Brevet FR2570199A1 — publié le 19860314

Microscope acoustique pour analyser un objet en profondeur comportant les lentilles asphériques La présente invention a pour objet un micros- cope acoustique permettant d'analyser un objet en pro- fondeur, comportant des lentilles asphériques. Ce microscope permet d'observer sans dommage et en profondeur des structures de matériaux et notam- ment des structures de circuits intégrés en microélec- tronique et de cellules biologiques. Dans le cas de la microélectronique, le microscope acoustique permet, sans destruction, de tester des composants électroni- ques, réalisés par exemple sur une même pastille de silicium, à tous les stades de leur élaboration; il permet notamment de localiser les défauts de ces compo- sants, dans des plans parallèles à la surface de la plaquette et ce, aussi bien à la surface qu'à l'inté- rieur de ces composants. De même, compte tenu du carac- tère non destructif du microscope acoustique, il est possible d'observer, sans coloration, un prélèvement de tissu et d'apporter ainsi un diagnostic rapide quant à l'état de ce tissu. Le microscope acoustique peut aussi être uti- lisé en micrométallurgie pour observer avec précision l'orientation relative des cristaux et déterminer leur limite sans effectuer au préalable de polissage ou d'attaque chimique ainsi que pour analyser les défauts (microfailles, cassures) à l'intérieur de ces cristaux. Le principe de fonctionnement des microsco- pes acoustiques s'inspire beaucoup de celui des micros- copes optiques. Ce principe a notamment été décrit dans un article de Applied Physic Letters vol. 24, n 4, février 1974 de R. A. LEMONS et C.F. QUATE. Les microscopes acoustiques connus sont constitués, entre autres, d'une lentille de focalisa- tion et d'uns lentille objectif de forme cylindrique, usinées chac-ne à l'une des extrémités d'un milieu de propagation acoustique, presentant la forme d'un bar- reau réalisé généralement en saphir. Les deux barreaux sont situés dans le prolongement l'un de l'autre. Par ailleurs, les points focaux des deux lentilles sont confondus. Une goutte de liquide tel que de l'eau, permet de relier les deux lentilles. A l'autre extrémité des barreaux est accolé un transducteur piézoélectrique. L'un des transduc- teurs permet d'engendrer des ondes ultrasonores à l'in- térieur de la goutte de liquide, dans laquelle est im- mergé l'objet à analyser, et l'autre transducteur de détecter les ondes ultrasonores transmises par l'objet. Un dispositif mécanique permet de déplacer l'objet dans le plan focal des deux lentilles, ce plan focal corres- pondant au plan d'observation de l'objet. Les microscopes décrits ci-dessus sont des microscopes fonctionnant en transmission. Mais on con- naît aussi des microscopes fonctionnant en réflexion; ces derniers comprennent une seule lentille jouant soit le rôle de lentille de focalisation, soit le rôle de lentille objectif et un seul transducteur ultrasonore jouant soit le rôle d'émetteur, soit le rôle de récep- teur. Ces différents microscopes permettent de donner des images d'objets avec une définition meilleu- re que le micron et une résolution comparable à celle des meilleurs microscopes optiques. Ces microscopes, qui permettent de faire une excellente analyse des objets en surface, permettent très difficilement de faire une observation en profon- deur de ces mêmes objets, ce qui limite considérable- ment leur utilisation. Cette difficulté d'analyse en profondeur est principalement liée à l'emploi de lentilles sphériques. En effet, dans le ou les barreaux et la goutte de li- quide, on a deux types d'ondes ultrasonores qui se pro- pagent: des ondes longitudinales et des ondes trans- versales. Ces deux types d'ondes, qui se propagent à des vitesses différentes, la vitesse des ondes longitu- dinales étant supérieure à celle des ondes transversa- les, donnent naissance, du fait même de la forme sphé- rique des lentilles, à deux foyers paraxiaux nettement différents, l'un correspondant aux ondes longitudina- les et l'autre aux ondes transversales. L'existence de ces deux foyers gêne considérablement l'analyse micros- copique en profondeur d'un objet. En plus de la forme des lentilles, l'analyse en profondeur des objets est difficilement réalisable compte tenu de la nature du liquide utilisée, générale- ment l'eau, qui présente une -impédance acoustique 10 à fois plus faible que celle des matériaux solides constituant les objets à analyser, ce qui entraîne une perte d'énergie ultrasonore de l'ordre de 80 à 95% ren- dant l'observation en profondeur très difficile. L'invention a justement pour objet un micros- cope acoustique permettant de remédier aux inconvé- nients cités ci-dessus et permettant notamment d'analy- ser des objets en profondeur. De façon plus précise, l'invention a pour objet un microscope acoustique du genre de ceux qui comprennent deux barreaux identiques disposés dans le prolongement l'un de l'autre et comportant à leurs ex- trémités situées en regard une cavité, ces cavités dé- finissant au moins une lentille de focalisation et au moins une lentille objectif, ces deux lentilles identi- ques dont les points focaux coincident étant reliées par une goutte de liquide dans laquelle peut être im- mergé l'objet à analyser, les barreaux étant munis à leurs autres extrémités d'un transducteur piézoélec- trique, ces transducteurs étant aptes à produire des ultrasons focalisés à l'intérieur de l'objet par la lentille de focalisation et à détecter les ultrasons réfléchis ou transmis par l'objet via la lentille ob- jectif, des moyens pour analyser les ultrasons réflé- chis ou transmis par l'objet, et des moyens pour dépla- cer l'objet dans le plan focal des deux lentilles, se caractérise en ce que les lentilles présentent chacune une forme définie par les équations paramétriques: sna r +rna- co r cos Arc sin(n sin r)3 - D x=N et cos Arc sin (n sin r> - N y = a tg r + (D-x) tg [Arc.sin(n sin r dans lesquelles N représente l'indice de réfraction re- latif n2/nl, n1 étant l'indice du matériau constituant les barreaux et n2 l'indice du liquide, n représente l'indice de réfraction relatif n3/n2, o n3 est l'indi- ce du matériau constituant l'objet, D représente la distance entre le sommet de la lentille et la surface de l'objet, a la distance entre la surface de l'objet et le point focal de la lentille, et r représente le paramètre, x étant pris suivant l'axe optique de la lentille et y suivant l'axe perpendiculaire audit axe optique. L'emploi d'une lentille asphérique ou plutôt pseudo-hyperbolique, telle que définie ci-dessus, per- met d'obtenir un stigmatisme rigoureux au point d'ob- servation de l'objet. Pour la lentille de focalisation, cela veut dire que tous les rayons ultrasonores sortant de cette lentille arrivent en un seul foyer dans l'ob- jet et pour la lentille objectif, cela veut dire que tous les rayons ultrasonores issus de l'objet provien- nent d'un même point, ce point étant le point focal de la lentille objectif. Ce stigmatisme est notamment réa- lisé par élimination des ondes longitudinales dans le plan d'observation de l'objet. De façon avantageuse, la goutte de liquide est une goutte de mercure ou de gallium. Ces métaux ont l'avantage d'être liquides à température ambiante et de présenter des impédances acoustiques comparables à celles de la plupart des solides, c'est-à-dire des ma- tériaux constituant les objets à analyser. L'emploi de ces matériaux permet d'obtenir des images en profondeur avec une résolution de 2 à 4 fois meilleure que l'em- ploi de l'eau. Selon un mode préféré de réalisation du mi- croscope de l'invention, les transducteurs piézoélec- triques comprennent une couche d'oxyde de zinc ou de niobate de lithium intercalée entre une électrode en or et une électrode en aluminium, l'électrode en or étant située au contact du barreau correspondant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures annexées, dans lesquelles: - la figure 1 représente schématiquement un microscope acoustique conformément à l'invention, et - la figure 2 représente une partie du mi- croscope de la figure 1 au niveau de la lentille de focalisation. Le microscope acoustique représenté sur la figure 1 comprend un générateur de haute fréquence 2 engendrant des ondes électromagnétiques de fréquence comprise entre 600 et 3000 MHz, servant à exciter un transducteur piézoélectrique 4. Ce transducteur piézo- électrique transforme les ondes électromagnétiques en des ondes ulrasonores sous forme d'un faisceau F1 se propageant à l'intérieur d'un milieu de propagation acoustique 6 en forme de barreau. La fréquence des on- des ultrasonores est la même que celles des ondes élec- tromagnétiques excitatrices. Le transducteur piézoélectrique 4 peut être constitué d'un film mince 8 d'un matériau piézoélectri- que tel que l'oxyde de zinc ou le niobate de lithium intercalé entre deux électrodes 10 et 12. Ce film 8 présente une épaisseur qui est égale à une fraction de la longueur d'onde des ondes acoustiques utilisées. L'électrode 10 réalisée notamment en aluminium, définit les dimensions du faisceau ultrasonore U1. L'électrode 12, notamment en or, est située au contact du milieu de propagation 6. Le barreau 6 réalisé notamment en saphir ou en silice, comporte à son autre extrémité une lentille acoustique 14 pseudo-hyperbolique définie par une cavi- té creusée et polie dans le barreau 6 ayant un diamètre variant de 30 microns à quelques millimètres. Cette lentille acoustique 14, située au contact d'un milieu liquide 16, dans lequel la vitesse de propagation des ondes ultrasonores est inférieure à celle dans le mi- lieu acoustique 6, constitue notamment une lentille de focalisation permettant de focaliser en un point F si- tué à l'intérieur de la goutte de liquide 16, les ondes ultrasonores sortant du barreau 6. Dans la goutte de liquide 16 qui est de préférence une goutte de mercure ou de gallium, est immergé un objet 18, objet que l'on désire observer. Des moyens 19 permettent de déplacer l'objet 18 suivant deux directions perpendiculaires dans le plan focal de la lentille 14, ce plan focal correspondant au plan d'observation de l'objet. Comme moyen de déplacement 19, on peut utiliser tous les sys- tèmes connus, en particulier celui décrit dans le bre- vet US 4 012 950 du 12 décembre 1974, et d'une façon plus générale, ceux utilisés classiquement dans les microscopes optiques ou électroniques. Le microscope comprend encore une lentille acoustique 20 pseudohyperbolique située au contact de la goutte de liquide 16. Cette lentille acoustique 20 qui est, comme précédemment, définie par une cavité creusée et polie dans un milieu de propagation acousti- que 22 en forme de barreau, constitue notamment la len- tille objectif du microscope. Cette lentille 20, de préférence identique à la lentille 14, permet de trans- former les ondes ultrasonores transmises par l'objet à observer 18 en un faisceau parallèle U2. Ce faisceau d'ondes ultrasonores U2, dont l'intensité et/ou la phase dépendent des caractéristiques élastiques parti- culières de l'objet 18, est détecté par un transducteur piézoélectrique 24 situé à l'autre extrémité du barreau 22. Ce transducteur 24 permet de fournir un signal électrique, de même fréquence que celle des ondes acoustiques reçues, en direction d'un système de visua- lisation 26, par exemple du type oscilloscope cathodi- que, sur lequel peut être visualisée l'image de l'ob- jet. La visualisation de l'image de l'objet est formée point par point, par déplacement de l'objet 18 à l'aide des moyens 19 le long d'une ligne puis ligne par ligne. Les signaux électriques issus du transducteur 24 servent à moduler, après acquisition sur une mémoire 31 de type connu, l'intensité du faisceau d'électrons du tube cathodique. Le synchronisme entre le mouvement de l'objet et le balayage du faisceau d'électrons étant assurés par des capteurs de position de type connu. Les grandissements atteints sont d'une dizaine à quelques milliers. Comme précédemment, le barreau 22 peut être - 2570199 réalisé en saphir ou en silice. De même, le transduc- teur piézoélectrique 24 peut être constitué d'un film de matériau piézoélectrique 26 notamment en niobate de lithium ou en oxyde de zinc, intercalé entre deux élec- trodes 28 et 30 réalisées respectivement en or et en aluminium, l'électrode 28 étant située au contact du barreau 22. Afin d'obtenir une image fidèle de l'objet 18 à observer, le point focal de la lentille acoustique 20 doit être confondu avec celui de la lentille 14. Le microscope acoustique représenté sur la figure 1 est un microscope fonctionnant en transmis- sion, c'est-à-dire que l'analyse de l'objet 18 se fait à partir des ondes ultrasonores transmises par celui- ci. Cependant, ce microscope qui présente une symétrie par rapport au plan focal des lentilles dans lequel se trouve l'objet 18 peut fonctionner en réflexion, c'est- à-dire que l'analyse de l'objet se fait à partir des ondes ultrasonores réfléchies par ledit objet. Dans ce cas, la lentille de focalisation 14 joue aussi le rôle de la lentille objectif et le trans- ducteur piézoélectrique 4 joue aussi le rôle de récep- teur ou de détecteur. Un système électronique 32 de type classique doit alors être prévu à l'entrée de la mémoire 31 afin de séparer les signaux électriques émis par le transducteur 4 et ceux reçus par celui-ci. Le fonctionnement en réflexion du microscope peut, bien entendu, être réalisé, de la même façon que précédemment, au moyen de la lentille acoustique 20 et du transducteur piézoélectrique 24. Afin d'effectuer une analyse à l'intérieur d'un objet 18, tel qu'un circuit intégré ou une cellule vivante, avec une résolution et une définition del'or- dre du micron, les lentilles 14 et 20 présentent une forme asphérique particulière définie par les équations paramétriques suivantes: D-na- na n cos Arc sin(n sin r)J -D x = N et, x5 cos Arc sin (n sin rD - N y = a tg r +(D-x) tg [Arc sin (n sin r) La signification des différents symboles utilisés dans ces deux équations va être donnée en ré- férence à la figure 2 qui représente la partie du mi- croscope de la figure 1 contenant la lentille de foca- lisation 14, la goutte de liquide 16 et l'objet 18 à observer. Il est bien entendu que cette explication est aussi valable pour la lentille objectif 20. Dans les équations précédentes, x est pris suivant l'axe optique des lentilles, notamment celui de la lentille 14 (figure 2) et y est pris perpendiculaire à l'axe optique. Dans ces équations, r représente le paramètre qui doit être éliminé afin d'obtenir la cour- be y = f(x) définissant la forme des lentilles acousti- ques. Par ailleurs, D représente la distance entre le sommet 0 de la lentille 14 et la surface S de l'objet 18 et a représente la distance entre la surface S de l'objet et le point focal F de la lentille 14, c'est-à- dire la profondeur de l'objet à laquelle est effectuée l'analyse. Enfin, N représente l'indice de réfraction relatif n2/n1, n1 étant l'indice du matériau consti- tuant le barreau 6 et n2 l'indice du liquide 16, et n représente l'indice de réfraction relatif n3/n2 o n3 est l'indice du matériau constituant l'objet 18 dans le plan d'observation ou plan focal de la lentille. Ces lentilles de profil pseudo-hyperbolique permettent d'obtenir un stigmatisme rigoureux, ce qui permet pour la lentille de focalisation d'obtenir une focalisation parfaite de tous les rayons ultrasonores arrivant sur le plan de l'objet à examiner. Ces profils sont différents selon la consti- tution chimique de l'objet à observer, du milieu acous- tique 6 ou 22 et du liquide 16 utilisés et selon la profondeur à laquelle on veut réaliser l'observation de l'objet. Ces profils peuvent être déterminés aisément avec n'importe quel calculateur. Afin d'obtenir un bon pouvoir de résolution, les lentilles pseudo-hyperboliques de l'invention doi- vent présenter un diamètre aussi faible que possible. En effet, une dimension trop importante des lentilles entraîne une perte d'énergie acoustique relativement élevée par absorption de ladite énergie dans le liqui- de. Cependant, une réduction du diamètre des lentilles, c'est-à-dire de leur ouverture, a pour conséquence une augmentation de la diffraction au niveau de ces lentil- les, ce qui modifie le contraste de l'image de l'objet visualisée. Pour remédier à cela, il suffit d'augmenter la fréquence des ondes acoustiques. - Ce réglage de la fréquence peut être réalisé coup par coup pour une len- tille donnée lors de l'observation même de l'objet. Des lentilles de focalisation et/ou objec- tif, pour un microscope acoustique fonctionnant en ré- flexion, ont été réalisées dans du saphir pour être utilisées avec du mercure et dans le but d'analyser une plaquette de silicium à une profondeur de 0,4 mm. Les lentilles d'un diamètre de 1,50 mm utilisées avec une fréquence des ondes ultrasonores de 2,80 GHz, présen- tent un pourvoir de résolution de 0,9 ulim. De même, il a été réalisé des lentilles dans du saphir pour être utilisées avec du gallium et dans le but d'analyser une plaquette de silicium à une pro- fondeur de 0,4 mm. Ces lentilles, d'un diamètre de 2,50 mm utilisées avec une fréquence des ondes ultraso- nores de 2,20 GHz, présentent un pouvoir de résolution de 1,20 jim. Par ailleurs, il a été réalisé des lentilles dans du saphir pour être utilisées avec du mercure et dans le but d'analyser une plaquette d'aluminium à dif- férentes profondeurs. Les résultats sont donnés dans le tableau I, ci-après, dans lequel a est la profondeur d'observation, 0 le diamètre des lentilles, f la fré- quence des ondes acoustiques et R le pouvoir de résolu- tion. TABLEAU I amm 0,01 0,05 0,25 0,50 1 5 10 0mm 0,04 0,15 0,70 1,40 2,70 13,40 26,70 fGHz 4,10 3,10 1,80 1,40 1 0,50 0,40 R= 0,40 0,50 0,80 1,10 1,50 2,90 4,10 De même, il a été réalisé des lentilles dans du saphir pour être utilisées avec du mercure et dans le but d'analyser une plaquette de cuivre à des profon- deurs différentes. Les résultats sont donnés dans le tableau II, ci-après. TABLEAU II amm 0,01 0,05 0,25 0,50 1 5 10 9mm 0,09 0,36 1,70 3,40 6,70 33,90 65,70 fGHz 3 1,80 0,90 0,60 0,40 0,20 0,15 GH30Rz 040 0,65 1,35 1,85 2,60 5,75 8,00 Rllm 0,40 0.65 1.35 1.85 2t60 5.75 8.00 REVENDICATIONS 1. Microscope acoustique permettant d'analy- ser un objet en profondeur comprenant deux barreaux identiques (6, 22) disposés dans le prolongement l'un de l'autre et comportant à leurs extrémités situées en regard une cavité, ces cavités définissant au moins une lentille de focalisation (14) et au moins une lentille objectif (20), ces deux lentilles identiques dont les points focaux (F) coincident étant reliées par une goutte de liquide (16) dans laquelle peut être immergé l'objet à analyser (18), les barreaux (6, 22) étant munis à leurs autres extrémités d'un transducteur piézoélectrique (4, 24), ces transducteurs étant aptes à produire des-ultrasons (U1) focalisés à l'intérieur de l'objet (18) par la lentille de focalisation (14) et à détecter les ultrasons (U2) réfléchis ou transmis par l'objet via la lentille objectif (20), des moyens pour analyser les ultrasons réfléchis ou transmis par l'ob- jet (28, 31, 32), et des moyens (19) pour déplacer l'objet (18) dans le plan focal des deux lentilles, caractérisé en ce que les lentilles (14, 20) présentent chacune une forme définie par les équations paramétri- ques: x [D+na - c r cos Arc sin (n sin ri - D cos Arc sin (n sin ri - N y = a tg r + (D-x) tg Arcsin (n sin r dans lesquelles N représente l'indice de réfraction re- latif n2/nl, n1 étant l'indice du matériau constituant les barreaux (6, 22) et n2 l'indice du liquide (16), n représente l'indice de réfraction relatif n3/n2 o n3 est l'indice du matériau constituant l'objet (18), D représente la distance entre le sommet -(O) de la len- tille et la surface (S) de l'objet, a la distance entre la surface (S) de l'objet et le point focal (F) de la lentille et r représente le paramètre, x étant pris suivant l'axe optique de la lentille et y suivant un axe perpendiculaire audit axe optique. 2. Microscope acoustique selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les ultrasons présentent une fréquence comprise entre 600 et 3000 MHz. 3. Microscope acoustique selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le liquide (16) est du mercure ou du gallium. 4. Microscope acoustique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les transducteurs piézoélectriques (4, 24) comprennent une couche (8, 26) d'oxyde de zinc ou de niobate de lithium intercalée entre une électrode (12, 28) en or et une électrode (10, 30) en aluminium, l'électrode en or étant située au contact du barreau correspon- dant (6, 22). 5. Microscope acoustique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les barreaux (6, 22) sont réalisés en saphir ou en si- lice.