JPH03504647A - 単一ビームａｃ干渉計 - 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】 単−ビームＡＣ干渉計 肢−五一分一団 本発明は非破壊試験を介して固体の光学的な弾性および熱パラメータを測定する 干渉計に関する。

又」Ｌ皇ｊＬ量 最近、非破壊試験において超音波、光音響および光熱変位を測定するために、干 渉計を使用するいくつかの技術が開発されてきた。非常に小さい領域に光を集束 する能力により、高い空間内の分解能が得られる。超音波および光熱変位を検出 する場合には、一般に二つの型式の干渉計を使用する技術が使用されてきた。一 つのこのような技術は古典的なマイケルソン干渉計であり、かつ第二の技術は干 渉計による表面振動およびその復調により発生した反射光および散乱光の周波数 のドツプラーシフトに基づいている。この機構は表面速度に対して高い感度を有 している。

マイケルソン干渉計は干渉計として極めて一般的に使用されかつアール・ニス・ シャープ（Ｒ，Ｓ、５ｈａｒｐｅ）代著［非破壊試験における研究技術（Ｐｅｓ ｅａｒｃｈ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｉｎ　ＮＤＴ）　Ｊと題する刊行物の第７ ｔｋの２６７頁に開示されている。入射レーザビームはビームスプリンタにより 二つの成分に分割される。第一成分は参照ビームを構成するビームスプリンタに より９０”だけ偏向される。

この参照ビームは平面鏡から反射され、そしてビームスプリフタに至る経路をも どり、その経路上を偏向しない状態で通過する。

第二成分はビームスプリフタを偏向しないで通過しかつプローブビームを構成す る。このプローブビームは試料の表面により反射せしめられかつビームスプリフ タまでもときた経路をもどり、ビームスプリフタにおいて９０″だけ偏向せしめ られる。これらの二つの反射光はビームスプリッタにおいて再び結合され、そし て−緒に検出器まで進行する。これらの両方のビームは同一のコヒーレント光源 から発生しているので、検出器において干渉縞が形成され、該干渉縞は二つのビ ームの光路差により決定される。各々の干渉縞は光の波長の四分の−の変位に相 当する。この干渉縞の強度は光路差の関数としての正弦波の形態で変化する。マ イケルソン干渉針は波長よりもはるかに小さい変位を測定するために適していな い０機械的なかつ熱的な変動により発生した騒音は相対光路長を変動させる。こ の干渉針は一般的に気流および振動に対して非常に鋭敏である。

超音波運動を検知する別の干渉計を使用する技術はドツプラーシフトに起因する 波長の変化を検出するためにファプリーペロ干渉計の波長伝播選択性を使用する 。試料の表面は周波数を安定させたレーザにより照明されかつ反射散乱光が望遠 レンズにより集束される。この光は共焦点ファプリーペロ干渉計により受は入れ られる。ファプリーペロ干渉計は集光力を最適化しかつ中央の縞のみを照明する 。波長の変化は表面変位速度に比例する。ウォラストンプリズムがビームを分割 するために使用される。この分割により参照ビームおよびプローブビームの両方 が等しくなる。これらの二つのビームの一方は試料の乱されない部分上に集束さ れかつ参照ビームとして作用する。他方のビームは定期的に加熱される試料の表 面の所定の位置において集束される。熱膨張に起因する表面の変位により、この ビームの位相変調が生ずる。試料から反射された両方のビームがウォラストンプ リズム内で再び再結合しかつ光検出器において干渉する。（ジェイ・ティー・フ ァントン（Ｊ、Ｔ、Ｆａｎｔｏｎ）およびジー・ニス・キノ（Ｇ、Ｓ、Ｋｉｎｏ ）代著「応用物理学（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙ、）　Ｊと題する論文５１　　（１９ ８７年発行）の６６頁参照） 「熱バンプＪ　　（ｔｈｅｒｍａｌ　ｂｕｍｐ）を検出するために、その他の干 渉計を使用しないシステムが開発された。この機構においては、試料が集束され た変調ポンプビームにより加熱されて、熱膨張に起因する周期的な変位「熱バン プ」を生ずる。集束されたプローブビームが熱バンプから反射される。熱バンプ の勾配に比例する反射プローブビームの偏向が測定される。この加熱ビームは光 音響変換器を使用して強度変調されるアルゴンレーザから得られる。

このビームは空間で濾波されかつビームエキスパンダを使用して拡大される。そ の後、ビームは回転ステージ上に装着された前面の平面鏡により反射されかつ顕 微鏡の対物レンズを使用して試料上に集束される。この平面鏡は回転ステージ上 にその軸線から外れて装着されているので、集束レンズ上のビームの入射角が該 レンズから離れて移動しないで変更される。加熱スポット、したが９て、熱バン プは回転ステージを回動することによりプローブビームスポットに対して走査す ることができる。このプローブビームは空間で濾波されかつビームエキスパンダ ーを使用して拡大されるヘリウム・ネオンレーザ−から得られる。レーザーの偏 光軸線は、ビームが偏光ビームスプリンターを通過するようにレーザヘッドを回 動することにより回転せしめられる。ビームは四分の一波長板を通過しかつ二色 性の鏡により同じ顕微鏡の対物レンズ上に反射せしめられ、両方のビームを試料 上に集束させる。プローブビームは試料から反射され、同一光路を通過しかつ偏 光軸線を９０′″だけ回転させたビームスプリンターに到達する。この信号は方 形セルの各々の端縁における電極から得られる。このビームの二つの垂直方向に おける偏向は両側の電極から差異信号を電子的に受信することにより測定される 。この信号はロンクイン増幅器を使用してバンプの変調と同期して検出される。

光の反射率の変化もまたすべての４個の電極の総和を求めることにより測定され る。この型式の技術に関する問題はこの技術が気流および振動に対して非常に鋭 敏であることである。このようなシステムはニー・ロゼンクワイグ（Ａ、ｌ？ｏ ｓｅｎｃｗａｉｇ）　、ジェイ・オブサル（Ｊ。

０ｐｓａｌ）およびディー・エル・ウイシンポーク（Ｄ、　Ｌ、　Ｗｉｌｌｅｎ ｂｏｒｇ）代著の応用物理学（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）に関する論文 ４３．１６６（１９８３年発行）により開示されている。

の　・および１占 本発明は試料の光学的および熱パラメータを測定するための干渉計組立体である 。この組立体は試料の試験領域に熱バンプを発生させる加熱手段（１４）であっ て、試験領域に集束領域を有する前記加熱手段と、集束領域よりも大きいプロー ブＳＪ！域を有しかつ試験領域に放射されるプローブレーザビームを発生させる プローブ手段と、熱バンプにより生じた反射プローブレーザビームの干渉パター ンを測定するために試験領域から反射された反射プローブレーザビームに応答す る制御装置とを備えている。

この組立体の利点は気流または機械的な振動の変動に対する感度が低いことを含 む、いかなる外部からの作用もプローブビームに均一に作用する。

ヌ　の　′なｉ゛日 本発明のその他の利点は添付図面について記載した以下の詳細な説明を参照して 本発明をさらに十分に理解することにより容易に理解されよう。

第１図は本発明の略図、かつ 第２図は入射レーザビームおよび反射レーザビームを示した図である。

ましい　　　の量′ 固体の表面、すなわち、試料１２の光学的、弾性および熱パラメータを測定する 単一ビーム干渉計組立体の全体を第１図に符号１０で示しである。

この干渉計組立体１０は試料１２０表面の試験領域１８に向かって放射される加 熱用レーザビーム１６を発生させる加熱手段１４を含む、加熱用レーザビーム１ ６は試料１２の表面において集束領域を有している。試料１２の表面上には、加 熱手段１４により、時間に依存する「熱バンプ」２０が発生せしめられる。

加熱手段１４はアルゴンイオンレーザ２２を含む、加熱手段１４は、さらに、ア ルゴンイオンレーザ２２を受は入れかつ強度変調されたレーザビーム１６を発生 させる変調手段２４を含む、変調手段２４は一般に光音響変調器である。また、 加熱手段１４は試料の表面１２上の試料領域１８の約１０マイクロメータのスポ ットの集束領域において強度変調されたレーザビーム１６を集束させる集束手段 ２６を含む、集束手段２６は一般に知られているレンズとすることができる０表 面１２に入射されるレーザビームの平均のパワーは試料の材料の損傷閾値よりも 小さく保たれ、代表的には約４０ミリワツトよりも小さい。加熱用レーザビーム １６は固体１２に対して垂直にすなわち、９０″で入射せしめられる。

また、干渉計組立体１０は集束された加熱用ビーム１６の集束面積よりも大きい プローブ面積を有するプローブレーザビーム３０を発生させるプローブ手段２８ を含む、プローブレーザビーム３０は試験領域１８に向けられる。プローブ装置 ２８は６３２８オングストロームのビーム３０を発生させる３ミリワツトのヘリ ウム・ネオンレーザである。プローブレーザビーム３０は９０’よりも小さい角 度Ｘで表面１２に向かって送られる。プローブビーム３０は集束されず、かつ試 料１２の表面において約８００マイクロメートルのスポットの直径、すなわち、 領域を有している。それ故に、加熱用ビーム１６は集束レンズ２６を移動するこ とによりプローブビーム３０の中心に対して横方向に移動させることができる。

熱により誘発された熱バンプ２０のサイズよりも大きいプローブレーザビーム３ ０は固体１２の表面から反射される。

熱バンプ２０に関する情報は熱バンプ２０により生じた反射された波面の偏向パ ターン、すなわち、干渉パターンに含まれている０反射レーザビーム３１は角度 Ｘに等しい角度Ｙで試料１２の表面で反射される。時間に依存する光強度パター ンが熱バンプ２０からの屈折したＡＣ波面３２と周囲の面１２から反射した乱さ れていないＤＣ波面３４とを重ね合わせることにより生ずる０球面形の波面３２ と平面状の波面３４との間の干＃３６により、ニュートン環の慣用のパターンが 生ずる。熱バンプ２０およびプローブビーム２８の両方のサイズが小さいために 、実験的に便利な距離においてニュートン環の２個または３個のみが見られる。

その結果得られた時間に依存する干渉パターン３６は標本１２の熱、光学的およ び弾性的な特性に関する情報を包含している。単一ビームのみが使用されている ので、機械的な振動および変動ならびに気流により生ずる騒音が著しく減少する 。

干渉針組立体１０は固体１２のパラメータを表わす反射したプローブビーム３１ の干渉パターンを測定するための試験領域１８から離れた交流波面３２および直 流波面３４を含む反射プローブビーム３１を受は入れる制御手段３８を含む。制 御手段３日は干渉波パターンを測定するための反射ビーム３１を走査する走査装 置４０を含む。走査装２４０は、さらに特定的に述べると、反射ビーム３１の一 部分を検出する検出装置４２と、検出器２４２を反射ビーム３１の領域を横切っ て移動する駆動装置４４とを含む。

検出装置４２は、一般に、プローブビーム３１全体を捕捉するために十分に大き い光ダイオードである。光ダイオード４２は反射ビーム３１の輻射エネルギを検 出しかつ検知したエネルギの大きさを表わす検出信号を発生する。光ダイオード ４２の前方には、反射ビーム３１の一部分のみを検出するために、スリット組立 体４６が配置されている。駆動手段４４は、一般に、検出器、すなわち、光ダイ オ−ド４２を反射ビーム３１に沿って移動するステップモータ制御器である。換 言すると、検出器４２／スリット組立体４６はステップモータ４４を使用して反 射ビーム３１を横切って走査され、その間干渉パターンを記録する。

走査手段４０は、別の態様として、単一の走査される検出器４２．４４０代わり に、ダイオードの検出器の配列とすることができる。このような配列はデータ収 集速度を高めることになろう。

この検出器の配列は反射プローブビームの領域に沿って隔置された検出器の配列 を含む。

制御手段３８は変調された加熱用レーザ２２と同期して反射ビーム３１を検出す るロックイン増幅器４８を含む。ロックイン増幅器４８は弱い信号を同期して検 出するための手段としてこの技術分野によく知られている。検出器４２からの検 出信号はロックイン増幅器４８により同期して検出される。換言すると、増幅さ れた検出信号がロックイン増幅器４８に送られる。ロックイン増幅器４８は変調 された加熱用レーザ２２と同期したときに検出信号を標本抽出する。また、制御 手段３８は検出信号を増幅する前置増幅手段５０を含む。

干渉針組立体１０は反射プローブビーム３１の干渉パターンを測定する試料、す なわち、データ信号を受信しかつ試料１２のパラメータを示す出力を発生する情 報またはデータプロセッサ５２を含む、ロックイン増幅器４８からプロセッサ手 段５２により受は入れられたデータは変調された加熱用レーザ２２と同期化され る。また、プロセッサ５２は、前述したように、波面を走査するためにステップ モータ４４を制御する。プロセッサ５２は、一般に、分析能力を有するコンピュ ータ、マイクロプロセッサまたはそれらと同様な装置である。プローブビーム３ ０の特性を詳細に知ることはデータの定量分析において不可欠である。プロセッ サ５２はチョッププローブビーム３０からのいくつかの距離におけるビーム３１ のプロフィルを測定することによりガウスビームのくびれ部分の位１および大き さを決定する。

プロセッサ５２は干渉パターン３６に関する情報を入手する。

慣用の縞計数方法は不正確すぎることがある。熱バンプ２０の詳細な形状および 経時変化に基づいて縞パターンを理論的に算出するために測定されたデータを最 小二乗法により適合する方法を使用することができる。最小二乗性適合ルーチン を使用して、光の反射率の変化および熱バンプのサイズおよび高さを適合値から 求めることができる。干渉パターンは基本的には熱バンプのホログラフである。

完全な干渉パターン３６は、原則として、実験により記録されかつ熱バンプのホ ログラフインク再構成である。

この干渉計１０はシリコンウェーハに対して試験されかつ使用されておりかつ０ ．１１の出力の加熱用ビーム１６により一秒の時定数で信号を得ることができる 。これは１にＨｚにおいて約１０−”オングストロームの高さの熱バンプ２０に 相当する。

本発明の干渉計１０は感度が極めて良好であることが発明した。

単一の非集束レーザビーム３０が使用されかつレーザ２２と検出器４２との間に は光学構成部分はない０表面１２は反射性でなければならない。

また、本発明には、試料の光学的および熱パラメータを測定する方法が包含され ている。この方法は試料の試験領域を加熱して熱バンプを発生させ、試験領域よ りも広いビーム領域を有するブ・　ロープレーザビームを試験領域に向かって放 射し、試験領域から反射されたレーザビームを検出し、かつ試料の光学的および 熱パラメータが干渉パターンから得られる反射レーザビームの干渉パターンを測 定する諸工程を包含する。また、この方法には、さらに試料に対して垂直に送ら れた加熱用レーザビームにより試験類Ｉ　域を加熱し、プローブレーザビームを 試験領域に向かって９０″よりも小さい角度で送り、反射レーザビームを走査し て干渉波パターンを測定しかつ検出信号を発生し、加熱用レーザビームを強度変 調し、変調されたビームを集束させかつ検出を変調と同期して行う諸工程が包含 される。

以上、本発明を実施例について記載したが、使用した用語は本発明を制限するよ りもむしろ説明のための用語の性質のもきである。

本発明の多くの変型および変更は上記の本発明の教旨に従って実施可能である。

それ故に、符号を便宜のために付けかつこれら・　の符号がなんら本発明を限定 するものではない特許請求の範囲内で本発明を上記の態様とは異なる態様で実施 することができることを理解すべきである。

悶ＷＸ損審斡牛

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．固体の表面の光学的および熱パラメータを測定する干渉計組立体であって、 試料（１２）の試験位置に熱バンプ（２０）を発生させる加熱手段（１４）を備 え、前記加熱手段（１４）は試料（１２）の表面に集束領域を有し、さらに、試 験領域に向かって送られるプローブレーザビーム（３０）を発生しかつ前記集束 領域よりも大きいプローブ領域を有するプローブ手段（２８）と、熱バンプ（２ ０）により生じた反射プローブビーム（３０）の干渉パターンを測定するために 試験領域（１８）から反射せしめられた反射プローブレーザビーム（３１）に応 答する制御手段（３８）とを備えた干渉計組立体。
2. ２．前記加熱手段（１４）が試験領域に向かって送られる加熱用レーザビーム（ １６）を発生することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の組立体。
3. ３．前記制御手段（３８）が干渉パターンを測定するために反射ビーム（３１） を走査しかつ検出信号を発生する走査手段（４０）を含むことをさらに特徴とす る請求の範囲第２項記載の組立体。
4. ４．前記加熱手段（１４）が強度変調されるレーザビーム（１６）を発生する変 調手段（２４）を含むことをさらに特徴とする請求の範囲第３項に記載の組立体 。
5. ５．前記加熱手段が前記の強度変調されたレーザビームを前記集束領域に集束さ せる集束手段２６を含むことをさらに特徴とする請求の範囲第４項に記載の組立 体。
6. ６．前記走査手段（４０）が前記検出信号を発生するために前記反射ビームの一 部分を検出する検出手段（４２）を含むことをさらに特徴とする請求の範囲第５ 項に記載の組立体。
7. ７．前記走査手段（４０）が前記検出手段（４２）を前記反射ビーム（３１）の 領域を横切って移動する駆動手段（４４）を含むことをさらに特徴とする請求の 範囲第６項に記載の組立体。
8. ８．前記制御手段（３８）が前記反射ビーム（３１）を前記変調手段（２４）と 同期して検出するロックイン増幅手段（４８）を含むことをさらに特徴とする請 求の範囲第７項に記載の組立体。
9. ９．前記制御手段（３８）が前記検出信号を増幅する前置増幅手段（５０）を含 むことをさらに特徴とする請求の範囲第８項に記載の組立体。
10. １０．前記制御手段（３８）が固体のパラメータを示す出力を発生するために前 記データ信号を受信しかつ前記駆動手段（４４）を制御するプロセッサ手段（５ ２）を含むことをさらに特徴とする請求の範囲第９項に記載の組立体。
11. １１．前記走査手段（４０）が前記検出信号を発生するための検出器の配列を含 むことをさらに特徴とする請求の範囲第５項に記載の組立体。
12. １２．試料の光学的および熱パラメータを測定する方法において、試料上に熱バ ンプ（２０）を発生させ、試験領域よりも大きいビーム領域を有するプローブレ ーザビーム（３０）を試験領域に向かって送り、試験領域から反射せしめられた 反射プローブレーザビーム（３１）を検出し、熱バンプ（２０）により生じた反 射プローブレーザビーム（３１）の干渉パターンを測定する諸工程を含む前記方 法。
13. １３．さらに、試料に対して垂直に送られる加熱用レーザビームにより試験領域 を加熱することにより熱バンプを発生させることを含む請求の範囲第１２項に記 載の方法。
14. １４．さらに、プローブレーザビームを試験領域に向かって９０°よりも小さい 角度で送ることを含む請求の範囲第１２項に記載の方法。
15. １５．さらに、干渉波パターンを測定するために反射レーザビームを走査しかつ 検出信号を発生することを含む請求の範囲第１４項に記載の方法。
16. １６．さらに、加熱用レーザビームを強度変調しかつ変調されたビームを試験領 域に集束させることを含む請求の範囲第１５項に記載の方法。
17. １７．さらに、検出を変調と同期して行うことを含む請求の範囲第１６項に記載 の方法。