JP4991708B2 - 光音響システムにおける波長効果により構造の特性を測定する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、構造の特性を測定する方法の分野に関する。

本発明は、特に光パルスにより発生および検出される音響波により構造の特性を測定する方法に関する。この方法は構造内の波の各種の反射および伝播の測定を利用する。

従来技術においては、公知の米国特許第5,748,318号が、機械的および熱的特性の測定により薄膜および薄膜間の界面（インターフェース）の特性を測定するシステムを記載している。記載されたシステムにおいては、光は薄膜または数層の薄膜で作られた構造に吸収され、光透過または反射における変化が測定および解析される。透過または反射における変化は、構造内で発生された超音波に情報を供給するのに使用される。それにより、層の厚さおよび構造の各種の光特性を決定することが可能である。

上記の特許は、この技術分野の熟練者に知られたポンプ・プローブシステムの実現例であり、一般には公知の装置の例を示す図１を参照して説明される。この図において、光源は、第１ビームを発生する固定波長の波を出射する短パルス（例えばフェムト秒）レーザであり、第１ビームはビームスプリッタにより「ポンプ」ビームと「プローブ」ビームとに分離される。「プローブ」ビームの光経路長は、位置サーボ制御されるミラーにより変化するようになっている。出射ビームの効果の下で構造の特性がプローブ波の反射（透過）特性に変化を生じることが知られている。特に、図２に示すように、そしてそれ自体でも公知の方法で、時間関数として反射における変化を与えるグラフにおいて、構造の界面の反響特性を観察することができる。反響信号の解析は、もし媒体における音響波の伝播速度が既知であれば、例えば、材料の厚さを推測することを可能にする。

しかし、この方法の使用では、伝播速度と構造の厚さの両方を測定することはできない。

抽出される特性の数を増加するため、特に速度と厚さの両方を抽出するため、「ピコ秒超音波におけるレーザ波長効果の証拠」(Physics Review Letters, march 12, 2001, Volume 86, Issue 12)という題名の文献は、上記のようにポンプ・プローブの使用を記載しているが、波長調整可能レーザに関係しており、それにより出射信号の波長を変化させることを可能にする。

このような波長効果により、特定の形式の構造の厚さ特性と速度特性の両方を測定することが可能になる。「微細システムの応用に使用される窒化アルミニューム膜の特定のための可変レーザ波長におけるピコ秒超音波の使用に関する特異なアプローチ」(A.Devos, G. Caruyer, C. Zinck, and P. Ancey)、超音波に関する世界会議(World Congress on Ultrasonics)（パリ、２００３年９月７−１０日）(pp. 793-796 ISBN 2-9521105-0-6)という題名の文献に記載されているように、プローブビームに対して透明な構造について、音響・光学相互作用が材料内に現れ、反響により観測される単なるパルスの代わりに現れる共振を生じる。「ブリュアン(Brillouin)」共振といわれるこのような共振は、プローブの波長および材料内の音響速度に依存する周期を有する。SiN/Al/SiおよびSuO₂/Al/Siのサンプルについて、それらの例が図３に示される。この例では、材料および厚さが２つのサンプルを互いに区別し、ブリュアン共振はプローブ信号（４３０ｍ）に対して同一の波長で同一の周期を有さないことが分かる。この技術分野の熟練者であれば、ブリュアン共振の周期の測定は、層の厚さと独立して、材料内の音響速度に情報を与えることが理解できる。音響波が自由表面に到達する時、そこで反射して変形の符号を変化させる。これにより、反射率に跳び（ジャンプ）が現れる。「ポンプ」ビームにより深さ内に発生される音響波は、符号を反射で変えながら層の厚さにおける微小な変化を搬送する。「透明薄膜内の超速振動およびレーザ音響」(O.B. Wright and T.L Hyoguchi, Optics Letters, Vol. 16, page 1529 (1991))という題名の文献に示されるように、透明層がファブリー・ペロー干渉計として動作するため、この変化は光学的に検出される。

反射率におけるこのようなジャンプが図３に示される。ブリュアン共振は、反射率におけるジャンプのどちら側にも伸びることが可能であることに注目する。この技術分野の熟練者であれば、ジャンプの出現時間の測定は材料の厚さの情報を与え、その共振の周期の測定は伝播速度の情報を与えることが理解できる。

窒化アルミニュームのような材料については、共振の周期および音の反響位置を使用することにより、これまで約６％の厚さ誤差率があった。

本発明の目的は、厚さと速度の両方の値を測定可能なまま、測定データの誤差率をさらに小さくすることである。

このように、本発明は、例えば波長可変レーザによる波長効果を使用してこのような従来技術の欠点を解決することを意図している。

このため、本発明は、上記の形式のもので、特に最も広い範囲としては、本発明は、構造の特性を測定する装置を提供し、この装置は、放射を異なる波長で出力するように適合された、ポンプ第１放射およびプローブ第２放射を発生する放射発生手段と、前記放射発生手段と前記構造の間で、前記プローブ第２放射と前記ポンプ第１放射の間に、時間シフトを発生する時間シフト発生手段と、前記構造からの反射またはその通過後の前記第２ビームを検出して、解析される信号を発生する検出器手段と、前記信号を処理するプロセッサ手段と、を備え、前記プロセッサ手段は、前記信号内のジャンプに対応するゾーンを確認し、前記ジャンプの振幅を前記異なる波長の関数として決定し、前記振幅を前記振幅の変化の理論的なモデルと波長の関数として比較し、そして前記理論的なモデルの特徴的な波長について、前記構造の厚さおよび前記構造内の放射伝播速度に関係する特徴値を決定する、ことを特徴とする。

１つの実施例では、波長が変化できる光源を得るために、少なくとも１つの波長調整可能なレーザ源が使用される。特に、２つの波長調整可能なレーザ源を、または少なくとも１つの固定レーザ源と１つの波長調整可能なレーザ源とを使用することが可能である。

他の実施例では、波長の変化は、連続した光を出射する放射手段により得られる。

本発明による反射率のジャンプを観察可能にするために、プローブ第２放射は、構造の層の少なくとも２つの界面と相互作用するように選択される。

光信号が複数の波長に渡って送られるようにするために、本発明の装置は、異なる波長に対応する波長範囲に渡って放射を送る１組の光学手段をさらに備えることが望ましい。

さらに、本発明は構造の特性を測定する方法を提供し、この方法は、
ポンプ第１放射を前記構造に印加するステップと、
前記ポンプ第１放射に対して時間シフトしたプローブ第２放射を前記構造に印加するステップと、
前記構造での反射または通過後の前記第２放射を検出して、反射または通過後の前記第２放射を表す信号を発生するステップと、
前記信号内の振幅ジャンプを確認するステップと、
波長の関数として第１のジャンプのプロフィールを得るように、前記第２放射の波長を変化させるステップと、
前記第１のプロフィールを、波長および前記構造の厚さと光学指数の関数に依存する理論的な第２のプロフィールと比較するステップと、
前記構造の厚さおよび光学指数に関係する値を推論するステップと、を備える。

本出願の意味としては、「ジャンプ」の語は反射率の平均値において大きな変化を示す解析ゾーンに対応する。ジャンプの振幅は、前記ゾーンのいずれの側での前記平均値における差である。

ブリュアン共振の存在の下で、平均値は実質的にブリュアン共振周期に対応する時間長に渡って計算される。

本発明は、説明のためだけに示される本発明の実施例の付属の図面を参照して以下の説明により一層理解することができる。

図６に示すように、本発明の装置は、短パルスレーザ源１を有する。

レーザ源の短パルスは、所望の時間分解能に合うように適合されなければならない。約１ｐｓまたは約０．１ｐｓのパルスが想定される。

第１実施例では、レーザ源は、チタン・サファイヤ型の調整可能な共振器により波長調整可能であり、７００ｎｍから９９０ｎｍの範囲内で調整可能な波長を中心として、７６ＭＨｚの繰り返しレートで、１２０ｆｓのパルスを発生可能である。

このレーザ源は信号を発生し、その信号はスプリッタ２によりポンプ信号Ｐとプローブ信号Ｓに分離され、その両方共解析される構造５と相互作用するように設計される。プローブ信号Ｓは、例えば位置サーボ制御される移動ミラー３により、ポンプ信号Ｐに対して光経路長が変化するようにされる。このプローブ信号は、光学系４により構造５の上に集束され、検出手段６に向かって反射される。検出手段６は、例えば、演算処理手段７により解析できる信号を発生するように設計された形式の光検出器である。当然、プローブ信号は構造５を通過する透過の形で検出することもできる。

レーザ源から構造への適切な経路に沿って信号が進むのを可能にするため、光学系はレーザ源から来る波長における変化に適合される。この技術分野の熟練者であれば、光学系を選択したレーザ源および波長範囲に適合させることが可能であり、ここでは使用可能な光学系のいくつかの例を示すに過ぎない。

光学系は、ミラーと処理されたレンズの両方に関して、ブロードバンド化される（波長を広げられる）ことが望ましい。十分な信号雑音比を達成するために、ポンプ・プローブ装置は、ポンプビームの変調とプローブの復調を使用する。変調はレーザの雑音範囲外、典型的には数１００ｋＨｚで行われる。それは、電気的に制御される格子（グレーティング）として動作する音響光学変調器により実行される。グレーティングによるポンプビームの回折は、波長の変化に従って変化する。これにより、波長を変化させることにより、ポンプビームはその方向を変化させ、装置がその設定（ビーム）を消失させることが可能である。このように、可変周波数の電気的信号で制御可能な音響光学変調器を使用することが可能である。ビームの変位は、電気的に発生されるグレーティングのピッチを変化させることにより補償される。

例えばベーターホウ酸バリウム(BBO)タイプの非線形結晶における光学的増倍により得られる半波長を使用する場合、光学的増倍は結晶において満足される位相調整条件に基づいており、その条件はビームに対する角度位置に関係する。波長の変化は、その角度に応じて行われなければならない。これは手動または自動で行われる。

検出器の出力には、信号を受け取りプロセッサ手段７が、発明を実現するための処理を可能にする既知のタイプのコンピュータにより構成される。

この技術分野の熟練者には、ポンプおよび信号ビームが２個の別個の光（レーザ）源によっても発生可能であることが容易に理解される。その場合、プローブ信号のポンプ信号に対する光経路長における変化を発生させるために、光源はそれ自体が移動する光源になってもよい。さらに、固定波長のレーザ源と波長調整可能な光源を使用することも可能である。

第２実施例においては、光源１は、広い波長範囲に渡って伸びる連続した光を発生させることを可能にする。その場合、検出器手段６は、解析される信号をプロセッサ手段７に送る前に受ける光強度を解析する分光器（図示せず）を備える。通常の光検出器の前のフィルタシステムを使用することも可能である。

複数の波長は、例えば光ファイバに関係する固定波長のフェムト秒レーザにより、連続して実現される。

一般に、使用される光源のタイプは、本発明を限定するものではなく、分離したまたは連続した波長の組みに対応する短レーザパルスを発生することが可能などのようなタイプの光源１も使用できる。

同様に、すべての実施例において、ポンプ第１ビームとプローブ第２ビームの間の時間シフトを発生するのに適したどのような手段を使用することも可能である。このシフトは、上記のように光経路長を変化させることによっても、特に他に対する１つのパルスの到着時間の調整を可能にする手段によっても、発生させることが可能である。

プロセッサ手段７においては、理論的なモデルが、ジャンプ振幅の変化が波長の関数として記憶されている。

この理論的なモデルは、信号において観測されるジャンプの原点を波長の関数として理解できるようにする単純な物理モデルから得られる。

構造５の透明層は、プローブ光に対してファブリー・ペロー型光学共振器として動作する。変形パルスの存在において、層は、その厚さが変形の符号に応じて少し小さいかまたは少し大きいように振舞う。ジャンプが自由表面から出る音響パルスの反射に現れるならば、それは圧縮されているが広くなっているためである。厚さが少し変化するから、透明層により構成される干渉計システムの反射率は、それに応じて変化する。

このような機構により現れる反射率における変化の解析的な表現を確立することができる。第１に、有限の厚さｅの透明薄膜の反射率は、次の式で表される。

ここで、ｒ₀₁（又はｒ₁₂）は、媒体０と１（又は１と２）の間の電磁気的な反射係数を示し、記号０，１、および２は層０，１、および２に対応する。

変形音響パルスは、層の厚さおける非常に小さな変化（Δｅで表される）を搬送し、それは次の式で反射率Δｒに対する効果を表すことを可能にする。

より正確には、実験的に得られた量は、次のように表される強度における反射率の相対変化である。

これにより、我々に関係する物理的な効果は、透明層の複素反射率の微分になる。この結果に基づいて、図５に示すようにプローブ波長の関数として期待された変化を追跡できる。

特に、良好に選択された波長範囲に渡るジャンプの符号を調べることにより、少なくとも１つのゼロになる波長を決定可能であることが分かる。

本発明によれば、プローブ放射の波長が変化され、図４ａおよび図４ｂに示すように、符号の関係する変化として、信号におけるジャンプの振幅のゼロが検出される。図４ａおよび図４ｂに示されるようなジャンプの振幅における変化は、実験的な結果を表すから、その変化は波長に対して非常に高感度である。それは図５のゼロになる時間における理論的な傾きにより確認される。

本発明によれば、高い波長依存性は、反射率のジャンプをより明確に確認するのに使用することもできる。これにより、振幅ジャンプを確認するステップは、それ自体が波長を変化させるサブステップを有する。このような確認ステップは、所定の時間に渡る振幅変化の閾値の関数として、場合によっては波長を変化させて、試験により容易に実現できる。

このように、理論的モデルで検出後に得られた信号のジャンプのゼロ部分を比較することにより、ゼロ部分の波長λ₀の特性を決定することが可能である。

しかし、適用したモデルにより、反射率の強度の相対変化ΔＲ／Ｒは、波長、透明層の厚さ、および波の伝播速度（すなわち層の光学的指数）だけの関数であり、より正確には光学的指数に層の厚さを乗算した積ｎ．ｅの関数である。

ゼロ部分の特性波長λ₀の決定は、指数に厚さを乗じた積の特性値（ｎ．ｅ）₀を得ることを可能にする。

層の特性に関するこの付加情報は、得られた結果の精度を著しく高めるのを可能にする。

ブリュアン共振ゾーンについて、信号の共振周期が測定される。次の既知の式を使用することにより、係数および厚さについての情報の第１項を波長の関数として得ることが可能である。

そして、ゼロ部分の特性波長でそれ自体を置き換えることにより、積（ｎ．ｅ）₀が設定される。

ブリュアン共振の共振時間ｔ（ｅ，ν）＝２．ｅ／νを測定することも可能である。これは、層内の波の１回の行き帰りに対応し、指数および厚さに関する情報の第３項を与える。

本発明の積（ｎ．ｅ）₀により構成されるデータが指数および厚さの値についての結果の精度を著しく向上させることが、この技術分野の熟練者には容易に理解される。

特に、出願人は、AlN/Al/Ti/Si型の構造について、例えばバルク音響波(BAW)型の共振器において、本発明の方法が、厚さの不確定さを、その積（ｎ．ｅ）₀の決定が無い場合の６％からそのような決定により０．１７％にまでできることをすでに示した。

新しい効果を付け加えることで、図５に示した物理モデルをより精密にできることにも注目される。特に、光学指数（光弾性効果）を層の反射率に反映することも可能である。検出された反射率のジャンプは、波長における２つの同期した寄与の和、すなわち同時に生じる反転とゼロ部分の和として表される。

さらに、理論的なモデルとの比較がジャンプ振幅のゼロ部分の点に対して波長の関数としてなされた例をすでに記載したが、物理的なモデルのどのような点または特性も当然使用可能である。これにより、それは最大、最大の減少、ゼロ間の間隔などであり得る。

本発明は、限定されるわけではないが特に基板または吸収層上の透明層に関係する。より一般的には、プローブ信号は、所定の層の２つの端面を「観察する」のに適していなければならない。これは、相対的に吸収性である層の上で達成可能であるが、さらに離れた端面に到達するプローブ信号でも十分に有効である。好ましくは、ポンプ信号は構造中への深さで吸収されるべきである。

実例は、ＢＡＷ共振器内のAlNの層について示されたが、本発明の装置は上記のように定義されたどのような構造でも当然動作する。

例えば、この方法は、要素の上側電極上に置かれたSiO₂の「ローディング」層についても使用できる。

出願人は、本発明の方法および装置を使用して、SrTiO3およびBaTiO3型の「高Ｋ(high-K"」酸化薄膜を特定できた。

本発明は上記の例を使用して説明された。この技術分野の熟練者は、特許の範囲を超えることなく、本発明の各種の変形例が実現可能であることが当然理解できる。

図１は、従来技術から公知のポンプ・プローブ装置の全体図である。 図２は、図１のポンプ・プローブ装置を使用して得られる結果の例を示す。 図３は、従来技術から公知の反射率におけるブリュアン共振およびジャンプによる特定化の例を示す。 図４ａは、各種の波長に対するブリュアン共振における反射率のジャンプの測定例を示す。 図４ｂは、各種の波長に対するブリュアン共振における反射率のジャンプの測定例を示す。 図５は、ジャンプの振幅が波長の関数としてどのように変化するかの理論的なモデルの例を示す。 図６は、本発明の実施例を示す。

Claims (8)

1. 構造の特性を測定する装置であって、
   異なる波長で放射を出力するように適合され、出力手段からポンプ第１放射およびプローブ第２放射を発生する放射発生手段（１，２）と、
   前記放射発生手段と前記構造の間で、前記プローブ第２放射と前記ポンプ第１放射の間に、時間シフトを発生する時間シフト発生手段（３）と、
   前記構造からの反射またはその通過後の前記プローブ第２放射を検出して、解析される信号を発生する検出器手段（６）と、
   前記信号を処理するプロセッサ手段（７）と、を備え、
   前記プロセッサ手段（７）は、前記信号の振幅がジャンプを生じる時間差を確認し、前記信号の振幅の前記時間差の前後の違いをジャンプの振幅とし、前記ジャンプの振幅を前記異なる波長の関数として決定し、前記ジャンプの振幅を前記ジャンプの振幅の変化の理論的なモデルと波長の関数として比較し、そして前記理論的なモデルの特徴的な波長について、前記構造の厚さおよび前記構造内の放射伝播速度に関係する特徴値を決定する、ことを特徴とする装置。
2. 前記異なる波長で電磁放射を発生する放射発生手段は、少なくとも１つの波長調整可能なレーザ源を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記異なる波長で電磁放射を発生する放射発生手段は、少なくとも１つの連続した光を出射する放射手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記プローブ第２放射は、前記構造の層の少なくとも２つの界面と相互作用するようにされていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記異なる波長に対応する波長範囲に渡って前記放射を送る１組の光学手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記異なる波長で電磁放射を発生する放射発生手段は、２台の波長調整可能なレーザ源を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記異なる波長で電磁放射を発生する放射発生手段は、少なくとも１つの固定レーザ源と１つの波長調整可能なレーザ源とを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 構造の特性を測定する方法であって、
   ポンプ第１放射を前記構造に印加するステップと、
   前記ポンプ第１放射に対して時間シフトしたプローブ第２放射を前記構造に印加するステップと、
   前記構造での反射または通過後の前記プローブ第２放射を検出して、反射または通過後の前記プローブ第２放射を表す信号を発生するステップと、
   前記信号内の振幅のジャンプを確認するステップと、
   前記ジャンプの振幅を波長の関数として定義した第１のプロフィールを得るように、前記プローブ第２放射の波長を変化させるステップと、
   前記第１のプロフィールを、波長および前記構造の厚さと光学指数の関数に依存する理論的な第２のプロフィールと比較するステップと、
   前記構造の厚さおよび光学指数に関係する値を推論するステップと、を備えることを特徴とする方法。

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