JP2005201749A - 応力測定方法とその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】PEM6でレーザ光Rに光弾性変調を受けて、複屈折位相差を発生し、第1及び第2の1/4波長板を通過した後に検出する。この基準信号データは信号処理装置に記憶される。PEM6で光弾性変調を受けて1/4波長板を通過した偏光波のレーザ光Rは複屈折位相差があり、残留応力を有する半導体ウエハDを通過する。試験片に透過させた場合は、試験片の応力の方向は、直線偏光とのなす角が互いに0度と90度の時に検出する。この透過電気信号をアナログ/デジタル変換器16に送る。この信号を信号処理装置に入力して、そこで透過信号データを生成する。信号処理装置は、記憶された基準信号データとこの透過信号データとを読み出し、これらから、基準複屈折位相差と複屈折位相差の絶対値とを算出する。
【選択図】図1
Description
その一方で、超低電力消費・超高速演算・超小型で高密度、高集積化された最近の電子デバイスの性能を制約している原因の一つとして、デバイスの製造時と使用時に生ずる回路パターンの剥離、配線の断線パッケージの破損、半導体ウエハの微小な変形などの材料力学的問題がある。このようなデバイスの製造時と使用時に生ずる材料力学的問題を克服するための評価技術の確立が望まれている。
同時に新半導体デバイスのさらなる効率的な生産、すなわち歩留まりの向上が切望され続けている。この要求を制約する一因は、新半導体デバイスの原料である単結晶ウエハの品質にある。単結晶ウエハの品質の一つは、ウエハを構成する原子における配列の完全性で評価されるが、この配列を乱す原因として現在特に問題となっていることは、ウエハの残留応力である。
critical resolved shear stress)は著しく降下する。このとき、熱応力と残留応力の重畳がσCRSS を超過すれば、単結晶は結晶すべり(crystal
gliding、 translation gliding)を誘起する。このような理由から、ウエハの残留応力をできるだけ低く抑える必要があることがわかる。
半導体ウエハの一般的な製造プロセスでは、シリコンSi(以降Si)ウエハの場合は、主にラッピングおよびポリッシング工程で残留応力を導入することが多い。長い筒状(円柱状)のインゴットから円盤状に多くのウエハを切り出す努力がなされているため、切りだし面を研磨する際の量は可能な限り少なく設定される。逆に、研磨量の不足は残留応力の導入および増加を招くことが知られている。
初期の頃は、10mm程度に厚切りされた半導体ウエハの試料に当てた(透過させた)時に生じる干渉縞から試料に働く残留応力を測定していた。しかし、この場合、ウエハは厚すぎるために残留応力測定専用となり、製造ラインに戻せず、無駄となっていた。この理由から、全数検査もできなかった。
フリンジ法は、試料に分布する応力の全体像を大局的に把握する場合に適した方法で、直線偏光器から得られる等傾線図(主応力方向の分布図)と円偏光器から得られる等色線図(主応力差の分布図)という2つのフリンジパターンから、試料の応力分布を実験解析的に求める方法である。この方法は微小領域に分布する応力や微小な応力の測定には一般的には適さない。
このフリンジ法で半導体インゴットやウエハの応力分布を測定する方法には、次のものが挙げられる。
LederhandlerはCZ法(Czochralski technique;引上げ法の一種)で育成されたSiインゴットの残留応力分布をフリンジ法で測定し、結晶育成時の温度勾配がSiの降伏応力を超過していることを指摘している(例えば、非特許文献1参照。)。
S.R. Lederhandler, Infrared Studies of Birefringence inSilicon, J.Appl. Phys.,30-11 (1959), 16311638.
K.Date, Stress Measurement with High Sensitivity in Wafer UsingInfraredPhotoelasticity, Proc. of Advanced in Elec.Pack.,Vol.2 (1992), 985-989. R.O.Denicola and R.N.Tauber,Effect of Growth Parameters the Residual Stress and Dislocation Density of Czochralski-Grown Silicon Crystal, J. Appl.Phys., 42-11 (1971), 4262-4270. P. Dobrilla and J. S. Blakemore, Optical mapping of residual stressin Czochralski grown GaAs, Appl. Phys. Lett., 48(19) (1986), 1303-1305. G. Qin, H. Liang, S. Zhao and H.Yin, Measurement of Stresses in Silicon Wafer with Infrared PhotoelasticMethod, Chin. J. Infrared and Millimeter Waves, 7(2) (1987), 139-144. M.Yamada, M. Fukuzawa, N. Kimura, K. Kaminakaand M. Yokogawa, Quantitative photoelasticcharacterization of residual strain and its correlation with dislocationdensity profile in semi-insulating LEC-grown GaAswafers, Proc. 7th Conf. on Semi-insulating III-V Materials, Ixtapa, mexico, (1992), 201210.
試料に入射する前のレーザ偏光と透過した後の偏光の相違から複屈折量を求め、応力に換算する。したがって、レーザのスポット径内の平均応力を測定することとなるため、微小領域に分布する応力を測定する場合にはスポット径の小さいレーザを用いてpoint-by-pointの測定を行うこととなる。
このサブ・フリンジ法で微小応力の分布を測定した方法には、次のものが挙げられる。Claytonらは、応力の測定中に試料の回転操作を必要とする Scanning birefringencemappingsystemを開発し、LEC法で育成されたGaAsウエハの残留応力を測定している(例えば、非特許文献7参照。)。
R.D. Clayton, I. C. Bassignana, D.A. Macquistan and C. J. Miner, Scanning birefringence mappingof semi-insulating GaAs wafers, Semi-insulating III-V Materials, Ixtapa, mexico, (1992), 211216
M.Yamada, High-sensitivitycomputer-controlled infrared polariscope, Rev.Sci. Instrum., 647 (1993),1815-1821.
H. Liang, S. Zhao and K. Chin, A new method of determining the stressstate in microelectronic materials, Meas. Sci Technol., 7 (1996), 102-105.
また、現在日本やドイツではTePla AG JenaOffice (日本代理店:株式会社 アイメック) のSIRDがレーザを利用したSiウエハの残留応力測定装置として販売されている。
また、LiangやYamadaの装置はいずれも検光子の主軸が直線であり、最大(小)電流を得るため、資料または検光子を、即ち応力方向を検出するために光学素子を回転させるタイプのサブ・フリンジ測定装置である。
直線偏光を試験片に透過させた場合は、試験片の応力の方向と大きさを次の方法で探索でき、応力の方向は、応力の方向と直線偏光とのなす角が互いに0度あるいは90度の時に検出できる。一方、応力の大きさは、応力の方向と直線偏光とのなす角が互いに45度の時に初めて検出される。このため、試験片あるいは光学系全体を半回転させて、これらのデータを探索しなくてならなかった。
応力測定のさらなる高精度化・高速化は、回転操作といった機械的な動作を伴う限り原理的に困難であると考えられる。
これらは回転のために測定速度および精度の向上が望めず、製造ライン内にこのような複屈折位相差測定装置を組み込むインライン測定に向かない欠点があった。
従って、光学素子を回転させないタイプのサブ・フリンジ測定装置による半導体ウエハの応力分布測定例は皆無である。
独自の光弾性実験装置を試作し厚さ600μm程度の半導体ウエハの応力測定に成功した報告もあるが、単なる実験装置であり、安定して測定分解能の高度性を発揮できるものではなかった。
第3の発明では、前記フォトディテクタは、通電により冷却部と放熱部を形成する恒温素子の当該冷却部に近接した位置に一体的に配置されていることを特徴とする応力測定装置とした。
第4の発明では、第2の発明の応力測定装置における第1の1/4波長板と第2の1/4波長板との間に、既知の位相差を有する位相板を検査試料として配置して、その位相板を回転させつつ少なくとも2回の透過信号データを得ることにより、透過信号と位相差との対応関係を決定しておくことで、未知の位相差を有する検査試料の位相差を求め、光弾性定数を用いて応力に換算するようにした。
また、本発明に関わる複屈折位相差測定装置は適用範囲が他に例を見ないほど広範囲であるため、半導体産業のみならず、広範な分野での利用が期待できこの見地からも費用対効果が高い。
更に受光素子を冷却し恒温に保つことにより、(低雑音で受信できる)測定感度および精度の向上を実現した。
複屈折位相差測定装置において、半導体ウエハおよび半導体素子の応力ひずみ測定、各種単結晶の完全性評価及び高速液体クロマトグラフィー(HPLC)によって分離された物質の検出を測定感度と精度を向上させて実現した。
まず、複屈折位相差測定装置の基本的な構成を図1に示す。図1では各光学素子の偏光主軸や光波の振動方向を説明するため斜視方向から見た図として表示している。図1においてレーザ光源2は、波長範囲170nmから2600nm(赤外波長)のレーザ光Rを発生する。
赤外線は人間の目には見えない、しかし検査試料となる半導体ウエハ1を良く透過するので、本願の測定・検査装置で使用するには最適である。
レーザ光源(He-Ne Laser)2から出たレーザ光Rは、コリメーターレンズ3、焦点レンズ4を通り、偏光子5、PEM6(Photo elastic
Modulator:光弾性変調器)、第1の1/4波長板Q1、第2の1/4波長板Q2、検光子10、フォトディテクタ11に到達する。
PEM6の光弾性変調器では、所定振動数で、入射した直線偏光から円偏光まで連続的に変化する変調偏光波を出力する。図2に示す変調制御部15はPEM6の変調を制御し、変調周波数等を変更し、所定振動数に設定する。
コンディショニング モジュール17を経由し、直流電圧信号と交流電圧信号にフィルタリングされ、それぞれ、直流電圧計12とロックイン
アンプ(Lock−in Amp)13に導かれる。
ロックイン アンプ13は、電流−電圧変換回路、増幅回路、低域通過フィルタ回路および高域通過フィルタ回路からなる。そこでは交流電圧信号を測定・増幅し、その後図2に示すアナログ/デジタル変換器16に送り、アナログ検出信号がデジタル信号に変換される。
直流電圧計12は観測者が検出信号電圧をモニターしながら各部品の光軸合わせや、偏光方向を調整するためのものである。これらのデジタル信号はパソコン等の信号処理装置14や図示しないデータ処理装置に送られる。
レーザ光Rは図1で示すように例えば振動方向F成分のみの偏光であり、レーザ光源2を所定の支持具に保持さて固定することで、以後レーザ光Rは振動方向Fを保持する。
コリメーターレンズ3と焦点レンズ4は所定の支持具に保持させて、その位置を調整することでレーザ光Rを集光させ、そのスポットサイズを決定する。
偏光子5は、レーザ光Rを一定の方向に振幅する直線偏光波にして透過させる主軸方向Sを有し、所定の支持具に主軸方向Sを回動可能に保持する。偏光子5の近傍に角度目盛Kを配置し、主軸方向Sの回動角度を読み取れるようにする。
第1の1/4波長板Q1と第2の1/4波長板Q2とはレーザ光Rを透過させる主軸H方向とJとをそれぞれ有し、1/4波長板Q1、Q2の製造時における位相差の誤差は+−0.5%であり、検光子10はレーザ光Rを透過させる主軸方向S2を有する。
このフォトディテクタ11は、通電により冷却部と放熱部を形成する恒温素子に物理的に囲まれた光電変換素子である。レーザ光Rは半導体ウエハを透過する赤外線である。赤外線フォトディテクタ11は外気温が変動すると、それも赤外線信号として出力する性質があるため、外気温が変動する環境下では、受光赤外線の微小な変化と外気温の変化を識別できない。
例えば円筒体の内方を冷却部とし、外方を放熱部に形成した恒温素子(ペルチェクーラー)の、円筒内の冷却部に光電変換素子を配置して冷却する。このような恒温フォトディテクタ11は公知の材料を使用する。
以下、作業手順にはステップ番号を付けて説明する、図3では各ステップにおける各光学素子の主軸方向を、(図1の)図面正面から見た形式で示している。
まずステップ1では、全装置のレーザ光源2、PEM6、フォトディテクタ11、直流電圧計12、Lock−in Amp13及びパソコン1/4、変調制御部15、データ処理装置の電源を、装置全体を安定状態にするために約4時間前に入れておく。
以下、作業手順にはステップ番号を付けて説明する、図3では各ステップにおける各光学素子の主軸方向を、(図1の)図面正面から見た形式で示している。
まずステップ1では、全装置のレーザ光源2、PEM6、フォトディテクタ11、直流電圧計12、Lock−in Amp13及びパソコン14、変調制御部15、データ処理装置の電源を、装置全体を安定状態にするために約4時間前に入れておく。
この段階で、フォトディテクタ11にはレーザ光Rが上記の光学素子を介して到達しており、発生した電気信号が直流電圧計12に送られ、電圧値として指示針やデジタルメーターや数字で表示されている。
ステップ4では、偏光子5を目盛りKに合わせて+45度に回転(図中反時計回り)させ、半分のレーザ光を以後の光路に伝達させる(最後に、偏光子5を+45度回転させる時に赤外線He−Neレーザ光Rの振動方向Fと偏光子5の主軸方向Sが完全に一致させるため)。
なお、Lock−in
Amp13の働きをパソコン14にさせてしまうことができる。この場合は、Lock−in Amp13をパソコン14内のソフトウエアで作ってしまう方法となる。
ステップ6では、偏光子5の主軸方向Sと受光側にある検光子10の主軸方向S2を直交させ、フォトディテクタ11に届くレーザ光Rが減少して、直流電圧計12の値が最小Mm1になるようにする。
そのために、始めは、偏光子5を固定し、検光子10を回動する事により直流電圧計12の値が最小Mm1になるようにする。次に、検光子10を固定し、偏光子5を回動し直流電圧計12の値が最小Mm2になるようにする。但しこのとき、偏光子5はできるだけ回転させず、できるだけ検光子10の方で調整するように心がける。
この操作を繰り返し行い、直流電圧計12の値が最小Mmnになるようにして、正確に主軸方向Sと主軸方向S2とが高精度に直交するようにする(Mm1>Mm2>…>Mmn)であり、可能な限り最小にするには熟練者でも3時間以上かかる)。
ステップ7では、偏光子5と検光子10との間にあるPEM6の電源を入れ、使用(USR)モード(PEM6の機能がON状態になる)にし、今度はPEM6を回動させ、即ちPEM6の主軸方向Wの方向を回転させて、直流電圧計12の値が最小Mxになるように調節する。
ステップ8では、PEM6の設定を、不可(INH)モード(PEM6の機能がOFF状態になる)にしても、直流電圧計12の最小値Mxに変化がないことを確認し、USRモードに戻す。
ステップ10では、第1の1/4波長板Q1を目盛りK2に合わせて+45度に回転させ、レーザ光Rが一部透過して直流電圧計の値が最小Mx1>Mxm≑Mxになるように調節する(副尺などを利用してノギスの要領で正確に行う)。
ステップ12では最初の偏光子5を目盛りKに合わせて更に+45度回転させ、直流電圧計12の値が最小x1m>Mx1mになるようにする。
なお、(図1、図3の場合)図面の正面から見て“−”は時計回りの事、“+”は反時計回りを意味する。
この変調偏光波は、変調制御部15から印加される42kHzの周期で連続的に、図4中時間tの経過と共に左から右方向に示すように、変調されている。
この変調偏光波は第1の1/4波長板Q1に入射され、そこでは図5の実線で方向を示す矢印の直線偏光となり、この矢印の直線偏光は42kHzの周期で連続的に、図5中時間tの経過と共に左から右方向に示すように、回転(旋回)しながら試料を透過して行く。
ステップ3からステップ12までの本装置の設定は、装置を組み立てる初期段階で行い、地震などの外乱がなくこの設定の状態で各光学素子の配置関係を維持すれば、以後経年疲労による変動がない限り、再設定の必要はない。
ステップ12の状態では、レーザ光源2から出たレーザ光Rは、ほぼ全光量がコリメーターレンズ3、焦点レンズ4、偏光子5を通り(振動方向Fと主軸方向Sが平行)、PEM6に入射する。
レーザ光Rの光路上でPEM6の主軸方向Wは、備光子5の主軸方向Sと45度の角度をなしており、レーザ光Rは、所定の光量第が第1の1/4波長板Q1に入射される。
図4で時間tの経過と共に左から右方向に示すように、このPEM6の光弾性変調器では直線偏光波のレーザ光Rを所定振動数の42kHzで直線偏光から円偏光まで連続的に変化させて(位相)変調偏光波としている。
即ち、PEM6は42kHzで変化する印加電圧Tzに比例した複屈折位相差を直線偏光波のレーザ光Rに与える。
この旋回している直線偏光は第2の1/4波長板Q2に入射され、(Q1と)直交している第2の1/4波長板Q2では、第1の1/4波長板Q1による旋回している直線偏光が復調されて、その前の直線偏光に戻って、検光子10に到達する。
但し、Q1とQ2の間に試料1がセットされていれば、完全には復調されないため、既知の完全復調状態と未知の未完全復調状態の比較から、試料の位相差が測定される。
一方PEM6で図4の光弾性変調を受けてレーザ光Rは直線偏光と楕円偏光を規則的に繰り返す位相変調偏光となり、第1の1/4波長板Q1では旋回している直線偏光になる。
但し、試料の持つ複屈折位相差の大小及び複屈折の方向によって復調の度合いが変化する。しかしながら、必ずしも完全にではないが、直線偏光と楕円偏光を規則的に繰り返す位相変調偏光に戻る。この直線偏光と楕円偏光の繰り返しは、主軸方向S2を間欠的に含む偏光波である。ゆえに、検光子10も通過することができ、フォトディテクタ11に到達し、その強度に対応した交流部を含む電流即ち基準電気信号を発生する。
この場合は、基準電気信号を増幅器13に入力して増幅し、この増幅された基準電気信号をアナログ/デジタル変換器16に送り、そこではアナログ検出信号がデジタル信号に変換される。この基準電気信号のデジタル信号は、信号処理装置14に入力され。交流部含む基準電気信号は信号処理装置14で周波数毎のスペクトル分析を行い、基準信号データが生成される。
この基準信号データは、PEM6で偏光波のレーザ光Rが光弾性変調を受けたため、複屈折位相差を発生し、第1の1/4波長板Q1及び第2の1/4波長板Q2を通過した後に検出される。この基準信号データは信号処理装置1/4の所定のメモリに記憶される。
なお、試料は半導体ウエハに限定されず、液体が試料でも可能である。具体的には高速液体クロマトグラフィー(HPLC)によって分離された物質の検出装置としても利用でき、化学分野にも進出できる。
そもそも本方法では応力測定は一部の使い方であり、厳密には位相差測定を行っており、位相差から、応力が求まり、また特定の物質が検出でき、応力測定に限定されるものではない。
一方PEM6で図4の光弾性変調を受けてレーザ光Rは直線偏光と楕円偏光を規則的に繰り返す位相変調偏光となり、第1の1/4波長板Q1では旋回している直線偏光になる。直線偏光を試験片に透過させた場合は、試験片の応力の方向と大きさを次の方法で探索でき、応力の方向は、応力の方向と直線偏光とのなす角が互いに0度あるいは90度の時に検出できる。応力の大きさは、応力の方向と直線偏光とのなす角が互いに45度の時に初めて検出される。
即ちPEM6で光弾性変調を受けて1/4波長板Q1を通過した偏光波のレーザ光Rは複屈折位相差があり、例えば主軸H成分から分離した主軸J成分が生成されて、更に残留応力を有する半導体ウエハDを通過する。
この時前述した条件が満たされる。即ち直線偏光を試験片に透過させた場合は、試験片の応力の方向と大きさを次の方法で探索でき、応力の方向は、応力の方向と直線偏光とのなす角が、時間の経過とともに互いに0度あるいは90度になった時に検出できる。
応力の大きさは、応力の方向と直線偏光とのなす角が、時間の経過とともに互いに互いに45度になった時に初めて検出される。
この基準電気信号をシグナル コンディショナル モジュール17に入力して電流−電圧変換回路、増幅回路、フィルタ回路を介して、入力信号の直流成分と交流成分を分離する。直流成分は直流電圧計12で電圧をモニターされ、アナログ/デジタル変換器16へ入力される。
この演算結果は、PEM6で光弾性変調を受けて1/4波長板Q1通過し、更に半導体ウエハ1で光弾性変調を受けて第2の1/4波長板Q2を通過した偏光波のレーザ光Rが、Q1とQ2の間に試料がセットされていれるがために、完全には復調されないことから、既知の完全復調状態と未知の未完全復調状態の比較から、試料の位相差を導いたものである。
この透過信号データはPEM6で光弾性変調を受けて1/4波長板Q1通過し、更に半導体ウエハ1で光弾性変調を受けて第2の1/4波長板Q2を通過した偏光波のレーザ光Rが有する追加分を含む複屈折位相差に基くものである。この透過信号データは信号処理装置14の所定のメモリに記憶される。
即ち、信号処理装置14は、所定のメモリに記憶された基準信号データとこの透過信号データとを読み出し、これら信号データとを所定の演算処理、互いに比較して、基準複屈折位相差と追加分の複屈折位相差の絶対値とをそれぞれ算出する。
更に信号処理装置14は、基準複屈折位相差と追加分の複屈折位相差の絶対値とを、所定の物性公式や方程式に代入して、半導体ウエハ1の残留応力を決定する。
また、レーザ光Rのビームを絞ることで、直径10μ(よりも狭い範囲の)内の複屈折の平均の大きさと方向が測定できる。
このくらい微小な応力は常温常圧のもとでは測定がかなり困難とあり、また測定誤差はこのように極めて小さい。更にPEM6による位相変調量、変調周波数数を適宜変更することで、ナノテクレベルの位相差に基づき、精度:+-0.105MPa まで絶対量として具体的に検出できる。
更に本願によれば、市販の厚さ600μmのGaAsウエハを用いてGaAs単結晶の光弾性特性に及ぼす結晶方位の影響についても検証された。
光弾性特性と結晶方位の関係に及ぼす光源波長の影響を、どの波長域で実施すれば合理的で信頼性の高いかも検証され、工業的に極めて有益である。
2 レーザ光源
3 コリメーターレンズ
4 焦点レンズ
5 偏光子
6 PEM
10 検光子
11 フォトディテクタ
12 直流電圧計
13 増幅器(ロックイン アンプ)
14 信号処理装置(コンピュータ)
15 変調制御部
16 アナログ/デジタル変換器
17 シグナル コンディショナル モジュール
Q1、Q2 第1の1/4波長板、第2の1/4波長板
R レーザ光
F、H、J、S、S2、W 偏光主軸方向
Claims (4)
- レーザ光源から出た赤外線のレーザ光を、偏光子に入射して光路軸に垂直な平面上で一定の方向に振幅する直線偏光波にして、この直線偏光波を光弾性変調器にその光軸と光路軸とが一致するように入射し、この光弾性変調器では所定振動数で直線偏光から円偏光まで連続的に変化する変調偏光波とし、この変調偏光波を順番に第1の1/4波長板と第2の1/4波長板を介して検光子に入射し、この検光子では前記変調偏光波を他の方向に振幅する直線変調偏光波としてフォトディテクタに入射し、このフォトディテクタでは前記直線変調偏光波の物理特性に応じた電気信号を発生し、
次に前記第1の1/4波長板と第2の1/4波長板との間に検査試料を配置して前記変調偏光波を透過させ、検査試料を配置しない場合に前記フォトディテクタで発生する電気信号と検査試料を配置した場合の透過電気信号とを信号処理装置で比較して、前記検査試料の応力を決定するレーザ光弾性を利用した応力測定方法において、
前記電気信号を直流電圧計に入力して検出した数値をこの直流電圧計に表示し、
前記偏光子を前記光路軸を中心に回動して前記光路軸に垂直なその透過主軸Sと前記直線変調偏光波の振動方向Fとを直交させ前記直流電圧計が示す値が最小Mになるようにし、次に前記偏光子を+45度に回動して直流電圧計の値を増加した所定値M0(M0>M)になるようにし、
前記検光子を回動する事によりその主軸S2と前記偏光子の主軸Sとを直交させるようにして、前記フォトディテクタに届く前記直線変調偏光波を減少させて、直流電圧計の値が最小Mm1になるようにし、
次に、前記偏光子を回動する事によりその主軸Sと検光子の主軸S2とを直交させるようにして、前記直流電圧計の値を更に減少させて最小Mm2になるようにし、これらの操作を繰り返し行い直流電圧計の値が次第に小さい最小Mmn(Mm1>Mm2>…>Mmn)になるようにし、
前記光弾性変調器を回動する事によりその主軸Wと前記偏光子の主軸Sとを一致させるようにして、前記直流電圧計の値が最小Mxになるようにし、
前記第1の1/4波長板を回動する事によりその主軸Hと前記偏光子の主軸Sとを一致させるようにして、前記直流電圧計の値が減少して最小Mxmになるようにし、
次に、第1の1/4波長板を+45度に回転して直流電圧計の値が増加した所定値Mx1(Mx1>Mxm)になるようにし、
第2の1/4波長板を回動する事によりその主軸Jと第1の1/4波長板の主軸Hとを直交せるようにして、前記直流電圧計の値が減少して最小Mx1m(Mx1>Mx1m)になるようにし、
最後に偏光子を更に+45度回転させることにより、その主軸Sと前記検光子の主軸S2とが角度を有して前記直流電圧計の値が増加した基準電気信号となるx1m(x1m>Mx1m)になるようにし、
この基準電気信号を直流電圧計及び増幅器に入力し、この増幅器では前記基準電気信号を増幅して信号処理装置に入力し、この信号処理装置では基準信号データを生成し、次に前記第1の1/4波長板と第2の1/4波長板との間に検査試料を配置して前記変調偏光波を透過させ、その時前記フォトディテクタでは透過電気信号を発生して前記直流電圧計及び前記増幅器に入力し、
前記増幅器では前記透過電気信号を増幅して前記信号処理装置に入力して、透過信号データが生成され、その後前記基準信号データとこの透過信号データとを比較して、前記検査試料の応力を決定することを特徴とする応力測定方法。 - 赤外線のレーザ光を発生するレーザ光源と、このレーザ光の光路上に配置されレーザ光が入射されて一定の方向に振幅する直線偏光波を出力する偏光子と、この直線偏光波が入射されて所定振動数で直線偏光から円偏光まで連続的に変化する変調偏光波を出力する光弾性変調器と、この変調偏光波が順番に入射される第1の1/4波長板及び第2の1/4波長板と、次に変調偏光波が入射されて他の方向に振幅する直線変調偏光波として出力する検光子と、この直線変調偏光波が入射されて物理特性に応じた電気信号を発生するフォトディテクタと、
前記第1の1/4波長板と第2の1/4波長板との間に検査試料を配置して前記変調偏光波を透過させ、被検査試料を配置しない場合に前記フォトディテクタで発生する電気信号と被検査試料を配置した場合の透過電気信号とを比較して、前記被検査試料の応力を決定する信号処理装置と、からなるレーザ光弾性を利用した応力測定装置において、
前記フォトディテクタで発生した前記電気信号を入力して検出した数値を表示する直流電圧計と、前記フォトディテクタで発生した基準電気信号を入力して増幅する増幅器とを備え、
前記偏光子を回動してその透過主軸とレーザ光の振動方向とを直交させ前記直流電圧計が示す値が最小Mになるように配置し、その後前記偏光子を+45度に回動して前記直流電圧計の値を増加した所定値M0(M0>M)になるように再配置し、
前記検光子を回動する事によりその主軸と前記偏光子の主軸とを直交させるようにして、フォトディテクタに届く前記直線偏光波を減少させて、前記直流電圧計の値が最小Mm1になるようにし、
次に、前記偏光子を回動する事によりその主軸Sと検光子の主軸とを直交させるようにして、前記直流電圧計の値を更に減少させて最小Mm2になるようにし、これらの操作を繰り返し行い直流電圧計の値が次第に小さい最小Mmn(Mm1>Mm2>…>Mmn)になるようにこれら偏光子と検光子との角度配置を設定し、
前記光弾性変調器を回動する事によりその主軸方向と前記偏光子の主軸方向とを一致させるようにして、前記直流電圧計の値が最小Mxになるように角度配置を設定し、
前記第1の1/4波長板を回動する事によりその主軸と前記偏光子の主軸方向Sとを一致させるようにして、前記直流電圧計の値が減少して最小Mxmになるように角度配置を設定し、
この第1の1/4波長板を+45度に回転して直流電圧計の値が増加した所定値Mx1(Mx1>Mxm)になるように設定し、且つこの第1の1/4波長板は前記光弾性変調器から出力された前記変調偏光を、旋回する直線偏光に変換する特性を有し、
前記第2の1/4波長板はこの旋回する直線偏光が入射されてこの第1の1/4波長板による直線偏光の旋回を打ち消すように、この第2の1/4波長板を回動する事によりその主軸と第1の1/4波長板の主軸方向とを直交させるように角度配置を設定し、前記直流電圧計の値が減少して最小Mx1m(Mx1>Mx1m)にし、
偏光子を更に+45度回転させることにより、その主軸と前記検光子の主軸とが角度を有して前記直流電圧計の値が増加したx1m(x1m>Mx1m)の基準電気信号になるように設定し、
前記増幅器で増幅された基準電気信号を入力して前記信号処理装置では基準信号データを生成し、次に前記第1の1/4波長板と第2の1/4波長板との間に被検査試料を配置して前記変調偏光波を透過させ、その時前記フォトディテクタでは透過電気信号を発生して前記増幅器に入力し、この増幅器では前記透過電気信号を増幅して前記信号処理装置に入力し透過信号データが生成され、その後前記信号処理装置は前記基準信号データとこの透過信号データとを比較して、前記被検査試料の応力を決定することを特徴とする応力測定装置。 - 前記フォトディテクタは、通電により冷却部と放熱部を形成する恒温素子の当該冷却部に近接した位置に一体的に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の応力測定装置。
- レーザ光源から発生した赤外線のレーザ光を、光路上に配置された偏光子に入射して一定の方向に振幅する直線偏光波として出力し、この直線偏光波を光弾性変調器に入射して所定振動数で直線偏光から円偏光まで連続的に変化する変調偏光波を出力し、
この変調偏光波を順番に第1の1/4波長板及び第2の1/4波長板に入射して透過し、その後この変調偏光波が検光子に入射して他の方向に振幅する直線変調偏光波として出力し、
この直線変調偏光波がフォトディテクタに入射されて物理特性に応じた電気信号を発生し、
次に前記第1の1/4波長板と第2の1/4波長板との間に検査試料を配置して前記変調偏光波を透過させ、被検査試料を配置しない場合に前記フォトディテクタで発生する電気信号と被検査試料を配置した場合の透過電気信号とを信号処理装置で比較して、前記被検査試料の応力を決定するレーザ光弾性を利用した応力測定方法において、
前記電気信号を直流電圧計に入力して検出した数値を表示し、
前記偏光子を回動してその透過主軸とレーザ光の振動方向とを直交させ前記検出した数値が最小Mになるように配置し、その後前記偏光子を+45度に回動して前記検出した数値が増加した所定値M0(M0>M)になるように再配置し、
前記検光子を回動する事によりその主軸と前記偏光子の主軸とを直交させるようにして、フォトディテクタに届く前記直線偏光波を減少させて、前記検出した数値が最小Mm1になるようにし、
次に、前記偏光子を回動する事によりその主軸Sと検光子の主軸とを直交させるようにして、前記検出した数値を更に減少させて最小Mm2になるようにし、これらの操作を繰り返し行い前記検出した数値が次第に小さい最小Mmn(Mm1>Mm2>…>Mmn)になるようにこれら偏光子と検光子との角度配置を設定し、
前記光弾性変調器を回動する事によりその主軸方向と前記偏光子の主軸方向とを一致させるようにして、前記検出した数値が最小Mxになるように角度配置を設定し、
前記第1の1/4波長板を回動する事によりその主軸と前記偏光子の主軸方向Sとを一致させるようにして、前記検出した数値が減少して最小Mxmになるように角度配置を設定し、
この第1の1/4波長板を+45度に回転して前記検出した数値が増加した所定値Mx1(Mx1>Mxm)になるように設定し、且つこの第1の1/4波長板は前記光弾性変調器から出力された前記変調偏光を、旋回する直線偏光に変換する特性を有し、
前記第2の1/4波長板はこの旋回する直線偏光が入射されてこの第1の1/4波長板による直線偏光の旋回を打ち消すように、この第2の1/4波長板を回動する事によりその主軸と第1の1/4波長板の主軸方向とを直交させるように角度配置を設定し、前記検出した数値が減少して最小Mx1m(Mx1>Mx1m)にし、
偏光子を更に+45度回転させることにより、その主軸と前記検光子の主軸とが角度を有して前記検出した数値が増加したx1m(x1m>Mx1m)の基準電気信号になるように設定し、
前記フォトディテクタで発生した基準電気信号を増幅器に入力して増幅し、この増幅された基準電気信号を入力して前記信号処理装置では基準信号データを生成し、次に前記第1の1/4波長板と第2の1/4波長板との間に被検査試料を配置して前記変調偏光波を透過させ、その時前記フォトディテクタでは透過電気信号を発生して前記増幅器に入力し、この増幅器では前記透過電気信号を増幅して前記信号処理装置に入力し透過信号データが生成され、その後前記信号処理装置は前記基準信号データとこの透過信号データとを比較して、前記被検査試料の応力を決定し、
更に、前記第1の1/4波長板と第2の1/4波長板との間に、既知の位相差を有する位相板を他の被検査試料として配置して、その位相板を回転させつつ少なくとも2回の前記透過信号データを得ることにより、この透過信号データと前記既知の位相差とを前記信号処理装置に入力し、これらの対応関係を決定しておくことで、未知の位相差を有する被検査試料の位相差を求め、光弾性定数を用いて応力に換算する応力測定方法。
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