JP2659429B2 - 光音響信号検出方法及びその装置並びに半導体素子内部欠陥検出方法 - Google Patents
光音響信号検出方法及びその装置並びに半導体素子内部欠陥検出方法Info
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- JP2659429B2 JP2659429B2 JP1063604A JP6360489A JP2659429B2 JP 2659429 B2 JP2659429 B2 JP 2659429B2 JP 1063604 A JP1063604 A JP 1063604A JP 6360489 A JP6360489 A JP 6360489A JP 2659429 B2 JP2659429 B2 JP 2659429B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光音響効果（Photoacoustic Effect）を利
用して、試料の表面及び内部情報を検出する光音響信号
検出方法及びその装置並びに半導体素子内部欠陥検出方
法に関する。
用して、試料の表面及び内部情報を検出する光音響信号
検出方法及びその装置並びに半導体素子内部欠陥検出方
法に関する。
光音響効果は、1881年チンダル（Tyndall）、ベル（B
ell）、レントゲン（Rontogen）らによって発見され
た。すなわち、第23図に示すように、強度変調した光
（断続光）19をレンズ５により、試料７上に集光して照
射すると、光吸収領域Vop21において熱が発生し、熱拡
散長μs22で与えられる熱拡散領域Vth23を周期的に拡散
し、この熱歪波によって表面弾性波（超音波）が発生す
る現象である。この超音波すなわち光音響信号をマイク
ロホン（音響電気変換器）や圧電素子あるいは光干渉計
を用いて検出し、入射光の変調周波数と同期した信号成
分を求めることにより、試表の表面及び内部の情報を得
ることができる。上記光音響信号の検出方式に関して
は、例えば、文献「非破壊検査；第36巻第10号,p.730〜
p.736（昭和62年10月）」や「アイ・イー・イー・イー,
1986ウルトラソニックス シンポジウムp.515〜526（19
86年）（IEEE;1986ULTRA SONICS SYMPOSIUM−p.515〜52
6（1986）」において論じられている。その一例を第22
図に基づいて説明する。レーザ１から出射した平行光を
音響光学変調素子（AO変調器）２により強度変調し、そ
の断続光をビームエキスパンダ３により所望のビーム径
に拡大した後、ハーフミラー４で反射させ、レンズ５に
より、XYステージ６上の試料７の表面に集光させる。試
料７上の集光部21において生じた熱歪波により、超音波
が発生し、同時に試料表面に微小変位が生じる。この微
小変位を以下に述べるマイケルソン干渉計で検出する。
レーザ８から出射した平行光をビームエキスパンダ９に
より所望のビーム径に拡大した後、ハーフミラー10で２
つの光路に分離し、一方はレンズ５により試料７上の集
光部21に集光させる。他方は参照ミラー11上に照射させ
る。試料７からの反射光と参照ミラー11からの反射光
は、ハーフミラー10上で互いに干渉し、この干渉パター
ンがレンズ12により、ホトダイオード等の光電変換素子
13上に集光される。光電変換された干渉強度信号はプリ
アンプ14で増幅された後、ロックインアンプ16に送られ
る。ロックアンプ16では、音響光学変調素子２の駆動に
用いる発振器15からの変調周波数信号を参照信号とし
て、干渉強度信号に含まれる変調周波数成分のみが抽出
される。この周波数成分がその周波数に応じた試料の表
面あるいは内部の情報をもつ。変調周波数を変えること
により、熱拡散長μs21を変えることができ、試料の深
さ方向の情報を得ることができる。熱拡散領域Vth23内
にクラック等の欠陥があれば、干渉強度信号中の変調周
波数成分に信号変化が現れ、その存在を知ることができ
る。XYステージ移動信号とロックインアンプ16からの出
力信号は計算機17で処理され、試料上の各点における光
音響信号がモニタTV等の表示器18に画像情報として出力
される。
ell）、レントゲン（Rontogen）らによって発見され
た。すなわち、第23図に示すように、強度変調した光
（断続光）19をレンズ５により、試料７上に集光して照
射すると、光吸収領域Vop21において熱が発生し、熱拡
散長μs22で与えられる熱拡散領域Vth23を周期的に拡散
し、この熱歪波によって表面弾性波（超音波）が発生す
る現象である。この超音波すなわち光音響信号をマイク
ロホン（音響電気変換器）や圧電素子あるいは光干渉計
を用いて検出し、入射光の変調周波数と同期した信号成
分を求めることにより、試表の表面及び内部の情報を得
ることができる。上記光音響信号の検出方式に関して
は、例えば、文献「非破壊検査；第36巻第10号,p.730〜
p.736（昭和62年10月）」や「アイ・イー・イー・イー,
1986ウルトラソニックス シンポジウムp.515〜526（19
86年）（IEEE;1986ULTRA SONICS SYMPOSIUM−p.515〜52
6（1986）」において論じられている。その一例を第22
図に基づいて説明する。レーザ１から出射した平行光を
音響光学変調素子（AO変調器）２により強度変調し、そ
の断続光をビームエキスパンダ３により所望のビーム径
に拡大した後、ハーフミラー４で反射させ、レンズ５に
より、XYステージ６上の試料７の表面に集光させる。試
料７上の集光部21において生じた熱歪波により、超音波
が発生し、同時に試料表面に微小変位が生じる。この微
小変位を以下に述べるマイケルソン干渉計で検出する。
レーザ８から出射した平行光をビームエキスパンダ９に
より所望のビーム径に拡大した後、ハーフミラー10で２
つの光路に分離し、一方はレンズ５により試料７上の集
光部21に集光させる。他方は参照ミラー11上に照射させ
る。試料７からの反射光と参照ミラー11からの反射光
は、ハーフミラー10上で互いに干渉し、この干渉パター
ンがレンズ12により、ホトダイオード等の光電変換素子
13上に集光される。光電変換された干渉強度信号はプリ
アンプ14で増幅された後、ロックインアンプ16に送られ
る。ロックアンプ16では、音響光学変調素子２の駆動に
用いる発振器15からの変調周波数信号を参照信号とし
て、干渉強度信号に含まれる変調周波数成分のみが抽出
される。この周波数成分がその周波数に応じた試料の表
面あるいは内部の情報をもつ。変調周波数を変えること
により、熱拡散長μs21を変えることができ、試料の深
さ方向の情報を得ることができる。熱拡散領域Vth23内
にクラック等の欠陥があれば、干渉強度信号中の変調周
波数成分に信号変化が現れ、その存在を知ることができ
る。XYステージ移動信号とロックインアンプ16からの出
力信号は計算機17で処理され、試料上の各点における光
音響信号がモニタTV等の表示器18に画像情報として出力
される。
上記従来技術は、非接触・非破壊で光音響信号を検出
できる極めて有効な手段であるが、以下のような課題を
もっている。
できる極めて有効な手段であるが、以下のような課題を
もっている。
光音響信号の横方向分解能と深さ方向分解能は、光吸
収領域Vop21すなわちレーザ光のスポット径が、熱拡散
領域Vth23よりも小さい場合には、熱拡散長μs22で与え
られる。このμｓは（１）式で定義される。
収領域Vop21すなわちレーザ光のスポット径が、熱拡散
領域Vth23よりも小さい場合には、熱拡散長μs22で与え
られる。このμｓは（１）式で定義される。
但し、k:試料の熱伝導率 ρ：密度 c:比熱 f:レーザの強度変調周波数 例えば、ｆ＝10kHzのとき、SiやAlはμｓ〜50μｍで
あり、SiO2はμｓ〜５μｍ程度である、 今、ある変調周波数で第24図（ａ）に示すような熱拡
散領域Vth23aが与えられているとき、横方向分解能と深
さ方向分解能は各々μSD≒μＳ、μSH2≒μｓで与えら
れる。試料のより深い位置の内部情報を得るには、
（１）式より変調周波数ｆを小さくし、第24図（ｂ）に
示すように熱拡散長μｓを大きくする必要がある。しか
し、その結果、図に示すように横方向分解能μSHと深さ
方向分解能μSDが低下してしまう。すなわち、従来技術
においては、深さ方向の情報を得るためにレーザの変調
周波数ｆを変え熱拡散長μｓを変えることにより、横方
向及び深さ方向の分解能が変化してしまうという課題が
ある。特に、より深い情報を得るためには熱拡散長μｓ
を大きくし、分解能を低下させなければならず、現状で
はμｍオーダの微細構造をもつ試料の内部情報の検出は
極めて困難である。
あり、SiO2はμｓ〜５μｍ程度である、 今、ある変調周波数で第24図（ａ）に示すような熱拡
散領域Vth23aが与えられているとき、横方向分解能と深
さ方向分解能は各々μSD≒μＳ、μSH2≒μｓで与えら
れる。試料のより深い位置の内部情報を得るには、
（１）式より変調周波数ｆを小さくし、第24図（ｂ）に
示すように熱拡散長μｓを大きくする必要がある。しか
し、その結果、図に示すように横方向分解能μSHと深さ
方向分解能μSDが低下してしまう。すなわち、従来技術
においては、深さ方向の情報を得るためにレーザの変調
周波数ｆを変え熱拡散長μｓを変えることにより、横方
向及び深さ方向の分解能が変化してしまうという課題が
ある。特に、より深い情報を得るためには熱拡散長μｓ
を大きくし、分解能を低下させなければならず、現状で
はμｍオーダの微細構造をもつ試料の内部情報の検出は
極めて困難である。
本発明の目的は、試料の様々な深さの内部情報を、光
音響効果によって安定して検出できるようにした光音響
信号検出方法及びその装置を提供することにある。
音響効果によって安定して検出できるようにした光音響
信号検出方法及びその装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、半導体素子の深さの内部情報を
光音響効果によって検出し、半導体素子内部の欠陥を検
出できるようにした半導体素子内部欠陥検出方法。
光音響効果によって検出し、半導体素子内部の欠陥を検
出できるようにした半導体素子内部欠陥検出方法。
上記目的を達成するため、本発明は、第１の光源と、
該光源からの光を所望の周波数で強度変調する変調手段
と、該強度変調された光を試料（例えば半導体素子）上
に集光する集光手段と、試料内で発生した光音響効果を
検出する検出手段と、該検出信号から試料の表面及び内
部情報を抽出する情報抽出手段から成る光音響信号検出
装置において、上記第１の光源からの光を試料を透過す
る波長の光とし、かつ集光された光スポットを、試料内
部において試料の深さ方向に走査することにより、光音
響信号の横方向及び深さ方向の分解能を低下させること
なく、試料の任意深さ位置の内部情報を安定に検出可能
としたものである。
該光源からの光を所望の周波数で強度変調する変調手段
と、該強度変調された光を試料（例えば半導体素子）上
に集光する集光手段と、試料内で発生した光音響効果を
検出する検出手段と、該検出信号から試料の表面及び内
部情報を抽出する情報抽出手段から成る光音響信号検出
装置において、上記第１の光源からの光を試料を透過す
る波長の光とし、かつ集光された光スポットを、試料内
部において試料の深さ方向に走査することにより、光音
響信号の横方向及び深さ方向の分解能を低下させること
なく、試料の任意深さ位置の内部情報を安定に検出可能
としたものである。
また、上記目的を達成するため、本発明は、光干渉を
利用して光音響信号を検出する光干渉検出手段と、該光
干渉検出手段において、干渉光を得るために試料表面に
入射した第２の光源からの光が、試料表面上で常に最小
の大きさの光スポットとして集光し、かつ試料表面から
の反射光が、光電変換素子上で常に最小の大きさの光ス
ポットとして集光するよう、集光位置制御手段を設ける
ことにより、光音響信号のより安定な検出を可能とした
ものである。
利用して光音響信号を検出する光干渉検出手段と、該光
干渉検出手段において、干渉光を得るために試料表面に
入射した第２の光源からの光が、試料表面上で常に最小
の大きさの光スポットとして集光し、かつ試料表面から
の反射光が、光電変換素子上で常に最小の大きさの光ス
ポットとして集光するよう、集光位置制御手段を設ける
ことにより、光音響信号のより安定な検出を可能とした
ものである。
また、上記目的を達成するため、第１の光源からの光
を赤外光とし、かつ強度変調された光を試料上に集光す
る集光手段及び光干渉を利用して光音響効果を検出する
光干渉検出手段を共焦点光学系として構成することによ
り、光音響信号の横方向分解能と検出感度の向上及び表
面に凹凸のある例えば半導体素子への適用を可能とした
ものである。
を赤外光とし、かつ強度変調された光を試料上に集光す
る集光手段及び光干渉を利用して光音響効果を検出する
光干渉検出手段を共焦点光学系として構成することによ
り、光音響信号の横方向分解能と検出感度の向上及び表
面に凹凸のある例えば半導体素子への適用を可能とした
ものである。
光音響信号検出装置において、第１の光源からの光を
試料の透過する波長の光とすることにより、その集光ス
ポットを試料（例えば半導体素子）内部において、深さ
方向に走査することが可能となり、横方向及び深さ方向
の分解能を低下させることなく、試料の任意深さ位置の
内部情報を安定に検出できる。
試料の透過する波長の光とすることにより、その集光ス
ポットを試料（例えば半導体素子）内部において、深さ
方向に走査することが可能となり、横方向及び深さ方向
の分解能を低下させることなく、試料の任意深さ位置の
内部情報を安定に検出できる。
また、光音響効果を検出する手段として、光干渉を利
用する光干渉検出手段を採用し、試料表面へ入射した第
２の光源からの光が、試料表面上で常に最小の光スポッ
トとして集光し、かつ試料表面からの反射光が、光電変
換素子上で常に最小の光スポットとして集光するよう、
集光位置を制御することにより、光音響信号が常に安定
に検出できる。
用する光干渉検出手段を採用し、試料表面へ入射した第
２の光源からの光が、試料表面上で常に最小の光スポッ
トとして集光し、かつ試料表面からの反射光が、光電変
換素子上で常に最小の光スポットとして集光するよう、
集光位置を制御することにより、光音響信号が常に安定
に検出できる。
また、第１の光源からの光を赤外光とし、かつその集
光手段及び光干渉検出手段を共焦点光学系として構成す
ることにより、不要な高次回折光成分が除去された理想
的なピーク部を有するスポット光を形成することが可能
となり、光音響信号の横方向分解能と検出感度の向上及
び表面に凹凸のある試料への適用が可能となる。
光手段及び光干渉検出手段を共焦点光学系として構成す
ることにより、不要な高次回折光成分が除去された理想
的なピーク部を有するスポット光を形成することが可能
となり、光音響信号の横方向分解能と検出感度の向上及
び表面に凹凸のある試料への適用が可能となる。
また本発明の構成により半導体素子の内部欠陥（配線
の断線や、クラック等）を光音響効果により検出するこ
とができる。
の断線や、クラック等）を光音響効果により検出するこ
とができる。
本発明の実施例を説明する前に、その基本原理を、第
１図に基づいて説明する。本発明では、試料中に熱歪波
及び超音波を発生させるための励起光として試料例えば
半導体素子を透過できる波長の光を用いる。そして、所
望の分解能が得られる熱拡散長となるよう励起光の変調
周波数を設定した後、第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）に
示すように、変調周波数を変えることなく励起光の集光
スポット（光吸収領域）位置27を深さ方向に走査する。
以上の原理によれば、従来技術のように横方向及び深さ
方向の分解能を低下させることなく、試料の任意深さ位
置の内部情報を、安定に検出することができる。この時
の横方向及び深さ方向の分解能は共にμSBと一定であ
る。
１図に基づいて説明する。本発明では、試料中に熱歪波
及び超音波を発生させるための励起光として試料例えば
半導体素子を透過できる波長の光を用いる。そして、所
望の分解能が得られる熱拡散長となるよう励起光の変調
周波数を設定した後、第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）に
示すように、変調周波数を変えることなく励起光の集光
スポット（光吸収領域）位置27を深さ方向に走査する。
以上の原理によれば、従来技術のように横方向及び深さ
方向の分解能を低下させることなく、試料の任意深さ位
置の内部情報を、安定に検出することができる。この時
の横方向及び深さ方向の分解能は共にμSBと一定であ
る。
以下、本発明の第１の実施例を第２図〜第10図に基づ
いて説明する。第２図は、本発明の第１の実施例におけ
る光音響検出光学系を示すものである。本光学系は、光
音響効果を生じさせるためのHe−Ne赤外レーザ（波長1.
2μｍ）31を光源とする変調レーザ照射光学系510、光音
響信号を検出するためのマイケルソン干渉光学系520、
自動焦点用レーザ照射光学系530、自動焦点光学系540及
び信号処理系550から成る。変調レーザ照射光学系510に
おいて、He−Ne赤外レーザ31から出射した平行光を音響
光学変調素子32により、所望の周波数で強度変調し、そ
の断続光をビームエキスパンダ33により所望のビーム径
に拡大した後、レンズ34によりその後側焦点位置90に集
光させる。焦点位置90にはピンホール35が設置されてお
り、第３図に示すように、集光スポットのピーク部100
の周辺に存在する高次回析光成分101a及び101bを遮光す
る。その結果、ピンホール35通過直後の光強度分布は第
４図に示すように、ピーク部100だけとなる。焦点位置9
0はレンズ36の前側焦点位置となっているもので、ピン
ホール35通過後の光束は、レンズ36通過後平行光とな
る。この平行光はダイクロイックミラー37（波長１μｍ
以上は反射、１μｍ以下は透過）で反射された後、対物
レンズ38によりその前側焦点位置91に集光され、第４図
に示すと同様の光強度分布をもつスポットとなる。すな
わち、レンズ36の前側焦点位置90と対物レンズ38の前側
焦点位置91とは共役であると同時に共焦点の関係にあ
る。また、本実施例ではその大きな特徴として、試料42
を搭載したＺステージ41を走査することにより、第１図
に示すように対物レンズ38の前側焦点位置91すなわちHe
−Ne赤外レーザ光の集光スポットを試料42の内部におい
て試料42の深さ方向に走査する。その具体的方法につい
ては後述する。試料42表面あるいは試料42内部の集光ス
ポット位置91（対物レンズ38の前側焦点位置）において
光音響効果により生じた熱歪波により、超音波が発生
し、同時に試料42表面に微小変位が生じる。
いて説明する。第２図は、本発明の第１の実施例におけ
る光音響検出光学系を示すものである。本光学系は、光
音響効果を生じさせるためのHe−Ne赤外レーザ（波長1.
2μｍ）31を光源とする変調レーザ照射光学系510、光音
響信号を検出するためのマイケルソン干渉光学系520、
自動焦点用レーザ照射光学系530、自動焦点光学系540及
び信号処理系550から成る。変調レーザ照射光学系510に
おいて、He−Ne赤外レーザ31から出射した平行光を音響
光学変調素子32により、所望の周波数で強度変調し、そ
の断続光をビームエキスパンダ33により所望のビーム径
に拡大した後、レンズ34によりその後側焦点位置90に集
光させる。焦点位置90にはピンホール35が設置されてお
り、第３図に示すように、集光スポットのピーク部100
の周辺に存在する高次回析光成分101a及び101bを遮光す
る。その結果、ピンホール35通過直後の光強度分布は第
４図に示すように、ピーク部100だけとなる。焦点位置9
0はレンズ36の前側焦点位置となっているもので、ピン
ホール35通過後の光束は、レンズ36通過後平行光とな
る。この平行光はダイクロイックミラー37（波長１μｍ
以上は反射、１μｍ以下は透過）で反射された後、対物
レンズ38によりその前側焦点位置91に集光され、第４図
に示すと同様の光強度分布をもつスポットとなる。すな
わち、レンズ36の前側焦点位置90と対物レンズ38の前側
焦点位置91とは共役であると同時に共焦点の関係にあ
る。また、本実施例ではその大きな特徴として、試料42
を搭載したＺステージ41を走査することにより、第１図
に示すように対物レンズ38の前側焦点位置91すなわちHe
−Ne赤外レーザ光の集光スポットを試料42の内部におい
て試料42の深さ方向に走査する。その具体的方法につい
ては後述する。試料42表面あるいは試料42内部の集光ス
ポット位置91（対物レンズ38の前側焦点位置）において
光音響効果により生じた熱歪波により、超音波が発生
し、同時に試料42表面に微小変位が生じる。
マイケルソン干渉光学系520において、Arレーザ（波
長0.525μｍ）43から出射した円偏光の平行光をビーム
エキスパンダ44により所望のビーム径に拡大した後、レ
ンズ45によりその後側焦点位置92に集光させる。焦点位
置92にはピンホール46が設置されており、第３図に示す
と同様にして、集光スポットのピーク部周辺の高次回析
光成分が遮光される。焦点位置92はレンズ49の前側焦点
位置となっており、ピンホール46通過後の光束はレンズ
49により平行光となる。この平行光は偏光ビームスプリ
ッタ50によりＰ偏光とＳ偏光に分離される。Ｐ偏光は偏
光ビームスプリッタ50を透過し、ダイクロイックミラー
70（波長0.6μｍ以下は透過、0.6μｍ以上は反射）、ビ
ームスプリッタ71（波長0.5〜0.7μｍにおいて透過率：
反射率＝7:3）、ダイクロイックミラー37、及びλ/4板5
5を通過した後、円偏光となり、対物レンズ38により、
試料42上の91の位置（対物レンズ38の前側焦点位置）に
集光され、第４図に示すと同様の光強度分布をもつスポ
ットとなる。一方、Ｓ偏光は偏光ビームスプリッタ50で
反射され、λ/4板51を通過した後円偏光となり、参照ミ
ラー52に入射する。試料42からの反射光は、試料42表面
で生じた微小変位を位相情報としてもっており、対物レ
ンズ38、λ/4板55を通過した後Ｓ偏光となり、偏光ビー
ムスプリッタ50で反射される。参照ミラー52からの反射
光はλ/4板51を通過した後Ｐ偏光となり、偏光ビームス
プリッタ50を透過する。第５図の110は試料42からの反
射光の偏光方向を、111は参照ミラー52からの反射光の
偏光方向を示している。両者は互いに直交しているの
で、このままでは干渉しない。しかし、偏光板56を光路
に挿入し、その偏光方向を第５図の112に示すように45
゜方向とすることにより両反射光は干渉する。この干渉
パターンには、試料42表面で生じた微小変位が光強度情
報として含まれており、これをレンズ57によりその後側
焦点位置93に集光し、ホトダイオード等の光電変換素子
63で検出する。また、後側焦点位置93にピンホール62を
設置することにより、対物レンズ38内で発生した迷光や
試料42を構成する透明薄膜内で発生した多重干渉成分や
あるいは試料42表面の微小な凹凸により発生した光次回
折光成分を遮光する。以上述べたように、このマイケル
ソン干渉光学系520において、レンズ49の前側焦点位置9
2、対物レンズ38の前側焦点位置91及びレンズ57の後側
焦点位置93とは共役であると同時に共焦点の関係にあ
る。光電変換された干渉強度信号はプリアンプ64で増幅
された後、ロックインアンプ81に送られる。ロックイン
アンプ81では、音響光学変調素子32の駆動に用いる発振
器80からの変調周波数信号を参照信号として、干渉強度
信号に含まれる変調周波数成分の振幅と変調周波数信号
に対する位相成分が抽出される。この周波数成分と位相
成分がその変調周波数で定義される熱拡散領域Vth内の
情報をもつ。従って、この熱拡散領域Vth内にクラック
等の欠陥があれば、干渉強度信号中の変調周波数成分の
振幅と位相が変化し、その存在を知ることができる。
長0.525μｍ）43から出射した円偏光の平行光をビーム
エキスパンダ44により所望のビーム径に拡大した後、レ
ンズ45によりその後側焦点位置92に集光させる。焦点位
置92にはピンホール46が設置されており、第３図に示す
と同様にして、集光スポットのピーク部周辺の高次回析
光成分が遮光される。焦点位置92はレンズ49の前側焦点
位置となっており、ピンホール46通過後の光束はレンズ
49により平行光となる。この平行光は偏光ビームスプリ
ッタ50によりＰ偏光とＳ偏光に分離される。Ｐ偏光は偏
光ビームスプリッタ50を透過し、ダイクロイックミラー
70（波長0.6μｍ以下は透過、0.6μｍ以上は反射）、ビ
ームスプリッタ71（波長0.5〜0.7μｍにおいて透過率：
反射率＝7:3）、ダイクロイックミラー37、及びλ/4板5
5を通過した後、円偏光となり、対物レンズ38により、
試料42上の91の位置（対物レンズ38の前側焦点位置）に
集光され、第４図に示すと同様の光強度分布をもつスポ
ットとなる。一方、Ｓ偏光は偏光ビームスプリッタ50で
反射され、λ/4板51を通過した後円偏光となり、参照ミ
ラー52に入射する。試料42からの反射光は、試料42表面
で生じた微小変位を位相情報としてもっており、対物レ
ンズ38、λ/4板55を通過した後Ｓ偏光となり、偏光ビー
ムスプリッタ50で反射される。参照ミラー52からの反射
光はλ/4板51を通過した後Ｐ偏光となり、偏光ビームス
プリッタ50を透過する。第５図の110は試料42からの反
射光の偏光方向を、111は参照ミラー52からの反射光の
偏光方向を示している。両者は互いに直交しているの
で、このままでは干渉しない。しかし、偏光板56を光路
に挿入し、その偏光方向を第５図の112に示すように45
゜方向とすることにより両反射光は干渉する。この干渉
パターンには、試料42表面で生じた微小変位が光強度情
報として含まれており、これをレンズ57によりその後側
焦点位置93に集光し、ホトダイオード等の光電変換素子
63で検出する。また、後側焦点位置93にピンホール62を
設置することにより、対物レンズ38内で発生した迷光や
試料42を構成する透明薄膜内で発生した多重干渉成分や
あるいは試料42表面の微小な凹凸により発生した光次回
折光成分を遮光する。以上述べたように、このマイケル
ソン干渉光学系520において、レンズ49の前側焦点位置9
2、対物レンズ38の前側焦点位置91及びレンズ57の後側
焦点位置93とは共役であると同時に共焦点の関係にあ
る。光電変換された干渉強度信号はプリアンプ64で増幅
された後、ロックインアンプ81に送られる。ロックイン
アンプ81では、音響光学変調素子32の駆動に用いる発振
器80からの変調周波数信号を参照信号として、干渉強度
信号に含まれる変調周波数成分の振幅と変調周波数信号
に対する位相成分が抽出される。この周波数成分と位相
成分がその変調周波数で定義される熱拡散領域Vth内の
情報をもつ。従って、この熱拡散領域Vth内にクラック
等の欠陥があれば、干渉強度信号中の変調周波数成分の
振幅と位相が変化し、その存在を知ることができる。
本実施例では、先に述べたように、試料42を搭載した
Ｚステージ41を走査することにより、第１図に示すよう
に、対物レンズ38の前側焦点位置91すなわちHe−Ne赤外
レーザ光の集光スポットを試料42の内部において、試料
42の深さ方向に走査する。一方、光音響効果により生じ
た試料42表面の微小変位を検出するためのマイケルソン
干渉光学系520中のArレーザ光の集光スポットは、Ｚス
テージ41の位置に関係なく、常に試料42表面上に集光し
ている必要がある。もし、そうでないならば、試料42表
面からの反射光は、ピンホール62の位置で完全に集光せ
ず、ピンホール62を通過する光量は大きく減少し、干渉
強度信号は極めて微弱となり、試料42の内部情報を得る
ことは困難となる。そこで、本実施例では、この現象を
逆に利用することにより、極めて高精度な自動焦点機能
を付加している。すなわち、自動焦点用レーザ照射光学
系530中のHe−Neレーザ（波長0.633μｍ）65から出射し
た平行光を、ビームエキスパンダ66により所望のビーム
径に拡大した後、レンズ67によりその後側焦点位置94に
集光させる。焦点位置94にはピンホール68が設置されて
おり、第３図に示すと同様にして、集光スポットのピー
ク部周辺の高次回折光成分が遮光される。焦点位置94は
レンズ69の前側焦点位置となっており、ピンホール68通
過後の光束はレンズ69により平行光となる。この平行光
はダイクロイックミラー70で反射され、ビームスプリッ
タ71及びダイクロイックミラー37通過後、対物レンズ38
により、試料42上の91の位置（対物レンズ38の前側焦点
位置）に集光され、第４図に示すと同様の光強度分布を
もつスポットとなる。試料42からの反射光は、対物レン
ズ38、ダイクロイックミラー37通過後、ビームスプリッ
タ71で反射され、自動焦点光学系540に導かれ、さらに
ビームスプリッタ72で２つのビームに分離される。各々
のビームは、レンズ73及び76により各後側焦点位置に集
光される。各光路にホトダイオード等の光電変換素子75
及び78を、またその直前にピンホール74及び77を設置す
る。ここで、ピンホール74はレンズ73の後側焦点位置よ
りもFaだけ後側に、またピンホール77はレンズ76の後側
焦点位置よりもFb（＝Fa）だけ前側に設置する。今、説
明を簡略化するため、対物レンズ38が、He−Ne赤外レー
ザ光（波長1.2μｍ）、He−Neレーザ光（波長0.633μ
ｍ）及びArレーザ光（波長0.515μｍ）に対して色収差
補正されており、各ビームが試料42の表面上に集光され
ているものとする。この時のＺステージの位置を基準位
置とする。第６図に示すように、Ｚステージが上昇し、
試料表面42Pが＋側に移動する（図中の破線）と、第７
図に破線で示すように、ピンホール74を通過する光量は
増加し、ピンホール77を通過する光量は減少する。第８
図は、Ｚステージの移動量と２つの光電変換素子75の出
力電流103及び78の出力電流104の関係を示したものであ
る。両出力電流を第２図の比較回路79で比較すれば、常
にＺステージの位置をモニタすることができる。
Ｚステージ41を走査することにより、第１図に示すよう
に、対物レンズ38の前側焦点位置91すなわちHe−Ne赤外
レーザ光の集光スポットを試料42の内部において、試料
42の深さ方向に走査する。一方、光音響効果により生じ
た試料42表面の微小変位を検出するためのマイケルソン
干渉光学系520中のArレーザ光の集光スポットは、Ｚス
テージ41の位置に関係なく、常に試料42表面上に集光し
ている必要がある。もし、そうでないならば、試料42表
面からの反射光は、ピンホール62の位置で完全に集光せ
ず、ピンホール62を通過する光量は大きく減少し、干渉
強度信号は極めて微弱となり、試料42の内部情報を得る
ことは困難となる。そこで、本実施例では、この現象を
逆に利用することにより、極めて高精度な自動焦点機能
を付加している。すなわち、自動焦点用レーザ照射光学
系530中のHe−Neレーザ（波長0.633μｍ）65から出射し
た平行光を、ビームエキスパンダ66により所望のビーム
径に拡大した後、レンズ67によりその後側焦点位置94に
集光させる。焦点位置94にはピンホール68が設置されて
おり、第３図に示すと同様にして、集光スポットのピー
ク部周辺の高次回折光成分が遮光される。焦点位置94は
レンズ69の前側焦点位置となっており、ピンホール68通
過後の光束はレンズ69により平行光となる。この平行光
はダイクロイックミラー70で反射され、ビームスプリッ
タ71及びダイクロイックミラー37通過後、対物レンズ38
により、試料42上の91の位置（対物レンズ38の前側焦点
位置）に集光され、第４図に示すと同様の光強度分布を
もつスポットとなる。試料42からの反射光は、対物レン
ズ38、ダイクロイックミラー37通過後、ビームスプリッ
タ71で反射され、自動焦点光学系540に導かれ、さらに
ビームスプリッタ72で２つのビームに分離される。各々
のビームは、レンズ73及び76により各後側焦点位置に集
光される。各光路にホトダイオード等の光電変換素子75
及び78を、またその直前にピンホール74及び77を設置す
る。ここで、ピンホール74はレンズ73の後側焦点位置よ
りもFaだけ後側に、またピンホール77はレンズ76の後側
焦点位置よりもFb（＝Fa）だけ前側に設置する。今、説
明を簡略化するため、対物レンズ38が、He−Ne赤外レー
ザ光（波長1.2μｍ）、He−Neレーザ光（波長0.633μ
ｍ）及びArレーザ光（波長0.515μｍ）に対して色収差
補正されており、各ビームが試料42の表面上に集光され
ているものとする。この時のＺステージの位置を基準位
置とする。第６図に示すように、Ｚステージが上昇し、
試料表面42Pが＋側に移動する（図中の破線）と、第７
図に破線で示すように、ピンホール74を通過する光量は
増加し、ピンホール77を通過する光量は減少する。第８
図は、Ｚステージの移動量と２つの光電変換素子75の出
力電流103及び78の出力電流104の関係を示したものであ
る。両出力電流を第２図の比較回路79で比較すれば、常
にＺステージの位置をモニタすることができる。
第９図は、比較回路79からのＺステージ移動信号によ
り、マイケルソン干渉光学系520のArレーザ43のビーム
集光位置及び試料表面42Pからの反射光の集光位置を各
々制御する方法を示したものである。同図（ａ）は、励
起光であるHe−Ne赤外レーザ31からのビーム140（破
線）とArレーザ43からのビーム141（実線）が、共に試
料表面42Pの91の位置に集光している状態を示したもの
である。一方、同図（ｂ）は、Ｚステージ41を上昇させ
ることにより、He−Ne赤外レーザ31のビーム140′の集
光スポットを試料42の内部で深さ方向に走査している様
子を示したものである。Ｚステージ41の上昇により、そ
のままの状態では、Arレーザ43からのビーム141は試料
表面42P上には集光しない。そこで、前述の自動焦点光
学系540の比較回路79からＺステージ移動量信号をPZT駆
動回路54に送り、Arレーザ43からのビーム141′が試料
表面42P上に集光するように、PZT素子53を駆動し、くさ
び形ガラス47を微動させる。同様に、PZT駆動回路61を
介してPZT素子60を駆動し、試料表面42Pからの反射光が
光電変換素子63の93の位置に集光するように、くさび形
ガラス59を微動させる。以上の動作により、Ｚステージ
41の移動にかかわらず、Arレーザ43からのビーム141′
を常に試料表面42P上に集光させると同時に、その反射
光も光電変換素子63上に集光させることが可能となる。
信号処理系550においては、Ｚステージ41、XYステージ4
0の移動信号及びロックインアンプ82からの出力信号
が、計算機82で処理され、試料42内部の３次元光音響像
がモニタTV等の表示器83に出力される。
り、マイケルソン干渉光学系520のArレーザ43のビーム
集光位置及び試料表面42Pからの反射光の集光位置を各
々制御する方法を示したものである。同図（ａ）は、励
起光であるHe−Ne赤外レーザ31からのビーム140（破
線）とArレーザ43からのビーム141（実線）が、共に試
料表面42Pの91の位置に集光している状態を示したもの
である。一方、同図（ｂ）は、Ｚステージ41を上昇させ
ることにより、He−Ne赤外レーザ31のビーム140′の集
光スポットを試料42の内部で深さ方向に走査している様
子を示したものである。Ｚステージ41の上昇により、そ
のままの状態では、Arレーザ43からのビーム141は試料
表面42P上には集光しない。そこで、前述の自動焦点光
学系540の比較回路79からＺステージ移動量信号をPZT駆
動回路54に送り、Arレーザ43からのビーム141′が試料
表面42P上に集光するように、PZT素子53を駆動し、くさ
び形ガラス47を微動させる。同様に、PZT駆動回路61を
介してPZT素子60を駆動し、試料表面42Pからの反射光が
光電変換素子63の93の位置に集光するように、くさび形
ガラス59を微動させる。以上の動作により、Ｚステージ
41の移動にかかわらず、Arレーザ43からのビーム141′
を常に試料表面42P上に集光させると同時に、その反射
光も光電変換素子63上に集光させることが可能となる。
信号処理系550においては、Ｚステージ41、XYステージ4
0の移動信号及びロックインアンプ82からの出力信号
が、計算機82で処理され、試料42内部の３次元光音響像
がモニタTV等の表示器83に出力される。
本実施例によれば、励起光として赤外光を用いること
により、Siのような可視光に対して不透明な試料の内部
において、その集光スポットを深さ方向に走査すること
と可能となり、横方向及び深さ方向の分解能を低下させ
ることなく、試料（例えば半導体素子）の任意深さ位置
の内部情報（内部欠陥）を安定に検出することができ
る。また、総ての光学系を共焦点光学系として構成する
ことにより、光音響信号の横方向分解能と検出感度を向
上させることができ、同時に多層膜中の多重干渉の影響
を低減することができる。また、共焦点光学系で構成し
た自動焦点光学系を付加し、試料表面の位置をモニタす
ると共に、マイケルソン干渉光学系のレーザ集光スポッ
ト位置を可変とすることにより、常に最小の大きさの集
光スポットを試料表面及び光電変換素子上に形成するこ
とが可能となり、光音響信号の安定検出が可能となる。
また、上記機能により、第10図に示すように、回路パタ
ーンの形成された半導体ウェハのように試料表面に凹凸
がある場合でも、常に安定にレーザ光を試料表面に集光
することができる。
により、Siのような可視光に対して不透明な試料の内部
において、その集光スポットを深さ方向に走査すること
と可能となり、横方向及び深さ方向の分解能を低下させ
ることなく、試料（例えば半導体素子）の任意深さ位置
の内部情報（内部欠陥）を安定に検出することができ
る。また、総ての光学系を共焦点光学系として構成する
ことにより、光音響信号の横方向分解能と検出感度を向
上させることができ、同時に多層膜中の多重干渉の影響
を低減することができる。また、共焦点光学系で構成し
た自動焦点光学系を付加し、試料表面の位置をモニタす
ると共に、マイケルソン干渉光学系のレーザ集光スポッ
ト位置を可変とすることにより、常に最小の大きさの集
光スポットを試料表面及び光電変換素子上に形成するこ
とが可能となり、光音響信号の安定検出が可能となる。
また、上記機能により、第10図に示すように、回路パタ
ーンの形成された半導体ウェハのように試料表面に凹凸
がある場合でも、常に安定にレーザ光を試料表面に集光
することができる。
本発明の第２の実施例を第11図〜第13図に基づいて説
明する。第11図は、第２の実施例における光音響検出光
学系を示すものである。本光学系は第１の実施例におけ
る光学系と同様、光音響効果を生じさせるためのHe−Ne
赤外レーザ（波長1.2μｍ）31を光源とする変調レーザ
照射光学系510、光音響信号を検出するためのマイケル
ソン干渉光学系520、自動焦点用レーザ照射光学系530、
自動焦点光学系540及び信号処理系550から成る。各光学
系の構成とその機能は第１の実施例と全く同じであるの
で説明は省略する。第１の実施例と異なる点は以下の通
りである。すなわち、第１の実施例では、励起光である
He−Ne赤外レーザ光の集光スポットを試料内部で走査す
る手段として、Ｚステージの走査を採用しているが、本
実施例では、対物レンズ38を光軸方向に微動させること
により、この機能を実現している。
明する。第11図は、第２の実施例における光音響検出光
学系を示すものである。本光学系は第１の実施例におけ
る光学系と同様、光音響効果を生じさせるためのHe−Ne
赤外レーザ（波長1.2μｍ）31を光源とする変調レーザ
照射光学系510、光音響信号を検出するためのマイケル
ソン干渉光学系520、自動焦点用レーザ照射光学系530、
自動焦点光学系540及び信号処理系550から成る。各光学
系の構成とその機能は第１の実施例と全く同じであるの
で説明は省略する。第１の実施例と異なる点は以下の通
りである。すなわち、第１の実施例では、励起光である
He−Ne赤外レーザ光の集光スポットを試料内部で走査す
る手段として、Ｚステージの走査を採用しているが、本
実施例では、対物レンズ38を光軸方向に微動させること
により、この機能を実現している。
第12図は、対物レンズ38の微動機構を示したものであ
る。対物レンズ38はホルダ130に固定され、さらに板バ
ネ131a、131bを介してホルダ120に保持されている。計
算機82からの微動信号により、PZT駆動回路121を介して
PZT素子133を駆動し、対物レンズ38を光軸方向に微動す
る。
る。対物レンズ38はホルダ130に固定され、さらに板バ
ネ131a、131bを介してホルダ120に保持されている。計
算機82からの微動信号により、PZT駆動回路121を介して
PZT素子133を駆動し、対物レンズ38を光軸方向に微動す
る。
第13図は、比較回路79からの対物レンズ移動信号によ
り、マイケルソン干渉光学系520のArレーザ43のビーム
集光位置及び試料表面42Pからの反射光の集光位置を各
々制御する方法を示したものである。同図（ａ）は、励
起光であるHe−Ne赤外レーザ31からのビーム160（破
線）とArレーザ43からのビーム161（実線）が、共に試
料表面42Pの91の位置に集光している状態を示したもの
である。一方、同図（ｂ）は、対物レンズ38を降下させ
ることにより、He−Ne赤外レーザ31のビーム160′の集
光スポットを試料42の内部で深さ方向に走査している様
子を示したものである。第１の実施例と同様、自動焦点
光学系540の比較回路79から対物レンズ移動量信号をPZS
駆動回路54に送り、Arレーザ43のビーム161′が試料表
面42p上に集光するように、PZT素子53を駆動し、くさび
形ガラス47を微動させる。同様に、PZT駆動回路61を介
してPZT素子60を駆動し、試料表面42pからの反射光が光
電変換素子63の93の位置に集光するように、くさび形ガ
ラス59を微動させる。以上の動作により、対物レンズ38
の微動にかかわらず、Arレーザ43のビーム161′を常に
試料表面42p上に集光させると同時に、その反射光も光
電変換素子63上の93の位置に集光させることが可能とな
る。
り、マイケルソン干渉光学系520のArレーザ43のビーム
集光位置及び試料表面42Pからの反射光の集光位置を各
々制御する方法を示したものである。同図（ａ）は、励
起光であるHe−Ne赤外レーザ31からのビーム160（破
線）とArレーザ43からのビーム161（実線）が、共に試
料表面42Pの91の位置に集光している状態を示したもの
である。一方、同図（ｂ）は、対物レンズ38を降下させ
ることにより、He−Ne赤外レーザ31のビーム160′の集
光スポットを試料42の内部で深さ方向に走査している様
子を示したものである。第１の実施例と同様、自動焦点
光学系540の比較回路79から対物レンズ移動量信号をPZS
駆動回路54に送り、Arレーザ43のビーム161′が試料表
面42p上に集光するように、PZT素子53を駆動し、くさび
形ガラス47を微動させる。同様に、PZT駆動回路61を介
してPZT素子60を駆動し、試料表面42pからの反射光が光
電変換素子63の93の位置に集光するように、くさび形ガ
ラス59を微動させる。以上の動作により、対物レンズ38
の微動にかかわらず、Arレーザ43のビーム161′を常に
試料表面42p上に集光させると同時に、その反射光も光
電変換素子63上の93の位置に集光させることが可能とな
る。
信号処理系550においては、対物レンズ38、XYステー
ジ40の移動信号及びロックインアンプ82からの出力信号
が、計算機82で処理され、試料42内部の３次元光音響像
がモニタTV等の表示器83に出力される。
ジ40の移動信号及びロックインアンプ82からの出力信号
が、計算機82で処理され、試料42内部の３次元光音響像
がモニタTV等の表示器83に出力される。
本実施例によれば、第１の実施例と全く同様の効果が
得られる。
得られる。
本発明の第３の実施例を第14図〜第17図に基づいて説
明する。第14図は、第３の実施例における光音響検出光
学系を示すものである。本光学系の基本構成とその機能
は第１の実施例と全く同じであるので説明は省略する。
第１の実施例と異なる点は以下の通りである。すなわ
ち、本実施例では、第15図に示すように対物レンズ38と
試料42との間にリレーレンズ153を挿入し、これを光軸
方向に微動させることにより、対物レンズ38の焦点距離
を実効的に変化させ、励起光であるHe−Ne赤外レーザ31
の集光スポットを試料内部で走査させる。リレーレンズ
153はホルダ151に固定され、さらに板バネ152a、152bを
介して、対物レンズ38に固定されたホルダ150に保持さ
れている。計算機82からの微動信号により、PZT駆動回
路121を介してPZT素子133を駆動し、リレーレンズ153を
光軸方向に微動する。第16図は、単レンズとしてモデル
化した対物レンズ38′とリレーレンズ153の配置を示し
たものである。対物レンズ38′の焦点距離をf0、リレー
レンズの焦点距離をfr、両レンズ間の距離をａとする
と、対物レンズ38′からレーザ集光スポットまでの距
離、すなわち実効的焦点距離faは、（２）式で与えらえ
る。
明する。第14図は、第３の実施例における光音響検出光
学系を示すものである。本光学系の基本構成とその機能
は第１の実施例と全く同じであるので説明は省略する。
第１の実施例と異なる点は以下の通りである。すなわ
ち、本実施例では、第15図に示すように対物レンズ38と
試料42との間にリレーレンズ153を挿入し、これを光軸
方向に微動させることにより、対物レンズ38の焦点距離
を実効的に変化させ、励起光であるHe−Ne赤外レーザ31
の集光スポットを試料内部で走査させる。リレーレンズ
153はホルダ151に固定され、さらに板バネ152a、152bを
介して、対物レンズ38に固定されたホルダ150に保持さ
れている。計算機82からの微動信号により、PZT駆動回
路121を介してPZT素子133を駆動し、リレーレンズ153を
光軸方向に微動する。第16図は、単レンズとしてモデル
化した対物レンズ38′とリレーレンズ153の配置を示し
たものである。対物レンズ38′の焦点距離をf0、リレー
レンズの焦点距離をfr、両レンズ間の距離をａとする
と、対物レンズ38′からレーザ集光スポットまでの距
離、すなわち実効的焦点距離faは、（２）式で与えらえ
る。
両レンズ間の距離ａを大きくすることにより、実効的
焦点距離faが大きくなることが判る。
焦点距離faが大きくなることが判る。
第17図は、比較回路79からのリレーレンズ移動信号に
より、マイケルソン干渉光学系520のArレーザ43のビー
ム集光位置及び試料表面43pからの反射光の集光位置を
各々制御する方法を示したのである。同図（ａ）は、励
起光であるHe−Ne赤外レーザ31からのビーム170（破
線）とArレーザ43からのビーム171（実線）が、共に試
料表面42pの91の位置に集光している状態を示したもの
である。一方、同図（ｂ）は、リレーレンズ153を降下
させることにより、He−Ne赤外レーザ31のビーム170′
の集光スポットを試料42の内部で深さ方向に走査してい
る様子を示したものである。第１及び第２の実施例と同
様、くさび形ガラス47及び59を上記集光スポットの移動
量に応じて微動させることにより、リレーレンズ153の
微動にかかわらず、Arレーザ43のビーム171′を常に試
料表面42p上に集光させると同時に、その反射光も光電
変換素子63上の93の位置に集光させることができる。
より、マイケルソン干渉光学系520のArレーザ43のビー
ム集光位置及び試料表面43pからの反射光の集光位置を
各々制御する方法を示したのである。同図（ａ）は、励
起光であるHe−Ne赤外レーザ31からのビーム170（破
線）とArレーザ43からのビーム171（実線）が、共に試
料表面42pの91の位置に集光している状態を示したもの
である。一方、同図（ｂ）は、リレーレンズ153を降下
させることにより、He−Ne赤外レーザ31のビーム170′
の集光スポットを試料42の内部で深さ方向に走査してい
る様子を示したものである。第１及び第２の実施例と同
様、くさび形ガラス47及び59を上記集光スポットの移動
量に応じて微動させることにより、リレーレンズ153の
微動にかかわらず、Arレーザ43のビーム171′を常に試
料表面42p上に集光させると同時に、その反射光も光電
変換素子63上の93の位置に集光させることができる。
信号処理系550においては、リレーレンズ153、XYステ
ージ40の移動信号及びロックインアンプ82からの出力信
号が、計算機82で処理され、試料42内部の３次元光音響
像がモニタTV等の表示器83に出力される。
ージ40の移動信号及びロックインアンプ82からの出力信
号が、計算機82で処理され、試料42内部の３次元光音響
像がモニタTV等の表示器83に出力される。
本実施例によれば、第１の実施例と全く同様の効果が
得られる。また、He−Ne赤外レーザ31の集光スポットの
移動手段として、単純な１枚のリレーレンズの微動を採
用することにより、駆動時における光学系の器械的安定
性が増し、より安定な光音響信号検出が可能となる。
得られる。また、He−Ne赤外レーザ31の集光スポットの
移動手段として、単純な１枚のリレーレンズの微動を採
用することにより、駆動時における光学系の器械的安定
性が増し、より安定な光音響信号検出が可能となる。
本発明の第４の実施例を、第18図〜第21図に基づいて
説明する。第18図は、第４の実施例における光音響検出
光学系を示すものである。本光学系の基本構成とその機
能は第１の実施例と全く同じであるので説明省略する、
第１の実施例と異なる点は以下の通りである。すなわ
ち、本実施例では、第19図に示すように、対物レンズ38
と試料42との間に２組のくさび系ガラス183及び184を挿
入し、くさひ系ガラス183を光軸と直交する方向に微動
させることにより、対物レンズ38の焦点距離を実効的に
変化させ、励起光であるHe−Ne赤外レーザ31の集光スポ
ットを試料内部で走査させる。くさび形ガラス184は、
対物レンズ38と共にホルダ180に固定されている。計算
機82からの微動信号により、PZT駆動回路121を介してPZ
T素子181を駆動し、くさび形ガラス183を光軸と直交す
る方向に微動する。第20図は、単レンズとしてモデル化
した対物レンズ38′とくさび形ガラス183及び184の配置
を示したものである。対物レンズ38′の焦点距離をf0、
２枚のくさび形ガラスの厚さの和をｇ、くさび形ガラス
の屈折率をng、空気の屈折率を1.0とすると、対物レン
ズ38′からレーザ集光スポットまでの距離、すなわち近
軸領域における実効的焦点距離fgは、（３）式で与えら
れる。
説明する。第18図は、第４の実施例における光音響検出
光学系を示すものである。本光学系の基本構成とその機
能は第１の実施例と全く同じであるので説明省略する、
第１の実施例と異なる点は以下の通りである。すなわ
ち、本実施例では、第19図に示すように、対物レンズ38
と試料42との間に２組のくさび系ガラス183及び184を挿
入し、くさひ系ガラス183を光軸と直交する方向に微動
させることにより、対物レンズ38の焦点距離を実効的に
変化させ、励起光であるHe−Ne赤外レーザ31の集光スポ
ットを試料内部で走査させる。くさび形ガラス184は、
対物レンズ38と共にホルダ180に固定されている。計算
機82からの微動信号により、PZT駆動回路121を介してPZ
T素子181を駆動し、くさび形ガラス183を光軸と直交す
る方向に微動する。第20図は、単レンズとしてモデル化
した対物レンズ38′とくさび形ガラス183及び184の配置
を示したものである。対物レンズ38′の焦点距離をf0、
２枚のくさび形ガラスの厚さの和をｇ、くさび形ガラス
の屈折率をng、空気の屈折率を1.0とすると、対物レン
ズ38′からレーザ集光スポットまでの距離、すなわち近
軸領域における実効的焦点距離fgは、（３）式で与えら
れる。
くさびガラスの厚さの和ｇを大きくすることにより、
実効的焦点距離fgが大きくなることが判る。
実効的焦点距離fgが大きくなることが判る。
第21図は、比較回路79からのくさび形ガラス移動信号
により、マイケルソン干渉光学系520のArレーザ43のビ
ーム集光位置及び試料表面42pからの反射光の集光位置
を各々制御する方法を示したものである。同図（ａ）
は、励起光であるHe−Ne赤外レーザ31からのビーム190
（破線）とArレーザ43からのビーム191（実線）が、共
に試料表面42pの91の位置に集光している状態を示した
ものである。一方、同図（ｂ）は、くさび形ガラス183
をガラス厚が増加する方向に微動させることにより、He
−Ne赤外レーザ31のビーム190′の集光スポットを試料4
2の内部で深さ方向に走査している様子を示したもので
ある。第１〜第３の実施例と同様、くさび形ガラス47及
び59を、上記集光スポットの移動量に応じて微動するこ
とにより、くさび形ガラス183の微動にかかわらず、Ar
レーザ43のビーム191′を常に試料表面42p上に集光させ
ると同時に、その反射光も光電変換素子63上の93の位置
に集光させることができる。
により、マイケルソン干渉光学系520のArレーザ43のビ
ーム集光位置及び試料表面42pからの反射光の集光位置
を各々制御する方法を示したものである。同図（ａ）
は、励起光であるHe−Ne赤外レーザ31からのビーム190
（破線）とArレーザ43からのビーム191（実線）が、共
に試料表面42pの91の位置に集光している状態を示した
ものである。一方、同図（ｂ）は、くさび形ガラス183
をガラス厚が増加する方向に微動させることにより、He
−Ne赤外レーザ31のビーム190′の集光スポットを試料4
2の内部で深さ方向に走査している様子を示したもので
ある。第１〜第３の実施例と同様、くさび形ガラス47及
び59を、上記集光スポットの移動量に応じて微動するこ
とにより、くさび形ガラス183の微動にかかわらず、Ar
レーザ43のビーム191′を常に試料表面42p上に集光させ
ると同時に、その反射光も光電変換素子63上の93の位置
に集光させることができる。
信号処理系550においては、くさび形ガラス183、XYス
テージ40の移動信号及びロックインアンプ82からの出力
信号が、計算機82で処理され、試料42内部の３次元光音
響像がモニタTV等の表示器83に出力される。
テージ40の移動信号及びロックインアンプ82からの出力
信号が、計算機82で処理され、試料42内部の３次元光音
響像がモニタTV等の表示器83に出力される。
本実施例によれば、第１の実施例と全く同様の効果が
得られる。また、He−Ne赤外レーザ31の集光スポットの
移動手段として、単純な１枚のくさび形ガラスの微動を
採用することにより、駆動時における光学系の機械的安
定性が増し、より安定な光音響信号検出が可能となる。
得られる。また、He−Ne赤外レーザ31の集光スポットの
移動手段として、単純な１枚のくさび形ガラスの微動を
採用することにより、駆動時における光学系の機械的安
定性が増し、より安定な光音響信号検出が可能となる。
以上述べた４つの実施例では、試料に光音響効果を生
じさせるための励起光として、He−Ne赤外レーザ（波長
1.2μｍ）を用いたが、赤外半導体レーザを用いれば、
注入電流を振幅変調することにより、強度変調されたビ
ームを得ることができる。その場合には、音響光学変調
素子は不要になる。また、本発明においては、励起光は
赤外光に限定されるものではなく、試料（例えば半導体
素子）を透過できる波長の光であればどのような光でも
適用可能である。
じさせるための励起光として、He−Ne赤外レーザ（波長
1.2μｍ）を用いたが、赤外半導体レーザを用いれば、
注入電流を振幅変調することにより、強度変調されたビ
ームを得ることができる。その場合には、音響光学変調
素子は不要になる。また、本発明においては、励起光は
赤外光に限定されるものではなく、試料（例えば半導体
素子）を透過できる波長の光であればどのような光でも
適用可能である。
また、試料内（例えば半導体素子内）で発生した超音
波により試料表面の微小変位を検出する手段は、マイケ
ルソン干渉計に限定されるものではなく、マッハ・ツェ
ンダ干渉計、ヘテロダイン干渉計、PZT素子あるいはマ
イクロフォン等も十分適用できる。
波により試料表面の微小変位を検出する手段は、マイケ
ルソン干渉計に限定されるものではなく、マッハ・ツェ
ンダ干渉計、ヘテロダイン干渉計、PZT素子あるいはマ
イクロフォン等も十分適用できる。
本発明によれば、試料中に熱歪波及び超音波を発生さ
せるための励起光として、試料を透過できる波長の光を
用い、変調周波数を変えることなくその集光スポット位
置を試料の深さ方向に走査することにより、光音響信号
の横方向及び深さ方向の分解能を低下させることなく、
試料の任意深さ位置の内部情報（例えば半導体素子の内
部欠陥）を、安定に検出することができるという効果を
有する。また、光学系を総て共焦点光学系として構成す
ることにより、光音響信号の横方向分解能と検出感度が
向上し、同時に多層膜中の多重干渉の影響低減と表面に
凹凸のある例えば半導体素子の欠陥検出への適用も可能
になるという効果を有する。また、干渉光学系のレーザ
集光スポットを常に試料表面及び光電変換素子上に形成
するよう制御することにより、光音響信号の安定検出が
可能になるという効果を有する。
せるための励起光として、試料を透過できる波長の光を
用い、変調周波数を変えることなくその集光スポット位
置を試料の深さ方向に走査することにより、光音響信号
の横方向及び深さ方向の分解能を低下させることなく、
試料の任意深さ位置の内部情報（例えば半導体素子の内
部欠陥）を、安定に検出することができるという効果を
有する。また、光学系を総て共焦点光学系として構成す
ることにより、光音響信号の横方向分解能と検出感度が
向上し、同時に多層膜中の多重干渉の影響低減と表面に
凹凸のある例えば半導体素子の欠陥検出への適用も可能
になるという効果を有する。また、干渉光学系のレーザ
集光スポットを常に試料表面及び光電変換素子上に形成
するよう制御することにより、光音響信号の安定検出が
可能になるという効果を有する。
また半導体素子内の配線の断線やクラック等を検出す
ることができる効果を有する。
ることができる効果を有する。
第１図は本発明の基本原理を示す図、第２図は本発明の
第１の実施例における光音響検出光学系を示す図、第３
図はレーザスポットの高次回折光成分がピンホールによ
り遮光される様子を示す図、第４図はピンホール通過直
後の光強度分布を示す図、第５図は偏向板の偏向方向を
示す図、第６図はＺステージの上昇を示す図、第７図は
自動焦点光学系を示す図、第８図はＺステージの移動量
と２つの光電変換素子の出力電流の関係を示す図、第９
図はレーザビームの集光位置の制御方法を示す図、第10
図は凹凸のある試料表面上にレーザ光が集光する図、第
11図は本発明の第２の実施例における光音響検出光学系
を示す図、第12図は対物レンズの微動機構を示す断面
図、第13図はレーザビームの集光位置の制御方法を示す
図、第14図は本発明の第３の実施例における光音響検出
光学系を示す図、第15図はリレーレンズの微動機構を示
す断面図、第16図は対物レンズとリレーレンズの配置を
示す図、第17図はレーザビームの集光位置の制御方法を
示す図、第18図は本発明の第４の実施例における光音響
検出光学系を示す図、第19図はくさび形ガラスの微動機
構を示す断面図、第20図は対物レンズとくさび形ガラス
の配置を示す図、第21図はレーザビームの集光位置の制
御方法を示す図、第22図は従来の光音響検出光学系を示
す図、第23図は光音響効果の原理を示す図、第24図は変
調周波数の変化による熱拡散領域の変化を示す図であ
る。 1,8……レーザ、31……He−Ne赤外レーザ、43……Arレ
ーザ、65……He−Neレーザ、2,32……音響光学変調素
子、7,42……試料、13,63,75,78……光電変換素子、16,
81……ロックインアンプ、17,82……計算機、38……対
物レンズ、52……参照ミラー、47,48,58,59,183,184…
…くさび形ガラス、153……リレーレンズ。
第１の実施例における光音響検出光学系を示す図、第３
図はレーザスポットの高次回折光成分がピンホールによ
り遮光される様子を示す図、第４図はピンホール通過直
後の光強度分布を示す図、第５図は偏向板の偏向方向を
示す図、第６図はＺステージの上昇を示す図、第７図は
自動焦点光学系を示す図、第８図はＺステージの移動量
と２つの光電変換素子の出力電流の関係を示す図、第９
図はレーザビームの集光位置の制御方法を示す図、第10
図は凹凸のある試料表面上にレーザ光が集光する図、第
11図は本発明の第２の実施例における光音響検出光学系
を示す図、第12図は対物レンズの微動機構を示す断面
図、第13図はレーザビームの集光位置の制御方法を示す
図、第14図は本発明の第３の実施例における光音響検出
光学系を示す図、第15図はリレーレンズの微動機構を示
す断面図、第16図は対物レンズとリレーレンズの配置を
示す図、第17図はレーザビームの集光位置の制御方法を
示す図、第18図は本発明の第４の実施例における光音響
検出光学系を示す図、第19図はくさび形ガラスの微動機
構を示す断面図、第20図は対物レンズとくさび形ガラス
の配置を示す図、第21図はレーザビームの集光位置の制
御方法を示す図、第22図は従来の光音響検出光学系を示
す図、第23図は光音響効果の原理を示す図、第24図は変
調周波数の変化による熱拡散領域の変化を示す図であ
る。 1,8……レーザ、31……He−Ne赤外レーザ、43……Arレ
ーザ、65……He−Neレーザ、2,32……音響光学変調素
子、7,42……試料、13,63,75,78……光電変換素子、16,
81……ロックインアンプ、17,82……計算機、38……対
物レンズ、52……参照ミラー、47,48,58,59,183,184…
…くさび形ガラス、153……リレーレンズ。
Claims (7)
- 【請求項１】第１の光源から得られる試料を透過する波
長の光を所望の分解能が得られるように設定された周波
数で強度変調し、この強度変調された光を光スポットと
して集光し、この集光された光スポットの位置を試料内
部において試料の深さ方向に移動し、この際試料内で深
さの変化に対してほほ一様な分解能でもって発生する光
音響効果を信号として検出し、この検出信号に基いて試
料の少なくとも内部情報を抽出することを特徴とする光
音響信号検出方法。 - 【請求項２】第１の光源から得られる試料を透過する波
長の光を所望の周波数で強度変調し、この強度変調され
た光を試料内部の任意の深さに光スポットとして集光
し、試料内で発生する光音響効果を光干渉を利用して信
号として検出し、この検出信号に基いて試料の少なくと
も内部情報を抽出することを特徴とする光音響効果検出
方法。 - 【請求項３】試料を透過する波長の光を出射する第１の
光源と、該光源から得られる試料を透過する波長の光を
所望の分解能が得られるように設定された周波数で強度
変調する変調手段と、該変調手段で強度変調された光を
光スポットとして集光する集光光学系と、該集光光学系
によって集光された光スポットの位置を試料内部におい
て試料の深さ方向に移動させる光スポット位置制御手段
と、該光スポットの位置を試料の深さ方向に移動させる
際試料内で深さの変化に対してほぼ一様な分解能でもっ
て発生する光音響効果を信号として検出する検出手段
と、該検出手段で検出された検出信号に基いて試料の少
なくとも内部情報を抽出する情報抽出手段とを備えたこ
とを特徴とする光音響信号検出装置。 - 【請求項４】試料を透過する波長の光を出射する第１の
光源と、該光源から得られる試料を透過する波長の光を
所望の周波数で強度変調する変調手段と、該変調手段で
強度変調された光を光スポットとして集光する集光光学
系と、該集光光学系によって集光された光スポットを試
料内部の任意の深さに位置付ける光スポット位置制御手
段と、試料内で発生する光音響効果を光干渉を利用して
信号として検出する光干渉検出手段と、該光干渉検出手
段で検出された検出信号に基いて試料の少なくとも内部
情報を抽出する情報抽出手段とを備えたことを特徴とす
る光音響信号検出装置。 - 【請求項５】前記第１の光源を、赤外光を出射するよう
に構成したことを特徴とする請求項３または４記載の光
音響信号検出装置。 - 【請求項６】第１の光源から得られる半導体素子を透過
する波長の光を所望の分解能が得られるように設定され
た周波数で強度変調し、この強度変調された光を半導体
素子内部の任意の深さに光スポットとして集光し、半導
体素子内で発生する光音響効果を信号として検出し、こ
の検出信号に基いて半導体素子の少なくとも内部情報を
抽出することを特徴とする半導体素子内部欠陥検出方
法。 - 【請求項７】強度変調された光スポットを半導体素子内
部において深さ方向に走査し、半導体素子内で発生する
光音響効果を検出して半導体素子の欠陥を検出すること
を特徴とする半導体素子内部欠陥検出方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1063604A JP2659429B2 (ja) | 1989-03-17 | 1989-03-17 | 光音響信号検出方法及びその装置並びに半導体素子内部欠陥検出方法 |
| US07/479,712 US5062715A (en) | 1989-03-17 | 1990-02-14 | Method and apparatus for detecting photoacoustic signal and method for detecting internal defect of semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1063604A JP2659429B2 (ja) | 1989-03-17 | 1989-03-17 | 光音響信号検出方法及びその装置並びに半導体素子内部欠陥検出方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02243956A JPH02243956A (ja) | 1990-09-28 |
| JP2659429B2 true JP2659429B2 (ja) | 1997-09-30 |
Family
ID=13234056
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1063604A Expired - Lifetime JP2659429B2 (ja) | 1989-03-17 | 1989-03-17 | 光音響信号検出方法及びその装置並びに半導体素子内部欠陥検出方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5062715A (ja) |
| JP (1) | JP2659429B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003185639A (ja) * | 2001-12-20 | 2003-07-03 | Toshiba Corp | レーザ超音波検査装置 |
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| US5377006A (en) * | 1991-05-20 | 1994-12-27 | Hitachi, Ltd. | Method and apparatus for detecting photoacoustic signal |
| US5202875A (en) * | 1991-06-04 | 1993-04-13 | International Business Machines Corporation | Multiple data surface optical data storage system |
| US5258612A (en) * | 1992-04-01 | 1993-11-02 | Clark William G | Timed-resolved spectroscopy with split pump and probe pulses |
| JPH0743251B2 (ja) * | 1992-06-19 | 1995-05-15 | 工業技術院長 | 光学式変位計 |
| US5285261A (en) * | 1992-07-06 | 1994-02-08 | General Electric Company | Dual interferometer spectroscopic imaging system |
| US5285260A (en) * | 1992-07-06 | 1994-02-08 | General Electric Company | Spectroscopic imaging system with ultrasonic detection of absorption of modulated electromagnetic radiation |
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| DK1145066T3 (da) * | 1998-12-21 | 2005-07-04 | Evotec Ag | Positionering af målevolumen i en scanningsmikroskopisk fremgangsmåde |
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| EP1889111A2 (en) * | 2005-05-25 | 2008-02-20 | Massachusetts Institute of Technology | Multifocal imaging systems and methods |
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| KR100817615B1 (ko) * | 2005-09-20 | 2008-03-31 | 한국원자력연구원 | 물체의 결함을 측정하기 위한 레이저 유도 초음파 검사장치 및 그 구현 방법 |
| JP2012047607A (ja) * | 2010-08-27 | 2012-03-08 | Hitachi Ltd | 内部欠陥検査方法及びその装置 |
| US9289191B2 (en) | 2011-10-12 | 2016-03-22 | Seno Medical Instruments, Inc. | System and method for acquiring optoacoustic data and producing parametric maps thereof |
| JP2013090867A (ja) * | 2011-10-27 | 2013-05-16 | Canon Inc | 被検体情報取得装置およびその制御方法 |
| US11191435B2 (en) | 2013-01-22 | 2021-12-07 | Seno Medical Instruments, Inc. | Probe with optoacoustic isolator |
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| US9730587B2 (en) | 2011-11-02 | 2017-08-15 | Seno Medical Instruments, Inc. | Diagnostic simulator |
| US9733119B2 (en) | 2011-11-02 | 2017-08-15 | Seno Medical Instruments, Inc. | Optoacoustic component utilization tracking |
| US9743839B2 (en) | 2011-11-02 | 2017-08-29 | Seno Medical Instruments, Inc. | Playback mode in an optoacoustic imaging system |
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