JPH0617864B2 - 熱膨張振動を用いた試料評価方法 - Google Patents

熱膨張振動を用いた試料評価方法

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JPH0617864B2
JPH0617864B2 JP2070967A JP7096790A JPH0617864B2 JP H0617864 B2 JPH0617864 B2 JP H0617864B2 JP 2070967 A JP2070967 A JP 2070967A JP 7096790 A JP7096790 A JP 7096790A JP H0617864 B2 JPH0617864 B2 JP H0617864B2
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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、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(Miranda,A
PPLID OPTICS vo122,No18,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で二分し、一方を、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電変換器6
7で受光する。光電変換器67からの電気出力Eは E=C+Ccos(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、λは測定用レーザの波
長である。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。第4図は反射率計測法に基
づく手法である(特開昭61−2046)。励起レーザ
30からの光を変調器32に周期的に強度変調し試料2
2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36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。
〔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
の変化が外乱として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、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、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本発明は、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
(ビート周波数:F(F=F−F))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値信号Eから周波数F−F
あるいはF+Fの成分を抽出し、この成分の振幅及び
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、
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用いられる。同レーザ1へ
の注入電流の変化により、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、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レーザが用いられる。
この出射光を周波数シフター6により互いに直交し周波
数差がFなる測定光(ビーム1)、参照光(ビーム
2)を生成する。これらの光を偏光ビームスプリッタ7
により2つに分け、ビーム1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、1/4波長板9を通過後、偏光面が90度変化する
ため、偏光ビームスプリッタ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
リッタ7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を透過さすことにより、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V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。
は E=Acos(2πFt+P(t)+φ)…(2) で与えられる。ここでAは試料、干渉光学系等に依存す
る値((1)式のCに相当)、P(t)は試料の熱膨張
振動によるビーム1の位相変化、φはP(t)が零のとき
のビーム1、ビーム2間の光路長差による位相差であ
る。試料の振動の振幅をL、位相をPとするとP(t)は で与れられる。ここでL<<λのときEの周波数F
−Fをもつ信号成分Vは となり、この周波数成分の信号の振幅L、位相Pの計測
により試料の熱膨張振動の計測が可能である。しかし前
述のように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え、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でき
ない。
そこで、本実施例では、Eの値を零レベル(しきい
値)と比較し、E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。この波形変
換後の信号Eとなる。この場合、EにおいてL<<λのときの周波
数Fb−Fをもつ信号成分 となり、Aを含まないため、正確に熱膨張振動(振幅
L,位相P)を計測できる。
から周波数F−Fをもつ信号成分を抽出するため
に、周波数解析器、FMチューナー等の利用が考えられ
るが、信号レベルが小さいときには、同期検波方式を用
いるのが適している。この場合、同期検波において、参
照信号として周波数F−Fをもつ信号で同期検波をお
こなえばよい。しかし、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け易くこれがノイズとなり、
(2)式、(5)式における位相φに時間的変動をもた
らす。φの変動はVの変動となり、安定に熱膨張振動を
計測できない。
そこで、本実施例では、まずEに変調信号(M・sin(2π
Ft+q))を乗算器14で乗算する。Mおよびqは既知の定
数。乗算後の信号Vは、 V=Rcos(2π(F+F)t+φ+q) +Rcos(2π(F−F)t+φ−q)…(7) (R=2MV/π) になる。次にVをフィルタ15に通し上式の右辺にお
ける第2項の信号Vを取り出す。このVを参照信号
として同期検波を行う。Vには位相φを含んでいるた
めVを参照信号として同期検波16を行えば、Vにお
ける位相φの影響は相殺される。同期検波出力Vとなり、位相φはなくなり安定にVを計測でき、これ
により熱膨張振動(L,P)を高精度で計測できる。
なお上記においては、周波数F−Fの抽出について記
したが、Eにおいて周波数F+Fの成分にも熱膨張
振動の情報が含まれる。従って(7)式のVの右辺の
第1項の信号を参照信号として用いても熱膨張振動を計
測できる。
第2図の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、弾性波伝搬中の情報(弾性的
特性)を含んでおり、試料内部の欠陥、表面クラックの
等が検出できる。前記従来の反射率計測法では、励起光
の拡散長内の情報しか得られないため、このような評価
はできない。
〔発明の効果〕
本発明は以上述べたように、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E
(ビート周波数:F(F=F−F))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値信号Eから周波数F−Fある
いはF+Fの成分を抽出し、この成分の振幅及び位相
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ので、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 4……試料 5……測定用レーザ 6……周波数シフタ 7……偏向ビームスプリッタ 8……参照ミラー 9……1/4波長板、10……偏光板 11……光電変換器、12……フィルタ 13……コンパレータ、14……乗算器 15……フィルタ、16……同期検波器

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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E(ビート周波数:F
    (F=F−F))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
    変換し、 上記2値信号Eから周波数F−FあるいはF+F
    の成分を抽出し、この成分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。
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