das ultraschall-raster-mikroskop

Akustische Mefirnethoden

Joachim Baumann und Gerhard Fritsch

Das Ultraschall-Raster-Mikroskop (Scan- ning Acoustic Microscope: SAM) setzt Ultra- schallwellen zur Abbildung mikroskopischer Objekte ein. Im Gegensatz zum optischen Mikroskop kann jedoch nicht gleichzeitig die vollstandige Objektebene durch eine ,,Ultra- schall-Optik" auf eine Bildebene abgebildet werden. Es ist aber moglich, Ultraschallwel- len auf der Symmetrieachse einer akustischen Linse mit hoher Effektivitat auf einen Ob- jektpunkt zu fokussieren. Diesen Fokus fuhrt man in einem maanderartigen Raster iiber die Probe. Die Intensitat des reflektierten und iiber dieselbe Linse gesammelten Signals wird synchron mit den Rasterpunkten auf einem Bildschirm dargestellt. Dabei entsteht - ahn- lich wie bei einem Raster-Elektronen-Mi- kroskop (REM) - ein ,,akustisches" Bild des Objekts. In der gleichen Weise 1ai3t sich auch aus dem transmittierten Signal mit einer zweiten akustischen Linse ein Bild erzeugen.

Diese Methode zur Abbildung eines Objekts mit Ultraschallwellen wurde bereits 1949 von Sokolov diskutiert. Aber erst 1974 gelang Le- mons and Quate die Realisation eines Mikro- skops nach dem Raster-Verfahren. Seitdem ist diese Technik stetig weiterentwickelt worden. Heute bieten mehrere Firmen ausgereifte Ge- rate auf dem Markt an.

Kernstuck des Ultraschall-Mikroskops ist die akustische Linse. Sie ist zusammen mit dem Objekt schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Die Linse besteht aus einem Material mit hoher Schallgeschwindigkeit und gerin- ger Schalldampfung. Insbesondere fur hoch- auflosende Mikroskope mit Ultraschallfre- quenzen um 1 GHz ist Saphir am besten geeignet. Eine Seite des Linsenblocks ist eben und tragt den Ultraschallwandler. Die andere besitzt eine konkave spharische Oberflache. Ein Kopplungsmedium zwischen Linse und Probe (Objekt) ubertragt die Ultraschallwel- len.

Ebenso wie bei anderen Ultraschallverfahren in Medizin und Materialpriifung ruft ein

Das Ultraschall-kster- Mikroskop Hochaufgeloste akustische Oberflachen-, Tiefen- und sogar Ruckseitenprofile liefern Details der Objektstruktur

elektronisch erzeugter Hochfrequenzimpuls im Schallwandler Ultraschallschwingungen hervor. Diese breiten sich in der Linse in Form eines ebenen Wellenzugs aus, der an der Grenzflache Linse/Kopplungsmedium stark gebrochen und schliei3lich auf der Linsen- achse fokussiert wird.

Nach Wechselwirkung mit dem Objekt arbei- tet das System in umgekehrter Weise. Es sam- melt die reflektierte, nun divergierende Ultra- schallwelle und wandelt diese wieder in eine ebene Welle und sodann in ein elektrisches Si- gnal um. Je nachdem, ob dies iiber diesselbe oder eine zweite Linse geschieht, spricht man von Reflexions- oder Transmissions-Geome- trie.

(Tabelle 1) ist auch das Ultraschall-Mikro- skop achtbar vertreten. Allerdings sollte man, insbesondere beim praktischen Einsatz, diese Groi3e nicht uberbewerten. Kommerzielle Sy- steme besitzen bei 2 GHz bis zu 0,5 ym Auf- losungsvermogen (Abbildung 2). Dies trifft jedoch nur auf die mit anderen Verfahren oh- nehin zugangliche Oberflache zu. Der Vorteil der Ultraschall-Mikroskopie liegt vor allem im grundsatzlich andersartigen Mechanismus der Kontrastentstehung. Hierbei werden In- homogenitaten in den mechanischen Eigen- schaften, wie etwa Dichte, Elastizitat und Viskositat erfaflt, wahrend z. B. die optische Mikroskopie auf Inhomogenitaten in den dielektrischen Eigenschaften empfindlich ist.

Das Rasterverfahren Kontrastentstehung

Vergleicht man das Ultraschall-Rastermi- kroskop mit anderen Mikroskopie-Verfah- ren, so mui3 zunachst danach gefragt werden, welche Eigenschaften sichtbar werden. So unterscheiden sich die Wechselwirkungen, denen eine Ultraschallwelle ausgesetzt ist, von denen, die ein Licht-, Elektronen- oder ein Rontgenstrahl wahrnimmt. Diese unterschiedlichen physikalischen Effekte legen die Groi3e des Empfangssignals fest und erzeugen somit den Bildkontrast. Mit welcher Qualitat diese Information wiedergegeben wird, ist durch das Auflosungsvermogen hin- sichtlich des Kontrasts und des Ortes bestimmt.

Wahrend das Kontrast-Au~osungsvermogen die Fahigkeit beschreibt, die unterschiedli-

Ein nennenswerter Nachteil dieser bereits an- gesprochenen Methode ist die relativ lange Zeit fur den Bildaufbau. Typische Zeiten sind einige Sekunden fur kleine Objektfelder (unterhalb 1 mm Durchmesser) fur hochste Auf- losung im ym-Bereich bis hin zu einigen Mi- nuten fur cm-groi3e Objektfelder. Wun- schenswert waren naturlich Bildsequenzen in der Fernsehnorm, um auch dynamische Vor- gange beobachten zu konnen. Letztlich ist die Aufbauzeit eines Bildes durch die Laufzeit

Verfahren Ortsauflosung nm

chen Eigenschaften zweier ortlich verschiedener Details in Form klar unterscheidbarer Si- gnalhohen (z. B. Grauwerte) darzustellen, Konventionelle optische M. 200 druckt das Ortsau~osungsvermogen aus, wie Optische Nahfeld M. 20 nahe derart genau definierte Bereiche benach- Elektronen-M. 4

wahrgenommen werden konnen. Tunnel-M. 0,2

Beim Wettbewerb der verschiedenen Mikro- Ultraschall-M. (8 GHz) 20

bart sein durfen, so dai3 sie noch getrennt Ionen-M. 40

Rontgen-M. 50

skopie-Verfahren um hochste Ortsauflosung

16 Physik in unserer Zeit / 19. Jahrg. 1988 / Nr. 1 0 VCH Verlagsgesellschafi mbH, I)-6940 Weinheirn, 1988 0031-92~2/88/0101-0016 $ 02.50/0

Akctstiscbe MeJ3metboden

Abb. 2. Halbleiterstrukturen, aufgenommen mit Frequenzen von 0,2 bis 2 GHz (die Frequenz ist jeweils rechts oben im Bild angegeben). Die Verbesserung der Auflosung bei hoheren Frequenzen ist deutlich sichtbar. [Leitz]

des Ultraschalls (Grogenanordnung 1 - 10 ps) begrenzt.

Das Rasterverfahren eroffnet allerdings auch eine Reihe von Vorteilen:

Durch das gezielte Anregen und Abfragen nur jeweils eines einzigen Objektpunktes wird ein ,,Streustrahlungs"-Untergrund weit- gehend vermieden.

Da sowohl die Anregung als auch die De- tektion fokussiert (konfokale Anordnung) erfolgt, ist das Ortsauflosungsvermogen gegenuber einer nur einmaligen Fokussierung nochmals erhoht.

Weil die Linsen nur in der Hauptrichtung benutzt werden, wird der Einflug von Lin- senfehlern minimiert, so dai3 auch einfache Linsen gute Ergebnisse bringen.

Abb.1. Schema eines Ultraschall-Mikro- skops in Reflexionsanordnung. Das Objekt kann im Prinzip in allen drei Raumrich- tungen verschoben werden (,scanning"). Auslaufende und reflektierte Schallwellen durchsetzen die Anordung auf gleiche Weise. Der fokussierte Strahlengang zur Ausmessung der Oberflache eines Objekts ist rot gekennzeichnet. Die z-Achse ist nach unten orientiert. Die Elektroden- anordnung auf der Linse und die akustische Anpassungsschicht auf der Linsenkriim- mung ist klar zu erkennen. Typische Di- mensionen einer solchen 1 GHz-Linse sind Kriimmungsradius: 40 pm, Linsendurch- messer: 60 pm, Saphirblock: 2 mm.

Das Rasterverfahren laat sich aufgrund der sequentiellen Datenaufnahme in idealer Weise durch eine digitale Bildverarbeitung erganzen, was sowohl eine Bildaufberei- tung (Kontrastverbesserung, Kantenanhebung usw.) als auch spezielle Mustererkennung ermoglicht. Sind uber die Intensitat der emp- fangenen Signale hinaus auch deren Ampli- tude und Phase zuganglich, wie es prinzipiell bei der akustischen Mikroskopie moglich ist, konnen diese Signale uber einen Rechner so verarbeitet werden, daB sehr differenzierte Bilder mit besonders guter Detailwiedergabe erzeugt werden.

Ultraschallausbreitung

Schallwellen, also periodische Auslenkungen von Massenelementen aus ihrer Ruhelage, konnen sich im festen, flussigen oder gasfor- migen Aggregatzustand fortpflanzen - nicht jedoch im Vakuum. Der heute fur technische Anwendungen benutzte Ultraschall-Fre- quenzbereich erstreckt sich von etwa 100 kHz bis uber 1 GHz.

Untersucht man das Ausbreitungsverhalten von Ultraschallwellen, so kann man neben Informationen uber die spezifischen elastischen Eigenschaften eines homogenen Kor- pers wie Schallgeschwindigkeit und Damp- fung erhalten. Weiter sind jedoch die Wech- selwirkungsmechanismen mit Inhomogeni- taten des Untersuchungsmaterials von be- sonderer Aussagekraft. Dazu ist es nutz- lich, sich die Grundlagen der Ultraschallaus-

Physik in unserer Zeit f 19. Jahrg. 1988 1 Nr. 1 17

Akzatzsche Me/3methoden

breitung am Beispiel von Reflexion, Bre- chung und Beugung in Erinnerung zu bringen.

Im einfachsten Fall wird eine Schallwelle durch die beiden Variablen Druckschwan- kung p und Schallschnelle v beschrieben. Letztere ist dabei die Bewegungsgeschwin- digkeit der Massenelemente. Im allgemeinen Fall mui3 aber die Druckvariation durch die Schwankung der elastischen Spannung ersetzt werden.

Bei gestorter Schallausbreitung, also bei Wechselwirkung mit Inhomogenitaten - wie Begrenzungsflachen oder Einschlussen -, treten Phanomene wie Reflexion, Beugung, Brechung und Streuung auf. Es bildet sich ein kompliziertes akustisches Wellenfeld, das Wellen unterschiedlichen Typs (Moden) ent- halten kann. Neben Konversionseffekten im Inneren eines Korpers, die zu longitudinalen und transversalen Wellen fiihren, konnen auch Wellen an Grenzflachen entstehen: Oberflachenwellen. Besonders wichtig ist hierbei die Modenkonversion bei Totalrefle- xion. Sie fuhrt unter gewissen Umstanden zu speziellen Oberflachenwellen, den Rayleigh- Wellen. Deren Ausbreitungsgeschwindigkeit ist materialspezifisch, sie spielt bei der Abbil- dung irn akustischen Mikroskop eine wesent- liche Rolle, wie noch erlautert werden wird. Weitere Details zur gestorten Schallausbrei- tung bringt der Informationskasten I.

Nach diesen grundsatzlichen Bemerkungen uber die Wirkungsweise des Ultraschallmi- kroskops und uber die Eigenheiten der Ultra- schall-Ausbreitung wollen wir nun das Mi- kroskop etwas genauer betrachten und einige Anwendungen kennenlernen.

Ultraschall-Erzeugung u n d -Nachweis

Der Ultraschall wird uber einen piezoelektrischen Schwinger erzeugt. Hierzu dienen bei Frequenzen unter 200 MHz Kristalle aus Li- thiurnniobat, Quarz oder Keramik (PZT). Uber dieser Grenze setzt man meist einen piezoelektrischen Halbleiter, z. B. Zinkoxid (ZnO) ein. Diese Schwinger werden entweder uber eine elektronische Impuls-StoBanre- gung in der Eigenfrequenz oder uber eine hochfrequente elektrische Schwingung in einer erzwungenen Frequenz angeregt. Im ersten Fall klingt die Schwingung uber die Dampfung ab, im zweiten ist sie durch die Zeitdauer der Anregung festgelegt. Das so er- zeugte Ultraschallsignal wird dann uber ei-

18 Physik in unserer Zeit / 19. Jahrg. 1988 / Nu. 1

Akustzsche MeJ3methoden

Pbysik in umerer Zeit / 19. Jahrg. 1988 / Nr. 1 19

Akustische MejJmethoden

zwei Transvenalwellen verschiedener Po- larisation, die sich im allgemeinen auch durch ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit unterscheiden.

Modmkonwrsion

Die zuvor envanten Reflexions- und Bre- chungsgesetzk beschreiben nur die ent- sprechenden Winkel, jedoch nicht die Aufteilung d a Schalldrucks im reflektierten und transmittierten Anteil. Einfache Verhdtnisse bestehen bei senkrechtem Auftreffen des Schalls auf die Grenzfliche, wie in Gleichung (1.4) beschrieben.

Nehmen wir im allgemeinen Fall d u schmge Auftreffen einer ebenen longitd- nalen Schallwelle auf einen ebenen Ober- gang von Medium 1 in ein Medium 2 an, so haben wir fiir Festkiirper (z. B. Krisdle) scrhs Grenzbedingungen zu erfiillen: nim- lich drei Gleichungen fiir die elutischen Spannungen und drei Gleichungen, welche die Stetigkeit der Komponenten der Auslenkung ausnutzen. In der Optik sind iibrigens fiir den analogen Fall nur vier Grenzbedingungen zu erfiillen, da die elektromagnetischen Wellen nur transversaler Natur sind.

Um die genannten sechs Grenzbedingun- gen in der Akustik zu erfiillen, ist es nicht ausreichend, nur eine reflektierte und transminierte hghdinale Schallwelle mzunehmen. Nur bei Einbeziehung neu enutehender reflektierter und transmit- tierter transversaler Wellen - im dlgemei- nen fiir jede der beiden miiglichen Polari- sationsarten cine Wellenart, auch Mode genannt - ist d u Gleichungssystem allgemein losbar. Dieser ProzeB - in der Optik unbehnnt - finder in der Natur tatsich- lich statt und hea t Modenkonversion. Er beschreibt die gegenseitige Umwandlung von Wellenarten bei schriigem Auftreffen auf eine Grenzflache. In Abbildung 1.1 sind Beispiele hienu zu sehen.

G m U f i h k

An Grenzflachen bzw. Oberflachen ist im Gegensatz zu den Volumenwellen das Ausbreitungsverhalten der Schallwellen stark ve-dert, da hier die riicktreibenden mfte durch den Randeffekt normaler- weise reduziert sind. Diese speziellen Wel-

lenarten breiten sich nur entlang der Grenzfliche aus, sie erscheinen dadurch als ,,gefiihrte" Wellen.

Zur E r k l h n g dieser Wellenarten sei die schon diskutierte Modenkonveeion beim schriigen Auftreffen einer ebenen Longitu- dinal- bzw. Tnnsversalwelle betrachtet:

K u n vor dem ersten Grenzwinkel (Xod- reflexion der Longitudinalwelle) bildet sich entlang der Oberfliiche eine mge- nannte L o n g i d ~ - K r i c c h U e , die jedoch zugunsten der gleichzeitig auftrcten- den Tmsversalwelle nsch ihre Energie verliert. Ihre Ausbreitungsgeschwindig- keit ist die der Longitudinalwelle (Abbd- dung 1.4).

Beim zweiten Grenzwinkel (Xotalrefle- xion der Tmsversalwelle, wenn also der Winkel der auftreffenden Longitudinal- welle so groB ist, d 4 auch die Tnnsvenal- welle im Medium 2 verschwindet), erscheint an der Oberfkiche eine O&$k chen- ode* RaykighMUe, deren Ge- schwindigkeit entlang der Grenzfliche etwas kleiner ist als diejenige der Tnnsver- ulwelle. Sie gibt fortlaufend Energie an d u Medium 1 ab.

Diese beiden Wellenarten sind ,,querge- h p f t e " Wellen, d. h. die Amplituden der Teilchenbewegung nimmt quer zur Aus- breitungsrichtung ab. Die sogenannte Ein- dringtiefe ist e m so grog wie die Wellen- I ige .

Wichtig sind die Wcchselwirkung dieser Grenzflichenwellen mit Inhomogenitii- ten: Beide Wellenarten (Moden) werden vor Oberflichenrissen, Kanten, Fremd- stoffeinschliissen reflektiert. Die Ray- leigh-Welle ist jedoch auch auf &Icgung der Oberflachc mit Fremdstoffen (Feuch- tigkeit, Schmutz) empfindlich, die longi- tudinale Kriechwelle erf4t dagegen nur Fehler mter drr Oberflrprhr.

nen Saphirblock (A1,0,) weitergeleitet. Die- ser tragt auch die Linse (siehe Abbildung 1). Saphir besitzt langs der kristallographi- schen c-Achse - und dies ist die Ausbrei- tungsrichtung des Ultraschalls - eine Schall- geschwindigkeit von 11 IOO ms-', was eine akustische Impedanz 2 = 44,3 . lo6 kgm-2s-1 ergibt. Fur Quarz ist 2 = 13,l . lo6 kgm-2s-1. Bei Frequenzen bis 20 MHz wird auch Hart- plastik anstelle von Saphir eingesetzt. Hier haben die Linsen dann Durchmesser bis zu 10 mm, wahrend im hochfrequenten Bereich die Abmessungen bis auf 30 pm zuruckgehen.

Die Hochfrequenzleistung im Impulsbetrieb liegt im Bereich von 0,1 bis 1 Watt. Zwischen zwei Ultraschallanregungen mui3 eine Pause von mindestens 10 ps eingehalten werden, damit die reflektierten Pulse innerhalb des Sa- phirs, in der Wasserkoppelstrecke und in der Probe abgeklungen sind. Damit ist die maxi- male Impulswiederholungsfrequenz auf etwa 100 kHz festgelegt.

Allgemein gilt, je hoher die Frequenz, desto kiirzer die Pulse, desto hoher aber auch die Dampfung und desto kiirzer die Abklingzei- ten.

Weiterhin ist zu bedenken, dai3 das MeRsignal zeitlich nicht mit den in der Linse reflektierten Signalen interferieren darf. Das legt die Linsengeometrie fest. Diese Aussage gilt bei Messungen unter der Probenoberflache auch fur das in der Koppelstrecke reflektierte U1- traschallsignal.

Messungen konnen in Reflexions- oder in Transmissionsgeometrie durchgefiihrt werden. Im zweiten Fall ist eine weitere fluchtend justierte Empfangerlinse notwendig (Abbil- dung 1). Aui3erdem gibt es zwei Kopplungs- strecken und nur diinne Proben mit beidseitig ebenen Flachen sind zur Untersuchung geeignet. Aus diesen Griinden benutzt man meist die Reflexionsgeometrie, wobei die Sende- linse gleichzeitig Empfangerlinse ist, wie in Abbildung 1 dargestellt. Eine Justierung der Linse entfallt, aber nun mug die Probe genau eingerichtet werden, um die seitliche Refle- xion klein zu halten.

Die Detektionselektronik sollte die Fahigkeit zu schneller Erholung nach Ubersteuerung besitzen, weil sich ein elektrisches Uberspre- chen des starken Anregungsimpulses nicht vollstandig vermeiden lai3t. Moderne Gerate besitzen mehrere Zeitfenster, deren Lage in Bezug auf spezielle Ultraschallimpulse fest-

20 Physik in unserer Zeit / 19. Jahrg. 1988 / Nr. 1

Akustische MeJmethoden

gelegt werden kann. Die Zeitverzogerung und Breite ist dazu kontinuierlich einstellbar. Beim ,,Interface-Triggering" bezieht man z. B. die Lage der Fenster auf das von der Pro- benoberflache reflektierte Signal (Abbildung 3). Auf diese Weise konnen speziell ausge- wahlte Schallsignale detektiert werden. Der so gewonnene Megwert wird digitalisiert und weiterverarbeitet. Einrichtungen zur Null- punktunterdruckung sind ublich.

Kopplungsmedien

Normale Luft ist als Kopplungsmedium un- geeignet, da ihre akustische Impedanz nur 430 kgm-2s-' betragt. In diesem Fall wiirden rund 99,9 70 der Ultraschallintensitat an den Grenzflachen Linse-Luft bzw. Luft-Probe reflektiert. Um diesem Ubel abzuhelfen, mu13 die Impedanz der Kopplungssubstanz erhoht werden. AuBerdem 1aBt sich die Reflexion durch eine Zwischenschicht verringern, falls analog zur Optik

'Zwischenschichr= ('Linse' ZKopplungsmedium)l'2 (l)

gewahlt wird. Solche Schichten bestehen aus SiO,, Chalkogenid-Glasern oder aus Kohlen- stoff. Zusatzlich kann die Interferenz an dun- nen Schichten ausgeniitzt werden. Dazu mu13 die Schichtdicke im Bereich von h/4 liegen.

Geeignete Kopplungsmedien (Tabelle 2) sind Wasser, Kryofliissigkeiten, wie fliissiger Stickstoff oder flussiges Helium, flussige Me-

Abb. 4. Schallgeschwindigkeit c und Ab- sorption in Wasser, letztere dargestellt als ah2, mit der Frequenz v. Eine Tempera- turerhohung von 20 "C auf 60 O C bringt eine Absenkung der Grot3e a/v2 von 25 auf 10 . i o - ~ m - ' .

talle sowie hochverdichtete Gase. Die Aus- wahlkriterien sind neben dem akustischen Widerstand die akustische Dampfung und die Handhabung. Vor allem aus letzterem Grund blieb Wasser bisher erste Wahl.

Kopplungs- Temp./ Geschw./ a . v-'. lOI5 medium K m.s-' (s2.m-')

H P H2O CS2

Hg Ga

Ar (40 bar) Ar (250 bar) Xe (40 bar) Ar

He He He

N2

298,O 1495 22,o 333,O 1550 10,2 298,O 1310 10,l 303,O 2870 196 296,s 1450 598 293,O 323 412,O 293,O 323 83,O 293,O 178 953,O 85,O 840 15,2 77,O 850 13,s 4,2 183 226,3 1,9 227 70,2 0,2 238 0,s

Abb. 3. Zeitliche Abfolge von Ultraschallsi- gnalen und Einsatz eines Zeitfensters. A = Anregungspuls; A,, A, = Reflexe im Kopp- lungsmedium, B = Reflex vom Linsenfo- kus, hier unter der Oberflache des Objekts eingestellt, to = Breite des Zeitfensters, t, = Verzogerung bei Normaltriggerung und tAl bei Interface-Triggerung des Zeitfen- sters.

Die Ultraschalldampfung setzt sich norma- lerweise aus zwei Anteilen zusammen, nam- lich aus der thermoelastischen und aus der viskoelastischen Dampfung. Beide Anteile sind bei niedrigen Frequenzen proportional dem Quadrat der Frequenz. Die thermoela- stische Dampfung besteht darin, da13 in den Druckmaxima eine hohere Temperatur vor- liegt als in den Minima. Die Warmeleitung versucht diese Unterschiede auszugleichen: Ultraschallenergie wird in Warme umgesetzt. Der viskoelastische Effekt, auch Akhieser- Dampfung genannt, berucksichtigt die Rei- bung der Schallwelle an der thermischen Be- wegung der Bausteine des Kopplungsme- diums (Reibung am Phononengas). Bei Fliis- sigkeiten existieren zusatzliche Mechanis- men, die mit Strukturanderungen verknupft sind. Die akustischen Eigenschaften von Was- ser gibt Abbildung 4 wieder.

Bei Wasser mu13 die Dampfung fur Frequen- zen im Gigahertzbereich durch Erwarmung erniedrigt werden. Die Impedanz von Wasser ist immerhin 1,5 . lo6 kgrn-,s-l, was ohne Lin- senanpassung trotzdem nur auf 3,6 % Trans- mission hhr t .

Neben Wasser sind auch flussiges Gallium (Schmelzpunkt 29,s "C) und flussiges Queck- silber als Kopplungsmedium benutzt worden. Das groi3e Problem ist hier die hohe Oberflachenspannung der Metalle. Linse und Probe werden schlecht benetzt. Ahnliche Probleme treten bei Wasser nur auf, wenn zu- vie1 Gas gelost ist: Luftblasenbildung an den Grenzflachen Linse-Wasser bzw. Objekt- Wasser. Fur flussigen Stickstoff mu13 ein enges Temperaturintervall zwischen 63,2 K und 77,4 K eingehalten werden, um einerseits die Bildung festen Stickstoffs und anderer- seits Sieden zu verhindern. Flussiges Helium besitzt unter 0,7 K auch fur Frequenzen im Gigahertzbereich eine zu vernachlassigende Dampfung (Tabelle 2). Eine Ortsauflosung von 20 nm ist damit bereits erreicht worden. Kryoflussigkeiten jedoch erfordern den Ein-

Pbysik in unserer Zeit / 19. Jahrg. 1988 / Nr. 1 21

Akustische Mej3methoden

bau des Mikroskops in einen Kryostaten, was ihren Einsatz nur fur spezielle Laboranord- nungen zulai3t. AuBerdem treten starke Nichtlinearitaten, wie Frequenzverdopplung etc. auf. Gase unter Druck (30 bar) zeigen im- mer noch hohe Dampfung, was zur Benut- zung niedriger Frequenzen zwingt. Wegen ihrer geringen Schallgeschwindigkeit (einige lo2 ms-I) liefern sie jedoch kurze Wellenlan- gen und damit schon bei 40 MHz eine Auflo- sung von 7 pm! Experimente rnit Argon sind bereits durchgefuhrt worden.

Die Bilderzeugung

Wie schon geschildert, erzeugt das Ultra- schallmikroskop das Bild nicht simultan in allen Punkten, sondern es baut das Bild Punkt fur Punkt rnit einem Abtastverfahren (Scan- ning) auf. Die an einem Ort detektierte Signalgroge erlaubt den Aufbau eines Bild- elementes (Pixel). Der Pixelabstand definiert den Scan-Schritt, er wird im allgemeinen gleich der Fokusbreite gewahlt. Diese wie- derum ist in etwa durch die Ultraschallwel- lenlange gegeben. Um die Pixelzahl zu nor- mieren, wird ublicherweise ein 512 x 512 Pi- xel-Bild bevorzugt. Damit ist das Gesichts- feld festgelegt. Fur 1 pm-Auflosung betragt es etwa 0,5 mm x 0,5 mm. Solch kleine Fla- chen mussen rnit einem optischen Mikroskop vorjustiert werden. Daher sollte der Ultra- schallkopf definiert ausschwenkbar sein und durch ein optisches Instrument ersetzt werden konnen.

Die Abtastgeschwindigkeit und damit die Zeitdauer, die zur Gewinnung eines Bildes aufzuwenden ist, hangt einerseits vom Bewe- gungsmechanismus des Scanners und zum anderen von der Impulswiederholungsfre- quenz ab. Da ein Bildpunkt mindestens 10 ps benotigt und 512 x 512 Bildpunkte aufzuneh- men sind, ist die Minimalzeit gleich 2,6 Se- kunden. Beriicksichtigt man die Bewegungs- geschwindigkeiten, so erhoht sich dieser Wert auf mindestens 10 Sekunden.

Fur kleine Scan-Felder setzt man oszillie- rende Abtast-Vorrichtungen ein. Dabei schwingt das auszumessende Objekt mit einer bestimmten Frequenz in einer oder auch in zwei Dimensionen hin und her. Die Schwingfrequenzen diirfen bei 512 Pixel pro Zeile und 10 ps je Pixel 100 H z nicht uberstei- gen. Fur die zweite Dimension oder bei gro- i3eren Scan-Feldern (geringere Auflosung und niedrigere Ultraschallfrequenzen) werden Abtasteinheiten mit Schrittmotoren be-

nutzt. Sie konnen uber Computer angesteuert werden. Die Bildentstehung dauert dann ent- sprechend Ianger und mui3 mit einigen 100 Sekunden angesetzt werden. Wahrend bei kleinen Scan-Feldern mit einem Tropfen Kopplungsmedium (2. B. Wasser) gearbeitet wird, ist fur groi3e Felder (z. B. 5 cm x 5 cm) bereits ein kleines wassergefiilltes Becken erforderlich.

Probe und Justierung

Die zu untersuchende Probe kann entweder auf der Oberflache, im Inneren oder auf der Riickseite mit dem Ultraschallmikroskop analysiert werden. Sie mui3 so auf dem Scan- ner fixiert werden, dai3 sie wahrend des Scan- Vorgangs (Beschleunigungen!) ortlich stabil ist. Sie darf ferner vom Kopplungsmedium nicht verandert werden. Ein weiterer wesent- licher Gesichtspunkt ist die horizontale Ju- stierung. Sie ist notwendig, weil sich sonst die reflektierten Mei3signale mit der Scanposi- tion zeitlich verschieben. Aui3erdem ist bei kleinen Abstanden (Dampfung bei hohen Frequenzen) die Gefahr der Beriihrung zwischen Ultraschall-Linse und Probe gegeben. Dies setzt entsprechende Moglichkeiten der waagerechten Justierung fur die Scan-Einheit voraus. Untersucht man das Innere oder gar die Riickseite der Probe, so ist eine moglichst glatte und ebene Oberseite wichtig, da sonst die Intensitat des Nutzsignals von Oberfla- chenstrukturen moduliert wird. Diesen Ef- fekt kann man naturlich auch benutzen, um Vorder- und Riickseite gleichzeitig - wenn auch beide mit unterschiedlicher Scharfe - abzubilden. Abbildung 5 zeigt die so gewonnene Aufnahme eines 10 Pfennig-Stucks. Sto- rungen im Inneren der Probe bilden sich selbstverstandlich auch ab. Sie sind bei Unter- suchungen der Ruckseite unerwunscht. Das an solchen Inhomogenitaten reflektierte Si- gnal kann jedoch wegen seiner anderen Lauf- zeit erkannt und ausgeblendet werden. Eine Intensitatsmodulation bleibt und beeintrach- tigt den Kontrast. Sie kann eventuell durch Korrektur mit Hilfe des direkten Signals von der Storung eliminiert werden. Dies mug dann bei der Bildverarbeitung geschehen.

Bildverarbeitung

Die modernen Methoden der Elektronik er- lauben die Speicherung der gewonnenen U1- traschallbilder und die nachfolgende Bildver- arbeitung. Sie geschieht digital fur jedes Pixel. Falschfarbendarstellungen, Kontrasterho- hungen, Extraktion von Mittelwerten und

22 Pbysik in unsww Zeit / 19. Jahrg. 1988 / Nr. 1

Akustische MeJj’methoden

Abb. 5. Abtastung eines 10-Pfennig-Stuk- kes durch ein 50 MHz-Ultraschall-Mikro- skop. Vorder- und Ruckseite sind deutlich erkennbar.

Abb. 6. Beispiele fur V(z)-Kurven, a) fur Glas und b) fur Aluminium. Deutlich sind die ausgepragten Oszillationen fur negative z, d.h. fur eine Verkleinerung des Ab- ’

standes Objekt-Linse, zu erkennen. Beide Kurven gelten fur Wasser a h Kopp- lungsmedium. Fur v = 237,5 MHz kann die Skala fur Glas direkt in pm gelesen werden.

Abb. 7. Strahlenmodell fur die Kontrast- entstehung durch Rayleigh-Wellen. Liegt das Objekt in der Fokalebene, so wird nur die Xnderung der Reflektivitat rnit dem Ort bestimmt. 1st die Probe aber bei negati- ven z-Werten und ist die numerische Aper-

Abb. 8. Oberprufung der Periode 6z = (C,) durch das Experiment. Die durchgezogene Kurve stellt die Theorie dar, die Punkte sind MeQwerte: 1: Wolfram, 2: GaAs, 3: Glas, 4: Aluminium, 5: Amorpher Quarz, 6: LiNbO,, 7: Kristalliner Quarz, 8: Silizium (Ill-Richtung), 9: Silizium (100-Rich- tung), 10: A1,0, und 11: Beryllium; MeQfre- quenz: 350 MHz, Kopplungsmedium: Was- ser.

Die additive Konstante n ruhrt von der Um- wandlung der Welle im Kopplungsmedium in die Rayleigh-Welle und zuriick her. Der Gangunterschied Az(z) ergibt sich geome- trisch aus der Abbildung 7 zu:

Az=2~-2z/cos8, +2z.tg BR.sin 0,. (3)

Dabei ist vorausgesetzt, dai3 jeder Schallstrahl von der Linsenoberflache bis zum Brenn- punkt gleiche Wege zurucklegt. Der erste Term auf der rechten Seite kommt vom direkt reflektierten Strahl (Weg 4), der zweite Term entspricht den in der Abbildung 7 mit (2) be- zeichneten Wege und der dritte Term beschreibt den Weg der Rayleigh-Welle (3). Der Faktor sine, ruhrt von der geanderten Wel- lenlange her. Dies wird durch den Faktor

gegeben. Dafur gilt aber nach dem Bre- tur der Lime so grol3, dai3 der Grenzwinkel fiir Totalreflexion 8, erreicht wird, dann

chenreflektierten und dem uber die Ray- leigh-Welle reflektierten Strahlen auftre- ten. (Gangunterschied fur -z s. Text.)

chungsgesetz

kann Interferenz zwischen dem oberfla- dium-Probe uberschritten werden. Das fuhrt, E = sine, ( 5 ) (Informationskasten I), durch Modenkonver- sion zur Anregung von Rayleigh-Wellen an der Probenoberflache. Deren Ausbreitungs- geschwindigkeit cR ist materialabhangig.

im Grenzfall der Totalreflexion (siehe Infor- mationskasten I). Durch Einsetzen von Glei- chung 3 in Gleichung 2 folgt schlief3lich

Bilduberlagerungen sind einige Moglichkei- ten, die sich hier bieten. Eine gute Software ist aber dazu unerlaBlich.

Kontrast und Tiefenmessungen

Durch Variation des Abstandes zwischen der Oberflache der Probe und der Linse kann der Fokus der Linse auf verschiedene Tiefenbe- reiche der Probe eingestellt werden. Die zu verandernde Koordinate heii3t in diesem Fall traditionell z. Setzt man den Fokus auf die Oberflache, so wird diese vermessen. Den Strahlengang zeigte bereits Abbildung 1. Die reflektierte Intensitat ist dann ein Mag fur die akustische Oberflachenbeschaffenheit.

Es gibt nun eine Methode, die den Kontrast zu steigern und die sogar das Oberflachen- Material zu erkennen gestattet. Dazu wird der Abstand Probe-Linse verkleinert, der Fo- kus also unter die Probenoberflache gesetzt. Das bei dieser Abstandsvariation gemessene Signal heii3t in der Literatur V(z). Dabei mui3 die numerische Apertur A - also das Verhalt- nis Durchmesser zu Brennweite - der Linse grog sein. A liegt ublicherweise nahe bei eins. In diesem Fall kann der Grenzwinkel der To- talreflexion 8, an der Grenze Kopplungsme-

Rayleigh-Wellen wandeln sich wahrend der Ausbreitung entlang der Grenzflache Kopp- lungsmedium-Probe wieder teilweise in Dichtewellen im Kopplungsmedium um (leaky Rayleigh-waves). Diese Wellen interferieren nun mit den direkt reflektierten Wellen aus dem Bereich 8 < 8, und geben so ein os- zillierendes Signal V(z). Die Oszillationspe- riode ist offensichtlich vom Oberflachenma- terial abhangig. Zwei experimentelle Kurven sind in Abbildung 6 wiedergegeben. Der eben beschriebene Sachverhalt kann in einem Mo- dell erlautert werden. Dazu betrachtet man den in Abbildung 7 skizzierten Strahlengang. Der unter 8, einfallende Strahl regt die Ray- leigh-Welle an. Nur gewisse, der von ihr unter 8, wieder emittierten Strahlen konnen die Linse ohne destruktive Interferenz passieren (Strahl3). Alle anderen Strahlen (3a, 3b) werden aufgrund der Linseneigenschaften im piezoelektrischen Detektor weginterferiert. Die Interferenz des Strahls 3 tritt mit dem direkt reflektierten Strahl 1 (8 = 0) auf. Alle anderen Strahlen, auch die mit 8 > 8,, tragen letztlich nicht zur Signalbildung bei. Die ge- samte Phasendifferenz A@(z) zwischen den beiden Strahlen 1 und 3 ist dann:

A@(z) - k . Az(z) + ~t (k = 2x/h). (2)

A@(z) = 2 . k . z 11 - cos8,) + x. (6)

Die Interferenz fiihrt zu einer Oszillation des Signals V(z). Die Periode 6z dieser Oszilla- tion ergibt sich fur eine Anderung von A@(z) um 2x, 2.B. aus 2x = A@ (6z) - A@ (0) zu:

(7) h - 2x 6z = 2k (i-cose,) 2 (i-cose,) .

Hier ist h = Zz/k die Wellenlange des Ultra- schalls im Kopplungsmedium. Die Periode 6z hangt also vom Grenzwinkel der Totalrefle- xion 0, ab, der materialspezifisch ist (siehe Tabelle 3).

Abb. 8 vergleicht gemessene Oszillationspe- rioden mit der Rayleigh-Wellen Geschwin- digkeit cR. Die Groi3e cos0, - (1 - (C~/C, )~) ’ /~ wurde dazu aus den Gleichungen 4 und 5 be- rechnet und in Gleichung 7 eingesetzt.

Diese Interpretation gilt fur eine groi3e Aper- tur der Linse; solange also der Grenzwinkel der Totalreflexion 8, erreicht wird und Ray- leigh-Wellen entstehen. 1st dies nicht der Fall, dann entfallt die Interferenz, es wird neben dem Oberflachensignal auch, wie beschrieben, das Tiefensignal empfangen.

Physik in umerer Zeit / 19. Jahrg. 1988 / Nr. 1 23

Akustische MeJ3rnethoden -

Inforrnationskasten 11:

Fokussierung des Ultraschalls

Auf der Grundlage des Brechungsgesetzes ist, wie in der Optik, eine Fokussierung der Ultraschallstrahlen rnit Hilfe von Lin- sen durchfuhrbar. Dabei sind im allgemeinen die Linsen aus einem Material mit ho- hcrcr Schallgeschwindigkeit als die im um- gebcnden Medium gefertigt. Sie wirken dann '11s Samniellinsen, wenn sie cine kon- kavc Oberflache haben (siehe Abb. 11.1) . Aus der Tatsache, daR sich die Geschwin- digkeit des Schalls in den verschiedenen Ausbreitungsmedien um rnehr als den Faktor 10 untcrscheiden kiinnen, folgt eine sehr vie1 griiRere Linsen-,,Brechkraft" als in der Optik ublich. Daher hat bereits die sphirisch gcschliffene Flache einer einzigen Linse fur achsenparallele Ultra- schallstrahlen die Eigenschaft, sie rnit au-

.13erst kleinen Offnungsfehlern (,,spharische Aberration" genannt) zu bundeln. Der Fokus ist dabei nur wenig vom Mittel- punkt des Kriimmungsradius der Linsen- oberfliche entfernt. Somit 1aRt sich die Oberflache einer Probe mittels diescr Linsen hochaufgelost abta- sten. Der Durchrnesser des Fokusfleckes d ist abhingig von der Wellenlange h und den1 Offnungsverhaltnis D/f (D: Linsen- durchrnesscr, f: Brennweite): d = h f/D. ( 1 1 . 1 ) Untcrsucht man jedoch mit diesen spharischen Linsen Volumina, d. h. mochte man tiefer gelegene Ebenen in Proben abbil- den, tritt nun der erwahnte Abbildungs- fehler der spharischen Aberration in mas- siver Form auf wie in Abbildung 11.2 gezeigt wird. Abhilfe ist im wesentlichen durch zwei MaRnahmen moglich:

Verzicht auf groRen Offnungswinkel und darnit hohes Ortsauflosungsvermo- gen. Diese MaRnahme ist jedoch auch aus

einem anderen Grund erforderlich: Die Randstrahlen mit schragern Auftreffwin- kel tragen wegen der Umwandlung in Rayleigh-Wellen irn erheblichen MaRe zur Kontrastbildung bei, tasten aber nur die Oberflache ab. 0 Konstruktion einer aspharischen Linse, bzw. eines Linsensystems, das genau an das zu untersuchende Problem angepagt sein rnuR. Bei der genauen Ermittlung der Fokus- lange einer Ultraschall-Linse reichen strahlengeometrische Betrachtungen allein nicht aus: Die Linsenoffnung verursacht Beugungseffekte, die beim Ultra- schall wegen des im allgemeinen kleinen D/h-Verhaltnisses besonders stark hervor- treten. Die Offnung der Linse allein - ohne zusatzliche refraktive Biindelung - verursacht irn Abstand

eine Einschnurung des Schallbundels. Die S, - D2/(4h) (11.2)

Abb. 11.1 Sammellinse fur Ultraschall. D Linsendurchmesser, f: Brennweite und d: Fokusdurchmesser. Die Ausbrei- t u n g der Schallwelle ist durch die fettge- druckten Pfeile veranschaulicht. Das Uffnungsverhaltnis ist D/f, der Uff- nungswinkel 8 = 2 arctg D/(2f). Abb. 11.2 Strahlenverlauf bei Fokussie- rung unterhalb der Probenoberflache. F Fokus ohne Probe. F' : ,Fokus" in der Probe. Bei Annaherung a n den Grenz- winkel fur Totalreflexion 8, tritt ein starker Abbildungsfehler auf.

Beugung verursacht im sogenannten Nah- feld (Fresnel-Zone) starke ortliche Schwankungen in der Schalldruckampli- tude, die erst nach der Nahfeldlange S, im Fernfeld (Fraunhofer-Zone) verschwinden. Die Druckarnplituden-Profile fur das Schallfeld hinter Linsen rnit verschiedenen Krurnmungsgraden sind in den Abbildun- gen 11.3 und 11.4 dargestellt.

Abb. 11.3 Ultraschall-Druckamplitu- den-Profil eines ebenen kreisformigen Schallsenders bei pulsformiger Anre- gung (Durchmesser D 15 mm; v = 2 MHz). Die Zahl der Schwingungen im Puls ist zwei. Die Einschnurung nach der Nahfeldlange S, = D2/(4h) ist deutlich zu erkennen. Die Kurven beschreiben gleichen Druckabfall bezogen auf den im gleichen Abstand herrschenden Achsendruck. Abb. 11.4 Dasselbe, wie Abb. 11.3, nur jetzt fur einen spharisch gekrummten, kreisformigen Schallsender vom Kriim- mungsradius a = 1,l . D2/(4h). Die Ein- schnurung (Fokus) liegt jetzt etwa bei S,/2. Die Fokusbreite d betragt bei 2 M H z ungefahr 2,5 mm (D2/(4h) x 7,5 cm).

I "r

I DL

24 Physik in unserer Zeit / 19. Jahrg. 1988 f Nr. 1

Akustische Mej3rnethoden

Dieses kann durch geeignete Wahl des Zeit- fensters zur Auswertung selektiert werden.

Zu beriicksichtigen ist allerdings die spharische Aberration bei der Brechung an der Pro- benoberflache (Informationskasten 11). Wie weit mit dieser Methode in die Probe ein- gedrungen werden kann, hangt von den Brechungseigenschaften Kopplungsmedium- Probe sowie von der Dampfung in der Probe ab. Zusatzlich spielt die Fokuslange der Linse im Kopplungsmedium eine Rolle.

Material Wellengeschwindig- keit/ms-'

CL CS CR

Aluminium Messing Chrom Konstantan Kupfer D u r a 1 u m i n Kronglas Flintglas Invar Eisen Gufleisen Magnesium Molybdan Nickel (unmag. weich) Nickel (unmag. hart) Niob Plexiglas Polystyren Quarz Silber Stahl Werkzeugstahl rostfreier Stahl Tantal Zinn Titan Wolfram Wolframkarbid Vanadium Zink

6374 4372 6608 5177 4759 6398 5660 5260 4657 5957 4994 5823 6475

5608

5814 5068 2700 2350 5970 3704 5960 5874 5980 4159 3380 6130 5221 6655 6023 4187

3111 2100 4005 2625 2325 3122 3420 2960 2658 3224 2809 3163 3505

2929

3078 2092 1330 1120 3765 1698 3235 3179 3297 2036 1594 3182 2887 3984 2774 242 1

2906 1964 3655 2445 2171 2917 3127 2731 2447 2986 2590 2930 3248

2722

2857 1970 1242 1047 3410 1592 2996 2945 3049 1902 1491 2958 2668 3643 2600 2225

Fur den Fall einer Linse rnit 5 cm Brennweite in Wasser und 3 mm Wasserstrecke ergibt sich in Aluminium eine Eindringtiefe (Fokus- lange) von 1,3 cm. Dies ist nochmals in Abbil- dung 11.2 des Informationskastens I1 demon- striert. Das reflektierte Signal im Fokus (Aus- wahl durch Zeitfenster!) ist dann ein Mag fur die Homogenitat der Probe oder fur die Form und Art der Ruckseite. Fur spezielle Falle - wenn die Ruckseite auf einem Material rnit noch hoherer Schallgeschwindigkeit sitzt - kann uber die Anregung von Rayleigh- Wellen an der riickseitigen Oberflache zu- satzlicher Kontrast erzielt werden.

Anwendungen

Zwei typische Beispiele eines Ultraschallmi- kroskops fur 1 GHz und 50 MHz stellt die Tabelle 4 gegenuber. Deutliche Unterschiede sind in der Auflosung, in der Bildgrofle und in der totalen Abtastzeit, zu sehen.

In welchen Bereichen kann nun das akustische Mikroskop eingesetzt werden? Wichtige Gesichtspunkte hierzu sind die raumliche Auflosung und der Mechanismus der Kon- trastentstehung. Wahrend die Auflosung im Normalfall - wie beschrieben - mit der des Lichtmikroskops konkurriert, ja in Extrem- fallen sogar bis auf 20 nm reduziert werden kann, ist die Dynamik im Kontrast wegen der Kopplung an die akustischen Eigenschaften der Materie der optischen Mikroskopie uber- legen.

Als erstes Anwendungsgebiet sei die Untersu- chung der Oberflachenstruktur kurz skiz- ziert. Wird Ultraschall auf eine Oberflache fokussiert, dann hangt die reflektierte Inten- sitat von den elastischen Eigenschaften der

Frequenz

Abb. 9. Untersuchung der Gefugestruktur eines Mangan-Zink-Ferrits bei 400 MHz. Die Langenskala ist angegeben. Die Auf- nahme wurde mit dem Ultraschall-Fokus 25 pm unter der Oberflache gemacht. Es wird eine Linse mit grofler Apertur ver- wendet (Uffnungswinkel: 12OO). Die An- regung von Rayleigh-Wellen liefert den Kontrast. [Olympus]

Gefugekorner ab. Der Kontrast kann aber stark erhoht werden, wenn die Apertur der Ultraschall-Linse die Anregung von Ray- leigh-Wellen erlaubt. Dies setzt dann allerdings eine Defokussierung bezuglich der Oberflache voraus, wie es bei den V(z)- Kurven beschrieben wurde. Da Rayleigh- Wellen materialspezifisch sind, ermoglicht diese Methode sogar die Analyse der Legie- rungszusammensetzung der Korner. Bei- spiele hierfur geben die Abbildungen 9 und 10.

Eine weitere Domane des Ultraschall-Mi- kroskops durfte der Nachweis von Sprungen und Rissen an und unter der Materialoberfla- che sein. Auch hier kann der Kontrast durch

1 GHz 50 MHz Linsenradius IOO pm (Saphir) Fokuslange 11 5 pm (Saphir) Oberflachenauflosung M 1 pm Pulslange 100 ns Pulswiederholungsfrequenz 200 kHz Dynamikbereich 60 dB (6OoC) Linienscan 50 Hz

Bildgrofle M 100-700 km2 Abtastfrequenz M 10-70 kHz

Totale Abtastzeit 5-50 s

3 mm (Quarz) 4 mm (Quarz) M 22 pm

300 ns 25 kHz

80 dB (25OC) 0,25 Hz

10-20 min = 2-15 mm2 % 50-500 HZ

Physik in umerer Zeit / 19. Jahrg. 1988 / Nr. 1 25

Akustische Mefirnetboden

26 Physik in unserer Zeit / 19. Jahrg. 1988 / Nr. 1

Aktrstische Mej'methoden

Abb. 10. Aufnahme der Gefiigestruktur von reinem Eisen (99,99%) nach Tempe- rung bei 950 O C . Die Frequenz betrug 600 MHz, die Fokustiefe 10 pm und es wurde Rayleighkontrast benutzt (Uffnungswin- kel: 120'). Als Kopplungsmedium diente NaOH in 0,l n-Losung. [Olympus]

Abb. 11. Untersuchung von Oberflachen- schaden. Darstellung eines Sprungs in einem Bornitrid-Schneidewerkzeug. Die Aufnahme ist mit Rayleigh-Kontrast bei z = - 250 pm gewonnen [VG].

Abb. 12. Mit 30 MHz, Uffnungswinkel = 40' wurden die Drahtzufuhrungen eines in Kunststoff eingebetteten ICs untersucht. Deutlich sind die Anbindungen zu den auf3eren Fiif3en zu erkennen [Olym- pus].

Abb. 13. Durch unterschiedliche Tiefenein- stellungen des Ultraschallfokus lassen sich mehrere Tiefenprofile aufnehmen. Dies ist hier fur den in a) gezeigten IC (optische Aufnahme) dargestellt: b) Zuleitungsebene, c) unterhalb Zuleitungsebene und d) Ebene auf Hohe der Kontaktstifte. [Hitachi]

Abb. 14. Ultraschallaufnahme der Klebe- verbindung eines Halbleiter-Plattchens mit der Warmesenke [VG].

Abb. 15. Klebeverbindung eines Halbleiter- chips auf der Warmesenke. a) Akustische Oberflachenaufnahme, die Ablosung ist nicht erkennbar und b) akustische Tiefen- Aufnahme. Die seitlich sichtbaren Intensi- tatsverlaufe zeigen das Resultat einer Li- nienabtastung durch die Mitte in x- und y-Richtung. Diese Intensitaten werden in Graustufen umgesetzt [Hitachi].

Abb. 16. Ultraschall-Untersuchung einer Al-beschichteten Polymerfolie, die auf Glas geklebt wurde. Die Dicke der Folie betrug 1 mm. a) Aufnahme mit z = 0, 200 MHz und b) mit z = - 400 pm, 100 MHz. Die Klebestellen sind deutlich zu sehen [Leitz].

Abb. 17. Die Schaltungsplatinen elektroni- scher Anlagen sind rnit Fiberglas verstarkt. Ein solches Fiberglas-Gewebe zeigt die mit 200 MHz (Uffnungswinkel: 120') gewonnenen Aufnahmen dieser Abbildung. Bei einer Fokustiefe von 140 pm tritt das Ge- webe deutlich hervor [Olympus].

Abb. 19. Untersuchung lebender Zellen in waflriger Losung. Die Aufnahme wurde bei 400 MHz rnit einem Uffnungswinkel von 12oo durchgefiihrt [Olympus].

Ausnutzung der Interferenz zwischen den direkt reflektierten Ultraschallwellen und den uber die Rayleigh-Wellen reflektierten Anteil erhoht werden. In Abbildung 11 ist der Sprung in einem Schneidewerkzeug deutlich zu erkennen. Die Abhangigkeit der Auflo- sung von der benutzten MeBfrequenz ist in Abbildung 2 illustriert. Bei 2 GHz sind Fehler im Bereich von Fm zu erkennen.

Die Tiefenprofil-Analyse eines Objekts auf Defekte wurde bereits erlautert. Hierzu mu8 eine Lime kleiner Apertur benutzt werden, damit die Totalreflexion - Rayleigh-Wellen Anregung - vermieden wird. Je nach Fokus- einstellung konnen verschiedene Tiefenpro- file abgerastert werden. Die Auflosung ist wegen der spharischen Aberration beim Uber- gang Kopplungsmedium - Objekt umso bes- ser, je kleiner die Apertur ist - jedoch auf Ko- sten der Ortsauflosung. Messungen an IC's zeigen die phantastischen Moglichkeiten des SAM bei der Untersuchung von Mehrschicht- systemen, dokumentiert durch die Abbildun- gen 12 und 13.

Im Extremfall kann der Linsenfokus auf die

Abb. 18. Oberflachenaufnahme eines glas- verstarkten Polyamids. Die Meafrequenz betragt 1 GHz. a) Obersichtsaufnahme mit einer Bildbreite von 200 pm. Die Ring- strukturen in der Umgebung der Glasfa- sern sind Schallinterferenzen an den abtau- chenden Glasfasern. Sie ermoglichen die Bestimmungen ihres Einbauwinkels. b) Detailaufnahme mit 63 pm Bildbreite. Die mittlere Faser ist teilweise von der Matrix abgelost (Pfeil) [Leitz].

Ruckseite des Probenmaterials eingestellt werden. Damit ist die zerstorungsfreie Unter- suchung der Kopplung einer Probe an ein Tragermaterial moglich. Dies wird zur Uber- wachung des Klebens oder Bondens von Halbleiterchips auf eine Warmesenke eingesetzt. Resultate, gewonnen mit dem akustischen Mikroskop, demonstrieren die Abbil- dungen 14, 15 und 16. Deutlich ist die inho- mogene Verbindung zu erkennen. Diese Me- thode erlaubt Metall-Metall-, Metall-Ke- ramik-, Metall-Halbleiter-Verbindungen sowie die Adhasion beliebiger Komponenten zu analysieren.

Weitere Einsatzbereiche betreffen Polymere, dabei speziell solche, die durch Fasern verstarkt sind (FRP: Fiber Reinforced Poly- mers). Hier interessiert vor allem die Vertei- lung der Fasern sowie die Starke der Bindung zwischen den Fasern und dem Basispolymer. Wahrend das Lichtmikroskop nur die Ober- flache wahrnimmt, erfai3t das SAM auch die Tiefe. Abbildung 17 illustriert diese Moglich- keit anhand eines gewebeverstarkten Kunst- stoffes und Abbildung 18 gibt die Resultate der Untersuchung eines Polyamids, das mit Glasfasern verstarkt ist, wieder. Deutlich ist in einem Fall die Trennung zwischen Fasern und Matrix zu erkennen.

Weiterhin eignet sich das akustische Mikro- skop auch fur biologische Objekte. Im Ge- gensatz zur optischen Mikroskopie mussen die Proben nicht angefarbt werden. AuBer- dem konnen sie in wassriger Losung (Kopp- lungsmedium!) studiert werden. Die Ultra- schall-Intensitat ist so schwach, daB hiervon keine Schadigung zu erwarten ist. Als Beispiel seien Aufnahmen von Zellen gezeigt (Abbil- dung 19). Aber auch lebende rote Blutkorper- chen und Makrophagen sind bereits unter die ,,akustische Lupe" genommen worden.

Die wenigen vorgestellten Beispiele stellen naturlich nicht die vollstandige Skala der denkbaren Einsatzgebiete dar. Sie geben aber einen Eindruck von Auflosungsvermogen und Kontrast, die bei geeigneter Wahl der Linsenparameter, der Fokuslage und der Fre- quenz erreichbar sind. Das Scanning Acou- stic Microscope (SAM) bildet daher eine we- sentliche Erganzung der bisher bekannten mikroskopischen Methoden und wird in Zu- kunft fur die zerstorungsfreie Untersuchung von Bauteilen der Mikromechanik und der Mikroelektronik, sowie fur Medizin und Bio- logie, zu einem unentbehrlichen Hilfsmittel werden.

Pbysik in umerer Zeit / 19. Jabrg. 1988 / Nr. 1 27

Akustische Mej3metboden

Wir danken den Firmen VG Semicon/East Grinstead/UK, Olympus Optical Co (Europa) GmbH/ Hamburg, Ernst Leitz Wetzlar GmbH/Wetzlar und Hitachi Construction Machinery Co Ltd. Tokio/Japan, die uns freundlicherweise Bildmaterial zur Verfugung gestellt haben.

Literatur

S. Sokolov, Dokl. Akad. Nauk SSSR 64,333 (1 949).

M. Nikoonahad, Contempt. Physics 25, 129 (1 984)

M. Hoppe, A. Atalar, W. J. Patzelt, A. Thaer, E. Leitz GmbH Wetzlar 1985

C. F. Quate, A. Atalar, H. K. Wickrama- singhe, Proceedings of the IEEE 67/8, 1092 (1 979)

A. Briggs, An Introduction to Scanning Acoustic Microscopy, Oxford University Press Oxford 1985

B. Hadimioglu, J. S. Foster, J. Appl. Phys. 56, 1976 (1984)

H. K. Wickramasinghe, J. Micros. 129, 63 (1983)

C. R. Petts, H. K. Wickramasinghe, Electr. Letters 16, 9 (1980)

R. A. Lemons, C. F. Quate, Appl. Phys. Let- ters 24, 160 (1 974)

R. A. Lemons, C. F. Quate in Physical Acou- stics, Eds. W. P. Mason, R. N. Thurston, Vol. 14, p. 1-92 Academic Press London 1979

W. Parmon, H. L. Bertoni, Electron. Lett. 15, 684 (1979)

H. L. Bertoni, IEEE Trans. SU-31, 105 (1 984)

R. S. Gilmore, K. C. Tam, J. D. Young, D. R. Howard, Phil. Trans. Roy. SOC. Lond. A320, 215 (1986)

J. Krautkramer, H. Krautkramer, Werkstoff- priifung mit Ultraschall, 5te Auflage, Sprin- ger Verlag Berlin 1986

28

Holographie

Gerhard Neubert

Holographie Die Idee der Holographie (griechisch: holos = ganz, vollstandig, graphein = schreiben, aufzeichnen, sehen) von Dennis Gabor (1948) beruht darauf, Amplitude und Phase einer Welle zu registrieren. Dies geschieht durch Uberlagerung der aufzuzeichnenden Welle mit einer koharenten Referenzwelle. Das dadurch entstandene Interferenzbild wird auf einer Photoplatte registriert. Bestrahlt man diese nach der Entwicklung mit der gleichen koharenten Referenzwelle aus derselben Richtung wie bei der Aufnahme, so wird das gespeicherte Wellenfeld rekonstruiert. Dieses Wellenfeld entspricht dem raumlichen Bild des aufgenommenen Gegenstandes.

Aufnahme eines konventionellen Hologrammes

Bei der Aufnahme eines Laser-Transmissions- Hologrammes (Abbildung 1) wird der von einem Laser kommende koharente monochro- matische Lichtstrahl mit Hilfe eines halb- durchlassigen Teilerspiegels in zwei Strahlen geteilt. Der Objektstrahl beleuchtet das Ob- jekt; jeder beleuchtete Punkt des Gegenstan- des kann als Ausgangspunkt einer Kugelwelle betrachtet werden [I]. Alle diese Kugelwellen uberlagern sich nun mit der Referenzwelle, dem zweiten Strahl, in der Ebene einer Pho- toplatte. Das auf ihr entstandene Interferenz- muster enthalt die Information uber das Wel- lenfeld des Gegenstandes. Bei der Aufnahme ist zu beachten, dai3 beide Strahlen gleich- lange Wege zurucklegen, bevor sie interferieren (Koharenzbedingung), und daB die Appa- ratur erschutterungsfrei aufgebaut ist.

Bestrahlt man die Photoplatte nach der Ent- wicklung mit der gleichen Referenzwelle aus derselben Richtung wie bei der Aufnahme, so wird das gespeicherte Wellenfeld rekonstruiert. Das dreidimensionale virtuelle Bild des Gegenstandes erscheint an der Stelle des Gegenstandes bei der Aufnahme.

Regenbogenhologramme

Stephen Benton entwickelte 1969 eine neue Technik, mit der es moglich wurde, Holo- gramme mit weif3em Licht zu beleuchten [2]. Dem Betrachter erscheint dann das Bild des aufgenommenen Objektes - je nach Blick- richtung - in einer Farbe des Regenbogens. Ein solches Regenbogen-Hologramm wird in zwei Schritten hergestellt: Zuerst wird nach dem schon beschriebenen Verfahren ein Ho- logramni des Objektes aufgenommen. Dieses sogenannte Masterhologramm wird dann mit

Regenbogen- oder We$lich&ologramme schil- lern beim Verkippen in der Vertkalen in allen Farben, das eigentliche '3-0' Bild la$t sicb beim Drehen in der Horizonden beobacbten.

dem konjugierten Referenzstrahl beleuchtet, also jenem Strahl, der mit dem urspriinglichen Referenzstrahl identisch ist, aber entge- gengesetzt gerichtet [3]. Dadurch erscheint anstelle des virtuellen Bildes das reale Bild des Objektes scharf und stark.

Statt des konjugierten Referenzstrahles kann auch der ursprungliche Referenzstrahl benutzt werden; es mui3 aber, um die gleiche Wirkung zu erzielen, das Masterhologramm um 180' gedreht werden (Abbildung 2). Die- ses so beleuchtete Masterhologramm wird bis auf einen schmalen Schlitz abgedeckt.

In die Ebene des realen Bildes wird dann eine Photoplatte gebracht. Auf dieser interferieren nun eine Referenzwelle und die Gegenstands- welle vom Schlitz und Masterhologramm. Dabei wird jetzt das Bild des Objektes und das Bild des Schlitzes aufgenommen. Be- leuchtet man diese Photoplatte nach dem Entwickeln wieder rnit dem konjugierten Re- ferenzstrahl bzw. mit dem urspriinglichen Strahl bei um 180' gedrehter Platte, so erscheint das reale Bild des Schlitzes (Abbil- dung 3). Nur durch dieses hindurch kann das Objektbild betrachtet werden.

Da die Augen jeweils ein Bild von einem anderen Standpunkt aus empfangen, entsteht der Eindruck von raumlicher Tiefe. Jedoch wird durch den Spalt nur die sogenannte horizontale Parallaxe erhalten, d.h. bei einer Be- wegung der Augen nach links oder rechts wird dieser raumliche Eindruck erreicht, nicht aber bei einer Bewegung nach oben oder unten. Bestrahlt man nun dieses Hologramm mit Licht von verschiedenen Wellenlangen, so entsteht durch die Wirkung des Hologram- mes als Gitter fur jede Wellenlange ein Bild des Schlitzes. Diese Bilder sind vertikal ge- geneinander verschoben (Abbildung 4). Durch jedes dieser Schlitzbilder hindurch sieht man nun das Objektbild in der jeweili- gen Farbe, die der Wellenlange des zugehori- gen Schlitzes entspricht. Erfolgt die Bestrah- lung mit weii3em Licht, also vielen Wellenlan- gen, so erscheint das Objektbild in der Farbe, die dem Schlitz entspricht, durch den mange- rade schaut. Bewegt man nun den Kopf vertikal, so sieht man das Bild nacheinander in den Farben des Regenbogens: oben rot - unten violett.

Durch die zusatzliche Aufnahme des Schlit- zes wird also ein KompromiB erzielt: Der raumliche Eindruck wird auf die Horizontale beschrankt, doch dafur kann das Holo-

Pbysik in unserer Zeit / 19. Iahrg. 1988 / Nr. 1 0031-9252/88/0101-0028 $ O2.r0/0 0 VCH Verlagsgesellscbafi A H , 0-6940 Weinbeim, 1988

das ultraschall-raster-mikroskop

Documents