JPH049641A - 試料の超高速現象ならびに低周波熱波の同時測定方法 - Google Patents
試料の超高速現象ならびに低周波熱波の同時測定方法Info
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- JPH049641A JPH049641A JP11008590A JP11008590A JPH049641A JP H049641 A JPH049641 A JP H049641A JP 11008590 A JP11008590 A JP 11008590A JP 11008590 A JP11008590 A JP 11008590A JP H049641 A JPH049641 A JP H049641A
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Landscapes
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、固体表面の純度・結晶性、欠陥や種々の薄層
・薄膜等の非破壊的評価、あるいは半導体デバイスや金
属コーティングの非破壊的評価に関するものであり、ま
た、励起位置と検出位置を走査することにより、超高速
現象の信号の振幅あるいは低速の信号の振幅、位相等の
２次元像を得ることかてきる測定方法に関するものであ
る。
・薄膜等の非破壊的評価、あるいは半導体デバイスや金
属コーティングの非破壊的評価に関するものであり、ま
た、励起位置と検出位置を走査することにより、超高速
現象の信号の振幅あるいは低速の信号の振幅、位相等の
２次元像を得ることかてきる測定方法に関するものであ
る。
［従来の技術］
ピコ（１０−１２）秒、フェムト（ｘｏ−１５）秒領域
の超高速現象を測定するためには、ポンプ・プローブ法
を用いた光学測定システムか広く使われている。
の超高速現象を測定するためには、ポンプ・プローブ法
を用いた光学測定システムか広く使われている。
Ｃ，Ｔｈｏｍｓｅｎ、 ）１．Ｔ、Ｇｒａｈｎ、 Ｈ，
Ｊ、Ｍａｒｉｓ ａｎｄ Ｊ、Ｔａｕｃ。
Ｊ、Ｍａｒｉｓ ａｎｄ Ｊ、Ｔａｕｃ。
“Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ、” ｖｏｌ１
４ ｐ４１２９．１９８６の文献に記載されている超短
パルスレーザを用いた薄膜中の超音波の検出例かある。
４ ｐ４１２９．１９８６の文献に記載されている超短
パルスレーザを用いた薄膜中の超音波の検出例かある。
他の例は電子の非平衡温度変化の検出である（文献基：
Ｇ、Ｌ、Ｅｅｓｌｅｙ、”Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉ
ｅｗ Ｌｅｔｔ、。
Ｇ、Ｌ、Ｅｅｓｌｅｙ、”Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉ
ｅｗ Ｌｅｔｔ、。
ｖｏｌ、５１．ｐ２１４０．１９８３） 、この他、固
体試料表面近傍領域の熱的特性が、このような超短時間
スケールて測定される（文献基：Ｃ，Ａ、Ｐａｄｄｏｃ
ｋ ａｎｄ Ｇ、Ｌ。
体試料表面近傍領域の熱的特性が、このような超短時間
スケールて測定される（文献基：Ｃ，Ａ、Ｐａｄｄｏｃ
ｋ ａｎｄ Ｇ、Ｌ。
Ｅａｓｌｅｙ、”Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅ
ｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｖｏｌ、６０゜ｐ２８５．１９
８６）。
ｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｖｏｌ、６０゜ｐ２８５．１９
８６）。
この場合、不透明な固体の熱的特性に関する情報を（Ｄ
ｔ）ｌ／２の浸透深さまて得ることがてきる。ここて、
Ｄは熱拡散率、ｔはポンプ光パルス到着後の時間である
。ｔの最大値はレーザパルスの繰返し周波数ｆ１により
、ｔ、ａＸ＝１／ｆ１に制限される。Ｓ／Ｎ比を向上さ
せるためには、ｆ＋は大きな値（例えば１００ＭＨ，）
が望ましく、ｔ １ＩａＸはｌ Ｏｎｓ程度になる。典
型的な熱的絶縁体、例えば、Ｄ −” ２ Ｘ １０−
’ｒｎ’ ／ ｓの場合、約５００人の最大浸透深さと
なる。
ｔ）ｌ／２の浸透深さまて得ることがてきる。ここて、
Ｄは熱拡散率、ｔはポンプ光パルス到着後の時間である
。ｔの最大値はレーザパルスの繰返し周波数ｆ１により
、ｔ、ａＸ＝１／ｆ１に制限される。Ｓ／Ｎ比を向上さ
せるためには、ｆ＋は大きな値（例えば１００ＭＨ，）
が望ましく、ｔ １ＩａＸはｌ Ｏｎｓ程度になる。典
型的な熱的絶縁体、例えば、Ｄ −” ２ Ｘ １０−
’ｒｎ’ ／ ｓの場合、約５００人の最大浸透深さと
なる。
第１図はフェムト秒あるいは、ピコ抄領域のパルス幅の
パルスレーザな使って不透明物質の超短時間スケールの
超音波、熱的あるいは電子的特性の測定を行う従来技術
の例である。
パルスレーザな使って不透明物質の超短時間スケールの
超音波、熱的あるいは電子的特性の測定を行う従来技術
の例である。
レーザ３からのビームは、ビームスプリッタ６によりポ
ンプビーム４とプローブビーム５に分割される。前記ポ
ンプビーム４はレンズ８で試料７上にフォーカスされる
。また、遅延光路９を通った前記プローブビーム５は、
レンズｌＯで試料７上にフォーカスされ、前記試料７か
ら反射し、さらにレンズ１１を通り広帯域（チョッピン
グ周波数ｆより大きい）フォトディテクタ１に当たる。
ンプビーム４とプローブビーム５に分割される。前記ポ
ンプビーム４はレンズ８で試料７上にフォーカスされる
。また、遅延光路９を通った前記プローブビーム５は、
レンズｌＯで試料７上にフォーカスされ、前記試料７か
ら反射し、さらにレンズ１１を通り広帯域（チョッピン
グ周波数ｆより大きい）フォトディテクタ１に当たる。
チョッパ１２は前記ポンプビーム４の光路中に配置され
、ロックインアンプ１３て同期検波されることにより、
試料の超高速現象検出のためのＳ／Ｎ向上を図る。
、ロックインアンプ１３て同期検波されることにより、
試料の超高速現象検出のためのＳ／Ｎ向上を図る。
チョッピング周波数ｆは、パルスレーザの繰返し周波数
ｆ、より小さいように選ばれる。機械的に前記遅延光路
を走査し、前記フォトディテクタ１の出力を検出するこ
とにより、遅延時間の関数としてデータを得ることがで
きる。
ｆ、より小さいように選ばれる。機械的に前記遅延光路
を走査し、前記フォトディテクタ１の出力を検出するこ
とにより、遅延時間の関数としてデータを得ることがで
きる。
ポンプビーム４からの漏れ光の影響が問題となるような
場合は、よく知られた交叉偏光法あるいは、異った波長
のポンプビームとプローブビームにより前記の影響を除
去できる。
場合は、よく知られた交叉偏光法あるいは、異った波長
のポンプビームとプローブビームにより前記の影響を除
去できる。
より大きな浸透深さをもつ不透明物体の熱的特性を測定
するために、これより長い時間スケールが必要である。
するために、これより長い時間スケールが必要である。
ＣＷレーザ励起と検出を用いた熱波法は、Ｗ、Ｌ。
Ｓｗ： ｔｈ 、Ａ、Ｒｏｓｅｎｃｗａｉｇ、Ｄ、Ｌ、
Ｗｉｌｌｅｎｂｏｒｇ、Ｊ、０ｐｓａｌａｎｄ Ｍ、Ｗ
＋Ｔａｙｌｏｒ″５ｏｌｉｄ ５ｔａｔｅ Ｔｅｃｈｎ
ｏｌｏｇｙ 、ｖｏｌ。
Ｗｉｌｌｅｎｂｏｒｇ、Ｊ、０ｐｓａｌａｎｄ Ｍ、Ｗ
＋Ｔａｙｌｏｒ″５ｏｌｉｄ ５ｔａｔｅ Ｔｅｃｈｎ
ｏｌｏｇｙ 、ｖｏｌ。
２９、ｐ８５，１９８５に記載されている。ここでは、
周波数ｆてチョップされるレーザビームは試料上でフォ
ーカスされ、試料表面の温度変化に関係する表面傾斜、
すなわち反射率の変化か第２のレーザビームで検出され
る。傾斜の変化の場合は１反射ビームの方向変化となり
、前記反射ビームの方向変化は、ハイセルフオドディテ
クタを用いて検出することかてきる。ここて、前記パイ
セルフオドディテクタは２ケの光検出器て構成されてい
る。
周波数ｆてチョップされるレーザビームは試料上でフォ
ーカスされ、試料表面の温度変化に関係する表面傾斜、
すなわち反射率の変化か第２のレーザビームで検出され
る。傾斜の変化の場合は１反射ビームの方向変化となり
、前記反射ビームの方向変化は、ハイセルフオドディテ
クタを用いて検出することかてきる。ここて、前記パイ
セルフオドディテクタは２ケの光検出器て構成されてい
る。
この実験の時間スケールは１／ｆオーターてあり、試料
の熱的特性は約（Ｄ ／ ｆ ） ｌ／２の浸透深さま
で測定できる。例えば、ｆ＝ＩＭＨ，の場合、典型的な
熱的絶縁体に対して５０００人の浸透深さとなる。
の熱的特性は約（Ｄ ／ ｆ ） ｌ／２の浸透深さま
で測定できる。例えば、ｆ＝ＩＭＨ，の場合、典型的な
熱的絶縁体に対して５０００人の浸透深さとなる。
［発明か解決しようとする課題］
単一の光学系を用いて、不透明固体試料の中て広範囲の
浸透深さに対して、従来、熱的特性を測定することは困
難てあった。
浸透深さに対して、従来、熱的特性を測定することは困
難てあった。
本発明の主な目的は、単一の光学系を用いて、不透明固
体試料の中て、広範囲の浸透深さに対して、熱的特性を
測定する方法を提供するものてある。
体試料の中て、広範囲の浸透深さに対して、熱的特性を
測定する方法を提供するものてある。
［課題を解決するための手段・］
本発明は、パルスレーザポンプ・ブロー、ブ測定系を用
いて、同曲に超短時間スケールの超音波、熱的あるいは
電子的特性と、これより長い時間スケールの熱的特性を
測定することを特徴とする。
いて、同曲に超短時間スケールの超音波、熱的あるいは
電子的特性と、これより長い時間スケールの熱的特性を
測定することを特徴とする。
基本的構成は、試料な動起するためのチョップされたポ
ンプビームと１反射率あるいは透過率の変化を測定する
もう一つりプローブビームとを用いた。パルスレーザポ
ンプ・プローブ光学系“Ｃある。前記プローブパルスの
到着時間は遅延光路を用いて調整される。
ンプビームと１反射率あるいは透過率の変化を測定する
もう一つりプローブビームとを用いた。パルスレーザポ
ンプ・プローブ光学系“Ｃある。前記プローブパルスの
到着時間は遅延光路を用いて調整される。
試料の超短曲間スケールの特性は、前記ポンプパルスて
助起した後、試料に到着する前記プローブパルスの強度
変化から測定される。これより長い時間スケールのチョ
ッピング周期程度の熱的特性測定は、前記プローブビー
ムの強度変化の測定、または前記プローブビームの角度
変化の測定により行われる。尚、遅延光路ばポンプビー
ムより進んている。
助起した後、試料に到着する前記プローブパルスの強度
変化から測定される。これより長い時間スケールのチョ
ッピング周期程度の熱的特性測定は、前記プローブビー
ムの強度変化の測定、または前記プローブビームの角度
変化の測定により行われる。尚、遅延光路ばポンプビー
ムより進んている。
［作用及び実施例］
本発明は、レーザのパルス幅から１．／ｆ、まての時間
スケールの超高速特性のみならず、ｌ ／／ ｆオーダ
ーの曲間スケ〜ルの熱的特性を測定するために、第１図
に示したような装置構成を使う方法に関するものである
（但１）、ｆ、はレーザパルスの繰返し・周波数、ｆは
レーザなチョップする周波数）。
スケールの超高速特性のみならず、ｌ ／／ ｆオーダ
ーの曲間スケ〜ルの熱的特性を測定するために、第１図
に示したような装置構成を使う方法に関するものである
（但１）、ｆ、はレーザパルスの繰返し・周波数、ｆは
レーザなチョップする周波数）。
試料の反射率は、 一般にその温度に関係し、温度変化
は試料の反則＋変化を測定するごとにより測定てきる。
は試料の反則＋変化を測定するごとにより測定てきる。
遅延光路が負の遅延で１． ／ ｆ 、と較べて小さい
なら、プローブパルスはポンプパルス到着より前に試料
に当たる“（あろう。ｆ、かｆより充分大きい場合、フ
ォトディデクタからの周波数ｆの信号の振幅と位相は、
試料表面近傍における、この周波数成分の温度変化の平
均値のみに関係する。この温度変化は（Ｄ ／ ｆ ）
ｌ／２オーダーの浸透深さの試料の熱的特性に関係し
ている。従って、熱拡散率、熱伝導率、あるいは比熱等
の変化は検出される信号の振幅あるいは位相の変化をも
たらす。
なら、プローブパルスはポンプパルス到着より前に試料
に当たる“（あろう。ｆ、かｆより充分大きい場合、フ
ォトディデクタからの周波数ｆの信号の振幅と位相は、
試料表面近傍における、この周波数成分の温度変化の平
均値のみに関係する。この温度変化は（Ｄ ／ ｆ ）
ｌ／２オーダーの浸透深さの試料の熱的特性に関係し
ている。従って、熱拡散率、熱伝導率、あるいは比熱等
の変化は検出される信号の振幅あるいは位相の変化をも
たらす。
この他、（Ｄ／ｆ）””オーダー、またはそれ以１の膜
の厚さの変化も検出できる。
の厚さの変化も検出できる。
周波数ｆは、試料の深さの関数である熱的特性を１１４
定するために変えることかてきる。試料の超短時間スケ
ールの反射率の変化は１／ｆ、の時間でモ衡状態、つま
りポンプ光照射前の状態に戻れば、本方法を適用できる
。
定するために変えることかてきる。試料の超短時間スケ
ールの反射率の変化は１／ｆ、の時間でモ衡状態、つま
りポンプ光照射前の状態に戻れば、本方法を適用できる
。
第２図は、第１図の装置構成を使っ′Ｃ２１ｐｓのパル
ス幅、７６ＭＨ，の繰返し周波数のレーザ“乙チョッピ
ング周波数ｆ＝１９５ｋＨ，とじた場合の、反射率変化
に比例する信号の振幅のＸ験データである。
ス幅、７６ＭＨ，の繰返し周波数のレーザ“乙チョッピ
ング周波数ｆ＝１９５ｋＨ，とじた場合の、反射率変化
に比例する信号の振幅のＸ験データである。
サファイア基板上のアモルファスゲルマニウムの１００
０人圧の薄膜か試料として使われた。
０人圧の薄膜か試料として使われた。
負の遅延では、ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋの相対的反射
率変化（δＲ／Ｒ）ｔｗは、ｉ／ｆｍ５Ｂｔｓオーダー
の時間スケ−・ルて試料の温度変化に起因しでいる。
率変化（δＲ／Ｒ）ｔｗは、ｉ／ｆｍ５Ｂｔｓオーダー
の時間スケ−・ルて試料の温度変化に起因しでいる。
正の遅延では５超短時間スケールの反ＪＮ率変化か測定
てきる。この例では、ｐｓオーダー＝である。
てきる。この例では、ｐｓオーダー＝である。
例えば、薄膜／基板との界面からの超音波エコーは、超
短時間スケールの温度変化に起因する緩和現象とともに
検出される。これらの変化は、より長い時間スケールの
信号（δＲ／Ｒ）ｔｗに重畳されている。
短時間スケールの温度変化に起因する緩和現象とともに
検出される。これらの変化は、より長い時間スケールの
信号（δＲ／Ｒ）ｔｗに重畳されている。
正の遅延の場合、重畳された信号は超短時間スケールの
膜の超音波、熱的、電子的特性に関係していて、例文ば
、基板の熱的特性には関係していない。これに反して、
より長い時間スケールの変化は、より大きな侵透深さゆ
えに、基板の熱時特性に関係している。
膜の超音波、熱的、電子的特性に関係していて、例文ば
、基板の熱的特性には関係していない。これに反して、
より長い時間スケールの変化は、より大きな侵透深さゆ
えに、基板の熱時特性に関係している。
第１図の装置構成を使うと、超短時間スケールの超音波
、熱的あるいは電子的特性とともに、長時間スケールの
物質の熱的特性を測定することか可能である。超短時間
スケールの超音波、熱的あるいは電子的信号は（δＲ／
Ｒ）ｔｗを減算することにより、より長い時間スケール
の信号から分離できる。
、熱的あるいは電子的特性とともに、長時間スケールの
物質の熱的特性を測定することか可能である。超短時間
スケールの超音波、熱的あるいは電子的信号は（δＲ／
Ｒ）ｔｗを減算することにより、より長い時間スケール
の信号から分離できる。
本発明は、反斜面の幾何学的配置に制限されない。透過
面の幾何学的配置は光を透過する試料に対しても有効で
ある。
面の幾何学的配置は光を透過する試料に対しても有効で
ある。
この場合、超短時間スケールの影響は試料表面近傍に限
らない。本方法は、試料の一方の面から励起し、他の面
から計測する方法も含めて、ポンプとプローブビームの
任意の入射角に対しても適用できる。
らない。本方法は、試料の一方の面から励起し、他の面
から計測する方法も含めて、ポンプとプローブビームの
任意の入射角に対しても適用できる。
長時間の熱の影響を検出するために、ハイセルフオドデ
ィテクタを使ってビームの方向変化を測定することも可
能である。
ィテクタを使ってビームの方向変化を測定することも可
能である。
尚、パイセルフオドディテクタの両者のパワーの和を超
短時間スケールの測定に使い、前記パイセルフオドディ
テクタの両者のパワーの差をより長い時間スケールの測
定に使う。
短時間スケールの測定に使い、前記パイセルフオドディ
テクタの両者のパワーの差をより長い時間スケールの測
定に使う。
［発明の効果］
単一の光学系を用いて、試料の広範囲な浸透深さに対し
て、厚さあるいは熱的特性を測定することが可能となる
とともに、超短時間の電子あるいは超音波の特性を検出
することが可能となる。
て、厚さあるいは熱的特性を測定することが可能となる
とともに、超短時間の電子あるいは超音波の特性を検出
することが可能となる。
第１図は、ポンプビームによって誘起される反射率の超
高速変化の測定のための従来技術であるポンプビーム光
学系の構成図である。 第２図はサファイア基板上の厚さ１０００人のアモルフ
ァスゲルマニウム薄膜試料の遅延時間と反射率の相対的
変化の関係を示す図である。 図中、 １：フォトディテクタ ３：レーザ ４：ポンプビーム ５ニブローブビーム ６：ビームスプリッタ ７：試料 ８．１０．１１ ＋レンズ ９：遅延光路 １２：チョッパ １３ニロツクインアンフ゛ 代理人 弁理士 １）北 嵩 晴
高速変化の測定のための従来技術であるポンプビーム光
学系の構成図である。 第２図はサファイア基板上の厚さ１０００人のアモルフ
ァスゲルマニウム薄膜試料の遅延時間と反射率の相対的
変化の関係を示す図である。 図中、 １：フォトディテクタ ３：レーザ ４：ポンプビーム ５ニブローブビーム ６：ビームスプリッタ ７：試料 ８．１０．１１ ＋レンズ ９：遅延光路 １２：チョッパ １３ニロツクインアンフ゛ 代理人 弁理士 １）北 嵩 晴
Claims (2)
- （１）レーザから出射されるパルス光のポンプビームと
、同一レーザから出射され、ビームスプリッタにより分
割されたプローブビームと、相互作用した後、前記のプ
ローブビームの強度変化、または試料と相互作用した後
の前記プローブビームの方向変化を検出するフォトディ
テクタと、前記ポンプビームの強度を特定の周波数で変
調するチョッパと、前記プローブビームの遅延光路とを
使用して、正及び負の遅延により、前記フォトディテク
タのチョッピング周波数成分の信号を測定し、超短時間
スケールの超音波、熱的あるいは電子的特性と、これよ
り長時間スケールの物質の熱的特性を、ぞれぞれ同時に
測定することを特徴とする測定方法。 - （２）レーザから出射されるパルス光のポンプビームと
、同期励起された別のレーザから出射されるビームスプ
リッタにより分割されたプローブビームと、相互作用し
た後、前記プローブビームの強度変化、または試料と相
互作用した後の前記プローブビームの方向変化を検出す
るフォトディテクタと、前記ポンプビームの強度を特定
の周波数で変調するチョッパと、前記プローブビームの
遅延光路とを使用して、正及び負の遅延により、前記フ
ォトディテクタのチョッピング周波数成分の信号を測定
し、超短時間スケールの超音波、熱的あるいは電子的特
性と、これより長時間スケールの物質の熱的特性を、ぞ
れぞれ同時に測定することを特徴とする測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11008590A JPH049641A (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 試料の超高速現象ならびに低周波熱波の同時測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11008590A JPH049641A (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 試料の超高速現象ならびに低周波熱波の同時測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH049641A true JPH049641A (ja) | 1992-01-14 |
Family
ID=14526650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11008590A Pending JPH049641A (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 試料の超高速現象ならびに低周波熱波の同時測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH049641A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001061322A1 (fr) * | 2000-02-17 | 2001-08-23 | Japan Science And Technology Corporation | Instrument permettant de mesurer les proprietes physiques d'un echantillon |
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