JPH08278250A

JPH08278250A - 光熱信号検出方法及び装置

Info

Publication number: JPH08278250A
Application number: JP8226195A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Nakada; 俊彦中田; Takanori Ninomiya; 隆典二宮
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1995-04-07
Publication date: 1996-10-22
Also published as: WO1996031772A1

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は光熱信号検出装置に関し、単純構成に
して、試料の２次元表面及び内部情報の高速検出を可能
とする方法及びその装置を提供することにある。【構成】ストライプ状の励起ビーム１０１により、試料
の複数の測定点を並列に同時に励起し、各点で生じた反
射率変化を並列に同時に検出する構成２０１、２０２と
することにより、試料の複数測定点の光熱信号を並列に
同時に検出することができ、上記目的が達成される。【効果】試料の複数測定点の光熱信号を並列に同時に検
出することが可能となるため、試料の２次元表面及び内
部情報の高速検出が可能になるという効果を有する。ま
た、光熱効果に基づく熱拡散長が検査対象である内部界
面の深さと同じか、もしくはそれを越える長さとなるよ
うに、励起ビームの強度変調周波数を設定することによ
り、内部界面の検査が可能になるという効果を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光音響効果あるいは光
熱効果を利用して、試料の表面及び内部情報を検出する
光熱信号検出方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光音響効果（Photoacoustic Effect）あ
るいは光熱効果は、１８８１年チンダル（Tyndall）、
ベル（Bell）、レントゲン（Rentogen）らによって発見
された。

【０００３】即ち、図１４に示すように、強度変調した
光（断続光）１９を励起光として、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Ｖ_op２１におい
て熱が発生し、熱拡散長μ_s２２で与えられる熱拡散領
域Ｖ_th２３を熱波として周期的に拡散し、さらに熱弾性
波（超音波）が発生する現象である。上記熱弾性波をマ
イクロホン（音響電気変換器）や圧電素子を用いて検出
し、励起光の変調周波数と同期した信号成分を光音響信
号として求めることにより、試料の表面及び表面近傍の
情報を得ることができる。

【０００４】また、発生した熱による試料表面の周期的
な熱膨張変位を検出する方法や、同じく発生した熱によ
る周期的な屈折率変化を試料表面の反射率変化として検
出し（光熱信号）、これより試料の表面及び表面近傍の
情報を得る方法も提案されている。尚、熱拡散長μ_s２
２は、励起光の変調周波数をｆ_Eとして、試料７の熱伝
導率ｋ、密度ρ、及び比熱ｃより、次式（数１）で与え
られる。

【０００５】

【数１】

【０００６】特に、試料の周期的な屈折率変化を試料表
面の反射率変化として検出する方法は、例えば、特公平
３−４７７０３号公報において論じられている。

【０００７】その一例を、図１３に基づいて説明する。
レーザ１から出射した平行光を、発振器１５からの変調
信号に基づき音響光学変調素子（ＡＯ変調器）２により
強度変調し、その断続光、即ち励起光をビームエキスパ
ンダ３により所望のビーム径の平行光１９とした後、ダ
イクロイックミラー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。光熱効果に
より、集光部２１で光の一部が試料に吸収されて熱に変
わり、集光部２１から強度変調周波数と同期した熱波及
び熱弾性波が試料７の内部を伝搬していく。

【０００８】また、同時に、集光部２１での周期的な温
度変化に伴い、試料の屈折率、換言すれば反射率が周期
的に変化する。この反射率の変化量は、試料表面及び表
面近傍の構造や物性に応じて変化する。この反射率変化
をプローブ光の反射強度変化として検出する。即ち、レ
ーザ１と波長の異なるレーザ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、ハーフミラー１０で反射させ、ダイクロイックミラ
ー４を透過させ、レンズ５により試料７上の集光部２１
に集光させる。試料７からの反射光をホトダイオード等
の光電変換素子１３で検出する。反射光強度信号はプリ
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。

【０００９】ロックインアンプ１６では、発振器１５か
らの変調信号を参照信号として、反射光強度信号に含ま
れる変調周波数と同期した成分、即ち周期的反射率変化
に対応した信号成分が抽出される。この周波数成分が試
料７の表面あるいは表面近傍の情報を持つ。熱拡散領域
Ｖ_th２３内にクラック等の欠陥があれば、表面反射率の
変化量が変化するので、反射光強度信号中の変調周波数
成分の振幅と、変調信号に対する位相が変化する。ＸＹ
ステージにより試料７を移動させれば、２次画像情報を
得ることができる。

【００１０】

【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あるいは光熱信号を検出できる
極めて有効な手段であるが、以下に示すような課題をも
っている。

【００１１】即ち、図１３に示す従来の光熱検出光学系
では、試料の２次元内部情報を得ようとする場合、光熱
効果を発生させるための励起光と、光熱効果によって生
じた試料表面の反射率変化を検出するためのプローブ光
とを、各々相対的に試料上を２次元走査する必要があ
る。この２次元走査は１点ずつ情報を検出していくいわ
ゆるポイント走査であるため、試料の全面にわたって走
査しようとすると、莫大な検出時間を要してしまう。こ
の莫大な検出時間を要する点が、これまで光熱検出技術
が生産ラインにおける試料の内部欠陥検査へ適用できな
いでいた最大の理由である。

【００１２】本発明の目的は、単純構成にして、試料の
表面とその近傍の内部情報が２次元的に高速に検出され
得る光熱信号検出方法及びその装置を提供することにあ
る。

【００１３】

【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、変更可として設定された周波数ｆ_Eで強
度変調した光を試料表面の複数の測定点に照射して、該
複数の測定点の表面において上記周波数ｆ_Eと同期した
周期的な反射率変化を発生させ、該複数の測定点に他の
光を照射してその反射光を、各測定点に対応した複数個
の光電変換素子から成る検出器で検出し、該検出した反
射光強度信号の中から、上記複数の測定点において生じ
た上記反射率変化に基づく上記強度変調周波数ｆ_Eと同
期した反射光強度変化を光熱信号として検出する。これ
により、試料の複数の測定点の表面及び内部情報をほぼ
同時に抽出することを可能とし、従来方式に比べ格段に
高速な光熱信号の検出を可能としたものである。

【００１４】また、上記目的を達成するために、本発明
は、試料上に照射する強度変調光を試料上で連続的な直
線形状を成すビームとすることにより、試料上の複数の
測定点を同時に励起することを可能とし、従来方式に比
べ格段に高速な光熱信号の検出を可能としたものであ
る。

【００１５】また、上記目的を達成するために、本発明
は、試料上に照射する強度変調光を、試料上で直線状に
配列されたポイントビーム列とすることにより、試料上
の複数の測定点を同時に励起することを可能とし、従来
方式に比べ格段に高速な光熱信号の検出を可能としたも
のである。

【００１６】また、上記目的を達成するために、本発明
は、上記ポイントビーム列の間隔を各ポイントビームに
よる熱拡散領域が重複しない間隔とすることにより、光
熱画像の検出分解能を向上させたものである。

【００１７】また、上記目的を達成するために、本発明
は、試料上に照射する強度変調光を、試料上を直線状に
高速に移動するポイントビームとすることにより、試料
上の複数の測定点をほぼ同時に励起することを可能と
し、従来方式に比べ格段に高速な光熱信号の検出を可能
としたものである。

【００１８】また、上記目的を達成するために、本発明
は、反射光を検出するために複数個の蓄積形光電変換素
子から成る検出器を用いることにより、従来方式に比べ
格段に高速な光熱信号の検出を可能としたものである。

【００１９】また、上記目的を達成するために、本発明
は、反射光を検出するために複数個の非蓄積形光電変換
素子から成る検出器を用いることにより、従来方式に比
べ格段に高速な光熱信号の検出を可能としたものであ
る。

【００２０】また、上記目的を達成するために、本発明
は、反射光強度信号が複数個の光電変換素子から時系列
的に１次元信号として出力される検出器を用いることに
より、従来方式に比べ格段に高速な光熱信号の検出を可
能としたものである。

【００２１】また、上記目的を達成するために、本発明
は、反射光強度信号が複数個の光電変換素子から並列的
に同時に出力される検出器を用いることにより、従来方
式に比べ格段に高速な光熱信号の検出を可能としたもの
である。

【００２２】また、上記目的を達成するために、本発明
は、反射光を検出するために複数個の蓄積形光電変換素
子から成る検出器を用い、周波数ｆ_Sとｆ_Eが、４ｐ：４
ｐｍ±１（ｐ、ｍ：０以外の任意整数）の一定整数比に
制御された状態として、検出器の各蓄積形光電変換素子
ごとに１／ｆ_Sの時間周期で複数回に亘って積分検出さ
れた複数個の積分検出データに基づいて、上記強度変調
周波数ｆ_Eと同期した反射光強度変化を光熱信号として
検出することにより、高速に高感度かつ高精度な光熱信
号の検出を可能としたものである。

【００２３】また、上記目的を達成するために、本発明
は、検出器から並列的に同時に出力された反射光強度信
号から、強度変調周波数ｆ_Eと同期した反射光強度変化
を複数個の光電変換素子について並列に同時に検出する
ことにより、従来方式に比べ格段に高速な光熱信号の検
出を可能としたものである。

【００２４】また、上記目的を達成するために、本発明
は、強度変調周波数ｆ_Eを、光熱効果もしくは光音響効
果に基づく熱拡散長が上記試料の被測定内部界面の深さ
と同じか、もしくはそれを越える長さとなるように設定
することにより、内部界面の検査を可能としたものであ
る。

【００２５】

【作用】光熱信号検出装置において、変更可として設定
された周波数ｆ_Eで強度変調した光を試料表面の複数の
測定点に照射することにより、複数の測定点の表面にお
いて上記周波数ｆ_Eと同期した周期的な反射率変化を発
生させることができると共に、複数の測定点に他の光を
照射しその反射光を、各測定点に対応した複数個の光電
変換素子から成る検出器で検出し、検出した反射光強度
信号の中から、複数の測定点において生じた上記反射率
変化に基づく上記強度変調周波数ｆ_Eと同期した反射光
強度変化を光熱信号として検出することにより、試料の
複数の測定点の表面及び内部情報をほぼ同時に抽出する
ことが可能となり、従来方式に比べ格段に高速な光熱信
号の検出が可能となる。

【００２６】また、試料上に照射する強度変調光を、試
料上で連続的な直線形状を成すビームとすることによ
り、試料上の複数の測定点を同時に励起することが可能
となり、従来方式に比べ格段に高速な光熱信号の検出が
可能となる。

【００２７】また、試料上に照射する強度変調光を、試
料上で直線状に配列されたポイントビーム列とすること
により、試料上の複数の測定点を同時に励起することが
可能となり、従来方式に比べ格段に高速な光熱信号の検
出が可能となる。

【００２８】また、上記ポイントビーム列の間隔を各ポ
イントビームによる熱拡散領域が重複しない間隔とする
ことにより、各測定点における光熱信号を独立に検出す
ることが可能になり、光熱画像の検出分解能が向上す
る。

【００２９】また、試料上に照射する強度変調光を、試
料上を直線状に高速に移動するポイントビームとするこ
とにより、試料上の複数の測定点をほぼ同時に励起する
ことが可能となり、従来方式に比べ格段に高速な光熱信
号の検出が可能となる。

【００３０】また、反射光を検出するために複数個の蓄
積形光電変換素子から成る検出器を用いることにより、
複数の測定点における光熱信号をほぼ同時に抽出するこ
とが可能となり、従来方式に比べ格段に高速な光熱信号
の検出が可能となる。

【００３１】また、反射光を検出するために複数個の非
蓄積形光電変換素子から成る検出器を用いることによ
り、複数の測定点における光熱信号をほぼ同時に抽出す
ることが可能となり、従来方式に比べ格段に高速な光熱
信号の検出が可能となる。

【００３２】また、反射光強度信号が複数個の光電変換
素子から時系列的に１次元信号として出力される検出器
を用いることにより、複数の測定点における光熱信号を
ほぼ同時に抽出することが可能となり、従来方式に比べ
格段に高速な光熱信号の検出が可能となる。

【００３３】また、反射光強度信号が複数個の光電変換
素子から並列的に同時に出力される検出器を用いること
により、複数の測定点における光熱信号をほぼ同時に抽
出することが可能となり、従来方式に比べ格段に高速な
光熱信号の検出が可能となる。

【００３４】また、反射光を検出するために複数個の蓄
積形光電変換素子から成る検出器を用い、周波数ｆ_Sと
ｆ_Eが、４ｐ：４ｐｍ±１（ｐ、ｍ：０以外の任意整
数）の一定整数比に制御された状態として、検出器の各
蓄積形光電変換素子ごとに１／ｆ_Sの時間周期で複数回
に亘って積分検出された複数個の積分検出データに基づ
いて、上記強度変調周波数ｆ_Eと同期した反射光強度変
化を光熱信号として検出することにより、高速に高感度
かつ高精度な光熱信号の検出が可能となる。

【００３５】また、検出器から並列的に同時に出力され
た反射光強度信号から、上記強度変調周波数ｆ_Eと同期
した反射光強度変化を複数個の光電変換素子について並
列に同時に検出することにより、従来方式に比べ格段に
高速な光熱信号の検出が可能となる。

【００３６】また、強度変調周波数ｆ_Eを、光熱効果も
しくは光音響効果に基づく熱拡散長が上記試料の被測定
内部界面の深さと同じか、もしくはそれを越える長さと
なるように設定することにより、内部界面の検査が可能
となる。

【００３７】

【実施例】本発明の実施例を図１〜図１２に基づいて説
明する。

【００３８】まず、本発明の第１の実施例を図１〜図５
に基づいて説明する。図１は第１の実施例における光熱
検出光学系を示すものである。本光学系は、励起光学系
２０１、周期的な反射率変化を検出するための反射光検
出光学系２０２、及び信号処理系２０３から成る。

【００３９】励起光学系２０１のＡｒレーザ３１（波長
５１５ｎｍ）から出射した平行ビーム３２を音響光学変
調素子３３に入射する。今、図１において、発振器８６
から周波数ｆ_Rの正弦波を、また、制御信号発生回路９
０から周波数ｆ_E（ｆ_E＜ｆ_R）の矩形波を各々信号合成
器８８に入力し、両波形の積をとることにより励起用の
強度変調信号を作り、音響光学変調素子３３に入力す
る。その結果、音響光学変調素子３３からはｆ_Rだけ周
波数シフトした１次回折光３５が周波数ｆ_Eで断続的に
出力される。

【００４０】即ち、励起光として、ｆ_Rだけ周波数シフ
トした変調周波数ｆ_Eの強度変調ビームが得られる。
尚、０次光３４は絞り３６で遮光される。強度変調ビー
ム３５をビームエキスパンダ３８により所望のビーム径
に拡大し、更にシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）３
９により楕円ビーム４０にし、ダイクロイックプリズム
４１（波長６００ｎｍ以下は反射、６００ｎｍ以上は透
過）で反射させた後対物レンズ４２の瞳４３即ち後側焦
点位置４４にｘ方向のみ集光させる。一方、ｙ方向（紙
面に垂直方向）に関してはシリンドリカルレンズ３９は
曲率を持たない板ガラスとみなせるので、対物レンズの
後側焦点位置４４には平行光のままで入射する。その結
果、図２に示すように、対物レンズの前側焦点位置、即
ち試料４７の表面上には、励起ビームとして、ｘ方向に
幅を持ちｙ方向に集束した、１本のストライプビーム１
０１が得られる。

【００４１】制御信号発生回路９０はＰＬＬ（Ｐｈａｓ
ｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）回路等で構成され、１次
元ＣＣＤセンサ駆動用のクロック信号（周波数ｆ_C）を
基準信号として、周波数ｆ_Sの蓄積時間制御信号及び励
起用の周波数ｆ_Eの強度変調信号を生成し、各ユニット
に送る。

【００４２】今、試料として、図２に示すようにポリイ
ミドのような有機高分子材料１０４を絶縁体として形成
したＣｕ配線パターン１０２、１０３を考える。図３
は、試料の内部構造と、励起ビームによって生じた熱拡
散領域を示す断面図である。試料４７は、セラミック基
板１０９上に厚さ１５μｍのポリイミド１０４を絶縁体
として厚さ１５μｍのＣｕパターン１０２、１０３が配
線パターンとして形成された構造となっている。Ｃｕ配
線パターン中の内部クラック１０７や下地基板とＣｕパ
ターン界面の剥離１０８が検出すべき内部欠陥である。

【００４３】ここで、重要な点はＣｕパターン１０２、
１０３とその周辺のポリイミド１０４との熱的性質の違
いである。即ち、Ｃｕの熱伝導率ｋは４０３〔Ｊ・ｍ~¹
・ｋ~¹・ｓ~¹〕、密度ρは８．９３〔×１０⁶ｇ・ｍ
~³〕、比熱ｃは０．３８〔Ｊ・ｇ~¹・ｋ~¹〕であるのに
対し、ポリイミドの熱伝導率ｋは０．２８８〔Ｊ・ｍ~¹
・ｋ~¹・ｓ~¹〕、密度ρは１．３６〔×１０⁶ｇ・ｍ
~³〕、比熱ｃは１．１３〔Ｊ・ｇ~¹・ｋ~¹〕であり、特
にＣｕの熱伝導率ｋはポリイミドのそれの１４００倍で
ある。

【００４４】そこで、励起光の強度変調周波数ｆ_Eを１
００ｋＨｚとして、（数１）に上記の値を代入すると、
Ｃｕパターン部１０２、１０３における熱拡散長μ_sは
約１９μｍ、ポリイミド部１０４における熱拡散長は約
０．７７μｍとなる。その結果、図３に示すように、ス
トライプ状の励起ビーム１０１によって形成されたスト
ライプ状の光吸収領域１０５において与えられた熱が、
検査対象であるＣｕパターン部１０２、１０３では大き
く拡散し、下地基板との界面を含めてＣｕパターンの断
面を覆うように熱拡散領域１０６が形成される。一方、
検査対象外のポリイミド部１０４では、熱は小さく拡散
し熱拡散領域は表面部分のみに形成される。

【００４５】その結果、図２及び図３に示すように、ス
トライプ状の励起ビーム１０１を複数のＣｕ配線パター
ン１０２、１０３を覆うように照射すると、光吸収領域
１０５に沿って、光熱効果に基づいて強度変調周波数ｆ
_Eと同期した周期的な屈折率の変化、すなわち、周期的
な反射率変化の１次元分布１１０（破線）が生じる。各
点での周期的反射率変化の大きさは、表面温度によっ
て、すなわち、試料内部の熱的性質、例えば欠陥の有無
によって変わる。つまり、この周期的反射率変化の１次
元分布１１０には、各々のＣｕ配線パターン１０２、１
０３の内部情報（内部クラック１０７、剥離欠陥１０
８）及びポリイミド部１０４の内部情報が各々融合され
ることなく、独立に反映されている。

【００４６】従って、ストライプ状の励起ビーム１０１
を用いれば、熱的コントラストの高い複数の検査対象を
同時に励起でき、同時にストライプ状のプローブビーム
を直線状の励起部に照射し、その反射光の強度分布を検
出しつつ、試料をストライプビームと直交する方向に移
動すれば、試料の２次元表面及び内部情報を高速に検出
することが可能となる。

【００４７】次に、周期的反射率変化の１次元分布１１
０（破線）を光熱信号として検出するための反射光検出
光学系２０２の構成とその機能について説明する。図１
において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ５１（波長６３３ｎｍ）か
ら出射したｐ偏光ビーム６９を、ビームエキスパンダ７
０により所望のビーム径に拡大し、更にシリンドリカル
レンズ（円筒レンズ）７１により楕円ビームにする。こ
の楕円ビームは、偏光ビームスプリッタ７３及びダイク
ロイックプリズム４１を通過した後、対物レンズ４２の
瞳４３即ち後側焦点位置４４にｘ方向のみ集光する。

【００４８】一方、ｙ方向（紙面に垂直方向）に関して
はシリンドリカルレンズ７１は曲率を持たない板ガラス
とみなせるので、対物レンズ４２の後側焦点位置４４に
は平行光のままで入射する。対物レンズ４２から出射し
たビームはλ／４板４５通過後円偏光ビーム１４５とな
り、図２に示すように、対物レンズの前側焦点位置、即
ち試料４７の表面上、励起ビーム１０１と同じ位置に、
プローブビームとしてｘ方向に幅を持ちｙ方向に集束し
た、１本のストライプビーム１９０が得られる。

【００４９】図３に示すように、試料４７からの反射光
は、光熱効果に基づく周期的反射率変化の１次元分布１
１０（破線）に応じて、周期的に変化する反射強度分布
をもつ。図１において、試料４７からの反射光はλ／４
板４５通過後、入射光と直交するｓ偏光ビームとなり、
対物レンズ４２を通過後再び同じ光路を経て偏光ビーム
スプリッタ７３で反射される。

【００５０】この反射光７７は、結像レンズ７８によ
り、１次元ＣＣＤセンサ等の蓄積形固体撮像素子８２上
に結像する。尚、中心波長６３３ｎｍの干渉フィルタ８
１を通して迷光を除去する構成としている。１次元ＣＣ
Ｄセンサ８２の撮像面と試料４７の表面とは結像関係に
あるので、当然ながら、撮像面には試料４７の表面に形
成されたプローブビームと同様ストライプ状の反射光が
結像する。

【００５１】以下では、信号処理系２０３によって、１
次元ＣＣＤセンサ８２の出力信号から、試料４７表面の
周期的反射率変化に対応した周期的反射光強度変化の振
幅及び位相を、各画素ごとに抽出する方法について説明
する。今、試料４７表面に入射するプローブビーム光７
２の強度を１、試料４７表面の反射率をＲ、光熱効果に
よる反射率変化の振幅をＤ、また強度変調信号に対する
位相変化量をθとすると、１次元ＣＣＤセンサ８２の１
画素に入射する反射光Ｉ（ｔ）は次式（数２)で表され
る。

【００５２】

【数２】

【００５３】ここで、Ｄ・ｃｏｓ（２πｆ_Eｔ＋θ）
が、光熱効果に基づいて生じた試料４７表面の周期的反
射率変化を表す項である。今、１次元ＣＣＤセンサ８２
の蓄積周波数をｆ_S、即ち蓄積時間をＴ_S＝１／ｆ_Sとす
ると、ｉ番目のライン走査、即ち蓄積・サンプリングに
おける特定の１画素からの反射光強度信号Ｓ（ｉ）は、
次式（数３）で与えられる。

【００５４】

【数３】

【００５５】ここで、センサ８２の蓄積周波数ｆ_Sと強
度変調周波数ｆ_Eとの関係を次式のように選ぶ。

【００５６】

【数４】

【００５７】但し、ｐ、ｍは０以外の任意整数である。
例えば、ｐ＝２、ｍ＝２とすると、ｆ_S：ｆ_E＝８：１７
となり、ｆ_E＝１００ｋＨｚとして、ｆ_S＝４７．０５９
ｋＨｚとなる。この関係のもとで、（数３）は、次式
（数５）で表される。

【００５８】

【数５】

【００５９】（数５）の第２項、即ち周期的反射光強度
変化と蓄積時間Ｔ_S＝１／ｆ_Sとの関係を、模式的に図４
に示す。８回の蓄積・サンプリングで、１周期分の波形
が再生できることが判る。つまり、周期的反射光強度変
化は、ｉについて１／８の周波数になっている。今、ｉ
についてＮ個（Ｎは８の倍数とする）のデータＳ（０）
〜Ｓ（Ｎ−１）が得られたとして、このデータをフーリ
エ級数展開すれば、（数６）となる。

【００６０】

【数６】

【００６１】但し、フーリエ係数ａ_n、ｂ_nは以下の通り
である。

【００６２】

【数７】

【００６３】

【数８】

【００６４】（数５）における周波数１／８のフーリエ
係数は、（数７）、（数８）において、それぞれｎ＝Ｎ
／８として、次式（数９）、（数１０）で与えられる。

【００６５】

【数９】

【００６６】

【数１０】

【００６７】このように、周期的反射光強度変化成分の
フーリエ係数は、１次元ＣＣＤセンサ８２の各光電変換
素子、即ち各画素ごとに、出力信号に対して、一定デー
タ間隔で交互に加減算を行うことによって計算し得る。
最終的に、反射率変化の振幅Ｄと位相θは、（数５）と
（数６）を比較することにより、以下のように求められ
る。

【００６８】

【数１１】

【００６９】

【数１２】

【００７０】尚、以上の説明では、周波数関係の一例を
与えたが、（数４）に基づいて、他の様々な整数比の周
波数関係に設定し、同様の処理を行うことができる。

【００７１】第１の実施例では、以上の周波数関係の設
定や、計算処理を以下の方法で実行する。

【００７２】周波数ｆ_S＝４７．０５９ｋＨｚの蓄積時
間制御信号、及びｆ_E＝１００ｋＨｚの強度変調信号
は、１次元ＣＣＤセンサの各画素の値を読み出すための
クロック信号（周波数ｆ_C）を基準信号として、計算機
９６からの設定信号に基づき、制御信号発生回路９０で
生成され、各ユニットに送られる。

【００７３】１次元ＣＣＤセンサ８２からの出力信号Ｓ
（ｉ）は、前処理回路９４で増幅され、ＡＤ変換された
後、（数５）及び図４に基づいてｉに関して８個のデー
タが、信号のＳＮ比等を考慮して、例えば１０セット、
計８０個のデータが２次元メモリ９５に格納される。図
１０に示すように、１次元ＣＣＤセンサ８２の画素数を
２５６とすると、２５６×８０個のデータが格納される
ことになる。今、ｉ回目の蓄積・出力時におけるｗ画素
目のデータを（ｉ，ｗ）で表すとすると、２次元メモリ
９５に格納していく順序は、（０，１）、（０，２）、（０，３）、…、（０，２５６）、（１，１）、（１，２）、（１，３）、…、（１，２５６）、（２，１）、（２，２）、（２，３）、…、（２，２５６）、：：（７９，１）、（７９，２）、（７９，３）、…、（７９，２５６）である。

【００７４】一方、２次元メモリ９５から読み出す際
は、以下のように１画素ごとに８０個の蓄積・出力デー
タセットを順次読み出し、計算機９６に送っていく。

【００７５】（０，１）、（１，１）、（２，１）、…、（７９，１）、（０，２）、（１，２）、（２，２）、…、（７９，２）、（０，３）、（１，３）、（２，３）、…、（７９，３）、：：（０，２５６）、（１，２５６）、（２，２５６）、…、（７９，２５６）計算機９６では、１画素ごとに８０個の蓄積・出力デー
タセットを用いて、（数９）及び（数１０）の計算処理
を行いフーリエ係数を求めた後、（数１１）及び（数１
２）に基づき反射率変化の振幅Ｄと位相θを計算する。
これにより、１ライン分、即ち２５６画素に対応した１
次元光熱分布が得られる。

【００７６】ｘｙステージ４８により、試料４７をスト
ライプ状ビームと直交するｙ方向に逐次走査しながら、
上記１次元ＣＣＤセンサ８２からの出力信号を計算機９
６で処理していくことにより、試料４７全面のＤとθに
関する２次元光熱画像が得られ、ディスプレイ９７に表
示される。

【００７７】以上述べたように、本実施例によれば、従
来のように１点ずつ情報を検出していくいわゆるポイン
ト走査方式でなく、ストライプ状の励起ビームを用い複
数の測定点を並列に同時に励起し、各点で生じた反射率
変化を並列に同時に検出することにより、試料の複数測
定点の光熱信号を並列に同時に検出することができ、試
料の２次元表面及び内部情報を高速に検出することが可
能となる。

【００７８】更に、本実施例によれば、光熱効果に基づ
く熱拡散長が検査対象であるＣｕ配線パターンとセラミ
ック基板との界面の深さと同じか、もしくはそれを越え
る長さとなるように、励起ビームの強度変調周波数を設
定することにより、内部界面の検査が可能となる。

【００７９】尚、本実施例では、熱的コントラストの高
い複数の検査対象を有する試料に対する本発明の適用例
を述べたが、内部クラック等を含む均一材料からなる試
料への適用も十分可能である。この場合でも、試料上の
複数の測定点の同時励起が可能であるので、上記の効果
が期待できる。

【００８０】また、本実施例では、１次元ＣＣＤセンサ
８２からの出力信号を一旦２次元メモリ９５に格納した
後、計算機９６でソフトウェアにより（数９）及び（数
１０）の計算処理と、（数１１）及び（数１２）の処理
を行っているが、（数９）及び（数１０）の処理は、出
力信号に対して、一定データ間隔で交互に加減算を行う
極めて単純な処理であるため、メモリに格納することな
く、ディジタル演算回路を用いて、１次元ＣＣＤセンサ
の読み出しのタイミングと同期して、各画素ごとに逐次
処理を実行した後、（数１１）及び（数１２）の処理の
み計算機９６、あるいは専用処理回路で実行する方法を
採用することも可能である。これによれば、さらに高速
に２次元光熱画像を得ることができる。

【００８１】また、本実施例では、試料の複数点の同時
励起、検出にストライプ状のビームを用いているが、ポ
イントビームを強度変調周波数よりもはるかに早く、具
体的には光熱効果の反応速度よりも早く、例えば数十Ｍ
Ｈｚ程度の周波数で高速に走査することにより、実効的
にストライプ状のビームを得ることも可能である。

【００８２】また、本実施例では、蓄積形の１次元ＣＣ
Ｄセンサを用いているが、非蓄積形の光電変換素子アレ
イを用いて、サンプリング周波数をｆ_Sとして、（数
４）の周波数関係を保って、（数９）〜（数１２）の処
理を実行し、光熱画像を得ることも可能である。

【００８３】本発明の第２の実施例を図６〜図７に基づ
いて説明する。図６は第２の実施例における光熱検出光
学系を示すものである。本光学系は、励起光学系２０
１、周期的な反射率変化を検出するための反射光検出光
学系３０２、及び信号処理系３０３から成る。

【００８４】励起光学系２０１の構成とその機能は第１
の実施例と全く同様であるので説明を省略する。反射光
検出光学系３０２の構成は、第１の実施例における反射
光検出光学系２０２において、蓄積形１次元ＣＣＤセン
サ８２の代わりに並列出力形光電変換素子アレイ１９１
を用いた点が異なる他は総て第１の実施例と同様の構成
であるので、説明を省略する。

【００８５】図７に示すように、並列出力形光電変換素
子アレイ１９１の各画素から出力された反射光検出信号
は、画素数と同じ数だけ配置されたプリアンプ群１９２
で各画素ごとに増幅された後、同じく画素数と同じ数だ
け配置されたロックインアンプ群１９３にて、発振器８
７から出力された励起用強度変調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
位相、即ち、反射率変化の振幅Ｄと位相θが光熱信号と
して、全画素について同時に検出される。これにより、
１ライン分、即ち２５６画素に対応した１次元光熱分布
が得られる。検出された光熱信号は、ＡＤ変換器群１９
４にてディジタルデータに変換された後、パラレル・イ
ン、シリアル・アウトタイプのシフトレジスタ１９５に
送られ１次元信号に変換される。

【００８６】ｘｙステージ４８により試料４７をストラ
イプ状ビームと直交するｙ方向に逐次走査しながら、シ
フトレジスタ１９５から出力される１次元信号を計算機
９６で処理していくことにより、試料４７全面のＤとθ
に関する２次元光熱画像が得られ、ディスプレイ９７に
表示される。

【００８７】尚、変調周波数成分の振幅と位相の抽出手
段はロックインアンプ群１９３に限定されるものでな
く、他の周波数フィルタリング手段、例えば、バンドパ
スフィルタのようなものも適用可能である。

【００８８】また、本実施例では、反射光検出用に非蓄
積形の並列出力形光電変換素子アレイ１９１を用いてい
るが、蓄積形のものも適用可能である。その場合、信号
処理系３０３をそのまま使用することもできるし、ある
いは信号処理系３０３において、ロックインアンプ群１
９３を撤去し、第１の実施例と同様に光電変換素子アレ
イの蓄積周波数ｆ_Sと強度変調周波数ｆ_Eとの関係を（数
４）のように選び、（数９）〜（数１０）に基づいてフ
ーリエ係数を求め、（数１１）〜（数１２）に基づいて
反射率変化の振幅Ｄと位相θを計算することも可能であ
る。

【００８９】尚、本実施例は、図２及び図３に示すよう
な熱的コントラストの高い複数の検査対象を有する試料
に対しても、また内部クラック等を含む均一材料からな
る試料に対しても十分適用可能である。

【００９０】以上述べたように、本実施例によれば、従
来のように１点ずつ情報を検出していくいわゆるポイン
ト走査方式でなく、ストライプ状の励起ビームを用い複
数の測定点を並列に同時に励起し、各点で生じた反射率
変化を並列に同時に検出することにより、試料の複数測
定点の光熱信号を並列に同時に検出することができ、試
料の２次元表面及び内部情報を高速に検出することが可
能となる。

【００９１】更に、本実施例によれば、光熱効果に基づ
く熱拡散長が検査対象であるＣｕ配線パターンとセラミ
ック基板との界面の深さと同じか、もしくはそれを越え
る長さとなるように、励起ビームの強度変調周波数を設
定することにより、内部界面の検査が可能となる。

【００９２】尚、非蓄積形の光電変換素子アレイ１９１
の各画素から出力された反射光検出信号を２次元メモリ
に格納した後、１画素毎読出し１次元信号として１個の
ロックインアンプで光熱信号を検出することも可能であ
る。

【００９３】また、本実施例では、試料の複数点の同時
励起、検出にストライプ状のビームを用いているが、第
１の実施例におけると同様、ポイントビームを強度変調
周波数よりもはるかに早く、具体的には光熱効果の反応
速度よりも早く、例えば数十ＭＨｚ程度の周波数で高速
に走査することにより、実効的にストライプ状のビーム
を得ることも可能である。

【００９４】本発明の第３の実施例を図８〜図１２に基
づいて説明する。図８は第３の実施例における光熱検出
光学系を示すものである。本光学系は、励起光学系３０
１、周期的な反射率変化を検出するための反射光検出光
学系２０２、及び信号処理系２０３から成る。

【００９５】第１及び第２の実施例ではストライプ状の
励起ビームとプローブビームを用いているのに対し、本
実施例は、励起光学系３０１に複数ポイントビーム並列
照射光学系１９７を採用している点が大きく異なる。他
の部分は第１の実施例と同様である。

【００９６】図９に基づき、複数ポイントビーム並列照
射光学系１９７を説明する。ビームエキスパンダ３８か
らの拡大平行光は図１０に示すストライプ状の開口２１
０ａを有すマスク２１０を通過した後ストライプビーム
となり、１次元微小レンズアレイ２１０に入射する。各
微小レンズの後側焦点位置はリレーレンズ２１３の前側
焦点位置２１２と、リレーレンズ２１３の後側焦点位置
は対物レンズ４２の後側焦点位置２１４と、更に、対物
レンズ４２の前側焦点位置は試料４７表面と各々一致し
ている。１次元微小レンズアレイ２１０からの各ビーム
はリレーレンズ２１３の前側焦点位置２１２で各々集光
した後、リレーレンズ２１３通過後平行光となり、更
に、対物レンズ４２通過後集束光２１５として、試料４
７の表面上２１６に集光する。尚、各ポイントビームの
主光線は互いに平行になっている。

【００９７】図１１は各ポイントビームが同時に試料を
照射する様子を示したものである。尚、ポイントビーム
の数は、反射光検出用のＣＣＤ１次元センサ８２の画素
数と一致させ、かつその間隔は図１２に示すように各ポ
イントビームにより生じた熱拡散領域２１７が重複しな
いようにしている。各点の周期的反射率変化を検出する
ためのプローブビームは、第１及び第２の実施例と同様
ストライプ状のビームを用いている。信号処理系２０３
の構成とその機能は、第１の実施例におけるそれと全く
同じであり、第１の実施例と同様、１次元ＣＣＤセンサ
８２の出力信号から、光熱効果により生じた試料４７表
面の周期的反射率変化の振幅及び位相を抽出する。

【００９８】ｘｙステージ４８により試料４７を複数ポ
イントビーム列と直交するｙ方向に逐次走査しながら、
上記１次元ＣＣＤセンサからの検出信号を計算機９６で
処理していくことにより、試料４７全面のＤとθに関す
る２次元光熱画像が得られ、ディスプレイ９７に表示さ
れる。。

【００９９】尚、本実施例は、図２及び図３に示すよう
な熱的コントラストの高い複数の検査対象を有する試料
に対しても、また内部クラック等を含む均一材料からな
る試料に対しても十分適用可能である。

【０１００】以上述べたように、本実施例によれば、従
来のように１点ずつ情報を検出していくいわゆるポイン
ト走査方式でなく、複数のポイントビームを並列に同時
に照射することにより複数の測定点を並列に同時に励起
し、各点で生じた反射率変化を並列に同時に検出するこ
とにより、試料の複数測定点の光熱信号を並列に同時に
検出することができ、試料の２次元表面及び内部情報を
高速に検出することが可能となる。

【０１０１】更に、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、光熱効果に基づく熱拡散長が検査対象であるＣｕ
配線パターンとセラミック基板との界面の深さと同じ
か、もしくはそれを越える長さとなるように、励起ビー
ムの強度変調周波数を設定することにより、内部界面の
検査が可能となる。

【０１０２】更に、本実施例によれば、各励起ビームの
熱拡散領域が重複していないため、光熱画像の検出分解
能が向上するという効果を有している。

【０１０３】尚、本実施例では、反射光検出用に蓄積形
ＣＣＤ１次元センサを用いているが第２の実施例のよう
に非蓄積形の並列出力形光電変換素子アレイも適用可能
である。その場合は、第２の実施例における信号処理系
３０３を用いればよい。

【０１０４】また、以上述べた第１及び第２の実施例で
は、１次元のストライプ状の励起ビームとプローブビー
ムを用いているが、ある一定の面積を持った２次元形状
のビームを用いることも可能である。その場合には、当
然ながら反射光検出用に２次元センサを用いる。同様
に、第３の実施例においても、複数のポイントビームを
２次元形状に配置し、２次元のセンサを用いることも可
能である。

【０１０５】

【発明の効果】本発明によれば、複数の測定点を並列に
同時に励起し、各点で生じた反射率変化を並列に同時に
検出することにより、試料の複数測定点の光熱信号を並
列に同時に検出することができ、試料の２次元表面及び
内部情報を高速に検出することが可能になるという大き
な効果を有する。

【０１０６】また、光熱効果に基づく熱拡散長が検査対
象である内部界面の深さと同じか、もしくはそれを越え
る長さとなるように、励起ビームの強度変調周波数を設
定することにより、内部界面の検査が可能になるという
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における光熱検出光学系
を示す図である。

【図２】第１の実施例における試料の平面構造と、励起
ビームとプローブビームを示す斜視図である。

【図３】第１の実施例における試料の断面構造と、スト
ライプ状の励起ビームによる光熱効果の発生の様子を示
す図である。

【図４】周期的反射光強度変化と１次元ＣＣＤセンサの
蓄積時間Ｔ_S＝１／ｆ_Sとの関係を示す模式図である。

【図５】２次元メモリにおけるデータの構成を示す図で
ある。

【図６】本発明の第２の実施例における光熱検出光学系
を示す図である。

【図７】第２の実施例における信号処理系の構成を示す
図である。

【図８】本発明の第３の実施例における光熱検出光学系
を示す図である。

【図９】第３の実施例における複数ポイントビーム並列
照射光学系の構成を示す図である。

【図１０】第３の実施例におけるストライプ状の開口を
示す図である。

【図１１】第３の実施例における複数ポイントビームが
同時に試料を照射する様子を示す図である。

【図１２】第３の実施例における各ポイントビームによ
り生じた熱拡散領域を示す図である。

【図１３】従来の光熱検出光学系を説明するための図で
ある。

【図１４】光音響効果及び光熱効果の原理図である。

【符号の説明】

１、８…レーザ、３１…Ａｒレーザ、５１…Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ、３３…音響光学変調素子、３９、７１…シリン
ドリカルレンズ、４２…対物レンズ、８２…１次元ＣＣ
Ｄセンサ、１３…光電変換素子、９５…２次元メモリ、
９６…計算機、４７…試料、１０２、１０３、１３１、
１３２…Ｃｕ配線パターン、１９１…並列出力形光電変
換素子アレイ、１９３…ロックインアンプ群、１９７…
複数ポイントビーム並列照射光学系。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】変更可として設定された周波数ｆ_Eで強度
変調した光を試料表面の複数の測定点に照射して、該複
数の測定点の表面において上記周波数ｆ_Eと同期した周
期的な反射率変化を発生させ、該複数の測定点に他の光
を照射してその反射光を、各測定点に対応した複数個の
光電変換素子からなる検出器で検出し、該検出した反射
光強度信号の中から、上記反射率変化に基づく上記強度
変調周波数ｆ_Eと同期した反射光強度変化を光熱信号と
して上記複数の測定点ごとに検出し、該光熱信号より試
料の複数の測定点の表面及び内部情報を検出することを
特徴とする光熱信号検出方法。
【請求項２】上記複数の測定点に照射される強度変調光
は、試料上で連続的な直線形状を成すビームであること
を特徴とする請求項１記載の光熱信号検出方法。
【請求項３】上記複数の測定点に照射される強度変調光
は、試料上に直線状に配列されたポイントビーム列であ
ることを特徴とする請求項１記載の光熱信号検出方法。
【請求項４】上記ポイントビーム列の間隔は、各ポイン
トビームによる熱拡散領域が重複しない間隔であること
を特徴とする請求項３記載の光熱信号検出方法。
【請求項５】上記複数の測定点に照射される強度変調光
は、試料上を直線状に高速に移動するポイントビームで
あることを特徴とする請求項１記載の光熱信号検出方
法。
【請求項６】上記反射光を上記検出器により積分して検
出することを特徴とする請求項１記載の光熱信号検出方
法。
【請求項７】上記検出器からの反射光強度信号を、複数
個の光電変換素子から時系列的に１次元信号として出力
することを特徴とする請求項１記載の光熱信号検出方
法。
【請求項８】上記検出器からの反射光強度信号を、複数
個の光電変換素子から並列的に出力することを特徴とす
る請求項１記載の光熱信号検出方法。
【請求項９】周波数ｆ_Sとｆ_Eが、４ｐ：４ｐｍ±１
（ｐ、ｍ：０以外の任意整数）の一定整数比に制御され
た状態で、上記検出器の各光電変換素子ごとに、１／ｆ
_Sの時間周期で複数回に亘って積分検出された複数個の
積分検出データに基づいて、上記強度変調周波数ｆ_Eと
同期した反射光強度変化を、光熱信号として検出するこ
とを特徴とする請求項６記載の光熱信号検出方法。
【請求項１０】上記複数個の光電変換素子から並列的に
出力された反射光強度信号から、上記強度変調周波数ｆ
_Eと同期した反射光強度変化を、光熱信号として並列的
に検出することを特徴とする請求項８記載の光熱信号検
出方法。
【請求項１１】上記強度変調周波数は、光熱効果もしく
は光音響効果に基づく熱拡散長が上記試料の被測定内部
界面の深さとほぼ同じか、もしくはそれを越える長さと
なるように設定することを特徴とする請求項１記載の光
熱信号検出方法。
【請求項１２】光源と、該光源からの光を変更可として
設定された周波数ｆ_Eで強度変調する強度変調手段と、
該強度変調した光を試料表面の複数の測定点に照射し
て、該複数の測定点の表面において上記周波数ｆ_Eと同
期した周期的な反射率変化を発生させる励起手段と、上
記複数の測定点に他の光を照射する光照射手段と、その
反射光を試料表面と共役の関係にあり、且つ上記各測定
点に対応した複数個の光電変換素子から成る検出器で検
出する反射光検出手段と、該検出した反射光強度信号の
中から、上記複数の測定点において生じた上記反射率変
化に基づく上記強度変調周波数ｆ_Eと同期した反射光強
度変化を光熱信号として検出し、該光熱信号より試料の
複数の測定点の表面及び内部情報を検出する情報検出手
段とを備えたことを特徴とする光熱信号検出装置。
【請求項１３】上記励起手段として、強度変調光を、試
料上で連続的な直線形状を成すビームで形成することを
特徴とする請求項１２記載の光熱信号検出装置。
【請求項１４】上記励起手段として、強度変調光を、試
料上に直線状に配列されたポイントビーム列で形成した
ことを特徴とする請求項１２記載の光熱信号検出装置。
【請求項１５】上記励起手段として、ポイントビーム列
の間隔を、各ポイントビームによる熱拡散領域が重複し
ない間隔で形成したことを特徴とする請求項１４記載の
光熱信号検出装置。
【請求項１６】上記励起手段として、強度変調光を、試
料上を直線状に高速に移動するポイントビームで形成し
たことを特徴とする請求項１２記載の光熱信号検出装
置。
【請求項１７】上記反射光検出手段の検出器を、蓄積形
光電変換素子で形成したことを特徴とする請求項１２記
載の光熱信号検出装置。
【請求項１８】上記反射光検出手段の検出器を、非蓄積
形光電変換素子で形成したことを特徴とする請求項１２
記載の光熱信号検出装置。
【請求項１９】上記反射光検出手段の検出器を、蓄積形
光電変換素子で形成し、周波数ｆ_Sとｆ_Eが、４ｐ：４ｐ
ｍ±１（ｐ、ｍ：０以外の任意整数）の一定整数比に制
御された状態として発生した上、必要部位に供給する制
御信号発生手段と、上記検出器の各光電変換素子ごと
に、１／ｆ_Sの時間周期で複数回に亘って積分検出され
た複数個の積分検出データに基づいて、上記強度変調周
波数ｆ_Eと同期した反射光強度変化を光熱信号として検
出し、該光熱信号より試料の複数の測定点の表面及び内
部情報を検出する情報検出手段とを備えたことを特徴と
する請求項１７記載の光熱信号検出装置。