(57)【要約】【課題】試料に対して高周波数の超音波を送出でき、高空間分解能で試料の内部を観察することができる超音波顕微鏡を提供する。【解決手段】パルス光によって超音波を発生させて試料に照射し、試料で反射した反射超音波を用いて試料を観察する超音波顕微鏡１ａにおいて、パルス光を照射するパルス光照射手段５と、照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、該超音波を試料に送出する超音波送波部４ａとを備える。超音波受波部６ａは、試料で反射した超音波である反射超音波を受波するとともに、その反射超音波から受ける応力に応じて量子特性を変化させる。超音波顕微鏡１ａに備わる特性変化検出手段７ａは、超音波受波部６ａの量子特性の変化を検出する。さらに、超音波顕微鏡１ａに備わる内部情報取得手段８は、検出された量子特性の変化を基に試料内部の情報を得て、試料内部における３次元方向の状態の分布を観測する。【選択図】図１
2013044713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を試料に照射し、前記試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡であって、
パルス光を照射するパルス光照射手段と、
前記照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、
前記試料で反射した超音波である反射超音波を受波するとともに、その反射超音波から受ける応力に応じて量子特性を変化させる半導体薄膜を有する超音波受波部と、
前記超音波受波部の量子特性の変化を検出する特性変化検出手段と、
検出された量子特性の変化を基に試料内部の情報を得る内部情報取得手段と、を具備することを特徴とする超音波顕微鏡。
【請求項２】
前記超音波受波部の半導体薄膜は、混晶半導体からなるものであり、
前記特性変化検出手段は、前記半導体薄膜のバンドギャップに対応する波長又は該波長よりも短い波長を含む測定光を前記超音波受波部に照射することで、前記量子特性の変化を検出することを特徴とする請求項１に記載の超音波顕微鏡。
【請求項３】
前記特性変化検出手段は、
前記測定光を、前記超音波受波部で反射するように、前記超音波受波部の受波面に対して斜め方向に所定の角度から照射する測定光照射手段と、
前記超音波受波部で反射した測定光である反射測定光を検出することで、前記超音波受波部の量子特性の変化を検出する測定光検出手段と、を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波顕微鏡。
【請求項４】
超音波受波部の半導体薄膜は、測定光を伝搬させる光導波路を有するものであり、
特性変化検出手段は、
前記測定光を、前記半導体薄膜の光導波路内を通過するように照射する測定光照射手段と、
前記半導体薄膜の光導波路を通過した測定光を検出することで、前記超音波受波部の量子特性の変化を検出する測定光検出手段と、を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波顕微鏡。
【請求項５】
前記超音波受波部の半導体薄膜は、電流を注入されることでバンドギャップに対応する波長を含む測定光を発する混晶半導体からなるものであり、
前記特性変化検出手段は、
前記半導体薄膜から発せられた測定光を検出することで、前記超音波受波部の量子特性の変化を検出する測定光検出手段を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波顕微鏡。
【請求項６】
前記超音波発生部が発した超音波を集束すると共に、前記試料からの反射超音波を受波するレンズ面を備えた音響レンズをさらに具備し、
前記音響レンズは、反レンズ面側に前記超音波受波部が設けられていることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の超音波顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス光を用いて発生させた超音波を試料に照射し、試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡に関するものであり、特に試料の微小領域の弾性的性質を超音波を利用して評価する超音波顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を音響レンズを通して集束して試料に照射し、その試料で反射した反射超音波を用いて試料の微小部分の弾性的性質を検出する装置として超音波顕微鏡が知られている。
超音波顕微鏡では、光学顕微鏡や電子顕微鏡では得られない試料内部の情報が非破壊で得られることから、試料の弾性等の力学的性質の評価だけでなく、内部欠陥の検出等にも多く用いられている。
【０００３】
このような超音波顕微鏡としては特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１の超音波顕微鏡は、超音波を発生するトランスデューサと、試料台と、走査手段とを備えている。トランスデューサは、音響レンズと圧電薄膜とから構成されている。音響レンズは、サファイアや石英ガラスなどの円柱状結晶からなっており、一方の端面は光学研磨された平面であり、他方の端面には、レンズ面を形成する微小な凹半球状のレンズ面が設けられている。試料台上に載置された試料と音響レンズとの間には、純水のような超音波の伝播媒体が充填される。
【０００４】
圧電薄膜は、前述した音響レンズの光学研磨された平面上に設けられ、パルス発振器からの高周波パルスで励起されて超音波を発生する。圧電薄膜から放射された超音波は、音響レンズを通して試料の微小部位に入射し、当該微小部位で反射する。その反射した超音波は、反射超音波として再び音響レンズを通じて圧電薄膜に到達する。圧電薄膜は、試料からの反射超音波である超音波エコーを電気信号に変換して、この電気信号を受信器に与える。
【０００５】
受信器は、この電気信号を検波及び増幅してビデオ信号に変換し、該ビデオ信号を表示器に出力する。表示器は、受信器からビデオ信号を受信し、試料の内部状態を画像として表示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−４３２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示されるような超音波顕微鏡の空間分解能は、超音波の波長（λ）で決定され、その波長（λ）は、音速（Ｖ）／周波数（ｆ）で与えられる。そのため、音速（Ｖ）が一定となる環境下で空間分解能を高めるためには、周波数（ｆ）を高くする必要がある。
例えば、観察対象の試料が、表面に数μｍ〜サブμｍの厚みの配線膜や絶縁膜が形成された半導体デバイス等であるような場合、超音波顕微鏡を用いてその試料における膜界面の接合評価（膜の剥離の有無等の評価）を行うためには、膜厚（数μｍ）以下のオーダーの空間分解能が要求される。
【０００８】
また、電子部品が実装された基板における電極部の大きさは数十μm程度であるが、その電極部内の欠陥評価（ボイドの有無等の評価）を行う場合も、超音波顕微鏡には数μm以下のオーダーの空間分解能が要求される。
しかし、圧電薄膜により超音波の送波及び受波が行われる従来の超音波顕微鏡では、圧電薄膜の容量成分や共振特性の制約から、高周波超音波の発生は困難であり、発生可能な実用周波数帯域は、数百ＭＨｚ程度以下（波長は１０μｍ以上）に制限される。
【０００９】
本発明は、この問題点に鑑みてなされたものであって、試料の弾性特性等を測定しうる超音波顕微鏡の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る超音波顕微鏡は、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を試料に照射し、前記試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡であって、パルス光を照射するパルス光照射手段と、前記照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、前記試料で反射した超音波である反射超音波を受波するとともに、その反射超音波から受ける応力に応じて量子特性を変化させる半導体薄膜を有する超音波受波部と、前記超音波受波部の量子特性の変化を検出する特性変化検出手段と、検出された量子特性の変化を基に試料内部の情報を得る内部情報取得手段と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記超音波受波部の半導体薄膜は、混晶半導体からなるものであり、前記特性変化検出手段は、前記半導体薄膜のバンドギャップに対応する波長又は該波長よりも短い波長を含む測定光を前記超音波受波部に照射することで、前記量子特性の変化を検出するものであってもよい。
また、前記特性変化検出手段は、前記測定光を、前記超音波受波部で反射するように、前記超音波受波部の受波面に対して斜め方向に所定の角度から照射する測定光照射手段と、前記超音波受波部で反射した測定光である反射測定光を検出することで、前記超音波受波部の量子特性の変化を検出する測定光検出手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
または、超音波受波部の半導体薄膜は、測定光を伝搬させる光導波路を有するものであり、特性変化検出手段は、前記測定光を、前記半導体薄膜の光導波路内を通過するように照射する測定光照射手段と、前記半導体薄膜の光導波路を通過した測定光を検出することで、前記超音波受波部の量子特性の変化を検出する測定光検出手段と、を有することを特徴とする。
【００１３】
または、前記超音波受波部の半導体薄膜は、電流を注入されることでバンドギャップに対応する波長を含む測定光を発する混晶半導体からなるものであり、前記特性変化検出手段は、前記半導体薄膜から発せられた測定光を検出することで、前記超音波受波部の量子特性の変化を検出する測定光検出手段を有することを特徴とする。
さらに、前記超音波発生部が発した超音波を集束すると共に、前記試料からの反射超音波を受波するレンズ面を備えた音響レンズをさらに具備し、前記音響レンズは、反レンズ面側に前記超音波受波部が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る超音波顕微鏡によれば、試料に対して高周波数の超音波を送出でき、高空間分解能で試料の内部を観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態による超音波顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】（ａ）は、第１実施形態による超音波顕微鏡の音響レンズの構成を示す側面図であり、（ｂ）は、音響レンズの反レンズ面側の構成を示す上面図である。
【図３】反射測定光の強度信号の時系列変化を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態による超音波顕微鏡の構成を示す図である。
【図５】（ａ）は、第２実施形態による超音波顕微鏡の音響レンズの構成を示す側面図であり、（ｂ）は、音響レンズの反レンズ面側の構成を示す上面図である。
【図６】本発明の第３実施形態による超音波顕微鏡の構成を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態による超音波顕微鏡の音響レンズを側面から見たときの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
［第１実施形態］
まず、図１及び図２を参照しながら、本発明の第１実施形態による超音波顕微鏡１ａについて詳しく説明する。図１は、本実施形態による超音波顕微鏡１ａの構成を示す図である。図２は、本実施形態による超音波顕微鏡１ａの音響レンズ２の構成を示す図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る超音波顕微鏡１ａは、試料が載置されるＸ−Ｙステージ３と、Ｘ−Ｙステージ３上の試料にレンズ面１０を向けて配置された音響レンズ２を備えている。この音響レンズ２の上部には、照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料に送出する超音波送波部４ａが形成されており、超音波送波部４ａにパルス光を照射するパルス光照射手段５も備えられている。
【００１８】
加えて、超音波顕微鏡１ａは、試料で反射した超音波である反射超音波を受波するとともに、その反射超音波から受ける応力に応じて量子特性を変化させる半導体薄膜を有する超音波受波部６ａを有する。
また、超音波顕微鏡１ａは、超音波受波部６ａの量子特性の変化を検出する特性変化検出手段７ａと、検出された量子特性の変化を基に試料内部の情報を得る内部情報取得手段８と、を具備する。
【００１９】
以下、第１実施形態の超音波顕微鏡１ａについて、その構成を詳細に説明する。
超音波顕微鏡１ａは、試料が載置されるＸ−Ｙステージ３を備えている。このＸ−Ｙステージ３は、試料を支持し、音響レンズ２に対する試料の位置を水平方向（超音波の照射方向に対して直交する方向の位置）に変化させて位置決めするためのものであり、直交するボールネジ機構等から構成される。Ｘ−Ｙステージ３は、コンピュータ等で構成されたステージ制御部２１により、試料の水平方向位置や送りピッチなどが制御される。
【００２０】
Ｘ−Ｙステージ３の上方には、音響レンズ２が配備される。この音響レンズ２は、例えば純水であって超音波を伝播するカップリング媒体９を介して、Ｘ−Ｙステージ３上の試料と対向している。
図２を参照して、音響レンズ２について詳細に説明する。図２（ａ）は、音響レンズ２を側面から見たときの構成を示す図であり、図２（ｂ）は、音響レンズ２の反レンズ面側の構成示す図である。
【００２１】
音響レンズ２は、例えばＳｉ単結晶からなる円柱状部材であって、その内部には空間を有さない中実な構造となっている。この円柱状部材の一つの底面、すなわちＸ−Ｙステージ３と対向する底面側に、音響レンズ２の内部に向かって湾曲した窪み状のレンズ面１０を形成している。このレンズ面１０は、当該底面での開口部がほぼ円形であり、レンズ面１０は凹凸のない平滑な略球面となっている。レンズ面１０が形成されないもう一方の底面（反レンズ面、すなわち反Ｘ−Ｙステージ３側）は、光学研磨された平面である。
【００２２】
音響レンズ２は、超音波をできるだけ減衰させずに伝播するために硬質材料で形成されるので、音響レンズ２の材料として石英ガラスやサファイアなどを用いてもよい。また、音響レンズ２の形状を円柱状であるとしたが、円錐台形状、角柱形状、又は角錐台形状でもよい。
係る音響レンズ２の反レンズ面側の平面には、試料で反射して音響レンズ２を通って戻った反射超音波を受波するための半導体薄膜（超音波受波部６ａ）が積層されている。
【００２３】
この半導体薄膜の上部には、加熱用のパルス光（加熱パルス光）の吸収及び発熱により発生する熱応力によって高周波の超音波を発生する金属膜（超音波送波部４ａ）が、超音波受波部６ａの一部を覆うように設けられている。
まず、超音波送波部４ａについて説明する。
音響レンズ２の反レンズ面には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる緩衝層１１が設けられ、この緩衝層１１上にＧａＡｓ膜が積層される。このＧａＡｓ膜の上に、金属膜であるＭｏ（モリブデン）が積層されている。この金属膜（Ｍｏ）は、超音波送波部４ａとしての機能を果たすものである。
【００２４】
この超音波送波部４ａである金属膜（Ｍｏ）に対して加熱パルス光が照射されると、金属膜（Ｍｏ）は、パルス光のエネルギの吸収及び発熱によって熱膨張し、そのときに発生する熱応力（熱弾性効果）によって、加熱パルスと同じパルス幅（時間幅）の熱弾性波を発生する。例えば、パルス幅が０．５ｎｓ以下の加熱パルスが照射されると、１ＧＨｚ以上の周波数の超音波を発生させることができる。超音波送波部４ａに用いる金属膜の材料としては、モリブデンの他に、金、銅、アルミニウム等を用いることができる。
【００２５】
音響レンズ２の上方側には、加熱パルス光を発生するパルス光照射手段５が設けられている。このパルス光照射手段５は、短パルス幅のパルスレーザ光を発する光源（ＹＡＧレーザ等）であるパルス光照射部１２と、加熱パルス光を超音波送波部４ａに対して略垂直方向に照射するように導くミラー１３と、加熱パルス光のビーム径を調整するレンズ系１４ａとを備えている。これらパルス光照射部１２、ミラー１３、及びレンズ系１４でパルス光照射手段５を構成している。
【００２６】
パルス光照射部１２は、例えば波長５３２ｎｍ、パルス幅０．５ｎｓのパルス状のレーザ光を、加熱パルス光として発する光源（ＹＡＧレーザ等）である。ここで加熱パルス光の波長は、超音波送波部４ａの材質に応じて選択することができ、パルス幅は、発生させたい超音波の周波数に応じて選択することができる。
次に、超音波受波部６ａについて説明する。
【００２７】
前述したように、音響レンズ２の反レンズ面には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる緩衝層１１が設けられ、この緩衝層１１上にＧａＡｓ膜が積層される。このＧａＡｓ膜は、超音波受波部６ａとしての機能を果たすものであって、固有のバンドギャップ（量子特性）を有する混晶半導体の薄膜である。ＧａＡｓ膜のバンドギャップの大きさは、ＧａＡｓ膜が受ける応力によって変化することが知られており、このＧａＡｓ膜が超音波を受波するとＧａＡｓ膜内に応力が発生するので、ＧａＡｓ固有のバンドギャップの大きさが変化する。
【００２８】
つまり、超音波受波部６ａの上部には、超音波受波部６ａの一部を覆うように、超音波送波部４ａである金属膜（Ｍｏ）が積層されている。図２（ｂ）に示すように、反レンズ面では、金属膜である超音波送波部４ａと半導体薄膜である超音波受波部６ａの一部が露出している。
一方、図１に示すように、音響レンズ２の上方の両側部には、特性変化検出手段７ａが設けられている。この特性変化検出手段７ａは、測定光として例えばＨｅ−Ｎｅレーザを発する測定光レーザ光源１５と、測定光を反射して超音波受波部６ａに対して斜め方向から入射させるミラー１６ａと、超音波受波部６ａで反射した反射測定光を、後述する高速光検出器１８に向かって反射させるミラー１７ａと、ミラー１７ａからの反射測定光を検出する高速光検出器１８と、高速光検出器１８が検出した反射測定光の強度信号の時系列変化を検出する高速オシロスコープ１９とを備えている。
【００２９】
これらのうち、測定光レーザ光源１５及びミラー１６ａで測定光照射手段を形成し、ミラー１７ａ、高速光検出器１８、及び高速オシロスコープ１９で測定光検出手段を形成している。
図１の紙面に向かって音響レンズ２の左上方には、測定光レーザ光源１５が配備されている。この測定光レーザ光源１５は、上記した超音波受波部６ａのＧａＡｓ膜のバンドギャップに対応する波長又は該波長よりも短い波長を含むＨｅ−Ｎｅレーザ光を、測定光として出力するものである。
【００３０】
すなわち、本実施形態において測定光レーザ光源１５から発せられる測定光は、少なくとも超音波受波部６ａのＧａＡｓ膜のバンドギャップ以上のエネルギを有する波長である。なお、測定光は、加熱パルス光とは、異なる波長を有するのが好ましい。
図１の紙面に向かって音響レンズ２の右上方には、高速光検出器１８が配備されている。この高速光検出器１８は、超音波受波部６ａで反射した反射測定光を検出するものであり、検出した反射測定光を光電変換して、当該反射測定光の強度信号を生成し、後述する高速オシロスコープ１９に出力するものである。
【００３１】
高速オシロスコープ１９は、高速光検出器１８から出力された反射測定光の強度信号を受け取るとともに、強度信号をサンプリングして一次記憶し、その強度信号の時系列変化を検出する装置である。
例えば、高速オシロスコープ１９は、熱パルス光が出力されたことを示すパルス光出力開始信号をパルス光照射部１２から取得し、当該パルス光出力開始信号を取得した時点から、図３に示すような反射測定光の強度信号の強度のピークＥ１、Ｅ２、Ｅ３、・・・（エコー）が検出された時点までの時間を検出し、その時間の情報を計算機２０に出力する。ここで、最も早く検出されたピークＥ１は、音響レンズ２とカップリング媒体９との界面からの反射エコーを示し、ピークＥ２は、試料表面からの反射エコーを示し、以降に続くピークは試料内部からの反射エコーを示している。
【００３２】
高速オシロスコープ１９は、例えば１〜１０ｐｓｅｃ程度のサンプリング周期での信号入力機能を有しているので、熱パルス光のパルス幅よりも十分に短い間隔で反射測定光の強度信号をサンプリングすることができる。
内部情報取得手段８である計算機２０は、高速オシロスコープ１９から得られるピークＥ１、Ｅ２、・・・の検出時間の情報から、２番目のピークＥ２の発生時間と３番目以降の前記ピークＥ３、Ｅ４・・・発生時間との時間差を算出し、試料内での超音波の伝播速度から、試料内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。このとき、加熱パルス光を複数回繰り返し照射することで試料内の同一測定点の測定を繰り返し、同期加算平均化処理を行うことで測定精度（Ｓ／Ｎ比）を向上させる。
【００３３】
以上のように構成された超音波顕微鏡１ａの動作について、以下に説明する。
測定光レーザ光源１５が測定光を照射すると共に、パルス光照射手段５のパルス光照射部１２が加熱パルス光を発すると、加熱パルス光を受けた超音波送波部４ａが超音波を発生する。発生した超音波は、超音波受波部６ａ、及び緩衝層１１を経て音響レンズ２内をレンズ面１０に向けて伝播する。音響レンズ２を伝播した超音波は、レンズ面１０で集束され、試料表面及び内部に入射する。試料表面及び内部で反射した超音波は、入射とは反対の経路を経てレンズ面１０に戻り、音響レンズ２内を超音波受波部６ａに向けて伝播する。音響レンズ２内を伝播した超音波は、緩衝層１１を経て超音波受波部６ａに到達する。
【００３４】
超音波受波部６ａに到達した超音波は超音波受波部６ａ内に応力を発生させるので、超音波受波部６ａの半導体薄膜のバンドギャップが変化（量子特性が変化）する。これにより、超音波受波部６ａに照射されている測定光の吸収特性が変化する。
よって、超音波受波部６ａで反射した反射測定光は、吸収された光の分だけ強度が低下して、高速光検出器１８に入射する。その後、高速オシロスコープ１９が、当該反射測定光の強度信号の時系列変化を検出し、計算機２０が上述のように試料内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。
【００３５】
Ｘ−Ｙステージ３によって試料における観測部位の位置決めがなされるごとに、加熱パルス光及び測定光の照射と、高速光検出器１８による反射測定光の検出と、計算機２０による試料内部に存在する欠陥等の深さの算出とが行われる。
以上のような動作を経て、試料内部における３次元方向の状態の分布を観測することができる。
【００３６】
［第２実施形態］
図４及び図５を参照しながら、本発明の第２実施形態による超音波顕微鏡１ｂについて説明する。図４は、本実施形態による超音波顕微鏡１ｂの構成を示す図である。図５は、本実施形態による超音波顕微鏡１ｂの音響レンズ２の構成を示す図である。
本実施形態による超音波顕微鏡１ｂは、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａと比較して、超音波受波部６ｂの構成と、特性変化検出手段７ｂの構成が異なり、その他の構成は第１実施形態による超音波顕微鏡１ａと略同様である。
よって、以下の説明では、本実施形態における超音波受波部６ｂの構成と、特性変化検出手段７ｂの構成を説明する。
【００３７】
図５を参照して、超音波受波部６ｂの構成を説明する。図５（ａ）は、音響レンズ２を側面から見たときの構成を示す図であり、図５（ｂ）は、音響レンズ２の反レンズ面を上から見たときの構成示す図である。
第１実施形態と同様に、超音波受波部６ｂは、ＧａＡｓ膜で構成されており、音響レンズ２の反レンズ面に、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる緩衝層１１を介して積層される。このＧａＡｓ膜は、固有のバンドギャップ（量子特性）を有する混晶半導体の薄膜である。ＧａＡｓ膜のバンドギャップの大きさは、ＧａＡｓ膜が受ける応力によって変化することが知られており、このＧａＡｓ膜が超音波を受波するとＧａＡｓ膜内に応力が発生するので、ＧａＡｓ固有のバンドギャップの大きさが変化する。
【００３８】
本実施形態では、超音波受波部６ｂの半導体薄膜上に、ＳｉＯ２のパターンが形成される。ＳｉＯ２のパターンは、図５（ｂ）に示されるように、超音波送波部４ａである２つの金属膜の間（Ｍｏ，Ｍｏ）に形成されている。
このＳｉＯ２パターンは、まず超音波受波部６ｂの上面にＳｉＯ２を一様に堆積させ、その後エッチングすることによって形成される。本実施形態では、図５（ｂ）に示されるように、約１００μｍの幅で、音響レンズ２の反レンズ面の直径とほぼ同一の位置で直線状にＳｉＯ２パターンが形成されている。このＳｉＯ２パターンによって、ＳｉＯ２パターン直下のみＧａＡｓ膜の屈折率が高くなるため、形成されたＳｉＯ２パターンに沿って、超音波受波部６ｂのＧａＡｓ膜内に光導波路が形成される。
【００３９】
また、図５（ｂ）では、ＳｉＯ２パターンを挟むように超音波受波部４ａである金属膜（Ｍｏ）が設けられている。なお、加熱パルス光が、パルス光照射手段５から超音波受波部４ａに照射されると、ＳｉＯ２パターン及びその直下の光導波路が損傷する可能性があるので、ＳｉＯ２パターンを覆うように保護膜（図示はしない）が形成されている。
次に、本実施形態における特性変化検出手段７ｂの構成について説明する。特性変化検出手段７ｂは、上述の超音波受波部６ｂの光導波路に測定光を通し、光導波路を出た測定光の強度を検出するものである。
【００４０】
第１実施形態と同様に、音響レンズ２の上方の両側部には、特性変化検出手段７ｂが設けられている。この特性変化検出手段７ｂは、測定光として例えばＨｅ−Ｎｅレーザを発する測定光レーザ光源１５と、測定光を集束し超音波受波部６ｂの光導波路に導くレンズ２２と、測定光レーザ光源１５から発せられた測定光を反射してレンズ２２に入射させるミラー群１６ｂと、超音波受波部６ｂの光導波路から出射した測定光を集束するレンズ２３と、レンズ２３で集束された測定光を反射して高速光検出器１８に導くミラー群１７ｂと、ミラー群１７ｂからの測定光を検出する高速光検出器１８と、高速光検出器１８が検出した反射測定光の強度信号の時系列変化を検出する高速オシロスコープ１９とを備えている。
【００４１】
これらのうち、測定光レーザ光源１５、レンズ２２、ミラー群１６ｂで測定光照射手段を形成し、レンズ２３、ミラー群１７ｂ、高速光検出器１８、及び高速オシロスコープ１９で測定光検出手段を形成している。
測定光レーザ光源１５、高速光検出器１８、及び高速オシロスコープ１９の構成及び配置は、それぞれ第１実施形態で説明したものと同様である。ここでは、ミラー群１６ｂ、１７ｂとレンズ２２、２３の配置について説明する。
【００４２】
レンズ２２とレンズ２３は、互いの光軸を一致させると共に、光軸の延長線が、超音波受波部６ｂの光導波路を通るような位置で、光導波路から所定の間隔を空けて配置される。
ミラー群１６ｂは、測定光レーザ光源１５から発せられた測定光を反射して、測定光が、レンズ２２の光軸に沿ってレンズ２２に入射するように配置される。また、ミラー群１７ｂは、超音波受波部６ｂの光導波路から出射し、レンズ２３を通過した測定光を反射して、測定光が、高速光検出器１８に入射するように配置される。
【００４３】
このように配置されたミラー群１６ｂ、１７ｂとレンズ２２、２３によって、測定光レーザ光源１５から発せられた測定光は、図５に示すように紙面左側から右側に向かって超音波受波部６ｂの光導波路を通過し、高速光検出器１８に入射する。
以上のように構成された超音波顕微鏡１ｂの動作について、以下に説明する。
測定光レーザ光源１５が測定光を照射すると共に、パルス光照射手段５のパルス光照射部１２が加熱パルス光を発すると、加熱パルス光を受けた超音波送波部４ａが超音波を発生する。発生した超音波は、超音波受波部６ｂ及び緩衝層１１を経て音響レンズ２内をレンズ面１０に向けて伝播する。音響レンズ２を伝播した超音波は、レンズ面１０で集束され、試料表面及び内部に入射する。試料表面及び内部で反射した超音波は、入射とは反対の経路を経てレンズ面１０に戻り、音響レンズ２内を超音波受波部６ｂに向けて伝播する。音響レンズ２内を伝播した超音波は、緩衝層１１を経て超音波受波部６ｂに到達する。
【００４４】
超音波受波部６ｂに到達した超音波は超音波受波部６ｂ内に応力を発生させるので、超音波受波部６ｂのＧａＡｓ膜のバンドギャップが変化（量子特性が変化）する。このとき、超音波受波部６ｂの光導波路を通過する測定光では、通過の過程で、変化したバンドギャップに対応する波長の光が吸収される。
よって、超音波受波部６ｂの光導波路を通過した測定光は、吸収された光の分だけ強度が低下して、レンズ２３及びミラー群１７ｂを経て高速光検出器１８に入射する。その後、高速オシロスコープ１９が、当該測定光の強度信号の時系列変化を検出し、計算機が上述のように試料内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。
【００４５】
Ｘ−Ｙステージ３によって試料における観測部位の位置決めがなされるごとに、加熱パルス光及び測定光の照射と、高速光検出器１８による測定光の検出と、計算機２０による試料内部に存在する欠陥等の深さの算出とが行われる。
以上のような動作を経て、試料内部における３次元方向の状態の分布を観測することができる。
【００４６】
［第３実施形態］
図６を参照しながら、本発明の第３実施形態による超音波顕微鏡１ｃについて説明する。図６は、本実施形態による超音波顕微鏡１ｃの構成を示す図である。
本実施形態による超音波顕微鏡１ｃは、第２実施形態による超音波顕微鏡１ｂから、特性変化検出手段７ｂにおける測定光レーザ光源１５、ミラー群１６ｂ、及びレンズ２２を取り除いた構成を有している。さらに、第２実施形態による超音波顕微鏡１ｂと比較して、音響レンズ２上に設けられる超音波送波部６ｃ及び超音波受波部４ｂの構成が異なる。その他の構成は第２実施形態による超音波顕微鏡１ｂと同様である。
【００４７】
よって、以下の説明では、本実施形態における超音波受波部６ｃと超音波送波部４ｂの構成を説明する。
図６を参照して、超音波受波部６ｃ及び超音波送波部４ｂの構成を説明する。図６は、音響レンズ２を側面から見たときの構成を示す図である。
音響レンズ２の反レンズ面側の平面には、測定光となる半導体レーザ光を発すると共に試料で反射して音響レンズ２を通って戻った反射超音波を受波するための半導体薄膜（超音波受波部）が超音波受波部６ｃとして積層されている。
【００４８】
この半導体薄膜の上部には、正電極であると共に、加熱パルス光の吸収及び発熱によって発生する熱応力によって高周波の超音波を発生する金属膜（超音波送波部）が超音波送波部４ｂとして設けられている。
まず、図７を参照して、超音波送波部４ｂについて説明する。
音響レンズ２の反レンズ面の上面には、例えばＭｏ、Ａｕ、又はＮｉなどから構成されると共に、負電極である金属膜が下部電極として積層される。この金属膜の上に、Ｎ形ＧａＡｓ膜が積層され、このＮ形ＧａＡｓ膜上にＮ形ＧａＡｌＡｓ膜が積層される。
【００４９】
このように積層されたＮ形ＧａＡｌＡｓ膜の上に、後述する超音波受波部６ｃとなるレーザ活性層のＰ形ＧａＡｓ膜が積層され、さらにＰ形ＧａＡｌＡｓ膜が、積層される。Ｎ形ＧａＡｌＡｓ膜とＰ形ＧａＡｌＡｓ膜は、レーザ活性層であるＰ形ＧａＡｓ膜からのレーザ光を閉じこめるクラッド層の役割を果たすものである。
Ｐ形ＧａＡｌＡｓ膜の上には、Ｐ形ＧａＡｓ膜と、例えばＭｏ、Ａｕ、又はＮｉなどの金属膜から構成されると共に、正電極であって超音波送波部４ｂである上部電極とが積層される。
【００５０】
この超音波送波部４ｂである上部電極に対して加熱パルス光が照射されると、金属膜である上部電極は、パルス光のエネルギの吸収及び発熱によって熱膨張し、そのときに発生する熱応力（熱弾性効果）によって、加熱パルスと同じパルス幅（時間幅）の熱弾性波を発生する。
次に、超音波受波部６ｃについて説明する。
【００５１】
前述したように、音響レンズ２の反レンズ面には、下から順に、下部電極、Ｎ形ＧａＡｓ膜、Ｎ形ＧａＡｌＡｓ膜、Ｐ形ＧａＡｓ膜、Ｐ形ＧａＡｌＡｓ膜、Ｐ形ＧａＡｓ膜、及び上部電極が積層される。このうちのＰ形ＧａＡｓ膜が、超音波受波部６ｃとして働くと共に、測定光レーザ光源としても働く。
上部電極から電流を注入すると、レーザ活性層であるＰ形ＧａＡｓ膜は、そのバンドギャップに応じたレーザ光を発する。このＰ形ＧａＡｓ膜のバンドギャップの大きさは、Ｐ形ＧａＡｓ膜が受ける応力によって変化することが知られている。このＰ形ＧａＡｓ膜が超音波を受波するとＰ形ＧａＡｓ膜内に発生する応力によって、Ｐ形ＧａＡｓ固有のバンドギャップの大きさが変化する。このバンドギャップの変化によって、Ｐ形ＧａＡｓ膜が発するレーザ光の波長分布が変化すると共に、レーザ光強度が変化する。
【００５２】
以上のように構成された超音波顕微鏡１ｃの動作について、以下に説明する。
上部電極から電流を注入して測定光レーザ光源として働く超音波受波部６ｃから測定光を照射させると共に、パルス光照射手段５のパルス光照射部１２が加熱パルス光を発すると、加熱パルス光を受けた超音波送波部４ｂが超音波を発生する。
発生した超音波は、超音波受波部６ｃ及びそれ以下の各層を経て音響レンズ２内をレンズ面１０に向けて伝播する。音響レンズ２を伝播した超音波は、レンズ面１０で集束され、試料表面及び内部に入射する。
【００５３】
試料表面及び内部で反射した超音波は、入射とは反対の経路を経てレンズ面１０に戻り、音響レンズ２内を超音波受波部６ｃに向けて伝播する。音響レンズ２内を伝播した超音波は、下部電極、Ｎ形ＧａＡｓ膜、及びＮ形ＧａＡｌＡｓ膜を経て超音波受波部６ｃに到達する。
超音波受波部６ｃに到達した超音波は超音波受波部６ｃ内に応力を発生させるので、超音波受波部６ｃのＰ形ＧａＡｓ固有のバンドギャップが変化（量子特性が変化）する。Ｐ形ＧａＡｓ固有のバンドギャップの大きさが変化すると、このバンドギャップの変化によって、Ｐ形ＧａＡｓ膜が発するレーザ光（測定光）の波長分布が変化すると共に、強度が変化する。よって、超音波を受波したときに発せられる測定光は、バンドギャップが変化した分だけ強度が変化して、レンズ２３及びミラー群１７ｂを経て高速光検出器１８に入射する。
【００５４】
その後、高速オシロスコープ１９が、当該測定光の強度信号の時系列変化を検出し、計算機２０が上述のように試料内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。
Ｘ−Ｙステージ３によって試料における観測部位の位置決めがなされるごとに、加熱パルス光及び測定光の照射と、高速光検出器１８による測定光の検出と、計算機２０による試料内部に存在する欠陥等の深さの算出とが行われる。
【００５５】
以上のような動作を経て、試料内部における３次元方向の状態の分布を観測することができる。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５６】
例えば、超音波受波部に用いられる半導体薄膜は、ＧａＡｓに限らない。受ける応力によってバンドギャップ等の量子特性を変化させると共に、内部に光導波路を形成できる半導体薄膜であればよい。
また、音響レンズをＳｉ単結晶を用いて構成したが、超音波をできるだけ減衰させずに伝播する材料であればよいので、Ｓｉに限らず、サファイア単結晶や石英ガラスなどの硬質材料を用いてもよい。また、音響レンズ２の形状を円柱状であるとしたが、角柱形状でも角錐台形状でもよい。
【００５７】
さらに、上記第１〜第３実施形態では、高速光検出器及び高速オシロスコープで測定光の強度変化を測定したが、測定光の波長分布の変化を測定することで、試料からの反射エコーを検出することもできる。
【符号の説明】
【００５８】
１ａ、１ｂ、１ｃ    超音波顕微鏡
２    音響レンズ
３    Ｘ−Ｙステージ
４ａ、４ｂ    超音波送波部
５    パルス光照射手段
６ａ、６ｂ、６ｃ    超音波受波部
７ａ、７ｂ、７ｃ    特性変化検出手段
８    内部情報取得手段
９    カップリング媒体
１０  レンズ面
１１  緩衝層
１２  パルス光照射部
１３、１６ａ、１７ａ  ミラー
１４ａ  レンズ系
１５  測定光レーザ光源
１８  高速光検出器
１９  高速オシロスコープ
２０  計算機
２１  ステージ制御部
２２、２３  レンズ
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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