JPH0495854A

JPH0495854A - 熱膨張振動を用いた試料評価方法

Info

Publication number: JPH0495854A
Application number: JP2213052A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takamatsu; 弘行高松; Yoshiro Nishimoto; 善郎西元
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1990-08-10
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1992-03-27
Anticipated expiration: 2013-04-02
Also published as: JP2735368B2

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］本発明は試料に周期的に強度変調した励起光を照射し、
これにより生じる試料表面の熱膨張振動を測定して試料
の欠陥等を評価する試料評価方法に関する。

〔従来技術〕

試料に周期的に強度変調した励起光を照射すると、試料
はこの光の吸収により発熱し、これにより熱膨張する。

照射光は周期的に強度変調しているため１発熱による試
料の温度変化は周期的となり、試料は熱膨張振動をおこ
す。これらの熱応答を計測することにより試料を評価す
る手法は光音響計測技術として知られている。

第３図はマイケルソン型レーザ光干渉法により試料の熱
膨張振動を計測する手法を示したものである（Ｍｉｒａ
ｎｄａ、ＡＰＰＬＩＤ　０ＰＴＩＣ５Ｖｏｌ、２２．Ｎ
ｏ１８．Ｐ２８８２（１９８３））。ここに６１は被測
定試料、６２は試料に熱膨張振動を与えるための励起光
源であり、チョッパー６３により励起光源６２からの光
を強度変調し、試料６１に照射する。この熱膨張振動を
レーザ光干渉法により計測する。そのために測定用レー
ザ６４からの光を半透鏡６５で１分し方を、試料の熱膨
張測定点に、他方を空間的に固定した鏡６６に照射させ
、これらからの反射光を干渉させ光１ｉ変換器６７で受
光する。光電変換器６７からの電気出力Ｅは次式で示さ
れる。

Ｅ＝Ｃ，＋Ｃｚ　ｃｏｓ（Ｐ（ｔ）＋φ）・　（１）こ
こで、Ｃ，、Ｃ，及びφは試料６１や干渉計の構成や光
電変換係数等に依存する定数、ｐ（ｔ）は励起光照射に
よる熱膨張振動による試料の表面変位による位相変化で
あり、この計測により試料の熱膨張振動（位相φ及び振
幅Ｌ）を計測し、試料の熱弾性的性質を評価するように
なっている。

第４図は反射率計測法に基づく手法である（特開昭６ｌ
−２０４６）、励起レーザ３０からの光を変調器３２に
より周期的に強度変調して試料２２に照射し、試料に周
期的温度変化を与える。この温度変化が試料に光反射率
の周期的な変化をもたらす。この反射率の変化を検出す
るために測定用レーザ５０を、試料の温度変化計測点（
本図においては励起レーザ照射点と同位置）にミラー３
６を通して照射し、その反射光を光検出器５６で検出す
る。この出力から信号処理回路５８により。

反射率の変化を求めるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前者のマイケルソン型レーザ光干渉により試料の熱膨張
を計測する手法では、前記式（１）における定数Ｃ，，
Ｃ，の外乱による変化が測定精度を低下させる。

例えば励起光照射による試料の温度変化およびプラズマ
（電子、ホール）密度の変化（半導体試料の場合）によ
り試料の反射率が変化する場合がある。この場合、干渉
光の信号は１反射率変化に伴う外乱信号を含んでいるこ
とになり、干渉光の信号から真の熱膨張信号を計測でき
ない。

また、後者の反射率計測法に基づく手法は、試料の温度
変化、プラズマ密度変化の計測であるため、試料の熱膨
張率等の熱弾性的性質を得ることができない、また熱拡
散長内の情報しか獲られないため、試料深部を評価でき
ないという欠点がある。更に基本的に温度変化にたいし
て１反射率が変化する試料しか適用できない。

従って本発明が目的とするところは、試料の温度変化、
プラズマ密度の変化等による試料の反射率の変化といっ
た外乱の影響を受けず、試料の真の熱膨張振動を計測す
ることのできる熱膨張振動による試料評価方法を提供す
ることである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために９本発明は、試料に周期的（
周波数二Ｆ）に強度変調した励起光を照射し、これによ
って生じる試料表面の熱膨張振動を測定して試料を評価
する方法において、前記励起光照射によって熱膨張振動
を生じる試料表面位置に、振動周波数Ｆ、なる測定光（
ビーム１）を照射し、その反射光と振動周波数Ｆ！なる
参照光（ビーム２）を干渉させ、上記干渉光を光電変換
した電気信号Ｅを得た後、上記電気信号Ｅのビート波信
号Ｅｌ（ビート周波数：Ｆｂ　　（Ｆｂ　＝Ｆ。

Ｆ２））を取り出し、上記ビート波信号Ｅ１を２値化処
理して２（１信号Ｅｘに変換し、上記２値信号Ｅ２から
時間τ遅延した遅延信号Ｅ、を生成し、上記２値信号Ｅ
２と上記遅延信号Ｅ、とを乗算して得た乗算信号Ｖ、か
ら周波数Ｆに関する信号成分Ｖ０を抽出し、この信号成
分Ｖ、の振幅及び位相により試料を評価することを特徴
とする熱膨張振動を用いた試料評価方法として構成され
ている。

〔実施例〕

続いて第１図、第２図を参照して本発明を具体化した実
施例につき説明する。

ここに第１図は一実施例装置のブロック図、第２図は試
料の内部欠陥を検出する手法の概念図である。

尚、以下の実施例は本発明を具体化した一例にすぎず１
本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

第１図に示す如く、試料４に熱膨張振動をあたえる励起
レーザとして半導体レーザ１が用いられる。同半導体レ
ーザ１への注入を流の変化により励起光を周波数Ｆで強
度変調し、ダイクロイックミラー２で反射させ、レンズ
３で集光し、試料４に照射する。

試料４は、この周期的な光照射により１周期的な加熱を
うけ、熱膨張振動をおこす。この熱膨張振動を次に述べ
るレーザ光干渉法で計測する。

測定用レーザとして、Ｈｅ−Ｎｅレーザ５が用いられる
。この出射光を周波数シフター６により偏光面が互いに
直交し周波数差がＦｂ　（ビート周波数）なる測定光（
ビーム１：周波数Ｆ、）、参照光（ビーム２：周波数Ｆ
ｚ）を生成する。

これらの光を偏光ビームスプリンタフにより２つに分け
、ビーム１をダイクロイックミラー２を透過させ、レン
ズ３で集光し、試料４に照射しビーム２をミラー８に照
射する。ビーム１の試料４からの反射光は、ス波長板９
を通過後、偏光面が９０度変化するため、偏光ビームス
プリンタ７で、今度は反射する。同様にビーム２のミラ
ー８からの反射光は偏光ビームスプリンタフを透過する
。これらのレーザ光は直交しているため偏光板１０を透
過させることにより、これらのビームを干渉させ、この
干渉光を光電変換器１１で受光する。

光電変換器１１からの出力Ｅ　（を気信号）をフィルタ
１２を通し干渉光におけるビート波信号Ｅ。

を取り出す。このビート波信号Ｅ１はＥ　　＝ＡｃｏｓＣ２ｘＦ、　ｔ＋Ｐ（ｔ）十φ（２）
）・・・（２）で与えられる。ここでＡは試料２干渉光学系等に依存す
る係数（（１）式のＣ７に相当）、Ｐ（ｔ）は試料の熱
膨張振動によるビーム１０位相変化φ（１）はＰ（ｔ）
が零のとき（熱膨張振動がないとき）のビーム１．ビー
ム２間の光路長差による位相差である。

尚、φ（１）は外乱振動等により時間とともに変動する
が、一般にこの変動の周波数は低周波数（数十上以下）
である。

そして、試料の振動の振幅をり９位相をｑとするとＰ（
ｔ）は。

λ で与えられる。

前述のように、（２）式右辺の係数Ａは試料の温度変化
、プラズマ密度変化に伴って変化する試料の反射率に影
響されるので、これが変動する場合ノイズとなり正確に
熱膨張振動を計測することができない。

そこで　上記ビート波信号Ｅ、の値を零レベル（しきい
値）と比較し、Ｅｌが零レベル以上ならＥ、＝Ｖ、Ｅ、
が零レベル以下ならＥ、＝−Ｖとなるようにコンパレー
タ１３で２値化による波形変換を行う。尚、■は予め決
定された設定値である。

この波形変換後の２値信号ＥｔはＥ２　　＝　　　　ｃｏｓ（２ｔ　Ｆｂｔ＋Ｐ（ｔ）＋
φ（２））π ＋（高周波成分）・・・（４）となる。上記２植体号Ｅｘは上記係数Ａをふくまないた
め、試料４や干渉光学系等の種類に左右されることがな
い。

一般に、光学干渉計は空気の揺らぎや外乱振動等の影響
を受は易くこれがノイズとなり、　（２）式、　（４）
式における位相φ（１）に時間的変動をもたらす、従っ
て、φ（１）が変動すると、安定に試料の熱膨張振動を
計測することができない。

そこで２本実施例では、まず上記２植体号Ｅ２を遅延回
路１４に入力し、上記２植体号Ｅ２から時間τ分遅延さ
せた遅延信号Ｅ、を生成させる。

この遅延信号Ｅ、は次の（５）式に表される。

ｖＥｓ＝　　−ｃｏｓ（２ｇＦ、（ｔ−ｒ）＋Ｐ（ｔ−ｒ
）π 十φ（ｔ−τ））＋（高調波成分）　　・・・（５）上
記遅延回路１４における遅延操作は、２（１信号Ｅ、が
零になった時をトリガとして行われる。

即ち、上記遅延回路１４としてはゲート回路によるパル
ス発生回路や遅延線等を用いることにより実現すること
ができる。

尚、上記遅延時間τは上記変調信号の周波数Ｆ。

ビート周波数Ｆ、及び試料特性に基づいて設定される。

そして１乗算器１５によって上記２植体号Ｅアと遅延信
号Ｅ、とが乗算され乗算信号■、が得られる。この乗算
信号■、は次の（６）式で表される。

Ｖ、＝Ｒｃｏｓ（２ｘＦｍ（２ｔ　−ｒ）＋Ｐ（ｔ）＋
Ｐ（ｔ　−ｒ）＋φ（１＞＋φ（ｔ　−ｒ））＋Ｒｃｏ
ｓ（２＋ｒＦｍｒ　＋Ｐ（ｔ）−Ｐ（ｔ−τ）十φ（１
）−φ（を−τ））　・・・（６）ただし、Ｒ＝２Ｖ／
π 尚、（６）式において（５）式までの高調波成分の記載
が省略されているが、これは後述する周波数Ｆに関する
信号成分を抽出する際の説明を容易にするためであって
、実際上も例えばフィルタ処理を適用することによって
上記高調波成分を除去し得る。

そして、上記位相差φＤ）は、先述したように、比較的
低周波で変動しその変動の周期が比較的長い、従って、
上記遅延回路１４によって設定された遅延時間τが上記
変動の周期よりも十分小さい時（例えばτが数ミリ秒以
下のとき）１時刻計における位相差φ（１）と時刻（を
−τ）における位相差φ（ｔ−τ）は極めて近位すると
仮定され９次の（７）式が成立する。

φ（１）−φ（ｔ−τ）−０・・・（７）そこで、上記
（６）式の乗算信号■、は次式で表される。

Ｖ１１＝Ｒｃｏｓ（２ｘ　Ｆｂ（２ｔ　−ｒ　）　＋Ｐ
（ｔ）　＋Ｐ（ｔ　−ｒ　）＋２φ　（ｔ　）　）　＋
Ｒｃｏｓ（２πＦｂτ十〇（２））・・・（８）（８）式において。

Ｑ（ｔ）＝Ｐ（ｔ）−Ｐ（を−τ）＝Ｓｃｏｓ（２ｘＦｔ−πＦｒ＋ｑ）　　−（９１また
。

λ である。

即ち、２植体号Ｅアと遅延信号Ｅｆｆの乗算によって位
相差φ（ｔ）、φ（Ｌ−τ）が相殺された信号成分を生
じさせることができる。

次に、（８）式の乗算信号■、・から周波数Ｆをもつ信
号成分■。が抽出される。上記信号成分ｖ０の抽出操作
は、レベルの小さな信号を扱う上で好適とされる同期検
波器１６を用いて行われ、該同期検波器１６への参照信
号として周波数Ｆの変調信号が適用される。尚、上記同
期検波器１６に替えて周波数解析器、帯域ろ波器等を利
用することも可能である。

ここで、（８）式の右辺第１環は主周波数（２Ｆ、）に
関する信号成分を意味し、同第２項は主周波数（Ｆ）に
間する信号成分を意味する。即ち、上記第１項と第２項
の各信号成分はそれぞれ周波数体系が異なるので、上記
乗算信号Ｖｍからいずれかの信号成分を容易に抽出する
ことができる。

そこで、Ｌ（λのとき、上記右辺第２項は以下のように
展開され得る。

（８）式右辺第２項−Ｒｃｏｓ　（２ｔ　Ｆｈ　ｒ＋Ω
（【））＝ＲＣＯ３（２Ｋ　Ｆｂ　ｒ　＋５ｃｏｓ（２
ｉ　Ｆｔ　−ｘ　Ｆ　ｒ　＋ｑ））＝Ｒｃｏｓ（２ｚ　
Ｆｈ　ｒ　）ｃｏｓ（Ｓｃｏｓ（２ｘ　Ｆｔ　−ｘ　Ｆ
　ｒ　＋ｑ））Ｒｓｒｎ＜２ｘＦｈ　ｒ）ｓｉｎ（Ｓｅ
ａｓ（２ｒＦｔ−ｗＦ　ｒ　＋ｑ））ｚＲｃｏｓ（２ｒ
Ｆｂｒ）・　（１−２Ｊｚ（Ｓ）ｃｏｓ（２（２ｇＦｔ
πＦτ十ｑ）））＋Ｒ５１ｎ（２Ｋ　Ｆｂ　ｒ　）　・（Ｓｃｏｓ（２ｇ
　Ｆｔ　−ｔｔ　Ｆ　ｒ　＋ｑ））・・・ＯＤここで、　　Ｊｚ　　（Ｓ）は２次のベッセル関数であ
る。

そして、　００式において周波数Ｆをもつ信号成分■。

は右辺第２項であって、当該右辺第２項が同期検波器１
６において抽出される。即ち、上記信号成分■。は次式
として表される。

Ｖ、＝Ｒｓｉｎ（２ｘ　Ｆｂ　ｒ　）　・（Ｓｃｏｓ（
２ｘ　Ｆｔ　−ｔｔ　Ｆ　ｒ　十ｑ））・・・Ｏｚ０り式によれば、信号成分ｖ０は、上記係数Ａや位相差
φ（１）を含んでいないので、試料や干渉光学系等の種
類に依存することがなく、空気の揺らぎや外乱振動等に
よるノイズの影響を受けることがない。

従って１本実施例方法によれば、上記信号成分■、を安
定して計測することができ、これにより上記熱膨張振動
（振幅１位相）を高精度に計測することが可能になる。

尚１本実施例方法において、信号成分Ｖ０の振幅１位相
は、　０２１式から明らかなように、遅延時間τによっ
て変化するため、この遅延時間τの設定には注意を要す
る。又２位相測定機能を有しない同期検波器やその他の
フィルタ回路を用いた場合には、２種以上の遅延時間τ
による信号成分■。

の振幅値より試料の熱膨張振幅り２位相ｑを求めること
もできる。

又、上記した実施例において１乗ＸＨ１５からの乗算信
号■、より抽出される周波数Ｆに関する信号成分■。と
じては、　（Ｉｔ）式右辺第２重の周波数Ｆに係る信号
成分を抽出したが、これに限定されず、同右辺第１項の
周波数２Ｆに係る信号成分を抽出してもよい。ただし、
この場合には、同期検波器１６において、この周波数と
、参照となる変調信号の周波数とを同期させる手段を別
途構しなければならない。

第２図に試料の内部欠陥の検出方法を示す、即ち、同図
は試料の表面に熱膨張信号を誘起するレーザ光を照射さ
せ、熱膨張振動による歪波を試料の背面あるいは照射点
から離れた地点で検出する構成を示している。この場合
、検出される振動には１弾性波伝搬中の情報（弾性的特
性）が含まれており、試料内部の欠陥１表面クラックの
等が検出され得る。前記従来の反射率計測法では、励起
光の熱拡散長内の情報しか得られないため、このような
評価を行うことはできない。

〔発明の効果〕

本発明は２以上述べたように、試料に周期的（周波数二
Ｆ）に強度変調した励起光を照射し、これによって生じ
る試料表面の熱膨張振動を測定して試料を評価する方法
において、前記励起光照射によって熱膨張振動を生じる
試料表面位置に、振動周波数Ｆ１なる測定光（ビーム１
）を照射し。

その反射光と振動周波数Ｆ２なる参照光（ビーム２）を
干渉させ、上記干渉光を光電変換した電気信号Ｅを得た
後、上記電気信号Ｅのビート波信号Ｅｌ　　（ビート周
波数：Ｆｂ（Ｆｂ＝Ｆ＋　　Ｆ２））を取り出し、上記
ビート波信号Ｅ、を２値化処理して２値信号Ｅ、に変換
し、上記２植体号Ｅ２から時間τ遅延した遅延信号Ｅ、
を生成し、上記２植体号Ｅ２と上記遅延信号Ｅ、とを乗
算して得た乗算信号Ｖｍから周波数Ｆに関する信号成分
Ｖ０を抽出し、この信号成分Ｖ０の振幅及び位相により
試料を評価することを特徴とする熱膨張振動を用いた試
料評価方法であるから、試料の温度変化又はプラズマ密
度の変化等に伴う反射率の変化により生じる測定光の振
幅変化の影響がキャンセルされる。それにより、試料の
真の熱膨張振動を計測することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る評価方法の実施に使用
する装置を示すブロック図、第２図は試料の内部欠陥の
検出方法を示す概念図、第３図は従来の熱膨張振動を計
測する手法の概念図、第４図は従来の反射率計測法に基
づく試料評価手法を示す概念図である。〔符号の説明〕１・・・励起レーザ２・・・ダイクロイックミラー３・・・レンズ５・・・測定用レーザ７・・・偏光ビームスプリンタ８・・・参照ミラー９・・・×波長板１１・・・充電変換器１３・・・コンパレータ１５・・・乗算器６・・・周波数シフタ４・・・試料１０・・・偏光板１２・・・フィルタ１４・・・遅延回路１６・・・同期検波器

Claims

【特許請求の範囲】１、試料に周期的（周波数：Ｆ）に強度変調した励起光
を照射し、これによって生じる試料表面の熱膨張振動を
測定して試料を評価する方法において、前記励起光照射によって熱膨張振動を生じる試料表面位
置に、振動周波数Ｆ＿１なる測定光（ビーム１）を照射
し、その反射光と振動周波数Ｆ＿２なる参照光（ビーム
２）を干渉させ、上記干渉光を光電変換した電気信号Ｅを得た後、上記電
気信号Ｅのビート波信号、Ｅ＿１（ビート周波数：Ｆ＿
ｂ（Ｆ＿ｂ＝Ｆ＿１−Ｆ＿２））を取り出し、上記ビー
ト波信号Ｅ＿１を２値化処理して２値信号Ｅ＿２に変換
し、上記２値信号Ｅ＿２から時間τ遅延した遅延信号Ｅ＿３
を生成し、上記２値信号Ｅ＿２と上記遅延信号Ｅ＿３とを乗算して
得た乗算信号Ｖ＿ｍから周波数Ｆに関する信号成分Ｖ＿
０を抽出し、この信号成分Ｖ＿０の振幅及び位相により
試料を評価することを特徴とする熱膨張振動を用いた試
料評価方法。