JPH03282253A - 光音響信号検出方法および装置並びに半導体素子内部欠陥検出方法 - Google Patents

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、光音響効果を利用して、試料の表面および内
部情報を検出する、光音響信号検出方法およびその装置
並びに半導体素子内部欠陥検出方法に関するものである
。

〔従来の技術〕

光音響効果（Ｐ　ｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅ　ｆｆ
ｅｃｔ）は、１８８１年チンダル（Ｔｙｎｄａｌｌ）、
ベル（Ｂ　ｅｌｌ）、レントゲン（Ｒ５ｎ　ｔｏｇｅｎ
　）らによって発見された。

すなわち第２３図に示すように、強度変調した光（断続
光）１９をレンズ５により試料７上に集光して照射する
と、光吸収領域Ｖｏｐ２１において熱が発生し、熱拡散
長μ３２２で与えられる熱拡散領域Ｖｔｈ２３を周期的
に拡散し、この熱歪波によって表面弾性波（超音波）が
発生する現象である。

上記超音波すなわち光音響信号をマイクロホン（音響電
気変換器）や圧電素子あるいは光干渉計を用いて検出し
、入射光の変調周波数と同期した信号成分を求めること
により、試料の表面および内部の情報を得ることができ
る。上記光音響信号の検出方法に関しては、例えば、文
献「非破壊検査；第３６巻第１０号、ｐ、７３０〜ｐ、
７３６（昭和６２年１０月）」や「アイ・イー・イー・
イー、１９８６ウルトラソニソクス・シンポジウムｐ、
５１５〜５２６　（１９８６年）（ＩＥＥＥ；１９８６
ＵＬＴＲＡｓＯＮＩｃｓ　　ＳＹＭＰＯ−５ＩＵ〜ｉ−
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（ＡＯ
変調器）２により強度変調し、その断続光をビームエキ
スパンダ３により所望のビーム径に拡大したのち、ハー
フミラ−４で反射させ、レンズ５によりＸＹステージ６
上の試料７の表面に集光させる。上記試料７上の集光部
２１に生した熱歪波により超音波が発生し。

同時に上記試料表面に微小変位を生しる。この微小変位
を以下に述べるマイケルンン干渉計で検出する。レーザ
８から出射した平行光をビームエキスパンダ９により所
望のビーム径に拡大したのち、ハーフミラ−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１上上に照射さ
せる。試料７からの反射光と上記参照ミラー１１からの
反射光とは、ハーフミラ−１０上で互いに干渉し、この
干渉バタンがレンズ１２によりホトダイオード等の光電
変換素子１３上に集光される。光電変換された干渉強度
信号はプリアンプ１４で増幅されたのち、ロックインア
ンプ１６に送られる。上記ロックアンプ１６では、音響
光学変調素子２の駆動に用いる発振器１５からの変調周
波数信号を参照信号として、干渉強度信号に含まれる変
調周波数成分だけが抽出される３この周波数成分がその
周波数に応じた試料の表面あるいは内部の情報をもつ。

変調周波数を変えることにより熱拡散長μｓ２１を変え
ることができ、試料の深さ方向の情報を得ることができ
る。熱拡散９１　ｖｉ、Ｖ　ｔ　ｈ　２３内にクランク
等の欠陥があれば、干渉強度信号中の変調周波数成分に
信号変化が現われ、その存在を知ることができる。ＸＹ
ステージ移動信号とロックインアンプ１６からの出力信
号は計算機１７で処理され、試料上の各点における光音
響信号がモニタテレビジョン等の表示器１８に画像情報
として出力される。

〔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、つぎに示すような課題
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、熱拡散長μｓ
２２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；重密度Ｃ；比熱、ｆ　
；レーザの強度変調周波数。

例えば王＝１０ｋＨｚのとき、ＳｉやＡＱはμｓ〜５０
μ−でありＳｉＯ２はμＳ〜５μｍ程度である。

いま、ある変調周波数で第２４図（ａ）に示すような熱
拡散領域Ｖ、１，２３ａが与えられているとき、横方向
分解能と深さ方向分解能とは、それぞれμｓｏ’＝μＳ
、μ５Ｈ４２μｓで与えられる。試料のより深い位置の
内部情報を得るには、（１）式より変調周波数ｆを小さ
くし、第２４図（ｂ）に示すように熱拡散長μＳを大き
くする必要がある。

しかしその結果、図に示すように横方向分解能μＳＨと
深さ方向分解能μＳＤが低下してしまう。すなわち、従
来技術においては、深さ方向の情報を得るためにレーザ
の変調周波数Ｊを変え、熱拡散長μＳを変えることによ
り、横方向および深さ方向の分解能が変化してしまうと
いう課題がある。

特に、より深い情報を得るためには熱拡散長μＳを大き
くし、分解能を低下させなければならず、現状ではμｍ
オーダの微細構造をもつ試料の内部情報検出は極めて困
鷺である。

さらに従来技術においては、試料内部で発生した光音響
効果を、試料表面の微小変位として検出するため、試料
の深い場所における感度が低下してしまうという課題が
ある。

本発明の目的は、試料のさまざまな深さの内部情報を、
横方向および深さ方向分解能を低下させることなく、安
定に検出できるようにした光音響信号検出方法およびそ
の装置を得ることにある。

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

〔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
、上記強度変調された光を集光する集光手段と、上記集
光された光を用いた光干渉により試料内で発生した光音
響効果を検出する光干渉検出手段と、上記検出信号から
試料の表面および内部情報を抽出する情報抽出手段から
なる光音響信号検出装置において、上記第１および第２
の光源からの光をともに試料を透過する波長の光とし、
かつ、集光された２つの光スポットを、試料内部で試料
の深さ方向に走査することにより、光音響信号の横方向
および深さ方向の分解能を低下させることなく、試料の
任意深さ位置の内部情報を高感度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、強度変調さ
れた光を集光する集光手段および光干渉を利用して、光
音響効果を検出する光モ渉検出手段を共に共焦点光学系
として構成する二とにより、光スポっ・ト位置以外の試
料表面および内部界面からの反射光の影響を除去し、光
音響信号の横方向および深さ方向の分解能と検出感度の
向上を可能としたものである。

また、上記目的を達成するために、本発明は、第１およ
び第２の光源からの光を、半導体素子を透過する光、例
えば赤外光とすることにより、半導体素子の表面および
内部情報の検出を可能にしたものである。

〔作用〕

光音響信号検出装置において、試料を励起するための第
１の光源からの光と、光音響効果を検出する光干渉検出
手段に用いる第２の光源からの光とを、共に試料を透過
する波長の光とすることにより、その集光スポットを試
料（例えば半導体素子）内部において、深さ方向に走査
することが可能となり、光音響信号の横方向および深さ
方向の分解能を低下させることなく、試料の任意深さ位
置の内部情報（例えば、光学的、熱的、弾性的特性）を
高感度に検出できる。

また、試料を励起するための第１の光源からの光を集光
する集光手段、および光干渉を利用して光音響効果を検
出する光干渉検出手段を、共に共焦点光学系として構成
することにより、不要な高次回折光成分が除去された理
想的なピーク部を有する、スポット光を形成することが
可能となり、光スポット位置以外の試料表面および内部
界面からの反射光の影響が除去でき、光音響信号の横方
向および深さ方向の分解能と検出感度が向上する。

また、第１および第２の光源からの光を、半導体素子を
透過する光、例えば赤外光とすることにより、半導体素
子の表面および内部情報（配線の断線やクラック等の内
部欠陥）の検出が可能になる。

本発明の基本原理を第１図に基づいて説明する。

本発明では試料７中に熱歪波および超音波（熱弾性波）
を発生させるための励起光２５（実線）、および試料７
の内部で発生した光音響効果に基づく試料表面および内
部の微小変位を検出するための光干渉用プローブ光２９
　（破線）として、試料例えば半導体素子を透過できる
波長の光を用いる。

そして、所望の分解能が得られる熱拡散長となるように
励起光の変調周波数を設定したのち、第１図（ａ）、（
ｂ）、（ｃ）に示すように、変調周波数を変えることな
く、励起光およびプローブ光の集光スポット位置２７を
深さ方向に走査する。上記原理によれば、従来技術のよ
うに横方向および深さ方向の分解能を低下させることな
く、試料の任意深さ位置の内部情報を安定に検出するこ
とができる。この時の横方向および深さ方向の分解能は
、共にμ３Ｂと一定である。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第２図は本発明による光音響信号検出方法の第１実施例
における光音響検出光学系を示す図、第３図はレーザス
ポットの高次回折光成分がピンホールにより遮光される
様子を示す図、第４図はピンホール通過直後の光強度分
布を示す図、第５図は偏光板の偏光方向を示す図、第６
図は集光スポットの走査を示す図、第７図は共焦点光学
系とピンホールの効果を示す図、第８図は自動焦点光学
系を示す図、第９図は２ステージの移動量と２つの光電
変換素子の出力電流の関係を示す図、第１０図は凹凸が
ある試料表面上にレーザ光が集光する図、第１１図は本
発明の第２実施例における光音響検出光学系を示す図、
第１２図は対物レンズの微動機構を示す断面図、第１３
図は本発明の第３実施例における光音響検出光学系を示
す図、第１４図はリレーレンズの微動機構を示す断面図
、第１５図は対物レンズとリレーレンズの配置を示す図
、第１６図は本発明の第４実施例における光音響検出光
学系を示す図、第１７図はくさび形ガラスの微動機構を
示す断面図、第１８図は対物レンズとくさび形ガラスの
配置を示す図、第１９図は本発明の第５実施例における
光音響検出光学系を示す図、第２０図は集光スポットの
走査を示す図、第２１図は本発明の第６実施例における
対物レンズとくさび形ガラスの配置を示す図である。

第１実施例 本発明の第１実施例における光音響検出光学系を示す第
２図において、本光学系は、光音響効果を生しさせるた
めのＨｅ−Ｎｅ赤外レーザ（波長１．１５μｍ）３１を
光源とする変調レーザ照射光学系５１０、光音響信号を
検出するためのマイケルソン干渉光学系５２０、自動焦
点用レーザ照射光学系５３０、自動焦点光学系５４０お
よび信号処理系５５０から成る。上記変調レーザ照射光
学系７１１０において、Ｈｅ−Ｎｅ赤外レーザ３１がら
出射したＳ偏光の平行光を音響光学変調素子３２により
所望の周波数で強度変調し５その断続光をビームエキス
パンダ３３により所望のビーム径に拡大したのち、レン
ズ３４によりその後側焦点位置８０に集光させる。焦点
位置８０にはピンホール３５が設置されており、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および１０　ｌｂを遮
光する。その結果、ピンホール３５通過直後の光強度分
布は第４図に示すように、ピーク部１００だけになる。

焦点位置８０はレンズ３６の前側焦点位置になっている
ので、ピンホール３５通過後の光束は、レンズ３６通過
後平行光になる。上記平行光はハーフミラ−３７で反射
されたのち、λ／４板５５通過後円偏光になり、さらに
対物レンズ３８によりその前側焦点位［８１に集光され
、第４図に示すと同様の光強度分布をもつスポットにな
る。すなわち、レンズ３６の前側焦点位置８゜と対物レ
ンズ３８の前側焦点位置８１とは共役であると同時に、
共焦点の関係にある。また、本実施例ではその大きな特
徴として、試料４２を塔載したＺステージ４１を走査す
ることにより、第６図に示すように、対物レンズ３８の
前側焦点位置８１、すなわち、）（６−Ｎｅ赤外レーザ
３１のビーム１４０（実線）の集光スポットを試料４２
の深さ方向に走査する。集光スポットの位置が第６図（
ａ）の場合は試料４２表面４２Ｐにおいて、また、第６
図（ｂ）の場合は試料４２の内部界面４２Ｓにおいて、
光音響効果により生じた熱歪波により超音波（熱弾性波
）が発生し、同時に試料４２表面４２Ｐ、あるいは内部
界面４２Ｓに微小変位が生じる。

マイケルソン干渉光学系５２０において、Ｈｅ−Ｎｅ赤
外レーザ（波長１．１５μｍ）４３から出射した非偏光
の平行光を、ビームエキスパンダ４４により所望のビー
ム径に拡大したのち、レンズ４５によりその後側焦点位
置８２しこ集光させる。

焦点位置８２にはピンホール４６が設置されており、第
３図に示すのと同様にして、集光スポットのピーク部周
辺の高次回折光成分が遮光される。

焦点位置８２はレンズ４７の前側焦点位置となっており
、ピンホール４６通過後の光束はレンズ４７により平行
光となる。上記平行光は偏光ビームスプリッタ４８によ
りＰ偏光とＳ偏光とに分離される。Ｐ偏光ビームは偏光
ビームスプリッタ４８を透過し、ダイクロイックミラー
６６（波長０．７μｍ以下は反射、０．７μｍ以上は透
過）、ビームスプリッタ６７（波長０．７μｍ以下にお
いて、透過率二反射率＝１：１．０．７μｍ以上におい
て１００％透過）、ハーフミラ−３７、およびλ／４板
５５を通過したのち円偏光となり、対物レンズ３８によ
りその前側焦点位置８１に集光され、第４図に示すのと
同様の光強度分布をもつスポットになる。この集光スポ
ットの位置は。

Ｈｅ−Ｎｅ赤外レーザ３１の集光スポットの位置と同じ
である。一方、Ｓ偏光ビームは、偏光ビームスプリッタ
４８で反射され、λ／４板４９を通過したのち円偏光と
なり、参照ミラー５０に入射する。いま第６図（ａ）に
示すように、Ｈｅ−Ｎｅ赤外レーザ３１および４３のビ
ーム１４０（実′１ｉＡ）および１４１（破線）の集光
スポットを試料４２表面４２Ｐ上に設定した場合、マイ
ケルソン干渉光学系５２０に戻るビーム１４１の反射光
は、試料４２表面４２Ｐで発生した光音響効果に基づく
微小変位を位相情報としてもっている。また、第６図（
ｂ）に示すように１両集光スポットを試料４２の内部界
面４２Ｓ上に設定した場合、ビーム１４１の反射光は、
同様に内部界面４２Ｓで発生した光音響効果に基づく微
小変位を位相情報としてもっている。ビーム１４１の反
射光は対物レンズ３８、λ／４板５５を通過した後Ｓ偏
光となり、偏光ビームスプリッタ４８て反射される。参
照ミラー５０からの反射光はλ／４板４９を通過したの
ちＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ４８を透過する
。第５図の１１０は試料４２からの反射光の偏光方向を
、１１１は参照ミラー５ｏ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
することにより両度射光は干渉する。この干渉光には光
音響効果により試料４２の表面あるいは内部界面で生じ
た微小変位が光強度情報として含まれており、これをレ
ンズ５７によりその後側焦点位置８３に集光し、ホトダ
イオード等の光電変換素子５９で検出する。上記のよう
にこのマイケルソン干渉光学系５２０において、レンズ
４７の前側焦点位置８２、対物レンズ３８の前側焦点位
置８１およびレンズ５７の後側焦点位置８３とは、兵役
であると同時に共焦点の関係にあり、さらにレンズ５７
の後側焦点位置８３にはピンホール５８が設置されてい
る。この効果を第７図に基づいて説明する。いま、Ｈｅ
−Ｎｅ赤外レーザ４３のビーム１４１　（実線）の集光
スポット８１を試料４２の内部界面４２Ｓ上に設定し、
この界面の光学的・熱的・弾性的情報を検出しようとす
る場合、試料４２の表面４２Ｐでの反射光１４１Ｑ（破
線）あるいは試料４２の他の内部界面からの反射光、試
料４２表面の微小な凹凸より発生した高次回折光成分が
、光電変換素子５９に入射すると、干渉強度信号すなわ
ち光音響信号のＳＮ比および検出精度が大幅に低下する
。そこで、上記のように光学系を共焦点光学系とし、さ
らにレンズ５７の後側焦点位置８３、すなわち集光スポ
ット８１の結像面（光電変換素子５９面）にピンホール
５８を設置することにより、これらの迷光を遮光してい
る。

光電変換された干渉強度信号は、プリアンプ６０で増幅
されたのち、ロックインアンプ７７に送られる。上記ロ
ックインアンプ７７では６音響光学変調素子３２の駆動
に用いる発振器７６からの変調周波数信号を参照信号と
して、干渉強度信号に含まれる変調周波数成分の振幅と
変調周波数信号に対する位相成分が抽出される。この周
波数成分の振幅と位相成分が、その変調周波数で定義さ
れる熱拡散領域Ｖｔｈ内の情報をもつ。したがって、上
記熱拡散領域Ｖｔｈ内にクラン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、上記のように試料４２を塔載した２ステ
ージ４１を走査することにより、第６図に示すように、
対物レンズ３８の前側焦点位置８１すなわち２つのＨｅ
−Ｎｅ赤外レーザ３１および４３の集光スポットを、試
料４２の深さ方向に走査する。ここで、２つの集光スポ
ット位置の、試料４２の表面４２Ｐに対する変位量を常
にモニタしておく必要がある。本実施例では、共焦点光
学系の特徴を活かした高精度な自動焦点機能を付加して
いる。

すなわち、自動焦点用レーザ照射光学系５３０中のＨｅ
−Ｎｅレーザ（波長０．６３３μｍ）６１から出射した
平行光を、ビームエキスパンダ６２により所望のビーム
径に拡大したのち、レンズ６３によりその後側焦点位置
８４に集光させる。

焦点位置８４にはピンホール６４が設置されており、第
３図に示したのと同様にして、集光スポットのピーク部
周辺の高次回折光成分が遮光される。

焦点位置８４はレンズ６５の前側焦点位置となっており
、ピンホール６４通過後の光束はレンズ６５により平行
光になる。上記平行光はダイクロイックミラー６６で反
射され、ビームスプリンタ６７およびハーフミラ−３７
を通過後、対物レンズ３８により試料４２上の８１の位
置（対物レンズ３８の前側焦点位置）に集光され、第４
図に示すのと同様の光強度分布をもつスポットになる。

試料４２からの反射光は、対物レンズ３８、ハーフミラ
−３７を通過後、ビームスプリッタ６７で反射され、自
動焦点光学系５４０に導かれ、さらにビームスプリッタ
６８で２つのビームに分離される。それぞれのビームは
、レンズ６９および７２により各後側焦点位置に集光さ
れる。各光路にホトダイオード等の光電変換素子７１お
よび７４を、また、その直前にピンホール７ｏおよび７
３を設置する。ここで、ピンホール７０はレンズ６９の
後側焦点位置よりもＦａだけ後側に、また、ピンホール
７３はレンズ７２の後側焦点位置よりもＦｂ（＝Ｆａ）
だけ前側に設置する。説明を簡略化するために、対物レ
ンズ３８がＨｅ−Ｎｅ赤外レーザ光（波長１．１５μｍ
）、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光（波長０．６３３μｍ）に対し
て色収差補正されており、各ビームが試料４２の表面上
に集光されているものとする。この時のＺステージの位
置を基準位置とする。第８図（ａ）に示すように２ステ
ージが上昇し、試料表面４２Ｐが＋側に移動する（図中
の破線）と、第８図（ｂ）に破線で示すように、ピンホ
ール７０を通過する光量は減少する。第９図はＺステー
ジの移動量と２つの光電変換素子７１の出力電流１０３
および７４の出力電流１０４の関係を示したものである
。両出方電流を第２図の比較回路７５で比較すれば、常
にＺステージの位置をモニタすることができる。

信号処理系５５０においては、２ステージ４１゜ＸＹス
テージ４ｏの移動信号およびロックインアンプ７７から
の出力信号が、計算機７８で処理され、試料４２内部の
３次元光音響像がモニタテレビジョンの表示器７９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、Ｓｉのような可視光に対して不透明な試料の内部
において、その集光スポットを深さ方向に走査すること
が可能となり、横方向および深さ方向の分解能を低下さ
せることなく、試料（例えば半導体素子）の任意深さ位
置の内部情報（内部欠陥）を安定に検出することができ
る。

また、従来は試料内部の界面で発生した光音響効果を試
料表面の微小変位として検出していたが、本実施例では
光干渉検出のためのプローブ光として赤外光を用いるこ
とにより、内部界面で発生した光音響効果を直接内部界
面の微小変位として検出することができ、検出感度が大
幅に向上する。

また、すべての光学系を共焦点光学系として構成するこ
とにより、光音響信号の横方向分解能と検出感度を向上
させることができ、同時に検出すべき界面以外の試料内
部界面からの反射光、あるいは試料表面の微小な凹凸よ
り発生した高次回折光成分の影響を低減することができ
る。また、共焦点光学系で構成した自動焦点光学系を付
加し、試料表面の位置をモニタすることにより、２つの
集光スポット位置を、安定に試料の深さ方向に走査する
ことができ、光音響信号の安定検出が可能になる。また
、上記機能によって、第１０図に示すように、回路バタ
ンか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、安定に集光スポット位置を制御すること
ができる。

第２実施例 本発明の第２実施例を第１１図および第１２図に基づい
て説明する。第１１図は第２実施例における光音響検出
光学系を示すものである。本光学系は第１実施例の光学
系と同様に、光音響効果を生じさせるためのＨｅ−Ｎｅ
赤外レーザ（波長１．１５μｍ）３１を光源とする変調
レーザ照射光学系５１０、光音響信号を検出するための
マイケルソン干渉光学系５２０．自動焦点用レーザ照射
光学系５３０、自動焦点光学系５４０および信号処理系
５５０からなる。各光学系の構成とその機能は第１実施
例と全く同じであるため説明を省略する。第１実施例と
異なる点はっぎの通りである。すなわち第１実施例では
、励起光であるＨｅＮｅ赤外レーザ３１およびプローブ
光であるＨｅ−Ｎｅ赤外レーザ４３の各集光スポットを
、試料内部で走査する手段として、２ステージの走査を
採用しているが、本実施例では対物レンズ３８を光軸方
向に微動させることにより、上記機能を実現している。

第１２図は対物レンズ３８の微動機構を示したものであ
る。上記対物レンズ３８はホルダ１３０に固定され、さ
らに板ばね１３１ａ、１３１ｂを介してホルダ１２０に
保持されている。計算機７８からの微動信号により、Ｐ
ＺＴ駆動回路１２１を介してＰＺＴ素子１３３を駆動し
、対物レンズ３８を光軸方向に微動し、Ｈｅ−Ｎｅ赤外
レーザ３１から出た励起用ビーム１４０およびＨｅ−Ｎ
ｅ赤外レーザ４３から出たプローブ用ビーム１４１の各
集光スポット８１を深さ方向に走査させ、例えば試料４
２の内部界面４２Ｓ上に設定することができる。信号処
理系５５０においては、対物レンズ３８、ＸＹステージ
４ｏの移動信号およびロックインアンプ７７からの出力
信号が計算機７８で処理され、試料４２内部の３次元光
音響像がモニタテレビジョン等の表示器７９に出力され
る。

本実施例によれば第１実施例と全く同様の効果が得られ
る。

第３実施例 本発明の第３実施例を第１３図〜第１５図に基づいて説
明する。第１３図は第３実施例の光音響検出光学系を示
すものである。本光学系の基本構成とその機能は、第１
実施例と全く同じであり、上記第１実施例と異なる点は
っぎの通りである。

すなわち、本実施例では第１４図に示すように。

対物レンズ３８と試料４２との間にリレーレンズ２０３
を挿入し、これを光軸方向に微動させることにより対物
レンズ３８の焦点距離を実効的に変化させ、Ｈｅ−Ｎｅ
赤外レーザ３１から出た励起用ビーム１５０およびＨｅ
−Ｎｅ赤外レーザ４３から出たプローブ用ビーム１５１
の各集光スポット８１を、試料４２の深さ方向に走査さ
せ、例えば内部界面４２Ｓ上に設定することができる。

上記リレーレンズ２０３はホルダ２０１に固定され、ざ
らに板ばね２０２ａ、　２０２ｂを介して、対物レンズ
３８に固定されたホルダ２００に保持されている。計算
機７８からの微動信号により、ＰＺＴ駆動回路１２１を
介してＰＺＴ素子１３３を駆動し、リレーレンズ２０３
を光軸方向に微動する。

第１５図は単レンズとしてモデル化した対物レンズ３８
′とリレーレンズ２０３との配置を示したものである。

上記対物レンズ３８′の焦点距離をｆＯ、リレーレンズ
の焦点距離をｆｒ、両レンズ間の距離をａとすると、対
物レンズ３８′からレーザ集光スポットまでの距離、す
なわち実効的焦点距離ｆａは（２）式で与えられる。

両レンズ間の距離ａを変えることにより、実効的焦点距
離ｆａが変化し、集光スポットを深さ方向に走査できる
ことが判る。

信号処理系５５０においては、リレーレンズ２０３、Ｘ
Ｙステージ４０の移動信号およびロックインアンプ７７
からの出力信号が、計算機７８で処理され、試料４２内
部の３次元光音響像がモニタテレビジョン等の表示器７
９に出力される。

本実施例によれば第１実施例と全く同様の効果が得られ
る。また、Ｈｅ−Ｎｅ赤外レーザ３１および４３の集光
スポットの移動手段として、単純な１枚のリレーレンズ
の微動を採用することにより、集光スポット移動時にお
ける光学系の機械的安定性が増し、より安定な光音響信
号検出が可能となる。

第４実施例 本発明の第４実施例を第１６図〜第１８図に基づいて説
明する。第１６図は第４実施例の光音響検出光学系を示
すものである。本光学系の基本構成とその機能は第１実
施例と全く同じであり、第１実施例と異なる点はつぎの
通りである。すなわち本実施例では、第１７図に示すよ
うに、対物レンズ３８と試料４２との間に２組のくさび
形ガラス２１３および２１４を挿入し、上記くさび形ガ
ラス２１３を光軸と直交する方向に微動させることによ
り、対物レンズ３８の焦点距離を実効的に変化させ、Ｈ
ｅ−Ｎｅ赤外レーザ３１から出た励起用ビーム１５０お
よびＨｅ−Ｎｅ赤外レーザ４３から出たプローブ用ビー
ム１５１の各集光スポット８１を、試料４２の深さ方向
に走査させ、例えば内部界面４２Ｓ上に設定することが
できる。くさび形ガラス２１４は、対物レンズ３８と共
にホルダ２１０に固定されている。計算機７８からの微
動信号によりＰＺＴ駆動回路１２１を介してＰｚＴ素子
２１１を駆動し、くさび形ガラス２１３を光軸と直交す
る方向に微動する。第２ｏ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２１３および
２１４の配置を示したものである。対物レンズ３８′の
焦点距離をｆＯ１２枚のくさび形ガラスの厚さの和をｇ
、くさび形カラスの屈折率をｎｇ、空気の屈折率を１．
０とすると、対物レンズ３８′からレーザ集光スポット
までの距離、すなわち近軸領域における実効的焦点距離
ｆｇは（３）式で与えられる。

ｆｇ＝　　（１−）ｇ＋ｆｏ　　　　　　（３）ｎｇ くさび形ガラス２１３を微動し、２枚のくさび形ガラス
の厚さの和ｇを変えることにより、実効的焦点距離ｆｇ
が変化し、集光スポットを深さ方向に走査できることが
判る。

信号処理系５５０においては、くさび形ガラス２１３、
ＸＹステージ４０の移動信号およびロックインアンプ７
７がらの出力信号が計算機７８で処理され、試料４２内
部の３次元光音響像がモニタテレビジョン等の表示器７
９に出力される。

本実施例によれば第１実施例と全く同様の効果が得られ
る。また、Ｈｅ−Ｎｅ赤外レーザ３１および４３の集光
スポットの移動手段として、単純な１枚のくさび形ガラ
スの微動を採用することにより、集光スポット移動時に
おける光学系の機械的安定性が増し、より安定な光音響
信号検出が可能になる。

第５実施例 本発明の第５実施例を第１９図および第２０図により説
明する。第１９図は第５実施例における光音響検出光学
系を示すものである。上記４つの実施例においては、試
料表面あるいは内部界面で生じた光音響効果による微小
変位を、上記表面あるいは界面に入射したプローブ光の
反射光と参照ミラーからの反射光との干渉、いわゆるマ
イケルソン干渉計により検出している。一方、本実施例
では、上記試料表面あるいは内部界面で生じた微小変位
を位相変化として考え、これを試料表面あるいは内部界
面を透過したプローブ光の位相変化から求める。第１９
図に示すように、光音響効果を生じさせるための変調レ
ーザ照射光学系５１０、自動焦点用レーザ照射光学系５
３０、自動焦点光学系５４０および信号処理系５５０の
構成とその機能は、第１実施例と全く同じであるので説
明は省略する。以下では透過プローブ光の位相変化から
光音響効果による微小変位を検出するマツハ・ツエンダ
干渉光学系５６０について説明する３今、試料４２を塔
載した試料台３０９（試料部分はプローブ光が通過でき
るように穴がおいている）を保持したＺステージ３１１
を走査することにより、第２０図に示すように、対物レ
ンズ３８の前側焦点位置８１、すなわち励起用のＨｅ−
Ｎｅ赤外レーザ３１のビーム１７ｏ（実ｖＡ）の集光ス
ポットを試料４２の深さ方向に走査する。集光スポット
の位置が第６図（ａ）の場合は試料４２の表面４２Ｐに
おいて、また、第６図（ｂ）の場合は試料４２の内部界
面４２Ｓにおいて、光音響効果により生じた熱歪波によ
り超音波（熱弾性波）が発生し、同時に試料４２表面４
２Ｐ、あるいは内部界面４２Ｓに微小変位が生じる。

マツハ・ツエンダ干渉光学系５６０において、Ｈｅ−Ｎ
ｅ赤外レーザ（波長１．１５μｍ）３０１から出射した
非偏光の平行光をビームエキスパンダ３０２により所望
のビーム径に拡大したのち。

レンズ３０３によ−りその後側焦点位置３３１に集光さ
せる。焦点位置３３１にはピンホール３０４が設置され
ており、第３図に示したのと同様にして、集光スポット
のピーク部周辺の高次回折光成分が遮光される。焦点位
置３３１はレンズ３０５の前側焦点位置となっており、
ピンホール３０４通過後の光束はレンズ３０５により平
行光となる。

この平行光は偏光ビームスプリッタ３０６によりＰ偏光
とＳ偏光とに分離される。Ｓ偏光ビームは偏光ビームス
プリッタ３０６で反射され、ダイクロインクミラー６６
、ビームスプリッタ６７、ハーフミラ−３７およびλ／
４板５５を通過したのち円偏光となり、対物レンズ３８
によりその前側焦点位置８１に集光され、第４図に示す
のと同様の光強度分布をもつスポットになる。この集光
スポットの位置は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ３１の集光スポッ
トの位置と同じである。いま、第２０図（ａ）あるいは
（ｂ）に示すように、画集光スポットを試料４２の表面
４２Ｐあるいは内部界面４２Ｓ上に設定した場合、プロ
ーブ用のＨｅ−Ｎｅ赤外レーザ３０１のビーム１７１（
破線）の試料透過光は。

試料表面４２Ｐあるいは内部界面４２Ｓで発生した光音
響効果に基づく微小変位を位相情報としてもっている。

対物レンズ３８の前側焦点位置８１は対物レンズ３１２
の前側焦点位置となっており、試料４２を透過した光は
対物レンズ３１２により平行光となる。上記平行光はλ
／４板３１３通過後Ｐ偏光ビーム３８０となる。一方、
偏光ビームスプリッタ３０６を透過したＰ偏光ビームは
λ／２板３０７を通過後Ｓ偏光ビーム３８１となる。

Ｐ偏光ビームは偏光ビームスプリンタ３１５を透過し、
またＳ偏光ビームは偏光ビームスプリンタ３１５て反射
される。両ビームの偏光方向は第５図に示すように互い
に直交しているので、このままでは干渉しない。そこで
、第１実施例と同様に偏光板３１６を光路に挿入し、そ
の偏光方向を第５図に示すように４５°方向とすること
により、両ビームは干渉することになる。この干渉光に
は、光音響効果により試料４２表面あるいは内部界面で
生じた微小変位に基づく位相情報が、光強度情報として
含まれており、これをレンズ３１７にょりその後側焦点
位置３３２に集光し、ホトダイオード等の光電変換素子
３１９で検出する。このマツハ・ツエンダ干渉光学系５
６０において、レンズ３０５の前側焦点位置３３１、対
物レンズ３８および３１２の前側焦点位置８１およびレ
ンズ３１７の後側焦点位置３３２とは、共役であると同
時に共焦点の関係にあり、さらにレンズ３１７の後側焦
点位置３３２にはピンホール３１８が設置されている。

この効果は第７図に示すように第１実施例と同様である
。

信号処理系５５０においては、２ステージ３１１、ＸＹ
ステージ３１０の移動信号およびロックインアンプ７７
からの出力信号が計算機７８で処理され、試料４２内部
の３次元光音響画像がモニタテレビジョン等の表示器７
９に出力される。

本実施例によれば、第１実施例と全く同様の効果が得ら
れる。また、透過プローブ光を使うことにより、先の４
つの実施例のように、反射プローブ光では検出困難であ
る。試料の内部界面以外の場所における光学的・熱的・
弾性的情報を得ることがてきる。

第６実施例 本発明の第６実施例を第２１図に基づいて説明する。本
実施例における光音響検出光学系の基本構成とその機能
は、第５実施例と全く同じであり説明を省略する。第５
実施例では励起光であるＨｅ−Ｎｅ赤外レーザ３１およ
びプローブ光であるＨｅ−Ｎｅ赤外レーザ３０１の各集
光スポットを試料の深さ方向に走査する手段として、２
ステージの走査を採用しているが、本実施例では第４実
施例同様第２１図（ａ）に示すように、対物レンズ３８
と試料３２１との間に２組のくさび形ガラス３２２およ
び３２３を、また試料３２１と対物レンズ３１２との間
に２組のくさび形ガラス３２４および３２５をそれぞれ
挿入し、第２１図（ｂ）に示すように、くさび形ガラス
３２２および３２４を光軸と直交する方向に微動させる
ことにより、対物レンズ３８および３１２の焦点距離を
実効的に変化させ、２つの集光スポットを試料３２１の
深さ方向に走査させる。

対物レンズ３８および３１２からレーザ集光スポットま
での距離、すなわち実効的焦点距離ｆｇ＋ｆｇ’は（３
）式で与えられる。２つの集光スポットを走査する際は
、２つの対物レンズ３８および３１２の実効的焦点位置
が常に一致するように、くさび形ガラス３２２および３
２４を微動する必要がある７すなわち、集光スポットを
上昇させるには、くさび形ガラス３２２および３２３の
厚さの和が小さくなる方向に、上記くさび形ガラス３２
２を微動すると同時に、くさび形ガラス３２４および３
２５の厚さの和が大きくなる方向にくさび形ガラス３２
４を微動し、２つの対物レンズ間の光路長を一定にする
必要がある。また。

くさび形ガラスの代わりに第１４図に示す第３実施例同
様に、リレーレンズを使うことも可能である。

本実施例によれば、第５実施例と全く同様の効果が得ら
れる。また、Ｈｅ−Ｎｅレーザ３１および３０１の集光
スポットの移動手段として、単純な２枚のくさび形ガラ
スの微動を採用することにより、集光スポット移動時に
おける光学系の機械的安定性が増し、より安定な光音響
信号検出が可能になる。

上記の６つの実施例では、試料に光音響効果を生しさせ
るための励起光として、Ｈｅ　　Ｎ　ｅ赤外レーザ（波
長１．１５μｍ）を用いたが、赤外半導体レーザを用い
れば、注入電流を振幅変調することにより、強度変調さ
れたビームを得ることができる。その場合には、音響光
学変調素子は不要になる。また、本発明においては励起
光は赤外光に限定されるものではなく、試料（例えば半
導体、セラミック基板等）を透過できる波長の光であれ
ば、どのような光でも適用可能である。

また、試料内で発生した光音響効果による試料表面ある
いは内部界面での微小変位を検出する手段は、マイケル
ソン干渉計、マツハ・ツエンダ干渉計に限定するもので
はなく、他のヘテロダイン干渉計等も十分に適用できる
。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による光音響信号検出方法は、第１
の光源から得られる試料を透過する波長の光を、所望の
周波数で強度変調し、強度変調した光を試料上もしくは
試料内部に集光し、集光した光スポットを試料内部で試
料の深さ方向に走査して、上記試料内で光音響効果を発
生させるとともに、第２の光源から得られる試料を透過
する波長の光を、上記光スポット位置と同じ位置に集光
および走査し、上記集光スポットの反射光もしくは透過
光より光干渉を利用して、上記光音響効果による位相変
化を検出し、検出した信号から試料の表面および内部情
報を抽出することにより、光音響信号の横方向および深
さ方向の分解能を低下させることなく、試料の任意深さ
位置の内部情報（例えば半導体素子の内部欠陥）を安定
に検出できるという効果を有する。また同時に、光音響
効果により発生した試料表面あるいは内部界面の微小変
位（深さ方向）を、光干渉を利用して検出するためのプ
ローブ光として、励起光と同様に試料を透過できる波長
の光を用いることにより、例えば内部界面での微小変位
を直接検出することが可能となり、検出感度が大幅に向
上するという効果を有する。また、光学系をすへて共焦
点光学系として構成することにより、光音響信号の横方
向分解能と検出感度が向上し、同時に検出すべき界面以
外の試料内部界面からの反射光、あるいは試料表面の微
小な凹凸より発生した高次回折光成分の影響を低減する
ことができるという効果を有する。

さらに、共焦点光学系で構成した自動焦点光学系により
、試料表面の位置をモニタすることにより。

励起光およびプローブ光の集光スポット位置を安定に試
料の深さ方向に走査でき、光音響信号の安定検出が可能
になるという効果を有する。さらにまた、励起光および
プローブ光として赤外光を用いることにより、半導体素
子内の配線の断線やクランク等を検出することができる
という効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の基本原理をそ
れぞれ説明する図、第２図は本発明による光音響信号検
出方法の第１実施例における光音響検出光学系を示す図
、第３図はレーザスポットの高次回折光成分がピンホー
ルにより遮光される様子を示す図、第４図はピンホール
通過直後の光強度分布を示す図、第５図は偏光板の偏光
方向を示す図、第６図（ａ）および（ｂ）は集光スポッ
トの走査をそれぞれ示す図、第７図は共焦点光学系とピ
ンホールの効果を示す図、第８図（ａ）および（ｂ）は
それぞれ自動焦点光学系を示す図、第９図は２ステージ
の移動量と２つの光電変換素子の出力電流の関係を示す
図、第１０図は凹凸がある試料表面上にレーザ光が集光
する状態を示す図、第１１図は本発明の第２実施例にお
ける光音響検出光学系を示す図、第１２図は対物レンズ
の微動機構を示す断面図、第１３図は本発明の第３実施
例における光音響検出光学系を示す図、第１４図はリレ
ーレンズの微動機構を示す断面図、第１５図は対物レン
ズとリレーレンズの配置を示す図、第１６図は本発明の
第４実施例における光音響検出光学系を示す図、第１７
図はくさび形ガラスの微動機構を示す断面図、第１８図
は対物レンズとくさび形ガラスの配置を示す図、第１９
図は本発明の第５実施例における光音響検出光学系を示
す図、第２０図（ａ）および（ｂ）は集光スポットの走
査を説明する図、第２１図（ａ）および（ｂ）は本発明
の第６実施例における対物レンズとくさび形ガラスの配
置をそれぞれ示す図、第２２図は従来の光音響検出光学
系を示す図、第２３図は光音響効果の原理を示す図、第
２４図（ａ）および（ｂ）は変調周波数の変化による熱
拡散領域の変化をそれぞれ示す図である。 ３１　第１の光源 ３２　音響光学変調素子 ３８　対物レンズ ４２・試料 ４３・・第２の光源 ５９．７１，７４　　光電変換素子 ７８・・計算機

Claims (1)

1. 【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、強度変調した光を試料上
   もしくは試料内部に集光し、集光した光スポットを上記
   試料内部で試料の深さ方向に走査して、試料内で光音響
   効果を発生させるとともに、第２の光源から得られる試
   料を透過する波長の光を、上記光スポット位置と同じ位
   置に集光および走査し、上記集光スポットの反射光もし
   くは透過光より光干渉を利用して、上記光音響効果によ
   る位相変化を検出し、検出した信号から試料の表面およ
   び内部情報を抽出する光音響信号検出方法。 ２、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、上記強度変調した光を試料上も
   しくは試料内部に集光する集光手段と、第２の光源と、
   該光源からの光を上記集光位置と同じ位置に集光する集
   光手段と、上記試料内で発生した光音響効果を、上記第
   ２の光源からの光を用いて光干渉により検出する光干渉
   検出手段と、検出した信号から試料の表面および内部情
   報を抽出する情報抽出手段とからなる光音響信号検出装
   置において、上記第１および第２の光源からの光を上記
   試料を透過する波長の光とし、かつ、集光された２つの
   光スポットを、上記試料の内部において試料の深さ方向
   に走査する、光スポット走査手段を設けたことを特徴と
   する光音響信号検出装置。 ３、上記強度変調された第１の光源からの光を試料上ま
   たは試料内部に集光する集光手段は、第２の光源からの
   光を集光する集光手段と、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ともに、共焦点光学系とし
   て構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項に記載した光音響信号検出装置。 ４、上記第１および第２の光源からの光は、赤外光であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項または第３項
   に記載した光音響信号検出装置。 ５、第１の光源から得られる半導体素子を透過する波長
   の光を、所望の周波数で強度変調し、強度変調した光を
   半導体素子表面もしくは内部に集光し、集光された光ス
   ポットを半導体素子内部で深さ方向に走査し、上記半導
   体素子内部で光音響効果を発生させるとともに、第２の
   光源から得られる半導体素子を透過する波長の光を、上
   記光スポット位置と同じ位置に集光および走査し、上記
   集光スポットの反射光もしくは透過光より光干渉を利用
   して、上記光音響効果による位相変化を検出し、検出し
   た信号から半導体素子の表面および内部情報を抽出する
   半導体素子内部欠陥検出方法。