JPH0989663A - 光吸収量計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便で、一般的光学系にも広く適用可能であ
り、光による雑音の低減を行なうことができる光音響法
による光吸収量計測装置を提供すること。 【解決手段】 固体状のサンプル１８に計測光２２を照
射したときの光吸収に起因する該サンプル１８の体積変
化により発生する音響信号を計測することで、該サンプ
ル１８の光吸収量を計測する光吸収量計測装置であり、
音響検知素子２０が音響整合をとられた状態にて、該サ
ンプル１８または該サンプル１８を保持するホルダー１
９に設けられている光吸収量計測装置において、前記サ
ンプル１８に照射される計測光２２を遮蔽することな
く、かつ前記ホルダー１９及び／または音響検知素子２
０を該計測光２２及び該計測光２２の反射散乱光、迷光
等の光から遮蔽する遮蔽部材３２、３３を設けたことを
特徴とする光吸収量計測装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光吸収量計測装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】様々な光応用技術の進展に伴い、光学計
測の要求は益々高度化している。特に近年の傾向とし
て、可視光に比べて波長が非常に長い、あるいは短い光
における物性評価に関心が集まっている。例えば、超短
波長の光では、各種エキシマレーザなどが微細加工やリ
ソグラフに用いられており、光学素子などの計測評価が
不可欠になりつつある。

【０００３】光学素子などで要求される評価項目のう
ち、重要な項目の一つは、光の吸収である。光の吸収計
測では一般に、光学的に直接測定する方法（光強度を光
センサで検出する方式）がとられているが、この方法に
は限界がある。即ち、光源光が短波長（２００ｎｍ以
下）の場合に、現状では安定した光源や光量測定法が確
立されておらず、特に微小な吸収量（微小な光量差）を
みるときに大きく安定性がおちる。

【０００４】また、エキシマレーザ等のパルスレーザを
用いると、その検出にあたって、光センサの応答速度が
遅いことに起因する問題点が生じることもある。さら
に、吸収量のみを光学的方法で分離測定することは困難
であり、必ず表面等での散乱量を含んだ値として検出さ
れる。そこで、従来の光学的方法によらない、微小な光
吸収量を測定する方法がいくつか提案、実行されてい
る。その多くは、光の吸収を無輻射遷移である熱として
計測する方法である。

【０００５】代表的な方法は、カロリメトリとして知ら
れている、サンプルの光吸収による温度上昇を熱電対な
どの温度計測手段で直接測定する方法である。また、温
度上昇によりサンプル或いはその近傍雰囲気に生じた変
形及び（変形の）緩和によって発生する音響信号を検出
し、それから光吸収量を逆算する光音響測定法と呼ばれ
る方法もある。

【０００６】更に最近では、吸収加熱により生ずるサン
プル或いはその近傍の屈折率分布や変位を光によって検
出（光ビームの偏向や光路差の検出など）する方法も盛
んに行われている。この中で、音響測定を行う光音響測
定法（以下、光音響法と略称する場合がある）は比較的
簡便に行なえ、測定感度も高いことから、液体、粉体、
薄膜材料などに広く試みられている。

【０００７】この方法では、サンプル或いはその近傍雰
囲気において、断続光の照射による加熱冷却で生じた体
積変化である音響をマイクロフォンや、サンプルまたは
サンプルホルダーにとりつけた圧電素子トランスデュー
サ（音響検知素子の一例）などにより電気信号に変換し
て検出する。かかる電気信号の強度または位相などの解
析により、物質の無輻射遷移に関するさまざまな情報を
得ることができるが、音響波の大きさは通常、熱エネル
ギー（即ち、光吸収量）に比例するので（詳しい理論
は、例えば論文J.Appl.Phys, vol.47,No1, pp64. J.App
l.Phys, vol.51,No6, pp3343. Can.J.Phys,vol.64,pp14
7 など参照）、ここから光の吸収量を算出できる。

【０００８】この方法によれば、微小な吸収であって
も、光強度の大きなものを用いることによって検出信号
量を大きくでき、感度のよい測定が可能になる。光音響
法は、物質の無輻射遷移過程の解析などの分析方法とし
て用いられるとともに、光吸収量の測定法として、その
感度や測定の簡便性の点から注目されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】光吸収量を光音響法で
計測する際に、雑音が問題になることが多い。雑音の起
因はいくつかあり、電磁雑音、機械的振動による雑音の
他、光による雑音も大きい。計測光がサンプルに入射す
る場合、普通は集光されたスポットの状態にあるが、様
々の要因によりスポット以外の部分へも光が到達する。
例えば、集光レンズ面からの反射、散乱による光、ま
た、サンプルそのものにより散乱された光、サンプル周
辺から反射、散乱された光、また他光源からの迷光など
である。

【００１０】これらの光が音響検知素子に直接入射する
と、検知素子そのものの振動を発生させて大きな雑音に
なる他、検知素子と音響的につながっている部材（サン
プルのホルダーなど）への光入射も、特にその部材が光
を吸収するものであると、雑音を生む。このような光照
射（光入射）による雑音は、電磁雑音や振動雑音と異な
り、サンプルからの音響信号と周波数も近く（生ずるメ
カニズムが同じであるため）、周波数分離などの信号処
理の段階で除くことは困難である。

【００１１】これらの影響を低減するためにいくつかの
工夫がなされており、例えば、サンプルホルダーとして
透明なバーを用いて、サンプルホルダーに照射した光を
透過させて、音響を生じないようにしたり、ホルダーを
屈曲させ、サンプルから生ずる散乱光が、音響検知素子
に入射しないようにする方策などが考案されている（Ap
pl.Opt, Vol.20,No4, p606, Appl.Phys.Lett,Vol.35,No
11,p843, Rev. Mod.Phys.,Vol.53,No.3, p517 な
ど）。

【００１２】しかしながら、いずれも特殊なホルダーが
必要であり、その用意やサンプルのセッティングにおい
て面倒であるという問題点を有する。また、光学部材か
らの反射散乱光がある場合等には、光学系に適用しても
有効ではないという問題点を有する。いずれにしても、
光による雑音はその原因に応じて対処の必要があり、場
合によっては光学系そのものから大幅に変更（例えばレ
ンズ系をサンプルより遠ざけたり、光を反射する部材を
交換したりすること）を要求され、煩雑であるという問
題点があった。

【００１３】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであり、簡便で、一般的光学系にも広く適用可能で
あり、光による雑音の低減を行なうことができる光音響
法による光吸収量計測装置を提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は第一
に「固体状のサンプルに計測光を照射したときの光吸収
に起因する該サンプルの体積変化により発生する音響信
号を計測することで、該サンプルの光吸収量を計測する
光吸収量計測装置であり、音響検知素子が音響整合をと
られた状態にて、該サンプルまたは該サンプルを保持す
るホルダーに設けられている光吸収量計測装置におい
て、前記サンプルに照射される計測光を遮蔽することな
く、かつ前記ホルダー及び／または音響検知素子を該計
測光及び該計測光の反射散乱光、迷光等の光から遮蔽す
る遮蔽部材を設けたことを特徴とする光吸収量計測装置
（請求項１）」を提供する。

【００１５】また、本発明は第二に「前記遮蔽部材が前
記サンプル、ホルダー、及び音響検知素子から音響的イ
ンピーダンス的に大きく隔てられた状態にて設けられて
いることを特徴とする請求項１記載の光吸収量計測装置
（請求項２）」を提供する。また、本発明は第三に「前
記遮蔽部材が前記計測光の９５％以上を反射することを
特徴とする請求項１または２記載の光吸収量計測装置
（請求項３）」を提供する。

【００１６】また、本発明は第四に「前記音響信号を信
号計測時間を選定することにより分離計測する計測系を
設けたことを特徴とする請求項１〜３記載の光吸収量計
測装置（請求項４）」を提供する。

【００１７】

【発明の実施の態様】本発明にかかる光による雑音の低
減原理を図１を用いて説明する。この例では、パルスレ
ーザでの計測系として説明する。光源からの光は通常、
各種光学系により集光されてサンプル２に照射される。
この例における計測サンプル２は、ガラス基板上の薄膜
である。

【００１８】サンプル２は金属製のサンプルホルダー１
にセッティングされている。サンプル２とサンプルホル
ダー１は音響整合を取るために、適切なマッチング材料
を介して接触している。信号検出は、ホルダー１に取り
付けられた音響検知素子（圧電素子など）４により行な
われる。

【００１９】できるだけ大きな音響信号を検出するため
には、ホルダー１は音を伝えやすい材料（音響インピー
ダンスの小さい金属など）により作製することが好まし
い。また、音響検知素子４はホルダー１に接着剤５等に
より強固に固定され、安定に音響整合がとられている。
この状態にて、サンプル２に光照射を行なった場合、サ
ンプルホルダー１には集光レンズや周囲の部材などから
の反射散乱光７が照射される。その結果、サンプル２に
音響的に強く接合している音響検知素子４は雑音となる
音響信号を検出する。特に照射光強度が大きいときに、
この影響が大きい。

【００２０】そこで、本発明では図１に示すように、例
えばサンプルホルダー１の直前の位置に、音響を生じに
くい振動吸収材料である光遮蔽板（遮蔽部材の一例）９
を配置した。これにより、サンプルホルダー１への光照
射を、小さく抑えることが可能であり、そこからの音響
発生を防ぐことができる。遮蔽板９は、サンプルホルダ
ー１よりも音響発生及び音響伝搬が小さい材料により構
成するので、音響インピーダンスの小さいサンプルホル
ダー１よりも全体としての雑音音響は抑えられる。

【００２１】遮蔽板９を設けても、なおも遮蔽より発生
する音響が問題になる場合には、図１に示すように、遮
蔽板９とホルダー及びそれにつながる音響検知素子との
接触を同様に、音響を伝えにくい（高音響インピーダン
スの）材料１１を介して、即ち音響的インピーダンス的
に大きく隔てられた状態にて行なうと、さらに抑えるこ
とができるので好ましい（請求項２の一例）。

【００２２】また、サンプル透過後の光も雑音を生むこ
とがある。特に光が広がって進行していく場合など、適
切な光吸収のための措置を行なわないと、反射散乱光の
影響は大きい。例えば、図１のような構成のサンプル保
持では、反射光８が音響検知素子８（通常電磁雑音低減
のため、金属で覆われている）やサンプルホルダー１の
裏面へあたって大きな雑音音響を生ずる。

【００２３】これを防ぐためには、金属筒で覆われた音
響検知素子を、やはり音響を発生しにくく伝えにくい材
料（ラバーや発泡材など）からなるカバー（遮蔽部材の
一例）１０により反射光から遮蔽すればよい。特に、こ
れら遮蔽の効果が顕著なのは、サンプルから音響伝達さ
れた初期の段階である。

【００２４】前述したような遮蔽板や遮蔽カバー（遮蔽
部材）が光照射により音響を発生しても、音響インピー
ダンスの大きなものを介して音響検出部（サンプル、サ
ンプルホルダー、音響検知素子）と接触していれば（請
求項２）、サンプルからの音響に比較して、その雑音音
響は遅れて観測される。パルス光のような過渡的音響を
観察する計測では、時間的にこれらの音響雑音を信号取
込みの時間を制限することにより除去が可能になる（請
求項４）。

【００２５】遮蔽部材の配置は原則的に、サンプルの計
測光照射部分以外への光を遮蔽すればよく様々の方法が
あるが、前述したように、できるだけ音響検知素子への
音響及び伝搬影響の小さい配置にすることが好ましい
（請求項２）。遮蔽部材としては光を通さないことが必
要であるが、光を積極的に反射するもの、例えば９５％
以上の光を反射するものを使用することにより音響を抑
えた形にすることもできるので好ましい（請求項３）。

【００２６】こうすると、遮蔽物自身の光吸収が小さく
なるので、より雑音影響を小さくできる可能性がある
が、反射光の処理には留意する必要があることは言うま
でもない。以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
するが、本発明はこの例に限定されるものではない。

【００２７】

【実施例１】図２は本実施例の光吸収量計測装置の概略
構成図である。光源１２はArF エキシマレーザ（波長１
９３nm）であり、パルス幅は約２０nsecのものを用いて
いる。光２２はレンズ光学系１３、１６を通してサンプ
ル１８に集光、照射される。

【００２８】最終的なサンプル面への集光は、スリット
像を対物レンズ１６で結像することにより行なわれ、サ
ンプル面での光の径は約３mmΦである。光学系に挿入し
たズームレンズ１３により光強度を調節しており、光強
度は図１に示す石英ガラス１５の反射を用いた分岐光路
において、光センサ（バイプラナ型フォトマルチプライ
ヤ）１７によりモニタされている。

【００２９】計測光は空気中ではわずかに吸収されるの
で、計測系は全体として窒素パージされた雰囲気チャン
バー２３内に配置されている。ホルダー１９は、図３に
示すように板状であり、Ｖ字型の切れ込みが入ったＡｌ
板を両側からはさんで固定した構造にした。音響信号
は、圧電材料であるＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）に
アルミナの受信板を付けた構成のセンサ（音響検知素子
の一例）２０により検知した。センサ２０は、Ａｌ製サ
ンプルホルダー１９に接着剤２８により固定した。

【００３０】ホルダー１９は、光学ホルダー３０にゴム
板２９を介して固定されている。弾性体であるゴムで固
定する理由は、光学ホルダー３０とホルダー１９をでき
るだけ音響的に切り離すためである。サンプル１８は、
薄膜を１μｍ以下に形成した３０ｍｍΦで厚さ２ｍｍの
円形ペレット状の石英ガラス基板（測定波長光透過）で
あり、丁度幅２ｍｍに設定してあるホルダー１９のＶ字
型溝にぐらつくことなく、ぴたりとはまる。

【００３１】溝とサンプル１８の隙間には、絶縁性の溶
媒２７がマッチング液材として、溝の淵からあふれるま
で注入される。マッチング液剤としては、低粘度で気泡
ができにくく、かつ揮発性が低いベンゼン系溶媒を用い
た。こうしてセットされたサンプル１８に、ズームレン
ズ１３を駆動して光強度を変えながら光照射を行ない、
センサ２０の出力（電圧）を計測した。サンプル１８の
吸収による光音響信号発生は、光照射後約８μｓｅｃで
あった。

【００３２】信号には適切なフィルタリングを行ない、
電磁雑音振動雑音を除いた。本実施例では、音響のメイ
ンの共振周波数が１５０ｋＨＺ程度であり、この付近の
波長を選択して（ＦＦＴによる）の計測も行なった。ズ
ームレンズを制御しているパーソナルコンピュータ２５
により、モニタしている光強度信号と連動させて１パル
ス照射ごとに計測、記録されるようにした。

【００３３】サンプル部分以外への光照射による雑音を
調べるため、サンプルを置かない状態にて音響信号をと
った。光音響信号発生から約１０μｓｅｃの間の信号を
観察したところ、５ｍＪ程度のエネルギーのパルス光
で、振幅約５〜８０ｍＶの雑音が観察され、ＦＦＴのピ
ーク信号は約４０ｍＶであった。これは相当大きな雑音
であり、低吸収（約0.5％）のサンプルからの音響信号
とほぼ同等であった。

【００３４】そこで、図３（ｂ）のようにホルダー１９
の前面部分にラバーの板（遮蔽部材の一例）３２を配置
した。ラバー板３２は、集光される計測光の部分だけが
開いた構造であり、光学ホルダー３０にゴム板２９を介
してホルダー１９と挟み込んで、ねじ３１により固定し
ている。こうすることにより、ホルダー１９への照射に
よる雑音が約１／１０に低減された。これは前述した時
間範囲の音響到達直後の信号をみた結果であり、さらに
照射後時間が経過したときの雑音信号は観察された。

【００３５】しかし、それは、音響発生後１００μｓｅ
ｃ以上後であり、前記範囲での信号観察では殆ど影響が
なかった。

【００３６】

【実施例２】実施例１では、ビームトラップと言われる
ような良好な光の吸収体をサンプルの後に配置しておら
ず、サンプル後方には黒色スプレーで着色した金属板２
１が配置してあるのみである。ビームはサンプル面での
集光後、広がりながら進んでこの金属板に入射した後反
射して音響センサ（ステンレス製の筒でカバーされてい
る）に再入射する。また、サンプルホルダーの裏面にも
入射する。そのため、これらによる雑音音響も検知され
る。

【００３７】そこで、本実施例では図４に示すように、
音響センサ２０を囲うようなスポンジ製の遮蔽カバー
（遮蔽部材の一例）３３を用い、音響センサ２０及びホ
ルダー１９裏面を反射光から遮蔽するようにしたとこ
ろ、実施例１で述べた雑音がさらに（実施例１の信号時
間範囲で）１／５以下となった。

【００３８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の光吸収量計
測装置によれば、簡便で、さまざまの光学系に適用でき
る方式により、音響計測における光雑音を低減でき、感
度のよい計測が可能になるばかりでなく、サンプルセッ
ティング部分の設計の自由度を大きくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明にかかる遮蔽部材配置の一例を示す
概略断面図であり、上図（ａ）は遮蔽しない場合、下図
（ｂ）は遮蔽した場合をそれぞれ示す。

【図２】は、実施例の光吸収量計測装置の概略構成図で
ある。

【図３】は、実施例１における配置を示す概略図であ
り、上図（ａ）は遮蔽しない計測の場合、下図（ｂ）は
遮蔽板を配置した計測の場合をそれぞれ示す。いずれも
左図が光進行の横から見た断面図であり、右図が正面図
である。

【図４】は、実施例２における遮蔽カバー（遮蔽部材）
配置を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１・・サンプルホルダー ２・・計測サンプル（薄膜を形成した基板） ３・・音響マッチング材 ４・・音響検知素子 ５・・接着剤（音響マッチング材と兼用） ６・・計測光 ７・・反射、散乱光を表す ８・・裏面からの反射、散乱光を表す ９・・遮蔽板（遮蔽部材の一例） １０・・音響検知素子遮蔽カバー（遮蔽部材の一例） １１・・高音響インピーダンス材料 １２・・エキシマレーザ １３・・ズームレンズ １４・・スリット １５・・石英ガラス板 １６・・対物レンズ １７・・光量モニタセンサ １８・・薄膜サンプル １９・・サンプルホルダー（Ａｌ製） ２０・・アルミナ受信板つきＰＺＴ圧電素子（音響検知
素子の一例） ２１・・着色金属板 ２２・・レーザ光 ２３・・窒素パージチャンバー ２４・・アンプ、周波数分解（ＦＦＴ） ２５・・パーソナルコンピュータ ２６・・レーザスポット ２７・・マッチング液 ２８・・接着剤 ２９・・ゴム ３０・・光学ホルダー ３１・・おさえねじ ３２・・ラバー遮蔽板（遮蔽部材の一例） ３３・・スポンジ遮蔽カバー（遮蔽部材の一例） 以 上

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体状のサンプルに計測光を照射したと
   きの光吸収に起因する該サンプルの体積変化により発生
   する音響信号を計測することで、該サンプルの光吸収量
   を計測する光吸収量計測装置であり、音響検知素子が音
   響整合をとられた状態にて、該サンプルまたは該サンプ
   ルを保持するホルダーに設けられている光吸収量計測装
   置において、 前記サンプルに照射される計測光を遮蔽することなく、
   かつ前記ホルダー及び／または音響検知素子を該計測光
   及び該計測光の反射散乱光、迷光等の光から遮蔽する遮
   蔽部材を設けたことを特徴とする光吸収量計測装置。
2. 【請求項２】 前記遮蔽部材が前記サンプル、ホルダ
   ー、及び音響検知素子から音響的インピーダンス的に大
   きく隔てられた状態にて設けられていることを特徴とす
   る請求項１記載の光吸収量計測装置。
3. 【請求項３】 前記遮蔽部材が前記計測光の９５％以上
   を反射することを特徴とする請求項１または２記載の光
   吸収量計測装置。
4. 【請求項４】 前記音響信号を信号計測時間を選定する
   ことにより分離計測する計測系を設けたことを特徴とす
   る請求項１〜３記載の光吸収量計測装置。