JPH02243956A

JPH02243956A - 光音響信号検出方法及びその装置並びに半導体素子内部欠陥検出方法

Info

Publication number: JPH02243956A
Application number: JP1063604A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Nakada; 俊彦中田; Yukio Kenbo; 行雄見坊
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-03-17
Filing date: 1989-03-17
Publication date: 1990-09-28
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: US5062715A; JP2659429B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、光音響効果（Ｐ　ｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ
Ｅ　ｆｆｅｃｔ　）を利用して、試料の表面及び内部情
報を検出する光音響信号検出方法及びその装置並びに半
導体素子内部欠陥検出方法に関する。

〔従来の技術〕

光音響効果は、１８８１年チンダル（Ｔｙｎｄａｌｌ）
、ベル（Ｂ　ｅｌｌ）　、レントゲン（Ｒ６ｎｔｏｇｅ
ｎ　）らによって発見された。すなわち、第２３図に示
すように、強度変調した光（断続光）１９をレンズ５に
より、試料７上に集光して照射すると、光吸収領域Ｖｏ
ｐ２１において熱が発生し、熱拡散長μｓ２２で与えら
れる熱拡散領域Ｖｔｈ２３を周期的に拡赦し、この熱歪
波によって表面弾性波（超音波）が発生する現象である
。この超音波すなわち光音響信号をマイクロホン（音響
電気変換器）や圧電素子あるいは光干渉計を用いて検出
し、入射光の変調周波数と同期した信号成分を求めるこ
とにより、試表の表面及び内部の情報を得ることができ
る。上記光音響信号の検出方式に関しては１例えば、文
献「非破壊検査；第３６巻第１０号。

ｐ、７３０〜Ｐ、７３６　（昭和６２年１０月）」や「
アイ・イー・イー・イー、１９８６ウルトラソニツクス
　シンポジウムｐ、５１５〜５２６（１９８６年）（Ｉ
ＥＥＥ雪１９８６ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ８ＳＹＭＰＯ８
ＩＵＭ−ｐ、５１５〜５２６　（１９８６））Ｊにおい
て論じられている。その−例を第２２図に基づいて説明
する。レーザ１から出射した平行光を音響光学変調素子
（Ａ○変調器）２により強度変調し、その断続光をビー
ムエキスパンダ３により所望のビーム径に拡大した後、
ハーフミラ−４で反射させ、レンズ５により、ＸＹステ
ージ６上の試料７の表面に集光させる。試料７上の集光
部２１において生じた熱歪波により、超音波が発生し、
同時に試料表面に微小変位が生じる。この微小変位を以
下に述べるマイケルソン干渉計で検出する。レーザ８か
ら出射した平行光をビームエキスパンダ９により所望の
ビーム径に拡大した後、ハーフミラ−１０で２つの光路
に分離し、一方はレンズ５により試料７上の集光部２１
に集光させる。他方は参照ミラー１１上に照射させる。

試料７からの反射光と参照ミラー１１からの反射光は、
ハーフミラ−１゜」二で互いに干渉し、この干渉パター
ンがレンズ１２により、ホトダイオード等の光電変換素
子１３上に集光される。光電変換された干渉強度信号は
プリアンプ１４で増１限された後、ロックインアンプ１
６に送られる。ロックアンプ１６では。

音響光学変調素子２の１組動に用いる発振器１５からの
変調周波数信号を参照信号として、干渉強度信号に含ま
れる変調周波数成分のみが抽出される。。

この周波数成分がその周波数に応じた試料の表面あるい
は内部の情報をもつ。変調周波数を変えることにより、
熱拡散長μｓ２１を変えることができ、試料の深さ方向
の情ｆｕを得ることができる。熱拡散領域Ｖｔｈ２３内
にクラック等の欠陥があれば、干渉強度信号中の変調周
波数成分に信号変化が現れ、その存在を知ることができ
る。ＸＹステージ移動信号とロックインアンプ１６から
の出力信号は計算機１７で処理され、試料上の各点にお
ける光音響信号がモニタＴＶ等の表示器１８に画（ｉ情
報として出力される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、非接触・非破壊で光音響信号を検出で
きる極めて有効な手段であるが、以下のような課題をも
っている。

光音響信号の横方向分解能と深さ方向分解能は、光吸収
領域Ｖｏｐ２１すなわちレーザ光のスポット径が、熱拡
散領域Ｖｔｈ２３よりも小さい場合には、熱波ｊｆｌ長
μｓ２２で与えられる。このμｓは（１）式で定義され
る。

但し、ｋ：試料の熱伝導率 ρ：密度Ｃ：比熱ｆ：レーザの強度変調周波数例えば、ｆ＝１０ｋＨｚのとき、ＳｉやＭはμｓ〜５０
μｍであり、ＳｉＯ□はμＳ〜５μｍ程度である。

今、ある変調周波数で第２４図（α）に示すような熱拡
散領域Ｖｔｈ２３ｃｔが与えられているとき。

横方向分解能と深さ方向分解能は各々μｓｏ”Ｆμ８、
μｌ１ｌ（押２μｓで与えられる。試料のより深い位置
の内部情報を得るには、（１）式より変調周波数ｆを小
さくし、第２４図（ｂ）に示すように熱拡散長μｓを大
きくする必要がある。しかし、その結果、図に示すよう
に横方向分解能μＩＩＨと深さ方向分解能μｓｕが低下
してしまう。すなわち、従来技術においては、深さ方向
の情報を得るためにレーザの変調周波数ｆを変え熱拡散
長μｓを変えることにより、横方向及び深さ方向の分解
能が変化してしまうという課題がある。特に、より深い
情報を得るためには熱拡散長μｓを大きくシ１分解能を
低下させなければならず、現状ではμｍオーダの微細構
造をもつ試料の内部情報の検出は極めて困難である。

本発明の目的は、試料の様々な深さの内部情報を、横方
向及び深さ方向分解能を低下させることなく安定に検出
できるようにした光音響信号検出方法及びその装置を提
供することにある。

本発明の他の目的は、半導体素子の深さの内部情報を光
音響効果によって検出し、半導体素子内部の欠陥を検出
できるようにした半導体素子内部欠陥検出方法。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため１本発明は、第１の光源と、該
光源からの光を所望の周波数で強度変調する変調手段と
、２５強度変調された光を試料（例えば半導体に子）上
に集光する集光手段と、試料内で発生した光音響効果を
検出する検出手段と、該検出信号から試料の表面及び内
部情報を抽出する情報抽出手段から成る光音響信号検出
装置において、上記第１の光源からの光を試料を透過す
る波長の光とし、かつ集光された光スポットを、試料内
部において試料の深さ方向に走査することにより、光音
響信号の横方向及び深さ方向の分解能を低下させること
なく、試料の任意深さ位置の内部情報を安定に検出可能
としたものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、光干渉を利
用して光音響効果を検出する光干渉検出手段と、該光ｆ
渉検出手段において、干渉光を得るために試料表面に入
射した第２の光源からの光が、試料表面上で常に最小の
大きさの光スポットとして集光し、かつ試料表面からの
反射光が、光電変換素子上で常に最小の大きさの光スポ
ットとして集光するよう、集光位置制御手段を設けるこ
とにより、光音響信号のより安定な検出を可能としたも
のである。

また、上記目的を達成するため、第１の光源からの光を
赤外光とし、かつ強度変調された光を試料上に集光する
集光手段及び光干渉を利用して光音響効果を検出する光
干渉検出手段を共焦点光学系として構成することにより
、光音響信号の横方向分解能と検出感度の向上及び表面
に凹凸のある例えば半導体素子への適用を可能としたも
のである。

〔作用〕

光音響信号検出装置において、第１の光源からの光を試
料を透過する波長の光とすることにより、その集光スポ
ットを試料（例えば半導体素子）内部において、深さ方
向に走査することが可能となり、横方向及び深さ方向の
分解能を低下させることなく、試料の任意深さ位置の内
部情報を安定に検出できる。

また、光音響効果を検出する手段として、光干渉を利用
する光干渉検出手段を採用し、試料表面へ入射した第２
の光源からの光が、試料表面上でフ；りに最小の光スポ
ットとして集光し、がっ試料表面からの反射光が、光電
変換素子上で常に最小の光スポットとして集光するよう
、集光位置を制御することにより、光音響信号が常に安
定に検出できる。

また、第１の光源からの光を赤外光とし、かつその集光
手段及び光干渉検出手段を共焦点光学系として構成する
ことにより、不要な高次回折光成分が除去された理想的
なピーク部を有するスポット光を形成することが可能と
なり、光音響信号の横方向分解能と検出感度の向上及び
表面に凹凸のある試料への適用が可能となる。

また本発明の構成により半導体素子の内部欠陥（配線の
断線や、クラック等）を光音響効果により検出すること
ができる。

〔実施例〕

本発明の詳細な説明する前に、その基本原理を、第１図
に基づいて説明する。本発明では、試料中に熱歪波及び
超音波を発生させるための励起光として試料例えば半導
体素子を透過できる波長の光を用いる。そして、所望の
分解能が得られる熱拡散長となるよう励起光の変調周波
数を設定した後、第１図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す
ように、変調周波数を変えることなく励起光の集光スポ
ット（光吸収領域）位置２７を深さ方向に走査する。以
上の原理によれば、従来技術のように横方向及び深さ方
向の分解能を低下させることなく、試料の任意深さ位置
の内部情報を、安定に検出することができる。この時の
横方向及び深さ方向の分解能は共にμ、と一定である。

以下、本発明の第１の実施例を第２図〜第１０図に基づ
いて説明する。第２図は１本発明の第１の実施例におけ
る光音響検出光学系を示すものである。本光学系は、光
音響効果を生じさせるためのＨｅ　−Ｎ　ｅ赤外レーザ
（波長１．２μｍ）３１を光源とする変調レーザ照射光
学系５１０、光音響信号を検出するためのマイケルソン
干渉光学系５２０、自動焦点用レーザ照射光学系５３０
、自動焦点光学系４５４ｏ及び信号処理系５５０がら成
る。変調レーザ照射光学系５１０において、Ｈｅ、Ｎｅ
赤外レーザ３１がら出射した平行光を音響光学変調素子
３２により、所望の周波数で強度変調し、そのＩＦｒｆ
ｔｔ光をビームエキスパンダ３３により所望のビーム径
に拡大した後、レンズ３４によりその後側焦点位置９ｏ
に集光させる。焦点位置９０にはピンホール３５が設置
されており、第３図に示すように、集光スポットのピー
ク部１００の周辺に存在する高次回折光成分１０１ａ及
び１０１ｂを遮光する。その結果、ピンホール３５通過
直後の光強度分布は第４図に示すように、ピ”　部１０
０だけとなる。焦点位置９ｏはレンズ３６の前側焦点位
置となっているので、ピンホール３５通過後の光束は、
レンズ３６通過後平行光となる。この平行光はダイクロ
イックミラー３７（波長１μｍ以上は反射、１μｍ以下
は透過）で反射された後、対物レンズ３８によりその前
倒焦点位′Ｅ１９１に集光され、第４図に示すと同様の
光強度分布をもつスポットとなる。すなわち、レンズ３
６の前側焦点位置９ｏと対物レンズ３８の前側焦点位置
９１とは兵役であると同時に共焦点の関係にある。また
、本実施例ではその大きな特徴トシテ、試料４２を搭載
したＺステージ４１を走査することにより、第１図に示
すように対物レンズ３８の前側焦点位置９１すなわちＨ
ｅ　−Ｎ　ｅ赤外レーザ光の集光スポットを試料４２の
内部において試料４２の深さ方向に走査する。その具体
的方法については後述する。試料４２表面あるいは試料
４２内部の集光スポット位置９１（対物レンズ３８の前
側焦点位置）において光音響効果により生じた熱歪波に
より、超音波が発生し、同時に試料４２表面に微ホ変位
が生じる。

マイケルソン干渉光学系５２０において、Ａｒレーザ（
波長０．５１５μｍ）４３から出射した円偏光の平行光
をビームエキスパンダ４４により所望のビーム径に拡大
した後、レンズ４５によりその後側焦点位置９２に集光
させる。焦点位置９２にはピンホール４６が設置されて
おり、第３図に示すと同様にして、集光スポットのピー
ク部周辺の高次回折光成分が遮光される。焦点位置９２
はレンズ４９の前側焦点位置となっており、ピンホール
４６通過後の光束はレンズ４９により平行光となる。こ
の平行光は偏光ビームスプリッタ５０によりＰ偏光とＳ
偏光に分離される。Ｐ偏光は偏光ビームスプリッタ５０
を透過し、ダイクロイックミラー７０（波長０．６μｍ
以下は透過、０．６μｍ以上は反射）、ビームスプリン
タ７１（波長０．５〜０．７μｍにおいて透過率二反射
率＝７　：　３）、ダイクロイックミラー３７．及びλ
／４板５５を通過した後、”円偏光となり、対物レンズ
３８により、試料４２上の９１の位置（対物レンズ３８
の前側焦点位置）に集光され、第４図に示すと同様の光
強度分布をもつスポットとなる。一方、Ｓ偏光は偏光ビ
ームスプリッタ５０で反射され、λ／４板５板製１過し
た後円偏光となり、参照ミラー５２に入射する。試料４
２からの反射光は、試料４２表面で生じた微小変位を位
相情報としてもっており、対物レンズ３８、λ／４板５
５を通過した後Ｓ偏光となり、偏光ビームスプリッタ５
０で反射される。参照ミラー５２からの反射光はλ／４
板５板製１過した後Ｐ偏光となり、偏光ビームスプリッ
タ５０を透過する。第５図の１１０は試料４２からの反
射光の偏光方向を、１１１は参照ミラー５２からの反射
光の偏光方向を示している。両者は互いに直交している
ので、このままでは干渉しない。しかし、偏光板５６を
光路に挿入し、その偏光方向を第５図の１１２に示すよ
うに４５″方向とすることにより両反射光は干渉する。

この干渉パターンには、試料４２表面で生じた微小変位
が光強度情報として含まれており、これをレンズ５７に
よりその後側焦点位置９３に集光し、ホトダイオード等
の光電変換素子６３で検出する。また、後側焦点位置９
３にピンホール６２を設置することにより、対物レンズ
３８内で発生した迷光や試料４２を構成する透明薄膜内
で発生した多重干渉成分やあるいは試料４２表面の微小
な凹凸により発生した高次回折光成分を遮光する０以上
述べたように、このマイケルソン干渉光学系５２０にお
いて、レンズ４９の前側焦点位置９２、対物レンズ３８
の前側焦点位置９１及びレンズ５７の後側焦点位ｒ１１
９３とは兵役であると同時に共焦点の関係にある。光電
変換された干渉強度信号はプリアンプ６４で増幅された
後、ロックインアンプ８１に送られる。ロックインアン
プ８１では、音響光学変調素子３２の廓動に用いる発振
ｒｔ８０からの変調周波数信号を参照信号として、干渉
強度信号に含まれる変調周波数成分の振幅と変調周波数
信号に対する位相成分が抽出される。この周波数成分と
位相成分がその変調周波数で定義される熱拡散領域ｖｔ
ｈ内の情報をもつ。従って、この熱拡散領域ｖｔｈ内に
クラック等の欠陥があれば、干渉強度信号中の変調周波
数成分の振幅と位相が変化し、その存在を知ることがで
きる。

本実施例では、先に述べたように、試料４２を搭載した
Ｚステージ４１を走査することにより、第１図に示すよ
うに、対物レンズ３８の前側焦点位置９１すなわちＨａ
　−Ｎ　ａ赤外レーザ光の集光スポットを試料４２の内
部において、試料４２の深さ方向に走査する。一方、光
音響効果により生じた試料４２表面の微小変位を検出す
るためのマイケルソン干渉光学系５２０中のＡｒレーザ
光の集光スポットは、Ｚステージ４１の位置に関係なく
、常に試料４２表面上に集光している必要がある。もし
、そうでないならば、試料４２表面からの反射光は、ピ
ンホール６２の位置で完全に集光せず、ピンホール６２
を通過する光量は大きく減少し、干渉強度信号は極めて
微弱となり、試料４２の内部情報を得ることは困難とな
る。そこで。

本実施例では、この現象を逆に利用することにより、極
めて高精度な自動焦点機能を付加している。

すなわち、自動焦点用レーザ照射光学系５３０中のＨｅ
　−Ｎ　ｅレーザ（波長ＱＪ３３３μｍ）６５から出射
した平行光を、ビームエキスパンダ６６により所望のビ
ーム径に拡大した後、レンズ６７によりその後側焦点位
置９４に集光させる。焦点位置９４にはピンホール６８
が設置されており、第３図に示すと同様にして、集光ス
ポットのピーク部周辺の高次回折光成分が遮光される・
焦点位置９４はレンズ６９の前側焦点位置となっており
、ピンホール６８通過後の光束はレンズ６９により平行
光となる。この平行光はダイクロイックミラー７０で反
射され、ビームスプリッタ７１及びダイクロイックミラ
ー３７通過後、対物レンズ３８により、試料４２上の９
１の位置（対物レンズ３８の前側焦点位置）に集光され
、第４図に示すと同様の光強度分布をもつスポットとな
る。試料４２からの反射光は、対物レンズ３８、ダイク
ロイックミラー３７通過後、ビームスプリンタ７１で反
射され、自動焦点光学系５４０に導かれ、さらにビーム
スプリッタ７２で２つのビームに分離される。各々のビ
ームは、レンズ７３及び７６により各後側焦点位置に集
光される。各光路にホトダイオード等の光電変換素子７
５及び７８を、またその直前にピンホール７４及び７７
を設置する。

ここで、ピンホール７４はレンズ７３の後側焦点位置よ
りもＦａだけ後側に、またピンホール７７はレンズ７６
の後側焦点位置よりもＦｂ　（＝Ｆａ）だけ前側に設置
する。今、説明を簡略化するため、対物レンズ３８が、
Ｈｅ−Ｎｅ赤外レーザ光（波長１．２μｍ）、Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザ光（波長０．６３３．ｕｍ）及びＡｒレーザ光
（波長０．５１５μｍ）に対して色収差補正されており
、各ビームが試料４２の表面上に集光されているものと
する。

この時のＺステージの位置を基準位置とする。第６図に
示すように、Ｚステージが上昇し、試料表面４２Ｐが＋
側に移動する（図中の破＃Ｉ）と、第７図に破線で示す
ように、ピンホール７４を通過する光量は増加し、ピン
ホール７７を通過する光量は減少する。第８図は、２ス
テージの移動量と２つの光電変換索子７５の出力電流１
０３及び７８の出力電流１０４の関係を示したものであ
る。

両出力電流を第２図の比較回路７９で比較すれば。

常にＺステージの位置をモニタすることができる。

第９図は、比較回路７９からの２ステ一ジ移動信号によ
り、マイケルソン干渉光学系５２０のＡｒレーザ４３の
ビーム集光位置及び試料表面４２Ｐからの反射光の集光
位置を各々制御する方法を示したものである。同図（α
）は、励起光であるＨ　ｅ　−Ｎ　ｅ赤外レーザ３１が
らのビーム１４０（破線）とＡｒレーザ４３がらのビー
ム１４１（実ａ）が、共に試料表面４．２　Ｐの９１の
位置に集光している状態を示したものである。一方、同
図（ｂ）は、Ｚステージ４１を上Ｒ１させることにより
、Ｈｅ　−Ｎ　６赤外レーザ３１のビーム１４０′の集
光スポットを試料４２の内部で深さ方向に走査している
様子を示したものである。２ステージ４１の上昇により
、そのままの状態では、Ａｒレーザ４３からのビーム１
４１は試料表面４２Ｐ上には集光しない。そこで、前述
の自動焦点光学系５４０の比較回路７９がら２ステ一ジ
移動量信号をＰＺＴ屏動回動回路５４り、Ａｒレーザ４
３がらのビーム１４１′が試料表面４２Ｐ上に集光する
ように、ＰＺＴ素子５３を恥動し、くさび形ガラス４７
を微動させる。同様に、ｐｚ”ｒ倣動回路６１を介して
ＰＺＴ素子６０を即動し、試料表面４２Ｐからの反射光
が光電変換素子６３の９３の位置に集光するように、く
さび形ガラス５９を微動させる。以上の動作により、２
ステージ４１の移動にかかわらず、Ａｒレーザ４３から
のビーム１４１′を常に試料表面４２Ｐ上に集光させる
と同時に、その反射光も光電変換素子６３上に集光させ
ることが可能となる。信号処理系５５０においては、Ｚ
ステージ４１、ｘｙステージ４０の移動信号及びロック
インアンプ８２からの出力信号が、計算機８２で処理さ
れ、試料４２内部の３次元光音響像がモニタＴＶ等の表
示器８３に出力される。

本実施例によれば、励起光として赤外光を用いることに
より、Ｓ＜のような可視光に対して不透明な試料の内部
において、その集光スポットを深さ方向に走査すること
が可能となり、横方向及び深さ方向の分解能を低下させ
ることなく、試料（例えば半導体素子）の任意深さ位置
の内部情報（内部欠陥）を安定に検出することができろ
。また、総ての光学系を共焦点光学系として構成するこ
とにより、光音響信号の横方向分解能と検出感度を向上
させることができ、同時に多層膜中の多重干渉の影響を
低減することができる。。また、共焦点光学系で構成し
た自動焦点光学系を付加し、試料表面の位置をモニタす
ると共に、マイケルソン干渉光学系のレーザ集光スポッ
ト位置を可変とすることにより、常に最小の大きさの集
光スポットを試料表面及び光電変換素子上に形成するこ
とが可能となり、光音響信号の安定検出が可能となる。

また、上記機能により、第１０図に示すように、回路パ
ターンの形成された半導体ウェハのように試料表面に凹
凸がある場合でも、常に安定にレーザ光を試料表面に集
光することができる。

本発明の第２の実施例を第１１図〜第１３図に基づいて
説明する。第１１図は、第２の実施例における光音響検
出光学系を示すものである。本光学系は第１の実施例に
おける光学系と同様、光音響効果を生じさせるためのＨ
ｅ　−Ｎ　ｅ赤外レーザ（波長１．２μｍ）３１を光源
とする変調レーザ照射光学系５１０．光音響信号を検出
するためのマイケルンン干渉光学、？′＋５２ｏ、自動
焦点用レーザ照射光学系５３０、自動焦点光学系５４０
及び信号処理系５５Ｑから成る。各光学系の構成とその
機能は第１の実施例と全く同じであるので説明は省略す
る。第１の実施例と異なる点は以下の通りである。すな
わち、第１の実施例では、励起光である１１　ｅ　−Ｎ
　ｅ赤外レーザ光の集光スポットを試料内部で走査する
手段として、Ｚステージの走査を採用しているが、本実
施例では、対物レンズ３８を光軸方向に微動させること
により、この機能を実現している。

第１２図は、対物レンズ３８の微動機構を示したもので
ある。対物レンズ３８はホルダ１３０に固定され、さら
に板バネ１３１ａ、１３１ｂを介してホルダ１２０に保
持されている。計算機８２からの微動信号により、ＰＺ
Ｔ１％動回路１２１を介してＰＺＴ素子１３３を駆動し
、対物レンズ３８を光軸方向に微動する。

第１３図は、比較回路７９からの対物レンズ移動信号に
より、マイケルソン干渉光学系５２０のＡｒレーザ４３
のビーム集光位置及び試料表面４２Ｐからの反射光の集
光位置を各々制御する方法を示したものである。同図（
ａ）は、励起光であるＨ　ｅ　−Ｎ　ｅ赤外レーザ３１
からのビーム１６０（破！ＩＡ）　　とＡｒレーザ４３
からのビーム１６１（実線）が、共に試料表面４２Ｐの
９１の位置に集光している状態を示したものである。一
方、同図（ｂ）は、対物レンズ３８を降下させることに
より、Ｈｅ−Ｎｅ赤外レーザ３１のビーム１６０′の集
光スポットを試料４２の内部で深さ方向に走査している
様子を示したものである。第１の実施例と同様、自動焦
点光学系５４０の比較回路７９から対物レンズ移動量信
号をＰＺＴ暉動回動回路５４り、Ａｒレーザ４３のビー
ム１６１′が試料表面４２ｐ上に集光するように、ＰＺ
Ｔ素子５３を邸動し、くさび形ガラス４７を微動させる
。同様に、ＰＺＴ廓動回動回路６１してＰＺＴ素子６０
を駆動し、試料表面４２ｐからの反射光が光電変換素子
６３の９３の位置に集光するように、くさび形ガラス５
９を微動させる。以上の動作により、対物レンズ３８の
微動にかかわらず、Ａｒレーザ４３のビーム１６１′を
常に試料表面４２Ｐ上に集光させると同時に、その反射
光も光電変換素子６３上の９３の位置に集光させること
が可能となる。

信号処理系５５０においては、対物レンズ３８、ＸＹス
テージ４０の移動信号及びロックインアンプ８２からの
出力信号が、計算＄４８２で処理され、試料４２内部の
３次元光音響像がモニタＴＶ等の表示器８３に出力され
る。

本実施例によれば、第１の実施例と全く同様の効果が得
られる。

本発明の第３の実施例を第１４図〜第１７図に基づいて
説明する。第１４図は、第３の実施例における光音響検
出光学系を示すものである。本光学系の基本構成とその
機能は第１の実施例と全く同じであるので説明は省略す
る。第１の実施例と異なる点は以下の通りである。すな
わち、本実施例では、第１５図に示すように対物レンズ
３８と試料４２との間にリレーレンズ１５３を挿入し、
これを光軸方向に微動させることにより、対物レンズ３
８の焦点距離を実効的に変化させ、励起光であるＨ　ｅ
　−Ｎ　ｅ赤外レーザ３１の集光スポットを試料内部で
走査させる。リレーレンズ１５３はホルダ１５１に固定
され、さらに板バネ１５２ａ、１５２ｂを介して、対物
レンズ３８に固定されたホルダ１５０に保持されている
。計算機８２からの微動信号により、ＰＺＴｌ［ｕ動回
路１２１を介してＰＺＴ素子１３３を能動し、リレーレ
ンズ１５３を光軸方向に微動する。第１６図は、単レン
ズとしてモデル化した対物レンズ３８′とリレーレンズ
１５３の配置を示したものである。対物レンズ３８′の
焦点距離をｆｏ、リレーレンズの焦点距離をｆｌ、両レ
ンズ間の距離をａとすると、対物レンズ３８′からレー
ザ集光スポットまでの距離、すなわち実効的焦点距離ｆ
ｃは、（２）式％式％両レンズ間の距離ａを大きくすることにより、実効的焦
点距離ｆａが大きくなることが判る。

第１７図は、比較回路７９からのリレーレンズ移動信号
により、マイケルソン干渉光学系５２０のＡｒレーザ４
３のビーム集光位置及び試料表面４、３　ｐからの反射
光の集光位置を各々制御する方法を示したものである。

同図（ａ）は、励起光であるＨｅ−Ｎｅ赤外レーザ３１
からのビーム１７０（破線）とＡｒレーザ４３からのビ
ーム１７１（実線）が、共に試料表面４２ｐの９１の位
置に集光している状態を示したものである。一方、同図
（ｂ）は、リレーレンズ１５３を降下させることにより
、Ｈｅ−Ｎｅ赤外レーザ３１のビーム１７０′の集光ス
ポットを試料４２の内部で深さ方向に走査している様子
を示したものである。第１及び第２の実施例と同様、く
さび形ガラス４７及び５９を上記集光スポットの移動量
に応じて微動させることにより、リレーレンズ１５３の
微動にかかわらず、Ａｒレーザ４３のビーム１７１′を
常に試料表面４２ｐ上に集光させると同時に、その反射
光も光電変換素子６３上の９３の位置に集光させること
ができる。

信号処理系５５０においては、リレーレンズ１５３、Ｘ
Ｙステージ４０の移動信号及びロックインアンプ８２か
らの出力信号が、計算機８２で処理され、試料４２内部
の３次元光音響像がモニタＴＶ等の表示器８３に出力さ
れる。

本実施例によれば、第１の実施例と全く同様の効果が得
られる。また、Ｈｅ　−Ｎ　ｅ赤外レーザ３１の集光ス
ポットの移動手段として、単純な１枚のリレーレンズの
微動を採用することにより、駆動時における光学系の機
械的安定性が増し、より安定な光音響信号検出が可能と
なる。

本発明の第４の実施例を、第１８図〜第２１図に基づい
て説明する。第１８図は、第４の実施例における光音響
検出光学系を示すものである。本光学系の基本構成とそ
の機能は第１の実施例と全く同じであるので説明は省略
する。第１の実施例と異なる点は以下の通りである。す
なわち、本実施例では、第１９図に示すように、対物レ
ンズ３８と試料４２との間に２組のくさび形ガラス１８
３及び１８４を挿入し、くさび形ガラス１８３を光軸と
直交する方向に微動させることにより、対物レンズ３８
の焦点距離を実効的に変化させ、励起光であるＩ（ｅ　
−Ｎ　ｅ赤外レーザ３１の集光スポットを試料内部で走
査させる。くさび形ガラス１８４は、対物レンズ３８と
共にホルダ１８０に固定されている。計算機８２からの
微動信号により、ｐｚＴ昧動回動回路１２１してＰｚ１
゛素子１８１を乱動し、くさび形ガラス１８３を光軸と
直交する方向に微動する。第２０図は、単レンズとして
モデル化した対物レンズ３８′とくさび形ガラス１８３
及び１８４の配置を示したものである。対物レンズ３８
′の焦点距離をｆ。。

２枚のくさび形ガラスの厚さの和をｇ、＜さび形ガラス
の屈折率をｎｌ、空気の屈折率を１．０とすると、対物
レンズ３８′からレーザ集光スポットまでの距離、すな
わち近軸領域における実効的焦点距離ｆ、は、（３）式
で与えられる。

ｆ、＝　　１−−ｇ＋ｆ、　　　　　　　（３）ｇくさびガラスの厚さの和とを大きくすることにより、実
効的焦点距離ｆ１が大きくなることが判る。

第２１図は、比較回路７９からのくさび形ガラス移動信
号により、マイケルソン干渉光学系５２０のＡｒレーザ
４３のビーム集光位置及び試料表面４２ｐからの反射光
の矢先位置を各々制御する方法を示したものである。同
図（、）は、励起光であるＨ　ｅ　−Ｎ　ｅ赤外レーザ
３１からのビーム１９０（破線）とＡｒレーザ４３から
のビーム１９１（実線）が、共に試料表面４２ｐの９１
の位置に集光している状態を示したものである。

方、同図（ｂ）は、くさび形ガラス１８３をガラス厚が
増加する方向に微動させることにより、Ｈｅ　−Ｎ　ｅ
赤外レーザ３１のビーム１９０′の集光スポットを試料
４２の内部で深さ方向に走査している様子を示したもの
である。第１〜第３の実施例と同様、くさび形ガラス４
７及び５９を、上記集光スポットの移動量に応じて微動
させることにより、くさび形ガラス１８３の微動にかか
わらず、Ａｒレーザ４３のビーム１９１′を常に試料表
面４２ｐ上に集光させると同時に、その反射光も光電変
換素子６３上の９３の位置に集光させることができる。

Ｇｊ号処理系５５０においては、くさび形ガラス１８３
、ＸＹステージ４０の移動信号及びロックインアンプ８
２からの出力信号が、計算機８２で処理され、試料４２
内部の３次元光音響像がモニタＴＶ等の表示器８３に出
力される。

本実施例によれば、第１の実施例と全く同様の効果が得
られる。また、Ｈｅ−Ｎａ赤外レーザ３１の集光スポッ
トの移動手段として、単純な１枚のくさび形ガラスの微
動を採用することにより。

原動時における光学系の機械的安定性が増し、より安定
な光音響信号検出が可能となる。

以上述べた４つの実施例では、試料に光音響効果を生じ
させるための励起光として、Ｈｅ−Ｎｅ赤外レーザ（波
長１．２μｍ）を用いたが、赤外半導体レーザを用いれ
ば、注入電流を振幅変調することにより、強度変調され
たビームを得ることができる。その場合には、音響光学
変調素子は不要になる。また、本発明においては、励起
光は赤外光に限定されるものではなく、試料（例えば半
導体素子）を透過できる波長の光であればどのような光
でも適用可能である。

また、試料内（例えば半導体素子内）で発生した超音波
による試料表面の微小変位を検出する手段は、マイケル
ソン干渉計に限定されるものではなく、マツハ・ツエン
ダ干渉計、ヘテロダイン干ＩＪ　計、ＰＺＴ素子あるい
はマイクロフォン等も十分適用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、試料中に熱歪波及び超音波を発生させ
るための励起光として、試料を透過できる波長の光を用
い、変調周波数を変えることなくその集光スポット位置
を試料の深さ方向に走査することにより、光音響信号の
横方向及び深さ方向の分解能を低下させることなく、試
料の任意深さ位置の内部情＋１１（例えば半導体素子の
内部欠陥）を、安定に検出することができるという効果
を有する。また、光学系を総て共焦点光学系として構成
することにより、光音響信号の横方向分解能と検出感度
が向上し、同時に多層膜中の多重干渉の影響低減と表面
に凹凸のある例えば半導体素子の欠陥検出への適用も可
能になるという効果を有する。また、干渉光学系のレー
ザ集光スポットを常に試料表面及び光電変換素子上に形
成するよう制御することにより、光音響信号の安定検出
が可能になるという効果を有する。

また半導体素子内の配線の断線やクラック等を検出する
ことができる効果を有する。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の基本原理を示す図、第２図は本発明の
第１の実施例における光音響検出光学系を示す図、第３
図はレーザスポットの高次回折光成分がピンホールによ
り遮光される様子を示す図。第４図はピンホール通過直後の光強度分布を示す図、第
５図は偏光板の偏光方向を示す図、第６図は２ステージ
の上昇を示す図、第７図は自動焦点光学系を示す図、第
８図はＺステージの移動量と２つの光電変換素子の出力
電流の関係を示す図、第９図はレーザビームの集光位置
の制御方法を示す図、第１０図は凹凸のある試料表面上
にレーザ光が集光する図、第１１図は本発明の第２の実
施例における光音響検出光学系を示す図、第１２図は対
物レンズの微動機構を示す断面図、第１３図はレーザビ
ームの集光位置の制御方法を示す図、第１４図は本発明
の第３の実施例における光音響検出光学系を示す図、第
１５図はリレーレンズの微動機構を示す断面図、第１６
図は対物レンズとリレーレンズの配置を示す図、第１７
図はレーザビームの集光位置の制御方法を示す図、第１
８図は本発明の第４の実施例における光音響検出光学系
を示す図、第１９図はくさび形ガラスの微動機構を示す
断面図、第２０図は対物レンズとくさび形ガラスの配置
を示す図、第２１図はレーザビームの集光位置の制御方
法を示す図、第２２図は従来の光音響検出光学系を示す
図、第２３図は光音響効果の原理を示す図、第２４図は
変調周波数の変化による熱拡散領域の変化を示す図であ
る。１．８・・・レーザ、３１・・・Ｈｅ　−Ｎ　ｅ赤外レ
ーザ、４３−　Ａ　ｒレーザ、６５−　Ｈｅ　−Ｎ　ｅ
レーザ、２．３２・・・音響光学変調素子、７，４２・
・・試料、１３．６３，７５．７８・・・光電変換素子
、１６゜８１・・・ロックインアンプ、１７．８２・・
・計算機、３８・・・対物レンズ、５２・・・参照ミラ
ー、４７゜４８．５８，５９，１８３，１８４・・・く
さび形ガラス、１５３・・・リレーレンズ。第　１　図為図３５−　　とりホール集仝図纂図第図阜図１１２−−−一編伏鋼反の槁尤方内第図 ■ 図（ｂ）＋１８−・・地しン入゛４に爬３６，５ター°−＜すしｃ形ガ°ラス３８、３Ｅ３’−−−−メ十物レンズ。／３３−−−−ＦＺＴ業子葛図（Ｑ−）（ｂ）手７，４８５８、ｓグ°゛°〈さひｆ〉力゛ラス第図Ｒ１５３−−−−リレーレフスゞ稟！４図集図３８ζ−−−す干物し′ノス°゛１５３−〜−−リレーレンス゛ｌ７図＋７Ａ８５８．５デーべ之ひ°形ガラス図３Ｂ−−−一対物しンスｔＢｌ−−−−Ｆ’１丁素子１８３、７８４−−−−べすζλ形ガラス１８Ｂ、１８
４−−−−−＜すム゛デ５力゛ラス纂２Ｉ図（ｂ）１Ｍ３，１σ〒集図２３−一一一熱抹徹領夙第図第図

Claims

【特許請求の範囲】１、第１の光源から得られる試料を透過する波長の光を
所望の周波数で強度変調し、該強度変調された光を試料
上に集光し、集光された光スポットを試料内部において
試料の深さ方向に走査し、試料内で発生した光音響効果
を検出し、該検出信号から試料の表面及び内部情報を抽
出することを特徴とする光音響信号検出方法。２、光音響効果は光干渉を利用して検出し、かつ干渉光
を得るために試料表面に入射した第２の光源からの光が
、試料表面上で常に最小の大きさのスポットとして集光
し、かつ試料表面からの反射光が光電変換素子上で常に
最小の大きさの光スポットとして集光するよう、集光位
置を制御することを特徴とする請求項１記載の光音響信
号検出方法。３、第１の光源と、該光源からの光を所望の周波数で強
度変調する変調手段と、該強度変調された光を試料上に
集光する集光手段と、試料内で発生した光音響効果を検
出する検出手段と、該検出信号から試料の表面及び内部
情報を抽出する情報抽出手段から成る光音響信号検出装
置において、上記第１の光源からの光を試料を透過する
波長の光とし、かつ集光された光スポットを、試料内部
において試料の深さ方向に走査する光スポット走査手段
を設けたことを特徴とする光音響信号検出装置。４、光干渉を利用して光音響効果を検出する光干渉検出
手段と、該光干渉検出手段において、干渉光を得るため
に試料表面に入射した第２の光源からの光が試料表面上
で常に最小の大きさの光スポットとして集光し、かつ試
料表面からの反射光が光電変換素子上で常に最小の大き
さの光スポットとして集光するよう、集光位置制御手段
を設けたことを特徴とする請求項３記載の光音響信号検
出装置。５、該光源からの光を赤外光とし、かつ、強度変調され
た光を試料上に集光する集光手段及び光干渉を利用して
光音響効果を検出する光干渉検出手段を共焦点光学系と
して構成したことを特徴とする請求項４記載の光音響信
号検出装置。６、第１の光源から得られる半導体素子を透過する波長
の光を所望の周波数が強度変調し、該強度変調された光
を半導体素子上に集光し、集光された光スポットを半導
体素子内部において深さ方向に走査し、半導体素子内で
発生した光音響効果を検出し、該検出信号から半導体素
子の表面及び内部情報を抽出することを特徴とする半導
体素子内部欠陥検出方法。７、強度変調された光スポットを半導体素子内部におい
て深さ方向に走査し、半導体素子内で発生した光音響効
果を検出して半導体素子内の欠陥を検出することを特徴
とする半導体素子内部欠陥検出方法。