JPH03269345A - 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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JPH03269345A
JPH03269345A JP7096790A JP7096790A JPH03269345A JP H03269345 A JPH03269345 A JP H03269345A JP 7096790 A JP7096790 A JP 7096790A JP 7096790 A JP7096790 A JP 7096790A JP H03269345 A JPH03269345 A JP H03269345A
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弘行 高松
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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(旧ra
nda、へPPLID 0PTIC3Vo122.No
18.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、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67で受光
する。光電変換器67からの電気出力Eは E = C1+C2(1)s(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6l−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22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W)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,,
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F2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: Fb  (Fb −F+F
2))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E2に変換し、上記2値信号E2から周波
数F−FI、あるいはF+Fb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が用いられる。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、グ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5が用いられる
。この出射光を周波数シフクーロにより互いに直交し周
波数差がFI、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
フにより2つに分け、ビーム1を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、×波長板9を通過後、偏光面が90度変化す
るため、偏光ビームスプリンタ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Elを取り出す。
E、は E+ =ACO9(2πFI、t 十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C2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し、位相をPとする
とP(t)は 4π p(t)は−Lsin (2πFt+P)−(3)λ で与えられる。ここでL<<λのときE、の周波数Fb
 −Fをもつ信号成分■は 2π V−−ALcos (2π(Fb−F)t−P+φ) 
−(4)λ となり、この周波数成分の信号の振幅し、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で、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、Elの値を零レベル(しきい値
)と比較し、Elが零レベル以上ならE、=V、E、が
零レベル以上なら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E2はv C2””   C05(2πFI、t+P(t)+φ)
π 1(高周波成分)・・・(5) となる。この場合、C2においてL<<λのときの周波
数Ft+−Fをもつ信号成分 v ■””   I−cos  (2π(Fb  −F)t
  −P + φ)−(6)λ となり、Aを含まないため、正確に熱膨張振動(振幅り
1位相P)を計測できる。
C2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、信号レヘ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FI、−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ゃ外乱振動等
の影響を受は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C2に変調信号(M ・5
in(2πFt+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Vl、lは、Vm 
=Ra+s(2π(Fb +F)t +φ1+q)+R
cos(2π(Fb −F)t +φ(1) −(7)
(R=2MV/π) になる。次にVmをフィルタ15に通し上式の右辺にお
ける第2項の信号Vrを取り出す。このVrを参照信号
として同期検波を行う。vrには位相φを含んでいるた
めVrを参照信号として同期検波16を行えば、■にお
ける位相φの影響は相殺される。同期検波出力V。は Vo  =  −LCO5(P+q)−(8)λ 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FI、−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Vm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図に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1 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(同波数二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F2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: Fb  (Fb=Fl −F2 ))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E2に変換し、上記2値信号E2から周波数F−Fb
あるいはF+Fb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2 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
する装置を示すプロ・ンク図、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・・・グイクロイックミラ 3・・・レンズ 4・・・試料 5・・・測定用レーザ 6・・・周波数シック 7・・・偏向ビームスプリンタ 8・・・参照ミラー 9・・・2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H15・・・フィル
タ 16・・・同期検波器

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 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_1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_2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_1(ビート周波数:F_b
    (F_b=F_1−F_2))を取り出し、上記ビート
    波信号E_1を2値化処理して2値信号E_2に変換し
    、 上記2値信号E_2から周波数F−F_bあるいはF+
    F_b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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