JP2003507698A - 励起音響パルス・エコーによる膜厚の検出 - Google Patents

励起音響パルス・エコーによる膜厚の検出

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Abstract

(57)【要約】 ポンプ・レーザパルス（１２）を試料（３０）の表面（３０ａ）へ向け、試料（３０）の中に音響パルス（３０ａ’）を発生させることにより試料（３０）の薄膜の厚さの検出を可能とする。ヘテロダイン干渉計測法（１０）を用いて、第１のエコーと第２のエコー間の時間経過を計測し、この経過時間から薄膜の厚さの決定を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願の相互参照】
本願は、１９９８年２月２４日出願の米国特許出願番号０９／０２８，４１７
の一部継続である。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に構造物の厚さの計測に関し、特に、非接触干渉計測法を利用
するレーザ励起音響パルス・エコーによる膜厚の計測システムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
楕円偏光法は、半導体処理における膜厚計測を行うための強力な技法である。
検査対象の薄膜が照射用放射に対して透明な場合、楕円偏光法により、１単分子
膜の厚さ（３〜１０オングストローム）まで薄膜の計測を行うことが可能である
。しかし、楕円偏光法では検査対象の薄膜が不透明な場合計測は不可能である。
集積回路の製造において主要な役割を果たす金属薄膜はこの不透明なカテゴリに
属する。波長と検査対象の材料に応じて、光線は薄膜の最初の数十から数百オン
グストロームの範囲で吸収される。例えば、アルミニウムの薄膜において０.５
ミクロンの波長の緑色放射を使用すると、吸収長は７０オングストローム未満と
なる。さらに長い波長、特に赤外線波長ではこの状況はさらに良くなるが、それ
でも、金属薄膜やその他の光学的に不透明な薄膜に関しては、楕円偏光法により
完全な解決策が与えられるまでには至っていない。
【０００４】 計測対象の厚さが数ミリメートル乃至少なくとも数十ミクロンである状況では
、時間分解パルス・エコー超音波法が厚さの計測を行う周知の方法である。半導
体処理で使用する薄膜に対して表面エコーの時間分解を行うことができるように
極短パルスが必要となる。このようなパルスは短いレーザパルスにより発生が可
能であり、この技術の一般的分野は光音響学として知られている。関係する物理
的処理は以下の通りである：短いレーザパルスが表面から１吸収長の範囲内に吸
収され、それによって表面の局所温度の上昇が生じる。温度膨張係数（膨張係数
）に起因して薄膜は熱応力を受け、この熱応力により、薄膜の両端で音速で伝播
する弾性パルスが生じる。薄膜内に音速が与えられた場合、薄膜の両端にわたる
音の飛行時間を計測すれば、膜厚の計算が可能となる。したがって、残る重要な
問題点として、音響擾乱が薄膜の後側から跳ね返って前面に達するときに生じる
音響擾乱の検出という問題がある。
【０００５】 米国特許出願第４，７１０，０３０の、ブラウン(Brown) 大学における研究員
たちの研究について言及する。該特許によれば、応力パルスは、薄膜の後側から
反射されて表面に達するとすぐに、表面および表面近くの光学定数の変化を生じ
させると記載されている。薄膜の弾性特性と電子特性の双方に応じて、これらの
変化を１００万分の２〜３の範囲にできることが証明されている。表面の光学定
数の変化により反射率の変化が生じ、この反射率の変化は、表面を照射する“プ
ローブ”光による照射強度のモニタにより検出される。光学定数の変化がわずか
なものである場合、他にも問題はあるが、ブラウン大学の研究者たちによるこの
特許された方法は測定精度が不足している。
【０００６】 上述の応力パルスは、表面の光学定数を変化させるのみならず、表面の小さな
変位をも引き起こす。ヘテロダイン干渉計を用いて、凹凸のある表面から生じる
連続する超音波変位などの表面の動きが検出されるようになってきた。例えば、
Monchalin 著“連続する超音波変位を計測するためのヘテロダイン干渉形レーザ
プローブ”(Rev. Instrum., Vol.56, No.4, 1985年4 月, pp.543-546.)を参照さ
れたい。Monchalyn が記述しているシステムのような従来形のヘテロダイン干渉
形システムでは、連続波（ＣＷ）レーザ源が使用される。Monchalyn の論文に記
載されているような従来形のヘテロダイン干渉計では、基準光とプローブ光とは
異なる信号経路に沿って進む。大気乱流や機械的振動のような環境に起因する擾
乱により、これら２つの経路で様々な変動が生じて、ランダムなノイズが引き起
こされる原因になる場合もある。このようなランダムなノイズに起因して、半導
体の膜厚計測時に遭遇する位相差のような小さな位相差の計測を行うには、従来
形のヘテロダイン干渉計の信号対騒音比では不十分である。従来形のヘテロダイ
ン干渉計の別の例として、米国特許出願第４，６１９，５２９に記載されている
例がある。
【０００７】 したがって、改善された膜厚計測方法の提供が望まれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、半導体の分野では膜厚計測における重要な問題点として反響
音の検出がある。本願出願人は、従来の方法に代って、反響音の計測を行うため
に相互にほぼ同じ位相をなす一対のプローブ・パルスと基準パルス放射を行うこ
とを提案するものである。ポンプ・パルスによってつくりだされた弾性パルスに
よって試料が影響を受けると、プローブ・パルスは、試料の回路領域へ向けられ
、次いで、基準パルスは試料の同一の表面領域あるいは別の表面領域へ向けられ
、それによって、この一対のパルスは試料によって修正されることになる。これ
らの修正されたパルスは検出器において干渉を起こす。この一対のパルスのうち
の少なくとも一方が、試料による修正の前あるいは試料による修正の後に、検出
器による検出に先行して、同じ位相または周波数で変調される。検出器の出力の
分析により膜厚情報を得ることができる。試料表面の計測を行うために基準パル
スとプローブ・パルスとを使用するため、本願出願人が提案する本システムは、
弾性波によって生じる反響音の検出に必要な分解能を有するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
推奨実施例では、光遅延ユニットを利用してポンプ・パルスとプローブ・パル
スとの間の時間関係を変更して、ポンプ・パルスによってつくりだされた弾性パ
ルスにより試料表面が影響を受けたとき、プローブ・パルスが試料表面へ向けら
れるようにすることができる。
【００１０】 干渉計内の基準信号とプローブ信号が同じ経路に沿って進まない場合、環境要
因によってつくりだされたランダムなノイズのために、干渉計は、試料表面で反
響音により生じた小さな位相変化の計測を行うには実際的なものでなくなる可能
性がある。したがって、好適には、発光源と検出器との間の実質的に共通な光路
に沿って基準パルスとプローブ・パルスが送られることが望ましい。
【００１１】 非常に薄い膜や層の計測を所望の場合、使用するプローブ・パルスと基準パル
スは約１０ピコ秒未満の持続時間を持つものにすることができる。このような方
式はヘテロダイン・システムとホモダイン・システムの双方のシステムで適用可
能なため、２つのパルス双方の強度、位相、周波数を変調したり、２つのパルス
のいずれも変調しないようにすることができる。
【００１２】 本願では、説明を単純にするために、同一の成分に対しては同一の参照番号が
つけられている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、試料の膜厚を決定する弾性パルスの検出用干渉計を含む、１以上の弾
性パルスを試料内で励起させるシステム１０の概略図であり、１つの推奨実施例
を例示する図である。図１に図示のように、システム１０にはレーザ１２が含ま
れ、このレーザ１２は、第１の周波数による一続きの周期パルス・ビームの形で
光周波数でビーム・スプリッタ１４へ放射を行う。このビーム・スプリッタ１４
によってビーム光の一部が検出器１６の方へ逸らされる。検出器１６は、レーザ
１２によって供給されたパルスの強度の変動を検出し、他のデータとの比較を行
うためにデータ収集ユニット／パーソナル・コンピュータ１８へこのような情報
を出力してレーザ１２の強度変動によって生じたデータ内のエラーを減らしたり
取り除いたりすることができるようになっている。レーザ１２によって出力され
たエネルギーの大部分は、ビーム・スプリッタ１４の中を通過し、ビーム・スプ
リッタ２０へ続く。ビーム・スプリッタ２０によってエネルギーは２つの部分に
分けられる。第１の部分は、弾性パルスを試料内に発生させるポンプ光のポンプ
・パルスとして、第２の部分は、試料の膜厚計測用弾性パルスを検出する干渉計
４０の中で使用される。図を単純にするため、図１に後続する図では検出器１６
とビーム・スプリッタ１４は省かれている。
【００１４】 ビーム・スプリッタ２０は、レーザ１２からの一続きのポンプ・パルスを同一
の第１の周波数からなる２つのシーケンスに分割する。一方のシーケンスは上記
一続きのポンプ・パルスであり、もう一方のシーケンスは、以下で説明する方法
で、一続きの対の基準パルスとプローブ・パルスに変換される一続きのポンプ・
パルスである。この一続きのポンプ・パルスは、音響光学変調器（ＡＯＭ）ある
いはチョッパ２４によって変調される。チョッパ２４は、変調周波数で周期的に
この一続きのポンプ・パルスの通過をブロックし、ＡＯＭあるいはチョッパ２４
の中をポンプ・パルスが通される際に使用される周波数と等しい第２の周波数で
ポンプ・パルスの周期的バーストを発生させる。
【００１５】 したがって、図１に図示のように、ポンプ・パルスはミラー２２により反射さ
れ、一続きのパルス・バーストとしてＡＯＭあるいはチョッパ２４の中を通され
、別のミラー２６によって反射されて試料３０の方へ向かう。これらのパルスは
約１００ＭＨｚの第１の周波数でレーザ１２により供給される。各ポンプ・パル
スは試料の表面３０ａから１吸収長の範囲で吸収され、表面の局所温度を変化さ
せ、この温度の変化に起因して表面は熱応力を受ける。この熱応力により弾性パ
ルスが生じ、弾性パルスは、試料の中で音速で下方へ試料を貫通して伝播する。
弾性パルスは、異なる層の間の試料内のインターフェースによりエコーとして反
射され、このようなエコーは試料の表面３０ａの方へ伝播して戻る。この弾性パ
ルスとそのエコーに起因して、試料の表面３０ａは、例えば新しい位置３０ａ’
まで短時間動かされ、表面３０ａの光学特性の変化が生じる可能性がある。
【００１６】 レーザ１２が出力したエネルギーの第２の部分は、モータ付き変換段(motoriz
ed translation stage) とミラー３６とに装着された再帰反射器３４を含む遅延
経路３２に沿ってビーム・スプリッタ２０により反射されて干渉計４０へ向かう
。弾性パルスによって生じた表面３０ａの動きはこの干渉計４０により検出され
る。干渉計４０の出力はロックイン増幅器４２などの同期用手段へ出力される。
この同期用手段によってＡＯＭまたはチョッパ２４からの第２変調周波数の受信
も行われる。ロックイン増幅器４２は、ＡＯＭあるいはチョッパ２４の変調周波
数（あるいは以下に説明するような変調周波数と関連する周波数）で干渉計の出
力を増幅し、データ収集／パーソナル・コンピュータ・ユニット１８へ増幅用信
号を供給する。モータ制御装置４４によってモータ付き遅延ユニット３６が制御
され、以下詳細に説明するように、干渉計４０により供給される試料表面３０ａ
用パルスと、ポンプ・パルスとの間のタイミング関係の変動が行われる。データ
収集／パーソナル・コンピュータ・ユニット１８は膜厚値の計算に用いられる。
図１では、ポンプ光は、表面３０ａに対して斜角になるように図示されているが
、以下さらに詳細に説明するように、システム１０の実施態様に応じてそのよう
にしてもよいし、しなくてもよいことは理解できよう。
【００１７】 図２は、共通路／時間差構成における図１のシステムの１つの実施例１０Ａの
概略図である。図１では偏光用ビーム・スプリッタ２０’によって反射されたビ
ーム光がポンプ光となるのに対して、偏光用ビーム・スプリッタ２０’を通過し
たビーム光が干渉計の中で使用されるという点で、また、モータ付き変換段に装
着された遅延変動ユニット３４’が、干渉計４０へ向かうビーム光の光路内にで
はなく、ポンプ光の光路内に存在するという点で、システム１０Ａは図１のシス
テム１０とは異なるものである。レーザ１２からのレーザ光は、２分の１波長板
５２を通過後直線偏光される。次いで、このレーザ光は、偏光用ビーム・スプリ
ッタ２０’によりポンプ光ともう一つのビーム光とに分けられる。上述のように
、ポンプ光は、ドライバ６０により制御されるような第２の変調周波数で音響光
学変調器あるいはチョッパ２４によって変調される。偏光用ビーム・スプリッタ
２０’は、ポンプ光になるようにレーザ光の一部を変調器あるいはチョッパ２４
の方へ向けて反射させ、もう一つのビームを通過させる。このもう一つのビーム
光から一対の基準パルスとプローブ・パルスが導き出される。スプリッタ２０’
を通過したビーム光は、平面（図面平面）に関してある角度（好適には４５°）
の軸線を有する４分の１波長板５４の中を通される。この平面には、ポンプ光と
、レーザ１２から発せられるレーザ光と、スプリッタ２０’からのビーム光との
光路が含まれる。このビーム光から一対の基準パルスとプローブ・パルスとが導
き出される。説明の便宜上、このような平面すなわち図面の平面は、光テーブル
に対して平行な平面としてもよい。本明細書ではこの平面を水平面と呼ぶことに
するが、この平面は説明の便宜上用いるものにすぎないこと、および、図２の実
施態様はこの平面によって限定されるものではないことを理解されたい。以下の
説明では、このような横方向は矢印により示され、上記のような平面に対する垂
直方向は縦方向と呼ばれ、中心に黒点（・）を持つ円によって示される。図４ａ
、４ｂに図示のような上方向の２つの方向のうちの一方に加えられる帽子の形ま
たは“Ｓ”字形の符号は、これらの偏光成分のうちの一方が、図２の変調器５６
のような光電子変調器によって位相変調されたものであることを意味する。
【００１８】 図３は、図２のレーザ１２、４分の１波長板５４および変調器５６の透視図で
あり、プレート５４の軸線と、レーザ１２によって出力される放射を偏光する偏
光板とに対する、変調器５６の軸線の相対配向を例示する。図３を参照すると、
ＸＺ平面は水平面であり、Ｙ軸は縦方向を示す。したがって、図３を参照すると
、４分の１波長板５４は、その軸線が水平面に対して好適に４５°となるように
配向されている。したがって、レーザ１２からの放射がプレート５４を通るとき
、現れる放射は円偏光される。光電子変調器５６は、水平面での変調あるいは縦
方向に沿う変調のいずれかでしか放射電場の変調を行わないように配向され、放
射電場の変調がこれら双方で行われることはない。
【００１９】 例示を目的として、変調器５６は水平面だけでしか放射成分の変調を行わず、
縦方向には放射成分の変調を行わないと仮定されている。図２、４ａ、４ｂを参
照しながら、基準パルスとプローブ・パルスの経路について以下説明する。
【００２０】 変調器５６からビーム・スプリッタＢＳ1 へ通過するレーザ光パルスは、２つ
のパルス（プローブ・パルスと基準パルス）に分割される。基準パルスとプロー
ブ・パルスは、２つのビーム・スプリッタ間を直接つなぐ短路と、信号がミラー
６２と６４によって反射される長路との２つの異なる経路に沿って、ビーム・ス
プリッタＢＳ1 からビーム・スプリッタＢＳ2 へ進む。
【００２１】 図４ａを参照すると、光電子変調器５６から現れ、ビーム・スプリッタＢＳ1
に接近する放射パルスは、変調器５６によって同じ位相または周波数で変調され
る水平成分と、変調器５６によって変調されない垂直成分とを有する。ビーム・
スプリッタＢＳ1 は、変調器５６からのビーム光でこれら２つの成分の各部分を
基準パルスとして反射し、残り部分（各々の変調された水平成分と変調されなか
った垂直成分の一部も含む）を対応するプローブ・パルスとして送信する。その
結果、一続きの基準パルスと一続きのプローブ・パルスとの２つのシーケンスが
ビーム・スプリッタＢＳ1 から現れる。
【００２２】 図４ａは、基準パルスの偏光状態と、試料による基準パルスの反射とを例示す
る。図４ａを参照すると、円偏光された基準パルスは、ＢＳ1 からＢＳ2 へこれ
らビーム・スプリッタ間の短路に沿って直接進み、ビーム・スプリッタＢＳ2 を
通過して偏光用ビーム・スプリッタ６６に達する。該偏光用ビーム・スプリッタ
６６は、変調器５６により変調されたパルスの水平成分しかレンズ６８を介して
通さず、この水平成分は試料３０の表面３８に達する。図２を参照すると、モー
タ付き変換段５０に装着された遅延変動ユニット３４’の調節が行われ、水平方
向に偏光された基準パルスが、対応するポンプ・パルスよりも前に試料３０に達
するようになされる。したがって、水平方向に偏光された基準パルスが試料に達
したとき、試料の表面３０ａは動かず、対応するポンプ・パルスによる影響を受
けない。次いで、このような基準パルスに対応するポンプ・パルスは試料３０に
達して、試料の中に弾性パルスをつくりだし、そこで、この弾性パルスに起因し
て試料の表面３０ａの動きおよび／または別様に検出可能な特性の変化が生じる
。このようにして、基準パルスは、ＢＳ1 から直接ＢＳ2 へ次いで試料３０へ向
かって順方向に進む。
【００２３】 一続きのプローブ・パルスの偏光状態が図４ｂに例示されている。試料へ向か
う順方向の進行では、この一続きのプローブ・パルスはビーム・スプリッタＢＳ 1 を通過し、ＢＳ2 へ向かう長い光路へ向かい、ミラー６２、６４により反射さ
れ、２分の１波長板７２により回転される。これに起因して、変調器５６によっ
て同じ位相または周波数で変調された各プローブ・パルスの元々水平な成分は、
位相または周波数変調された垂直成分になり、また、変調器５６によって元々影
響を受けない垂直成分は、図４ｂに図示のような変調されない水平成分になる。
偏光用ビーム・スプリッタ６６は、プローブ・パルスの変調されなかった水平成
分だけをレンズ６８を介して試料３０まで通すが、変調された垂直成分はブロッ
クする。
【００２４】 ２つのビーム・スプリッタＢＳ1 とＢＳ2 間、および、ミラー６２と６４間の
長い光路長は、対応するポンプ・パルスが上述のように試料３０の中に弾性パル
スをつくりだした後、プローブ・パルスの各水平成分が試料３０に達するように
なされる。この弾性パルスは、試料の表面３０ａを動かし、さらに、試料表面の
光学的に検出可能な別の特性の変化を生じさせる場合がある。試料表面による反
射時にプローブ・パルスのこれらの成分は弾性パルスの上記のような影響によっ
て修正される。段５０による可変光遅延ユニット３４’の調節により、対応する
ポンプ・パルスによって弾性パルスがつくりだされた後、プローブ・パルスの水
平成分を様々な時点で試料３０へ向けることが可能である。
【００２５】 上述したように、弾性パルスに起因して、試料の表面３０ａに動きおよび／ま
たは光学的に検出可能な試料表面の別の特性の変化が生じる。試料３０によりこ
のように修正され、反射されて、この反射されたプローブ・パルスは、レンズ６
８、偏光用ビーム・スプリッタ６６、ビーム・スプリッタＢＳ2 とＢＳ1 の中を
通って、ミラー６２と６４に達することなく、短路で逆方向に戻って進み、次い
で、ミラー７４により反射されて偏光用ビーム・スプリッタ７６に達する。偏光
用ビーム・スプリッタ７６は水平面に対して４５°にその偏光軸を好適に配向さ
れ、その結果、このビーム・スプリッタ７６は、その軸線に沿って、反射された
各プローブ・パルスの成分を通過させて検出器８２へ送り、次いで、その軸線に
対して垂直な反射された各プローブ・パルスの成分を反射させて検出器８４へ送
る。
【００２６】 図４ａを参照すると、変調器５６により変調された、試料３０へ向かって進む
基準パルスの各水平成分は試料３０により反射される。対応するポンプ・パルス
によって弾性パルスがつくりだされる前に、このような成分が試料に達するため
、弾性パルスによる影響を受けないように反射された基準パルスが、レンズ６８
と、偏光用ビーム・スプリッタ６６の中を通り、ビーム・スプリッタＢＳ2 によ
り一部が反射されて２分の１波長板７２の方へ向かうとき、上記のような基準パ
ルスの変調された水平成分は試料３０により反射される。変調され、水平方向に
偏光され、反射された基準パルスは２分の１波長板７２によって回転される。そ
の結果、反射された基準パルスは、今度は縦方向に偏光される。ミラー６４、６
２により反射された後、この変調され、反射された基準パルスは、一部がＢＳ1
により反射され、ミラー７４によりさらに反射されて偏光用ビーム・スプリッタ
７６の方へ向かう。偏光用ビーム・スプリッタ７６は、その軸線に沿って、この
ような反射された基準パルスの成分を通過させて検出器８２へ送り、その軸線に
垂直な成分を反射させて検出器８４へ送る。
【００２７】 上記の説明から留意すべき点は、検出器８２と８４に達するこの反射された基
準パルスの上記部分が偏光用ビーム・スプリッタ２０’と検出器８２、８４との
間の光路を進む光路長は、同じレーザパルスから発した対応する反射プローブ・
パルスの上記部分が進む光路長と同じであるという点である。反射された基準パ
ルスの場合、基準パルスは、ＢＳ1 からＢＳ2 へ短路の中を通って順方向に最初
進み、次いで、その基準パルスは反射されて、逆方向にミラー６４と６２を介し
て長路でＢＳ2 からＢＳ1 へ帰還する。反射されたプローブ・パルスの場合、プ
ローブ・パルスは、最初ＢＳ1 から進み、長路でミラー６２、６４によって反射
されて、順方向にＢＳ2 まで進み、次いで、反射されたプローブ・パルスは、逆
方向に短路に沿ってＢＳ2 からＢＳ1 へ帰還する。したがって、反射された基準
パルスの上記部分は、上述のプローブ・パルスの対応する部分とほぼ同じ時刻に
検出器８２に達し、このような検出器において干渉を起こすことになる。この同
じ経路（vein）で、検出器８４に達する上述の反射された基準パルスの部分は、
対応する反射されたプローブ・パルスの部分とほぼ同じ時刻にこのような検出器
に到着し、検出器でこのような部分と干渉を起こすことになる。
【００２８】 図２を参照すると、偏光用ビーム・スプリッタ７６は干渉パルスの一部を反射
させ、残り部分を送信する。ビーム・スプリッタ７６は、干渉されたパルスの反
射された部分と送信された部分との間に１８０°の位相シフトを導入する。ミク
サ８６の中で２つの検出器８２と８４の出力の差を計算することにより差分信号
が得られる。この場合、このような差分信号の方が試料表面の反射率への依存度
がずっと少なくなり、表面の動きによって生じる位相の変化に対してずっと敏感
になる。変調器５６によって位相シフトまたは周波数シフトを導入することによ
り、この差分信号には、変調器５６の動作周波数と変調器５６の高調波との成分
が含まれることになる。 @１つの実施例では、およそ５０ｋＨｚで変調器５６を作動させることもできる
。このような高い周波数での作動により、環境と機械の振動により生じる低周波
ノイズの影響が大きく低減されるため、図２のシステムはホモダイン・システム
より好適である。
【００２９】 ミクサ８６から得られた差分信号はロックイン増幅器４２に印加される。変調
器５６はドライバ６２により所定の動作周波数で駆動される。ドライバ６０と６
２は、ポンプ＆プローブ／基準パルスの変調周波数ｆpump、ｆprobe をロックイ
ン増幅器４２へそれぞれ出力する。ロックイン増幅器４２は、ドライバ６０と６
２の駆動周波数間の差（ｆprobe−ｆpump）によって与えられる混合周波数や、
ドライバ６０の駆動周波数ｆpumpの任意の倍数とドライバ６２の駆動周波数ｆpr obe の任意の倍数との間の和または差によって与えられる周波数などの選択され
た周波数でしか増幅を行わない。ロックイン増幅器４２を用いて、異なる混合周
波数で信号の増幅を行い、較正用およびレーザノイズの低減用として、増幅され
た信号比を異なる混合周波数で得ることもできる。
【００３０】 再び図４ａを参照すると、上述のように長路に沿ってビーム・スプリッタＢＳ 2 により反射された各反射基準パルスの部分に加えて、ＢＳ2 はこのような反射
された基準パルスの一部も短路に沿って通過させ、直接ビーム・スプリッタＢＳ 1 へ送り、次いで、検出器８２、８４へ送る。しかし、反射された基準パルスの
このような部分が、対応するプローブ・パルスの上述の部分が進んだ光路より短
い光路に沿って進むことに起因して、対応するプローブ・パルス部分が到着する
前に基準パルスのこのような部分が検出器に到着することになるため、対応する
プローブ・パルス部分との干渉が起らなくなる。
【００３１】 この推奨実施例では、レーザ１２はフェムト秒レーザであり、レーザ１２によ
ってフェムト秒のオーダーの各持続時間レーザパルスが出力される。これらのパ
ルスは非常に広い帯域幅を持つ。したがって、同じパルスが分割されて異なる部
分になった場合同じパルスから発する部分だけが干渉を起こし、また、これらの
異なる部分がほぼ同じ光路長を進んだ場合に限り干渉を起こすことになる。異な
るパルスから分けられた部分は、互いに対して相対的にインコヒーレントであり
、一般に干渉を起こさない。したがって、図２の共通経路構成を用いることによ
り、同じパルスから分割され、同じ光路長を進む放射部分しか干渉を起こさなく
なる。
【００３２】 上述したように、干渉用プローブ・パルスと基準パルスとが共通路に沿って進
まない場合、環境要因が２つの干渉パルスに別様に影響を与える可能性があり、
それによってバックグラウンド・ノイズが生み出される。干渉用プローブ・パル
スと基準パルスが同じ光路に沿って進む場合には、たとえこれらのパルスが、上
述したように異なる時点で短路と長路に沿って進んでも、環境要因によって生じ
るノイズは大きく低減される。したがって、上述のような共通経路構成では、環
境に起因する擾乱が基準パルスとプローブ・パルスの双方に実質的に同様の影響
を与えるため、擾乱の影響は干渉時にみずから相殺される。
【００３３】 ヘテロダイン干渉計測法を実行するために、干渉用基準パルスとプローブ・パ
ルスが共通路に沿って進む場合、基準パルスとプローブ・パルスの別様の変調を
必要とする。図２、４ａ、４ｂの実施例では、この変調は光電子変調器５６の配
向により行われるため、特定方向にのみ放射電場の変調が行われるようなり、た
とえ基準パルスとプローブ・パルスとが同じ経路に沿って進むとしても、パルス
の変調が可能である。そのため、これら一対のパルスが検出器において干渉を起
こした場合、２つのパルスのうちの一方だけが変調器５６により変調されること
になる。変調器５６とは異なる周波数で垂直成分の変調を行うために別の変調器
を追加して、変調器５６の周波数でこの一対のパルスの一方を変調しながら、そ
のような周波数でパルスの中の１つを変調するようにすることが可能であること
は言うまでもない。このようなイベントでは、２つの変調周波数間の差分だけ差
分信号が与えられる。さらに別の変調方式が可能である。このような変更例およ
び別の変更例は本発明の範囲に属するものである。
【００３４】 上述のヘテロダイン干渉計測方式は強度変調と比較して高い感度を有する。多
くの材料の位相変調深度のほうが強度変調の深度よりも一般に大きいので、プロ
ーブ光出力の有用部分が上昇が増し、高い感度につながることになる。上記とは
別に、ホモダイン検出時の感度と同じ感度を保持するために、プローブ光出力を
落としてもよい。上述のような位相変調方式では、位相変調周波数の第１、第２
あるいはさらに高い高調波と関連する信号を得ることが可能である。較正用とし
て、あるいは、ノイズの低減用としてこれらの信号を利用してもよい。
【００３５】 図５ａ〜５ｄは、図２、４ａおよび４ｂの実施例のポンプ光と、基準光と、プ
ローブ光の対応するパルスに対するタイミングと変化とを例示する。図５ａは、
ポンプ・パルスと、一対の対応するプローブ・パルスと基準パルスとを導き出す
源となるパルスを例示する。図５ａに図示のように、一対のプローブ・パルスと
基準パルスとを導き出す源となるパルスは、偏光用ビーム・スプリッタ２０’を
通過する際、水平面で成分Ａ（ｔ）ｃｏｓω0 ｔを持つものは偏光され、垂直成
分では偏光されない。偏光用ビーム・スプリッタ２０’からパルスが現れる時点
は、図５ａではｔとして示されている。図２の実施例の水平面が試料３０におけ
るビーム光の入射平面であるため、水平成分はＰ偏光された成分であり、垂直成
分はＳ偏光された成分である。したがって、一対のプローブ・パルスと基準パル
スとを導き出す源となるパルスは、偏光用ビーム・スプリッタ２０’から現れる
際にＰ偏光された成分しか持たず、以下の式で与えられる。 但し、ω0 は放射を行う角周波数であり、Ａ（ｔ）は放射パルスの振幅である。
上記の数式１は、上述の方法で時刻ｔに偏光用ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）２
０’から出現したときに分割される前のプローブ・パルスと基準パルスの状態を
示す。基準パルスはＢＳ1 から直接ＢＳ2 へ通過し、試料表面に達する。試料に
より反射される直前の試料に当る基準パルスは、以下の式で与えられる。 但し、ｔR は基準経路の伝送係数であり、ωC はＰＥＭ位相変調（搬送周波数）
の角周波数であり、τP （図５ｂ参照）は、放射がポンプ経路に沿ってＰＢＳ２
０’から試料まで進むための所要時間を表し、τ1 は、放射がＰＢＳ２０’から
ＢＳ1 まで進む時間を表し、τR は、短路に沿って放射がＢＳ1 から試料まで進
む時間を表す。
【００３６】 上述の方法で、プローブ・パルスは、ＢＳ1 からミラー６２、６４およびＢＳ 2 まで長路に沿って進む。このようなパルスは、試料表面に達するとＰ偏光され
、以下の式で与えられる。 但し、ｔS はプローブ信号経路の伝送係数であり、τS は長路に沿って放射がＢ
Ｓ1 から試料まで進む時間を表す。
【００３７】 基準パルスは試料表面によって反射され、以下の式で与えられる。 但し、ｒ0 は、光音響励起反射率の変化を伴わない、試料表面の反射率である。
【００３８】 プローブ・パルスは試料表面によって反射され、次いで、試料表面の動きおよ
び弾性パルスに起因して生じる光学的に検出可能な別の現象によって修正される
。反射されたプローブ・パルスは以下の式で与えられる。 但し、ｒ（ｔ”）は、光音響励起反射率の変化を含む試料表面の反射率であり、
ｕは光音響励起表面の変位であり、ωS は光音響信号の角周波数である。
【００３９】 反射された基準パルスは、ＢＳ2 からミラー６４、６２までの長路に沿ってＢ
Ｓ1 まで進み、ビーム・スプリッタ７６に現れる。ビーム・スプリッタ７６に達
した基準パルスはＳ偏光され、以下の式で与えられる。 但し、τ2 は４５°で放射がＢＳ1 からＰＢＳ７６まで進む時間を表す。
【００４０】 反射されたプローブ・パルスはＢＳ2 からＢＳ1 まで短路に沿って逆方向に直
接進み、偏光用ビーム・スプリッタ７６に達する。このような反射されたプロー
ブ・パルスは以下の式で与えられる。
【００４１】 図６は、厚いシリコン基板上の厚さ９６ｎｍと１８０ｎｍの層のチタニウム薄
膜から検出された場合の、基準パルスとプローブ・パルスとの間で時間の関数と
して検出された位相シフトの実験から得られたグラフである。遅延変動ユニット
３４’を変化させることにより、異なる時点で表面３０ａの位置の検出を行って
、図６に示す、基準パルスとプローブ・パルス間の位相シフト曲線をつくりだす
ことが可能である。シリコン基板が厚いために基板の底部からの反射は無視する
ことができる。図６に図示のように、９６ｎｍ層の場合、ポンプ光は任意の時刻
ゼロから約０ピコ秒で高い振幅の音響パルスを発生させる。この音響パルスは、
チタニウム薄膜を貫通して下方へ伝播し、薄膜とその下に在るシリコン基板との
間のインターフェースにより反射される。反射が試料表面３０ａに達すると、こ
の反射に起因して表面の動きが生じ、この反射はゼロから２８ピコ秒の第１のエ
コーとして検出される。この第１のエコーは下方へ伝播し、チタニウム／シリコ
ン・インターフェースによって再び反射され、上方へ伝播して、第２のエコーと
して試料表面に達し、ゼロから約６０ピコ秒で検出される。したがって、空気／
チタニウム・インターフェースからチタニウム／シリコン・インターフェースの
方へ向かって２８ピコ秒目の第１のエコーから音響パルスが進み、次いで、第２
のエコーとして、チタニウム／空気インターフェースの方へ向かって戻るために
要した時間は（６０−２８）ピコ秒であった。チタニウムにおける音速がわかれ
ば、チタニウム薄膜の厚さは、上記のような速度×第１のエコーと第２のエコー
間の時間間隔×１／２によって求められる。上述したように、試料表面３０ａの
高さすなわち標高の変化は、検出器９６によって検出される基準パルスとプロー
ブ・パルス間の位相シフトに比例する。本発明の主要関心事は、第１のエコーと
第２のエコー間（またはポンプ・パルスが表面３０ａに達する時刻と、第１のエ
コーが到着する時刻との間）の時間間隔の検出であるため、ポンプ・パルスが表
面と第１のエコーに達する時刻間の時間、あるいは、第１のエコーと第２のエコ
ー間の時間を、表面の高さの変化を実際に計算することなく、位相シフトのグラ
フから単純に導き出すことが適切であろう。図６に図示のように、１８０ｎｍ層
の場合、第１のエコーは約５８ピコ秒で生じ、ポンプ・パルスが時刻０に表面に
達する時間と、第１のエコーに達する時間（５８ピコ秒）との間の時間間隔を得
ることにより、９６ｎｍ層の場合と同じ計算を行うことができる。
【００４２】 ロックイン増幅器４２とモータ制御装置４４とはデータ収集／パーソナル・コ
ンピュータ１８へ出力を行い、コンピュータ１８によって図６に図示のようなグ
ラフがプロットされる。したがって、このグラフから音響パルスのエコーの識別
を行い、それによって膜厚を得ることができる。
【００４３】 図７は図１のシステムの第２の実施態様１０Ｂの概略図である。図７の実施態
様１０Ｂは、図２のシステム１０Ａの場合のような４分の１波長板の代わりに２
分の１波長板５４’を使用するという点で図２の実施態様１０Ａとは異なってい
る。レーザ１２の偏光板と変調器５６とに対する２分の１波長板５４’の相対配
向が図８に例示されている。図８に図示のように、２分の１波長板５４’の軸線
は水平面すなわち入射平面に対して好適に２２.５°に配向され、その結果、プ
レート５４’から現れ、変調器５６に達するビームは図２の場合のように円偏光
される代わりに、直線偏光されたビームとなる。図２では、このようなビームの
偏光平面は水平面に対して４５°である。図２、４ａおよび４ｂの実施例では、
実施態様１０Ｂの混合周波数ｆprobe −ｆpumpの信号が、混合周波数２ｆprobe
−ｆpumpの信号に対応するという点を除いて、図２、４ａおよび４ｂの実施態様
についての上述の分析は、図７の実施態様１０Ｂについても当てはまる。
【００４４】 図２、４ａ、４ｂおよび図７と８の実施例では、垂直および水平（Ｓ偏光およ
びＰ偏光）成分は実質的に等しい振幅を有する。このことは、検出器８２、８４
において最大信号を生成するので望ましいことである。この等しい振幅は、実施
態様１０のプレート５４の軸線を水平面に対して４５°に配向し、プレート５４
’の軸線を実施態様１０Ａの水平面に対して２２.５°に配向することにより達
成される。この配向構成は必要要件ではなく、別の配向も可能であり、そのよう
な配向も本発明の範囲に属することは理解されるであろう。
【００４５】 従来の実施態様の場合のように、４分の１波長板や２分の１波長板と組み合せ
て光電子変調器５６を用いる代わりに、４分の１波長板や２分の１波長板を省い
て、図９と１０に例示されているように、水平面または入射平面に対して変調軸
をある角度に配向した光電子変調器を用いることも可能である。したがって、図
９と１０の実施例１０Ｃでは、変調器５６’は、水平面または入射平面に対して
その変調軸が好適に４５°に配向されて、変調軸に沿う放射成分の変調が行われ
るようになされるが、このような軸線に垂直な成分の変調は行われない。図７と
８の第２の実施態様に対して適用可能なほぼ同じ分析が実施態様１０Ｃに対して
もこの場合同様に適用できる。上記のような違いを別にすれば、図９と１０の第
３の実施態様は従来の実施態様とほぼ同じ方法で作動する。
【００４６】 図１１は、図１のシステムのさらに別の実施態様であるヘテロダイン／共通路
干渉計１０ｄを例示する。システム１０Ｄは、光学的構成での光電子変調器５６
”の配置が図９と１０のシステム１０Ｃとは異なっている。光電子変調器５６”
は、偏光用ビーム・スプリッタ２０’とＢＳ1 との間に配置されずに、図１１に
図示のようにＢＳ1 とＢＳ2 との間の長路に配置される。図９と１０の実施例で
は、変調器５６”は、図１０に例示されているようにその変調軸を水平面に対し
て好適に４５°に配向してもよい。
【００４７】 図１２は、図１のシステムのさらに別の実施態様であるヘテロダイン／共通路
干渉計１０Ｅの概略図である。システム１０Ｅは、光電子変調器５６'''の配置
のみが図１１のシステム１０Ｄとは異なっている。変調器５６'''は、２つのミ
ラーを含むビーム・スプリッタＢＳ1 とＢＳ2 間の長路に変調器を配置する代わ
りに、ＢＳ1 とＢＳ2 を直接接続する経路である短路に配置されている。この場
合も、変調器５６'''はその変調軸を水平面すなわち入射平面に対して好適に４
５°に設けて好適に配向されている。システム１０Ｅは上記実施例と実質的に同
様に機能する。
【００４８】 図１３と１４とは、図１のシステム１０のさらなる実施態様１０Ｆ、１０Ｇの
概略図である。システム１０Ｆは、光電変調器１５６が光電子変調器の代わりに
使用されるという点を除いて、図２、４ａおよび４ｂの実施態様とほぼ同じであ
る。同様に、図１４のシステム１０Ｇは、光電子変調器の代わりに光電変調器１
５６が使用されるという点を除いて、図７と８の実施態様と類似している。この
ような違いを別にすれば、システム１０Ｆ、１０Ｇは、上述の実施態様１０Ａ、
１０Ｂと実質的に同様に機能し作動する。
【００４９】 図１５は、図１のシステム１０のさらに別の実施態様であるシステム１０Ｈの
概略図である。前の場合と同様に、レーザ１２からの一続きのポンプ・パルスは
偏光用ビーム・スプリッタ２０’によって一続きのポンプ・パルスｔｏ別のパル
スとに分けられ、この別のパルスから一対の基準パルスとプローブ・パルスとが
導き出される。音響光変調器(acoustic opto-modulator) ２４により変調され、
レンズＬによって合焦された後、この一続きのポンプ・パルスは、遅延変動用ド
ライバ４４が駆動する遅延変動ループ回路３４が内包される光ファイバ１０２の
中を通って試料３０へ供給される。偏光用ビーム・スプリッタ２０’を通過した
この一続きのポンプ・パルスは、レンズＬと光ファイバとを通じて３ｄＢカプラ
１０４へ送出される。カプラ１０４は一対の光ファイバ１０８と１１０とを介し
て別の３ｄＢカプラ１０６と結合される。この場合、光ファイバ１１０は図１５
に図示のような光ファイバ１０８よりずっと長い光ファイバである。したがって
、２つのファイバ１１０と１０８との間の長さの違いは固定遅延ループとして役
に立つ。位相変調器１１２は、ファイバ１１０に隣接して配置され、ファイバの
中で放射信号の位相変調を行う。このようにして、遅延変動ユニット３４”の調
節により、偏光用ビーム・スプリッタ２０’を通過して、ファイバ１０８の中を
短路に沿って進むパルスの一部は、ファイバ１０２の中を通るポンプ・パルスの
到着より前に試料３０に到着することになり、したがって基準パルスとして役立
つことになる。反射された基準パルスは長いファイバ１１０に沿って進み、位相
変調器１１２によって変調され、検出器８２’に到着する。ファイバ１０２を介
して供給された対応するポンプ・パルスにより弾性パルスが試料の中につくりだ
された後、偏光用ビーム・スプリッタ２０’を通過したもう一方の放射部分は、
長路１１０に沿って進み、試料３０に達するよりも前に位相変調器１１２により
変調される。プローブ・パルスは、試料表面の動きと光学的に検出可能な別の特
性とによって修正され、その結果、この修正され、反射されたプローブ・パルス
は、ファイバ１０８の中の短路を通って検出器８２’へ帰還する。したがって、
基準パルスが逆方向の進行方向でその帰還経路の中で位相変調器１１２により同
じ位相で変調されるのに対して、プローブ・パルスはその順方向の進行方向で位
相変調器により変調される。したがって、この一対の対応する基準パルスとプロ
ーブ・パルスは位相変調器１１２により異なる時点で変調され、それによって、
基準パルスとプローブ・パルスとの間に相対的時間依存位相差が生じることにな
る。したがって、上記の反射された基準パルスとプローブ・パルスは、ほぼ同じ
時点に検出器８２’に到着したとき、前と同じように干渉を起こすことになる。
この干渉から、データ収集／コンピュータ１８により膜厚およびその他の有益な
情報を導き出すことができる。図１５の実施例では光ファイバの中で広帯域幅と
短いフェムト秒パルスとが分散する可能性があるが、その一方で、このような分
散を考慮に入れることができる。
【００５０】 図１６は、基板Ｓ上にわたって蒸着などの従来の方法により形成される金属層
３０’を含む試料３０の断面図であり、本発明が例示されている。このようにし
て、典型的には、シリコン基板上の誘電体層３０”（シリコン二酸化物など）の
ような基板Ｓ上にわたって１以上の層の上に金属層３０’の蒸着を行うことがで
き、金属層３０’上にわたって層３０''' のようなさらに可能な追加層を設ける
ことも可能である。図１６に図示のように、試料３０は、層３０’、３０”、３
０''' およびその他の可能な層を試料３０上に持つ基板を含むことができる。但
し、図を単純にするために、図１６には層３０’、３０”、３０''' しか示され
ていない。基板Ｓ上にわたって層３０”上にアルミニウムや銅のような金属材料
の蒸着を行うことにより層３０’を形成してもよい。試料３０の中の層３０’お
よびその他の層の厚さは上述の技法により決定することができる。
【００５１】 上述の実施例では、基準パルスとプローブ・パルスは、試料表面による反射に
より試料によって修正されるが、その代わりに、試料を貫通してこのようなパル
スを通過させ、試料を貫通して通過させたパルス部分を帰還させて、検出器にお
いて干渉を起こすことにより、基準パルスとプローブ・パルスを修正することも
可能であることは理解できるであろう。上述の実施例では、基準パルスとプロー
ブ・パルスは、試料表面上の同一のスポットまたは２つの実質的に重なり合うス
ポットの方へ向けられる。しかし、たとえ基準パルスと、対応するプローブ・パ
ルスとが試料の異なる領域に向けられたとしても、例えば複屈折結晶を通してパ
ルスを通過させることにより、このような修正されたシステムは上述の方法とほ
ぼ同じように作動し、同じ利点が与えられる。これは、各基準パルスと、その対
応するプローブ・パルスとがほぼ同じ共通路に沿って進む場合であり、環境要因
によって生じたノイズが２つのパルスの計測精度に著しく干渉を与えるようにな
ることはない。このような変更例およびその他の変更例は本発明の範囲内に属す
る。
【００５２】 半導体の中で遭遇する薄膜や層の厚さは、数１００ミクロンから数１０オング
ストロームの範囲となる場合がある。半導体デバイスのサイズの縮小が続くにつ
れて、半導体で計測の対象となる様々な薄膜層の厚さは絶えず薄くなり続ける。
このような薄膜および層の検出を行う適切な分解能を与えるために、採用される
パルスは好適にはフェムト秒の範囲にあるような短い持続時間のものであること
が望ましい。現状の技術では、１０ピコ秒未満の持続時間を持つプローブ・パル
スと基準パルスが膜厚の計測に適しているものもあれば、１ピコ秒未満の持続時
間を持つプローブ・パルスと基準パルスのほうが望ましいものもある。
【００５３】 上記の事実は、上述の実施態様のヘテロダイン検出法について言えるだけでな
く、図１７に図示のようなホモダイン検出システムの場合についても言える。図
１７の実施態様１０Ｇは、光電子変調器５６が音響光学変調器５６’によって置
き換えられているという点だけが図２の実施態様１０Ａとは異なっている。プロ
ーブ・パルスと基準パルスとを導き出す源のパルスの周波数または位相（ＰＥＭ
５６の場合）の変調を行う代わりに、この音響光学変調器５６’によって強度の
変調が行われる。したがって、図１７の実施態様１０Ｇは、親出願（１９９８年
２月２４日出願の米国特許出願番号０９／０２８，４１７）の図２の場合と本質
的に同じである。親出願は、その全体が参考文献として本明細書に取り入れられ
ている。
【００５４】 本願では、レーザ１２からのパルスは、図２の変調器５６により同じ位相ある
いは周波数で変調されたり、図１７の音響光学変調器５６’により強度で変調さ
れる。双方の場合、このようなパルスは上記のように短い持続時間を持ち、サブ
ミクロンの厚さの薄膜あるいは数１０オングストロームものオーダーの膜厚用の
計測に適した分解能が与えられる。
【００５５】 様々な実施態様を参照しながら本発明について上述したが、添付の請求項とそ
れらの均等物によってのみ画定される本発明の範囲から逸脱することなく変更と
修正を行うことが可能であることは理解されるであろう。上述の引用文献のすべ
てはその全体が参考文献として本明細書に取り入れられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 膜厚を決定するために弾性パルスの検出を行う干渉計の中で、弾性パルスを試
料内に発生させるシステムの概略図であり、本発明を例示する概略図である。
【図２】 共通経路構成での図１のシステムの第１の実施態様の概略図である。
【図３】 ４分の１波長板の軸線に対する光電子変調器の相対配向と、レーザからの偏光
の相対配向とを例示する図１のシステムの一部の透視図であり、図２の実施態様
を例示する。
【図４ａ】 図２の実施態様の一部の概略図であり、このような部分の基準パルスとプロー
ブ・パルスの偏光状態をそれぞれ例示している。
【図４ｂ】 図２の実施態様の一部の概略図であり、このような部分の基準パルスとプロー
ブ・パルスの偏光状態をそれぞれ例示している。
【図５ａ】 ポンプ・パルス、および、一対のプローブ・パルスと基準パルスを後で導き出
す源となる１つのパルスとのタイミング図であり、これらのパルスは、図１また
は図２の偏光用ビーム・スプリッタ２０または２０’から現れる。
【図５ｂ】 ポンプ・パルスと、一対の基準パルスとプローブ・パルスとのタイミング図で
あり、この時点で。これらのパルスは、試料に達してはいるが、まだ試料による
修正は行われていない。
【図５ｃ】 試料によって反射された後の、試料におけるポンプ・パルスと、一対の基準パ
ルスとプローブ・パルスとのタイミング図である。
【図５ｄ】 図２の検出器の前面の偏光用ビーム・スプリッタに到達時の、反射された一対
の基準パルスとプローブ・パルスのタイミング図である。
【図６】 ２つの異なる厚さの金属層の計測に際して、図２の検出器の時間の関数として
出力された計測信号のグラフであり、本発明を例示するグラフである。
【図７】 図１のシステムの第２の実施態様の概略図である。
【図８】 光電子変調器と、２分の１波長板と、レーザとの透視図であり、２分の１波長
板の軸線に対する変調器の相対方向と、レーザからの放射を偏光する偏光板の相
対配向とが例示され、図７の実施態様を例示する図である。
【図９】 図１のシステムの第３の実施態様の概略図である。
【図１０】 図９の光電子変調器とレーザの透視図であり、変調器の相対配向と、図９のレ
ーザが出力する放射を偏光する偏光板の相対配向とが例示されている。
【図１１】 図１のシステムの４つの追加の実施態様のための概略図である。
【図１２】 図１のシステムの４つの追加の実施態様のための概略図である。
【図１３】 図１のシステムの４つの追加の実施態様のための概略図である。
【図１４】 図１のシステムの４つの追加の実施態様のための概略図である。
【図１５】 図１のシステムの追加の実施態様の概略図であり、光路の少なくともいくつか
は光ファイバを用いて実現される。
【図１６】 基板上にわたって他の層の間に挟まれる金属層を含む試料の断面図であり、本
発明を例示する図である。
【図１７】 膜厚を決定する弾性パルスの検出を行う干渉計における、試料に弾性パルスを
発生させるシステムの概略図であり、本発明のさらに別の実施例を例示する図で
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リー，シング アメリカ合衆国、94539、カリフォルニア 州、フリーモント、パークミドウ ドライ ブ 45080 (72)発明者 ニコナハッド，メールダッド アメリカ合衆国、94025、カリフォルニア 州、メンロ パーク、オークハースト プ レイス 271 Ｆターム(参考） 2F064 AA01 DD04 EE10 FF01 GG12 GG15 GG22 GG23 GG38 GG51 GG55 GG68 GG70 HH01 JJ05 2F068 AA28 BB01 BB14 BB22 DD03 DD05 FF03 FF12 GG07 GG09 HH01 TT07 2G047 AA06 BC18 CA04 EA03 EA04 GD01

Claims (64)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 試料の特性の非破壊計測を行うシステムにおいて、 前記試料内に弾性パルスを非破壊的に発生させるために前記試料の第１の表面
    領域へ放射を行うポンプ・パルスを供給する第１の光源であって、前記弾性パル
    スが前記第１の表面領域に影響を与えるように成す第１の光源と、 出力を供給する干渉計であって、 相互にほぼ同じ位相をなす、放射を行う一対のプローブ・パルスと基準パルス
    を出力する第２の光源と、 検出器と、 前記第１の表面領域が前記弾性パルスによって影響を受けたとき、前記プロー
    ブ・パルスを前記第１の表面領域へ向け、次いで、前記基準パルスを前記試料の
    第２の表面領域へ向ける光学系であって、前記一対のパルスが前記試料により修
    正され、前記修正されたパルスが前記検出器において干渉を起こし、前記修正さ
    れたプローブ・パルスと一緒の前記プローブ・パルスが、前記第２の光源と前記
    検出器との間で、前記修正された基準パルスと一緒の前記基準パルスと共に共通
    光路を実質的に共有するように成す光学系と、 前記試料による修正の前あるいは前記試料による修正の後に、前記一対のパル
    スのうちの少なくとも一方の位相または周波数の変調を行う前記共通光路内の第
    １の変調器とを含む干渉計と、を有することを特徴とするシステム。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第２の光源がフェ
    ムト秒パルスを出力することを特徴とするシステム。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載のシステムにおいて、前記変調器が、前記一
    対のパルスのうちの前記一方のパルスの電場を実質的に唯一の方向に変調するこ
    とを特徴とするシステム。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載のシステムにおいて、前記変調器が光電子変
    調器または光電変調器を有することを特徴とするシステム。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載のシステムにおいて、前記変調器が、前記第
    ２の光源と、前記光電子変調器または光電変調器との間の前記共通光路内に４分
    の１波長板または２分の１波長板をさらに有し、前記第２の光源は軸線に沿って
    偏光放射を行い、前記光電子変調器または光電変調器は、実質的に前記軸線に沿
    ってのみ、あるいは、前記軸線に対して実質的に垂直な方向にのみ前記一対のパ
    ルスのうちの一方のパルスの電場を変調するように配向されることを特徴とする
    システム。
  6. 【請求項６】 請求項４に記載のシステムにおいて、前記第２の光源が軸線
    に沿って偏光放射を行い、前記光電子変調器または光電変調器が、前記一対のパ
    ルスのうちの一方のパルスの電場を前記軸線に対して或る角度で実質的に１方向
    に沿ってのみ変調を行うように配向されることを特徴とするシステム。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載のシステムにおいて、前記共通路が１以上の
    光ファイバと１以上の光カプラとを含むことを特徴とするシステム。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１の表面領域が
    前記弾性パルスによって影響を受けたとき、前記光学系が前記プローブ・パルス
    を前記第１の表面領域へ向け、次いで、前記基準パルスを前記試料の第２の表面
    領域へ向けるように成し、前記一対のパルスが前記試料により反射されるように
    成し、さらに、前記反射されたパルスが前記検出器において干渉を起こすように
    成すことを特徴とするシステム。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１および第２の
    領域が実質的に重なり合うことを特徴とするシステム。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載のシステムであって、前記試料が前記表面
    の下に少なくとも１つのインターフェースを有するシステムにおいて、前記弾性
    パルスによって生じた前記試料表面の変化を検知するために、前記ポンプ・パル
    スと前記プローブ・パルスとの間の時間関係を変更する可変光遅延ユニットをさ
    らに有することを特徴とするシステム。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載のシステムにおいて、前記試料表面の高
    さの変化を検知することを特徴とするシステム。
  12. 【請求項１２】 請求項１０に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１
    つのインターフェースから前記試料表面までの距離を前記弾性パルスによって生
    じた前記試料表面の前記変化から導き出す処理回路をさらに有することを特徴と
    するシステム。
  13. 【請求項１３】 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１の光源が第
    １の周波数で一続きの前記ポンプ・パルスを供給し、前記第２の光源が前記プロ
    ーブ・パルスと基準パルスの一続きの１対を前記試料へ出力し、前記各対が前記
    ポンプ・パルスの少なくともいくつかの各パルスに対応し、前記修正された基準
    パルスとプローブ・パルスの各対が前記検出器において干渉を起こすように成す
    ことを特徴とするシステム。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載のシステムにおいて、前記ポンプ・パル
    スが前記試料に達するよりも前に、第２の周波数で間欠的に生じるバーストで前
    記ポンプ・パルスを供給するために、前記一続きのポンプ・パルスを変調する第
    ２の変調器をさらに有することを特徴とするシステム。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載のシステムにおいて、前記一対のパルス
    が前記第１および第２の表面領域に達するよりも前に、前記第１の変調器が前記
    一続きの対のパルスの中の各一対のパルスのうちの前記少なくとも１つを第３の
    周波数で変調することを特徴とするシステム。
  16. 【請求項１６】 請求項１５に記載のシステムにおいて、前記第２と第３の
    周波数と関連する周波数で前記干渉計の出力を検出する回路をさらに有すること
    を特徴とするシステム。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記回路が、前記
    第２の周波数と第３の周波数との間の差、あるいは、前記第２の周波数の倍数と
    前記第３の周波数の倍数との間の差によって与えられる周波数差に実質的に等し
    い周波数で前記干渉計の出力を検出することを特徴とするシステム。
  18. 【請求項１８】 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記回路がロック
    イン増幅器を含むことを特徴とするシステム。
  19. 【請求項１９】 請求項１４に記載のシステムにおいて、前記第２の変調器
    が音響光学変調器を含むことを特徴とするシステム。
  20. 【請求項２０】 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第２の光源が、 放射を行う入力パルスを前記プローブ・パルスと前記基準パルスに分割する第
    １のビーム・スプリッタと、 第２のビーム・スプリッタと、 前記２つのビーム・スプリッタ間の第１および第２の光路であって、前記第２
    の光路が、前記第１の光路の光路長より長い光路長と、前記２つの光路に沿った
    、前記第１のビーム・スプリッタから前記第２のビーム・スプリッタへ向う順方
    向の伝播方向と、前記順方向に対して反対の逆方向である方向とを有する第１お
    よび第２の光路と、を含み、 前記第１のビーム・スプリッタは、前記基準パルスとプローブ・パルスとがそ
    れぞれ前記順方向に前記第１と第２の光路に沿って伝播するように成され、それ
    により、前記プローブ・パルスよりも前に前記基準パルスが前記試料に達するよ
    うに成すことを特徴とするシステム。
  21. 【請求項２１】 請求項２０に記載のシステムにおいて、前記第２のビーム
    ・スプリッタに起因して、修正された基準パルスとプローブ・パルスとがそれぞ
    れ前記第２と第１の光路に沿って逆方向に進み、前記基準パルスが進んだ光路長
    と、前記試料による前記基準パルスの修正値との合計が、前記プローブ・パルス
    が進んだ光路長と、前記試料による前記プローブ・パルスの修正値との合計とほ
    ぼ同じであるように成すことを特徴とするシステム。
  22. 【請求項２２】 請求項２０に記載のシステムにおいて、前記第１のビーム
    ・スプリッタが、順方向に前記第１の光路へ向かって前記基準パルスを反射させ
    、次いで、逆方向に前記第２の光路から前記修正された基準パルスを反射させる
    ことを特徴とするシステム。
  23. 【請求項２３】 請求項２０に記載のシステムにおいて、前記第１のビーム
    ・スプリッタが、順方向に前記第２の光路へ向かって前記プローブ・パルスを通
    過させ、次いで、逆方向に前記第１の光路から前記修正されたプローブ・パルス
    を通過させることを特徴とするシステム。
  24. 【請求項２４】 請求項２０に記載のシステムにおいて、前記第２のビーム
    ・スプリッタが、順方向に前記第１の光路から前記基準パルスを通過させ、次い
    で、逆方向に前記第２の光路へ向かって前記修正された基準パルスを反射させる
    ことを特徴とするシステム。
  25. 【請求項２５】 請求項２０に記載のシステムにおいて、前記第２のビーム
    ・スプリッタが順方向に前記第２の光路から前記プローブ・パルスを反射させ、
    逆方向に前記第１の光路へ前記修正されたプローブ・パルスを通過させることを
    特徴とするシステム。
  26. 【請求項２６】 請求項２０に記載のシステムにおいて、前記第２の光路が
    ２分の１波長板を含むことを特徴とするシステム。
  27. 【請求項２７】 請求項２０に記載のシステムにおいて、前記第１の変調器
    が前記第１または第２の光路の中に在ることを特徴とするシステム。
  28. 【請求項２８】 請求項２７に記載のシステムにおいて、前記第２の光源が
    軸線に沿って偏光放射を行い、前記変調器が、前記軸線に対して或る角度で実質
    的に１方向に沿ってのみ前記一対のパルスのうちの一方のパルスの電場の変調を
    行うように配向されることを特徴とするシステム。
  29. 【請求項２９】 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１の光源が、
    前記一対のパルスの経路から空間的に離れている前記試料へ向かう１つの経路に
    沿って前記ポンプ・パルスを供給することを特徴とするシステム。
  30. 【請求項３０】 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１の表面領域
    が前記弾性パルスによって動かされたとき、光学系が前記プローブ・パルスを前
    記第１の表面領域へ向けることを特徴とするシステム。
  31. 【請求項３１】 試料の特性の非破壊計測を行うシステムにおいて、 前記試料内に弾性パルスを非破壊的に発生させるために前記試料の第１の表面
    領域へ放射を行うポンプ・パルスを供給する手段であって、前記弾性パルスが前
    記第１の表面領域に影響を与えるように成す手段と、 出力を供給する干渉計であって、 相互にほぼ同じ位相をなす、放射を行う一対のプローブ・パルスと基準パルス
    を出力する手段と、 検出器と、 前記第１の表面領域が前記弾性パルスによって影響を受けたとき、前記プロー
    ブ・パルスを前記第１の表面領域へ向け、次いで、前記基準パルスを前記試料の
    第２の表面領域へ向ける手段であって、前記一対のパルスが前記試料により修正
    され、前記修正されたパルスが前記検出器において干渉を起こし、前記修正され
    たプローブ・パルスと一緒の前記プローブ・パルスが、前記第２の光源と前記検
    出器との間で、前記修正された基準パルスと一緒の前記基準パルスと共に共通光
    路を実質的に共有するように成す手段と、 前記試料による修正の前あるいは前記試料による修正の後に、前記一対のパル
    スのうちの一方の位相または周波数を変調する手段とを含む干渉計とを有するこ
    とを特徴とするシステム。
  32. 【請求項３２】 請求項３１に記載のシステムにおいて、前記第１の表面領
    域が前記弾性パルスによって動かされたとき、パルスを表面領域へ向ける前記手
    段が前記プローブ・パルスを前記第１の表面領域へ向けることを特徴とするシス
    テム。
  33. 【請求項３３】 試料の特性の非破壊計測を行う方法において、 前記試料内に弾性パルスを非破壊的に発生させるために前記試料の第１の表面
    領域へ放射を行うポンプ・パルスを供給するステップであって、前記弾性パルス
    が前記第１の表面領域に影響を与えるように成すステップと、 相互にほぼ同じ位相をなす、放射を行う一対のプローブ・パルスと基準パルス
    を出力するステップと、 前記第１の表面領域が前記弾性パルスによって影響を受けたとき、前記プロー
    ブ・パルスを前記第１の表面領域へ向け、次いで、前記基準パルスを前記試料の
    第２の表面領域へ向けるステップであって、前記一対のパルスが前記試料により
    修正され、前記修正されたパルスが、前記検出器において干渉を起こして出力を
    供給するように成し、前記修正されたプローブ・パルスと一緒の前記プローブ・
    パルスが、前記第２の光源と前記検出器との間で前記修正された基準パルスと一
    緒の前記基準パルスと共に共通光路を実質的に共有するように成すステップと、 前記試料による修正の前あるいは前記試料による修正の後に、前記一対のパル
    スのうちの一方の位相または周波数を変調するステップと、を有することを特徴
    とする方法。
  34. 【請求項３４】 請求項３３に記載の方法において、前記出力ステップがフ
    ェムト秒パルスを出力することを特徴とする方法。
  35. 【請求項３５】 請求項３３に記載の方法において、前記変調ステップが前
    記一対のパルスのうちの前記一方のパルスの電場を実質的に唯一の方向に変調す
    ることを特徴とする方法。
  36. 【請求項３６】 請求項３３に記載の方法において、前記変調ステップが光
    電子変調器または光電変調器によって実行されることを特徴とする方法。
  37. 【請求項３７】 請求項３６に記載の方法であって、前記出力ステップが軸
    線に沿って偏光放射を行う方法において、前記軸線に対して或る角度で実質的に
    １方向に沿ってのみ前記一対のパルスのうちの一方のパルスの電場の変調を行う
    ように、前記光電子変調器または光電変調器を配向するステップをさらに有する
    ことを特徴とする方法。
  38. 【請求項３８】 請求項３３に記載の方法において、パルスを表面領域へ向
    ける前記ステップが、前記第１の表面領域が前記弾性パルスによって影響を受け
    たとき、前記プローブ・パルスを前記第１の表面領域へ向け、次いで、前記基準
    パルスを前記試料の第２の表面領域へ向けて、前記一対のパルスが前記試料によ
    り反射されるように成し、次いで、前記反射されたパルスが前記検出器において
    干渉を起こすように成すことを特徴とする方法。
  39. 【請求項３９】 請求項３３に記載の方法において、前記第１と第２の領域
    が実質的に重なり合うことを特徴とする方法。
  40. 【請求項４０】 請求項３３に記載の方法であって、前記試料が前記表面の
    下に少なくとも１つのインターフェースを有する方法において、前記弾性パルス
    によって生じた前記試料表面の変化を検知するために前記ポンプ・パルスと前記
    プローブ・パルスとの間の時間関係を変更するステップをさらに有することを特
    徴とする方法。
  41. 【請求項４１】 請求項４０に記載の方法において、前記変更ステップが光
    遅延経路の光路長を変更することを特徴とする方法。
  42. 【請求項４２】 請求項４０に記載の方法において、前記試料表面の高さの
    変化を検知することを特徴とする方法。
  43. 【請求項４３】 請求項４０に記載の方法において、前記少なくとも１つの
    インターフェースから前記試料表面までの距離を、前記弾性パルスによって生じ
    た前記試料表面の前記変化から導き出すことを特徴とする方法。
  44. 【請求項４４】 請求項３３に記載の方法において、前記供給ステップが第
    １の周波数で一続きの前記ポンプ・パルスを供給し、前記出力ステップが一続き
    の１対の前記プローブ・パルスと基準パルスを前記試料へ出力し、前記１対の前
    記プローブ・パルスと基準パルスの各対は前記ポンプ・パルスの少なくともいく
    つかの各ポンプ・パルスに対応し、前記修正された基準パルスとプローブ・パル
    スの各対は前記検出器において干渉を起こすように成すことを特徴とする方法。
  45. 【請求項４５】 請求項４４に記載の方法において、前記ポンプ・パルスが
    前記試料に達するよりも前に、第２の周波数で間欠的に生じるバーストで前記ポ
    ンプ・パルスが供給されるように前記一続きのポンプ・パルスを変調するステッ
    プをさらに有することを特徴とする方法。
  46. 【請求項４６】 請求項４５に記載の方法において、前記対のパルスが前記
    第１と第２の表面領域に達するよりも前に、前記一続きの対のパルスの中の各一
    対のパルスのうちの一方のパルスが第３の周波数で変調されることを特徴とする
    方法。
  47. 【請求項４７】 請求項４６に記載の方法において、前記第２および第３の
    周波数と関連する周波数を検出するステップをさらに有することを特徴とする方
    法。
  48. 【請求項４８】 請求項４７に記載の方法において、前記検出ステップが、
    前記第２の周波数と第３の周波数との間の差、あるいは、前記第２の周波数の倍
    数と前記第３の周波数の倍数との間の差によって与えられる周波数差に実質的に
    等しい周波数で出力を検出することを特徴とする方法。
  49. 【請求項４９】 請求項３３に記載の方法において、前記供給ステップが、
    前記試料へ向かう前記一対のパルスの経路から空間的に離れている前記試料へ向
    かう１つの経路に沿って前記ポンプ・パルスを供給することを特徴とする方法。
  50. 【請求項５０】 請求項３３に記載の方法において、前記第１の表面領域が
    前記弾性パルスによって動かされたとき、パルスを表面領域へ向ける前記ステッ
    プが前記プローブ・パルスを前記第１の表面領域へ向けることを特徴とする方法
    。
  51. 【請求項５１】 試料の特性の非破壊計測を行う方法において、 試料をつくるために基板上に材料層を形成するステップと、 前記試料内に弾性パルスを非破壊的に発生させるために前記試料の第１の表面
    領域へ放射を行うポンプ・パルスを供給するステップであって、前記弾性パルス
    が前記第１の表面領域に影響を与えるように成すステップと、 相互にほぼ同じ位相をなす、放射を行う一対のプローブ・パルスと基準パルス
    を出力するステップと、 前記第１の表面領域が前記弾性パルスによって影響を受けたとき、前記プロー
    ブ・パルスを前記第１の表面領域へ向け、次いで、前記基準パルスを前記試料の
    第２の表面領域へ向けるステップであって、前記一対のパルスが前記試料により
    修正され、前記修正されたパルスが、前記検出器において干渉を起こして出力を
    供給するように成し、前記修正されたプローブ・パルスと一緒の前記プローブ・
    パルスが、前記第２の光源と前記検出器との間で前記修正された基準パルスと一
    緒の前記基準パルスと共に共通光路を実質的に共有するように成すステップと、 前記試料による修正の前あるいは前記試料による修正の後に、前記一対のパル
    スのうちの一方の位相または周波数を変調するステップと、を有することを特徴
    とする方法。
  52. 【請求項５２】 試料の特性の非破壊計測を行うシステムにおいて、 前記試料内に弾性パルスを非破壊的に発生させるために前記試料の第１の表面
    領域へ放射を行うポンプ・パルスを供給する第１の光源であって、前記弾性パル
    スが前記第１の表面領域に影響を与えるように成す第１の光源と、 出力を供給する干渉計であって、 相互にほぼ同じ位相をなす、放射を行う一対のプローブ・パルスと基準パルス
    を出力する第２の光源と、 検出器と、 前記第１の表面領域が前記弾性パルスによって影響を受けたとき、前記プロー
    ブ・パルスを前記第１の表面領域へ向け、次いで、前記基準パルスを前記試料の
    第２の表面領域へ向ける光学系であって、前記一対のパルスが前記試料により修
    正され、前記修正されたパルスが前記検出器において干渉を起こすように成す光
    学系と、 前記試料による修正の前あるいは前記試料による修正の後に、前記一対のパル
    スのうちの少なくとも一方のパルスの位相または周波数の変調を行う前記共通光
    路内の変調器とを含む干渉計と、を有することを特徴とするシステム。
  53. 【請求項５３】 試料の特性の非破壊計測を行う方法において、 前記試料内に弾性パルスを非破壊的に発生させるために前記試料の第１の表面
    領域へ放射を行うポンプ・パルスを供給するステップであって、前記弾性パルス
    が前記第１の表面領域に影響を与えるように成すステップと、 相互にほぼ同じ位相をなす、放射を行う一対のプローブ・パルスと基準パルス
    を出力するステップと、 前記第１の表面領域が前記弾性パルスによって影響を受けたとき、前記プロー
    ブ・パルスを前記第１の表面領域へ向け、次いで、前記基準パルスを前記試料の
    第２の表面領域へ向けるステップであって、前記一対のパルスが前記試料により
    修正され、前記修正されたパルスが前記検出器において干渉を起こして出力を供
    給すように成すステップと、 前記試料による修正の前あるいは前記試料による修正の後に、前記一対のパル
    スのうちの一方のパルスの位相または周波数を変調するステップと、を有するこ
    とを特徴とする方法。
  54. 【請求項５４】 試料の特性の非破壊計測を行う方法において、 試料をつくるために基板上に材料層を形成するステップと、 前記試料内に弾性パルスを非破壊的に発生させるために前記試料の第１の表面
    領域へ放射を行うポンプ・パルスを供給するステップであって、前記弾性パルス
    が前記第１の表面領域に影響を与えるように成すステップと、 相互にほぼ同じ位相をなす、放射を行う一対のプローブ・パルスと基準パルス
    を出力するステップと、 前記第１の表面領域が前記弾性パルスによって影響を受けたとき、前記プロー
    ブ・パルスを前記第１の表面領域へ向け、次いで、前記基準パルスを前記試料の
    第２の表面領域へ向けるステップであって、前記一対のパルスが前記試料により
    修正され、前記修正されたパルスが前記検出器において干渉を起こして出力を供
    給するように成すステップと、 前記試料による修正の前あるいは前記試料による修正の後に、前記一対のパル
    スのうちの一方のパルスの位相または周波数を変調するステップと、を有するこ
    とを特徴とする方法。
  55. 【請求項５５】 試料の特性の非破壊計測を行うシステムにおいて、 前記試料内に弾性パルスを非破壊的に発生させるために前記試料の第１の表面
    領域へ放射を行うポンプ・パルスを供給する第１の源であって、前記弾性パルス
    が前記表面領域を動かすように成す第１の源と、 出力を供給する干渉計であって、 検出器と、 放射を行う一対のプローブ・パルスと基準パルスを出力する第２の源であって
    、前記第１の表面領域が前記弾性パルスによって動かされたとき、前記プローブ
    ・パルスを前記第１の表面領域へ向け、次いで、前記基準パルスを第２の表面領
    域へ向ける第２の源において、前記一対のプローブ・パルスと基準パルスが前記
    試料により修正されるように成し、前記一対のパルスが約１０ピコ秒未満の持続
    時間を持つように成す第２の源と、 前記修正された一対のパルスを前記検出器へ向けて、前記検出器において前記
    修正された一対が干渉を起こして前記検出器に前記出力を供給させるように成す
    光学系とを含む干渉計と、を有することを特徴とするシステム。
  56. 【請求項５６】 請求項５５に記載のシステムにおいて、前記一対のプロー
    ブ・パルスと基準パルス、あるいは、前記一対のパルスを導き出す源であるパル
    スを変調する変調器をさらに有することを特徴とするシステム。
  57. 【請求項５７】 請求項５６に記載のシステムにおいて、前記変調器が、前
    記一対のパルスの前記位相、周波数または強度を変調することを特徴とするシス
    テム。
  58. 【請求項５８】 請求項５５に記載のシステムにおいて、前記光学系が、前
    記干渉を引き起こす一対のパルスの第１の部分を反射させ、前記干渉を引き起こ
    す一対のパルスの第２の部分を送信し、前記２つの部分の間に位相差を導入する
    偏光用ビーム・スプリッタをさらに有することを特徴とするシステム。
  59. 【請求項５９】 請求項５８に記載のシステムにおいて、前記システムが、
    前記第１の部分の出力の供給を検出する第１の検出器と、前記第２部分の出力を
    検出する第２の検出器と、前記２つの検出器の出力の差を計算して差分信号を得
    る装置とを含むことを特徴とするシステム。
  60. 【請求項６０】 試料の特性の非破壊計測を行う方法において、 前記試料内に弾性パルスを非破壊的に発生させるために前記試料の第１の表面
    領域へ放射を行うポンプ・パルスを供給するステップであって、前記弾性パルス
    が前記表面領域を動かすように成すステップと、 放射を行う一対のプローブ・パルスと基準パルスを出力するステップであって
    、前記一対のパルスが約１０ピコ秒未満の持続時間を持つように成すステップと
    、 前記弾性パルスによって前記第１の表面領域が動かされたとき、前記プローブ
    ・パルスを前記第１の表面領域へ向け、次いで、前記基準パルスを別の表面領域
    へ向け、それによって、前記一対のプローブ・パルスと基準パルスが前記試料に
    よって修正されるように成すステップと、 前記一対の修正されたパルスを干渉させて出力を供給するように成すステップ
    と、を有することを特徴とする方法。
  61. 【請求項６１】 請求項５８に記載のシステムにおいて、前記一対のプロー
    ブ・パルスと基準パルス、あるいは、前記一対のパルスを導き出す源であるパル
    スを変調するステップをさらに有することを特徴とするシステム。
  62. 【請求項６２】 請求項５９に記載のシステムにおいて、前記変調ステップ
    が、前記一対のパルスの位相、周波数または強度を変調することを特徴とするシ
    ステム。
  63. 【請求項６３】 請求項６０に記載の方法において、前記干渉を行うステッ
    プが、前記干渉を引き起こす一対のパルスの第１の部分を反射させ、前記干渉を
    引き起こす一対のパルスの第２の部分を送信し、それらの部分の間に位相シフト
    を導入する偏光用ビーム・スプリッタへ前記一対の修正されたパルスを送るステ
    ップを含むことを特徴とする方法。
  64. 【請求項６４】 請求項６３に記載の方法において、前記干渉を行うステッ
    プが、前記位相シフトされた２つの部分の２つの出力信号の供給を検出するステ
    ップと、前記２つの出力信号の差を計算するステップとを含むことを特徴とする
    方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160124185A (ko) * 2014-02-18 2016-10-26 노벨리스 인크. 박층의 비-접촉 측정을 위한 광-음향 디바이스 및 방법

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6891627B1 (en) 2000-09-20 2005-05-10 Kla-Tencor Technologies Corp. Methods and systems for determining a critical dimension and overlay of a specimen
US7365858B2 (en) * 2001-12-18 2008-04-29 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for phase measurements
US7557929B2 (en) 2001-12-18 2009-07-07 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for phase measurements
US6643005B1 (en) * 2002-03-12 2003-11-04 The Regents Of The University Of California Line sensing device for ultrafast laser acoustic inspection using adaptive optics
US7525661B2 (en) * 2004-02-17 2009-04-28 Andreas Mandelis Laser photo-thermo-acoustic (PTA) frequency swept heterodyned lock-in depth profilometry imaging system
GB0415766D0 (en) * 2004-07-14 2004-08-18 Taylor Hobson Ltd Apparatus for and a method of determining a characteristic of a layer or layers
US7397596B2 (en) * 2004-07-28 2008-07-08 Ler Technologies, Inc. Surface and subsurface detection sensor
US7313959B2 (en) * 2005-05-25 2008-01-01 The Boeing Company Magnetically attracted apparatus, system, and method for remote bondline thickness measurement
FR2887334B1 (fr) * 2005-06-20 2007-08-24 Centre Nat Rech Scient Dispositif et procede de caracterisation de structure par effet de longueur d'onde dans un systeme photo-acoustique
US7970199B2 (en) * 2006-06-05 2011-06-28 Hitachi High-Technologies Corporation Method and apparatus for detecting defect on a surface of a specimen
US7684047B2 (en) * 2006-10-27 2010-03-23 Lockheed Martin Corporation Apparatus and method for two wave mixing (TWM) based ultrasonic laser testing
US8312772B2 (en) * 2007-02-28 2012-11-20 Rudolph Technologies, Inc. Characterization with picosecond ultrasonics of metal portions of samples potentially subject to erosion
US8264693B2 (en) 2007-12-06 2012-09-11 The Regents Of The University Of Michigan Method and system for measuring at least one property including a magnetic property of a material using pulsed laser sources
US8662962B2 (en) * 2008-06-30 2014-03-04 3M Innovative Properties Company Sandpaper with non-slip coating layer and method of using
US9772297B2 (en) 2014-02-12 2017-09-26 Kla-Tencor Corporation Apparatus and methods for combined brightfield, darkfield, and photothermal inspection
US9885671B2 (en) 2014-06-09 2018-02-06 Kla-Tencor Corporation Miniaturized imaging apparatus for wafer edge
US9645097B2 (en) 2014-06-20 2017-05-09 Kla-Tencor Corporation In-line wafer edge inspection, wafer pre-alignment, and wafer cleaning
US10247814B2 (en) * 2015-01-20 2019-04-02 National Institute Of Standards And Technology Phase shift detector process for making and use of same
US10317344B2 (en) 2016-09-07 2019-06-11 Kla-Tencor Corporation Speed enhancement of chromatic confocal metrology
CN109799191B (zh) * 2017-11-17 2021-07-06 南京理工大学 固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置及方法
US11940571B2 (en) * 2019-12-12 2024-03-26 Aeva, Inc. Performing speckle reduction using polarization
US11668644B2 (en) * 2021-03-30 2023-06-06 Onto Innovation Inc. Opto-acoustic measurement of a transparent film stack

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3877813A (en) 1972-08-21 1975-04-15 Rockwell International Corp Self-compensating interferometer
US3978713A (en) 1975-05-27 1976-09-07 General Electric Company Laser generation of ultrasonic waves for nondestructive testing
DE2901388A1 (de) 1979-01-15 1980-07-24 Max Planck Gesellschaft Verfahren und anordnung zur messung von drehungen mittels des sagnac-effekts
DE3029716C2 (de) * 1980-08-06 1985-05-15 Krautkrämer GmbH, 5000 Köln Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Aufrechterhaltung einer Justage der Deckung und der relativen Phasenlage von Lichtstrahlen in einem für den Ultraschallempfang benutzten optischen Interferometer
JPS58131557A (ja) * 1982-01-12 1983-08-05 Nippon Steel Corp 超音波の非接触測定法
US4522510A (en) 1982-07-26 1985-06-11 Therma-Wave, Inc. Thin film thickness measurement with thermal waves
US4752140A (en) 1983-12-02 1988-06-21 Canadian Patents And Development Limited/Societe Canadienne Des Brevets Et D'exploitation Limitee Pulsed dilatometric method and device for the detection of delaminations
US4579463A (en) 1984-05-21 1986-04-01 Therma-Wave Partners Detecting thermal waves to evaluate thermal parameters
US4679946A (en) 1984-05-21 1987-07-14 Therma-Wave, Inc. Evaluating both thickness and compositional variables in a thin film sample
US4636088A (en) 1984-05-21 1987-01-13 Therma-Wave, Inc. Method and apparatus for evaluating surface conditions of a sample
US4688940A (en) 1985-03-12 1987-08-25 Zygo Corporation Heterodyne interferometer system
US4633715A (en) 1985-05-08 1987-01-06 Canadian Patents And Development Limited - Societe Canadienne Des Brevets Et D'exploitation Limitee Laser heterodyne interferometric method and system for measuring ultrasonic displacements
US4710030A (en) 1985-05-17 1987-12-01 Bw Brown University Research Foundation Optical generator and detector of stress pulses
US4627731A (en) 1985-09-03 1986-12-09 United Technologies Corporation Common optical path interferometric gauge
CH678108A5 (ja) 1987-04-28 1991-07-31 Wild Leitz Ag
US4865450A (en) 1988-06-23 1989-09-12 United States Of America As Represented By Secretary Of The Air Force Dual photoelastic modulator heterodyne interferometer
JP2718705B2 (ja) 1988-07-27 1998-02-25 株式会社日立製作所 光音響信号検出方法及びその装置
US4938596A (en) 1989-01-05 1990-07-03 The University Of Rochester Phase conjugate, common path interferometer
US4921348A (en) 1989-01-26 1990-05-01 Iowa State University Research Foundation, Inc. Method and means for a spatial and temporal probe for laser-generated plumes based on density gradients
CA2007190C (en) 1990-01-04 1998-11-24 National Research Council Of Canada Laser optical ultrasound detection
US5298970A (en) 1990-03-20 1994-03-29 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho Sample evaluating method by using thermal expansion displacement
JPH0816607B2 (ja) 1990-10-30 1996-02-21 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション 薄膜処理制御方法
US5479259A (en) 1991-05-20 1995-12-26 Hitachi, Ltd. Method and apparatus for detecting photoacoustic signal
US5377006A (en) 1991-05-20 1994-12-27 Hitachi, Ltd. Method and apparatus for detecting photoacoustic signal
US5286313A (en) 1991-10-31 1994-02-15 Surface Combustion, Inc. Process control system using polarizing interferometer
JPH0712576A (ja) 1992-08-11 1995-01-17 Fujitsu Ltd 光ファイバーリング干渉計
JPH07311182A (ja) 1994-03-25 1995-11-28 Kobe Steel Ltd 光熱変位計測による試料評価方法
US5604592A (en) 1994-09-19 1997-02-18 Textron Defense Systems, Division Of Avco Corporation Laser ultrasonics-based material analysis system and method using matched filter processing
US5672830A (en) 1994-10-04 1997-09-30 Massachusetts Institute Of Technology Measuring anisotropic mechanical properties of thin films
US5585921A (en) 1995-03-15 1996-12-17 Hughes Aircraft Company Laser-ultrasonic non-destructive, non-contacting inspection system
JP2935665B2 (ja) * 1996-05-31 1999-08-16 日本原子力研究所 レーザー誘起光熱変位分光法による溶液の光吸収スペクトル測定法
US5838485A (en) 1996-08-20 1998-11-17 Zygo Corporation Superheterodyne interferometer and method for compensating the refractive index of air using electronic frequency multiplication
US6108087A (en) * 1998-02-24 2000-08-22 Kla-Tencor Corporation Non-contact system for measuring film thickness

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160124185A (ko) * 2014-02-18 2016-10-26 노벨리스 인크. 박층의 비-접촉 측정을 위한 광-음향 디바이스 및 방법
KR101940891B1 (ko) * 2014-02-18 2019-01-21 노벨리스 인크. 박층의 비-접촉 측정을 위한 광-음향 디바이스 및 방법
US10436754B2 (en) 2014-02-18 2019-10-08 Novelis Inc. Photo-acoustic device and method for non-contact measurement of thin layers

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