JP3288670B2 - 試料の物理的性質の測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハや集
積回路のオンラインでの高い横分解能を持つ測定を可能
にするものである。特に、基板上に薄膜が多層に積層形
成された試料の各層の厚さを評価するのに使用できるも
のである。又、本発明は、半導体ウエハ中へのイオン注
入における諸属性に影響される試料の熱的性質やその程
度を評価するのにも使用される。又、試料の物性を非接
触および非破壊的に測定でき、ウエハ製品に対してオン
ライン状態で使用される。

【０００２】更に、他にも多くの産業上の利用分野があ
る。試料上に薄膜や層が設けられるものや試料の物性を
小寸法で測定する必要があるとき、また、最終製品の性
能に決定的影響を与える機械的あるいは、熱的性質のよ
うな試料の物性についても広範囲な情報を得ることがで
きる。

【０００３】

【従来の技術】物性を、ミクロン、サブミクロン、ナノ
メートルの空間スケールで、光学的技術を用いて非破壊
的に測定することは、広範な分野で提案されている。

【０００４】例えば、ミクロンやサブミクロンの薄膜の
厚さや音響速度を測定する方法は、Ｊ．Ｔａｕｃ等によ
り提案されている（米国特許第４７１００３０号参
照）。これは、超短光ポンプパルスによる試料内での短
波長の応力パルスの励起と遅延された光学的プローブビ
ームを使用して試料の光学的定数の応力誘因による変化
の検出を行うものであり、特に、試料から反射されるプ
ローブビームの強度の変化を測定するものである。

【０００５】しかし、この方法は、試料の光学的定数
が、使用される波長の光で試料内に生じる応力や歪に伴
って目立って変化しないものである場合にはうまくいか
ない。

【０００６】この限界を回避する同様な方法が、Ｏ．
Ｂ．ＷｒｉｇｈｔとＫ．Ｋａｗａｓｈｉｍａにより提案
された〔Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６９．１６６８
−１６７１（１９９２）参照〕。それは、表面の運動に
よるプローブビームの角度的屈折に基づいている。応力
や歪は、常に試料の表面や界面の動きを伴っており、そ
のため、この方法は、薄膜の厚さと音響速度を測定する
のにも使用できる。試料から反射される光の位相の変化
と強度の変化に共に敏感であるこの方法では、ポンプビ
ームとプローブビームとを試料表面のわずかに異なる位
置に焦点合わせをする必要がある。しかし、この方法
は、ポンプビームとプローブビームの位置合わせが非常
に敏感であるという不利な点があり、特に試料上におけ
るポンプビームとプローブビーム相互のスポット的な分
離が微妙である。さらに、その分解能は、使用されるレ
ーザーのポインティングの安定性と機械的振動によって
限界付けられる。

【０００７】超短光パルスによる応力パルスの生成とそ
の検出方法のもう一つは、Ｔ．Ｆ．Ｃｒｉｍｍｉｎｓ等
（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．７４，１３
４４−１３４６，１９９９参照）およびＨ．Ｊ．Ｍａｒ
ｉｓ等（米国特許第５８６４３９３号）により提案され
ている。これは、斜めの入射角の二つのポンプビームを
利用した格子技術によるものである。試料からの反射光
の位相と強度の変化に共に敏感であるこの方法では、二
つのポンプビームは、試料上に非垂直な入射角で同一ス
ポットに焦点合わせをする必要がある。

【０００８】しかし、測定は、垂直方向の入射角が非常
に望ましい。なぜならば単一の顕微鏡対物レンズが全て
の光ビームの焦点合わせに使用可能であるからであり、
また、集光されたスポットが円形になるからであり、そ
うすると微小な光学的スポットサイズの位置合わせが容
易になるからである。また、前記格子技術を用いた測定
では、試料上に数本の干渉縞を発生させる必要があり、
従って、測定スポットサイズを回折限界までの最小にす
ることができず、高い横分解能を持つ測定には不向きで
ある。

【０００９】又、小寸法の物性の測定のための光学的技
術の利用のもう一つの例としては、膜厚やイオン注入の
測定における熱的波の利用がある。Ａ．Ｒｏｓｅｎｃｗ
ａｉｇ等（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．４
６，１０１３−１０１５，１９８５参照）、Ｗ．Ｌ．Ｓ
ｍｉｔｈ等（Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．ａｎｄ Ｍｅ
ｔｈｏｄｓ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ｓｅｃｔ．Ｂ ｖｏ
ｌ．Ｂ２１，５３７−５４１，１９８７参照）、Ｊ．Ｏ
ｐｓａｌ等（米国特許第５０７４６６９号参照）は、断
続したＣＷ光ビームを利用して試料内に周期的に熱波を
励起させ、プローブビームを用いて光学的定数の変化を
見つけるものを提案している。この方法は、試料の深さ
方向を熱的拡散の範囲内で探査するのに使用することが
でき、典型的には、１０ＭＨｚまでの範囲でのチョッピ
ング周波数が測定に使用される。しかし、１ＧＨｚを超
える高周波数においては、この方法は、１チョッピング
サイクルにおける励起ビームによってもたらされる試料
中へのエネルギー注入量に依存する周期的温度変化が周
波数の増加と共に急激に減少してくるために、使用不可
能になる。しかしより高周波数による測定は、有用であ
る。なぜなら、このとき１／√ｆ（ｆはチョピング周波
数）に比例する熱拡散長は、より短くなり、従って得ら
れる信号は、試料の表面に近接した領域で熱的性質の変
化に微妙に応答するからである。基板上の膜の厚さがナ
ノメートルのオーダーであるときには、より高周波数の
測定装置や短時間スケールのパルス化された光学的測定
装置を使用するのが好ましい。そのような超短時間のポ
ンプパルスとプローブパルスを使用した光学的測定装置
としては、Ｃ．Ａ．ＰａｄｄｏｃｋとＧ．Ｅｅｓｌｅｙ
によって提案されたものがある（Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．ｖ
ｏｌ．１１，２７３−２７５ １９８６参照）。この方
法は、試料から反射されるプローブパルスの光学的強度
の変化を検出することにより、ポンプパルスに応答する
試料の表面近くの温度変化を測定し、この温度変化の減
衰時間の特徴から試料への熱的拡散性を評価することを
可能にした。この方法は、試料の光学的反射率の温度依
存性に基づいている。しかし、プローブビームの光学的
反射率が試料の温度変化に大きく依存しなくなると、こ
の方法では無効となる。

【００１０】一方、ピコ秒時間スケールの光パルスによ
る励起に応答する試料の超高速の変化を測定するため
に、多くの光学的干渉計が提案されている。そのような
測定装置は、試料から反射される光の位相と強度の変化
に同等の感度を持っている利点があり、最大の情報を引
き出すことを可能にしている。光学的反射率が温度と応
力に依存しない場合でも、光学位相の変化から温度変化
や応力パルスの存在を検出できる可能性がある。又、干
渉計を使った技術は、非常に感度がよく、干渉計は、試
料表面の定量的情報、例えば、動きの大きさを容易に測
定することができる。

【００１１】干渉計の技術の一つの例に時分割の干渉計
があり、それは超短光プローブパルスと超短光基準パル
スが別々に試料と相互作用するものである。例えば、基
準パルスが常に対応するポンプパルスよりも前に到達す
ると共にプローブパルスが常にポンプパルスよりも後に
到達するように設定されれば、試料上におけるポンプパ
ルスの効果が検出器におけるプローブパルスと基準パル
ス相互干渉から決定される。マッハーツェンダー干渉計
に基づくそのような構成は、Ｌ．Ｓａｒｇｅｒ等によっ
て提案されている（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ，ｖ
ｏｌ．１１ ９９５−９９９、１９９４参照）。この干
渉計は、試料を透過する光を用いて測定されるように構
成されている。このマッハツェンダー干渉計の構成は、
共通のパス構成でない。すなわち、プローブビームと基
準ビームは、全く異なる光学的パスを持つ。そのため、
機械的振動や温度変化のような望ましくない雑音的原因
からの影響を受けてしまう。

【００１２】試料を透過する光を用いた測定のＳａｇｎ
ａｃ干渉計に基づく構成は、Ｍ．Ｃ．Ｇａｂｒｉｅｌ等
によって提案されている（Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．
１６，１３３４−１３３５，１９９１参照）。この時分
割干渉計は、共通のパスを持つので、機械振動や温度変
化に対して非常に安定している。これと同一構成におい
て、Ｓａｇｎａｃリングにおける鏡の一つを試料とする
ことにより、試料からの反射光を用いた測定を行なうこ
ともできる。しかし、それは、垂直方向の入射角による
測定には都合が悪い。さらに、超短光パルス励起に対す
る試料の応答の理論は、プローブビームが垂直方向入射
角のときには、単純化され、そのデータ解析もより簡単
になる。

【００１３】試料を透過する光を用いたＳａｇｎａｃ干
渉計をベースにしたもう一つの構成は、Ｍ．Ｊ．Ｌａｇ
ａｓｓｅ等によって提案された（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．
Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．５４．２０６８−２０７０，１９８
９参照）ものがある。しかし、この構成も垂直方向の入
射角の測定に不向きである。また、不透明試料にも適用
不可能である。

【００１４】超短光パルスを使って生成される試料中の
応力パルスを測定するために、マイケルソン干渉計を基
礎としたもう一つの構成が、Ｊ．Ｆｉｅｌｄｌｅｒと
Ｊ．Ｗ．Ｗａｇｎｅｒから提案され（Ｒｅｖ．Ｐｒｏ
ｇ．Ｑｕａｎｔ．Ｎｏｎｄｅｓｔｒ．Ｅｖａｌ，．ｖｏ
ｌ．１６．１５７９−１５８４，１９９７参照）、又
Ｃ．Ｊ．Ｋ．Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ等からも提案されて
いる（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ，ｖｏｌ．１６，
１００７−１０１５，１９９９参照）。この構成は、比
較的に安定ではあるが、垂直方向の入射角での測定には
不向きである。又、プローブビームと基準ビームは、試
料上の同一ポイントに入射されず、試料の光学的反射率
が空間的に不均一なときには、エラーが生じる。

【００１５】一方、超短光ポンプパルスを使用して生成
した試料中の応力パルスを試料表面の振動による光位相
への影響をとおして測定するマイケルソンの干渉計をベ
ースにしたもう一つの構成がＯ．Ｂ Ｗｒｉｇｈｔによ
って提案されている（日本特許公報、特開平５−１７２
７３９号公報 １９９３年７月９日公開）。このマイケ
ルソン構成は垂直方向の入射角での測定を可能にしてい
る。しかし、その構成は共通パスを持つものでないた
め、機械的振動や温度変化のような望ましくない雑音源
の影響を受けてしまう。

【００１６】Ｓａｇｎａｃ干渉計はＣＷ光ビームに使用
するためにも設計された。この一例が米国特許第５，８
９４，５３１号（Ｊ．Ｊ．Ａｌｃｏｚ）において開示さ
れている。干渉計の基本要素は、２つのアーム及び２つ
のビームスプリッターを用いるもので、垂直な入射配置
による計測及び超音波の検出に適切である。しかし、Ｃ
Ｗ光ビームを用いるために時間スケール特にピコ秒スケ
ールの計測には向いていない。従って、このアプローチ
は試料表面に対して垂直方向の短い長さスケールにおけ
る試料の物理的特性の調査には適切ではない。

【００１７】Ｈ．Ｊ．Ｍａｒｉｓによって提案された方
法（米国特許第５７０６０９４号、米国特許第５８６４
３９３号）およびＨ．Ｊ．ＭａｒｉｓとＲ．Ｊ．Ｓｔｏ
ｎｅｒによって提案された方法（米国特許第５７４８３
１７号，米国特許第５７４８３１８号，米国特許第５８
４４６８４号，米国特許第５９５９７３５号）は、試料
の物理的性質を測定するためにＪ．Ｔａｕｃ等によって
提案された方法（米国特許第４７１００３０号）を改良
したものである。これらの方法は、超短光パルスを用い
て試料の光反射率や反射光の位相の変化から試料の機械
的および熱的性質を知るものである。

【００１８】しかし、これらの特許で用いられている光
の位相変化に敏感な角度的屈折や回折格子技術を用いた
方法では、ポンプ光と計測光の双方を回折限界にまで集
光して高い横分解能を得ることができない。ビームの角
度的屈折を用いた方法では、既に述べたようにポンプ光
とプローブ光を空間的に僅かにずらせて照射する必要が
あるので、空間分解能が悪くなる。

【００１９】また、ビームの角度的屈折を用いた方法で
は、その安定度が光源に用いるレーザーのポインティン
グ安定性や装置の機械的振動によって制限される。回折
格子技術を用いた方法では、非垂直に試料に入射する２
つのポンプビームを用いて数本の干渉縞を試料上に形成
する必要がある。既に述べたようにこの方法は最高の横
空間分解能を得るためには適していない。

【００２０】これらの特許で提案されている他の方法や
Ｏ．Ｂ．Ｗｒｉｇｈｔらによって提案された方法（Ｐｒ
ｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｕｌｔ
ｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ １９９５，ｐ
ｐ．５６７−５７５）では、テーパー状の光ファイバー
等を用いた近接場光学系を用いることによって、回折限
界を超える横空間分解能を得ている。しかし、これらの
方向では分解能を上げるためにファイバーの開口を極め
て小さくする必要があり、従って光の強度が小さくなっ
てしまい信号雑音比が悪化する。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、各種
の試料の物理的性質の測定装置は、それぞれ問題点を有
している。

【００２２】それに対して、光学的ポンプパルスによっ
て誘起される、超短波長の応力パルスの生成と伝播や熱
波のような試料の物理的性質の変化を計測することによ
って、０．１ｎｍから１００μｍまでの長さのスケール
で材料の物性を測定することが、継続時間が典型的には
０．０１ｐｓから１ｎｓまでの超短光パルスを使用する
ことによって達成できる。

【００２３】そのような試料の物理的性質の変化を、高
い安定性をもって、超短光パルスによって有効に測定す
るのには単純で丈夫な装置が求められる。広範囲な試料
にこの技術を適用できるようにするために、試料から反
射される光の位相と強度の変化の両者に共に本質的に感
度がよく、したがって最大の情報を引き出せる干渉計を
使用するのが有利である。高い空間的分解能と安定性を
得るためとデータ解析を簡単にするためには、光学的ポ
ンプパルスから誘起される試料の物理的性質の超高速な
変化を計測するための垂直方向の入射角の単一のレンズ
を利用することが有利である。また、このような光学系
を用いることにより、ポンプ光、計測光を試料上で回折
限界の円形領域に集光できることも空間的分解能の点で
有利である。同時に雑音的な機械的振動や温度変化の影
響を最小限にするために、共通経路構成のものを使用す
るのが非常に好ましい。

【００２４】本発明は、これらすべての要件を同時に満
たすために、超短光パルスを使用するものを基本とした
試料の物理的性質の測定装置を提供する。

【００２５】本発明の目的は、超短光パルスの照射に対
する試料からの応答を光学的に検出することにより、試
料の物理的性質の測定装置を提供することである。

【００２６】本発明の他の目的は、試料への機械的接触
を行わず、非破壊的に行えるような試料の物理的性質の
測定装置を提供することである。

【００２７】本発明の他の目的は、試料表面に垂直な方
向の短い長さスケールで試料の物理的性質を計測できる
測定装置を提供することである。

【００２８】本発明の他の目的は、水平方向の分解能が
ミクロンオーダーあるいはそれ以下までの試料の物理的
性質を計測できる測定装置を提供することである。分解
能の下限は、回折限界のみによって決まる。

【００２９】本発明の他の目的は、試料からの反射光の
位相と強度の変化に共に敏感で、かつ横分解能が円形集
光領域の回折限界のみで制限される構成を使用して、超
短光パルスの照射に対する試料の応答を光学的に計測す
ることにより、試料の物理的性質の測定装置を提供する
ことである。

【００３０】本発明の他の目的は、雑音的な機械振動や
温度変化の影響を受けない構成を使用して、超短光パル
スの照射に対する試料の応答を光学的に計測することに
より、試料の物理的性質の測定装置を提供することであ
る。

【００３１】本発明の他の目的は、データ解析、位置合
わせおよび横方向の高い分解能を得ることを簡単にする
ために、垂直方向の入射角を持つ超短光パルスの照射に
対する試料の応答を光学的に計測することにより、試料
の物理的性質の測定装置を提供することである。

【００３２】本発明の他の目的は、横方向の高い分解能
を得るために、試料上の円形領域に集光した回折限界光
である超短光パルスの照射に対する試料の応答を光学的
に計測することにより、試料の物理的性質の測定装置を
提供することである。

【００３３】本発明の他の目的は、ポンプビームと計測
ビームの両者の焦点合わせを同一の手段ででき、両者の
ビームが試料に対して垂直方向の入射角となるように構
成される試料の物理的性質の測定装置を提供することで
ある。

【００３４】本発明の他の目的は、試料の横方向のマッ
ピングができ、試料の面内方向での物理的性質の測定装
置を提供することである。

【００３５】本発明の他の目的は、光学定数が応力に依
存しない試料に対して光学的ポンプパルスによって生成
される応力パルスを測定できる試料の物理的性質の測定
装置を提供することである。

【００３６】本発明の他の目的は、温度による光学的屈
折率の変動の要件を必要とせずに、試料の温度変化を測
定する試料の物理的性質の測定装置を提供することであ
る。

【００３７】本発明の他の目的は、非常に薄い膜厚の物
理的性質を測定できる、試料の物理的性質の測定装置を
提供することである。

【００３８】本発明の他の目的は、１層又は多層からな
る試料あるいは、恒常的な不均質材料が一つ又は複数埋
め込まれた材料からなる試料を測定できる試料の物理的
性質の測定装置を提供することである。

【００３９】本発明の他の目的は、不透明材料、透明材
料や半透明材料あるいはそれらの組み合わせからなる試
料を測定できる試料の物理的性質の測定装置を提供する
ことである。

【００４０】

【発明を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、超短光パルスに対する材料の微小な空間
的スケールを持つ部分の光学的応答から最大の情報を計
測するため、雑音的な機械振動や温度変化の影響を受け
ず、回折限界のみに制限される高い横方向の分解能を持
ち、位置合わせ、データ解析が容易な装置を提供する。

【００４１】本発明は、試料の物理的性質を計測するた
めの光学的生成および検出システムを構成する。継続時
間が０．００２ｐｓから２ｎｓの通常超短光パルス周期
的連続からなる計測パルスビームを出すコヒーレントあ
るいは部分的にコヒーレントな放射源を備えている。そ
のような放射源の典型的な例としては、モードロック型
のソリッドステートの高い繰り返し周波数のレーザがあ
げられる。

【００４２】又、継続時間が０．００２ｐｓから２ｎｓ
の計測ビームと同一の放射源から出てくる、超短光パル
スの周期的連続からなるポンプビームを出す放射源を備
えている。

【００４３】装置の干渉計部分は、Ｓａｇｎａｃ型をベ
ースとしている。装置の干渉計部分は、計測ビームのた
めに使用されている３つのビームスプリッターからな
る。第１のビームスプリッターは、信号対雑音の比を改
善するための差動型検出機構において必要とされるとき
に後に使用可能とするために計測ビームの一部のサンプ
ルを取るものである。計測ビーム部分は、この第１のビ
ームスプリッターを通過した後、第２のビームスプリッ
ターに入射する。

【００４４】計測ビームは第２のビームスプリッターに
おいて異なる偏光の二つのビームに分割され、プローブ
ビームと基準ビームになる。プローブビームは、第２の
ビームスプリッターと第３のビームスプリッターの間の
より長い光学距離を持つアーム中を進行しており、基準
ビームは、これらのビームスプリッターの間の短い光学
距離を持つアーム中を進行する。プローブビームと基準
ビームは、第３のビームスプリッターにおいて、再結合
される。

【００４５】‘アーム’という語は、ここでは干渉計に
おける経路のことを指しており、この経路は、明確に異
なる時間を費やして基準ビーム及びプローブパルスによ
り通過される。２つのアームの光路差におけるこの差異
は、前記基準ビーム及び前記プローブビームにおける光
の伝搬方向において、それらの光パルスの空間的範囲よ
り長くなるよう選ばれる。すなわち、アームΔＬの長さ
の差異がｃΔｔより長くなるよう選ばれる。ここで、ｃ
はアームの媒体における光速であり、Δｔはプローブビ
ーム及び基準ビームを形成する光パルスの持続時間であ
る。２つのアームが異なる媒体で構成される場合にも類
似の条件が対応する。

【００４６】再結合されたビームは、例えば４分の１波
長板と焦点レンズを通過して、垂直方向の入射角で試料
面上に向けられる。この再結合されたビームは試料から
反射される。反射されたプローブビームと基準ビーム
は、第３のビームスプリッターを再び通過した後、プロ
ーブビームは前記短いアーム中を進行すると共に基準ビ
ームは、干渉計の長いアーム中を進行するように、互い
に反対の経路を進行する。

【００４７】プローブビームと基準ビームは、第２のビ
ームスプリッターで再結合され、第２のビームスプリッ
ターに最初に入射したときの計測ビームと反対方向のビ
ーム伝播を生じる。

【００４８】このビームは、計測ビームから分離された
プローブビームと基準ビームを含んだ第１の出力ビーム
を生じさせるように、第１のビームスプリッターを通過
する。光検出器での基準ビームとプローブビーム中の対
応する光パルス間の既知の位相を異ならせる公知の手段
が使用され、典型的には４分の１波長板が第１の出力ビ
ームの経路中に置かれるか、又は第１のビームスプリッ
ターの前に置かれる。測定が、試料から反射される光の
位相と強度の両者の変化に対して同時に感度が良好であ
ることを確保するために、既知の位相差は０±１８０Ｉ
度に等しくないように選ばれる（Ｉは整数）。プローブ
ビームと基準ビームの間の位相差は、±９０度になるよ
う選ばれるのが代表的である。この第１の出力ビームは
その後、直線偏光子を通過する。プローブビーム及び基
準ビームあるいはそれらの部分は、一つの光検出器又は
複数の光検出器で干渉する。これらの光検出器からの一
つの信号又は複数の信号は、ポンプビームによって、誘
起された試料中の変化を指示している。このシステムを
通過する時の小さな時間差を別にすれば、プローブビー
ムと基準ビームは、同一の経路を通るから、干渉計は共
通の経路構成であり、雑音的な振動や温度変化に対して
ほとんど影響されない。

【００４９】ポンプビームは、適切な方向から試料に入
射する。ポンプビームが試料に入射されるとき、プロー
ブビームと基準ビームと同一線上になるよう選択するこ
とも可能である。ポンプビーム、プローブビームおよび
基準ビーム間の到着時間間隔は、それらの時間間隔の関
数として測定するために、意図的に選択又は変えること
ができる。

【００５０】試料の照射領域は試料上にわたって走査さ
れる。あるいはプローブビームと基準ビームに照射され
る領域は、ポンプビームによって照射される領域との関
連をもって走査することができる。これによって、試料
からの反射光の位相と強度の両者の超高速変化に同時依
存する一つの信号又は複数の信号の空間的マッピングを
可能とする。

【００５１】ポンプビームを構成する光パルスは、一般
に、試料中のキャリア、温度変化および応力パルスを引
き起こす。この応力パルスは、縦波、横波、表面波、界
面波などとして試料中を伝播する。それにはＬａｍｂ
波、Ｒａｙｌｅｉｇｈ波、Ｌｏｖｅ波、Ｓｔｏｎｅｌｅ
ｙ波などが含まれる。これらは、試料表面あるいは界面
の機械的動きをもたらし、又試料の光学的定数の変化も
もたらす。本発明の目的は、試料からの反射光の位相と
強度の変化に同時に感度を持ち、それゆえ、ポンプビー
ムで誘起される変化と関連する信号を計測することがで
きる測定装置を提供することである。これらの信号は、
厚さ、音響速度、弾性定数、熱的特徴、あるいはこれら
に影響を与える量、例えば、イオン注入量などの試料の
物理的性質を決定するために解析可能である。

【００５２】又、光学的パルスと試料の破壊的相互作用
によって起こる試料からの放出物や不可逆の変形も検出
することができ、これを例えば、プラズマ力学や不可逆
の変形のパラメータの計測にも使用できる。

【００５３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１実施例を示す
３つのビームスプリッターを持つ２アーム干渉計を使用
する試料測定装置の構成図である。

【００５４】超短光パルスの周期的連続光を出力する光
源４０のコヒーレントな、あるいは部分的にコヒーレン
トな光学的出力は、ビームスプリッター６によって分割
され、ビーム３５と計測ビーム３６になる。計測ビーム
３６は、遅延線路６０と、図の面に対してその軸が４５
度に位置合わせされた偏光子４を通過する。

【００５５】この後に、本実施例において、選択された
５０／５０の非偏光ビームスプリッター（第１のビーム
スプリッター）１が計測ビーム３６の経路中に配置され
る。これは、信号ノイズ比を改善するために、差動型の
探知構成において後で使用できるように、計測ビーム３
６の一部を計測ビームサンプリングビーム５としてサン
プリングする。計測ビーム３６の残りの部分は、偏光ビ
ームスプリッターとして選ばれる第２のビームスプリッ
ター２に入射される。計測ビーム３６は、２つの直交す
る直線偏光ビームに分割され、図１の平面に対して垂直
方向偏光のものと水平方向偏光のものになり、それぞ
れ、プローブビームと基準ビームとなる。プローブビー
ムは、第２のビームスプリッター２と偏光ビームスプリ
ッターとして選ばれる第３のビームスプリッター３の間
の長い光学距離を持つ経路（アーム）７を進行し、基準
ビームは、これらの２つのビームスプリッター２と３の
間の短い光学距離を持つ経路（アーム）１０を進行す
る。長いアーム７は、このアームの長さを変えるように
その位置が調整できる２つのミラー８と９を含んでい
る。プローブビームと基準ビームは、第３のビームスプ
リッター３で再結合される。ビームスプリッター１，
２，３の軸は全て互いに平行に配置される。

【００５６】この再結合されたビーム１１は、プローブ
ビームと基準ビームが円偏光に変換されるように、第３
のビームスプリッター３の軸に対して４５度の角度をも
つ軸の第１の４分の１波長板１２を通過する。再結合さ
れたビーム１１は、高出力の顕微鏡の対物レンズとして
選ばれる焦点合わせ手段１３を通過し、試料１４上に垂
直方向の入射角で焦点合わせされる。この再結合された
ビーム１１は試料１４から反射され、同一の焦点合わせ
手段１３を逆行する。第１の４分の１の波長板１２を２
度目に通過すると、プローブビームと基準ビームは、第
１の４分の１の波長板１２を通過する前の偏光と直交す
る直線偏光に戻る。プローブビームと基準ビームは、そ
れ故、プローブビームは短いアーム１０を進行し、基準
ビームは長いアーム７を進行するように、第３のビーム
スプリッター３を２度目に通過した後には、互いに反対
の経路を進行する。プローブビームと基準ビームは、最
初に第２のビームスプリッター２に入射した時の計測ビ
ーム３６とは反対方向の伝播を持つ回帰ビーム３７を生
成するように、第２のビームスプリッター２において再
結合される。このビーム３７は、それから前記計測ビー
ム３６と区別されるプローブビームと基準ビームを含む
第１の出力ビーム１５を生成するように、第１のビーム
スプリッター１から反射される。第１の出力ビーム１５
は、それからその第１のビームスプリッター１の軸と平
行な軸になるように位置合わせされた、それ故、プロー
ブビームと基準ビームの直線偏光と平行な軸を持つ第２
の４分の１波長板１６を通過する。この第２の４分の１
波長板１６は、干渉計の内部で偏光子４と第１のビーム
スプリッター１の間に配置することもできる。この波長
板は、プローブビームと基準ビームの間の±９０度の位
相差を導入する。正確な位相差は、第２の波長板１６の
速い軸および遅い軸のいずれがそれぞれプローブビーム
および基準ビームの偏光に対応しているかに依存してい
る。この後、第１の出力ビーム１５が第２の４分の１波
長板１６の軸に４５度の角度をなす軸を持つ偏光子１７
を通過する。第２の出力ビーム１８は、ミラー１９を介
して、それから、干渉計のコントラストを改善する必要
があるときに干渉パターンの部分を選択する時に使用さ
れ、調整可能な空間フィルター２０を通過する。プロー
ブビームと基準ビームは、それから光検出器２１で干渉
するようにされる。

【００５７】この実施例においては、計測ビーム３６と
異なる主要波長を持つポンプビーム３８は、第２高調波
を作り出すためのビームの光振動数を倍にする非線形結
晶２２をビーム３５が通過することによって作り出され
る。ミラー２３と２４は、ポンプビーム３８をコーナー
キューブ２７を含む光学的遅延経路２８に導く。この遅
延経路２８は、ポンプビーム３８を構成する光学的パル
スとそれに対応するプローブビームと基準ビームを構成
する光学的パルスの間の、試料１４への到着間隔を調整
するために使用する。ミラー２５と２６は、ポンプビー
ム３８を、再結合ビーム１１に結合させるダイクロイッ
クビームスプリッター２９へ導く。同一の焦点合わせ手
段１３がポンプビーム３８のために使用される。焦点合
わせ手段１３が色収差を見せる場合もしくはポンプビー
ムと再結合ビームのビーム径やビーム拡がり角が異なる
場合に、ポンプビーム３８と再結合ビーム１１の両者が
共に試料１４上の小スポットで最適に焦点合わせされる
ことを確保すべく、必要なら、補助的な焦点合わせ要素
３９を導入することができる。この実施例では、ポンプ
ビーム３８と再結合ビーム１１は試料１４上の同一ポイ
ントに焦点合わせされる。本実施例は例えば応力パルス
や熱波の試料の厚み方向での伝播を調べるために用いる
ことができる。

【００５８】この実施例においては、計測ビームのサン
プリングビーム５は、第１のビームスプリッター１から
の計測ビーム３６の反射から得ている。この計測ビーム
サンプリングビーム５は、調整可能な可変減衰器３２を
通過して、光検出器３４へミラー３０と３１により案内
される。フィルター３３は、ポンプビームの波長のいか
なる光も一つの光検出器に到着するのを防ぐ。可変減衰
器３２は、各光検出器２１，３４で同じ強さになるよう
に調整される。光検出器３４からの信号は、計測ビーム
の強度の変動による影響をなくすように、出力信号を生
成する回路４２を使用して光検出器２１からの信号より
差し引かれ、それによって信号ノイズ比が改善する。

【００５９】この実施例では、ポンプビーム３８の強度
はチョッパー４１によって変調される。前記回路４２か
らの出力信号は、変調周波数に同調されたロックイン増
幅器４３に供給される。ロックイン増幅器４３は、ポン
プビーム３８の変調周波数と同一周波数の回路４２から
の出力信号の変調部分の大きさに比例する一つの信号を
生成する。ロックイン増幅器４３からの出力は、試料１
４からの反射光の位相と強度の両者における超高速変化
を同時に保持する最終信号を与えるために、信号平均器
４４に供給される。この変調技術は、超短パルス光学ポ
ンププローブ技術において周知である。

【００６０】出力信号に含まれるポンプビーム強度ある
いは計測ビーム強度に比例する部分はそれらのサンプリ
ングビーム強度をモニターすることによって補正するこ
とができる。すなわち、ロックイン増幅器の入力あるい
は出力信号をサンプリングビーム強度で除することによ
り、ポンプビーム強度あるいは計測ビーム強度の変動に
よる出力信号への影響を低減することができる。この技
術は光信号処理技術において周知である。

【００６１】また、公知の技術として、試料から反射す
る前後での計測ビームの強度を観測することにより、計
測ビームの波長における試料の平均反射率の変化を補正
することができる。この技術は例えば試料表面の走査に
よる測定を行うときに有用である。計測ビームの波長に
おける試料の平均反射率の変化に起因する問題を避ける
方法の具体例では、光検出器２１の出力信号をローパス
フィルターを介して光検出器３４の利得の制御に用い、
２つの光検出器の平均直流出力が等しくなるようにす
る。

【００６２】この実施例では、プローブビームと基準ビ
ームを構成する光学的パルス間の、試料１４への到着の
間隔は、干渉計のアーム７と１０の長さの差によって一
定であるが、ポンプビーム３８を構成する光学的パルス
とこれに対応するプローブビーム又は基準ビームを構成
する光学的パルスの間の試料に到着する間隔は、変える
ことができ、測定は、この到着時間の間隔の関数として
実現される。遅延経路２８の長さは、このため、連続的
または段階的に変動できる。この実施例では、各ポンプ
パルスが対応するプローブパルスと基準パルスの間に到
着するように構成されているから、基準パルスの役目
は、ポンプパルスが到着する以前の試料の状態を探索す
ることであり、一方、プローブパルスの役目は、ポンプ
パルス到着後の試料の状態を探索することである。この
ポンプパルス、プローブパルス、基準パルスの順序は、
時分割の干渉計に常套的に使用されているが、他の順序
でも可能である。

【００６３】この干渉計は、非常に安定でかつ配列が簡
単である。位置合わせにずれがあっても動作は可能であ
る。例えば、干渉計は、再結合ビーム１１の試料１４上
への入射が垂直からわずかに外れても働く。

【００６４】この実施例の干渉計の動作理論は以下の通
りである。確かな例として、偏光子４を通過した後の計
測ビーム３６の入力偏光は、− (ｘ) ^* ＋ (ｙ) ^* 〔こ
こで、＊は各文字の頭に山形マークがつき、( ) 内の文
字はボールド体である。以下同様〕方向の４５°に方向
付けされる。ここで、座標方向の単位ベクトル
(ｘ)^* 、 (ｙ) ^* と (ｚ) ^* は、 (ｚ) ^* は常にビーム
伝播方向を、 (ｙ) ^* は図１の平面から上方方向となる
ように定義されている。偏光子１７は、伝送軸が (ｘ)
^* ＋ (ｙ) ^* 方向の４５°に位置合わせできるように選
択される。第１のビームスプリッター１からの反射直
後、第１の出力ビーム１５の電界は、Ｊｏｎｅｓベクト
ル〔Ｅｒ (ｘ) ^* −Ｅｒ′ (ｙ) ^* 〕として表すことが
できる。ここで、ｒは基準ビームによって見られる試料
１４の複素反射係数、またｒ′はプローブビームによっ
て見られる試料１４の複素反射係数である。その量ｒ′
は、ポンプビームを構成する光学的パルスとこれに対応
するプローブビームを構成する光学的パルスの試料１４
への到着の間隔に依存する。第２の４分の１波長板１６
の、速い軸が (ｙ) ^* と角Ψをなすように〔 (ｘ) ^* と
角（９０°−Ψ）をなすように〕位置合わせされると、
偏光子４によって伝達される電界に対応するＪｏｎｅｓ
ベクトルは、次式によって与えられる。

【００６５】

【数１】

【００６６】この方程式は、｜（Ｅ）Ψ｜² （Ψは下添
字）に比例する、光検出器２１における強度が、試料１
４の複合反射係数の変化δｒ＝ｒ′−ｒに伴っていかに
変わるかを計算するために使用可能である。

【００６７】（Ｅ）Ψ（Ψは下添字）あるいは｜（Ｅ）
Ψ｜² （Ψは下添字）から得られる角度Ψの関数として
の干渉計の特性は、図２〜図４に図示されている。ｒ′
＝ｒｅｘｐ（ｉδφ）として（δφは可変位相）、δφ
＝０の場合の偏光子４の後の電界の構成要素のプローブ
ビームと基準ビームの間の位相差は図２に、干渉の鮮明
度（δφの関数としての出力信号の最大値と最小値の差
を両者の和で除したもの）は図３に、δφ＝０の場合の
トータル透過強度は図４にそれぞれ見ることができる。

【００６８】測定器における干渉計の最大の感度、鮮明
度と強度は、Ψ＝０、９０、１８０と２７０度の時に同
時に実現できる。

【００６９】角度Ψを０と９０度にセットすると、例え
ば方程式（１）は、それぞれ以下のようになる。

【００７０】

【数２】

【００７１】

【数３】

【００７２】ｒ＝ｒ₀ ｅｘｐ〔ｉφ₀ 〕とｒ′＝（ｒ₀
＋δｒ₀ ）ｅｘｐ〔ｉ（φ₀ ＋δφ）〕と定義する（こ
こで、ｒ₀ は基準パルスの光学的振幅反射係数、φ₀ は
基準パルスの光学的位相、δｒ₀ はプローブパルスによ
って探索される、ポンプパルスによって誘起される光学
的振幅反射係数の変化、δφは、プローブパルスによっ
て探索される、ポンプパルスによって誘起される光学的
位相の変化である）。

【００７３】上記した方程式（２）と（３）は、Ψ＝０
度とΨ＝９０度の時の光検出器２１の出力は、それぞれ
以下のものに比例することを示している。

【００７４】 Ｉ₀ ＝Ｅ² ［δｒ₀ ² ＋２ｒ₀ δｒ₀ （１＋ｓｉｎδφ）＋２ｒ₀ ² ｓｉｎδ φ］ …（４） Ｉ₉₀＝Ｅ² ［δｒ₀ ² ＋２ｒ₀ δｒ₀ （１−ｓｉｎδφ）−２ｒ₀ ² ｓｉｎδ φ］ …（５） 上記方程式（４）と（５）は、試料１４からの反射光の
位相と強度の両者に対して同時に感度が良い測定ができ
ることを示している。偏光子１７の角度が (ｘ) ^* −
(ｙ) ^* の方向に向けられた場合も、同様の方程式が得
られる。偏光子１７の軸が第２の４分の１波長板１６の
軸と４５度の角度をなしていれば、偏光子１７のいずれ
の位置でも使用可能である。

【００７５】図５に示される第２実施例において、ポン
プビーム３８と計測ビーム３６は同一波長スペクトルを
持つ。ポンプビーム３８におけるチョッパー４１の周波
数とは異なる周波数で変調させるべく、チョッパー５０
が計測ビーム３６中に配置される。二つの変調周波数の
和あるいは差における信号は、ロックイン増幅器４３に
おいて検出される。この方法は、また試料１４からの反
射光の位相と強度の両者の超高速の変化に同時に依存す
る一つの信号が計測されることを可能にする。この変調
技術は、ポンプビーム３８と計測ビーム３６の波長スペ
クトルが同一である時、特に適切である。なぜなら、ポ
ンプ変調周波数と異なる周波数での検出は、ポンプビー
ム３８からの迷光が光検出器に到達するのを防いで、ク
ロストークの問題を避けるからである。この変調技術
は、超短パルス光学ポンププローブ技術において周知で
ある。ポンプビーム３８と再結合ビーム１１は非偏光ビ
ームスプリッター４５により結合され、試料１４上へ垂
直に入射される。この実施例においては、第２の４分の
１波長板１６が、偏光子４と第１のビームスプリッター
１の間の干渉計の入力側に配置されることも可能であ
る。

【００７６】計測ビーム３６の変調を達成するもう一つ
の方法は、例えば、第２の４分の１波長板１６の角度や
方向を変えたり、第２の４分の１波長板１６を光弾性変
調器に替えることにより、上記方程式（１）の角度Ψを
変調させることである。例えば、Ψ＝Ψ₀ ＋Ψ₁ ｓｉｎ
（２πｆｔ）を選択することができる。

【００７７】ここで、Ψ₀ とΨ₁ は、定位相であり、ｆ
は、変調周波数である。この場合、上記方程式（１）の
Ｔａｙｌｏｒ展開式によれば、計測ビーム３６の適切な
変調周波数は、ｆ又はｆの数倍に一致する。

【００７８】もう一つの実施例において、図６に示され
る一部分には、第１の出力ビーム１５を二つに分割する
ために、第３のビームスプリッター３と４５度の角度に
配置された軸を持つ追加の偏光ビームスプリッター４６
は、第１の出力ビーム１５において配置される。偏光ビ
ームスプリッター４６により分割された第１のビームの
部分は、第１の光検出器２１に入射される。偏光ビーム
スプリッター４６からの第２のビームの部分はもう一つ
の光検出器４９に入射される。このようにして、前記２
つの光検出器における信号は両方とも、前記公知の９０
度の位相差か、前記公知の−９０度の位相差のいずれか
に対応するよう生成され、前記第２の光検出器における
信号が、前記試料から反射されるときの前記計測ビーム
の位相の変化に関して前記第１の光検出器の信号に比し
て反対の符号を持って反応するようにされる。このこと
は、干渉計の技術において周知である。これら２つの信
号は実質的に、２つの方程式（４）及び（５）に対応す
る信号と同じである。この実施例は、計測ビームの強度
における変動を補償することが望ましい場合、計測ビー
ムをサンプリングする１つのビームとその強度を測定す
る１つの光検出器を更に追加して組み合わせることがで
きる。また、信号（６）を抽出するために、２つの光検
出器２１，４９における信号の差異をを得ることも可能
である。

【００７９】 Ｉ₀ −Ｉ₉₀＝４Ｅ² ［ｒ₀ δｒ₀ ＋ｒ₀ ² ］ｓｉｎδφ …（６） δφ及びδｒ₀ における変化が小さい場合、この量はδ
φに比例し、位相δφにおける変化に比例する信号が計
測できる。

【００８０】図６に示されるものと同様な効果を達成す
るもう一つの実施例において、光弾性変調器を通過する
時のプローブビームと基準ビームの位相差が＋９０度あ
るいは−９０度になるように、第２の４分の１波長板１
６を、光弾性変調器に置き換える。これらの二値間をス
イッチングすることにより、方程式（４）と（５）に対
応する信号を得ることができる。

【００８１】図７に示される実施例において、第１のビ
ームスプリッター１は、第２のビームスプリッター２と
第３のビームスプリッター３の軸と平行な軸を持つ偏光
ビームスプリッターが選択される。ビームスプリッター
１に入射する計測ビーム３６の偏光方向は光検出器２１
および３４に適切な量の光が到達するように選択され
る。一つの４５度のファラデー回転子５３が第２のビー
ムスプリッター１と第２のビームスプリッター２の間に
配置される。ファラデー回転子５３を使用すると、第１
のビームスプリッター１からの計測ビーム３６が、そこ
を最初に通過する時、４５度回転され、試料１４からの
反射後に再び通過してトータルで９０度回転することが
可能になる。基準ビーム及びプローブビームの間の対応
する放射パルスの間の公知の位相差±９０度を導入する
ために、２２．５度のファラデー回転子４７が、第１の
４分の１の波長板１２と前記試料１４との間に配置され
る。第２の４分の１の波長板は使用されない。第１のビ
ームスプリッター１は現在、回帰ビーム３７の偏光子と
して作用しているので、第１の出力ビーム１５において
配置するための偏光子は必要ない。第２の出力ビーム１
８は、従って、ここでは第１の出力ビーム１５と同じも
のと解釈される。

【００８２】従って、この実施例は、光検出器２１にお
いて受けられた強度がこれまでの実施例に比して著しく
増えることができるという点で有利である。なぜなら、
典型例として、試料から反射した後プローブビーム及び
基準ビームが光検出器へ進行するとき、計測ビーム強度
は理想的には半分しか失われない。一方、前例では、ビ
ーム強度の４分の３が失われている。基準ビーム及びプ
ローブビームの間の＋９０度又は−９０度の位相差と対
応させるために、２２．５度のファラデー回転子４７
を、左回り又は右回りの回転子として選択することがで
きる。計測ビーム強度サンプリングビーム５の強度を変
化させるために、偏光子４の角度を調節することが可能
である。

【００８３】光源の出力が直線偏光となるもう一つの実
施例において、偏光子４が、損失を避けるために、２分
の１波長板に置換される。

【００８４】もう一つの実施例において、単一の光検出
器２１が使用される。この場合、計測サンプリングビー
ム５は使用されない。

【００８５】もう一つの実施例において、同時出力を持
つ二つの光源をポンプビームと計測ビームとして使用す
ることができる。これらの光源の繰り返し周波数として
わずかに異なるものを使用することもできる。これによ
って、ポンプ光パルスと計測光パルスの試料上への到着
の超短時間領域の時間差をゆっくりと変化させることが
できる。この技術は周知のものである。

【００８６】図８に示される部分を持つ実施例におい
て、計測ビーム３６は、第１のビームスプリッター１か
ら９０度で反射されるが、回帰ビーム３７は、第１のビ
ームスプリッター１を透過する。

【００８７】図９に示される部分を持つ実施例におい
て、ポンプビーム３８は、ビームスプリッター４５と、
プローブビームと基準ビームに用いられるものと同一の
焦点合わせ手段１３を使用して、試料１４上のプローブ
ビームと基準ビームが入射するのと同一の面へ非垂直に
入射される。

【００８８】図１０に示される部分を持つ実施例におい
て、ポンプビーム３８は、ミラー５１とプローブビーム
と基準ビームに用いられるものと同一の焦点合わせ手段
１３によって試料１４上のプローブビームと基準ビーム
が入射するのと同一の面へ非垂直に入射される。

【００８９】図１１に示される部分を持つ実施例におい
て、ポンプビーム３８は、プローブビームと基準ビーム
に用いられるものと異なる焦点合わせ手段５２によって
試料１４上のプローブビームと基準ビームが入射するの
と同一の面へ非垂直に入射される。

【００９０】図１２に示される部分を持つ実施例におい
て、ポンプビーム３８は、プローブビームと基準ビーム
が入射する面の反対側の面上に、プローブビームと基準
ビームに用いられるものと異なる焦点合わせ手段５２を
通って垂直又は非垂直に入射する。

【００９１】図１３に示される部分を持つ実施例におい
て、ポンプビーム３８は、再結合ビーム１１の方向に対
して必ずしも９０度でない試料１４の横方向から異なる
焦点合わせ手段５２を通って入射する。

【００９２】他の実施例において、試料１４からの反射
光の位相と強度の超高速変化に同時に依存する一つの信
号又は複数の信号の空間的マッピングをするために、試
料１４の照射領域は、装置を動かすか又は試料１４を動
かすことによって試料上を走査される。再結合ビーム１
１の方向と垂直な平面を持つ試料１４のためには、試料
１４を横側の２方向に走査することによって達成でき
る。この実施例において、ポンプビーム３８と再結合ビ
ーム１１は、同一ポイント又は異なるポイントに焦点合
わせされるが、その分離間隔はゼロ又は非ゼロ値に固定
されている。ポンプビーム３８を構成する光学パルスと
プローブビーム又は基準ビームを構成する対応する光学
パルスの間の試料１４への到着時間間隔は、空間的走査
時には固定することが可能である。試料１４の応答の完
全な時間的かつ空間的な形状を作成するために、走査
は、到着時間間隔が異なるように繰り返すことが可能で
ある。

【００９３】他の実施例において、試料１４からの反射
光の位相と強度の超高速な変化に同時に依存する１つの
信号又は複数の信号を空間的にマッピングするために、
再結合ビーム１１、ポンプビーム３８および試料１４の
相対運動あるいはこれらの組み合わせによって、ポンプ
ビーム３８の照射領域に関連させて、プローブビームと
基準ビームによって照射される領域は走査される。この
マッピングを達成される特定の方法としては、ポンプビ
ーム３８と試料１４は互いに相対的に固定された状態
で、再結合ビーム１１は試料１４に対して横方向に走査
される。あるいは別の特定の方法としては、再結合ビー
ム１１と試料１４の位置を固定して、ポンプビーム３８
の照射領域を走査する。具体的には、例えば、図１の実
施例においてポンプビーム３８の焦点合わせ手段１３へ
の入射角を変化させる。ポンプビーム３８を構成する光
パルスと、プローブビーム又は基準ビームを構成する、
対応する光パルスの試料１４への到着時間間隔は、空間
的走査時に固定することができる。試料１４の応答の完
全な時間的及び横的空間形状を作成するため、到着時間
間隔が異なるように走査を繰り返すことができる。この
方法は、横方向の応力パルスの伝搬や熱的波動の検出
と、試料平面内での方向に対応する物理的な値を測定す
ることを可能にする。これは、例えば、異方性試料に対
して有用である。これらの応力波動としては、例えばＬ
ａｍｂ波、Ｒａｙｌｅｉｇｈ波、Ｌｏｖｅ波、Ｓｔｏｎ
ｅｌｅｙ波などが挙げられる。異方性試料の研究におい
ては、超音波顕微鏡分野で周知な円筒レンズの利用も可
能である。すなわち、直線状の光スポットによって直線
状の波面を持つ応力波を生成し、直線状光スポットと試
料の軸のなす角に依存する応力波の伝播状況の変化を調
べる。横方向に伝播する応力波動の観測と厚み方向に伝
播する応力パルスの観測を組み合わせることにより、複
数の弾性波モードの音速を知ることができ、より多くの
数の弾性定数が求められる。この方法では、独立した較
正を行う必要なしに、試料の音速と層厚を同時に測定す
ることが可能である。より一般的には、試料中を任意の
方向に伝播する応力波および熱的波動は、試料応答の時
間的および空間的な形状に影響を与え、従ってこのよう
な３次元的な波動伝播を調べることができる。

【００９４】他の実施例において、対応するプローブビ
ームを構成する光パルスとそれに対応するポンプビーム
３８の光パルス間の試料１４への到着時間間隔は、干渉
計の長いアーム７又は短いアーム１０の光学距離を変え
ることによって変わる。

【００９５】他の実施例において、プローブビームと基
準ビームの両者それぞれを構成し、対応する光パルス
は、共にポンプビーム３８を構成する光パルスの後に到
達するように選択される。この実施例において、２つの
特定の遅延時間での試料１４の超高速応答の差が計測で
きる。例えば、プローブビームを構成する光パルスと基
準ビームを構成する光パルスの試料への到着時間の間隔
を、比較的小さく選択することによって、超高速の試料
の変位の時間微分に比例する一つの信号又は複数の信号
を直接に得ることができる。

【００９６】他の実施例において、対応するポンプビー
ム３８と基準ビームのそれぞれを構成する光パルスの到
着時間の間隔が変えられ、同時に、対応するポンプビー
ム３８とプローブビームを構成する光パルスの到着時間
の間隔が変えられる。

【００９７】一般に、ポンプビーム３８、プローブビー
ムと基準ビームのそれぞれを構成する対応する光学的パ
ルスの試料への到着時間の間隔の一つ又は全ては、固定
することができる。

【００９８】一般に、システムの構成要素の幾つか、或
いは全ては、ファイバー光学系、顕微鏡光学系、集積光
学系、通常の個別光学部品よりなる光学系の幾つか、あ
るいは全てによって実現される。

【００９９】さらに、信号雑音比を犠牲にすることを厭
わなければ、焦点合わせ手段１３や焦点合わせ手段５２
のいずれかまたは両方をテーパー状の光ファイバー等の
近接場光学系に置き換えることによって、横空間分解能
を高めることができる。

【０１００】試料１４からの反射光の位相と強度の両者
の超高速の変化を同時に指示する信号は、試料１４の表
面、あるいは試料１４中の界面における機械的動きから
生じ、また、試料１４の光学的定数の変化からも生じ
る。この機械的動きや光学的定数の変化は、温度変化か
ら生じると共に、応力パルスの生成、及びその伝播とか
ら生じ、そこには、一般にキャリアの励起、緩和及び拡
散からの寄与がある。試料１４の各部分の厚さ、音響速
度、弾性定数及び熱的性質のような物理的性質に依存す
るこれらの信号は、これらの物理的性質を測定するため
に使用できる。これらの物理的性質に影響を与えるよう
な関連する量、例えば、イオン注入に関連する量も測定
できる。多層膜構造においては各層の物理的性質を測定
できる。光学的パルスが試料との相互作用で破壊的であ
る時、試料からの反射光の位相と強度の超高速の変化を
同時に指示する信号は、試料からの放出物、又は試料の
不可逆的変形に依存する。そのような信号も、試料の物
理的性質を検出するために使用することができる。

【０１０１】本発明の装置は、不透明部分、透明部分、
又は半透明部分の組み合わせから形成されている試料に
も同様に適用できる。また、液体、固体、ゲルなど様々
な形態の組み合わせからなる試料にも適用できる。

【０１０２】以下、具体例について説明する。

【０１０３】装置の特徴を検査するために図１に示され
る実施例を組み立てる。ポンプパルスと計測パルスの列
は、１００ｆｓパルス継続時間と８２ＭＨｚの繰り返し
率を持つ同一のフェムセカンドのＴｉサファイヤレーザ
から引き出される。８３０ｎｍの出力は、計測ビーム３
６のために使用され、４１５ｎｍの第２高調波はポンプ
ビーム３８のために使用される。これらの２つの波長の
光は、全てのビームが同一の焦点合わせ手段１３として
使用される顕微鏡の５０倍対物レンズを通過するよう
に、ダイクロイックビームスプリッターで結合され、試
料上に直径２μｍのスポットを作る。ポンプビーム３８
は、音響光学変調器（１ＭＨｚ）によって変調される。
空間フィルター２０は使用しない。試料１４として、不
透明の金の多結晶薄膜がシリカ基板の上に蒸着されたも
のを用いる。図１４と図１５は、遅延時間、すなわち、
ポンプビームを構成する光学的パルスとプローブビーム
を構成する光学的パルス試料への到着時間の間隔の関数
としての、干渉応答Ｉ₀ とＩ₉₀とを示している。ポンプ
光強度は０．５ｍＪ／ｃｍ² 、プローブ光強度は０．１
ｍＪ／ｃｍ² である。Ｉ₀ とＩ₉₀はそれぞれ４分の１波
長板１６の軸の角度Ψ＝０°および９０°に対応してい
る。信号の重要な特徴は、厚み方向での縦波応力パルス
伝播および膜と基板の界面からの応力パルスの反射から
生じる、τ≒１９０と３８０ｐｓの二つの音響的エコー
およびτ≒１００ｐｓになるまでの表面の初期の熱的膨
張である。この例では、図１４と図１５に示される、こ
れらの膨張と音響エコーの信号は、膜の光学的定数の変
化からではなく、殆ど大部分は、試料表面の機械的動作
から生じる。このことは、この場合、光学的位相変位δ
φが信号に支配的であることを意味している。音響物理
学において周知であるように、音響エコー間の時間間隔
Δτは、関係ｄ＝ｖΔτ／２を使って膜の厚さを評価す
るのに使用できる。ここで、ｖは膜の縦波音響速度であ
る。本例においては金多結晶の縦波音響速度３３６０ｍ
／ｓを用いて金薄膜の膜厚は３２０ｎｍと求められた。
エコーの形状は、電子の拡散に強く影響されることが知
られているが、これは膜の厚さを決定する方法には影響
を与えない。

【０１０４】信号の大きさは、試料の熱膨張係数に依存
するから、試料を横方向に走査することによって、熱的
膨張係数の空間的変化についての情報を得ることが可能
である。

【０１０５】金の場合、試料の温度変化による光学的定
数の変動効果は、機械的動きによる効果に比べて比較的
小さい。しかし、一般的には、熱的拡散に依存する試料
の温度変化は、容易に検出可能で、試料全体のあるいは
試料の構成部分の熱的拡散性のような熱的性質は測定可
能である。

【０１０６】本発明の装置は、不透明部分、透明部分、
又は半透明部分の組み合わせから形成されている試料に
も同様に適用できる。また、液体、固体、ゲルなど様々
な形態の組み合わせからなる試料にも適用できる。

【０１０７】本発明の装置は多層薄膜構造における応力
パルスの発生と観測に同様に用いることができ、例えば
各層の膜厚や弾性定数の測定を行うことができる。

【０１０８】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【０１０９】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏することができる。

【０１１０】本発明の中で記述されている簡単で丈夫な
装置は、試料表面に垂直な深さ方向の短い長さスケール
の材料の物性の測定の広範囲な応用に非常に有効であ
る。その融通性と安定性は、様々な試料、不透明部分、
透明部分、あるいは半透明部分からなる試料に適用する
ことができる。試料からの反射光の位相と強度の変化に
本質的同時に感度が良好であり、試料から最大の情報を
引き出すことができる。

【０１１１】この方法は、試料からの反射光の強度のみ
に感度が良い方法に比べて、より広範囲な適用が可能で
ある。例えば、試料の光学的定数における変化が無視で
きる試料に対しても、この装置は、試料の機械的動きに
よる信号も検知可能である。この装置は、超短波長の応
力パルスの生成とその伝播、あるいは熱波動のような材
料の物性を短い長さスケールで検出できる。関連する物
理的性質を、試料上への照射範囲のみで決定される高い
横方向の分解能でマッピング可能である。横方向の走査
は、例えば、横方向の応力パルスの伝播や熱波動の測定
および試料の面方向に対応する物理的性質の測定を可能
にする。これは、例えば、異方性を持つ試料に対して有
用である。

【０１１２】干渉計の共通経路構成は、雑音的な機械的
振動、および温度変化の影響を最小にするのに必須であ
る。プローブビームと基準ビームが試料上の回折限界の
円形領域に垂直方向から集光入射される構成で試料から
の反射光の位相と強度を同時に測定できることが本方法
の大きな利点である。

【０１１３】プローブビームと基準ビームが垂直方向の
入射角となる構成の利用及び、試料に垂直方向の入射角
で入射する全ての光学的ビームの焦点合わせに、単一の
顕微鏡対物レンズを使用できるということは、様々な非
破壊的計測に対して非常に魅力的である。単層又は多層
の試料、或いは不変の不純物が１つ又は複数埋め込まれ
ている試料の測定が可能であり、また、試料の異なる
層、あるいは部分の物理的性質も検出できる。

【０１１４】また、本発明は試料とポンプパルスの相互
作用が破壊的な時、試料からの放出物や不可逆的な試料
の変質を測定するのに使用することもできる。これは、
プラズマ診断の分野に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す３つのビームスプリ
ッターを持つ２アーム干渉計を使用する試料測定装置の
構成図であり、ポンプビームは計測ビームと異なる波長
を持ち、計測ビームのサンプリングビームは、信号ノイ
ズ比を改善するのに使用される。最初の出力ビーム中の
４分の１の波長板と偏光子の組み合わせは、最大の位相
感度を達成するのに使用される。

【図２】プローブビームと基準ビームの偏光子通過後の
位相差の程度が、第２の４分のの１波長板の角度Ψの関
数としてプロットされた図である。

【図３】第２の４分の１波長板の角度Ψの関数としてプ
ロットされた干渉の鮮明度を示す図である。

【図４】偏光子前のもので規格化された第２の出力ビー
ムの強度を、第２の４分の１波長板の角度Ψの関数とし
てプロットした図である。

【図５】本発明の第２実施例を示す３つのビームスプリ
ッターを持つ２アーム干渉計を使用する試料測定装置の
構成図であり、ポンプビームと計測ビームが同一の波長
を持っている。

【図６】２つの異なる信号を同時に得られる本発明の実
施例の構成図である。

【図７】干渉計における損失を減らすために、２つのフ
ァラデー回転子を使用した本発明の実施例の構成図であ
る。

【図８】第１のビームスプリッターへ入射した計測ビー
ムが９０度反射する本発明の実施例の構成図である。

【図９】ビームスプリッターと、プローブビーム、基準
ビームの焦点合わせ手段と同一のものを使用する、プロ
ーブビームと基準ビームが入射する試料の面と同一面上
へポンプビームが垂直方向ではない入射角で入射する本
発明の実施例の構成図である。

【図１０】ミラーと、プローブビーム、基準ビームの焦
点合わせ手段と同一のものを使用する、プローブビーム
と基準ビームが入射する試料面と同一面へポンプビーム
が垂直方向ではない入射角で入射する本発明の実施例の
構成図である。

【図１１】プローブビームと基準ビームと異なる焦点合
わせ手段を使用する、プローブビームと基準ビームが入
射する試料の面との同一面へ、ポンプビームが垂直方向
の入射角でない角度で入射する発明の実施例の構成図で
ある。

【図１２】プローブビームと基準ビームの焦点合わせ手
段と異なるものを使用する、プローブビームと基準ビー
ムが入射する試料の面と反対面へ、ポンプビームが垂直
方向の入射角又は垂直方向の入射角でない角度で入射す
る本発明の実施例の構成図である。

【図１３】プローブビームと基準ビームの焦点合わせ手
段と異なる焦点合わせ手段を使用する、ポンプビームが
試料上へ横方向から入射する本発明の実施例の構成図で
ある。

【図１４】本発明の第１実施例の装置を使用した、シリ
コン基板上の膜厚が３３０ｎｍの金膜に対するΨ＝０°
の時の干渉計の応答Ｉ₀ を、ポンプパルスとプローブパ
ルスの間の遅延時間の関数として示した図である。

【図１５】本発明の第１実施例の装置を使用し、シリコ
ン基板上の膜厚が３３０ｎｍの金膜に対する、Ψ＝９０
°の時の、干渉計の応答Ｉ₉₀を、ポンプパルスとプロー
ブパルスの間の遅延時間の関数として示した図である。

【符号の説明】

１ 第１のビームスプリッター ２ 第２のビームスプリッター ３ 第３のビームスプリッター ４ 偏光子 ５ 計測ビームのサンプリングビーム ６ ビームスプリッター ７ 長い光学距離を持つ経路（アーム） ８，９，２３，２４，２５，２６，３０，３１，５１
ミラー １０ 短い光学距離を持つ経路（アーム） １１ 再結合されたビーム １２ 第１の４分の１波長板 １３，５２ 焦点合わせ手段 １４ 試料 １５ 第１の出力ビーム １６ 第２の４分の１波長板 １７ 直線偏光子 １８ 第２の出力ビーム ２０ 空間フィルター ２１，３４，４９ 光検出器 ２２ 非線形結晶 ２７ コーナーキューブ ２８，６０ 遅延経路 ２９ ダイクロイックビームスプリッター ３２ 可変減衰器 ３３ フィルター ３５ ビーム ３６ 計測ビーム ３７ 回帰ビーム ３８ ポンプビーム ３９ 補助的な焦点合わせ要素 ４０ 光源 ４１，５０ チョッパー ４２ 出力信号を生成する回路 ４３ ロックイン増幅器 ４４ 信号平均器 ４５ 非偏光ビームスプリッター ４６ 偏光ビームスプリッター ４７ ２２．５度のファラデー回転子 ５３ ４５度のファラデー回転子

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−27746（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−172739（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−280744（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−242079（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−281632（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−9641（ＪＰ，Ａ) 特表 平11−511240（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28 G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (37)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）継続時間が０．００２ｐｓから２ｎ
   ｓまでの超短光パルスをもつ計測ビームを供給するコヒ
   ーレントあるいは部分的コヒーレントな１つの放射源
   と、 （ｂ）継続時間が０．００２ｐｓから２ｎｓまでの超短
   光パルスをもつポンプビームを供給する１つの放射源
   と、 （ｃ）計測ビームの一部が第１のビームスプリッターを
   通過又は反射し、その後第２のビームスプリッターに入
   射する前記計測ビームの一部が偏光の異なるプローブビ
   ームと基準ビームの２つのビームに分割され、前記プロ
   ーブビームは、第２のビームスプリッターと第３のビー
   ムスプリッターの間の長い光学距離を持つアームを進行
   し、前記基準ビームは、前記第２のビームスプリッター
   と前記第３のビームスプリッターの間の短い光学距離を
   持つアームを進行し、第３のビームスプリッターにおい
   て前記プローブビームと前記基準ビームが再結合され、
   さらに２つのアームの光路長における差異が、光の伝搬
   方向において、前記基準ビーム及びプローブビームにお
   ける光パルスの空間的長さより長くなるように選ばれる
   ３つのビームスプリッターと、 （ｄ）前記再結合されたビームを試料に垂直方向から入
   射し、該試料から反射される、前記プローブビームと前
   記基準ビームは、前記プローブビームが前記短いアーム
   を、前記基準ビームが前記長いアームをそれぞれ進行す
   るように、前記第３のビームスプリッターを通過した後
   に、互いに異なる経路を進行するようにすると共に、前
   記プローブビームと前記基準ビームは、前記計測ビーム
   が最初に前記第２のビームスプリッターに入射したとき
   の計測ビームの方向と反対方向に伝搬するビームを作り
   出すように、前記第２のビームスプリッターで再結合さ
   れ、さらに、前記計測ビームが最初に第１のビームスプ
   リッターに入射したときの前記計測ビームと同軸でない
   前記基準ビームとプローブビームを含む第１の出力ビー
   ムを作り出すために、前記再結合されたビームは、前記
   第１のビームスプリッターから反射、又は、前記第１の
   ビームスプリッターを通過するように構成する手段と、 （ｅ）前記ポンプビームを試料に向けるための手段と、 （ｆ）前記ポンプビームを構成する放射パルスと、前記
   基準ビームを構成する放射パルスの間の試料への到着時
   間間隔を変化させる手段と、 （ｇ）前記プローブビームと基準ビームをそれぞれ構成
   する、対応する放射パルス間の試料への到着時間間隔を
   変化させる手段と、 （ｈ）前記第１の出力ビームになる前記基準ビームとプ
   ローブビームの一部が第２の出力ビームを形成するよう
   に、同一の偏光状態に分解されることを確保する手段
   と、 （ｉ）前記第２の出力ビームの強度が試料からの反射光
   の位相と強度の変化の両者に同時に敏感であるように、
   一つ又は複数の光検出器での前記基準ビームと前記プロ
   ーブビームの対応する放射パルス間に０±１８０Ｉ度
   （Ｉは整数）に等しくない、一つ又は複数の位相差を導
   入する手段と、 （ｊ）前記一つ又は複数の信号に関連して試料の物理的
   性質を測定できるように、前記ポンプビームによって誘
   起された前記試料上における諸変化を指示する一つ又は
   複数の信号を生成するために、前記第２の出力ビームを
   構成する前記基準ビームとプローブビーム間の干渉の特
   徴である前記第２の出力ビームの強度を検出するため
   に、前記第２の出力ビームの一部を前記一つ又は複数の
   光検出器に案内する手段と、 を具備する試料の物理的性質の測定装置。
2. 【請求項２】 前記ポンプビームによって誘起される試
   料上の諸変化を指示する前記一つ又は複数の信号が前記
   試料の表面あるいは界面の機械的動きによって引き起こ
   されるものであることを特徴とする請求項１記載の試料
   の物理的性質の測定装置。
3. 【請求項３】 前記ポンプビームによって誘起される試
   料上の諸変化を指示する前記一つ又は複数の信号が前記
   試料の表面あるいは界面の機械的動きと光学的定数の変
   化の両者によって同時に引き起こされるものであること
   を特徴とする請求項１記載の試料の物理的性質の測定装
   置。
4. 【請求項４】 前記ポンプビームと前記計測ビームが、
   周期的な放射パルスの連続から構成されると共に、前記
   一つ又は複数の光検出器から出る一つ又は複数の信号を
   複数のパルスにわたって平均化するための手段を含むこ
   とを特徴とする請求項１記載の試料の物理的性質の測定
   装置。
5. 【請求項５】 前記ポンプビームと前記計測ビームが、
   同一光源から引き出される周期的な放射パルスの連続か
   ら構成されると共に、前記一つ又は複数の光検出器から
   出る一つ又は複数の信号を、複数のパルスにわたって平
   均化するための手段を含むことを特徴とする請求項１記
   載の試料の物理的性質の測定装置。
6. 【請求項６】 前記ポンプビームと前記計測ビームが、
   それぞれ異なる光源から引き出される周期的な放射パル
   スの連続から構成されると共に、前記一つ又は複数の光
   検出器から出る、一つ又は複数の信号を、複数のパルス
   にわたって平均化するための手段を含むことを特徴とす
   る請求項１記載の試料の物理的性質の測定装置。
7. 【請求項７】 前記ポンプビーム、前記計測ビーム、前
   記プローブビームと前記基準ビームあるいはそれらの組
   み合わせの強度や偏光を変調させる手段と、前記一つ又
   は複数の光検出器から引き出される前記一つ又は複数の
   信号の変調された一つ又は複数の部分の振幅に比例する
   一つ又は複数の信号を計測するための手段を含む請求項
   １記載の試料の物理的性質の測定装置。
8. 【請求項８】 同一又は類似の実験条件のもとで、二つ
   の信号を得るように、９０±３６０Ｍ（Ｍは整数）又は
   −９０±３６０Ｎ（Ｎは整数）の位相差に対応する一つ
   又は複数の前記光検出器から得られる２つの信号を用い
   た請求項７記載の試料の物理的性質の測定装置。
9. 【請求項９】 前記二つの対応する光検出器の変調され
   た信号の適切な部分の振幅に比例する二つの信号が計測
   される請求項８記載の試料の物理的性質の測定装置。
10. 【請求項１０】 前記基準ビームと前記プローブビーム
    が垂直方向から入射する試料の面と同じ面側から、いく
    つかの焦点合わせ手段を使用して、前記ポンプビームが
    非垂直方向から焦点合わせされることを特徴とする請求
    項１記載の試料の物理的性質の測定装置。
11. 【請求項１１】 前記ポンプビームが前記基準ビームと
    プローブビームに共線的に結合されると共に前記ポンプ
    ビームの焦点合わせが、ブローブビームと基準ビームが
    垂直方向から入射する面と、同一面からなされ、同一焦
    点合わせ手段であることを特徴とする請求項１記載の試
    料の物理的性質の測定装置。
12. 【請求項１２】 前記基準ビームとプローブビームが入
    射する面の反対側の試料の面側から、前記ポンプビーム
    が、垂直又は非垂直方向に入射するように、いくつかの
    焦点合わせ手段を使って焦点合わせされることを特徴と
    する請求項１記載の試料の物理的性質の測定装置。
13. 【請求項１３】 前記ポンプビームが、いくつかの焦点
    合わせ手段を使用して、前記試料の横方向から焦点合わ
    せされることを特徴とする請求項１記載の試料の物理的
    性質の測定装置。
14. 【請求項１４】 前記ポンプビームと前記プローブビー
    ムのそれぞれを構成する対応する放射パルス間の試料へ
    の到着時間間隔が、変わるものであると共に、前記一つ
    又は複数の光検出器からの前記一つ又は複数の信号が、
    対応する到着時間間隔の関数として測定されることを特
    徴とする請求項１記載の試料の物理的性質の測定装置。
15. 【請求項１５】 前記プローブビームと前記基準ビーム
    のそれぞれを構成する、対応する放射パルス間の試料へ
    の到着時間間隔が変わるものであると共に、前記一つ又
    は複数の光検出器からの前記一つ又は複数の信号が、対
    応する到着時間間隔の関数として、測定されることを特
    徴とする請求項１記載の試料の物理的性質の測定装置。
16. 【請求項１６】 前記ポンプビームと前記基準ビームの
    それぞれを構成する、対応する放射パルス間の試料への
    到着時間間隔が変わり、同時に前記基準ビームと前記プ
    ローブビームのそれぞれを構成する放射パルス間の試料
    への到着時間間隔が変わると共に、前記一つ又は複数の
    光検出器から一つ又は複数の信号が対応する到着時間間
    隔の関数として測定されることを特徴とする請求項１記
    載の試料の物理的性質の測定装置。
17. 【請求項１７】 前記ポンプビームと前記基準ビームの
    それぞれを構成する、対応する放射パルス間の試料への
    到着時間間隔が固定されることを特徴とする請求項１記
    載の試料の物理的性質の測定装置。
18. 【請求項１８】 前記プローブビームと前記基準ビーム
    のそれぞれを構成する、対応する放射パルス間の試料へ
    の到着時間間隔が固定されることを特徴とする請求項１
    記載の試料の物理的性質の測定装置。
19. 【請求項１９】 前記ポンプビームと前記基準ビームの
    それぞれを構成する、対応する放射パルス間の試料への
    到着時間間隔が固定され、加えて、前記プローブビーム
    と前記基準ビームのそれぞれを構成する、対応する放射
    パルス間の試料への到着時間間隔が固定されることを特
    徴とする請求項１記載の試料の物理的性質の測定装置。
20. 【請求項２０】 前記試料の物理的性質を空間的にマッ
    ピングするために、試料の照射領域が、装置を動かすか
    前記試料を動かすかのいずれかによって、前記試料にわ
    たって走査されることを特徴とする請求項１記載の試料
    の物理的性質の測定装置。
21. 【請求項２１】 前記試料の物理的性質を空間的にマッ
    ピングするために、前記プローブビームと基準ビームが
    照射される領域が、前記ポンプビームが照射される領域
    に関連させて、前記プローブビームと基準ビームとポン
    プビームおよび前記試料の相対的動きによって走査され
    ることを特徴とする請求項１記載の試料の物理的性質の
    測定装置。
22. 【請求項２２】 前記ポンプビームが、前記基準ビーム
    とプローブビームが入射すると同じ前記試料の面側から
    励起させるために使用されるものであって、前記ポンプ
    ビームの放射波長スペクトルは、前記プローブビームと
    基準ビームの放射波長スペクトルと異なっており、又、
    前記ポンプビームは、ダイクロイックビームスプリッタ
    ーあるいは他のビームスプリッターを使って、前記基準
    ビームとプローブビームと共線的に結合され、前記ポン
    プビームが前記試料へ垂直に入射するよう焦点合わせす
    るために前記焦点合わせ手段と同一のものが使用され、
    さらに、前記ポンプビームからのいかなる光も前記一つ
    又は複数の光検出器に到着することを防ぐために、前記
    一つ又は複数の光検出器の前に光学的フィルターが配置
    されることを特徴とする請求項１記載の試料の物理的性
    質の測定装置。
23. 【請求項２３】 前記一つ又は複数の光検出器からの前
    記一つ又は複数の信号は、前記計測ビームの強度に比例
    する部分を差し引いたものであることを特徴とする請求
    項１記載の試料の物理的性質の測定装置。
24. 【請求項２４】 前記計測ビームは、非偏光ビームスプ
    リッターである前記第１のビームスプリッターの軸に対
    して４５度の角度で最初に直線偏光しているものであ
    り、 前記第２のビームスプリッターは、前記第１のビームス
    プリッターに平行に配置された軸を持つ偏光ビームスプ
    リッターであり、 前記第３のビームスプリッターは、前記第１のビームス
    プリッターと前記第２のビームスプリッターに対し平行
    に配置された軸を持つ偏光ビームスプリッターであり、 第１の４分の１波長板を前記プローブビームと基準ビー
    ムが２度通過するときに、それらのビームに対する９０
    度偏光を回転させるためのものとして働かせるために、
    前記第３のビームスプリッターと前記試料の間に、該第
    ３のビームスプリッターの軸に対して４５度の軸をもっ
    て、該第１の４分の１波長板が配置され、 前記試料から反射される前記プローブビームと前記試料
    から反射される前記基準ビームは、前記プローブビーム
    は前記短いアームを、前記基準ビームは前記長いアーム
    を、それぞれ進行するように、前記第３のビームスプリ
    ッターを通過後に、互いに異なる経路を進行すること
    を、システムの構成要素を選択することによって可能に
    するものであり、 前記基準ビームと前記プローブビームの対応する放射パ
    ルス間に位相差を導入する手段が、前記ビームスプリッ
    ターの軸に平行な光学的軸を持つ第２の４分の１波長板
    であり、 該第２の４分の１波長板は、前記第１の出力ビームの経
    路又は、前記第１のビームスプリッター前の前記計測ビ
    ームの経路に配置され、前記第１の出力ビームを構成す
    る前記基準ビームと前記プローブビームの一部が前記第
    ２の出力ビームを形成すべく、同一の偏光状態になるよ
    うに、分解されることを確保するための前記手段は、前
    記第２の４分の１波長板に軸に対して４５度の光学的軸
    を持つ偏光子であり、 前記偏光子は、前記第１の出力ビームの経路中に配置さ
    れ、 前記基準ビームと前記プローブビーム中の対応する放射
    パルス間の９０度又は−９０度の位相差は、このいくつ
    かの要素の組み合わせによって生成されるものであるこ
    とを特徴とする請求項１記載の試料の物理的性質の測定
    装置。
25. 【請求項２５】 前記第１の出力ビームを二つの部分に
    分割するために、第２の４分の１波長板を通過した後
    に、第１の出力ビームの経路中に配置される追加の偏光
    ビームスプリッターを有し、 前記追加の偏光ビームスプリッターの軸が、第１のビー
    ムスプリッターの軸に対して４５度の角度をなしている
    ものであり、 前記追加の偏光ビームスプリッターによって分割された
    第１のビームの部分が第１の光検出器に入射されるもの
    であり、 前記ビームの第２の部分は第２の光検出器に入射されて
    おり、 前記光検出器の両方において信号が、前記９０度位相差
    か、前記−９０度の位相差のどちらかに対応するよう生
    成され、さらに前記試料から反射されたとき、信号が前
    記計測ビームの位相における変化に関しては前記第１の
    光検出器に比して前記第２の光検出器において反対の符
    号を持って反応するように配置されることを特徴とす
    る、請求項２４記載の試料の物理的性質の測定装置。
26. 【請求項２６】 第１のビームスプリッタに入射すると
    き、偏光ビームスプリッタである前記第１のビームスプ
    リッタの軸に対して、適切な角度で直線的に偏光されて
    いる前記計測ビームによって特徴付けられ、 前記第２のビームスプリッタが前記第１のビームスプリ
    ッタに対して並行に配置される軸を有する偏光ビームス
    プリッタであり、 前記第３のビームスプリッタが前記第１のビームスプリ
    ッタおよび前記第２のビームスプリッタに対して並行に
    配置される軸を有する偏光ビームスプリッタであり、 ４５度ファラデー回転子が前記第１のビームスプリッタ
    および前記第２のビームスプリッタとの間に配置され、 第１の４分の１波長板が、該第１の４分の１波長板を２
    回通過する前記プローブビームおよび基準ビームのため
    に９０度偏光回転子として機能するために前記ビームス
    プリッタの軸に対して該第１の４分の１波長板の軸が４
    ５度の角をなして、前記第３のビームスプリッタと前記
    試料との間に位置し、 システムコンポーネントは、前記試料から反射する前記
    プローブビームと、前記試料から反射する前記基準ビー
    ムとが前記第３のビームスプリッタを通過後、前記プロ
    ーブビームが前記短いアームを進行し、前記基準ビーム
    が前記長いアームを進行するように選択され、 前記基準ビームと前記プローブビームの対応する放射パ
    ルスの間に既知の固定された位相差を生じさせるための
    手段として、前記第１の４分の１波長板と前記試料との
    間に位置する２２．５度ファラデー回転子を有し、前 記基準ビームの部分、および前記プローブビームの部
    分とからなる前記第１の出力ビームを確実に同じ偏光状
    態に分析して第２の出力ビームを得る手段が前記第１の
    ビームスプリッタであり、 そして、エレメントの組み合わせが前記基準ビーム及び
    前記プローブビームにおける対応している放射パルスの
    間に±９０度の位相差を生じるように構成されている請
    求項１記載の試料の物理的性質の測定装置。
27. 【請求項２７】 一つ又は複数の層からなる前記試料又
    は埋め込まれた不変の一つ又は複数の不純物を持つ材料
    からなる前記試料の表面又は界面の機械的動きを指示す
    る信号をその一部として含む信号を得るものであって、
    これら機械的動きは不透明、透明、半透明の各部分ある
    いは、その組み合わせから形成される前記試料の、ポン
    プビームによって発生をせられる一つ又は複数の応力パ
    ルスおよびこれに引き続く応力パルスの伝播ならびに前
    記試料の表面や界面からのこれらの応力パルスの反射な
    らびに前記試料中に埋め込まれた不変の一つ又は複数の
    不純物からの反射によるものであることによって、特徴
    づけられる請求項１記載の試料の物理的性質の測定装
    置。
28. 【請求項２８】 一つ又は複数の層から形成される前記
    試料の一層又は複数の層あるいは、埋め込まれた不変の
    不純物によって規定される前記試料の一部分又は全部の
    厚さ、音響速度もしくはその両方、あるいは音響速度に
    影響を与える物性を測定することによって、特徴づけら
    れる請求項２７記載の試料の物理的性質の測定装置。
29. 【請求項２９】 不透明部分、透明部分あるいは半透明
    部分あるいはそれらの組み合わせが形成されている前記
    試料中のポンプビームに起因する温度変化や熱拡散によ
    って発生される一つ又は複数の応力パルスおよびそれに
    引き続くこれらの応力パルスの伝搬ならびに前記試料の
    表面、表面下の界面からあるいは、前記試料中に埋もれ
    た不変の一つ又は複数の不純物からの反射によるいくつ
    かの信号、一つ又は複数の層からなる試料あるいは、埋
    め込まれた一つ又は複数の不純物を持つ材料からなる前
    記試料の表面あるいは界面での機械的動きを指示するい
    くつかの信号を得ることによって特徴づけられる請求項
    １記載の試料の物理的性質の測定装置。
30. 【請求項３０】 一つ又は複数の層から形成される前記
    試料の一層又は複数の層あるいは、埋め込まれた不変の
    不純物によって規定される前記試料の一部分又は全部の
    厚さ、熱的性質もしくはその両方、あるいは熱的性質に
    影響を与える物性を測定することによって、特徴づけら
    れる請求項２９記載の試料の物理的性質の測定装置。
31. 【請求項３１】 不透明、透明、半透明の各部分あるい
    はその組み合わせから形成する前記試料のポンプビーム
    によって発生させられる温度変化とその前記試料中の拡
    散による光学定数の変化、および一つ又は複数の層から
    成る前記試料あるいは一つ又は複数の埋め込まれた不変
    の不純物を持つ材料からなる前記試料の表面あるいは、
    界面での機械的動きとの同時的存在を示す信号を得るこ
    とを特徴とする請求項１記載の試料の物理的性質の測定
    装置。
32. 【請求項３２】 一つ又は複数の層から形成される前記
    試料の一層又は複数の層あるいは、埋め込まれた不変の
    不純物によって規定される前記試料の一部分又は全部の
    厚さ、熱的特性を測定することを特徴とする請求項３１
    記載の試料の物理的性質の測定装置。
33. 【請求項３３】 前記試料の表面の膨張・収縮に比例す
    る信号を得ることを特徴とする請求項２９記載の試料の
    物理的性質の測定装置。
34. 【請求項３４】 前記試料の表面の膨張・収縮に起因す
    る熱的特性、又は熱的特性に影響を与える諸特性の測定
    によって特徴付けられる請求項２９記載の試料の物理的
    性質の測定装置。
35. 【請求項３５】 不透明、透明、半透明の各部分あるい
    はその組み合わせから形成する前記試料の前記ポンプビ
    ームの光パルスとの破壊的相互作用による、前記試料か
    らの放出物に起因する、あるいは前記試料の不可逆的変
    形に起因する信号を得ることを特徴とする請求項１記載
    の試料の物理的性質の測定装置。
36. 【請求項３６】 不可逆的変形に影響を与える前記試料
    の特性の測定によって特徴付けられる請求項３５記載の
    試料の物理的性質の測定装置。
37. 【請求項３７】 前記試料に入射する前記合成されたビ
    ームが垂直からわずかにずれた入射角を持つことによっ
    て特徴付けられる請求項１記載の試料の物理的性質の測
    定装置。