JPH0727746A - 光熱変位計測による試料評価方法 - Google Patents
光熱変位計測による試料評価方法Info
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- JPH0727746A JPH0727746A JP5172948A JP17294893A JPH0727746A JP H0727746 A JPH0727746 A JP H0727746A JP 5172948 A JP5172948 A JP 5172948A JP 17294893 A JP17294893 A JP 17294893A JP H0727746 A JPH0727746 A JP H0727746A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は,励起光の照射位置と測定光の照射
位置のずれによる影響や,試料の温度変化,プラズマ密
度の変化等による試料の反射率の変化といった外乱の影
響を受けず,真の熱膨張振動を計測できる光熱変位計測
による試料評価方法の提供を目的とする。 【構成】 試料7に相対的に強度変調された例えば第1
の光(ビーム1)を励起光として照射し該試料7に光熱
変位(熱膨張振動)を誘起させると共に,その近傍に第
2の光(ビーム2)を照射して上記ビーム1と上記ビー
ム2の上記試料7からの反射光を干渉させ,この干渉光
の位相に基づいて,上記試料7を評価する。
位置のずれによる影響や,試料の温度変化,プラズマ密
度の変化等による試料の反射率の変化といった外乱の影
響を受けず,真の熱膨張振動を計測できる光熱変位計測
による試料評価方法の提供を目的とする。 【構成】 試料7に相対的に強度変調された例えば第1
の光(ビーム1)を励起光として照射し該試料7に光熱
変位(熱膨張振動)を誘起させると共に,その近傍に第
2の光(ビーム2)を照射して上記ビーム1と上記ビー
ム2の上記試料7からの反射光を干渉させ,この干渉光
の位相に基づいて,上記試料7を評価する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は試料に周期的に強度変調
した励起光を照射し,これにより生じる試料表面の熱膨
張振動を測定して試料の欠陥等を評価する試料評価方法
に関する。
した励起光を照射し,これにより生じる試料表面の熱膨
張振動を測定して試料の欠陥等を評価する試料評価方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】試料に周期的に強度変調した光(励起
光)を照射すると,試料はこの光の吸収により発熱し,
これにより熱膨張する。照射光は周期的に強度変調して
いるため,発熱による試料の温度変化は周期的となり,
試料は熱膨張をおこす。これらの熱応答を計測すること
により試料を評価する手法は光音響計測技術として知ら
れている。図3はマイケルソン型レーザ光干渉法により
試料の熱膨張振動を計測する手法を示したものである
(Miranda,APPLID OPTICS Vo122,No18,P2882(198
3))。ここに61は被測定試料,62は試料に熱膨張
振動を与えるための励起光源であり,チョッパ63によ
り励起光源62からの光を強度変調し,試料61に照射
する。この熱膨張振動(光熱変位)をレーザ光干渉法に
より計測する。そのために測定用レーザ64からの光を
半透鏡65で二分し,一方を試料の熱膨張測定点に,他
方を空間的に固定した鏡66に照射し,これらからの反
射光を干渉させ光電変換器67で受光する。光電変換器
67からの電気出力Eは次式で表される。 E=C1 +C2 ・cos(P(t)+Φ)…(1′) ここで,C1 ,C2 及びΦは試料61や干渉計の構成や
光電変換係数等に依存する定数,P(t)は励起光照射
による熱膨張振動による試料の表面変位に併う位相変化
であり,この計測により試料の熱膨張振動(位相Φ及び
振幅L)を計測し,試料の熱弾性的性質を評価する。図
4は反射率計測法に基づく手法である(特開昭61−2
046号公報)。励起レーザ30からの光を変調器32
により周期的に強度変調して試料31に照射し,試料3
1に周期的温度変化を与える。この温度変化が試料31
に光反射率の変化をもたらす。この反射率の変化を検出
するために測定用レーザ50を,試料31の温度変化計
測点(本図においては励起レーザ照射点と同位置)にミ
ラー36を通して照射し,その反射光を光検出器56で
検出する。この出力から信号処理回路58により,反射
率の変化を求め,試料31を評価する。
光)を照射すると,試料はこの光の吸収により発熱し,
これにより熱膨張する。照射光は周期的に強度変調して
いるため,発熱による試料の温度変化は周期的となり,
試料は熱膨張をおこす。これらの熱応答を計測すること
により試料を評価する手法は光音響計測技術として知ら
れている。図3はマイケルソン型レーザ光干渉法により
試料の熱膨張振動を計測する手法を示したものである
(Miranda,APPLID OPTICS Vo122,No18,P2882(198
3))。ここに61は被測定試料,62は試料に熱膨張
振動を与えるための励起光源であり,チョッパ63によ
り励起光源62からの光を強度変調し,試料61に照射
する。この熱膨張振動(光熱変位)をレーザ光干渉法に
より計測する。そのために測定用レーザ64からの光を
半透鏡65で二分し,一方を試料の熱膨張測定点に,他
方を空間的に固定した鏡66に照射し,これらからの反
射光を干渉させ光電変換器67で受光する。光電変換器
67からの電気出力Eは次式で表される。 E=C1 +C2 ・cos(P(t)+Φ)…(1′) ここで,C1 ,C2 及びΦは試料61や干渉計の構成や
光電変換係数等に依存する定数,P(t)は励起光照射
による熱膨張振動による試料の表面変位に併う位相変化
であり,この計測により試料の熱膨張振動(位相Φ及び
振幅L)を計測し,試料の熱弾性的性質を評価する。図
4は反射率計測法に基づく手法である(特開昭61−2
046号公報)。励起レーザ30からの光を変調器32
により周期的に強度変調して試料31に照射し,試料3
1に周期的温度変化を与える。この温度変化が試料31
に光反射率の変化をもたらす。この反射率の変化を検出
するために測定用レーザ50を,試料31の温度変化計
測点(本図においては励起レーザ照射点と同位置)にミ
ラー36を通して照射し,その反射光を光検出器56で
検出する。この出力から信号処理回路58により,反射
率の変化を求め,試料31を評価する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前者のマイケルソン型
レーザ光干渉により試料の熱膨張を計測する手法では,
試料61上における励起光の照射位置と測定光の照射位
置との間にずれを生じる可能性があり,これが測定値に
変化をもたらし,測定誤差となって熱膨張振動を高精度
に測定することができない。また,前記(1′)式にお
ける定数C1 ,C 2 及びΦの変化が外乱として測定精度
を低下させる。例えば励起光照射による試料の温度変化
およびプラズマ(電子,ホール)密度の変化(半導体試
料の場合)により試料の反射率が変化する場合がある。
この場合,干渉光の信号は反射率変化に伴う外乱信号を
含んでいることになり,干渉光の信号から真の熱膨張信
号を計測できない。他方,後者の反射率計測法に基づく
手法は,試料の温度変化,プラズマ密度変化の計測であ
るため,試料の熱膨張率等の弾性的性質を得ることがで
きない。更に前記手法の場合と同様,試料31上におけ
る励起光の照射位置と測定光の照射位置との間にずれを
生じる可能性があり,これが測定値に変化をもたらし,
測定誤差となって熱膨張振動を高精度に計測することが
できない。従って本発明が目的とするところは,励起光
の照射位置と測定光の照射位置のずれによる影響や,試
料の温度変化,プラズマ密度の変化等による試料の反射
率の変化といった外乱の影響を受けず,試料の真の熱膨
張振動を正確に計測することのできる光熱変位計測によ
る試料評価方法を提供することである。
レーザ光干渉により試料の熱膨張を計測する手法では,
試料61上における励起光の照射位置と測定光の照射位
置との間にずれを生じる可能性があり,これが測定値に
変化をもたらし,測定誤差となって熱膨張振動を高精度
に測定することができない。また,前記(1′)式にお
ける定数C1 ,C 2 及びΦの変化が外乱として測定精度
を低下させる。例えば励起光照射による試料の温度変化
およびプラズマ(電子,ホール)密度の変化(半導体試
料の場合)により試料の反射率が変化する場合がある。
この場合,干渉光の信号は反射率変化に伴う外乱信号を
含んでいることになり,干渉光の信号から真の熱膨張信
号を計測できない。他方,後者の反射率計測法に基づく
手法は,試料の温度変化,プラズマ密度変化の計測であ
るため,試料の熱膨張率等の弾性的性質を得ることがで
きない。更に前記手法の場合と同様,試料31上におけ
る励起光の照射位置と測定光の照射位置との間にずれを
生じる可能性があり,これが測定値に変化をもたらし,
測定誤差となって熱膨張振動を高精度に計測することが
できない。従って本発明が目的とするところは,励起光
の照射位置と測定光の照射位置のずれによる影響や,試
料の温度変化,プラズマ密度の変化等による試料の反射
率の変化といった外乱の影響を受けず,試料の真の熱膨
張振動を正確に計測することのできる光熱変位計測によ
る試料評価方法を提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は,試料に光を照射し,それによる試料の光熱
変位を計測することにより試料を評価する方法におい
て,上記試料に強度変調した異なる振動周波数の2つの
光を照射して上記試料からの反射光を干渉させ,この干
渉光の位相に基づいて上記試料を評価することとした光
熱変位計測による試料評価方法として構成されている。
に本発明は,試料に光を照射し,それによる試料の光熱
変位を計測することにより試料を評価する方法におい
て,上記試料に強度変調した異なる振動周波数の2つの
光を照射して上記試料からの反射光を干渉させ,この干
渉光の位相に基づいて上記試料を評価することとした光
熱変位計測による試料評価方法として構成されている。
【0005】
【作用】本発明によれば,例えば第2の光に対して相対
的に強度変調された振動周波数の第1の光を励起光とし
て試料に照射し該試料に光熱変位(熱膨張振動)を誘起
させると共に,同じく上記試料に上記第2の光を照射し
て上記第1の光と上記第2の光の上記試料からの反射光
を干渉させ,この干渉光の位相に基づいて上記試料を評
価する。即ち,上記第1の光による反射光の位相変化に
基づいて光熱変位が検出される。尚この場合,第1,第
2の光の照射位置に係る位置ずれ量が問題となることは
ない。
的に強度変調された振動周波数の第1の光を励起光とし
て試料に照射し該試料に光熱変位(熱膨張振動)を誘起
させると共に,同じく上記試料に上記第2の光を照射し
て上記第1の光と上記第2の光の上記試料からの反射光
を干渉させ,この干渉光の位相に基づいて上記試料を評
価する。即ち,上記第1の光による反射光の位相変化に
基づいて光熱変位が検出される。尚この場合,第1,第
2の光の照射位置に係る位置ずれ量が問題となることは
ない。
【0006】
【実施例】以下,添付図面を参照して本発明を具体化し
た実施例につき説明し,本発明の理解に供する。尚,以
下の実施例は,本発明を具体化した一例であって,本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に,図1は本発明の一実施例に係る光熱変位計測による
試料評価装置の概略構成を示す全体回路図,図2は他の
実施例に係る部分回路図である。本実施例に係る試料評
価方法では,図1に示す如く,試料7に強度変調された
例えば振動周波数F1 の第1の光(ビーム1)を励起光
として照射し試料7に光熱変位(熱膨張振動)を誘起さ
せると共に,同じく上記試料7に強度変調されていない
例えば振動周波数F2 の第2の光(ビーム2)を照射し
て上記ビーム1と上記ビーム2の上記試料7からの反射
光を干渉させ,この干渉光の位相に基づいて上記試料7
を評価する。次に,同図に示す試料評価装置による計測
原理について述べる。まず,He−Neレーザ1からの
出射光(振動周波数:F2 )を偏光ビームスプリッタ2
でビーム1およびビーム2に二分する。その一方(ビー
ム1)を音響光学変調器3で光の振動周波数をFb (ビ
ート波の周波数に相当)シフトしてF 1 (従ってFb =
F1 −F2 )とすると共に強度変調する。これらのビー
ム1,2をビームスプリッタ4で合わせてビームエキス
パンダ5でビーム径を拡大して後,レンズ6で集光し,
試料7に照射する。尚この場合,ビーム1とビーム2の
試料7上での照射位置が僅かに異なる(例えば1mm以
下)ように,これらのビームの光軸がビームスプリッタ
4で調整されている。これらのビーム1,2の試料7か
らの反射光をビームスプリッタ8で反射さた,偏光板9
でビーム2とビーム1とを干渉させる。この干渉光を光
電変換器10で受光する。光電変換器10からの出力を
フィルタ11に通した後の信号(ビート波信号)Eは次
式で表される。 E=A(t)・cos(2πFb t+P(t)+Φ) …(1) ここで,A(t)はビーム1,2の強度および試料,干
渉光学系等に依存する関数,P(t)は励起光(ビーム
1)による試料表面の熱膨張変位(光熱変位)によるビ
ーム1,2間の位相変化,ΦはP(t)が零(振動が無
い)のときのビーム1,ビーム2間の光路長差による位
相差である。P(t)は試料が励起光によりL(t)な
る表面変位が生じたとき次式で表される。 P(t)=(4π/λ)・L(t) (λは光の波長) …(2)
た実施例につき説明し,本発明の理解に供する。尚,以
下の実施例は,本発明を具体化した一例であって,本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に,図1は本発明の一実施例に係る光熱変位計測による
試料評価装置の概略構成を示す全体回路図,図2は他の
実施例に係る部分回路図である。本実施例に係る試料評
価方法では,図1に示す如く,試料7に強度変調された
例えば振動周波数F1 の第1の光(ビーム1)を励起光
として照射し試料7に光熱変位(熱膨張振動)を誘起さ
せると共に,同じく上記試料7に強度変調されていない
例えば振動周波数F2 の第2の光(ビーム2)を照射し
て上記ビーム1と上記ビーム2の上記試料7からの反射
光を干渉させ,この干渉光の位相に基づいて上記試料7
を評価する。次に,同図に示す試料評価装置による計測
原理について述べる。まず,He−Neレーザ1からの
出射光(振動周波数:F2 )を偏光ビームスプリッタ2
でビーム1およびビーム2に二分する。その一方(ビー
ム1)を音響光学変調器3で光の振動周波数をFb (ビ
ート波の周波数に相当)シフトしてF 1 (従ってFb =
F1 −F2 )とすると共に強度変調する。これらのビー
ム1,2をビームスプリッタ4で合わせてビームエキス
パンダ5でビーム径を拡大して後,レンズ6で集光し,
試料7に照射する。尚この場合,ビーム1とビーム2の
試料7上での照射位置が僅かに異なる(例えば1mm以
下)ように,これらのビームの光軸がビームスプリッタ
4で調整されている。これらのビーム1,2の試料7か
らの反射光をビームスプリッタ8で反射さた,偏光板9
でビーム2とビーム1とを干渉させる。この干渉光を光
電変換器10で受光する。光電変換器10からの出力を
フィルタ11に通した後の信号(ビート波信号)Eは次
式で表される。 E=A(t)・cos(2πFb t+P(t)+Φ) …(1) ここで,A(t)はビーム1,2の強度および試料,干
渉光学系等に依存する関数,P(t)は励起光(ビーム
1)による試料表面の熱膨張変位(光熱変位)によるビ
ーム1,2間の位相変化,ΦはP(t)が零(振動が無
い)のときのビーム1,ビーム2間の光路長差による位
相差である。P(t)は試料が励起光によりL(t)な
る表面変位が生じたとき次式で表される。 P(t)=(4π/λ)・L(t) (λは光の波長) …(2)
【0007】他方,ビーム1とビーム2の試料7に照射
される前にビームスプリッタ8で反射された光を偏光板
12で干渉させ,この干渉光を光電変換器13で受光す
る。光電変換器13からの出力をフィルタ14に通した
後の信号(ビート波信号)Er は次式で表される。 Er =B(t)・cos(2πFb t+Φ) …(3) ここで,B(t)はビーム1,2の強度及び干渉光学系
等に依存する関数である。次にEの位相を検出するため
に,Eのビート波に対して位相が90°異なる信号R1
と同相の信号R2 を,Er を位相シフタ15で位相調整
することにより生成する。これらは次式で表される。 R1 =K(t)・sin(2πFb t+Φ) R2 =K(t)・cos(2πFb t+Φ) …(4) ここでK(t)はビーム1,ビーム2の強度および干渉
光学系等に依存する関数である。こられの信号とEをミ
キサ16,17でミキシングし,フィルタ18,19で
周波数2Fb 帯を除去した後信号V1 ,V2 を得る。L
(t)がλに比べて十分小さいとき,信号V1 ,V2 は
次式が表される。 V1 =K1 (t)・P(t) V2 =K1 (t) …(5) ここで,K1 (t)はK(t)及びA(t)の関数であ
る。このようにして得られた信号V1 とV2 の比を除算
器20にて算出することにより,光熱変位による位相変
化P(t)を得ることができる。
される前にビームスプリッタ8で反射された光を偏光板
12で干渉させ,この干渉光を光電変換器13で受光す
る。光電変換器13からの出力をフィルタ14に通した
後の信号(ビート波信号)Er は次式で表される。 Er =B(t)・cos(2πFb t+Φ) …(3) ここで,B(t)はビーム1,2の強度及び干渉光学系
等に依存する関数である。次にEの位相を検出するため
に,Eのビート波に対して位相が90°異なる信号R1
と同相の信号R2 を,Er を位相シフタ15で位相調整
することにより生成する。これらは次式で表される。 R1 =K(t)・sin(2πFb t+Φ) R2 =K(t)・cos(2πFb t+Φ) …(4) ここでK(t)はビーム1,ビーム2の強度および干渉
光学系等に依存する関数である。こられの信号とEをミ
キサ16,17でミキシングし,フィルタ18,19で
周波数2Fb 帯を除去した後信号V1 ,V2 を得る。L
(t)がλに比べて十分小さいとき,信号V1 ,V2 は
次式が表される。 V1 =K1 (t)・P(t) V2 =K1 (t) …(5) ここで,K1 (t)はK(t)及びA(t)の関数であ
る。このようにして得られた信号V1 とV2 の比を除算
器20にて算出することにより,光熱変位による位相変
化P(t)を得ることができる。
【0008】尚,本実施例では,光熱変位を変調された
周波数で周期的に誘起させているため,光熱変位の振幅
の検出にはロックインアンプ21を用いている。以上の
ように,本実施例においては強度変調されたビーム1が
励起光として試料7に光熱変位を誘起させると共に、こ
の反射光の位相変化から光熱変位を検出している。即
ち,励起光と測定光とは同一であることから,試料7上
における励起光の照射位置と測定光の照射位置とにずれ
が生じるという不都合はない。更に本実施例において
は,上述の如く試料7からの反射光の位相変化から光熱
変位を計測するため,試料7の反射率変化,ビーム1,
2の強度変化等の影響を受けずに試料7の真の光熱変位
を計測することができる。その結果,高精度で試料の評
価を行うことができる。また,これは励起光の照射によ
り熱弾性波を計測するため,試料7の熱弾性的性質をも
評価することができる。更に,上記実施例に加えて,図
2に示す如く,試料7に照射するビーム1として,He
−Neレーザ1からの出射光を音響光学変調器3で振動
周波数をFbシフトするとともに強度変調して得られる
回折光(1次回折光)を,またビーム2として非回折光
(0次光)をそれぞれ適用するようにしても良い。これ
により,ビーム1による光熱変位に加えてビーム2によ
る光熱変位がビーム1のそれと逆位相で生じることか
ら,これらの熱膨張(光熱変位)による位相差変化P
(t)が増加する。その結果,光熱変位を高感度(高い
信号レベル)で測定することが可能となる。尚,上記実
施例では,He−Neレーザ1を用いたが,色素レーザ
等波長可変光源を用いれば,試料7の分光的評価が可能
となる。
周波数で周期的に誘起させているため,光熱変位の振幅
の検出にはロックインアンプ21を用いている。以上の
ように,本実施例においては強度変調されたビーム1が
励起光として試料7に光熱変位を誘起させると共に、こ
の反射光の位相変化から光熱変位を検出している。即
ち,励起光と測定光とは同一であることから,試料7上
における励起光の照射位置と測定光の照射位置とにずれ
が生じるという不都合はない。更に本実施例において
は,上述の如く試料7からの反射光の位相変化から光熱
変位を計測するため,試料7の反射率変化,ビーム1,
2の強度変化等の影響を受けずに試料7の真の光熱変位
を計測することができる。その結果,高精度で試料の評
価を行うことができる。また,これは励起光の照射によ
り熱弾性波を計測するため,試料7の熱弾性的性質をも
評価することができる。更に,上記実施例に加えて,図
2に示す如く,試料7に照射するビーム1として,He
−Neレーザ1からの出射光を音響光学変調器3で振動
周波数をFbシフトするとともに強度変調して得られる
回折光(1次回折光)を,またビーム2として非回折光
(0次光)をそれぞれ適用するようにしても良い。これ
により,ビーム1による光熱変位に加えてビーム2によ
る光熱変位がビーム1のそれと逆位相で生じることか
ら,これらの熱膨張(光熱変位)による位相差変化P
(t)が増加する。その結果,光熱変位を高感度(高い
信号レベル)で測定することが可能となる。尚,上記実
施例では,He−Neレーザ1を用いたが,色素レーザ
等波長可変光源を用いれば,試料7の分光的評価が可能
となる。
【0009】
【発明の効果】本発明に係る光熱変位計測による試料評
価方法は,上記したように構成されているため,従来技
術の場合のように励起光の照射位置と測定光の照射位置
とがずれるといった問題を生じることはなく,また,試
料の温度変化,プラズマ密度の変化等による試料の反射
率の変化といった外乱の影響も受けず,真の熱膨張振動
を計測することができる。その結果,高精度で試料の評
価を行うことができる。
価方法は,上記したように構成されているため,従来技
術の場合のように励起光の照射位置と測定光の照射位置
とがずれるといった問題を生じることはなく,また,試
料の温度変化,プラズマ密度の変化等による試料の反射
率の変化といった外乱の影響も受けず,真の熱膨張振動
を計測することができる。その結果,高精度で試料の評
価を行うことができる。
【図1】 本発明の一実施例に係る光熱変位計測による
試料評価装置の概略構成を示す全体回路図。
試料評価装置の概略構成を示す全体回路図。
【図2】 他の実施例に係る部分回路図。
【図3】 従来のマイケルソン型レーザ干渉法により試
料の熱膨張振動を計測する手法を示す説明図。
料の熱膨張振動を計測する手法を示す説明図。
【図4】 従来の反射率計測法に基づく手法を示す説明
図。
図。
1…He−Neレーザ 2…偏光ビームスプリッタ 3…音響光学変調器 4,8…ビームスプリッタ 5…ビームエキスパンダ 6…レンズ 7…試料 9,12…偏光板 10,13…光電変換器 11,14,18,19…フィルタ 15…位相シフタ 16,17…ミキサ 20…除算器 21…ロックインアンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01N 25/72 Y 6928−2J
Claims (3)
- 【請求項1】 試料に光を照射し,それによる試料の光
熱変位を計測することにより試料を評価する方法におい
て,光の振動周波数が異なる2つの光の内少なくとも1
つを強度変調し,それぞれを上記試料の異なる位置に照
射し,上記試料からの反射光を干渉させ,この干渉光の
位相に基づいて上記試料を評価することとした光熱変位
計測による試料評価方法。 - 【請求項2】 上記2つの光の強度変調を逆位相とした
請求項1記載の光熱変位計測による試料評価方法。 - 【請求項3】 上記試料に照射される前の上記2つの光
を分岐して干渉させ,この干渉光の位相を上記試料を評
価するに際しての基準とする請求項1又は2記載の光熱
変位計測による試料評価方法。
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