超音波顕微鏡
【課題】試料の弾性特性等を高精度に測定しうる超音波顕微鏡を提供する。
【解決手段】パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を音響レンズ２で収束させて試料６に照射し、試料６で反射した反射超音波を用いて、試料６を観察する超音波顕微鏡１ａを用いる。その超音波顕微鏡１ａに、パルス光を照射するパルス光照射手段８を設ける。音響レンズ２において試料６に対面する側にレンズ面１２を形成する。その上で、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すると共に、当該超音波を試料６に送出する超音波送波部４をレンズ面１２に沿うように配備する。さらに、試料６で反射した超音波である反射超音波を受波する超音波受波部３を、超音波送波部４とは別位置に設ける。
【解決手段】パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を音響レンズ２で収束させて試料６に照射し、試料６で反射した反射超音波を用いて、試料６を観察する超音波顕微鏡１ａを用いる。その超音波顕微鏡１ａに、パルス光を照射するパルス光照射手段８を設ける。音響レンズ２において試料６に対面する側にレンズ面１２を形成する。その上で、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すると共に、当該超音波を試料６に送出する超音波送波部４をレンズ面１２に沿うように配備する。さらに、試料６で反射した超音波である反射超音波を受波する超音波受波部３を、超音波送波部４とは別位置に設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来より、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を音響レンズを通して集束して試料に照射し、その試料で反射した反射超音波を用いて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非破壊で得られることから、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。
【０００３】
このような超音波顕微鏡としては、特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１の超音波顕微鏡は、超音波を発生するトランスデューサと、試料台と、走査手段とを備えている。トランスデューサは、音響レンズと圧電薄膜とから構成されている。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凹半球状のレンズ面が設けられている。試料台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。
【０００４】
圧電薄膜は、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。圧電薄膜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、反射超音波として再び音響レンズを通じて圧電薄膜に到達する。圧電薄膜は、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器に与える。
【０００５】
受信器は、この電気信号を検波及び増幅してビデオ信号に変換し、該ビデオ信号を表示器に出力する。表示器は、受信器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。
また、特許文献２に開示される超音波顕微鏡は、超音波発生部と超音波受波部とを兼ねる金属の膜部材と、超音波発生部に励起用パルス光を照射する励起用パルス光照射部と、超音波受波部に測定光を照射する測定光照射手段と、超音波受波部に照射された測定光の反射光を検出する測定光検出手段とを具備している。
【０００６】
この超音波顕微鏡において、超音波発生部と超音波受波部とを兼ねる金属の膜部材は、音響レンズ面の反対面に設けられている。膜部材は、試料で反射して音響レンズを伝播した超音波を受波すると、自身の光反射率（屈折率）を変化させる。これによって、膜部材が超音波を受波したときに該膜部材で反射した測定光は、強度を変化させる。特許文献２に開示される超音波顕微鏡は、その強度の変化を検出することで試料内部の３次元方向の状態分布を観測するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−４３２０８号公報
【特許文献２】特開２０１０−６６２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に示されるような超音波顕微鏡の空間分解能は、超音波の波長（λ）で決定され、その波長（λ）は、音速（Ｖ）／周波数（ｆ）で与えられる。そのため、音速（Ｖ）が一定となる環境下で空間分解能を高めるためには、周波数（ｆ）を高くする必要がある。
例えば、観察対象の試料が、配線膜や絶縁膜が形成された半導体デバイス等であるような場合、超音波顕微鏡を用いてその試料における膜界面の接合評価（膜の剥離の有無等の評価）を行うためには、μｍオーダーの空間分解能が要求される。
【０００９】
しかし、圧電薄膜により超音波の送波及び受波が行われる従来の超音波顕微鏡では、圧電薄膜の容量成分や共振特性の制約から、高周波短パルス超音波の発生は困難であり、発生可能な実用的周波数帯域は、数百ＭＨｚ程度であり、例えば、周波数を２００ＭＨｚ、音速を６０００ｍ／ｓとした場合、波長は３０μmとなり、分解能も同程度となる。
そこで、特許文献２に開示される超音波顕微鏡は、音響レンズ面の反対面に設けられた金属の膜部材にパルスレーザ光を照射することで、圧電薄膜を用いるよりも高い周波数の高周波超音波を発生させる。また、膜部材は、試料で反射した超音波を受波すると、その周波数に応じて光反射率を変化させる。
【００１０】
特許文献２は、このような超音波発生部と超音波受波部とを兼ねる金属の膜部材を用いることで、超音波顕微鏡において高周波超音波を扱えるようにし、空間分解能を向上させている。
ところが、近年の要求は、より高い精度を求めるものであり、そのためには、超音波の減衰を極力少なくする必要と、レンズにおける音波の収差を極力少なくする必要がある。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、試料の弾性特性等を高精度に測定しうる超音波顕微鏡の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、本発明の超音波顕微鏡は、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波をレンズで収束させて試料に照射し、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であって、パルス光を照射するパルス光照射手段と、前記レンズにおいて試料に対面する側に形成されたレンズ面と、前記レンズ面に沿うように配備され、前記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すると共に、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、超音波送波部とは別位置に設けられ、前記試料で反射した超音波である反射超音波を受波する超音波受波部と、を具備することを特徴とする。
【００１３】
ここで、前記レンズは、下部にレンズ面を有し、前記レンズ面とは別位置であるレンズの上部に超音波受波部が設けられていてもよい。
また、前記レンズ面は、前記超音波送波部で発生した超音波を収束可能な焦点を備えた曲面となるように形成されていてもよい。
また、前記レンズと前記超音波受波部との間には、前記試料で反射した反射超音波を前記超音波受波部に収束させる反射波収束手段が設けられていてもよい。
【００１４】
さらに、前記レンズと前記試料との間には、前記超音波送波部と接して、超音波送波部からの超音波を伝播させる固体のカップリング手段が設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
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、μｍオーダーの高空間分解能で試料の弾性特性等を測定し、試料の内部を観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態による超音波顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】超音波顕微鏡に用いられる音響レンズの構成を示す図であり、（ａ）は、音響レンズ及び音響レンズ周辺の構成を側方から見たときの図、（ｂ）は、音響レンズの反レンズ面側を上方から見たときの図である。
【図３】音響レンズと超音波受波部との間に、第２実施形態による反射波収束手段を設けた構成を側方から見たときの図である。
【図４】音響レンズとカップリング媒体との間に第３実施形態によるカップリング手段を設けた構成を側方から見たときの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について、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１ａについて説明する。図１は、本実施形態による超音波顕微鏡１ａの構成を示す図である。図２は、超音波顕微鏡１ａに用いられる音響レンズ２の構成を示す図であり、（ａ）は、超音波受波部３、音響レンズ２、超音波送波部４、カップリング媒体５、試料６の構成を側方から見たときの図、（ｂ）は、超音波受波部３が配置された音響レンズ２の反レンズ面側を上方から見たときの図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係る超音波顕微鏡１ａは、試料６が載置されるＸ−Ｙステージ７と、Ｘ−Ｙステージ７上の試料６にレンズ面１２を向けて配置された音響レンズ２を備えている。
音響レンズ２のレンズ面１２には、パルス光を受けて超音波を発生させる金属薄膜が、超音波送波部４として形成されている。
【００１９】
音響レンズ２の反レンズ面側には、試料６で反射した超音波である反射超音波を受波する超音波センサが超音波受波部３として配置されている。
また、図１に示すように、超音波顕微鏡１ａは、超音波送波部４に加熱パルス光を照射するパルス光照射手段８と、超音波受波部３から出力される電圧の変化を検出する電圧変化検出手段である高速オシロスコープ９と、検出された電圧の変化を基に試料６内部の情報を得る内部情報取得手段である計算機１０と、を具備する。
【００２０】
以下、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａについて、その構成を詳細に説明する。
試料６が載置されるＸ−Ｙステージ７は、試料６を支持すると共に、音響レンズ２に対する試料６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７は、コンピュータ等で構成されたステージ制御部１１により、試料６の水平方向位置や送りピッチなどが制御される。
【００２１】
Ｘ−Ｙステージ７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５を介して、Ｘ−Ｙステージ７上の試料６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。
音響レンズ２は、光透過性を有する硬質な無機材料からなる円柱状部材であって、その内部は空間の無い中実な構造となっている。この円柱状部材の一つの面、すなわちＸ−Ｙステージ７と対向する下面側のほぼ中央に、音響レンズ２の内部に向かって湾曲した窪みが形成されており、その窪みの表面は、例えば曲率半径５ｍｍ程度の曲面からなる略球面状のレンズ面１２となる。このレンズ面１２は、当該下面での開口部がほぼ円形であり、レンズ面１２は凹凸のない平滑な面となっている。レンズ面１２が形成されないもう一方の面である上面（反レンズ面、すなわち反Ｘ−Ｙステージ７側）は、光学研磨された平面である。円柱状の音響レンズ２は上下方向に厚みを有するものとなっていて、レンズ面１２と音響レンズ２の上面（反レンズ面）とが所定間隔を隔てて離れて配置されるような高さ（厚み）を有している。
【００２２】
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の材料として各種ガラス材、石英、サファイヤや硬質樹脂（ポリスチレン、アクリル等）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。
まず、音響レンズ２のレンズ面１２に形成される超音波送波部４について以下に説明する。
【００２３】
超音波送波部４は、例えばモリブデン（Ｍｏ）からなる、例えば、厚み約１００ｎｍの金属薄膜である。図２（ａ）に示すように、この金属薄膜はレンズ面１２の表面、すなわち凹状に湾曲した窪みの表面であって試料６に対向する面の全体にわたって蒸着によって形成されており、全体にわたってほぼ均一な膜厚で、レンズ面１２に沿った略球面形状となって、レンズ面１２に密に接している。
【００２４】
この超音波送波部４である金属薄膜（Ｍｏ）に対して加熱パルス光が照射されると、金属薄膜（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する。金属薄膜（Ｍｏ）は、熱膨張時に発生する熱応力（熱弾性効果）によって、加熱パルス光と同じパルス幅（時間幅）の熱弾性波を発生する。例えば、パルス幅が数ｎｓの加熱パルスが照射されると、周波数帯域が１００ＭＨｚ以上の短パルス超音波を発生させることができる。超音波送波部４に用いる金属薄膜の材料としては、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。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、このように構成された超音波送波部４を採用することで、超音波送波部４が送出した超音波は、レンズ面１２の曲率中心（焦点）で収束する。
ところで、特許文献２の段落［００１７］には、金属の膜部材を音響レンズ面に沿って形成することが開示されている。この場合、試料測定のための超音波発生部と超音波受波部がともに音響レンズ面に沿って配置されることになるが、本願発明の如く、超音波の減衰を極力少なくすると共に超音波の収差を極力少なくするためにレンズ面に沿って超音波送波部４を形成するといった技術思想を開示するものとはなっていない。加えて、特許文献２の段落［００１７］では、超音波受波部も音響レンズ面に存在する構成となっており、この場合、反射超音波を受波した超音波受波部の変化を検出する測定光検出手段が、特許文献２に開示された構成では作動しにくい恐れがある。特許文献２では、超音波受波部の変化を検出するための具体的な構成や機構などは開示されていない。
【００２６】
そこで本実施形態では、超音波送波部４を超音波送波部４から離れた別位置に設けた。詳しくは、超音波送波部４を音響レンズ２のレンズ面１２である湾曲面上に設けるとともに、超音波受波部３を音響レンズ２の反レンズ面である平面上に配置している。
以下に、試料６で反射した反射超音波を受波する超音波受波部３について以下に説明する。超音波受波部３は、例えばトランスデューサ等の圧電素子であって、受波した反射超音波から受ける応力に応じた電圧を超音波強度信号として発生させるものである。
【００２７】
この超音波センサである超音波受波部３は、音響レンズ２の反レンズ面である平面上に、つまり超音波送波部４から離れた別位置に配置される。図２（ｂ）に示すように、超音波受波部３は、円形の反レンズ面のほぼ中央に配置されている。図２（ｂ）に示すように、反レンズ面において超音波受波部３が占める面積は、反レンズ面の面積よりも小さいので、超音波受波部３は、音響レンズ２内を伝播した反射超音波の少なくとも一部ないし全部を受波する。
【００２８】
図１を参照して、このような超音波送波部４及び超音波受波部３が配置された音響レンズ２を有する超音波顕微鏡１ａの他の構成要素について説明する。
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８が設けられている。このパルス光照射手段８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１３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１４と、加熱パルス光のビーム径を調整するレンズ系１５とを備えている。これらパルス光照射部１３、ミラー１４、及びレンズ系１５でパルス光照射手段８を構成している。
【００２９】
パルス光照射部１３は、例えば波長５３２ｎｍ、パルス幅１ｎｓのパルス状のレーザ光を、一条の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帯域に応じて選択することができる。
一方、図１に示すように、音響レンズ２の側方には、電圧変化検出手段が設けられている。この電圧変化検出手段は、高速オシロスコープ９であって、超音波受波部３に電気的に接続されている。
【００３０】
高速オシロスコープ９は、超音波受波部３から出力された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９は、加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１３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、その時間の情報を後述する計算機１０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５との界面からの反射エコーを示し、ピークＥ２は、試料６の表面からの反射エコーを示し、以降に続くピークは試料６内部からの反射エコーを示している。
【００３１】
高速オシロスコープ９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、高周波超音波の波形を正確に採取することができる。
内部情報取得手段である計算機１０は、高速オシロスコープ９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６内での超音波の伝播速度から、試料６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６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。
【００３２】
以上のように構成された超音波顕微鏡１ａの動作について、以下に説明する。
パルス光照射手段８のパルス光照射部１３が一条の加熱パルス光を発すると、加熱パルス光は、音響レンズ２をまっすぐに透過する。透過した加熱パルス光を受けた超音波送波部４は、熱膨張して超音波を発生する。発生した超音波は、図２（ａ）のカップリング媒体５内でほぼ等間隔に曲線で示されるように、音響レンズ２のレンズ面１２に対して平行波となってカップリング媒体５内を伝播し、レンズ面１２の曲率中心（焦点）に向かって収束し、試料６の表面及び内部に入射する。
【００３３】
試料６の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超音波送波部４及びレンズ面１２に戻り、音響レンズ２内を反レンズ面に向けて伝播する。音響レンズ２内を伝播した超音波は、音響レンズ２の反レンズ面に設けられた超音波受波部３に到達する。
超音波受波部３に到達した超音波は超音波受波部３内に応力を発生させるので、超音波受波部３は、発生した応力に応じた強度信号を発生する。高速オシロスコープ９が、当該強度信号の時系列変化を検出し、計算機１０が上述のように試料６の内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。
【００３４】
Ｘ−Ｙステージ７によって試料６における観測部位の位置決めがなされるごとに、加熱パルス光の照射と、高速オシロスコープ９による強度信号の時系列変化の検出と、計算機１０による試料６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６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。
【００３５】
上述のように超音波送波部４を音響レンズ２のレンズ面１２に設けることで、発生した超音波が、音響レンズ２内を伝播することなく、レンズ面１２から試料６に向かって直接送出される。これによって、超音波送波部４で送出された超音波が、音響レンズ２内を伝播することなく、カップリング媒体５によるわずかな減衰だけで、試料６に送出される。
（第２実施形態）
図３を参照して、本発明の第２実施形態による超音波顕微鏡１ｂついて説明する。図３は、第１実施形態で説明した図２（ａ）の構成において、音響レンズ２と超音波受波部３との間に反射波収束手段１６を設けた構成を側方から見たときの図である。
【００３６】
本実施形態による超音波顕微鏡１ｂは、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａの構成に後述する反射波収束手段１６を加えて構成される。よって、反射波収束手段１６以外は、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａと同様の構成要素であるので、同じ符号を付すと共に、その詳細な説明を省略する。
図３を参照して、本実施形態による超音波顕微鏡１ｂに用いられる音響レンズ２及び反射波収束手段１６について、説明する。
【００３７】
音響レンズ２は、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａで用いられた音響レンズ２とほぼ同様であるが、本実施形態では、特にサファイアで形成されており、レンズ面１２の曲率半径は、例えば３ｍｍ又は５ｍｍである。
反射波収束手段１６は、試料６で反射した反射超音波を収束するための超音波収束手段であり、音響レンズ２とほぼ同一の直径を有する円柱状の外観を有している。反射波収束手段１６は、石英ガラスで形成される第１収束部１７（以下、石英部１７という）と、サファイアで形成される第２収束部１８（以下、サファイア部１８という）とを一体に組み合わせて構成される。なお、石英ガラスを伝播する音波の速度（音速）は、約５９００ｍ／秒、サファイアを伝播する音波の速度（音速）は、約１１０００ｍ／秒である。
【００３８】
サファイア部１８は、音響レンズ２とほぼ同一の形状及び直径を有する円柱状の部材であり、上面のほぼ中央には、レンズ面１２とほぼ同一形状及び大きさの球面状の窪み１９が形成されている。窪み１９は、自身の球面の中心軸がレンズ面１２のレンズ中心軸とほぼ一致する位置に形成されている。下面は、光学研磨された平面である。
石英部１７は、サファイア部１８とほぼ同一の直径を有する円柱状の部材であり、下面のほぼ中央には、サファイア部１８の窪み１９にほぼ対応する形状及び大きさの半球状の突起２０が設けられている。上面は、光学研磨された平面である、石英部１７の厚みは、該平面が、サファイア部１８の窪み１９の曲率中心を含む厚さとなっている。
【００３９】
突起２０の表面は、サファイア部１８の窪み１９の表面形状にほぼ対応する形状を有しているので、石英部１７の突起２０を、サファイア部１８の窪み１９に挿入すると、突起２０の表面と窪み１９の表面は全面にわたって均一かつ密に接する。このように突起２０を窪み１９に挿入した状態で、石英部１７とサファイア部１８を一体に固定することで、反射波収束手段１６は構成される。
【００４０】
このように構成した反射波収束手段１６を、音響レンズ２と超音波受波部３との間に配置する。反射波収束手段１６のサファイア部１８を、窪み１９の位置がレンズ面１２の位置に対応するように、サファイアで形成された音響レンズ２の反レンズ面に面接合する。
この上で、超音波受波部３を、反射波収束手段１６の石英部１７の平面上で、音響レンズ２のレンズ面１２の開口の中心に対応する位置、つまり、サファイア部１８の窪み１９の焦点位置に配置する。
【００４１】
このように、反射波収束手段１６が設けられた音響レンズ２に向かって、パルス光照射手段８から、一条の加熱パルス光が照射される。加熱パルス光は、まず、反射波収束手段１６の石英部１７、サファイア部１８、音響レンズ２（サファイア）を透過し、超音波送波部４に到達する。
加熱パルス光を受けた超音波送波部４は超音波を発生し、発生した超音波は、図３でほぼ等間隔に曲線で示されるように、カップリング媒体５中で、試料６の表面、すなわちレンズ面１２の曲率中心（焦点）に向かって収束する。収束した超音波は、試料６で反射し、反射超音波として超音波送波部４を通過してレンズ面１２に入射する。
【００４２】
レンズ面１２に入射して、音響レンズ２を伝播した超音波は、反射波収束手段１６のサファイア部１８を伝播する。サファイア部１８を伝播する超音波のうち、窪み１９を通過した超音波は、サファイア部１８と石英部１７の音速の違いから、窪み１９と突起２０の界面で屈折する。サファイア部１８の音速よりも石英部１７の音速のほうが低いので、屈折した超音波は、窪み１９の焦点位置に設けられた反射波収束手段１６に収束する。
【００４３】
これによって、超音波の検出効率を向上させることができ、試料６で反射した超音波の検出感度を高めることができる。
（第３実施形態）
図４を参照して、本発明の第３実施形態による超音波顕微鏡１ｃについて説明する。図４は、第２実施形態で説明した図３の構成において、音響レンズ２と接触媒体２３との間にカップリング手段２１を設けた構成を側方から見たときの図である。
【００４４】
第１実施形態及び第２実施形態において、超音波送波部４はレンズ面１２に沿って設けられている。この構成によって、レンズ面１２に沿って超音波送波部４から送出された超音波は、レンズ面１２の曲率中心（焦点）、つまり、試料６に向かって収束する。
このような構成によれば、従来のように、音響レンズを伝播した超音波をレンズ面で屈折させて収束させる必要がなくなるため、音速の低い液体をカップリング媒体として用いる必要もなくなる。そこで、本実施形態では、高周波超音波（例えば数百ＭＨｚ以上）の減衰が大きい液体のカップリング媒体の代わりに、減衰の小さい固体のカップリング手段２１を用いる。
【００４５】
本実施形態による超音波顕微鏡１ｃは、第２実施形態による超音波顕微鏡１ｂの構成に後述するカップリング手段２１及び接触媒質２３を加えて構成される。よって、カップリング手段２１及び接触媒質２３以外は、第２実施形態による超音波顕微鏡１ｂと同様の構成要素であるので、同じ符号を付すと共に、その詳細な説明を省略する。
図４を参照して、本実施形態による超音波顕微鏡１ｃに用いられるカップリング手段２１について説明する。
【００４６】
カップリング手段２１は、伝播する超音波の減衰が小さいガラスや金属等の硬質の固体材料で形成されている。カップリング手段２１は、加熱レーザ光などの光を通す必要はなく超音波だけを伝播すればよいので、光透過性を有していなくてもよい。
カップリング手段２１は、音響レンズ２と同様に円柱状の部材であり、その上面には半球状の突起２２を有している。この突起２２は、音響レンズ２のレンズ面１２に設けられた窪み（超音波送波部４の表面形状）に嵌り込むものとなっている。一方、カップリング手段２１の下面、すなわち、突起２２が形成された上面の反対面は平面となっており、この平面上に突起２２の曲率中心が配置される。よって、カップリング手段２１は、曲率中心のこのような配置を実現する厚みに形成されている。つまり、カップリング手段２１は、反射波収束手段１６の石英部１７とほぼ同じ形状及び大きさを有している。
【００４７】
このようなカップリング手段２１の突起２２を、音響レンズ２のレンズ面１２が形成された窪みに挿入すると、突起２２の表面と超音波送波部４の表面は、全面にわたって均一かつ密に接する。この状態で、カップリング手段２１と音響レンズ２及び超音波送波部４を一体に固定する。
このように、第１実施形態及び第２実施形態におけるカップリング媒体５の位置にカップリング手段２１を配置すると、カップリング手段２１において、突起２２が形成された面の反対面は試料６と対向する。この反対面と試料６との界面には、この反対面から試料６に超音波を伝播するためのごく少量の水などの接触媒質２３を介在させる。よって、カップリング手段２１の該反対面と試料６とは、直接に接しているといっても差し支えない状態となっている。
【００４８】
このように、反射波収束手段１６及びカップリング手段２１が設けられた音響レンズ２に向かって、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、パルス光照射手段８から、一条の加熱パルス光が照射されると、加熱パルス光を受けた超音波送波部４は超音波を発生し、発生した超音波は、カップリング手段２１に伝播して、図４でほぼ等間隔に曲線で示されるように、カップリング手段２１中で、試料６の表面、すなわちレンズ面１２の曲率中心（焦点）に向かって収束する。収束した超音波は、試料６で反射して、反射超音波としてレンズ面１２に入射する。
【００４９】
レンズ面１２に入射して、音響レンズ２を伝播した超音波は、反射波収束手段１６のサファイア部１８を伝播する。サファイア部１８を伝播する超音波のうち、窪み１９を通過した超音波は、サファイア部１８と石英部１７の音速の違いから、窪み１９と突起２０の界面で屈折する。サファイア部１８の音速よりも石英部１７の音速のほうが低いので、屈折した超音波は、窪み１９の曲率中心に設けられた超音波受波部３に収束する。
【００５０】
これによって、超音波の検出効率を向上させることができ、試料６で反射した超音波の検出感度を高めることができる。
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。
【００５１】
例えば、第２実施形態及び第３実施形態において、反射波収束手段１６における音響レンズ２と接合する部材は、音響レンズ２と同じ材質であることが好ましいが、光透過性の硬質な材料であれば、サファイア部１８の代わりに用いることができ、石英部１７の代わりに光透過性の硬質な材料を用いることができる。このときは、屈折率などを勘案して窪み１９と突起２０の形状を略球面に限定することなく様々に変化させればよい。
【００５２】
反射波収束手段１６において、音響レンズ２と接合する部材が、音響レンズ２と同じ材質である場合、１つの円柱状部材の上面と下面に、それぞれレンズ面１２に相当する窪みを形成して、音響レンズ２と当該接合する部材とが一体となった単一の部材として構成してもよい。
音響レンズ２を、石英ガラス及びサファイアを用いて構成したが、光透過性を有すると共に、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、例えば、サファイアの単結晶や、単結晶体でなくとも、石英ガラス以外の各種ガラス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。
【００５３】
また、第１実施形態〜第３実施形態において、超音波受波部３として圧電素子を用いたが、これに限らず、感圧ダイオード等の他の圧力センサを用いて、圧力センサが発する電圧を、電圧変化検出手段である高速オシロスコープ９で検出することもできる。
また、圧電素子の代わりに、光弾性効果を発揮する金属薄膜等を設け、反射超音波によって起こる光弾性効果を、測定用のレーザ光を用いて検出してもよい。この場合、測定用のレーザ光を金属薄膜に照射するレーザ光源と、金属薄膜で反射した反射レーザ光を検出し、検出した反射レーザ光を強度信号として高速オシロスコープ９に出力する光検出器を設ける必要がある。
【００５４】
さらに、音響レンズ２の反レンズ面における超音波による表面変位をレーザ干渉計等で測定し、測定した表面変位を強度信号として高速オシロスコープ９に出力することもできる。
第１実施形態〜第３実施形態において、レンズ面１２の形状を略球面であるとしたが、曲率中心（焦点）を１つだけ有する略楕円球面としてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１ａ、１ｂ、１ｃ 超音波顕微鏡
２ 音響レンズ
３ 超音波受波部
４ 超音波送波部
５ カップリング媒体
６ 試料
７ Ｘ−Ｙステージ
８ パルス光照射手段８
９ 高速オシロスコープ
１０ 計算機
１１ ステージ制御部
１２ レンズ面
１３ パルス光照射部
１４ ミラー
１５ レンズ系
１６ 反射波収束手段
１７ 石英部
１８ サファイア部
１９ 窪み
２０ 突起
２１ カップリング手段
２２ 突起
２３ 接触媒質
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来より、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を音響レンズを通して集束して試料に照射し、その試料で反射した反射超音波を用いて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非破壊で得られることから、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。
【０００３】
このような超音波顕微鏡としては、特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１の超音波顕微鏡は、超音波を発生するトランスデューサと、試料台と、走査手段とを備えている。トランスデューサは、音響レンズと圧電薄膜とから構成されている。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凹半球状のレンズ面が設けられている。試料台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。
【０００４】
圧電薄膜は、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。圧電薄膜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、反射超音波として再び音響レンズを通じて圧電薄膜に到達する。圧電薄膜は、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器に与える。
【０００５】
受信器は、この電気信号を検波及び増幅してビデオ信号に変換し、該ビデオ信号を表示器に出力する。表示器は、受信器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。
また、特許文献２に開示される超音波顕微鏡は、超音波発生部と超音波受波部とを兼ねる金属の膜部材と、超音波発生部に励起用パルス光を照射する励起用パルス光照射部と、超音波受波部に測定光を照射する測定光照射手段と、超音波受波部に照射された測定光の反射光を検出する測定光検出手段とを具備している。
【０００６】
この超音波顕微鏡において、超音波発生部と超音波受波部とを兼ねる金属の膜部材は、音響レンズ面の反対面に設けられている。膜部材は、試料で反射して音響レンズを伝播した超音波を受波すると、自身の光反射率（屈折率）を変化させる。これによって、膜部材が超音波を受波したときに該膜部材で反射した測定光は、強度を変化させる。特許文献２に開示される超音波顕微鏡は、その強度の変化を検出することで試料内部の３次元方向の状態分布を観測するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−４３２０８号公報
【特許文献２】特開２０１０−６６２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に示されるような超音波顕微鏡の空間分解能は、超音波の波長（λ）で決定され、その波長（λ）は、音速（Ｖ）／周波数（ｆ）で与えられる。そのため、音速（Ｖ）が一定となる環境下で空間分解能を高めるためには、周波数（ｆ）を高くする必要がある。
例えば、観察対象の試料が、配線膜や絶縁膜が形成された半導体デバイス等であるような場合、超音波顕微鏡を用いてその試料における膜界面の接合評価（膜の剥離の有無等の評価）を行うためには、μｍオーダーの空間分解能が要求される。
【０００９】
しかし、圧電薄膜により超音波の送波及び受波が行われる従来の超音波顕微鏡では、圧電薄膜の容量成分や共振特性の制約から、高周波短パルス超音波の発生は困難であり、発生可能な実用的周波数帯域は、数百ＭＨｚ程度であり、例えば、周波数を２００ＭＨｚ、音速を６０００ｍ／ｓとした場合、波長は３０μmとなり、分解能も同程度となる。
そこで、特許文献２に開示される超音波顕微鏡は、音響レンズ面の反対面に設けられた金属の膜部材にパルスレーザ光を照射することで、圧電薄膜を用いるよりも高い周波数の高周波超音波を発生させる。また、膜部材は、試料で反射した超音波を受波すると、その周波数に応じて光反射率を変化させる。
【００１０】
特許文献２は、このような超音波発生部と超音波受波部とを兼ねる金属の膜部材を用いることで、超音波顕微鏡において高周波超音波を扱えるようにし、空間分解能を向上させている。
ところが、近年の要求は、より高い精度を求めるものであり、そのためには、超音波の減衰を極力少なくする必要と、レンズにおける音波の収差を極力少なくする必要がある。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、試料の弾性特性等を高精度に測定しうる超音波顕微鏡の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、本発明の超音波顕微鏡は、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波をレンズで収束させて試料に照射し、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であって、パルス光を照射するパルス光照射手段と、前記レンズにおいて試料に対面する側に形成されたレンズ面と、前記レンズ面に沿うように配備され、前記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すると共に、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、超音波送波部とは別位置に設けられ、前記試料で反射した超音波である反射超音波を受波する超音波受波部と、を具備することを特徴とする。
【００１３】
ここで、前記レンズは、下部にレンズ面を有し、前記レンズ面とは別位置であるレンズの上部に超音波受波部が設けられていてもよい。
また、前記レンズ面は、前記超音波送波部で発生した超音波を収束可能な焦点を備えた曲面となるように形成されていてもよい。
また、前記レンズと前記超音波受波部との間には、前記試料で反射した反射超音波を前記超音波受波部に収束させる反射波収束手段が設けられていてもよい。
【００１４】
さらに、前記レンズと前記試料との間には、前記超音波送波部と接して、超音波送波部からの超音波を伝播させる固体のカップリング手段が設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
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、μｍオーダーの高空間分解能で試料の弾性特性等を測定し、試料の内部を観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態による超音波顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】超音波顕微鏡に用いられる音響レンズの構成を示す図であり、（ａ）は、音響レンズ及び音響レンズ周辺の構成を側方から見たときの図、（ｂ）は、音響レンズの反レンズ面側を上方から見たときの図である。
【図３】音響レンズと超音波受波部との間に、第２実施形態による反射波収束手段を設けた構成を側方から見たときの図である。
【図４】音響レンズとカップリング媒体との間に第３実施形態によるカップリング手段を設けた構成を側方から見たときの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について、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１ａについて説明する。図１は、本実施形態による超音波顕微鏡１ａの構成を示す図である。図２は、超音波顕微鏡１ａに用いられる音響レンズ２の構成を示す図であり、（ａ）は、超音波受波部３、音響レンズ２、超音波送波部４、カップリング媒体５、試料６の構成を側方から見たときの図、（ｂ）は、超音波受波部３が配置された音響レンズ２の反レンズ面側を上方から見たときの図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係る超音波顕微鏡１ａは、試料６が載置されるＸ−Ｙステージ７と、Ｘ−Ｙステージ７上の試料６にレンズ面１２を向けて配置された音響レンズ２を備えている。
音響レンズ２のレンズ面１２には、パルス光を受けて超音波を発生させる金属薄膜が、超音波送波部４として形成されている。
【００１９】
音響レンズ２の反レンズ面側には、試料６で反射した超音波である反射超音波を受波する超音波センサが超音波受波部３として配置されている。
また、図１に示すように、超音波顕微鏡１ａは、超音波送波部４に加熱パルス光を照射するパルス光照射手段８と、超音波受波部３から出力される電圧の変化を検出する電圧変化検出手段である高速オシロスコープ９と、検出された電圧の変化を基に試料６内部の情報を得る内部情報取得手段である計算機１０と、を具備する。
【００２０】
以下、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａについて、その構成を詳細に説明する。
試料６が載置されるＸ−Ｙステージ７は、試料６を支持すると共に、音響レンズ２に対する試料６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７は、コンピュータ等で構成されたステージ制御部１１により、試料６の水平方向位置や送りピッチなどが制御される。
【００２１】
Ｘ−Ｙステージ７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５を介して、Ｘ−Ｙステージ７上の試料６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。
音響レンズ２は、光透過性を有する硬質な無機材料からなる円柱状部材であって、その内部は空間の無い中実な構造となっている。この円柱状部材の一つの面、すなわちＸ−Ｙステージ７と対向する下面側のほぼ中央に、音響レンズ２の内部に向かって湾曲した窪みが形成されており、その窪みの表面は、例えば曲率半径５ｍｍ程度の曲面からなる略球面状のレンズ面１２となる。このレンズ面１２は、当該下面での開口部がほぼ円形であり、レンズ面１２は凹凸のない平滑な面となっている。レンズ面１２が形成されないもう一方の面である上面（反レンズ面、すなわち反Ｘ−Ｙステージ７側）は、光学研磨された平面である。円柱状の音響レンズ２は上下方向に厚みを有するものとなっていて、レンズ面１２と音響レンズ２の上面（反レンズ面）とが所定間隔を隔てて離れて配置されるような高さ（厚み）を有している。
【００２２】
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の材料として各種ガラス材、石英、サファイヤや硬質樹脂（ポリスチレン、アクリル等）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。
まず、音響レンズ２のレンズ面１２に形成される超音波送波部４について以下に説明する。
【００２３】
超音波送波部４は、例えばモリブデン（Ｍｏ）からなる、例えば、厚み約１００ｎｍの金属薄膜である。図２（ａ）に示すように、この金属薄膜はレンズ面１２の表面、すなわち凹状に湾曲した窪みの表面であって試料６に対向する面の全体にわたって蒸着によって形成されており、全体にわたってほぼ均一な膜厚で、レンズ面１２に沿った略球面形状となって、レンズ面１２に密に接している。
【００２４】
この超音波送波部４である金属薄膜（Ｍｏ）に対して加熱パルス光が照射されると、金属薄膜（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する。金属薄膜（Ｍｏ）は、熱膨張時に発生する熱応力（熱弾性効果）によって、加熱パルス光と同じパルス幅（時間幅）の熱弾性波を発生する。例えば、パルス幅が数ｎｓの加熱パルスが照射されると、周波数帯域が１００ＭＨｚ以上の短パルス超音波を発生させることができる。超音波送波部４に用いる金属薄膜の材料としては、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。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、このように構成された超音波送波部４を採用することで、超音波送波部４が送出した超音波は、レンズ面１２の曲率中心（焦点）で収束する。
ところで、特許文献２の段落［００１７］には、金属の膜部材を音響レンズ面に沿って形成することが開示されている。この場合、試料測定のための超音波発生部と超音波受波部がともに音響レンズ面に沿って配置されることになるが、本願発明の如く、超音波の減衰を極力少なくすると共に超音波の収差を極力少なくするためにレンズ面に沿って超音波送波部４を形成するといった技術思想を開示するものとはなっていない。加えて、特許文献２の段落［００１７］では、超音波受波部も音響レンズ面に存在する構成となっており、この場合、反射超音波を受波した超音波受波部の変化を検出する測定光検出手段が、特許文献２に開示された構成では作動しにくい恐れがある。特許文献２では、超音波受波部の変化を検出するための具体的な構成や機構などは開示されていない。
【００２６】
そこで本実施形態では、超音波送波部４を超音波送波部４から離れた別位置に設けた。詳しくは、超音波送波部４を音響レンズ２のレンズ面１２である湾曲面上に設けるとともに、超音波受波部３を音響レンズ２の反レンズ面である平面上に配置している。
以下に、試料６で反射した反射超音波を受波する超音波受波部３について以下に説明する。超音波受波部３は、例えばトランスデューサ等の圧電素子であって、受波した反射超音波から受ける応力に応じた電圧を超音波強度信号として発生させるものである。
【００２７】
この超音波センサである超音波受波部３は、音響レンズ２の反レンズ面である平面上に、つまり超音波送波部４から離れた別位置に配置される。図２（ｂ）に示すように、超音波受波部３は、円形の反レンズ面のほぼ中央に配置されている。図２（ｂ）に示すように、反レンズ面において超音波受波部３が占める面積は、反レンズ面の面積よりも小さいので、超音波受波部３は、音響レンズ２内を伝播した反射超音波の少なくとも一部ないし全部を受波する。
【００２８】
図１を参照して、このような超音波送波部４及び超音波受波部３が配置された音響レンズ２を有する超音波顕微鏡１ａの他の構成要素について説明する。
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８が設けられている。このパルス光照射手段８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１３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１４と、加熱パルス光のビーム径を調整するレンズ系１５とを備えている。これらパルス光照射部１３、ミラー１４、及びレンズ系１５でパルス光照射手段８を構成している。
【００２９】
パルス光照射部１３は、例えば波長５３２ｎｍ、パルス幅１ｎｓのパルス状のレーザ光を、一条の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帯域に応じて選択することができる。
一方、図１に示すように、音響レンズ２の側方には、電圧変化検出手段が設けられている。この電圧変化検出手段は、高速オシロスコープ９であって、超音波受波部３に電気的に接続されている。
【００３０】
高速オシロスコープ９は、超音波受波部３から出力された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９は、加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１３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、その時間の情報を後述する計算機１０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５との界面からの反射エコーを示し、ピークＥ２は、試料６の表面からの反射エコーを示し、以降に続くピークは試料６内部からの反射エコーを示している。
【００３１】
高速オシロスコープ９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、高周波超音波の波形を正確に採取することができる。
内部情報取得手段である計算機１０は、高速オシロスコープ９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６内での超音波の伝播速度から、試料６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６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。
【００３２】
以上のように構成された超音波顕微鏡１ａの動作について、以下に説明する。
パルス光照射手段８のパルス光照射部１３が一条の加熱パルス光を発すると、加熱パルス光は、音響レンズ２をまっすぐに透過する。透過した加熱パルス光を受けた超音波送波部４は、熱膨張して超音波を発生する。発生した超音波は、図２（ａ）のカップリング媒体５内でほぼ等間隔に曲線で示されるように、音響レンズ２のレンズ面１２に対して平行波となってカップリング媒体５内を伝播し、レンズ面１２の曲率中心（焦点）に向かって収束し、試料６の表面及び内部に入射する。
【００３３】
試料６の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超音波送波部４及びレンズ面１２に戻り、音響レンズ２内を反レンズ面に向けて伝播する。音響レンズ２内を伝播した超音波は、音響レンズ２の反レンズ面に設けられた超音波受波部３に到達する。
超音波受波部３に到達した超音波は超音波受波部３内に応力を発生させるので、超音波受波部３は、発生した応力に応じた強度信号を発生する。高速オシロスコープ９が、当該強度信号の時系列変化を検出し、計算機１０が上述のように試料６の内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。
【００３４】
Ｘ−Ｙステージ７によって試料６における観測部位の位置決めがなされるごとに、加熱パルス光の照射と、高速オシロスコープ９による強度信号の時系列変化の検出と、計算機１０による試料６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６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。
【００３５】
上述のように超音波送波部４を音響レンズ２のレンズ面１２に設けることで、発生した超音波が、音響レンズ２内を伝播することなく、レンズ面１２から試料６に向かって直接送出される。これによって、超音波送波部４で送出された超音波が、音響レンズ２内を伝播することなく、カップリング媒体５によるわずかな減衰だけで、試料６に送出される。
（第２実施形態）
図３を参照して、本発明の第２実施形態による超音波顕微鏡１ｂついて説明する。図３は、第１実施形態で説明した図２（ａ）の構成において、音響レンズ２と超音波受波部３との間に反射波収束手段１６を設けた構成を側方から見たときの図である。
【００３６】
本実施形態による超音波顕微鏡１ｂは、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａの構成に後述する反射波収束手段１６を加えて構成される。よって、反射波収束手段１６以外は、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａと同様の構成要素であるので、同じ符号を付すと共に、その詳細な説明を省略する。
図３を参照して、本実施形態による超音波顕微鏡１ｂに用いられる音響レンズ２及び反射波収束手段１６について、説明する。
【００３７】
音響レンズ２は、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａで用いられた音響レンズ２とほぼ同様であるが、本実施形態では、特にサファイアで形成されており、レンズ面１２の曲率半径は、例えば３ｍｍ又は５ｍｍである。
反射波収束手段１６は、試料６で反射した反射超音波を収束するための超音波収束手段であり、音響レンズ２とほぼ同一の直径を有する円柱状の外観を有している。反射波収束手段１６は、石英ガラスで形成される第１収束部１７（以下、石英部１７という）と、サファイアで形成される第２収束部１８（以下、サファイア部１８という）とを一体に組み合わせて構成される。なお、石英ガラスを伝播する音波の速度（音速）は、約５９００ｍ／秒、サファイアを伝播する音波の速度（音速）は、約１１０００ｍ／秒である。
【００３８】
サファイア部１８は、音響レンズ２とほぼ同一の形状及び直径を有する円柱状の部材であり、上面のほぼ中央には、レンズ面１２とほぼ同一形状及び大きさの球面状の窪み１９が形成されている。窪み１９は、自身の球面の中心軸がレンズ面１２のレンズ中心軸とほぼ一致する位置に形成されている。下面は、光学研磨された平面である。
石英部１７は、サファイア部１８とほぼ同一の直径を有する円柱状の部材であり、下面のほぼ中央には、サファイア部１８の窪み１９にほぼ対応する形状及び大きさの半球状の突起２０が設けられている。上面は、光学研磨された平面である、石英部１７の厚みは、該平面が、サファイア部１８の窪み１９の曲率中心を含む厚さとなっている。
【００３９】
突起２０の表面は、サファイア部１８の窪み１９の表面形状にほぼ対応する形状を有しているので、石英部１７の突起２０を、サファイア部１８の窪み１９に挿入すると、突起２０の表面と窪み１９の表面は全面にわたって均一かつ密に接する。このように突起２０を窪み１９に挿入した状態で、石英部１７とサファイア部１８を一体に固定することで、反射波収束手段１６は構成される。
【００４０】
このように構成した反射波収束手段１６を、音響レンズ２と超音波受波部３との間に配置する。反射波収束手段１６のサファイア部１８を、窪み１９の位置がレンズ面１２の位置に対応するように、サファイアで形成された音響レンズ２の反レンズ面に面接合する。
この上で、超音波受波部３を、反射波収束手段１６の石英部１７の平面上で、音響レンズ２のレンズ面１２の開口の中心に対応する位置、つまり、サファイア部１８の窪み１９の焦点位置に配置する。
【００４１】
このように、反射波収束手段１６が設けられた音響レンズ２に向かって、パルス光照射手段８から、一条の加熱パルス光が照射される。加熱パルス光は、まず、反射波収束手段１６の石英部１７、サファイア部１８、音響レンズ２（サファイア）を透過し、超音波送波部４に到達する。
加熱パルス光を受けた超音波送波部４は超音波を発生し、発生した超音波は、図３でほぼ等間隔に曲線で示されるように、カップリング媒体５中で、試料６の表面、すなわちレンズ面１２の曲率中心（焦点）に向かって収束する。収束した超音波は、試料６で反射し、反射超音波として超音波送波部４を通過してレンズ面１２に入射する。
【００４２】
レンズ面１２に入射して、音響レンズ２を伝播した超音波は、反射波収束手段１６のサファイア部１８を伝播する。サファイア部１８を伝播する超音波のうち、窪み１９を通過した超音波は、サファイア部１８と石英部１７の音速の違いから、窪み１９と突起２０の界面で屈折する。サファイア部１８の音速よりも石英部１７の音速のほうが低いので、屈折した超音波は、窪み１９の焦点位置に設けられた反射波収束手段１６に収束する。
【００４３】
これによって、超音波の検出効率を向上させることができ、試料６で反射した超音波の検出感度を高めることができる。
（第３実施形態）
図４を参照して、本発明の第３実施形態による超音波顕微鏡１ｃについて説明する。図４は、第２実施形態で説明した図３の構成において、音響レンズ２と接触媒体２３との間にカップリング手段２１を設けた構成を側方から見たときの図である。
【００４４】
第１実施形態及び第２実施形態において、超音波送波部４はレンズ面１２に沿って設けられている。この構成によって、レンズ面１２に沿って超音波送波部４から送出された超音波は、レンズ面１２の曲率中心（焦点）、つまり、試料６に向かって収束する。
このような構成によれば、従来のように、音響レンズを伝播した超音波をレンズ面で屈折させて収束させる必要がなくなるため、音速の低い液体をカップリング媒体として用いる必要もなくなる。そこで、本実施形態では、高周波超音波（例えば数百ＭＨｚ以上）の減衰が大きい液体のカップリング媒体の代わりに、減衰の小さい固体のカップリング手段２１を用いる。
【００４５】
本実施形態による超音波顕微鏡１ｃは、第２実施形態による超音波顕微鏡１ｂの構成に後述するカップリング手段２１及び接触媒質２３を加えて構成される。よって、カップリング手段２１及び接触媒質２３以外は、第２実施形態による超音波顕微鏡１ｂと同様の構成要素であるので、同じ符号を付すと共に、その詳細な説明を省略する。
図４を参照して、本実施形態による超音波顕微鏡１ｃに用いられるカップリング手段２１について説明する。
【００４６】
カップリング手段２１は、伝播する超音波の減衰が小さいガラスや金属等の硬質の固体材料で形成されている。カップリング手段２１は、加熱レーザ光などの光を通す必要はなく超音波だけを伝播すればよいので、光透過性を有していなくてもよい。
カップリング手段２１は、音響レンズ２と同様に円柱状の部材であり、その上面には半球状の突起２２を有している。この突起２２は、音響レンズ２のレンズ面１２に設けられた窪み（超音波送波部４の表面形状）に嵌り込むものとなっている。一方、カップリング手段２１の下面、すなわち、突起２２が形成された上面の反対面は平面となっており、この平面上に突起２２の曲率中心が配置される。よって、カップリング手段２１は、曲率中心のこのような配置を実現する厚みに形成されている。つまり、カップリング手段２１は、反射波収束手段１６の石英部１７とほぼ同じ形状及び大きさを有している。
【００４７】
このようなカップリング手段２１の突起２２を、音響レンズ２のレンズ面１２が形成された窪みに挿入すると、突起２２の表面と超音波送波部４の表面は、全面にわたって均一かつ密に接する。この状態で、カップリング手段２１と音響レンズ２及び超音波送波部４を一体に固定する。
このように、第１実施形態及び第２実施形態におけるカップリング媒体５の位置にカップリング手段２１を配置すると、カップリング手段２１において、突起２２が形成された面の反対面は試料６と対向する。この反対面と試料６との界面には、この反対面から試料６に超音波を伝播するためのごく少量の水などの接触媒質２３を介在させる。よって、カップリング手段２１の該反対面と試料６とは、直接に接しているといっても差し支えない状態となっている。
【００４８】
このように、反射波収束手段１６及びカップリング手段２１が設けられた音響レンズ２に向かって、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、パルス光照射手段８から、一条の加熱パルス光が照射されると、加熱パルス光を受けた超音波送波部４は超音波を発生し、発生した超音波は、カップリング手段２１に伝播して、図４でほぼ等間隔に曲線で示されるように、カップリング手段２１中で、試料６の表面、すなわちレンズ面１２の曲率中心（焦点）に向かって収束する。収束した超音波は、試料６で反射して、反射超音波としてレンズ面１２に入射する。
【００４９】
レンズ面１２に入射して、音響レンズ２を伝播した超音波は、反射波収束手段１６のサファイア部１８を伝播する。サファイア部１８を伝播する超音波のうち、窪み１９を通過した超音波は、サファイア部１８と石英部１７の音速の違いから、窪み１９と突起２０の界面で屈折する。サファイア部１８の音速よりも石英部１７の音速のほうが低いので、屈折した超音波は、窪み１９の曲率中心に設けられた超音波受波部３に収束する。
【００５０】
これによって、超音波の検出効率を向上させることができ、試料６で反射した超音波の検出感度を高めることができる。
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。
【００５１】
例えば、第２実施形態及び第３実施形態において、反射波収束手段１６における音響レンズ２と接合する部材は、音響レンズ２と同じ材質であることが好ましいが、光透過性の硬質な材料であれば、サファイア部１８の代わりに用いることができ、石英部１７の代わりに光透過性の硬質な材料を用いることができる。このときは、屈折率などを勘案して窪み１９と突起２０の形状を略球面に限定することなく様々に変化させればよい。
【００５２】
反射波収束手段１６において、音響レンズ２と接合する部材が、音響レンズ２と同じ材質である場合、１つの円柱状部材の上面と下面に、それぞれレンズ面１２に相当する窪みを形成して、音響レンズ２と当該接合する部材とが一体となった単一の部材として構成してもよい。
音響レンズ２を、石英ガラス及びサファイアを用いて構成したが、光透過性を有すると共に、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、例えば、サファイアの単結晶や、単結晶体でなくとも、石英ガラス以外の各種ガラス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。
【００５３】
また、第１実施形態〜第３実施形態において、超音波受波部３として圧電素子を用いたが、これに限らず、感圧ダイオード等の他の圧力センサを用いて、圧力センサが発する電圧を、電圧変化検出手段である高速オシロスコープ９で検出することもできる。
また、圧電素子の代わりに、光弾性効果を発揮する金属薄膜等を設け、反射超音波によって起こる光弾性効果を、測定用のレーザ光を用いて検出してもよい。この場合、測定用のレーザ光を金属薄膜に照射するレーザ光源と、金属薄膜で反射した反射レーザ光を検出し、検出した反射レーザ光を強度信号として高速オシロスコープ９に出力する光検出器を設ける必要がある。
【００５４】
さらに、音響レンズ２の反レンズ面における超音波による表面変位をレーザ干渉計等で測定し、測定した表面変位を強度信号として高速オシロスコープ９に出力することもできる。
第１実施形態〜第３実施形態において、レンズ面１２の形状を略球面であるとしたが、曲率中心（焦点）を１つだけ有する略楕円球面としてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１ａ、１ｂ、１ｃ 超音波顕微鏡
２ 音響レンズ
３ 超音波受波部
４ 超音波送波部
５ カップリング媒体
６ 試料
７ Ｘ−Ｙステージ
８ パルス光照射手段８
９ 高速オシロスコープ
１０ 計算機
１１ ステージ制御部
１２ レンズ面
１３ パルス光照射部
１４ ミラー
１５ レンズ系
１６ 反射波収束手段
１７ 石英部
１８ サファイア部
１９ 窪み
２０ 突起
２１ カップリング手段
２２ 突起
２３ 接触媒質
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波をレンズで収束させて試料に照射し、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であって、
パルス光を照射するパルス光照射手段と、
前記レンズにおいて試料に対面する側に形成されたレンズ面と、
前記レンズ面に沿うように配備され、前記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すると共に、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、
超音波送波部とは別位置に設けられ、前記試料で反射した超音波である反射超音波を受波する超音波受波部と、を具備することを特徴とする超音波顕微鏡。
【請求項２】
前記レンズは、下部にレンズ面を有し、前記レンズ面とは別位置であるレンズの上部に超音波受波部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波顕微鏡。
【請求項３】
前記レンズ面は、前記超音波送波部で発生した超音波を収束可能な焦点を備えた曲面となるように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波顕微鏡。
【請求項４】
前記レンズと前記超音波受波部との間には、前記試料で反射した反射超音波を前記超音波受波部に収束させる反射波収束手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波顕微鏡。
【請求項５】
前記レンズと前記試料との間には、前記超音波送波部と接して、超音波送波部からの超音波を伝播させる固体のカップリング手段が設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波顕微鏡。
【請求項１】
パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波をレンズで収束させて試料に照射し、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であって、
パルス光を照射するパルス光照射手段と、
前記レンズにおいて試料に対面する側に形成されたレンズ面と、
前記レンズ面に沿うように配備され、前記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すると共に、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、
超音波送波部とは別位置に設けられ、前記試料で反射した超音波である反射超音波を受波する超音波受波部と、を具備することを特徴とする超音波顕微鏡。
【請求項２】
前記レンズは、下部にレンズ面を有し、前記レンズ面とは別位置であるレンズの上部に超音波受波部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波顕微鏡。
【請求項３】
前記レンズ面は、前記超音波送波部で発生した超音波を収束可能な焦点を備えた曲面となるように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波顕微鏡。
【請求項４】
前記レンズと前記超音波受波部との間には、前記試料で反射した反射超音波を前記超音波受波部に収束させる反射波収束手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波顕微鏡。
【請求項５】
前記レンズと前記試料との間には、前記超音波送波部と接して、超音波送波部からの超音波を伝播させる固体のカップリング手段が設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１１２８２３（Ｐ２０１２−１１２８２３Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６２５６７（Ｐ２０１０−２６２５６７）
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]