JP2005338063A - Apparatus for measuring physical characteristics of sample - Google Patents
Apparatus for measuring physical characteristics of sample Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005338063A JP2005338063A JP2005117623A JP2005117623A JP2005338063A JP 2005338063 A JP2005338063 A JP 2005338063A JP 2005117623 A JP2005117623 A JP 2005117623A JP 2005117623 A JP2005117623 A JP 2005117623A JP 2005338063 A JP2005338063 A JP 2005338063A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sample
- playback
- initial
- probe
- acoustic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、試料の物理的な特性を測定するための装置に係り、特に、音響的方法による物質の物理的な特性の測定装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for measuring a physical property of a sample, and more particularly to an apparatus for measuring a physical property of a substance by an acoustic method.
音波を用いた物質の物理的な特性の非破壊測定は、表面下の特性をプローブすることが可能であるため、多様な分野で提案されてきた。ボイド、欠陥、クラックまたは他の不均質な領域など、多くの音響散乱体を含む複雑な物質のプローブに関連する利用分野の中で、特に興味深いのが音響時間反転の方法である。例えば下記特許文献1〜4で明示されているように、この分野には多様な技術がある。これらの方法が特に優れているのは、等方性または異方性などの、試料の結晶状態とは無関係に、また音響散乱体が分布していても、繰り返し時間反転法あるいは音響源のアレイを用いたマトリックス法によって、試料中の個々の音響散乱体の同定および分析が可能であるという点である。
Nondestructive measurement of physical properties of materials using acoustic waves has been proposed in various fields because it is possible to probe subsurface properties. Of particular interest among applications relating to the probe of complex materials, including many acoustic scatterers, such as voids, defects, cracks or other inhomogeneous regions, is the method of acoustic time reversal. For example, there are various technologies in this field, as clearly shown in
基本原理は、試料の局所領域中で短い音響パルスを生成し、初期局所音波源を構成するものである。試料中の音響擾乱は、より広い範囲の音響波数ベクトルを含むほど有利である。試料の初期プローブ領域と呼ぶことにする試料の同じまたは別の領域で、典型的には、音波発生用にも使える超音波トランスデューサにより、音響応答を時間の関数として記録する。 The basic principle is to generate a short acoustic pulse in a local region of the sample and constitute an initial local acoustic wave source. It is advantageous that the acoustic disturbance in the sample includes a wider range of acoustic wave vectors. The acoustic response is recorded as a function of time, typically by an ultrasonic transducer that can also be used for sound generation, in the same or another region of the sample, referred to as the initial probe region of the sample.
この記録にかかる時間は検出された音響信号、すなわちコーダ波が完全に消滅するほど長いことが多い。初期信号群と呼ぶことにするこの信号を記憶し、電子的に時間反転する。次に、同じ圧電トランスデューサにより、試料の同じ初期プローブ領域でプレイバックする。試料中の音響伝播が、散逸過程にあまり強く影響されたり、ドリフトまたはクリープに支配されていなければ、音響伝播は合理的近似で時間tの偶数次数だけを含む弾性波動方程式に従い、この時間反転されたプレイバック音響擾乱の部分または全てが、試料中の同じ経路を再び、ただし逆向きにたどり、初期局所音波源の領域に再び集束される。集束された音波はそこで例えば、初期インパルス局所音波源に用いられたのと同じ超音波トランスデューサによって検出できる。初期局所音波源と試料の初期プローブ領域との間に散乱媒体が存在してもこれは成立する。 The time required for this recording is often so long that the detected acoustic signal, that is, the coder wave completely disappears. This signal, referred to as the initial signal group, is stored and electronically time-reversed. The same piezoelectric transducer is then played back at the same initial probe area of the sample. If the acoustic propagation in the sample is not very strongly influenced by the dissipation process or controlled by drift or creep, the acoustic propagation is time-reversed according to an elastic wave equation that includes only an even order of time t in a reasonable approximation. Part or all of the playback acoustic disturbance is again focused on the region of the initial local acoustic source, following the same path in the sample, but in the reverse direction. The focused sound wave can then be detected, for example, by the same ultrasonic transducer used for the initial impulse local sound source. This is true even if there is a scattering medium between the initial local acoustic wave source and the initial probe region of the sample.
プレイバック音響擾乱は、電子的に時間反転した信号の完全なコピーとして選択されなくてもよい。例えば1ビットの情報だけが残るようにそれをディジタル化してもよい。または、例えば時間反転した信号の一部だけがプレイバックされるように時間ゲート処理してもよい。この時間ゲート処理法は、上記の時間反転プロセスを繰り返すことにより、物質内に埋れた音響散乱体の同定に効果的であることがわかった。初期局所音波源領域で検出されたプレイバック音響擾乱を表す信号を、電子的に時間反転して、試料の同じ部分でプレイバックすれば、測定の初期およびプレイバック段階で構成される全プロセスを、所望の回数だけ実行できる。このような繰り返し法により、音響擾乱は変化し収束して、微弱な散乱体を無視し、試料中で優勢な一つ以上の音響散乱体の場所で大きな振幅が生成される。この方法は物質中の散乱体の同定に有用であることが証明されている。 The playback acoustic disturbance may not be selected as a complete copy of the electronically time-reversed signal. For example, it may be digitized so that only one bit of information remains. Alternatively, for example, time gate processing may be performed so that only a part of the time-reversed signal is played back. This time-gating method has been found to be effective in identifying acoustic scatterers embedded in the material by repeating the time reversal process described above. If the signal representing the playback acoustic disturbance detected in the initial local acoustic source region is electronically time-reversed and played back on the same part of the sample, the entire process consisting of the initial and playback stages of the measurement Can be executed as many times as desired. By such an iterative method, the acoustic disturbance changes and converges, ignoring the weak scatterers, and generating a large amplitude at the location of one or more acoustic scatterers that predominate in the sample. This method has proven useful for identifying scatterers in materials.
上記時間ゲート処理法の一般化法も提案されており、時間反転演算子分解法として知られている。この方法では、個々の散乱体を同定するために、超音波トランスデューサなどの局所音波源のアレイを用いる。あるトランスデューサで、別のトランスデューサが発生した音響信号を記録し、これをトランスデューサのすべての組合せで実行すれば、測定対象である試料の完全な音響信号がマトリックスとしてできあがる。このマトリックスの演算により、音響発生および時間反転プレイバックを含む反復プロセスで媒体中の主要な音響散乱体を同定することが可能になる。 A generalized method of the above time gate processing method has also been proposed and is known as a time reversal operator decomposition method. This method uses an array of local acoustic sources, such as ultrasonic transducers, to identify individual scatterers. If one transducer records an acoustic signal generated by another transducer and executes this with all combinations of transducers, a complete acoustic signal of the sample to be measured is produced as a matrix. This matrix operation makes it possible to identify the main acoustic scatterers in the medium in an iterative process involving sound generation and time reversal playback.
この方法の他の重要な利用分野は、空間的には分布しているが、全て同じ点に集束する多くのプレイバック音響擾乱を用いた、高い音響強度の実現に関連する。特に高い音響強度を生じさせるためには、例えば音響導波路中で実行することができる。 Another important area of application of this method relates to the realization of high acoustic intensity using many playback acoustic disturbances that are spatially distributed but all converge to the same point. In order to produce a particularly high acoustic intensity, it can be carried out, for example, in an acoustic waveguide.
音波の集束に関連する利用分野には、例えば、下記非特許文献1に説明されるように、初期局所音波源として作用する超音波トランスデューサを含む無秩序音響空洞の使用がある。この超音波トランスデューサにプレイバックするために必要な時間反転信号の知識があれば、無秩序音響空洞の内または外の予め選択した点に集束させることが可能である。この必要な時間反転信号は、予め選択した点に局所音波源を置き、無秩序音響空洞中の超音波トランスデューサで音響信号を検出することにより、前もって測定できる。この音響信号を時間反転することで必要な信号が得られる。
A field of application related to acoustic focusing is the use of disordered acoustic cavities that include an ultrasonic transducer acting as an initial local acoustic source, as described, for example, in Non-Patent
顕著な音響非線形性または散逸過程が存在しても、音響時間反転法を用いて試料の有用な物理的情報を得られることも示されている。 It has also been shown that in the presence of significant acoustic non-linearity or dissipation processes, the acoustic time reversal method can be used to obtain useful physical information about the sample.
音響時間反転に基づくこれらの有望な技術は、主として従来の超音波圧電トランスデューサに依存する。そのようなトランスデューサは、一般には対応する波長が0.1−1mmの範囲のような比較的低いMHz領域の周波数帯域に限定される。より高いGHz域までの周波数での圧電トランスデューサの使用は可能ではあるが、効率が非常に悪く、実施が非常に難しく、かつ高価になる。さらに、このような従来の音響時間反転法では、試料または例えば水などの結合媒体との接触が必要である。したがってこれらの方法は例えば、サブナノメートル(nm)域までの短い音響波長、または1THzまであるいはそれ以上の高い周波数を必要とするミクロ構造またはナノ構造の評価には適用できない。 These promising techniques based on acoustic time reversal rely primarily on conventional ultrasonic piezoelectric transducers. Such transducers are generally limited to relatively low MHz frequency bands such as the corresponding wavelength range of 0.1-1 mm. Although it is possible to use piezoelectric transducers at frequencies up to higher GHz, it is very inefficient, very difficult to implement and expensive. Furthermore, such conventional acoustic time reversal methods require contact with a sample or a binding medium such as water. Thus, these methods are not applicable, for example, to the evaluation of microstructures or nanostructures that require short acoustic wavelengths up to the sub-nanometer (nm) range, or high frequencies up to 1 THz or higher.
音響時間反転法と組み合わせた非接触音響発生への若干の進歩がなされた。例えば、下記非特許文献2中で、初期局所音波源を生成するレーザーパルス、および連続波放射に基づく時間反転プレイバック音響擾乱検出用の光干渉計の使用が報告されている。しかし、この従来方式のレーザー音響方法は、1GHzを超える非常に高い音響周波数には使えない。
Some progress has been made to non-contact sound generation combined with acoustic time reversal method. For example, Non-Patent
ミクロンまたはサブミクロンの薄膜の厚さを測定するための音響パルスエコー技術が、下記特許文献5により提案された。この方法では、超短持続時間ポンプ光パルスによって試料中に短波長の縦方向音響パルスを励起し、遅延した超短持続時間プローブ光パルスを用いて、試料の光定数中に歪み誘起された変化を、特に試料から反射されたプローブビームの強度変化を測定することによって検出する。しかし、このような音響パルスエコー装置では音響伝播時間だけが測定されるので、弾性定数および密度に依存する膜の音速度が既知でないと、この装置は膜厚決定に使えない。したがってこの装置は音速度の較正を必要とする点で不利である。さらに、この装置は試料中に顕著な数の音響散乱体または不均質領域があるとき、層が多過ぎるときには、検出された複雑で比較的長いエコー波形を解析することが難しいため役に立たない。
An acoustic pulse echo technique for measuring the thickness of a micron or submicron thin film has been proposed by the following
膜の厚さおよび音速度を同時に決定できないという制限を回避するために使用でき、超短波長の光パルスにより試料中に短い波長の音波を発生させ検出する類似の装置が、下記特許文献6〜8に提案された。遅延した超短持続時間プローブ光パルスを用いて、干渉計で検出を行い、特に試料の表面変位のモニタリングを可能にし、表面音波伝播の二次元空間像を時間の関数として得ることができる。この方法は縦方向の音波に加えて表面音波の測定に適し、例えば薄膜の厚さおよび音速度を導き出すことが可能である。しかしこの方法は、一連の単純な励起および検出プロセスに依存しているため、多数の音響散乱体または不均質領域を含む試料の測定にはやはり適しない。
一般的に持続時間が0.02psから20nsまでの短い光ポンプパルスを使用して、典型的にはサブナノメーターから20μmオーダーの音響波長を含み得る音波を生成し、ついでポンプパルスと類似の持続時間を持つ遅延した短い光プローブパルスを用いてこれを検出することにより、ミクロ構造またはナノ構造などの物質の物理的な特性を、一般的に0.2nmから20μmまでの比較的短い長さスケールで非接触測定することができる。この発生方法では、一般に試料のいろいろな方向に伝播する短波長の音響擾乱が生じる。しかし顕著な数の音響散乱体または不均質領域、または多数の層を含む試料の場合には、複雑な比較的長いコーダ波が検出され、解析することが非常に難しい。 In general, short optical pump pulses with durations from 0.02 ps to 20 ns are used to generate sound waves that can typically include acoustic wavelengths on the order of 20 μm from sub-nanometers, and then similar durations as pump pulses By detecting this with a delayed short optical probe pulse having a physical property of a material such as a microstructure or nanostructure, typically on a relatively short length scale from 0.2 nm to 20 μm Non-contact measurement can be performed. This generation method generally produces short-wavelength acoustic disturbances that propagate in various directions of the sample. However, for samples containing a significant number of acoustic scatterers or inhomogeneous regions, or multiple layers, complex, relatively long coder waves are detected and very difficult to analyze.
本発明は、音響時間反転の原理、および超短光パルスの発生および短波長音波の検出に基づいて、試料の物理的な特性を測定するための装置に関する。本発明により、非常に小さなものであり得るが、顕著な数の散乱体または不均質領域、または多数の層を含むことがある特徴的な構造をもつ試料の検査が可能となる。本発明は簡単な方法で実現できる。特に、音響時間反転を組み込んで、変調された音響発生方法を含む単一段階で音響擾乱の所定のプレイバックを実行する必要がなく、一連のプレイバック局所音波源を用いることにより、初期プローブ領域における前記初期音響擾乱の時間反転によって生成される音響伝播に基づいて実効的に発生する、処理されたプレイバック信号群が得られることを明らかにする。たとえば、個々のそのような局所音波源に対して、単にプレイバック光ポンプ放射の単一の短パルスを用いてもよく、それにより短い時間スケールで、光変調のための余分な装置を必ずしも必要とせずに、音響時間反転を実現する。さらに、合成されたプレイバック信号群を用いることにより、プレイバック音響擾乱を必ずしも直接的に測定せずに音響時間反転を実現する。 The present invention relates to an apparatus for measuring the physical properties of a sample based on the principle of acoustic time reversal and the generation of ultrashort light pulses and the detection of short wavelength sound waves. The present invention allows inspection of samples with characteristic structures that can be very small, but which may include a significant number of scatterers or inhomogeneous regions, or multiple layers. The present invention can be realized in a simple manner. In particular, by incorporating acoustic time reversal, there is no need to perform a predetermined playback of acoustic disturbances in a single stage, including a modulated sound generation method, and by using a series of playback local acoustic sources, the initial probe region It is clarified that a processed playback signal group that is effectively generated based on the acoustic propagation generated by the time reversal of the initial acoustic disturbance is obtained. For example, for each such local acoustic source, a single short pulse of playback optical pump radiation may be used, thereby necessarily requiring extra equipment for light modulation on a short time scale. Without reversing, the acoustic time reversal is realized. Furthermore, by using the synthesized playback signal group, the acoustic time reversal is realized without necessarily directly measuring the playback acoustic disturbance.
本発明は、短い時間スケールでの短波長の音波の音響時間反転法を用いることができるため、顕著な数の散乱体または不均質領域、または多数の層をもつミクロ構造およびナノ構造の非破壊評価ができる。その上、本発明は光学的方法であることから、試料との機械的接触も、試料と接触する結合媒体も必要としない。本発明によれば、必要であれば、分析している試料中の音響擾乱の伝播を、時間の関数として空間画像化するなど、測定プロセスの任意の段階でさらに価値ある情報を提供することもできる。 The present invention can use acoustic time reversal of short wavelength acoustic waves on a short time scale, so that non-destructive of microstructures and nanostructures with a significant number of scatterers or inhomogeneous regions, or multiple layers. Can be evaluated. Moreover, since the present invention is an optical method, it does not require mechanical contact with the sample nor a binding medium in contact with the sample. The present invention also provides more valuable information at any stage of the measurement process, if necessary, such as spatial imaging of the propagation of acoustic disturbances in the sample being analyzed as a function of time. it can.
短い光パルスを使用して短波長音波を生成し検出することにより、試料の物理的な特性を測定するための改善された装置を提供することが本発明の目的である。 It is an object of the present invention to provide an improved apparatus for measuring physical properties of a sample by generating and detecting short wavelength sound waves using short light pulses.
音響時間反転法を短波長音波に適用可能にすることにより、試料の物理的な特性を測定するような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。 It is a further object of the present invention to provide such an apparatus that measures the physical properties of a sample by making the acoustic time reversal method applicable to short wavelength sound waves.
非常に小さなものであり得るが、顕著な数の散乱体または不均質領域、または多数の層を含むことがある特徴的な構造をもつ試料の検査を可能とするような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。 Providing an apparatus that allows inspection of samples with a characteristic structure that may be very small, but that may include a significant number of scatterers or inhomogeneous regions, or multiple layers It is a further object of the present invention.
試料との機械的な接触を必要とせず、非破壊的であり得るような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。 It is a further object of the present invention to provide such an apparatus that does not require mechanical contact with the sample and can be non-destructive.
短い長さスケールで試料の物理的な特性を測定することができるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。 It is a further object of the present invention to provide such an apparatus that can measure the physical properties of a sample on a short length scale.
試料の領域中に伝播する音響擾乱の像を1ミクロン以下のオーダーの小さな空間分解能で作成することができるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。 It is a further object of the present invention to provide such an apparatus that can produce an image of acoustic disturbances propagating in the region of the sample with a small spatial resolution on the order of 1 micron or less.
試料の物理的な特性を測定することができ、同時に試料中に伝播する音響擾乱の空間像を時間の関数として生成できるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。 It is a further object of the present invention to provide an apparatus that can measure the physical properties of a sample and at the same time generate an aerial image of acoustic disturbances propagating in the sample as a function of time.
ミクロ構造、ナノ構造、薄膜、多層、複合材料、多結晶の試料、およびボイド、欠陥、クラック、転位または短い長さスケールを特徴とする他の不均質な領域を含む試料の物理的な特性を測定することができるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。 Physical properties of samples including microstructures, nanostructures, thin films, multilayers, composites, polycrystalline samples, and other inhomogeneous regions characterized by voids, defects, cracks, dislocations or short length scales It is a further object of the present invention to provide such an apparatus that can be measured.
不透明、透明または半透明な部分またはこれらの組み合わせで構成される試料の物理的な特性を測定することができるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。 It is a further object of the present invention to provide such an apparatus that can measure the physical properties of a sample composed of an opaque, transparent or translucent part or a combination thereof.
等方性または異方性である試料を測定することができるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。 It is a further object of the present invention to provide such an apparatus that can measure samples that are isotropic or anisotropic.
測定の初期およびプレイバック段階を含む完全な音響時間反転処理に必要な全ての操作を達成でき、なおかつ、振幅、位相または偏光状態が変調されていない一連の系列の短い光パルスを用いることによっても操作できるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。 All the operations necessary for a complete acoustic time reversal process, including the initial and playback phases of the measurement, can be achieved, and also by using a series of short light pulses that are not modulated in amplitude, phase or polarization state It is a further object of the present invention to provide such an apparatus that can be operated.
完全な音響時間反転処理に必要な全ての操作を、実際のプレイバック段階の測定を行うことなしに、初期段階の測定結果から合成されたプレイバック信号群を用いることによって操作できるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。 A device that can operate all operations necessary for complete acoustic time reversal processing by using the playback signal group synthesized from the measurement results of the initial stage, without performing the actual playback stage measurement. It is a further object of the present invention to provide.
本発明は、上記したような試料の物理的な特性を測定するための装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring the physical characteristics of a sample as described above.
本発明の特徴は、光ポンププローブ法と音響時間反転の方法を組み合わせたことである。既存の音響時間反転法では扱える音響周波数の上限がMHz程度であるのに対して、本発明ではそれよりはるかに高いTHz領域の音響周波数を扱うことが可能になった。本発明による測定装置は、薄膜・多層膜・ナノ構造の主として積層方向に沿った1次元的な情報を取得するのみならず、これらの試料の表面に沿った2次元的な測定も可能である。さらに音波を3次元的な任意の位置に再集束させることも可能である。この方法ではポンプ光パルスを超高速時間変調する必要は無く、従って既に確立された標準的なレーザーピコ秒音響法の技術が使用可能である。本発明により薄膜・多層膜・ナノ構造における欠陥や各層膜厚を評価することができる。 A feature of the present invention is that an optical pump probe method and an acoustic time reversal method are combined. While the upper limit of the acoustic frequency that can be handled by the existing acoustic time reversal method is about MHz, in the present invention, it is possible to handle an acoustic frequency in a much higher THz region. The measuring apparatus according to the present invention can not only acquire one-dimensional information mainly along the stacking direction of thin films, multilayer films, and nanostructures, but also can perform two-dimensional measurements along the surfaces of these samples. . It is also possible to refocus the sound wave at an arbitrary three-dimensional position. This method eliminates the need for ultrafast time modulation of the pump light pulse, so that the established standard laser picosecond acoustic technique can be used. According to the present invention, defects in the thin film, multilayer film, and nanostructure and the film thickness of each layer can be evaluated.
本発明は、真に有効な測定機器は、短光パルスによって照射されるとき、比較的短い長さスケールで試料の音響応答について最大の情報量をモニターでき、同時に試料中の顕著な数の音響散乱体または不均質領域、または多数の層も許容可能であるべきだとの認識に基づくものである。 The present invention allows a truly effective measurement instrument to monitor the maximum amount of information about the acoustic response of a sample on a relatively short length scale when illuminated by short light pulses, while at the same time a significant number of acoustics in the sample. It is based on the recognition that scatterers or inhomogeneous regions or multiple layers should also be acceptable.
本発明は、短いポンプ光パルスを用いて、試料中に音響擾乱を生成する局所音波源を発生させ、次いで短いプローブ光パルスで音響擾乱を検出することにより、試料の物理的な特性を測定する装置を特徴とする。一般的に0.002ピコ秒(ps)から20ナノ秒(ns)の持続時間を有する周期的な一連の短い光パルスからなるパルスポンプビームを提供するコヒーレントな、または部分的にコヒーレントな放射源がある。そのような放射源の代表例は、高反復率のモードロック固体レーザーである。また、通常は測定ビームと同じ放射源に由来する、一般的に0.002psから20nsの持続時間を有する周期的な一連の短いプローブ光パルスからなる、パルスプローブビームを提供する放射源もある。ポンプおよびプローブ放射は10ナノメートル(nm)から100ミクロンの波長範囲で構成されることができ、同じ中心波長または光スペクトル成分をもつ必要はない。これらのポンプおよびプローブビームは一般的に軸対称な断面、例えばガウス(Gaussian)断面をもって試料に集束することができる。 The present invention measures the physical properties of a sample by using a short pump light pulse to generate a local acoustic source that generates an acoustic disturbance in the sample, and then detecting the acoustic disturbance with a short probe light pulse. Features the device. A coherent or partially coherent radiation source providing a pulsed pump beam consisting of a series of periodic short light pulses, typically having a duration of 0.002 picoseconds (ps) to 20 nanoseconds (ns) There is. A typical example of such a radiation source is a high repetition rate mode-locked solid state laser. There are also radiation sources that provide a pulsed probe beam, which consists of a periodic series of short probe light pulses, usually from the same radiation source as the measurement beam, typically having a duration of 0.002 ps to 20 ns. Pump and probe radiation can be configured in the wavelength range of 10 nanometers (nm) to 100 microns and need not have the same central wavelength or optical spectral components. These pump and probe beams can be focused on the sample with a generally axisymmetric cross-section, such as a Gaussian cross-section.
一本の初期ポンプビームを、試料上に入射するとき初期プローブブームと共線的(collinear)であってもよい選択された方向から試料上へ向ける。初期ポンプ光パルスの役割は、広い範囲の音響波数ベクトルおよび周波数成分を含む初期局所音波源を提供することである。単独または複数の初期プローブビームの役割は、試料の表面または内部で生じる初期音響擾乱をプローブすることである。これは、初期ポンプ光パルスが試料に到着することで誘起される初期音響擾乱による、初期プローブ光放射の振幅、位相または偏光状態の変調により可能となる。あるいは、初期ポンプ光パルスが試料に到着した後、試料に連続して入射する二つの初期プローブ光パルスの振幅、位相または偏光状態の差の変調によっても実現できる。 A single initial pump beam is directed onto the sample from a selected direction that may be collinear with the initial probe boom when incident on the sample. The role of the initial pump light pulse is to provide an initial local acoustic source that includes a wide range of acoustic wave number vectors and frequency components. The role of the single or multiple initial probe beams is to probe initial acoustic disturbances that occur on or inside the sample. This is made possible by modulation of the amplitude, phase or polarization state of the initial probe light emission due to the initial acoustic disturbance induced by the arrival of the initial pump light pulse at the sample. Alternatively, it can also be realized by modulating the difference in amplitude, phase, or polarization state of two initial probe light pulses incident on the sample after the initial pump light pulse arrives at the sample.
音響擾乱は、例えば縦波、せん断波、準縦波、準せん断波、表面音波または界面波などであってもよい。表面近くを伝播する波の特定の例としてはレイリー(Rayleigh)波、ラム(Lamb)波、ラブ(Love)波、ストンレー(Stoneley)波、一般表面音波、擬似表面音波または表面スキミングバルク波がある。これらは、試料の表面または試料内の界面の機械的運動、および試料中で種々の音響歪みの場を作り出す。初期プローブビームを含む光パルスの振幅、位相または偏光状態を変調するのはこれらの擾乱である。 The acoustic disturbance may be, for example, a longitudinal wave, a shear wave, a quasi-longitudinal wave, a quasi-shear wave, a surface acoustic wave, or an interface wave. Specific examples of waves that propagate near the surface include Rayleigh waves, Lamb waves, Love waves, Stoneley waves, general surface acoustic waves, pseudo surface acoustic waves, or surface skimming bulk waves . They create mechanical motion of the sample surface or interface within the sample, and various acoustic distortion fields in the sample. It is these disturbances that modulate the amplitude, phase or polarization state of the light pulse containing the initial probe beam.
初期ポンプパルスと初期プローブパルスとの間の、初期遅延時間と呼ばれる到着時間の間隔を変化させ、初期プローブ光放射中にこの初期遅延時間の関数として音響的に誘起された変化を引き起こす。初期プローブ光放射中に初期遅延時間の関数として音響的に誘起されたこれらの変化に比例する初期信号群は、例えばコンピュータのメモリー中に記憶される。次いで、プレイバック関数を計算するために、この初期信号群を処理する。プレイバック関数を計算するのは、装置に実装して音響時間反転の実行に使用するためである。このプレイバック関数は畳み込み演算に用いられる。その目的は、一連の短い光放射のプレイバックポンプパルスによって試料中のプレイバック局所音波源の発生を制御するとき、または後でプレイバック信号群を処理するときのどちらかに、この畳み込み演算を適用することである。後者の方法にはいかなる光変調装置も必要としないという長所がある。 The interval of arrival time, called the initial delay time, is changed between the initial pump pulse and the initial probe pulse, causing an acoustically induced change as a function of this initial delay time during the initial probe light emission. A set of initial signals proportional to these acoustically induced changes as a function of the initial delay time during initial probe light emission is stored, for example, in a computer memory. The initial signal group is then processed to calculate the playback function. The playback function is calculated because it is implemented in a device and used to perform acoustic time reversal. This playback function is used for the convolution operation. Its purpose is to perform this convolution operation either when controlling the generation of the playback local sound source in the sample by a series of short light emission playback pump pulses or when processing the playback signal group later. Is to apply. The latter method has the advantage of not requiring any light modulation device.
一本のプレイバックポンプビームを選ばれた方向から試料へ向ける。試料上に入射するとき、プレイバックプローブビームと共線形でもよい。プレイバックポンプ光パルスの役割は、プレイバック局所音波源を提供することである。プレイバックプローブビームの役割は、試料の表面または内部において生じるプレイバック音響擾乱をプローブすることである。これは測定の初期段階と同じように、プレイバックポンプ光パルスが試料に到着することで誘起されるプレイバック音響擾乱によって、プレイバックプローブ光放射の振幅、位相または偏光状態を変調することにより可能となる。あるいは、これはプレイバックポンプ光パルスが試料に到着した後に、試料に連続的に入射する、二つのプレイバックプローブ光パルスの振幅、位相または偏光状態の差を変調することによっても実現できる。一連の光放射の短いプレイバックポンプパルスは初期プローブ領域またはその近くに向けられ、そこで試料中にプレイバック局所音波源を発生させる。この領域は初期局所音波源と同じでも同じでなくてもよい。プレイバックポンプパルスとプレイバックプローブパルスの到着時間の間の、プレイバック遅延時間と呼ばれる間隔を変化させ、プレイバックプローブ光放射中にこのプレイバック遅延時間の関数として音響的に誘起された変化を引き起こす。プレイバックプローブ光放射中にプレイバック遅延時間の関数として音響的に誘起されたこれらの変化に比例するプレイバック信号群は、例えばコンピュータのメモリー中に記憶される。 A single playback pump beam is directed to the sample from the chosen direction. When incident on the sample, it may be collinear with the playback probe beam. The role of the playback pump light pulse is to provide a playback local acoustic wave source. The role of the playback probe beam is to probe playback acoustic disturbances that occur on or inside the sample. This can be done by modulating the amplitude, phase, or polarization state of the playback probe light emission by the playback acoustic disturbances induced by the arrival of the playback pump light pulse at the sample, as in the initial stage of measurement. It becomes. Alternatively, this can also be achieved by modulating the difference in amplitude, phase or polarization state of two playback probe light pulses that are continuously incident on the sample after the playback pump light pulse arrives at the sample. A series of short playback pump pulses of light emission are directed to or near the initial probe region, where a playback local acoustic wave source is generated in the sample. This region may or may not be the same as the initial local acoustic wave source. By changing the interval called playback delay time between the arrival times of the playback pump pulse and playback probe pulse, acoustically induced changes as a function of this playback delay time during playback probe light emission. cause. A set of playback signals proportional to these acoustically induced changes as a function of playback delay time during playback probe light emission is stored, for example, in a computer memory.
音響時間反転を実際のプレイバック段階の測定を行うことなしに実現することも可能である。この場合、初期段階の測定で得られた初期信号群から合成されたプレイバック信号群を用いて音響時間反転を実現する。 It is also possible to achieve acoustic time reversal without taking measurements in the actual playback phase. In this case, the acoustic time reversal is realized using a playback signal group synthesized from the initial signal group obtained in the initial stage measurement.
本発明の一つの実施態様においては、プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態をプレイバック遅延時間の関数として変調するための手段が存在する。これはプレイバック関数に依存する方法である。あるいは、もう一つの実施態様においては、プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態を変調するための手段を必要とせずにプレイバック信号群が処理される。さらにもう一つの実施態様においては、光放射のプレイバックポンプパルスとして、プレイバック局所音波源の発生が容易になるように振幅、位相または偏光状態を調整して望みの形状のパルスを選ぶことができる。これらの操作の目的は、前記初期プローブ領域における時間反転された前記初期音響擾乱または前記初期音響擾乱の時間ゲート処理された部分の発生によって生成される音響伝播に基づいて効果的に、重ね合せの原理を用いて、前記処理されたプレイバック信号群を所定の近似で再現することである。 In one embodiment of the invention, there are means for modulating the amplitude, phase or polarization state of the playback light pump radiation as a function of the playback delay time. This is a method that depends on the playback function. Alternatively, in another embodiment, the playback signals are processed without the need for means for modulating the amplitude, phase or polarization state of the playback light pump radiation. In yet another embodiment, a playback pump pulse of light radiation may be selected by adjusting the amplitude, phase, or polarization state to facilitate generation of a playback local acoustic wave source. it can. The purpose of these operations is to effectively superimpose based on the acoustic propagation generated by the generation of the time-reversed initial acoustic disturbance or the time-gated portion of the initial acoustic disturbance in the initial probe region. Using the principle, the processed playback signal group is reproduced with a predetermined approximation.
従来の音響時間反転では超音波トランスデューサの配列を用いることが多いが、一つの配列が測定の初期およびプレイバック段階の両方の役割を果たすこともあるし、試料の異なる領域において二つ以上の配列で初期段階およびプレイバック段階が実行されることもある。本発明においては、試料と相互作用する光ビームの位置を走査することにより、一つ以上の超音波トランスデューサ配列と同じ効果が得られる。本発明は、一点ずつ独立に測定して空間および時間上で和をとり、必要な信号群を組み立てるのに適している。 Traditional acoustic time reversal often uses an array of ultrasonic transducers, but one array can serve as both the initial and playback stages of the measurement, or two or more arrays in different regions of the sample In some cases, an initial stage and a playback stage are executed. In the present invention, the same effect as one or more ultrasonic transducer arrays can be obtained by scanning the position of the light beam interacting with the sample. The present invention is suitable for assembling necessary signals by measuring points one by one and summing them in space and time.
この目的で、プローブされた初期音響擾乱を表すデータ群を作成するために、初期局所音波源または初期プローブ領域の位置または相対位置を走査するための手段を導入することができる。そのような測定の代表的な例は、測定のこの初期段階のために超音波トランスデューサの線形配列をシミュレーションすることを目的として、単独の初期局所源を使用し、また初期プローブ領域の線形配列に対応するデータ群を作成する方法である。 For this purpose, means can be introduced for scanning the position or relative position of the initial local acoustic source or the initial probe region in order to generate a group of data representing the probed initial acoustic disturbances. A typical example of such a measurement is to use a single initial local source for the purpose of simulating a linear array of ultrasonic transducers for this initial stage of measurement, and to a linear array of initial probe regions. This is a method of creating a corresponding data group.
プローブされたプレイバック音響擾乱を表すデータ群を作成するために、プレイバック局所音波源およびプレイバックプローブ領域の位置または相対位置を走査する場合にも同じことがいえる。そのような測定の代表的な例は、測定のこのプレイバック段階のために超音波トランスデューサの線形配列をシミュレーションすることを目的として、単独のプレイバック局所源を使用し、またプレイバックプローブ領域の線形配列に対応するデータ群を作成する方法である。 The same is true when scanning the position or relative position of the playback local acoustic wave source and the playback probe region in order to create a data group representing the probed playback acoustic disturbance. A typical example of such a measurement uses a single playback local source for the purpose of simulating a linear array of ultrasound transducers for this playback stage of the measurement, and also for the playback probe region. This is a method for creating a data group corresponding to a linear array.
従来の音響時間反転においては、時として測定を繰り返すことが必要であり、処理されたプレイバック信号群の時間反転されたプレイバックを、プレイバックプローブ領域で利用することが必要となる。これにより測定の第2の初期段階と呼ばれる段階が開始される。初期段階およびプレイバック段階を繰り返すことにより、試料中の音響擾乱は、顕著な音響擾乱を示す領域に存在する最も強い音響散乱体に集束する傾向がある。本発明を用いると、これと全く同じ測定が可能になる。本発明は、やはり一つ以上の音波源の配列をつくる必要がある時間反転演算子分解法にも適している。 In conventional acoustic time reversal, it is sometimes necessary to repeat the measurement, and it is necessary to utilize the time-reversed playback of the processed playback signal group in the playback probe region. This initiates a stage called the second initial stage of measurement. By repeating the initial stage and the playback stage, the acoustic disturbances in the sample tend to focus on the strongest acoustic scatterers present in the region exhibiting significant acoustic disturbances. With the present invention, exactly the same measurement is possible. The present invention is also suitable for time reversal operator decomposition methods that still require the creation of an array of one or more acoustic sources.
従来の音響時間反転の場合とまったく同じように、無秩序音響空洞を利用して、試料の必要な領域に音響を集束させることも可能であり、この方法で試料の特定の領域を研究することができる。 Just as with conventional acoustic time reversal, it is possible to use a random acoustic cavity to focus the sound on the required area of the sample, and this method can be used to study a specific area of the sample. it can.
プレイバック信号群を処理するための手段を伴う本発明の態様においては、この処理には処理関数a(t)の時間ドメインの一部分または全体によるプレイバック信号群の畳み込みが含まれる。ここでtは遅延時間である。このプレイバック関数を計算することで、初期プローブ領域における初期音響擾乱の時間反転が有効に行われる。この処理関数a(t)は、初期プローブ領域における初期音響擾乱の光検出のためのインパルス応答関数d(t)、初期プローブ光放射中に初期遅延時間の関数として音響的に誘起された変化に比例する初期信号群g(t)、およびプレイバック局所音波源の光発生のためのインパルス応答関数h(t)の知識を用いて計算される。処理関数a(t)は、必要であれば、利用する前にフィルターをかけることができ、その一つの例は一定のビット数精度で処理関数a(t)をディジタル的に処理することである。 In an aspect of the invention involving means for processing the playback signal group, this process includes convolution of the playback signal group with part or all of the time domain of the processing function a (t). Here, t is a delay time. By calculating the playback function, the time reversal of the initial acoustic disturbance in the initial probe region is effectively performed. This processing function a (t) is an impulse response function d (t) for the light detection of the initial acoustic disturbance in the initial probe region, and an acoustically induced change as a function of the initial delay time during the initial probe light emission. Calculated using knowledge of the proportional initial signal group g (t) and the impulse response function h (t) for light generation of the playback local acoustic source. The processing function a (t) can be filtered before use if necessary, one example being to digitally process the processing function a (t) with a constant bit number accuracy. .
プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態をプレイバック遅延時間の関数として変調するための手段が存在する本発明の一つの実施態様においては、この変調は、プレイバック遅延時間の関数としてのプレイバック光ポンプ放射の強度とプレイバック関数b(t)の乗算を含む。ここでプレイバック関数b(t)はd(t)、g(t)およびh(t)の知識を用いて計算される。プレイバック関数b(t)は、必要なら、利用する前にフィルターをかけることができ、その一つの例は一定のビット数精度でプレイバック関数b(t)をディジタル的に処理することである。 In one embodiment of the invention where there is a means for modulating the amplitude, phase or polarization state of the playback light pump radiation as a function of the playback delay time, this modulation is a function of the playback delay time. Includes multiplication of the playback light pump radiation intensity by the playback function b (t). Here, the playback function b (t) is calculated using knowledge of d (t), g (t) and h (t). The playback function b (t) can be filtered before use if necessary, one example being digitally processing the playback function b (t) with a constant number of bits precision. .
関数g(t)は歪み、転位または表面粒子速度のような所望の変数に対して表すことができ、関数h(t)も同様である。同じように、例えば関数g(t)は試料の反射率変化、相対的な反射率変化または光位相変化に対して表してもよい。 The function g (t) can be expressed for a desired variable such as strain, dislocation or surface particle velocity, as well as the function h (t). Similarly, for example, the function g (t) may be expressed in terms of sample reflectance change, relative reflectance change, or optical phase change.
本発明のもう一つの実施態様においては、光放射のプレイバックポンプパルスとして、プレイバック局所音波源の発生が容易になるように振幅、位相または偏光状態を調整して望みの形状のパルスを選ぶことができる。この場合の一つの例は、処理関数a(t)または、処理関数a(t)の時間ゲート処理された部分に比例する調整関数が、リアルタイムtの関数としてのプレイバックポンプパルスの強度の形状として選ばれるときである。ここでaは処理関数と同じ関数である。形状調整は、例えば空間光変調器によって実現できる。 In another embodiment of the present invention, as a playback pump pulse of optical radiation, a pulse having a desired shape is selected by adjusting an amplitude, a phase, or a polarization state so as to facilitate generation of a playback local acoustic wave source. be able to. One example in this case is that the processing function a (t) or the adjustment function proportional to the time gated portion of the processing function a (t) is the shape of the intensity of the playback pump pulse as a function of the real time t. When it is chosen as. Here, a is the same function as the processing function. The shape adjustment can be realized by a spatial light modulator, for example.
処理されたプレイバック信号群または繰返しの結果に対応するプレイバック信号群は、試料または試料の部分の大きさ、弾性定数または密度のような物理的な特性を抽出するために、試料中の音響擾乱の伝播および散乱、および試料中の音響光発生および検出プロセスの適当な理論モデルと比較することができる。これは、たとえば試料または試料の部分の大きさ、弾性定数または密度に対して試行値を変化させ、適当な理論モデルの予測値と処理されたプレイバック信号群との差を最小化することにより実現できる。 The processed playback signal group or the playback signal group corresponding to the result of the repetition is used to extract the acoustic properties in the sample in order to extract physical properties such as the size, elastic constant or density of the sample or part of the sample. It can be compared with a suitable theoretical model of the propagation and scattering of disturbances and the process of acoustic light generation and detection in the sample. This can be done, for example, by changing the trial value for the size, elastic constant or density of the sample or part of the sample and minimizing the difference between the predicted value of the appropriate theoretical model and the processed playback signal group. realizable.
薄膜試料の場合における膜厚のような、試料の他の物理的な特性も導き出すことができる。内部応力、接着、イオン注入量、湿気暴露量、音響散乱体の大きさおよび位置、粒子サイズ分布、有孔率、欠陥分布、転位、表面上の吸着物質の厚さ、またはミクロ構造等の関連量を、それらの音響擾乱の伝播に対する影響を介して測定することも可能である。 Other physical properties of the sample can also be derived, such as film thickness in the case of thin film samples. Relations such as internal stress, adhesion, ion implantation, moisture exposure, size and location of acoustic scatterers, particle size distribution, porosity, defect distribution, dislocation, adsorbent thickness on the surface, or microstructure It is also possible to measure quantities via their influence on the propagation of acoustic disturbances.
一般に、試料は光学プローブまたはポンプ光放射に対して、透明、半透明または不透明な部分からなっていてよい。試料を励起するためには、試料はポンプ光放射に対して完全には透明でない方がよい。試料は固体物質に限定されない。固体、液体または気体の部分または物質の他の中間層を有する試料を研究することができる。 In general, the sample may consist of parts that are transparent, translucent or opaque to optical probe or pump light radiation. In order to excite the sample, the sample should not be completely transparent to the pump light radiation. Samples are not limited to solid materials. Samples with solid, liquid or gaseous parts or other intermediate layers of matter can be studied.
測定の空間分解能を光学回折限界より高めるために、テーパーつきファイバーのような近接場光学技法を用いて、光ビームを試料上に集束することも可能である。この方法で1ミクロンの何分の1かまで水平分解能を上げることができる。 In order to increase the spatial resolution of the measurement above the optical diffraction limit, it is also possible to focus the light beam on the sample using near-field optical techniques such as tapered fibers. This method can increase the horizontal resolution to a fraction of 1 micron.
また、初期またはプレイバック遅延時間の関数として、初期音響擾乱またはプレイバック音響擾乱を表す空間像を得ることも可能である。これは、音響擾乱についてより多くの情報を得るために非常に有効である。 It is also possible to obtain an aerial image representing the initial acoustic disturbance or the playback acoustic disturbance as a function of the initial or playback delay time. This is very useful for obtaining more information about acoustic disturbances.
各ポンプパルスに対応するプローブパルスの数を任意に選んで使用することが可能である。多数の初期プローブパルスまたはプレイバックプローブパルスを用いて、これらを集めて一体とし、連続なプローブビームを形成することも可能である。 The number of probe pulses corresponding to each pump pulse can be arbitrarily selected and used. It is also possible to use a number of initial probe pulses or playback probe pulses and collect them together to form a continuous probe beam.
本発明は、半導体ウエハーまたは集積回路のオンラインモニタリングに応用可能である。特に、本発明を用いると試料中の非常に浅い表面下欠陥の存在および位置を評価することができる。特に、本発明を用いて他の不均質な領域の分布の存在下で、表面下欠陥の存在および位置を検出することができる。本発明は密度、弾性定数またはこれらの特性に影響する量、例えばイオン注入量、内部応力、表面粗さ、界面粗さ、表面上の吸着物質、接着、粒子サイズ分布、有孔率、ミクロ構造または湿気の影響等を評価するために用いることができる。 The present invention is applicable to on-line monitoring of semiconductor wafers or integrated circuits. In particular, the present invention can be used to evaluate the presence and location of very shallow subsurface defects in a sample. In particular, the present invention can be used to detect the presence and location of subsurface defects in the presence of other inhomogeneous distributions. The present invention provides density, elastic constants or quantities that affect these properties, such as ion implantation, internal stress, surface roughness, interface roughness, adsorbed material on the surface, adhesion, particle size distribution, porosity, microstructure Alternatively, it can be used for evaluating the influence of moisture and the like.
本発明を用いると、試料との接触なく非破壊的に試料の特性を求めることができ、オンライン条件で、例えば単一のまたは多層の薄膜でコーティングされた、半導体ウエハー製品に使用できる。本発明はまた、複雑な試料形状に対しても使用できる。 With the present invention, sample characteristics can be determined non-destructively without contact with the sample and can be used on-line conditions, eg, for semiconductor wafer products coated with a single or multiple layers of thin films. The invention can also be used for complex sample shapes.
本発明の特徴は、光ポンププローブ法と音響時間反転法を組み合わせたことである。既存の音響時間反転法では扱える音響周波数の上限がMHz程度であるのに対して、本発明ではそれよりはるかに高いTHz領域の音響周波数を扱うことが可能になった。本発明による測定装置は、薄膜・多層膜・ナノ構造の、主として積層方向に沿った1次元的な情報を取得するのみならず、これらの試料の表面に沿った2次元的な測定も可能である。さらに音波を3次元的な任意の位置に再集束させることも可能である。この方法ではポンプ光パルスを超高速時間変調する必要は無く、従って既に確立された標準的なレーザーピコ秒音響法の技術が使用可能である。本発明により薄膜・多層膜・ナノ構造における欠陥や各層膜厚を評価することができる。 The feature of the present invention is that the optical pump probe method and the acoustic time reversal method are combined. While the upper limit of the acoustic frequency that can be handled by the existing acoustic time reversal method is about MHz, in the present invention, it is possible to handle an acoustic frequency in a much higher THz region. The measurement apparatus according to the present invention can not only acquire one-dimensional information of thin films, multilayer films, and nanostructures mainly along the stacking direction, but also can perform two-dimensional measurements along the surface of these samples. is there. It is also possible to refocus the sound wave at an arbitrary three-dimensional position. This method eliminates the need for ultrafast time modulation of the pump light pulse, so that the established standard laser picosecond acoustic technique can be used. According to the present invention, defects in the thin film, multilayer film, and nanostructure and the thickness of each layer can be evaluated.
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1および図2は、時間ドメイン干渉計3を組み入れた本発明の第1の実施態様を示しており、用いる光照射に対して十分に不透明である試料に特に適したものである。この実施態様は短い波長での音響測定に特に適している。本実施態様に用いられる時間ドメイン干渉計3の例が本願発明者により上記特許文献6〜8中に詳細に説明されている。この干渉計3は光放射の二つの短いプローブパルスの反射率変化または位相変化の差をとるために使うことができる。最も単純な形式の測定プロセスは初期段階およびプレイバック段階の二つの段階からなる。図1は初期段階を表し、図2はプレイバック段階を表す。ここで、図1において、初期ポンプビームと初期プローブビームは同じレンズを通して試料に集束されており、図2においても、プレイバックポンプビームとプレイバックプローブビームは同じレンズを通して試料に集束されている。
1 and 2 show a first embodiment of the invention incorporating a
測定の初期段階において、光放射の短い初期ポンプパルス4が垂直またはほとんど垂直の入射角で、自由表面を有する試料6上の局所領域13にレンズ5によって集束される。試料6の表面に近い領域で光吸収が起こり、初期局所音波源をつくる。特に、弾性的に等方性の固体の例では、縦方向音波の短波長パルスが試料6の深さ方向に発生する。試料6における初期ポンプビーム10の水平空間プロファイルは、データ解析を容易にするために、例えばガウス(Gaussian)スポットの場合のように軸対称であるように選ぶと有利である。
In the initial stage of the measurement, a short
第1の実施態様においては、初期プローブパルス1および初期プローブパルス2と呼ばれる、選ばれた時間間隔TP だけ離れた光放射の二つの短い初期プローブパルスを用いる。これらの初期プローブパルス1,2は初期ポンプビーム10と共線形の初期プローブビーム9を形成し、レンズ5によって集束されて、試料6の初期プローブ領域11へ垂直またはほとんど垂直な入射角で入射する。また、初期プローブ領域11は初期ポンプビーム10入射に関する局所領域13と最適に重なるように選ばれる。初期プローブビーム9の試料6における水平空間プロファイルは、データ解析を容易にするために、例えばガウススポットの場合のように軸対称であるように選ぶと有利である。初期ポンプビーム10と初期プローブビーム9とが同じ中心波長をもたない場合は、二色性のビームスプリッター12を選ぶことができる。時間が経過すると、初期音響擾乱が試料6の面内方向および内部に広がる。当業者によく知られているように、初期ポンプパルスおよび初期プローブパルスの周期的な系列を使い、得られる信号群をある時間にわたり平均化すると有利である。
In the first embodiment, two short initial probe pulses of light emission, called
一般に、試料6表面または表面下の音響運動、または試料6内部の音響歪みに起因して、初期プローブ光放射と初期音響擾乱との間に結合が生じ得る。試料6の表面または界面の音響変位の面外成分、試料6の表面または界面の音響変位の面内成分、試料6の表面または界面の音響粒子速度の面外成分、試料6の表面または界面の表面粒子速度の面内成分、音響歪みテンソルの6つの成分、のうちの一つが初期プローブ光放射に結合すると、原則として、初期音響擾乱を検出することができる。試料6内への初期プローブビーム9の光侵入深さ範囲内の音響歪みは、一般に光弾性効果により初期プローブ光放射の変調に影響を与える。
In general, a coupling may occur between the initial probe light emission and the initial acoustic disturbance due to acoustic motion at or below the
試料6中で初期音響擾乱と相互作用した後、初期プローブ光放射は一般に、図1の時間ドメイン干渉計3中に組み込まれた光検出器によりモニターされる。この実施態様においては、初期プローブ照射は、試料6から反射した後検出される。当業者によく知られているように、例えば変調器8およびロックイン検出による初期ポンプビーム10の光チョッピングを使って信号対雑音比を向上させることができる。初期ポンプビーム10を誘導するためには、ミラー14および15が使われる。
After interacting with the initial acoustic disturbance in the
初期プローブ光放射中に音響的に誘起され、初期音響擾乱の特性を示す変化は、初期ポンプパルス4の試料6への到着時間と、二つの初期プローブパルス1および2の試料6への到着時間の平均時間との間の所定の初期時間遅延で検出される。この初期時間遅延は、初期ポンプパルス4と初期プローブパルスとの間の光遅延線または電子的に制御された遅延を用いて導入することができる。これらの初期ポンプパルス4および初期プローブパルスは、通常は同じ反復率をもつ周期的パルス列であるように選ばれる。次に、二つの初期プローブパルス1および2の試料6への平均到着時間に対応して、初期ポンプパルス4の試料6への到着時間と、初期音響擾乱のプローブ時間との間の遅延時間を変えることにより、初期遅延時間の関数として初期プローブ光放射中に音響的に誘起された変化に比例する初期信号群を得ることができる。この初期信号群は、例えばコンピュータであるデータプロセッサ7のメモリー中に記憶される。遅延時間の走査は連続法または逐次法により実施でき、これは初期段階にもプレイバック段階にも同様に適用される。
Changes that are acoustically induced during the initial probe light emission and that characterize the initial acoustic disturbance are the arrival time of the
図1の装置においては、二つの初期プローブパルス1および2の試料6への到着の時間間隔TP は固定され、二つの初期プローブパルス1,2の到着時間の平均と初期ポンプパルス4との間の初期遅延時間が走査される。これは、図2のプレイバック段階でも同様である。
In the apparatus of FIG. 1, the time interval T P of arrival of the two
本発明の第1の実施態様を用いる一つの測定例においては、初期プローブパルス1は、初期ポンプパルス4より早く試料6に入射するように設定される。このような構成とすることで、干渉計3によって試料6との相互作用による初期プローブパルス2の反射率変化または位相変化を測定することができる。第1の実施態様によるもう一つの測定例においては、初期プローブパルス1および2はともに、初期ポンプパルス4の後で試料6に入射する。時間間隔TP を十分に小さく選べば、干渉計3によって反射率変化または位相変化の時間微分に近似的に比例するこの時間間隔での反射率変化または位相変化の間の差を測定することができる。同等の考察が図2のプレイバック段階にもあてはまる。
In one measurement example using the first embodiment of the present invention, the
初期信号群の記録後、図2に示すように、測定のプレイバック段階を開始することができる。第1の実施態様においては、初期段階用およびプレイバック段階用に、厳密に同じ特性および入射の光放射および同じ装置が使われる。装置の重複を避けるためにこの方法を採用することは、必須ではないが一般に有利である。測定のプレイバック段階では、一連の光放射の短いプレイバックポンプパルス24で構成されるプレイバックポンプビーム25は、レンズ5により集束されて試料6上の局所領域31に垂直またはほとんど垂直な入射角で入射し、プレイバック局所音波源をつくり出す。この局所領域31は、試料の初期プローブ領域11と重なるように最適に選ばれるが、この初期プローブ領域11の近傍であってもよい。時間が経過するにつれて、プレイバック音響擾乱は試料6の面内方向および内部に広がる。
After recording the initial signal group, the measurement playback phase can begin as shown in FIG. In the first embodiment, exactly the same characteristics and incident light emission and the same device are used for the initial stage and the playback stage. Adopting this method to avoid duplication of equipment is generally but not essential. During the playback phase of the measurement, a
光パルスの対で構成される一連の光放射の短いプレイバックプローブパルスは、プレイバックプローブビーム29をつくり、レンズ5により集束されて垂直またはほとんど垂直な入射角で試料6のプレイバックプローブ領域33に入射する。第1の実施態様においては、特に、プレイバックプローブ領域33は実際には初期ポンプビーム10入射のための局所領域13および初期プローブ領域11と重なるように最適に選ばれる。プレイバック段階の光放射の短いプローブパルスの各対を、プレイバックプローブパルス21およびプレイバックプローブパルス22と呼ぶ。当業者によく知られているように、プレイバックポンプパルス24およびプレイバックプローブパルス21,22の周期的な系列を使い、得られる信号群を一定時間にわたって平均するのが有利である。
A short playback probe pulse of a series of light radiation composed of pairs of light pulses creates a
試料6におけるプレイバック音響擾乱との相互作用後のプレイバックプローブ光放射は、初期段階で時間ドメイン干渉計3中に用いられたのと同じ光検出器によりモニターされる。当業者によく知られているように、例えばプレイバックポンプビーム25の光チョッピングおよびロックイン検出を用いて信号対雑音比を向上させることができる。
The playback probe light emission after interaction with the playback acoustic disturbance in the
プレイバックプローブ光放射中に音響的に誘起され、プレイバック音響擾乱の特性を示す変化は、プレイバックポンプパルス24の試料6への到着時間と、二つのプレイバックプローブパルス21および22の試料6への到着時間の平均との間の所定のプレイバック時間遅延で検出される。第1の実施態様においては、プレイバック時間遅延は、初期段階に用いたのと同じ装置を使うことにより導入される。二つのプレイバックプローブパルス21と22の試料6への平均到着時間に対応して、プレイバックポンプパルス24の試料6への到着時間とプレイバック音響擾乱のプローブ時間の間の遅延時間を変えることにより、プレイバック遅延時間の関数として、プレイバックプローブ光放射中に音響的に誘起された変化に比例するプレイバック信号群を得ることができる。このプレイバック信号群はデータプロセッサ7のメモリー中に記憶される。
Changes that are acoustically induced during the playback of the playback probe light and are characteristic of playback acoustic disturbances are the arrival time of the
第1の実施態様においては、プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態を、プレイバック遅延時間の関数として変調するための手段はない。初期プローブ領域における時間反転された初期音響擾乱または初期音響擾乱の時間ゲート処理された部分の発生によって生成される音響伝播によって効果的に、重ね合わせの原理を用いて、処理されたプレイバック信号群が所定の近似で再現される。 In the first embodiment, there is no means for modulating the amplitude, phase or polarization state of the playback light pump radiation as a function of the playback delay time. A group of playback signals processed using the principle of superposition, effectively by acoustic propagation generated by the generation of time-reversed initial acoustic disturbances or time-gated parts of the initial acoustic disturbances in the initial probe region Is reproduced with a predetermined approximation.
第1の実施態様のために必要な処理関数は、試料中の音響擾乱の発生および検出を考察することによって導き出すことができる。d(t)を初期プローブ領域における初期音響擾乱の光検出のためのインパルス応答関数、g(t)を初期プローブ光放射中に初期遅延時間の関数として音響的に誘起された変化に比例する初期信号群とする。ここでtは初期遅延時間を表す。h(t)をプレイバック局所音波源の光発生のためのインパルス応答関数、z1 (t)を処理前のプレイバック信号群とする。ここで同じ記号tがプレイバック遅延時間を表すこととする。 The processing function required for the first embodiment can be derived by considering the generation and detection of acoustic disturbances in the sample. d (t) is the impulse response function for the light detection of the initial acoustic disturbance in the initial probe region, and g (t) is the initial proportional to the acoustically induced change as a function of the initial delay time during the initial probe light emission. Let it be a signal group. Here, t represents the initial delay time. Let h (t) be an impulse response function for generating light from the playback local acoustic wave source, and let z 1 (t) be a playback signal group before processing. Here, the same symbol t represents the playback delay time.
応答関数は、測定の対象となる諸量に関して定義される。具体的な例としては、自由表面を有する試料6表面の外向きの表面変位u(t)に関してインパルス応答関数を定義することである。この解析は、試料6中の音響伝播が散逸的ではなく、音響時間反転の要求を満たすために線形微分方程式に従うという仮定の上で導き出される。さらに、試料6は顕著なドリフトまたはクリープを受けないと仮定する。また、音響光発生および検出プロセスが線形過程であると仮定する。しかし、本発明は、それでもなお、ちょうど従来の音響時間反転のように、種々の近似で一般的な試料に適用することができる。関数u(t)は、以下のように定義される。
The response function is defined with respect to the quantities to be measured. A specific example is to define an impulse response function with respect to the outward surface displacement u (t) of the surface of the
また、関数h(t)は、ディラック(Dirac)のデルタ関数δ(t)に従って時間により変化する強度を有する初期ポンプパルス4により、初期局所源の位置で生じる外向きの表面変位u(t)に対して定義される。この場合、関数g(t)は以下の式(2)により定義される。
Also, the function h (t) is the outward surface displacement u (t) generated at the position of the initial local source by the
最初に、第1の実施態様の場合ではなく、リアルタイムドメイン中でプレイバックポンプパルスを変調するための手段が使用できる場合を考える。これは、例えば、その強度が実時間の関数としてプレイバック関数a0 (t)(ここで記号tは、実時間ドメイン中の時間を表す)に比例するプレイバックポンプパルス24を用いて実施できる。そうすると、リアルタイムドメイン中では、
First consider the case where a means for modulating the playback pump pulses in the real-time domain can be used, rather than in the first embodiment. This can be done, for example, using a
A0 (ω)=U(−ω)/H(ω)=G(−ω)/H(ω)D(−ω)
(ここで大文字はそれぞれ小文字のフーリエ変換を表し、ωは音響角振動数)となる。
A 0 (ω) = U (−ω) / H (ω) = G (−ω) / H (ω) D (−ω)
Where uppercase letters represent lowercase Fourier transforms and ω is the acoustic angular frequency.
したがって、関数h(t)、d(t)について既に得た知識および測定された初期信号群g(t)から、必要なプレイバック関数a0 (t)を得ることができる。試料6中の音響伝播が散逸的でなく、線形微分方程式に従い、かつドリフトまたはクリープをあまり受けない場合は、変換関数m(t)の既知の相反性により、生じる音響擾乱〔この場合にはプレイバックプローブ領域の位置での変位u1 (t)〕の時間変動の検証は容易である。すなわち、リアルタイムドメイン中は以下のようになる。
Therefore, the necessary playback function a 0 (t) can be obtained from the knowledge already obtained for the functions h (t) and d (t) and the measured initial signal group g (t). If the acoustic propagation in the
第1の実施態様においては、プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態をプレイバック遅延時間の関数として変調するための手段はない。しかしそれでも、線形応答を有する試料6にあてはまる重ね合せの原理を利用することによって、音響時間反転を実行することは可能である。一般化するために、プレイバックプローブ領域におけるプレイバック音響擾乱の光検出のためのインパルス応答関数をd1 (t)で表示する。しかし、第1の実施態様の場合には、これは初期プローブ領域における初期音響擾乱の光検出のためのインパルス応答関数d(t)と同じである。
In the first embodiment, there is no means for modulating the amplitude, phase or polarization state of the playback light pump radiation as a function of the playback delay time. However, it is still possible to perform acoustic time reversal by utilizing the superposition principle that applies to the
A(ω)=G(−ω)/H(ω)D(−ω)=D(ω)H(−ω)/G(ω)(10)
が得られる。ここで考慮する関数は実関数であり、したがってF(−ω)=F(ω)* である(ここでFは任意の関数であり、*は複素共役を表す)。処理関数a(t)は、実際には上記した異なる例で得られた関数a0 (t)と同じものである。処理関数a(t)を用いる畳み込み演算の結果として、初期プローブ領域における時間反転された初期音響擾乱または初期音響擾乱の時間ゲート処理された部分によって生成される音響伝播によって効果的に、重ね合わせの原理を用いて、処理されたプレイバック信号群が所定の近似で再現される。処理関数a(t)は、例えば、理論または実験または両方から関数h(t)、d(t)を推定することにより、および測定された初期信号群g(t)を用いて、得ることができる。
Is obtained. The function considered here is a real function, and therefore F (−ω) = F (ω) * (where F is an arbitrary function and * represents a complex conjugate). The processing function a (t) is actually the same as the function a 0 (t) obtained in the different example described above. As a result of the convolution operation using the processing function a (t), the time-reversed initial acoustic disturbance in the initial probe region or the acoustic propagation generated by the time-gated portion of the initial acoustic disturbance is effectively Using the principle, the processed playback signal group is reproduced with a predetermined approximation. The processing function a (t) can be obtained, for example, by estimating the function h (t), d (t) from theory or experiment or both, and using the measured initial signal group g (t). it can.
等しい強度の一連の単一の短いプレイバックポンプパルスを用いる上記の測定には、選ばれた時間間隔にわたるプレイバック遅延時間の一回以上の走査のみが必要とされる。この選ばれた時間間隔は、必要であれば、本質的にプレイバック音響擾乱を表すコーダ波の全部またはこのコーダ波の時間ゲート処理された部分を含むことができる。a0 (t)およびa(t)が対応していることから、時間ゲート処理された関数a0 (t)と全く同じ実時間中の時間ゲート処理されたプレイバックが、プレイバック信号群を同様に時間ゲート処理された処理関数a(t)で畳み込むことによって得られるのは明らかである。そのような時間ゲート処理されたプレイバックは音響時間反転では多くの場合役に立つので、これは重要である。 The above measurement using a series of single short playback pump pulses of equal intensity requires only one or more scans of the playback delay time over a selected time interval. This selected time interval can include, if desired, all of the coder wave that essentially represents the playback acoustic disturbance or the time-gated portion of this coder wave. Since a 0 (t) and a (t) correspond to each other, the time-gated playback in the same real time as the time-gated function a 0 (t) It is clear that it can be obtained by convolution with a time gated processing function a (t) as well. This is important because such time-gated playback is often useful in acoustic time reversal.
第1の実施態様に関して、これらの結果を理論的に検証するために、持続時間100fsの短い光パルスによる縦方向の音響発生のシミュレーションを行った。このような短い光パルス持続時間の場合、音響パルス持続時間と比較してこの持続時間は無視する。図3は、一連の多結晶性金属膜:400nm厚のモリブデン、100nm厚の銀、100nm厚のニッケル、100nm厚の金、100nm厚のニッケル、100nm厚の銀および最後にシリカ基板、を含む多層からなる、選ばれた試料を示す。ポンプパルス4および24の波長は630nmであり、プローブパルス1,2,21および22の波長も630nmである。音響パルスは、熱弾性効果のみにより発生すると仮定する。このことは、当業者には明らかなように、主音響周波数はν/2πL=64GHzで、音波波長80nmに対応することを意味する。ここでν=6440m/sはモリブデン最上層膜の縦方向音速であり、L=16nmはポンプパルス4および24の光学吸収深さである。
In order to theoretically verify these results with respect to the first embodiment, a simulation of longitudinal acoustic generation by a light pulse with a short duration of 100 fs was performed. For such short light pulse durations, this duration is ignored compared to the acoustic pulse duration. FIG. 3 shows a multilayer comprising a series of polycrystalline metal films: 400 nm thick molybdenum, 100 nm thick silver, 100 nm thick nickel, 100 nm thick gold, 100 nm thick nickel, 100 nm thick silver and finally a silica substrate. A selected sample consisting of: The wavelengths of the
当業者に知られているように、ある物質に対するあるプローブ光波長で、試料6の光弾性応答は無視することができる。その場合には、試料6との相互作用による初期プローブパルス2またはプレイバックプローブパルス22の光位相変化δφは外向きの表面変位u(t)に比例し、g(t)=δφ=−2ku(t)となる。ここでkは初期プローブ光放射の波数である。これは、d(t)=−2kδ(t)〔ここでδ(t)はディラックのデルタ関数〕であることを意味する。これは上記非特許文献4に示されるようにここで用いた光波長においてはよい近似であると考えられる。以下この例について考察する。初期の短いポンプパルス4に起因する計算された表面変位h(t)を図4に示す。当業者によく知られているように、この関数h(t)はθ(t)(1−e-(νt/L))に比例する。ここでθ(t)は単位ステップ関数である。初期プローブ信号群g(t)は図5中に示され、多層中の多重散乱に起因する長いコーダ波を示している。時間ゲート処理せずに等しい強度の一連のインパルス用の単一の短いプレイバックポンプパルス24を用いて得られたプレイバック信号群z1 (t)は、プレイバック局所音波源の位置がこの第1の実施態様中の初期局所音波源の位置と同じなので、この場合、符号とオフセットを除いて、初期プローブ信号群と同じ関数である。計算された処理関数a(t)を、図6に示す。処理関数a(t)による畳み込みから得られた処理されたプレイバック信号群z(t)を図7に示す。予想されるように、この関数の形はu(t)と同じである。用いた数値計算の精度によって、得られる信号には雑音が重ね合わされている。計算精度を向上させ、および計算されるコーダ信号の持続時間を増すことにより、この雑音は任意に小さくできる。関数z(t)は点t=0の両側に存在するが、u(t)はt>0でのみ存在する。これは音響時間反転法の特性である。
As known to those skilled in the art, the photoelastic response of the
従来の音響時間反転から知られているように、処理関数a(t)に対して、時間ゲート処理された関数を選ぶことにより、試料6中の多重散乱の種々の時間領域をプローブすることが可能である。また、測定プロセスを繰り返すことも可能である。初期局所音波源領域で検出される全てのプレイバック音響擾乱の和を有効に表す信号群z(t)は、時間反転され、試料6の同じ領域中で再び有効にプレイバックされる。測定の初期およびプレイバック段階で構成される全部のプロセスを所望の回数だけ、それぞれの回に適切な処理関数a(t)で畳み込んで、実行することができる。従来の音響時間反転と同様に、このような繰返しにより、音響擾乱は変化し、収束して、試料6中の単独または複数の主要な音響散乱体において、弱い散乱体と引き換えに、高い音波振幅を特徴とする信号群を発生させる。処理関数a(t)は、必要であれば、使用する前にフィルターをかけることができ、その一つの例は、処理関数a(t)を一定のビット数精度でディジタル的に処理することである。
As is known from conventional acoustic time reversal, it is possible to probe various time regions of multiple scattering in the
第1の実施態様においては、インパルス応答関数はまた、試料中の縦方向の歪みに関して定義してもよい。試料の均質領域中では、試料中の音響散乱体との相互作用の後、試料6の自由表面へ戻る一般的な形状の縦方向の歪みパルスは、次の式で表すことができる。
In the first embodiment, the impulse response function may also be defined in terms of longitudinal distortion in the sample. In the homogeneous region of the sample, a longitudinal distortion pulse having a general shape returning to the free surface of the
η(z,t)=η0 (t+z/ν)−η0 (t−z/ν) (11)
実際は、ここで、η0 =−(1/2ν)du(t)/dtである。一般的に行われるように、測定した初期信号群g(t)を用いて、初期プローブパルス2またはプレイバックプローブパルス22の反射率変化Rまたは相対反射率変化δR/Rを表すことができる。式(11)の歪みパルスに対する複素相対反射率変化δr/rは、上記非特許文献3にあるように、当業者にはよく知られている。縦方向歪みη0 (t)に関連するインパルス応答関数は簡単に導き出され、式(2)の代わりに、次の式が使われる。
η (z, t) = η 0 (t + z / ν) −η 0 (tz / ν) (11)
Actually, η 0 = − (1 / 2ν) du (t) / dt. As is generally done, the measured initial signal group g (t) can be used to represent the reflectivity change R or relative reflectivity change δR / R of the
あるいは、g(t)を複素相対反射率変化の虚数部とすると Alternatively, if g (t) is the imaginary part of the complex relative reflectance change
式(13)および(14)は第1の実施態様において必要な処理関数a(t)を見積もるときに役に立つ。この両式(13),(14)はともに試料6の光弾性応答および表面変位の効果を考慮に入れている。プローブパルス1または21が、それぞれポンプパルス4または24の前に、試料6上に入射するように設定される場合に、これらの定義は有用である。
Equations (13) and (14) are useful in estimating the processing function a (t) required in the first embodiment. Both of these equations (13) and (14) take into account the effects of the photoelastic response and surface displacement of the
当業者に知られているように、ある物質に対するあるプローブ光波長においては試料6の光弾性応答は無視することができる。上記でそのような実例を検討した。その場合、初期プローブパルス2の光位相変化δφは、外向きの表面変位u(t)に比例し、それにより、g(t)=δφ=−2ku(t)を定義できる。ここでkは初期プローブ光放射の波数である。これはd(t)=−2kδ(t)〔ここでδ(t)はディラックのデルタ関数〕を意味する。プローブパルス1または21が、それぞれポンプパルス4または24の前に、試料6上に入射するように設定される場合に、これらの定義は有用である。
As known to those skilled in the art, the photoelastic response of the
第1の実施態様と関連するもう一つの種類の測定においては、初期プローブパルス1および2またはプレイバックプローブパルス21および22は、それぞれ初期ポンプパルス4またはプレイバックポンプパルス24の後から試料6へ入射する。時間間隔TP を十分短く選べば、干渉計3により、この時間間隔における反射率変化または位相変化の差を測定することができる。これらの差は近似的に反射率変化または位相変化の時間微分に比例する。
In another type of measurement associated with the first embodiment,
光弾性応答を無視できる試料6に対しては、試料との相互作用による初期プローブパルス2と初期プローブパルス1との間の光位相差Δφの変化は外向きの表面変位u(t)の時間微分に比例する。g(t)=Δφ/TP =−2kdu(t)/dtと定義することができる。これはやはり、d(t)=−2kδ(t)を意味する。
For the
試料6の光弾性効果および表面または界面変位がプローブ光放射中の音響的に誘起された変化に影響を与える一般的な場合には、関数d(t)は、上記で考察したようなさらに複雑な形をとる。d(t)の形は、理論または実験またはその両方から導き出すことができる。例えば、上記非特許文献3中に報告されているように、一般的な多層の理論形式が利用できる。
In the general case where the photoelastic effect and surface or interface displacement of the
インパルス応答関数h(t)は、u(t)またはη0 (t)のような便利な量に関して定義することができる。この関数h(t)も理論または実験またはその両方から決定することができる。当業者に知られているように、金属または半導体のような試料6に対してh(t)を見積もるときには、熱拡散およびキャリア拡散の効果を考慮に入れなければならないことがある。試料6中で発生する音波の型は試料の幾何学的形状、ならびに試料6中のキャリアの発生および温度変化に依存するが、それに限定されない。音波は、例えば、熱弾性効果によって、変形ポテンシャル効果によって、電気ひずみによって、またはアブレーションによって発生する。
The impulse response function h (t) can be defined in terms of convenient quantities such as u (t) or η 0 (t). This function h (t) can also be determined from theory or experiment or both. As is known to those skilled in the art, when estimating h (t) for a
第1の実施態様においてポンプビームおよびプローブビームの両方に対して単一のレンズ5を使用するというのは、唯一の可能な設計ではない。ポンプビーム用に一枚、および、プローブビーム用に一枚として、二枚のレンズの使用も選択の一つである。一般に、ミラーの使用を含め、任意の望ましい集束系を用いることができる。種々の光入射角を選ぶことも可能である。また、測定の初期およびプレイバック段階において異なる光成分を選ぶことも可能である。さらに、ポンプビームと、プローブビームが試料6の反対側から、または異なる側から入射するようにすることも可能である。
The use of a
第1の実施態様に類似のさらなる別の設計においては、プレイバック信号群zl (t)を直接の測定によって取得する必要が無い。例えば、試料が初期ポンプ領域近傍と初期プローブ領域近傍で同一視可能ならば、dl (t)=d(t)の仮定のもとに合成されたプレイバック信号群 In yet another design similar to the first embodiment, the playback signal group z l (t) need not be obtained by direct measurement. For example, if the sample can be identified in the vicinity of the initial pump region and the initial probe region, a playback signal group synthesized under the assumption of d l (t) = d (t)
同じく図1および図2に対応する第2の実施態様においては、プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態を、プレイバック遅延時間の関数として変調するための手段が存在する。この実施態様においては、プレイバック遅延時間tの関数であるプレイバック光ポンプ放射の強度と、プレイバック関数b(t)との乗算が含まれる。これは例えば電気光学変調器または音響光学変調器であってもよい変調器8を用いて実行することができる。この実施態様は、短波長音響測定および、用いる光放射に対して十分に不透明な試料6にも特に適している。
In a second embodiment, also corresponding to FIGS. 1 and 2, there are means for modulating the amplitude, phase or polarization state of the playback optical pump radiation as a function of the playback delay time. In this embodiment, a multiplication of the intensity of the playback optical pump radiation that is a function of the playback delay time t and the playback function b (t) is included. This can be done with a
自由表面を有する試料6表面の外向きの表面変位u(t)に関してインパルス応答関数を定義する具体例を再び取り上げると、プレイバック関数b(t)の必要な形は、方程式:
Taking again the example of defining the impulse response function with respect to the outward surface displacement u (t) of the surface of the
同じく図1および2に対応する第3の実施態様においては、プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態をプレイバック遅延時間の関数として変調するための手段はないが、代わりに、光放射のプレイバックポンプパルス24をリアルタイムで変調する変調器8が用いられる。この実施態様も短波長音響測定および用いる光放射に対して十分に不透明な試料6に特に適する。これらのプレイバックポンプパルスは、プレイバック局所音波源の発生を容易にするために、振幅、位相または偏光状態を望ましい形状にしたパルスであるように選ぶことができる。この場合の一つの例は、a(t)に比例する関数、またはa(t)の時間ゲート処理された部分を、実時間tの関数としてのプレイバックポンプパルスの強度の形状であるように選ぶ場合である。ここでaは処理関数と同じ関数である。形状調整は、例えば空間光変調器によって実現できる。当業者に知られているように、ピコ秒時間スケールで任意の持続時間および形状の光パルスを生成することは難しい。したがって、最初の三つの実施態様において用いられる技術を組み合わせることが、第3の実施態様を単独で用いるよりも有利なこともある。
In a third embodiment, also corresponding to FIGS. 1 and 2, there is no means for modulating the amplitude, phase or polarization state of the playback light pump radiation as a function of the playback delay time, but instead the light
第4の実施態様においても、図1および図2中と同じ装置が用いられるが、プローブパルス1および21は使われない。この実施態様も、短波長音響測定および、用いられる光放射に対して十分に不透明な試料6に特に適している。この場合には干渉計3は、上記特許文献9に明らかにされているように、例えばマイケルソン(Michelson)干渉計を選ぶことができる。この第4の実施態様においては、干渉計3はまた、反射率測定だけのためのより単純な系に置き換えることもできる。この実施態様においては、二つのプローブパルスの間の反射率または位相変化の差が測定されないこと以外は、機能は最初の三つの実施態様と同様である。代わりに、反射率または位相変化は、試料6と相互作用する単一のプローブパルスに対して測定することになる。
In the fourth embodiment, the same apparatus as in FIGS. 1 and 2 is used, but the
従来の音響時間反転においては、超音波トランスデューサーの配列を用いることが多いが、測定の初期段階およびプレイバック段階の両方の役割を果たす単一配列、および試料6の異なる領域において初期およびプレイバック段階を実行する二つ以上の配列を用いる場合もある。光ビームが試料と相互作用する位置を走査することにより、本発明は単独または複数の超音波トランスデューサの配列と同じ効果を得ることができる。
Conventional acoustic time reversal often uses an array of ultrasonic transducers, but a single array that serves as both the initial and playback phases of the measurement, and the initial and playback in different regions of the
第5の実施態様を図8および図9に示す。図8および図9は図1および図2と同じ装置を表しているが、プローブされた初期音響擾乱を表すデータ群を作成するために、初期局所音波源または初期プローブ領域の位置または相対位置を走査する手段、ならびにプローブされた前記プレイバック音響擾乱を表すデータ群を作成するために、プローブされた前記プレイバックプローブ領域の単独または複数の局所音波源の位置または相対位置を走査する手段が、それぞれ導入されている。第5の実施態様においては、これらの走査手段は、ミラー14および15の角度の調整により、初期ポンプビーム10およびプレイバックポンプビーム25の位置を走査する手段に対応している。さらに、試料6の位置を走査することもできる。この実施態様は、例えば、試料6中の、表面音波などの面内方向に伝播する音響擾乱の測定に用いることができる。
A fifth embodiment is shown in FIGS. FIGS. 8 and 9 represent the same apparatus as FIGS. 1 and 2, but the location or relative position of the initial local acoustic source or initial probe region is used to generate a data set representing the probed initial acoustic disturbances. Means for scanning, and means for scanning the position or relative position of one or more local acoustic sources in the playback probe region probed to create a data group representative of the playback acoustic disturbances probed. Each has been introduced. In the fifth embodiment, these scanning means correspond to means for scanning the positions of the
この実施態様においては、一般に、初期プローブ領域11は初期ポンプビーム入射のための局所領域13と同じではない。しかし、第1の実施態様の場合のように、プレイバックポンプビーム25入射のための局所領域31は、試料6の初期プローブ領域11と重なるように最適に選ばれる。
In this embodiment, in general, the
第5の実施態様の最も単純な実施においては、プレイバックプローブ領域33は、初期ポンプビーム10入射のための局所領域13と最適に重なるように選ばれる。これを達成するために、測定の初期段階の後、プレイバックポンプビーム25および試料6を走査する。この手段によって、初期プローブ領域11における時間反転された初期音響擾乱または初期音響擾乱の時間ゲート処理された部分によって生成される音響伝播に基づいて効果的に、重ね合わせの原理を用いて、局所領域33で検出される処理されたプレイバック信号群を所定の近似で再現することができる。
In the simplest implementation of the fifth embodiment, the
この第5の実施態様においては、プレイバック段階を達成するために第1の実施態様において説明したのと同じ理由を用いることができる。前述と同じく、プレイバック段階の実施方法の一つを実行するためには、実験または理論、またはその両方から、インパルス応答関数および必要な処理関数またはプレイバック関数を求めれば十分である。 In this fifth embodiment, the same reasons as described in the first embodiment can be used to achieve the playback stage. As before, it is sufficient to determine the impulse response function and the required processing function or playback function from experiments and / or theory to perform one of the methods of performing the playback stage.
第5の実施態様のより複雑な実施においては、測定のこの初期段階のための超音波トランスデューサの線形配列をシミュレーションするために、単一の初期局所源を用いて、初期プローブ領域11の線形配列に対応する一連の初期信号群を作成する。プレイバックポンプビーム25の入射に対する局所領域31の位置はそこでこれらの初期プローブ領域11各々に次々と走査され、これらの位置の各々に対してプレイバック段階が実行される。さらに、プレイバック段階の各々に対して所定の初期プローブ領域11に対応するプレイバックプローブ領域33の位置を走査することができる。こうして、測定のプレイバック段階のための超音波トランスデューサの線形配列をシミュレーションすることができる。
In a more complex implementation of the fifth embodiment, a single initial local source is used to simulate a linear array of ultrasound transducers for this initial stage of measurement, and a linear array of
第5の実施態様は、空間および時間上での総和法によって必要な信号群を構成しながら、一点ずつ独立に測定を行うのに非常に適している。この実施態様はまた、一以上の音波源の配列が作成されることを必要とする時間反転演算子分解法に適している。 The fifth embodiment is very suitable for performing measurement independently point by point while forming a necessary signal group by a summation method in space and time. This embodiment is also suitable for time reversal operator decomposition methods that require an array of one or more acoustic sources to be created.
ちょうど従来の音響時間反転の場合のように、第5の実施態様に関連して、試料の所望の領域への音響集束を可能とするため、無秩序な音響空洞を利用することも可能であり、この方法で、試料の特定の領域を研究できる。そのような空洞の例は、試料6の表面のD字形の領域であり、この上には試料6の近隣の部分とは異なる音響インピーダンスを有する金属膜が蒸着されている。
In connection with the fifth embodiment, just as in the case of conventional acoustic time reversal, a random acoustic cavity can also be used to allow acoustic focusing to a desired area of the sample, In this way, specific areas of the sample can be studied. An example of such a cavity is a D-shaped region on the surface of the
第5の実施態様における走査領域は、二次元に限定される必要はない。三次元空間の走査も可能である。これは、例えば、試料6が曲面を持つ場合、または部分的に透明である場合に必要になりうる。そのような走査手段を用いて、初期またはプレイバック遅延時間の関数として、初期音響擾乱あるいはプレイバック音響擾乱を表す空間像を得ることも可能である。これは、音響擾乱についてより多くの情報を得るために非常に有用である。
The scanning area in the fifth embodiment need not be limited to two dimensions. A three-dimensional space scan is also possible. This may be necessary, for example, when the
これらの実施態様のすべてにおいて、処理されたプレイバック信号群または繰返しの結果に対応する信号群は、試料6または試料6の部分の大きさ、弾性定数または密度等の物理的な特性を抽出するために、試料6中における音響擾乱の伝播および散乱、および試料中の音響光発生および検出プロセスの適切な理論モデルと比較することができる。これは、例えば、試料6または試料6の部分の大きさ、弾性定数または密度の試行値を変えて、適当な理論モデルの予測値と処理されたプレイバック信号群との間の差を最小にすることにより実行することができる。
In all of these embodiments, the processed playback signal group or the signal group corresponding to the result of the repetition extracts physical properties such as the size, elastic constant or density of the
例えば薄膜試料における膜厚などの、試料6の他の物理的な特性も導き出すことができる。また、例えば、内部応力、イオン注入量、接着、湿気暴露量、音響散乱物体の大きさおよび位置、粒子サイズ分布、有孔率、欠陥分布、転位、表面上の吸着物質の厚さ、またはミクロ構造などの関連量を、音響擾乱の伝播に対するこれらの性質の影響を介して測定することも可能である。
Other physical characteristics of the
一般に、試料6は、光プローブまたはポンプ光放射に対して透明、半透明または不透明な部分からなっていてよい。試料6中に音波源を発生させるためには、ポンプ光放射に対して試料6が完全に透明ではない方がよい。試料6は固体材料に限定されない。固体、液体または気体またはその他の中間相を含む試料6を研究することができる。例えば、透明な被覆を有する試料6の場合のように、局所領域11,13,31および33の位置は必ずしも試料6表面近くの領域に対応する必要はない。同じように、試料6の前面の媒体は、固体、液体または気体であってよい。試料6は二つの平行な面を持つものに限定されない。例えば、結晶の一つの面に局所音波源を有し、ある角度で傾斜したもう一つの面にプローブ領域を有することも可能である。
In general, the
光の回折限界を超えて測定の空間分解能を上げるために、例えばテーパつきファイバーのような近接場光学技法を用いて、光ビームを試料6に集束することも可能である。この方法で、1ミクロンの何分の一のオーダーまで水平分解能を小さくすることが可能である。
In order to increase the spatial resolution of the measurement beyond the diffraction limit of the light, it is also possible to focus the light beam on the
本発明に関連して用いることができる実験装置は、上記に説明した特定の装置に限定されない。プローブビームの偏光状態の変調、または試料を透過したプローブビームの変調を含む装置を用いることも可能である。各ポンプパルスに対応して、いかなる数のプローブパルスを選んで用いることも可能である。多数の初期またはプレイバックプローブパルスを用いて、それらのパルスを一体化して連続するプローブビームを形成することも可能である。この場合には光遅延線の代わりに、ストリークカメラまたは高周波光検出器で構成されるリアルタイムデータ取得システムを、装置中に用いることができる。光プローブ放射の位相変化が検出できるので、試料6が光プローブ放射に対して透明であってもよいことを認識することも重要である。試料6上で局所音波源の位置または相対位置を走査するとき、装置に対するプローブビームの位置ならびに試料6およびポンプビームの位置を走査することもできる。
The experimental apparatus that can be used in connection with the present invention is not limited to the specific apparatus described above. It is also possible to use an apparatus that includes modulation of the polarization state of the probe beam or modulation of the probe beam transmitted through the sample. Any number of probe pulses can be selected and used for each pump pulse. It is also possible to use a number of initial or playback probe pulses and integrate these pulses to form a continuous probe beam. In this case, a real-time data acquisition system including a streak camera or a high-frequency photodetector can be used in the apparatus instead of the optical delay line. It is also important to recognize that the
ポンプビームまたはプローブビームの入射角は斜めであってもよいが、必要であれば、円柱レンズを用いて試料6上に円対称性の点をつくり、ビームプロファイルを修正してもよい。試料6中の光プローブビームを傾斜させることは、試料6内部の音響歪みの種々の成分とのカップリングにおける変化を通して、初期またはプレイバックプローブ光放射中の音響的に誘起された変化の振幅を改善するために有利である場合がある。加えて、ポンプビームまたはプローブビームの単一の中心波長または単一の偏光を用いる必要はない。ポンプビームまたはプローブビームの複数の波長または偏光を使用することは、例えば、多層試料の場合には、試料6中の種々の部分における音響発生または検出の効率をあげるために有利であり得る。
The incident angle of the pump beam or the probe beam may be oblique, but if necessary, a circularly symmetric point may be created on the
試料6における光放射の初期またはプレイバックプローブパルスの水平空間分布としては、通常は滑らかな軸対称のプロファイルを選ぶが、他のプロファイルを選ぶことも可能である。同様に、試料6における光放射の初期またはプレイバックプローブパルスの時間プロファイルとしては、通常は滑らかな時間プロファイルを選ぶが、他のプロファイルを選ぶことも可能である。
As a horizontal spatial distribution of the initial or playback probe pulse of light emission in the
必要な信号群を得るもう一つの方法として、平行取得技術(Parallel Acquisition Technique)がある。この技術においては、試料6の複数の部分を同時にプローブするために、試料6の一連の点、線または実質的な領域をポンプビームで、または、プローブビームで照射する。この目的のために複数の光源または光検出器を用いることができる。これにより必要な信号群のより迅速な取得が可能となる。
As another method for obtaining a necessary signal group, there is a parallel acquisition technique (Parallel Acquisition Technique). In this technique, a series of points, lines or substantial areas of the
本発明は、上記のように構成したので、以下のような効果を奏することができる。 Since this invention was comprised as mentioned above, there can exist the following effects.
本発明中で説明される装置は、短い長さスケールでの物質の特性の測定に関する広範囲な利用分野において非常に効果的である。本発明の装置は融通性に富み、種々の試料、あるいは不透明、透明または半透明な部分の組み合わせにより構成される試料、および結晶状態に対して独立に等方性または異方性であって、音響散乱体が分布する試料に対して適用できる。 The apparatus described in the present invention is very effective in a wide range of applications relating to the measurement of material properties on a short length scale. The apparatus of the present invention is versatile and is isotropic or anisotropic independent of various samples, or samples composed of a combination of opaque, transparent or translucent parts, and crystalline state, It can be applied to a sample in which an acoustic scatterer is distributed.
また、本装置は、大きさ、密度または弾性定数などの試料の物理的な特性の非接触および非破壊の測定を可能とする。さらに、例えば内部応力、イオン注入量、接着、湿気暴露量、音響散乱体の大きさおよび位置、粒子サイズ分布、有孔率、欠陥分布、転位、表面上の吸着物質の厚さ、またはミクロ構造などの関連する物理的性質をプローブすることができる。試料の異なる層または部分の物理的な特性をプローブすることもできる。本装置によって、物理的な特性を導き出す前に、試料の表面または内部における音響擾乱の画像化、および試料が、必要な品質、たとえば十分な水平弾性均質性または機械的均質性を備えているかどうかを同時に検出することが可能になる。 The device also allows non-contact and non-destructive measurement of physical properties of the sample such as size, density or elastic constant. In addition, for example, internal stress, ion implantation, adhesion, moisture exposure, acoustic scatterer size and location, particle size distribution, porosity, defect distribution, dislocation, adsorbent thickness on the surface, or microstructure And related physical properties can be probed. It is also possible to probe the physical properties of different layers or parts of the sample. With this device, before deriving the physical properties, imaging of the acoustic disturbances on or inside the sample and whether the sample has the required quality, for example sufficient horizontal elastic or mechanical homogeneity Can be detected simultaneously.
このアプローチにより、短い長さスケールでの物理的な特性の測定に関して、音響時間反転を含まない他の非接触音響装置類よりも広い範囲での応用が可能になる。特に、このアプローチにより、顕著な数の散乱体または不均質領域、または多数の層を有するミクロ構造およびナノ構造の非破壊評価を可能とする。 This approach allows a wider range of applications for measuring physical properties on short length scales than other non-contact acoustic devices that do not include acoustic time reversal. In particular, this approach allows non-destructive evaluation of microstructures and nanostructures with a significant number of scatterers or inhomogeneous regions, or multiple layers.
(実験結果)
本発明の装置を実験的に試験するために、図1および2の装置を採用する。実験方法は、可視光域の光放射のサブピコ秒初期ポンプパルス4を用いて周期的に音波を励起する光ポンプおよびプローブ技術に基づく。試料6は多層からなり、その断面を図10に示す。磨いたシリカ基板上に100nmの多結晶ニッケルをコーティングし、その上に400nmの多結晶金の上層を作製した。中心波長が415nm、持続時間が1ps(ピコ秒)オーダーおよび繰返し速度80MHzの、モードロックTi:サファイヤパルスレーザーからの倍周波数初期ポンプパルス4を直角入射で試料6の直径6μm(ピークの半値幅強度)オーダーのスポットに、レンズ5を用いて、試料6の平らな金表面の上でガウススポットに集束する。入射ポンプパルスのエネルギーは、典型的には0.3nJオーダーである。これにより、金薄膜の場合は10Kオーダーで、試料の過渡温度上昇が発生する。これらの初期ポンプパルス4またはプレイバックポンプパルス24は、試料6中に複雑な三次元音響場を発生させる。特に、縦方向音波パルスが深さ方向に発生する。これらの縦方向の音波波長は、140nmオーダーの表面下深さまでの試料内への電子拡散と組み合わされた熱弾性効果によって主に支配され、この実験においては一般的に600nm域にある。これは5GHzオーダーの広帯域周波数範囲に対応する。
(Experimental result)
To experimentally test the apparatus of the present invention, the apparatus of FIGS. 1 and 2 is employed. The experimental method is based on an optical pump and probe technique that periodically excites sound waves using a sub-picosecond
装置は、レンズ5を通して直径およそ3μmのガウススポットに直角入射で集束する、中心波長830nmおよび持続時間200fsオーダーの光プローブパルスを用いる、非常に安定した共通光路サニャック(Sagnac)干渉計3を含む。この干渉計は、光位相変化を測定するために設置される。初期段階では、光ポンプパルスと同期して同じレーザーから取り出される二つの初期プローブパルス1および2を利用する。初期プローブパルス1は、試料6との相互作用による初期プローブパルス2の変化が干渉計3によって測定されるように、初期ポンプパルス4より前に試料6に入射するように設定される。二つのプローブパルスの試料への到着時間間隔TP は、3200psであるように選ばれ、これは、遅延時間の長い間隔にわたる信号群の記録を可能にするのに十分な長さである。本実験において用いられる金の薄膜に関して、初期プローブまたはプレイバックプローブ光放射中に音響的に誘起された、初期プローブパルス2またはプレイバックプローブパルス22の光位相変化に比例する変化は、主に試料6の外向きの表面変位から生じると予測される。しかし、ここで用いられる以外のプローブ波長では、または例えば、アルミニウムなどの他の物質の薄膜では、主として光弾性効果が、プローブ光放射中に音響的に誘起された変化に影響することがあり得る。ポンプおよびプローブパルスの間の可変時間遅延を使用することで、初期またはプレイバック信号群を記録することができる。信号対雑音比を改善するために、ポンプビームの1MHzでの光チョッピングおよびロックイン検出が用いられる。
The apparatus includes a very stable common
図11は、上記の多層試料に対して記録された初期信号群g(t)を示す。多層試料6内部の音波の多重音響散乱の結果として、一連の音響エコーが見える。ここに含まれる超音波周波数に対する散逸的音響減衰効果は小さい。
FIG. 11 shows the initial signal group g (t) recorded for the multilayer sample. A series of acoustic echoes is visible as a result of multiple acoustic scattering of sound waves inside the
プレイバック局所音波源の位置が初期局所音波源の位置と同じである場合の第1の実施態様の使用法を示す。同じ光パルスを用いてプレイバック段階を実行するので、光ポンプ変調を利用しない第1の実施態様におけるプレイバック信号群z1 (t)は、したがって、図11の初期信号群g(t)と同一であると考えられ、それを得るための追加の実験は必要ない。したがってz1 (t)=g(t)であると仮定できる。 Fig. 4 shows the usage of the first embodiment when the position of the playback local acoustic source is the same as the position of the initial local acoustic source. Since the playback stage is performed using the same light pulse, the playback signal group z 1 (t) in the first embodiment that does not use optical pump modulation is therefore the initial signal group g (t) of FIG. It is considered the same and no additional experimentation is required to obtain it. Therefore, it can be assumed that z 1 (t) = g (t).
この実施態様においては、プレイバック処理関数a(t)による畳み込みを行うことが必要である。計算された関数a(t)を図12に示す。
In this embodiment, it is necessary to perform convolution with the playback processing function a (t). FIG. 12 shows the calculated function a (t).
式(9)および(10)を用いて得られる処理されたプレイバック信号群z(t)を図13に示す。予期されるように、z(t)の形は、符号とオフセットを除けば、初期信号群g(t)の時間反転に良好に近似している。この場合、g(t)およびz(t)の時間形状は、それぞれの極大値の近傍で近似的に対称である。 The processed playback signal group z (t) obtained using equations (9) and (10) is shown in FIG. As expected, the shape of z (t) is a good approximation to the time reversal of the initial signal group g (t), except for the sign and offset. In this case, the time shapes of g (t) and z (t) are approximately symmetrical in the vicinity of the respective local maximum values.
解析においては、試料中への熱拡散により生成される緩慢なバックグラウンド変化を、データから減算した。熱的変動は音響擾乱を表す信号と比較すると時間的にゆっくり変化するので、一般にこれは必要に応じて行われる。 In the analysis, the slow background change produced by thermal diffusion into the sample was subtracted from the data. This is generally done on an as-needed basis, as the thermal variation changes slowly in time compared to the signal representing the acoustic disturbance.
この実験は、単純ではあるが効果的に、本発明の実行可能性を示すものである。 This experiment demonstrates the feasibility of the present invention in a simple but effective manner.
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き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。 In addition, this invention is not limited to the said Example, Based on the meaning of this invention, a various deformation | transformation is possible and these are not excluded from the scope of the present invention.
本発明は、半導体ウエハーまたは集積回路のオンラインモニタリングに応用可能である。特に、本発明を用いると試料中の非常に浅い表面下欠陥の存在および位置を推測することができる。特に、本発明を用いて他の不均質な領域が分布していても、表面下欠陥の存在および位置を検出することができる。本発明はまた、密度、弾性定数またはこれらの特性に影響する量、例えばイオン注入量、内部応力、表面粗さ、界面粗さ、表面上の吸着物質、接着、粒子サイズ、有孔率、ミクロ構造または湿気の影響等を評価するために用いることができる。 The present invention is applicable to on-line monitoring of semiconductor wafers or integrated circuits. In particular, the present invention can be used to infer the presence and location of very shallow subsurface defects in a sample. In particular, the presence and location of subsurface defects can be detected using the present invention even if other inhomogeneous regions are distributed. The present invention also includes density, elastic constants or quantities that affect these properties, such as ion implantation, internal stress, surface roughness, interface roughness, adsorbed material on the surface, adhesion, particle size, porosity, micro It can be used to evaluate the effect of structure or moisture.
本発明によれば、試料の特性を非破壊・非接触で決定することができ、例えば、単層または多層薄膜で被覆された半導体ウエハーの作製におけるオンライン条件下で使用することができる。また、試料の幾何学的形状が複雑である場合にも、使用することができる。 According to the present invention, the characteristics of a sample can be determined in a non-destructive and non-contact manner, and can be used, for example, under on-line conditions in the production of a semiconductor wafer coated with a single layer or a multilayer thin film. It can also be used when the sample geometry is complex.
本発明には、他にも多くの産業上の利用可能な分野がある。薄膜または層を試料の上に作製するとき、試料内に表面下構造が存在するとき、または短い長さスケールで試料の特性を測定する必要があるとき、本発明によれば、最終製品の性能にとって決定的に重要な機械的または弾性的特性など、試料の物理的な特性に関する広範囲の情報をいつでも提供することができる。 There are many other industrially applicable fields for the present invention. According to the present invention, when a thin film or layer is formed on a sample, when subsurface structures are present in the sample, or when it is necessary to measure the properties of a sample on a short length scale, the performance of the final product is achieved. A wide range of information regarding the physical properties of the sample can be provided at any time, such as mechanical or elastic properties that are critical to the environment.
1,2 初期プローブパルス
3 時間ドメイン干渉計
4 初期ポンプパルス
5 レンズ
6 試料
7 データプロセッサ
8 変調器
9 初期プローブビーム
10 初期ポンプビーム
11 初期プローブ領域
12 ビームスプリッター
13,31 局所領域
14,15 ミラー
21,22 プレイバックプローブパルス
24 プレイバックポンプパルス
25 プレイバックポンプビーム
29 プレイバックプローブビーム
33 プレイバックプローブ領域
1, 2
Claims (43)
(b)光放射の短い初期プローブパルスにより、前記試料の表面近くまたは内部の初期プローブ領域で生じる初期音響擾乱をプローブするための手段と、
(c)所定の前記光放射の初期ポンプパルスの前記試料への到着時間と、プローブ光放射の初期パルスによる前記初期音響擾乱のプローブ時間との間の、初期遅延時間と呼ばれる遅延時間を変えるための手段と、
(d)前記初期プローブ光放射と前記試料との相互作用の後、前記初期プローブ光放射中に音響的に誘起された、前記初期プローブ領域における前記初期音響擾乱の特性の変化を、前記初期遅延時間の関数として検出するための手段と、
(e)前記初期プローブ光放射中に音響的に誘起された前記変化に比例する初期信号群を、前記初期遅延時間の関数として記憶するための手段と、
(f)前記初期プローブ領域またはその近くで、一連の光放射の短いプレイバックポンプパルスによって前記試料中のプレイバック局所音波源の発生を制御するために用いられるプレイバック関数を計算するために、前記初期信号群を処理するための手段と、
(g)前記試料の前記初期プローブ領域またはその近くで、前記一連の光放射の短いプレイバックポンプパルスによって、前記プレイバック局所音波源を発生させるための手段と、
(h)前記試料の表面近くまたは内部のプレイバックプローブ領域で生じるプレイバック音響擾乱を、一連の光放射の短いプレイバックプローブパルスによってプローブするための手段と、
(i)所定の前記光放射のプレイバックポンプパルスの前記試料への到着時間と、前記プローブ光放射のプレイバックパルスによる前記プレイバック音響擾乱のプローブ時間との間の、プレイバック遅延時間と呼ばれる遅延時間を変えるための手段と、
(j)前記プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態を前記プレイバック遅延時間の関数として変調するための手段と、
(k)前記プレイバックプローブ光放射と前記試料との相互作用の後、前記プレイバックプローブ光放射中に音響的に誘起された、前記プレイバックプローブ領域における前記プレイバック音響擾乱の特性の変化を検出するための手段と、
(l)前記プレイバックプローブ光放射中に音響的に誘起された前記変化に比例する前記プレイバック信号群を、前記プレイバック遅延時間の関数として記憶するための手段と、
(m)処理されたプレイバック信号群を作成するために、処理関数によって前記プレイバック信号群を処理するための手段と、
(n)プローブされた前記初期音響擾乱を表すデータ群を作成するために、前記初期局所音波源または前記初期プローブ領域の位置または前記初期局所音波源と前記初期プローブ領域との相対位置を走査するための手段と、
(o)プローブされた前記プレイバック音響擾乱を表すデータ群を作成するために、前記プレイバック局所音波源または前記プレイバックプローブ領域の位置または前記プレイバック局所音波源と前記プレイバックプローブ領域との相対位置を走査するための手段と、
(p)必要であれば、上記工程を繰り返す手段と、
(q)前記初期プローブ領域における時間反転された前記初期音響擾乱または時間ゲート処理された前記初期音響擾乱の一部の発生による音響伝播から効果的に生じる処理されたプレイバック信号群を、重ね合わせの原理を用いて、所定の近似で再生することを可能にするような前記手段と、
(r)前記処理されたプレイバック信号群または前記手段(p)による繰返しの結果に対応する前記処理されたプレイバック信号群と、前記試料中の前記初期およびプレイバック音響擾乱の伝播および散乱、および前記試料中の音響光発生および検出プロセスの適当な理論モデルとの比較のための手段とを具備し、
その結果、前記試料物理的な特性を取り出すことを特徴とする試料の物理的な特性を測定するための装置。 (A) means for generating an initial acoustic wave source localized in the sample by a short initial pump pulse of light radiation;
(B) means for probing initial acoustic disturbances occurring in the initial probe region near or within the surface of the sample by a short initial probe pulse of light emission;
(C) To change the delay time, called the initial delay time, between the arrival time of the initial pump pulse of the predetermined light emission to the sample and the probe time of the initial acoustic disturbance due to the initial pulse of probe light emission. Means of
(D) after the interaction between the initial probe light radiation and the sample, a change in the characteristic of the initial acoustic disturbance in the initial probe region acoustically induced during the initial probe light radiation is represented by the initial delay; Means for detecting as a function of time;
(E) means for storing, as a function of the initial delay time, an initial signal group proportional to the change acoustically induced during the initial probe light emission;
(F) to calculate a playback function used to control the generation of a playback local acoustic wave source in the sample by a short playback pump pulse of a series of light emissions at or near the initial probe region; Means for processing the initial signal group;
(G) means for generating the playback local acoustic source by a short playback pump pulse of the series of light emissions at or near the initial probe region of the sample;
(H) means for probing playback acoustic disturbances occurring in the playback probe region near or within the surface of the sample with a short playback probe pulse of a series of light emissions;
(I) called the playback delay time between the arrival time of the playback pump pulse of the predetermined light emission to the sample and the probe time of the playback acoustic disturbance due to the playback pulse of the probe light emission Means for changing the delay time;
(J) means for modulating the amplitude, phase or polarization state of the playback light pump radiation as a function of the playback delay time;
(K) After the interaction between the playback probe light radiation and the sample, a change in the characteristics of the playback sound disturbance in the playback probe region acoustically induced during the playback probe light radiation. Means for detecting;
(L) means for storing the playback signal group proportional to the change acoustically induced during the playback of the playback probe light as a function of the playback delay time;
(M) means for processing the playback signal group with a processing function to create a processed playback signal group;
(N) Scan the position of the initial local sound source or the initial probe region or the relative position of the initial local sound source and the initial probe region to create a data group representing the probed initial acoustic disturbance. Means for
(O) In order to create a data group representing the probed playback acoustic disturbance, the position of the playback local sound source or the playback probe region or the playback local sound source and the playback probe region Means for scanning the relative position;
(P) means for repeating the above steps if necessary;
(Q) Superimposing processed playback signal groups effectively resulting from acoustic propagation due to the occurrence of time-reversed initial acoustic disturbances or time-gated initial acoustic disturbances in the initial probe region Said means enabling reproduction with a predetermined approximation using the principle of:
(R) the processed playback signal group corresponding to the processed playback signal group or the result of repetition by the means (p), and propagation and scattering of the initial and playback acoustic disturbances in the sample; And means for comparison with a suitable theoretical model of the acoustic light generation and detection process in the sample,
As a result, an apparatus for measuring a physical property of a sample, wherein the physical property of the sample is extracted.
A(ω)=G(ω)* /H(ω)D(ω)*
(ここでωは音波の角振動数、H(ω)は前記プレイバック局所音波源の光発生のインパルス応答関数h(t)のフーリエ変換(ここでtは遅延時間)、D(ω)は初期プローブ領域における前記初期音響擾乱の光検出のインパルス応答関数d(t)のフーリエ変換、G(ω)は前記初期プローブ光放射中に前記初期遅延時間の関数として前記音響的に誘起された変化に比例する前記初期信号群g(t)のフーリエ変換、*は複素共役を表す)で定義される、前記処理関数a(t)の時間ドメインの一部または全体による前記プレイバック信号群の畳み込みを含むことを特徴とする請求項1又は19記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。 The means for processing the playback signal group has a Fourier transform A (ω) of the form A (ω) = G (ω) * / H (ω) D (ω) *
(Where ω is the angular frequency of the sound wave, H (ω) is the Fourier transform of the impulse response function h (t) of light generation of the playback local sound source (where t is the delay time), and D (ω) is Fourier transform of light detection impulse response function d (t) of the initial acoustic disturbance in the initial probe region, G (ω) is the acoustically induced change as a function of the initial delay time during the initial probe light emission. Convolution of the playback signal group with part or all of the time domain of the processing function a (t) defined by a Fourier transform of the initial signal group g (t) proportional to 20. The apparatus for measuring physical properties of a sample according to claim 1 or 19, characterized by comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005117623A JP2005338063A (en) | 2004-04-28 | 2005-04-15 | Apparatus for measuring physical characteristics of sample |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004133307 | 2004-04-28 | ||
JP2005117623A JP2005338063A (en) | 2004-04-28 | 2005-04-15 | Apparatus for measuring physical characteristics of sample |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005338063A true JP2005338063A (en) | 2005-12-08 |
Family
ID=35491782
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005117623A Pending JP2005338063A (en) | 2004-04-28 | 2005-04-15 | Apparatus for measuring physical characteristics of sample |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005338063A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007271288A (en) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Graduate School For The Creation Of New Photonics Industries | Laser excitation ultrasonic image device |
WO2011158503A1 (en) * | 2010-06-15 | 2011-12-22 | 国立大学法人北海道大学 | Method for measurement of vibration property of structure, and vibration property measurement device |
CN113607068A (en) * | 2021-07-19 | 2021-11-05 | 华中科技大学 | Method for establishing and extracting recognition model of photoacoustic measurement signal characteristics |
WO2023053765A1 (en) * | 2021-10-01 | 2023-04-06 | 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 | Excitation device, inspection system, and excitation method |
-
2005
- 2005-04-15 JP JP2005117623A patent/JP2005338063A/en active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007271288A (en) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Graduate School For The Creation Of New Photonics Industries | Laser excitation ultrasonic image device |
WO2011158503A1 (en) * | 2010-06-15 | 2011-12-22 | 国立大学法人北海道大学 | Method for measurement of vibration property of structure, and vibration property measurement device |
JP5750788B2 (en) * | 2010-06-15 | 2015-07-22 | 国立大学法人北海道大学 | Method and apparatus for measuring vibration characteristics of structure |
US9291604B2 (en) | 2010-06-15 | 2016-03-22 | National University Corporation Hokkaido University | Method for measurement of vibration property of structure, and vibration property measurement device |
CN113607068A (en) * | 2021-07-19 | 2021-11-05 | 华中科技大学 | Method for establishing and extracting recognition model of photoacoustic measurement signal characteristics |
CN113607068B (en) * | 2021-07-19 | 2022-08-05 | 华中科技大学 | Method for establishing and extracting recognition model of photoacoustic measurement signal characteristics |
WO2023053765A1 (en) * | 2021-10-01 | 2023-04-06 | 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 | Excitation device, inspection system, and excitation method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Hess et al. | Laser-based linear and nonlinear guided elastic waves at surfaces (2D) and wedges (1D) | |
JP3288672B2 (en) | Equipment for measuring physical properties of samples | |
Pelivanov et al. | A 1 kHz a-scan rate pump-probe laser-ultrasound system for robust inspection of composites | |
US7649632B2 (en) | Characterization of micro- and nano scale materials by acoustic wave generation with a CW modulated laser | |
Balogun et al. | High-spatial-resolution sub-surface imaging using a laser-based acoustic microscopy technique | |
Masserey et al. | Ultrasonic sizing of short surface cracks | |
Vollmann et al. | Sensitivity improvement of a pump–probe set-up for thin film and microstructure metrology | |
Ying et al. | Multi-mode laser-ultrasound imaging using Time-domain Synthetic Aperture Focusing Technique (T-SAFT) | |
Wang et al. | Laser-generated Rayleigh wave for width gauging of subsurface lateral rectangular defects | |
Costley Jr et al. | Dispersion curve analysis of laser-generated Lamb waves | |
Yan et al. | Mode conversion detection in an elastic plate based on Fizeau fiber interferometer | |
JP2005338063A (en) | Apparatus for measuring physical characteristics of sample | |
JP3288670B2 (en) | Equipment for measuring physical properties of samples | |
JP3704843B2 (en) | Non-contact non-destructive material evaluation method and apparatus, elastic wave excitation method and elastic wave excitation apparatus | |
Cernadas et al. | Non-destructive testing with surface acoustic waves using double-pulse TV holography | |
Hong et al. | Rapid and accurate analysis of surface and pseudo-surface waves using adaptive laser ultrasound techniques | |
JP3766032B2 (en) | Method for measuring physical properties of samples | |
Dean-Ben et al. | Phase and group velocity measurement of ultrasonic guided wavetrains in plates by pulsed TV holography | |
Dewhurst | Optical sensing of ultrasound | |
Wang et al. | Acoustic mapping by picosecond ultrasonics for elastic property measurement: Experimental demonstration on a TRISO fuel compact | |
Cernadas et al. | Non-destructive testing of plates based on the visualisation of Lamb waves by double-pulsed TV holography | |
Korkh et al. | Scanning acoustic microscope for visualization of microflaws in solids | |
Wartelle et al. | NON‐DESTRUCTIVE TESTING USING TWO‐COMPONENT/TWO‐WAVE MIXING INTERFEROMETER | |
Xing et al. | Design of a hybid ultrasound and digital holography imaging system for detection of internal micro-defects | |
Profunser et al. | Ultrasonic wave propagation in focussing tips with arbitrary geometries |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060420 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080728 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090804 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20091215 |