DE3616283C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Neigung eines Probenhalters zu einer Abtastebene eines Ultraschall­ mikroskops sowie ein dieses Verfahren verwendendendes Ultraschall­ mikroskop gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 5.

Ein Ultraschallmikroskop ist eine Einrichtung, bei der eine vorbestimmte Ebene einer Probe zweidimensional abgetastet wird, damit man von dieser Ebene ein Abtastinformationsbild erhält.

Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines Ultraschall­ mikroskops. Eine Steuereinheit 1 erzeugt Signale 1 a, 1 b, 1 c, 1 d und 1 e, die in vorbestimmter Weise einen Hochfrequenzsender 2, einen Signalempfänger 8, eine X-Richtungs-Abtasteinheit 9, einen Y-Richtungs-Abtasteinheit 10 und einen Abtastkonverter 11 steuern. Das Signal 1 a löst im Sender ein Hochfrequenz-Burst- Signal 2 a im Ultraschallbereich aus, das über einen Zirkula­ tor 3 an einen piezoelektrischen Wandler 4 angelegt wird. Dieser piezoelektrische Wandler 4 ist ein reversibler Wandler für elektrische Signale und Ultraschallsignale; die sich nach Umwandlung ergebenden Ultraschallwellen werden mittels einer akustischen Linse 5 konvergiert und auf einen kleinen Fleck einer Ebene einer Probe 7 projiziert und zwar durch ein Ultraschallwellenübertragungsmedium 6, beispielsweise Wasser. Diese projizierten Ultraschallwellen werden dann abhängig von den akustischen Eigenschaften der Probe 7 reflektiert, von der akustischen Linse 5 empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dem Empfänger 8 wiederum durch den Zirkulator 3 zugefügt wird. Dieses Signal 3 a ist torgeschal­ tet durch ein Torsignal 1 b von der Steuereinheit 1 und zwar zum Entfernen unnötiger Signale. Es erfolgt dann eine Verstär­ kung und Detektion, so daß sich ein Detektionsausgangssignal 8 a ergibt, das der Information der Probe 7 insbesondere deren Reflexionsstärke entspricht. Das so abgeleitete Detektions­ ausgangssignal 8 a wird dem Abtastkonverter 11 zugeführt zu­ sammen mit einem Signal bezüglich der Abtastung der Probe 7 von der X-Richtungs-Abtasteinheit 9 und einem Signal von der Y-Abtasteinheit 10 und wird dann als Helligkeitssignal auf­ gezeichnet. Das Signal 1 e von der Steuereinheit 1 verwandelt das aufgezeichnete Signal in ein Fernsehsignal, das ausge­ lesen und mittels der Anzeigeeinheit 12 angezeigt wird. Durch das Signal 1 c wird über die X-Richtungs-Abtasteinheit 9 die akustische Linse 5 in X-Richtung bezüglich der Ebene des Probenhalters 13 (mit hoher Geschwindigkeit) und von der Y -Richtungs-Abtasteinheit 10 in Y-Richtung (mit niedriger Geschwindigkeit) bewegt. Hierdurch kann die auf dem Proben­ halter 13 angebrachte Probe 7 mittels des Ultraschallstrahls von der akustischen Linse 5 abgetastet werden.

Soll bei einem derartigen Ultraschallmikroskop eine Informa­ tion im Inneren der Probe gewonnen werden, dann ist es er­ forderlich, die akustische Linse 5 auch in Z-Richtung zu be­ wegen. Der Konvergierpunkt der Ultraschallwellen, die durch die akustische Linse 5 konvergiert werden, das heißt, wo der Ultraschallstrahl fokussiert ist, wird in Übereinstimmung gebracht mit der zu beobachtenden Ebene der Probe.

Bei einer derartigen inneren Beobachtung mit dem Ultraschall­ mikroskop ergibt sich eine exakte Information über eine innere Ebene der Probe für jeden kleinen Schritt dadurch, daß die zu beobachtende Ebene in Übereinstimmung gebracht wird mit der Fokussierebene für die Ultraschallwellen. Für eine anfängliche Einstellung der Beobachtung ist es deshalb erforderlich, daß die zu beobachtende Ebene der auf dem Pro­ benhalter aufgebrachten Probe in ihrer Neigung exakt mit der vorgenannten Abtastebene übereinstimmt, das heißt zu dieser parallel ist. Ist eine Neigung zwischen Probenebene und Ab­ tastebene vorhanden, dann werden die reflektierten Wellen nicht exakt empfangen und das Bild wird unscharf. Die genaue Einstellung der Neigung der Ebene ist somit unbedingt er­ forderlich insbesondere dann, wenn die Struktur eines inte­ grierten Halbleiters beobachtet werden soll. Hierfür wurde bisher für den Probenhalter 13 ein Goniometer verwendet, mit dem die Parallelität der Ebenen bezüglich der beiden Rich­ tungen einstellbar ist. Hierbei ist es allerdings erforderlich, das Goniometer mehrere Male einzustellen, so daß sich die bei fehlender Parallelität auftretenden Interferenzstreifen in dem Bild verringern, wobei das mittels der Anzeigeeinheit 12 dargestellte Bild beobachtet wird und die Abtastung mehrere Male wiederholt wird, damit die Ebene der Probe 7 parallel zu der Abtastebene wird, in der die Ultraschallstrahlen fo­ kussiert sind. Somit wird die meiste Beobachtungszeit für diese Einstellung verwendet, was die effektive Anwendung des Ultraschallmikroskops erheblich beeinträchtigt.

Als ein Beispiel eines elektrischen Verfahrens einer derar­ tigen Einstellung ohne Verwendung eines Goniometers wird auf die japanische Patentoffenlegungsschrift 2 25 349/1984 verwiesen. Dort werden Signale erzeugt entsprechend der Zeit von dem Bezugszeitpunkt von entsprechenden Ultraschallwellen­ empfangssignalen mehrerer Stellen der Probe, wie sie sich durch Abtasten der Probe auf dem Probenhalter mittels Ultraschall­ strahlen ergeben, bis zu dem Zeitpunkt des Empfangs dersel­ ben, und die Neigung des vorgenannten Probenstandes wird der­ art eingestellt, daß beide Signale gleich sind.

Aus der US-PS 43 44 160 ist ferner ein automatisches Fokussie­ rungssystem bekannt, mit dessen Hilfe z. B. ein Siliziumplättchen in die Brennebene eines fotolithografischen Maskenprojezier­ systems gebracht werden kann. Die Lage des Plättchens wird an mehreren Stellen gemessen und mit der Lage einer in der Brenn­ ebene liegenden optischen Ebene verglichen. Anhand des Ver­ gleichs können Signale gewonnen werden, die eine Ausrichtung des Siliziumplättchens in die Brennebene des Projiziersystems ermöglichen. Das Siliziumplättchen ist dabei auf einer Unter­ lage aufgebracht, die an drei Punkten über pneumatische Steg­ glieder abgestützt ist. Infolge der an den drei Punkten vor­ gesehenen Punktkonstante ergeben sich jedoch während der Aus­ richtung der Unterlage Instabilitätsprobleme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und das Ultraschallmikroskop der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die Einstellung des Goniometers anhand be­ reits bekannter Werte direkt, das heißt ohne mehrmalige Ver­ suche, auf einfache Weise vorgenommen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 5 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Ultraschallmikroskops sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die vorliegende Erfindung bringt den Vorteil, daß die zu be­ obachtende Probenebene rasch und genau parallel zu einer Ebene ausgerichtet werden kann, die zweidimensional mit einem Ultra­ schallstrahlfleck abgetastet werden kann, mit dem weiteren Vorteil, daß die Instruktion eines Rechners den Vorgang ver­ deutlicht und für den Benutzer keine besonderen Maßnahmen erfor­ derlich sind. Da die akustische Linse des Ultraschallmikros­ kops selbst als Meßeinrichtung verwendet wird, vereinfacht sich der Aufbau erheblich.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Arbeits­ weise eines Ultraschallmikroskops;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Probenhalter-Einstellvorrichtung eines Ultraschall­ mikroskops;

Fig. 3 eine erläuternde Darstellung des Mechanismus einer Probenhalter-Antriebsvorrichtung;

Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Einstellopera­ tion gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Einstell­ operation gemäß dem Flußdiagramm nach Fig. 4;

Fig. 6 ein Kurvendiagramm zur Darstellung der empfange­ nen Ausgangskennwerte eines Ultraschallwellen­ strahls und

Fig. 7 eine Computergraphik, in der bildlich ein er­ forderlicher Einstellungswert angezeigt wird.

Bei dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Neigung einer Probe, das heißt insbesondere die Neigung eines Probenhalters 32 zu einer abgetasteten Ebene durch automatisches Einstellen eines Justierwinkels oder durch bild­ liche Wiedergabe dieses Winkels unter Verwendung eines Rechnersystems 31 bewirkt werden (Fig. 2).

Ein zentraler Teil 33 des Ultraschallmikroskops enthält den im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnten Hochfrequenzsender, den Zirkulator und den Empfänger. Ein Vibrator 34 zur Ablenkung einer akustischen Linse 22 in X-Richtung erhält ein Ablenk­ signal X von einem nachstehend mit CPU bezeichneten Rechner 31 über eine Schnittstellenschaltung 35. Aus dem zentralen Teil 33 wird ein Digitalsignal als elektrisches Signal des Empfängers über einen Analogdigitalwandler 36 an die Schnitt­ stelle 35 angelegt. Dieses Signal wird über die CPU 31 einem Abtastkonverter 40 zugeführt, der drei Bildspeicher 37, 38 und 39 besitzt. Die drei Bildspeicher 37, 38 und 39 sind entsprechend mit Schaltungen CRT 41, CRT 42 und CRT 43 verbunden.

Im vorliegenden Fall besitzt der Abtastkonverter 40 drei Speicher und ist mit den Schaltungen CRT 41, 42 und 43 für drei Kanäle versehen, damit bei der Abtastung in kleinen Schritten in Z-Richtung das im vorhergehenden Schritt er­ haltene Bild auf der Bildfläche erhalten bleibt, so daß die Information im Inneren einer Probe sehr leicht erkennbar ist, das heißt, daß das Bild zwei Schritte zuvor betrachtet werden kann. Ein PGB-Signal kann aus den Bildern der drei Kanäle zusammengesetzt werden. Die Hauptschaltungsanordnung CRT 44 hierfür ist eine Farbbildanzeigeeinrichtung.

Ein X-Y-Support 45 trägt den Probenhalter 32 und ist über Wellen 48 und 49 entsprechend mit einer X-Richtungs-Antriebs­ vorrichtung 46 und einer Y-Richtungs-Antriebsvorrichtung 47 in Form von Schrittmotoren als Haupteinheiten verbunden. Der X-Y-Support 45 ist ferner mit einer Z -Richtungs-Antriebs- Vorrichtung 51 über eine Welle 50 in Verbindung. Die ent­ sprechenden X-Y- und Z-Richtungs-Antriebsvorrichtungen 46, 47 und 51 können den Support 45 mittels Treibersignalen von der CPU 31 in entsprechende Richtungen bewegen. Die Position des Probenhalters 32 kann somit eingestellt und die Probe mit dem Beobachtungsbereich durch die akustische Linse 22 in Übereinstimmung gebracht werden.

Auch können die Verstellungen in der X-Y- und Z-Richtung des X-Y-Supports 45 durch entsprechende X-, Y- und Z-Richtungs-Ver­ stelldetektorvorrichtungen 52, 53 und 54 festgestellt werden, die im wesentlichen Kodierer enthalten, die Rotationsim­ pulse von den die entsprechenden Antriebsvorrichtungen bilden­ den Motoren detektieren. Ihre detektierten Signale werden über die Schnittstelle 35 der CPU 31 zugeführt. Beim vor­ liegenden Ausführungsbeispiel werden sie durch die X-Rich­ tungs- und Y-Richtungs-Verstellungsdetektorvorrichtungen 52 und 53 zur Neigungseinstellung verwendet.

Als Beispiel eines Mechanismus eines Probenhalters 32 wird auf Fig. 3 Bezug genommen.

Der Probenhalter 32 bildet selbst ein Goniometer, bei dem ein Tisch 56, der mittels eines Ausdehnungsverbinders 55 nach unten gezogen wird, getrennt um einen vorbestimmten Winkel bezüglich der X- und Y-Richtung als Achsen verdreht werden kann. Insbesondere wird der Tisch 56 durch Spindel­ glieder 61 und 62 abgestützt, die entsprechende ringförmige geneigte Flächen 61 a und 62 a in Richtungen aufweisen, die sich zueinander senkrecht schneiden, ferner über ein Platten­ element mit Schrauben 59 die zueinander je­ weils um 180° versetzt sind. Die Spindelkörper 62 und 61 sind entsprechend mit Spindeleinstellhebeln 57 und 58 ver­ schraubt und koaxial zusammengesetzt und die Schrägfläche 62 a des Spindelkörpers 62 liegt radial innerhalb der Schrägfläche 61 a des Spindelkörpers 61. Bei diesem Aufbau kann der Tisch 56 mittels der mit den Schrägflächen 61 a und 62 a der Spindelelemente 61 und 62 in Kontakt befindlichen Schrauben 59 bezüglich seines Neigungswinkels frei eingestellt werden durch Auf- und Abbewegung unter Einstellung der Ein­ stellhebel 57 und 58. Die ganze Anordnung ruht auf einer Grund­ platte 63.

Die Arbeitsweise der Anordnung gemäß der vorhergehenden Be­ schreibung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 erläutert.

Falls die Ebene der auf dem Probenhalter 32 angebrachten Probe 21 geneigt ist zur abgetasteten Ebene 23, welche durch den Ultraschallflecken der akustischen Linse 22 gebildet wird (Fig. 5), fokussiert die CPU 31 zuerst die akustische Linse 22 auf irgendeinen Positionspunkt o in der Probenebene, um die Abtastebene 23 koinzident zur Probenebene zu machen. Wird die akustische Linse 22 von der Probe 21 wegbewegt und auf diese zu, dann erreicht das empfangene Ausgangssignal der akustischen Linse 22 einmal einen Maximalwert. Somit ist durch Feststellen des Wertes bekannt, ob zu diesem Zeit­ punkt die akustische Linse fokussiert ist oder nicht. Es hat sich gezeigt, daß dieser Wert durch die Ausgangskennlinie, die sogenannte V(z)-Kennlinie (Fig. 6) der akustischen Linse bestimmt wird, wobei der empfangene Aus­ gangswert sich periodisch erhöht und abfällt gegen den Ab­ stand zwischen der Linse und der Probe, der in Fig. 6 als Abszisse gezeigt ist. Ist der Brennabstand bzw. die Brenn­ weite gleich, dann ergibt sich ein maximales Ausgangssignal Zo, so daß der Abstand zwischen der Linse und der Probe zusammenfällt mit der Brennweite der akustischen Linse 22.

Ist somit die Linse fokussiert, dann mißt die CPU 31 den Ab­ stand Zo zwischen der akustischen Linse 22 und der Probe 21 im Punkt o und speichert diesen. Am Ende dieses Vorgangs führt die CPU 31 ein Signal zum Bewegen der akustischen Linse 22 in vorbestimmten Schritten in X-Richtung einem Schrittmotor der X-Richtungs-Antriebsvorrichtung 46 über einen Kontroller/Treiber zu. Ist der Punkt zu dem die akustische Linse 22 in vorbestimmten Schritten in X-Richtung bewegt wird, ein Punkt a, dann mißt die CPU 31 den Abstand Zo-Za zwischen dem Punkt und einem Punkt a′ entsprechend dem Punkt a in der abgetasteten Ebene. Hierbei gibt die akustische Linse 22 den maximalen Spitzenwert entsprechend der V(z)-Kennlinie in ihrer Position 22′ unter Bewegung in Z-Richtung ab, wobei die Verstellung, das heißt die Bewegung von der Anfangsposition (Punkt o) in vorbestimmten Schritten parallel zur abgetasteten Ebene 23 bestimmt wird durch Zählen der Impulse durch einen Zähler. Hierdurch kann die CPU 31 Zo-Za, das heißt den Abstand zwischen a-a′, bestimmen. Wenn ferner die akustische Linse 22 parallel in Y-Richtung zu der Position 22′′ bewegt wird, dann kann auf die gleiche Weise der Abstand Zo-Zb zwischen b-b′ festgestellt werden. Für die entsprechenden Vorstellungen in der X- und Y-Richtung werden Impulse für X-Richtungs- und Y-Richtungs-Schrittmotoren erzeugt und durch den Zähler gezählt und von der CPU 31 verwendet.

Auf diese Weise erhält die CPU 31 die Werte Zo und die Ab­ stände o-a′, a-a′, a-b, b-b′ (Fig. 5). Der Winkel R ₁, gebildet durch die Strecken o-a′ und o-a kann sehr einfach aus o-a′ und Zo-Za festgestellt werden, ebenso der Winkel T ₂ zwischen b-a b′-a′ aus b′-a′ und (|Zo-Zb | - |Zo-Za |). Die CPU 31 kann somit R ₁ und R ₂ bestimmen. Bei der vorliegenden Anordnung werden diese Winkel T ₁ und T ₂ mit einer nicht gezeigten Kathoden­ strahlröhre in Form des Probenhalters 32 (Fig. 7) ange­ zeigt, so daß der Benutzer die Winkel R ₁ und R ₂ erkennt und damit die dreidimensionalen Neigungen der Probenebene zur Ab­ tastebene 23. Er kann somit den Tisch 56 entsprechend ein­ stellen. Ein Schritt in Z-Richtung kann beispielsweise 1 µm sein mit einer Z-Richtungs- Bewegungsabstandsanzeigeauflösung von 0,5 µm, wobei die Nei­ gung korrigiert werden kann in einem Bereich von maximal ±5 Grad.

Claims (7)

1. Verfahren zum Bestimmen der Neigung eines Probenhalters zu einer Abtastebene eines Ultraschallmikroskops, bei dem ein Ultraschallschwellenbündel durch eine akustische Linse auf eine auf dem Probenhalter angebrachte Probe gerichtet und die reflektierte Welle nach Durchlauf durch die akustische Linse in ein elektrisches Signal umgewandelt und die daraus abgeleitete Information bildlich dargestellt wird, mit einer Probenhalterantriebsvorrichtung zum Bewegen des Proben­ halters bezüglich der akustischen Linse in X-, Y- und Z- Richtung, gekennzeichnet durch die Schritte:

• - Fokussieren der akustischen Linse (22) auf einen Punkt o in einer zu beobachtenden Probenebene,
  - Bestimmen des Abstands der akustischen Linse (22) von der zu beobachtenden Probenebene, der dem Fokussierabstand Zo entspricht,
  - Verstellen des Probenhalters (32) relativ zur akustischen Linse (22) um eine Strecke Xa in X-Richtung auf einen Punkt a,
  - erneutes Fokussieren der akustischen Linse (22) auf die zu beobachtende Probenebene und Feststellen des Abstandes |Za-Zo |, wobei Za der Abstand des Punktes a von der akustischen Linse vor der Fokussierung ist,
  - Verstellen des Probenhalters (32) bezüglich der akustischen Linse (22) um eine Strecke Yb in Y-Richtung auf einen Punkt b,
  - erneutes Fokussieren der akustischen Linse (22) auf die zu beobachtende Probenebene und Feststellen des Abstandes Zb-Zo, wobei Zb der Abstand der akustischen Linse vom Punkt b in der zu beobachtenden Probenebene vor der Fokussierung ist und
  - Berechnen der zweidimensionalen Neigung der zu beob­ achtenden Probenebene zur Abtastebene.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die berechnete Neigung bzw. deren notwendige Korrektur in Form einer Computergrafik dargestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung und die Verstellung des Probenhalters (32) in inkrementalen Schritten erfolgt, die zur Bildung der entsprechenden Abstands- und Streckenwerte gezählt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Fokussierabstand Zo auf Grundlage des maximalen Reflexionswertes der Ultraschallwellen fest­ gestellt wird.

5. Ultraschallmikroskop mit einer Probenhalter-Einstellvorrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, mit einer eine akustische Linse aufweisen­ den Ultraschallsende- bzw. Empfangseinrichtung, einem Proben­ tisch als Probenhalter und einer Probenhalterantriebs­ vorrichtung zum Bewegen des Probentisches bezüglich der akustischen Linse in X-, Y- und Z-Richtung sowie einer Ein­ richtung zum Ausrichten des Probentisches derart, daß die zu beobachtende Probenebene mit der Abtastebene, die gleich der Fokussierebene der akustischen Linse ist, zusammenfällt und dazu parallel ist, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Linse (22) selbst zur Abstandsmessung an drei Punkten o, a, b der Abtastebene verwendet wird unter Fest­ stellung des Fokussierabstandes Zo, sowie der Nachfokussie­ rungsstrecken |Za-Zo | und |Zb-Zo |, wobei die Punkte a und b vom Punkt o um die Strecke Xa bzw. Yb versetzt sind und daß eine Speicher- und Rechenvorrichtung (31) vorgesehen ist, die die Werte Zo, |Za-Zo |, |Zb-Zo |, Xa und Xb speichert und daraus die an der Einrichtung zum Ausrichten des Proben­ tisches (56) einstellbare Neigung (R 1, R 2) der Probenober­ flächenebene bezüglich der X-Y-Abtastebene berechnet.

6. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung zum Ausrichten des Probentisches (56) zwei unabhängige Einrichtungen für die Winkelein­ stellungen aufweist.

7. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unabhängigen Einrichtungen für die Winkeleinstellung umfassen:

• - Spindelglieder (61, 62), die entsprechend geneigte Flächen (61 a, 62 a) aufweisen,
  - ein parallel zum Probentisch (56) angeordnetes Platten­ element, das zwei Paare gegenüberliegende Schrauben (59) aufweist, die jeweils um 90° versetzt sind, wobei die freien Enden der Schrauben (59) auf den geneigten Flächen (61 a, 61 b) gleiten und
  - zwei unabhängige, für jede Neigung vorgesehene Einstell­ hebel (57, 58), die mit den Spindelgliedern verbunden sind, wobei der Probentisch (56) in zwei rechtwinkelig auf­ einanderstehende Richtungen durch Betätigung der Einstell­ hebel (57, 58) neigbar ist.