JPH04136743A

JPH04136743A - 光音響信号検出方法及び装置

Info

Publication number: JPH04136743A
Application number: JP2256892A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Nakada; 俊彦中田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1992-05-11
Anticipated expiration: 2015-02-14
Also published as: JP3009199B2

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（Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ　
　Ｅｆｆｅｃｔ）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（Ｂｅｌｌ）　、レントゲン（Ｒ６ｎｔｏｇｅ
ｎ　）らによって発見された。すなわち、第９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Ｖｏｐ
２１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。

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、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　シンポジウムｐ、
５１５〜５２６　（１９８６）（Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　；　
１９８６　　ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ３ＳＹＭＰＯ３ＩＵ
Ｍ−ｐ。

５１５〜５２６　（１９８６）　）Ｊにおいて論じられ
ている。

以下では、第１０図により、この方式について説明する
。レーザ１から出射した平行光を音響光学変調素子（Ａ
Ｏ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２
１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−ＩＯ上で互いに干渉し、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充電変換素子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で増幅された後、ロックインアンプ１６に送られ
る。

ロックアンプ１６では、音響光学変調素子２の駆動に用
いる発信器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報を得ることがで
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、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は、第９図における光吸収領
域Ｖｏｐ２１、すなわち（１）式で与えられる試料７上
のレーザ光のスポット径ｄ（半径）と、（２）式で与え
られる熱拡散長μｓ２２で決定される。

但し、λ：レーザ光の波長ｆ：レンズ５の焦点距離Ｄ：レンズ５に入射するビームの直径 μｓ＝吾肩　　　　　　（２）但し、ｋ：試料の熱伝導率 ρ：密度Ｃ：比熱ｆロレーザの強度変調周波数すなわち、レーザ光のスポ・ソト径ｄが熱拡散長μｓよ
りも小さい場合は、熱拡散長μｓで横方向分解能が決ま
り、スポット径ｄが熱拡散長μｓよりも大きい場合は、
スポット径ｄで横方向分解能力（決まる。

例えば、λ＝０．５１５μｍ、　　ｆ　＝４ｍｍ、　Ｄ
＝　６ｍｍとすると、（１）式よりレーザ光のスポット
径６番よ、ｄ均０．４２μｍとなる。一方、レーザの強
度変調周波数がｆＬ＝１０ｋＨｚのとき、例えば半導体
材料の一つである５ｉｏｔの熱拡散長は（２）式よりμ
ｓ！＝；１０μｍとなり、レーザ光のスポット径ｄより
も大きくなる。従って、この場合の光音響信号の横方向
分解能は、μｓ＃ｌＯμｍとなる。

一方、レーザの強度変調周波数がｆ　Ｌ＝２０ＭＨｚの
ときは、５ｉｏｔの熱拡散長は（２）式よりμｓ＃　０
．２５μｍとなり、レーザ光のスボ・ソト径ｄの方が大
きくなる。従って、この場合の光音響信号の横方向分解
能は、ｄ＝０．４２μｍとなる。

すなわち、レーザの強度変調周波数が十分大きい場合は
、光音響信号の横方向分解能は、励起光であるレーザ光
のスポット径で決まってしまう。

しかし、現状のレンズ系を用いた集光手段では、レーザ
光のスポット径ｄは（１）式で与えられ、ｄ＝０．３μ
ｍ程度が限界である。従って、上記従来技術では、１０
〜１１００ｎ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。

一方、電子ビームを励起手段として用いれば、試料上で
１０ｎｍ以下のスポットを形成することは可能であるが
、真空チャンバが必要となり、大気中で手軽に試料の内
部情報を検出することは困難である。さらに、問題とな
るのは試料に対するダメージである。上記１０ｎｍ程度
の微小スポットを得るには、５ＫＶ程度の加速電圧が必
要であり、試料へのダメージ、チャンバ内の雰囲気によ
る異物・汚染物質の付着等が発生し、内部情報の非接触
・非破壊検出は極めて困難となる。

また、Ｆ　Ｉ　Ｂ　（Ｆｏｃｕｓｅｄ　　Ｉｏｎ　　Ｂ
ｅａｍ）を励起手段として用いれば、３０〜６０ｎｍの
スポットを形成することは可能であるが、電子ビームと
同様真空中のみでしか使用できない。また、２０〜５０
ＫＶの加速電圧が必要であり、電子ビームと同様試料へ
のダメージは避けられない。

本発明の目的は、光音響信号の検出分解能を大幅に向上
し、試料の内部情報を１０〜ｌｏｏｎｍオーダの高分解
能でかつ高感度に、また非接触・非破壊で検出できるよ
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。

〔課題を解決するための手段〕

以上述べてきた従来技術に対し、本発明では、光音響信
号検出装置において、光音響効果を発生させるための試
料の励起手段として、近接光走査顕微鏡を用い、また光
音響効果により生じた試料表面の微小変位の検出に、走
査トンネル顕微鏡、又は近接光走査顕微鏡、又は近接光
走査顕微鏡で構成した光干渉計を用いることにより、光
音響信号の高分解能・高感度検出を実現するものである
。

ここで、近接光走査顕微鏡（Ｎ０３Ｍ：１ｅａｒｆｉｅ
ｌｄ　　Ｑｐｔｉｃａｌ　　５ｃａｎｎｉｎｇ　　１ｉ
ｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、光の波長の数１０分の１から
数１００分の１の大きさのアパーチャを、試料から前記
アパーチャの大きさと同程度の距離に対向させて配置し
、これにレーザ光などの強い光を照射した際に、アパー
チャからエバネセント波（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ　　ｗ
ａｖｅ）がしみ出すいわゆる近接領域（ｎｅａｒ−ｆｉ
ｅｌｄ　）においては、アパーチャと同程度の範囲のみ
に光が局在するという原理に基づくものであり、Ｕ、　
１Ｍｒｉｇ　ｅｔ　ａｌ、”Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ　　
ｏｐｔｉｃａｌ−ｓｃａｎｎｉｎｇ　　ｍ１ｃｒｏｓｃ
ｏｐｙ　。

Ｊ、　Ａｐｐｌ−Ｐｈｙｓ、、　Ｖｏｌ、５９　、Ｎｏ
、１０　、ｐ、３３１８−３３２７（１９８６）に記載
されている。

この場合において、光はアパーチャ程度の部分に局在す
るため、アパーチャを小さくし、かつ試料とアパーチャ
の間隔をアパーチャの大きさ程度に接近させれば、分解
能は大幅に向上する。但し、実際にはアパーチャ材料内
部への光波の浸透深さ以上の分解能をもたせることは不
可能である。この浸透深さの小さいものとして、通常ア
パーチャ材料としては金属が用いられるが、この場合浸
透深さ（いわゆる５ｋｉｎ　ｄｅｐｔｈ）は１０ｎｍ程
度である。

従って。この近接光走査顕微鏡によれば、レーザ光等を
１０ｎｍ程度のスポットに局在させて試料上に照射する
ことができる。さらに、アパーチャと試料の間隔を一定
に保ったまま、両者を相対的に２次元走査すれば、１０
ｎｍ程度の分解能で試料を２次元的に励起することがで
き、高分解能に光音響効果を発生させることができる。

さらに、この近接光走査顕微鏡では、アパーチャと試料
との間隔が変化すると、試料面上で反射し、アパーチャ
を通過する光量が変化する。従って、このアパーチャを
通過してくる反射光強度を観測すれば、光音響効果によ
って生じた試料表面の微小変位を間隔の変化として検出
することができる。尚、走査トンネル顕微鏡（Ｓ　Ｔ　
Ｍ　：　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　　
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）につし＼ては、例えばＹ、　Ｋ
ｕｋ、　Ｐ＋Ｊ　、　Ｓｉｌｖｅｒｍａｎ　：”Ｓｃａ
ｎｎｉｎｇ　　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　　Ｍｉｃｒｏｓｃ
ｏｐｅ　　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　　。

Ｒｅｖｉｅｗ　　ｏｆ　　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　　Ｉ
ｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ＪＶＯｌ、６ＯＮｏ、２　　ｐ
、１６５−１８０　（１９８９）　、あるいは、梶村皓
二他：　「走査型トンネル顕微＃Ｌ：固体物理Ｖｏ　１
　、２２Ｎｏ、３　　ｐ、１７６−１８６　（１９８７
）に詳しく示されている。

以上より、本発明は、前述の目的を達成するため、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、変調された光を試料上に集光し試料を励起する
励起手段と、試料で発生した光音響効果を検出する検出
手段と、該検出手段により検出された検出信号の中から
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、上記励起手段を近接光
走査顕微鏡で構成することにより、光音響信号の横方向
分解能を向上せしめたものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は上記光音響信
号検出装置において、上記励起手段を近接光走査顕微鏡
で構成すると共に、上記光音響効果を検出する検出手段
を、光音響効果により生じた試料表面の微小変位を検出
することを目的とした、走査トンネル顕微鏡で構成する
ことにより、光音響信号の横方向分解能及び検出感度を
向上せしめたものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は上記光音響信
号検出装置において、上記励起手段を近接光走査顕微鏡
で構成すると共に、上記光音響効果を検出する検出手段
を、光音響効果により生じた試料表面の微小変位を検出
することを目的とした、近接光走査顕微鏡で構成するこ
とにより、光音響信号の横方向分解能及び検出感度を向
上せしめたものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は上記光音響信
号検出装置において、上記励起手段を近接光走査顕微鏡
で構成すると共に、上記光音響効果を検出する検出手段
を、光音響効果により生じた試料表面の微小変位を検出
することを目的とした、近接光走査顕微鏡を用いた光干
渉計で構成することにより、光音響信号の横方向分解能
及び検出感度を向上せしめたものである。

〔作用〕

光音響信号検出装置において、励起手段を近接光走査顕
微鏡で構成することにより、試料上に１０〜１１００ｎ
の微小光スポットを形成することができ、１０〜１１０
０ｎの局所領域で光音響効果を発生させることが可能と
なり、光音響信号の横方向分解能が大幅に向上する。

また、励起手段を近接光走査顕微鏡で構成すると共に、
光音響効果を検出する検出手段を走査トンネル顕微鏡で
構成することにより、光音響信号の横方向分解能と検出
感度が大幅に向上する。

また、励起手段を近接光走査顕微鏡で構成すると共に、
光音響効果を検出する検出手段も近接光走査顕微鏡で構
成することにより、光音響信号の横方向分解能と検出感
度が大幅に向上する。

また、励起手段を近接光走査顕微鏡で構成すると共に、
光音響効果を検出する検出手段を近接光走査顕微鏡を用
いた光干渉計で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大幅に向上する。

〔実施例〕

以下、本発明の第１の実施例を第１図〜第４図により説
明する。第１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ものである。

本光学系は、変調レーザ励起光学系１１０、検出光学系
１２０、信号処理系１３０から成る。本光学系では、試
料の励起手段として近接光走査顕微鏡（以下Ｎ０３Ｍと
略称する）を用い、光音響効果によって生じた試料表面
の微小変位の検出手段として上記Ｎ０３Ｍと組合せた走
査トンネル顕微鏡を用いることを特徴としている。

変調レーザ励起光学系１１０では、レーザ３１から出射
した平行光を音響光学変調素子３２により所定の周波数
で強度変調し、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後、レンズ３５により集
光させ、Ｎｏ５Ｍチップ３６ｃに導く。

尚、上記レーザ光の強度変調周波数は、試料中の熱拡散
長が試料上の光スポツト径と同じ、もしくはそれよりも
小さくなるように設定する。ここで、このＮｏ５Ｍチッ
プ３６ｃについて説明する。

第２図（ａ）及びその先端の拡大図第２図（ｂ）に示す
ように、先端を１０ｎｍ程度に鋭く研磨した石英ガラス
のロッド７０の表面に導電性の高い金属薄１１７１を蒸
着し、これを平坦な面７２に押しつけることによす、先
端部の金属蒸着膜７１ａが面７２に平坦に押し延ばされ
、ガラスロッド７０の先端部１０５においては、この金
属蒸着膜７１ａがいわゆる５ｋｉｎ　　ｄｅｐｔｈより
も薄くなるか、あるいはなくなってガラスロッドが露出
した状態になる。この領域をアパーチャと呼ぶ。ここで
、ガラスロッドの上方から光を照射すると、光はチップ
先端１０５の極めて狭い領域（アパーチャ）からのみ透
過することができる。

即ち、先端の鋭いチップとその先端に形成されたアパー
チャと、その周辺の不透明なコーティングから成るＮｏ
５Ｍチップ３６ａが形成される。言いかえるならば、こ
のＮ０８Ｍチップ３６ａは、先端の１０ｎｍ程度の極め
て狭い領域のみから光が透過してくるように形成された
ニードル上の光導伝体である。

このＮｏ５Ｍチップは、必ずしも第２図（ａ）〜（Ｃ）
のようでなくてもよい、他の例としては、細い中空のガ
ラス管を溶融させて引き延ばしてひきちぎったものがあ
る（図示せず）。この場合も、１０ｎｍ程度の細い開孔
部を製作することができる。

最終的に、この中空のガラス管の表面に金属薄膜を蒸着
することにより、Ｎｏ５Ｍチップを形成することができ
る。

第１の実施例では、以上述べたＮ０３Ｍチップをトンネ
ル電流検出用チップとしても使用する。

即ち、第２図（ｄ）に示すように、金属薄膜７１が蒸着
されたガラスロッド７０の先端部１０５の金属蒸着膜７
１ａを押し延ばす際に、微小なくぼみ１０７を有する平
坦面７３に押しつけることにより、ロットド先端部の金
属蒸着膜７１ａにトンネル電流検出用の微小な突起１０
６を形成することができる。又、第２図（Ｃ）に示すよ
うに、平坦部７１ａが形成された後で、例えば局所的に
レーザを照射しつつ、平坦部に高電圧を印加することに
より、第２図（ｅ）に示すように微小突起１０８を形成
することができる。第２図（ｅ）は、この方法によりア
パーチャと同じ位置に微小突起を形成した例を示してい
る。この場合は、アパーチャと試料との間隔を直ちにト
ンネル電流により検出できるという利点がある。又、第
２図（ｆ）に示すように、第２図（ｃ）に示すＮ０５Ｍ
チップの表面に透明導電膜７４、例えばＳｎＯ，、Ｉｎ
、Ｏ，などを蒸着し、これを第２図（ｄ）に示すくぼみ
１０７を有する平坦面７３に押しつけて圧延するなどの
方法により、先端部１０５と同じ位置に微小突起１０９
を形成することもできる。ここのようなチップ３６ｄで
は、透明な導電膜を用いているため、この突起部におい
て、光の波面の乱れを小さくすることができるという利
点がある。特に透明導電膜７４の屈折率をＮ０３Ｍチッ
プ３６ｄと試料７との間の雰囲気、例えば空気と同一に
すれば、上記波面の乱れを最小にすることができ、微小
突起１０９が光の挙動に及ぼす影響はほとんどなくすこ
とができる。

第１の実施例では、以上述べたトンネル電流検出併用Ｎ
０３Ｍチップとして、第２図（ｅ）に示すチップ３６ｃ
を用いている。第１図において、Ｎ０３Ｍチップ３６ｃ
のアパーチャ１０５と試料７との間隔は、アパーチャの
大きさと同じ程度に接近させておく、Ｎ０３Ｍチップ３
６ｃのアパーチャ１０５から透過した光は試料７の表面
１０４の位置に、１０ｎｍ程度の微小光スポットを形成
する。この微小光スポットにより、試料中で光音響効果
に基づく熱弾性波（超音波）が発生し、同時に試料７０
表面に微小変位が生じる。

一方、検出光学系１２０のＮｏ５Ｍチップ３６ｃの微小
突起１０８の先端の原子が試料７の表面の原子に接近し
、その距離が２ｎｍ程度になると、数■の印加電圧によ
りトンネル電流が流れ始める。そこで、電圧源５１によ
り、Ｎ０３Ｍチップ３６ｃの金属蒸着膜７１と試料７と
の間に数■の電圧を印加しつつ、Ｎｏ５Ｍチップ３６ｃ
をピエゾ素子３９及びアクチュエータ３８により試料７
に接近させ、トンネル電流が検知されるところで接近を
やめる。

ここで、仕事関数φの試料表面からＺの距離にあるＮｏ
５Ｍチップと試料表面との間に■の電位差があるとき流
れるトンネル電流■、は、（３）式％式％従って、このトンネル電流Ｉ、の変化を検出すれば、光
音響効果によって生じた試料７の表面の微小変位量を検
出することができる。

検出されたトンネル電流■、は、電流／電圧変換増幅器
４１及び対数増幅器５２により増幅される。ここで、本
実施例では第１図に示すように、信号切換器４２は端子
Ａに接続されているものとする。即ち、トンネル電流検
出信号は、信号処理系１３０のロックインアンプ４３に
送られる。ロックインアンプ４３では、音響光学変調素
子３２の駆動に用いる発振器４０からの変調周波数信号
を参照信号として、トンネル電流検出信号に含まれる変
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。この振幅及び位相成分が、その変調周波
数で決まる熱拡散領域ｖｔｈ内の情報をもつ。従って、
この熱拡散領域Ｖｔｈ内にフラッグ等の欠陥や熱的イン
ピーダンスの異なる微小領域が存在すれば、トンネル電
流検出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。

同時に、対数増幅器５２がら出力されるトンネル電流検
出信号は比較器４６にも送られる。比較器４６では、Ｎ
０８Ｍチップ３６ｃ　　・試料７間の距離を一定に保つ
べく、計算機４４がら送られて来た基準信号と、検出し
たトンネル電流信号とを比較し、その差分信号をローパ
スフィルタ４７を介して、ピエゾ素子３９駆動用の高圧
増幅器４８に送る。ここで、ローパスフィルタ４７の周
波数特性は第３図に示す通りであるａ　ｆｓは、ロック
インアンプからの出力信号を計算機４４に送るサンプリ
ング周波数、ｆｏはローパスフィルタのカットオフ周波
数であると同時に、ピエゾ素子３９の最大駆動周波数、
ｆＬは励起用レーザ３１の変調周波数である。即ち、こ
のローパスフィルタでは、光音響効果によって生じた試
料７表面の微小変位に対応したトンネル電流信号の変化
には追従せず、試料７を走査している間の、試料表面の
凹凸や、熱ドリフト等による比較的長時間にわたるＮｏ
５Ｍチップ３６ｃ　　・試料７間の距離変化に追従して
、ピエゾ素子３９駆動用の制御信号を高圧増幅器４８に
送り、Ｎｏ５Ｍチップ３６ｃを微動する。その結果、第
４図に示すように、試料７の表面の凹凸にもががわらず
、Ｎｏ５Ｍチップ３６ｃ　　・試料７間の距離を常に一
定に保ことかでき、試料表面の凹凸に影響さされること
なく、常に同じ大きさの微小光スポットを試料上に形成
することができ、常に安定した光音響信号を検出するこ
とが可能となる。

ＸＹステージ４９はパルスモータにょる粗動及びピエゾ
素子による微動機構を備えており、　ｎｍ以下の精度で
試料７をｘｙ力方向走査することができる。Ｚステージ
５０は、Ｎ０５Ｍチップ・試料間の距離を０．１μｍ程
度の精度で粗く制御するためのものである。

ＸＹステージ４９の位置信号とロックインアンプ４３か
らの出力信号は計算機４４で処理され、試料７上の各点
における光音響信号、すなわち２次元の光音響画像がモ
ニタＴＶ等の表示器４５に出方される。

以上述べたように、本実施例では、Ｎｏ５Ｍにより試料
表面に１０ｎｍ程度の微小光スポットを形成し、この微
小光スポットにより生じた試料中の光音響効果に基づく
試料表面の微小変位を、Ｎ０３Ｍチップ・試料間に流れ
るトンネル電流の変化として検出することを大きな特徴
としている。そして、本実施例によれば、試料の励起手
段としてＮ０３Ｍを用いること多こより、試料表面をｌ
ｏｎｍ程度の微小光スポットで励起することが可能とな
り、光音響信号の横方向分解能が大幅に向上する。さら
に、光音響効果の検出にトンネル電流を用いることによ
り、へオーダの微小変位を検出することが可能となり、
検出感度が大幅に向上する。また、Ｎ０３Ｍチップのア
パーチャと、トンネル電流検出用の突起を同じ位置にす
ることにより、検出感度及び信号ＳＮ比が大幅に向上す
る。また、検出したトンネル電流信号を比較器、ローパ
スフィルタを介することにより、Ｎｏ５Ｍチップ・試料
間の比較的長時間にわたる距離制御信号として用いるこ
とが可能となり、凹凸のある試料に対しても安定に光音
響信号の検出ができる。

本発明の第２の実施例を第１図により説明する。

本実施例では、光音響検出光学系の構成は第１図に示す
第１の実施例と全く同じであるので、説明を省略する。

但し、本実施例では、信号切換器４２は端子Ｂに接続さ
れている。即ち、本実施例では第１図において、検出さ
れたトンネル電流信号は比較器４６に送られ、Ｎ０３Ｍ
チ・ンプ３６ｃ　　・試料７間のトンネル電流値を常に
一定にするような制御信号がロックインアンプ４３に送
られると同時に、ローパスフィルタ４７を介して、ピエ
ゾ素子３９駆動用の高圧増幅器４８に送られる。

即ち、本実施例では、この制御信号を、光音響効果によ
って生じた試料７の表面の微小変位を検出信号としてい
る。ここで、レーザ３１の変調周波数ｆ、は、ピエゾ素
子３９の制御が可能となる値に設定しておく必要がある
。即ち、第５図に示すようにローパスフィルタ４７のカ
ットオフ周波数ｆ。（ピエゾ素子３９の最大駆動周波数
）よりも小さく、かつ、ロックインアンプ出力信号のサ
ンプリング周波数ｆ、よりも大きくしておく。口・ツク
インアンプ４３以降の処理は第１の実施例と同様であり
、最終的に２次元の光音響画像がモニタＴＶ等の表示器
４５に出力される。

本実施例によれば、変調周波数がある程度限定されるも
のの、第１の実施例と同様の効果が得られる。

本発明の第３の実施例を第６図〜第７図により説明する
。第６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。本光学系は、変調レーザ励起光学系２
１０、検出光学系２２０、信号処理系２３０から成る、
本光学系では、試料の励起手段としてＮ０３Ｍを用い、
光音響効果によって生じた試料表面の微小変位の検出手
段として、同様にＮｏ５Ｍを用いることを特徴としてい
る。

変調レーザ励起光学系２１０では、レーザ３１から出射
した平行光を音響光学変調素子３２により所定の周波数
で強度変調し、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、ダイクロイックミラー８
０で反射させた後、レンズ３５により集光させ、Ｎｏ５
Ｍチップ３６ａに導く。ここで、Ｎ０３Ｍチップは、第
２図（Ｃ）に示すタイプのものを用いる。Ｎｏ５Ｍチッ
プ３６ａのアパーチャ１０５　と試料７との間隔は、ア
パーチャの大きさと同じ程度に接近させておく。Ｎｏ５
Ｍチップ３６ａのアパーチャ１０５から透過した光は試
料７の表面１０４の位置に、１０ｎｍ程度の微小光スポ
ットを形成する。この微小光スポットにより、試料中で
光音響効果に基づく熱弾性波（超音波）が発生し、同時
に試料７の表面に微小変位が生じる。

ここで、Ｎｏ５Ｍチップ３６ａ　　・試料７間の間隙距
離Ｚと、Ｎ０３Ｍチップ３６ａのアパーチャ１０５を透
過する光量Ｅとの間には、第７図に示す一定の関係があ
る。Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ、プロキシミティ領域、ニア
フィールド（近接）領域、ファーフィールド領域を示し
ている。ニアフィールド領域での直線部の傾きはおよそ
−３，７である。従って、Ｎｏ５Ｍチップ３６ａのアパ
ーチャ１０５を透過してくる試料表面からの反射光の光
量変化を観測すれば、Ｎ０３Ｍチップ３６ａ　・試料７
間の間隙距離Ｚの変化、即ち光音響効果によって生じた
試料７の表面の微小変位を検出することができる。そこ
で、以下に述べる検出光学系２２０により、この反射光
量を検出する。

検出光学系２２０では、レーザ３１と波長の異なるレー
ザ８１から出射した平行光をビームエキスパンダ８２に
より所望のビーム径に拡大した後、ビームスプリッタ８
３で反射させ、またダイクロイックミラー８０を透過さ
せた後、レンズ３５により集光させ、Ｎ０３Ｍチップ３
６ａに導く。励起光学系２１０　と同様、Ｎ０３Ｍチッ
プ３６ａのアパーチャ１０５がら透過した光は試料７の
表面１０４の位置に、ｌＯｒ＋ｍ程度の微小光スポット
を形成する一方、その反射光は再びＮ０３Ｍチップ３６
ａのアパーチャ１０５を透過した後、レンズ３５により
平行光となる。この平行光を、ダイクロイックミラ−８
０、ビームスプリッタ８３を透過させた後、レンズ８４
によりその後側焦点位置１１５に集光し、ホトダイオー
ド等の光電変換素子８６で検出する。また、後側焦点位
置１１５にピンホール８５を設置し、レンズ３５．８４
及びＮ０３Ｍチップ３６ａ内で発生した迷光、干渉成分
やあるいは試料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。

光電変換された反射光検出信号は、プリアンプ８７及び
対数増幅器５２により増幅される。ここで、本実施例で
は第６図に示すように、信号切換器４２は端子Ａに接続
されているものとする。即ち、増幅された反射光検出信
号は、信号処理系２３０のロックインアンプ４３に送ら
れる。ロックインアンプ４３では、音響光学変調素子３
２の駆動に用いる発振器４０からの変調周波数信号を参
照信号として、反射光検出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検出され
る。

この振幅及び位相成分が、その変調周波数で決まる熱拡
散領域ｖｔｈ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や熱的インピーダンスの異
なる微小領域が存在すれば、反射光検出信号中の変調周
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。

同時に、この反射光検出信号は比較器４６にも送られる
。比較器４６では、Ｎ０５Ｍチップ３６ａ　　・試料７
間の距離を一定に保つべく、計算機４４から送られて来
た基準信号と、検出した反射光信号とを比較し、その差
分信号をローパスフィルタ４７を介して、ピエゾ素子３
９駆動用の高圧増幅器４８に送る。

ここで、ローパスフィルタ４７の周波数特性は第１の実
施例と同様、第３図に示す通りである。即ち、このロー
パスフィルタでは、光音響効果によって生じた試料７の
表面の微小変位に対応した反射光信号の変化（この変化
は変調周波数ｆＬに対応）には追従せず、試料７を走査
している間の、試料表面の凹凸や、熱ドリフト等による
比較的長時間にわたるＮ０３Ｍチップ３６ａ　　・試料
７間の距離変化に追従して、ピエゾ素子３９駆動用の制
御信号を高圧増幅器４８に送り、Ｎｏ５Ｍチップ３６ａ
を微動する。その結果、第１の実施例と同様、第４図に
示すように、試料７の表面の凹凸にもががゎらず、Ｎ０
８Ｍチップ３６ａ　　・試料７間の距離を常に一定に保
つことができ、試料表面の凹凸に影響されることなく、
常に同じ大きさの微小光スポットを試料上に形成するこ
とができても、常に安定に光音響信号を検出することが
可能となる。ＸＹステージ４９及びＺステージ５０の構
成・機能は第１の実施例と全く同様である。

ＸＹステージ４９の位置信号とロックインアンプ４３か
らの出力信号は計算機４４で処理され、試料７上の各点
における光音響信号、即ち２次元の光音響画像がモニタ
ＴＶ等の表示器４５に出方される。

以上述べたように、本実施例では、Ｎｏ５Ｍにより試料
表面に１０ｎｍ程度の微小光スポットを形成し、この微
小光スポットにより生じた試料中の光音響効果に基づく
試料表面の変位を、Ｎ０３Ｍチップを透過してくる反射
光量の変化として検出することを大きな特徴としている
。そして、本実施例によれば、試料の励起手段としてＮ
０３Ｍを用いることにより、試料表面をｌＯｎｍ程度の
微小光スポットで励起することが可能となり、光音響信
号の横方向分解能が大幅に向上する。さらに、光音響効
果の検出に、Ｎｏ５Ｍチップを透過してくる反射光量を
利用することにより、検出感度が大幅に向上する。また
、検出した反射光信号を、比較器、ローパスフィルタを
介することにより、Ｎ０３Ｍチップ・試料間の比較的長
時間にわたる距離側脚信号として用いることが可能とな
り、凹凸のある試料に対しても安定に光音響信号の検出
ができる。

本発明の第４の実施例を第６図により説明する。

本実施例では、光音響検出光学系の構成は第６＠Ｊに示
す第３の実施例と全く同じであるので、説明を省略する
。但し、本実施例では、信号切換器４２は端子Ｂに接続
されている。即ち、本実施例では、第６図において、検
出された反射光信号は、比較器４６に送られ、反射光量
を一定にするような、即ちＮ０８Ｍチップ３６ａ　　・
試料間の距離を一定にするような制御信号がロックイン
アンプ４３に送られると同時に、ローパスフィルタ４７
を介して、ピエゾ素子３９駆動用の高圧増幅器４８に送
られる。即ち、本実施例では、この制菌信号を、光音響
効果によって生じた試料７表面の微小変位検出信号とし
ている。ここで、レーザ３１の変調周波数ｆＬは、第２
の実施例と同様、第５図に示すようにピエゾ素子３９の
制御が可能となる値に設定しておく必要がある。ロック
インアンプ４３以降の処理は第３の実施例と同様であり
、最終的に２次元の光音響画像がモニタＴＶ等の表示器
４５に出力される。

本実施例によれば、変調周波数がある程度限定されるも
のの、第３の実施例と同様の効果が得られる。

本発明の第５の実施例を第８図により説明する。

第８図は本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、変調レーザ励起光学系３１０、干
渉光学系３２０、信号処理系３３０から成る。本光学系
では、試料の励起手段としてＮ０３Ｍを用い、光音響効
果によって生じた試料表面の微小変位の検出手段として
、Ｎｏ５Ｍで構成した干渉光学系を用いることを特徴と
している。

変調レーザ励起光学系３１０では、レーザ３１から出射
した平行光を音響光学変調素子３２により所定の周波数
で強度変調し、その断続光をビームエキスパンダ３３に
より所定のビーム径に拡大し、ダイクロイックミラー８
０で反射させた後、レンズ３５により集光させ、Ｎ０３
Ｍチップ３６ａに導く。ユニで、Ｎ０３Ｍチップは、第
２図（ｃ）に示すタイプのものを用いる。Ｎｏ５Ｍチッ
プ３６ａのアパーチャ１０５と試料７どの間隔は、アパ
ーチャの大きさと同じ程度に接近させておく。Ｎｏ５Ｍ
チップ３６ａのアパーチャ１０５から透過した光は試料
７の表面１０４の位置に、１０ｎｍ程度の微小光スポッ
トを形成する。

この微小光スポットにより、試料中で光音響効果に基づ
く熱弾性波（超音波）が発生し、同時に試料７の表面に
微小変位が生じる。本実施例では、この微小変位を、以
下で述べるＮｏ５Ｍを用いて構成したヘテロダイン形マ
ツハ・ツエンダ干渉光学系で検出する。

干渉光学系３２０では、レーザ３１と波長の異なるレー
ザ９１から出射した平行光を音響光学変調素子９２によ
り、０次光と１次回折光に分解する。ここで、１次回折
光は音響光学変調素子の駆動周波数ｆ、たけ周波数シフ
トしている。０次光は、ミラー９３及び９４で反射した
後、ビームエキスパンダ９５により所望のビーム径に拡
大され、さらにビームスプリッタ９６で反射し、ダイク
ロイックミラー８０を透過した後、レンズ３５により集
光され、Ｎ０３Ｍチップ３６ａに導かれる。励起光学系
３１０と同様、Ｎ０３Ｍチップ３６ａのアパーチャ１０
５から透過した光は、試料７の表面１０４の位置に、ｌ
ｏｎｍ程度の微小光スポットを形成する一方、その反射
光は再びＮｏ５Ｍチップ３６ａのアパーチャ１０５を透
過した後、レンズ３５により平行光となる。この反射光
には、光音響効果に基づく試料７表面の微小変位が位相
情報として含まれる。レンズ３５により平行光となった
反射光は、ダイクロイックミラー８０、ビームスプリッ
タ９６．９９を透過する。

一方、音響光学変調素子９２から出射した１次回折光は
、ミラー９３及び９７で反射した後、ビームエキスパン
ダ９８により所望のビーム径に拡大した後、ビームスプ
リッタ９９で反射され、同時に試料７からの反射光と干
渉する。この干渉光には、試料７表面で生じた微小変位
に対応した位相情報が含まれており、これをレンズ１０
０によりその後側焦点位置１１５に集光し、ホトダイオ
ード等の光電変換素子１０２で検出する。また第３の実
施例と同様、後側焦点位置１１５にピンホール１０１を
設定し、レンズ３５．１００　、及びＮｏ５Ｍチップ３
６ａ内で発生した迷光、干渉成分や、試料上の透明薄膜
内で発生した干渉成分やあるいは試料表面の微小な凹凸
により発生した高次回折光成分を遮光する。

光電変換された干渉強度信号工。はレーザ９１の出力を
１として、（４）式で与えられる。

Ｉ、＝１．＋ＩＳ＋　２　ＪＩＲＪＩＳ−ｃｏｓ　（２
πｆ、ｔ−ｔπδ（ｔ）／λ＋φ（ｔ））但し、δ（ｔ
）　＝Ａｃｏｓ　（２ｙｔ　ｆｔ、ｔ）ここで、ＩＲは
ビームスプリッタ９９で反射した１次回折光の強度、■
５は試料７で反射しビームスプリッタ９９を透過した０
次光の強度、ｆ、は音響光学変調素子９２の変調周波数
、δ（１）は試料７表面の微小変位、Ａは試料の材質に
固有の定数、ｆＬはレーザ３１の変調周波数、φ（１）
は干渉計内の光路差に基づく位相、λはし７ザ９１の発
振波長である。

この干渉強度信号■。は、位相検波回路１０３において
、位相／振幅変換され、δ（１）に比例した信号が出力
される。ここで、本実施例では第８図に示すように、信
号切換器４２は端子Ａに接続されているものとする。即
ち、位相検波回路１０３からの出力信号は、信号処理系
３３０のロックインアンプ４３に送られる。ロックイン
アンプ４３では、音響光学変調素子３２の駆動に用いる
発振器４０からの変調周波数信号を参照信号として、干
渉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。この振幅及び位相成
分が、その変調周波数で決まる熱拡散領域Ｖｔｈ内の情
報をもつ。従って、この熱拡散領域ｖｔｈ内にクラック
等の欠陥や熱的インピーダンスの異なる微小領域が存在
すれば、反射光検出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。

同時に、この干渉信号は比較器４６にも送られる。

比較器４６では、Ｎ０３Ｍチップ３６ａ・試料７間の距
離を一定に保つべく、計算機４４から送られて来た基準
信号と、検出した干渉信号とを比較し、その差分信号を
ローパスフィルタ４７を介して、ピエゾ素子３９駆動用
の高圧増幅器４８に送る。ここで、ローパスフィルタ４
７の周波数特性は第１の実施例と同様、第３図に示す通
りである。即ち、このローパスフィルタでは、光音響効
果によって生じた試料７の表面の微小変位に対応した反
射光信号の変化（この変化は変調周波数ｆＬに対応）に
は追従せず、試料７を走査している間の、試料表面の凹
凸や、熱ドリフト等による比較的長時間にわたるＮ０３
Ｍチップ３６ａ　　・試料７間の距離変化に追従して、
ピエゾ素子３９駆動用の制御信号を高圧増幅器４８に送
り、Ｎ０３Ｍチップ３６ａを移動する。その結果、第１
の実施例と同様、第４図に示すように、試料７の表面の
凹凸にもかかわらず、Ｎｏ５Ｍチップ３６ａ　　・試料
７間の距離を常に一定に保つことができ、試料表面の凹
凸に影響されることなく、常に同じ大きさの微小光スポ
ットを試料上に形成することができ、常に安定に光音響
信号を検出することが可能となる。ＸＹステージ４９及
びＺステージ５０の構成−機能は第１の実施例と全く同
様である。

ＸＹステージ４９の位置信号とロックインアンプ４３か
らの出力信号は計算機４４で処理され、試料７上の各点
における光音響信号、即ち２次元の光音響画像がモニタ
ＴＶ等の表示器４５に出力される。

以上述べたように、本実施例では、Ｎｏ５Ｍにより試料
表面に１０ｎｍ程度の微小光スポットを形成し、この微
小光スポットにより生じた試料中の光音響効果に基づく
試料表面の変位を、Ｎｏ５Ｍチップで構成した干渉光学
系の干渉信号の変化として検出することを大きな特徴と
している。そして、本実施例によれば、試料の励起手段
としてＮ０３Ｍを用いることにより、試料表面を１０ｎ
ｍ程度の微小光スポットで励起することが可能となり、
光音響信号の横方向分解能が大幅に向上する。さらに、
光音響効果の検出に、Ｎ０８Ｍチップで構成したヘテロ
ダイン干渉光学系を利用することにより、検出感度が大
幅に向上する。また、検出した干渉信号を、比較器、ロ
ーパスフィルタを介することにより、Ｎ０３Ｍチップ・
試料間の比較的長時間にわたる距離制御信号として用い
ることが可能となり、凹凸のある試料に対しても安定に
光音響信号の検出ができる。

さらに、本実施例によれば、試料表面に反射率分布があ
る場合でも、その影響を受けることなく、安定に光音響
信号を検出することができる。

本発明の第６の実施例を第８図により説明する。

本実施例では、光音響検出光学系の構成は第８図に示す
第５の実施例と全く同じであるので、説明を省略する。

但し、本実施例では、信号切換器４２は端子Ｂに接続さ
れている。即ち、本実施例では第８図において、検出さ
れた反射光信号は、比較器４６に送られ、干渉信号を一
定にするような、即ち、Ｎｏ５Ｍチップ３６ａ　　・試
料間の距離を一定にするような制御信号がロックインア
ンプ４３に送られると同時に、ローパスフィルタ４７を
介して、ピエゾ素子３９駆動用の高圧増幅器４８に送ら
れる。即ち、本実施例では、この制御信号を、光音響効
果によって生じた試料や表面の微小変位検出信号として
いる。ここで、レーザ３１の変調周波数ｆ、は、第２の
実施例と同様、第５図に示すようにピエゾ素子３９の制
御が可能となる値に設定しておく必要がある。ロックイ
ンアンプ４３以降の処理は第５の実施例と同様であり、
最終的に２次元の光音響画像がモニタＴＶ等の表示器４
５に出力される。

本実施例によれば、変調周波数がある程度限定されるも
のの、第５の実施例と同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光音響信号検出装置において、励起手
段を近接光走査顕微鏡（Ｎ０３Ｍ）で構成することによ
り、１０〜１１００ｎの局所領域で光音響効果を発生さ
せることが可能となり、光音響信号の横方向分解能が大
幅に向上するという効果を有する。

また、本発明によれば、励起手段を近接光走査顕微鏡で
構成すると共に、光音響効果を検出する検出手段を走査
トンネル顕微鏡、あるいは近接光走査顕微鏡、あるいは
近接光走査顕微鏡を用いた光干渉計で構成することによ
り、光音響信号の横方向分解能と検出感度が大幅に向上
すると共に、表面に凹凸のある試料への適用も可能とな
り、試料の表面及び内部情報の高精度計測が実現できる
という効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１及び第２の実施例における光音響
検出光学系を示す図、第２図はＮ０３Ｍチップのタイプ
を示す図、第３図は第１．第３゜第５の実施例における
ローパスフィルタの周波数特性と検出信号のサンプリン
グ周波数及びレーザの変調周波数との関係を示す図。第
４図は凹凸のある試料に対しＮ０３Ｍチップが追従する
様子を示す図、第５図は第２．第４．第６の実施例にお
けるローパスフィルタの周波数特性と検出信号のサンプ
リング周波数及びレーザの変調周波数との関係を示す図
、第６図は本発明の第３及び第４の実施例における光音
響検出光学系を示す図、第７図はＮｏ５Ｍチップ・試料
間の間隙距離とＮ０３Ｍチップのアパーチャの透過光量
との関係を示す図、第８図は本発明の第５及び第６の実
施例における光音響検出光学系を示す図、第９図は光音
響効果の原理を示す図、第１０図は従来の光音響検出光
学系を示す図である。符号の説明１、　８．３１．８１．９１・・・レーザ２．３２．９
２・・・音響光学変調素子７・・・試料１３、８６．１０２・・・光電変換素子１６、４３・・
・ロックインアンプ１７、４４・・・計算機　　　　２１・・・光吸収領域
２２・・・熱拡散長　　　　　２３・・・熱拡散領域３
６ａ、　３６ｂ、　３６ｃ、　３６ｄ−Ｎ　ＯＳ　Ｍチ
ップ３９・−・ピエゾ素子　　　　４６・・・比較器〒
１図士ゴ図周テＵ丈５Ｇａ、５Ｇｂ、　５Ｇｃ、５ＧｄＮＯ５Ｍチノフ。〒４又文；ｉ、）−Ｎｔ）δ門す・７゜〒５図ｆｓ　ｆＬｆｃ周５皮数￥Ｊワ図間隙距離１５１１１１Ｂ図 ”Ａ３図２２−＋１シＪ＆ｆＬ衣２３−−−六月広ｆｌ領す八゛４１０図？−＠　Ｗｉｔ、チ支ＩＳｊ］免プアー越料１ｂ−−一ローノ′ノ１ノ１ノｒ１７−訂算誼

Claims

【特許請求の範囲】１、光源から得られる光を、所望の周波数で強度変調し
、該強度変調した光を試料上に集光して試料を励起し、
試料内部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光音響信号検出方
法において、該強度変調した光を試料上に集光する方法
として、近接光走査顕微鏡を用いることを特徴とする光
音響信号検出方法。２、上記光音響効果を検出する方法として、走査トンネ
ル顕微鏡を用い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、上記光音響効果を検出する方法として、近接光走査
顕微鏡で検出した試料表面からの反射光もしくは透過光
を用い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。４、上記光音響効果を検出する方法として、近接光走査
顕微鏡で構成した干渉計を用い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。５、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、変調された光を試料上に集光し試料を
励起する励起手段と、試料内部で発生した光音響効果を
検出する検出手段と、該検出手段により検出された検出
信号の中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、上記励起
手段として近接光走査顕微鏡を用いることを特徴とする
光音響信号検出装置。６、上記光音響効果を検出する検出手段として、走査ト
ンネル顕微鏡を用いることを特徴とする請求項５記載の
光音響信号検出装置。７、上記光音響効果を検出する検出手段として、近接光
走査顕微鏡で検出した試料表面からの反射光もしくは透
過光を用いることを特徴とする請求項５記載の光音響信
号検出装置。８、上記光音響効果を検出する検出手段として、近接光
走査顕微鏡で構成した干渉計を用いることを特徴とする
請求項５記載の光音響信号検出装置。