JP3288672B2 - 試料の物理的性質の測定装置 - Google Patents

試料の物理的性質の測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハや集
積回路のオンラインでの高い横分解能を持つ測定を可能
にするものである。特に、基板上に薄膜が多層に積層形
成された試料の各層の厚さを評価するのに使用できるも
のである。又、本発明は、半導体ウエハ中へのイオン注
入における諸属性に影響される試料の熱的性質やその程
度を評価するのにも使用される。又、試料の物性を非接
触および非破壊的に測定でき、ウエハ製品に対してオン
ライン状態で使用される。
【0002】更に、他にも多くの産業上の利用分野があ
る。試料上に薄膜や層が設けられるものや試料の物性を
小寸法で測定する必要があるとき、また、最終製品の性
能に決定的影響を与える機械的あるいは、熱的性質のよ
うな試料の物性についても広範囲な情報を得ることがで
きる。
【0003】
【従来の技術】物性を、ミクロン、サブミクロン、ナノ
メートルの空間スケールで、光学的技術を用いて非破壊
的に測定することは、広範な分野で提案されている。
【0004】例えば、ミクロンやサブミクロンの薄膜の
厚さや音響速度を測定する方法は、J.Tauc等によ
り提案されている(米国特許第4710030号参
照)。これは、超短光ポンプパルスによる試料内での短
波長の応力パルスの励起と遅延された光学的プローブビ
ームを使用して試料の光学的定数の応力誘因による変化
の検出を行うものであり、特に、試料から反射されるプ
ローブビームの強度の変化を測定するものである。
【0005】しかし、この方法は、試料の光学的定数
が、使用される波長の光で試料内に生じる応力や歪に伴
って目立って変化しないものである場合にはうまくいか
ない。
【0006】この限界を回避する同様な方法が、O.
B.WrightとK.Kawashimaにより提案
された〔Phys.Rev.Lett.69.1668
−1671(1992)参照〕。それは、表面の運動に
よるプローブビームの角度的屈折に基づいている。応力
や歪は、常に試料の表面や界面の動きを伴っており、そ
のため、この方法は、薄膜の厚さと音響速度を測定する
のにも使用できる。試料から反射される光の位相の変化
と強度の変化に共に敏感であるこの方法では、ポンプビ
ームとプローブビームとを試料表面のわずかに異なる位
置に焦点合わせをする必要がある。しかし、この方法
は、ポンプビームとプローブビームの位置合わせが非常
に敏感であるという不利な点があり、特に試料上におけ
るポンプビームとプローブビーム相互のスポット的な分
離が微妙である。さらに、その分解能は、使用されるレ
ーザーのポインティングの安定性と機械的振動によって
限界付けられる。
【0007】超短光パルスによる応力パルスの生成とそ
の検出方法のもう一つは、T.F.Crimmins等
(Appl.Phys Lett.vol.74,13
44−1346,1999参照)およびH.J.Mar
is等(米国特許第5864393号)により提案され
ている。これは、斜めの入射角の二つのポンプビームを
利用した格子技術によるものである。試料からの反射光
の位相と強度の変化に共に敏感であるこの方法では、二
つのポンプビームは、試料上に非垂直な入射角で同一ス
ポットに焦点合わせをする必要がある。
【0008】しかし、測定は、垂直方向の入射角が非常
に望ましい。なぜならば単一の顕微鏡対物レンズが全て
の光ビームの焦点合わせに使用可能であるからであり、
また、集光されたスポットが円形になるからであり、そ
うすると微小な光学的スポットサイズの位置合わせが容
易になるからである。また、前記格子技術を用いた測定
では、試料上に数本の干渉縞を発生させる必要があり、
従って、測定スポットサイズを回折限界までの最小にす
ることができず、高い横分解能を持つ測定には不向きで
ある。
【0009】又、小寸法の物性の測定のための光学的技
術の利用のもう一つの例としては、膜厚やイオン注入の
測定における熱的波の利用がある。A.Rosencw
aig等(Appl.Phys.Lett.vol.4
6,1013−1015,1985参照)、W.L.S
mith等(Nucl.Instrum.and Me
thods Phys.Res.Sect.B vo
l.B21,537−541,1987参照)、J.O
psal等(米国特許第5074669号参照)は、断
続したCW光ビームを利用して試料内に周期的に熱波を
励起させ、プローブビームを用いて光学的定数の変化を
見つけるものを提案している。この方法は、試料の深さ
方向を熱的拡散の範囲内で探査するのに使用することが
でき、典型的には、10MHzまでの範囲でのチョッピ
ング周波数が測定に使用される。しかし、1GHzを超
える高周波数においては、この方法は、1チョッピング
サイクルにおける励起ビームによってもたらされる試料
中へのエネルギー注入量に依存する周期的温度変化が周
波数の増加と共に急激に減少してくるために、使用不可
能になる。しかしより高周波数による測定は、有用であ
る。なぜなら、このとき1/√f(fはチョピング周波
数)に比例する熱拡散長は、より短くなり、従って得ら
れる信号は、試料の表面に近接した領域で熱的性質の変
化に微妙に応答するからである。基板上の膜の厚さがナ
ノメートルのオーダーであるときには、より高周波数の
測定装置や短時間スケールのパルス化された光学的測定
装置を使用するのが好ましい。そのような超短時間のポ
ンプパルスとプローブパルスを使用した光学的測定装置
としては、C.A.PaddockとG.Eesley
によって提案されたものがある(Opt.Lett.v
ol.11,273−275 1986参照)。この方
法は、試料から反射されるプローブパルスの光学的強度
の変化を検出することにより、ポンプパルスに応答する
試料の表面近くの温度変化を測定し、この温度変化の減
衰時間の特徴から試料への熱的拡散性を評価することを
可能にした。この方法は、試料の光学的反射率の温度依
存性に基づいている。しかし、プローブビームの光学的
反射率が試料の温度変化に大きく依存しなくなると、こ
の方法では無効となる。
【0010】一方、ピコ秒時間スケールの光パルスによ
る励起に応答する試料の超高速の変化を測定するため
に、多くの光学的干渉計が提案されている。そのような
測定装置は、試料から反射される光の位相と強度の変化
に同等の感度を持っている利点があり、最大の情報を引
き出すことを可能にしている。光学的反射率が温度と応
力に依存しない場合でも、光学位相の変化から温度変化
や応力パルスの存在を検出できる可能性がある。又、干
渉計を使った技術は、非常に感度がよく、干渉計は、試
料表面の定量的情報、例えば、動きの大きさを容易に測
定することができる。
【0011】干渉計の技術の一つの例に時分割の干渉計
があり、それは超短光プローブパルスと超短光基準パル
スが別々に試料と相互作用するものである。例えば、基
準パルスが常に対応するポンプパルスよりも前に到達す
ると共にプローブパルスが常にポンプパルスよりも後に
到達するように設定されれば、試料上におけるポンプパ
ルスの効果が検出器におけるプローブパルスと基準パル
ス相互干渉から決定される。マッハーツェンダー干渉計
に基づくそのような構成は、L.Sarger等によっ
て提案されている(J.Opt.Soc.Am.B,v
ol.11 995−999、1994参照)。この干
渉計は、試料を透過する光を用いて測定されるように構
成されている。このマッハツェンダー干渉計の構成は、
共通のパス構成でない。すなわち、プローブビームと基
準ビームは、全く異なる光学的パスを持つ。そのため、
機械的振動や温度変化のような望ましくない雑音的原因
からの影響を受けてしまう。
【0012】試料を透過する光を用いた測定のSagn
ac干渉計に基づく構成は、M.C.Gabriel等
によって提案されている(Opt.Lett.vol.
16,1334−1335,1991参照)。この時分
割干渉計は、共通のパスを持つので、機械振動や温度変
化に対して非常に安定している。これと同一構成におい
て、Sagnacリングにおける鏡の一つを試料とする
ことにより、試料からの反射光を用いた測定を行なうこ
ともできる。しかし、それは、垂直方向の入射角による
測定には都合が悪い。さらに、超短光パルス励起に対す
る試料の応答の理論は、プローブビームが垂直方向入射
角のときには、単純化され、そのデータ解析もより簡単
になる。
【0013】試料を透過する光を用いたSagnac干
渉計をベースにしたもう一つの構成は、M.J.Lag
asse等によって提案された(Appl.Phys.
Lett.vol.54.2068−2070,198
9参照)ものがある。しかし、この構成も垂直方向の入
射角の測定に不向きである。また、不透明試料にも適用
不可能である。
【0014】超短光パルスを使って生成される試料中の
応力パルスを測定するために、マイケルソン干渉計を基
礎としたもう一つの構成が、J.Fieldlerと
J.W.Wagnerから提案され(Rev.Pro
g.Quant.Nondestr.Eval,.vo
l.16.1579−1584,1997参照)、又
C.J.K.Richardson等からも提案されて
いる(J.Opt.Soc.Am.B,vol.16,
1007−1015,1999参照)。この構成は、比
較的に安定ではあるが、垂直方向の入射角での測定には
不向きである。又、プローブビームと基準ビームは、試
料上の同一ポイントに入射されず、試料の光学的反射率
が空間的に不均一なときには、エラーが生じる。
【0015】一方、超短光ポンプパルスを使用して生成
した試料中の応力パルスを試料表面の振動による光位相
への影響をとおして測定するマイケルソンの干渉計をベ
ースにしたもう一つの構成がO.B Wrightによ
って提案されている(日本特許公報、特開平5−172
739号公報 1993年7月9日公開)。このマイケ
ルソン構成は垂直方向の入射角での測定を可能にしてい
る。しかし、その構成は共通パスを持つものでないた
め、機械的振動や温度変化のような望ましくない雑音源
の影響を受けてしまう。
【0016】Sagnac干渉計はCW光ビームに使用
するためにも設計された。この一例が米国特許第5,8
94,531号(J.J.Alcoz)において開示さ
れている。干渉計の基本要素は、2つのアーム及び2つ
のビームスプリッターを用いるもので、垂直な入射配置
による計測及び超音波の検出に適切である。しかし、C
W光ビームを用いるために時間スケール特にピコ秒スケ
ールの計測には向いていない。従って、このアプローチ
は試料表面に対して垂直方向の短い長さスケールにおけ
る試料の物理的特性の調査には適切ではない。
【0017】H.J.Marisによって提案された方
法(米国特許第5706094号、米国特許第5864
393号)およびH.J.MarisとR.J.Sto
nerによって提案された方法(米国特許第57483
17号,米国特許第5748318号,米国特許第58
44684号,米国特許第5959735号)は、試料
の物理的性質を測定するためにJ.Tauc等によって
提案された方法(米国特許第4710030号)を改良
したものである。これらの方法は、超短光パルスを用い
て試料の光反射率や反射光の位相の変化から試料の機械
的および熱的性質を知るものである。
【0018】しかし、これらの特許で用いられている光
の位相変化に敏感な角度的屈折や回折格子技術を用いた
方法では、ポンプ光と計測光の双方を回折限界にまで集
光して高い横分解能を得ることができない。ビームの角
度的屈折を用いた方法では、既に述べたようにポンプ光
とプローブ光を空間的に僅かにずらせて照射する必要が
あるので、空間分解能が悪くなる。
【0019】また、ビームの角度的屈折を用いた方法で
は、その安定度が光源に用いるレーザーのポインティン
グ安定性や装置の機械的振動によって制限される。回折
格子技術を用いた方法では、非垂直に試料に入射する2
つのポンプビームを用いて数本の干渉縞を試料上に形成
する必要がある。既に述べたようにこの方法は最高の横
空間分解能を得るためには適していない。
【0020】これらの特許で提案されている他の方法や
O.B.Wrightらによって提案された方法(Pr
oceedings of the IEEE Ult
rasonics Symposium 1995,p
p.567−575)では、テーパー状の光ファイバー
等を用いた近接場光学系を用いることによって、回折限
界を超える横空間分解能を得ている。しかし、これらの
方向では分解能を上げるためにファイバーの開口を極め
て小さくする必要があり、従って光の強度が小さくなっ
てしまい信号雑音比が悪化する。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、各種
の試料の物理的性質の測定装置は、それぞれ問題点を有
している。
【0022】それに対して、光学的ポンプパルスによっ
て誘起される、超短波長の応力パルスの生成と伝播や熱
波のような試料の物理的性質の変化を計測することによ
って、0.1nmから100μmまでの長さのスケール
で材料の物性を測定することが、継続時間が典型的には
0.01psから1nsまでの超短光パルスを使用する
ことによって達成できる。
【0023】そのような試料の物理的性質の変化を、高
い安定性をもって、超短光パルスによって有効に測定す
るのには単純で丈夫な装置が求められる。広範囲な試料
にこの技術を適用できるようにするために、試料から反
射される光の位相と強度の変化の両者に共に本質的に感
度がよく、したがって最大の情報を引き出せる干渉計を
使用するのが有利である。高い空間的分解能と安定性を
得るためとデータ解析を簡単にするためには、光学的ポ
ンプパルスから誘起される試料の物理的性質の超高速な
変化を計測するための垂直方向の入射角の単一のレンズ
を利用することが有利である。また、このような光学系
を用いることにより、ポンプ光、計測光を試料上で回折
限界の円形領域に集光できることも空間的分解能の点で
有利である。同時に雑音的な機械的振動や温度変化の影
響を最小限にするために、共通経路構成のものを使用す
るのが非常に好ましい。
【0024】本発明は、これらすべての要件を同時に満
たすために、超短光パルスを使用するものを基本とした
試料の物理的性質の測定装置を提供する。
【0025】本発明の目的は、超短光パルスの照射に対
する試料からの応答を光学的に検出することにより、試
料の物理的性質の測定装置を提供することである。
【0026】本発明の他の目的は、試料への機械的接触
を行わず、非破壊的に行えるような試料の物理的性質の
測定装置を提供することである。
【0027】本発明の他の目的は、試料表面に垂直な方
向の短い長さスケールで試料の物理的性質を計測できる
測定装置を提供することである。
【0028】本発明の他の目的は、水平方向の分解能が
ミクロンオーダーあるいはそれ以下までの試料の物理的
性質を計測できる測定装置を提供することである。分解
能の下限は、回折限界のみによって決まる。
【0029】本発明の他の目的は、試料からの反射光の
位相と強度の変化に共に敏感で、かつ横分解能が円形集
光領域の回折限界のみで制限される構成を使用して、超
短光パルスの照射に対する試料の応答を光学的に計測す
ることにより、試料の物理的性質の測定装置を提供する
ことである。
【0030】本発明の他の目的は、雑音的な機械振動や
温度変化の影響を受けない構成を使用して、超短光パル
スの照射に対する試料の応答を光学的に計測することに
より、試料の物理的性質の測定装置を提供することであ
る。
【0031】本発明の他の目的は、データ解析、位置合
わせおよび横方向の高い分解能を得ることを簡単にする
ために、垂直方向の入射角を持つ超短光パルスの照射に
対する試料の応答を光学的に計測することにより、試料
の物理的性質の測定装置を提供することである。
【0032】本発明の他の目的は、横方向の高い分解能
を得るために、試料上の円形領域に集光した回折限界光
である超短光パルスの照射に対する試料の応答を光学的
に計測することにより、試料の物理的性質の測定装置を
提供することである。
【0033】本発明の他の目的は、ポンプビームと計測
ビームの両者の焦点合わせを同一の手段ででき、両者の
ビームが試料に対して垂直方向の入射角となるように構
成される試料の物理的性質の測定装置を提供することで
ある。
【0034】本発明の他の目的は、試料の横方向のマッ
ピングができ、試料の面内方向での物理的性質の測定装
置を提供することである。
【0035】本発明の他の目的は、光学定数が応力に依
存しない試料に対して光学的ポンプパルスによって生成
される応力パルスを測定できる試料の物理的性質の測定
装置を提供することである。
【0036】本発明の他の目的は、温度による光学的屈
折率の変動の要件を必要とせずに、試料の温度変化を測
定する試料の物理的性質の測定装置を提供することであ
る。
【0037】本発明の他の目的は、非常に薄い膜厚の物
理的性質を測定できる、試料の物理的性質の測定装置を
提供することである。
【0038】本発明の他の目的は、1層又は多層からな
る試料あるいは、恒常的な不均質材料が一つ又は複数埋
め込まれた材料からなる試料を測定できる試料の物理的
性質の測定装置を提供することである。
【0039】本発明の他の目的は、不透明材料、透明材
料や半透明材料あるいはそれらの組み合わせからなる試
料を測定できる試料の物理的性質の測定装置を提供する
ことである。
【0040】
【発明を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、超短光パルスに対する材料の微小な空間
的スケールを持つ部分の光学的応答から最大の情報を計
測するため、雑音的な機械振動や温度変化の影響を受け
ず、回折限界のみに制限される高い横方向の分解能を持
ち、位置合わせ、データ解析が容易な装置を提供する。
【0041】本発明は、試料の物理的性質を計測するた
めの光学的生成および検出システムを構成する。継続時
間が0.002psから2nsの通常超短光パルス周期
的連続からなる計測パルスビームを出すコヒーレントあ
るいは部分的にコヒーレントな放射源を備えている。そ
のような放射源の典型的な例としては、モードロック型
のソリッドステートの高い繰り返し周波数のレーザがあ
げられる。
【0042】又、継続時間が0.002psから2ns
の計測ビームと同一の放射源から出てくる、超短光パル
スの周期的連続からなるポンプビームを出す放射源を備
えている。
【0043】装置の干渉計部分は、Sagnac型をベ
ースとしている。装置の干渉計部分は、計測ビームのた
めに使用されている2つのビームスプリッターからな
る。第1のビームスプリッターでは、計測ビームは異な
る偏光の二つのビームに分割され、プローブビームと基
準ビームになる。一般的にはこの段階で測定に用いられ
ない光がそれらのビーム光に混合されている。前記プロ
ーブビームは前記第1のビームスプリッターおよび第2
のビームスプリッター間の長い光学距離を持つアームを
進行する。基準ビームはこれらの2つのビームスプリッ
ター間の短い光学距離を有するアームを進行する。プロ
ーブビームと基準ビームは第2のビームスプリッターで
再結合される。‘アーム’という語は、ここでは干渉計
における経路のことを指しており、この経路は、明確に
異なる時間を費やして基準ビーム及びプローブパルスに
より通過される。2つのアームの光路差におけるこの差
異は、前記基準ビーム及び前記プローブビームにおける
光の伝搬方向において、それらの光パルスの空間的範囲
より長くなるよう選ばれる。すなわち、アームΔLの長
さの差異がcΔtより長くなるよう選ばれる。ここで、
cはアームの媒体における光速であり、Δtはプローブ
ビーム及び基準ビームを形成する光パルスの持続時間で
ある。2つのアームが異なる媒体で構成される場合にも
類似の条件が対応する。
【0044】再結合されたビームは、例えば4分の1波
長板と焦点レンズを通過して、垂直方向の入射角で試料
面上に向けられる。この再結合されたビームは試料から
反射される。そこで、プローブビーム及び基準ビームは
第2のビームスプリッターを2回目に通過後、反対通路
を進行する。つまり、プローブビームは短い光学距離を
有するアームを進行し、また基準ビームは干渉計の長い
光学距離を有するアームを進行する。一般的に、この段
階では、まだこの計測で用いられない光をこれらのビー
ムは含んでいる。そして、プローブビームと基準ビーム
は第1のビームスプリッターで再結合される。
【0045】このビームは、計測ビームから分離された
プローブビームと基準ビームを含んだ第1の出力ビーム
を生じさせるように、第1のビームスプリッターを通過
する。光検出器での基準ビームとプローブビーム中の対
応する光パルス間の既知の位相を異ならせる公知の手段
が使用され、典型的には4分の1波長板が第1の出力ビ
ームの経路中に置かれるか、又は第1のビームスプリッ
ターの前に置かれる。測定が、試料から反射される光の
位相と強度の両者の変化に対して同時に感度が良好であ
ることを確保するために、既知の位相差は0±180I
度に等しくないように選ばれる(Iは整数)。プローブ
ビームと基準ビームの間の位相差は、±90度になるよ
う選ばれるのが代表的である。この第1の出力ビームは
その後、直線偏光子を通過する。プローブビーム及び基
準ビームあるいはそれらの部分は、一つの光検出器又は
複数の光検出器で干渉する。これらの光検出器からの一
つの信号又は複数の信号は、ポンプビームによって、誘
起された試料中の変化を指示している。このシステムを
通過する時の小さな時間差を別にすれば、プローブビー
ムと基準ビームは、同一の経路を通るから、干渉計は共
通の経路構成であり、雑音的な振動や温度変化に対して
ほとんど影響されない。
【0046】ポンプビームは適切な方向から試料に入射
する。ポンプビームが試料に入射されるとき、プローブ
ビームと基準ビームと同一線上になるよう選択すること
も可能である。ポンプビーム、プローブビームおよび基
準ビーム間の到着時間間隔は、それらの時間間隔の関数
として測定するために、意図的に選択又は変えることが
できる。
【0047】試料の照射領域は試料上にわたって走査さ
れる。あるいはプローブビームと基準ビームに照射され
る領域は、ポンプビームによって照射される領域との関
連をもって走査することができる。これによって、試料
からの反射光の位相と強度の両者の超高速変化に同時依
存する一つの信号又は複数の信号の空間的マッピングを
可能とする。
【0048】ポンプビームを構成する光パルスは、一般
に、試料中のキャリア、温度変化および応力パルスを引
き起こす。この応力パルスは、縦波、横波、表面波、界
面波などとして試料中を伝播する。それにはLamb
波、Rayleigh波、Love波、Stonele
y波などが含まれる。これらは、試料表面あるいは界面
の機械的動きをもたらし、又試料の光学的定数の変化も
もたらす。本発明の目的は、試料からの反射光の位相と
強度の変化に同時に感度を持ち、それゆえ、ポンプビー
ムで誘起される変化と関連する信号を計測することがで
きる測定装置を提供することである。これらの信号は、
厚さ、音響速度、弾性定数、熱的特徴、あるいはこれら
に影響を与える量、例えば、イオン注入量などの試料の
物理的性質を決定するために解析可能である。
【0049】又、光学的パルスと試料の破壊的相互作用
によって起こる試料からの放出物や不可逆の変形も検出
することができ、これを例えば、プラズマ力学や不可逆
の変形のパラメータの計測にも使用できる。
【0050】
【発明の実施の形態】図1は本発明の第1実施例を示す
2つのビームスプリッターを持つ2アーム干渉計を使用
する試料測定装置の構成図である。
【0051】超短光パルスの周期的連続光を出力する光
源40のコヒーレントな、あるいは部分的にコヒーレン
トな光学的出力は、ビームスプリッター6によって分割
され、ビーム35と計測ビーム36になる。計測ビーム
36は、遅延経路60と、図の面に対してその軸が45
度に位置合わせされた偏光子4を通過する。
【0052】この後に、本実施例において、選択された
50/50の非偏光ビームスプリッター(第1のビーム
スプリッター)1が計測ビーム36の経路中に配置され
る。ここで、計測ビーム36は、2つのビームに分割さ
れ、それらのうち図1の平面に対して垂直方向偏光のも
のと水平方向偏光の成分が、それぞれ、プローブビーム
と基準ビームとなる。それぞれのビームに含まれる他の
偏光成分は測定に用いられない。プローブビームは、偏
光ビームスプリッターとして選ばれる第2のビームスプ
リッター2と第1のビームスプリッター1の間の長い光
学距離を持つアーム7を進行し、基準ビームは、これら
の2つのビームスプリッター1と2の間の短い光学距離
を持つアーム10を進行する。長い光学距離を持つアー
ム7は、このアームの長さを変えるようにその位置が調
整できる2つのミラー8と9を含んでいる。プローブビ
ームと基準ビームは、第2のビームスプリッター2で再
結合される。ビームスプリッター1と2の軸は互いに平
行に配置される。
【0053】この再結合されたビーム11は、プローブ
ビームと基準ビームが円偏光に変換されるように、第2
のビームスプリッター2の軸に対して45度の角度をも
つ軸の第1の4分の1波長板12を通過する。再結合さ
れたビーム11は、高倍率の顕微鏡の対物レンズとして
選ばれる焦点合わせ手段13を通過し、試料14上に垂
直方向の入射角で焦点合わせされる。この再結合された
ビーム11は試料14から反射され、同一の焦点合わせ
手段13を逆行する。第1の4分の1の波長板12を2
度目に通過すると、プローブビームと基準ビームは、第
1の4分の1の波長板12を通過する前の偏光と直交す
る直線偏光に戻る。プローブビームと基準ビームは、そ
れ故、第2のビームスプリッター2を2度目に通過した
後には、プローブビームは短い光学距離を持つアーム1
0を進行し、基準ビームは長い光学距離を持つアーム7
を進行するように、互いに反対の経路を進行する。プロ
ーブビームと基準ビームは、第1のビームスプリッター
1に入射した時の上記計測ビーム36と区別されて、プ
ローブビームと基準ビームを含む第1の出力ビーム15
を生成するように、第1のビームスプリッター1におい
て再結合される。
【0054】第1の出力ビーム15は、それからその第
1のビームスプリッター1の軸と平行な軸になるように
位置合わせされた、それ故、プローブビームと基準ビー
ムの直線偏光と平行な軸を持つ第2の4分の1波長板1
6を通過する。この第2の4分の1波長板16は、干渉
計の入力側に、偏光子4と第1のビームスプリッター1
の間に配置することもできる。この波長板16は、プロ
ーブビームと基準ビームの間の±90度の位相差を導入
する。正確な位相差は、第2の4分の1波長板16の速
い軸および遅い軸のいずれがそれぞれプローブビームお
よび基準ビームの偏光に対応しているかに依存してい
る。この後、第1の出力ビーム15が第2の4分の1波
長板16の軸に45度の角度をなす軸を持つ偏光板17
を通過する。第2の出力ビーム18は、ミラー19を介
して、それから、干渉計のコントラストを改善する必要
があるときに干渉パターンの部分を選択する時に使用さ
れ、調整可能な空間フィルター20を通過する。プロー
ブビームと基準ビームは、それから光検出器21で干渉
するようにされる。
【0055】この実施例においては、計測ビーム36と
異なる主要波長を持つポンプビーム38は、第2高調波
を作り出すためにビームの光振動数を倍にする非線形結
晶22をビーム35が通過することによって作り出され
る。ミラー23と24は、ポンプビーム38をコーナー
キューブ27を含む光学的遅延経路28に導く。この遅
延経路28は、ポンプビーム38を構成する光学的パル
スとそれに対応するプローブビームと基準ビームを構成
する光学的パルスの間の、試料14への到着間隔を調整
するために使用する。ミラー25と26は、ポンプビー
ム38を、再結合ビーム11に結合させるダイクロイッ
クビームスプリッター29へ導く。前記と同一の焦点合
わせ手段13がポンプビーム38のために使用される。
焦点合わせ手段13が色収差を見せる場合もしくはポン
プビームと再結合ビームのビーム径やビーム拡がり角が
異なる場合には、ポンプビーム38と再結合ビーム11
の両者を共に試料14上の小スポットで最適に焦点合わ
せるために、必要なら、補助的な焦点合わせ要素39を
導入することができる。この実施例では、ポンプビーム
38と再結合ビーム11は試料14上の同一ポイントに
焦点合わせされる。本実施例は例えば応力パルスや熱波
の試料の厚み方向での伝播を調べるために用いることが
できる。
【0056】この実施例においては、計測ビームのサン
プリングビーム5は、再結合ビーム11と90度の方向
で第2のビームスプリッター2を出るビームから得てい
る。この計測ビームのサンプリングビーム5はミラー3
1により、調整可能な可変減衰器32を通過して、光検
出器34へ案内される。フィルター33は、いかなるポ
ンプビームの波長の光をも、両方の光検出器21,34
に到着するのを防ぐ。可変調減衰器32は、各光検出器
21,34で同じ強さになるように調整される。光検出
器34からの信号は、計測ビームの強度の変動による影
響をなくすように、出力信号を生成する回路42を使用
して光検出器21からの信号より差し引かれ、それによ
って信号ノイズ比が改善する。
【0057】この実施例では、ポンプビーム38の強度
はチョッパー41によって変調される。前記回路42か
らの出力信号は、変調周波数に同調されたロックイン増
幅器43に供給される。ロックイン増幅器43は、ポン
プビーム38の変調周波数と同一周波数の回路42から
の出力信号の変調部分の大きさに比例する一つの信号を
生成する。ロックイン増幅器43からの出力は、試料1
4からの反射光の位相と強度の両者における超高速変化
を同時に保持する最終信号を与えるために、信号平均器
44に供給される。この変調技術は、超短パルス光学ポ
ンププローブ技術において周知である。
【0058】出力信号に含まれるポンプビーム強度ある
いは計測ビーム強度に比例する部分はそれらのサンプリ
ングビーム強度をモニターすることによって補正するこ
とができる。すなわち、ロックイン増幅器43の入力あ
るいは出力信号をサンプリングビーム強度で除すること
により、ポンプビーム強度あるいは計測ビーム強度の変
動による出力信号への影響を低減することができる。こ
の技術は光信号処理技術において周知である。
【0059】また、公知の技術として、試料から反射す
る前後での計測ビームの強度を観測することにより、計
測ビームの波長における試料の平均反射率の変化を補正
することができる。この技術は例えば試料表面の走査に
よる測定を行うときに有用である。計測ビームの波長に
おける試料の平均反射率の変化に起因する問題を避ける
方法の具体例では、光検出器21の出力信号をローパス
フィルターを介して光検出器34の利得の制御に用い、
2つの光検出器の平均直流出力が等しくなるようにす
る。
【0060】この実施例では、プローブビームと基準ビ
ームを構成する光学的パルス間の、試料14への到着の
間隔は、干渉計のアーム7と10の長さの差によって一
定であるが、ポンプビーム38を構成する光学的パルス
とこれに対応するプローブビーム又は基準ビームを構成
する光学的パルスの間の試料に到着する間隔は、変える
ことができ、測定は、この到着時間の間隔の関数として
実現される。遅延経路28の長さは、このため、連続的
または段階的に変動できる。この実施例では、各ポンプ
パルスが対応するプローブパルスと基準パルスの間に到
着するように構成されているから、基準パルスの役目
は、ポンプパルスが到着する以前の試料の状態を探索す
ることであり、一方、プローブパルスの役目は、ポンプ
パルス到着後の試料の状態を探索することである。この
ポンプパルス、プローブパルス、基準パルスの順序は、
時分割の干渉計に常套的に使用されているが、他の順序
でも可能である。
【0061】この干渉計は、非常に安定でかつ配列が簡
単である。位置合わせにずれがあっても動作は可能であ
る。例えば、干渉計は、再結合ビーム11の試料14上
への入射が垂直からわずかに外れても働く。
【0062】この実施例の干渉計の動作理論は以下の通
りである。確かな例として、偏光子4を通過した後の計
測ビーム36の入力偏光は、− (x) * + (y) * 〔こ
こで、*は各文字の頭に山形マークがつき、( ) 内の文
字はボールド体である。以下同様〕方向の45°に方向
付けされる。ここで、座標方向の単位ベクトル
(x) * 、 (y) * と (z) * は、 (z) * は常にビーム
伝播方向を、 (y) * は図1の平面から上方方向となる
ように定義されている。偏光子17は、伝送軸が (x)
* + (y) * 方向の45°に位置合わせできるように選
択される。第1のビームスプリッター1からの反射直
後、第1の出力ビーム15の電界は、Jonesベクト
ル〔Er (x) * −Er′ (y) * 〕として表すことが
できる。ここで、rは基準ビームによって見られる試料
14の複素反射係数、またr′はプローブビームによっ
て見られる試料14の複素反射係数である。その量r′
は、ポンプビームを構成する光学的パルスとこれに対応
するプローブビームを構成する光学的パルスの試料14
への到着の間隔に依存する。第2の4分の1波長板16
の、速い軸が (y) * と角Ψをなすように〔 (x) *
角(90°−Ψ)をなすように〕位置合わせされると、
偏光子4によって伝達される電界に対応するJones
ベクトルは、次式によって与えられる。
【0063】
【数1】
【0064】この方程式は、|(E)Ψ|2 (Ψは添字
下)に比例する、光検出器21における強度が試料14
の複合反射係数の変化δr=r′−rに伴っていかに変
わるかを計算するために使用可能である。
【0065】(E)Ψ(Ψは添字下)あるいは|(E)
Ψ|2 (Ψは添字下)から得られる角度Ψの関数として
の干渉計の特性は、図2〜図4に図示されている。r′
=rexp(iδφ)として(δφは可変位相)、δφ
=0の場合の偏光子4の後の電界の構成要素のプローブ
ビームと基準ビームの間の位相差を図2に、干渉の鮮明
度(δφの関数としての出力信号の最大値と最小値の差
を両者の和で除したもの)を図3に、そしてδφ=0の
場合のトータル透過強度を図4にそれぞれ見ることがで
きる。
【0066】測定器における干渉計の最大の感度、フリ
ンジ視程と強度は、Ψ=0、90、180と270度の
時に同時に実現できる。
【0067】角度Ψを0と90度にセットすると、例え
ば方程式(1)は、それぞれ以下のようになる。
【0068】
【数2】
【0069】
【数3】
【0070】r=r0 exp〔iφ0 〕とr′=(r0
+δr0 )exp〔i(φ0 +δφ)〕と定義する(こ
こで、r0 は基準パルスの光学的振幅反射係数、φ0
基準パルスの光学的位相、δr0 はプローブパルスによ
って探索される、ポンプパルスによって誘起される光学
的振幅反射係数の変化、δφは、プローブパルスによっ
て探索される、ポンプパルスによって誘起される光学的
位相の変化である)。
【0071】上記した方程式(2)と(3)は、Ψ=0
度とΨ=90度の時の光検出器21の出力は、それぞれ
以下の式に比例することを示している。
【0072】 I0 ≒E2 [δr0 2 +2r0 δr0 (1+sinδφ)+2r0 2 sinδ φ] …(4) I90≒E2 [δr0 2 +2r0 δr0 (1−sinδφ)−2r0 2 sinδ φ] …(5) 上記方程式(4)と(5)は、試料14からの反射光の
位相と強度の両者に対して同時に感度が良い測定ができ
ることを示している。偏光子17の角度が (x) *
(y) * の方向に向けられた場合も、同様の方程式が得
られる。偏光子17の軸が第2の4分の1波長板16の
軸と45度の角度をなしていれば、偏光子17のいずれ
の位置でも使用可能である。
【0073】図5に示される第2実施例において、ポン
プビーム38と計測ビーム36は同一波長スペクトルを
持つ。ポンプビーム38におけるチョッパー41の周波
数とは異なる周波数で変調させるべく、チョッパー50
が計測ビーム36中に配置される。二つの変調周波数の
和あるいは差における信号は、ロックイン増幅器43に
おいて検出される。この方法は、また試料14からの反
射光の位相と強度の両者の超高速の変化に同時に依存す
る一つの信号が計測されることを可能にする。この変調
技術は、ポンプビーム38と計測ビーム36の波長スペ
クトルが同一である時、特に適切である。なぜなら、ポ
ンプ変調周波数と異なる周波数での検出は、ポンプビー
ム38からの迷光が光検出器に到達するのを防いで、ク
ロストークの問題を避けるからである。この変調技術
は、超短パルス光学ポンププローブ技術において周知で
ある。ポンプビーム38と再結合ビーム11は非偏光ビ
ームスプリッター45により結合され、試料14上へ垂
直に入射される。この実施例においてもまた、第2の4
分の1波長板16が、偏光子4と第1のビームスプリッ
ター1の間の干渉計の入力側に配置されることも可能で
ある。
【0074】計測ビーム36の変調を達成するもう一つ
の方法は、例えば、第2の4分の1波長板16の角度や
方向を変えたり、第2の4分の1波長板16を光弾性変
調器に替えることにより、上記方程式(1)の角度Ψを
変調させることである。例えば、Ψ=Ψ0 +Ψ1 sin
(2πft)を選択することができる。
【0075】ここで、Ψ0 とΨ1 は、定位相であり、f
は、変調周波数である。この場合、上記方程式(1)の
Taylorの展開式によれば、計測ビーム36の適切
な変調周波数は、f又はfの数倍に一致する。
【0076】もう一つの実施例において、その一部分が
示された図6において、第1の出力ビーム15を二つに
分割するために、第1のビームスプリッター1と45度
の角度に配置された軸を持つ追加の偏光ビームスプリッ
ター46が第1の出力ビーム15において配置される。
偏光ビームスプリッター46により分割された第1のビ
ームの部分は、第1の光検出器21に入射される。偏光
ビームスプリッター46からの第2のビームの部分は、
もう一つの光検出器49に入射される。このようにし
て、前記2つの光検出器における信号は両方とも、前記
公知の90度の位相差か、前記公知の−90度の位相差
のいずれかに対応するよう生成され、前記第2の光検出
器における信号が、前記試料から反射されるときの前記
計測ビームの位相の変化に関して前記第1の光検出器の
信号に比して反対の符号を持って反応するようにされ
る。このことは、干渉計の技術において周知である。こ
れら2つの信号は実質的に、2つの方程式(4)及び
(5)に対応する信号と同じである。この実施例は、計
測ビームの強度における変動を補償することが望ましい
場合、計測ビームをサンプリングする1つのビームとそ
の強度を測定する1つの光検出器を更に追加して組み合
わせることができる。また、下記式に示す信号(6)を
抽出するために、2つの光検出器21,49における信
号の差異を得ることも可能である。
【0077】 I0 −I90=4E2 [r0 δr0 +r0 2 ]sinδφ …(6) δφ及びδr0 における変化が小さい場合、この量はδ
φに比例し、位相δφにおける変化に比例する信号が計
測できる。
【0078】図6に示されるものと同様な効果を達成す
るもう一つの実施例において、光弾性変調器を通過する
時のプローブビームと基準ビームの位相差が+90度あ
るいは−90度になるように、第2の4分の1波長板1
6を、光弾性変調器に置き換える。これらの二値間をス
イッチングすることにより、方程式(4)と(5)に対
応する信号を得ることができる。
【0079】図7に示される実施例において、第1のビ
ームスプリッター1は、偏光ビームスプリッターとし
て、また、第1のビームスプリッター1の軸と平行な軸
をもつ第2のビームスプリッター2は非偏光ビームスプ
リッターとして選択される。
【0080】この実施例では試料の前には4分の1波長
板は必要ではない。プローブビームと基準ビームが第1
のビームスプリッターで再結合されるとき、そのビーム
の不要部分は、放射源の方向へ向けられる。プローブビ
ームと基準ビームは干渉計を通じて通過する通路を逆行
するが、先の実施例とは異なり、プローブビームの偏光
は常に干渉計のアーム7と10の通過において垂直のま
まである。そして、基準ビームの偏光も常に干渉計のア
ーム7と10においては水平のままである。
【0081】この実施例において、4分の1波長板16
は、3つの異なった場所、つまり、第1出力ビーム15
の通路か、偏光子4と第1のビームスプリッター1間の
干渉計の入力側、あるいは干渉計のアーム7と10のい
ずれかに、既知の位相シフトを導入するために用いられ
る。
【0082】図8に示す、もう一方の実施例では、ビー
ムスプリッター1および2は共に平行な軸を持つ偏光ビ
ームスプリッターである。2分の1波長板57及び45
度ファラデー回転子59は干渉計のアーム7に、2分の
1波長板58及び45度ファラデー回転子61は干渉計
のアーム10に配置されている。2分の1波長板57及
び58の軸は、第1のビームスプリッター1及び2の軸
に対して22.5度の方向に向けられる。それ故、前記
2分の1波長板57及び58は45度偏光回転子として
作用する。プローブビーム及び基準ビームが、最初にア
ーム7及び10を通過するときの45度ファラデー回転
子59及び61による偏光の回転方向は2分の1波長板
57および58による偏光の回転方向とそれぞれ同じ向
きになるようにする。だから、プローブビームと基準ビ
ームは、最初に2分の1波長板及びファラデー回転子の
組み合わせを介して通過するとき、90度回転させられ
る。そして、プローブビームと基準ビームは第2のビー
ムスプリッター2で再結合する。
【0083】プローブビームと基準ビームの両方が円偏
光へ変換されるように、その再結合されたビーム11が
第2のビームスプリッター2の角度に対して45度でそ
の軸を有する第1の4分の1波長板12を通過する。そ
の再結合されたビーム11は、高倍率の顕微鏡対物レン
ズとして選ぶことができる焦点合わせ手段13を通過す
る。そして、垂直入射で試料14上に焦点が合わせられ
る。この再結合されたビーム11は、試料14から反射
され、同じ焦点合わせ手段13を通じて逆に通過する。
第2回目の第1の4分の1波長板12の通過において
は、プローブビームと基準ビームは、それらが第1回目
の第1の4分の1波長板12を通過する時の方向に対し
て垂直な直線偏光に復帰する。したがって、プローブビ
ームと基準ビームは、プローブビームは短い光学距離を
有するアーム10を進行するように、また、基準ビーム
は長い光学距離を有するアーム7を進行する。このとき
基準ビームの偏光は、ファラデー回転子59と2分の1
波長板57の通過の際にはその偏光回転方向が逆方向に
なりキャンセルするために、これらのコンポーネントを
通過した後、偏光は変化しない。同じことがプローブビ
ームについても言える。
【0084】したがって、先の実施例のように、前記計
測ビーム36から分離されたプローブビーム及び基準ビ
ームを含む第1の出力ビーム15を生じるように、プロ
ーブビーム及び基準ビームは、第1のビームスプリッタ
ー1で再結合される。この実施例は、プローブビーム及
び基準ビームが第1のビームスプリッター1あるいは第
2のビームスプリッター2から反射するとき、強度の半
分の損失がないので、光検出器21で受けられる強度が
有効に増加可能であるという利点を有する。追加ビーム
スプリッター54は計測ビームのサンプリングビーム5
を生じるために用いることができる。ミラー56はポン
プビーム38を試料14へ案内するために導入される。
【0085】光源の出力が直線偏光となるもう一つの実
施例において、偏光子4が、損失を避けるために、2分
の1波長板に置換される。
【0086】もう一つの実施例において、単一の光検出
器が使用される。この場合、計測ビームのサンプリング
ビーム5は使用されない。
【0087】もう一つの実施例において、同時出力を持
つ二つの光源をポンプビームと計測ビームとして使用す
ることができる。これらの光源の繰り返し周波数として
わずかに異なるものを使用することもできる。これによ
って、ポンプ光パルスと計測光パルスの試料上への到着
の超短時間領域の時間差をゆっくりと変化させることが
できる。この技術は周知のものである。
【0088】図9にその一部を示した他の実施例におい
て、計測ビーム36は、第1のビームスプリッター1か
ら90度で反射される。
【0089】図10にその一部を示した実施例におい
て、ポンプビーム38は、ビームスプリッター45と、
プローブビームと基準ビームに用いられるものと同一の
焦点合わせ手段13を使用して、試料14上のプローブ
ビームと基準ビームが入射するのと同一の面へ非垂直に
入射される。
【0090】図11にその一部を示した実施例におい
て、ポンプビーム38は、ミラー51とプローブビーム
と基準ビームに用いられるものと同一の焦点合わせ手段
13によって試料14上のプローブビームと基準ビーム
が入射するのと同一の面へ非垂直に入射される。
【0091】図12にその一部を示す実施例において、
ポンプビーム38は、プローブビームと基準ビームに用
いられるものと異なる焦点合わせ手段52によって試料
14上のプローブビームと基準ビームが入射するのと同
一の面へ非垂直に入射される。
【0092】図13にその一部を示す実施例において、
ポンプビーム38は、プローブビームと基準ビームが入
射する面の反対側の面上に、プローブビームと基準ビー
ムに用いられるものと異なる焦点合わせ手段52を通っ
て垂直又は非垂直に入射する。
【0093】図14にその一部を示す実施例において、
ポンプビーム38は、再結合ビーム11の方向に対して
必ずしも90度でない試料14の横方向から異なる焦点
合わせ手段52を通って入射する。
【0094】他の実施例において、試料14からの反射
光の位相と強度の超高速変化に同時に依存する一つの信
号又は複数の信号の空間的マッピングをするために、試
料14の照射領域は、装置を動かすか又は試料14を動
かすことによって試料上を走査される。再結合ビーム1
1の方向と垂直な平面を持つ試料14のためには、試料
14を横側の2方向に走査することによって達成でき
る。この実施例において、ポンプビーム38と再結合ビ
ーム11は、同一ポイント又は異なるポイントに焦点合
わせされるが、その分離間隔はゼロ又は非ゼロ値に固定
されている。ポンプビーム38を構成する光学パルスと
プローブビーム又は基準ビームを構成する対応する光学
パルスの間の試料14への到着時間間隔は、空間的走査
時には固定することが可能である。試料14の応答の完
全な時間的かつ空間的な形状を作成するために、走査
は、到着時間間隔が異なるように繰り返すことが可能で
ある。
【0095】他の実施例において、試料14からの反射
光の位相と強度の超高速な変化に同時に依存する1つの
信号又は複数の信号を空間的にマッピングするために、
再結合ビーム11、ポンプビーム38および試料14の
相対運動あるいはこれらの組み合わせによって、ポンプ
ビーム38の照射領域に関連させて、プローブビームと
基準ビームによって照射される領域は走査される。この
マッピングを達成される特定の方法としては、ポンプビ
ーム38と試料14は互いに相対的に固定された状態
で、再結合ビーム11は試料14に対して横方向に走査
される。あるいは別の特定の方法としては、再結合ビー
ム11と試料14の位置を固定して、ポンプビーム38
の照射領域を走査する。具体的には、例えば、図1の実
施例においてポンプビーム38の焦点合わせ手段13へ
の入射角を変化させる。ポンプビーム38を構成する光
パルスと、プローブビーム又は基準ビームを構成する、
対応する光パルスの試料14への到着時間間隔は、空間
的走査時に固定することができる。試料14の応答の完
全な時間的及び横的空間形状を作成するため、到着時間
間隔が異なるように走査を繰り返すことができる。この
方法は、横方向の応力パルスの伝搬や熱的波動の検出
と、試料平面内での方向に対応する物理的な値を測定す
ることを可能にする。これは、例えば、異方性試料に対
して有用である。これらの応力波動としては、例えばL
amb波、Rayleigh波、Love波、Ston
eley波などが挙げられる。異方性試料の研究におい
ては、超音波顕微鏡分野で周知な円筒レンズの利用も可
能である。すなわち、直線状の光スポットによって直線
状の波面を持つ応力波を生成し、直線状光スポットと試
料の軸のなす角に依存する応力波の伝播状況の変化を調
べる。より一般的には、試料中を任意の方向に伝播する
応力波および熱的波動は、試料応答の時間的および空間
的な形状に影響を与え、従ってこのような3次元的な波
動伝播を調べることができる。横方向に伝播する応力波
動の観測と厚み方向に伝播する応力パルスの観測を組み
合わせることにより、複数の弾性波モードの音速を知る
ことができ、より多くの数の弾性定数が求められる。こ
の方法では、独立した較正を行う必要なしに、試料の音
速と層厚を同時に測定することが可能である。
【0096】他の実施例において、プローブビームを構
成する光パルスとそれに対応するポンプビーム38の光
パルス間の試料14への到着時間間隔は、干渉計の長い
光学距離を持つアーム7又は短い光学距離を持つアーム
10の光学距離を変えることによって変わる。
【0097】他の実施例において、プローブビームと基
準ビームの両者それぞれを構成し、対応する光パルス
は、共にポンプビーム38を構成する光パルスの後に到
達するように選択される。この実施例において、2つの
特定の遅延時間での試料14の超高速応答の差が計測で
きる。例えば、プローブビームを構成する光パルスと基
準ビームを構成する光パルスの試料への到着時間の間隔
を、比較的小さく選択することによって、超高速の試料
の変位の時間微分に比例する一つの信号又は複数の信号
を直接に得ることができる。
【0098】他の実施例において、対応するポンプビー
ム38と基準ビームのそれぞれを構成する光パルスの到
着時間の間隔が変えられ、同時に、対応するポンプビー
ム38とプローブビームを構成する光パルスの到着時間
の間隔が変えられる。
【0099】一般に、ポンプビーム38、プローブビー
ムと基準ビームのそれぞれを構成する対応する光学的パ
ルスの試料への到着時間の間隔の一つ、又は全てを固定
することができる。
【0100】一般に、システムの構成要素の幾つか、或
いは全ては、ファイバー光学系、顕微鏡光学系、集積光
学系、通常の個別光学部品よりなる光学系の幾つか、あ
るいは全てによって実現される。
【0101】さらに、信号雑音比を犠牲にすることを厭
わなければ、焦点合わせ手段13や焦点合わせ手段52
のいずれかまたは両方をテーパー状の光ファイバー等の
近接場光学系に置き換えることによって、横空間分解能
を高めることができる。
【0102】試料14からの反射光の位相と強度の両者
の超高速の変化を同時に指示する信号は、試料14の表
面、あるいは試料14中の界面における機械的動きから
生じ、また、試料14の光学的定数の変化からも生じ
る。この機械的動きや光学的定数の変化は、温度変化か
ら生じると共に、応力パルスの生成、及びその伝播とか
ら生じ、そこには、一般にキャリアの励起、緩和及び拡
散からの寄与がある。試料14の各部分の厚さ、音響速
度、弾性定数及び熱的性質のような物理的性質に依存す
るこれらの信号は、これらの物理的性質を測定するため
に使用できる。これらの物理的性質に影響を与えるよう
な関連する量、例えば、イオン注入に関連する量も測定
できる。多層膜構造においては各層の物理的性質を測定
できる。光学的パルスが試料との相互作用で破壊的であ
る時、試料からの反射光の位相と強度の超高速の変化を
同時に指示する信号は、試料からの放出物、又は試料の
不可逆的変形に依存する。そのような信号も、試料の物
理的性質を検出するために使用することができる。
【0103】本発明の装置は、不透明部分、透明部分、
又は半透明部分の組み合わせから形成されている試料に
も同様に適用できる。また、液体、固体、ゲルなど様々
な形態の組み合わせからなる試料にも適用できる。
【0104】以下、具体例について説明する。
【0105】装置の特徴を検査するために図1に示され
る実施例を組み立てる。ポンプパルスと計測パルスの列
は、100fsパルス継続時間と82MHzの繰り返し
率を持つ同一のフェム秒のTiサファイヤレーザから引
き出される。830nmの出力は、計測ビーム36のた
めに使用され、415nmの第2高調波はポンプビーム
38のために使用される。これらの2つの波長の光は、
全てのビームが同一の焦点合わせ手段13として使用さ
れる顕微鏡の50倍対物レンズを通過するように、ダイ
クロイックビームスプリッターで結合され、試料上に直
径2μmのスポットを作る。ポンプビーム38は、音響
光学変調器(1MHz)によって変調される。空間フィ
ルター20は使用しない。試料14として、不透明の金
の多結晶薄膜がシリカ基板の上に蒸着されたものを用い
る。図14と図15は、遅延時間、すなわち、ポンプビ
ームを構成する光学的パルスとプローブビームを構成す
る光学的パルス試料への到着時間の間隔の関数として
の、干渉応答I0 とI90とを示している。ポンプ光強度
は0.5mJ/cm2 、プローブ光強度は0.1mJ/
cm2 である。I0 とI90はそれぞれ4分の1波長板1
6の軸の角度Ψ=0°および90°に対応している。信
号の重要な特徴は、厚み方向での縦波応力パルス伝播お
よび膜と基板の界面からの応力パルスの反射から生じ
る、τ≒190と380psの二つの音響的エコーおよ
びτ≒100psになるまでの表面の初期の熱的膨張で
ある。この例では、図15と図16に示される、これら
の膨張と音響エコーの信号は、膜の光学的定数の変化か
らではなく、殆ど大部分は、試料表面の機械的動作から
生じる。このことは、この場合、光学的位相変位δφが
信号に支配的であることを意味している。音響物理学に
おいて周知であるように、音響エコー間の時間間隔Δτ
は、関係d=vΔτ/2を使って膜の厚さを評価するの
に使用できる。ここで、vは膜の縦波音響速度である。
本例においては金多結晶の縦波音響波速度3360m/
sを用いて金薄膜の膜厚は320nmと求められた。エ
コーの形状は、電子の拡散に強く影響されることが知ら
れているが、これは膜の厚さを決定する方法には影響を
与えない。
【0106】信号の大きさは、試料の熱膨張係数に依存
するから、試料を横方向に走査することによって、熱的
膨張係数の空間的変化についての情報を得ることが可能
である。
【0107】金の場合、試料の温度変化による光学的定
数の変動効果は、機械的動きによる効果に比べて比較的
小さい。しかし、一般的には、熱的拡散に依存する試料
の温度変化は、容易に検出可能で、試料全体のあるいは
試料の構成部分の熱的拡散性のような熱的性質は測定可
能である。
【0108】本発明の装置は、不透明部分、透明部分、
又は半透明部分の組み合わせから形成されている試料に
も同様に適用できる。また、液体、固体、ゲルなど様々
な形態の組み合わせからなる試料にも適用できる。
【0109】本発明の装置は多層薄膜構造における応力
パルスの発生と観測に同様に用いることができ、例えば
各層の膜層の膜厚や弾性定数の測定を行うことができ
る。
【0110】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0111】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏することができる。
【0112】本発明の中で記述されている簡単で丈夫な
装置は、試料表面に垂直な深さ方向の短い長さスケール
の材料の物性の測定の広範囲な応用に非常に有効であ
る。その融通性と安定性は、様々な試料、不透明部分、
透明部分、あるいは半透明部分からなる試料に適用する
ことができる。試料からの反射光の位相と強度の変化の
両方に対し感度が良好であり、試料から最大の情報を引
き出すことができる。この方法は、試料からの反射光の
強度のみに感度が良い方法に比べて、より広範囲な適用
が可能である。例えば、試料の光学的定数における変化
が無視できる試料に対しても、この装置は、試料の機械
的動きによる信号も検知可能である。この装置は、超短
波長の応力パルスの生成とその伝播、あるいは熱波動の
ような材料の物性を短い長さスケールで検出できる。関
連する物理的性質を、試料上への照射範囲のみで決定さ
れる高い横方向の分解能でマッピング可能である。横方
向の走査は、例えば、横方向の応力パルスの伝播や熱波
動の測定および試料の面方向に対応する物理的性質の測
定を可能にする。これは、例えば、異方性を持つ試料に
対して有用である。
【0113】干渉計の共通経路構成は、雑音的な機械的
振動、および温度変化の影響を最小にするのに必須であ
る。プローブビームと基準ビームが試料上の回折限界の
円形領域に垂直方向から集光入射される構成で試料から
の反射光の位相と強度を同時に測定できることが本方法
の大きな利点である。
【0114】プローブビームと基準ビームが垂直方向の
入射角となる構成の利用及び、試料に垂直方向の入射角
で入射する全ての光学的ビームの焦点合わせに、単一の
顕微鏡対物レンズを使用できるということは、様々な非
破壊的計測に対して非常に魅力的である。単層又は多層
の試料、或いは不変の不純物が1つ又は複数埋め込まれ
ている試料の測定が可能であり、また、試料の異なる
層、あるいは部分の物理的性質も検出できる。
【0115】また、本発明は試料とポンプパルスの相互
作用が破壊的な時、試料からの放出物や不可逆的な試料
の変質を測定するのに使用することもできる。これは、
プラズマ診断の分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す2つのビームスプリ
ッターを持つ2アーム干渉計を使用する試料測定装置の
構成図であり、ポンプビームは計測ビームと異なる波長
を持ち、サンプリングビームの放射源は、信号対ノイズ
比を改善するのに使用される。第1の出力ビーム中の4
分の1波長板と偏光子の組み合わせは、最大の位相感度
を達成するのに使用される。
【図2】プローブビームと基準ビームの偏光子通過後の
位相差の程度が、第2の4分の1波長板の角度Ψの関数
としてプロットされた図である。
【図3】第2の4分の1波長板の角度Ψの関数としてプ
ロットされた干渉の鮮明度を示す図である。
【図4】偏光子前のもので規格化された第2の出力ビー
ムの強度を、第2の4分の1波長板の角度Ψの関数とし
てプロットした図である。
【図5】本発明の第2実施例を示す構成図であり、ポン
プビームと計測ビームが同一の波長を持っている。
【図6】2つの異なる信号を同時に得られる本発明の実
施例の構成図である。
【図7】唯一の4分の1波長板を使用した本発明の実施
例の構成図である。
【図8】2つのファラデー回転子および2つの2分の1
波長板を用いて、干渉計における損失を減少させる本発
明の実施例の構成図である。
【図9】第1のビームスプリッターへ入射した計測ビー
ムが90度反射する本発明の実施例の構成図である。
【図10】プローブビーム、基準ビームの焦点合わせ手
段と同一のものを使用する、プローブビームと基準ビー
ムが入射する試料面と同一面上へポンプビームが垂直方
向ではない入射角で入射する本発明の実施例の構成図で
ある。
【図11】ミラーと、プローブビームと基準ビームの焦
点合わせ手段と同一のものを使用する、プローブビーム
と基準ビームが入射する試料の面と同一面上へポンプビ
ームが垂直方向ではない入射角で入射する本発明の実施
例の構成図である。
【図12】プローブビームと基準ビームと異なる焦点合
わせ手段を使用する、プローブビームと基準ビームが入
射する試料の面と同一面へ、ポンプビームが垂直方向の
入射角でない角度で入射する本発明の実施例の構成図で
ある。
【図13】プローブビームと基準ビームの焦点合わせ手
段と異なる焦点合わせ手段を使用する、ブローブビーム
と基準ビームが入射する試料の面と反対面へ、ポンプビ
ームが垂直方向の入射角の角度又は垂直方向の入射角で
ない角度で入射する本発明の実施例の構成図である。
【図14】プローブビームと基準ビームの焦点合わせ手
段と異なる焦点合わせ手段を使用する、ポンプビームが
試料上へ横方向から入射する本発明の実施例の構成図で
ある。
【図15】本発明の第1実施例の装置を使用した、シリ
コン基板上の膜厚が330nmの金膜に対するΨ=0°
の時の干渉計の応答I0 を、ポンプパルスとプローブパ
ルスの間の遅延時間の関数として示した図である。
【図16】本発明の第1実施例の装置を使用した、シリ
コン基板上の膜厚が330nmの金膜に対するΨ=90
°の時の干渉計の応答I0 を、ポンプパルスとプローブ
パルスの間の遅延時間の関数として示した図である。
【符号の説明】
1 第1のビームスプリッター 2 第2のビームスプリッター 4 偏光子 5 計測ビームのサンプリングビーム 6 ビームスプリッター 7 長い光学距離を持つアーム 8,9,19,23,24,25,26,30,31,
51 ミラー 10 短い光学距離を持つアーム 11 再結合されたビーム 12 第1の4分の1波長板 13,52 焦点合わせ手段 14 試料 15 第1の出力ビーム 16 第2の4分の1波長板 17 直線偏光子 18 第2の出力ビーム 20 空間フィルター 21,34,49 光検出器 22 非線形結晶 27 コーナーキューブ 28,60 遅延経路 29 ダイクロイックビームスプリッター 32 可変減衰器 33 フィルター 35 ビーム 36 計測ビーム 38 ポンプビーム 39 補助的な焦点合わせ要素 40 光源 41,50 チョッパー 42 出力信号を生成する回路 43 ロックイン増幅器 44 信号平均器 45 非偏光ビームスプリッター 46 偏光ビームスプリッター 59,61 45度のファラデー回転子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−27746(JP,A) 特開 平5−172739(JP,A) 特開 平7−280744(JP,A) 特開 平6−242079(JP,A) 特開 平4−9641(JP,A) 特開 平11−281632(JP,A) 特表 平11−511240(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 29/00 - 29/28 G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 JICSTファイル(JOIS)

Claims (38)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a)継続時間が0.002psから2n
    sまでの超短光パルスをもつ計測ビームを供給するコヒ
    ーレントあるいは部分的コヒーレントな1つの放射源
    と、 (b)継続時間が0.002psから2nsまでの超
    光パルスをもつポンプビームを供給する1つの放射源
    と、 (c)計測ビームの一部が第1のビームスプリッターに
    入射するとき前記計測ビームの一がプローブビームと
    基準ビームの2つのビームに分割され、前記プローブビ
    ームは、第1のビームスプリッターと第2のビームスプ
    リッターの間の長い光学距離を持つアームを進行し、前
    記基準ビームは、前記第1のビームスプリッターと前記
    第2のビームスプリッターの間の短い光学距離を持つア
    ームを進行し、第2のビームスプリッターにおいて前記
    プローブビームと前記基準ビームが再結合され、更に2
    つのアーム光路長における差異が、光の伝搬方向におい
    て、前記基準ビーム及びプローブビームにおける光パル
    スの空間的長さが長くなるように選ばれる2つのビーム
    スプリッターと、 (d)前記再結合されたビームを試料に垂直方向から入
    射し、該試料から反射される、前記プローブビームと前
    記基準ビームは、前記プローブビームが前記短い光学距
    離を持つアームを、前記基準ビームが前記長い光学距離
    を持つアームをそれぞれ進行するように、前記第2のビ
    ームスプリッターを通過した後に、互いに異なる経路を
    進行するようにすると共に、前記プローブビームと前記
    基準ビームは、前記計測ビームが最初に前記第1のビー
    ムスプリッターに入射したときの計測ビームの方向と
    軸でない方向に伝搬する第1の出力ビームを作り出すよ
    うに、前記第1のビームスプリッターで再結合される
    うに構成する手段と、 (e)前記ポンプビームを試料に向けるための手段と、 (f)前記ポンプビームを構成する放射パルスと、前記
    基準ビームを構成する放射パルスの間の試料への到着時
    間間隔を変化させる手段と、 (g)前記プローブビームと基準ビームをそれぞれ構成
    する、対応する放射パルス間の試料への到着時間間隔を
    変化させる手段と、 (h)前記第1の出力ビームになる前記基準ビームとプ
    ローブビームの一部が第2の出力ビームを形成するよう
    に、同一の偏光状態に分解されることを確保する手段
    と、 (i)前記第2の出力ビームの強度が試料からの反射光
    の位相と強度の変化の両者に同時に敏感であるように、
    一つ又は複数の光検出器での前記基準ビームと前記プロ
    ーブビームの対応する放射パルス間に0±180I度
    (Iは整数)に等しくない、一つ又は複数の位相差を導
    入する手段と、 (j)前記一つ又は複数の信号に関連して試料の物理的
    性質を測定できるように、前記ポンプビームによって誘
    起された前記試料上における諸変化を指示する一つ又は
    複数の信号を生成するために、前記第2の出力ビームを
    構成する前記基準ビームとプローブビーム間の干渉の特
    徴である前記第2の出力ビームの強度を検出するため
    に、前記第2の出力ビームの一部を前記一つ又は複数の
    光検出器に案内する手段と、 を具備する試料の物理的性質の測定装置。
  2. 【請求項2】 前記ポンプビームによって誘起される試
    料上の諸変化を指示する前記一つ又は複数の信号が前記
    試料の表面あるいは界面の機械的動きによって引き起こ
    されるものであることを特徴とする請求項1記載の試料
    の物理的性質の測定装置。
  3. 【請求項3】 前記ポンプビームによって誘起される試
    料上の諸変化を指示する前記一つ又は複数の信号が前記
    試料の表面あるいは界面の機械的動きと光学的定数の変
    化の両者によって同時に引き起こされるものであること
    を特徴とする請求項1記載の試料の物理的性質の測定装
    置。
  4. 【請求項4】 前記ポンプビームと前記計測ビームが、
    周期的な放射パルスの連続から構成されると共に、前記
    一つ又は複数の光検出器から出る一つ又は複数の信号を
    複数のパルスにわたって平均化するための手段を含むこ
    とを特徴とする請求項1記載の試料の物理的性質の測定
    装置。
  5. 【請求項5】 前記ポンプビームと前記計測ビームが、
    同一光源から引き出される周期的な放射パルスの連続か
    ら構成されると共に、前記一つ又は複数の光検出器から
    出る一つ又は複数の信号を、複数のパルスにわたって平
    均化するための手段を含むことを特徴とする請求項1記
    載の試料の物理的性質の測定装置。
  6. 【請求項6】 前記ポンプビームと前記計測ビームが、
    それぞれ異なる光源から引き出される周期的な放射パル
    スの連続から構成されると共に、前記一つ又は複数の光
    検出器から出る、一つ又は複数の信号を、複数のパルス
    にわたって平均化するための手段を含むことを特徴とす
    る請求項1記載の試料の物理的性質の測定装置。
  7. 【請求項7】 前記ポンプビーム、前記計測ビーム、前
    記プローブビームと前記基準ビームあるいはそれらの組
    み合わせの強度や偏光を変調させる手段と、前記一つ又
    は複数の光検出器から引き出される前記一つ又は複数の
    信号の変調された一つ又は複数の部分の振幅に比例する
    一つ又は複数の信号を計測するための手段を含む請求項
    1記載の試料の物理的性質の測定装置。
  8. 【請求項8】 同一又は類似の実験条件のもとで、二つ
    の信号を得るように、90±360M(Mは整数)又は
    −90±360N(Nは整数)の位相差に対応する一つ
    又は複数の前記光検出器から得られる2つの信号を用い
    た請求項7記載の試料の物理的性質の測定装置。
  9. 【請求項9】 前記二つの対応する光検出器の変調され
    た信号の適切な部分の振幅に比例する二つの信号が計測
    される請求項8記載の試料の物理的性質の測定装置。
  10. 【請求項10】 前記基準ビームと前記プローブビーム
    が垂直方向から入射する試料の面と同じ面側から、いく
    つかの焦点合わせ手段を使用して、前記ポンプビームが
    非垂直方向から焦点合わせされることを特徴とする請求
    項1記載の試料の物理的性質の測定装置。
  11. 【請求項11】 前記ポンプビームが前記基準ビームと
    プローブビームに共線的に結合されると共に前記ポンプ
    ビームの焦点合わせが、ブローブビームと基準ビームが
    垂直方向から入射する面と、同一面からなされ、同一焦
    点合わせ手段であることを特徴とする請求項1記載の試
    料の物理的性質の測定装置。
  12. 【請求項12】 前記基準ビームとプローブビームが入
    射する面の反対側の試料の面側から、前記ポンプビーム
    が、垂直又は非垂直方向に入射するように、いくつかの
    焦点合わせ手段を使って焦点合わせされることを特徴と
    する請求項1記載の試料の物理的性質の測定装置。
  13. 【請求項13】 前記ポンプビームが、いくつかの焦点
    合わせ手段を使用して、前記試料の横方向から焦点合わ
    せされることを特徴とする請求項1記載の試料の物理的
    性質の測定装置。
  14. 【請求項14】 前記ポンプビームと前記プローブビー
    ムのそれぞれを構成する対応する放射パルス間の試料へ
    の到着時間間隔が、変わるものであると共に、前記一つ
    又は複数の光検出器からの前記一つ又は複数の信号が、
    対応する到着時間間隔の関数として測定されることを特
    徴とする請求項1記載の試料の物理的性質の測定装置。
  15. 【請求項15】 前記プローブビームと前記基準ビーム
    のそれぞれを構成する、対応する放射パルス間の試料へ
    の到着時間間隔が変わるものであると共に、前記一つ又
    は複数の光検出器からの前記一つ又は複数の信号が、対
    応する到着時間間隔の関数として、測定されることを特
    徴とする請求項1記載の試料の物理的性質の測定装置。
  16. 【請求項16】 前記ポンプビームと前記基準ビームの
    それぞれを構成する、対応する放射パルス間の試料への
    到着時間間隔が変わり、同時に前記基準ビームと前記プ
    ローブビームのそれぞれを構成する放射パルス間の試料
    への到着時間間隔が変わると共に、前記一つ又は複数の
    光検出器から一つ又は複数の信号が対応する到着時間間
    隔の関数として測定されることを特徴とする請求項1記
    載の試料の物理的性質の測定装置。
  17. 【請求項17】 前記ポンプビームと前記基準ビームの
    それぞれを構成する、対応する放射パルス間の試料への
    到着時間間隔が固定されることを特徴とする請求項1記
    載の試料の物理的性質の測定装置。
  18. 【請求項18】 前記プローブビームと前記基準ビーム
    のそれぞれを構成する、対応する放射パルス間の試料へ
    の到着時間間隔が固定されることを特徴とする請求項1
    記載の試料の物理的性質の測定装置。
  19. 【請求項19】 前記ポンプビームと前記基準ビームの
    それぞれを構成する、対応する放射パルス間の試料への
    到着時間間隔が固定され、加えて、前記プローブビーム
    と前記基準ビームのそれぞれを構成する、対応する放射
    パルス間の試料への到着時間間隔が固定されることを特
    徴とする請求項1記載の試料の物理的性質の測定装置。
  20. 【請求項20】 前記試料の物理的性質を空間的にマッ
    ピングするために、試料の照射領域が、装置を動かすか
    前記試料を動かすかのいずれかによって、前記試料にわ
    たって走査されることを特徴とする請求項1記載の試料
    の物理的性質の測定装置。
  21. 【請求項21】 前記試料の物理的性質を空間的にマッ
    ピングするために、前記プローブビームと基準ビームが
    照射される領域が、前記ポンプビームが照射される領域
    に関連させて、前記プローブビームと基準ビームとポン
    プビームおよび前記試料の相対的動きによって走査され
    ることを特徴とする請求項1記載の試料の物理的性質の
    測定装置。
  22. 【請求項22】 前記ポンプビームが、前記基準ビーム
    とプローブビームが入射すると同じ前記試料の面側から
    励起させるために使用されるものであって、前記ポンプ
    ビームの放射波長スペクトルは、前記プローブビームと
    基準ビームの放射波長スペクトルと異なっており、又、
    前記ポンプビームは、ダイクロイックビームスプリッタ
    ーあるいは他のビームスプリッターを使って、前記基準
    ビームとプローブビームと共線的に結合され、前記ポン
    プビームが前記試料へ垂直に入射するよう焦点合わせす
    るために前記焦点合わせ手段と同一のものが使用され、
    さらに、前記ポンプビームからのいかなる光も前記一つ
    又は複数の光検出器に到着することを防ぐために、前記
    一つ又は複数の光検出器の前に光学的フィルターが配置
    されることを特徴とする請求項1記載の試料の物理的性
    質の測定装置。
  23. 【請求項23】 前記一つ又は複数の光検出器からの前
    記一つ又は複数の信号は、前記計測ビームの強度に比例
    する部分を差し引いたものであることを特徴とする請求
    項1記載の試料の物理的性質の測定装置。
  24. 【請求項24】 前記計測ビームは、非偏光ビームスプ
    リッターである前記第1のビームスプリッターの軸に対
    して45度の角度で最初に直線偏光しているものであ
    り、 前記第2のビームスプリッターは、前記第1のビームス
    プリッターに平行に配置された軸を持つ偏光ビームスプ
    リッターであり、 第1の4分の1波長板を前記プローブビームと基準ビー
    ムが2度通過するときに、それらのビームに対する90
    度偏光を回転させるためのものとして働かせるために、
    前記第2のビームスプリッターと前記試料の間に、該第
    2のビームスプリッターの軸に対して45度の軸をもっ
    て、該第1の4分の1波長板が配置され、 前記試料から反射される前記プローブビームと前記試料
    から反射される前記基準ビームは、前記プローブビーム
    は前記短い光学距離を持つアームを、前記基準ビームは
    前記長い光学距離を持つアームを、それぞれ進行するよ
    うに、前記第2のビームスプリッターを通過後に、互い
    に異なる経路を進行することを、システムの構成要素を
    選択することによって可能にするものであり、 前記基準ビームと前記プローブビームの対応する放射パ
    ルス間に位相差を導入する手段が、前記ビームスプリッ
    ターの軸に平行な光学的軸を持つ第2の4分の1波長板
    であり、 該第2の4分の1波長板は、前記第1の出力ビームの経
    路又は、前記第1のビームスプリッター前の前記計測ビ
    ームの経路に配置され、前記第1の出力ビームを構成す
    る前記基準ビームと前記プローブビームの一部が前記第
    2の出力ビームを形成すべく、同一の偏光状態になるよ
    うに、分解されることを確保するための前記手段は、前
    記第2の4分の1波長板に軸に対して45度の光学的軸
    を持つ偏光子であり、 前記偏光子は、前記第1の出力ビームの経路中に配置さ
    れ、 前記基準ビームと前記プローブビーム中の対応する放射
    パルス間の公知の±90度の位相差は、このいくつかの
    要素の組み合わせによって生成されるものであることを
    特徴とする請求項1記載の試料の物理的性質の測定装
    置。
  25. 【請求項25】 前記計測ビームは、第1のビームスプ
    リッターに入射するとき、偏光ビームスプリッターであ
    る前記第1のビームスプリッターの軸に対して45度の
    角度で直線的に偏光されるものであり、 前記第2のビームスプリッターは、前記第1のビームス
    プリッターに対して並行に配置された軸を持つ非偏光ビ
    ームスプリッターであり、 前記試料から反射される前記プローブビームと前記試料
    から反射される前記基準ビームは、前記プローブビーム
    が前記短い光学距離を持つアームを、前記基準ビームが
    前記長い光学距離を持つアームを、それぞれ進行するよ
    うに、前記第2のビームスプリッターを通過後に、互い
    に異なる経路を進行することをシステムの構成要素を選
    択することによって、可能にするものであり、 前記基準ビームと前記プローブビームの対応する放射パ
    ルス間に位相差を導入する手段が前記ビームスプリッタ
    ーの軸に平行な光学的軸を持つ4分の1波長板であり、 前記4分の1波長板は、計測ビームがはじめて第1のビ
    ームスプリッターに入射する前の経路中又は2つのアー
    ムのうち1つの経路中又は前記第1の出力ビームの経路
    中に配置され、 前記第1の出力ビームを構成する前記基準ビームと前記
    プローブビームの一部が、前記第2の出力ビームを形成
    すべく、同一の偏光状態になるように分解されることを
    確保するための前記手段は、前記4分の1波長板の軸に
    対して45度の光学的軸を持つ偏光子であり、 前記偏光子は、前記第1の出力ビームの経路中に配置さ
    れ、 前記基準ビームと前記プローブビーム中の対応する放射
    パルス間の前記±90度の位相差は、このいくつかの要
    素の組み合わせによって生成されるものであることを特
    徴とする、請求項1記載の試料の物理的性質の測定装
    置。
  26. 【請求項26】 前記計測ビームは、偏光ビームスプリ
    ッターである前記第1のビームスプリッターの軸に対し
    て45度の角度で最初に直線偏光しているものであり、 前記第2のビームスプリッターが前記第1のビームスプ
    リッターに対して平行にアライメントされる軸を有する
    偏光ビームスプリッターであり、 第1の4分の1波長板が、該第1の4分の1波長板を2
    回通過する前記プローブビームおよび基準ビームのため
    に90度偏光回転子として機能するために前記ビームス
    プリッターの軸に対して該第1の4分の1波長板の軸が
    45度の角をなして、前記第2のビームスプリッターと
    前記試料との間に位置し、 2分の1波長板と45度ファラデー回転子の組み合わせ
    が前記アームのそれぞれに配置され、 前記2分の1波長板の軸が前記ビームスプリッターの軸
    に対して22.5度の角度に向けられており、 前記試料から反射される前記プローブビームと前記試料
    から反射される前記基準ビームは、前記プローブビーム
    は前記短い光学距離を持つアームを、前記基準ビームは
    前記長い光学距離を持つアームを、それぞれ進行するよ
    うに、前記第2のビームスプリッターを通過後に、互い
    に異なる経路を進行することを、システムの構成要素を
    選択することによって可能にするものであり、 前記基準ビームと前記プローブビームの対応する放射パ
    ルス間に位相差を導入する手段が、前記ビームスプリッ
    ターの軸に平行な光学的軸を持つ第2の4分の1波長板
    であり、 該第2の4分の1波長板は、前記第1の出力ビームの経
    路又は、前記第1のビームスプリッター前の前記計測ビ
    ームの経路に配置され、前記第1の出力ビームを構成す
    る前記基準ビームと前記プローブビームの一部が前記第
    2の出力ビームを形成すべく、同一の偏光状態になるよ
    うに、分解されることを確保するための前記手段は、前
    記第2の4分の1波長板に軸に対して45度の光学的軸
    を持つ偏光子であり、 前記偏光子は、前記第1の出力ビームの経路中に配置さ
    れ、 前記基準ビームと前記プローブビーム中の対応する放射
    パルス間の公知の±90度の位相差は、このいくつかの
    要素の組み合わせによって生成されるものであることを
    特徴とする請求項1記載の試料の物理的性質の測定装
    置。
  27. 【請求項27】 前記第1の出力ビームを二つの部分に
    分割するために、第2の4分の1波長板を通過した後
    に、第1の出力ビームの経路中に配置される追加の偏光
    ビームスプリッターを有し、 前記追加の偏光ビームスプリッターの軸が、第1のビー
    ムスプリッターの軸に対して45度の角度をなしている
    ものであり、 前記追加の偏光ビームスプリッターによって分割された
    第1のビームの部分が第1の光検出器に入射されるもの
    であり、 前記ビームの第2の部分は第2の光検出器に入射されて
    おり、 前記光検出器の両方において信号が、前記90度位相差
    か、前記−90度の位相差のどちらかに対応するよう生
    成され、さらに前記試料から反射されたとき、信号が前
    記計測ビームの位相における変化に関しては前記第1の
    光検出器に比して前記第2の光検出器において反対の符
    号を持って反応するように配置されることを特徴とす
    る、請求項24又は26記載の試料の物理的性質の測定
    装置。
  28. 【請求項28】 1つ又は複数の層からなる前記試料又
    は埋め込まれた不変の1つ又は複数の不純物を持つ材料
    からなる前記試料の表面又は界面の機械的動きを指示す
    いくつかの信号を得るものであって、これら機械的動
    きは不透明、透明、半透明の各部分あるいは、その組み
    合わせから形成される前記試料の、ポンプビームによっ
    て発生をせられる1つ又は複数の応力パルスおよびこれ
    に引き続く応力パルスの伝播ならびに前記試料の表面や
    界面からのこれらの応力パルスの反射ならびに前記試料
    中に埋め込まれた不変の一つ又は複数の不純物からの反
    射によるものであることによって、特徴づけられる請求
    項1記載の試料の物理的性質の測定装置。
  29. 【請求項29】 1つ又は複数の層から形成される前記
    試料の一層あるいは、埋め込まれた不変の不純物によっ
    て規定される前記試料の一部分の厚さ、音響速度もしく
    はその両方、あるいは音響速度に影響を与える物性を測
    定することによって、特徴づけられる請求項28記載の
    試料の物理的性質の測定装置。
  30. 【請求項30】 不透明部分、透明部分あるいは半透明
    部分あるいはそれらの組み合わせが形成されている前記
    試料中のポンプビームに起因する温度変化や熱拡散によ
    って発生される一つ又は複数の応力パルスおよびそれに
    引き続くこれらの応力パルスの伝搬ならびに前記試料の
    表面、表面下の界面からあるいは、前記試料中に埋もれ
    た不変の一つ又は複数の不純物からの反射によるいくつ
    かの信号、一つ又は複数の層からなる試料あるいは、埋
    め込まれた一つ又は複数の不純物を持つ材料からなる前
    記試料の表面あるいは界面での機械的動きを指示するい
    くつかの信号を得ることによって特徴づけられる請求項
    1記載の試料の物理的性質の測定装置。
  31. 【請求項31】 1つ又は複数の層から形成される前記
    試料の一又は複数の層あるいは、埋め込まれた不変の
    不純物によって規定される前記試料の一部分又は全部
    厚さ、熱的性質もしくはその両方、あるいは熱的性質に
    影響を与える物性を測定することによって、特徴づけら
    れる請求項30記載の試料の物理的性質の測定装置。
  32. 【請求項32】 不透明、透明、半透明の各部分あるい
    はその組み合わせから形成する前記試料のポンプビーム
    によって発生させられる温度変化とその前記試料中の拡
    散による光学定数の変化、および一つ又は複数の層から
    成る前記試料あるいは一つ又は複数の埋め込まれた不変
    の不純物を持つ材料からなる前記試料の表面あるいは、
    界面での機械的動きとの同時的存在を示す信号を得るこ
    とを特徴とする請求項1記載の試料の物理的性質の測定
    装置。
  33. 【請求項33】 一つ又は複数の層から形成される前記
    試料の一又は複数の層あるいは、埋め込まれた不変の
    不純物によって規定される前記試料の一部分又は全部
    厚さ、熱的特性を測定することを特徴とする請求項32
    記載の試料の物理的性質の測定装置。
  34. 【請求項34】 前記試料の表面の膨張・収縮に比例す
    る信号を得ることを特徴とする請求項30記載の試料の
    物理的性質の測定装置。
  35. 【請求項35】 前記試料の表面の膨張・収縮に起因す
    る熱的特性、又は熱的特性に影響を与える諸特性の測定
    によって特徴付けられる請求項30記載の試料の物理的
    性質の測定装置。
  36. 【請求項36】 不透明、透明、半透明の各部分あるい
    はその組み合わせから形成する前記試料の前記ポンプビ
    ームの光パルスとの破壊的相互作用による、前記試料か
    らの放出物に起因する、あるいは前記試料の不可逆的変
    形に起因する信号を得ることを特徴とする請求項1記載
    の試料の物理的性質の測定装置。
  37. 【請求項37】 不可逆的変形に影響を与える前記試料
    の特性の測定によって特徴付けられる請求項36記載の
    試料の物理的性質の測定装置。
  38. 【請求項38】 前記試料に入射する前記合成されたビ
    ームが垂直からわずかにずれた入射角を持つことによっ
    て特徴付けられる請求項1記載の試料の物理的性質の測
    定装置。
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