DE3308022C2

DE3308022C2 - Reflexions-Ultraschallmikroskop

Info

Publication number: DE3308022C2
Application number: DE19833308022
Authority: DE
Inventors: Noriyoshi Prof. Sendai Miyagi Chubachi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-03-07
Filing date: 1983-03-07
Publication date: 1985-06-13
Also published as: DE3308022A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallmikroskop, bei dem der Abstand zwischen einem Fokussier-Ultraschallwandler (14) zum Erzeugen einer Ultraschallwelle und zum Erfassen einer von einer zu untersuchenden Probe (15) reflektierten Welle und der Probe (15) periodisch verändert wird. Ein Oszilloskop (20), das ein Reflexionssignal von der Probe (15) überwacht, führt ein X-Achsen-Abtasten synchron mit der periodischen Änderung durch, so daß ein elastisches Kenndatenmuster der zu untersuchenden Probe (15) auf einem Schirm des Oszilloskops (20) in extrem kurzer Zeitdauer angezeigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reflexions-Ultraschallmikroskop nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Reflexions-Ultraschallmikroskop kann ein elastisches Kenndatenmuster einer Oberfläche einer Probe auf einem Schirm einer Kathodenstrahlröhre innerhalb einer extrem kurzen Zeitdauer anzeigen.

Schon vor längerer Zeit wurde zum ersten Mal daran gedacht, mikroskopisch die Struktur eines Materials mittels Ultraschallwellen anstelle von Lichtwellen zu beobachten. In jüngster Zeit wurde dann ein mechanisch abtastendes Reflexions-Ultraschallmikroskop entwickelt. Im folgenden wird das Betriebsprinzip des Reflexions-Ultraschallmikroskops näher erläutert. Eine zu untersuchende Probe wird mit einem fokussierten kegelförmigen Ultraschall-Strahlenbündel bestrahlt. Der Brennpunkt des Ultraschall-Strahlenbündels wird entweder in der Ebene der Probenoberfläche oder in der senkrechten Richtung innerhalb der Probe bewegt, und eine reflektierte Welle oder eine durchgelassene Welle des an jedem Punkt in der Probe ankommenden und durch dort bestehende Unterschiede in den elastischen Kenndaten beeinflußten Ultraschall-Strahlenbündels wird durch einen Ultraschallwandler empfangen, um in elektrische Signale umgesetzt zu werden. Das Signal wird auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre als ein zweidimensionales Bild angezeigt, um ein mikroskopisches Bild zu liefern, oder es wird dadurch einen X-Y-

Schreiber aufgezeichnet.

Aus Journal Applied Physics, Vol. 50; No. 12; Dezember 1979; Seiten 8237—8293 und Journal Applied Phy^ sics, VoI. 51, No. 9; September 1980; Seiten 4637—4644 sind verschiedene theoretische Erläuterungen zum Aufbau und zur Funktion von Refelxions-Ultraschalimikroskopen beschrieben. Weiterhin offenbart die DE-OS 26 40 793 ein Schallmikroskop, welches die Abbildung von Objekten mittels gestreuter Schallwellen im HeIl-

und Dunkelfeld, sowie auch im Obergangsbereich zwischen Hell- und Dunkelfeld und die Sichtbarmachung und/oder Aufzeichnung eines dreidimensionalen, mikroskopisch vergrößerten Bildes mit einem sehf hohen gesteigerten Auflösungsvermögen gestattet Die Abbildung wird sowohl mit gestreuten als auch mit spiegelnd reflektierten Schallwellen erhalten, wobei reflektierte und durchgelassene Bildsignale miteinander verknüpft werden.

Im herkömmlichen Ultraschallmikroskop mit dem oben beschriebenen Aufbau wird eine an einem Mikrometer angebrachte bewegliche Einheit zum Verstellen des Ultraschallwandlers auf die Oberfläche der Probe hin durch einen kompakten Motor angetrieben. Damit bedarf es wenigstens einiger Sekunden, bis eine akustisehe Kenndatenkurve erhalten wird, und weiterhin muß ein aufwendiger Signalformspeicher zum Aufzeichnen der Kenndatenkurve auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre vorgesehen werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Reflexions-Ultraschallmikroskop zu schaffen, das lediglich eine kurze Zeitdauer benötigt, um eine Kenndatenkurve einer Probe auf einen Schirm einer Kathodenstrahlröhre anzuzeigen.
Diese Aufgabe wird bei einem Reflexions-UItra-Schallmikroskop nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Reflexions-UItraschallmikroskop hat also einen Fokussier-Ultraschallwandler zum Erzeugen und Erfassen einer Ultraschallwelle, einen Antrieb zurrt periodischen Ändern des Abstandes zwischen dem Fokussier-Ultraschallwandler und einer Oberfläche einer zu untersuchenden Probe und eine Abtasteinrichtung für die Af-Achsen-Ablenkung eines

Oszilloskops synchron mit dem periodischen Ändern des Antriebs, wodurch der Brennpunkt des durch den Fokussier-Ultraschallwandler eingestrahlten fokussiei'-ten Ultraschall-Strahlenbündels entlang einer Achse senkrecht zur Oberfläche der Probe Dewegt wird, um die elastischen Kenndaten der Oberfläche der Probe zu messen.

Das erfindungsgemäße Reflexions-Ultraschallmikroskop benötigt keinen aufwendigen Wellen- oder Signalformspeicher und kann eine Kenndatenkurve einer Probe auf einem Schirm einer Kathodenstrahlröhre in sehr kurzer Zeitdauer anzeigen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Patentansprüchen 2 und 3.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des Betriebsprinzips eines Reflexions-Ultraschallmikroskops nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 den Verlauf eines Beispiels der Vfzji-Kurve, die mittels des in Fi g. 1 gezeigten Mikroskops erhalten ist,

Fig.3 ein Btockdiagramm eines Reflexions'Ultra·' Schallmikroskops nach einem zweiten Ausführungsbei-

spiel der Erfindung,

Fig.4 ein Blockdiagr&fnm eines Reflexions-Ultraschallrnikroskops nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

F i g. 5 eine schematische Darstellung eines Musters, das bei einer Beobachtung mittels des in F i g. 4 gezeigten Mikroskops erhalten ist.

F i g. 1 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Betriebsprinzips eines Reflexions-UItraschallmikroskops nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. ί sind vorgesehen ein Fokussier-Ultraschallwandler 14, eine zu untersuchende Probe 15, ein Probenträger 16, ein Vibrator 17, ein Niederfrequenzoszillator 18, ein Dämpfungsglied oder ein Phasenschieber 19, ein Oszilloskop 20, ein Hochfrequenzoszillator 21, ein Richtkoppler 22 und ein Wellenformer 23. Der Probenträger !6, auf dem die Probe 15 liegt, ist auf dem Vibrator oder Schwinger 17 festgelegt, der elektromagnetisch angetrieben ist, und der Vibrator 17 wird sinusförmig durch den Niederfrequenzoszillator 18 innerhalb eines Frequenzbereiches von 30 bis 300 Hz in Schwingungen versetzt. Deshalb wird der Abstand zwischen dem Fokussier-UItraschallwandler 14 und der Probe 15 periodisch und exakt mit hoher Genauigkeit verändert.

Danach wird ein Teil eines Ausgangssignales des Niederfrequenzoszillators 18 in den A"-Achsen-Ablenkanschluß des Oszilloskops 20 über das Dämpfungsglied oder den Phasenschieber 19 eingespeist, so daß die Kathodenstrahlröhre des Oszilloskops 20 ein Abtasten entlang der AVAchse vornehmen kann. Ein Hochfrequenz-Impulssignal vom Hochfrequenzoszillator 21 wird zum Fokussier-UItraschallwandler 14 über den Richtkoppler 22 gespeist, um in ein fokussiertes Ultraschall-Strahlenbündel umgesetzt zu werden. Die fokussierte Ultraschallwelle bestrahlt über ein flüssiges Schallfeldmedium 24 die auf dem Probeniräger 16 festgelegte und in der Nähe des Brennpunktes angeordnete Probe 15. Eine von dieser reflektierte Welle wird zum Fokussier-UItraschallwandler 14 gespeist, um in ein elektrisches Signal zurückverwandelt zu werden, und das Signal wird zum V-Achsen-Ablenkanschluß des Oszilloskops 20 über den Wellenformer 23 gespeist. Wenn die Folgefrequenz (im ersten Ausführungsbeispiel höher als 25 kHz) des Hochfrequenzimpulses ausreichend höher als das Produkt der Folgefrequenz der ,Y-Achsen-Ablenkung und der Auflösungszahl ist, dann wird das vom Fokussier-UItraschallwandler 14 zum -Y-Achsen-Ablenkanschluß des Oszilloskops 20 gespeiste Ausgangssignal auf dem Schirm des Oszilloskops 20 als eine Kurve angezeigt, die bezüglich der X-Achse kontinuierlich ist. Wenn der Maßstab der X-Achse auf dem Schirm des Oszilloskops 20 der Lage der Probe 15 in der Z-Richtung entspricht, dann ist die Kurve, die auf dem Schirm des Oszilloskops 20 angezeigt wird, die V (z)-K\irve. Im Mikroskop nach dem ersten Ausführungsbeispiel wird eine halzyliiidrische konkave Linse mit einem Krümmungsradius von 1 mm zum Fokussieren des Ultraschall-Strahlenbündels und zum linearen Fokussieren verwendet. Die Amplitude des Vibrators 17 muß in einem Bereich liegen, der es nicht erlaubt, daß die Linse die Probe 15 berührt. Für den Vibrator des ersten Ausführungsbeispiels wird die maximale Amplitude zu 250 μΐη festgelegt. Als Ergebnis kann die Lage des Brennpunktes des Fokussier-Ultraschallwandlers 14 vertikal um ±250 μΐη von der Ruhelage der Linse, das heißt um 500 μπι, bezüglich der Probe 15 verändert werden.

Fig.2 zeigt die Vfcf-Kurve, die mittels einer 200 MHz-Ultraschallwelle mit dem in Fig. 1 dargestellten Reflexions-Ultraschallmikroskop nach der Erfindung beobachtet wird. Eine Saphirplatte wird für die Probe verwendet Die Kurve zeigt Kenndaten, die erhalten werden, indem eine Ruhelage 25 des Brennpunktes des Fokussier-Ultraschailwandlers 14 ungefähr 150μιυ von einer Saphiroberfläche 26 entfernt festgelegt wird, wobei der Vibrator 17 mit einer Frequenz von 50 Hz betrieben wird. Die Kurve stellt eine Änderung in einer Schwirigungsamplitude oder -größe 27 des Vibrators 17 bezüglich einer Zeitachse 28 dar. Eine Schaltung aus einem Detektor und einem Filter wird für einen Wellenformer verwendet, um die V (z)-K.UTve anzuzeigen.
Im oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel kann eine herkömmliche halbzylindrische konkave Linse oder ein konkaver Wandler für die Ultraschall-Fokussierlinse verwendet werden.

F i g. 3 zeigt die Anordnung eines Reflexions-Ultraschallmikropskops nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Betrieb dieses Mikroskops ist der gleiche wie derjenige des in F i g. 1 dargestellten Mikroskops mit der Ausnahme, daß der Vibrator 17 an der Seite des Fokussier-Ultraschallwandlers 14 angebracht ist. Daher ist eine nähere Erläuterung dieses Betriebes hier nicht erforderlich.

Fig.4 zeigt die Anordnung eines Reflexions-Ultraschallmikroskops nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das benutzt wird, um Unterschiede in den elastischen Kenndaten an verschiedenen Punkten der Oberfläche der Probe zu beobachten. Ein Ausgangssigna! von einem Ultraschallwandler 29 wird zu einem Z-Achsen-Eingangsanschluß eines Oszilloskops 30 (für Helligkeitsmodulation) gespeist. Der Ultraschallwandler 29 wird in der y-Richtung durch ein Mikrometer parallel zur Oberfläche der Proben 15 in ähnlicher Weise wie bei der Ablenkung in K-Richtung durch ein herkömmliches Reflexions-Ultraschallmikroskop bewegt oder verstellt. Die Größe der Verschiebung wird durch ein Potentiometer 31 gemessen und (als entsprechender Wert) in einen y-Achsen-Ablenkanschluß des Oszilloskops 30 gespeist.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Beobachtung, die mittels eines dünnen Metallfilmes 33 gemacht wurde, der auf einer Oberfläche einer Quar/.glasplatte 32 als Probe aufgetragen ist. F i g. 5(a) zeigt die tatsächliche Form der Probe 15, die beobachtet wird, indem der Ultraschallwandler 29 in der K-Richtung 34 vom Punkt Pl zum Punkt P2 bewegt wird. F i g. 5(b) ist eine schematische Darstellung des beobachteten Musters. Es werden nicht mehr als einige Sekunden benötigt, um das in Fig.5(b) dargestellte Muster als ein einziges Bild zu' erhalten. Ausgangssignale entgegengesetzter Phasen vom Ultraschallwandler 29 werden durch »inen Wellenformer 23 umgekehrt, und ein reflektiertes Ausgangssignal hoher Intensität ist in schwarzer Farbe gezeigt. In diesem Muster zeigen die Abstände zwischen parallelen Linien die elastischen Kenndaten der Probe. Die Dicke und die elastischen Kenndaten des aufgetragenen dünnen Filmes können festgelegt werden, indem das oben erwähnte Muster mit einem bekannten Muster einer Quarzglasplatte verglichen wird, während elastische Kenndaten bekannt sind.

Anstelle des in den oben erläuterten Ausführungsbeispiei^n benutzten Vibrators kann eine Quarzzelle aus zwei Rochelle-Salzkristallen bzw. eine bimorphe Zelle oder ein Kondensatorlautsprecher als Vibrator verwendet werden, um die Probe in der Z-Richtung in Schwingungen zu versetzen. Wenn die Amplitude der Schwin-

gung auf Grund einer unsorgfältigen Bedienung oder
dgl. zu groß ist, dann kann dies zu einer Beschädigung
oder Zerstörung der Linse oder der Probe führen. Um
eine solche Beschädigung oder Zerstörung zu vermeiden, wird ein Sicherheitsschalter oder dgl. vorgesehen,
der durch ein Mikrometer feingesteuert werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

10

20

25

30

35

40

45

50

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Claims

Patentansprüche:

1. Reflexiöns-Ultraschallmikroskop zur Messung der elastischen Kenndaten einer Probenoberfläche mit einem Fokussier-Ultraschallwandler zum Aussenden und Empfangen einer Ultraschallwelle, mit einem flüssigen Schallfeldmedium zwischen der zu untersuchenden Probenoberfläche und dem Fokussier-Ultraschallwandler, und einem mit seinem Y-Achsen-Ablenkanschluß mit dem Ausgang des Ultraschallwandlers verbundenen Oszilloskop zum Anzeigen der mittels des Ultraschalhvandlers in elektrische Signale umgewandelten empfangenen Ultraschallwellen als Funktion vom Abstand des Ultraschallwandlerbrennpunkts von der Oberfläche der Probe in einer Kenndatenkurve, gekennzeichnet durch einen Antrieb (17) zum periodischen Ändern des Abstands zwischen dem Fokussier-Ultraschallwandler (14) und der Probe (15) und eine Ablenkeinrichtung, die zur Synchronisierung der Lagebewegung des Elektronenstrahls in der X-Achsen-Richtung des Bildschirms des Oszilloskops (20) mit dem Abstand zwischen dem Fokussier-Ultraschallwandler (14) und der Probe (15), mit dem X-Achsen-Ablenkanschluß des Oszilloskops (20) und mit dem Antrieb (17) verbunden ist.

2 Reflexions-Ultraschallmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung einen Niederfrequenzoszillator (18) enthält, der ein Niederfrequenzsignal in den X-Achsen-Ablenkanschluß des Oszilloskops (20) und in den Antrieb (17) einspeist.

3. Reflexions-Ultraschaümikroskop nach Anspruch 1 oder Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (17) einen elektromagnetisch angesteuerten Vibrator aufweist.