stress received from the reflected ultrasonic wave. 6.
In addition, the ultrasonic microscope 1 includes a characteristic change detection unit 7 that detects a change in quantum characteristics of the ultrasonic wave receiving unit 6, and an internal information acquisition unit 8 that obtains information inside the sample based on the detected change in quantum characteristics. And.
以下、第１実施形態の超音波顕微鏡１について、その構成を詳細に説明する。
超音波顕微鏡１は、試料が載置されるＸ−Ｙステージ３を備えている。このＸ−Ｙステージ３は、試料を支持し、音響レンズ２に対する試料の位置を水平方向（超音波の照射方向に対して直交する方向の位置）に変化させて位置決めするためのものであり、直交するボールネジ機構等から構成される。Ｘ−Ｙステージ３は、コンピュータ等で構成されたステージ制御部２１により、試料の水平方向位置や送りピッチなどが制御される。
Hereinafter, the configuration of the ultrasonic microscope 1 according to the first embodiment will be described in detail.
The ultrasonic microscope 1 includes an XY stage 3 on which a sample is placed. This XY stage 3 is for supporting the sample and for changing the position of the sample with respect to the acoustic lens 2 in the horizontal direction (a position in a direction orthogonal to the irradiation direction of the ultrasonic wave). The ball screw mechanism is orthogonal. In the XY stage 3, the horizontal position and feed pitch of the sample are controlled by a stage control unit 21 configured by a computer or the like.
Ｘ−Ｙステージ３の上方には、音響レンズ２が配備される。この音響レンズ２は、例えば純水であって超音波を伝播するカップリング媒体９を介して、Ｘ−Ｙステージ３上の試料と対向している。
図２を参照して、音響レンズ２について詳細に説明する。図２（ａ）は、音響レンズ２を側面から見たときの構成を示す図であり、図２（ｂ）は、音響レンズ２の反レンズ面側の構成示す図である。
An acoustic lens 2 is provided above the XY stage 3. The acoustic lens 2 is opposed to a sample on the XY stage 3 through a coupling medium 9 that is pure water and propagates ultrasonic waves, for example.
The acoustic lens 2 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2A is a diagram illustrating a configuration when the acoustic lens 2 is viewed from the side, and FIG. 2B is a diagram illustrating a configuration of the acoustic lens 2 on the side opposite to the lens surface.
音響レンズ２は、例えばＳｉ単結晶からなる円柱状部材であって、その内部には空間を有しない中実な構造となっている。この円柱状部材の一つの底面、すなわちＸ−Ｙステージ３と対向する底面側に、音響レンズ２の内部に向かって湾曲した窪み状のレンズ面１０を形成している。このレンズ面１０は、当該底面での開口部がほぼ円形であり、レンズ面１０は凹凸のない平滑な略球面となっている。レンズ面１０が形成されないもう一方の底面（反レンズ面、すなわち反Ｘ−Ｙステージ３側）は、光学研磨された平面である。 The acoustic lens 2 is a cylindrical member made of, for example, Si single crystal, and has a solid structure having no space inside. A concave lens surface 10 curved toward the inside of the acoustic lens 2 is formed on one bottom surface of the cylindrical member, that is, on the bottom surface side facing the XY stage 3. The lens surface 10 has a substantially circular opening at the bottom surface, and the lens surface 10 is a smooth, substantially spherical surface with no irregularities. The other bottom surface (the anti-lens surface, that is, the anti-XY stage 3 side) where the lens surface 10 is not formed is an optically polished flat surface.
音響レンズ２は、超音波をできるだけ減衰させずに伝播するために硬質材料で形成されるので、音響レンズ２の材料として石英ガラスやサファイヤなどを用いてもよい。また、音響レンズ２の形状を円柱状であるとしたが、円錐台形状、角柱形状、又は角錐台形状でもよい。
係る音響レンズ２の反レンズ面側の平面には、試料で反射して音響レンズ２を通って戻った反射超音波を受波するための半導体薄膜（超音波受波部６）が積層されている。
Since the acoustic lens 2 is formed of a hard material in order to propagate the ultrasonic wave as much as possible without being attenuated, quartz glass or sapphire may be used as the material of the acoustic lens 2. Further, although the acoustic lens 2 has a cylindrical shape, it may have a truncated cone shape, a prism shape, or a truncated pyramid shape.
On the plane opposite to the lens surface of the acoustic lens 2, a semiconductor thin film (ultrasonic wave receiving unit 6) for receiving the reflected ultrasonic wave reflected by the sample and returned through the acoustic lens 2 is laminated. Yes.
この半導体薄膜の上部には、加熱用のパルス光（加熱パルス光）の吸収及び発熱によって発生する熱応力によって高周波の超音波を発生する金属膜（超音波送波部４）が、超音波受波部６の一部を覆うように設けられている。
まず、超音波送波部４について説明する。
音響レンズ２の反レンズ面には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる緩衝層１１が設けられ、この緩衝層１１上にＧａＡｓ膜が積層される。このＧａＡｓ膜の上に、金属膜であるＭｏ（モリブデン）が積層されている。この金属膜（Ｍｏ）は、超音波送波部４としての機能を果たすものである。
On top of this semiconductor thin film, a metal film (ultrasonic wave transmitter 4) that generates high-frequency ultrasonic waves due to thermal stress generated by absorption and heat generation of heating pulse light (heating pulse light) is received by ultrasonic waves. It is provided so as to cover a part of the wave portion 6.
First, the ultrasonic transmission unit 4 will be described.
A buffer layer 11 made of AlN (aluminum nitride) is provided on the anti-lens surface of the acoustic lens 2, and a GaAs film is laminated on the buffer layer 11. On this GaAs film, Mo (molybdenum) which is a metal film is laminated. The metal film (Mo) functions as the ultrasonic wave transmission unit 4.
この超音波送波部４である金属膜（Ｍｏ）に対して加熱パルス光が照射されると、金属膜（Ｍｏ）は、パルス光のエネルギーの吸収及び発熱によって熱膨張し、そのときに発生する熱応力（熱弾性効果）によって、加熱パルスと同じパルス幅（時間幅）の熱弾性波を発生する。例えば、パルス幅が０．５ｎｓ以下の加熱パルスが照射されると、２ＧＨｚ以上の周波数の超音波を発生させることができる。超音波送波部４に用いる金属膜の材料としては、モリブデン（Ｍｏ）の他に、金、銅、アルミニウム等を用いることができる。 When the heating pulse light is irradiated to the metal film (Mo) which is the ultrasonic wave transmission unit 4, the metal film (Mo) is thermally expanded due to absorption and heat generation of the pulsed light, and is generated at that time. A thermoelastic wave having the same pulse width (time width) as the heating pulse is generated by the thermal stress (thermoelastic effect). For example, when a heating pulse having a pulse width of 0.5 ns or less is irradiated, an ultrasonic wave having a frequency of 2 GHz or more can be generated. As a material of the metal film used for the ultrasonic wave transmission unit 4, gold, copper, aluminum or the like can be used in addition to molybdenum (Mo).
音響レンズ２の上方側には、加熱パルス光を発生するパルス光照射手段５が設けられている。このパルス光照射手段５は、短パルス幅のパルスレーザ光を発する光源（ＹＡＧレーザ等）であるパルス光照射部１２と、加熱パルス光を超音波送波部４に対して略垂直方向に照射するように導くミラー１３と、加熱パルス光のビーム径を調整するレンズ系１４とを備えている。これらパルス光照射部１２、ミラー１３、及びレンズ系１４でパルス光照射手段５を構成している。 On the upper side of the acoustic lens 2, pulse light irradiation means 5 for generating heating pulse light is provided. This pulsed light irradiation means 5 irradiates a pulsed light irradiation unit 12 which is a light source (such as a YAG laser) that emits a pulsed laser beam with a short pulse width and a heating pulsed light in a substantially vertical direction with respect to the ultrasonic wave transmission unit 4. And a lens system 14 for adjusting the beam diameter of the heating pulse light. These pulsed light irradiation unit 12, mirror 13, and lens system 14 constitute the pulsed light irradiation means 5.
パルス光照射部１２は、例えば波長５３２ｎｍ、パルス幅０．５ｎｍのパルス状のレーザ光を、加熱パルス光として発する光源（ＹＡＧレーザ等）である。ここで加熱パルス光の波長は、超音波送波部４の材質に応じて選択することができ、パルス幅は、発生させたい超音波の周波数に応じて選択することができる。
次に、超音波受波部６について説明する。
The pulsed light irradiation unit 12 is a light source (such as a YAG laser) that emits pulsed laser light having a wavelength of 532 nm and a pulse width of 0.5 nm as heating pulsed light, for example. Here, the wavelength of the heating pulse light can be selected according to the material of the ultrasonic wave transmitting section 4, and the pulse width can be selected according to the frequency of the ultrasonic wave to be generated.
Next, the ultrasonic receiving unit 6 will be described.
前述したように、音響レンズ２の反レンズ面には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる緩衝層１１が設けられ、この緩衝層１１上にＧａＡｓ膜が積層される。このＧａＡｓ膜は、超音波受波部６としての機能を果たすものであって、固有のバンドギャップ（量子特性）を有する混晶半導体の薄膜である。ＧａＡｓ膜のバンドギャップの大きさは、ＧａＡｓ膜が受ける応力によって変化することが知られており、このＧａＡｓ膜が超音波を受波するとＧａＡｓ膜内に応力が発生するので、ＧａＡｓ固有のバンドギャップの大きさが変化する。 As described above, the buffer layer 11 made of AlN (aluminum nitride) is provided on the anti-lens surface of the acoustic lens 2, and a GaAs film is laminated on the buffer layer 11. This GaAs film serves as the ultrasonic wave receiving section 6 and is a mixed crystal semiconductor thin film having a unique band gap (quantum characteristic). The size of the band gap of a GaAs film is known to change depending on the stress applied to the GaAs film. When this GaAs film receives ultrasonic waves, stress is generated in the GaAs film. The size of changes.
つまり、超音波受波部６の上部には、超音波受波部６の一部を覆うように、超音波送波部４である金属膜（Ｍｏ）が積層されている。図２（ｂ）に示すように、反レンズ面では、金属膜である超音波送波部４と半導体薄膜である超音波受波部６の一部が露出している。
一方、図１に示すように、音響レンズ２の上方の両側部には、特性変化検出手段７が設けられている。この特性変化検出手段７は、測定光として例えばＨｅ−Ｎｅレーザを発する測定光レーザ光源１５と、測定光を反射して超音波受波部６に対して斜め方向から入射させるミラー１６と、超音波受波部６で反射した反射測定光を、後述する高速光検出器１８に向かって反射させるミラー１７と、ミラー１７からの反射測定光を検出する高速光検出器１８と、高速光検出器１８が検出した反射測定光の強度信号の時系列変化を検出する高速オシロスコープ１９とを備えている。
That is, the metal film (Mo) which is the ultrasonic wave transmission part 4 is laminated | stacked on the upper part of the ultrasonic wave reception part 6 so that a part of ultrasonic reception part 6 may be covered. As shown in FIG. 2B, on the anti-lens surface, a part of the ultrasonic wave transmitting portion 4 that is a metal film and an ultrasonic wave receiving portion 6 that is a semiconductor thin film are exposed.
On the other hand, as shown in FIG. 1, characteristic change detection means 7 is provided on both side portions above the acoustic lens 2. The characteristic change detection means 7 includes a measurement light laser light source 15 that emits, for example, a He—Ne laser as measurement light, a mirror 16 that reflects the measurement light and makes it incident on the ultrasonic wave receiving unit 6 from an oblique direction, A mirror 17 that reflects reflected measurement light reflected by the sound wave receiver 6 toward a high-speed photodetector 18 described later, a high-speed photodetector 18 that detects reflected measurement light from the mirror 17, and a high-speed photodetector. And a high-speed oscilloscope 19 that detects a time-series change in the intensity signal of the reflected measurement light detected by the reference numeral 18.
これらのうち、測定光レーザ光源１５及びミラー１６で測定光照射手段を形成し、ミラー１７、高速光検出器１８、及び高速オシロスコープ１９で測定光検出手段を形成している。
図１の紙面に向かって音響レンズ２の左上方には、測定光レーザ光源１５が配備されている。この測定光レーザ光源１５は、上記した超音波受波部６のＧａＡｓ膜のバンドギャップに対応する波長又は該波長よりも短い波長を含むＨｅ−Ｎｅレーザ光を、測定光として出力するものである。
Among these, the measuring light laser light source 15 and the mirror 16 form the measuring light irradiation means, and the mirror 17, the high-speed photodetector 18, and the high-speed oscilloscope 19 form the measuring light detection means.
A measurement light laser light source 15 is disposed on the upper left side of the acoustic lens 2 toward the paper surface of FIG. The measurement light laser light source 15 outputs He—Ne laser light having a wavelength corresponding to the band gap of the GaAs film of the ultrasonic wave receiving section 6 or a wavelength shorter than the wavelength as measurement light. .
本実施形態において測定光レーザ光源１５から発せられる測定光は、少なくとも超音波受波部６のＧａＡｓ膜のバンドギャップに対応する波長を含んでいるので、本実施形態では、ＧａＡｓのバンドギャップに対応する赤外の波長が含まれている。なお、測定光は、加熱パルス光とは、異なる波長を有するのが好ましい。
図１の紙面に向かって音響レンズ２の右上方には、高速光検出器１８が配備されている。この高速光検出器１８は、超音波受波部６で反射した反射測定光を検出するものであり、検出した反射測定光を光電変換して、当該反射測定光の強度信号を生成し、後述する高速オシロスコープ１９に出力するものである。
In the present embodiment, the measurement light emitted from the measurement light laser light source 15 includes at least a wavelength corresponding to the band gap of the GaAs film of the ultrasonic wave receiving section 6. In this embodiment, the measurement light corresponds to the band gap of GaAs. Infrared wavelengths to be included. The measurement light preferably has a wavelength different from that of the heating pulse light.
A high-speed light detector 18 is disposed on the upper right side of the acoustic lens 2 toward the paper surface of FIG. The high-speed light detector 18 detects the reflected measurement light reflected by the ultrasonic wave receiving unit 6 and photoelectrically converts the detected reflected measurement light to generate an intensity signal of the reflected measurement light, which will be described later. Output to the high-speed oscilloscope 19.
高速オシロスコープ１９は、高速光検出器１８から出力された反射測定光の強度信号を受け取るとともに、強度信号をサンプリングして一次記憶し、その強度信号の時系列変化を検出する装置である。
例えば、高速オシロスコープ１９は、熱パルス光が出力されたことを示すパルス光出力開始信号をパルス光照射部１２から取得し、当該パルス光出力開始信号を取得した時点から順に、反射測定光の強度信号の強度のピークＥ１、Ｅ２、Ｅ３、・・・（エコー）が検出された時点までの時間を検出し、その時間の情報を計算機２０に出力する。ここで、最も早く検出されたピークＥ１は、音響レンズ２とカップリング媒体９との界面からの反射エコーを示し、ピークＥ２は、試料表面からの反射エコーを示し、以降に続くピークは試料内部からの反射エコーを示している。
The high-speed oscilloscope 19 is an apparatus that receives the intensity signal of the reflected measurement light output from the high-speed optical detector 18, samples the intensity signal, and primarily stores it, and detects time-series changes in the intensity signal.
For example, the high-speed oscilloscope 19 acquires a pulsed light output start signal indicating that the thermal pulsed light has been output from the pulsed light irradiation unit 12, and the intensity of the reflected measurement light sequentially from the time when the pulsed light output start signal is acquired. Times until the point where the signal intensity peaks E 1, E 2, E 3,... (Echo) are detected are detected, and information on the times is output to the computer 20. Here, the earliest detected peak E1 indicates a reflection echo from the interface between the acoustic lens 2 and the coupling medium 9, the peak E2 indicates a reflection echo from the sample surface, and the subsequent peaks are inside the sample. The reflected echo from is shown.
高速オシロスコープ１９は、例えば１〜１０ｐｓｅｃ程度のサンプリング周期での信号入力機能を有しているので、熱パルス光のパルス幅よりも十分に短い間隔で反射測定光の強度信号をサンプリングすることができる。
内部情報取得手段８である計算機２０は、高速オシロスコープ１９から得られるピークＥ１、Ｅ２、・・・の検出時間の情報から、２番目のピークＥ２の発生時間と３番目以降の前記ピークＥ３、Ｅ４・・・発生時間との時間差を算出し、試料内での超音波の伝播速度から、試料内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。このとき、加熱パルス光を複数回繰り返し照射することで試料内の同一測定点の測定を繰り返し、同期加算平均化処理を行うことで測定精度（Ｓ／Ｎ比）を向上させる。
Since the high-speed oscilloscope 19 has a signal input function with a sampling period of about 1 to 10 psec, for example, the intensity signal of the reflected measurement light can be sampled at an interval sufficiently shorter than the pulse width of the heat pulse light. .
The computer 20 which is the internal information acquisition means 8 uses the detection time information of the peaks E1, E2,... Obtained from the high-speed oscilloscope 19 to generate the second peak E2 and the third and subsequent peaks E3, E4. ... Calculates the time difference from the generation time, and calculates the depth of defects, sound speed, etc. existing in the sample from the propagation speed of the ultrasonic wave in the sample. At this time, the measurement accuracy (S / N ratio) is improved by repeating the measurement of the same measurement point in the sample by repeatedly irradiating the heating pulse light a plurality of times and performing the synchronous addition averaging process.
以上のように構成された超音波顕微鏡１の動作について、以下に説明する。
測定光レーザ光源１５が測定光を照射すると共に、パルス光照射手段５のパルス光照射部１２が加熱パルス光を発すると、加熱パルス光を受けた超音波送波部４が超音波を発生する。発生した超音波は、超音波受波部６、及び緩衝層１１を経て音響レンズ２内をレンズ面１０に向けて伝播する。音響レンズ２を伝播した超音波は、レンズ面１０で集束され、試料表面及び内部に入射する。試料表面及び内部で反射した超音波は、入射とは反対の経路を経てレンズ面１０に戻り、音響レンズ２内を超音波受波部６に向けて伝播する。音響レンズ２内を伝播した超音波は、緩衝層１１を経て超音波受波部６に到達する。
The operation of the ultrasonic microscope 1 configured as described above will be described below.
When the measurement light laser light source 15 irradiates the measurement light and the pulse light irradiation unit 12 of the pulse light irradiation unit 5 emits the heating pulse light, the ultrasonic wave transmission unit 4 that has received the heating pulse light generates an ultrasonic wave. . The generated ultrasonic wave propagates in the acoustic lens 2 toward the lens surface 10 through the ultrasonic wave receiving unit 6 and the buffer layer 11. The ultrasonic wave propagated through the acoustic lens 2 is focused on the lens surface 10 and enters the sample surface and the inside thereof. The ultrasonic wave reflected from the sample surface and inside returns to the lens surface 10 through a path opposite to the incident, and propagates in the acoustic lens 2 toward the ultrasonic wave receiving unit 6. The ultrasonic wave propagated through the acoustic lens 2 reaches the ultrasonic wave receiving unit 6 through the buffer layer 11.
超音波受波部６に到達した超音波は超音波受波部６内に応力を発生させるので、超音波受波部６の半導体薄膜のバンドギャップが変化（量子特性が変化）する。このとき、超音波受波部６に照射されている測定光は、超音波受波部６の半導体薄膜に入射した際に、変化したバンドギャップに対応する波長の光が吸収される。
よって、超音波受波部６で反射した反射測定光は、吸収された光の分だけ強度が低下して、高速光検出器１８に入射する。その後、高速オシロスコープ１９が、当該反射測定光の強度信号の時系列変化を検出し、計算機２０が上述のように試料内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。
Since the ultrasonic wave that has reached the ultrasonic wave receiving unit 6 generates stress in the ultrasonic wave receiving unit 6, the band gap of the semiconductor thin film of the ultrasonic wave receiving unit 6 changes (quantum characteristics change). At this time, when the measurement light applied to the ultrasonic wave receiving unit 6 is incident on the semiconductor thin film of the ultrasonic wave receiving unit 6, light having a wavelength corresponding to the changed band gap is absorbed.
Therefore, the reflected measurement light reflected by the ultrasonic wave receiving unit 6 is reduced in intensity by the amount of absorbed light and enters the high-speed photodetector 18. Thereafter, the high-speed oscilloscope 19 detects a time-series change in the intensity signal of the reflected measurement light, and the computer 20 calculates the depth of a defect or the like existing in the sample, the sound speed, etc. as described above.
Ｘ−Ｙステージ３によって試料における観測部位の位置決めがなされるごとに、加熱パルス光及び測定光の照射と、高速光検出器１８による反射測定光の検出と、計算機２０による試料内部に存在する欠陥等の深さの算出とが行われる。
以上のような動作を経て、試料内部における３次元方向の状態の分布を観測することができる。
Each time the observation site in the sample is positioned by the XY stage 3, the irradiation of the heating pulse light and the measurement light, the detection of the reflected measurement light by the high-speed photodetector 18, and the defect existing inside the sample by the computer 20 are performed. And the like are calculated.
Through the operation as described above, the distribution of the state in the three-dimensional direction inside the sample can be observed.
なお、超音波送波部４に用いられるＭｏ等の金属膜は、音響レンズ２を経て戻った超音波を受波すると光弾性効果によって光反射率が変化する（屈折率が変化する）という性質がある。よって、超音波送波部４における加熱パルス光の照射位置以外の部分に、測定光レーザ光源１５からの測定光が照射されるようにし、そこからの反射測定光を高速光検出器１８で検出するように特性変化検出手段７を構成してもよい。 Note that the metal film such as Mo used for the ultrasonic wave transmitting unit 4 has a property that when the ultrasonic wave returned through the acoustic lens 2 is received, the light reflectivity changes (the refractive index changes) due to the photoelastic effect. There is. Therefore, the measurement light from the measurement light laser light source 15 is irradiated to a part other than the irradiation position of the heating pulse light in the ultrasonic wave transmission unit 4, and the reflected measurement light is detected by the high-speed photodetector 18. The characteristic change detecting means 7 may be configured to do so.
また、上記構成に代えて、超音波受波部６として、圧電素子を採用することも可能である。
次に、本発明の特徴的な構成である音響レンズ２のレンズ面の形状について、図３及び図４に示す概念図を参照して説明する。
図３は、球面形状のレンズ面を有する音響レンズ２の断面（超音波の伝播方向に平行な断面）、及び音響レンズ２により焦点に収束される超音波の音線追跡を示す概念図である。
Moreover, it is also possible to employ a piezoelectric element as the ultrasonic wave receiving unit 6 instead of the above configuration.
Next, the shape of the lens surface of the acoustic lens 2, which is a characteristic configuration of the present invention, will be described with reference to conceptual diagrams shown in FIGS. 3 and 4.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a cross section of the acoustic lens 2 having a spherical lens surface (cross section parallel to the propagation direction of the ultrasonic wave) and the sound ray tracing of the ultrasonic wave converged on the focal point by the acoustic lens 2. .
図４は、楕円体形状のレンズ面を有する音響レンズ２の断面（超音波の伝播方向に平行な断面）、及び音響レンズ２により焦点に収束される超音波の音線追跡を示す概念図である。
上述のような、超音波顕微鏡１において、例えば、周波数が５００ＭＨｚ以上の超音波を用いる場合、図３に示すように音響レンズ２のレンズ面が球面に形成されていると、レンズ面の中心軸から離れた位置を伝播する超音波ほど、音響レンズ２に近い位置で焦点を結ぶので、超音波は１点に収束されず、収束位置にずれが生じる。このずれを、球面収差（単に収差ということもある）というが、この球面収差量が超音波の波長よりも大きくなることがある。球面収差量が、超音波の波長よりも大きくなると、超音波顕微鏡１の空間分解能は低下する。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a cross section of the acoustic lens 2 having an ellipsoidal lens surface (cross section parallel to the propagation direction of the ultrasonic wave) and the sound ray tracing of the ultrasonic wave converged on the focal point by the acoustic lens 2. is there.
In the ultrasonic microscope 1 as described above, for example, when an ultrasonic wave having a frequency of 500 MHz or more is used, if the lens surface of the acoustic lens 2 is formed as a spherical surface as shown in FIG. Since the ultrasonic wave propagating in a position far from the focal point is focused at a position closer to the acoustic lens 2, the ultrasonic wave is not converged to one point, and the convergence position is shifted. This deviation is called spherical aberration (sometimes simply referred to as aberration), but this amount of spherical aberration may be larger than the wavelength of the ultrasonic wave. When the amount of spherical aberration is larger than the wavelength of the ultrasonic wave, the spatial resolution of the ultrasonic microscope 1 is lowered.
そこで、高周波数の超音波を使用する場合には、球面収差量が波長よりも小さくなるようにする必要がある。本実施形態では、この球面収差を補正するためのレンズ面形状として楕円体（楕円球）形状を用い、適切な軸比をとってレンズ面を形成している。この場合の音線追跡の結果では、図４に示すように略１点で超音波が収束し、球面収差を解消することができる。これによって、超音波顕微鏡１の空間分解能をサブμｍ以下のオーダーの高空間分解能とすることが可能となり、試料の弾性特性等を測定しうる超音波顕微鏡を実現できる。 Therefore, when using high-frequency ultrasonic waves, it is necessary to make the amount of spherical aberration smaller than the wavelength. In the present embodiment, an ellipsoid (elliptical sphere) shape is used as a lens surface shape for correcting this spherical aberration, and the lens surface is formed with an appropriate axial ratio. In the result of the ray tracing in this case, as shown in FIG. 4, the ultrasonic wave converges at approximately one point, and the spherical aberration can be eliminated. As a result, the spatial resolution of the ultrasonic microscope 1 can be set to a high spatial resolution on the order of sub μm or less, and an ultrasonic microscope capable of measuring the elastic characteristics and the like of the sample can be realized.
以下に、図５を参照して、音響レンズ２のレンズ面１０が呈する楕円体（回転楕円体）形状の軸比を決定する方法について説明する。なお、楕円体形状の適切な軸比は、音響レンズを構成する材料の物性と音響結合材として用いられる材料の物性とによって一意に決まるものとなっている。
図５は、楕円体形状のレンズ面を有する音響レンズ２の断面（超音波の伝播方向に平行な断面）、及び音響レンズ２の焦点を示す図である。
Below, with reference to FIG. 5, the method to determine the axial ratio of the ellipsoid (spheroid) shape which the lens surface 10 of the acoustic lens 2 exhibits is demonstrated. Note that the appropriate axial ratio of the ellipsoidal shape is uniquely determined by the physical properties of the material constituting the acoustic lens and the physical properties of the material used as the acoustic coupling material.
FIG. 5 is a diagram showing a cross section of the acoustic lens 2 having an ellipsoidal lens surface (a cross section parallel to the propagation direction of ultrasonic waves) and the focal point of the acoustic lens 2.
図５のレンズ面１０が呈する楕円体形状は、楕円の長軸を回転軸として得られる回転楕円体を、短軸を含んで長軸に垂直な平面で２等分して得られる一方を、当該回転軸（楕円の長軸）が、超音波の音響レンズ２内での伝播方向と平行になるように配置した形状となっている。すなわち、楕円の長軸が、音響レンズ２の主軸となる。
また、図６に示すように、レンズ面１０が呈する楕円体形状は、楕円の短軸を回転軸として得られる楕円体を、長軸を含んで短軸に垂直な平面で２等分して得られる一方を、当該回転軸（楕円の短軸）が、音響レンズ２内での超音波の伝播方向と平行になるように配置した形状としてもよい。すなわち、楕円の短軸が、音響レンズ２の主軸となる。
The ellipsoidal shape exhibited by the lens surface 10 of FIG. 5 is obtained by dividing a spheroid obtained by using the major axis of the ellipse as a rotation axis into two equal parts on a plane including the minor axis and perpendicular to the major axis, The rotation axis (the long axis of the ellipse) has a shape arranged so as to be parallel to the propagation direction of the ultrasonic wave in the acoustic lens 2. That is, the major axis of the ellipse becomes the main axis of the acoustic lens 2.
In addition, as shown in FIG. 6, the ellipsoidal shape exhibited by the lens surface 10 is obtained by dividing an ellipsoid obtained with the minor axis of the ellipse as the rotation axis into two equal parts on a plane that includes the major axis and is perpendicular to the minor axis. One obtained is good also as a shape arrange | positioned so that the said rotating shaft (short axis of an ellipse) may become in parallel with the propagation direction of the ultrasonic wave in the acoustic lens 2. FIG. That is, the minor axis of the ellipse becomes the main axis of the acoustic lens 2.
まずは、レンズ面１０を形成する楕円体形状の長軸と短軸の適切な軸比を決定する方法について説明する。以下の説明は、図５を参照しながら行う。
図５に示すように、レンズ面１０の中心軸Ｘからｌだけ離れた位置を進む波がレンズ面１０に接する点を点Ｐ（ｐ,ｑ）とすると、ｑ＝ｌであるため、ｐは、（数１）に示す楕円の関係式から、（数２）に示す式のようになる。
First, a method for determining an appropriate axial ratio between the major axis and the minor axis of the ellipsoidal shape forming the lens surface 10 will be described. The following description will be given with reference to FIG.
As shown in FIG. 5, if a point where a wave traveling at a position separated from the central axis X of the lens surface 10 by 1 is a point P (p, q), q = l, and therefore p is p. From the ellipse relational expression shown in (Expression 1), the expression shown in (Expression 2) is obtained.
また、点Ｐから中心軸に下ろした垂線の接点Ｈ（ｐ,０）から楕円中心点Ｏ（０,０）までの距離ＯＨは、 Further, the distance OH from the contact point H (p, 0) of the perpendicular line from the point P to the central axis to the elliptical center point O (0,0) is
であるため、距離ＣＨは、 Therefore, the distance CH is
となる。また、距離ＨＦは、 It becomes. The distance HF is
である。
したがって、波が屈折して中心軸Ｘと交わる点Ｆまでの距離ＣＦは、
It is.
Therefore, the distance CF to the point F where the wave refracts and intersects the central axis X is
となる。
一方、中心軸Ｘからｌだけ離れた位置を進む波が準線ＭＮを出発し、点Ｆへ到達する時間を計算する。媒質１（音響レンズ２）中を伝播する距離は、点Ｃから点Ｄまでの距離をｄとすると、
It becomes.
On the other hand, the time required for a wave traveling at a position away from the central axis X to leave the quasi-line MN and reach the point F is calculated. The distance propagating through the medium 1 (acoustic lens 2) is as follows.
であるので、媒質１中を伝播する時間Ｔ1は、 Therefore, the propagation time T 1 in the medium 1 is
である。
また、媒質２中を伝播する距離ＰＦは、
It is.
In addition, the distance PF propagating in the medium 2 is
であるので、伝播時間Ｔ2は、 Therefore, the propagation time T 2 is
である。したがって、点Ｆへの到達時間Ｔは、 It is. Therefore, the arrival time T to the point F is
となる。
また、楕円体の２つの焦点をＦ、Ｆ’とすると、楕円体の性質より
It becomes.
If the two focal points of the ellipsoid are F and F ′,
である。
ここで、離心率は、「楕円上のある点から焦点までの距離」と「準線までの距離」との比で定義されるので、この離心率ｅを式で表すと、
It is.
Here, since the eccentricity is defined by the ratio of “distance from a point on the ellipse to the focal point” and “distance to the quasi-line”, this eccentricity e is expressed by an equation:
である。（数１２）及び（数１３）の関係から、 It is. From the relationship of (Equation 12) and (Equation 13),
となる。
ここで、点Ｄを出発した波が、楕円上の任意の点Ａを通って楕円の焦点Ｆを通ると考えると、任意の点Ａを通った波が、常に点Ｆに到達するときの到達時間Ｔは、
It becomes.
Here, assuming that the wave starting from the point D passes through the focal point F of the ellipse through the arbitrary point A on the ellipse, the arrival when the wave passing through the arbitrary point A always reaches the point F. Time T is
であり、この式を変形して、 And transform this equation to
となる。したがって、（数１４）及び（数１６）より、 It becomes. Therefore, from (Equation 14) and (Equation 16),
が得られる。これは、離心率ｅが、媒質１と媒質２の音速比によって決まることを示している。本実施形態では、媒質１が単結晶Ｓｉであり、媒質２が水であるので、水中の音速ｖ1と単結晶Ｓｉ中の音速ｖ2から理想的な離心率ｅiが決まる。
一方、楕円の離心率ｅは、
Is obtained. This indicates that the eccentricity e is determined by the sound speed ratio between the medium 1 and the medium 2. In this embodiment, since the medium 1 is single crystal Si and the medium 2 is water, an ideal eccentricity e i is determined from the sound speed v 1 in water and the sound speed v 2 in single crystal Si.
On the other hand, the eccentricity e of the ellipse is
で表されるため、（数１７）と（数１８）から、 Therefore, from (Equation 17) and (Equation 18),
を得ることができ、レンズ面１０を通過した音波を１点の焦点に収束するための理想的な離心率ｅ（ｅiと表記することもある）を実現する長軸短軸比を求めることができる。
本実施形態では、媒質１がＳｉ単結晶であり、媒質２が水であるので、各媒質中の音速を、Ｓｉ単結晶では８４３６．１ｍ／ｓ、水では１５００ｍ／ｓとして、それら音速の比から、離心率ｅは、およそ０．１７７８となる。この離心率ｅ０．１７７８が、理想的な離心率ｅiであり、これを基にして、長軸短軸比ａ／ｂは、
Can be obtained, (sometimes referred to as e i) an ideal eccentricity e for converging the sound waves passing through the lens surface 10 at the focal point of one point to determine the long axis short axis ratio to achieve a Can do.
In the present embodiment, since the medium 1 is a Si single crystal and the medium 2 is water, the sound speed in each medium is 8436.1 m / s for the Si single crystal and 1500 m / s for water, and the ratio of the sound speeds. Therefore, the eccentricity e is about 0.1778. The eccentricity e0.1778 is an ideal eccentricity e i, which was based on the long axis short axis ratio a / b is
となる。したがって短軸ｂの長さを、５０μｍとしたとき、理想的な離心率ｅi（＝０．１７７８）を実現するためには、長軸ａの長さを、５０．８μｍとすればよいことがわかる。
このように理想的な離心率ｅiを有する音響レンズ２におけるレンズ焦点距離について、図７に示す。
It becomes. Therefore, when the length of the short axis b is 50 μm, in order to realize an ideal eccentricity e i (= 0.1778), the length of the long axis a should be 50.8 μm. I understand.
FIG. 7 shows the lens focal length in the acoustic lens 2 having the ideal eccentricity e i as described above.
図７（ａ）は、長軸ａの長さが５０．８μｍ、短軸ｂの長さが５０μｍであり、理想的な離心率ｅi（＝０．１７７８）を有する音響レンズ２における、中心軸からの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点距離との関係を示している。図７（ｂ）は、音響レンズ２の中心軸からの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点Ｆへの到達時間との関係を示している。 FIG. 7A shows the center of the acoustic lens 2 having a long axis a of 50.8 μm and a short axis b of 50 μm and an ideal eccentricity e i (= 0.1778). The relationship between the distance l from the axis and the focal length corresponding to the distance l is shown. FIG. 7B shows the relationship between the distance l from the central axis of the acoustic lens 2 and the arrival time at the focal point F corresponding to the distance l.
図７（ａ）に示すように、理想的な離心率ｅiを有する音響レンズ２では、レンズ面を通過した波は、中心軸からの距離ｌにかかわらず焦点距離ＣＦが約５９．８μｍと一定である。また、図７（ｂ）に示すように、レンズ面を通過した波の、焦点Ｆへの到達時間は、約４０．１１ｎｓと一定である。このように、同時刻にレンズ面を通過した波は、中心軸からの距離ｌに関係なく、同時に１点（焦点Ｆ）に収束されるので、球面収差が実質的に存在しなくなる。 As shown in FIG. 7A, in the acoustic lens 2 having an ideal eccentricity e i , the wave passing through the lens surface has a focal length CF of about 59.8 μm regardless of the distance l from the central axis. It is constant. Further, as shown in FIG. 7B, the arrival time of the wave passing through the lens surface to the focal point F is constant at about 40.11 ns. In this way, the waves that have passed through the lens surface at the same time are converged to one point (focal point F) at the same time regardless of the distance l from the central axis, so that there is substantially no spherical aberration.
ところが、レンズ面の加工においては、実際に超音波が１点に収束するような理想的な離心率ｅを実現する軸比で楕円体を形成することは困難であり、離心率ｅが理想的な値からずれる可能性がある。
しかし、本実施形態の超音波顕微鏡１が用いる超音波の周波数が５００ＭＨｚの場合には、必ずしも、理想的な離心率ｅiが実現されていなくともよい。周波数が５００ＭＨｚの超音波の波長は、約３μｍであるため、球面収差量が３μｍより少なければ、本実施形態の超音波顕微鏡１に用いることができるからである。
However, in the processing of the lens surface, it is difficult to form an ellipsoid with an axial ratio that achieves an ideal eccentricity e in which the ultrasonic wave actually converges to one point, and the eccentricity e is ideal. May deviate from the correct value.
However, when the ultrasonic frequency used by the ultrasonic microscope 1 of the present embodiment is 500 MHz, the ideal eccentricity e i does not necessarily have to be realized. This is because the wavelength of the ultrasonic wave having a frequency of 500 MHz is about 3 μm, and can be used in the ultrasonic microscope 1 of the present embodiment if the amount of spherical aberration is less than 3 μm.
では、離心率ｅの理想的な値からのずれが、どの程度許容されるのかということについて、図８及び図９を用いて、以下に説明する。
図８は、軸ａが５７μｍ、軸ｂが５０μｍであって、図５に示すように長軸ａをレンズの中心軸Ｘとしたときの、焦点距離と焦点Ｆへの到達時間とを示す図である。図８（ａ）は、中心軸Ｘからの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点距離との関係を示している。図８（ｂ）は、中心軸Ｘからの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点Ｆへの到達時間との関係を示している。
Now, how much the deviation from the ideal value of the eccentricity e is allowed will be described below with reference to FIGS.
FIG. 8 is a diagram showing the focal length and the arrival time at the focal point F when the axis a is 57 μm and the axis b is 50 μm, and the long axis a is the central axis X of the lens as shown in FIG. It is. FIG. 8A shows the relationship between the distance l from the central axis X and the focal length corresponding to the distance l. FIG. 8B shows the relationship between the distance l from the central axis X and the arrival time at the focal point F corresponding to the distance l.
図８（ａ）を参照すると、中心軸Ｘからの距離ｌが０μｍのとき、焦点距離は約５３．２μｍである。中心軸Ｘから離れて距離ｌが大きくなるにつれて焦点距離は長くなっていき、中心軸Ｘからの距離ｌが３５μｍのとき、焦点距離は約５７．１μｍである。距離ｌが０μｍのときの焦点距離は、約５３．２μｍであったので、中心軸Ｘからの距離ｌが３５μｍのときは、焦点距離が、約３．９μｍ長くなったことになる。 Referring to FIG. 8A, when the distance l from the central axis X is 0 μm, the focal length is about 53.2 μm. The focal length increases as the distance l increases away from the central axis X, and when the distance l from the central axis X is 35 μm, the focal length is about 57.1 μm. Since the focal length when the distance l is 0 μm is about 53.2 μm, when the distance l from the central axis X is 35 μm, the focal length is increased by about 3.9 μm.
この約３．９μｍは、球面収差量であり、超音波の波長である３μｍより大きいので、中心軸Ｘからの距離ｌが３５μｍとなるレンズ面を通過した超音波を試料に照射することはできない。そこで、レンズ面１０の有効開口率を、レンズ球面収差量が、３μｍ以下となる距離ｌに定める。図８（ａ）によると、中心軸Ｘからの距離ｌが３０μｍのとき、焦点距離は約５６．０μｍであり、球面収差量は約２．８μｍである。 This about 3.9 μm is a spherical aberration amount and is larger than 3 μm, which is the wavelength of the ultrasonic wave. . Therefore, the effective aperture ratio of the lens surface 10 is set to a distance l at which the lens spherical aberration amount is 3 μm or less. According to FIG. 8A, when the distance l from the central axis X is 30 μm, the focal length is about 56.0 μm, and the spherical aberration amount is about 2.8 μm.
そこで、中心軸Ｘからの半径が軸ｂの軸長の６０％以内となるようにレンズ面１０の有効開口径を定める。なお、このとき、レンズ面１０を形成する楕円体の軸ａは５７μｍであり、軸ｂは５０μｍであるので、離心率ｅは、約０．４８０であり、理想的な離心率ｅである、０．１７７８の約２．７０倍である。つまり、理想的な離心率ｅiを実現することができなくても、用いる超音波の周波数が５００ＭＨｚの場合には、レンズ面１０の有効開口率を選択することによって、理想的な離心率ｅiの約２．７０倍の離心率を有する音響レンズ２であっても、超音波顕微鏡１に適用することができる。 Therefore, the effective aperture diameter of the lens surface 10 is determined so that the radius from the central axis X is within 60% of the axial length of the axis b. At this time, since the axis a of the ellipsoid forming the lens surface 10 is 57 μm and the axis b is 50 μm, the eccentricity e is about 0.480, which is an ideal eccentricity e. It is about 2.70 times 0.1778. That is, even if the ideal eccentricity e i cannot be realized, when the frequency of the ultrasonic wave to be used is 500 MHz, the ideal eccentricity e is selected by selecting the effective aperture ratio of the lens surface 10. Even the acoustic lens 2 having an eccentricity of about 2.70 times i can be applied to the acoustic microscope 1.
図９は、軸ａが４５μｍ、軸ｂが５０μｍであって、図６に示すように短軸ａをレンズの中心軸Ｘとしたときの、焦点距離と焦点Ｆへの到達時間とを示す図である。図９（ａ）は、中心軸Ｘからの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点距離との関係を示している。図９（ｂ）は、中心軸Ｘからの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点Ｆへの到達時間との関係を示している。 FIG. 9 is a diagram showing the focal length and the arrival time at the focal point F when the axis a is 45 μm and the axis b is 50 μm, and the short axis a is the central axis X of the lens as shown in FIG. It is. FIG. 9A shows the relationship between the distance l from the central axis X and the focal length corresponding to the distance l. FIG. 9B shows the relationship between the distance l from the central axis X and the arrival time at the focal point F corresponding to the distance l.
図９（ａ）を参照すると、中心軸Ｘからの距離ｌが０μｍのとき、焦点距離は約６７．５μｍである。中心軸Ｘから離れて距離ｌが大きくなるにつれて焦点距離は長くなっていき、中心軸Ｘからの距離ｌが３５μｍのとき、焦点距離は約６３．４μｍである。距離ｌが０μｍのときの焦点距離は、約６７．５μｍであったので、中心軸Ｘからの距離ｌが３５μｍのときは、焦点距離が、約４．１μｍ長くなったことになる。 Referring to FIG. 9A, when the distance l from the central axis X is 0 μm, the focal length is about 67.5 μm. The focal length increases as the distance l increases away from the central axis X. When the distance l from the central axis X is 35 μm, the focal length is about 63.4 μm. Since the focal length when the distance l is 0 μm is about 67.5 μm, when the distance l from the central axis X is 35 μm, the focal length becomes about 4.1 μm longer.
この約４．１μｍは、球面収差量であり、超音波の波長である３μｍより大きいので、中心軸Ｘからの距離ｌが３５μｍとなるレンズ面を通過した超音波を試料に照射することはできない。そこで、レンズ面１０の有効開口率を、レンズ球面収差量が、３μｍ以下となる距離ｌに定める。図９（ａ）によると、中心軸Ｘからの距離ｌが３０μｍのとき、焦点距離は約６４．７μｍであり、球面収差量は約２．８μｍである。 This approximately 4.1 μm is a spherical aberration amount and is larger than 3 μm, which is the wavelength of the ultrasonic wave. . Therefore, the effective aperture ratio of the lens surface 10 is set to a distance l at which the lens spherical aberration amount is 3 μm or less. According to FIG. 9A, when the distance l from the central axis X is 30 μm, the focal length is about 64.7 μm, and the spherical aberration amount is about 2.8 μm.
そこで、中心軸Ｘからの半径が軸ｂの軸長の６０％以内となるようにレンズ面１０の有効開口径を定める。なお、このとき、レンズ面１０を形成する楕円体の軸ａは４５μｍであり、軸ｂは５０μｍであるので、離心率ｅは、約０．４８４であり、理想的な離心率ｅiである、０．１７７８の約２．７２倍である。つまり、理想的な離心率ｅiを実現することができなくても、用いる超音波の周波数が５００ＭＨｚの場合には、レンズ面１０の有効開口率を選択することによって、理想的な離心率ｅiの約２．７２倍の離心率を有する音響レンズ２を超音波顕微鏡１に適用することができる。 Therefore, the effective aperture diameter of the lens surface 10 is determined so that the radius from the central axis X is within 60% of the axial length of the axis b. At this time, since the axis a of the ellipsoid forming the lens surface 10 is 45 μm and the axis b is 50 μm, the eccentricity e is about 0.484, which is an ideal eccentricity e i . , 0.1778, approximately 2.72 times. That is, even if the ideal eccentricity e i cannot be realized, when the frequency of the ultrasonic wave to be used is 500 MHz, the ideal eccentricity e is selected by selecting the effective aperture ratio of the lens surface 10. An acoustic lens 2 having an eccentricity of about 2.72 times i can be applied to the acoustic microscope 1.
理想的な離心率ｅiを基準として、２．５倍以内の離心率ｅとなるような長軸短軸比で構成される楕円体表面をレンズ面とし、中心軸Ｘからの半径が軸ｂの軸長の６０％以内となるようにレンズ面１０の有効開口径を定めれば、超音波の周波数が５００ＭＨｚの場合の波長よりも球面収差量の少ない音響レンズ２を得ることができる。
なお、超音波の周波数が高くなるほど当該超音波の波長は短くなる。また、レンズ面１０中心軸Ｘから離れた位置を伝播する波ほど大きな球面収差を生じる。よって、高周波数になるほど有効開口径を小さくする必要がある。
An ellipsoidal surface having a major axis / minor axis ratio with an eccentricity e within 2.5 times with respect to an ideal eccentricity e i is defined as a lens surface, and a radius from the central axis X is an axis b. If the effective aperture diameter of the lens surface 10 is determined to be within 60% of the axial length, an acoustic lens 2 having a smaller amount of spherical aberration than the wavelength when the ultrasonic frequency is 500 MHz can be obtained.
In addition, the wavelength of the said ultrasonic wave becomes short, so that the frequency of an ultrasonic wave becomes high. Further, the larger the wave propagating through the position away from the central axis X of the lens surface 10, the larger the spherical aberration. Therefore, it is necessary to reduce the effective aperture diameter as the frequency increases.
上述したように、音響レンズ２の部材として内部欠陥の少ない単結晶Ｓｉを、音響結合材として超音波顕微鏡に一般的に使用されている水を用いた場合、球面収差が０となる理想的な離心率ｅiは、およそ０．１７７８であり、その２．５倍となる離心率０．４５以下となる楕円体表面をレンズ面１０とし、上述のように有効開口径を決めれば、球面収差を５００ＭＨｚ超音波の水中での波長である約３μm以下とすることができる。 As described above, when single crystal Si having few internal defects is used as a member of the acoustic lens 2 and water generally used in an ultrasonic microscope is used as an acoustic coupling material, an ideal spherical aberration becomes zero. The eccentricity e i is about 0.1778, and if the ellipsoid surface having an eccentricity of 0.45 or less, which is 2.5 times the lens surface 10, is used, and the effective aperture diameter is determined as described above, spherical aberration is obtained. Can be about 3 μm or less, which is the wavelength of 500 MHz ultrasonic waves in water.
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、音響レンズ２をＳｉ単結晶を用いて構成したが、超音波をできるだけ減衰させずに伝播する材料であればよいので、Ｓｉに限らず、例えば、サファイアの単結晶や、単結晶体でなくとも、石英ガラス等の各種ガラスやサファイヤなどの硬質材料を用いてもよい。また、音響レンズ２の形状を円柱状であるとしたが、角柱形状でも角錐台形状でもよい。
By the way, it should be thought that embodiment disclosed this time is an illustration and restrictive at no points. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
For example, although the acoustic lens 2 is configured by using a Si single crystal, any material can be used as long as the ultrasonic wave is propagated without being attenuated as much as possible. Alternatively, various types of glass such as quartz glass and hard materials such as sapphire may be used. Further, although the acoustic lens 2 has a cylindrical shape, it may have a prismatic shape or a truncated pyramid shape.
１ 超音波顕微鏡
２ 音響レンズ
３ Ｘ−Ｙステージ
４ 超音波送波部
５ パルス光照射手段
６ 超音波受波部
７ 特性変化検出手段
８ 内部情報取得手段
９ 音響結合材
１０ レンズ面
１１ 緩衝層
１２ パルス光照射部
Ｘ 中心軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic microscope 2 Acoustic lens 3 XY stage 4 Ultrasonic wave transmission part 5 Pulse light irradiation means 6 Ultrasonic wave reception part 7 Characteristic change detection means 8 Internal information acquisition means 9 Acoustic coupling material 10 Lens surface 11 Buffer layer 12 Pulsed light irradiation part X Center axis
Claims (1)
前記音響レンズが単結晶シリコンから構成されると共に音響結合材が水であり、
前記音響レンズのレンズ面は、楕円の長軸又は短軸を回転軸として得られる回転体である楕円体の表面の一部で構成されると共に、当該回転軸が前記音響レンズ内での前記超音波の伝播方向と平行になるように非球面の凹形状に形成され、
前記超音波の周波数が、５００ＭＨｚ以上であり、
前記レンズ面における有効開口径は、前記楕円の長軸及び短軸の２軸の内、音響レンズ内での前記超音波の伝播方向と平行な前記回転軸を中心として、該中心からの半径がレンズ面の開口面に平行な前記軸の軸長の６０％以内の範囲にあり、
前記楕円の離心率が、理想的な軸比となる離心率の２．５倍以下（０は除く）の値であり、
前記レンズ面の離心率が、０．４５以下であることを特徴とする超音波顕微鏡。 Absorbs the pulsed light emitted from the pulsed light irradiation means that emits the pulsed light, emits ultrasonic waves due to the thermoelastic effect, and sends the ultrasonic waves to the sample. An acoustic lens having a lens surface that radiates the sample while converging the generated ultrasonic wave,
The acoustic lens is composed of single crystal silicon and the acoustic coupling material is water,
The lens surface of the acoustic lens is configured by a part of the surface of an ellipsoid that is a rotating body obtained by using the major axis or minor axis of the ellipse as a rotation axis, and the rotation axis is the super plane in the acoustic lens. It is formed in an aspherical concave shape so as to be parallel to the propagation direction of sound waves,
The ultrasonic frequency is 500 MHz or more;
The effective aperture diameter in the lens surface is a radius from the center about the rotation axis parallel to the ultrasonic wave propagation direction in the acoustic lens, out of the two axes of the major axis and the minor axis of the ellipse. Within 60% of the axial length of the axis parallel to the aperture surface of the lens surface,
The eccentricity of the ellipse is a value of 2.5 times or less (excluding 0) the eccentricity that is an ideal axial ratio,
An ultrasonic microscope characterized in that an eccentricity of the lens surface is 0.45 or less .
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