Акустическая микроскопия твердотельных структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ. *

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДА СКАНИРУЮЩЕЙ

АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИ.

1.1 Принцип работы сканирующего акустического микроскопа.

1.2 Акустические тракты и режимы работы сканирующего акустического микроскопа. II

1.3 Теория акустического микроскопа.

1.4 Применение сканирующего акустического микроскопа.

II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.

2.1 Акустический тракт микроскопа.

2.1.1 Выбор иммерсионной жидкости и материала звукопровода.

2.1.2 Согласование акустических сопротивлений.

2.1.3 Выбор геометрических размеров акустических элементов.

2.1.4 Технология изготовления акустических линз.

2.2 Механические компоненты акустического микроскопа.

2.3 Радиоэлектронный тракт линзового акустического микроскопа в режиме отражения.

2.4 Измерение модуляционной передаточной функции линзового акустического элемента.

III. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПРОДОЛЬНЫХ ОБЪЕМНЫХ ВОЛН ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕГО АКУСТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА.

3.1 Пластинчатые приклеиваемые преобразователи.

3.2 Преобразователи на основе пленок органических полициклических соединений.

3.3 Интегральный акустический элемент.

IV. АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РЕГИСТРАЦИЯ В СКАНИРУЮЩЕМ АКУСТИЧЕСКОМ МИКРОСКОПЕ.

4.1 Конструкция сканирующего акустического микроскопа с акустоэлектрическим детектором.

4.2 Чувствительность сканирующего акустического микроскопа с акустоэлектрическим детектором.

4.3 Анализ разрешающей способности сканирующего акустического микроскопа с акустоэлектрическим детектором.

У. ПРИМЕНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА.

Особенности применения акустического микроскопа [ля измерения характеристик распространения

Визуализация изделий микроэлектроники.

Металлографические исследования с помощью акустического микроскопа.

Исследование с помощью акустического микроскопа рудных минералов.

5.5 Визуализация биологических объектов.

В настоящее время для изучения структуры микрообъектов используется большое число технических средств и, в первую очередь, микроскопы. Техника микроскопии продолжает пополняться новыми способами получения изображений, среди которых такие как лазерная микроскопия, рентгеновская телевизионная микроскопия и т.п. В последние годы интенсивно развивается направление, связанное с визуализацией микрообъектов акустическими методами и получившее название акустической микроскопии. Акустический микроскоп позволяет получать изображения, которые в ряде случаев недоступны методам, базирующимся на других видах излучения. Контраст акустических изображений микрообъектов определяется в первую очередь их структурно-механическими особенностями, изучение которых имеет большую значимость во многих областях науки и техники.

Одним из пионеров акустической визуализации был советский ученый С.Я.Соколов, который в 1936 г. впервые предложил идею акустической микроскопии. Со времени первого упоминания акустического микроскопа было разработано несколько его модификаций, е но все они давали невысокое разршение, и лишь в 1973 г. было создано устройство, названное его авторами "сканирующий акустический микроскоп" (САМ) /I/ и действительно удовлетворяющее определению микроскопа. В нем для зондирования исследуемого объекта используется сфокусированный акустической линзой пучок акустических волн, а для формирования изображения - сканирование объекта.

Рядом авторов была продемонстрирована возможность эффективного применения САМ для визуализации гистологических препаратов, изделий микроэлектроники, композиционных материалов, для неразру-шающего контроля, для измерения локальных акустических свойств микрообъектов и в некоторых других областях. Вместе с тем, многие вопросы, связанные с технической реализацией сканирующего акустического микроскопа, теоретическим описанием принципов его работы, обоснованием возможностей его применения в различных областях науки и техники еще остаются открытыми. Продолжаются работы по оптимизации акустического тракта микроскопа, объяснению кон-.г траста получаемых изображений, отработке радиэлектронного тракта и системы механического сканирования. Широкое поле деятельности остается для автоматизации измерений с помощью акустического микроскопа и применения ЭВМ для обработки акустических изображений. Достигнутое разрешение САМ уже сейчас позволяет решать многие практические задачи, однако, поиск новых возможностнй применения акустического микроскопа не прекращается.

Целью настоящей работы являлось:

-создание лабораторного макета сканирующего акустического микроскопа с высоким разрешением (2-5 мкм) и исследование его характеристик;

-отработка сканирующей системы микроскопа и его радиоэлектронного тракта;

-разработка технологии изготовления акустических элементов и методов контроля их характеристик;

-создание однолинзового сканирующего акустического микроскопа на прохождение с акустоэлектрическим детектором (АЭД) в качестве приемного элемента и анализ его разрешающей способности;

-исследование возможностей применения САМ в различных областях науки и техники.

Научная новизна.

В работе изучены вопросы, связанные с отработкой акустического и радиоэлектронного трактов акустического микроскопа и системы механического сканирования для работы в диапазоне частот 200 - 1000 МГ. Предложен и реализован однолинзовый микроскоп на прохождение с акустоэлектрическим детектором в качестве приемного элемента. Исследованы различные возможности применения акустического микроскопа.

В ходе выполнения работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Предложен реализован и исследован однолинзовый сканирующий акустический микроскоп,на прохождение, :в котором в качестве приемного элемента используется акустоэлектрический детектор на основе монокристаллического образца СсСР . Проведен анализ его разрешающей способности и показано, что она равна разрешению двухлинзового акустического микроскопа.

2. Предложен новый тип эффективного высокочастотного электроакустического преобразователя на основе текстурированных пьезоэлектрических пленок орагнических полициклических соединений. Исследованы акустические характеристики пленок. Изготовлены преобразователи для диапазона частот 100 - 1000 МГц и исследованы их характеристики.

3. В диапазоне частот 100 - 800 МГц проведена оптимизация акустического тракта микроскопа. Для создания акустического элемента предложено использование кристаллического кремния. Предложено использование в акустическом тракте пары материалов кремний-ртуть. Предложен способ измерения модуляционной передаточной функции линзовых акустических элементов. Показано, что она оказывает сильное влияние на формирование акустического изображения.

4. Исследован вопрос о пределах применения акустического микроскопа для измерения характеристик распространения поверхностных акустических волн (ПАВ) . С помощью САМ измерены значения скорости ПАВ в ряде материалов.

5. Показана возможность применения акустического микроскопа в ряде областей науки и техники: для исследования биологических объектов, визуализации неразрушающим образом подповерхностной структуры оптически непрозрачных объектов. Показана возможность исследования с помощью акустического микроскопа структуры металлов и сплавов, минуя процесс травления шлифов. Продемонстрирована перспективность применения акустического микроскопа для анализа рудных минералов.

Практическая ценность. Полученные разультаты могут быть использованы при разработке промышленных образцов сканирующего акустического микроскопа на отражение с высоким разрешением, а также микроскопа с АЭД на прохождение для биологических применений. Сочетание материалов для акустического тракта может быть полезно при визуализации подповерхностной структуры объектов с использованием сложных широкополосных сигналов. Предложенный метод измерения МПФ линзовых акустических элементов прост и удобен.

Пьезопреобразователи на основе текстурированных пленок органических полициклических соединений могут найти применение в физических исследованиях, в частности, для измерения поглощения акустических волн в твердых телах, а также при разработке и макетировании акустоэлектронных устройств.

Применение акустического микроскопа в ряде областей позволяет упростить процедуру исследований и сократить время их проведения, как например, при измерении скорости ПАВ, в минералогии, металлографии. В ряде случаев использование акустического микроскопа дает качественно новую информация об объекте, например, при исследовании его продповерхностной структуры.

Основные результаты диссертации используются в одном из институтов МЭП СССР при разработке опытного образца САМ.

Структуры и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 96 страниц текста, 57 рисунков, 7 таблиц. В списке литературы 83 названий.

У1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Подведем общий итог работы.

1. Предложен сканирующий акустический микроскоп, работающий в непрерывном режиме на прохождение, в котором в качестве приемного элемента используется акустоэлектрический детектор. Использование АЭД позволяет упростить конструкцию микроскопа и повысить контрастность получаемых изображений. Создан сканирующий акустический микроскоп с АЭД на основе сульфида кадмия с разрешением 5-2.5 мкм и исследованы его характеристики. Проведен анализ разрешения акустического микроскопа с АЭД и показано, что оно равно разрешению двухлинзового САМ. С помощью САМ с АЭД получены изображения ряда гистологических препаратов.

2. Проведены исследования по оптимизации акустического тракта микроскопа. Для создания линзового акустического элемента предложен кремний, применение которого значительно упрощает создание акустической линзы. Предложено использование в акустическом тракте пары материалов кремний-ртуть, что обеспечивает понижение потерь на прохождение границы звукопровод-жидкость до 0,1 дБ в широкой полосе частот. Разработана технология изготовления акустических линз и изготовлены линзы с радиусами кривизны 150 -1000 мкм. Предложен простой способ измерения модуляционной передаточной функции линзовых акустических элементов. Измерены модуляционные передаточные функции акустических элементов, работающих на частотах 400 - 650 МГц. Показано, что форма МПФ оказывает сильное влияние на формирование акустического изображения.

3. Предложен новый тип высокочастотного пьезоэлектрического преобразователя на основе текстурированных пленок органических полициклических соединений. Исследованы акустические характеристики пленок. Изготовлены преобразователи, работающие в частотном диапазоне 100 - 1000 МГц с потерями преобразования до 10 дБ и относительной полосой пропускания до 30%. Показана возможность использования преобразователей такого типа в акустическом микроскопе.

4. Созданы лабораторные образцы сканирующего акустического микроскопа, работающие в импульсном режиме на отражение в частотном диапазоне 100 - 800 МГц с разрешением, достигающим 2 мкм.

5. Исследован вопрос о пределах применения акустического микроскопа для измерения характеристик распространения поверхностных акустических волн. С его помощью измерены скорости ПАВ в ряде материалов.

6. Показана возможность применения сканирующего акустического микроскопа в ряде областей науки и техники: для исследования биологических объектов, визуализации неразрушающим образом подповерхностной структуры оптически непрозрачных объектов. Показана возможность исследования с помощью акустического микроскопа микроструктуры металлов и сплавов, минуя процесс травления ш^лифов. Продемонстрирована перспективность применения акустического микроскопа для анализа рудных минералов, в частности, показана возможность обнаружения двойникования.

Диссертационная работа выполнена в отделе физики полупроводников и полупроводниковых приборов ИРЭ АН СССР.

В заключение считаю своим долгом выразить благодарность научному руководителю А.И.Морозову за постоянное внимание к работе и поддержку, а в особенности - за предложенную идею создания акустического микроскопа с акустоэлектрическим детектором.

Я глубоко признателен всем членам научного семинара отдела физики полупроводников и полупроводниковых приборов ИРЭ АН СССР за обсуждение результатов работы.

СПИСОК работ автора, вошедших в диссертацию.

AI. Кулаков М.А.»Морозов А.И. Исследование возможности улучшения характеристик акустического микроскопа на прохождение.- Материалы XI Всес. конф. по акустоэлектронике и квантовой акустике.-Душанбе, Дониш, 1981, ч.2, с.32-33.

А2. Кулаков М.А.»Морозов А.И. Акустический микроскоп с высоким разрешением.- Электронная промышленностиь, 1983, №6, с.36-37.

A3. Кулаков М.А.»Морозов А.И. Модуляционная передаточная функция акустического микроскопа и ее влияние на акустические изображения.-Письма в ЖТФ, 1984, т.10, №16, с.984-988.

A4.Беляев С.В. »Дорожкин J1.M. »Кулаков М.А., Мороз-ов А.И., Чаянов Б.А.»Пьезоэлектрические преобразователи на основе поликристаллических пленок органических полициклических соединений.- Материалы XI Всес. конф. по акустоэлектронике и квантовой акустике.-Душанбе, Дониш, 1981, ч.2, с.230-231.

А5. Убогого* J.7y ¿^¿Uto* /¡Zrs/A," &

A6. Дорожкин JI.M. »Кулаков М.А. »Морозов А.И. »Плешков Г.М., Чаянов Б.А.,Пустынникова И.В. Возбуждение объемных акустических волн текстурированными пленками органических соединений.-Тезисы докл. IT Всес. конф. "Актуальные проблемы получение и применения сегнето- и пьезоматериалов", Москва, 1984, ч.2, с. 129.

А7. ity-лаков М.А.»Морозов А.И. Растровый акустический микроскоп с интегральным акустическим элементом.-Письма в ЖТФ, 1980, т. 6, №9, с. 566-568.

А8. A.c. 832449 (СССР). Сканирующий акустический микроскоп/ А.И.Морозов, М.А.Кулаков .- Опубл. в Б.И., 1981, №18.

А9. /fer^ois J. /f./. ¿¿SzS ¿^гл 'SS/о* ¿tea^srii: sn/ts-pJ^/?*. - (f&e^esr. sde Г. yts/Г, />.

AI0. Кулаков М.А., Морозов А.И. Разрешающая способность сканирующего акустического микроскопа с акустоэлектрическим детектором.-Тезисы докл. всес. конф. "Акустические свойства биологических объектов".-Пущино, 1984, с.94-96.

All. Кулаков М.А., Морозов А.И. Визуализация микрообъектов с помощью акустического микроскопа. - ^¿¿¿¡^

I/I983, с. 54-57.

AI2. Кулаков М.А., Морозов А.И. Визуализация подповерхностной структуры объектов с помощью акустического микроскопа.-Письма в ЖТФ, т.8, №12, с. 719-721, 1982.

AI3. Кулаков М.А.,Морозов А.И.»Нартова Т.Т.»Тарасова О.Б. О возможности исследования микроструктуры металлов и сплавов с помощью акустического микроскопа.- Заводская лаборатория, 1983, №5, с.24-27.

2. Нуэйт К.§.,Аталар А.,Викрамасингхе Х.К. Акустическая микроскопия с механическим сканированием.-ТИЙЭР,1979,т.б7,Ш,с. 5-31.

3. Соколов Я. Ультразвуковой микроскоп. А.с. СССР №79219, 1948. б.Кесслер Л.У.,Юхас Д.Э. Акустическая микроскопия-1979.-ТИИЭР, 1979, т.67, №4, с. 96-108.

5. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука.-Л.:Изд-вл Ленинградского университета, 1980.-280 с.

6. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Ред. В.А.Панов.-Л.:Машиностроение, Ленингр. отд., 1980.

8. Морозов А.И., Проклов В.В., Станковский Б.А. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств.-М.: Радио и связь, I98I.- 184.

9. Баранский K.H.,Визен Ф.Л.,Магомедов З.А.,Иаламарчук И.В. Поглощение гиперзвука в пленках CdS на частоте 9,4 ГГц.-ФТТ, 1973, т.15, с. 2528-2530.

10. Беляев СВ.,Красильников М.В.,Морозов А.И.,Польских Э.Д. Характеристики пьезопреобразователей на основе поликристаллических пленок органических полициклических соединений.-Акуст. журн., 1983, т.29, №6, с. 831-833.

12. Морозов A.И., Гингис A.Д. Характеристики пьезопреобразователей с диффузионным слоем на основе сульфида кадмия.-Радиотехника и электроника, 1970, т.15, №7, с. I48I-I485.

13. Земляницын М.А., Морозов А.И. Установка для исследования акустических параметров жидкостей с использованием широкополосных пьезополупроводниковых элементов.-Заводская лаборатория, 1972, т. 83, №7, с. 885-887.

14. Морозов А.И., Проклов В.В., Об использовании акустоэлектричес- кого эффекта для исследования ультразвуковых преобразователей.-Р. и Э., 1966, т. II, №5, с. 952-954.

15. Анисимкин В.И., Морозов А.И., Никитин И.П. Дифракция поверхностных акустических волн в кварце.-Акуст. журн., 1979, т. 25, №4, с. 481-487.

16. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука, I98I .- 287 с.

17. Борисова И.А., Бочвар Г.А., Брун М.Я. и др. Металлография титановых сплавов.-М.: Наука, 1979.- 230 с. ^P^^f/b'^-t^i