JP2003130852A

JP2003130852A - 光熱変位画像検出方法及びその装置

Info

Publication number: JP2003130852A
Application number: JP2001327119A
Authority: JP
Inventors: Taketo Ueno; 剛渡上野; Hiroyuki Nakano; 博之中野; Toshihiko Nakada; 俊彦中田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2003-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】光の照射領域内で、試料の光吸収率、熱伝導率
などの熱物性値が不均一であったり、光吸収率、熱伝導
率などの熱物性値が一定であっても、構造的に熱の伝搬
や遮蔽などの特性が異なる場合においても、均一な感度
で光熱信号検出を可能にする。【解決手段】試料表面の光熱変位画像を検出する方法に
おいて、試料の表面に参照光を照射し、この参照光の照
射による試料からの反射光を検出して試料の表面の構造
の情報を得、試料の表面の参照光の照射領域の近傍に照
射により試料の表面に光熱変位を発生させる励起光を参
照光の反射光を検出して得た試料表面の構造の情報に基
づいて光の強度の分布を制御して照射し、励起光を照射
した領域にプローブ光を照射し、参照光の照射による試
料からの反射光とプローブ光の照射による試料からの反
射光とを干渉させて干渉光を形成し、この干渉光を検出
し、検出した干渉光の情報を得た試料表面の構造の情報
を用いて処理することにより試料表面の光熱変位画像を
検出するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光音響効果あるい
は光熱効果を利用して、試料の表面及び内部情報を検出
する光熱変位画像検出方法及びその装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】光音響効果あるいは光熱効果を利用し
て、試料の表面及び内部情報を検出する光熱変位画像検
出方法及に関する従来技術としては、特開平５−１７２
７３６号公報（従来技術１）、特開平５−１７２７３７
号公報（従来技術２）、特開平５−２６４４３８号公報
（従来技術３）および特開平８−２７８２５０号公報
（従来技術４）に示されている。

【０００３】前記従来技術１では、所望の周波数で強度
変調した光を試料の帯状検査領域の表面上に照射して該
帯状検査領域の表面または内部に光音響効果あるいは光
熱効果を発生させ、光を試料の帯状検査領域の表面上に
照射してその反射光を参照光との干渉光を試料表面と共
役の関係にある光電変換素子で検出し、該検出した干渉
光強度信号の中から帯状検査領域にて光音響効果あるい
は光熱効果により生じた前記強度変調周波数を同じ周波
数成分の熱歪を検出して該周波数成分の熱歪より試料の
帯状検査領域の表面または内部情報を検出することを特
徴とする試料の表面または内部情報検出方法が示されて
いる。

【０００４】また、前記従来技術２では、所望の周波数
で強度変調した光を試料表面の複数の測定点に照射して
該複数の測定点の表面あるいは内部において光音響効果
あるいは光熱効果を発生させ、該複数の測定点に光を照
射してその反射光を参照光との干渉光を試料表面と共役
の関係にあり、且つ各測定点に対応した複数個の光電変
換素子からなる検出器で検出し、該検出した干渉光強度
信号の中かから複数の測定点において生じた、前記強度
変調周波数と同じ周波数成分の熱歪を検出し、該周波数
成分の熱歪より試料の複数の測定点の表面及び内部情報
を検出することを特徴とする光音響信号検出方法が示さ
れている。

【０００５】また、前記従来技術３には、光源からの光
を所望の周波数で強度変調して強度変調した光を試料表
面の測定点に照射して光音響効果あるいは光熱効果を発
生させ、前記測定点にプローブビームと該プローブビー
ムよりも大きい照射領域を有する参照光とを照射し、プ
ローブビームに基づく試料表面からの反射光と前記参照
光に基づく試料表面に対するフーリエ変換像の直流成分
とを互いに光学的に干渉させて干渉光を光電変換素子で
検出し、該検出された干渉強度信号の中から前記強度変
調周波数と同じ周波数成分の熱歪を検出し、該周波数成
分の熱歪より試料の表面または内部情報を抽出すること
を特徴とする光音響信号検出方法が示されている。

【０００６】また、前記従来技術４には、変更可として
設定された周波数ｆ_Ｅで強度変調した光を試料表面の複
数の測定点に照射して、該複数の測定点の表面において
前記周波数ｆ_Ｅと同期した周期的な反射率変化を発生さ
せ、該複数の測定点に他の光を照射してその反射光を、
各測定点に対応した複数個の光電変換素子からなる検出
器で検出し、該検出した反射光強度信号の中から、前記
反射率変化に基づく前記強度変調周波数ｆ_Ｅと同期した
反射光強度変化を光熱信号をして前記複数の測定点ごと
に検出し、該光熱信号より試料の複数の測定点の表面及
び内部情報を検出することを特徴とする光熱信号検出方
法が示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術は、非接
触・被破壊で光音響信号あるいは光熱信号を検出できる
極めて有効な手段であり、且つ、単純構成にして、試料
の表面とその近傍の内部情報が２次元的に高速に検出さ
れ得る光熱変位画像検出方法及びその装置を提供するも
のであるが、測定点の表面において光熱信号を発生させ
る為の光の照射領域内で、試料の光吸収率、熱伝導率な
どの熱物性値が不均一であったり、光吸収率、熱伝導率
などの熱物性値が一定であっても、構造的に熱の伝搬や
遮蔽などの特性が異なる場合には、光熱信号の発生が不
均一になり、検出感度が前記光の照射領域内（計測領域
内）でばらつきを生じることが懸念される。

【０００８】本発明の目的は、光の照射領域内で、試料
の光吸収率、熱伝導率などの熱物性値が不均一であった
り、光吸収率、熱伝導率などの熱物性値が一定であって
も、構造的に熱の伝搬や遮蔽などの特性が異なる場合に
おいても、均一な感度で光熱信号検出が可能な光熱変位
画像検出方法及びその装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明では、試料表面の光熱変位画像を検出する方
法において、試料の表面に参照光を照射し、この参照光
の照射による試料からの反射光を検出して試料の表面の
構造の情報を得、試料の表面の参照光の照射領域の近傍
に照射により試料の表面に光熱変位を発生させる励起光
を参照光の反射光を検出して得た試料表面の構造の情報
に基づいて光の強度の分布を制御して照射し、励起光を
照射した領域にプローブ光を照射し、参照光の照射によ
る試料からの反射光とプローブ光の照射による試料から
の反射光とを干渉させて干渉光を形成し、この干渉光を
検出し、検出した干渉光の情報を得た試料表面の構造の
情報を用いて処理することにより試料表面の光熱変位画
像を検出するようにした。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を、図１〜図１１
を用いて説明する。

【００１１】図１は、本発明の実施例における光音響検
出光学系の構成を示すものである。本光学系は、励起光
学系２０１、光音響信号を検出するためのヘテロダイン
形干渉光学系２０２、試料表面パターン認識光学系２０
３及び信号処理系２０４から成る。

【００１２】励起光学系２０１のレーザ３１（例えば、
波長５３２ｎｍ）から出射した平行ビーム３２を音響光
学変調素子３３に入射する。今、図１において、発振器
８６から周波数ｆ_C0の正弦波を、また発振器８７から周
波数ｆ_L（ｆ_L＜ｆ_C0）の矩形波を各々信号合成器８８に
入力し、両波形の積をとることにより変調信号を作り、
音響光学変調素子３３に入力する。その結果、音響光学
変調素子３３からはｆ _C0だけ周波数シフトした１次回折
光３５が周波数ｆ_Lで断続的に出力される。即ち、励起
光として、ｆ_C0だけ周波数シフトした変調周波数ｆ_Lの
強度変調ビームが得られる。尚、０次光３４は絞り３６
で遮光される。強度変調ビーム(１次回折光)３５をビー
ムエキスパンダ３８により所望のビーム径４０に拡大
し、更にシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）３９によ
り楕円ビームにし、光の透過率を制御する液晶シャッタ
アレイ６０２を通過した後、ダイクロイックプリズム４
１（波長５３２ｎｍは反射、６３３ｎｍは透過）で反射
させ光路を変えて対物レンズ４２に入射させ、対物レン
ズ４２の瞳即ち後側焦点位置４４にｘ方向のみ集光させ
る。

【００１３】一方、ｙ方向に関してはシリンドリカルレ
ンズ３９は曲率を持たない板ガラスとみなせるので、対
物レンズの後側焦点位置４４には平行光のままで入射す
る。

【００１４】その結果、図２に示すように、対物レンズ
の前側焦点位置、即ち試料４７の表面上には、励起ビー
ムとして、ｘ方向に幅を持ちｙ方向に集束した、１本の
ストライプビーム１０１が得られる。

【００１５】励起光学系２０１について、図３に基づい
て更に詳細に説明する。図３（ａ）及び（ｂ）におい
て、シリンドリカルレンズ３９の焦点位置と対物レンズ
４２の後側焦点位置４４とは一致しており、また対物レ
ンズの前側焦点位置は試料４７の表面と一致している。
従って、図３（ａ）に示すようにｘ方向に関して、シリ
ンドリカルレンズ３９から出たビーム４０は、対物レン
ズ４２の後側焦点位置４４に集光する。この後側焦点位
置４４に集光した光は、対物レンズ４２に入射し平行光
となって試料４７表面上に入射する。

【００１６】一方、図３（ｂ）に示すようにｙ方向に関
して、シリンドリカルレンズ３９は曲率を持たない板ガ
ラスとみなせるので、シリンドリカルレンズ３９から出
たビーム４０は対物レンズ４２に平行光のままで入射す
るため、対物レンズ４２から出たビーム４６は試料４７
表面上に集光する。その結果、図２に示すように、試料
４７の表面上には、励起ビームとして、ｘ方向に幅を持
ちｙ方向に集束した、１本のストライプビーム１０１が
得られる。

【００１７】試料４７は試料テーブル４８に載置されて
おり、試料テーブル４８はストライプビーム１０１の長
手方向と直角な方向に連続的に移動する。この試料テー
ブル４８の移動量は検出器(図示せず)で検出されて、そ
の位置情報は、計算機９６に伝達される。

【００１８】今、試料として、図４に示すようにポリイ
ミドのような有機高分子材料１０４を絶縁体として形成
されたＣｕ配線パターン１０２、１０３を考える。図５
は、試料の内部構造と、励起ビームによって生じた熱拡
散領域を示す断面図である。試料４７は、セラミック基
板１０９上に厚さ２０μｍのポリイミド１０４を絶縁体
として厚さ２０μｍのＣｕパターン１０２、１０３が配
線パターンとして形成された構造となっている。ここ
で、例えば、Ｃｕ配線パターン中の内部クラック１０７
や下地基板とＣｕパターン界面の剥離１０８を検出すべ
き内部欠陥とする。

【００１９】ここで重要な点は、Ｃｕパターン１０２、
１０３とその周辺のポリイミド１０４との熱的性質の違
いである。即ち、Ｃｕの熱伝導率ｋは４０３〔Ｊ・ｍ^-1
・ｋ ^-1・ｓ^-1〕、密度ρは８．９３〔×１０6ｇ・
ｍ^-3〕、比熱ｃは０．３８〔Ｊ・ｇ^-1・ｋ^-1〕であるの
に対し、ポリイミドの熱伝導率ｋは０．２８８〔Ｊ・ｍ
^-1・ｋ^-1・ｓ^-1〕、密度ρは１．３６〔×１０6ｇ・ｍ
^-3〕、比熱ｃは１．１３〔Ｊ・ｇ^-1・ｋ^-1〕であり、特
にＣｕの熱伝導率ｋはポリイミドのそれの１４００倍で
ある。そこで、励起光の強度変調周波数ｆ_Lを例えば５
０ｋＨｚとすると、Ｃｕパターン部１０２、１０３にお
ける熱拡散長μsは約２７μｍ、ポリイミド部１０４に
おける熱拡散長は約１．１μｍとなる。

【００２０】その結果、図５に示すように、ストライプ
状の励起ビーム１０１によって形成されたストライプ状
の光吸収領域１０５において与えられた熱が、検査対象
であるＣｕパターン部１０２、１０３では大きく拡散
し、下地基板との界面を含めてＣｕパターンの断面を覆
うように熱拡散領域１０６が形成される。一方、検査対
象外のポリイミド部１０４では、熱は小さく拡散し熱拡
散領域は表面部分のみに形成される。その結果、図４及
び図５に示すように、ｘ方向に幅を持ちｙ方向に集束し
た、ストライプ状の励起ビーム１０１を複数のＣｕ配線
パターン１０２、１０３を覆うようにｙ方向の走査しな
がら照射すると、光吸収領域１０５に沿って光音響効果
もしくは光熱効果に基づいて生じた熱歪波により超音波
（熱弾性波）が発生し、試料４７表面に微小変位の分布
１１０（破線）が生じ、かつこの微小変位の分布１１０
には、各々のＣｕ配線パターン１０２、１０３の内部情
報（内部クラック１０７、剥離欠陥１０８）及びポリイ
ミド部１０４の内部情報が各々融合されることなく、独
立に反映されている。

【００２１】即ち、ストライプ状の励起ビーム１０１を
熱的コントラストの高い複数の検査対象に同時に照射す
ることにより複数の検査対象をそれぞれに励起でき、内
部情報が反映された微小変位の分布を発生させることが
できる。

【００２２】次に、光音響効果に基づく試料表面の微小
変位の分布１１０（破線）を検出するためのヘテロダイ
ン形干渉光学系２０２の構成とその機能について、図１
及び図６〜図９に基づいて説明する。図１において、例
えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ５１（波長６３３ｎｍ）から出
射する直線偏光ビーム５２の偏向方向を、図６（ａ）の
１１１のようにｘ軸及びｙ軸に対し４５°方向に設定す
る。ここで、図１の紙面に対し、垂直方向をｙ軸とし、
それと直交する方向をｘ軸とする。偏光ビームスプリッ
タ５３により、入射光ビーム５２のうち図６（ａ）の１
１２で示すｐ偏光成分５４は偏光ビームスプリッタ５３
を透過し、音響光学変調素子６２に入射する。また、図
６（ａ）の１１３で示すｓ偏光成分５５は偏光ビームス
プリッタ５３で反射される。

【００２３】発振器９１ａから周波数ｆ_C1の正弦波を音
響光学変調素子６２に入力し、ｆ_C1だけ周波数シフトし
たｐ偏光の１次回折光６４を得る。尚、０次光６３は絞
り６５で遮光される。このｐ偏光の１次回折光６４はミ
ラー６６で反射された後、偏光ビームスプリッタ６１を
通過する。一方、偏光ビームスプリッタ５３で反射され
たｓ偏光成分５５はミラー５６で反射された後、音響光
学変調素子５７に入射する。発振器９１ｂから周波数ｆ
_C2（ｆ_C1≠ｆ_C2）の正弦波を音響光学変調素子５７に入
力し、ｆ_C2だけ周波数シフトしたｓ偏光の１次回折光５
９を得る。尚、０次光５８は絞り６０で遮光される。こ
のｓ偏光の１次回折光５９は偏光ビームスプリッタ６１
で反射され、偏光ビームスプリッタ６１を通過してきた
ｐ偏光の１次回折光６４と合成される。この合成光６７
は二周波直交偏光、即ち図６（ｂ）に示す様に、１１２
及び１１３の方向に互いに直交し、かつお互いにｆ_C1−
ｆ _C2の周波数差をもったビーム光を成す。

【００２４】合成光６７をビームエキスパンダ７０によ
り所望のビーム径に拡大し、更にシリンドリカルレンズ
（円筒レンズ）７１により楕円ビームにする。この楕円
ビームは、ビームスプリッタ７３を通過して、複屈折プ
リズム７９（例えば、サバール板など）に入射し、複屈
折プリズム７９によりｐ偏光及びｓ偏光の２つの光に平
行分離される。この分離された一方のｐ偏光ビームは、
リレーレンズ３０１の後側焦点位置３１０(図８（ａ）
参照)においてｘ方向のみ集光する。この後側焦点位置
３１０においてｘ方向のみ集光したｐ偏光ビームは、リ
レーレンズ３０１とダイクロイックプリズム４１とを通
過した後、対物レンズ４２の瞳４３即ち後側焦点位置４
４にｘ方向のみ集光する。一方、ｙ方向に関してはシリ
ンドリカルレンズ７１は曲率を持たない板ガラスとみな
せるので、対物レンズ４２の後側焦点位置４４には平行
光のままで入射する。

【００２５】また、平行分離された他方のｓ偏光ビーム
も、リレーレンズ３０１の後側焦点位置３１０において
ｘ方向のみ集光する。この後側焦点位置３１０において
ｘ方向のみ集光したｓ偏光ビームは、リレーレンズ３０
１とダイクロイックプリズム４１とを通過した後、対物
レンズ４２の瞳４３即ち後側焦点位置４４の前記ｐ偏光
ビームが集光した位置の近傍にｘ方向のみ集光する。一
方、ｙ方向に関してはシリンドリカルレンズ７１は曲率
を持たない板ガラスとみなせるので、対物レンズ４２の
後側焦点位置４４には平行光のままで入射する。

【００２６】対物レンズ４２から出射したｐ偏光ビーム
は、図４に示すように、対物レンズ４２の前側焦点位
置、即ち試料４７の表面上の励起ビーム１０１が照射さ
れている位置と同じ位置に、ｘ方向に幅を持ちｙ方向に
集束した１本のストライプ状のプローブビーム１９０ｐ
として照射される。

【００２７】一方、ｓ偏光ビームは、図４に示すよう
に、対物レンズ４２の前側焦点位置、即ち試料４７の表
面上の励起ビーム１０１及びプローブビーム１９０ｐが
照射されている位置の近傍に、ｘ方向に幅を持ちｙ方向
に集束した１本のストライプ状の参照ビーム１９０ｓと
して照射される。

【００２８】プローブビーム１９０ｐによる試料４７か
らの反射光は、光音響効果により試料４７表面で生じた
微小変位の分布１１０（破線）を位相分布情報としても
っている。図１において、試料４７からのプローブビー
ム１９０ｐの反射光は、対物レンズ４２を通過後再び同
じ光路を経てビームスプリッタ７３で反射される。一
方、参照ビーム１９０ｓによる試料４７からの反射光
は、対物レンズ４２を通過後再び同じ光路を経て複屈折
プリズム７９で前記プローブビーム１９０ｐの反射光と
合成された後、ビームスプリッタ７３で反射されて合成
光７７となる。

【００２９】ビームスプリッタ７３で反射された合成光
７７のうちプローブビーム１９０ｐの反射光の偏光方向
１１４と、参照ビーム１９０ｓの反射光の偏光方向１１
５とを図７に示す。両者は互いに直交しているので、こ
のままでは、干渉しない。そこで、図９に示すように、
レンズ３０１の後に偏光板７９を挿入し、その偏光方向
を図８の１１６に示すように４５°方向に設定すること
により、両反射光は干渉しｆ_B＝ｆ_C1-ｆ_C2のビート周波
数を持ったヘテロダイン干渉光が得られる。このヘテロ
ダイン干渉光には光音響効果により試料４７表面で生じ
た微小変位のｘ方向の１次元分布が光位相分布情報とし
て含まれている。この干渉光８０を中心波長６３３ｎｍ
の干渉フィルタ８１ａを通して迷光を除去した後、レン
ズ７８により、ＣＣＤ１次元センサ等の蓄積形固体撮像
素子８２ａの検出面上に結像させる。ＣＣＤ１次元セン
サ８２ａの撮像面と試料４７の表面とは結像関係にある
ので、当然ながら、ＣＣＤ１次元センサ８２ａの撮像面
には光音響効果により試料４７表面で生じた微小変位の
情報を有するストライプ状の干渉光が結像する。

【００３０】ヘテロダイン形干渉光学系２０２につい
て、図８及び図９に基づいて更に詳細に説明する。図８
（ａ）及び（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ
７１の焦点位置はリレーレンズ３０１の後側焦点位置３
１０と一致しており、リレーレンズ３０１の前側焦点位
置３１１は対物レンズ４２の後側焦点位置４４は一致し
ており、また対物レンズの前側焦点位置は試料４７の表
面と一致している。従って、図８（ａ）に示すように、
ｘ方向に関してシリンドリカルレンズ７１から出たビー
ム７２は対物レンズ４２の後側焦点位置４４に集光する
ため、対物レンズ４２から出たビーム１４５は平行光と
なって試料４７表面上に入射する。

【００３１】一方、図８（ｂ）に示すように、ｙ方向に
関してシリンドリカルレンズ７１は曲率を持たない板ガ
ラスとみなせるので、シリンドリカルレンズ７１から出
たビーム７２は、複屈折プリズム７９に平行光のまま入
射する。複屈折プリズム７９でｐ偏光及びｓ偏光成分は
平行分離される。平行分離されたｐ偏光ビーム及びｓ偏
光ビームは対物レンズ４２に平行光のままで入射するた
め、対物レンズ４２から出たビームｐ偏光ビーム１４５
ｐ及びｓ偏光ビーム１４５ｓは試料４７表面上の近接し
た位置に集光する。

【００３２】その結果、図４に示すように、試料４７の
表面上には、励起ビーム１０１が照射されている位置と
同じ位置に、励起ビーム１０１と同様にｘ方向に幅を持
ちｙ方向に集束した１本のストライプ状のプローブビー
ム１９０ｐが、また、励起ビーム１０１及びプローブビ
ーム１９０ｐが照射されている位置の近傍に励起ビーム
１０１及びプローブビーム１９０ｐと同様にｘ方向に幅
を持ちｙ方向に集束した１本のストライプ状の参照ビー
ム１９０ｓが照射される。

【００３３】図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、対物
レンズ４２の前側焦点位置は試料４７の表面と一致して
おり、また対物レンズ４２の後側焦点位置４４は結像レ
ンズ７８の前側焦点位置と一致しており、更に結像レン
ズ７８の後側焦点位置はＣＣＤ１次元センサ８２ａ及び
ｂの撮像面と一致している。即ち、この光学系は両テレ
セントリック結像光学系となっている。

【００３４】従って、プローブビーム１９０ｐ及び参照
ビーム１９０ｓによる試料４７表面から反射光のｘ方向
の成分は、図９（ａ）に示すように、対物レンズ４２を
通過後にその後側焦点位置４４に集束し、複屈折プリズ
ム７９で合成された後、結像レンズ７８を通過後再び平
行光となりヘテロダイン干渉光としてＣＣＤ１次元セン
サ８２ａに入射する。

【００３５】一方、プローブビーム１９０ｐ及び参照ビ
ーム１９０ｓによる試料４７表面から反射光のｙ方向の
成分は図９（ｂ）に示すように、対物レンズ４２を通過
後に平行光となり、複屈折プリズムで合成された後、結
像レンズ７８を通過後にその後側焦点位置、即ちＣＣＤ
１次元センサ８２ａ上にヘテロダイン干渉光として集束
する。

【００３６】即ち、ＣＣＤ１次元センサ８２ａ上でプロ
ーブビーム１９０ｐの反射光と参照ビーム１９０ｓの反
射光とは同じストライプ状のビームとなり、ｘ方向の１
次元光干渉信号が検出される。

【００３７】ＣＣＤ１次元センサ８２ａからの出力信号
は、信号処理系２０４の前処理回路９４に入力されて増
幅されＡＤ変換された後、２次元メモリ９５に格納され
る。この２次元メモリ９５に格納されたデータは、順次
読み出されて計算機９６に送信される。

【００３８】次に、試料表面パターン認識光学系２０３
について図１、図４及び図１０に基づいて説明する。

【００３９】この試料表面パターン認識光学系２０３
は、試料表面のストライプ状のビーム４６が照射されて
いる領域の構造(パターン)を検出するためのものであ
り、図１に示すように、ビームスプリッタ７３で反射
し、ＣＣＤ１次元センサ８２ａへ向かう干渉ビーム７７
の一部を、結像レンズ７８の後ろに配置した、例えば、
ガラス板６０３で取り出して偏光板８１ｂを通過させた
後、ＣＣＤ１次元センサ８２ａと共役な位置に配置した
ＣＣＤ１次元センサ８２ｂにより検出する構成となって
いる。この試料表面パターン認識光学系２０３の構成
を、図１０に示す。

【００４０】ここで、偏光板８１ｂの偏光方向を参照ビ
ーム１９０ｓの偏光方向と合わせておくことにより、偏
光板８１ｂは、プローブビーム１９０ｐの反射光を遮光
して参照ビーム１９０ｓの反射光を透過させる。ＣＣＤ
１次元センサ８２ｂは、励起ビーム１０１が照射されて
光音響効果により微小変位が発生する領域の近傍に照射
された参照ビーム１９０ｓの反射光を検出し、反射光の
強度に応じた信号を出力する。

【００４１】次に、信号処理系２０４について説明す
る。信号処理系２０４では、ＣＣＤ１次元センサ８２ａ
から出力される干渉信号をテーブル４８の移動と同期し
て計算機９６で処理することにより、光音響効果に基づ
いて生じた試料４７表面の微小変位の振幅及び位相の分
布を求める。また、ＣＣＤ１次元センサ８２ｂからの信
号は計算機９６に送られ、計測中に検出した参照ビーム
１９０ｓの反射光強度から試料の参照ビーム１９０ｓの
照射位置の反射率を求め、得られた反射率分布から試料
の参照ビーム１９０ｓの照射位置の構造（試料表面のパ
ターンなど）を求める。

【００４２】従って、試料４７を図４に矢印で示した走
査方向、つまり、プローブビーム１９０ｐの長手方向に
垂直な方向に、参照ビーム１９０ｓがプローブビーム１
９０ｐの前方にくる方向に走査しながら検出を行えば、
励起ビーム１０１が照射される試料表面の配線の形状を
認識しながら、光音響効果に基づいて生じた試料４７表
面の微小変位の振幅及び位相を求めることが可能とな
る。この求めた試料４７表面の微小変位の振幅及び位相
に関する情報は、表示画面９７に表示される。また、表
示画面９７には、微小変位の振幅及び位相の試料４７表
面での分布の状態を２次元画像として表示することがで
きる。

【００４３】例えば、図１１に示すように、２本のＣｕ
配線１０４、１０５が中央部で配線１０６で接続された
ような形状の場合、励起ビーム１０１とプローブビーム
１９０ｐとを矢印の方向に走査して配線１０６の上に達
したとき、励起ビーム１０１とプローブビーム１９０ｐ
とによるストライプ状の照射領域のうちそれまでポリイ
ミド部を照射していた領域が、突然Ｃｕ配線部１０６に
かわるため、ポリイミド部を照射していたときには小さ
かった表面の微小変位が、Ｃｕ配線部１０６を照射する
ことにより突然大きくなる。このとき、この微小変位が
突然大きくなる部分が配線パターであることを認識せず
に検査を行った場合、配線パターンの変化を欠陥と誤認
する可能性がある。

【００４４】しかし、本発明では、ＣＣＤ１次元センサ
８２ｂで検出した参照ビーム１９０ｓの反射光強度信号
を処理して得られる試料表面の配線パターンの情報を用
いて励起ビーム１０１の光強度を制御する構成としたこ
とにより、ＣＣＤ１次元センサ８２ａで検出した励起ビ
ーム１０１とプローブビーム１９０ｐとの干渉光の情報
から、配線パターンの領域とそれ以外の領域とを識別す
ることが可能になり、表面構造の変化（配線パターン領
域とそれ以外の領域）を欠陥と誤認することを防止でき
る。

【００４５】すなわち、参照ビーム１９０ｓの反射光強
度信号を処理して得られる試料表面の配線パターンの情
報に基づいて、励起ビーム１０１の光強度を励起光学系
２０１の液晶シャッタアレイ６０２を駆動して、試料４
７に照射する励起ビーム１０１の強度を制御する。

【００４６】この液晶シャッタアレイ６０２は、液晶分
子への電界の印加あるいは除去により液晶分子の配列変
化を起こさせることにより光の透過や遮断を行う液晶シ
ャッタをアレイ状に並べたもので、液晶シャッタアレイ
ドライバ６０１で駆動されて液晶分子への電界の印加あ
るいは除去が行われる。ＣＣＤ１次元センサ８２ｂで検
出した参照ビーム１９０ｓの反射光強度信号を処理する
ことにより得られる試料４７の構造の情報（試料表面の
パターン形状の情報など）を用いて、試料４７に照射す
る励起ビーム１０１の強度を制御する。

【００４７】このような構成において、様々な構造を持
つ試料４７に対してＣＣＤ１次元センサ８２ａによる光
熱信号の検出感度が一定になるように、液晶シャッタア
レイ６０２を駆動して励起ビーム１０１の強度を制御す
ることにより、光音響効果に基づいて生じた試料４７表
面の微小変位の振幅及び位相を求めることが可能とな
る。このとき、液晶シャッタアレイ６０２の液晶素子数
を所望の数にすることで、様々な配線パターンに対し、
励起ビームの強度を細かく調整できる。また、液晶シャ
ッタアレイ６０２の液晶素子を試料４７の配線パターン
の形状に合わせて制御することにより、試料４７上に配
線パターン部とそれ以外の部分とで励起ビーム１０１の
強度を変えて照射することができる。一方、励起ビーム
の強度の細かな調整が不要な場合などは、液晶シャッタ
の変わりに透過光量を可変できる減衰フィルタを機械的
に駆動させて、励起ビームの強度を調整することも可能
である。これにより、様々な構造を持つ試料に対し、一
定の感度で光音響信号を検出することが可能となる。

【００４８】なお、ＣＣＤ１次元センサ８２ｂで検出し
た参照ビーム１９０ｓの反射光強度信号を処理して得ら
れる試料表面の配線パターンの情報を用いる代わりに、
設計情報を用いて励起ビーム１０１の強度を制御しても
良い。この場合、励起ビーム１０１の照射位置の情報
は、ＣＣＤ１次元センサ８２ｂで検出した参照ビーム１
９０ｓの反射光強度信号を処理して得られる試料表面の
配線パターンの情報、または、試料テーブル４８の位置
を測定したデータから得ることができる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、試料表面の構造の変化
を検知しながら、光音響信号を検出することが可能とな
る。

【００５０】また、本発明によれば、様々な構造を持つ
試料に対し、一定の感度で光音響信号を検出することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光音響信号光学系の概略構成を示
すブロック図である。

【図２】本発明による試料上の表面上で得られる励起ビ
ームの形状を示す平面図である。

【図３】（ａ）本発明による励起光学系の概略構成を示
す正面図，（ｂ）はその側面図である。

【図４】本発明による試料の平面構造と励起ビームとプ
ローブビーム及び参照ビームの位置関係を示す傾斜図で
ある。

【図５】（ａ）本発明による励起ビームを照射したとき
の光音響効果の発生の様子を示すストライプ状の励起ビ
ーム長手方向の試料の断面構造、（ｂ）ストライプ状の
励起ビーム集光方法効果の発の試料の断面構造を示す図
である。

【図６】本発明によるヘテロダイン干渉光学系へ入射す
るレーザビームの偏光方向と、二周波直交偏光状態を示
す図である。

【図７】本発明による試料からの反射光、参照光及び偏
光板の各偏光方向を示す図である。

【図８】（ａ）本発明によるヘテロダイン干渉光学系の
照射部の概略構成を示す正面図。（ｂ）その側面図であ
る。

【図９】（ａ）本発明によるヘテロダイン干渉光学系の
検出部の概略構成を示す正面図。（ｂ）その側面図であ
る。

【図１０】（ａ）本発明による参照光の反射光を検出す
る検出部の概略構成を示す正面図。（ｂ）その側面図で
ある。

【図１１】本発明による試料の平面構造と励起ビームと
プローブビーム及び参照ビームを示す傾斜図である。

【符号の説明】

２０１…励起光学系２０２…ヘテロダイン形干渉光
学系２０３…試料表面パターン認識光学系２０
４…信号処理系３１…レーザ３２…平行ビーム
３３、６２…音響光学変調素子８６、８７、９
１ａ、９１ｂ…発振器８８…信号合成器３６、
６０，６５…絞り３８…ビームエキスパンダ３
９、７１…シリンドリカルレンズ（円筒レンズ）４
１…ダイクロイックプリズム４２…対物レンズ
４７…試料１０４…有機高分子材料１０２、１
０３…Ｃｕ配線パターン１０４…ポリイミド５
１…Ｈｅ−Ｎｅレーザ６１…偏光ビームスプリッタ
５６…ミラー５７…音響光学変調素子７０
…ビームエキスパンダ７３…ビームスプリッタ７９…複屈折プリズム３０１…リレーレンズ４
１…ダイクロイックプリズム１９０ｐ…プローブビ
ーム１９０ｓ…参照ビーム７８…レンズ７９、
８１ｂ…偏光板８１…干渉フィルタ８２ａ、８
２ｂ…ＣＣＤ１次元センサ６０２…液晶シャッタア
レイ６０１…液晶シャッタアレイドライバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中田俊彦神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内Ｆターム(参考） 2G047 CA04 GD01 GH06 2G059 AA05 BB08 DD13 EE02 EE05 EE09 EE16 FF08 GG01 GG04 HH02 HH06 JJ06 JJ11 JJ12 JJ13 JJ18 JJ19 JJ22 JJ23 KK04 LL04 MM09 MM10 PP04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料表面の光熱変位画像を検出する方法で
あって、試料の表面に参照光を照射し、該参照光の照射
による前記試料からの反射光を検出して前記試料の表面
の構造の情報を得、前記試料の表面の前記参照光の照射
領域の近傍に照射により前記試料の表面に光熱変位を発
生させる励起光を前記参照光の反射光を検出して得た前
記試料表面の構造の情報に基づいて光の強度の分布を制
御して照射し、前記励起光を照射した領域にプローブ光
を照射し、前記参照光の照射による前記試料からの反射
光と前記プローブ光の照射による前記試料からの反射光
とを干渉させて干渉光を形成し、該干渉光を検出し、該
検出した干渉光の情報を前記得た試料表面の構造の情報
を用いて処理することにより前記試料表面の光熱変位画
像を検出することを特徴とする光熱変位画像検出方法。
【請求項２】前記参照光と前記プローブ光とは、同じ光
源から発射された光であることを特徴とする請求項１記
載の光熱変位画像検出方法。
【請求項３】前記参照光と前記プローブ光とは、照射に
より前記試料の表面に光熱変位を生じさせない波長領域
の光であることを特徴とする請求項１記載の光熱変位画
像検出方法。
【請求項４】試料表面の光熱変位画像を検出する方法で
あって、一方向に連続的に移動している試料の表面に第
１の光を該試料の表面の位置に応じて強度を制御しなが
ら照射して該試料の表面に微小な変位を発生させ、前記
第１の光を強度を制御しながら照射した領域に第２の光
を照射して前記発生させた微小な変位を検出し、該検出
した微小な変位の情報から前記試料表面の光熱変位画像
を検出することを特徴とする光熱変位画像検出方法。
【請求項５】前記試料表面の光の反射率の情報を、前記
第１の光と前記第２の光とを照射した領域の近傍に前記
第２の光から分岐した光を照射してその反射光を検出す
ることにより得ることを特徴とする請求項４記載の光熱
変位画像検出方法。
【請求項６】前記第１の光を、前記試料表面の前記第１
の光を照射する領域の光の反射率の情報に基づいて制御
することを特徴とする請求項４記載の光熱変位画像検出
方法。
【請求項７】前記第１の光がスリット状の光であること
を特徴とする請求項４記載の光熱変位画像検出方法。
【請求項８】前記試料を前記スリット光の長手方向とほ
ぼ直角な方向の移動させながら前記試料表面の光熱変位
画像を検出することを特徴とする請求項７記載の光熱変
位画像検出方法。
【請求項９】試料表面の光熱変位画像を検出する装置で
あって、試料の表面に第１の光を照射して該試料の表面
に微小な変位を発生させる第１の光照射手段と、該第１
の光照射手段により第１の光を照射した領域に第２の光
を照射する第２の光照射手段と、該第２の光照射手段の
第２の光の照射による前記試料表面からの反射光を検出
して前記発生させた微小な変位を算出する微小変位検出
手段と、前記試料表面の前記第１の光を照射した領域の
光の反射率の情報を取得する反射率情報取得手段と、該
反射率情報取得手段で取得した前記試料表面の光の反射
率の情報と前記微小変位検出手段で検出した微小な変位
の情報とを用いて前記試料表面の光熱変位画像を検出す
る光熱変位画像検出手段とを備えたことを特徴とする光
熱変位画像検出装置。
【請求項１０】前記反射率情報取得手段は、前記試料表
面の光の反射率の情報を、前記第１の光と前記第２の光
とを照射した領域の近傍に前記微小変位検出手段の前記
第２の光から分岐した光を照射してその反射光を検出す
ることにより得ることを特徴とする請求項９記載の光熱
変位画像検出装置。
【請求項１１】前記第１の光照射手段は、前記反射率情
報取得手段で取得した前記試料表面の前記第１の光を照
射する領域の光の反射率の情報に基づいて前記第１の光
を制御する制御部を有することを特徴とする請求項９記
載の光熱変位画像検出装置。
【請求項１２】前記第１の光照射手段は、前記第１の光
をスリット状に成形して前記試料の表面に照射すること
を特徴とする請求項９記載の光熱変位画像検出装置。
【請求項１３】試料表面の光熱変位画像を検出する装置
であって、試料を載置して少なくとも一方向に連続的に
移動可能なテーブル手段と、該テーブル手段に載置した
試料の表面に第１の光を該試料の表面の位置に応じて強
度を制御しながら照射して該試料の表面に微小な変位を
発生させる第１の光照射手段と、該第１の光照射手段で
第１の光を強度を制御しながら照射した領域に第２の光
を照射する第２の光照射手段と、前記第１の光照射手段
で照射した第１の光による前記試料からの反射光と前記
第２の光照射手段で照射した第２の光による前記試料か
らの反射光との干渉光を検出する検出手段と、該干渉光
検出手段で検出した干渉光の検出信号と前記テーブル手
段の移動に関する情報とを用いて前記試料表面の光熱変
位画像を求める処理手段とを備えたことを特徴とする光
熱変位画像検出装置。
【請求項１４】前記第２の光照射手段は、前記第２の光
から分岐した光を前記第１の光と前記第２の光とを照射
した領域の近傍に照射し、前記検出手段は、前記第２の
光から分岐した光の照射による前記試料からの反射光を
前記第２の光の照射による前記試料からの反射光と分離
して検出する分岐光検出部を更に備え、前記処理手段は
前記分岐光検出部で検出した前記第２の光から分岐した
光の照射による前記試料からの反射光の情報を用いて前
記第１の光照射手段で前記試料の表面に照射する第１の
光の強度を制御することを特徴とする請求項１３記載の
光熱変位画像検出装置。
【請求項１５】前記第１の照射手段は、スリット状に成
形した第１の光を試料表面に照射することを特徴とする
請求項１３記載の光熱変位画像検出装置。
【請求項１６】前記第１の照射手段は、前記試料の表面
に形成されたパターンの形状に応じて前記第１の光の強
度の分布を制御しながら照射することを特徴とする請求
項１３記載の光熱変位画像検出装置。