JP2717600B2 - 薄膜評価装置 - Google Patents
薄膜評価装置Info
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- JP2717600B2 JP2717600B2 JP2320629A JP32062990A JP2717600B2 JP 2717600 B2 JP2717600 B2 JP 2717600B2 JP 2320629 A JP2320629 A JP 2320629A JP 32062990 A JP32062990 A JP 32062990A JP 2717600 B2 JP2717600 B2 JP 2717600B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レーザ光を用いて薄膜内に発生させた共鳴
超音波により薄膜の厚さ及び密着性を評価するための薄
膜内の超音波発生方法及びその検出装置に関するもので
ある。
超音波により薄膜の厚さ及び密着性を評価するための薄
膜内の超音波発生方法及びその検出装置に関するもので
ある。
［従来の技術］ 従来、薄膜の厚さ及び密着性を評価するに際しては、
特開昭60−30148号、特開昭60−196644号、特開昭63−2
38448号などに示されるように、破壊的評価によってい
る。
特開昭60−30148号、特開昭60−196644号、特開昭63−2
38448号などに示されるように、破壊的評価によってい
る。
一方、非破壊による方法には、例えば特開昭62−1345
06号があるが、この方法では薄膜内を透過する光の光路
差を利用して評価を行うので、密着性の評価はできな
い。また、光を透過しない薄膜に対する評価も行えな
い。
06号があるが、この方法では薄膜内を透過する光の光路
差を利用して評価を行うので、密着性の評価はできな
い。また、光を透過しない薄膜に対する評価も行えな
い。
そこで、光を透過しない薄膜に対しては、Phys.Rev.
B,vol.34,4129,［1984］（フィジカル・レビューＢ、34
巻、1984年）に記載のC.Thomsen（C.トムセン）らの方
法によるフェムト秒超短波パルスレーザを利用した薄膜
評価技術が有効な手法となる。なお、その薄膜評価への
応用は、Thin Solid Films,Vol.154,217［1987］（固体
薄膜フィルム、154巻、1987年）に記載がある。
B,vol.34,4129,［1984］（フィジカル・レビューＢ、34
巻、1984年）に記載のC.Thomsen（C.トムセン）らの方
法によるフェムト秒超短波パルスレーザを利用した薄膜
評価技術が有効な手法となる。なお、その薄膜評価への
応用は、Thin Solid Films,Vol.154,217［1987］（固体
薄膜フィルム、154巻、1987年）に記載がある。
この方法は、フェムト秒超短パルスレーザを薄膜表面
に照射し、熱応力を発生させることにより、超高周波の
超音波を発生させるものである。この方法は、薄膜表面
で発生する熱応力を利用するので、光を透過しない薄膜
についても厚み及び密着度を評価することができる。
に照射し、熱応力を発生させることにより、超高周波の
超音波を発生させるものである。この方法は、薄膜表面
で発生する熱応力を利用するので、光を透過しない薄膜
についても厚み及び密着度を評価することができる。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記した従来技術にあっては、薄膜内に発生
する超音波が非常に弱いために、薄膜中の超音波の多重
反射信号を検出することが非常に困難になる。また、複
雑な光学系を必要とし、測定には非常に高い技術が要求
される。更に、検出信号のS/N比が悪いために測定に多
大の時間を要するなどの問題がある。
する超音波が非常に弱いために、薄膜中の超音波の多重
反射信号を検出することが非常に困難になる。また、複
雑な光学系を必要とし、測定には非常に高い技術が要求
される。更に、検出信号のS/N比が悪いために測定に多
大の時間を要するなどの問題がある。
本発明は、上記した従来技術の実情に鑑みてなされた
もので、レーザによって薄膜内に発生する超音波の信号
強度を高め、かつ検出系の構成を簡単にすることが可能
な非破壊で測定できる薄膜評価装置を提供することを目
的とする。
もので、レーザによって薄膜内に発生する超音波の信号
強度を高め、かつ検出系の構成を簡単にすることが可能
な非破壊で測定できる薄膜評価装置を提供することを目
的とする。
［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、この発明は、超短パル
スレーザ光または連続正弦波の変調レーザ光を薄膜に照
射することによって前記薄膜内に超高周波の超音波の共
鳴を生じさせるようにしている。
スレーザ光または連続正弦波の変調レーザ光を薄膜に照
射することによって前記薄膜内に超高周波の超音波の共
鳴を生じさせるようにしている。
また、このようにして発生した共鳴超音波を非接触で
検出するために、別の共鳴超音波検出用レーザ照射手段
と、該手段によって照射された検出用レーザ光が前記共
鳴超音波によって散乱されることにより生じる光周波数
シフトを検出するファブリペロー干渉計と、該ファアブ
リペロー干渉計の出力光を光−電変換する光検出器とを
設けるようにしている。
検出するために、別の共鳴超音波検出用レーザ照射手段
と、該手段によって照射された検出用レーザ光が前記共
鳴超音波によって散乱されることにより生じる光周波数
シフトを検出するファブリペロー干渉計と、該ファアブ
リペロー干渉計の出力光を光−電変換する光検出器とを
設けるようにしている。
また、共鳴超音波の検出には、上記ファブリペロー干
渉計に代えて、光ヘテロダイン干渉計または光ホモダイ
ン干渉計を用いることができる。
渉計に代えて、光ヘテロダイン干渉計または光ホモダイ
ン干渉計を用いることができる。
［作用］ 上記した手段によれば、超短パルス列の周期が適当に
選定されたバーストパルスレーザ光または変調周波数が
適当に選定されたCWレーザ光を薄膜表面に照射すること
によって照射部に熱応力が発生し、超音波の共鳴が生じ
る。
選定されたバーストパルスレーザ光または変調周波数が
適当に選定されたCWレーザ光を薄膜表面に照射すること
によって照射部に熱応力が発生し、超音波の共鳴が生じ
る。
このようにして得られた薄膜内の共鳴超音波を非接触
で検出するためには、別の共鳴超音波検出用レーザ光を
薄膜に照射する。この検出用レーザ光が前記共鳴超音波
によって散乱されることにより、光周波数シフトが生じ
る。この光周波数シフトを検出するためには、ファブリ
ペロー干渉計を用いる。
で検出するためには、別の共鳴超音波検出用レーザ光を
薄膜に照射する。この検出用レーザ光が前記共鳴超音波
によって散乱されることにより、光周波数シフトが生じ
る。この光周波数シフトを検出するためには、ファブリ
ペロー干渉計を用いる。
このような方法を採用することによって薄膜内に共鳴
する超音波を発生させることができ、またロックインア
ンプを使用することによって検出系を狭帯域化すること
ができるので信号強度比及びS/N比を従来と比較して非
常に大きくすることが可能となる。そのため、厚み及び
密着度などの測定を非破壊で行うことができる。
する超音波を発生させることができ、またロックインア
ンプを使用することによって検出系を狭帯域化すること
ができるので信号強度比及びS/N比を従来と比較して非
常に大きくすることが可能となる。そのため、厚み及び
密着度などの測定を非破壊で行うことができる。
［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説
明する。
明する。
第１図は本発明による薄膜内の超音波検出装置の一実
施例を示すブロック図である。
施例を示すブロック図である。
レーザ源として共鳴超音波発生用レーザ１と共鳴超音
波検出用レーザ２の２つを備えている。共鳴超音波発生
用レーザ１の出射光路上には、光変調器３、光チョッパ
４が順次配設され、光変調器３により変調されたレーザ
光６が薄膜５の表面に到達する。一方、共鳴超音波検出
用レーザ２の出射光路上には、光アイソレータ７、偏向
ビームスプリッタ８、1/4波長板９が順次配設され、1/4
波長板９を出た検出用レーザ光が薄膜５の裏面に到達す
る。なお、共鳴超音波検出用レーザ２には、周波数安定
化単一周波数レーザが用いられる。偏向ビームスプリッ
タ８の反射光路上には、コリメータ10、ファブリペロー
干渉計11、光学フィルタ12、光検出器13が順次配設され
ている。光検出器13は入力光を光−電変換して電気信号
を出力するもので、例えば、アバランシェホトダイオー
ド、シリコンPINダイオード、光電子増倍管などを用い
ることができる。
波検出用レーザ２の２つを備えている。共鳴超音波発生
用レーザ１の出射光路上には、光変調器３、光チョッパ
４が順次配設され、光変調器３により変調されたレーザ
光６が薄膜５の表面に到達する。一方、共鳴超音波検出
用レーザ２の出射光路上には、光アイソレータ７、偏向
ビームスプリッタ８、1/4波長板９が順次配設され、1/4
波長板９を出た検出用レーザ光が薄膜５の裏面に到達す
る。なお、共鳴超音波検出用レーザ２には、周波数安定
化単一周波数レーザが用いられる。偏向ビームスプリッ
タ８の反射光路上には、コリメータ10、ファブリペロー
干渉計11、光学フィルタ12、光検出器13が順次配設され
ている。光検出器13は入力光を光−電変換して電気信号
を出力するもので、例えば、アバランシェホトダイオー
ド、シリコンPINダイオード、光電子増倍管などを用い
ることができる。
光検出器13には、その出力信号中の必要帯域内の信号
のみを通過させるバンドパスフィルタ14が接続され、こ
のバンドパスフィルタ14には、増幅器15が接続されてい
る。増幅器15にはロックインアンプ16が接続され、その
出力信号を表示するためにオシロスコープ17が設けられ
ている。更にロックインアンプ16にはロックイン検出を
行うための光チョッパ４及び光チョッパドライバ18が接
続される。
のみを通過させるバンドパスフィルタ14が接続され、こ
のバンドパスフィルタ14には、増幅器15が接続されてい
る。増幅器15にはロックインアンプ16が接続され、その
出力信号を表示するためにオシロスコープ17が設けられ
ている。更にロックインアンプ16にはロックイン検出を
行うための光チョッパ４及び光チョッパドライバ18が接
続される。
次に、以上の構成における動作について説明する。
共鳴超音波発生用レーザ１を励起してレーザ光を発生
させ、これを光変調器３によって光変調する。この変調
されたレーザ光を薄膜５の表面に照射すると、その照射
部位に熱応力が生じ、超音波が発生する。薄膜内に共鳴
する超音波を発生させるためには、第２図又は第３図に
示すような超短パルス列の周期が適当に選定されたバー
ストパルスレーザ光、或は第４図又は第５図に示すよう
な正弦波状に変調された連続波（CW）レーザ光を用い
る。バーストパルスレーザ光の場合には、そのパルス列
周期ΔＴを変えることにより、第２図及び第３図に示す
ように、薄膜内部に一次共振超音波（第２図の右図）又
は二次共振超音波（第３図の右図）を発生させることが
できる。同様に、変調されたCWレーザ光では変調周波数
を変えることにより、第４図及び第５図に示すような一
次又は二次の共振超音波を発生させることができる。
させ、これを光変調器３によって光変調する。この変調
されたレーザ光を薄膜５の表面に照射すると、その照射
部位に熱応力が生じ、超音波が発生する。薄膜内に共鳴
する超音波を発生させるためには、第２図又は第３図に
示すような超短パルス列の周期が適当に選定されたバー
ストパルスレーザ光、或は第４図又は第５図に示すよう
な正弦波状に変調された連続波（CW）レーザ光を用い
る。バーストパルスレーザ光の場合には、そのパルス列
周期ΔＴを変えることにより、第２図及び第３図に示す
ように、薄膜内部に一次共振超音波（第２図の右図）又
は二次共振超音波（第３図の右図）を発生させることが
できる。同様に、変調されたCWレーザ光では変調周波数
を変えることにより、第４図及び第５図に示すような一
次又は二次の共振超音波を発生させることができる。
光変調器３としては、CWレーザ光を変調する場合には
適当な電気光学素子を用いる。また、パルスレーザから
バーストパルスを得るにはキャビティ・ダンパー、モー
ドロッカー、Ｑ−スイッチと適当な電気光学素子の組合
せ等を利用する。
適当な電気光学素子を用いる。また、パルスレーザから
バーストパルスを得るにはキャビティ・ダンパー、モー
ドロッカー、Ｑ−スイッチと適当な電気光学素子の組合
せ等を利用する。
この共鳴超音波を検出するために、共鳴超音波検出用
レーザ光２を光アイソレータ７、偏向ビームスプリッタ
８及び1/4波長板９の各々を介して薄膜５に照射する。
薄膜５の表面及び裏面は、共鳴的超音波によって正弦波
の振動をしているため、共鳴超音波検出用レーザ２から
発生したプローブレーザ光は共鳴超音波によって散乱を
受け、周波数シフトを生じる。
レーザ光２を光アイソレータ７、偏向ビームスプリッタ
８及び1/4波長板９の各々を介して薄膜５に照射する。
薄膜５の表面及び裏面は、共鳴的超音波によって正弦波
の振動をしているため、共鳴超音波検出用レーザ２から
発生したプローブレーザ光は共鳴超音波によって散乱を
受け、周波数シフトを生じる。
この周波数シフトした光は、1/4波長板９、偏向ビー
ムスプリッタ８及びコリメータ10を介してファブリペロ
ー干渉計11に入射される。ファブリペロー干渉計11から
の出力光は、適当な光学フィルタ12によってノイズ分を
除去した後、光検出器13によって光−電変換される。こ
のとき、ファブリペロー干渉計11の共振器長の掃引をロ
ックインアンプ16による変調周波数（光チョッパ４のチ
ョッパ周波数）よりもゆっくりと行うことにより、第６
図に示すように中央にピーク（プローブレーザ光の中心
周波数）を有し、その両側に低いレベルのピーク（薄膜
５内で共振した超音波により散乱された光の周波数）を
有する信号波形が得られる。
ムスプリッタ８及びコリメータ10を介してファブリペロ
ー干渉計11に入射される。ファブリペロー干渉計11から
の出力光は、適当な光学フィルタ12によってノイズ分を
除去した後、光検出器13によって光−電変換される。こ
のとき、ファブリペロー干渉計11の共振器長の掃引をロ
ックインアンプ16による変調周波数（光チョッパ４のチ
ョッパ周波数）よりもゆっくりと行うことにより、第６
図に示すように中央にピーク（プローブレーザ光の中心
周波数）を有し、その両側に低いレベルのピーク（薄膜
５内で共振した超音波により散乱された光の周波数）を
有する信号波形が得られる。
この信号がバンドパスフィルタ14で不要信号を除去し
て増幅器15で増幅ののち、さらにロックインアンプ16を
経てオシロスコープ17に表示される。表示された波形の
周波数シフト及び信号強度を測定することにより、薄膜
５の厚み及び密着性などを知ることができる。
て増幅器15で増幅ののち、さらにロックインアンプ16を
経てオシロスコープ17に表示される。表示された波形の
周波数シフト及び信号強度を測定することにより、薄膜
５の厚み及び密着性などを知ることができる。
以上述べた上記技術は、共鳴を利用するために従来技
術と比較して信号強度を飛躍的に高めることができる。
また、狭帯域バンドパスフィルタ14及び、ロックインア
ンプ16を用いることができるため検出系のS/N比も飛躍
的に高めることができ、より高精度の測定が可能にな
る。さらに、前記したC.Thomsenの方法に比べて測定時
間を大幅に短縮することができるため、この面でもS/N
の改善を図ることができる。また、C.Thomsenの方法を
実現する光学系の構成に比べて、本発明の光学系は構成
が簡単になるので、光軸の調整が極めて簡単になる。
術と比較して信号強度を飛躍的に高めることができる。
また、狭帯域バンドパスフィルタ14及び、ロックインア
ンプ16を用いることができるため検出系のS/N比も飛躍
的に高めることができ、より高精度の測定が可能にな
る。さらに、前記したC.Thomsenの方法に比べて測定時
間を大幅に短縮することができるため、この面でもS/N
の改善を図ることができる。また、C.Thomsenの方法を
実現する光学系の構成に比べて、本発明の光学系は構成
が簡単になるので、光軸の調整が極めて簡単になる。
なお、上記実施例ではファブリペロー干渉計11を用い
て検出を行うものとしたが、これに代えて光ヘテロダイ
ン干渉計、光ホモダイン干渉計などを用いることも可能
である。
て検出を行うものとしたが、これに代えて光ヘテロダイ
ン干渉計、光ホモダイン干渉計などを用いることも可能
である。
また、上記実施例では、第２図及び第３図に示すパル
ス列を適当な電気光学素子によって得るものとしたが、
このほか、J.Opt.Soc.Am.vol45,1418,［1975］（ジャー
ナル オブ オプティカル ソサイエティ オブ アメ
リカ 45巻、1975年）に記載のC.Roychoudhuriの方法に
よる超短パルスをファブリペロー干渉計に入射する方法
によっても、第２図または第３図に示すようなバースト
パルスを作製することが可能となる。
ス列を適当な電気光学素子によって得るものとしたが、
このほか、J.Opt.Soc.Am.vol45,1418,［1975］（ジャー
ナル オブ オプティカル ソサイエティ オブ アメ
リカ 45巻、1975年）に記載のC.Roychoudhuriの方法に
よる超短パルスをファブリペロー干渉計に入射する方法
によっても、第２図または第３図に示すようなバースト
パルスを作製することが可能となる。
第７図は、本発明による薄膜内の超音波検出装置の他
の実施例を示すブロック図である。なお、本実施例にお
いては、第１図と同一であるものには、同一引用符号を
用いたので、重複する説明は省略する。
の実施例を示すブロック図である。なお、本実施例にお
いては、第１図と同一であるものには、同一引用符号を
用いたので、重複する説明は省略する。
薄膜５が基板19上に形成されている場合、薄膜５が単
体の場合と異なり共鳴超音波検出用レーザ光を薄膜裏面
から照射することは不可能となる。そこで、図７のよう
に共鳴超音波検出用レーザ光２をレーザ光６と共に薄膜
５の表面に照射する。共鳴超音波検出用レーザ光２の反
射光の光軸上には、コリメータ10、ファブリペロー干渉
計11及び光学フィルタ12を配設する。この場合、反射光
と入射光は同軸にならないので、偏向ビームスプリッタ
８及び1/4波長板９が不要になる。このように、本実施
例は共鳴超音波検出用レーザ２の光学系に違いがあるも
のの、全体の動作原理は第１図の実施例と同一であるの
で、ここでは説明を省略する。また、得られる効果も前
記実施例と同様である。
体の場合と異なり共鳴超音波検出用レーザ光を薄膜裏面
から照射することは不可能となる。そこで、図７のよう
に共鳴超音波検出用レーザ光２をレーザ光６と共に薄膜
５の表面に照射する。共鳴超音波検出用レーザ光２の反
射光の光軸上には、コリメータ10、ファブリペロー干渉
計11及び光学フィルタ12を配設する。この場合、反射光
と入射光は同軸にならないので、偏向ビームスプリッタ
８及び1/4波長板９が不要になる。このように、本実施
例は共鳴超音波検出用レーザ２の光学系に違いがあるも
のの、全体の動作原理は第１図の実施例と同一であるの
で、ここでは説明を省略する。また、得られる効果も前
記実施例と同様である。
［発明の効果］ 本発明は上記の通り構成されているので、次に記載す
る効果を奏する。
る効果を奏する。
超短パルスレーザ光または連続正弦波の変調レーザ光
を薄膜に照射して前記薄膜内に超高周波の共鳴を生じさ
せるようにしたので、C.Thomsenの方法に比べ、非常に
大きな信号強度を得ることができるとともに、共鳴超音
波が生じている薄膜に検出用レーザ照射手段と、該手段
によって照射された検出用レーザ光が前記共鳴超音波に
よって散乱されることにより生じる光周波数シフトを検
出するファブリペロー干渉計と、該ファブリペロー干渉
計の出力光を光−電変換する光検出器とを設けるように
したので、信号強度比及びS/N比を大きくすることがで
き、薄膜の厚み及び密着度などの測定を非破壊で行うこ
とができる。
を薄膜に照射して前記薄膜内に超高周波の共鳴を生じさ
せるようにしたので、C.Thomsenの方法に比べ、非常に
大きな信号強度を得ることができるとともに、共鳴超音
波が生じている薄膜に検出用レーザ照射手段と、該手段
によって照射された検出用レーザ光が前記共鳴超音波に
よって散乱されることにより生じる光周波数シフトを検
出するファブリペロー干渉計と、該ファブリペロー干渉
計の出力光を光−電変換する光検出器とを設けるように
したので、信号強度比及びS/N比を大きくすることがで
き、薄膜の厚み及び密着度などの測定を非破壊で行うこ
とができる。
さらに、ファブリペロー干渉計に代えて、光ヘテロダ
イン干渉計または光ホモダイン干渉計を用いることもで
きるので、検出系の選択幅が広がる。
イン干渉計または光ホモダイン干渉計を用いることもで
きるので、検出系の選択幅が広がる。
第１図は本発明による薄膜内の超音波検出装置の一実施
例を示すブロック図、第２図及び第３図は超短パルスレ
ーザ光のパルス列が適当に選定されたバーストパルスレ
ーザ光を用いて共鳴超音波を発生させることを示す説明
図、第４図及び第５図はCWレーザ光を変調して共鳴超音
波を発生させることを示す説明図、第６図は光検出器に
よって薄膜内に発生した共鳴超音波の検出信号を示す
図、第７図は本発明による薄膜内の超音波検出装置の他
の実施例を示すブロック図である。 図中． １……共鳴超音波発生用レーザ ２……共鳴超音波検出用レーザ ３……光変調器、４……光チョッパ ５……薄膜、６……レーザ光 11……ファブリペロー干渉計 13……光検出器 14……バンドパスフィルタ 15……増幅器 16……ロックインアンプ 17……オシロスコープ 18……光チョッパドライバ 19……基板
例を示すブロック図、第２図及び第３図は超短パルスレ
ーザ光のパルス列が適当に選定されたバーストパルスレ
ーザ光を用いて共鳴超音波を発生させることを示す説明
図、第４図及び第５図はCWレーザ光を変調して共鳴超音
波を発生させることを示す説明図、第６図は光検出器に
よって薄膜内に発生した共鳴超音波の検出信号を示す
図、第７図は本発明による薄膜内の超音波検出装置の他
の実施例を示すブロック図である。 図中． １……共鳴超音波発生用レーザ ２……共鳴超音波検出用レーザ ３……光変調器、４……光チョッパ ５……薄膜、６……レーザ光 11……ファブリペロー干渉計 13……光検出器 14……バンドパスフィルタ 15……増幅器 16……ロックインアンプ 17……オシロスコープ 18……光チョッパドライバ 19……基板
Claims (2)
- 【請求項１】薄膜の厚み方向に進行する超高周波の超音
波を発生させ厚み共鳴を生じさせるための、超短パルス
レーザ光または連続正弦波の変調レーザ光照射手段と、
前記薄膜内部に発生させた共鳴超音波を検出するための
共鳴超音波検出用レーザ照射手段と、該共鳴超音波検出
用レーザ照射手段によって照射された検出用レーザ光が
前記共鳴超音波によって散乱されることにより生じる光
周波数シフトを検出するファブリペロー干渉計と、該フ
ァブリペロー干渉計の出力光を光−電変換する光検出器
とを具備することを特徴とする薄膜評価装置。 - 【請求項２】前記ファブリペロー干渉計に代えて、光ヘ
テロダイン干渉計または光ホモダイン干渉計を用いるこ
とを特徴とする請求項（１）記載の薄膜評価装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2320629A JP2717600B2 (ja) | 1990-11-27 | 1990-11-27 | 薄膜評価装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2320629A JP2717600B2 (ja) | 1990-11-27 | 1990-11-27 | 薄膜評価装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04191652A JPH04191652A (ja) | 1992-07-09 |
| JP2717600B2 true JP2717600B2 (ja) | 1998-02-18 |
Family
ID=18123543
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2320629A Expired - Fee Related JP2717600B2 (ja) | 1990-11-27 | 1990-11-27 | 薄膜評価装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2717600B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1990
- 1990-11-27 JP JP2320629A patent/JP2717600B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04191652A (ja) | 1992-07-09 |
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