JPS6239705B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は光音響の分野に関し、更に詳しくは光
音響（photoacoustic）分光法による物質材料、
特に固形物の非破壊顕微鏡的検査のための技術に
関するものである。なお、光音響分光法では、光
エネルギーが原子、分子およびその集合体の中で
無放射失活過程を経て変換された熱エネルギー
（熱波：thremal wave）が音波（光音響波）とい
う力学的エネルギーに変換され、この音波を解析
する方法である。しかし、加熱ビームとしては光
ビームに限定されず、電子ビームのような粒子ビ
ームをも用いることができるので、熱音響分光法
というべきであるが、本明細書ではこのような広
義の熱音響分光法の意味で、光音響分光法という
語を用いる。

光音響効果は約100年前に初めて見出された。
この光音響効果は強度変調光または他の形態の加
熱ビームが試料に吸収されるときに起き、それに
よつて試料内のエネルギー準位を励起する。それ
らの準位は一般に無放射で失活（deexcite）さ
れ、熱エネルギーに変換される。それ故、試料の
ある場所での強度変調加熱ビームの吸収は試料媒
体において周期的な局部加熱を生じさせる。

光音響の分野は、過去数年間に、特に光音響分
光学の領域において、広範な発展を為した。出願
人の先の米国特許第3948345号並びに第4028932号
は、固形物を分光学的に分析するための光音響法
及び光音響セルを開示している。また、出願人の
論文、A.ローゼンクウエイグ、オプトアコース
テイツク・スペクトロスコピイ・アンド・デイテ
クシヨン、（Y.H.パオ、ed.）、Ch.8、アカデミツ
ク・プレス、N.Y.、1977も発表されている。

ガス状試料に関する光音響研究は一般に検出器
としてマイクロフオンを用いて行われた。ガス状
試料は音響的にシールされたチヤンバ内に収容さ
れ、また該チヤンバは鋭敏なマイクロフオンを有
している。20〜100000Hzの領域の周波数に強度変
調された加熱用の光ビームは該チヤンバに非吸収
ウインドウを通じて照射される。もしガス状試料
が光ビームのいくらかを吸収するならば、ガス分
子のエネルギー準位は励磁される。それらの準位
が無放射失活されるとき、そのエネルギーのいく
らか又はその全部が該分子の運動エネルギーに変
えられ、ガス状試料は強度変調光の吸収の結果と
して周期的な加熱を受ける。この周期的な加熱は
かかるガス状試料における周期的な圧力変動、即
ち音波（光音響波）を生ぜしめ、そしてその音波
はマイクロフオンによつて検出されるのである。

光音響分光学における最近の多くの仕事は、光
散乱性の高い粉体の如き非ガス状物質の研究に及
んでおり、上記ガス−マイクロフオンと同様な手
法が採用されている。粉体試料は、非吸収性ガス
と敏感なマイクロフオンとを有する音響的にシー
ルされたセル内に配置される。加熱用の光ビーム
は、20〜100000Hzの領為の周波数に強度変調され
ている。粉体試料がいくらかの光ビームを吸収す
ると、試料中のエネルギー準位は励起され、その
後の無放射失活により試料中で周期的な内部加熱
が生じるとともに、試料周囲のガスに周期的な熱
波を生じさせる。試料粒子の近くのガス層はこの
熱波から周期的な加熱を受けて、マイクロフオン
にて検出可能な音波を生じる。間接的にではある
が、このガス・マイクロフオン手法は、粉体試料
が大きな表面：容積の比を備えているので、かな
り大きな光音響波が得られる。

固体試料の光音響特性は圧電法を用いてしばし
ば最もよく測定される。ガス−マイクロフオン法
は、一般に固体が低い表面：容積比を備えその結
果としてのセル内における試料からガスへの熱移
動が少ないため、通常充分に機能しない。しか
し、試料に直接接触する圧電変換器によつて効果
的に測定され得る。圧電変換器は、加熱ビームの
吸収により光音響的に発生する熱波の直接の結果
として固体中に発生させられる音波（光音響波）
を感知する。レツド・ジルコネート・チタネート
結晶またはPZTは上記圧電変換器に適している。
圧電変換器は広い周波数帯域幅を備えているの
で、メガヘルツ領域での周波数変調された加熱ビ
ームが用いられ得る。

ホードビク及びシユロスバーグ等の“固体にお
ける光学吸収係数を決定するための光音響手
法”、アプライド・オプテイツクス、Vol.16、No.
１、1977年１月、P.101は、固体の吸収係数を測
定するために接触式の検出器を用いる光音響法を
記述している。1978年５月30日にホードビクへ発
行された米国特許第4091681号は、光音響顕微鏡
において興味のない、弱い吸収物質における表面
吸収またはバルク吸収から光音響信号が生じるか
どうか決定するために圧電変換器を利用してい
る。カリスの“励起状態の熱量検出”、J.リサー
チ・N.B.S.、Vol.80A、No.３、1976年５月−６
月、P.413は、圧電熱量計を記述している。フア
ロウらの“光音響信号の圧電検知”、アプライ
ト・オプテイツクス、Vol.17、No.７、1978年４月
１日、P.1093は、固体中に光学的に発生した音響
信号を測定するためにマイクロフオン検出器に代
えて圧電検出器の使用を記述している。しかし、
これらの文献は、非伝導性の物質の表面下の検出
または視覚化をどのように遂行するかについては
何等示していない。

ホワイトのJ.Appl.Phys.、34、3559（1963）
は、極めて高い周波数での表面加熱によつて弾性
波が発生することを示している。フオン・グート
フエルド及びメルヒヤーの“表面の強制的パルス
状熱弾性膨張からの20MHz音波”Appl.Phys.
Lett.Vol.30、No.６、P.257、1977年３月15日は、
パルス化されたレーザービームを物質上に集中さ
せることによつて物質内に音波が発生することを
述べており、また圧電検出器を使用している。し
かしながら、それらは音波を発生せしめるために
20MHzの極めて高い周波数で変調操作してい
る。表面は信号を発生させるように強制的に加熱
されるのである。1979年２月６日にメルヒヤーら
に与えられた米国特許第4137991号は、従来から
の超音波探傷を為すために音波の発生及びその使
用を示している。1977年６月14日にレモンズらに
与えられた米国特許第4028933号は、極めて高い
音響周波数で超音波の原理にて作動する音響顕微
鏡を示している。ケスラーの“音響検鏡における
進歩と応用のレビユー”、J.Acoust.Soc.Am.、55
(5)、P.909、1974年５月は、音響検鏡の種々なる
方法を示している。ウイツクラマシングエらの
“微視的スケールでの光音響法”、Appl.Phys.
Lett.33(11)、1978年12月１日発行は、入力音響レ
ンズの光学的な対応物の集中パルス・レーザーに
置換することによつて透過音響検鏡の修正を記述
している。このシステムは、840MHzという極め
て高い固定された周波数で操作される。これらの
論文は、試料における超音波と表面下の態様との
相互作用を通じてどのようにして超音波による表
面下の視覚化が為されるかについて教示してい
る。

ウオングらの“レーザー光音響分光法による固
体の表面並びに表面下の構造”、Appl.Phys.Lett.
、32(9)、1978年５月１日、P.538は、ガス−マイ
クロフオン検出器システムを用いる光音響検鏡法
の予備的研究を記述している。この論文は、ガス
−マイクロフオン光音響法を用いて表面状態の視
覚化を実行することのみを教示しているものに過
ぎない。

先行技術のいずれもは、光音響分光法の物理的
機構並びに可能性を充分に探究していない。先行
技術は、操作の基礎となる根本原則に到達してお
らず、光音響分光法による光音響検鏡をどのよう
に遂行するかについて教示しておらず、また光音
響検鏡法または熱音響顕微鏡の多くの用途を明ら
かにしていない。

表面下の様子を決定し且つ非破壊的方法におい
てそれを行うために、微視的スケールで固体物質
を迅速に調べる大きな必要性が、多くの工業、特
に半導体工業に存在している。物質表面下の構
造、物質変化、及び競合するエネルギー保存プロ
セスについての情報が必要とされ、そして特に
種々選択された所定深さでの深度プロフアイル
（所定深さでの物質断面画像）を得ることが出来
ることは、製造プロセスにおける装置の品質コン
トロールにとつてきわめて有効となるのである。
光学的手法は物質表面状態並びに性質についての
情報を提供するに過ぎず、また、従来の光音響分
光検査法は、波長源が変化せしめられるスペクト
ル、且つ集合した物質に対してのみであつて、微
視的スケールでない情報を提供する。

本発明の目的は、微視的スケール
（microscopic scale）で固体（bulk solid）表面
及び表面下の様子並びに性質の非破壊的測定を提
供するものである。

また、本発明の目的は、光音響的に発生せしめ
られた熱波との間の相互作用を通じて、微視的ス
ケールで固体表面及び表面下の形態の非破壊的検
査を提供することにある。

本発明の更なる目的は、微視的スケールにて
種々選択された深さで固体の深度断面図を描く
（depth−profiling）ための方法を提供すること
にある。

発明の摘要 この発明は、微視的スポツトにてたとえば二次
元的な物質表面または準表面を調べる光音響検鏡
方法及び装置であり、光音響的に発生させられた
熱波と物質内の熱的性質が異なる微視的箇所との
相互作用によつて表面及び表面下の種々の情報を
提供するものである。光音響信号は物質に強度変
調光ビームを集中させることによつて該物質内の
微視的スポツトで発生せしめられる。可視光に代
えて、スペクトルの或る部分から成る光ビーム、
或いは電子線などの粒子ビームの如き他の加熱ビ
ームが用いられ得る。集中された加熱ビームは物
質の微視的領域で吸収され、そして局所的な加熱
を生じて光音響信号を生じる。この光音響信号
は、二つの失活（deexcitation）プロセスから、
１Hz〜10MHzの比較的低い変調周波数が支配的
な熱音響プロセスと比較的高い周波数が支配的な
弾性音響（elastoacoustic）プロセスとに帰着す
る。大抵の場合には、光音響検鏡を為すための最
も適当な方法は、熱音響プロセスが支配する比較
的低い周波数にある。

熱音響プロセスが支配的であるとき、局在化し
た加熱は、それが効果的に減じられる前に、熱的
拡散長さまたは熱的波長を進む熱波を生ずる。こ
れらの熱波は、また、より長い波長及びより大き
な領域を有する応力−歪みまたは弾性波を発生す
る。弾性音響プロセスが支配的であるとき、弾性
波は熱波に相当する或いはそれよりもむしろ短い
波長を有する。このとき、吸収された光または入
射エネルギーから直接に加熱される領域からのエ
ネルギーは、先ず熱波に一旦変換され且つそれか
ら弾性波に変換されるよりもむしろ、弾性波に直
接に最も効果的に変換されるのである。

試料は、静止した光ビームの集光点をその一面
に受けつつ該試料が移動されることによつて、或
いは固定された試料表面を横切つて光ビームを偏
向することによつて、光ビームの集光点である微
視的ポイントが試料上を相対的に走査される。光
音響信号は試料に接触し或いは流体を通じて試料
に固定された圧電変換器によつて検出される。圧
電変換器は熱音響領域で操作されるときに熱波に
て発生せしめられる音波（光音響波）を検出す
る。光音響信号は位相感応ロツク・イン増幅器
（phase−sensitive lock−in amplifier）に供給
され、変調周波数に変えられる。このロツク・イ
ン増幅器からの信号はそれから適当なデータ処理
システムで分析される。

光音響顕微鏡は、物質内の焦点を合わされた点
での強度変調光の吸収に関連して表面若しくは表
面下の様子或いは構造について微視的スケールで
情報を与える。また、試料の表面並びに表面下の
態様は光音響的に発生させられる熱波とそれらの
態様との間の相互作用を通じて検出される。

光音響検鏡は、また、各微視的スケールでの情
報から材料の深度断面図の作成を行う（深さプロ
フアイル）。材料の種々なる選択された深さで走
査を行う。この深さプロフアイルは三つの方法で
行われ得る。好ましい方法は、加熱ビーム（入射
光）の変調周波数を変えることであり、それによ
つて試料内への熱波の浸透深さを変えて、光音響
信号が生成せしめられる深さを変えるのである。
１ミクロン程度の分解能が通常は望まれるので、
この方法は一般に10MHz以下の周波数で行われ
よう。また、深度断面図の深さは入射光の波長を
変えることによつて或いは光音響信号の位相を分
析することにより為され得るものである。

好ましい具体例の詳細な記述 光ビーム或いは電磁放射線など電磁波ビームま
たは電子線等の粒子ビームの如き強度変調された
加熱ビームが試料に衝突すると、局所加熱が生じ
て光音響効果が生じる。すなわち、物質中の熱的
性質検出箇所に局所的な加熱が物質内に起こる
と、その熱エネルギーは二つの機構によつて周囲
の物質に伝達される。第一に、熱伝導及び拡散に
より元の加熱された局所から周囲の領域への熱の
伝達がある。即ち、熱波が生ぜしめられるのであ
る。この方法によるエネルギー移動の速度は物質
の温度伝導率Ｋによつて決定される。加熱が頻度
（変調周波数）ωで周期的であるとき、媒体を通
じての周期的な熱波移動距離は、熱的波長または
熱的拡散長さ；μ_t＝（2K／ω）^1/2によつて与え
られる。また、熱拡散を通じてのエネルギー移動
は、散逸プロセスであり、そこでは物質内に個々
の原子、イオン或いは分子が非協同的様式におい
て振動して励起される。以上のようなエネルギー
移動の様式が熱音響様式と呼ばれるのである。前
記熱波は試料内で光音響波（熱音響波）を生じ、
それは熱波に表れた情報のキヤリヤとして機能す
る。

エネルギー移動の第二の様式は、加熱ビームの
照射により生じた局所的な熱エネルギーを物質そ
れ自身の協同的な振動様式に接続させることによ
る。即ち試料中の音子（フオノン）のスペクトル
に接続させることによるものである。弾性音響カ
ツプリングは、入射エネルギーによつて試料が加
熱される場所及び熱波の移動過程によつて加熱さ
れた領域の両者で起こり得る。これが、一般に非
散逸性である弾性音響プロセスである。このエネ
ルギー移動の速度は、物質中の音の速度によつて
支配され、そして検出し得る程度のエネルギーの
移動距離は、超音波減衰が極めて大きな著しく高
い周波数のところを除いて、試料の大きさ或いは
他の限界条件によつて専ら制限される。

光音響検鏡法における物理的プロセスは第２図
のフローチヤートに示されている。固体材料にお
ける入射エネルギーの吸収は、該材料中での熱波
の発生及び伝播を行うこととなり、またその熱波
に代わつて材料中で弾性波の発生及び伝播を行う
こととなるのである。全ての三つのプロセスは材
料（物質）について微視的な情報を提供し得る。
本発明に従う光音響顕微鏡は光音響的に発生せし
められた熱波を利用して、材料について微視的情
報を提供する。

入射エネルギーの吸収過程（Ａ過程）は、物質
の局所的吸収または反射／散乱特性についての情
報を提供する。光源を用いると、該吸収過程は光
学顕微鏡における情報の提供に用いられる。電子
ビームまたは粒子ビームを用いると、この過程で
は従来の電子または粒子顕微鏡において微視的な
画像化が行われる。それらの吸収過程における最
高の分解能は音子または電子の波長によつて決定
される。光にとつてその分解能の限界は約１ミク
ロンであり、；電子では、約0.01ミクロンであ
る。試料における画像の深さは、音子の透過深さ
によつて或いは電子の透過若しくは漏れ深さによ
つて決定される。

弾性波の発生及び伝播の過程（Ｃ過程）は、物
質の局所的弾性特性についての情報を提供する。
この過程は在来の超音波探傷手法においても及び
音響顕微鏡においても表面並びに表面下の視覚化
の両者のために用いられる。それらの最大の分解
能は音波の波長によつて決定される。大抵の固体
材料に対して、究極の分解能は、1000MHzで操
作する音響顕微鏡ですら５〜10ミクロンである。
より高い分解能は、それらの周波数のところで起
こる著しく大きな音減衰の故に、達成することが
困難である。超音波欠陥可視化及び音響検鏡が一
般に音透過様式で為されることから、その浸透深
さは単に材料でそれ自身の厚さである。深度プロ
フアイル、即ち材料における選択された且つ変化
する深さでの画像化は従来の超音波透過手法にお
いても或いは音響顕微鏡においても行われない。

熱波の発生及び伝播の過程（Ｂ過程）は、本発
明で説明されるように光音響または熱音響検鏡に
とつて特徴的なものである。それは在来の光学ま
たは電子検鏡では起こらず、また超音波或いは音
響検鏡においても起こらない。この過程は、試料
の熱散逸度及び熱膨張係数のような局所的な熱特
性についての情報を提供する。画像化は、異なる
熱特性を有する試料と異なる熱特性と熱波との相
互作用に起因することを利用して行われる。この
過程は本発明で示される如き光音響検鏡において
のみ起こる。これは従来の光学若しくは音響顕微
鏡においては起こらない。最大の分解能は熱波の
波長によつて決定される。この波長は熱拡散長で
あり、ｆ^-1/2として変化する。ここでｆ（ｆ＝
ω／２π）は入射エネルギーの変調周波数であ
り、そしてその周波数の熱波を生じさせる。大抵
の固体の場合、熱波長はｆ＝1MHzで〜１ミクロ
ンである。

熱波はかなり大きな減衰を有しており、その浸
透の深さは熱拡散長さである。即ち、熱波の透過
深度はその波長に等しい。それ故熱波の直接の検
出は極めて薄い試料に対する検査に制限される。
通常、光音響学において熱波は直接には検出され
ないが、その熱波によつて順次生じる試料内の応
力−歪み変動すなわち弾性波を通じて間接的に検
出される。ガス−マイクロフオン光音響システム
においては、試料の周期的加熱は固体近傍のガス
中に熱波を生じ、そしてそれはマイクロフオンに
て検出され得るガス中において順次弾性音波を生
じる。圧電光音響システムにおいては、試料の周
期的な加熱は試料中に熱波を生じ、順次それは圧
電変換器にて検出される弾性波を試料中に発生さ
せる。そして、ガス−マイクロフオン並びに圧電
光音響システムの両者においても、熱波は比較的
に短い距離だけ伝わり、そしてそれらは直接には
検出されない。その代わりに、その結果として生
じたより長い伝達領域を有する弾性（音）波が検
出される。その弾性波は、試料と光音響的に発生
せしめられた熱波との相互作用から引き出される
情報のキヤリヤとして単に作用する。弾性或いは
音の波長が充分に短くなる著しく高い周波数のと
ころでのみ、該弾性波とそれらが伝わる媒体との
相互作用は、その伝導媒体の内部構造について付
加的な情報を生じる。

一般に、圧電変換器を用いる光音響顕微鏡は、
第２図に示された三つの全過程から試料について
の情報を提供し得る。試料の吸収（または反射／
散乱）パラメータについての情報、試料の熱的パ
ラメータについての情報が全て得られる。

しかしながら、本発明に従う光音響顕微鏡の独
特な態様は、光音響波または熱波を通じて表面及
び表面下の光音響画像を作成し得ることである。
更に、これらの熱波の使用を通じて、深度−プロ
フアイルが、変調周波数の変化によつて、為され
得ることである。

情報分析を可能な限り複雑でないようにするた
めに、本発明の光音響顕微鏡は、表面が均一で既
知の吸収特性を有する高い吸収材料上で一般に用
いられる。光音響顕微鏡は、100MHz以下、たと
えば10MHz以下の周波数で操作され、そして弾
性波は、単に光音響的に発生せしめられた熱波か
ら引き出される情報に対するキヤリヤとしてのみ
作用するように充分に大きな波長を有する。
10MHzよりも低い周波数が、多くの固体におけ
る１ミクロン或いはそれ以下の熱波分解能を得る
ために必要とされている。これらの周波数のとこ
ろで、弾性波の波長は0.1cmよりも大きくなろ
う。それ故熱波が試料の微視的内部構造のすべて
に感応する一方、弾性波は0.1cmよりも大なる大
きさの著しく大きなキズ、異物、構造形状のほと
んどに不感応となろう。そのようなものは、勿
論、本検鏡法においては殆ど興味のないものであ
る。

第１図に示されたような単純な光音響顕微鏡の
構成は、シリコン・ウエーハの如き固体試料１０
の表面の小領域を検査するために、光音響検出の
圧電法を用いている。好ましい加熱ビームは、レ
ーザー光源１４からのレーザービームの如き光ビ
ームである。しかしながら、光音響信号は、可視
光よりも波長の異なる他の形態の電磁波ビーム、
例えば無線周波数波、マイクロウエーブ、赤外
光、紫外光、Ｘ線、ガンマ線などの吸収によつて
も、試料内に発生せしめられ得る。加えて、光音
響信号は、電子、陽子、中性子、イオン原子、或
いは分子ビームの如き粒子ビームと試料との相互
作用から生ずる熱励起を通じても発生せしめられ
得る。特に、電子ビームを使用する光音響顕微鏡
は、従来の走査型電子顕微鏡に対する付属品とし
て設けられ得る。これは、通常の電子顕微鏡検査
法の限界である電子の浸透乃至は漏れの付加さよ
りも更にかなり大なる深さで変調電子ビームを用
いることにより材料の表面下の画像化を可能とす
る。

本実施例の加熱ビームである光ビーム１２は、
音響光学的または電気光学的に作動する変調器の
ような強度変調システム１６によつて強度変調さ
せられる。光ビーム１２は強度変調されて、光音
響信号を生じる。しかし、いくつかのケースでは
波長変調され得る。粒子ビームの場合でも同様に
周期的な加熱を惹起するように強度変調される。
強度変調されたビーム１８はミラー２０にて偏向
され、レンズシステム２２によつて試料上に焦点
を合わせられる。入射光は、試料１０の微視的領
域が検査されるように、すなわち、熱的性質検出
箇所が局部加熱されるように、試料１０上に１ミ
クロン程の小さなスポツト２４に容易に集中せし
められ得る。粒子ビームの場合も同様にスポツト
に集中せしめられよう。固体を検査するときは、
圧電法による検出が最適である。圧電法は、空気
で運ばれるノイズに不感応であり、それ故何等の
音響的にシールされたチヤンバも一般に必要な
く、そしてより高い周波数の使用が可能となる。
圧電結晶から成る圧電変換器２６は試料１０へ直
接的に取り付けられる。なお、その圧電変換器２
６は適当な流体を介して試料に固定されても良
い。圧電変換器２６からの信号は、その変換器２
６または変換器２６−試料システムの共鳴周波数
付近の周波数で操作することにより、高められ得
る。

電気機械的Ｘ−Ｙテーブル２７により位置固定
の光ビーム１２に対して試料をたとえばＸ方向へ
移動させ、Ｙ方向へ僅かに移動させた後、−Ｘ方
向へ移動させ、またＹ方向へ僅かに移動させた後
Ｘ方向へ移動させる。これによりスポツト２４が
試料１０上を走査されるのである。なお、試料１
０は静止したままとし、光ビーム１２がＸ−Ｙ光
学音響偏向システムの如き偏向機構によつて試料
１０上を走査するように偏向されても良い。実際
の生産においては、試料１０上のあらゆる点が検
査されるものではなく、多くの点が統計学上のサ
ンプリング原則に基づいて走査されるのである。

光音響検鏡を行うに最も適当な方法は、弾性音
響プロセスが支配する高周波のところよりもむし
ろ熱音響プロセスが支配する比較的低い周波数の
ところにある。これは１ミクロンの熱波分解能が
大抵の材料においては10MHzよりも少ない周波
数対して可能であるからなのである。

試料１０上の各点で生じた光音響信号は圧電変
換器２６によつて検出される。圧電変換器２６か
らの信号はプリアンプ２８を通して、変調周波数
に調整（tune）されている位相感応ロツク・イン
増幅器３０へ供給される。それから、そのロツ
ク・イン増幅器３０の出力信号は、適当な記憶処
理、信号処理、画像化のためのデイスプレイ処理
をそれぞれ施すデータプロセシングシステム３２
に供給される。このシステム３２はまたＸ−Ｙテ
ーブル２７またはこれに替わるビームスキヤニン
グシステムを制御する。

すなわち、このＸ−Ｙテーブル２７により前記
スポツト２４が試料１０上を走査されるに伴つ
て、圧電変換器２６によつて検出された光音響波
の位相および大きさが位相感応ロツク・イン増幅
器３０により試料１０上の１ミクロン程度の小さ
なスポツト２４の各位置と関連してそれぞれ検出
されるのであるが、このようにして検出された光
音響波の位相変化および大きさの変化は、微少な
スポツト位置の内部構造に対応した情報であり、
データ処理システム３２においては、このような
情報から微視的スポツト２４の位置（光ビーム照
射位置）と関連させて熱音響波の大きさおよび／
または位相の変化量を表示面にコントラスト（明
暗度）の強弱として表すことにより試料の表面お
よび準表面の微視的な内部構造を表す画像を表示
するための通常の信号処理が施されるのである。
すなわち、熱音響波には光ビーム照射位置を表す
情報が含まれていない。好適には、熱パラメータ
が既知の試料を用いて光音響信号を予め比較のた
めに採取し、次いで実際の試料から得られた光音
響信号を、予め採取した信号を基準として処理
し、画像信号を作成する。このようにして得られ
た光音響画像の深さ位置は、基準信号の熱パラメ
ータが既知であるところから算出される。ここ
で、前述のように、熱波は試料の内部構造に感応
しやすく、この熱波によつて発生させられる熱音
響波の位相および大きさは熱波によつてもたらさ
れた情報であり、この意味において光（熱）音響
波はそのような情報を搬送するキヤリヤとして働
くのである。したがつて、光音響波に基づいて作
成される光音響画像は、熱波の波長の関数である
分解能を備えている。

光音響検鏡法（PAM）は、半導体ウエーハの
ような固体試料を調べ、その試料内の多くの異な
る性質を明らかにするのに極めて多能な方法であ
る。光は微視的なスポツトサイズに集中せしめら
れる。光音響信号はその集中させられたスポツト
２４で吸収された光の量に直接に関連付けられ
る。それ故材料若しくはその幾何学的構造におけ
る変化は、該スポツトでの吸収または反射特性を
変え、そして光音響信号を変える。また、加熱ス
ポツトまたはそれを中心とした熱波伝播領域内に
母材と熱的性質が異なる部分、すなわち微小なキ
ズ、異物などが存在すると、光音響信号に影響を
与える。したがつて、光音響画像中には加熱スポ
ツトの材料もしくはその幾何構造の変化、微小な
キズ、異物などの存在が示されるのである。上記
熱的性質が異なる部分としては、ウエーハ上に配
設された配線パターン間のリークまたは漏れがあ
る。このような電気的リークは、ホツトスポツト
となるから、他の部分と熱的性質が異なるため、
画像に表示される。すなわち、配線間に電圧を印
加した状態で光音響検鏡を実行するのである。試
料の走査は通常の光学顕微鏡で得られるものと同
様な像を与える。

PAMは微視的スケールに関する光学的吸収デ
ータを与える。入射集中光ビームの波長を変える
ことによつて、材料の光学的吸収特性が測定され
得る。そして光学的吸収スペクトルが微視的スケ
ールで得られる。また、物質表面各部の吸収特性
の差を表す画像が得られる。

PAMは、母材と異なる熱的特性を有する微小
部分を含む試料においてその微小部分と光音響的
に発生せしめられる熱波との相互作用を通じて表
面下の画像化を可能とする。キズ、異物などの１
ミクロン程の小さな微小部分は１〜10MHzのオ
ーダの変調周波数を使用することによつて解像さ
れ得る。

PAMは微視的スケールで失活プロセスについ
ての情報を与える。光音響信号は光学的エネルギ
ー準位の失活から局部的加熱を生ずるので、螢光
効果、光化学効果、及び光起電効果の如き失活の
モードの差異は光音響信号に影響をもたらす。螢
光種、例えば或るドーパント（dopant）或いは
不純物の存在は、螢光の存在が光音響信号を減じ
るところから、各微視的スポツトで確かめられ得
るのである。螢光種、光化学プロセス、光起電力
プロセスは、それぞれ特有の波長でエネルギー吸
収を行うものであるから、加熱ビームとして試料
に注入したエネルギーを把握し、且つ光音響信号
のエネルギーを測定することにより、それ等入力
エネルギーおよび出力エネルギー差に基づいて螢
光種、光化学プロセス、光起電力プロセスの存在
を特定できるのである。

以上のように、非波壊にて試料の表面または準
表面の光音響画像が得られるが、その光音響画像
の試料内の深さを次に示す三つの方法で変化させ
得る。一番目の方法は、加熱ビームの強度変調周
波数を変更するものである。これは熱波の浸透深
さを変えるものであり、これにより異なる深さの
情報を発生させるものである。光音響信号は、試
料表面から熱波の最大深さに至る間の試料内の局
部特性の集積を示すものであるから、加熱ビーム
の強度変調周波数を変更することによつて、熱波
の浸透深さの増大を可能とし、異なる試料深さの
光音響画像が種々得られるのである。二番目の方
法は、熱波の浸透深さに対して、集光された加熱
ビーム自体の浸透深さを変更するものである。加
熱ビーム自体の浸透深さはその加熱ビーム自体の
エネルギーに依存するので、加熱ビームが電磁波
であれば（光も電磁波である）波長を変更するこ
とによつて加熱ビームのエネルギーを調節するこ
とができるのである。すなわち、試料が加熱ビー
ムの波長に応じてその加熱ビームに対して半透明
若しくは透明、すなわち波長と関連して加熱ビー
ムの到達距離が変化するから、試料表面に対する
加熱ビームの集光点は変化する。電子ビームが加
熱ビームとして使用される場合は、浸透深さを増
大させるために個々の電子のエネルギー（電子速
度）を増加させることにより加熱ビームのエネル
ギーを増加させることができる。したがつて、加
熱ビーム自体のエネルギーを変化させることによ
り、異なる試料深さの光音響画像を得ることがで
きる。

三番目の方法は、光音響信号の時間依存性（加
熱ビーム最大ピーク値からの所定時間後の変化
値）または位相を測定することである。良く知ら
れているように、時間と位相とは相互に関連性が
強いものであり、特に本実施例のようなシヌソイ
ド信号解析では数学的に同様の取扱が為され得
る。好適には、到来する加熱ビームの連続するパ
ルス間で上記のものが測定される。若し、加熱ビ
ームが最大値となると同時に正確に測定が行われ
たとし、それから所定の時間経過後測定が行われ
ると、熱波がそれよりさらに深く浸透している状
態であるから、異なる深さについての信号が得ら
れるのである。同様の情報は、変調周波数の関数
として周期的信号の位相シフトを測定することに
よつても得られる。したがつて、上記加熱ビーム
の振幅の最大値からのその光音響信号の検出が行
われたときまでの時間を変化させることにより、
或いは位相の相互関係を調べることにより、時間
依存性（応答性）が把握されるのである。上記時
間依存性は、変調周波数の関数として圧電変換器
にて検出された光音響信号の位相を分析すること
によつて決定されるか、或いは加熱ビームのパル
スから生じる光音響信号の時間−出現を記録する
ことによつて決定される。後者の場合において、
前記レーザー光源１４及び強度変調器１６はパル
スレーザーに置き換えられ、そしてロツク・イン
増幅器３０は迅速記憶スコープ（fast storage
scope）或いは一時的信号分析器に置き換えられ
る。

光音響顕微鏡の深さプロフアイルは、試料の表
面において微視的に局在したスケールでの薄膜の
厚さ測定に応用することができる。そのような測
定は、たとえば、一点で加熱地位を固定し且つ加
熱ビームの浸透深さを前記のように変調周波数あ
るいはビーム自体のエネルギーを調節して変化さ
せると、熱波が薄膜の境界線に到達したときに光
音響信号の急激な変化が得られるのである。熱波
の到達深さと加熱ビームの変調周波数との関係を
予め基準試料から求めておけば、このようにし
て、薄膜の厚みが特定され得るのである。また、
薄膜厚みの測定には、前記三番目の方法を適用す
ることができる。この場合には加熱ビーム自体は
一定としておき、その加熱パルスの最大値からの
所定時間後の光音響信号の大きさ、すなわち時間
依存性を調べることにより、薄膜の厚みを特定す
ることができるのである。なお、薄膜の厚み測定
には、種々の深さの光音響画像を記録、あるいは
監視し、薄膜と母材との境界層が画像に表れたと
きの画像の深さ位置を、薄膜の厚みとすることも
できる。このようにして得られる薄膜の厚さ、す
なわち物質中の熱的性質が異なる局所の深さ位置
も、熱波の波長の関数で定まる分解能が得られ
る。

本発明はその特定の具体例の関連において記述
されてきたけれども、多くの変更、修正及び変化
を包括することが意図されているのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例であつて、圧電変
換器を用いて固体試料の光音響検鏡を行うための
システムの略図である。第２図は、光音響検鏡法
において含まれる物理的プロセスを説明するフロ
ーチヤートである。 １４：レーザー光源、１６：強度変調システ
ム、２０：ミラー、２２：レンズシステム、２
６：圧電変換器（検出手段）、３２：データプロ
セツシングシステム（処理手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 微視的スケールで物質の表面及び準表面を検
   査するための光音響検鏡法であつて、 物質の局所的性質と関連する熱波であつてそれ
   よりも長い波長で物質中を伝播する光音響波を発
   生させる熱波を、熱音響プロセスに従つて生じさ
   せるために、物質中の微視的な熱的性質検出個所
   に周期的な局部加熱を生じさせる加熱工程と、 物質中に生じた光音響波を検出して検出信号を
   発生させる検出工程と、 熱波の波長の関数である分解能を備えた物質中
   の局所的な熱的性質を表す光音響画像を得るため
   に、前記検出信号を処理する処理工程と、 を含むことを特徴とする光音響検鏡法。 ２ 前記周期的な局部加熱は、光ビームもしくは
   レーザービームを含む電磁波或いは粒子ビームな
   どの加熱ビームが前記物質の微視的な個所に照射
   され、且つ該微視的な個所が該加熱ビームからの
   エネルギーを吸収することによつて発生させられ
   る特許請求の範囲第１項の光音響検鏡法。 ３ 前記物質の周期的な局部加熱が、加熱ビーム
   の強度変調によつて行われる特許請求の範囲第１
   項または第２項の光音響検鏡法。 ４ 前記加熱工程は、種々選択された深さで前記
   物質内の走査を為すことにより該物質の所定深さ
   の光音響画像を得るために、前記加熱ビームを連
   続的に走査させるとき該加熱ビームの変調周波数
   を選択的に変化せしめて前記熱波の浸透深さを変
   化せしめるものである特許請求の範囲第３項の光
   音響検鏡法。 ５ 前記物質の所定深さの光音響画像を得るため
   に、前記検出工程が、前記検出信号の位相を分析
   することを含む特許請求の範囲第１項の光音響検
   鏡法。 ６ 前記加熱工程は、種々選択された深さで前記
   物質内の連続した走査を為すことによつて該物質
   の所定深さの光音響画像を作成するために、前記
   加熱ビームのエネルギーを変化せしめるものであ
   る特許請求の範囲第２項の光音響検鏡法。 ７ 微視的スケールで物質の表面及び準表面を検
   査するための光音響顕微鏡装置であつて、 物質の局所的性質と関連する熱波であつてその
   波より長い波長で物質中を伝播する光音響波を発
   生させる熱波を、熱音響プロセスに従つて生じさ
   せるために、物質の微視的な個所に周期的な局部
   加熱を生じさせる加熱手段と、 物質中に生じた光音響波を検出して検出信号を
   発生させる検出手段と、 熱波の波長の関数である分解能を有して物質中
   の熱的性質を表す光音響画像を作成するために、
   前記検出信号を処理する処理手段と、 を含むことを特徴とする光音響顕微鏡装置。 ８ 前記加熱手段が、光ビーム或いはレーザービ
   ームを発射する電磁波ビーム源、または粒子ビー
   ムを発射する粒子ビーム源であり、且つ前記物質
   の周期的な局部加熱が該加熱手段の強度変調によ
   つて行われる特許請求の範囲第７項の光音響顕微
   鏡装置。