JPS63274848A - 局所応力分布測定装置 - 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〕 本発明は、固体の応力測定装置に係り、特に、局所応力
分布を試料表面および表面下の局所構造と対応づけて測
定可能な局所応力分布測定装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、固体の応力測定にはＸ線回折パターンにより格子
歪みを観測する方式が利用されているが。

Ｘ線ビーム径を０　、１　ｍｍφ程度にしかしぼれない
ため、分解能数μｍφの局所応力測定には適用不可能で
あった。

この限界を克服するために、例えば、石谷虜＝「分光学
的手法によるマイクロアナリシスＪ　：応用物理、第５
５巻、第５号、ｐ、４７３（１９８６）に示されている
ように、ラマン分光を用いた応力測定が検討されている
。

しかしながら、皮膜厚さ９粒界等の試料表面および表面
下の構造が観測できないので、検出した応力分布の評価
が困難であった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では、測定した局所応力分布に対応する試
料表面および表面下の構造をａ測できないため、測定結
果の評価が難しいという問題があった。

本発明の目的は、局所応力分布と表面および表面下の構
造とを同時に測定・検出可能な局所応力分布測定装置を
提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、単一励起光源を用い、励起光を試料に照射
した際に発生するラマン散乱光と光音響信号とを同時に
検出することにより達成される。

すなわち、本発明は、上記目的を達成するために、単色
光源と、瞥色光源からの単色光を固体試料に導くととも
に試料からの散乱光を集光する集光光学部と、集光光学
部で集光された試料からの散乱光を分光する分光器と、
分光された散乱光を検出する光検出器と、前記試料から
の光音響信号を検出する光音響信号検出器と、前記試料
上の単色光照射位置を走査する光照射位置走査機構と、
検出した散乱光スペクトルのラマン散乱光ピークシフト
またはラマン散乱光プロファイルから試料の単色光照射
位置における応力を求めるとともに検出した光音響信号
の振幅または位相から前記位置における試料の表面また
は表面下構造を求めるデータ処理装置とからなる局所応
力分布測定装置を提案するものである。

前記単色光源は、レーザ光源またはレーザ光源と干渉フ
ィルタとを組み合ねせた光源とし、単色光をパルス状ま
たは連続波に強度変調する光強度変調器を備えることが
できる。

光変調する場合は、前記光検出器に、単色光源の光強度
変調器と同一周波数の検出信号のみを増幅するロックイ
ンアンプを備えることが望ましい。

前記光変調に代えて、前記集光光学系に、一定強度の単
色光で試料表面を走査し光照射位置走査機構を兼ねる可
動ミラーを備えるようにしてもよい。

いずれの場合も、集光光学系としては、集光レンズのみ
ならず、試料の光照射位置を所定角度で見込み散乱光を
集光する集光レンズとその周りの角度方向への散乱光を
受光する複数の光ファイバとからなる光学系を採用でき
る。

その場合、分光器には、集光レンズまたは光ファイバに
より導入された散乱光の全部または特定領域もしくは特
定方向の成分のみを通過させる散乱光導入部を備えると
、より詳しい測定が可能である。

〔作用〕

ラマン散乱光のピーク、半値幅、その他のプロファイル
は応力により変化するので、ラマン散乱光プロファイル
から応力が測定できる。一方、光音響信号は、試料の皮
膜厚さ２粒界やクラック等の熱的構造により変化するた
め、光音響信号から試料の表面および表面下の構造を検
出できる。単一励起光源を用いて両者の信号を同時に測
定すると、両者の信号の発生源が全く一致するから、局
所応力分布と局所構造とを完全に一致したｗｔ察領域上
で測定・検出可能である。

本発明は、特に、半導体の表面および表面下構造と局所
的な熱応力分布とを対応づけて測定・検出する局所応力
分布測定装置として好適である。

〔実施例〕

次に、図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明による局所応力分布測定装置の一実施
例の装置構成を示すブロック図である。

本装置は、励起レーザ１と、光強度変調器２と、集光光
学部３と、分光器４と、光検出器５と、プローブレーザ
６と、光位置検出器７と５試料１６を載せるための試料
台８と、試料台走査機構９と、データ処理装置１０と、
ＣＲＴ等の表示装置１１とからなる。集光光学部３は、
ミラー１２と、ハーフミラ−１３と、集光レンズ１４と
を備えている。なお、これらの光学系は、便宜上、単純
化して示しである。また、ラマン散乱光検出時に迷光（
背景光）除去のために不可欠な暗箱も表示を省略しであ
る。

本実施例の作用を綻明する。励起レーザ１からの励起光
（単色光）１５は、光強度変調器２により強度変調され
たのち、ミラー１２．ハーフミラ−１３，集光レンズ１
４を通って、試料台８上の試料１６に照射される。入射
光のうち、試料１６に吸収さ九ないものは、レイリー散
乱光およびラマン散乱光として散乱される。一方、吸収
されたものは、直ちに熱に変換される。励起強度が変調
されているため、散乱光強度も同一周波数で変調される
ことになる。また、発生する熱量も同一周波数で変化す
るため、熱波として試料内を伝播する結果、光音響信号
が発生する。したがって、ラマン散乱光と光音響信号は
１時間的および空間的に全く同一の信号源から発生する
ことになる。このようにして発生した散乱光１７を、集
光レンズ１４、ハーフミラ−１３を介して分光器４に導
き分光したのち、光検出器５で検出する。この際、検出
信号のうち励起光強度変調の周波数と同一周波数成分の
みをロックインアンプを利用して取り出すと、Ｓ／Ｎ比
を上げることができる。

一方、プローブレーザ６からのプローブ光１８を試料表
面上に通し、空気中を伝播する熱波に誘起される周期的
屈折率変化によるプローブ光１８の周期的偏向を光位置
検出器７とロックインアンプにより検出して、光音響信
号を検出する。ロックインアンプはデータ処理装置１０
内に配置されている。

表面皮膜厚さが異なる二領域を持つ試料のラマン散乱光
スペクトルおよび光音響信号の定性的傾向を第２図に示
す。試料構造に対応して、熱応力および膜厚の変化がそ
れぞれラマン散乱光スペクトルのプロファイル（ピーク
強度、ピークシフト。

半値幅等）および光音響信号（振幅９位相）に反映され
る。したがって、これらの情報を、試料台走査機構９に
より試料台を移動させながら試料の各点毎に得ると、応
力および試料機端を二次元的にマツピング可能である。

これらの集積データをＣＲＴＩＩに表示し、応力分布並
びに対応する試料表面および表面下構造を視立的に把握
できる。

このように、本実施例によれば、強度変調した単色光（
励起レーザ光）を試料に照射し、発生するラマン散乱光
と光音響信号とをロックインアンプを用いて同時検出し
、ＣＲＴ表示することにより、試料の局所応力と表面お
よび表面下とを対応づけて観測できる利点がある。また
、光音響信号をプローブレーザ光の偏向として検出する
ため、非接触測定できる。

本発明の他の実施例を第３図に示す。ただし、第１図実
施例と同じ部分の多くは図示を省略しである。本実施例
は、集光光学部３の周囲に光ファイバ１９の先端を配置
するとともに、ハーフミラ−１３で反射された光を集光
レンズ１４Ａで屈折させ、対向する光ファイバ１９に入
射させ、散乱光導入部２０を介して分光器４に導入する
ようにしたことを特徴とする。散乱光導入部２０には、
同図下部に示したように、透明板の一部を遮光したマス
ク（Ａ）や小さいレンズ（Ｂ）や一部にスリットを設け
た遮光板（Ｃ）等を取り付けられるようになっている。

スリットを設けである遮光板は、中心の周りに回転可能
であり、種々の半径方向に設定できる。

本実施例では、散乱光１７を集光レンズ１４およびハー
フミラ−１３を通して集光するのに加え、集光光学部３
の周囲に配置した光ファイバ１９で受光する。散乱光導
入部２０には、全ファイバを通った散乱光を集光して導
入することができ、前記マスク等により一本ないし複数
本のファイバを通った散乱光のみを分光器４の入射スリ
ットに導入することもできる。全ファイバを通った散乱
光を集光するように散乱光導入部２ｏを切り換えた場合
は、集光レンズ１４で集光する以外の散乱光も検出でき
るため、検出効率が上がる。一方、一本ないし複数本の
ファイバを通った散乱光のみが分光器に入るように散乱
光導入部２０を切り換えた場合、散乱光の角度分布から
結晶方位を決定可能である。

以上のように、本実施例によれば、光ファイバを集光光
学部の周囲に配置し、光フアイバ光を通った散乱光を全
部または部分的に分光器に導き、ラマン散乱光の検出効
率を上げてＳ／Ｎ比を向上させ、またはラマン散乱光の
角度分布を求めて結晶方位を検出できる利点がある。さ
らに、試料および集光光学部からなる部分と、分光器お
よびデータ処理装置からなる部分とを光ファイバにより
分割できるので、装置配置の融通性が増す利点もある。

加えて、励起レーザからの励起光も光ファイバで伝送す
ると、第４図に示すように、調整、保守。

点検が相対的に多く必要となる分光器、励起レーザ、お
よびデータ処理装置を試料台等の測定・検出部分から離
して設置可能であり、単一の励起レーザ、分光器および
データ処理装置を使って、複数の分析箇所へ光ファイバ
を分岐し接続可能となる。

本実施例では、プローブ光の同期的偏向量として光音響
信号を検出する例を示しているが、マイクロフォンで音
響波を検出する等の他の光音響検出手段を用いてもよい
。プローブ光の偏向量の検出方法としては、光位置検出
器以外に、ナイフェツジと光強度検出器とを組み合わせ
ることもできる。ラマン散乱光の検出器としては、光電
子増倍管またはマルチチャンネルプレート等を利用した
増幅機能付の多チャンネル検出器が好適である。

後者の場合、分光器の回折格子を固定した状態で瞬時に
スペクトル検出できる利点がある。分光器としでは、低
波数領域のバックグラウンドを低減するため、回折格子
を２個または３個有するダブルモノクロメータまたはト
リプルモノクロメータが適当である。

本発明のさらに別な実施例を第５図を用いて説明する。

本実施例の集光光学部３には可動ミラー２１が設置され
ているのが特徴である。励起レーザ１からの励起光１５
は、ハーフミラ−１３，集光レンズ１４．可動ミラー２
１を経て、試料台８上の試料１６に照射される。試料か
らの散乱光１７は、可動ミラー２１．集光レンズ１４．
ハーフミラ−１３，およびミラー１２を経て、分光器４
の入射スリットに導かれる。試料表面上の励起光照射位
置は、紙面面内方向には可動ミラー２１を、垂直方向に
は試料台８を駆動することにより二次元走査できる。な
お、ミラーを垂直方向にも駆動すれば、ミラーのみで二
次元走査可能である。

散乱光１７は、ハーフミラ−１３まで励起光１５の光路
を逆行するので、可動ミラー２１を動かしても、常に散
乱光１７を分光器４へ導くことができる。光強度変調器
を用いないため、励起光１５の強度は一定であるが、照
射位置が時間的に変化するので、試料上の各点における
励起光強度は時間的に変化し、結局、強度変調光を照射
されたことになり、前記実施例と同様に光音響信号が発
生する。

以上のように、本実施例によれば、可動ミラーにより励
起光を試料表面上で走査するため、測定時間を短縮でき
る利点がある。また、光強度変調器が不要であり、試料
台走査機構も一次元で十分である。さらに、音響光学式
光強度変調器を用いる場合に生ずる励起光強度の損失が
なくなるため。

励起レーザの出力を低減できる。

光音響信号検出にプローブレーザを利用しないで、マイ
クロフォンによる音響波検出等の方法を用いる場合には
、可動ミラーを二次元走査することにより、測定時間を
さらに短縮し、試料台走査機構を不要にできる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、単一の単色光源からの単色光を試料に
照射し、ラマン散乱光と光音響信号とを同時に測定・検
出する操作を試料表面上の各点について実施できるので
、試料表面の局所応力分布と試料表面および表面下の構
造とを完全に一致したｉ察領域で得ることが可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による局所応力分布測定装置の一実施例
の構成を示すブロック図、第２図はラマン散乱光スペク
トルと光音響信号の測定例を示す図、第３図は本発明の
他の実施例の集光光学部の構成を示す図、第４図は本発
明のさらに他の実施例の構成を示すブロック図、第５図
は別の実施例の集光光学部の構成を示す図である。 １・・・励起レーザ、２・・・光強度変調器、３・・・
集光光学部、４・・・分光器、５・・・光検出器、６・
・プローブレーザ、７・・・光位置検出器、９・・・試
料台走査機構。 １０・・・データ処理装置、１１・・・ＣＲＴ、１９・
・光ファイバ、２０・・・散乱光導入部、２１・・可動
ミラー　〇

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単色光源と、 前記単色光源からの単色光を固体試料に導くとともに試
   料からの散乱光を集光する集光光学部と、 前記集光光学部で集光された前記試料からの散乱光を分
   光する分光器と、 分光された散乱光を検出する光検出器と、 前記試料からの光音響信号を検出する光音響信号検出器
   と、 前記試料上の単色光照射位置を走査する光照射位置走査
   機構と、 検出した散乱光スペクトルのラマン散乱光ピークシフト
   またはラマン散乱光プロファイルから前記試料の単色光
   照射位置における応力を求めるとともに検出した光音響
   信号の振幅または位相から前記位置における試料の表面
   または表面下構造を求めるデータ処理装置と からなる局所応力分布測定装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記単色光源が、 レーザ光源またはレーザ光源と光干渉フィルタとを組み
   合わせた光源からなることを特徴とする局所応力分布測
   定装置。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項において、前記
   単色光源が、 前記単色光をパルス状または連続波に強度変調する光強
   度変調器を備えたことを特徴とする局所応力分布測定装
   置。 ４、特許請求の範囲第３項において、 前記光検出器が、 前記単色光源の前記光強度変調器と同一周波数の検出信
   号のみを増幅するロックインアンプを備えたことを特徴
   とする局所応力分布測定装置。 ５、特許請求の範囲第２項において、 前記集光光学系が、 一定強度の単色光で前記試料表面を走査し前記光照射位
   置走査機構を兼ねる可動ミラーを含むことを特徴とする
   局所応力分布測定装置。 ６、特許請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１項にお
   いて、 前記集光光学系が、 前記試料の前記光照射位置を所定角度で見込み散乱光を
   集光する集光レンズとその周りの角度方向への散乱光を
   受光する複数の光ファイバとを含むことを特徴とする局
   所応力分布測定装置。 ７、特許請求の範囲第６項において、 前記分光器が、 前記集光レンズまたは光ファイバにより導入された散乱
   光の全部または特定領域もしくは特定方向の成分のみを
   通過させる散乱光導入部を備えたことを特徴とする局所
   応力分布測定装置。