JP5889061B2

JP5889061B2 - Apparatus and method for measuring solid surface temperature by light heating

Info

Publication number: JP5889061B2
Application number: JP2012060750A
Authority: JP
Inventors: 俊幸中宮; 義人園田; 文秋光木; 知▲顕▼ 池上
Original assignee: 俊幸中宮; 義人園田; 文秋光木; 知▲顕▼ 池上
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: JP2013195150A

Description

本発明は、パルスレーザ光によって加熱された試料表面の温度を、リアルタイムで計測する計測装置及び計測方法に関する。 The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method for measuring in real time the temperature of a sample surface heated by pulsed laser light.

従来、高エネルギーのパルスレーザ光により試料を加熱することで行われる光プロセス（アニーリング，アブレーション，エッチング等）が、様々な分野で応用されている。具体的には、微細加工，薄膜形成，超微粒子の創生といった産業分野での応用や、角膜形成，動脈硬化病変の切除，歯科治療，整形外科手術といった医療分野での応用などが、その例として挙げられる。このような光プロセスを安全且つ効果的に行うためには、パルスレーザ光が照射されることによって加熱された試料の表面温度（より正確には、各パルスの周期毎の、試料表面の最高温度）をリアルタイムで計測し、パルスレーザ光の出力を管理する必要がある。しかしながら、個々のパルス光が照射されることに因る試料表面の温度は、図３に示すように、極めて短時間（ナノ秒オーダー）で推移する為、温度センサを試料表面に接触させて試料表面の温度を計測することは不可能である。その為、試料の表面温度を知るには、固体中の熱フローを記述する熱伝導方程式を解くしか手段がなかったが、そのためには、試料両面でのパルスレーザ光強度等、様々なパラメータが予め判っていなければならなかったので、現実的な手段ではなかった。 Conventionally, optical processes (annealing, ablation, etching, etc.) performed by heating a sample with high-energy pulsed laser light have been applied in various fields. Specific examples include industrial applications such as microfabrication, thin film formation, and creation of ultrafine particles, and applications in medical fields such as cornea formation, resection of arteriosclerotic lesions, dental treatment, and orthopedic surgery. As mentioned. In order to perform such an optical process safely and effectively, the surface temperature of the sample heated by irradiation with pulsed laser light (more precisely, the maximum temperature of the sample surface for each pulse period) ) Must be measured in real time to control the output of the pulsed laser beam. However, as shown in FIG. 3, the temperature of the sample surface due to irradiation with individual pulsed light changes in an extremely short time (on the order of nanoseconds), so the temperature sensor is brought into contact with the sample surface. It is impossible to measure the temperature of the surface. Therefore, the only way to know the surface temperature of the sample is to solve the heat conduction equation describing the heat flow in the solid. To that end, various parameters such as the intensity of the pulsed laser beam on both sides of the sample are required. Because it had to be understood in advance, it was not a practical means.

「有限要素法によるパルスレーザ光照射アモルファスシリコン薄膜の熱解析」電学論Ａ，１０８巻１０号Ｐ４４３〜４５０“Thermal Analysis of Amorphous Silicon Thin Film Irradiated by Pulsed Laser Light by Finite Element Method” Densaku A, Vol.108, No.10, P443-450

特開２００７−２９５１３１号JP 2007-295131 A

そこで、本発明は、パルスレーザ光が照射されることによって極短時間のうちにピークに達してから次のパルスレーザ光が照射されるまでの間に冷却することを繰り返しつつ、ピーク値が漸次推移していく固体表面温度を、非接触且つリアルタイムで計測することができる計測装置及び計測方法の提供を、課題とする。 Therefore, the present invention repeats cooling between reaching the peak in an extremely short time by irradiation with the pulse laser beam and irradiating the next pulse laser beam, and the peak value gradually increases. It is an object of the present invention to provide a measuring device and a measuring method capable of measuring the changing solid surface temperature in a non-contact and real-time manner.

上記課題を解決するために案出された光加熱による固体表面温度の計測装置及び計測方法では、連続発振された検知用レーザ光を、前記固体の表面における前記パルスレーザ光が照射される箇所に近接した空気中を平行ビームとして進行するように導き、前記固体の表面における前記パルスレーザ光が照射される箇所に近接した空気中を通過した前記検知用レーザ光に対して光学的フーリエ変換を施し、微弱回折光成分を基本波から空間的に分離し、前記基本波から空間的に分離された前記微弱回折光成分を前記基本波と干渉させて受光して、その光量に比例した値の電気信号に変換し、前記電気信号の値と前記表面温度との対応関係を定義したデータを参照し、前記電気信号の値を前記データに当てはめて、対応する温度を求める。 In the solid surface temperature measuring device and measuring method devised to solve the above problems, the continuously oscillating detection laser beam is applied to the portion of the solid surface irradiated with the pulse laser beam. An optical Fourier transform is applied to the detection laser beam that has passed through the air in the vicinity of the portion irradiated with the pulse laser beam on the solid surface. The weak diffracted light component is spatially separated from the fundamental wave, and the weakly diffracted light component spatially separated from the fundamental wave is received by interfering with the fundamental wave, and an electric value having a value proportional to the amount of light is received. It converts into a signal, refers to the data defining the correspondence between the value of the electrical signal and the surface temperature, applies the value of the electrical signal to the data, and obtains the corresponding temperature.

本発明の光加熱による固体表面温度の計測装置及び計測方法によれば、固体表面温度を、非接触且つリアルタイムで計測することができる。 According to the measurement apparatus and measurement method for solid surface temperature by light heating according to the present invention, the solid surface temperature can be measured in a non-contact and real-time manner.

本発明の実施形態の原理を示す光学構成図1 is an optical configuration diagram showing the principle of an embodiment of the present invention. パルスレーザ光とプローブレーザ光との交差を示す概念図Conceptual diagram showing the intersection of pulse laser light and probe laser light パルスレーザ照射による試料表面温度の経時変化を表すグラフGraph showing changes in sample surface temperature over time due to pulsed laser irradiation 熱波の作用を説明するための概念図Conceptual diagram for explaining the action of heat waves 光検出器が出力する信号電圧の経時変化を表す典型的なグラフTypical graph showing changes over time in the signal voltage output by the photodetector 光エネルギー密度と試料表面温度及び光検出器が出力する最大出力電圧との相関を表すグラフGraph showing correlation between light energy density, sample surface temperature, and maximum output voltage output from photodetector 実施例の構成図Example configuration diagram 温度校正データ部が実行する変換式Ｔ（x，Ｖ）の作成処理を示すフローチャートFlowchart showing the creation process of the conversion equation T (x, V) executed by the temperature calibration data section 信号校正回路が実行する試料表面温度の算出処理を示すフローチャートFlow chart showing the sample surface temperature calculation process executed by the signal calibration circuit

以下、図面を参照しつつ、本発明の最良の実施形態を説明する。
（計測原理） Hereinafter, the best embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Measurement principle)

最初に、本実施形態によって、物性量（反射率，吸収係数，熱伝導率，熱容量，相転移に伴う潜熱）が不明な未知物質も含めて、あらゆる固体（試料）の表面温度が非接触且つリアルタイムで計測できる原理を、説明する。 First, according to the present embodiment, the surface temperature of any solid (sample) is contactless and includes unknown substances whose physical properties (reflectance, absorption coefficient, thermal conductivity, heat capacity, latent heat accompanying phase transition) are unknown. The principle that can be measured in real time will be described.

図１は、本実施例による温度計測の原理を示す概略光学構成図である。図１において、パルスレーザ装置１は、高エネルギーのレーザ光（パルスレーザ光）をパルス発振するレーザ装置である。このパルスレーザ装置１は、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）等の固体レーザであっても、炭酸ガスレーザやエキシマレーザの様なガスレーザであっても、色素レーザ等の液体レーザであっても良い。このパルスレーザ装置１から射出されたパルスレーザ光Ｌは、アパーチャ２によって絞られた後に、反射ミラー３によって９０度反射されることにより、そのビーム軸を、ステージ５の表面に対して垂直な方向に向ける。続いて、パルスレーザ光Ｌは、集光レンズ４を透過することによって集束される。 FIG. 1 is a schematic optical configuration diagram showing the principle of temperature measurement according to this embodiment. In FIG. 1, a pulse laser device 1 is a laser device that pulsates high energy laser light (pulse laser light). The pulse laser device 1 may be a solid laser such as YAG (yttrium, aluminum, garnet), a gas laser such as a carbon dioxide laser or an excimer laser, or a liquid laser such as a dye laser. The pulse laser beam L emitted from the pulse laser device 1 is focused by the aperture 2 and then reflected by 90 degrees by the reflection mirror 3, so that its beam axis is perpendicular to the surface of the stage 5. Turn to. Subsequently, the pulsed laser light L is focused by passing through the condenser lens 4.

ステージ５は、ステージコントローラ１２によって制御されるＸＹＺテーブルであり、ステージコントローラ１２は、集光レンズ４によって集束されたパルスレーザ光Ｌのビームウェストの位置が試料６表面における光プロセスの対象位置に合致するように、ステージ５の高さ（即ち、パルスレーザ光Ｌのビーム軸方向における位置）及び水平方向位置（同ビーム軸に直交する面内における位置）を調整する。なお、試料６として直方体ないし平行平面板以外の固体が光プロセスの対象とされる場合には、その表面をパルスレーザ光のビーム軸に対して垂直にするためのチルト機構がステージ５に備えられても良い。 The stage 5 is an XYZ table controlled by the stage controller 12. The stage controller 12 matches the position of the beam waist of the pulsed laser light L focused by the condenser lens 4 with the target position of the optical process on the surface of the sample 6. Thus, the height of the stage 5 (that is, the position of the pulse laser beam L in the beam axis direction) and the horizontal position (the position in the plane orthogonal to the beam axis) are adjusted. When a solid other than a rectangular parallelepiped or a plane parallel plate is used as the sample 6 as an object of the optical process, the stage 5 is provided with a tilt mechanism for making the surface perpendicular to the beam axis of the pulse laser beam. May be.

プローブレーザ装置７は、コヒーレントな検知用レーザ光（以下、「プローブレーザ光Ｐ」という）を連続発振するＣＷレーザであり、低エネルギーであっても良いので、半導体レーザ素子（レーザダイオード）が用いられる。ただし、後段の光学系の構成を単純にすべく、レーザ光の断面形状を真円に整形する光学系が組み込まれた真円レーザ装置を採用することが望ましい。なお、プローブレーザ装置７の発振波長には制限はないので、可視光帯域から赤外帯域まで、任意の発振波長のものを用いることができる。そして、プローブレーザ７から発散光として射出されたプローブレーザ光Ｐは、第１の光学系に相当するコリメートレンズ８により、平行光に変換されて、ステージ６の上面（従って、試料６の表面）に沿ってこれと平行に進み、試料６の表面における光プロセスの対象位置の上方（図２に示すＡ地点）において、パルスレーザ光Ｌのビーム軸と直交する。 The probe laser device 7 is a CW laser that continuously oscillates coherent detection laser light (hereinafter referred to as “probe laser light P”), and may be low energy, so a semiconductor laser element (laser diode) is used. It is done. However, in order to simplify the configuration of the subsequent optical system, it is desirable to employ a perfect circle laser device incorporating an optical system that shapes the cross-sectional shape of the laser light into a perfect circle. In addition, since there is no restriction | limiting in the oscillation wavelength of the probe laser apparatus 7, the thing of arbitrary oscillation wavelengths can be used from a visible light band to an infrared band. Then, the probe laser light P emitted from the probe laser 7 as divergent light is converted into parallel light by a collimating lens 8 corresponding to the first optical system, and the upper surface of the stage 6 (accordingly, the surface of the sample 6). , And parallel to this, is perpendicular to the beam axis of the pulsed laser light L above the target position of the optical process on the surface of the sample 6 (point A shown in FIG. 2).

このとき、断続的に射出されているパルスレーザ光Ｌの照射（以下、断続的な照射における個々のパルスレーザ光Ｌの塊のことを「パルス」という）がなされる。 At this time, irradiation of the pulsed laser light L emitted intermittently (hereinafter, each lump of pulsed laser light L in the intermittent irradiation is referred to as “pulse”) is performed.

パルスレーザ光Ｌの全エネルギーのうち、当該パルスレーザ光Ｌの波長及び温度に依存して定まる試料６の吸収率に応じた一定割合のエネルギーが、当該試料６に吸収され、試料６の表面近傍において格子振動を生じさせ、熱に変換される。このようにして試料表面近傍における試料内部で発生した熱は、試料６内で拡散されるとともに、試料６表面に接触した空気に伝搬される。その結果、パルスが途切れると、試料６表面の温度は上記熱伝導の為に低下する。それ故、図３のグラフに示すように、試料表面の温度は、パルスの周期毎に、低、高、低と変化する。 Of the total energy of the pulsed laser light L, a certain proportion of energy corresponding to the absorption rate of the sample 6 determined depending on the wavelength and temperature of the pulsed laser light L is absorbed by the sample 6 and is near the surface of the sample 6. Is caused to generate lattice vibrations and converted to heat. Thus, the heat generated inside the sample in the vicinity of the sample surface is diffused in the sample 6 and propagated to the air in contact with the surface of the sample 6. As a result, when the pulse is interrupted, the temperature of the surface of the sample 6 decreases due to the heat conduction. Therefore, as shown in the graph of FIG. 3, the temperature of the sample surface changes between low, high, and low for each pulse period.

上述したように空気に伝搬される熱量も、試料６表面の温度と同様に変化するので、試料６表面からは、パルスの周期毎に、熱量が低、高、低と変化する熱波が、伝搬されることになる。なお、このようにして空気中に伝搬されていく熱波の速度は、表面近傍における常温での空気の熱拡散係数（0.217cm²/s）が試料６のそれ（例えばシリコン結晶の場合には0.937cm²/s）よりも小さいので、試料６内部での熱拡散の速度よりも遅く、熱波が到達できる距離（拡散距離）も、試料６内部のそれよりも短い。従って、レーザプローブ光Ｐと試料６表面との間の距離が適宜調整されることにより、パルスが途切れた後に、熱波（周辺よりも熱量が高い部分）が、レーザプローブ光Ｐの光路を横切るようになる。 As described above, the amount of heat propagated to the air also changes in the same manner as the temperature of the surface of the sample 6, so that from the surface of the sample 6, a heat wave whose amount of heat changes between low, high, and low for each pulse period, Will be propagated. The velocity of the heat wave propagating into the air in this way is such that the thermal diffusion coefficient (0.217 cm ² / s) of air at room temperature near the surface is that of the sample 6 (for example, in the case of a silicon crystal). since 0.937cm ² / s) less than, slower than the rate of heat diffusion inside the sample 6, distance heat waves can reach (diffusion length) is also shorter than that of the inside of the sample 6. Accordingly, by appropriately adjusting the distance between the laser probe light P and the surface of the sample 6, after the pulse is interrupted, a heat wave (a portion having a higher amount of heat than the surroundings) crosses the optical path of the laser probe light P. It becomes like this.

この時、熱波の媒体である空気は、熱波の通過によって温度が一瞬上昇した後に低下するのに伴って、その密度が一瞬低下した後に上昇し、よって、その屈折率が一瞬低下した後に上昇する。即ち、熱波とは、空気の密度の粗密波でもあり、その振幅は温度変化量と比例関係にある。これを模式的に表したのが図４であり、横線のピッチが狭い部分が空気の密度が高い部分（即ち、温度が高く屈折率が大きい部分）を示し、ピッチが広い部分が空気の密度の低い部分（即ち、温度が低く屈折率が小さい部分）を示す。ここで、屈折率に勾配が生じた光伝導媒質は、ロッドレンズのような屈折作用を生じるので、Ａ地点では、パルスレーザ光Ｌに平行で、プローブレーザ光Ｐの光軸に直交する方向（Y方向）にその母線を向けた超希薄シリンドリカルレンズアレイが、試料６表面から集光レンズ４に向けて通過するのと光学的に等価な状況が、生じていることになる。そのため、平行ビームとしてＡ地点を通過したプローブレーザ光Ｐ中の各光束は、熱波に伴う上記屈折作用に因り、パルスレーザ光Ｌの光軸方向（X方向）に偏向（位相変調）されて、フラウンホーファ効果により、Ａ地点での周辺温度からの温度上昇量に比例した光量の微弱回折光を、生じさせる。 At this time, the air that is the medium of the heat wave rises after the moment when the temperature drops due to the passage of the heat wave, and then rises after the moment when the refractive index drops momentarily. To rise. That is, the heat wave is an air density density wave, and its amplitude is proportional to the temperature change amount. This is schematically shown in FIG. 4, where a portion with a narrow horizontal line pitch indicates a portion with high air density (that is, a portion with high temperature and a high refractive index), and a portion with a wide pitch indicates air density. A portion having a low temperature (that is, a portion having a low temperature and a low refractive index). Here, the photoconductive medium in which the refractive index has a gradient causes a refracting action like a rod lens. Therefore, at a point A, the photoconductive medium is parallel to the pulse laser beam L and orthogonal to the optical axis of the probe laser beam P ( A situation that is optically equivalent to the passage of the ultra-thin cylindrical lens array with its bus line directed in the (Y direction) from the surface of the sample 6 toward the condenser lens 4 has occurred. Therefore, each light beam in the probe laser beam P that has passed through the point A as a parallel beam is deflected (phase modulated) in the optical axis direction (X direction) of the pulsed laser beam L due to the above-described refraction action caused by the heat wave. By the Fraunhofer effect, weak diffracted light having a light amount proportional to the amount of temperature rise from the ambient temperature at point A is generated.

図１に戻り、上述したような微弱回折光を生じつつＡ地点を通過したプローブレーザ光Ｐは、第２の光学系としての受光光学系９に、入射する。この受光光学系９は、プローブレーザ光Ｐに対して光学的フーリエ変換を行って基本波と（０次回折光）フラウンホーファ回折光（１次回折光）を集光し、これらを観測面上に夫々収束させ、かつ干渉させる正レンズ群である。なお、上記熱波の振幅（即ち、空気密度，従って屈折率の変化量）如何に依らずフラウンホーファ回折光の観測面上での位置は変わらないが、その振幅（即ち、空気密度，従って屈折率の変化量）に応じて微弱回折光の観測面上での光量が増大する。換言すると、試料６の表面温度のピーク値が高ければ高いほど、観測面上における微弱回折光の光量が増大する。 Returning to FIG. 1, the probe laser light P that has passed the point A while generating the weak diffracted light as described above is incident on the light receiving optical system 9 as the second optical system. The light receiving optical system 9 performs an optical Fourier transform on the probe laser beam P to collect a fundamental wave and a (0th order diffracted light) Fraunhofer diffracted light (first order diffracted light), and converges them on the observation surface, respectively. And a positive lens group that causes interference. Note that the position of the Fraunhofer diffracted light on the observation surface does not change regardless of the amplitude of the heat wave (that is, the air density and therefore the amount of change in the refractive index), but the amplitude (that is, the air density and therefore the refractive index). The amount of weakly diffracted light on the observation surface increases in accordance with the amount of change). In other words, the higher the peak value of the surface temperature of the sample 6, the greater the amount of weak diffracted light on the observation surface.

光検出器１０は、上記観測面上における受光光学系９の光軸近傍（即ち、プローブレーザ光Ｐの基本波が入射する領域）からX方向にオフセットした位置（即ち、微弱回折光が入射する領域）にその受光面が配置されて、当該受光面における入射光量（即ち、フラウンホーファ回折光の光量）に比例した電圧信号を出力する光電変換素子である。 The photodetector 10 is offset in the X direction from the vicinity of the optical axis of the light receiving optical system 9 on the observation surface (that is, the region where the fundamental wave of the probe laser beam P is incident) (that is, weak diffracted light is incident). In the photoelectric conversion element, the light receiving surface is arranged in a region, and a voltage signal proportional to the amount of incident light (that is, the amount of Fraunhofer diffracted light) on the light receiving surface is output.

光検出器１０から出力された電圧信号は、信号処理回路１１に入力される。図５は、個々のパルスの照射毎に光検出器１０から信号処理回路１１に入力される電圧信号Ｖ（ｍＶ）の変化を示すグラフであり、横軸は、パルスの射出タイミングからの経過時間（ｍｓ）を示す。図５中スパイクＢは、レーザプローブ光Ｐがパルスレーザ光Ｌそのものに因って波形を乱されたことに起因する成分であり、試料６の表面温度には関連性がない。そこで、信号処理回路１１には、各パルスの射出タイミングからパルスの照射時間相当分だけ遅延されたトリガ信号が入力され、信号処理回路１１は、当該トリガ信号の入力後一定時間（次のパルスが射出されるまでの時間よりも短い時間）の間に入力された電圧信号をピークホールドし、ホールドした電圧値の最大値に対して、次段の処理を行うことで、レーザプローブ光Ｐがパルスレーザ光Ｌそのものに因って波形を乱されたことに起因する成分をマスクする。そして、信号処理回路１は、ホールドしたピーク値に対して所定関係式又は所定変換テーブルを適用することにより、試料６の表面温度を求める。以下、この電圧信号のピーク値を試料６の表面温度に変換する手法について、説明する。 The voltage signal output from the photodetector 10 is input to the signal processing circuit 11. FIG. 5 is a graph showing changes in the voltage signal V (mV) input from the photodetector 10 to the signal processing circuit 11 for each irradiation of the individual pulses, and the horizontal axis represents the elapsed time from the pulse emission timing. (Ms). A spike B in FIG. 5 is a component resulting from the disturbance of the waveform of the laser probe light P due to the pulse laser light L itself, and is not related to the surface temperature of the sample 6. Therefore, the signal processing circuit 11 receives a trigger signal that is delayed from the emission timing of each pulse by an amount corresponding to the irradiation time of the pulse, and the signal processing circuit 11 receives the trigger signal for a certain period of time (the next pulse is received). The peak voltage of the voltage signal input during a period shorter than the time until emission) is peak-held, and the next stage of processing is performed on the maximum value of the held voltage value, whereby the laser probe light P is pulsed. The component resulting from the disturbance of the waveform due to the laser beam L itself is masked. And the signal processing circuit 1 calculates | requires the surface temperature of the sample 6 by applying a predetermined relational expression or a predetermined conversion table with respect to the hold | maintained peak value. Hereinafter, a method for converting the peak value of the voltage signal into the surface temperature of the sample 6 will be described.

上述したように、物性量（反射率、吸収係数、熱伝導率、熱容量、相転移に伴う潜熱）が不明な未知物質については、熱伝導方程式を解くことができないので、試料６の表面に照射されるパルスレーザ光Ｌの光エネルギー密度（mJ/cm²）に基づいて試料６の表面温度を直接算出することはできない。しかし、試料６の表面の温度については、そのピーク値に応じた信号電圧Ｖのピーク値を、上述したようにして測定することができる。従って、試料６の表面温度と信号電圧Ｖとの対応関係さえ事前に判っていれば、測定された信号電圧Ｖのピーク値に基づいて、試料６の表面温度のピーク値を、算出することが可能なのである。 As described above, since the heat conduction equation cannot be solved for unknown substances whose physical properties (reflectance, absorption coefficient, thermal conductivity, heat capacity, latent heat accompanying phase transition) are unknown, the surface of the sample 6 is irradiated. The surface temperature of the sample 6 cannot be directly calculated based on the light energy density (mJ / cm ² ) of the pulse laser beam L to be applied. However, for the surface temperature of the sample 6, the peak value of the signal voltage V corresponding to the peak value can be measured as described above. Therefore, if the correspondence between the surface temperature of the sample 6 and the signal voltage V is known in advance, the peak value of the surface temperature of the sample 6 can be calculated based on the measured peak value of the signal voltage V. It is possible.

その為、本実施形態では、上記物性量が判明している既知物質（具体的には、結晶シリコン）を用い、様々な光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）のパルスレーザ光を照射した場合における試料６の表面温度のピーク値Ｔ_maxをシミュレーションにより算出することにより、光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）と試料６の表面温度のピーク値Ｔ_maxとの関係式Ｔ_max（Ｅ）を求めている。これとともに、同試料６（結晶シリコン）表面から上記Ａ地点（即ち、プローブレーザ光Ｐの光軸）までの距離x及びパルスレーザ光Ｌの光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）のあらゆる組合せに対応した信号電圧Ｖのピークホールド値を実験によって計測し、x及び光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）と信号電圧Ｖのピークホールド値との関係式Ｖ（x，Ｅ）を求めている。 Therefore, in the present embodiment, when a known substance (specifically, crystalline silicon) whose physical properties are known is used and pulsed laser light having various light energy densities E (mJ / cm ² ) is irradiated. By calculating the peak value T _max of the surface temperature of the sample 6 in the simulation, a relational expression T _max (E) between the light energy density E (mJ / cm ² ) and the peak value T _max of the surface temperature of the sample 6 is obtained. Looking for. At the same time, any combination of the distance x from the surface of the sample 6 (crystalline silicon) to the point A (that is, the optical axis of the probe laser beam P) and the light energy density E (mJ / cm ² ) of the pulse laser beam L. The corresponding peak hold value of the signal voltage V is measured by experiment, and a relational expression V (x, E) between x and the light energy density E (mJ / cm ² ) and the peak hold value of the signal voltage V is obtained.

上記シミュレーションは、具体的には、以下の手法に従って行う。即ち、式（１）は、本発明者が先に非特許文献１において公表した、光を固体表面に照射した場合における深さ方向の温度変化を示す熱伝導方程式である。 Specifically, the simulation is performed according to the following method. That is, the equation (1) is a heat conduction equation that is disclosed in Non-Patent Document 1 by the present inventor and indicates a temperature change in the depth direction when light is irradiated on the solid surface.

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

Here, T (X, t) is a temperature (° C.) at a depth X (nm) from the solid surface t (ns) after irradiation of the solid with light, and is the maximum when X = 0. The value corresponds to the peak value T _max of the solid surface temperature to be determined. Ρ is the density of the solid (kg / m ³ ), C _p is the specific heat of the solid (J / kg · ° C), κ is the thermal conductivity of the solid (W / m · ° C), and α is the absorption coefficient of the solid ( m ⁻¹ ). I (X, t) is the light intensity at a position of depth X (nm) from the solid surface t (ns) after the light is irradiated to the solid, and is calculated by the equation (2). .

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

I ₀ (t) in Equation (2) is the light energy intensity (W / m ² ) at time t. R is the reflectance of the solid. R and α are actually temperature-dependent variables. However, as described above, various optical energy densities E (mJ / cm ² ) are obtained by performing numerical analysis by formulating with a finite element method or the like. It is possible to calculate the peak value T _max of the surface temperature of the sample 6 when the pulse laser beam is irradiated.

図６におけるグラフＡは、以上のようにして算出した試料６の表面温度のピーク値Ｔ_maxをプロットしたグラフであり、光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）と試料６の表面温度のピーク値Ｔ_maxとが正比例関係にあることを示している。従って、関係式Ｅ（Ｔ_max）は一次関数となる。また、図６におけるグラフＢは、xを固定してパルスレーザ光Ｌの光エネルギー密度Ｅ（mJ/cm²）を様々に変化させた場合に実験上計測された信号電圧Ｖのピークホールド値をプロットしたグラフであり、両者が比例関係にあることを示している（但し、xを変化させた場合には、三次関数的に信号電圧Ｖが変化する。）。 A graph A in FIG. 6 is a graph in which the peak value T _max of the surface temperature of the sample 6 calculated as described above is plotted. The peak value of the light energy density E (mJ / cm ² ) and the surface temperature of the sample 6 is plotted. It shows that T _max is directly proportional. Accordingly, the relational expression E (T _max ) is a linear function. Graph B in FIG. 6 shows the peak hold value of the signal voltage V experimentally measured when x is fixed and the light energy density E (mJ / cm ² ) of the pulsed laser light L is changed variously. This is a plotted graph showing that the two are in a proportional relationship (however, when x is changed, the signal voltage V changes in a cubic function).

信号処理回路１１は、以上のようにして求めた両関係式Ｔ_max（Ｅ），Ｖ（x，Ｅ）を融合することにより、信号電圧Ｖ及び上記距離xと試料６の表面温度Ｔとの関係式Ｔ（x，Ｖ）を求める。そして、信号処理回路１１は、このようにして求めた関係式Ｔ（x，Ｖ）そのもの，若しくは、信号電圧Ｖ及び上記距離xの組合せと試料６の表面温度Ｔとの対応関係をリストアップしたテーブルを予め記憶手段に保存しておき、上述した電圧信号に対してこれを適応して、試料表面の温度のピーク値を算出するのである。 The signal processing circuit 11 fuses the relational expressions T _max (E) and V (x, E) obtained as described above, so that the signal voltage V and the distance x and the surface temperature T of the sample 6 can be obtained. The relational expression T (x, V) is obtained. Then, the signal processing circuit 11 lists the correspondence relationship between the surface temperature T of the sample 6 and the relational expression T (x, V) thus obtained or the combination of the signal voltage V and the distance x. A table is stored in advance in a storage means, and this is applied to the voltage signal described above to calculate the peak value of the sample surface temperature.

（実施例）
図７は、上述した計測原理を現実の装置として適用する場合における例を示した構成図である。即ち、上述した計測原理を用いた温度計測が正確に行われるには、プローブレーザ光Ｐが透過する環境において空気が安定していることが必要になるが、現実の計測現場では空気が安定した環境を維持することは困難であるので、光ファイバを用いてプローブレーザ光Ｐを伝送することにより、プローブレーザ光Ｐが空気中を進行する区間を、試料６の表面における光プロセス対象箇所上方のみに限定したものである。図７において、図１と同じ構成要素については、同じ参照番号を付して、その説明が省略される。 (Example)
FIG. 7 is a configuration diagram showing an example when the above-described measurement principle is applied as an actual device. That is, in order to accurately perform temperature measurement using the above-described measurement principle, it is necessary that the air is stable in an environment through which the probe laser beam P is transmitted, but in the actual measurement site, the air is stable. Since it is difficult to maintain the environment, by transmitting the probe laser light P using an optical fiber, the section in which the probe laser light P travels in the air is only above the target portion of the optical process on the surface of the sample 6. It is limited to. In FIG. 7, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図７において、パルスレーザ装置１は、ＹＡＧレーザを内蔵し、当該ＹＡＧレーザから発振されたパルスレーザ光Ｌをライトガイドファイババンドル２２の入射端面に導入する。このライトガイドファイババンドル２２の射出端面には、パルスレーザ鏡筒２３が接続されており、当該射出端面から射出されたパルスレーザ光Ｌは、当該パルスレーザ鏡筒２３内に保持された集光レンズ４によって、ステージ５上に設置された試料６の表面に集光される。 In FIG. 7, the pulse laser device 1 incorporates a YAG laser and introduces a pulse laser beam L oscillated from the YAG laser into the incident end face of the light guide fiber bundle 22. A pulse laser barrel 23 is connected to the emission end face of the light guide fiber bundle 22, and the pulsed laser light L emitted from the emission end face is a condensing lens held in the pulse laser barrel 23. 4, the light is condensed on the surface of the sample 6 placed on the stage 5.

プローブレーザ装置７は、真円ビームをプローブレーザ光Ｐとして射出する発振波長６３５ｎｍの半導体レーザ素子，及び、当該プローブレーザ光Ｐを集光して光ファイバ１３の端面に入射させる光学系を備えている。光ファイバ１３は、単ファイバ又はファイババンドルであり、その出射端面には、プローブレーザ鏡筒１４が接続されている。 The probe laser device 7 includes a semiconductor laser element having an oscillation wavelength of 635 nm that emits a perfect circular beam as probe laser light P, and an optical system that collects the probe laser light P and makes it incident on the end face of the optical fiber 13. Yes. The optical fiber 13 is a single fiber or a fiber bundle, and a probe laser barrel 14 is connected to the emission end face.

プローブレーザ鏡筒１４は、光ファイバ１３の出射端面からそのＮＡに応じた発散角をもって出射されたプローブレーザ光Ｐを平行光に変換するコリメータレンズ２５と、コリメータレンズ２５から平行光として射出されたプローブレーザ光のビーム径を拡大又は縮小するビームエキスパンダ２６とからなる第１の光学系を、内蔵している。これらコリメータレンズ２５及びビームエキスパンダ２６の光軸は、その後方において光ファイバ１３の中心を通り、その前方においてステージの上面（従って、試料６の表面）と平行に進み、パルスレーザ光Ｌのビーム軸に直交する。 The probe laser barrel 14 is emitted as parallel light from the collimator lens 25 that converts the probe laser light P emitted from the emission end face of the optical fiber 13 with a divergence angle corresponding to the NA into parallel light, and the collimator lens 25. A first optical system including a beam expander 26 that expands or reduces the beam diameter of the probe laser light is incorporated. The optical axes of the collimator lens 25 and the beam expander 26 pass through the center of the optical fiber 13 at the rear thereof, and advance in parallel with the upper surface of the stage (therefore, the surface of the sample 6) at the front thereof. Orthogonal to the axis.

当該光軸におけるパルスレーザ光Ｌのビーム軸との交差点（上記Ａ地点）の後方には、受光鏡筒１５が配置されている。この受光鏡筒１５内には、上記コリメータレンズ２５及びビームエキスパンダ２６と同軸に、フーリエ変換レンズ２４が内蔵されている。このフーリエ変換レンズ２４は、プローブレーザ光Ｐの基本波及び微弱回折光を、夫々、焦点面上に収束させる光学系である。この焦点面には、プローブレーザ光Ｐの基本波のスポットを中心としてX方向における両側に夫々オフセットして微弱回折光のスポットが形成される。そして、受光鏡筒１５内における当該焦点面に相当する位置には、偏波保存光ファイバ１６の入射端面が配置されている。 A light receiving barrel 15 is disposed behind an intersection (the point A) with the beam axis of the pulse laser beam L on the optical axis. A Fourier transform lens 24 is built in the light receiving barrel 15 coaxially with the collimator lens 25 and the beam expander 26. The Fourier transform lens 24 is an optical system that converges the fundamental wave and the weakly diffracted light of the probe laser light P on the focal plane. On this focal plane, the spot of the weak diffracted light is formed by offsetting both sides in the X direction around the fundamental wave spot of the probe laser light P. The incident end face of the polarization maintaining optical fiber 16 is disposed at a position corresponding to the focal plane in the light receiving barrel 15.

偏波保存光ファイバ１６は、その入射端面に投影された基本波と微弱回折光を、その射出端面に伝送する。この偏波保存光ファイバ１６の射出端面には、対物鏡筒１７が接続されている。 The polarization maintaining optical fiber 16 transmits the fundamental wave and the weakly diffracted light projected onto the incident end face to the exit end face. An objective barrel 17 is connected to the exit end face of the polarization maintaining optical fiber 16.

この対物鏡筒１７内における偏波保存光ファイバ１６の射出端面の後方には、当該射出端面における各点から射出された光束を平行光束に変換（光学的逆フーリエ変換）するコリメータレンズ２７，当該コリメータレンズ２７から夫々平行光として射出された基本波及び微弱回折光を空間的に分離（光学的フーリエ変換）して別々の位置に夫々結像させるフーリエ変換レンズ２８，及びリレーレンズ２９が、内蔵されている。これらレンズ２７〜２９を介して偏波保存光ファイバ１６の射出端面と共役となる面における、各レンズ２７〜２９の光軸近傍（即ち、プローブレーザ光Ｐの基本波が入射する領域）からX方向にオフセットした位置（即ち、微弱回折光が入射する領域）には、光検出器１０の受光面が配置されている。以上に説明したフーリエ変換レンズ２４，偏波保存光ファイバ１６，コリメータレンズ２７，フーリエ変換レンズ２８及びリレーレンズ２９が、第２の光学系に相当し、光検出器１０が、受光した光をその強度に比例した大きさの電気信号（信号電圧Ｖ）に変換する光電変換器に相当する。 Behind the exit end face of the polarization-maintaining optical fiber 16 in the objective tube 17 is a collimator lens 27 that converts a light flux emitted from each point on the exit end face into a parallel light flux (optical inverse Fourier transform), Built in are a Fourier transform lens 28 and a relay lens 29 that spatially separate (optical Fourier transform) the fundamental wave and weakly diffracted light emitted from the collimator lens 27 as parallel light and form images at different positions, respectively. Has been. From the vicinity of the optical axis of each of the lenses 27 to 29 (that is, the region where the fundamental wave of the probe laser beam P is incident) on the surface conjugate with the exit end face of the polarization maintaining optical fiber 16 through these lenses 27 to 29 The light receiving surface of the photodetector 10 is arranged at a position offset in the direction (that is, a region where weak diffracted light is incident). The Fourier transform lens 24, the polarization maintaining optical fiber 16, the collimator lens 27, the Fourier transform lens 28, and the relay lens 29 described above correspond to the second optical system, and the photodetector 10 receives the received light. This corresponds to a photoelectric converter that converts an electrical signal (signal voltage V) having a magnitude proportional to the intensity.

以上のような構成を有する本実施例の動作は以下の通りである。即ち、パルスレーザ１からパルスレーザ光Ｌが射出されて、集光レンズ２４を通じて試料６に照射されると、試料６表面近傍において発生した熱に起因し且つ試料６の表面温度に比例した振幅（周囲との温度差）を有する熱波が、プローブレーザ鏡筒１４から射出されたプローブレーザ光Ｐの光路を横切り、その振幅に応じた光量の微弱回折光を生じさせる。この微弱回折光は、受光装置１５内の受光光学系によってプローブレーザ光Ｐの基本波とともに偏波保存光ファイバ１６の入射端面に入射し、この偏波保存光ファイバ１６の射出端面まで伝送され、対物鏡筒１７内のレンズ２７〜２９によってリレーされて、光検出器１０によって受光される。光検出器１０は、受光した微弱回折光の光量に応じた信号電圧Ｖを出力して、信号処理回路１１を構成するピークホールド回路１８に入力される。 The operation of this embodiment having the above-described configuration is as follows. That is, when the pulse laser beam L is emitted from the pulse laser 1 and irradiated onto the sample 6 through the condenser lens 24, the amplitude (which is caused by the heat generated near the surface of the sample 6 and proportional to the surface temperature of the sample 6) A thermal wave having a temperature difference from the surroundings crosses the optical path of the probe laser beam P emitted from the probe laser column 14 and generates weak diffracted light with a light amount corresponding to the amplitude. The weakly diffracted light is incident on the incident end face of the polarization maintaining optical fiber 16 together with the fundamental wave of the probe laser light P by the light receiving optical system in the light receiving device 15, and transmitted to the exit end face of the polarization maintaining optical fiber 16. Relayed by the lenses 27 to 29 in the objective barrel 17 and received by the photodetector 10. The photodetector 10 outputs a signal voltage V corresponding to the amount of received weak diffracted light and inputs the signal voltage V to the peak hold circuit 18 constituting the signal processing circuit 11.

このピークホールド回路１８には、また、遅延回路２１からのトリガ信号が入力される。即ち、パルスレーザ１は、断続的にパルスレーザ光Ｌを射出する毎に、同時に、同期信号を遅延回路２１に入力する。この遅延回路２１は、同期信号が入力された後、パルスレーザ光Ｌが射出される時間幅よりも若干長い所定時間の経過を待って、上記トリガ信号を、ピークホールド回路１８に入力する。これにより、パルスレーザ光Ｌの散乱光に起因した成分が、信号電圧Ｖからマスクされる。ピークホールド回路１８は、遅延回路２１からトリガ信号が入力されてから、次のパルスが射出されるまでの間の所定時間の間に光検出器１０から入力される信号電圧Ｖをピークホールドする。さらに、ピークホールド回路１８は、信号電圧Ｖのピークホールド値を時間微分して、その微分値がゼロになった時点における信号電圧Ｖを、最大信号電圧Ｖとして、信号校正回路２０及び温度校正データ部１９に入力する。即ち、上述した光検出器１０及びピークホールド回路１８が、微弱回折光成分を受光して、その光量に比例した値の電気信号を出力する光検知手段に、相当する。 The trigger signal from the delay circuit 21 is also input to the peak hold circuit 18. That is, the pulse laser 1 inputs a synchronization signal to the delay circuit 21 at the same time every time the pulse laser beam L is emitted intermittently. The delay circuit 21 inputs the trigger signal to the peak hold circuit 18 after a predetermined time slightly longer than the time width during which the pulse laser beam L is emitted after the synchronization signal is input. Thereby, the component resulting from the scattered light of the pulse laser beam L is masked from the signal voltage V. The peak hold circuit 18 peaks the signal voltage V input from the photodetector 10 for a predetermined time after the trigger signal is input from the delay circuit 21 until the next pulse is emitted. Further, the peak hold circuit 18 differentiates the peak hold value of the signal voltage V with respect to time, and sets the signal voltage V when the differential value becomes zero as the maximum signal voltage V, and the signal calibration circuit 20 and the temperature calibration data. Input to the unit 19. That is, the photodetector 10 and the peak hold circuit 18 described above correspond to a light detection unit that receives a weakly diffracted light component and outputs an electric signal having a value proportional to the light amount.

温度校正データ部１９は、パルスレーザ１，プローブレーザ７及びステージコントローラ１２を制御することにより、関係式Ｔ（x，Ｖ）を作成し、場合によっては、当該関係式Ｔ（x，Ｖ）に基づいて、更に、最大信号電圧Ｖ及び上記距離xの組合せと試料６の表面温度Ｔとの対応関係をリストアップした三次元テーブルを作成して、内部メモリに保存しておき（データ保持部に相当）、信号校正回路２０からの参照に応じる。これら関係式Ｔ（x，Ｖ）及び三次元テーブルが、電気信号の値と表面温度との対応関係を定義したデータに、相当する。以下、図８のフローチャートに基づいて、温度校正データ部１９による関係式Ｔ（x，Ｖ）の作成処理を説明する。 The temperature calibration data unit 19 creates the relational expression T (x, V) by controlling the pulse laser 1, the probe laser 7, and the stage controller 12, and in some cases, the relational expression T (x, V) Further, a three-dimensional table listing the correspondence relationship between the combination of the maximum signal voltage V and the distance x and the surface temperature T of the sample 6 is created and stored in the internal memory (in the data holding unit). Corresponding to the reference from the signal calibration circuit 20. These relational expressions T (x, V) and the three-dimensional table correspond to data defining the correspondence between the value of the electric signal and the surface temperature. Hereinafter, based on the flowchart of FIG. 8, the process of creating the relational expression T (x, V) by the temperature calibration data unit 19 will be described.

図８の処理は、オペレータが、ステージ５上に物性量が既知である試料６（例えば、結晶シリコン）を載置し、キーボードを操作して当該試料６の物性量（反射率，吸収係数，熱伝導率，熱容量，相転移に伴う潜熱）及び厚さの値と共に開始コマンドを温度校正データ部１９に入力することにより、スタートする。なお、初期状態においては、ステージコントローラ１２は、ステージ５の位置を最も低い位置（プローブレーザ光Ｐの光軸から離れた位置）に設定する。 In the processing of FIG. 8, the operator places a sample 6 (for example, crystalline silicon) whose physical property amount is known on the stage 5, and operates the keyboard to operate the physical property amount (reflectance, absorption coefficient, A start command is input to the temperature calibration data section 19 together with values of thermal conductivity, heat capacity, latent heat associated with phase transition) and thickness, and starts. In the initial state, the stage controller 12 sets the position of the stage 5 to the lowest position (a position away from the optical axis of the probe laser light P).

スタート後最初のＳ０１では、温度校正データ部１９の中にある有限要素法によって定式化された上記熱伝導方程式に、入力された各物性量を代入し、パルスレーザ光Lの光エネルギー密度の設定を少しづつ変更しつつ、各光エネルギー密度の設定値毎に、結晶シリコン試料６の表面温度のピーク値Ｔ_maxを算出する。 In the first step S01 after the start, the input physical quantities are substituted into the heat conduction equation formulated by the finite element method in the temperature calibration data section 19, and the light energy density of the pulsed laser light L is set. Is gradually changed, and the peak value T _max of the surface temperature of the crystalline silicon sample 6 is calculated for each set value of each light energy density.

次のＳ０２では、温度校正データ部１９は、Ｓ０１にて各光エネルギー密度毎に算出した表面温度のピーク値Ｔ_maxに基づいて、光エネルギー密度Ｅと表面温度のピーク値Ｔ_maxとの相関を示す関係式Ｔ_max（Ｅ）を求める。 In next S02, the temperature calibration data unit 19 calculates the correlation between the light energy density E and the surface temperature peak value _Tmax based on the surface temperature peak value _Tmax calculated for each light energy density in S01. The relational expression T _max (E) shown is obtained.

次のＳ０３では、温度校正データ部１９は、オペレータによって入力されていた試料６の厚さの値及びステージコントローラ１２によるステージ５の高さの設定値に基づいて、試料６の表面からプローブレーザ光Ｐのビーム軸までの距離xを算出する。 In the next step S03, the temperature calibration data unit 19 detects the probe laser beam from the surface of the sample 6 based on the thickness value of the sample 6 and the set value of the height of the stage 5 by the stage controller 12 input by the operator. The distance x to the beam axis of P is calculated.

次のＳ０４では、温度校正データ部１９は、プローブレーザ７を制御してプローブレーザ光Ｐを発振させるとともに、パルスレーザ装置１を制御して、一回のパルス毎に、光エネルギー密度Ｅの設定値を最小値から最大値に向かって所定値づつ上げつつ、パルスレーザ光Ｌを断続的に発振させる。 In the next S04, the temperature calibration data unit 19 controls the probe laser 7 to oscillate the probe laser light P and also controls the pulse laser device 1 to set the light energy density E for each pulse. The pulsed laser beam L is oscillated intermittently while increasing the value from the minimum value to the maximum value by a predetermined value.

次のＳ０５では、温度校正データ部２０は、各パルス毎の、ピークホールド回路１８から入力される最大信号電圧ＶとＳ０４にて設定した光エネルギー密度の設定値とのあらゆる組合せを、Ｓ０３にて算出した距離xに関連付けて、内部メモリに一時記憶する。 In the next step S05, the temperature calibration data unit 20 makes every combination of the maximum signal voltage V inputted from the peak hold circuit 18 and the set value of the light energy density set in S04 for each pulse in S03. The information is temporarily stored in the internal memory in association with the calculated distance x.

次のＳ０６では、温度校正データ部２０は、ステージコントローラ１２を制御して、ステージ５を所定量だけ上昇させて、距離xを変更させる。 In the next S06, the temperature calibration data unit 20 controls the stage controller 12 to raise the stage 5 by a predetermined amount and change the distance x.

次のＳ０７では、温度校正データ部２は、ステージ５が最も高い位置まで移動したことにより距離xの変更が完了したかどうかをチェックする。そして、未だ距離xの変更が完了していないと判断した場合には、温度校正データ部２０は、処理をＳ０３に戻す。 In next S07, the temperature calibration data unit 2 checks whether or not the change of the distance x is completed because the stage 5 has moved to the highest position. If it is determined that the change of the distance x has not yet been completed, the temperature calibration data unit 20 returns the process to S03.

これに対して、距離xの変更が完了したと判断した場合には、温度校正データ部２は、Ｓ０８において、各x毎にＳ０５にて一時記憶した、ピークホールド回路１８から入力される最大信号電圧ＶとＳ０４にて設定した光エネルギー密度の設定値とのあらゆる組合せに基づいて、光エネルギー密度Ｅと距離x及び最大信号電圧Ｖとの相関を示す関係式Ｖ（x，Ｅ）を求める。 On the other hand, if it is determined that the change of the distance x is completed, the temperature calibration data unit 2 receives the maximum signal input from the peak hold circuit 18 temporarily stored in S05 for each x in S08. Based on all combinations of the voltage V and the set value of the light energy density set in S04, a relational expression V (x, E) indicating the correlation between the light energy density E, the distance x, and the maximum signal voltage V is obtained.

次のＳ０９では、温度校正データ部２０は、Ｓ０２にて求めた関係式Ｔ_max（Ｅ）及び関係式Ｖ（x，Ｅ）を融合させて、変換式Ｔ（x，Ｖ）を求める。 In next S09, the temperature calibration data unit 20 obtains the conversion expression T (x, V) by fusing the relational expression T _max (E) and the relational expression V (x, E) obtained in S02.

次のＳ１０では、温度校正データ部２０は、Ｓ１９にて得た変換式Ｔ（x，Ｖ）を、内部メモリに記憶する。以上により、実際の光プロセス対象の資料６に対する温度計測の準備が完了したので、温度校正データ部２０は、以後、信号構成回路２０からの要求に応じて、内部メモリに記憶している変換式Ｔ（x，Ｖ）を応答する。なお、温度校正データ部２０は、上述したように求めた変換式Ｔ（x，Ｖ）に対して様々な距離x及び最大信号電圧Ｖの組み合わせを代入して温度Tを算出し、その算出結果たる温度Tを距離x及び最大信号電圧Ｖに対応付けた三次元テーブルを作成して、変換式Ｔ（x，Ｖ）の代わりに、内部メモリに記憶していても良い。その場合、温度校正データ部１９は、信号構成回路２０から距離x及び最大信号電圧Ｖを通知されると、これらに対応する温度Ｔを三次元テーブルから読み出して、信号構成回路２０に応答する。 In next S10, the temperature calibration data unit 20 stores the conversion equation T (x, V) obtained in S19 in the internal memory. As described above, since preparation for temperature measurement for the material 6 to be actually processed by the optical process is completed, the temperature calibration data unit 20 subsequently converts the conversion formula stored in the internal memory in response to a request from the signal component circuit 20. Returns T (x, V). The temperature calibration data unit 20 calculates the temperature T by substituting various combinations of the distance x and the maximum signal voltage V into the conversion equation T (x, V) obtained as described above, and the calculation result A three-dimensional table in which the corresponding temperature T is associated with the distance x and the maximum signal voltage V may be created and stored in the internal memory instead of the conversion formula T (x, V). In this case, when the distance x and the maximum signal voltage V are notified from the signal configuration circuit 20, the temperature calibration data unit 19 reads the temperature T corresponding to these from the three-dimensional table and responds to the signal configuration circuit 20.

信号校正回路２０は、パルスレーザ１及びプローブレーザ７の図示したコントローラと協働して、図９のフローチャートに示す処理を実行することにより、実際の光プロセス対象である試料６の表面温度を、計測する。図９に示す処理は、オペレータが、ステージ５上に光プロセス対象の試料６（物性量が既知である必要はない）を載置し、キーボードを操作して当該試料６の厚さと共に開始コマンドを信号校正回路２０に入力することにより、スタートする。 The signal calibration circuit 20 cooperates with the illustrated controller of the pulse laser 1 and the probe laser 7 to execute the processing shown in the flowchart of FIG. 9, thereby to determine the surface temperature of the sample 6 that is the actual optical process target. measure. In the processing shown in FIG. 9, the operator places a sample 6 to be optically processed (the physical property amount need not be known) on the stage 5 and operates the keyboard to start the sample 6 along with the thickness of the sample 6. Is input to the signal calibration circuit 20.

スタート後最初のＳ１１では、信号校正回路２０は、オペレータによって入力されていた試料６の厚さの値及びステージコントローラ１２によるステージ５の高さの設定値を読み込んで、試料６の表面からプローブレーザ光Ｐのビーム軸までの距離xを算出する。 In the first S11 after the start, the signal calibration circuit 20 reads the thickness value of the sample 6 and the set value of the height of the stage 5 by the stage controller 12 input by the operator, and reads the probe laser from the surface of the sample 6 A distance x to the beam axis of the light P is calculated.

次のＳ１２では、信号校正回路２０は、プローブレーザ装置７を制御してプローブレーザ光Ｐを発振させるとともに、パルスレーザ装置１を制御して、試料６の表面における光プロセス対象箇所にパルスレーザ光Ｌを照射させる。 In the next S12, the signal calibration circuit 20 controls the probe laser device 7 to oscillate the probe laser light P, and also controls the pulse laser device 1 to apply the pulse laser light to the optical process target portion on the surface of the sample 6. L is irradiated.

次のＳ１３では、信号校正回路２０は、変換式Ｔ（x，Ｖ）を温度校正データ部１９に要求して、温度校正データ部１９から応答された変換式Ｔ（x，Ｖ）に、Ｓ１１にて算出した距離x及び処理時点でピークホールド回路１８から入力されている最大信号電圧Ｖを代入することにより、温度Ｔを算出する。温度校正データ部１９が上記三次元テーブルを保持している場合には、信号校正回路２０は、上記最大信号電圧Ｖ及び距離xを温度校正データ部１９に通知して、温度校正データ部１９から温度Ｔの通知を受ける。その上で、信号校正回路２０は、温度Ｔを示す資料温度測定値を図示せぬディスプレイに出力して、当該温度Ｔを表示させる。なお、この資料温度測定値は、パルスレーザ装置１によるパルスレーザ光Ｌの発振出力のフィードバック制御の為に用いられても良い。 In the next S13, the signal calibration circuit 20 requests the conversion equation T (x, V) from the temperature calibration data unit 19, and changes the conversion equation T (x, V) returned from the temperature calibration data unit 19 to S11. The temperature T is calculated by substituting the distance x calculated in step 1 and the maximum signal voltage V input from the peak hold circuit 18 at the time of processing. When the temperature calibration data unit 19 holds the three-dimensional table, the signal calibration circuit 20 notifies the temperature calibration data unit 19 of the maximum signal voltage V and the distance x, and from the temperature calibration data unit 19. Receive notification of temperature T. After that, the signal calibration circuit 20 outputs a measured material temperature value indicating the temperature T to a display (not shown) to display the temperature T. The measured material temperature may be used for feedback control of the oscillation output of the pulse laser beam L by the pulse laser device 1.

次のＳ１４では、信号校正回路２０は、試料６に対する光プロセスが完了したかどうかをチェックする。そして、未だ光プロセスが完了していなければ、信号校正回路２０は、処理をＳ１２に戻す。これに対して、パルスレーザ光の発振がオペレータによって中断されることによって光プロセスが終了した場合には、信号校正回路２０は、全処理を終了する。 In next S14, the signal calibration circuit 20 checks whether the optical process for the sample 6 is completed. If the optical process is not yet completed, the signal calibration circuit 20 returns the process to S12. On the other hand, when the optical process is terminated when the oscillation of the pulse laser beam is interrupted by the operator, the signal calibration circuit 20 terminates the entire process.

（作用）
以上のように構成された本実施形態によると、光プロセスに用いられるレーザ光がＣＷレーザ光ではなくパルスレーザ光Ｌであるので、その照射時と中断時とで試料６の表面温度が大きく相違する。そのため、中断後にパルスレーザ光Ｌが照射されると、試料表面の温度が急激に上昇して周囲温度との間に温度差を生じるので、振幅（周囲温度との差）の初期値が試料６の表面温度に比例する熱波を生じ、この熱波が所定の伝搬速度をもって試料６の表面に接する空気中を伝搬していく。この熱波が伝搬していく空間にはＣＷレーザであるプローブレーザ光Ｐが横切っており、その媒質である空気に熱波が伝搬すると、その屈折率の変動に因って、熱波の振幅に比例した光量の微弱回折光を生じる。この微弱回折光の光量は、受光光学系９（フーリエ変換レンズ１５，コリメータレンズ２７，フーリエ変換レンズ２８及びリレーレンズ１９）及び光検出器１０によって検知され、信号電圧Ｖに変換される。ピークホールド回路１８によって検出された最大信号電圧Ｖは、上記プローブレーザ光Ｐの光路を横切る熱波の振幅に比例するところ、熱波の振幅は、試料６の表面温度に比例するとともに、試料６の表面からの距離xの三乗に反比例する。温度校正データ部１９が保持している関係式Ｔ（x，Ｖ）は、この依存関係を定義したものである。そのため、信号校正回路２０は、ピークホールド回路１８から入力された最大信号電圧Ｖ及び自ら算出した試料６の表面からプローブレーザ光Ｐのビーム軸までの距離xを当該関係式Ｔ（x，Ｖ）に代入することにより、距離xの影響を捨象して、試料６の表面における各パルス照射毎の最大温度Ｔ_maxを算出することができるのである。 (Function)
According to the present embodiment configured as described above, since the laser light used in the optical process is not the CW laser light but the pulsed laser light L, the surface temperature of the sample 6 is greatly different between the irradiation time and the interruption time. To do. For this reason, when the pulse laser beam L is irradiated after the interruption, the temperature of the sample surface rises rapidly and a temperature difference is generated with the ambient temperature, so that the initial value of the amplitude (difference from the ambient temperature) is the sample 6. A heat wave proportional to the surface temperature of the sample 6 is generated, and this heat wave propagates in the air in contact with the surface of the sample 6 with a predetermined propagation velocity. The probe laser beam P, which is a CW laser, crosses the space in which the heat wave propagates. When the heat wave propagates to the air that is the medium, the amplitude of the heat wave is caused by the change in the refractive index. Produces weak diffracted light with a light quantity proportional to. The amount of the weakly diffracted light is detected by the light receiving optical system 9 (Fourier transform lens 15, collimator lens 27, Fourier transform lens 28 and relay lens 19) and the photodetector 10, and is converted into a signal voltage V. The maximum signal voltage V detected by the peak hold circuit 18 is proportional to the amplitude of the heat wave crossing the optical path of the probe laser beam P. The amplitude of the heat wave is proportional to the surface temperature of the sample 6 and the sample 6 Is inversely proportional to the cube of the distance x from the surface. The relational expression T (x, V) held by the temperature calibration data unit 19 defines this dependency. Therefore, the signal calibration circuit 20 determines the maximum signal voltage V input from the peak hold circuit 18 and the distance x from the surface of the sample 6 calculated by itself to the beam axis of the probe laser light P in the relational expression T (x, V). By substituting into, the influence of the distance x can be discarded, and the maximum temperature T _max for each pulse irradiation on the surface of the sample 6 can be calculated.

なお、上記関係式Ｔ（x，Ｖ）は、物性量如何に依らず凡そパルスレーザ光が照射された場合における固体の表面温度の経時変動は同様であるとの知見に基づき、物理量が未知である物質に対しても適用が可能になったものである。従って、計測対象の試料６に対して実際に温度センサを接触させなくても、また、当該試料６の物性量を測定して熱伝導方程式を解かなくても、既知物質に対する熱伝導方程式の計算結果から求められた具体的温度を、当該試料６の表面温度として、合理的に提示できるのである。 The above relational expression T (x, V) is based on the knowledge that the temporal variation of the surface temperature of the solid when irradiated with pulsed laser light is the same regardless of the physical quantity, and the physical quantity is unknown. It can be applied to certain substances. Therefore, the calculation of the heat conduction equation for a known substance can be performed without actually contacting the temperature sensor with the sample 6 to be measured, or without measuring the physical property of the sample 6 and solving the heat conduction equation. The specific temperature obtained from the result can be reasonably presented as the surface temperature of the sample 6.

１パルスレーザ装置
５ステージ
６試料
７プローブレーザ装置
８コリメータレンズ
９受光光学系
１０光検出器
１１信号処理回路
１２ステージコントローラ
１８ピークホールド回路
１９温度校正データ部
２０信号校正回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pulse laser apparatus 5 Stage 6 Sample 7 Probe laser apparatus 8 Collimator lens 9 Light reception optical system 10 Photodetector 11 Signal processing circuit 12 Stage controller 18 Peak hold circuit 19 Temperature calibration data part 20 Signal calibration circuit

Claims

A measuring device for measuring the surface temperature of a solid heated by being irradiated with a pulsed laser beam,
A probe laser device that continuously oscillates a detection laser beam;
A first optical system for guiding the detection laser light oscillated from the probe laser device so as to travel as a parallel beam in the air near the portion irradiated with the pulse laser light on the surface of the solid;
An optical Fourier transform is applied to the laser beam for detection that has passed through the air in the vicinity of the portion irradiated with the pulse laser beam on the surface of the solid, and a weak diffracted light component and a fundamental wave component are collected. Two optical systems;
Light detecting means for receiving a fundamental wave and a weakly diffracted light component by the second optical system and outputting an electric signal having a value proportional to the light amount;
A data holding unit for holding data defining a correspondence relationship between the value of the electrical signal and the surface temperature;
A solid surface temperature measuring device by light heating, comprising: a processing unit that applies a value of an electrical signal output from the light detection means to the data to obtain a corresponding temperature.

In addition to further comprising a distance acquisition means for acquiring a numerical value indicating the distance between the portion of the solid surface irradiated with the pulse laser beam and the detection laser beam;
The data defines a correspondence relationship between a value of the electrical signal and a numerical value indicating the distance and the surface temperature,
2. The processing unit obtains a corresponding temperature by applying a numerical value indicating a distance acquired by the distance acquisition unit and a value of an electrical signal output from the light detection unit to the data. The measuring device of the solid surface temperature by the light heating of description.

3. The apparatus for measuring a solid surface temperature by light heating according to claim 2, wherein the data is an expression defining the surface temperature as a function having a value of the electric signal and a numerical value indicating the distance as variables.

The light detection means includes: a photoelectric converter that converts received light into an electric signal having a magnitude proportional to the intensity thereof; and an electric signal that is converted by the photoelectric converter for each period of irradiation with the pulsed laser light. The solid surface temperature measuring device by light heating according to claim 1, further comprising: a peak hold circuit that outputs a maximum value of the value to the processing unit.

The peak hold circuit excludes an electric signal converted by the photoelectric converter while the pulse laser beam is irradiated, and calculates a maximum value of the electric signal converted by the photoelectric converter during other periods. 5. The apparatus for measuring a solid surface temperature by light heating according to claim 4, wherein the output is performed to the processing unit.

The data includes the surface temperature calculated by solving the following heat conduction equation (1) when the sample having a known physical property is irradiated with a pulsed laser beam having an arbitrary light density, and the light detection. 2. The solid surface temperature measuring device by light heating according to claim 1, wherein the device is defined based on a combination with a value of an electric signal output from the means.

(In the heat conduction equation (1), T (X, t) is a temperature (° C.) at a depth X (nm) from the solid surface t (ns) after irradiation of the solid with light, The maximum value in the case of X = 0 corresponds to the peak value T _max of the solid surface temperature to be obtained , ρ is the density of the solid (kg / m ³ ), and Cp is the specific heat of the solid (J / kg · ° C) , Κ is the thermal conductivity (W / m · ° C.) of the solid, α is the absorption coefficient (m ⁻¹ ) of the solid , and I (X, t) is t ( ns) is the light intensity at a point of depth X (nm) from the solid surface after, and is calculated by the following equation (2):

In the formula (2), I ₀ (t) is the light energy intensity (W / m ² ) at time t , and R is the solid reflectance. )

A method for measuring the surface temperature of a solid heated by being irradiated with a pulsed laser beam,
The continuously oscillating detection laser beam is guided so as to travel as a parallel beam in the air in the vicinity of the portion irradiated with the pulse laser beam on the surface of the solid,
An optical Fourier transform is applied to the detection laser beam that has passed through the air in the vicinity of the portion irradiated with the pulsed laser beam on the surface of the solid, and the weak diffracted light component is spatially separated from the fundamental wave. ,
Receiving the weakly diffracted light component spatially separated from the fundamental wave, and converting it into an electric signal having a value proportional to the amount of light;
By referring to data defining a correspondence relationship between the value of the electric signal and the surface temperature, the value of the electric signal is applied to the data to obtain the corresponding temperature, and the solid surface temperature by light heating is obtained. Measurement method.