JPH049641A - 試料の超高速現象ならびに低周波熱波の同時測定方法 - Google Patents
試料の超高速現象ならびに低周波熱波の同時測定方法Info
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- JPH049641A JPH049641A JP11008590A JP11008590A JPH049641A JP H049641 A JPH049641 A JP H049641A JP 11008590 A JP11008590 A JP 11008590A JP 11008590 A JP11008590 A JP 11008590A JP H049641 A JPH049641 A JP H049641A
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
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。
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、固体表面の純度・結晶性、欠陥や種々の薄層
・薄膜等の非破壊的評価、あるいは半導体デバイスや金
属コーティングの非破壊的評価に関するものであり、ま
た、励起位置と検出位置を走査することにより、超高速
現象の信号の振幅あるいは低速の信号の振幅、位相等の
2次元像を得ることかてきる測定方法に関するものであ
る。
・薄膜等の非破壊的評価、あるいは半導体デバイスや金
属コーティングの非破壊的評価に関するものであり、ま
た、励起位置と検出位置を走査することにより、超高速
現象の信号の振幅あるいは低速の信号の振幅、位相等の
2次元像を得ることかてきる測定方法に関するものであ
る。
[従来の技術]
ピコ(10−12)秒、フェムト(xo−15)秒領域
の超高速現象を測定するためには、ポンプ・プローブ法
を用いた光学測定システムか広く使われている。
の超高速現象を測定するためには、ポンプ・プローブ法
を用いた光学測定システムか広く使われている。
C,Thomsen、 )1.T、Grahn、 H,
J、Maris and J、Tauc。
J、Maris and J、Tauc。
“Physical Review B、” vol1
4 p4129.1986の文献に記載されている超短
パルスレーザを用いた薄膜中の超音波の検出例かある。
4 p4129.1986の文献に記載されている超短
パルスレーザを用いた薄膜中の超音波の検出例かある。
他の例は電子の非平衡温度変化の検出である(文献基:
G、L、Eesley、”Physical Revi
ew Lett、。
G、L、Eesley、”Physical Revi
ew Lett、。
vol、51.p2140.1983) 、この他、固
体試料表面近傍領域の熱的特性が、このような超短時間
スケールて測定される(文献基:C,A、Paddoc
k and G、L。
体試料表面近傍領域の熱的特性が、このような超短時間
スケールて測定される(文献基:C,A、Paddoc
k and G、L。
Easley、”Journal of Applie
d Physics vol、60゜p285.19
86)。
d Physics vol、60゜p285.19
86)。
この場合、不透明な固体の熱的特性に関する情報を(D
t)l/2の浸透深さまて得ることがてきる。ここて、
Dは熱拡散率、tはポンプ光パルス到着後の時間である
。tの最大値はレーザパルスの繰返し周波数f1により
、t、aX=1/f1に制限される。S/N比を向上さ
せるためには、f+は大きな値(例えば100MH,)
が望ましく、t 1IaXはl Ons程度になる。典
型的な熱的絶縁体、例えば、D −” 2 X 10−
’rn’ / sの場合、約500人の最大浸透深さと
なる。
t)l/2の浸透深さまて得ることがてきる。ここて、
Dは熱拡散率、tはポンプ光パルス到着後の時間である
。tの最大値はレーザパルスの繰返し周波数f1により
、t、aX=1/f1に制限される。S/N比を向上さ
せるためには、f+は大きな値(例えば100MH,)
が望ましく、t 1IaXはl Ons程度になる。典
型的な熱的絶縁体、例えば、D −” 2 X 10−
’rn’ / sの場合、約500人の最大浸透深さと
なる。
第1図はフェムト秒あるいは、ピコ抄領域のパルス幅の
パルスレーザな使って不透明物質の超短時間スケールの
超音波、熱的あるいは電子的特性の測定を行う従来技術
の例である。
パルスレーザな使って不透明物質の超短時間スケールの
超音波、熱的あるいは電子的特性の測定を行う従来技術
の例である。
レーザ3からのビームは、ビームスプリッタ6によりポ
ンプビーム4とプローブビーム5に分割される。前記ポ
ンプビーム4はレンズ8で試料7上にフォーカスされる
。また、遅延光路9を通った前記プローブビーム5は、
レンズlOで試料7上にフォーカスされ、前記試料7か
ら反射し、さらにレンズ11を通り広帯域(チョッピン
グ周波数fより大きい)フォトディテクタ1に当たる。
ンプビーム4とプローブビーム5に分割される。前記ポ
ンプビーム4はレンズ8で試料7上にフォーカスされる
。また、遅延光路9を通った前記プローブビーム5は、
レンズlOで試料7上にフォーカスされ、前記試料7か
ら反射し、さらにレンズ11を通り広帯域(チョッピン
グ周波数fより大きい)フォトディテクタ1に当たる。
チョッパ12は前記ポンプビーム4の光路中に配置され
、ロックインアンプ13て同期検波されることにより、
試料の超高速現象検出のためのS/N向上を図る。
、ロックインアンプ13て同期検波されることにより、
試料の超高速現象検出のためのS/N向上を図る。
チョッピング周波数fは、パルスレーザの繰返し周波数
f、より小さいように選ばれる。機械的に前記遅延光路
を走査し、前記フォトディテクタ1の出力を検出するこ
とにより、遅延時間の関数としてデータを得ることがで
きる。
f、より小さいように選ばれる。機械的に前記遅延光路
を走査し、前記フォトディテクタ1の出力を検出するこ
とにより、遅延時間の関数としてデータを得ることがで
きる。
ポンプビーム4からの漏れ光の影響が問題となるような
場合は、よく知られた交叉偏光法あるいは、異った波長
のポンプビームとプローブビームにより前記の影響を除
去できる。
場合は、よく知られた交叉偏光法あるいは、異った波長
のポンプビームとプローブビームにより前記の影響を除
去できる。
より大きな浸透深さをもつ不透明物体の熱的特性を測定
するために、これより長い時間スケールが必要である。
するために、これより長い時間スケールが必要である。
CWレーザ励起と検出を用いた熱波法は、W、L。
Sw: th 、A、Rosencwaig、D、L、
Willenborg、J、0psaland M、W
+Taylor″5olid 5tate Techn
ology 、vol。
Willenborg、J、0psaland M、W
+Taylor″5olid 5tate Techn
ology 、vol。
29、p85,1985に記載されている。ここでは、
周波数fてチョップされるレーザビームは試料上でフォ
ーカスされ、試料表面の温度変化に関係する表面傾斜、
すなわち反射率の変化か第2のレーザビームで検出され
る。傾斜の変化の場合は1反射ビームの方向変化となり
、前記反射ビームの方向変化は、ハイセルフオドディテ
クタを用いて検出することかてきる。ここて、前記パイ
セルフオドディテクタは2ケの光検出器て構成されてい
る。
周波数fてチョップされるレーザビームは試料上でフォ
ーカスされ、試料表面の温度変化に関係する表面傾斜、
すなわち反射率の変化か第2のレーザビームで検出され
る。傾斜の変化の場合は1反射ビームの方向変化となり
、前記反射ビームの方向変化は、ハイセルフオドディテ
クタを用いて検出することかてきる。ここて、前記パイ
セルフオドディテクタは2ケの光検出器て構成されてい
る。
この実験の時間スケールは1/fオーターてあり、試料
の熱的特性は約(D / f ) l/2の浸透深さま
で測定できる。例えば、f=IMH,の場合、典型的な
熱的絶縁体に対して5000人の浸透深さとなる。
の熱的特性は約(D / f ) l/2の浸透深さま
で測定できる。例えば、f=IMH,の場合、典型的な
熱的絶縁体に対して5000人の浸透深さとなる。
[発明か解決しようとする課題]
単一の光学系を用いて、不透明固体試料の中て広範囲の
浸透深さに対して、従来、熱的特性を測定することは困
難てあった。
浸透深さに対して、従来、熱的特性を測定することは困
難てあった。
本発明の主な目的は、単一の光学系を用いて、不透明固
体試料の中て、広範囲の浸透深さに対して、熱的特性を
測定する方法を提供するものてある。
体試料の中て、広範囲の浸透深さに対して、熱的特性を
測定する方法を提供するものてある。
[課題を解決するための手段・]
本発明は、パルスレーザポンプ・ブロー、ブ測定系を用
いて、同曲に超短時間スケールの超音波、熱的あるいは
電子的特性と、これより長い時間スケールの熱的特性を
測定することを特徴とする。
いて、同曲に超短時間スケールの超音波、熱的あるいは
電子的特性と、これより長い時間スケールの熱的特性を
測定することを特徴とする。
基本的構成は、試料な動起するためのチョップされたポ
ンプビームと1反射率あるいは透過率の変化を測定する
もう一つりプローブビームとを用いた。パルスレーザポ
ンプ・プローブ光学系“Cある。前記プローブパルスの
到着時間は遅延光路を用いて調整される。
ンプビームと1反射率あるいは透過率の変化を測定する
もう一つりプローブビームとを用いた。パルスレーザポ
ンプ・プローブ光学系“Cある。前記プローブパルスの
到着時間は遅延光路を用いて調整される。
試料の超短曲間スケールの特性は、前記ポンプパルスて
助起した後、試料に到着する前記プローブパルスの強度
変化から測定される。これより長い時間スケールのチョ
ッピング周期程度の熱的特性測定は、前記プローブビー
ムの強度変化の測定、または前記プローブビームの角度
変化の測定により行われる。尚、遅延光路ばポンプビー
ムより進んている。
助起した後、試料に到着する前記プローブパルスの強度
変化から測定される。これより長い時間スケールのチョ
ッピング周期程度の熱的特性測定は、前記プローブビー
ムの強度変化の測定、または前記プローブビームの角度
変化の測定により行われる。尚、遅延光路ばポンプビー
ムより進んている。
[作用及び実施例]
本発明は、レーザのパルス幅から1./f、まての時間
スケールの超高速特性のみならず、l // fオーダ
ーの曲間スケ〜ルの熱的特性を測定するために、第1図
に示したような装置構成を使う方法に関するものである
(但1)、f、はレーザパルスの繰返し・周波数、fは
レーザなチョップする周波数)。
スケールの超高速特性のみならず、l // fオーダ
ーの曲間スケ〜ルの熱的特性を測定するために、第1図
に示したような装置構成を使う方法に関するものである
(但1)、f、はレーザパルスの繰返し・周波数、fは
レーザなチョップする周波数)。
試料の反射率は、 一般にその温度に関係し、温度変化
は試料の反則+変化を測定するごとにより測定てきる。
は試料の反則+変化を測定するごとにより測定てきる。
遅延光路が負の遅延で1. / f 、と較べて小さい
なら、プローブパルスはポンプパルス到着より前に試料
に当たる“(あろう。f、かfより充分大きい場合、フ
ォトディデクタからの周波数fの信号の振幅と位相は、
試料表面近傍における、この周波数成分の温度変化の平
均値のみに関係する。この温度変化は(D / f )
l/2オーダーの浸透深さの試料の熱的特性に関係し
ている。従って、熱拡散率、熱伝導率、あるいは比熱等
の変化は検出される信号の振幅あるいは位相の変化をも
たらす。
なら、プローブパルスはポンプパルス到着より前に試料
に当たる“(あろう。f、かfより充分大きい場合、フ
ォトディデクタからの周波数fの信号の振幅と位相は、
試料表面近傍における、この周波数成分の温度変化の平
均値のみに関係する。この温度変化は(D / f )
l/2オーダーの浸透深さの試料の熱的特性に関係し
ている。従って、熱拡散率、熱伝導率、あるいは比熱等
の変化は検出される信号の振幅あるいは位相の変化をも
たらす。
この他、(D/f)””オーダー、またはそれ以1の膜
の厚さの変化も検出できる。
の厚さの変化も検出できる。
周波数fは、試料の深さの関数である熱的特性を114
定するために変えることかてきる。試料の超短時間スケ
ールの反射率の変化は1/f、の時間でモ衡状態、つま
りポンプ光照射前の状態に戻れば、本方法を適用できる
。
定するために変えることかてきる。試料の超短時間スケ
ールの反射率の変化は1/f、の時間でモ衡状態、つま
りポンプ光照射前の状態に戻れば、本方法を適用できる
。
第2図は、第1図の装置構成を使っ′C21psのパル
ス幅、76MH,の繰返し周波数のレーザ“乙チョッピ
ング周波数f=195kH,とじた場合の、反射率変化
に比例する信号の振幅のX験データである。
ス幅、76MH,の繰返し周波数のレーザ“乙チョッピ
ング周波数f=195kH,とじた場合の、反射率変化
に比例する信号の振幅のX験データである。
サファイア基板上のアモルファスゲルマニウムの100
0人圧の薄膜か試料として使われた。
0人圧の薄膜か試料として使われた。
負の遅延では、peak−to−peakの相対的反射
率変化(δR/R)twは、i/fm5Btsオーダー
の時間スケ−・ルて試料の温度変化に起因しでいる。
率変化(δR/R)twは、i/fm5Btsオーダー
の時間スケ−・ルて試料の温度変化に起因しでいる。
正の遅延では5超短時間スケールの反JN率変化か測定
てきる。この例では、psオーダー=である。
てきる。この例では、psオーダー=である。
例えば、薄膜/基板との界面からの超音波エコーは、超
短時間スケールの温度変化に起因する緩和現象とともに
検出される。これらの変化は、より長い時間スケールの
信号(δR/R)twに重畳されている。
短時間スケールの温度変化に起因する緩和現象とともに
検出される。これらの変化は、より長い時間スケールの
信号(δR/R)twに重畳されている。
正の遅延の場合、重畳された信号は超短時間スケールの
膜の超音波、熱的、電子的特性に関係していて、例文ば
、基板の熱的特性には関係していない。これに反して、
より長い時間スケールの変化は、より大きな侵透深さゆ
えに、基板の熱時特性に関係している。
膜の超音波、熱的、電子的特性に関係していて、例文ば
、基板の熱的特性には関係していない。これに反して、
より長い時間スケールの変化は、より大きな侵透深さゆ
えに、基板の熱時特性に関係している。
第1図の装置構成を使うと、超短時間スケールの超音波
、熱的あるいは電子的特性とともに、長時間スケールの
物質の熱的特性を測定することか可能である。超短時間
スケールの超音波、熱的あるいは電子的信号は(δR/
R)twを減算することにより、より長い時間スケール
の信号から分離できる。
、熱的あるいは電子的特性とともに、長時間スケールの
物質の熱的特性を測定することか可能である。超短時間
スケールの超音波、熱的あるいは電子的信号は(δR/
R)twを減算することにより、より長い時間スケール
の信号から分離できる。
本発明は、反斜面の幾何学的配置に制限されない。透過
面の幾何学的配置は光を透過する試料に対しても有効で
ある。
面の幾何学的配置は光を透過する試料に対しても有効で
ある。
この場合、超短時間スケールの影響は試料表面近傍に限
らない。本方法は、試料の一方の面から励起し、他の面
から計測する方法も含めて、ポンプとプローブビームの
任意の入射角に対しても適用できる。
らない。本方法は、試料の一方の面から励起し、他の面
から計測する方法も含めて、ポンプとプローブビームの
任意の入射角に対しても適用できる。
長時間の熱の影響を検出するために、ハイセルフオドデ
ィテクタを使ってビームの方向変化を測定することも可
能である。
ィテクタを使ってビームの方向変化を測定することも可
能である。
尚、パイセルフオドディテクタの両者のパワーの和を超
短時間スケールの測定に使い、前記パイセルフオドディ
テクタの両者のパワーの差をより長い時間スケールの測
定に使う。
短時間スケールの測定に使い、前記パイセルフオドディ
テクタの両者のパワーの差をより長い時間スケールの測
定に使う。
[発明の効果]
単一の光学系を用いて、試料の広範囲な浸透深さに対し
て、厚さあるいは熱的特性を測定することが可能となる
とともに、超短時間の電子あるいは超音波の特性を検出
することが可能となる。
て、厚さあるいは熱的特性を測定することが可能となる
とともに、超短時間の電子あるいは超音波の特性を検出
することが可能となる。
第1図は、ポンプビームによって誘起される反射率の超
高速変化の測定のための従来技術であるポンプビーム光
学系の構成図である。 第2図はサファイア基板上の厚さ1000人のアモルフ
ァスゲルマニウム薄膜試料の遅延時間と反射率の相対的
変化の関係を示す図である。 図中、 1:フォトディテクタ 3:レーザ 4:ポンプビーム 5ニブローブビーム 6:ビームスプリッタ 7:試料 8.10.11 +レンズ 9:遅延光路 12:チョッパ 13ニロツクインアンフ゛ 代理人 弁理士 1)北 嵩 晴
高速変化の測定のための従来技術であるポンプビーム光
学系の構成図である。 第2図はサファイア基板上の厚さ1000人のアモルフ
ァスゲルマニウム薄膜試料の遅延時間と反射率の相対的
変化の関係を示す図である。 図中、 1:フォトディテクタ 3:レーザ 4:ポンプビーム 5ニブローブビーム 6:ビームスプリッタ 7:試料 8.10.11 +レンズ 9:遅延光路 12:チョッパ 13ニロツクインアンフ゛ 代理人 弁理士 1)北 嵩 晴
Claims (2)
- (1)レーザから出射されるパルス光のポンプビームと
、同一レーザから出射され、ビームスプリッタにより分
割されたプローブビームと、相互作用した後、前記のプ
ローブビームの強度変化、または試料と相互作用した後
の前記プローブビームの方向変化を検出するフォトディ
テクタと、前記ポンプビームの強度を特定の周波数で変
調するチョッパと、前記プローブビームの遅延光路とを
使用して、正及び負の遅延により、前記フォトディテク
タのチョッピング周波数成分の信号を測定し、超短時間
スケールの超音波、熱的あるいは電子的特性と、これよ
り長時間スケールの物質の熱的特性を、ぞれぞれ同時に
測定することを特徴とする測定方法。 - (2)レーザから出射されるパルス光のポンプビームと
、同期励起された別のレーザから出射されるビームスプ
リッタにより分割されたプローブビームと、相互作用し
た後、前記プローブビームの強度変化、または試料と相
互作用した後の前記プローブビームの方向変化を検出す
るフォトディテクタと、前記ポンプビームの強度を特定
の周波数で変調するチョッパと、前記プローブビームの
遅延光路とを使用して、正及び負の遅延により、前記フ
ォトディテクタのチョッピング周波数成分の信号を測定
し、超短時間スケールの超音波、熱的あるいは電子的特
性と、これより長時間スケールの物質の熱的特性を、ぞ
れぞれ同時に測定することを特徴とする測定方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11008590A JPH049641A (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 試料の超高速現象ならびに低周波熱波の同時測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11008590A JPH049641A (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 試料の超高速現象ならびに低周波熱波の同時測定方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH049641A true JPH049641A (ja) | 1992-01-14 |
Family
ID=14526650
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11008590A Pending JPH049641A (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 試料の超高速現象ならびに低周波熱波の同時測定方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH049641A (ja) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1990
- 1990-04-27 JP JP11008590A patent/JPH049641A/ja active Pending
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