JP3082208B2 - Photoacoustic signal detection method and apparatus, and semiconductor element internal defect detection method - Google Patents

Photoacoustic signal detection method and apparatus, and semiconductor element internal defect detection method

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JP3082208B2 JP02080948A JP8094890A JP3082208B2 JP 3082208 B2 JP3082208 B2 JP 3082208B2 JP 02080948 A JP02080948 A JP 02080948A JP 8094890 A JP8094890 A JP 8094890A JP 3082208 B2 JP3082208 B2 JP 3082208B2
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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、光音響効果を利用して、試料の表面および
内部情報を検出する、光音響信号検出方法およびその装
置並びに半導体素子内部欠陥検出方法に関するものであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a photoacoustic signal detection method and apparatus for detecting the surface and internal information of a sample using a photoacoustic effect, and detection of a defect inside a semiconductor element. It is about the method.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

光音響効果(Photoacoustic Effect)は、1881年チン
ダル(Tyndall)、ベル(Bell)、レントゲン(Rnto
gen)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V
th23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。上記超音波すなわち
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、試料の表面
および内部の情報を得ることができる。上記光音響信号
の検出方法に関しては、例えば、文献「非破壊検査;第
36巻第10号,p.730〜p736(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(1986年)(IEEE;1986ULTRASONICS SY
MPOSIUM−p.515〜526(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のち、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。上記試料7上の集光部21に生じた熱
歪波により超音波が発生し、同時に上記試料表面に微小
変位を生じる。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の
ち、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からの反射光と上記
参照ミラー11からの反射光とは、ハーフミラー10上で互
いに干渉し、この干渉パタンがレンズ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で増幅されたのち、ロ
ックインアンプ16に送られる。上記ロックアンプ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だけ抽出される。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わ
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テレビ
ジョン等の表示器18に画像情報として出力される。
The Photoacoustic Effect was created in 1881 by Tyndall, Bell, and X-ray (Rnto).
gen) et al. That is, as shown in FIG. 23, the intensity modulated light (intermittent light) 19 is irradiated with focused on the specimen 7 by the lens 5, heat is generated in the light absorption region V OP 21, a thermal diffusion length μs22 Given heat diffusion area V
This is a phenomenon in which th23 is periodically diffused, and a surface acoustic wave (ultrasonic wave) is generated by the thermal strain wave. By detecting the ultrasonic wave, that is, the photoacoustic signal using a microphone (acoustoelectric transducer), a piezoelectric element, or an optical interferometer, and obtaining a signal component synchronized with the modulation frequency of the incident light, information on the surface and inside of the sample is obtained. Can be obtained. Regarding the method of detecting the photoacoustic signal, for example, see the document “Non-destructive inspection;
Vol. 36, No. 10, pp. 730-736 (October 1987) "
EE, 1986 Ultrasonics Symposium, p.515-526 (1986) (IEEE; 1986 ULTRASONICS SY)
MPOSIUM-pp. 515-526 (1986)). One example will be described with reference to FIG. Laser 1
Acousto-optic modulator (AO modulator) 2
And the intermittent light is beam-expander 3
After expanding to a desired beam diameter by the half mirror 4
And is condensed by the lens 5 on the surface of the sample 7 on the XY stage 6. Ultrasonic waves are generated by the thermostrictive waves generated in the condensing portion 21 on the sample 7, and at the same time, a minute displacement is generated on the surface of the sample. This minute displacement is detected by a Michelson interferometer described below. After the parallel light emitted from the laser 8 is expanded to a desired beam diameter by a beam expander 9, it is split into two optical paths by a half mirror 10, and one of the two is condensed by a lens 5 on a condensing section 21 on a sample 7. . The other is irradiated onto the reference mirror 11. The reflected light from the sample 7 and the reflected light from the reference mirror 11 interfere with each other on the half mirror 10, and this interference pattern is condensed on a photoelectric conversion element 13 such as a photodiode by a lens 12. The photoelectrically converted interference intensity signal is amplified by a preamplifier 14 and then sent to a lock-in amplifier 16. The lock amplifier 16 extracts only the modulation frequency component included in the interference intensity signal using the modulation frequency signal from the oscillator 15 used for driving the acousto-optic modulation element 2 as a reference signal. This frequency component has information on the surface or inside of the sample corresponding to the frequency. By changing the modulation frequency, the thermal diffusion length μs21 can be changed, and information in the depth direction of the sample can be obtained. If there is a defect such as a crack in the thermal diffusion region V th23 , a signal change appears in the modulation frequency component in the interference intensity signal, and the presence thereof can be known. The XY stage movement signal and the output signal from the lock-in amplifier 16 are processed by the computer 17, and the photoacoustic signal at each point on the sample is output as image information to a display 18 such as a monitor television.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

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、つぎに示すような課
題をもっている。
The above prior art is an extremely effective means for detecting a photoacoustic signal in a non-contact and non-destructive manner, but has the following problems.

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。
Lateral resolution and depth resolution of the photoacoustic signal, the spot diameter of the light absorption region V OP 21 i.e. the laser beam is smaller than the thermal diffusion region V th 23 is given by the thermal diffusion length Myuesu22. This μs is defined by equation (1).

但し、k;試料の熱伝導率、ρ;密度、c;非熱、;レ
ーザの強度変調周波数。
Here, k: thermal conductivity of the sample, ρ: density, c: non-heat, laser intensity modulation frequency.

例えば=10kHzのとき、SiやAlはμs〜50μmであ
りSiO2はμs〜5μm程度である。
For example, when = 10 kHz, Si and Al are in the range of μs to 50 μm and SiO 2 is in the range of μs to 5 μm.

いま、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
深さ方向分解能とは、それぞれμSD≒μs,μSH≒2μs
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
の変調周波数を変え、熱拡散長μsを変えることによ
り、横方向およ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
報検出は極めて困難である。
Now, when a thermal diffusion region V th 23a as shown in FIG. 24 (a) is given at a certain modulation frequency, the lateral resolution and the depth resolution are μ SD ≒ μs and μ SH ≒ 2 μs, respectively.
Given by In order to obtain internal information at a deeper position in the sample, it is necessary to reduce the modulation frequency f according to equation (1) and increase the thermal diffusion length μs as shown in FIG. 24 (b). However, as a result, as shown in the figure, the lateral resolution μ SH
And the depth direction resolution μ SD is reduced. That is, in the related art, there is a problem that the resolution in the horizontal direction and the depth direction is changed by changing the modulation frequency of the laser to obtain the information in the depth direction and changing the thermal diffusion length μs. In particular, in order to obtain deeper information, the thermal diffusion length μs must be increased and the resolution must be reduced. At present, it is extremely difficult to detect internal information of a sample having a microstructure on the order of μm.

さらに従来技術においては、試料内部で発生した光音
響効果を、試料表面の微小変位として検出するため、試
料の深い場所における感度が低下してしまうという課題
がある。
Further, in the related art, since the photoacoustic effect generated inside the sample is detected as minute displacement on the surface of the sample, there is a problem that the sensitivity in a deep place of the sample is reduced.

本発明の目的は、試料のさまざま深さの内部情報を、
横方向および深さ方向分解能を低下させることなく、安
定に検出できるようにした光音響信号検出方法およびそ
の装置を得ることにある。
An object of the present invention is to store internal information at various depths of a sample,
An object of the present invention is to provide a photoacoustic signal detection method and apparatus capable of performing stable detection without lowering the resolution in the lateral direction and the depth direction.

また、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
を得ることにある。
Another object of the present invention is to provide a method for detecting internal defect of a semiconductor device, which detects internal information of the depth of the semiconductor device by a photoacoustic effect, thereby detecting a defect inside the semiconductor device.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

この目的を達成するため、本発明においては、光音響
信号検出方法において、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、該強度
変調した光を対物レンズを介して試料表面もしくは試料
内部に集光し、該集光した光スポットと上記試料との上
記対物レンズの光軸方向の位置を相対的に変化させるこ
とにより上記光スポットを上記試料内部で試料の深さ方
向に走査して上記試料内で光音響効果を発生させるとと
もに、第2の光源から得られる試料を透過する波長の光
を上記対物レンズを介して上記光スポット位置と同じ位
置に集光して走査し、上記光スポットの位置に集光した
前記第2の光源からの光の反射光もしくは透過光により
光干渉を利用して上記光音響効果による位相変化を検出
し、該検出した信号から前記試料の表面および内部情報
を抽出する。
In order to achieve this object, according to the present invention, in a photoacoustic signal detection method, light having a wavelength transmitted through a sample obtained from a first light source is intensity-modulated at a desired frequency, and the intensity-modulated light is subjected to an objective lens. The light spot is condensed on the surface of the sample or inside the sample, and the position of the condensed light spot and the sample in the optical axis direction of the objective lens are relatively changed, so that the light spot is sampled inside the sample. Scans in the depth direction of the sample to generate a photoacoustic effect within the sample, and collects light of a wavelength transmitted through the sample obtained from the second light source at the same position as the light spot position via the objective lens. Scanning by light, detecting the phase change due to the photoacoustic effect using light interference by reflected light or transmitted light of the light from the second light source focused on the position of the light spot, and the detected signal Extracting a surface and internal information of al the sample.

また、光音響信号検出装置において、第1の光源と、
該第1の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、該変調手段で強度変調した光を対物レンズを
介して試料表面もしくは試料内部に集光する第1の集光
手段と、第2の光源と、該第2の光源からの光を上記対
物レンズを介して上記集光位置と同じ位置に集光する第
2の集光手段と、上記試料内で発生した光音響効果を上
記第2の光源からの光を用いて光干渉により検出する光
干渉検出手段と、該光干渉検出手段で検出した信号から
試料の表面および内部情報を抽出する情報抽出手段とを
備えた光音響信号検出装置であって、上記第1および第
2の光源からの光が上記試料を透過する波長の光であっ
て、上記対物レンズを介して上記第1の集光手段で集光
された光スポットおよび上記対物レンズを介して上記第
2の集光手段で集光された光スポットと上記試料との上
記対物レンズの光軸方向の位置を相対的に変化させるこ
とにより上記2つの光スポットを上記試料の内部におい
て試料の深さ方向に走査する光スポット走査手段を設け
る。
Further, in the photoacoustic signal detection device, a first light source;
A modulating means for modulating the intensity of light from the first light source at a desired frequency; and a first condensing means for condensing the light intensity-modulated by the modulating means on a sample surface or inside the sample via an objective lens. A second light source, a second light condensing means for condensing light from the second light source through the objective lens at the same position as the light condensing position, and a photoacoustic effect generated in the sample. Light interference detection means for detecting light from the second light source using light interference, and information extraction means for extracting surface and internal information of the sample from a signal detected by the light interference detection means. An acoustic signal detection device, wherein light from the first and second light sources is light having a wavelength that transmits through the sample, and is collected by the first light collection unit via the objective lens. The light is collected by the second focusing means via the light spot and the objective lens. Light spot scanning means for scanning the two light spots in the depth direction of the sample inside the sample by relatively changing the positions of the objective light lens and the sampled light spot in the optical axis direction. Provide.

この場合、上記第1の集光手段と上記第2の集光手段
と上記光干渉検出手段とは、それぞれ共焦点光学系とし
て構成する。
In this case, the first light collecting means, the second light collecting means, and the light interference detecting means are each configured as a confocal optical system.

これらの場合、上記第1および上記第2の光源からの
光は、赤外光とする。
In these cases, the light from the first and second light sources is infrared light.

また、半導体素子内部欠陥検出方法において、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
の周波数で強度変調し、該強度変調した光を対物レンズ
を介して半導体素子の表面もしくは内部に集光し、該集
光した光スポットと上記半導体素子との上記対物レンズ
の光軸方向の位置を相対的に変化させることにより上記
光スポットを上記半導体素子内部で深さ方向に走査して
上記半導体素子内部で光音響効果を発生させるととも
に、第2の光源から得られる上記半導体素子を透過する
波長の光を上記対物レンズを介して上記光スポット位置
と同じ位置に集光して走査し、上記光スポットの位置に
集光した前記第2の光源からの光の反射光もしくは透過
光により光干渉を利用して上記光音響効果による位相変
化を検出し、該検出した信号から前記半導体素子の表面
および内部情報を抽出する。
Further, in the method for detecting a defect inside a semiconductor element, light having a wavelength transmitted through the semiconductor element obtained from the first light source is intensity-modulated at a desired frequency, and the intensity-modulated light is transmitted through an objective lens to the surface of the semiconductor element or The light spot is scanned inside the semiconductor element in the depth direction by relatively changing the position of the collected light spot and the semiconductor element in the optical axis direction of the objective lens. A photoacoustic effect is generated inside the semiconductor element, and light having a wavelength transmitted from the second light source and transmitted through the semiconductor element is condensed at the same position as the light spot position via the objective lens for scanning. Then, a phase change due to the photoacoustic effect is detected using light interference by reflected light or transmitted light of the light from the second light source focused on the position of the light spot, and the detection is performed. Signal from extracting the surface and internal information of the semiconductor device.

〔作用〕[Action]

光音響信号検出装置において、試料を励起するための
第1の光源からの光と、光音響効果を検出する光干渉検
出手段に用いる第2の光源からの光とを、共に試料を透
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、光音響信号の横方向および深
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、光学的、熱的、弾性的特性)
を高感度に検出できる。
In the photoacoustic signal detection device, the light from the first light source for exciting the sample and the light from the second light source used for the optical interference detection means for detecting the photoacoustic effect are both transmitted through the sample. With this light, the focused spot can be scanned in the depth direction inside the sample (for example, a semiconductor element), and the resolution of the photoacoustic signal in the horizontal direction and the depth direction can be reduced. Internal information at any depth of the sample (eg, optical, thermal, elastic properties)
Can be detected with high sensitivity.

また、試料を励起するための第1の光源からの光を集
光する集光手段、およ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、共に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、光スポット位置以外の試料表面および内
部界面からの反射光の影響が除去でき、光音響信号の横
方向および深さ方向の分解能と検出感度が向上する。
Further, the condensing means for condensing light from the first light source for exciting the sample and the light interference detecting means for detecting the photoacoustic effect using light interference are both configured as a confocal optical system. This makes it possible to form a spot light having an ideal peak portion from which unnecessary high-order diffracted light components have been removed, and to remove the influence of reflected light from the sample surface and the internal interface other than the light spot position. In addition, the resolution and detection sensitivity of the photoacoustic signal in the horizontal and depth directions are improved.

また、第1および第2の光源からの光を、半導体素子
を透過する光、例えば赤外光とすることにより、半導体
素子の表面および内部情報(配線の断線やクラック等の
内部欠陥)の検出が可能になる。
Further, by detecting the light from the first and second light sources as light transmitting through the semiconductor element, for example, infrared light, detection of the surface and internal information (internal defects such as disconnection of wiring and cracks) of the semiconductor element. Becomes possible.

本発明の基本原理を第1図に基づいて説明する。本発
明では試料7中に熱歪波および超音波(熱弾性波)を発
生させるための励起光25(実線)、および試料7の内部
で発生した光音響効果に基づく試料表面および内部の微
小変位を検出するための光干渉用プローブ光29(破線)
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
るように励起光の変調周波数を設定したのち、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、励起光およびプローブ光の集光スポット
位置27を深さ方向に走査する。上記原理によれば、従来
技術のように横方向およ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。この時の横方向および深さ方向の
分解能は、共にμSBと一定である。
The basic principle of the present invention will be described with reference to FIG. In the present invention, the excitation light 25 (solid line) for generating a thermostrictive wave and an ultrasonic wave (thermoelastic wave) in the sample 7, and the minute displacement on the sample surface and inside based on the photoacoustic effect generated inside the sample 7 Probe light 29 for detecting light (dashed line)
For example, light having a wavelength that can transmit through a sample, for example, a semiconductor element is used. Then, after setting the modulation frequency of the excitation light so as to have a thermal diffusion length at which a desired resolution can be obtained, as shown in FIGS. 1 (a), (b) and (c), the modulation frequency is not changed. Then, the focused spot position 27 of the excitation light and the probe light is scanned in the depth direction. According to the above principle, it is possible to stably detect internal information at an arbitrary depth position of a sample without lowering the resolution in the horizontal direction and the depth direction unlike the related art. At this time, the resolution in the horizontal direction and the resolution in the depth direction are both constant at μ SB .

〔実施例〕〔Example〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。第2
図は本発明による光音響信号検出方法の第1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図は偏光板の偏光方向を示す図、第6図は
集光スポットの走査を示す図、第7図は共焦点光学系と
ピンホールの効果を示す図、第8図は自動焦点光学系を
示す図、第9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10図は凹凸がある試
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図は本発明の
第3実施例における光音響検出光学系を示す図、第14図
はリレーレンズの微動機構を示す断面図、第15図は対物
レンジとリレーレンズの配置を示す図、第16図は本発明
の第4実施例における光音響検出光学系を示す図、第17
図はくさび形ガラスの微動機構を示す断面図、第18図は
対物レンズとくさび形ガラスの配置を示す図、第19図は
本発明の第5実施例における光音響検出光学系を示す
図、第20図は集光スポットの走査を示す図、第21図は本
発明の第6実施例における対物レンズとくさび形ガラス
の配置を示す図である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Second
FIG. 3 is a diagram showing a photoacoustic detection optical system in a first embodiment of a photoacoustic signal detection method according to the present invention. FIG. 3 is a diagram showing a state where a high-order diffracted light component of a laser spot is shielded by a pinhole. The figure shows the light intensity distribution immediately after passing through the pinhole, FIG. 5 shows the polarization direction of the polarizing plate, FIG. 6 shows the scanning of the condensing spot, and FIG. 7 shows the confocal optical system and the pin. FIG. 8 shows the effect of the Hall, FIG. 8 shows the autofocus optical system, FIG. 9 shows the relationship between the movement amount of the Z stage and the output current of the two photoelectric conversion elements, and FIG. FIG. 11 shows a laser beam condensed on the sample surface, FIG. 11 shows a photoacoustic detection optical system in a second embodiment of the present invention, FIG. 12 is a cross-sectional view showing a fine movement mechanism of an objective lens, and FIG. FIG. 14 is a diagram showing a photoacoustic detection optical system according to a third embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 15 is a sectional view showing the mechanism, FIG. 15 is a view showing the arrangement of an objective range and a relay lens, FIG. 16 is a view showing a photoacoustic detection optical system in a fourth embodiment of the present invention, FIG.
The figure is a cross-sectional view showing the fine movement mechanism of the wedge-shaped glass, FIG. 18 is a view showing the arrangement of the objective lens and the wedge-shaped glass, FIG. 19 is a view showing the photoacoustic detection optical system in the fifth embodiment of the present invention, FIG. 20 is a diagram showing scanning of a condensed spot, and FIG. 21 is a diagram showing the arrangement of an objective lens and wedge glass in a sixth embodiment of the present invention.

第1実施例 本発明の第1実施例における光音響検出光学系を示す
第2図において、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1.15μm)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および信号処理系550
から成る。上記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S偏光の平行光を音響光
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
大したのち、レンズ34によりその後側焦点位置80に集光
させる。焦点位置80にはピンホール35が設置されおり、
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折光成分101aおよび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だけになる。焦点位置8
0はレンズ36の前側焦点位置になっているので、ピンホ
ール35通過後の光束は、レンズ36通過後平行光になる。
上記平行光はハーフミラー37で反射されたのち、λ/4板
55通過後円偏光になり、さらに対物レンズ38によりその
前側焦点位置81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になる。すなわち、レンズ36の前
側焦点位置80と対物レンズ38の前側焦点位置81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6図に示すように、対物
レンズ38の前側焦点位置81、すなわち、He−Ne赤外レー
ザ31のビーム140(実線)の集光スポットを試料42の深
さ方向に走査する。集光スポットの位置が第6図(a)
の場合は試料42表面42Pにおいて、また、第6図(b)
の場合は試料42の内部界面42Sにおいて、光音響効果に
より生じた熱歪波により超音波(熱弾性波)が発生し、
同時に試料42表面42P、あるいは内部界面42Sに微小変位
が生じる。
First Embodiment In FIG. 2 showing a photoacoustic detection optical system according to a first embodiment of the present invention, the present optical system includes a He-Ne infrared laser (wavelength 1.15 μm) 31 for generating a photoacoustic effect. Modulated laser irradiation optical system 510 as a light source, Michelson interference optical system 520 for detecting photoacoustic signals, laser irradiation optical system 530 for autofocus, autofocus optical system 540, and signal processing system 550
Consists of In the modulation laser irradiation optical system 510, He
The intensity of the S-polarized parallel light emitted from the Ne infrared laser 31 is modulated at a desired frequency by the acousto-optic modulator 32, and the intermittent light is expanded to a desired beam diameter by the beam expander 33, and then the lens 34 Then, the light is focused on the side focal position 80. A pinhole 35 is installed at the focal position 80,
As shown in FIG. 3, high-order diffracted light components 101a and 101b existing around the peak portion 100 of the converging spot are shielded. As a result, the light intensity distribution immediately after passing through the pinhole 35 is only the peak portion 100 as shown in FIG. Focus position 8
Since 0 is the front focal position of the lens 36, the light flux after passing through the pinhole 35 becomes parallel light after passing through the lens 36.
After the parallel light is reflected by the half mirror 37, the λ / 4 plate
After passing through 55, the light becomes circularly polarized light, and is further condensed by the objective lens 38 at its front focal position 81, and becomes a spot having a light intensity distribution similar to that shown in FIG. That is, the front focal position 80 of the lens 36 and the front focal position 81 of the objective lens 38 are conjugate and at the same time have a confocal relationship. In this embodiment, as a major feature, by scanning the Z stage 41 on which the sample 42 is mounted, as shown in FIG. 6, the front focal position 81 of the objective lens 38, that is, the He-Ne infrared laser The focal spot of the 31 beams 140 (solid line) is scanned in the depth direction of the sample 42. Figure 6 (a)
In the case of (2), the surface 42P of the sample 42 is used, and FIG.
In the case of, ultrasonic waves (thermoelastic waves) are generated at the internal interface 42S of the sample 42 by the thermostrictive waves generated by the photoacoustic effect,
At the same time, a minute displacement occurs on the surface 42P of the sample 42 or the internal interface 42S.

マイケルソン干渉光学系520において、He−Ne赤外レ
ーザ(波長1.15μm)43から出射した非偏光の平行光
を、ビームエキスパンダ44により所望のビーム径に拡大
したのち、レンズ45によりその後側焦点位置82に集光さ
せる。焦点位置82にはピンホール46が設置されており、
第3図に示すのと同様にして、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82はレン
ズ47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47により平行光となる。上記平行光は偏
光ビームスプリッタ48によりP偏光とS偏光とに分離さ
れる。P偏光ビームは偏光ビームスプリッタ48を通過
し、ダイクロイックミラー66(波長0.7μm以下は反
射、0.7μm以上は透過)、ビームスプリッタ67(波長
0.7μm以下において、透過率:反射率=1:1、0.7μm
以上において100%透過)、ハーフミラー37、およびλ
/板55を通過したのち円偏光となり、対物レンズ38によ
りその前側焦点位置81に集光され、第4図に示すのと同
様の光強度分布をもつスポットになる。この集光スポッ
トの位置は、He−Ne赤外レーザ31の集光スポットの位置
と同じである。一方、S偏光ビームは、偏光ビームスプ
リッタ48で反射され、λ/4板49を通過したのち円偏光と
なり、参照ミラー50に入射する。いま第6図(a)に示
すように、He−Ne赤外レーザ31および43のビーム140
(実線)および141(破線)の集光スポットを試料42表
面42P上に設定した場合、マイケルソン干渉光学系520に
戻るビーム141の反射光は、試料42表面42Pで発生した光
音響効果に基づく微小変位を位相情報としてもってい
る。また、第6図(b)に示すように、両集光スポット
を試料42の内部表面42S上に設定した場合、ビーム141の
反射光は、同様に内部界面42Sで発生した光音響効果に
基づく微小変位を位相情報としてもっている。ビーム14
1の反射光は対物レンズ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48で反射される。参照
ミラー50からの反射光はλ/4板49を通過したのちP偏光
となり、偏光ビームスプリッタ48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50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。この干渉光には光音響効果により試料42の表
面あるいは内部界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83に集光し、ホトダイオード等の光電変換素子59で検
出する。上記のようにこのマイケルソン干渉光学系520
において、レンズ47の前側焦点位置82、対物レンズ38の
前側焦点位置81およびレンズ57の後側焦点位置83とは、
共役であると同時に共焦点の関係にあり、さらにレンズ
57の後側焦点位置83にはピンホール58が設置されてい
る。この効果を第7図に基づいて説明する。いま、He−
Ne赤外レーザ43のビーム141(実線)の集光スポット81
を試料42の内部界面42S上に設定し、この界面の光学的
・熱的・弾性的情報を検出しようとする場合、試料42の
表面42Pでの反射光141Q(破線)あるいは試料42の他の
内部界面からの反射光、試料42表面の微小な凹凸より発
生した高次回折光成分が、光電変換素子59に入射する
と、干渉強度信号すなわち光音響信号のSN比および検出
精度が大幅に低下する。そこで、上記のように光学系を
共焦点光学系とし、さらにレンズ57の後側焦点位置83、
すなわち集光スポット81の結像面(光電変換素子59面)
にピンホール58を設置することにより、これらの迷光を
遮光している。光電変換された干渉強度信号は、プリア
ンプ60で増幅されたのち、ロックインアンプ77に送られ
る。上記ロックインアンプ77では、音響光学変調素子32
の駆動に用いる発振器76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
の周波数成分の振幅と位相成分が、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。したがって、
上記熱拡散領域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。
In the Michelson interference optical system 520, the unpolarized parallel light emitted from the He-Ne infrared laser (wavelength: 1.15 μm) 43 is expanded to a desired beam diameter by the beam expander 44, and then rearward focused by the lens 45. The light is focused at the position 82. The pinhole 46 is installed at the focal position 82,
In the same manner as shown in FIG. 3, high-order diffracted light components around the peak portion of the condensed spot are shielded. The focal position 82 is the front focal position of the lens 47, and the light beam after passing through the pinhole 46 is converted into parallel light by the lens 47. The parallel light is split by the polarizing beam splitter 48 into P-polarized light and S-polarized light. The P-polarized beam passes through a polarizing beam splitter 48, and a dichroic mirror 66 (reflects a wavelength of 0.7 μm or less and transmits a wavelength of 0.7 μm or more) and a beam splitter 67 (wavelength).
At 0.7 μm or less, transmittance: reflectance = 1: 1, 0.7 μm
100% transmission above), half mirror 37, and λ
After passing through the / plate 55, the light becomes circularly polarized light, and is condensed at the front focal position 81 by the objective lens 38, and becomes a spot having a light intensity distribution similar to that shown in FIG. The position of the condensed spot is the same as the position of the condensed spot of the He-Ne infrared laser 31. On the other hand, the S-polarized beam is reflected by the polarizing beam splitter 48, passes through the λ / 4 plate 49, becomes circularly polarized light, and enters the reference mirror 50. Now, as shown in FIG. 6 (a), beams 140 of He-Ne infrared lasers 31 and 43 are emitted.
When the focused spots (solid line) and 141 (dashed line) are set on the surface 42P of the sample 42, the reflected light of the beam 141 returning to the Michelson interference optical system 520 is based on the photoacoustic effect generated on the surface 42P of the sample 42. The small displacement has phase information. Also, as shown in FIG. 6 (b), when both condensed spots are set on the inner surface 42S of the sample 42, the reflected light of the beam 141 is also based on the photoacoustic effect generated at the inner interface 42S. The small displacement has phase information. Beam 14
The reflected light 1 becomes S-polarized light after passing through the objective lens 38 and the λ / 4 plate 55, and is reflected by the polarization beam splitter 48. The reflected light from the reference mirror 50 becomes P-polarized light after passing through the λ / 4 plate 49 and transmits through the polarization beam splitter 48. In FIG.
110 indicates the polarization direction of the reflected light from the sample 42, and 111 indicates the polarization direction of the reflected light from the reference mirror 50. Since they are orthogonal to each other, they do not interfere with each other. However, a polarizing plate 56 is inserted into the optical path, and its polarization direction is changed as shown in FIG.
By setting the direction to 45 ° as shown at 112, the two reflected lights interfere with each other. This interference light includes, as light intensity information, a small displacement generated on the surface or the internal interface of the sample 42 due to the photoacoustic effect. It is detected by the conversion element 59. As described above, this Michelson interference optical system 520
In, the front focal position 82 of the lens 47, the front focal position 81 of the objective lens 38 and the rear focal position 83 of the lens 57 are:
It is conjugate and confocal at the same time.
A pinhole 58 is provided at the rear focal point 83 of the 57. This effect will be described with reference to FIG. Now, He-
Focus spot 81 of beam 141 (solid line) of Ne infrared laser 43
Is set on the internal interface 42S of the sample 42, and when the optical, thermal, and elastic information of this interface is to be detected, the reflected light 141Q (broken line) on the surface 42P of the sample 42 or other When the reflected light from the internal interface and the high-order diffracted light component generated from the minute unevenness on the surface of the sample 42 enter the photoelectric conversion element 59, the S / N ratio and the detection accuracy of the interference intensity signal, that is, the photoacoustic signal are significantly reduced. Therefore, as described above, the optical system is a confocal optical system, and further, the rear focal position 83 of the lens 57,
That is, the image forming surface of the condensing spot 81 (the photoelectric conversion element 59 surface)
The stray light is shielded by installing a pinhole 58 in the camera. After the photoelectrically converted interference intensity signal is amplified by the preamplifier 60, it is sent to the lock-in amplifier 77. In the lock-in amplifier 77, the acousto-optic modulator 32
The amplitude of the modulation frequency component included in the interference intensity signal and the phase component with respect to the modulation frequency signal are extracted by using the modulation frequency signal from the oscillator 76 used for driving the reference signal as a reference signal. The amplitude and phase components of this frequency component have information in the heat diffusion region Vth defined by the modulation frequency. Therefore,
If there is a defect such as a crack in the thermal diffusion region Vth , the amplitude and phase of the modulation frequency component in the interference intensity signal changes,
You can know its existence.

本実施例では、上記のように試料42を搭載したZステ
ージ41を走査することにより、第6図に示すように、対
物レンズ38の前側焦点位置81すなわち2つのHe−Ne赤外
レーザ31および43の集光スポットを、試料42の深さ方向
に走査する。ここで、2つの集光スポット位置の、試料
42の表面42Pに対する変位量を常にモニタしておく必要
がある。本実施例では、共焦点光学系の特徴を活かした
高精度な自動焦点機能を付加している。
In this embodiment, by scanning the Z stage 41 on which the sample 42 is mounted as described above, as shown in FIG. 6, the front focal position 81 of the objective lens 38, that is, the two He-Ne infrared lasers 31 and The light-collecting spot 43 is scanned in the depth direction of the sample 42. Here, the sample at two focused spot positions
It is necessary to constantly monitor the amount of displacement of 42 with respect to surface 42P. In this embodiment, a high-precision automatic focusing function utilizing the features of the confocal optical system is added.

すなわち、自動焦点用レーザ照射光学系530中のHe−N
eレーザ(波長0.633μm)61から出射した平行光を、ビ
ームエキスパンダ62により所望のビーム径に拡大したの
ち、レンズ63によりその後側焦点位置84に集光させる。
焦点位置84にはピンホール64が設置されており、第3図
に示したのと同様にして、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84はレンズ65
の前側焦点位置となっており、ピンホール64通過後の光
束はレンズ65により平行光になる。上記平行光はダイク
ロイックミラー66で反射され、ビームスプリッタ67およ
びハーフミラー37を通過後、対物レンズ38により試料42
上の81の位置(対物レンズ38の前側焦点位置)に集光さ
れ、第4図に示すのと同様の光強度分布をもつスポット
になる。試料42からの反射光は、対物レンズ38、ハーフ
ミラー37を通過後、ビームスプリッタ67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68
で2つのビームに分離される。それぞれのビームは、レ
ンズ69および72により各後側焦点距離に集光される。各
光路にホトダイオード等の光電変換素子71および74を、
また、その直前にピンホール70および73を設置する。こ
こで、ピンホール70はレンズ69の後側焦点位置よりもFa
だけ後側に、また、ピンホール73はレンズ72の後側焦点
位置よりもFb(=Fa)だけ前側に設置する。説明を簡略
化するために、対物レンズ38がHe−Ne赤外レーザ光(波
長1.15μm)、He−Neレーザ光(波長0.633μm)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8図(a)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8図(b)に破線で示すように、ピンホー
ル70を通過する光量は減少する。第9図はZステージの
移動量と2つの光電変換素子71の出力電流103および74
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75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。
That is, the He-N in the laser irradiation optical system 530 for automatic focusing.
The parallel light emitted from the e-laser (wavelength: 0.633 μm) 61 is expanded to a desired beam diameter by the beam expander 62, and then focused by the lens 63 to the rear focal position 84.
A pinhole 64 is provided at the focal position 84, and high-order diffracted light components around the peak portion of the condensed spot are shielded in the same manner as shown in FIG. Focus position 84 is lens 65
The light flux after passing through the pinhole 64 is converted into parallel light by the lens 65. The parallel light is reflected by a dichroic mirror 66, passes through a beam splitter 67 and a half mirror 37, and is then sampled by an objective lens 38.
The light is condensed at the upper position 81 (the front focal position of the objective lens 38) and becomes a spot having a light intensity distribution similar to that shown in FIG. The reflected light from the sample 42 passes through the objective lens 38 and the half mirror 37, is reflected by the beam splitter 67, is guided to the auto-focusing optical system 540, and is further reflected by the beam splitter 68.
Is separated into two beams. Each beam is focused at each back focal length by lenses 69 and 72. Photoelectric conversion elements 71 and 74 such as photodiodes in each optical path,
Immediately before that, pinholes 70 and 73 are installed. Here, the pinhole 70 is smaller than the rear focal position of the lens 69 by Fa.
And the pinhole 73 is located on the front side of the rear focal position of the lens 72 by Fb (= Fa). In order to simplify the description, the objective lens 38 has been corrected for chromatic aberration with respect to He-Ne infrared laser light (wavelength 1.15 μm) and He-Ne laser light (wavelength 0.633 μm). It is assumed that the light is focused on the surface. The position of the Z stage at this time is set as a reference position. As shown in FIG. 8 (a), when the Z stage moves up and the sample surface 42P moves to the + side (broken line in the figure), as shown by the broken line in FIG. The amount of light passing through decreases. FIG. 9 shows the movement amount of the Z stage and the output currents 103 and 74 of the two photoelectric conversion elements 71.
Of the output current 104 of FIG. By comparing the two output currents with the comparison circuit 75 in FIG. 2, the position of the Z stage can always be monitored.

信号処理系550においては、Zステージ41、XYステー
ジ40の移動信号およびロックインアンプ77からの出力信
号が、計算機78で処理され、試料42内部の3次元光音響
像をモニタテレビジョンの表示器79に出力される。
In the signal processing system 550, the movement signal of the Z stage 41 and the XY stage 40 and the output signal from the lock-in amplifier 77 are processed by a computer 78, and the three-dimensional photoacoustic image inside the sample 42 is displayed on a display of a monitor television. Output to 79.

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
が可能となり、横方向およ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。
According to this embodiment, by using infrared light as excitation light, it becomes possible to scan the focused spot in the depth direction inside a sample opaque to visible light such as Si, Internal information (internal defects) at an arbitrary depth position of a sample (for example, a semiconductor element) can be stably detected without lowering the resolution in the lateral direction and the depth direction.

また、従来は試料内部の界面で発生した光音響効果を
試料表面の微小変位として検出していたが、本実施例で
は光干渉検出のためのプローブ光として赤外光を用いる
ことにより、内部界面で発生した光音響効果を直接内部
界面の微小変位として検出することができ、検出感度が
大幅に向上する。また、すべ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、同時に検出すべき
界面以外の試料内部界面からの反射光、あるいは試料表
面の微小な凹凸より発生した高次回折光成分の影響を低
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こ
とにより、2つの集光スポット位置を、安定に試料の深
さ方向に走査することができ、光音響信号の安定検出が
可能になる。また、上記機能によって、第10図に示すよ
うに、回路パタンが形成された半導体ウエハのように試
料表面に凹凸がある場合でも、安定に集光スポット位置
を制御することができる。
Conventionally, the photoacoustic effect generated at the interface inside the sample was detected as a small displacement on the sample surface. However, in this embodiment, the infrared light is used as the probe light for detecting the light interference, so that the internal interface can be detected. The photoacoustic effect generated in the above can be directly detected as a minute displacement of the internal interface, and the detection sensitivity is greatly improved. In addition, by configuring all optical systems as confocal optical systems, the lateral resolution and detection sensitivity of the photoacoustic signal can be improved, and at the same time, the reflected light from the sample internal interface other than the interface to be detected, or The effect of high-order diffracted light components generated by minute irregularities on the sample surface can be reduced. In addition, by adding an autofocus optical system composed of a confocal optical system and monitoring the position of the sample surface, it is possible to stably scan the two focused spot positions in the depth direction of the sample. A stable detection of an acoustic signal becomes possible. In addition, the above-mentioned function can stably control the position of the converging spot even when the sample surface has irregularities such as a semiconductor wafer on which a circuit pattern is formed as shown in FIG.

第2実施例 本発明の第2実施例を第11図および第12図に基づいて
説明する。第11図は第2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実施例の光学系と
同様に、光音響効果を生じさせるためのHe−Ne赤外レー
ザ(波長1.15μm)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および信号処理系550からなる。各光学系の構
成とその機能は第1実施例と全く同じであるため説明を
省略する。第1実施例と異なる点はつぎの通りである。
すなわち第1実施例では、励起光であるHe−Ne赤外レー
ザ31およびプローブ光であるHe−Ne赤外レーザ43の各集
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、上記機能を実現
している。
Second Embodiment A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 11 shows a photoacoustic detection optical system in the second embodiment. This optical system is a modulated laser irradiation optical system 510 using a He-Ne infrared laser (wavelength: 1.15 μm) 31 as a light source for generating a photoacoustic effect, and transmits a photoacoustic signal, similarly to the optical system of the first embodiment. It comprises a Michelson interference optical system 520 for detection, a laser irradiation optical system 530 for automatic focusing, an automatic focusing optical system 540, and a signal processing system 550. The configuration of each optical system and its function are exactly the same as those in the first embodiment, and thus description thereof will be omitted. The differences from the first embodiment are as follows.
That is, in the first embodiment, scanning of the Z stage is performed as means for scanning each focused spot of the He-Ne infrared laser 31 as the excitation light and the He-Ne infrared laser 43 as the probe light within the sample. In this embodiment, the objective lens is used.
The above function is realized by finely moving 38 in the optical axis direction.

第12図は対物レンズ38の微動機構を示したものであ
る。上記対物レンズ38はホルダ130に固定され、さらに
板ばね131a,131bを介してホルダ120に保持されている。
計算機78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
し、He−Ne赤外レーザ31から出た励起用ビーム140およ
びHe−Ne赤外レーザ43から出たプローブ用ビーム141の
各集光スポット81を深さ方向に走査させ、例えば試料42
の内部界面42S上に設定することができる。信号処理系5
50においては、対物レンズ38、XYステージ40の移動信号
およびロックインアンプ77からの出力信号が計算機78で
処理され、試料42内部の3次元光音響像がモニタテレビ
ジョン等の表示器79に出力される。
FIG. 12 shows a fine movement mechanism of the objective lens 38. The objective lens 38 is fixed to a holder 130, and is held by the holder 120 via leaf springs 131a and 131b.
The PZT element 133 is driven through the PZT drive circuit 121 by the fine movement signal from the computer 78 to finely move the objective lens 38 in the optical axis direction, and the excitation beam 140 and the He-Ne beam emitted from the He-Ne infrared laser 31 are emitted. Each focused spot 81 of the probe beam 141 emitted from the Ne infrared laser 43 is scanned in the depth direction, for example, the sample 42
Can be set on the internal interface 42S. Signal processing system 5
In 50, the movement signal of the objective lens 38 and the XY stage 40 and the output signal from the lock-in amplifier 77 are processed by a computer 78, and a three-dimensional photoacoustic image inside the sample 42 is output to a display 79 such as a monitor television. Is done.

本実施例によれば第1実施例と全く同様の効果が得ら
れる。
According to the present embodiment, exactly the same effects as in the first embodiment can be obtained.

第3実施例 本発明の第3実施例を第13図〜第15図に基づいて説明
する。第13図は第3実施例の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実施
例と全く同じであり、上記第1実施例と異なる点はつぎ
の通りである。すなわち、本実施例では第14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203
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、He−Ne赤外レ
ーザ31から出た励起用ビーム150およびHe−Ne赤外レー
ザ43から出たプローブ用ビーム151の各集光スポット81
を、試料42の深さ方向に走査させ、例えば内部界面42S
上に設定することができる。上記リレーレンズ203はホ
ルダ201に固定され、さらに板ばね202a,202bを介して、
対物レンズ38に固定されたホルダ200に保持されてい
る。計算機78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203を光軸方
向に微動する。第15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203との配置を示したもの
である。上記対物レンズ38′の焦点距離をfo、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)式で与えられる。
Third Embodiment A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 13 shows a photoacoustic detection optical system according to the third embodiment. The basic configuration and functions of the present optical system are exactly the same as those of the first embodiment, and the differences from the first embodiment are as follows. That is, in this embodiment, as shown in FIG. 14, the relay lens 203 is placed between the objective lens 38 and the sample 42.
Is inserted, and the focal length of the objective lens 38 is effectively changed by slightly moving this in the optical axis direction, and the excitation beam 150 and the He-Ne infrared laser 43 emitted from the He-Ne infrared laser 31 are used. Each focused spot 81 of the emitted probe beam 151
Is scanned in the depth direction of the sample 42, for example, the internal interface 42S
Can be set on. The relay lens 203 is fixed to the holder 201, and further via leaf springs 202a and 202b.
It is held by a holder 200 fixed to the objective lens 38. The PZT element 133 is driven via the PZT drive circuit 121 by the fine movement signal from the computer 78, and the relay lens 203 is finely moved in the optical axis direction. FIG. 15 shows the arrangement of the objective lens 38 'and the relay lens 203 modeled as a single lens. Assuming that the focal length of the objective lens 38 'is fo, the focal length of the relay lens is fr, and the distance between the two lenses is a,
The distance from the objective lens 38 'to the laser focused spot, that is, the effective focal length fa is given by the following equation (2).

両レンズ間の距離aを変えることにより、実効的焦点
距離faが変化し、集光スポットを深さ方向に走査できる
ことが判る。
It can be seen that by changing the distance a between the two lenses, the effective focal length fa changes and the focused spot can be scanned in the depth direction.

信号処理系550においては、リレーレンズ203、XYステ
ージ40の移動信号およびロックインアンプ77からの出力
信号が、計算機78で処理され、試料42内部の3次元光音
響像がモニタテレビジョン等の表示器79に出力される。
In the signal processing system 550, the movement signal of the relay lens 203 and the XY stage 40 and the output signal from the lock-in amplifier 77 are processed by the computer 78, and the three-dimensional photoacoustic image inside the sample 42 is displayed on a monitor television or the like. Is output to the container 79.

本実施例によれば第1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および43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、集光スポット移動時における光
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。
According to the present embodiment, exactly the same effects as in the first embodiment can be obtained. In addition, the mechanical stability of the optical system during the movement of the converging spot is increased by employing a simple fine movement of one relay lens as a means for moving the converging spot of the He-Ne infrared lasers 31 and 43. Thus, more stable photoacoustic signal detection becomes possible.

第4実施例 本発明の第4実施例を第16図〜第18図に基づいて説明
する。第16図は第4実施例の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実施例
の全く同であり、第1実施例と異なる点はつぎの通りで
ある。すなわち本実施例では、第17図に示すように、対
物レンズ38と試料42との間に2組のくさび形ガラス213
および214を挿入し、上記くさび形ガラス213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、He−Ne赤外レーザ31から出
た励起用ビーム150およびHe−Ne赤外レーザ43から出た
プローブ用ビーム151の各集光スポット81を、試料42の
深さ方向に走査させ、例えば内部界面42S上に設定する
ことができる。くさび形ガラス214は、対物レンズ38と
共にホルダ210に固定されている。計算機78からの微動
信号によりPZT駆動回路121を介してPZT素子211を駆動
し、くさび形ガラス213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3
8′と、くさび形ガラス213および214の配置を示したも
のである。対物レンズ38′の焦点距離をfo、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。
Fourth Embodiment A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 16 shows a photoacoustic detection optical system of the fourth embodiment. The basic configuration and functions of the present optical system are exactly the same as those of the first embodiment, and the differences from the first embodiment are as follows. That is, in this embodiment, as shown in FIG. 17, two sets of wedge-shaped glasses 213 are provided between the objective lens 38 and the sample 42.
And 214 are inserted, and the wedge-shaped glass 213 is slightly moved in a direction perpendicular to the optical axis, thereby effectively changing the focal length of the objective lens 38, and the excitation beam emitted from the He-Ne infrared laser 31. Each of the focused spots 81 of the probe beam 151 emitted from the 150 and the He-Ne infrared laser 43 can be scanned in the depth direction of the sample 42 and set on, for example, the internal interface 42S. The wedge-shaped glass 214 is fixed to the holder 210 together with the objective lens 38. The PZT element 211 is driven by the fine movement signal from the computer 78 via the PZT drive circuit 121 to finely move the wedge-shaped glass 213 in a direction orthogonal to the optical axis. Figure 20 shows the objective lens 3 modeled as a single lens.
8 'and the arrangement of the wedge glasses 213 and 214. The focal length of the objective lens 38 'is fo, the sum of the thicknesses of the two wedge-shaped glasses is g, and the refractive index of the wedge-shaped glass is
Assuming that ng and the refractive index of air are 1.0, the distance from the objective lens 38 'to the laser condensing spot, that is, the effective focal length fg in the paraxial region is given by Expression (3).

くさび形ガラス213を微動し、2枚のくさび形ガラス
の厚さの和gを変えることにより、実効的焦点距離fgが
変化し、集光スポットを深さ方向に走査できることが判
る。
By finely moving the wedge-shaped glass 213 and changing the sum g of the thicknesses of the two wedge-shaped glasses, it can be seen that the effective focal length fg changes and the light-converged spot can be scanned in the depth direction.

信号処理系550においては、くさび形ガラス213、XYス
テージ40の移動信号およびロックインアンプ77からの出
力信号が計算機78で処理され、試料42内部の3次元光音
響像がモニタテレビジョン等の表示器79に出力される。
In the signal processing system 550, the wedge-shaped glass 213, the movement signal of the XY stage 40, and the output signal from the lock-in amplifier 77 are processed by the computer 78, and the three-dimensional photoacoustic image inside the sample 42 is displayed on a monitor television or the like. Is output to the container 79.

本実施例によれば第1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および43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、集光スポット移動時における
光学系の機械的安定性が増し、より安定な光音響信号検
出が可能になる。
According to the present embodiment, exactly the same effects as in the first embodiment can be obtained. In addition, as a means for moving the condensed spot of the He-Ne infrared lasers 31 and 43, the mechanical stability of the optical system when the condensed spot is moved is improved by adopting a simple movement of a single wedge glass. In addition, more stable photoacoustic signal detection becomes possible.

第5実施例 本発明の第5実施例を第19図および第20図により説明
する。第19図は第5実施例における光音響検出光学系を
示すものである。上記4つの実施例においては、試料表
面あるいは内部界面で生じた光音響効果による微小変位
を、上記表面あるいは界面に入射したプローブ光の反射
光と参照ミラーからの反射光との干渉、いわゆるマイケ
ルソン干渉計により検出している。一方、本実施例で
は、上記試料表面あるいは内部界面で生じた微小変位を
位相変化として考え、これを試料表面あるいは内部界面
を透過したプローブ光の位相変化から求める。第19図に
示すように、光音響効果を生じさせるための変調レーザ
照射光学系510、自動焦点用レーザ照射光学系530、自動
焦点光学系540および信号処理系550の構成とその機能
は、第1実施例と全く同じであるので説明は省略する。
以下では透過プローブ光の位相変化から光音響効果によ
る微小変位を検出するマッハ・ツェンダ干渉光学系560
について説明する。
Fifth Embodiment A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 19 shows a photoacoustic detection optical system in the fifth embodiment. In the above four embodiments, the minute displacement due to the photoacoustic effect generated on the sample surface or the internal interface is caused by the interference between the reflected light of the probe light incident on the surface or the interface and the reflected light from the reference mirror, so-called Michelson Detected by interferometer. On the other hand, in the present embodiment, the small displacement generated on the sample surface or the internal interface is considered as a phase change, and this is obtained from the phase change of the probe light transmitted through the sample surface or the internal interface. As shown in FIG. 19, the configurations and functions of a modulation laser irradiation optical system 510 for generating a photoacoustic effect, a laser irradiation optical system for automatic focusing 530, an automatic focusing optical system 540, and a signal processing system 550 are as follows. The description is omitted because it is completely the same as the first embodiment.
In the following, a Mach-Zehnder interference optical system 560 that detects minute displacement due to the photoacoustic effect from the phase change of the transmitted probe light
Will be described.

今、試料42を搭載した試料台309(試料部分はプロー
ブ光が通過できるように穴があいている)を保持したZ
ステージ311を走査することにより、第20図に示すよう
に、対物レンズ38の前側焦点位置81、すなわち励起用の
He−Ne赤外レーザ31のビーム170(実線)の集光スポッ
トを試料42の深さ方向に走査する。集光スポットの位置
が第6図(a)の場合は試料42の表面42Pにおいて、ま
た、第6図(b)の場合は試料42の内部界面42Sにおい
て、光音響効果により生じた熱歪波により超音波(熱弾
性波)が発生し、同時に試料42表面42P、あるいは内部
界面42Sに微小変位が生じる。
Now, a sample holder 309 holding a sample 42 (a sample portion is perforated so that probe light can pass through) Z
By scanning the stage 311, as shown in FIG. 20, the front focal position 81 of the objective lens 38, that is, for excitation,
The focused spot of the beam 170 (solid line) of the He-Ne infrared laser 31 is scanned in the depth direction of the sample 42. In the case where the position of the condensed spot is shown in FIG. 6 (a), at the surface 42P of the sample 42, and in the case of FIG. As a result, an ultrasonic wave (thermoelastic wave) is generated, and at the same time, a minute displacement occurs on the surface 42P of the sample 42 or the internal interface 42S.

マッハ・ツェンダ干渉光学系560において、He−Ne赤
外レーザ(波長1.15μm)301から出射した非偏光の平
行光をビームエキスパンダ302により所望のビーム径に
拡大したのち、レンズ303によりその後側焦点位置331に
集光させる。焦点位置331にはピンホール304が設置され
ており、第3図に示したのと同様にして、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331はレンズ305の前側焦点位置となっており、ピンホ
ール304通過後の光束はレンズ305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306によりP偏光と
S偏光とに分離される。S偏光ビームは偏光ビームスプ
リッタ306で反射され、ダイクロイックミラー66、ビー
ムスプリッタ67、ハーフミラー37およびλ/4板55を通過
したのち円偏光となり、対物レンズ38によりその前側焦
点位置81に集光され、第4図に示すのと同様の光強度分
布をもつスポットになる。この集光スポットの位置は、
He−Neレーザ31の集光スポットの位置と同じである。い
ま、第20図(a)あるいは(b)に示すように、両集光
スポットを試料42の表面42Pあるいは内部界面42S上に設
定した場合、プローブ用のHe−Ne赤外レーザ301のビー
ム171(破線)の試料透過光は、試料表面42Pあるいは内
部界面42Sで発生した光音響効果に基づく微小変位を位
相情報としてもっている。対物レンズ38の前側焦点位置
81は対物レンズ312の前側焦点位置となっており、試料4
2を透過した光は対物レンズ312により平行光となる。上
記平行光はλ/4板313通過後P偏光ビーム380となる。一
方、偏光ビームスプリッタ306を透過したP偏光ビーム
はλ/2板307を通過後S偏光ビーム381となる。P偏光ビ
ームは偏光ビームスプリッタ315を通過し、またS偏光
ビームは偏光ビームスプリッタ315で反射される。両ビ
ームの偏光方向は第5図に示すように互いに直交してい
るので、このままでは干渉しない。そこで、第1実施例
と同様に偏光板316を光路に挿入し、その偏光方向を第
5図に示すように45゜方向とすることにより、両ビーム
は干渉することになる。この干渉光には、光音響効果に
より試料42表面あるいは内部界面で生じた微小変位に基
づく位相情報が、光強度情報として含まれており、これ
をレンズ317によりその後側焦点位置332に集光し、ホト
ダイオード等の光電変換素子319で検出する。このマッ
ハ・ツェンダ干渉光学系560において、レンズ305の前側
焦点位置331、対物レンズ38および312の前側焦点位置81
およびレンズ317の後側焦点位置332とは、共役であると
同時に共焦点の関係にあり、さらにレンズ317の後側焦
点位置332にはピンホール318が設置されている。この効
果は第7図に示すように第1実施例と同様である。
In the Mach-Zehnder interference optical system 560, the unpolarized parallel light emitted from the He-Ne infrared laser (wavelength: 1.15 μm) 301 is expanded to a desired beam diameter by the beam expander 302, and then the rear focus by the lens 303. The light is focused at the position 331. A pinhole 304 is provided at the focal position 331, and high-order diffracted light components around the peak of the condensed spot are shielded in the same manner as shown in FIG. The focal position 331 is the front focal position of the lens 305, and the light beam after passing through the pinhole 304 is converted into parallel light by the lens 305.
This parallel light is split into P-polarized light and S-polarized light by the polarization beam splitter 306. The S-polarized beam is reflected by the polarizing beam splitter 306, passes through the dichroic mirror 66, the beam splitter 67, the half mirror 37 and the λ / 4 plate 55, becomes circularly polarized, and is condensed by the objective lens 38 at its front focal position 81. , And a spot having a light intensity distribution similar to that shown in FIG. The position of this focusing spot is
This is the same as the position of the converging spot of the He-Ne laser 31. Now, as shown in FIG. 20 (a) or (b), when both focused spots are set on the surface 42P or the internal interface 42S of the sample 42, the beam 171 of the He-Ne infrared laser 301 for a probe is used. The sample transmitted light (broken line) has a minute displacement based on the photoacoustic effect generated on the sample surface 42P or the internal interface 42S as phase information. Front focal position of objective lens 38
Reference numeral 81 denotes the front focal position of the objective lens 312,
The light transmitted through 2 becomes parallel light by the objective lens 312. The parallel light becomes a P-polarized beam 380 after passing through the λ / 4 plate 313. On the other hand, the P-polarized beam transmitted through the polarizing beam splitter 306 becomes an S-polarized beam 381 after passing through a λ / 2 plate 307. The P-polarized beam passes through the polarizing beam splitter 315, and the S-polarized beam is reflected by the polarizing beam splitter 315. Since the polarization directions of both beams are orthogonal to each other as shown in FIG. 5, there is no interference in this state. Therefore, as in the first embodiment, the polarizing plate 316 is inserted into the optical path and the polarization direction is set to 45 ° as shown in FIG. 5, so that both beams interfere with each other. The interference light includes phase information based on minute displacement generated on the surface or the internal interface of the sample 42 due to the photoacoustic effect as light intensity information. , A photoelectric conversion element 319 such as a photodiode. In the Mach-Zehnder interference optical system 560, the front focal position 331 of the lens 305 and the front focal position 81 of the objective lenses 38 and 312
The lens 317 has a conjugate and confocal relationship with the rear focal position 332 of the lens 317, and a pinhole 318 is provided at the rear focal position 332 of the lens 317. This effect is the same as in the first embodiment as shown in FIG.

信号処理系550においては、Zステージ311、XYステー
ジ310の移動信号およびロックインアンプ77からの出力
信号が計算機78で処理され、試料42内部の3次元光音響
画像がモニタテレビジョン等の表示器79に出力される。
In the signal processing system 550, the movement signal of the Z stage 311, the XY stage 310 and the output signal from the lock-in amplifier 77 are processed by the computer 78, and the three-dimensional photoacoustic image inside the sample 42 is displayed on a display such as a monitor television. Output to 79.

本実施例によれば、第1実施例と全く同様の効果が得
られる。また、透過プローブ光を使うことにより、先の
4つの実施例のように、反射プローブ光では検出困難で
ある。試料の内部界面以外の場所における光学的・熱的
・弾性的情報を得ることができる。
According to this embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained. Further, by using the transmitted probe light, it is difficult to detect the reflected probe light as in the above four embodiments. Optical, thermal, and elastic information can be obtained at locations other than the internal interface of the sample.

第6実施例 本発明の第6実施例を第21図に基づいて説明する。本
実施例における光音響検出光学系の基本構成とその機能
は、第5実施例と全く同じであり説明を省略する。第5
実施例では励起光であるHe−Ne赤外レーザ31およびプロ
ーブ光であるHe−Ne赤外レーザ301の各集光スポットを
試料の深さ方向に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、本実施例では第4実施例同様第21
図(a)に示すように、対物レンズ38と試料321との間
に2組のくさび形ガラス322および323を、また試料321
と対物レンズ312との間に2組のくさび形ガラス324およ
び325をそれぞれ挿入し、第21図(b)に示すように、
くさび形ガラス322および324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および312の焦点距
離を実効的に変化させ、2つの集光スポットを試料321
の深さ方向に走査させる。
Sixth Embodiment A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The basic configuration and functions of the photoacoustic detection optical system in this embodiment are exactly the same as those in the fifth embodiment, and a description thereof will be omitted. Fifth
In the embodiment, Z-stage scanning is employed as a means for scanning each focused spot of the He-Ne infrared laser 31 as the excitation light and the He-Ne infrared laser 301 as the probe light in the depth direction of the sample. However, in the present embodiment, as in the fourth embodiment, the twenty-first
As shown in FIG. 7A, two sets of wedge-shaped glasses 322 and 323 are provided between the objective lens 38 and the sample 321 and the sample 321 is also provided.
Two sets of wedge-shaped glasses 324 and 325 are inserted between the lens and the objective lens 312, respectively, as shown in FIG.
By finely moving the wedge-shaped glasses 322 and 324 in a direction perpendicular to the optical axis, the focal lengths of the objective lenses 38 and 312 are effectively changed, and the two condensed spots are moved to the sample 321.
In the depth direction.

対物レンズ38および312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fg,fg′は(3)式で
与えられる。2つの集光スポットを走査する際は、2つ
の対物レンズ38および312の実効的焦点位置が常に一致
するように、くさび形ガラス322および324を微動する必
要がある。すなわち、集光スポットを上昇させるには、
くさび形ガラス322および323の厚さの和が小さくなる方
向に、上記くさび形ガラス322を微動すると同時に、く
さび形ガラス324および325の厚さの和が大きくなる方向
にくさび形ガラス324を微動し、2つの対物レンズ間の
光路長を一定にする必要がある。また、くさび形ガラス
の代わりに第14図に示す第3実施例同様に、リレーレン
ズを使うことも可能である。
The distance from the objective lenses 38 and 312 to the laser focused spot, that is, the effective focal lengths fg and fg 'are given by equation (3). When scanning the two focused spots, it is necessary to finely move the wedge-shaped glasses 322 and 324 so that the effective focal positions of the two objective lenses 38 and 312 always coincide. In other words, to raise the focusing spot,
Finely moving the wedge-shaped glass 322 in the direction in which the sum of the thicknesses of the wedge-shaped glass 322 and 323 becomes smaller, and finely moving the wedge-shaped glass 324 in the direction in which the sum of the thicknesses of the wedge-shaped glass 324 and 325 becomes larger. It is necessary to make the optical path length between the two objective lenses constant. It is also possible to use a relay lens in place of the wedge-shaped glass as in the third embodiment shown in FIG.

本実施例によれば、第5実施例と全く同様の効果が得
られる。また、He−Neレーザ31および301の集光スポッ
トの移動手段として、単純な2枚のくさび形ガラスの微
動を採用することにより、集光スポット移動時における
光学系の機械的安定性が増し、より安定な光音響信号検
出が可能になる。
According to this embodiment, the same effects as in the fifth embodiment can be obtained. Further, as a means for moving the condensed spots of the He-Ne lasers 31 and 301, the mechanical stability of the optical system at the time of moving the condensed spot is increased by adopting a simple movement of two wedge-shaped glasses, More stable photoacoustic signal detection becomes possible.

上記の6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1.15
μm)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、セラ
ミック基板等)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。
In the above six embodiments, a He-Ne infrared laser (having a wavelength of 1.15) was used as excitation light for generating a photoacoustic effect on a sample.
μm), but if an infrared semiconductor laser is used, an intensity-modulated beam can be obtained by amplitude-modulating the injection current. In that case, the acousto-optic modulator becomes unnecessary. Further, in the present invention, the excitation light is not limited to infrared light, and any light can be applied as long as the light has a wavelength that can transmit a sample (for example, a semiconductor, a ceramic substrate, or the like).

また、試料内で発生した光音響効果による試料表面あ
るいは内部界面での微小変位を検出する手段は、マイケ
ルソン干渉計、マッハ・ツェンダ干渉計に限定するもの
ではなく、他のヘテロダイン干渉計等も十分に適用でき
る。
In addition, the means for detecting a small displacement at the sample surface or internal interface due to the photoacoustic effect generated in the sample is not limited to the Michelson interferometer and the Mach-Zehnder interferometer, but other heterodyne interferometers and the like are also available. Applicable enough.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

上記のように本発明による光音響信号検出方法は、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、強度変調した光を試料上もしく
は試料内部に集光し、集光した光スポットを試料内部で
試料の深さ方向に走査して、上記試料内で光音響効果を
発生させるとともに、第2の光源から得られる試料を透
過する波長の光を、上記光スポット位置と同じ位置に集
光および走査し、上記集光スポットの反射光もしくは透
過光より光干渉を利用して、上記光音響効果による位相
変化を検出し、検出した信号から試料の表面および内部
情報を抽出することにより、光音響信号の横方向および
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
定に検出できるという効果を有する。また同時に、光音
響効果により発生した試料表面あるいは内部界面の微小
変位(深さ方向)を、光干渉を利用して検出するための
プローブ光として、励起光と同様に試料を透過できる波
長の光を用いることにより、例えば内部界面での微小変
位を直接検出することが可能となり、検出感度が大幅に
向上するという効果を有する。また、光学系をすべて共
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、同時に検出すべき界面
以外の試料内部界面からの反射光、あるいは試料表面の
微小な凹凸より発生した高次回折光成分の影響を低減す
ることができるという効果を有する。さらに、共焦点光
学系で構成した自動焦点光学系により、試料表面の位置
をモニタすることにより、励起光およびプローブ光の集
光スポット位置を安定に試料の深さ方向に走査でき、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。
さらにまた、励起光およびプローブ光として赤外光を用
いることにより、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という効果を有する。
As described above, the photoacoustic signal detection method according to the present invention modulates the intensity of light having a wavelength transmitted through the sample from the first light source at a desired frequency, and collects the intensity-modulated light on the sample or inside the sample. Light, the condensed light spot is scanned inside the sample in the depth direction of the sample to generate a photoacoustic effect in the sample, and light having a wavelength transmitted through the sample obtained from the second light source, Focusing and scanning at the same position as the light spot position, utilizing light interference from reflected light or transmitted light of the focused spot, detecting a phase change due to the photoacoustic effect, and detecting the surface of the sample from the detected signal By extracting internal information, it is possible to stably detect internal information (for example, an internal defect of a semiconductor element) at an arbitrary depth position of a sample without lowering the resolution of the photoacoustic signal in the lateral direction and the depth direction. It has an effect. At the same time, as probe light for detecting minute displacement (depth direction) of the sample surface or internal interface generated by the photoacoustic effect using optical interference, light having a wavelength capable of transmitting through the sample in the same manner as excitation light. By using, for example, it is possible to directly detect a minute displacement at an internal interface, and there is an effect that detection sensitivity is greatly improved. In addition, by configuring all the optical systems as confocal optical systems, the lateral resolution and detection sensitivity of the photoacoustic signal are improved, and at the same time, the reflected light from the internal interface of the sample other than the interface to be detected or the minute surface of the sample surface This has the effect of reducing the influence of higher-order diffracted light components generated by unevenness. In addition, by monitoring the position of the sample surface with an autofocus optical system composed of confocal optical systems, the focused spot position of the excitation light and probe light can be stably scanned in the depth direction of the sample, and the photoacoustic signal Has the effect of enabling stable detection of
Furthermore, by using infrared light as the excitation light and the probe light, there is an effect that disconnection, crack, or the like of the wiring in the semiconductor element can be detected.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図(a),(b),(c)は本発明の基本原理をそ
れぞれ説明する図、第2図は本発明による光音響信号検
出方法の第1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図は偏光板の偏
光方向を示す図、第6図(a)および(b)は集光スポ
ットの走査をそれぞれ示す図、第7図は共焦点光学系と
ピンホールの効果を示す図、第8図(a)および(b)
はそれぞれ自動焦点光学系を示す図、第9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10図は凹凸がある試料表面上にレーザ光が集光
する状態を示す図、第11図は本発明の第2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図は本発明の第3実施例にお
ける光音響検出光学系を示す図、第14図はリレーレンズ
の微動機構を示す断面図、第15図は対物レンズとリレー
レンズの配置を示す図、第16図は本発明の第4実施例に
おける光音響検出光学系を示す図、第17図はくさび形ガ
ラスの微動機構を示す断面図、第18図は対物レンズとく
さび形ガラスの配置を示す図、第19図は本発明の第5実
施例における光音響検出光学系を示す図、第20図(a)
および(b)は集光スポットの走査を説明する図、第21
図(a)および(b)は本発明の第6実施例における対
物レンズとくさび形ガラスの配置をそれぞれ示す図、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(a)および(b)は変
調周波数の変化による熱拡散領域の変化をそれぞれ示す
図である。 31……第1の光源 32……音響光学変調素子 38……対物レンズ 42……試料 43……第2の光源 59,71,74……光電変換素子 78……計算機
1 (a), 1 (b) and 1 (c) are diagrams for explaining the basic principle of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a photoacoustic detection optical system in a first embodiment of a photoacoustic signal detection method according to the present invention. FIG. 3, FIG. 3 is a diagram showing a high-order diffracted light component of a laser spot blocked by a pinhole, FIG. 4 is a diagram showing a light intensity distribution immediately after passing through a pinhole, and FIG. FIGS. 6 (a) and (b) show the scanning of the converging spot, respectively, FIG. 7 shows the confocal optical system and the effect of the pinhole, FIG. 8 (a) and FIG. (B)
Fig. 9 shows the autofocusing optical system, Fig. 9 shows the relationship between the amount of movement of the Z stage and the output current of the two photoelectric conversion elements, and Fig. 10 shows that the laser light is focused on the surface of the sample having irregularities. FIG. 11 is a diagram showing a photoacoustic detection optical system according to a second embodiment of the present invention, FIG. 12 is a sectional view showing a fine movement mechanism of an objective lens, and FIG. 13 is a third embodiment of the present invention. FIG. 14 is a view showing a photoacoustic detection optical system in the embodiment, FIG. 14 is a cross-sectional view showing a fine movement mechanism of a relay lens, FIG. 15 is a view showing an arrangement of an objective lens and a relay lens, and FIG. FIG. 17 shows a photoacoustic detection optical system in the embodiment, FIG. 17 is a cross-sectional view showing a fine movement mechanism of wedge-shaped glass, FIG. 18 shows an arrangement of an objective lens and wedge-shaped glass, and FIG. FIG. 20A shows a photoacoustic detection optical system in a fifth embodiment.
(B) is a diagram for explaining scanning of a converging spot, and FIG.
FIGS. 9A and 9B are diagrams respectively showing the arrangement of an objective lens and wedge-shaped glass according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing a conventional photoacoustic detection optical system, FIG. 23 is a diagram showing the principle of the photoacoustic effect, and FIGS. 24 (a) and (b) show changes in the heat diffusion region due to changes in the modulation frequency. FIG. 31 First light source 32 Acousto-optic modulator 38 Objective lens 42 Sample 43 Second light source 59, 71, 74 Photoelectric conversion element 78 Computer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 見坊 行雄 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 平2−36338(JP,A) 特開 昭63−58116(JP,A) 特開 平1−227957(JP,A) 特開 昭62−106366(JP,A) 特開 昭64−49955(JP,A) 特開 平1−151243(JP,A) 特開 昭61−140844(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Yukio Mibo 292, Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Inside the Hitachi, Ltd. Production Engineering Laboratory (56) References JP-A-2-36338 (JP, A) JP-A-63-58116 (JP, A) JP-A-1-227957 (JP, A) JP-A-62-106366 (JP, A) JP-A-64-49955 (JP, A) JP-A-1-151243 (JP, A) JP, A) JP-A-61-140844 (JP, A)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1の光源から得られる試料を透過する波
長の光を所望の周波数で強度変調し、該強度変調した光
を対物レンズを介して試料表面もしくは試料内部に集光
し、該集光した光スポットと上記試料との上記対物レン
ズの光軸方向の位置を相対的に変化させることにより上
記光スポットを上記試料内部で試料の深さ方向に走査し
て上記試料内で光音響効果を発生させるとともに、第2
の光源から得られる試料を透過する波長の光を上記対物
レンズを介して上記光スポット位置と同じ位置に集光し
て走査し、上記光スポットの位置に集光した前記第2の
光源からの光の反射光もしくは透過光により光干渉を利
用して上記光音響効果による位相変化を検出し、該検出
した信号から前記試料の表面および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。
1. A light source having a wavelength transmitted through a sample, obtained from a first light source, is intensity-modulated at a desired frequency, and the intensity-modulated light is condensed on a sample surface or inside a sample via an objective lens. By relatively changing the position of the condensed light spot and the sample in the optical axis direction of the objective lens, the light spot is scanned in the sample in the depth direction of the sample, and photoacoustic is generated in the sample. To produce an effect,
The light of the wavelength transmitted through the sample obtained from the light source is condensed and scanned at the same position as the light spot position via the objective lens, and the light from the second light source condensed at the light spot position A photoacoustic signal detection method comprising: detecting a phase change due to the photoacoustic effect using light interference by reflected light or transmitted light of light; and extracting information on a surface and an inside of the sample from the detected signal. .
【請求項2】第1の光源と、該第1の光源からの光を所
望の周波数で強度変調する変調手段と、該変調手段で強
度変調した光を対物レンズを介して試料表面もしくは試
料内部に集光する第1の集光手段と、第2の光源と、該
第2の光源からの光を上記対物レンズを介して上記集光
位置と同じ位置に集光する第2の集光手段と、上記試料
内で発生した光音響効果を上記第2の光源からの光を用
いて光干渉により検出する光干渉検出手段と、該光干渉
検出手段で検出した信号から試料の表面および内部情報
を抽出する情報抽出手段とを備えた光音響信号検出装置
であって、上記第1および第2の光源からの光が上記試
料を透過する波長の光であって、上記対物レンズを介し
て上記第1の集光手段で集光された光スポットおよび上
記対物レンズを介して上記第2の集光手段で集光された
光スポットと上記試料との上記対物レンズの光軸方向の
位置を相対的に変化させることにより上記2つの光スポ
ットを上記試料の内部において試料の深さ方向に走査す
る光スポット走査手段を設けたことを特徴とする光音響
信号検出装置。
A first light source; a modulating means for modulating the intensity of the light from the first light source at a desired frequency; and a light on which the intensity is modulated by the modulating means via the objective lens. First condensing means for converging light, a second light source, and second condensing means for condensing light from the second light source via the objective lens at the same position as the condensing position. Light interference detecting means for detecting a photoacoustic effect generated in the sample by light interference using light from the second light source; and information on the surface and internal information of the sample from a signal detected by the light interference detecting means. A photoacoustic signal detection device comprising: an information extraction unit that extracts light from the first and second light sources, wherein the light from the first and second light sources is light having a wavelength transmitted through the sample, and the light is transmitted through the objective lens. The light condensed by the first condensing means and the light passing through the objective lens The position of the light spot condensed by the second condensing means and the position of the sample relative to the sample in the optical axis direction of the objective lens are relatively changed, so that the two light spots are located inside the sample. A photoacoustic signal detection device provided with a light spot scanning unit that scans in a depth direction.
【請求項3】上記第1の集光手段と上記第2の集光手段
と上記光干渉検出手段とは、それぞれ共焦点光学系とし
て構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第2
項に記載した光音響信号検出装置。
3. The condensing optical system according to claim 2, wherein said first condensing means, said second condensing means, and said optical interference detecting means are each configured as a confocal optical system.
The photoacoustic signal detection device described in the paragraph.
【請求項4】上記第1および上記第2の光源からの光
は、赤外光であることを特徴とする特許請求の範囲第2
項または第3項に記載した光音響信号検出装置。
4. The light source according to claim 2, wherein the light from the first and second light sources is infrared light.
Item 4. The photoacoustic signal detection device according to item 3 or 3.
【請求項5】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周波数で強度変調し、該強度変調
した光を対物レンズを介して半導体素子の表面もしくは
内部に集光し、該集光した光スポットと上記半導体素子
との上記対物レンズの光軸方向の位置を相対的に変化さ
せることにより上記光スポットを上記半導体素子内部で
深さ方向に走査して上記半導体素子内部で光音響効果を
発生させるとともに、第2の光源から得られる上記半導
体素子を透過する波長の光を上記対物レンズを介して上
記光スポット位置と同じ位置に集光して走査し、上記光
スポットの位置に集光した前記第2の光源からの光の反
射光もしくは透過光により光干渉を利用して上記光音響
効果による位相変化を検出し、該検出した信号から前記
半導体素子の表面および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。
5. A light source having a wavelength transmitted through a semiconductor device obtained from a first light source and intensity-modulated at a desired frequency, and the intensity-modulated light is condensed on the surface or inside of the semiconductor device via an objective lens. Scanning the light spot in the depth direction inside the semiconductor element by relatively changing the position of the condensed light spot and the semiconductor element in the optical axis direction of the objective lens; Generates a photoacoustic effect at the same time, collects light having a wavelength transmitted from the second light source through the semiconductor element at the same position as the light spot position through the objective lens, and scans the light spot. A phase change due to the photoacoustic effect is detected using light interference by reflected light or transmitted light of the light from the second light source condensed at the position of the surface of the semiconductor element from the detected signal. The semiconductor device internal defect detection method characterized by extracting the internal information and.
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