JPS60154224A - 熱波顕微鏡 - Google Patents

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］ この発明は熱波顕微鏡に関し、特に検査すべきサンプル
の２次元領域の影像を、サンプルとは接触しない赤外線
検出器により作成するようにした熱波顕微鏡のための装
置に関するものである。

［従来技術］ 近年、マイクロエレクトロニクス産業のみならず、他の
産業においても、製造すべきデバイスの構造を製造プロ
セスの各段階において検査し、特性を調べることのでき
る装置に対する要望が高まっている。特に、多層構造を
もつようなデバイスにおいて、その表面及び表面下の特
性を非破壊検査することの必要性が大きい。さらに、半
導体等の材料におけるドーパント領域やその他の被処理
領域を非破壊検査し特性を調べるための装置が大いに望
まれている。こうした中にあって、被破壊検査ツールと
してその重要さを増している技術として、年波顕微鏡が
ある。

熱波顕微鏡については次の文献に詳細な記載がある： １　、　Ａ、　Ｒｏｓａｎｃｗａｉｇ、　”５ｏｌｉｄ
　５ｔａｔｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、”９１ページ、
１９８２年３月発行 ２　、　Ｒ，Ｌ、　Ｔｈｏｍａｓその他、”　Ｔｈｅｒ
ｍａｌ　ｗａｖｅＩｍａｇｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｎｏｎｄｅ
ｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ、”５８６
ページ、１９８２年ＩＥＥＥ発行のυｌｔｒａｓｏｎｉ
ｃＳｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ３　、
Ｒ，Ｌ、　Ｍａｌｃｈｅｒその他、”ＩＢＭ　Ｔｅｃｈ
ｎｉｃａｌＤｉａｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、
　Ｖｏｌ、　２５．　ＮＯ，Ｌ　２６３３ペ一ジ１９８
２年１０月発行 これらの文献に記載されているように、熱波顕微鏡は千
導体を、はじめ、さまざまの材料を使用する多くの産成
に応用できるものである。この被非破壊検査ツールは基
板の欠陥を影像化しドーパント領域を検査し特性を調べ
るために使用することができる。そのツールはまた、あ
らゆるタイプの薄膜の厚さを測定し酸化物の性質を調べ
るためにも使用可能である。さらにまた、パターン及び
マスクを配置する際の補助ツールとして、層状構造にお
ける層のはがれを検出するためにも使用することができ
る。

熱波顕微鏡においては、物質中の熱波の性質が表面下の
非破壊による影像化を行うために利用される。典型的に
は、解析すべきサンプルの表面にレーザーまたは電子ビ
ームがスキャンされる。このビームは所定の周期で振幅
変調されている。そして、このビームでサンプルをスキ
ャン・するにつれて、ビームはサンプル表面の付近に吸
収され、ビームの変調周期に対応してサンプルの表面が
周期的に加熱される。この周期的な表面加熱が熱波の発
生源となって、熱波はビームの入射領域、すなわち加熱
領域からまわりに伝播してゆくのである。そして熱波は
、周知の伝播波の散乱及び反射　（と波動力学的に等し
いふるまいをして、熱の境界や障壁では散乱や反射を□
−行う。このように、サンプルの表面及び表面下におけ
る周囲とはｉなった３− 熱的特性をもっ領婢では熱波の散乱が生じること灸こな
る。こうして、これらの特性が熱波に対してとら、え、
られる。・しかしながら、熱波は急激に減衰し１波長分
しか伝播できないので、その影像化領域には限度がある
。主としてこの理由により、サンプル全体を検査するた
めに、ビームをサンプルの表明に亘ってスキャンするの
である。

、ただし、熱波はきわめて減衰が速いので、検出するこ
とが難しい。しかし、熱波によりつくり出された局部応
力ひずみのために、熱波のエネルギーの一部が、熱波と
等しい周期の音波とな２て透過する。このように、例え
ば、Ｉ　Ｍ　Ｈｚの熱波はつねにＩ　Ｍ　Ｈｚの音波を
発生させるのである。そして、音波は熱波よりも十分に
長い距離を伝播し、また凝縮した物質中でも容易に通過
するがら、サンプルと音響的に接触させて配置した適当
な音響トランスジューサにより簡単に検出することがで
きる。このとき、音響トランスジューサはサンプルと直
接接触させてもよいし、サンプルをとり囲むガス入りの
セルや液体などの音響媒体をサンプ４− ルとの間に介在させてもよい。尚、音波の振幅と位相と
は、熱波が受ける相互作用に直接関連づけられる。音波
の振幅と位相とは適当な電子回路を用いて測定され、こ
れらの値は、ビーム照射位置の関数として記録される。

これらの電子回路技術と、得られたデータの意味とは、
当技術分野では周知である。　・ 熱波顕微鏡で得られる解像度は、レーザ二または電子ビ
ームのスポットの大きさと熱波の波長とによって決定さ
れる。一方、熱波の波長はサンプルの熱的パラメータ、
特に熱伝導率の関数である。

それはまた、レーザーまたは電子ビームの振幅変調の周
期の関数でもある。　゛ 熱波顕微鏡を実用化する場合に、熱的信号とサンプルと
の間の相互作用を検出するための技術が多数提示されて
いる。例えば次のようなものがある：　・　・ （ａ）サンプル中に熱弾性により発生した音波を検出す
ること （Ｅ、　Ｂｒａｎｄｉｓ及びＡｍ　Ｒｏａｅｎｃｗａｉ
ｇ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙ’ｓ。

Ｌｅｔｔ　３７．９８（１９８０））。

（ｂ）サンプルをとり囲むガス中に発生した音波を検出
すること （米国特許第３９４８３４５号及び第４０２８９３２号
；　ｌ、　ｌ、　Ｔｈｏｍａｓ他、Ｊ、　Ａｐｐｌ、Ｐ
ｈｙｓ、　５１．１１５２（１９８０））。

（ｃ）サンプルの加熱部分の近傍を通過するレーザービ
ームの光熱的偏速を測定すること （Ｄ、　ｐ□ｕｒｎｉｅｒ他著、５ｃａｎｎｅｄ　Ｉｍ
ａｇｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ。

３４７ページ、Ｅ、　Ａ、　Ａｓｈ編集、Ａｃａｄｅｍ
ｉｃ　Ｐｒａｓｓ。

Ｌｏｎｄｏｎ、１９８０） （ｄ）サンプル表面に配置した感熱性薄膜の蛍光を検出
すること （ｐ、　ｌ［ｏｌｏｄｎｅｒ他、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ
、　Ｌａｔｔ、　４２．１１７゜（１９８３））。

（ｅ）表面の熱弾性による変形を光学的に検出すること （Ａ、　Ｒｏｓｅｎｃｗａｉｇ他、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙ
ｓ、　Ｌｅｔｔ、　４３，１６６（１９８３））。

（ｆ）サンプルに密接した配置した温度接片中のセンサ
により温度を測定すること （Ｔ、Ｂａｕｍａｎｎ他、Ａｐｐｌｎ、　ＰｈｕＢ、　
Ｌｅｔｔ、　４３．７１（１９８３））− （ｇ）サンプルの加熱部から発生した赤外線の放射を検
出すること （Ｍ、　Ｌｕｕｋｋａｌａ他、１９８２　Ｕｌｔｒａｓ
ｏｎｉｃ　ＳｙｍｐｏｓｉｕｍＰｒｏｃｓｅｄｉｎｇｓ
、　Ｖｏｌ、　２．　ＩＨＩ！Ｅ　Ｃｉｔ、　Ｎｏ、　
８２　ＣＨ１８２３−４，５９１； Ｇ、　Ｂｕｓｓｅ他、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌａｔ
ｔ、　４２．３６６（１９８３）；Ｇ、　Ｂｕｓｓｅ他
、Ｉｂ１ｄ、　４３．３５５（１９８３））。

上記（ａ）　−（ｅ）の検出方法は、熱と熱とは異なる
タイプの信号（例えば熱弾性信号）の間の相互作用を利
用するものであって、必ずしもサンプルの純粋な熱的性
質が得られるとは限らない。それに加えて、上記のうち
のいくつかの検出方法はセンサをサンプルに直接接触さ
せるか、サンプルと検出器との間に音響的な結合媒体を
介在させるかし　１なければならないという欠点がある
。この欠点は、グリースやガラスやガスなどの、熱また
は音を伝達するために典型的に使用される媒体を必要と
す７− る、ということである。また、上記した（ｆ）、の方法
は、このように媒体を必！としないが、熱エネルギーの
透過を利用するものなので熱的に！いサン、プルの解析
以外には適さない。さらに、上記、（ａ）７　（ｆ）の
技術には従来の接子ビームシステム、を組み込むことに
あまり適合しないものや、サンプルの純粋に熱的性質は
容易に変換できないようなデータしか与えないものがあ
る。それでも、もし真空中で熱波の発生と検出とを行う
ならば、サンプルとの接触が不要になるとともに、熱波
顕微鏡装置を、他の目的に使用される電子ビームシステ
ムの一部として使用できるであろ族さらにまた、上記の
技術の中には、サンプルの表面の熱波と、熱波の伝達の
両方を同時にモニタできないようなものがあり、従って
得られる情報が限定されてしまう。

上記した（ｇ）の方法は、サンプルの加熱された部分か
ら発生される赤外線の放射を検出するものであり、それ
ゆえに基板の表面に対する非接触の検出を可能とする。

しかし、この方法ではビー８− ムのスポット位置に関連してセンサの焦点位置が限定さ
熟てしまうので、熱波の減衰効果の大きさが問題になっ
てくる。さらに、照射されたすべてのスポットが均等な
扱いを受ける訳ではないので、エネルギービームがサン
プル上の異なったスポットに移行するときに得られた信
号に大きな勾配が存在することがある。この勾配はサン
プルの欠陥の位置から相対的なセンサの焦点の位置に依
存する。また、この技術では集積される熱の量が極大化
されず、これは許春される信号と雑音の比がかなり小さ
いことを意味する。その上、（ｇ）の技術では、サンプ
ルの表面上の粒子を検出するためには、ビームが表面の
粒子に衝突することと、検出器の焦点をそのビームのス
ポット上にあわせることとがともに充たされなく・では
ならない。この技術のもう一つの欠点は、不明瞭さを残
すことなく表面下の欠陥をすべて検出するためには、ビ
ームと検出器の両方をスキャンしなければならないとい
うことである。こうして、（ｇ）の技術によってサンプ
ルの影像が得られはするのだけれども、そのデータを望
ましい内容に変換するのは容易ではない。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明の主な目的は、サンプルの表面及び表面下の構
造と欠陥とを非接触的に検出できる熱波顕微鏡のための
改良した技術を提供することにある。

この発明の他の目的は、サンプルとの接触が必要でない
ような赤外線検出器を備えた熱波顕微鏡を用いて、サン
プルの表面及び表面下の構造と欠陥とを検出するための
非破壊的技術を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、発生した赤外線の放射を
効果的に集積することにより、信号が大きくノイズが小
さいような改良した熱波顕微鏡を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、サンプルからの赤外放射
を利用して、サンプルの表面及び表面下の欠陥を検出す
べき良好な解像度を得ることのできる熱波顕微鏡を提供
することにある。

この発明のさらに他の目的は、サンプルの表面上の粒子
を、入射ビームが粒子に衝突することと、検出器がビー
ムのスポットに焦点をあわせること、という２つの条件
が充たされるのを待つことなく検出することができるよ
うな改良された熱波顕微鏡を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、サンプルのすべての点が
均等に扱われ、２次元的影像に容易に変換できるような
データが得られる熱波顕微鏡を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、従来の電子ビームスキャ
ンシステムに容易に適用可能な熱波顕微鏡の改良した技
術を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ この発明においては、例えばサンプルの表面にエネルギ
ーを導くことによって、サンプル表面に熱波を発生させ
る。このときの好適なエネルギー　１供給源は・電子１
−ムまたは′−ザービームな′　１のようなスキャン及
び変調の可能な手段である。

ビームの照射によって、サンプルの表面には、ビ１１− 一ムの入射点からまわりに放射する熱波がっくり出され
る。この熱波がサンプルの表面や表面下の構造と相互作
用を起こすとき、サンプル表面の加熱点の付近では温度
が上昇する。この温度の分布はサンプルの内部構造に依
存する。サンプルの加熱領域の熱的応答により、サンプ
ルの表面から赤外線の放射が生じ、この赤外線は、少く
とも加熱された２次元領域の、すなわちビームの入射に
より生じた熱いスポットとそのスポットの周囲の部分と
の影像を与えるために利用される。このとき、赤外線検
出器に対してこの２次元領域を影像化するための手段が
設けられている。

好適な実施例では、サンプルの全類から発生した赤外線
の放射を集積して赤外線検出器に導くための反射集光器
を使用することにより、赤外線検出器上にサンプルの全
領域が影像化される。この実施例では、サンプルは楕円
型反射器の一方の焦点にあり、赤外線検出器はそのもう
一方の焦点にある。そして、サンプルの大きさが赤外線
検出器よりも小さい限りは、サンプル全体の面を赤外線
１２− 検出器の検出面上に映し出すことが可能である。

尚、これ以外の実施例としては、面積的赤外線検出器を
用いてもよい。

従来の熱波顕微鏡と比較した場合、どの瞬間にもサンプ
ルの大部分の領域が赤外線検出器上に直接映し出されて
いるところにこの発明の構成の特徴がある。このように
したことにより、スキャンされたサンプルの各スポット
は均等に処理されることになり、容易に変換可能な２次
元的影像が得られる。

典型的には、エネルギービームは、いくつかの変調周期
の間に１個の割合でサンプルの点を照射する。このとき
熱的に定常な状態を仮定すると、赤外線信号が測定され
てからビームは段階的に次のサンプルの点に移行する。

このことは、サンプルの全表面を適正にスキャンして、
サンプルの表面と表面下の欠陥との検査を終えるまで続
けられる。この技術では、赤外線検出器を移動する必要
はなく、ただ入射エネルギー源（レーザー★たは電子ビ
ームなど）のみを移動すればよい。

この技術の他の長所は、従来の電子顕微鏡を容易に適用
できるということにある。すなわち、電子顕微鏡の電子
ビームはそのまま加熱源として使用できるので、熱波顕
微鏡として使用するためには、あと集光器と赤外線検出
器とを取り付けるだけでよい。この技術では、赤外線放
射の反射の透過のどちらを影像化するようにしてもよい
。

［実施例］ この発明の実施においては、熱波顕微鏡は、サンプルの
すべての点を均等に扱うとともに各熱波の波面から発生
したエネルギーを集積するような方法で作動を行う。熱
波を非接触で検出する従来の技術と比較すると、この発
明の装置ではエネルギービームから直接に検出器へ入射
する熱波のみを熱めるのではなくて、サンプルの加熱さ
れた２次元領域全体から発生した赤外線エネルギーを積
集するのである。すなわち、好適な実施例では、サンプ
ルの表面から発生して赤外線のエネルギーが集められる
。ただし理解すべきであるのは、赤外線検出器に対する
主なエネルギーの供給源は、エネルギービームがサンプ
ル上で照射した加熱スポットと、熱波が存在するサンプ
ル上の部分とである、ということである。サンプル上で
熱波の減衰がきわめて大きいので、赤外線検出器により
集められてエネルギーの大部分は、エネルギービームが
照射されたサンプル上のスポットと、そのスポットにき
わめて近接する領域とから来たものである。

さて、第１図は、この発明の原理を概要的に示すもので
ある。この技術においては、エネルギービーム１０がサ
ンプル１４の表面１２に導かれる。

好適な実施例では、エネルギービーム１ｏは焦点を合わ
され、振幅変調され、表面１２上でスキャンされる。エ
ネルギービーム１０はサンプル１４により吸取され、こ
れにより熱波１６（すなわち熱いスポット）が発生する
。この熱いスポットがら、表示装置２０に接続された赤
外線検出器１８　１に対して熱が放射される。もしサン
プル１４が熱波１６に対して「透明」すなわち熱的に薄
ければ、放射された赤外線が、サンプル１４を中心とし
て１５− 赤外線検出＃１１８との対向側に配置された赤外線検出
器２２によって検出される。尚、赤外線検出器２２にも
表示装置２４が接続されている。このとき、エネルギー
ビームは、サンプル１４の表面１２の局所領域に熱いス
ポットをつくり出すことができるなら、どのようなタイ
プのものでもよい。

エネルギービームとして適当なものは、例えば、電子ビ
ーム、イオンビーム、粒子ビーム（陽子、中性子、中間
子などの素粒子のビーム）などがある。その中でも電子
ビームは走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの従来の電子ビ
ーム中で得られるので、特に好ましいと言える。もしＳ
ＥＭによって電子ビームを供給するのであるなら、あま
り費用をかけないで）本願発明の装置をＳＥＭの内部に
容易に組み込むことができ、ＳＥＭにさらに別の用途を
与えることができる。また、従来の熱波顕微鏡に比較す
ると、本発明の熱波顕微鏡はサンプルとの接触を必要と
せず、簡単な変換によって表面の反、射影像と透過影像
とを得ることができる。

赤外線検出器１８．２２は市販により入手可能１６− な何種類かのうち任意のタイプのものを使用することが
できる。これらのタイプの検出器は、操作性と感度にお
いてそれぞれ異なっている。

Ｍｏ１ａｃｔｒｏｎ　Ｃｏｒｐ、とＰｌａｇｓｙ　Ｃｏ
ｒｐ、とから入手可能など０電気性の検出器は、スペク
トル応答の範囲が広いことと、安価であることと、操作
性にすぐれるという長所があることから、使用しやすい
ものである。また、感度を高めるために、ＧｅまたはＳ
ｉをドープして液体ヘリウムで冷却した光導電体、また
は液体窒素で冷却したＨｇ−Ｃｄ−Ｔａ検出器を使用し
てもよい。

ａ　・な゛ 動作状態においては、焦点をあわせチョップされたエネ
ルギービームが熱供給源としてはたらく。

典型的には、エネルギービームは走査電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）である。エネルギービームはサンプルを不連続的に
スキャンし、サンプル表面の離散した点を加熱する。エ
ネルギービームがサンプル表　。

面の１つの点を加熱すると、熱波１６がサンプル内部を
伝播する。この熱波１６が表面下のサンプル及びその表
面構造と相互作用をおこすと、サンプル表面１２の加熱
点の付近には温度勾配のパターンが形成される。このパ
ターンはサンプル内部に生じた熱波と、後方散乱した熱
波との長ね合わせをあられしている。また、温度勾配の
パターンはサンプルの内部構造に依存する。もしサンプ
ルの形状や材質が異なれば、それは熱的な異質性をひき
おこし、温度勾配のパターンの変化が生じることになろ
う。これらのパターンが加熱されたサンプル領域の“熱
的応答”なのであり、サンプル表面１２からの赤外線放
射をひきおこす原因となるものである。さらに、このパ
ターンは表面と表面下のどちらの影像化にも有用である
。エネルギービーム１０は複数の変調周期（例えば２−
１０周期）毎に１つのサンプルの点を加熱し、このとき
サンプル１４が熱的に定常状態にあったと仮定すると、
エネルギービーム１０が段階的に次の点に移行する直前
に領外線信号の測定が行なわれる。

もしサンプルが熱的に透明であるなら、サンプル１４を
透過した熱波がサンプルの底面から赤外線を放射させ、
その赤外線は検出器２２に集積されることになる。

（ｂ　な　の　Ｉ 第２図は、この発明の熱波技術の好適な実施例をあられ
すものである。この実施例においては、エネルギー源２
６がサンプル３２の表面３０に照射されるエネルギービ
ーム２８をつくり出す。エネルギービーム２８が電子ビ
ームである場合、サンプル３２を収容する装置全体は、
周知のように真空室の中に配置される。サンプル３２の
表面３０から発生する赤外線放射３３は、楕円状の反射
器３４を用いて検出される。すなわち、サンプル３２が
反射器３４の楕円形状の一方の焦点に配置され、赤外線
検出器３６が楕円形状のもう一方の焦点に配置される。

反射器３４には、サンプル３２に入射されるエネルギー
ビーム２８を入射させるための開口３８が設けられてい
る。また、反射　ｉ器３４は、ここで発生する赤外線の
主なスペクトルの波長（例えば１０μｍ）の放射を十分
に反射するようなものを選定しである。反射器３４全体
１９− は、その楕円状の反射面４０も含めて、例えばアルミニ
ウム、のような高反射率の金属で構成することができる
。あるいは、反射＠８４をエポキシ樹脂の成型により形
成して、反射面４０にはアルミニウム等の反射性の金属
層を設けてもよい。

第２図において、サンプル３２は支持用の台座４２上に
配置されており、一方、赤外線検出器３６は窓用のカバ
ー４４で覆われている。カバー４４は一般的にはシリコ
ンなどの物質で出来でおり、可視光線と、迷走してきた
電子とが赤外線検出器３６に到達しないようにするため
のものである。

窓用のカバー４４として適した物質としては他にＧｏ、
ＣｄＴａがある。このカバー４４を使用することは必須
ではないが赤外線検出器３６の動作条件を改善するため
には使用する方が望ましい。

また、赤外線検出器３６を支持するために金属支持層４
６が設けられており、赤外線検出器３６は導線４８を介
して電子回路の読み取り端子に接続されている。この実
施例では、この電子回路はロックインアンプ５０とコン
ピュータシステム５２−加− とよりなる。フィードバック線５４は赤外線検出器３６
の出力のサンプリング周期をエネルギービーム２８の変
調周期と等しくするために使用される。従来周知のよう
に、赤外線検出器３６から検出信号の振幅と位相という
２つの情報がプリアンプ（図示しなり一）に送られ、さ
らにエネルギー源２６の変調周期に同期し位相を感知す
るロックインアンプ５０にそれらの情報が送られる。こ
うしてロックインアンプ５０から出力された、振幅と位
相という２つの情報をもつ信号は、記憶部と処理部と表
示システムとを備えたコンピュータシステム５２に送ら
れる。コンピュータシステム５２は、エネルギービーム
２８をサンプル３２に不連続的にズキャンするためのラ
スターシステム及びビーム偏向システムの制゛御をも行
う。

楕円状の反射′器３４は少くともサンプル３２の加熱部
分からの、′より一般的には、サンプル３２の全面から
の赤外線放射３３の集光器としてはたらく０反射器３４
は熱による像の解像度には項響を与えず、またサンプル
３２が赤外線検出器３′６と同等以下のサイズである限
りにおいて、サンプル表面３０の全域を赤外線検出器３
６の検出面上に影像化する。尚、後述する例では、直経
２ｍｎのサンプルがほぼそれと同サイズの検出器上に映
し出される。

任意の瞬間に検出される赤外線信号は、その瞬間にエネ
ルギービームによって加熱されるサンプルの部分から発
生するものである。即ち、サンプル表面の加熱部分のみ
が、測定される赤外線信号に対して実質的に寄与するの
である。そして熱的影像の解像度はサンプル表面３０上
の温度勾配パターンによって決定される。又、サンプル
表面３０全体の影像は、サンプル表面をエネルギービー
ム２８でスキャンする事によって得られる。そうして、
スキャンが行なわれている間に、エネルギービーム２８
によって加熱されたサンプル表面３０上の各点に対応す
る赤外線信号が記憶される。

さて、第２図の熱波影像システムの動作モードは次のよ
うにして解析される： 先ず、エネルギービーム２８が周波数ω。＝２πｆ０で
チョップされるものとする。すると、方形波により変調
された、時間に依存するエネルギーＰ　（ｔ）は次のよ
５に複素表示される：（１） この式でｔは時間、ｊは虚数単位、ｐ、は直流成分であ
る。ここで、エネルギービームがサンプル表面３０上の
座標ｘｐ、ｙｐというある単一の領域を加熱するものと
しよう。すると、この点Ｘｐ、ｙｐの近傍の時間に依存
する温度分布は：Ｔ（ｊｓＸＰｔｙＰｓＸ＋ＶｔＺ）＝
Ｔｏ＋ΔＴ（ＸＰ’＋！／ＰｔＸ＊ｙｔＺ）÷３ｏよ７
．。１．□。□、あ、ゎオ。よえ４１ＴはＰ　（ｔ）の
直流成分Ｐ０によってひき起こされた直流の温度分布、
Ｔ　ａ　ｎ＋１は温度の奇数の調和２３− 周期成分の振幅である。さらに、（ｘｔ　ｙｔ　ｚ）は
３次元座標であり、特に（Ｋｅｙ）はサンプル表面３０
に平行な平面座標、Ｚはビームの入射方向にほぼ対応す
る垂直な座標である。尚、ここではビームのエネルギー
と温度分布の間の線形性を仮定している。しかしながら
、黒体輻射に対するステファン−ボルツマンの法則は本
質的に非線形であるから、赤外線の強さを計算するため
に複素表示を使用することはできない。さて、ステファ
ン−ボルツマンの法則は一般的に次のようにあられされ
る：工＝σＴ４ この式でＩは輻射エネルギー、σはステファン−ボルツ
マン定数、Ｔはケルビン温度である。この式を用いると
、サンプル表面３０の座標（ＸＰ＃ｙｐ）から発生する
赤外線放射の強度Ｉ　（ｔｔ　ｘＰ＊　ｙｐ）は次のよ
うにあられされる：ｚ＝０ ２４− この式でＲｅ（）は複素数の実数成分をとることを示す
。またε　（ｘ、ｙ）はサンプル表面８０における赤外
線の放射率である。以下に、−例としてω。周波教戒“
分のみを測定する、帯域の狭い検出システムを用いｔ場
合の影像システムにおける赤外線放射の強度工□（ｘｐ
ｔ　ｙｐ）を承る点ＸＰｓ３’Ｐに亘ってスキャンする
ことにより、影像データマトリクスＩｘ　（ｘｐｔ　ｙ
ｐ）が得られる。この測定値は、（式（１）のビーム強
度信号のω。成分に関連して）赤外線放射信号とは同期
の値及び９０°ずれた位相の値とがある。そして、熱的
影像を表示するために振幅と位相がともに演算される。

尚、゛ある状況のもとでは位相的影像が幾分有利である
。というのは、赤外線放射率や吸収率の空間的な不均一
さや、赤外線集積光による誤差が位相的影像では完全に
打ち消されてしまうからである。

Ｃの　の 第３図は、この発明の構成の感度及び解像度をめるため
の実験についてあられすものであり、第２図の実施例を
数値化しさらに説明を加えるためのものでもある。この
実験はＣａ■ｂｒｉｄｇｅＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｍａ
ｒｋ　ＩＩＡの、チョップし変調したビーム５６を発生
する走査電子顕微鏡を用いて行なわれた。

さて、ビーム５６は、点線矢印６０．６２．６４．６６
で示すようにサンプル５８の表面に沿って行なわれた。

ビーム５６の吸収強度は約２ｍ、またサンプル５８の表
面上で約１μｍ２となるように焦点をあわせた。さらに
、検出領域の直経約２閣、Ｍｏ１ｅｃｔｒｏｎ　ＰＩ−
７２のピロ電気検出器により赤外線放射を検出するよう
にした。この検出器は、低周波動作用に設計されたもの
であり、帯域Ｉｎｘテｆ　＝　１５Ｈｚ（７）周波数に
おいて２００ｖ／ｗの電圧応答性を有する。同相チャネ
ルと９０°位相のずれたチャネルとをもつロックインア
ンプを、狭帯域受信機として用いた。また、データの供
給と、ディジタル影像処理と、表示とを行うために、電
子ビームの変調及びスキャン用にはＩＢＭのパーソナル
コンピュータを用いた。

サンプル５８は厚さｌｌＩｎの銅プレート７ｏを有し、
その銅板７０には直経１ｍの円筒状の孔かあけてあり、
その孔にはエポキシ７２が充填されている。プレート７
０上にはＥａｓｔｍａｎ　９１０にがわ層７６によって
厚さ１５μｍの薄いガラス層７４が接着されている。に
かわ層７５の厚さも約１５μｍである。これらの重合層
の上面には５００人の厚さのニッケル膜７８を蒸着しで
ある。

さて、第３図の重合層において、銅が存在する箇所は、
銅のヒートシンク作用を受けるので、電子ビーム５６が
入射しても熱くならない。

しかし、電子ビーム５６がサンプル５８のエポキシ７２
上に導かれると（すなわち点線矢印６４で　；示される
経路で電子ビーム５６が入射すると）、その領域の下方
には銅が存在しないので、局所化した熱いスポットが形
成される。この熱いスポッ２７− トにより熱波が発生し、それに伴って放射する赤外線が
ピロ電気検出器によって検出される。表面を被覆された
銅プレート７０内のエポキシを充填した円形孔は、光学
的には視覚化することができないし、また従来の走査電
子顕微鏡でも像をとらえることができない。しかし、銅
プレート７０の熱的な不均一が、熱的信号のプ幅と位相
のシフトをもたらし、これらより赤外線の像を現出させ
る。

すなわち、第３図のサンプルの熱的な振幅の影像と熱的
な位相の影像とが隠された表層下の構造（銅の孔７２）
を映し出すのである。

１５μｍの薄いガラス層７４の熱拡散の長さはｆ＝１５
Ｈｚのとき約１３０μｍである。そして、影像は、約２
■Ｘ２ｍ＋の面積をもつサンプル領域を覆う９０Ｘ９０
の画素からなる。影像情屈は、１６段階のグレイレベル
を用いて表示される。この実検の熱的振幅影像において
、最小振幅のレベル（黒、すなわち銅が存在する箇所）
は９０．μＶであり、一方、最大振幅のレベル（白、す
なわちエポキシが存在する箇所）は５４０μＶであった
。

２８− また熱的位相影像において、バックグラウンドの黒レベ
ル（銅の存在する箇所）では位相のシフトは１０９＠で
あり、白レベル（エポキシ７２の存を、赤外線放射に基
づき非接触で熱的に影像化するシステムを実現すること
に成功したのであった。

この熱的な影像は、対象物の純粋に熱的な性質のみを表
示するものであり、熱と、音波や光などの信号との相互
作用に起因する影響は何ら生じないのである。

尚、変調ビームを使用することは、信号は雑音の比率及
び解像度を高める上で最も有用であるが、直流の照光を
用いることもまたこの発明の実施の範囲にある。さらに
、エネルギー供給源の性質としては電子ビームに限らず
イオンビーム、中性子ビーム、レーザービームなどのさ
まざまなものを使用できるとともに、検査すべきサンプ
ルのタイプは熱波をつくり出せるようなものであれば、
どのようなものでもよい。

この発明の実施においては、サンプルにおける熱波のす
べての波面から発生する赤外線の放射が集積されて検出
器上に影像化され、これにより加熱された２次元領域の
全体の影像が与えられる。

さらに、もし検出器の面積とサンプルの面積とがほぼ等
しいなら、サンプル表面の全体を検出器に映し出すこと
が可能である。このことは、サンプル表面のすべての点
が均等に扱われることを意味し、すなわち影像システム
によって得られたデータはサンプルの表面と表面下に関
して容易に変換可能となる。

この発明の装置は、サンプル平面上の粒子、例えば、半
導体や磁性材料上の塵粒子を検出するためにも使用する
ことができる。この場合、エネルギービームは、その粒
子にぶつからなくてはならない。ただし、検出器はサン
プルの全面の赤外線情報を集めるので、検出器自体はそ
の粒子に焦点をあわせる必要はない。さて、検出すべき
粒子がサンプル表面に存在しエネルギービームがその粒
子に照射されると、ステファン−ボルツマンの法則の非
線形性により、赤外線放射の大部分は粒子自体から発生
する。この赤外線は、集光器により赤外線検出器上に集
積される。すると、第２図の実施例に示すような装置に
よって表面粒子の検出が首尾よく行なわれることになる
。

この発明のその他の応用としてははんだ接合不良の検出
がある。例えば、ピンが正しくソケットに接合されてい
れば、レーザービームがピンに照射されたとき、ピンは
熱を逃がすであろう。ところが、もしピンのはんだ接合
が不良であれば、熱いスポットがつくり出されて、その
スポットは例えば第２図の装置を用いて、熱波パターン
として検出することができる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、サンプル上にエネル
ギービームをあててつくり出された熱いスポットから発
生する赤外線放射を検出するよう　１１にしたので、サ
ンプルに接触することなく光学的にとらえることのでき
ないサンプル表面下の構造をも影像化することができる
。

３１− また、サンプル表面全体を検出器に映し出すので、検出
器自体をスキャンさせる必要がなくなり、検出が容易に
なる。

さらに、従来の走査電子顕微鏡をそのまま利用できる、
という長所がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を示す概略図、第２図は本発明の
好適な実施例をあられす図、第３図は、本発明の装置を
用いた実検について説明するための図である。 １Ｏ１２８，５６・・・・エネルギービーム、１２．３
０．５８・・・・サンプルの表面、１６・・・・熱波、
１８．３６・・・・赤外線検出器、３４・・・・楕円状
の反射器、５０・・・°ロックインアンプ、５２・・・
・コンピュータシステム。 ３２− ０〜寸ψ■０〜ぐ 一一−−−〜　ＮＮ 起８３昆嵩苓工 第１頁の続き ■Ｉｎｔ、ＣＩ、’　識別記号　庁内整理番号０発　明
　者　ロパート・リー・メル　アメリカ合衆国ニチャー
　ア・クリーク・し ：Ｌ−：Ｉ−り州マウント・キスコ、ディーン１幡地 １５３−

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）解析すべきサンプルの表面にエネルギービームを
   照射して該サンプルの表面に温度勾配をつくり出すため
   のエネルギー供給源と、 上記サンプルの表面から発生する赤外線の強さを、該表
   面の２次元的情報として検出可能とした赤外線検出器と
   、 上記サンプルの上記温度軸勾配をつくり出された領域及
   び少くともその周囲から発生する赤外線を集めて上記赤
   外線検出器へ導くための集光手段、とを具備する熱波顕
   微鏡。
2. （２）上記集光手段は反射面を楕円形状とし、その楕円
   形状の一方の焦点に上記サンプルを配置し、他方の焦点
   に上記赤外線検出器を配置してなる特許請求の範囲（１
   ）図に記載の熱波顕微鏡。
3. （３）上記エネルギー供給源のエネルギービームは振幅
   変調されてなる特許請求の範囲第（１）項または第（２
   ）項に記載の熱波顕微鏡。
4. （４）上記エネルギー供給源のエネルギービームは電子
   ビームである特許請求の範囲第（３）項に記載の熱波顕
   微鏡。