JP2013195150A - 光加熱による固体表面温度の計測装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体表面温度を、非接触且つリアルタイムで計測する。
【解決手段】プローブレーザ装置７から射出されたプローブレーザ光Ｐは、コリメータレンズ８によって平行光に変換された状態で、試料６の表面におけるパルスレーザＬの照射位置の上方を通過する。受光光学系９は、プローブレーザ光Ｐの基本波及び試料６の表面におけるパルスレーザＬの照射位置にて発生した熱波による偏向を受けて生じた微弱回折光成分を集光する。光検知器１０は、集光した基本波と分離された微小回折光成分を受光して、その光量に応じた電気信号を出力する。信号処理回路１１は、当該電気信号の値を関係式に当てはめることにより、温度を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルスレーザ光によって加熱された試料表面の温度を、リアルタイムで計測する計測装置及び計測方法に関する。

従来、高エネルギーのパルスレーザ光により試料を加熱することで行われる光プロセス（アニーリング，アブレーション，エッチング等）が、様々な分野で応用されている。具体的には、微細加工，薄膜形成，超微粒子の創生といった産業分野での応用や、角膜形成，動脈硬化病変の切除，歯科治療，整形外科手術といった医療分野での応用などが、その例として挙げられる。このような光プロセスを安全且つ効果的に行うためには、パルスレーザ光が照射されることによって加熱された試料の表面温度（より正確には、各パルスの周期毎の、試料表面の最高温度）をリアルタイムで計測し、パルスレーザ光の出力を管理する必要がある。しかしながら、個々のパルス光が照射されることに因る試料表面の温度は、図３に示すように、極めて短時間（ナノ秒オーダー）で推移する為、温度センサを試料表面に接触させて試料表面の温度を計測することは不可能である。その為、試料の表面温度を知るには、固体中の熱フローを記述する熱伝導方程式を解くしか手段がなかったが、そのためには、試料両面でのパルスレーザ光強度等、様々なパラメータが予め判っていなければならなかったので、現実的な手段ではなかった。

「有限要素法によるパルスレーザ光照射アモルファスシリコン薄膜の熱解析」電学論Ａ，１０８巻１０号Ｐ４４３〜４５０

特開２００７−２９５１３１号

そこで、本発明は、パルスレーザ光が照射されることによって極短時間のうちにピークに達してから次のパルスレーザ光が照射されるまでの間に冷却することを繰り返しつつ、ピーク値が漸次推移していく固体表面温度を、非接触且つリアルタイムで計測することができる計測装置及び計測方法の提供を、課題とする。

上記課題を解決するために案出された光加熱による固体表面温度の計測装置及び計測方法では、連続発振された検知用レーザ光を、前記固体の表面における前記パルスレーザ光が照射される箇所に近接した空気中を平行ビームとして進行するように導き、前記固体の表面における前記パルスレーザ光が照射される箇所に近接した空気中を通過した前記検知用レーザ光に対して光学的フーリエ変換を施し、微弱回折光成分を基本波から空間的に分離し、前記基本波から空間的に分離された前記微弱回折光成分を前記基本波と干渉させて受光して、その光量に比例した値の電気信号に変換し、前記電気信号の値と前記表面温度との対応関係を定義したデータを参照し、前記電気信号の値を前記データに当てはめて、対応する温度を求める。

本発明の光加熱による固体表面温度の計測装置及び計測方法によれば、固体表面温度を、非接触且つリアルタイムで計測することができる。

本発明の実施形態の原理を示す光学構成図 パルスレーザ光とプローブレーザ光との交差を示す概念図 パルスレーザ照射による試料表面温度の経時変化を表すグラフ 熱波の作用を説明するための概念図 光検出器が出力する信号電圧の経時変化を表す典型的なグラフ 光エネルギー密度と試料表面温度及び光検出器が出力する最大出力電圧との相関を表すグラフ 実施例の構成図 温度校正データ部が実行する変換式Ｔ（x，Ｖ）の作成処理を示すフローチャート 信号校正回路が実行する試料表面温度の算出処理を示すフローチャート

以下、図面を参照しつつ、本発明の最良の実施形態を説明する。
（計測原理）

最初に、本実施形態によって、物性量（反射率，吸収係数，熱伝導率，熱容量，相転移に伴う潜熱）が不明な未知物質も含めて、あらゆる固体（試料）の表面温度が非接触且つリアルタイムで計測できる原理を、説明する。

図１は、本実施例による温度計測の原理を示す概略光学構成図である。図１において、パルスレーザ装置１は、高エネルギーのレーザ光（パルスレーザ光）をパルス発振するレーザ装置である。このパルスレーザ装置１は、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）等の固体レーザであっても、炭酸ガスレーザやエキシマレーザの様なガスレーザであっても、色素レーザ等の液体レーザであっても良い。このパルスレーザ装置１から射出されたパルスレーザ光Ｌは、アパーチャ２によって絞られた後に、反射ミラー３によって９０度反射されることにより、そのビーム軸を、ステージ５の表面に対して垂直な方向に向ける。続いて、パルスレーザ光Ｌは、集光レンズ４を透過することによって集束される。

ステージ５は、ステージコントローラ１２によって制御されるＸＹＺテーブルであり、ステージコントローラ１２は、集光レンズ４によって集束されたパルスレーザ光Ｌのビームウェストの位置が試料６表面における光プロセスの対象位置に合致するように、ステージ５の高さ（即ち、パルスレーザ光Ｌのビーム軸方向における位置）及び水平方向位置（同ビーム軸に直交する面内における位置）を調整する。なお、試料６として直方体ないし平行平面板以外の固体が光プロセスの対象とされる場合には、その表面をパルスレーザ光のビーム軸に対して垂直にするためのチルト機構がステージ５に備えられても良い。

プローブレーザ装置７は、コヒーレントな検知用レーザ光（以下、「プローブレーザ光Ｐ」という）を連続発振するＣＷレーザであり、低エネルギーであっても良いので、半導体レーザ素子（レーザダイオード）が用いられる。ただし、後段の光学系の構成を単純にすべく、レーザ光の断面形状を真円に整形する光学系が組み込まれた真円レーザ装置を採用することが望ましい。なお、プローブレーザ装置７の発振波長には制限はないので、可視光帯域から赤外帯域まで、任意の発振波長のものを用いることができる。そして、プローブレーザ７から発散光として射出されたプローブレーザ光Ｐは、第１の光学系に相当するコリメートレンズ８により、平行光に変換されて、ステージ６の上面（従って、試料６の表面）に沿ってこれと平行に進み、試料６の表面における光プロセスの対象位置の上方（図２に示すＡ地点）において、パルスレーザ光Ｌのビーム軸と直交する。

このとき、断続的に射出されているパルスレーザ光Ｌの照射（以下、断続的な照射における個々のパルスレーザ光Ｌの塊のことを「パルス」という）がなされる。

パルスレーザ光Ｌの全エネルギーのうち、当該パルスレーザ光Ｌの波長及び温度に依存して定まる試料６の吸収率に応じた一定割合のエネルギーが、当該試料６に吸収され、試料６の表面近傍において格子振動を生じさせ、熱に変換される。このようにして試料表面近傍における試料内部で発生した熱は、試料６内で拡散されるとともに、試料６表面に接触した空気に伝搬される。その結果、パルスが途切れると、試料６表面の温度は上記熱伝導の為に低下する。それ故、図３のグラフに示すように、試料表面の温度は、パルスの周期毎に、低、高、低と変化する。

上述したように空気に伝搬される熱量も、試料６表面の温度と同様に変化するので、試料６表面からは、パルスの周期毎に、熱量が低、高、低と変化する熱波が、伝搬されることになる。なお、このようにして空気中に伝搬されていく熱波の速度は、表面近傍における常温での空気の熱拡散係数（0.217cm²/s）が試料６のそれ（例えばシリコン結晶の場合には0.937cm²/s）よりも小さいので、試料６内部での熱拡散の速度よりも遅く、熱波が到達できる距離（拡散距離）も、試料６内部のそれよりも短い。従って、レーザプローブ光Ｐと試料６表面との間の距離が適宜調整されることにより、パルスが途切れた後に、熱波（周辺よりも熱量が高い部分）が、レーザプローブ光Ｐの光路を横切るようになる。

この時、熱波の媒体である空気は、熱波の通過によって温度が一瞬上昇した後に低下するのに伴って、その密度が一瞬低下した後に上昇し、よって、その屈折率が一瞬低下した後に上昇する。即ち、熱波とは、空気の密度の粗密波でもあり、その振幅は温度変化量と比例関係にある。これを模式的に表したのが図４であり、横線のピッチが狭い部分が空気の密度が高い部分（即ち、温度が高く屈折率が大きい部分）を示し、ピッチが広い部分が空気の密度の低い部分（即ち、温度が低く屈折率が小さい部分）を示す。ここで、屈折率に勾配が生じた光伝導媒質は、ロッドレンズのような屈折作用を生じるので、Ａ地点では、パルスレーザ光Ｌに平行で、プローブレーザ光Ｐの光軸に直交する方向（Y方向）にその母線を向けた超希薄シリンドリカルレンズアレイが、試料６表面から集光レンズ４に向けて通過するのと光学的に等価な状況が、生じていることになる。そのため、平行ビームとしてＡ地点を通過したプローブレーザ光Ｐ中の各光束は、熱波に伴う上記屈折作用に因り、パルスレーザ光Ｌの光軸方向（X方向）に偏向（位相変調）されて、フラウンホーファ効果により、Ａ地点での周辺温度からの温度上昇量に比例した光量の微弱回折光を、生じさせる。

図１に戻り、上述したような微弱回折光を生じつつＡ地点を通過したプローブレーザ光Ｐは、第２の光学系としての受光光学系９に、入射する。この受光光学系９は、プローブレーザ光Ｐに対して光学的フーリエ変換を行って基本波と（０次回折光）フラウンホーファ回折光（１次回折光）を集光し、これらを観測面上に夫々収束させ、かつ干渉させる正レンズ群である。なお、上記熱波の振幅（即ち、空気密度，従って屈折率の変化量）如何に依らずフラウンホーファ回折光の観測面上での位置は変わらないが、その振幅（即ち、空気密度，従って屈折率の変化量）に応じて微弱回折光の観測面上での光量が増大する。換言すると、試料６の表面温度のピーク値が高ければ高いほど、観測面上における微弱回折光の光量が増大する。

光検出器１０は、上記観測面上における受光光学系９の光軸近傍（即ち、プローブレーザ光Ｐの基本波が入射する領域）からX方向にオフセットした位置（即ち、微弱回折光が入射する領域）にその受光面が配置されて、当該受光面における入射光量（即ち、フラウンホーファ回折光の光量）に比例した電圧信号を出力する光電変換素子である。

光検出器１０から出力された電圧信号は、信号処理回路１１に入力される。図５は、個々のパルスの照射毎に光検出器１０から信号処理回路１１に入力される電圧信号Ｖ（ｍＶ）の変化を示すグラフであり、横軸は、パルスの射出タイミングからの経過時間（ｍｓ）を示す。図５中スパイクＢは、レーザプローブ光Ｐがパルスレーザ光Ｌそのものに因って波形を乱されたことに起因する成分であり、試料６の表面温度には関連性がない。そこで、信号処理回路１１には、各パルスの射出タイミングからパルスの照射時間相当分だけ遅延されたトリガ信号が入力され、信号処理回路１１は、当該トリガ信号の入力後一定時間（次のパルスが射出されるまでの時間よりも短い時間）の間に入力された電圧信号をピークホールドし、ホールドした電圧値の最大値に対して、次段の処理を行うことで、レーザプローブ光Ｐがパルスレーザ光Ｌそのものに因って波形を乱されたことに起因する成分をマスクする。そして、信号処理回路１は、ホールドしたピーク値に対して所定関係式又は所定変換テーブルを適用することにより、試料６の表面温度を求める。以下、この電圧信号のピーク値を試料６の表面温度に変換する手法について、説明する。

上述したように、物性量（反射率、吸収係数、熱伝導率、熱容量、相転移に伴う潜熱）が不明な未知物質については、熱伝導方程式を解くことができないので、試料６の表面に照射されるパルスレーザ光Ｌの光エネルギー密度（mJ/cm²）に基づいて試料６の表面温度を直接算出することはできない。しかし、試料６の表面の温度については、そのピーク値に応じた信号電圧Ｖのピーク値を、上述したようにして測定することができる。従って、試料６の表面温度と信号電圧Ｖとの対応関係さえ事前に判っていれば、測定された信号電圧Ｖのピーク値に基づいて、試料６の表面温度のピーク値を、算出することが可能なのである。

その為、本実施形態では、上記物性量が判明している既知物質（具体的には、結晶シリコン）を用い、様々な光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）のパルスレーザ光を照射した場合における試料６の表面温度のピーク値Ｔ_maxをシミュレーションにより算出することにより、光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）と試料６の表面温度のピーク値Ｔ_maxとの関係式Ｔ_max（Ｅ）を求めている。これとともに、同試料６（結晶シリコン）表面から上記Ａ地点（即ち、プローブレーザ光Ｐの光軸）までの距離x及びパルスレーザ光Ｌの光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）のあらゆる組合せに対応した信号電圧Ｖのピークホールド値を実験によって計測し、x及び光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）と信号電圧Ｖのピークホールド値との関係式Ｖ（x，Ｅ）を求めている。

上記シミュレーションは、具体的には、以下の手法に従って行う。即ち、式（１）は、本発明者が先に非特許文献１において公表した、光を固体表面に照射した場合における深さ方向の温度変化を示す熱伝導方程式である。

ここに、Ｔ（Ｘ，ｔ）は、光を固体に照射してからｔ（ms）後における固体表面から深さＸ（nm）における温度（℃）であって、Ｘ＝０の場合における最大値が、求めるべき固体表面温度のピーク値Ｔ_maxに当たる。また、ρは固体の密度（kg/m^３）、C_ｐは固体の比熱（J/kg・℃）、κは固体の熱伝導率（W/m・℃）、αは固体の吸収係数（m^−１）である。また、Ｉ（X,t）は、光を固体に照射してからｔ（ms）後における固体表面から深さＸ（nm）の箇所での光強度であり、式（２）によって算出される。

式（２）におけるＩ_０（ｔ）は、時刻ｔにおける光エネルギー強度（W/m^２）である。また、Ｒは、固体の反射率である。Ｒ及び上記αは、実際には温度に依存する変数であるが、有限要素法等で定式化して数値解析を行うことにより、上述したように、様々な光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）のパルスレーザ光を照射した場合における試料６の表面温度のピーク値Ｔ_maxを、算出することができるのである。

図６におけるグラフＡは、以上のようにして算出した試料６の表面温度のピーク値Ｔ_maxをプロットしたグラフであり、光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）と試料６の表面温度のピーク値Ｔ_maxとが正比例関係にあることを示している。従って、関係式Ｅ（Ｔ_max）は一次関数となる。また、図６におけるグラフＢは、xを固定してパルスレーザ光Ｌの光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）を様々に変化させた場合に実験上計測された信号電圧Ｖのピークホールド値をプロットしたグラフであり、両者が比例関係にあることを示している（但し、xを変化させた場合には、三次関数的に信号電圧Ｖが変化する。）。

信号処理回路１１は、以上のようにして求めた両関係式Ｔ_max（Ｅ），Ｖ（x，Ｅ）を融合することにより、信号電圧Ｖ及び上記距離xと試料６の表面温度Ｔとの関係式Ｔ（x，Ｖ）を求める。そして、信号処理回路１１は、このようにして求めた関係式Ｔ（x，Ｖ）そのもの，若しくは、信号電圧Ｖ及び上記距離xの組合せと試料６の表面温度Ｔとの対応関係をリストアップしたテーブルを予め記憶手段に保存しておき、上述した電圧信号に対してこれを適応して、試料表面の温度のピーク値を算出するのである。

（実施例）
図７は、上述した計測原理を現実の装置として適用する場合における例を示した構成図である。即ち、上述した計測原理を用いた温度計測が正確に行われるには、プローブレーザ光Ｐが透過する環境において空気が安定していることが必要になるが、現実の計測現場では空気が安定した環境を維持することは困難であるので、光ファイバを用いてプローブレーザ光Ｐを伝送することにより、プローブレーザ光Ｐが空気中を進行する区間を、試料６の表面における光プロセス対象箇所上方のみに限定したものである。図７において、図１と同じ構成要素については、同じ参照番号を付して、その説明が省略される。

図７において、パルスレーザ装置１は、ＹＡＧレーザを内蔵し、当該ＹＡＧレーザから発振されたパルスレーザ光Ｌをライトガイドファイババンドル２２の入射端面に導入する。このライトガイドファイババンドル２２の射出端面には、パルスレーザ鏡筒２３が接続されており、当該射出端面から射出されたパルスレーザ光Ｌは、当該パルスレーザ鏡筒２３内に保持された集光レンズ４によって、ステージ５上に設置された試料６の表面に集光される。

プローブレーザ装置７は、真円ビームをプローブレーザ光Ｐとして射出する発振波長６３５ｎｍの半導体レーザ素子，及び、当該プローブレーザ光Ｐを集光して光ファイバ１３の端面に入射させる光学系を備えている。光ファイバ１３は、単ファイバ又はファイババンドルであり、その出射端面には、プローブレーザ鏡筒１４が接続されている。

プローブレーザ鏡筒１４は、光ファイバ１３の出射端面からそのＮＡに応じた発散角をもって出射されたプローブレーザ光Ｐを平行光に変換するコリメータレンズ２５と、コリメータレンズ２５から平行光として射出されたプローブレーザ光のビーム径を拡大又は縮小するビームエキスパンダ２６とからなる第１の光学系を、内蔵している。これらコリメータレンズ２５及びビームエキスパンダ２６の光軸は、その後方において光ファイバ１３の中心を通り、その前方においてステージの上面（従って、試料６の表面）と平行に進み、パルスレーザ光Ｌのビーム軸に直交する。

当該光軸におけるパルスレーザ光Ｌのビーム軸との交差点（上記Ａ地点）の後方には、受光鏡筒１５が配置されている。この受光鏡筒１５内には、上記コリメータレンズ２５及びビームエキスパンダ２６と同軸に、フーリエ変換レンズ２４が内蔵されている。このフーリエ変換レンズ２４は、プローブレーザ光Ｐの基本波及び微弱回折光を、夫々、焦点面上に収束させる光学系である。この焦点面には、プローブレーザ光Ｐの基本波のスポットを中心としてX方向における両側に夫々オフセットして微弱回折光のスポットが形成される。そして、受光鏡筒１５内における当該焦点面に相当する位置には、偏波保存光ファイバ１６の入射端面が配置されている。

偏波保存光ファイバ１６は、その入射端面に投影された基本波と微弱回折光を、その射出端面に伝送する。この偏波保存光ファイバ１６の射出端面には、対物鏡筒１７が接続されている。

この対物鏡筒１７内における偏波保存光ファイバ１６の射出端面の後方には、当該射出端面における各点から射出された光束を平行光束に変換（光学的逆フーリエ変換）するコリメータレンズ２７，当該コリメータレンズ２７から夫々平行光として射出された基本波及び微弱回折光を空間的に分離（光学的フーリエ変換）して別々の位置に夫々結像させるフーリエ変換レンズ２８，及びリレーレンズ２９が、内蔵されている。これらレンズ２７〜２９を介して偏波保存光ファイバ１６の射出端面と共役となる面における、各レンズ２７〜２９の光軸近傍（即ち、プローブレーザ光Ｐの基本波が入射する領域）からX方向にオフセットした位置（即ち、微弱回折光が入射する領域）には、光検出器１０の受光面が配置されている。以上に説明したフーリエ変換レンズ２４，偏波保存光ファイバ１６，コリメータレンズ２７，フーリエ変換レンズ２８及びリレーレンズ２９が、第２の光学系に相当し、光検出器１０が、受光した光をその強度に比例した大きさの電気信号（信号電圧Ｖ）に変換する光電変換器に相当する。

以上のような構成を有する本実施例の動作は以下の通りである。即ち、パルスレーザ１からパルスレーザ光Ｌが射出されて、集光レンズ２４を通じて試料６に照射されると、試料６表面近傍において発生した熱に起因し且つ試料６の表面温度に比例した振幅（周囲との温度差）を有する熱波が、プローブレーザ鏡筒１４から射出されたプローブレーザ光Ｐの光路を横切り、その振幅に応じた光量の微弱回折光を生じさせる。この微弱回折光は、受光装置１５内の受光光学系によってプローブレーザ光Ｐの基本波とともに偏波保存光ファイバ１６の入射端面に入射し、この偏波保存光ファイバ１６の射出端面まで伝送され、対物鏡筒１７内のレンズ２７〜２９によってリレーされて、光検出器１０によって受光される。光検出器１０は、受光した微弱回折光の光量に応じた信号電圧Ｖを出力して、信号処理回路１１を構成するピークホールド回路１８に入力される。

このピークホールド回路１８には、また、遅延回路２１からのトリガ信号が入力される。即ち、パルスレーザ１は、断続的にパルスレーザ光Ｌを射出する毎に、同時に、同期信号を遅延回路２１に入力する。この遅延回路２１は、同期信号が入力された後、パルスレーザ光Ｌが射出される時間幅よりも若干長い所定時間の経過を待って、上記トリガ信号を、ピークホールド回路１８に入力する。これにより、パルスレーザ光Ｌの散乱光に起因した成分が、信号電圧Ｖからマスクされる。ピークホールド回路１８は、遅延回路２１からトリガ信号が入力されてから、次のパルスが射出されるまでの間の所定時間の間に光検出器１０から入力される信号電圧Ｖをピークホールドする。さらに、ピークホールド回路１８は、信号電圧Ｖのピークホールド値を時間微分して、その微分値がゼロになった時点における信号電圧Ｖを、最大信号電圧Ｖとして、信号校正回路２０及び温度校正データ部１９に入力する。即ち、上述した光検出器１０及びピークホールド回路１８が、微弱回折光成分を受光して、その光量に比例した値の電気信号を出力する光検知手段に、相当する。

温度校正データ部１９は、パルスレーザ１，プローブレーザ７及びステージコントローラ１２を制御することにより、関係式Ｔ（x，Ｖ）を作成し、場合によっては、当該関係式Ｔ（x，Ｖ）に基づいて、更に、最大信号電圧Ｖ及び上記距離xの組合せと試料６の表面温度Ｔとの対応関係をリストアップした三次元テーブルを作成して、内部メモリに保存しておき（データ保持部に相当）、信号校正回路２０からの参照に応じる。これら関係式Ｔ（x，Ｖ）及び三次元テーブルが、電気信号の値と表面温度との対応関係を定義したデータに、相当する。以下、図８のフローチャートに基づいて、温度校正データ部１９による関係式Ｔ（x，Ｖ）の作成処理を説明する。

図８の処理は、オペレータが、ステージ５上に物性量が既知である試料６（例えば、結晶シリコン）を載置し、キーボードを操作して当該試料６の物性量（反射率，吸収係数，熱伝導率，熱容量，相転移に伴う潜熱）及び厚さの値と共に開始コマンドを温度校正データ部１９に入力することにより、スタートする。なお、初期状態においては、ステージコントローラ１２は、ステージ５の位置を最も低い位置（プローブレーザ光Ｐの光軸から離れた位置）に設定する。

スタート後最初のＳ０１では、温度校正データ部１９の中にある有限要素法によって定式化された上記熱伝導方程式に、入力された各物性量を代入し、パルスレーザ光Lの光エネルギー密度の設定を少しづつ変更しつつ、各光エネルギー密度の設定値毎に、結晶シリコン試料６の表面温度のピーク値Ｔ_maxを算出する。

次のＳ０２では、温度校正データ部１９は、Ｓ０１にて各光エネルギー密度毎に算出した表面温度のピーク値Ｔ_maxに基づいて、光エネルギー密度Ｅと表面温度のピーク値Ｔ_maxとの相関を示す関係式Ｔ_max（Ｅ）を求める。

次のＳ０３では、温度校正データ部１９は、オペレータによって入力されていた試料６の厚さの値及びステージコントローラ１２によるステージ５の高さの設定値に基づいて、試料６の表面からプローブレーザ光Ｐのビーム軸までの距離xを算出する。

次のＳ０４では、温度校正データ部１９は、プローブレーザ７を制御してプローブレーザ光Ｐを発振させるとともに、パルスレーザ装置１を制御して、一回のパルス毎に、光エネルギー密度Ｅの設定値を最小値から最大値に向かって所定値づつ上げつつ、パルスレーザ光Ｌを断続的に発振させる。

次のＳ０５では、温度校正データ部２０は、各パルス毎の、ピークホールド回路１８から入力される最大信号電圧ＶとＳ０４にて設定した光エネルギー密度の設定値とのあらゆる組合せを、Ｓ０３にて算出した距離xに関連付けて、内部メモリに一時記憶する。

次のＳ０６では、温度校正データ部２０は、ステージコントローラ１２を制御して、ステージ５を所定量だけ上昇させて、距離xを変更させる。

次のＳ０７では、温度校正データ部２は、ステージ５が最も高い位置まで移動したことにより距離xの変更が完了したかどうかをチェックする。そして、未だ距離xの変更が完了していないと判断した場合には、温度校正データ部２０は、処理をＳ０３に戻す。

これに対して、距離xの変更が完了したと判断した場合には、温度校正データ部２は、Ｓ０８において、各x毎にＳ０５にて一時記憶した、ピークホールド回路１８から入力される最大信号電圧ＶとＳ０４にて設定した光エネルギー密度の設定値とのあらゆる組合せに基づいて、光エネルギー密度Ｅと距離x及び最大信号電圧Ｖとの相関を示す関係式Ｖ（x，Ｅ）を求める。

次のＳ０９では、温度校正データ部２０は、Ｓ０２にて求めた関係式Ｔ_max（Ｅ）及び関係式Ｖ（x，Ｅ）を融合させて、変換式Ｔ（x，Ｖ）を求める。

次のＳ１０では、温度校正データ部２０は、Ｓ１９にて得た変換式Ｔ（x，Ｖ）を、内部メモリに記憶する。以上により、実際の光プロセス対象の資料６に対する温度計測の準備が完了したので、温度校正データ部２０は、以後、信号構成回路２０からの要求に応じて、内部メモリに記憶している変換式Ｔ（x，Ｖ）を応答する。なお、温度校正データ部２０は、上述したように求めた変換式Ｔ（x，Ｖ）に対して様々な距離x及び最大信号電圧Ｖの組み合わせを代入して温度Tを算出し、その算出結果たる温度Tを距離x及び最大信号電圧Ｖに対応付けた三次元テーブルを作成して、変換式Ｔ（x，Ｖ）の代わりに、内部メモリに記憶していても良い。その場合、温度校正データ部１９は、信号構成回路２０から距離x及び最大信号電圧Ｖを通知されると、これらに対応する温度Ｔを三次元テーブルから読み出して、信号構成回路２０に応答する。

信号校正回路２０は、パルスレーザ１及びプローブレーザ７の図示したコントローラと協働して、図９のフローチャートに示す処理を実行することにより、実際の光プロセス対象である試料６の表面温度を、計測する。図９に示す処理は、オペレータが、ステージ５上に光プロセス対象の試料６（物性量が既知である必要はない）を載置し、キーボードを操作して当該試料６の厚さと共に開始コマンドを信号校正回路２０に入力することにより、スタートする。

スタート後最初のＳ１１では、信号校正回路２０は、オペレータによって入力されていた試料６の厚さの値及びステージコントローラ１２によるステージ５の高さの設定値を読み込んで、試料６の表面からプローブレーザ光Ｐのビーム軸までの距離xを算出する。

次のＳ１２では、信号校正回路２０は、プローブレーザ装置７を制御してプローブレーザ光Ｐを発振させるとともに、パルスレーザ装置１を制御して、試料６の表面における光プロセス対象箇所にパルスレーザ光Ｌを照射させる。

次のＳ１３では、信号校正回路２０は、変換式Ｔ（x，Ｖ）を温度校正データ部１９に要求して、温度校正データ部１９から応答された変換式Ｔ（x，Ｖ）に、Ｓ１１にて算出した距離x及び処理時点でピークホールド回路１８から入力されている最大信号電圧Ｖを代入することにより、温度Ｔを算出する。温度校正データ部１９が上記三次元テーブルを保持している場合には、信号校正回路２０は、上記最大信号電圧Ｖ及び距離xを温度校正データ部１９に通知して、温度校正データ部１９から温度Ｔの通知を受ける。その上で、信号校正回路２０は、温度Ｔを示す資料温度測定値を図示せぬディスプレイに出力して、当該温度Ｔを表示させる。なお、この資料温度測定値は、パルスレーザ装置１によるパルスレーザ光Ｌの発振出力のフィードバック制御の為に用いられても良い。

次のＳ１４では、信号校正回路２０は、試料６に対する光プロセスが完了したかどうかをチェックする。そして、未だ光プロセスが完了していなければ、信号校正回路２０は、処理をＳ１２に戻す。これに対して、パルスレーザ光の発振がオペレータによって中断されることによって光プロセスが終了した場合には、信号校正回路２０は、全処理を終了する。

（作用）
以上のように構成された本実施形態によると、光プロセスに用いられるレーザ光がＣＷレーザ光ではなくパルスレーザ光Ｌであるので、その照射時と中断時とで試料６の表面温度が大きく相違する。そのため、中断後にパルスレーザ光Ｌが照射されると、試料表面の温度が急激に上昇して周囲温度との間に温度差を生じるので、振幅（周囲温度との差）の初期値が試料６の表面温度に比例する熱波を生じ、この熱波が所定の伝搬速度をもって試料６の表面に接する空気中を伝搬していく。この熱波が伝搬していく空間にはＣＷレーザであるプローブレーザ光Ｐが横切っており、その媒質である空気に熱波が伝搬すると、その屈折率の変動に因って、熱波の振幅に比例した光量の微弱回折光を生じる。この微弱回折光の光量は、受光光学系９（フーリエ変換レンズ１５，コリメータレンズ２７，フーリエ変換レンズ２８及びリレーレンズ１９）及び光検出器１０によって検知され、信号電圧Ｖに変換される。ピークホールド回路１８によって検出された最大信号電圧Ｖは、上記プローブレーザ光Ｐの光路を横切る熱波の振幅に比例するところ、熱波の振幅は、試料６の表面温度に比例するとともに、試料６の表面からの距離xの三乗に反比例する。温度校正データ部１９が保持している関係式Ｔ（x，Ｖ）は、この依存関係を定義したものである。そのため、信号校正回路２０は、ピークホールド回路１８から入力された最大信号電圧Ｖ及び自ら算出した試料６の表面からプローブレーザ光Ｐのビーム軸までの距離xを当該関係式Ｔ（x，Ｖ）に代入することにより、距離xの影響を捨象して、試料６の表面における各パルス照射毎の最大温度Ｔ_maxを算出することができるのである。

なお、上記関係式Ｔ（x，Ｖ）は、物性量如何に依らず凡そパルスレーザ光が照射された場合における固体の表面温度の経時変動は同様であるとの知見に基づき、物理量が未知である物質に対しても適用が可能になったものである。従って、計測対象の試料６に対して実際に温度センサを接触させなくても、また、当該試料６の物性量を測定して熱伝導方程式を解かなくても、既知物質に対する熱伝導方程式の計算結果から求められた具体的温度を、当該試料６の表面温度として、合理的に提示できるのである。

１ パルスレーザ装置
５ ステージ
６ 試料
７ プローブレーザ装置
８ コリメータレンズ
９ 受光光学系
１０ 光検出器
１１ 信号処理回路
１２ ステージコントローラ
１８ ピークホールド回路
１９ 温度校正データ部
２０ 信号校正回路

Claims (7)

1. パルスレーザ光を照射されることによって光加熱された固体の表面温度を計測するための計測装置であって、
   検知用レーザ光を連続発振するプローブレーザ装置と、
   前記プローブレーザ装置から発振された検知用レーザ光を、前記固体の表面における前記パルスレーザ光が照射される箇所に近接した空気中を平行ビームとして進行するように導く第１の光学系と、
   前記固体の表面における前記パルスレーザ光が照射される箇所に近接した空気中を通過した前記検査用レーザ光に対して光学的フーリエ変換を施し、微弱回折光成分と基本波成分を集光する第２の光学系と、
   前記第２の光学系によって基本波と微弱回折光成分を受光して、その光量に比例した値の電気信号を出力する光検知手段と、
   前記電気信号の値と前記表面温度との対応関係を定義したデータを保持するデータ保持部と、
   前記光検知手段から出力された電気信号の値を前記データに当てはめて、対応する温度を求める処理部と
   を備えることを特徴とする光加熱による固体表面温度の計測装置。
2. 前記固体の表面における前記パルスレーザ光が照射される箇所と前記検知用レーザ光との間の距離を示す数値を取得する距離取得手段を更に備えるとともに、
   前記データは、前記電気信号の値及び前記距離を示す数値と前記表面温度との対応関係を定義したものであり、
   前記処理部は、前記距離取得手段によって取得された距離を示す数値及び前記光検知手段から出力された電気信号の値を前記データに当てはめて、対応する温度を求める
   ことを特徴とする請求項１記載の光加熱による固体表面温度の計測装置。
3. 前記データは、前記電気信号の値及び前記距離を示す数値を変数とする関数として前記表面温度を定義した式である
   ことを特徴とする請求項２記載の光加熱による固体表面温度の計測装置。
4. 前記光検知手段は、受光した光をその強度に比例した大きさの電気信号に変換する光電変換器と、前記パルスレーザ光が照射される周期毎に、前記光電変換器によって変換された電気信号の最大値を前記処理部に対して出力するピークホールド回路とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の光加熱による固体表面温度の計測装置。
5. 前記ピークホールド回路は、前記パルスレーザ光が照射されている間に前記光電変換器によって変換された電気信号を除き、それ以外の期間内に前記光電変換器によって変換された電気信号の最大値を前記処理部に対して出力する
   ことを特徴とする請求項４記載の光加熱による固体表面温度の計測装置。
6. 前記データは、物性量が既知である試料に対して任意の光密度のパルスレーザ光を照射した場合において熱伝導方程式を解くことによって計算上求められた表面温度と前記光検知手段から出力された電気信号の値との組合わせに基づいて定義されたものである
   ことを特徴とする請求項１記載の光加熱による固体表面温度の計測装置。
7. パルスレーザ光を照射されることによって光加熱された固体の表面温度の計測方法であって、
   連続発振された検知用レーザ光を、前記固体の表面における前記パルスレーザ光が照射される箇所に近接した空気中を平行ビームとして進行するように導き、
   前記固体の表面における前記パルスレーザ光が照射される箇所に近接した空気中を通過した前記検査用レーザ光に対して光学的フーリエ変換を施し、微弱回折光成分を基本波から空間的に分離し、
   前記基本波から空間的に分離された前記微弱回折光成分を受光して、その光量に比例した値の電気信号に変換し、
   前記電気信号の値と前記表面温度との対応関係を定義したデータを参照し、前記電気信号の値を前記データに当てはめて、対応する温度を求める
   ことを特徴とする光加熱による固体表面温度の計測方法。

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