扫描近场超声波全息方法及系统技术方案

一种对样品表面采用扫描近场超声波全息术（４７）方法以对其弹性和黏弹性变化成像的高空间分辨率相敏技术。扫描近场超声波全息术（４７）使用近场方法来测量样品表面（１２）超声振动的时间分辨变化。因其去掉了传统的相位分辨声学显微镜（如全息）所需要的远场声学镜头而克服了其空间分辨率限制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种高空间分辨率相位敏感技术。
技术介绍
公知的声学显微镜被用来对诸如集成电路(Integrated Circuit, IC )结构等 的结构成像，其空间分辨率w由下式给出/，这里"9是耦合媒质中的声度，/是声波/超声波的频率，^4是镜头的数值 孔径。若频率为lGHz，其空间分辨率理论上可达到约1.5pm。此外，在获得高分辨率方面，声学显微镜还存在其它两个主要障碍(1 )阻抗失配和与/2成 正比的耦合流体衰减。用于非破坏性力学成像的更高分辨率的可选方案包括原子力显《敖镜(Atomic Force Microscope, AFM)或扫描探针显微镜(ScanningProbe Microscope, SPM)平台。这方面的例子包括由P. Maivald, H丄Butt，S.A.C.Gould, C.B. Prater, B. Drake, J.A. Gurley, V.B. Elingshe和RK. Hansma在Nanotechnology 2, 103 ( 1991 )里提出的力调制显樣i术(Force ModulationMicroscopy, FMM);由U. Rabe和W. Arnold在Appl. Phys. Lett. 64， 1423( 1994 )里提出的超声AFM;由O.V. Kolosov, K. Yamanaka在Jpn. J. Appl. Phys. 32， 1095(1993)中提出的超声力显微术(Ultrasonic Force Microscopy, UFM);以及G.S. Shekhawat, O.V, Kolosov， GA.D. Briggs, E.O. Shaffer, S. Martin和R. Geer发表在the Material Research Society, Symposium D, April 2000并出片反在Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol. 612 (2001 ) pp. l.的 Nanoscale Elastic Imaging of Aluminum/Low-k Dielectric Interconnect Structures; 由G.S. Shekhawat, G.A.D. Briggs, O.V. Kolosov和R.E. Geer发表在Proceedings of the International Conference on Characterization and Metrology for ULSI Technology, AIP Conference Proceedings. (2001) pp. 449的Nanoscale elastic imaging and mechanical modulus measurements of aluminum/low-k dielectric interconnect structures; 由G.S. Shekhawat, O.V. Kolosov, G.A.D. Briggs, E.O. Shaffer, SJ. Martin, R.E. Geer 在 Proceedings of the IEEE International Interconnect Technology Conference, 96-98， 2000里^是出的；由K. Yamanaka和 H. Ogiao在Applied Physics Letters 64 (2), 1994里提出的；由K. Yamanaka, Y. Maruyama, T. Tsuji在Applied Physics Letters 78 (13), 2001里提出的；由K.B. Crozier， G.G. Yaralioglu, F.L. Degertekin, J.D. Adams， S.C. Minne和C.F. Quate在 Applied Physics Letters 78 (14)， 2000里提出的。这些方法中的每一种方法都传 统地对样品表面的静态弹性属性敏感。近来在原子力显微镜方面取得的进展包括超声频率(MHz )振动对所研究 样品的应用和在同样高频率下对探针的振幅偏差的非线性检测。在此情况下， 原子力显微镜也常称为超声力显微镜，其所使用的超声频率要比显微镜悬臂的 谐振频率高得多。超声力显微镜充分利用了探针与样品表面距离间原子力的强 非线性相关性。由于该非线性，当样品表面被一超声波激励，由于装有探针的 悬臂对超声振动具有动态刚性，探针与表面的接触会对该超声振动作出调整。 由此，超声力显微镜能够对那些在纳米尺度分辨率下使用常规技术手段无法可 视的样品的动态表面翻弹性、弹性、粘附现象以及局部物质构成成像或测图。超声显微术的缺点是它仅测量由超声感应产生的悬臂振动的幅度，并且， 在样品很厚和具有非常不规则的表面或具有较高的超声衰减性能时，只能产生 较低的表面振动幅度。在此情况下，其振动幅度可能低于显微镜的敏感阈值， 此时，测量将不能实现。而且，因测量时没有对样品作任何横切，这使上述技 术中没有一种技术对声波相位测量具有高分辨率，而声波相位对表面下弹性成 像和辨认处于表面下的深度缺陷是非常敏感的。由非线性探针与样品间相互作用而引起的平面外(out-of-plane)振动会使探针与样品表面产生强烈的弹性接触。超声力显微术(Ultrasonic Force Microscopy, UFM)采用同样的方式，它利用幅度分量而不是相衬。如果非线 性存在于该系统里，绝大部分相村将来自表面而不是表面/表面下相衬。此外， 非线性探针与样品相互作用对软体物质或许不会有效果。另外，使用UFM, 可用少许表面下对比获得高力学对比。
技术实现思路
本专利技术涉及一种高空间分辨率相位敏感技术，其釆用扫描近场超声全息术 方法对样品隐埋的或其它表面下的结构或变化成像。扫描近场超声波全息术 (Scanning Near Field Ultrasound Holography, SNFUH) <吏用近场方法来测量样 品表面超声振动的时间分辨变化。因其去掉了传统的相位分辨声学显微术(即， 全息)所需要的远场声学镜头而克服了其空间分辨率限制。本专利技术装置基本的静态和动态纳米力学成像模式是基于利用双频超声全 息术的纳米尺度黏弹性表面和表面下(例如，隐埋式纳米结构)成像。本专利技术 的扫描近场超声技术是，在超声/微波频率下使悬臂式探针与样品均振动。探 针与样品间相互作用的接触、软接触和近接触模式使两个超声振动之间的表面超声波信号提取成为可能。对表面声波驻波的相位和振幅的扰动可局部地被SPM的声波天线通过锁 定和SNFUH电子模块而检测到。当样本声波受到隐埋特征的扰动，表面声波 驻波由此而产生的，尤其是相位方面的变化，将被SPM的悬臂有效地检测到。 从而在近场体系(其享有极好的空间分辨率)内，声波(沿其传播路径，其是 非破坏性和对力学/弹性变化敏感的)的相位和振幅，被SPM的声波天线逐点 地充分解析。由此，当样品:被扫过， 一幅样本声波的扰动表示图被记录和显示 出来，为样品的内部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于表面和表面下成像的扫描近场超声全息方法，包括：以第一超声频率振动悬臂探针；以第二超声频率振动样品；检测该悬臂探针与该振动样品交换作用而产生的运动以提供探针偏转信号；和使用锁定检测提取与该样品的表面和表面下有关的表面声波ＳＡＷ的振幅和相位信息。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：加金德拉谢卡瓦特，维纳亚克P德拉维，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]