JP2006125996A - Thin film evaluation device - Google Patents

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Norio Sasayama
則生 笹山
Hajime Tanaka
肇 田中
Shinsaku Takagi
晋作 高木
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Hitachi High Tech Science Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device that highly precisely measures thickness of a thin film with thickness of about micro meter or shorter, and has a mechanism for removing a background component. <P>SOLUTION: This thin film evaluation device employs the following method to prevent a background signal:(1) Light of an element of the background component is removed with a frequency filter utilizing difference in frequency. (2) Only intensity of a vibration detection signal is vibrated at a certain period utilizing difference in optical path, and only a signal including the frequency component is extracted. (3) Phases of the vibration detection signal and the background component are shifted by 90°, and the background component is removed by a lock-in amplifier. (4) The frequency of the vibration detection signal is made twice as high as the frequency of the background signal, signal detection is performed according to the frequency of the vibration detection signal, and the background signal is removed. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、レーザー励起による弾性波を利用して薄膜の膜厚、膜質、または薄膜中の音速等を測定する薄膜評価装置に関する。特に、半導体製品における薄膜の膜厚測定に利用される。また、半導体製品以外であっても、磁気記録テープ、磁気記録ディスク、光記録ディスク、コーティング鋼板等、薄膜が設けられている試料であれば、本願発明の測定対象となり得る。   The present invention relates to a thin film evaluation apparatus that measures the film thickness, film quality, or sound velocity in a thin film using elastic waves generated by laser excitation. In particular, it is used for measuring the film thickness of thin films in semiconductor products. Moreover, even if it is other than a semiconductor product, if it is a sample provided with thin films, such as a magnetic recording tape, a magnetic recording disk, an optical recording disk, a coated steel plate, it can become a measuring object of this invention.

従来、膜厚がマイクロメートル程度以下の不透明薄膜の膜厚を非破壊で測定する方法として、ポンププローブ法により薄膜中に弾性波を発生させ、薄膜界面で反射した弾性波エコーが表面に戻ってくるまでの時間を測定し、その時間に既知の音速を乗じて膜厚に換算する方法が使われている。この方法は、古くから使われているパルス法の特殊な例である。(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, as a method for nondestructively measuring the thickness of an opaque thin film with a thickness of about a micrometer or less, an elastic wave is generated in the thin film by the pump probe method, and the elastic wave echo reflected at the thin film interface returns to the surface. A method is used in which the time to come is measured and the time is multiplied by a known sound speed to convert it to a film thickness. This method is a special example of the pulse method that has been used for a long time. (For example, refer to Patent Document 1).

この方法の原理を以下に説明する。ポンプ光が不透明薄膜に照射されると、試料が不透明であるがゆえに、最表面の限られた深さ範囲でのみポンプ光のエネルギーが吸収される。また、パルス状のポンプ光を使用するため、照射した一瞬にエネルギーが吸収される。そのため、部分的に集中したエネルギーがパルス状の弾性波となり、試料内部に進行していく。この弾性波は、薄膜界面等の材質が不均一になる部分で一部が反射され、試料表面に向かい戻ってきて、エコーとなる。弾性波が表面に到達すると、最表面の体積を伸縮させ、結果として試料表面が変動する。試料表面まで到達した弾性波は、再度、試料内部に向かって進行し、材質が不均一な部分で反射し、2回目のエコーとなる。このようなエコーの到達周期を求めるために、試料表面位置の時間変化を観測する。ポンププローブ法では、この時間変化を求めるために、プローブ用パルス光を試料表面に照射し、反射光を測定して試料表面位置を求める。プローブ光がパルス状なので、そのパルス幅での短時間サンプリング測定となる。したがって、ポンプ光照射からプローブ光照射までのタイミングを変えて多くのサンプリング結果を集めて、試料表面位置の時間変化を再構成する必要がある。タイミングを変えるために、プローブ光源と試料の間の光路長を変化させるための遅延光路が設けられる。   The principle of this method will be described below. When the opaque thin film is irradiated with the pump light, the energy of the pump light is absorbed only in a limited depth range on the outermost surface because the sample is opaque. Moreover, since pulsed pump light is used, energy is absorbed in the moment of irradiation. Therefore, the partially concentrated energy becomes a pulsed elastic wave and travels inside the sample. This elastic wave is partially reflected at the portion where the material such as the thin film interface is non-uniform, and returns to the sample surface to become an echo. When the elastic wave reaches the surface, the volume of the outermost surface is expanded and contracted, and as a result, the sample surface changes. The elastic wave that has reached the surface of the sample again travels toward the inside of the sample, is reflected at a portion where the material is not uniform, and becomes a second echo. In order to determine the arrival period of such echoes, the time change of the sample surface position is observed. In the pump probe method, in order to obtain this time change, the sample surface is irradiated with probe pulse light and the reflected light is measured to obtain the sample surface position. Since the probe light is pulsed, a short sampling measurement is performed with the pulse width. Therefore, it is necessary to reconstruct the temporal change of the sample surface position by collecting many sampling results by changing the timing from the pump light irradiation to the probe light irradiation. In order to change the timing, a delay optical path for changing the optical path length between the probe light source and the sample is provided.

図10を用いて上記の従来技術に関して説明する。2分の1波長板19を用いてパルスレーザー14の偏光方向を変え、偏光ビームスプリッター7により分離されるポンプ光57とプローブ光58の割合を調節する。超音波励起用のポンプ光57は、ミラー28、偏光ビームスプリッター11、ビームスプリッター16と通過した後、レンズ5により試料表面に集光される。一方、プローブ光58は、ポンプ光照射時からのタイミングを変えるための遅延光路56、ミラー52と通過して、偏光ビームスプリッター11によりポンプ光57に重ねられ、ビームスプリッター16により試料6、及びミラー53の方向に分離される。試料6に向かう光は、レンズ5により試料表面に集光され、振動する表面で反射される。試料表面の変位の影響を受けた反射光は、ビームスプリッター16により、ミラー53で反射されて戻ってきた参照光と重ねあわされ、干渉光60として干渉光用検出器3で検出される。干渉光用検出器3からの出力は、アンプ48で増幅された後、ロックインアンプ50の入力信号として使われる。ミラー53を図中で横方向に移動させ、参照光の光路長を変化させて位相を調整する。ビームスプリッター16と干渉光用検出器3の間に設置された偏光板26は、プローブ光58と同じ偏光成分のみを干渉光用検出器3側に通過させる。また、AOM(Acousto-Optic Modulator:音響光学変調器)18を使用してポンプ光57の光路を周期的に開閉し、この周期と位相に同期させて、ロックインアンプ50による測定を行う。周期と位相を同期させるために、ドライバー22からAOM18、及びロックインアンプ50に、同一の周期信号を送る。ロックインアンプ50の利用により、ポンプ光57が試料に届かない状態での測定値をバックグランド信号として、ポンプ光57が届く時の測定結果から引き、S/N比を向上させる。データ収集システム43により、ロックインアンプ50からの出力を記録する。データ収集システムは、遅延光路用コントローラー38を通して、遅延光路56内の光路長を変化させる。   The above prior art will be described with reference to FIG. The polarization direction of the pulse laser 14 is changed using the half-wave plate 19 and the ratio of the pump light 57 and the probe light 58 separated by the polarization beam splitter 7 is adjusted. The pump light 57 for ultrasonic excitation passes through the mirror 28, the polarization beam splitter 11, and the beam splitter 16, and then is condensed on the sample surface by the lens 5. On the other hand, the probe light 58 passes through the delay optical path 56 and the mirror 52 for changing the timing from the time of irradiation of the pump light, and is superimposed on the pump light 57 by the polarization beam splitter 11, and the sample 6 and the mirror by the beam splitter 16. It is separated in the direction of 53. The light traveling toward the sample 6 is condensed on the sample surface by the lens 5 and reflected by the vibrating surface. The reflected light affected by the displacement of the sample surface is superposed on the reference light reflected by the mirror 53 and returned by the beam splitter 16, and detected by the interference light detector 3 as interference light 60. The output from the interference light detector 3 is amplified by the amplifier 48 and then used as an input signal of the lock-in amplifier 50. The mirror 53 is moved in the horizontal direction in the figure, and the phase is adjusted by changing the optical path length of the reference light. The polarizing plate 26 disposed between the beam splitter 16 and the interference light detector 3 allows only the same polarization component as the probe light 58 to pass to the interference light detector 3 side. Further, the optical path of the pump light 57 is periodically opened and closed using an AOM (Acousto-Optic Modulator) 18, and measurement is performed by the lock-in amplifier 50 in synchronization with this period and phase. In order to synchronize the period and phase, the same period signal is sent from the driver 22 to the AOM 18 and the lock-in amplifier 50. By using the lock-in amplifier 50, a measured value in a state where the pump light 57 does not reach the sample is used as a background signal and is subtracted from a measurement result when the pump light 57 arrives to improve the S / N ratio. The output from the lock-in amplifier 50 is recorded by the data collection system 43. The data collection system changes the optical path length in the delay optical path 56 through the delay optical path controller 38.

不透明薄膜の膜厚を測定する他の方法として、パルス光ではなく、周期的な強度変調光を弾性波の励起源とした共振法も使われている。(例えば、特許文献2参照)。   As another method for measuring the film thickness of the opaque thin film, a resonance method using periodic intensity modulated light instead of pulsed light as an excitation source of elastic waves is also used. (For example, refer to Patent Document 2).

この方法の原理を以下に説明する。ポンプ光により弾性波が発生する仕組みは上記ポンププローブ法とほぼ同様だが、ポンプ光が単発のパルス光ではなく、周期光である点が異なる。このため、エコー間隔とポンプ光周期がある関係を満たした時に共振状態となり、非共振状態と比較して試料表面の振動振幅が大きくなる。ここで満たすべき関係は、薄膜界面が固定端か、自由端かによって異なる。共振時の振動周期に既知の音速を乗じて膜厚に換算する。ポンプ光の周波数変化に対する試料表面の振動振幅の変化は、プローブ光によって測定する。上記ポンププローブ法とは異なり、ここで使用するプローブ光は連続光である。このように、上記ポンププローブ法ではプローブ光の光路長を走査するのに対し、共振法ではポンプ光の変調周期を走査する。   The principle of this method will be described below. The mechanism by which the elastic wave is generated by the pump light is almost the same as the pump probe method described above, except that the pump light is not a single pulse light but a periodic light. For this reason, the resonance state is obtained when the relationship between the echo interval and the pump light period is satisfied, and the vibration amplitude of the sample surface becomes larger than that in the non-resonance state. The relationship to be satisfied here differs depending on whether the thin film interface is a fixed end or a free end. Multiply the vibration frequency at resonance by a known sound velocity to convert it to film thickness. The change in the vibration amplitude of the sample surface with respect to the frequency change of the pump light is measured by the probe light. Unlike the above-described pump probe method, the probe light used here is continuous light. Thus, while the pump probe method scans the optical path length of the probe light, the resonance method scans the modulation period of the pump light.

図11を用いて上記の従来技術に関して説明する。ただし、図10と共通する部分に関する説明は割愛する。光変調器54を用いて連続レーザー59の強度を周期的に変化させ、それを超音波励起用のポンプ光57として使用する。この周期を変化させながら、薄膜の共振状態を測定する。ポンプ光57は、ミラー51、偏光ビームスプリッター11、ビームスプリッター16と通過した後、レンズ5により試料表面に集光される。一方、連続レーザー1から出たプローブ光58は、偏光ビームスプリッター11によりポンプ光57に重ねられ、ビームスプリッター16を通過後、レンズ5により試料表面に集光され、振動する表面で反射され、ビームスプリッター16によりファブリーペロー干渉計55、干渉光用検出器3へと導かれる。周波数シフトした成分のみがファブリーペロー干渉計55を通過して、干渉光用検出器3に到達する。ビームスプリッター16とファブリーペロー干渉計55の間に設置された偏光板26は、プローブ光58と同じ偏光成分のみをファブリーペロー干渉計55側に通過させる。データ収集システムは、光変調器用コントローラー37を通して、光変調器54を駆動する。   The prior art will be described with reference to FIG. However, the description regarding the part common to FIG. 10 is omitted. The intensity of the continuous laser 59 is periodically changed by using the optical modulator 54 and used as pump light 57 for ultrasonic excitation. While changing this period, the resonance state of the thin film is measured. The pump light 57 passes through the mirror 51, the polarization beam splitter 11, and the beam splitter 16, and then is condensed on the sample surface by the lens 5. On the other hand, the probe light 58 emitted from the continuous laser 1 is superimposed on the pump light 57 by the polarization beam splitter 11, passes through the beam splitter 16, is condensed on the sample surface by the lens 5, is reflected on the vibrating surface, and is reflected by the beam. The light is guided to the Fabry-Perot interferometer 55 and the interference light detector 3 by the splitter 16. Only the frequency-shifted component passes through the Fabry-Perot interferometer 55 and reaches the interference light detector 3. The polarizing plate 26 installed between the beam splitter 16 and the Fabry-Perot interferometer 55 allows only the same polarization component as the probe light 58 to pass to the Fabry-Perot interferometer 55 side. The data collection system drives the light modulator 54 through the light modulator controller 37.

不透明薄膜の膜厚を測定するさらに他の方法として、共振法で利用するレーザー励起光に、波長の異なる2個のレーザー光を干渉させて作ったビート光を利用する方法も使われている。(例えば、特許文献3参照)。   As another method for measuring the film thickness of the opaque thin film, a method is also used in which beat light produced by causing two laser beams having different wavelengths to interfere with laser excitation light used in the resonance method is used. (For example, refer to Patent Document 3).

この方法の原理を以下に説明する。ポンプ光の周波数変化に対する試料表面の振動振幅の変化をプローブ光によって測定するという点では上記第2の従来技術と同じだが、ポンプ光の発生方法、及び試料表面の振動振幅の測定方法が異なる。この方法では、共振法で利用するポンプ光として、周波数の異なる2個の光(周波数:f1、f2)を干渉させて作ったビート状ポンプ光を利用して、試料表面を振動させる。この時、ポンプ光は|f1−f2|の周波数で強度変化する。プローブ光(周波数:fp)を試料表面で反射させ、反射光に含まれる周波数シフトした成分とローカル光(周波数:fr)を干渉させ、||f1−f2|−|fp−fr||の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る。f2=frとして、一方のポンプ光をローカル光から分岐する。f1=fp+Δωa/2π、またはf1=fp−Δωa/2πとなるように、光変調器等を利用してもう一方のポンプ光をプローブ光から作り出す。結果として、ヘテロダイン干渉信号は常に同じ周波数(Δωa/2π)で振動する。同じ周波数の信号を参照信号としてロックインアンプを利用して、ヘテロダイン干渉信号を検出する。2個のポンプ光の周波数差|f1−f2|を走査してロックインアンプの出力を測定し、試料薄膜の共振状態の周波数依存を調べる。   The principle of this method will be described below. The method of measuring the vibration amplitude of the sample surface with respect to the frequency change of the pump light is the same as the second prior art in that the change in the vibration amplitude of the sample surface is measured by the probe light. In this method, the sample surface is vibrated by using beat-like pump light produced by interfering two lights having different frequencies (frequency: f1, f2) as pump light used in the resonance method. At this time, the intensity of the pump light changes at a frequency of | f1-f2 |. The probe light (frequency: fp) is reflected on the sample surface, the frequency-shifted component contained in the reflected light and the local light (frequency: fr) are interfered, and the frequency of || f1-f2 |-| fp-fr || To obtain a heterodyne interference signal oscillating at. One pump light is branched from the local light with f2 = fr. The other pump light is generated from the probe light by using an optical modulator or the like so that f1 = fp + Δωa / 2π or f1 = fp−Δωa / 2π. As a result, the heterodyne interference signal always vibrates at the same frequency (Δωa / 2π). A heterodyne interference signal is detected using a lock-in amplifier with a signal having the same frequency as a reference signal. The frequency difference | f1-f2 | of the two pump lights is scanned to measure the output of the lock-in amplifier, and the frequency dependence of the resonance state of the sample thin film is examined.

図13を用いて上記の従来技術に関して説明する。超音波励起光、プローブ光、及びローカル光の発生源として、連続レーザー1と連続レーザー2の計2個のレーザーを使用する。連続レーザー2から出た光は、干渉光用検出器3まで到達するローカル光36と超音波励起光33の割合を調節するために、2分の1波長板23により偏光方向を変えられた後、偏光ビームスプリッター12により2方向に分割される。同様に、連続レーザー1から出た光は、干渉光用検出器3まで到達するプローブ光35と超音波励起光32の割合を調節するために、2分の1波長板19により偏光方向を変えられた後、偏光ビームスプリッター7により2方向に分割される。実際には、参照信号用検出器4の方向に進んだ光は、2分の1波長板20と偏光ビームスプリッター8の組み合わせ、及び2分の1波長板21と偏光ビームスプリッター10の組み合わせにより、さらに2回の調節と分割をされた後、超音波励起光32となる。また、超音波励起光32は、進行途中に設置されているAOM18により周波数がシフトされる。プローブ光35はミラー28を通過した後、偏光ビームスプリッター11によって超音波励起光32と重ねられ、さらにビームスプリッター15によって超音波励起光33と重ねられ、ビームスプリッター16を通過した後、レンズ5により試料6の表面に集光される。ビームスプリッター15以降では、偏光方向が同じ超音波励起光32と33が干渉し、ビート状ポンプ光34となっている。一方、ローカル光36は、ミラー30、ビームスプリッター16と通過した後、試料表面で反射した後のプローブ光35と干渉して、ヘテロダイン干渉光39となる。したがって、ヘテロダイン干渉光39と試料表面で反射した後のビート状ポンプ光34が偏光板26に到達するが、偏光方向の違いにより、ヘテロダイン干渉光39のみが偏光板26を通過して干渉光用検出器3で検出される。偏光ビームスプリッター7で分割されて参照信号用検出器4の方向に進んだ光の内、超音波励起光32と分かれて参照信号用検出器4まで到達する2個の光(偏光ビームスプリッター8から偏光ビームスプリッター9に向けて直行する光と偏光ビームスプリッター10とミラー27を経由してから偏光ビームスプリッター9に向かう光)は、偏光板25により偏光方向をそろえられて互いに干渉し、ヘテロダイン干渉光41となり、参照信号用検出器4で検出される。干渉光用検出器3からの信号がロックインアンプの入力として、参照信号用検出器4からの信号がロックインアンプの参照信号として利用される。AOM18の変調周波数を固定したまま、連続レーザー1と連続レーザー2の周波数の差を走査してロックインアンプの出力を記録する。   The above prior art will be described with reference to FIG. A total of two lasers, a continuous laser 1 and a continuous laser 2, are used as a source of ultrasonic excitation light, probe light, and local light. The light emitted from the continuous laser 2 has its polarization direction changed by the half-wave plate 23 in order to adjust the ratio of the local light 36 and the ultrasonic excitation light 33 that reach the interference light detector 3. The beam is split in two directions by the polarization beam splitter 12. Similarly, the direction of polarization of the light emitted from the continuous laser 1 is changed by the half-wave plate 19 in order to adjust the ratio of the probe light 35 and the ultrasonic excitation light 32 that reach the interference light detector 3. Then, the light is split in two directions by the polarization beam splitter 7. Actually, the light traveling in the direction of the reference signal detector 4 is caused by the combination of the half-wave plate 20 and the polarization beam splitter 8 and the combination of the half-wave plate 21 and the polarization beam splitter 10. Further, after being adjusted and divided twice, the ultrasonic excitation light 32 is obtained. Further, the frequency of the ultrasonic excitation light 32 is shifted by the AOM 18 installed in the course of traveling. After passing through the mirror 28, the probe light 35 is superposed on the ultrasonic excitation light 32 by the polarization beam splitter 11, further superposed on the ultrasonic excitation light 33 by the beam splitter 15, and after passing through the beam splitter 16, the lens 5 It is condensed on the surface of the sample 6. After the beam splitter 15, the ultrasonic excitation lights 32 and 33 having the same polarization direction interfere with each other to form beat-like pump light 34. On the other hand, after passing through the mirror 30 and the beam splitter 16, the local light 36 interferes with the probe light 35 after being reflected by the sample surface to become heterodyne interference light 39. Therefore, the heterodyne interference light 39 and the beat-like pump light 34 after being reflected on the sample surface reach the polarizing plate 26, but only the heterodyne interference light 39 passes through the polarizing plate 26 due to the difference in the polarization direction and is used for interference light. It is detected by the detector 3. Of the light split by the polarization beam splitter 7 and proceeded in the direction of the reference signal detector 4, two lights (from the polarization beam splitter 8) that reach the reference signal detector 4 are separated from the ultrasonic excitation light 32. Light that travels straight toward the polarizing beam splitter 9 and light that passes through the polarizing beam splitter 10 and the mirror 27 and then travels toward the polarizing beam splitter 9 is aligned in the polarization direction by the polarizing plate 25 and interferes with each other, thereby causing heterodyne interference light. 41 and is detected by the reference signal detector 4. A signal from the interference light detector 3 is used as an input of the lock-in amplifier, and a signal from the reference signal detector 4 is used as a reference signal of the lock-in amplifier. While the modulation frequency of the AOM 18 is fixed, the difference between the frequencies of the continuous laser 1 and the continuous laser 2 is scanned to record the output of the lock-in amplifier.

上記3例では既知の音速を用いて時間を膜厚に換算する例を説明したが、これらは他の方法で実測した膜厚をエコー周期で除して薄膜中の音速を求める方法として、またはその音速から薄膜の物性を評価する方法としても使われる。また、エコー強度等のエコー周期以外の情報から薄膜表面、または界面の情報を得ることもできる。
特開平5−172739号公報 特開平4−191652号公報 特開2004−132939号公報
In the above three examples, an example in which time is converted into a film thickness using a known sound speed has been described. However, as a method for obtaining a sound speed in a thin film by dividing a film thickness actually measured by another method by an echo period, or It is also used as a method for evaluating the physical properties of thin films from the speed of sound. In addition, information on the surface of the thin film or the interface can be obtained from information other than the echo period such as echo intensity.
JP-A-5-172739 Japanese Patent Laid-Open No. 4-191652 JP 2004-132939 A

膜厚測定方法では、それぞれ、以下のような問題点があった。   The film thickness measurement methods have the following problems.

上記第1の従来例で示したポンププローブ法においては、遅延光路の長さに制限が生じる。例えば、1マイクロメートルの膜厚の薄膜を測定する場合、膜中の音速を5000m/秒と仮定すると、1回目のエコーを観測するためには12cmの遅延光路長が必要になる。複数個のエコーを観測するためにはさらに複数倍の遅延光路長が必要となり、装置寸法からの制限が生じる。光ファイバー等で光路長を伸ばす方法もあるが、光路長を可変にする方法が難しく、光ファイバー中でパルス形状が劣化するという問題も生じる。したがって、ポンプ光の照射時から1回目のエコーまでの時間だけからエコー間隔を求めざるを得ない場合も生じ、膜厚に換算した時の精度が良くないという問題があった。   In the pump probe method shown in the first conventional example, the length of the delay optical path is limited. For example, when measuring a thin film having a thickness of 1 micrometer, assuming that the speed of sound in the film is 5000 m / sec, a delay optical path length of 12 cm is required to observe the first echo. In order to observe a plurality of echoes, a plurality of delay optical path lengths are required, which limits the size of the apparatus. Although there is a method of extending the optical path length with an optical fiber or the like, it is difficult to make the optical path length variable, and there is a problem that the pulse shape deteriorates in the optical fiber. Therefore, there is a case where the echo interval must be obtained only from the time from the irradiation of the pump light to the first echo, and there is a problem that the accuracy when converted into the film thickness is not good.

上記第2の従来例で示した共振法においては、共振法を利用することでポンププローブ法における測定精度の問題を解決することができる。しかし、1個の連続レーザーを強度変調して使用するために、電気的な周波数制御に限界があり、ポンプ光の変調周波数に制限が生じる。例えばマイクロメートル程度以下の薄膜測定には、ギガヘルツ以上、またはテラヘルツ程度の非常に高い変調周波数が必要であり、実用的ではないという問題があった。   In the resonance method shown in the second conventional example, the measurement accuracy problem in the pump probe method can be solved by using the resonance method. However, since one continuous laser is used after intensity modulation, there is a limit to electrical frequency control, and the modulation frequency of pump light is limited. For example, thin film measurement of about a micrometer or less requires a very high modulation frequency of gigahertz or more, or about terahertz, which is not practical.

上記第3の従来例で示した共振法においては、波長の異なる2個のレーザー光を干渉させて作ったビート光を利用することにより、非常に高い周波数で強度変化する励起光を用意することができ、マイクロメートル程度以下の薄膜測定に対しても共振法を利用することができる。さらに、ビート光を利用する共振法に適した振動測定手段として、ロックインアンプによるヘテロダイン干渉測定を利用する。しかし、試料表面で反射、または散乱した後の超音波励起光が検出器まで到達して、プローブ光の主成分と干渉すると、振動検出信号と同じ周波数を持つバックグランド成分となり、ロックインアンプの利用だけで除去することが困難であるという問題があった。   In the resonance method shown in the third conventional example, excitation light whose intensity changes at a very high frequency is prepared by using beat light made by interfering two laser beams having different wavelengths. The resonance method can also be used for thin film measurement of about a micrometer or less. Furthermore, heterodyne interference measurement using a lock-in amplifier is used as a vibration measurement means suitable for the resonance method using beat light. However, when the ultrasonic excitation light after being reflected or scattered on the sample surface reaches the detector and interferes with the main component of the probe light, it becomes a background component having the same frequency as the vibration detection signal, and the lock-in amplifier There was a problem that it was difficult to remove only by use.

そこで本発明は、上記問題点を解決し、マイクロメートル程度以下の薄膜に対する膜厚測定を高精度で行い、バックグランド成分を除去する仕組みを持つ装置を提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide an apparatus having a mechanism for measuring a film thickness of a thin film of about a micrometer or less with high accuracy and removing a background component.

上記課題を解決するために、本発明では、波長の異なる2個のレーザー光を干渉させて作ったビート光を利用する共振法に、バックグランド信号の混入を防止するための以下のような方法を組み入れた薄膜評価装置とした。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides the following method for preventing the background signal from being mixed in the resonance method using beat light produced by interfering two laser beams having different wavelengths. Was incorporated into the thin film evaluation apparatus.

(1)バックグランド成分の元となる光と振動検出信号の元となる光の周波数が異なることを利用し、バックグランド成分の元となる光をフィルターによってさえぎる。これにより、振動検出信号の元となる光のみが干渉光用検出器まで到達する。   (1) Using the fact that the frequency of the light that is the source of the background component is different from the frequency of the light that is the source of the vibration detection signal, the light that is the source of the background component is blocked by a filter. As a result, only the light that is the source of the vibration detection signal reaches the interference light detector.

(2)光路の違いを利用し、振動検出信号の強度だけがある周期で振動するようにし、その周波数成分を含む信号のみを2段目のロックインアンプで抽出する。   (2) Using the difference in the optical path, only the intensity of the vibration detection signal is vibrated at a certain period, and only the signal including the frequency component is extracted by the second-stage lock-in amplifier.

(3)振動検出信号成分とバックグランド成分の位相が90度ずれるように光学回路を設置し、同時に、振動検出信号成分とロックインアンプの参照信号の位相が常にそろうようにする。これにより、ロックインアンプでバックグランド成分を除去する。   (3) An optical circuit is installed so that the phase of the vibration detection signal component and the background component is shifted by 90 degrees, and at the same time, the phase of the vibration detection signal component and the reference signal of the lock-in amplifier are always aligned. As a result, the background component is removed by the lock-in amplifier.

(4)一方の超音波励起光に対するローカル光の周波数シフトがもう一方の超音波励起光に対するプローブ光の周波数シフトと同じ大きさで、かつその増減方向が逆になるようにし、振動検出信号の周波数をバックグランド信号の周波数の倍にする。振動検出信号の周波数に合わせてロックインアンプでの信号検出を行うことで、バックグランド信号を除去して振動検出信号のみを測定する。   (4) The frequency shift of the local light with respect to one ultrasonic excitation light is the same magnitude as the frequency shift of the probe light with respect to the other ultrasonic excitation light, and the increase / decrease direction is reversed, so that the vibration detection signal Double the frequency of the background signal. By detecting the signal with a lock-in amplifier in accordance with the frequency of the vibration detection signal, the background signal is removed and only the vibration detection signal is measured.

本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。   The present invention is implemented in the form as described above, and has the effects described below.

f2=fr、かつ|f1−fp|=定数(Δωa/2π)として、ビート状ポンプ光を生成するために使用した2個の連続レーザーをプローブ光とローカル光にも利用することで、ビート周波数を走査中でも固定周波数Δωa/2πのヘテロダイン干渉信号をロックインアンプで検出できるので、信号処理系をその周波数に最適化した第1形態の薄膜評価装置を実現することができる。   By using two continuous lasers used to generate beat-like pump light as probe light and local light as f2 = fr and | f1-fp | = constant (Δωa / 2π), the beat frequency Since a heterodyne interference signal having a fixed frequency Δωa / 2π can be detected by a lock-in amplifier even during scanning, it is possible to realize the thin film evaluation apparatus of the first form in which the signal processing system is optimized for the frequency.

f1=fp、かつ|f2−fr|=定数(Δωa/2π)として、ビート状ポンプ光を生成するために使用した2個の連続レーザーをプローブ光とローカル光にも利用することで、ビート周波数を走査中でも固定周波数Δωa/2πのヘテロダイン干渉信号をロックインアンプで検出できるので、信号処理系をその周波数に最適化した第2形態の薄膜評価装置を実現することができる。   By using two continuous lasers used to generate beat-like pump light as probe light and local light as f1 = fp and | f2-fr | = constant (Δωa / 2π), the beat frequency Since a heterodyne interference signal having a fixed frequency Δωa / 2π can be detected by a lock-in amplifier even during scanning, a thin film evaluation apparatus of the second form in which the signal processing system is optimized for the frequency can be realized.

試料表面で反射した後のプローブ光に含まれるシフト成分(周波数:|fp−f1+f2|)と試料表面を経ることなく干渉光用検出器に到達するローカル光(周波数:fr)の両周波数とは異なる周波数の光を遮蔽するフィルターを試料と干渉光用検出器の間に設置することで、第1形態の薄膜評価装置に対してバックグランド信号が振動検出信号に混入することを防ぐことができる。   What are both frequencies of the shift component (frequency: | fp−f1 + f2 |) included in the probe light after being reflected from the sample surface and the local light (frequency: fr) that reaches the interference light detector without passing through the sample surface. By installing a filter that shields light of different frequencies between the sample and the interference light detector, it is possible to prevent the background signal from being mixed into the vibration detection signal with respect to the thin film evaluation apparatus of the first embodiment. .

ローカル光の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする2段目のロックインアンプを用いることで、第1形態の薄膜評価装置に対してバックグランド信号が振動検出信号に混入することを防ぐことができる。   By using a means for periodically changing the intensity of the local light and a second-stage lock-in amplifier using the vibration frequency as a reference signal, the background signal becomes a vibration detection signal for the thin film evaluation apparatus of the first embodiment. Can be prevented.

超音波励起光(周波数:f2)の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする2段目のロックインアンプを用いることで、第1形態の薄膜評価装置に対してバックグランド信号が振動検出信号に混入することを防ぐことができる。   By using means for periodically changing the intensity of the ultrasonic excitation light (frequency: f2) and a second-stage lock-in amplifier using the vibration frequency as a reference signal, the thin film evaluation apparatus of the first embodiment is used. It is possible to prevent the background signal from being mixed into the vibration detection signal.

超音波励起光(周波数:f1)の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする2段目のロックインアンプを用いることで、第2形態の薄膜評価装置に対してバックグランド信号が振動検出信号に混入することを防ぐことができる。   By using means for periodically changing the intensity of the ultrasonic excitation light (frequency: f1) and a second-stage lock-in amplifier using the vibration frequency as a reference signal, the thin film evaluation apparatus of the second embodiment is used. It is possible to prevent the background signal from being mixed into the vibration detection signal.

ヘテロダイン干渉信号とそこに混入するバックグランド信号の位相差を90度に保つ手段と、ヘテロダイン干渉信号とロックインアンプの参照信号の位相差を0度に保つ手段を用いることで、第1形態、及び第2形態の薄膜評価装置に対してバックグランド信号が振動検出信号に混入することを防ぐことができる。   By using means for keeping the phase difference between the heterodyne interference signal and the background signal mixed therein at 90 degrees, and means for keeping the phase difference between the heterodyne interference signal and the reference signal of the lock-in amplifier at 0 degrees, And it can prevent that a background signal mixes with a vibration detection signal with respect to the thin film evaluation apparatus of a 2nd form.

|f1−fp|=|f2−fr|=定数(Δωa/2π)、かつf1+f2=fp+frとして、ビート状ポンプ光を生成するために使用した2個の連続レーザーをプローブ光とローカル光にも利用することで、ビート周波数を走査中でも固定周波数Δωa/πのヘテロダイン干渉信号をロックインアンプで検出できるので、信号処理系をその周波数に最適化した第3形態の薄膜評価装置を実現することができ、同時にΔωa/2πで振動するバックグランド信号の混入を防ぐことができる。   | F1-fp | = | f2-fr | = constant (Δωa / 2π) and f1 + f2 = fp + fr, two continuous lasers used to generate beat-like pump light are also used for probe light and local light As a result, the heterodyne interference signal having the fixed frequency Δωa / π can be detected by the lock-in amplifier even while the beat frequency is scanned, so that the thin film evaluation apparatus according to the third embodiment in which the signal processing system is optimized for the frequency can be realized. At the same time, it is possible to prevent the background signal oscillating at Δωa / 2π from being mixed.

共振法で利用するポンプ光として、周波数の異なる2個の光(周波数:f1、f2)を干渉させて作ったビート状ポンプ光を利用して、試料表面を振動させる。プローブ光(周波数:fp)を試料表面で反射させ、反射光に含まれる周波数シフトした成分とローカル光(周波数:fr)のヘテロダイン干渉光を検出し、|fp−f1+f2−fr|の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る。従来技術として示した特許文献3では、この周波数を||f1−f2|−|fp−fr||と表している。これらの2種の表記の内容はほぼ同じだが、f1−f2がゼロに近い時には|fp−f1+f2−fr|の方が適切である。   As the pump light used in the resonance method, the sample surface is vibrated by using beat-like pump light produced by interfering with two lights having different frequencies (frequency: f1, f2). The probe light (frequency: fp) is reflected from the sample surface, the frequency-shifted component contained in the reflected light and the heterodyne interference light of the local light (frequency: fr) are detected, and oscillates at a frequency of | fp−f1 + f2−fr |. To obtain a heterodyne interference signal. In Patent Document 3 shown as the prior art, this frequency is represented as || f1-f2 |-| fp-fr ||. Although the contents of these two kinds of notations are almost the same, | fp−f1 + f2−fr | is more appropriate when f1−f2 is close to zero.

光変調器等を利用してf2=fr、かつ|f1−fp|=定数(Δωa/2π)とすることで、4個の光を2個の連続レーザーから作り出す。結果として、ヘテロダイン干渉信号は常に同じ周波数(Δωa/2π)で振動する。同じ周波数の信号を参照信号としてロックインアンプを利用して、ヘテロダイン干渉信号を検出する第1形態の薄膜評価装置を実現する。   By using an optical modulator or the like, f2 = fr and | f1-fp | = constant (Δωa / 2π), thereby generating four lights from two continuous lasers. As a result, the heterodyne interference signal always vibrates at the same frequency (Δωa / 2π). A thin-film evaluation apparatus according to a first embodiment that detects a heterodyne interference signal using a lock-in amplifier using a signal having the same frequency as a reference signal is realized.

光変調器等を利用してf1=fp、かつ|f2−fr|=定数(Δωa/2π)とすることで、4個の光を2個の連続レーザーから作り出す。結果として、ヘテロダイン干渉信号は常に同じ周波数(Δωa/2π)で振動する。同じ周波数の信号を参照信号としてロックインアンプを利用し、ヘテロダイン干渉信号を検出する第2形態の薄膜評価装置を実現する。   Using a light modulator or the like, f1 = fp and | f2-fr | = constant (Δωa / 2π), so that four lights are generated from two continuous lasers. As a result, the heterodyne interference signal always vibrates at the same frequency (Δωa / 2π). A thin-film evaluation apparatus according to a second embodiment that detects a heterodyne interference signal by using a lock-in amplifier with a signal having the same frequency as a reference signal is realized.

第1形態の薄膜評価装置に対して、試料と干渉光用検出器の間にフィルターを設置する。そのフィルターにより、試料表面で反射した後のプローブ光に含まれるシフト成分(周波数:|fp−f1+f2|)と試料表面を経ることなく干渉光用検出器に到達するローカル光(周波数:fr)の両周波数とは異なる周波数の光を遮蔽する。   A filter is installed between the sample and the interference light detector for the thin film evaluation apparatus of the first embodiment. By the filter, the shift component (frequency: | fp−f1 + f2 |) included in the probe light after being reflected by the sample surface and the local light (frequency: fr) that reaches the interference light detector without passing through the sample surface. The light of the frequency different from both frequencies is shielded.

第1形態の薄膜評価装置に対して、ローカル光の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする2段目のロックインアンプを用いる。   For the thin film evaluation apparatus of the first embodiment, means for periodically changing the intensity of local light and a second-stage lock-in amplifier using the vibration frequency as a reference signal are used.

第1形態の薄膜評価装置に対して、超音波励起光(周波数:f2)の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする2段目のロックインアンプを用いる。   For the thin film evaluation apparatus of the first embodiment, means for periodically changing the intensity of the ultrasonic excitation light (frequency: f2) and a second-stage lock-in amplifier using the vibration frequency as a reference signal are used.

第2形態の薄膜評価装置に対して、超音波励起光(周波数:f1)の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする2段目のロックインアンプを用いる。   For the thin film evaluation apparatus of the second embodiment, means for periodically changing the intensity of the ultrasonic excitation light (frequency: f1) and a second-stage lock-in amplifier using the vibration frequency as a reference signal are used.

第1形態、及び第2形態の薄膜評価装置に対して、各4個の光に対する光路長を調整し、ヘテロダイン干渉信号とそこに混入するバックグランド信号の位相差を90度に保ち、かつヘテロダイン干渉信号とロックインアンプの参照信号の位相差を0度に保つ。   For the first and second thin film evaluation apparatuses, the optical path length for each of the four lights is adjusted, the phase difference between the heterodyne interference signal and the background signal mixed therein is maintained at 90 degrees, and the heterodyne The phase difference between the interference signal and the lock-in amplifier reference signal is kept at 0 degree.

光変調器等を利用して|f1−fp|=|f2−fr|=定数(Δωa/2π)、かつf1+f2=fp+frとすることで、4個の光を2個の連続レーザーから作り出す。結果として、ヘテロダイン干渉信号は常に同じ周波数(Δωa/π)で振動する。同じ周波数の信号を参照信号としてロックインアンプを利用して、ヘテロダイン干渉信号を検出する第3形態の薄膜評価装置を実現する。   Using an optical modulator or the like, | f1-fp | = | f2-fr | = constant (Δωa / 2π) and f1 + f2 = fp + fr are generated, and four lights are generated from two continuous lasers. As a result, the heterodyne interference signal always vibrates at the same frequency (Δωa / π). A third embodiment of a thin film evaluation apparatus that detects a heterodyne interference signal using a lock-in amplifier using a signal of the same frequency as a reference signal is realized.

まず、本発明の基礎となる従来技術に関する実施形態について説明する。本発明の実施形態は、後半で説明するバックグランド成分の除去方法として説明する。   First, an embodiment related to the prior art as the basis of the present invention will be described. The embodiment of the present invention will be described as a background component removal method described later.

従来技術では、2個の連続レーザー、それらのレーザーから超音波励起用のビート状ポンプ光、薄膜共振観測用のプローブ光、及びヘテロダイン測定用のローカル光を分岐させるための光学回路、ビート状ポンプ光とプローブ光を試料表面に導く光学回路、干渉光用検出器、試料で反射したプローブ光(反射光)とローカル光を干渉光用検出器に導く光学回路、及びヘテロダイン測定のための検出回路を備えている。   In the prior art, two continuous lasers, beat-like pump light for ultrasonic excitation, probe light for thin film resonance observation, and optical circuit for branching local light for heterodyne measurement from these lasers, beat-like pump Optical circuit for guiding light and probe light to the sample surface, detector for interference light, optical circuit for guiding probe light (reflected light) reflected from the sample and local light to the detector for interference light, and detection circuit for heterodyne measurement It has.

ここでは、2個の連続レーザーを使用し、一方の連続レーザーからプローブ光と超音波励起光を、もう一方の連続レーザーからローカル光と超音波励起光を分岐させ、2個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を作り出す。そのビート状ポンプ光のビート周波数を変化させることができるように、少なくとも一方の連続レーザーは周波数が連続可変でなければならない。マイクロメートル程度以下の薄膜を測定対象とするためには1GHzから1THz程度の周波数可変幅が必要となる。2個の連続レーザーの個々の周波数ではなく周波数差が重要なので、ビート状ポンプ光のビート周波数を常にモニターし、フィードバックをかけることで、高精度で安定した測定を行うことができる。そのためには、ビート光を電気信号やマイクロ波に変換した後に、スペクトルアナライザーでそのビート周波数を測定する方法等が考えられる。   Here, two continuous lasers are used, probe light and ultrasonic excitation light are branched from one continuous laser, local light and ultrasonic excitation light are branched from the other continuous laser, and two ultrasonic excitation lights are used. To make a beat-like pump light. The frequency of at least one continuous laser must be continuously variable so that the beat frequency of the beat-like pump light can be changed. In order to measure a thin film of about a micrometer or less, a frequency variable width of about 1 GHz to 1 THz is required. Since the frequency difference rather than the individual frequencies of the two continuous lasers is important, the beat frequency of the beat-like pump light is constantly monitored and feedback can be applied to perform highly accurate and stable measurement. For that purpose, a method of measuring beat frequency with a spectrum analyzer after converting beat light into an electric signal or microwave can be considered.

従来技術の第1の形態について図12を用いて説明する。図12は、光路構成を簡略化して示した図で、実際には重なる光軸を分離して示している。また、各光路長を丸印で囲んだ文字で表している。プローブ光35と超音波励起光32の周波数にΔωa/2πの差を設けるために、連続レーザー1の光路上にAOM等の変調器を設置する。変調器部分40では、最適なΔωaを得られるように複数の変調器を組み合わせる場合もあるので、そのような場合も含めて簡略化した。連続レーザー1の電場はsin(ωt+α)に、連続レーザー2の電場はsin(ωt+β)に比例しているとすると、試料6の表面での超音波励起光32の電場はAsin(ω(t−x/c)−ω/c+α)、超音波励起光33の電場はCsin(ω(t−x/c)+β)と表すことができる。ここで、xは連続レーザー1から変調器部分40までの超音波励起光32の光路長、xは変調器部分40から試料6までの超音波励起光32の光路長、xは連続レーザー2から試料6までの超音波励起光33の光路長、αは連続レーザー1の初期位相、βは連続レーザー2の初期位相である。ωは、変調器部分40によってωがΔωbだけシフトした後の周波数である。A、及びCは、各光の電場強度を示す。また、cは光速を表す。光路途中の光学素子での反射等による位相変化は、換算して上記の光路長に含まれているとする。この時、試料表面での超音波励起光32と超音波励起光33の干渉光の強度Iは、以下のように表される。 A first embodiment of the prior art will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a diagram showing a simplified optical path configuration, and actually shows overlapping optical axes separately. In addition, each optical path length is represented by a character surrounded by a circle. In order to provide a difference of Δωa / 2π between the probe light 35 and the ultrasonic excitation light 32, a modulator such as AOM is installed on the optical path of the continuous laser 1. In the modulator portion 40, a plurality of modulators may be combined so as to obtain an optimal Δωa, and therefore, such a case is simplified. Assuming that the electric field of the continuous laser 1 is proportional to sin (ω 0 t + α) and the electric field of the continuous laser 2 is proportional to sin (ω 2 t + β), the electric field of the ultrasonic excitation light 32 on the surface of the sample 6 is Asin ( ω 1 (tx 3 / c) −ω 0 x 1 / c + α), and the electric field of the ultrasonic excitation light 33 can be expressed as Csin (ω 2 (tx 5 / c) + β). Here, x 1 is the optical path length of the ultrasonic excitation light 32 from the continuous laser 1 to the modulator part 40, x 3 is the optical path length of the ultrasonic excitation light 32 from the modulator part 40 to the sample 6, x 5 is continuous The optical path length of the ultrasonic excitation light 33 from the laser 2 to the sample 6, α is the initial phase of the continuous laser 1, and β is the initial phase of the continuous laser 2. ω 1 is the frequency after ω 0 is shifted by Δωb by the modulator portion 40. A and C indicate the electric field strength of each light. C represents the speed of light. It is assumed that a phase change due to reflection by an optical element in the middle of the optical path is converted and included in the optical path length. At this time, the intensity I of the interference light between the ultrasonic excitation light 32 and the ultrasonic excitation light 33 on the sample surface is expressed as follows.

I = (Asin(ω(t−x/c)−ω/c+α) +
Csin(ω(t−x/c)+β))
= Asin(ω(t−x/c)−ω/c+α) +
sin(ω(t−x/c)+β) +
2ACsin(ω(t−x/c)−ω/c+α)*
sin(ω(t−x/c)+β)
最も周期の長い(ω−ω)tの項以外を時間平均し、近似計算すると、以下の解を得る。
I = A/2 + C/2 +
ACcos((ω−ω)t+
(−ω−ω+ω)/c+α−β)
上式は、両連続レーザーの差周波数(ビート周波数)で強度変化するビート状ポンプ光が試料6に照射されることを意味する。
ここで、超音波励起光32と超音波励起光33のレーザー光の強度、偏光、光軸、及びビーム径はそろっていることが望ましい。さらに、重ね合わせられた両ビームの発散、または集光の度合いがそろっていることが望ましい。例えば、片方のレーザー光が完全な平行光ではなく進行するにつれて少しずつ広がる光の場合、もう一方のレーザー光も同様の状態であることが望ましい。この時、上式において直流成分に対する交流成分の比率が最大となり、干渉の効率が最良となる。その時の干渉光の強度は以下のようになる。
I = A
cos((ω−ω)t+
(−ω−ω+ω)/c+α−β)
連続レーザー1から分岐されたプローブ光35は、超音波励起光32の周波数よりΔωa/2πだけずれた周波数になるように変調器部分40で変調され、試料表面での電場はBsin((ω+Δωa)(t−x/c)−ω/c+α)と表される。ここで、xは変調器部分40から試料表面までのプローブ光35の光路長、xは連続レーザー1から変調器部分40までのプローブ光35の光路長とする。Bはプローブ光35の電場強度を示す。上記の超音波励起光の式より、ビート状ポンプ光による試料表面の振動はUcos((ω−ω)t+(−ω−ω+ω)/c+α−β+θ)と表される。θはビート状ポンプ光のビート位相と表面振動の位相のずれを表す。
この時、反射直後の試料表面でのプローブ反射光は以下のように表される。ここで、プローブ光35の周波数((ω+Δωa)/2π)をω/2π、波数ベクトル((ω+Δωa)/c)をκ、試料表面での反射率をrで表す。また、ビート周波数((ω−ω)/2π)をω/2πで表す。|ω|≪ω、ω、及びκU<<1とする。
I = (Asin (ω 1 (t−x 3 / c) −ω 0 x 1 / c + α) +
Csin (ω 2 (t−x 5 / c) + β)) 2
= A 2 sin 21 (t−x 3 / c) −ω 0 x 1 / c + α) +
C 2 sin 22 (t−x 5 / c) + β) +
2ACsin (ω 1 (t−x 3 / c) −ω 0 x 1 / c + α) *
sin (ω 2 (t−x 5 / c) + β)
The following solutions are obtained by time-averaging the terms other than the term (ω 1 −ω 2 ) t having the longest period and performing approximate calculation.
I = A 2/2 + C 2/2 +
ACcos ((ω 1 −ω 2 ) t +
(−ω 1 x 3 −ω 0 x 1 + ω 2 x 5 ) / c + α−β)
The above expression means that the sample 6 is irradiated with beat-like pump light whose intensity changes at the difference frequency (beat frequency) between the two continuous lasers.
Here, it is desirable that the intensity, polarization, optical axis, and beam diameter of the laser light of the ultrasonic excitation light 32 and the ultrasonic excitation light 33 are the same. Furthermore, it is desirable that the degree of divergence or condensing of the superimposed beams is uniform. For example, when one laser beam is not completely parallel light but spreads gradually as it travels, it is desirable that the other laser beam be in the same state. At this time, in the above equation, the ratio of the AC component to the DC component is maximized, and the efficiency of interference is optimal. The intensity of the interference light at that time is as follows.
I = A 2 +
A 2 cos ((ω 1 −ω 2 ) t +
(−ω 1 x 3 −ω 0 x 1 + ω 2 x 5 ) / c + α−β)
The probe light 35 branched from the continuous laser 1 is modulated by the modulator portion 40 so as to have a frequency shifted by Δωa / 2π from the frequency of the ultrasonic excitation light 32, and the electric field on the sample surface is Bsin ((ω 1 + Δωa) (tx 4 / c) −ω 0 x 2 / c + α). Here, x 4 is the optical path length of the probe light 35 from the modulator part 40 to the sample surface, x 2 is the optical path length of the probe light 35 from the continuous laser 1 to the modulator part 40. B indicates the electric field strength of the probe light 35. From the above ultrasonic excitation light equation, the vibration of the sample surface due to the beat-like pump light is Ucos ((ω 1 −ω 2 ) t + (− ω 1 x 3 −ω 0 x 1 + ω 2 x 5 ) / c + α−β + θ ). θ represents the difference between the beat phase of the beat-shaped pump light and the phase of the surface vibration.
At this time, the probe reflected light on the sample surface immediately after the reflection is expressed as follows. Here, the frequency ((ω 1 + Δωa) / 2π) of the probe light 35 is represented by ω 3 / 2π, the wave vector ((ω 1 + Δωa) / c) is represented by κ, and the reflectance on the sample surface is represented by r. The beat frequency ((ω 1 −ω 2 ) / 2π) is represented by ω s / 2π. Let | ω s | << ω 1 , ω 2 , and κU << 1.

rBsin(ω(t−x/c)−ω/c+α−
2κUcos(ωt+(−ω−ω+ω)/c+
α−β+θ))
= rBsin(ω(t−x/c)−ω/c+α)*
cos(2κUcos(ωt+(−ω−ω
ω)/c+α−β+θ)) −
rBcos(ω(t−x/c)−ω/c+α)*
sin(2κUcos(ωt+(−ω−ω
ω)/c+α−β+θ))
≒ rBsin(ω(t−x/c)−ω/c+α) −
2rBκUcos(ω(t−x/c)−ω/c+α)*
cos(ωt+(−ω−ω+ω)/c+
α−β+θ)
= rBsin(ω(t−x/c)−ω/c+α) −
rBκUcos((ω+ω)t+(−ω−ω
ω−ω+ω)/c+
2α−β+θ) −
rBκUcos((ω−ω)t+(−ω−ω
ω+ω−ω)/c+β−θ)
上記式より、反射光は元の周波数成分と周波数が±ω/2πずれたシフト成分の計3種の光で構成されていることが分かる。また、シフト成分の大きさは、試料表面の振動振幅に比例することが分かる。
rBsin (ω 3 (tx 4 / c) −ω 0 x 2 / c + α−
2κUcos (ω s t + (- ω 1 x 3 -ω 0 x 1 + ω 2 x 5) / c +
α−β + θ))
= RBsin (ω 3 (t−x 4 / c) −ω 0 x 2 / c + α) *
cos (2κUcos (ω s t + (- ω 1 x 3 -ω 0 x 1 +
ω 2 x 5 ) / c + α−β + θ)) −
rBcos (ω 3 (t−x 4 / c) −ω 0 x 2 / c + α) *
sin (2κUcos (ω s t + (- ω 1 x 3 -ω 0 x 1 +
ω 2 x 5 ) / c + α−β + θ))
≈ rBsin (ω 3 (t−x 4 / c) −ω 0 x 2 / c + α) −
2rBκU cos (ω 3 (t−x 4 / c) −ω 0 x 2 / c + α) *
cos (ω s t + (- ω 1 x 3 -ω 0 x 1 + ω 2 x 5) / c +
α-β + θ)
= RBsin (ω 3 (t−x 4 / c) −ω 0 x 2 / c + α) −
rBκUcos ((ω 3 + ω s ) t + (− ω 3 x 4 −ω 0 x 2
ω 1 x 3 −ω 0 x 1 + ω 2 x 5 ) / c +
2α−β + θ) −
rBκUcos ((ω 3 −ω s ) t + (− ω 3 x 4 −ω 0 x 2 +
ω 1 x 3 + ω 0 x 1 −ω 2 x 5 ) / c + β−θ)
From the above equation, it can be seen that the reflected light is composed of a total of three types of light, that is, the original frequency component and the shift component whose frequency is shifted by ± ω s / 2π. It can also be seen that the magnitude of the shift component is proportional to the vibration amplitude of the sample surface.

上記の反射光をDsin(ω(t−x/c)+β)で表されるローカル光36と干渉させて、ヘテロダイン検出する。このローカル光36は、連続レーザー2から分岐して生成する。連続レーザー2から干渉光用検出器3までのローカル光36の光路長をx、試料表面から干渉光用検出器3までの光路長をxとする。Dはローカル光36の電場強度を示す。また、|Δωa|≪|ω−ω|とする。この時、干渉光の検出強度Iは以下のようになる。 Heterodyne detection is performed by causing the reflected light to interfere with the local light 36 represented by Dsin (ω 2 (t−x 6 / c) + β). The local light 36 is generated by being branched from the continuous laser 2. The optical path length of the local light 36 from the continuous laser 2 to the interference light detector 3 is x 6 , and the optical path length from the sample surface to the interference light detector 3 is x 7 . D indicates the electric field strength of the local light 36. Further, | Δωa | << | ω 1 −ω 2 |. At this time, the detection intensity I of the interference light is as follows.

I=(rBsin(ω(t−(x+x)/c)−ω/c+α) −
rBκUcos((ω+ω)(t−x/c)+(−ω
ω−ω−ω+ω)/c+
2α−β+θ) −
rBκUcos((ω−ω)(t−x/c)+(−ω
ω+ω+ω−ω)/c+
β−θ) +
Dsin(ω(t−x/c)+β) )

最も周期の長いΔωatの項以外を時間平均し、近似計算すると、以下の解を得る。ここで、交流成分として残るのは、ローカル光36と、反射光中の周波数が−ω/2πずれたシフト成分の間で生成されるヘテロダイン干渉光による信号である。
I = (rBsin (ω 3 (t− (x 4 + x 7 ) / c) −ω 0 x 2 / c + α) −
rBκUcos ((ω 3 + ω s ) (t−x 7 / c) + (− ω 3 x 4
ω 0 x 2 −ω 1 x 3 −ω 0 x 1 + ω 2 x 5 ) / c +
2α−β + θ) −
rBκUcos ((ω 3 −ω s ) (t−x 7 / c) + (− ω 3 x 4
ω 0 x 2 + ω 1 x 3 + ω 0 x 1 −ω 2 x 5 ) / c +
β−θ) +
Dsin (ω 2 (t−x 6 / c) + β)) 2

The following solutions are obtained by averaging the terms other than the term of Δωat having the longest period in time and performing approximate calculation. Here, what remains as an alternating current component is a signal due to the heterodyne interference light generated between the local light 36 and a shift component in which the frequency in the reflected light is shifted by −ω s / 2π.

I ≒ (rB)/2 + D/2 +
rBκUDsin(Δωat−(ω−ω)x−ω
ω+ω+ω−ω+ω)/c−θ)
= (rB)/2 + D/2 +
rBκUDsin(Δωat+((−x−x+x+x)ω
(−x−x+x)ω+(−x−x)Δωa+
(−x+x)Δωb)/c−θ)
したがって、表面振動の振幅Uが大きいほど、振動検出信号の交流成分の強度が大きくなる。つまり、ビート光のビート周波数を走査させながら振動検出信号強度をプロットすると、ビート周波数が薄膜の超音波共振周波数と等しくなる点で、信号強度が最大となる(図2を参照)。ここで、この交流成分の周波数がビート周波数とは無関係に常に一定である点が重要である。なぜなら、信号処理において最も有利な周波数Δωa/2πを使用し、その測定条件を保持したままでビート周波数を走査することができるからである。この交流成分のみを効率よく検出するために、ロックインアンプを使用することが望ましい。ロックインアンプを利用することで、ビート状ポンプ光により発生した表面振動以外のノイズ振動を周波数と位相の両面から効率良く取り除くことができる。この場合、ロックインアンプの参照信号用に用いる周波数Δωa/2πの交流信号として、例えば、変調器の駆動用信号を利用できる。または、変調器を通過後の超音波励起光32の一部とプローブ光35の一部を分岐させて干渉させて得られるビート信号を利用することもできる。
I ≒ (rB) 2/2 + D 2/2 +
rBκUDsin (Δωat− (ω 3 −ω s ) x 7 −ω 3 x 4
ω 0 x 2 + ω 1 x 3 + ω 0 x 1 −ω 2 x 5 + ω 2 x 6 ) / c−θ)
= (RB) 2/2 + D 2/2 +
rBκUDsin (Δωat + ((− x 4 −x 2 + x 3 + x 1 ) ω 0 +
(−x 7 −x 5 + x 6 ) ω 2 + (− x 7 −x 4 ) Δωa +
(−x 4 + x 3 ) Δωb) / c−θ)
Therefore, the greater the amplitude U of the surface vibration, the greater the intensity of the AC component of the vibration detection signal. That is, when the vibration detection signal intensity is plotted while scanning the beat frequency of the beat light, the signal intensity is maximized in that the beat frequency becomes equal to the ultrasonic resonance frequency of the thin film (see FIG. 2). Here, it is important that the frequency of the AC component is always constant regardless of the beat frequency. This is because the beat frequency can be scanned while using the most advantageous frequency Δωa / 2π in signal processing and maintaining the measurement conditions. In order to efficiently detect only this AC component, it is desirable to use a lock-in amplifier. By using the lock-in amplifier, noise vibrations other than the surface vibrations generated by the beat-like pump light can be efficiently removed from both the frequency and the phase. In this case, for example, a modulator driving signal can be used as the AC signal having the frequency Δωa / 2π used for the reference signal of the lock-in amplifier. Alternatively, it is possible to use a beat signal obtained by branching and interfering with a part of the ultrasonic excitation light 32 and the probe light 35 after passing through the modulator.

図12に基づいて、ロックインアンプの参照信号をビート信号から得る場合に関して、以下に示す。参照信号検出用の検出器4に到達した時点での2個の光の電場は、sin(ω(t−x/c)−ω/c+α)とsin((ω+Δωa)(t−x/c)−ω/c+α)に比例する。ここで、xとxは、変調器部分40から参照信号用検出器4までの各光の光路長とする。最も周期の長いΔωatの項以外を時間平均し、近似計算すると、ヘテロダイン干渉光の検出強度の交流成分Iは以下のようになる。
I ∝ cos(Δωat+((x+x−x−x)ω
(−x)Δωa+(x−x)Δωb)/c)
ところで、干渉光用検出器3に混入するバックグランド成分として、以下の干渉光が存在する。これは、超音波励起光32が試料表面で反射、または散乱されて干渉光用検出器3まで到達する成分と、試料6で反射した後のプローブ光35の主成分の間の干渉光で、その強度は以下のように表される。Eは干渉光用検出器3まで到達する超音波励起光32の電場強度を示す。
Based on FIG. 12, the case where the reference signal of the lock-in amplifier is obtained from the beat signal will be described below. The electric fields of the two lights at the time of reaching the detector 4 for detecting the reference signal are sin (ω 1 (tx 8 / c) −ω 0 x 1 / c + α) and sin ((ω 1 + Δωa). It is proportional to (t−x 9 / c) −ω 0 x 2 / c + α). Here, x 8 and x 9 are optical path lengths of the respective lights from the modulator portion 40 to the reference signal detector 4. When the time average of the terms other than the term of Δωat having the longest period is averaged and approximate calculation is performed, the AC component I of the detected intensity of the heterodyne interference light is as follows.
I ∝ cos (Δωat + ((x 8 + x 1 −x 9 −x 2 ) ω 0 +
(−x 9 ) Δωa + (x 8 −x 9 ) Δωb) / c)
Incidentally, the following interference light exists as a background component mixed in the interference light detector 3. This is interference light between the component that the ultrasonic excitation light 32 is reflected or scattered by the sample surface and reaches the interference light detector 3 and the main component of the probe light 35 after being reflected by the sample 6. The strength is expressed as follows. E indicates the electric field strength of the ultrasonic excitation light 32 reaching the interference light detector 3.

I = (rBsin(ω(t−(x+x)/c)−
ω/c+α) +
Esin(ω(t−(x+x)/c)−
ω/c+α) )
最も周期の長いΔωatの項以外を時間平均し、近似計算すると、以下の解を得る。
I = (rBsin (ω 3 (t− (x 4 + x 7 ) / c) −
ω 0 x 2 / c + α) +
Esin (ω 1 (t− (x 3 + x 7 ) / c) −
ω 0 x 1 / c + α)) 2
The following solutions are obtained by averaging the terms other than the term of Δωat having the longest period in time and performing approximate calculation.

I = (rB)/2 +E/2 +
rBEcos(Δωat+(−x−x+x+x)ω
(−x−x)Δωa+(−x+x)Δωb)/c)
実際には、上記以外に、超音波励起光32が試料表面で反射、または散乱されて干渉光用検出器3まで到達する成分と、試料で反射した後のプローブ光のシフト成分の間で生成される干渉光も同様の周波数を持つバックグランドとなるが、測定に影響しない大きさなのでここでは議論しない。
I = (rB) 2/2 + E 2/2 +
rBEcos (Δωat + (− x 4 −x 2 + x 3 + x 1 ) ω 0 +
(−x 4 −x 7 ) Δωa + (− x 4 + x 3 ) Δωb) / c)
Actually, in addition to the above, the ultrasonic excitation light 32 is generated between the component that is reflected or scattered by the sample surface and reaches the interference light detector 3 and the shift component of the probe light after being reflected by the sample. Interfering light is also a background having a similar frequency, but will not be discussed here because it is of a size that does not affect the measurement.

式中の交流成分が振動検出信号と同じ周波数(Δωa/2π)を持つため、上記で示したようなロックインアンプの利用だけで除去することは困難である。このバックグランド成分を除去するための6種類の方法について、以下に説明する。この中の(4)、(5)、及び(6)が本発明の実施形態である。   Since the AC component in the equation has the same frequency (Δωa / 2π) as that of the vibration detection signal, it is difficult to remove it only by using the lock-in amplifier as described above. Six types of methods for removing this background component will be described below. Among these, (4), (5), and (6) are embodiments of the present invention.

(1)偏光の違いを利用する方法
この方法では、プローブ光とローカル光に対して、ビート状ポンプ光の元となる2個の光が持つ偏光方向に対して直交する偏光方向を持たせるような構成を採用する。この場合、ビート状ポンプ光の反射光、または散乱光が干渉光用検出器まで到達しないように、試料表面から干渉光用検出器に向かう光路中に両偏光状態を分離するための偏光板等を設置する。これにより、プローブ光とローカル光のみが干渉光用検出器まで到達するようにする。
(1) Method of utilizing the difference in polarization In this method, the probe light and the local light have a polarization direction orthogonal to the polarization direction of the two lights that are the sources of the beat-shaped pump light. Adopt a simple configuration. In this case, a polarizing plate for separating both polarization states in the optical path from the sample surface to the interference light detector so that the reflected light or scattered light of the beat-like pump light does not reach the interference light detector Is installed. As a result, only the probe light and the local light reach the interference light detector.

(2)光軸を工夫する方法
この方法では、試料表面で反射後のプローブ光とビート状ポンプ光の光軸が重ならないようにする。これにより、ビート状ポンプ光の反射光だけをさえぎって、ビート状ポンプ光が干渉光用検出器まで到達するのを防ぐことができる。
(2) Method of devising the optical axis In this method, the optical axis of the probe light reflected from the sample surface and the optical axis of the beat-shaped pump light are not overlapped. Thereby, only the reflected light of the beat-like pump light can be blocked, and the beat-like pump light can be prevented from reaching the interference light detector.

(3)散乱光の発散性を利用する方法
この方法では、試料から干渉光用検出器までの距離を長くとり、干渉光用検出器に到達するビート状ポンプ光の散乱光強度を下げる。試料表面で散乱したビート状ポンプ光はあらゆる方向に放射されるので、散乱点から離れるほどその強度は薄まっていくが、試料表面で反射した後のプローブ光はその光軸に対して平行光に近い状態で光路中を進行する。したがって、試料から干渉光用検出器までの距離を長くするほど、干渉光用検出器に到達するプローブ光に対する散乱光の光量比を下げることができる。
(3) Method Using Diversity of Scattered Light In this method, the distance from the sample to the interference light detector is increased, and the scattered light intensity of the beat-like pump light reaching the interference light detector is lowered. Since the beat-like pump light scattered on the sample surface is radiated in all directions, the intensity decreases as the distance from the scattering point increases, but the probe light reflected on the sample surface becomes parallel to the optical axis. Proceeds in the optical path in a close state. Therefore, the longer the distance from the sample to the interference light detector, the lower the ratio of the amount of scattered light to the probe light that reaches the interference light detector.

(4)周波数の違いを利用する方法
この方法では、バックグランド成分の元となる光(周波数:ω、ω+Δωa)をフィルターによってさえぎる。これにより、プローブ反射光のシフト成分(周波数:ω+Δωa)とローカル光(周波数:ω)のみが干渉光用検出器まで到達するようにする。ωのみを変化させてビート周波数を走査することで、振動検出信号の元となる2個の光の周波数とフィルター帯域の関係を固定したままで使用することができる。
(4) Method Using Frequency Difference In this method, light (frequency: ω 1 , ω 1 + Δωa) that is the background component is blocked by a filter. Thereby, only the shift component (frequency: ω 2 + Δωa) of the probe reflected light and the local light (frequency: ω 2 ) reach the interference light detector. By scanning only the beat frequency while changing only ω 1, the relationship between the frequency of the two lights that are the source of the vibration detection signal and the filter band can be used while being fixed.

(5)光路の違いを利用して、2段目のロックインアンプを使用する方法
この方法として、以下の2種の方法が考えられる。
(5) Method of using second-stage lock-in amplifier by utilizing difference in optical path As this method, the following two methods can be considered.

ひとつは、ローカル光のみが通過する光路中にチョッパー等を設置して、Δωa/2πより低い周波数でローカル光の強度を振動させる。2段目のロックインアンプを利用して、この周波数成分を持つ信号のみを抽出し、この周波数成分に無関係な信号成分を除去する。これにより、ローカル光に無関係なバックグランド成分を除去することができる。   One is to install a chopper or the like in the optical path through which only the local light passes to vibrate the intensity of the local light at a frequency lower than Δωa / 2π. Using a second stage lock-in amplifier, only a signal having this frequency component is extracted, and a signal component unrelated to this frequency component is removed. Thereby, a background component unrelated to local light can be removed.

もうひとつは、超音波励起光32、または超音波励起光33のみが通過する光路中にチョッパー等を設置して、Δωa/2πより低い周波数で超音波励起光32、または超音波励起光33の強度を振動させる。これにより、ビート状ポンプ光34を同じ周波数で強度変調させ、結果として試料表面の振動振幅強度も同様に強度変調させる。これにより、プローブ光のシフト成分にも同じ周波数成分が含まれるようになる。2段目のロックインアンプを利用して、この周波数成分を持つ信号のみを抽出し、この周波数成分に無関係な信号成分を除去する。これにより、プローブ光のシフト成分に無関係なバックグランド成分を除去することができる。   The other is that a chopper or the like is installed in an optical path through which only the ultrasonic excitation light 32 or the ultrasonic excitation light 33 passes, and the ultrasonic excitation light 32 or the ultrasonic excitation light 33 has a frequency lower than Δωa / 2π. Vibrate strength. Thereby, the intensity of the beat-shaped pump light 34 is modulated at the same frequency, and as a result, the intensity of the vibration amplitude of the sample surface is also modulated in the same manner. As a result, the same frequency component is included in the shift component of the probe light. Using a second stage lock-in amplifier, only a signal having this frequency component is extracted, and a signal component unrelated to this frequency component is removed. Thereby, a background component unrelated to the shift component of the probe light can be removed.

(6)位相の違いを利用する方法
この方法では、振動検出信号成分とバックグランド成分の位相が90度ずれるように光学回路を設置する。同時に、振動検出信号成分とロックインアンプの参照信号の位相が常にそろうようにする。これにより、ロックインアンプでバックグランド成分を除去することができる。ただし、ビート周波数を走査するために片方の連続レーザーの周波数を変化させると上記の条件が満たされなくなる場合があるので、注意する必要がある。例えば、連続レーザー2の周波数(ω)を変化させた場合、上記の振動検出分の検出強度の式中の交流成分の位相の項に(−x+x−x)ωが含まれているので、ωの変化にともなって位相も変化していくことがわかる。上記条件の一つである両成分の位相を常に90度ずれた状態で保つには、この位相変化が発生しないように光路長が−x+x−x=0を満たすように光路を設置すればよい。この時、ロックインアンプの参照光用の信号の位相は連続レーザー1だけから作成されているので、その位相もωの変化とは無関係に一定である。また、連続レーザー1の周波数(ω)を変化させた場合、上記の振動検出分の検出強度の式中とバックグランド検出強度の式中に同じ形の位相項(x−x+x−x)ωが含まれているので、振動検出信号成分とバックグランド成分の位相の関係は常に一定に保たれる。また、ロックインアンプの参照光用の信号の位相がωの変化にともなって上記の(x−x+x−x)ωと同じ変化をするように、つまりx−x=x−xを満たすように、かつ振動検出信号成分の位相と常にそろうように、参照光用の光路長を調整する。ただし、環境の温度変化等により光路長は変化しやすいので、環境管理を徹底する、可能な限り光路を共有する等の対策が有効である。
(6) Method Utilizing Phase Difference In this method, an optical circuit is installed so that the phases of the vibration detection signal component and the background component are shifted by 90 degrees. At the same time, the phase of the vibration detection signal component and the reference signal of the lock-in amplifier are always aligned. Thereby, the background component can be removed by the lock-in amplifier. However, if the frequency of one continuous laser is changed to scan the beat frequency, the above condition may not be satisfied, so care must be taken. For example, when the frequency (ω 2 ) of the continuous laser 2 is changed, (−x 5 + x 6 −x 7 ) ω 2 is included in the term of the phase of the AC component in the above-described detection intensity expression for vibration detection. Therefore, it can be seen that the phase also changes as ω 2 changes. In order to keep the phase of both components, which is one of the above conditions, shifted by 90 degrees at all times, the optical path is set so that the optical path length satisfies −x 5 + x 6 −x 7 = 0 so that this phase change does not occur. Install it. At this time, since the phase of the lock-in amplifier of the reference signal for the light is generated only from the continuous laser 1, its phase also constant regardless of the change of the omega 2. Further, when the frequency (ω 0 ) of the continuous laser 1 is changed, the phase term (x 1 −x 2 + x 3 ) of the same form is included in the detection intensity equation for the vibration detection and the background detection intensity equation. Since −x 4 ) ω 0 is included, the phase relationship between the vibration detection signal component and the background component is always kept constant. Also, lock-in the phase of the amplifier of the reference signal for light with a change in omega 0 to the same change as the above (x 1 -x 2 + x 3 -x 4) ω 0, i.e. x 3 -x The optical path length for the reference light is adjusted so as to satisfy 4 = x 8 −x 9 and always match the phase of the vibration detection signal component. However, since the optical path length is likely to change due to environmental temperature changes, measures such as thorough environmental management and sharing the optical path as much as possible are effective.

上記の説明で用いた光をまとめると以下のようになる。カッコ内には各光を定義する位置を示した。   The light used in the above description is summarized as follows. The position where each light is defined is shown in parentheses.

連続レーザー1:
sin(ωt+α)
連続レーザー2:
sin(ωt+β)
超音波励起光32(試料表面):
Asin(ω(t−x/c)−ω/c+α)
超音波励起光33(試料表面):
Csin(ω(t−x/c)+β)
プローブ光35(試料表面):
Bsin((ω+Δωa)(t−x/c)−ω/c+α)
振動検出信号に寄与するプローブ反射光のシフト成分(干渉光用検出器):
−rBκUcos((ω−ω)(t−x/c)+(−ω
ω+ω+ω−ω)/c+β−θ)
ローカル光36(干渉光用検出器):
Dsin(ω(t−x/c)+β)
参照信号用超音波励起光32分岐光(参照信号用検出器):
sin(ω(t−x/c)−ω/c+α)
参照信号用プローブ光35分岐光(参照信号用検出器):
sin((ω+Δωa)(t−x/c)−ω/c+α)
プローブ反射光の主成分(干渉光用検出器):
rBsin(ω(t−(x+x)/c)−ω/c+α
超音波励起光32の反射散乱成分(干渉光用検出器):
Esin(ω(t−(x+x)/c)−ω/c+α)
振動検出信号の交流成分
rBκUDsin(Δωat+((x−x+x−x)ω
(−x+x−x)ω+(−x−x)Δωa+
(x−x)Δωb)/c−θ)
参照信号の交流成分
cos(Δωat+((x−x+x−x)ω
(−x)Δωa+(x−x)Δωb)/c)
バックグランド信号の交流成分
rBEcos(Δωat+((x−x+x−x)ω
(−x−x)Δωa+(x−x)Δωb)/c)
ここまでは、図12に基づいて従来技術の第1の形態、及び本発明の形態を説明してきた。次に、図12の一部を変更した従来技術の第2の形態について、図14に基づいて上記と同様の式を示す。図14では、図12において連続レーザー1の光路上に設置されていた変調器を連続レーザー2の光路上に移す。その場合、上記の各式は以下のように書き換えられ、同様の測定を行うことができる。以下の式中の光路長は、図14に示した。この場合のバックグランド信号は、超音波励起光33が試料表面で反射、または散乱されて干渉光用検出器まで到達する成分とローカル光の間の干渉光から生成される。
Continuous laser 1:
sin (ω 0 t + α)
Continuous laser 2:
sin (ω 2 t + β)
Ultrasonic excitation light 32 (sample surface):
Asin (ω 1 (tx 3 / c) −ω 0 x 1 / c + α)
Ultrasonic excitation light 33 (sample surface):
Csin (ω 2 (t−x 5 / c) + β)
Probe light 35 (sample surface):
Bsin ((ω 1 + Δωa) (t−x 4 / c) −ω 0 x 2 / c + α)
Shift component of probe reflected light that contributes to vibration detection signals (detector for interference light):
−rBκUcos ((ω 3 −ω s ) (t−x 7 / c) + (− ω 3 x 4
ω 0 x 2 + ω 1 x 3 + ω 0 x 1 −ω 2 x 5 ) / c + β−θ)
Local light 36 (detector for interference light):
Dsin (ω 2 (t−x 6 / c) + β)
Reference signal ultrasonic excitation light 32 split light (reference signal detector):
sin (ω 1 (t−x 8 / c) −ω 0 x 1 / c + α)
Reference signal probe light 35 branch light (reference signal detector):
sin ((ω 1 + Δωa) (tx 9 / c) −ω 0 x 2 / c + α)
Main component of probe reflected light (detector for interference light):
rBsin (ω 3 (t− (x 4 + x 7 ) / c) −ω 0 x 2 / c + α
Reflected and scattered component of ultrasonic excitation light 32 (interference light detector):
Esin (ω 1 (t− (x 3 + x 7 ) / c) −ω 0 x 1 / c + α)
AC component of vibration detection signal rBκUDsin (Δωat + ((x 1 −x 2 + x 3 −x 4 ) ω 0 +
(−x 5 + x 6 −x 7 ) ω 2 + (− x 4 −x 7 ) Δωa +
(X 3 −x 4 ) Δωb) / c−θ)
AC component of the reference signal cos (Δωat + ((x 1 −x 2 + x 8 −x 9 ) ω 0 +
(−x 9 ) Δωa + (x 8 −x 9 ) Δωb) / c)
AC component of background signal rBEcos (Δωat + ((x 1 −x 2 + x 3 −x 4 ) ω 0 +
(−x 4 −x 7 ) Δωa + (x 3 −x 4 ) Δωb) / c)
Up to this point, the first form of the prior art and the form of the present invention have been described based on FIG. Next, an equation similar to the above is shown based on FIG. 14 for the second embodiment of the prior art in which a part of FIG. 12 is changed. In FIG. 14, the modulator installed on the optical path of the continuous laser 1 in FIG. 12 is moved onto the optical path of the continuous laser 2. In that case, the above equations can be rewritten as follows, and the same measurement can be performed. The optical path lengths in the following equations are shown in FIG. The background signal in this case is generated from the interference light between the local light and the component that the ultrasonic excitation light 33 is reflected or scattered by the sample surface and reaches the interference light detector.

連続レーザー1:
sin(ωt+α)
連続レーザー2:
sin(ωt+β)
超音波励起光32(試料表面):
Asin(ω(t−x/c)+α)
超音波励起光33(試料表面):
Csin(ω(t−x/c)−ω/c+β)
プローブ光35(試料表面):
Bsin(ω(t−x/c)+α)
振動検出信号に寄与するプローブ反射光のシフト成分(干渉光用検出器):
−rBκUcos(ω(t−x/c)+(−ω
ω−ω−ω)/c+β−θ)
ローカル光36(干渉光用検出器):
Dsin((ω+Δωa)(t−x/c)−ω/c+β)
参照信号用超音波励起光33分岐光(参照信号用検出器):
sin(ω(t−x/c)−ω/c+β)
参照信号用ローカル光36分岐光(参照信号用検出器):
sin((ω+Δωa)(t−x/c)−ω/c+β)
超音波励起光33の反射散乱成分(干渉光用検出器):
Esin(ω(t−(x+x)/c)−ω/c+β)
振動検出信号の交流成分
−rBκUDsin(Δωat+((x−x+x−x
)ω+(−x+x)ω+(−x)Δωa+
(x−x+x)Δωb)/c−θ)
参照信号の交流成分
cos(Δωat+((x−x+x−x)ω
(−x)Δωa+(x−x)Δωb)/c)
バックグランド信号の交流成分()
DEcos(Δωat+((x−x+x−x+x)ω
(−x)Δωa+(x−x+x)Δωb)/c)
バックグランド成分を除去するための別の方法について、以下に説明する。この方法(7)も本発明の実施形態のひとつである。
Continuous laser 1:
sin (ω 1 t + α)
Continuous laser 2:
sin (ω 0 t + β)
Ultrasonic excitation light 32 (sample surface):
Asin (ω 1 (t−x 3 / c) + α)
Ultrasonic excitation light 33 (sample surface):
Csin (ω 2 (tx 5 / c) −ω 0 x 1 / c + β)
Probe light 35 (sample surface):
Bsin (ω 1 (t−x 4 / c) + α)
Shift component of probe reflected light that contributes to vibration detection signals (detector for interference light):
−rBκUcos (ω 2 (t−x 7 / c) + (− ω 1 x 4 +
ω 1 x 3 −ω 2 x 5 −ω 0 x 1 ) / c + β−θ)
Local light 36 (detector for interference light):
Dsin ((ω 2 + Δωa) (t−x 6 / c) −ω 0 x 2 / c + β)
Reference signal ultrasonic excitation light 33 split light (reference signal detector):
sin (ω 2 (tx 8 / c) −ω 0 x 1 / c + β)
Reference signal local light 36 branch light (reference signal detector):
sin ((ω 2 + Δωa) (t−x 9 / c) −ω 0 x 2 / c + β)
Reflected / scattered component of ultrasonic excitation light 33 (detector for interference light):
Esin (ω 2 (t− (x 5 + x 7 ) / c) −ω 0 x 1 / c + β)
AC component of vibration detection signal −rBκUDsin (Δωat + ((x 1 −x 2 + x 5 −x 6 +
x 7 ) ω 0 + (− x 3 + x 4 ) ω 1 + (− x 6 ) Δωa +
(X 5 −x 6 + x 7 ) Δωb) / c−θ)
AC component of the reference signal cos (Δωat + ((x 1 −x 2 + x 8 −x 9 ) ω 0 +
(−x 9 ) Δωa + (x 8 −x 9 ) Δωb) / c)
AC component of background signal ()
DEcos (Δωat + ((x 1 −x 2 + x 5 −x 6 + x 7 ) ω 0 +
(−x 6 ) Δωa + (x 5 −x 6 + x 7 ) Δωb) / c)
Another method for removing the background component will be described below. This method (7) is also one embodiment of the present invention.

(7)振動検出信号の周波数をバックグランド信号の周波数の倍にする方法
この方法では、連続レーザー1の光路上と連続レーザー2の光路上の両方に変調器を設置する。この形態は、図12と図14を融合させたような光路構成となる。超音波励起光33に対するローカル光の周波数シフトが、超音波励起光32に対するプローブ光の周波数シフトと同じ大きさで、かつその増減方向が逆になるように、これらの変調器を設定すると、振動検出信号の周波数は参照信号、及びバックグランド信号の周波数の倍になる。参照信号の交流成分を倍波にしてロックインアンプの参照信号とすれば、バックグランド信号を除去して振動検出信号のみを測定することができる。
(7) Method of doubling the frequency of the vibration detection signal with the frequency of the background signal In this method, a modulator is installed on both the optical path of the continuous laser 1 and the optical path of the continuous laser 2. This form has an optical path configuration in which FIG. 12 and FIG. 14 are fused. When these modulators are set such that the frequency shift of the local light with respect to the ultrasonic excitation light 33 is the same as the frequency shift of the probe light with respect to the ultrasonic excitation light 32 and the direction of increase / decrease thereof is reversed, The frequency of the detection signal is twice the frequency of the reference signal and the background signal. If the AC component of the reference signal is doubled to obtain a reference signal for the lock-in amplifier, the background signal can be removed and only the vibration detection signal can be measured.

次に、薄膜の膜厚を求める方法について説明する。共振状態でのビート周波数をν=ω/2π、薄膜中の音速をV、薄膜の膜厚をDとすると、以下の関係式が成り立つ。   Next, a method for determining the thickness of the thin film will be described. When the beat frequency in the resonance state is ν = ω / 2π, the sound velocity in the thin film is V, and the film thickness of the thin film is D, the following relational expression is established.

2Dν/n=V
ここで、nは界面が固定端か自由端かにより異なる数値を用いる。界面を固定端とした場合は、n=0.5、1.5、2.5等の時に共振状態になる(図3(A)を参照)。界面を自由端とした場合は、n=1、2、3等の時に共振状態になる(図3(B)を参照)。どちらの場合も、表面は自由端として扱う。音速Vを仮定すれば、D=nV/2νより薄膜の膜厚を求めることができる。また、隣接するnに対するνを測定しν、及びνn+1とすると、Dを以下のように表すこともできる。
2Dν / n = V
Here, n is a different value depending on whether the interface is a fixed end or a free end. When the interface is a fixed end, the resonance state is obtained when n = 0.5, 1.5, 2.5, or the like (see FIG. 3A). When the interface is a free end, the resonance state is obtained when n = 1, 2, 3, etc. (see FIG. 3B). In both cases, the surface is treated as a free end. If the speed of sound V is assumed, the film thickness of the thin film can be obtained from D = nV / 2ν. Further, n was measured [nu for the adjacent n [nu, and [nu n + 1 and when, may represent D as follows.

D = V/2(νn+1−ν
この場合、nの値が不明でも、Dを求めることができる。
D = V / 2 (ν n + 1 −ν n )
In this case, D can be obtained even if the value of n is unknown.

また、膜厚がわかっている場合には、上記関係式より薄膜中の音速を求めることができる。   When the film thickness is known, the sound velocity in the thin film can be obtained from the above relational expression.

本発明の実施例について図面を参照して説明する。ただし、以下の実施例は、本発明を限定するものではない。実際に、光学部品の配置順、または各光の分離方向を変更したり、光学部品を一部変更したり、追加することにより、同様の機能を持つ多種の光学回路が実現可能である。また、実施例のように、ひとつの平面上に全ての光路を構成する必要もない。また、実際の装置では適切な光路長を設けるため、または各機能間を結ぶ光路の向きを合わせるために、見かけ上の光路が複雑になる場合がある。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the following examples do not limit the present invention. Actually, various optical circuits having similar functions can be realized by changing the arrangement order of the optical components or the separation direction of each light, or by changing or adding a part of the optical components. Further, it is not necessary to configure all the optical paths on one plane as in the embodiment. In addition, in an actual apparatus, the apparent optical path may be complicated in order to provide an appropriate optical path length or to match the direction of the optical path connecting each function.

また、以下の説明では、本発明の実施例を説明するために、従来技術の実施例の説明から始める。   Also, in the following description, in order to describe an embodiment of the present invention, a description will be given starting with a description of an embodiment of the prior art.

図13は、図12にて説明した内容を具体化した例で、従来技術の第1の実施例である。この図に関しては、既にの項で説明した。   FIG. 13 is an example in which the content described in FIG. 12 is embodied, and is a first embodiment of the prior art. This figure has been explained in the previous section.

図15は、図14にて説明した内容を具体化した例で、従来技術の第2の実施例である。図13と共通する部分に関する説明は割愛して、この実施例に特有な部分に関してのみ説明する。連続レーザー1から出た光は、干渉光用検出器3まで到達するプローブ光35と超音波励起光32の割合を調節するために、2分の1波長板23により偏光方向を変えられる。同様に、連続レーザー2から出た光は、干渉光用検出器3まで到達するローカル光36と超音波励起光33の割合を調節するために、2分の1波長板19により偏光方向を変えられた後、偏光ビームスプリッター7により2方向に分割される。実際には、参照信号用検出器4の方向に進んだ光は、2分の1波長板20と偏光ビームスプリッター8の組み合わせ、及び2分の1波長板21と偏光ビームスプリッター10の組み合わせにより、さらに2回の調節と分割をされた後、ローカル光36となる。超音波励起光32、33、及びプローブ光35は、ビームスプリッター15によって重ねられ、ビームスプリッター16を通過した後、レンズ5により試料表面に集光される。一方、ローカル光36は、進行途中に設置されているAOM18により周波数がシフトされ、ミラー29、ビームスプリッター16と通過した後、試料表面で反射した後のプローブ光35と干渉して、ヘテロダイン干渉光39となる。   FIG. 15 is an example in which the contents described in FIG. 14 are embodied, and is a second embodiment of the prior art. A description of parts common to those in FIG. 13 will be omitted, and only parts specific to this embodiment will be described. The direction of polarization of the light emitted from the continuous laser 1 is changed by the half-wave plate 23 in order to adjust the ratio of the probe light 35 and the ultrasonic excitation light 32 that reach the interference light detector 3. Similarly, the direction of polarization of the light emitted from the continuous laser 2 is changed by the half-wave plate 19 in order to adjust the ratio of the local light 36 and the ultrasonic excitation light 33 that reach the interference light detector 3. Then, the light is split in two directions by the polarization beam splitter 7. Actually, the light traveling in the direction of the reference signal detector 4 is caused by the combination of the half-wave plate 20 and the polarization beam splitter 8 and the combination of the half-wave plate 21 and the polarization beam splitter 10. After further adjustment and splitting twice, the local light 36 is obtained. The ultrasonic excitation light 32 and 33 and the probe light 35 are overlapped by the beam splitter 15, pass through the beam splitter 16, and then condensed on the sample surface by the lens 5. On the other hand, the frequency of the local light 36 is shifted by the AOM 18 installed on the way, and after passing through the mirror 29 and the beam splitter 16, the local light 36 interferes with the probe light 35 after being reflected on the sample surface, thereby causing heterodyne interference light. 39.

図1は、図13を一部変更して周波数フィルターを使用する方法を具体化した例で、本発明の第1の実施例である。図13と共通する部分に関する説明は割愛して、この実施例に特有な部分に関してのみ説明する。光路状の違いは、偏光板26と干渉光用検出器3の間に周波数フィルター24が挿入されている部分のみである。ローカル光36(周波数:ω)は、試料表面で反射した後のプローブ光35のシフト成分(周波数:ω+Δωa)と干渉して、ヘテロダイン干渉光39となる。また、ビート状ポンプ光34の成分である超音波励起光32(周波数:ω+Δωa)と反射した後のプローブ光35の主成分(周波数:ω)が干渉光用検出器3に到達してバックグランド成分とならないように、周波数フィルター24により遮蔽する。 FIG. 1 is an example in which a method of using a frequency filter is embodied by partially modifying FIG. 13, and is a first embodiment of the present invention. A description of parts common to those in FIG. 13 will be omitted, and only parts specific to this embodiment will be described. The difference in the optical path shape is only the portion where the frequency filter 24 is inserted between the polarizing plate 26 and the interference light detector 3. The local light 36 (frequency: ω 2 ) interferes with the shift component (frequency: ω 2 + Δωa) of the probe light 35 after being reflected from the sample surface, and becomes heterodyne interference light 39. The ultrasonic excitation light 32 (Frequency: ω 1 + Δωa) which is a component of the beat-shaped pump beam 34 as a main component of the probe light 35 after reflection (Frequency: omega 1) reaches the detector 3 for the interference light Therefore, the frequency filter 24 shields it from becoming a background component.

図4は、本発明において共通に利用される制御部分の実施例である。連続レーザー1、及び連続レーザー2の周波数をコントロールするために、レーザーコントローラー44、45を使用する。干渉光用検出器3からの出力は、アンプ48で増幅された後、ロックインアンプ50の入力信号として使われる。参照信号用検出器4からの出力は、アンプ49で増幅された後、ロックインアンプ50の参照信号として使われる。連続レーザー1と連続レーザー2の周波数差を安定に制御するために、アンプ49の出力から実測した周波数差を、データ収集システム43を通してレーザーコントローラー45にフィードバックする。データ収集システム43は、レーザーコントローラー44、45を制御し、ビート状ポンプ光のビート周波数を走査しながら、薄膜の振動振幅をロックインアンプ50の出力から求め、共振周波数を特定する。   FIG. 4 shows an embodiment of a control part commonly used in the present invention. In order to control the frequency of the continuous laser 1 and the continuous laser 2, laser controllers 44 and 45 are used. The output from the interference light detector 3 is amplified by the amplifier 48 and then used as an input signal of the lock-in amplifier 50. The output from the reference signal detector 4 is amplified by the amplifier 49 and then used as a reference signal for the lock-in amplifier 50. In order to stably control the frequency difference between the continuous laser 1 and the continuous laser 2, the frequency difference actually measured from the output of the amplifier 49 is fed back to the laser controller 45 through the data collection system 43. The data acquisition system 43 controls the laser controllers 44 and 45, obtains the vibration amplitude of the thin film from the output of the lock-in amplifier 50 while scanning the beat frequency of the beat-like pump light, and identifies the resonance frequency.

図5は、2段目のロックインアンプを使用する方法を具体化した1番目の例で、本発明の第2の実施例である。大部分の構成は図13と同じなので、異なる部分と制御部分のみを示した。図4、及び図13と共通する部分に関する説明は割愛して、この実施例に特有な部分に関してのみ説明する。偏光ビームスプリッター12とミラー30の間にチョッパー46を挿入し、ローカル光36の強度を周期的に変化させる。ドライバー42から2段目のロックインアンプ47用の参照信号とチョッパー46の駆動周波数を与える。また、1段目のロックインアンプ50の出力信号を2段目のロックインアンプ47用の入力信号とする。   FIG. 5 is a first example that embodies a method using a second-stage lock-in amplifier, and is a second embodiment of the present invention. Most of the configuration is the same as in FIG. 13, so only the different parts and the control part are shown. Descriptions of parts common to those in FIGS. 4 and 13 are omitted, and only parts specific to this embodiment will be described. A chopper 46 is inserted between the polarization beam splitter 12 and the mirror 30 to periodically change the intensity of the local light 36. A reference signal for the second-stage lock-in amplifier 47 and a driving frequency of the chopper 46 are given from the driver 42. The output signal of the first-stage lock-in amplifier 50 is used as the input signal for the second-stage lock-in amplifier 47.

図6は、2段目のロックインアンプを使用する方法を具体化した2番目の例で、本発明の第3の実施例である。大部分の構成は図13と同じなので、異なる部分と制御部分のみを示した。図4、図5、及び図13と共通する部分に関する説明は割愛して、この実施例に特有な部分に関してのみ説明する。偏光ビームスプリッター12とビームスプリッター15の間にチョッパー46を挿入し、超音波励起光33の強度を周期的に変化させる。   FIG. 6 is a second example that embodies the method of using the second-stage lock-in amplifier, and is a third embodiment of the present invention. Most of the configuration is the same as in FIG. 13, so only the different parts and the control part are shown. Descriptions of parts common to those in FIGS. 4, 5, and 13 will be omitted, and only parts specific to this embodiment will be described. A chopper 46 is inserted between the polarization beam splitter 12 and the beam splitter 15 to periodically change the intensity of the ultrasonic excitation light 33.

図7は、2段目のロックインアンプを使用する方法を具体化した3番目の例で、本発明の第4の実施例である。大部分の構成は図15と同じなので、異なる部分と制御部分のみを示した。図4、及び図15と共通する部分に関する説明は割愛して、この実施例に特有な部分に関してのみ説明する。2分の1波長板23とビームスプリッター15の間に、偏光ビームスプリッター12と13、及びミラー30と31、及びチョッパー46を挿入し、超音波励起光32の強度を周期的に変化させる。   FIG. 7 is a third example that embodies the method of using the second-stage lock-in amplifier, and is the fourth embodiment of the present invention. Since most of the configuration is the same as in FIG. 15, only the different parts and the control part are shown. Descriptions of parts common to FIGS. 4 and 15 are omitted, and only parts specific to this embodiment will be described. The polarization beam splitters 12 and 13, mirrors 30 and 31, and chopper 46 are inserted between the half-wave plate 23 and the beam splitter 15, and the intensity of the ultrasonic excitation light 32 is periodically changed.

図8は、振動検出信号の周波数をバックグランド信号の周波数の倍にする方法を具体化した1番目の例で、本発明の第5の実施例である。図13と共通する部分に関する説明は割愛して、この実施例に特有な部分に関してのみ説明する。光路状の違いは、偏光ビームスプリッター12とビームスプリッター15の間にAOM17が挿入されている部分のみである。超音波励起光32がAOM18を通過する時にその周波数がΔωa/2π増加し、超音波励起光33がAOM17を通過する時にその周波数がΔωa/2π減少するように、ドライバー22から同じ駆動周波数をAOM17とAOM18に与える。   FIG. 8 is a first example that embodies a method for doubling the frequency of the vibration detection signal to the frequency of the background signal, and is a fifth embodiment of the present invention. A description of parts common to those in FIG. 13 will be omitted, and only parts specific to this embodiment will be described. The difference in the optical path shape is only the portion where the AOM 17 is inserted between the polarizing beam splitter 12 and the beam splitter 15. When the ultrasonic excitation light 32 passes through the AOM 18, the frequency increases by Δωa / 2π, and when the ultrasonic excitation light 33 passes through the AOM 17, the frequency decreases by Δωa / 2π from the driver 22 with the same drive frequency. And give to AOM18.

図9は、振動検出信号の周波数をバックグランド信号の周波数の倍にする方法を具体化した2番目の例で、本発明の第6の実施例である。図8で示したAOM17とAOM18を一個のAOMでまかなう点が特徴なので、その部分のみを示した。その他の部分の光路等に関しては、例えば図8の光路を修正して容易に実現することができる。連続レーザー1から発せられた超音波励起光32と連続レーザー2から発せられた超音波励起光33が同じ光軸上を反対向きに進行し、AOM18で周波数をシフトされる。このような構成をとることで、一方の超音波励起光の周波数増加量ともう一方の超音波励起光の周波数減少量が等しくなる。   FIG. 9 is a second example that embodies the method of making the frequency of the vibration detection signal double the frequency of the background signal, and is the sixth embodiment of the present invention. Since the feature is that AOM 17 and AOM 18 shown in FIG. 8 are covered by one AOM, only that portion is shown. The other optical paths and the like can be easily realized by correcting the optical path in FIG. 8, for example. The ultrasonic excitation light 32 emitted from the continuous laser 1 and the ultrasonic excitation light 33 emitted from the continuous laser 2 travel in opposite directions on the same optical axis, and the frequency is shifted by the AOM 18. By adopting such a configuration, the frequency increase amount of one ultrasonic excitation light and the frequency decrease amount of the other ultrasonic excitation light become equal.

本発明における第1の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 1st Example in this invention. 本発明における測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result in this invention. (A)は、薄膜界面が固定端の場合の共振状態を示す図である。(B)は、薄膜界面が自由端の場合の共振状態を示す図である。(A) is a figure which shows the resonance state in case a thin film interface is a fixed end. (B) is a figure which shows the resonance state in case a thin film interface is a free end. 本発明の制御部分における実施例を示す図であるIt is a figure which shows the Example in the control part of this invention. 本発明における第2の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd Example in this invention. 本発明における第3の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd Example in this invention. 本発明における第4の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 4th Example in this invention. 本発明における第5の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 5th Example in this invention. 本発明における第6の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 6th Example in this invention. 従来のポンププローブ法による薄膜評価装置の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the thin film evaluation apparatus by the conventional pump probe method. 従来の共振法による薄膜評価装置の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the thin film evaluation apparatus by the conventional resonance method. 従来のビート光利用の共振法における光路構成を示す第1の概念図である。It is a 1st conceptual diagram which shows the optical path structure in the resonance method using the conventional beat light. 従来のビート光利用の共振法における第1の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 1st Example in the resonance method using the conventional beat light. 従来のビート光利用の共振法における光路構成を示す第2の概念図である。It is a 2nd conceptual diagram which shows the optical path structure in the resonance method using the conventional beat light. 従来のビート光利用の共振法における第2の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd Example in the resonance method using the conventional beat light.

符号の説明Explanation of symbols

1、2、59 連続レーザー
3 干渉光用検出器
4 参照信号用検出器
5 レンズ
6 試料
7、8、9、10、11、12、13 偏光ビームスプリッター
14 パルスレーザー
15、16 ビームスプリッター
17、18 AOM
19、20、21、23 2分の1波長板
22、42 ドライバー
24 周波数フィルター
25、26 偏光板
27、28、29、30、31、51、52、53 ミラー
32、33 超音波励起光
34 ビート状ポンプ光
35、58 プローブ光
36 ローカル光
37 光変調器用コントローラー
38 遅延光路用コントローラー
39、41 ヘテロダイン干渉光
40 変調器部分
43 データ収集システム
44、45 レーザーコントローラー
46 チョッパー
47、50 ロックインアンプ
48、49 アンプ
54 光変調器
55 ファブリーペロー干渉計
56 遅延光路
57 ポンプ光
60 干渉光
1, 2, 59 Continuous laser 3 Detector for interference light 4 Detector for reference signal 5 Lens 6 Sample 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 Polarizing beam splitter 14 Pulse laser 15, 16 Beam splitter 17, 18 AOM
19, 20, 21, 23 Half-wave plate 22, 42 Driver 24 Frequency filter 25, 26 Polarizing plate 27, 28, 29, 30, 31, 51, 52, 53 Mirror 32, 33 Ultrasonic excitation light 34 Beat Pump light 35, 58 probe light 36 local light 37 optical modulator controller 38 delay optical path controller 39, 41 heterodyne interference light 40 modulator part 43 data acquisition system 44, 45 laser controller 46 chopper 47, 50 lock-in amplifier 48, 49 Amplifier 54 Optical Modulator 55 Fabry-Perot Interferometer 56 Delay Optical Path 57 Pump Light 60 Interference Light

Claims (7)

薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の2個の光(周波数:f1、f2)、プローブ光(周波数:fp)、及び干渉測定用のローカル光(周波数:fr)の計4個の光と、干渉光用検出器と、前記2個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて|fp−f1+f2−fr|の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光(周波数:f2)と前記ローカル光(周波数:fr)を1個の連続レーザーから作り出してf2=frの関係を持たせる手段と、前記超音波励起光(周波数:f1)と前記プローブ光(周波数:fp)を別の1個の連続レーザーから作り出して周波数差|f1−fp|を一定値に保持する手段と、前記周波数差|f1−fp|で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号(周波数:|f1−fp|)を検出するロックインアンプと、前記2個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段を備え、試料表面で反射した後の前記プローブ光に含まれるシフト成分(周波数:|fp−f1+f2|)と試料表面を経ることなく前記干渉光用検出器に到達する前記ローカル光(周波数:fr)の両周波数とは異なる周波数の光を遮蔽するフィルターを試料と前記干渉光用検出器の間に設置することを特徴とする薄膜評価装置。 An apparatus for generating an ultrasonic wave in a thin film and measuring the dependence of the surface vibration amplitude on the frequency of the ultrasonic wave, which includes two lights for excitation (frequency: f1, f2) and probe light ( Frequency: fp) and local light (frequency: fr) for interference measurement, a total of four lights, an interference light detector, and the two ultrasonic excitation lights interfere to generate beat-like pump light An optical circuit for guiding the beat-shaped pump light and the probe light to the sample surface, an optical circuit for guiding the local light and the probe light reflected from the sample surface to the interference light detector, and the local light. Means for obtaining a heterodyne interference signal that vibrates at a frequency of | fp−f1 + f2−fr | by interfering with the probe light reflected on the sample surface, the ultrasonic excitation light (frequency: f2), and the local light (frequency: fr Is produced from one continuous laser to have a relationship of f2 = fr, and the ultrasonic excitation light (frequency: f1) and the probe light (frequency: fp) are produced from another single continuous laser. Means for holding the frequency difference | f1-fp | at a constant value, and a lock for detecting the heterodyne interference signal (frequency: | f1-fp |) using a periodic signal oscillating at the frequency difference | f1-fp | as a reference signal. The probe after reflecting on the sample surface, comprising an in-amplifier and means for scanning the frequency of the ultrasonic wave by changing one of or both of the two continuous lasers as a wavelength variable continuous laser and changing the wavelength thereof Shift component (frequency: | fp−f1 + f2 |) contained in light and the local light (frequency: fr) that reaches the interference light detector without passing through the sample surface. Thin film evaluation device, characterized in that installed between the detector for the filter that shields the light of different frequency and sample the interference light with two frequencies of. 薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の2個の光(周波数:f1、f2)、プローブ光(周波数:fp)、及び干渉測定用のローカル光(周波数:fr)の計4個の光と、干渉光用検出器と、前記2個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて|fp−f1+f2−fr|の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光(周波数:f2)と前記ローカル光(周波数:fr)を1個の連続レーザーから作り出してf2=frの関係を持たせる手段と、前記超音波励起光(周波数:f1)と前記プローブ光(周波数:fp)を別の1個の連続レーザーから作り出して周波数差|f1−fp|を一定値に保持する手段と、前記周波数差|f1−fp|で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号(周波数:|f1−fp|)を検出するロックインアンプと、前記2個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段と、前記ローカル光の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする2段目のロックインアンプを備えた薄膜評価装置。 An apparatus for generating an ultrasonic wave in a thin film and measuring the dependence of the surface vibration amplitude on the frequency of the ultrasonic wave, which includes two lights for excitation (frequency: f1, f2) and probe light ( Frequency: fp) and local light (frequency: fr) for interference measurement, a total of four lights, an interference light detector, and the two ultrasonic excitation lights interfere to generate beat-like pump light An optical circuit for guiding the beat-shaped pump light and the probe light to the sample surface, an optical circuit for guiding the local light and the probe light reflected from the sample surface to the interference light detector, and the local light. Means for obtaining a heterodyne interference signal that vibrates at a frequency of | fp−f1 + f2−fr | by interfering with the probe light reflected on the sample surface, the ultrasonic excitation light (frequency: f2), and the local light (frequency: fr Is produced from one continuous laser to have a relationship of f2 = fr, and the ultrasonic excitation light (frequency: f1) and the probe light (frequency: fp) are produced from another single continuous laser. Means for holding the frequency difference | f1-fp | at a constant value, and a lock for detecting the heterodyne interference signal (frequency: | f1-fp |) using a periodic signal oscillating at the frequency difference | f1-fp | as a reference signal. An in-amplifier, means for scanning the frequency of the ultrasonic wave by changing the wavelength of one or both of the two continuous lasers as a wavelength tunable continuous laser, and the intensity of the local light periodically changing And a thin film evaluation apparatus comprising a second-stage lock-in amplifier using the vibration frequency as a reference signal. 薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の2個の光(周波数:f1、f2)、プローブ光(周波数:fp)、及び干渉測定用のローカル光(周波数:fr)の計4個の光と、干渉光用検出器と、前記2個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて|fp−f1+f2−fr|の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光(周波数:f2)と前記ローカル光(周波数:fr)を1個の連続レーザーから作り出してf2=frの関係を持たせる手段と、前記超音波励起光(周波数:f1)と前記プローブ光(周波数:fp)を別の1個の連続レーザーから作り出して周波数差|f1−fp|を一定値に保持する手段と、前記周波数差|f1−fp|で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号(周波数:|f1−fp|)を検出するロックインアンプと、前記2個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段と、前記超音波励起光(周波数:f2)の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする2段目のロックインアンプを備えた薄膜評価装置。 An apparatus for generating an ultrasonic wave in a thin film and measuring the dependence of the surface vibration amplitude on the frequency of the ultrasonic wave, which includes two lights for excitation (frequency: f1, f2) and probe light ( Frequency: fp) and local light (frequency: fr) for interference measurement, a total of four lights, an interference light detector, and the two ultrasonic excitation lights interfere to generate beat-like pump light An optical circuit for guiding the beat-shaped pump light and the probe light to the sample surface, an optical circuit for guiding the local light and the probe light reflected from the sample surface to the interference light detector, and the local light. Means for obtaining a heterodyne interference signal that vibrates at a frequency of | fp−f1 + f2−fr | by interfering with the probe light reflected on the sample surface, the ultrasonic excitation light (frequency: f2), and the local light (frequency: fr Is produced from one continuous laser to have a relationship of f2 = fr, and the ultrasonic excitation light (frequency: f1) and the probe light (frequency: fp) are produced from another single continuous laser. Means for holding the frequency difference | f1-fp | at a constant value, and a lock for detecting the heterodyne interference signal (frequency: | f1-fp |) using a periodic signal oscillating at the frequency difference | f1-fp | as a reference signal. An in-amplifier, means for scanning the frequency of the ultrasonic wave by changing the wavelength of one or both of the two continuous lasers as a wavelength tunable continuous laser, and the ultrasonic excitation light (frequency: f2) A thin-film evaluation apparatus comprising means for periodically changing the intensity of the signal and a second-stage lock-in amplifier using the vibration frequency as a reference signal. 薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の2個の光(周波数:f1、f2)、プローブ光(周波数:fp)、及び干渉測定用のローカル光(周波数:fr)の計4個の光と、干渉光用検出器と、前記2個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて|fp−f1+f2−fr|の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光(周波数:f1)と前記プローブ光(周波数:fp)を1個の連続レーザーから作り出してf1=fpの関係を持たせる手段と、前記超音波励起光(周波数:f2)と前記ローカル光(周波数:fr)を別の1個の連続レーザーから作り出して周波数差|f2−fr|を一定値に保持する手段と、前記周波数差|f2−fr|で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号(周波数:|f2−fr|)を検出するロックインアンプと、前記2個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段と、前記超音波励起光(周波数:f1)の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする2段目のロックインアンプを備えた薄膜評価装置。 An apparatus for generating an ultrasonic wave in a thin film and measuring the dependence of the surface vibration amplitude on the frequency of the ultrasonic wave, which includes two lights for excitation (frequency: f1, f2) and probe light ( Frequency: fp) and local light (frequency: fr) for interference measurement, a total of four lights, an interference light detector, and the two ultrasonic excitation lights interfere to generate beat-like pump light An optical circuit for guiding the beat-shaped pump light and the probe light to the sample surface, an optical circuit for guiding the local light and the probe light reflected from the sample surface to the interference light detector, and the local light. Means for obtaining a heterodyne interference signal that vibrates at a frequency of | fp−f1 + f2−fr | by interfering with the probe light reflected by the sample surface, the ultrasonic excitation light (frequency: f1), and the probe light (frequency: fp Is produced from one continuous laser to have a relationship of f1 = fp, and the ultrasonic excitation light (frequency: f2) and the local light (frequency: fr) are produced from another continuous laser. Means for holding the frequency difference | f2-fr | at a constant value, and a lock for detecting the heterodyne interference signal (frequency: | f2-fr |) using a periodic signal oscillating at the frequency difference | f2-fr | as a reference signal. An in-amplifier, means for scanning the frequency of the ultrasonic wave by changing the wavelength of one or both of the two continuous lasers as a wavelength variable continuous laser, and the ultrasonic excitation light (frequency: f1) A thin-film evaluation apparatus comprising means for periodically changing the intensity of the signal and a second-stage lock-in amplifier using the vibration frequency as a reference signal. 薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の2個の光(周波数:f1、f2)、プローブ光(周波数:fp)、及び干渉測定用のローカル光(周波数:fr)の計4個の光と、干渉光用検出器と、前記2個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて|fp−f1+f2−fr|の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光(周波数:f2)と前記ローカル光(周波数:fr)を1個の連続レーザーから作り出してf2=frの関係を持たせる手段と、前記超音波励起光(周波数:f1)と前記プローブ光(周波数:fp)を別の1個の連続レーザーから作り出して周波数差|f1−fp|を一定値に保持する手段と、前記周波数差|f1−fp|で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号(周波数:|f1−fp|)を検出するロックインアンプと、前記2個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段と、前記ヘテロダイン干渉信号(周波数:|f1−fp|)とそこに混入するバックグランド信号(周波数:|f1−fp|)の位相差を90度に保つ手段と、前記ヘテロダイン干渉信号(周波数:|f1−fp|)と前記ロックインアンプの参照信号(周波数:|f1−fp|)の位相差を0度に保つ手段を備えた薄膜評価装置。 An apparatus for generating an ultrasonic wave in a thin film and measuring the dependence of the surface vibration amplitude on the frequency of the ultrasonic wave, which includes two lights for excitation (frequency: f1, f2) and probe light ( Frequency: fp) and local light (frequency: fr) for interference measurement, a total of four lights, an interference light detector, and the two ultrasonic excitation lights interfere to generate beat-like pump light An optical circuit for guiding the beat-shaped pump light and the probe light to the sample surface, an optical circuit for guiding the local light and the probe light reflected from the sample surface to the interference light detector, and the local light. Means for obtaining a heterodyne interference signal that vibrates at a frequency of | fp−f1 + f2−fr | by interfering with the probe light reflected on the sample surface, the ultrasonic excitation light (frequency: f2), and the local light (frequency: fr Is produced from one continuous laser to have a relationship of f2 = fr, and the ultrasonic excitation light (frequency: f1) and the probe light (frequency: fp) are produced from another single continuous laser. Means for holding the frequency difference | f1-fp | at a constant value, and a lock for detecting the heterodyne interference signal (frequency: | f1-fp |) using a periodic signal oscillating at the frequency difference | f1-fp | as a reference signal. An in-amplifier, means for scanning the frequency of the ultrasonic wave by changing the wavelength of one or both of the two continuous lasers as a wavelength tunable continuous laser, and the heterodyne interference signal (frequency: | f1- fp |) and a means for maintaining a phase difference between the background signal (frequency: | f1-fp |) mixed therein and 90 degrees, and the heterodyne interference signal (frequency: | 1-fp |) and the lock-in amplifier of the reference signal (frequency: | f1-fp |) film evaluation device a phase difference comprises means to keep the 0 degree. 薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の2個の光(周波数:f1、f2)、プローブ光(周波数:fp)、及び干渉測定用のローカル光(周波数:fr)の計4個の光と、干渉光用検出器と、前記2個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて|fp−f1+f2−fr|の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光(周波数:f1)と前記プローブ光(周波数:fp)を1個の連続レーザーから作り出してf1=fpの関係を持たせる手段と、前記超音波励起光(周波数:f2)と前記ローカル光(周波数:fr)を別の1個の連続レーザーから作り出して周波数差|f2−fr|を一定値に保持する手段と、前記周波数差|f2−fr|で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号(周波数:|f2−fr|)を検出するロックインアンプと、前記2個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段と、前記ヘテロダイン干渉信号(周波数:|f2−fr|)とそこに混入するバックグランド信号(周波数:|f2−fr|)の位相差を90度に保つ手段と、前記ヘテロダイン干渉信号(周波数:|f2−fr|)と前記ロックインアンプの参照信号(周波数:|f2−fr|)の位相差を0度に保つ手段を備えた薄膜評価装置。 An apparatus for generating an ultrasonic wave in a thin film and measuring the dependence of the surface vibration amplitude on the frequency of the ultrasonic wave, which includes two lights for excitation (frequency: f1, f2) and probe light ( Frequency: fp) and local light (frequency: fr) for interference measurement, a total of four lights, an interference light detector, and the two ultrasonic excitation lights interfere to generate beat-like pump light An optical circuit for guiding the beat-shaped pump light and the probe light to the sample surface, an optical circuit for guiding the local light and the probe light reflected from the sample surface to the interference light detector, and the local light. Means for obtaining a heterodyne interference signal that vibrates at a frequency of | fp−f1 + f2−fr | by interfering with the probe light reflected by the sample surface, the ultrasonic excitation light (frequency: f1), and the probe light (frequency: fp Is produced from one continuous laser to have a relationship of f1 = fp, and the ultrasonic excitation light (frequency: f2) and the local light (frequency: fr) are produced from another continuous laser. Means for holding the frequency difference | f2-fr | at a constant value, and a lock for detecting the heterodyne interference signal (frequency: | f2-fr |) using a periodic signal oscillating at the frequency difference | f2-fr | as a reference signal. An in-amplifier, means for scanning the frequency of the ultrasonic wave by changing the wavelength of one or both of the two continuous lasers as a wavelength tunable continuous laser, and the heterodyne interference signal (frequency: | f2− fr |) and a background signal (frequency: | f2-fr |) mixed therein, a means for maintaining a phase difference of 90 degrees, and the heterodyne interference signal (frequency: | 2-fr |) and the lock-in amplifier of the reference signal (frequency: | f2-fr |) film evaluation device equipped with a means for maintaining the 0 ° phase difference. 薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の2個の光(周波数:f1、f2)、プローブ光(周波数:fp)、及び干渉測定用のローカル光(周波数:fr)の計4個の光と、干渉光用検出器と、前記2個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて|fp−f1+f2−fr|の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光(周波数:f1)と前記プローブ光(周波数:fp)を1個の連続レーザーから作り出して周波数差|f1−fp|を一定値に保持する手段と、前記超音波励起光(周波数:f2)と前記ローカル光(周波数:fr)を別の1個の連続レーザーから作り出して周波数差|f2−fr|を一定値に保持する手段と、前記4個の光の周波数にf1+f2=fp+frの関係を持たせる手段と、前記周波数差|f1−fp|の2倍の周波数で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号(周波数:2|f1−fp|)を検出するロックインアンプと、前記2個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段を備えた請求項1記載の薄膜評価装置。 An apparatus for generating an ultrasonic wave in a thin film and measuring the dependence of the surface vibration amplitude on the frequency of the ultrasonic wave, which includes two lights for excitation (frequency: f1, f2) and probe light ( Frequency: fp) and local light (frequency: fr) for interference measurement, a total of four lights, an interference light detector, and the two ultrasonic excitation lights interfere to generate beat-like pump light An optical circuit for guiding the beat-shaped pump light and the probe light to the sample surface, an optical circuit for guiding the local light and the probe light reflected from the sample surface to the interference light detector, and the local light. Means for obtaining a heterodyne interference signal that vibrates at a frequency of | fp−f1 + f2−fr | by interfering with the probe light reflected by the sample surface, the ultrasonic excitation light (frequency: f1), and the probe light (frequency: fp Is produced from one continuous laser to maintain the frequency difference | f1-fp | at a constant value, and the ultrasonic excitation light (frequency: f2) and the local light (frequency: fr) Means for generating a constant frequency difference | f2-fr | produced from a continuous laser, means for giving a relationship of f1 + f2 = fp + fr to the frequencies of the four lights, and 2 of the frequency difference | f1-fp | A lock-in amplifier that detects the heterodyne interference signal (frequency: 2 | f1-fp |) using a periodic signal oscillating at a double frequency as a reference signal, and one or both of the two continuous lasers are wavelength-tunable continuous lasers The thin film evaluation apparatus according to claim 1, further comprising means for scanning the frequency of the ultrasonic wave by changing the wavelength.
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