(57)【要約】【課題】不透明な基板上に形成された薄い被測定物であっても、当該被測定物に対する熱物性についての解析の精度を維持することができる熱物性解析方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明に係る熱物性解析方法は、被測定物３０の表面に金属膜ｆｉを形成する成膜工程と、この金属膜ｆｉの形成後、当該金属膜ｆｉに表面側から加熱用パルス光Ｂ１ａと検出光Ｂ２ａとを照射する光照射工程と、金属膜ｆｉ表面で反射された検出光Ｂ２ａを受光してその受光強度の変化から当該金属膜ｆｉ表面の温度変化を検出する温度変化検出工程と、前記検出した温度変化のうち加熱用パルス光Ｂ１ａの照射による熱が金属膜ｆｉの内部でのみ拡散している時間が経過した後の温度変化に基づいて被測定物３０の熱物性を解析する解析工程と、を備えることを特徴とする。【選択図】図３
2010236895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の測定部位に光を照射し、その反射光に基づいて前記被測定物の熱物性についての解析を行う熱物性解析方法であって、
前記被測定物の表面に金属膜を形成する成膜工程と、
この金属膜の形成後、当該金属膜に表面側から加熱用パルス光と検出光とを照射する光照射工程と、
前記金属膜表面で反射された前記検出光を受光してその受光強度の変化から当該金属膜表面の温度変化を検出する温度変化検出工程と、
前記検出した温度変化のうち前記加熱用パルス光の照射による熱が前記金属膜の内部でのみ拡散している時間が経過した後の温度変化に基づいて被測定物の熱物性を解析する解析工程と、を備えることを特徴とする熱物性解析方法。
【請求項２】
請求項１に記載の熱物性解析方法において、
前記成膜工程では、あらかじめ前記金属膜が前記加熱用パルス光の照射により加熱されて温度上昇した後に当該金属膜における原子温度と格子温度とが平衡になるまでの緩和時間を算出し、さらにこの緩和時間の間に熱が前記金属膜表面から裏面へ到達することができる厚みを最小膜厚として算出しておき、
この最小膜厚以上の厚みとなるように前記金属膜を前記被測定物に形成することを特徴とする熱物性解析方法。
【請求項３】
請求項２に記載の熱物性解析方法において、
前記成膜工程では、前記金属膜は、電子格子相互作用定数が既知の金属によって形成され、
前記緩和時間は、前記加熱用パルス光によって加熱された前記金属膜の原子温度と格子温度との以下の式（１）、（２）による連立熱伝導方程式から算出されることを特徴とする熱物性解析方法。
【数１０】
2010236895.tif 000012
【数１１】
2010236895.tif 000013
ここで、Ｔｅは電子の温度，Ｔｌは格子の温度、Ｃｅ（Ｔｅ）は電子の比熱容量，Ｃｌ（Ｔｌ）は格子の比熱容量、λｅは電子の熱伝導率、Ｇは電子格子相互作用定数、Ｓは熱源である。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の熱物性解析方法において、
前記成膜工程では、前記加熱用パルス光の照射後の前記金属膜の電子温度と格子温度とが平衡状態になるまで当該金属膜表面での温度応答減衰が続く十分な膜厚の前記金属膜に対して前記加熱用パルス光を照射したときに得られる温度応答波形を基準応答波形とし、
膜厚を前記十分な膜厚から徐々に薄くした場合の各膜厚での前記加熱用パルス光の照射により得られる温度応答波形をそれぞれ計算し、
この各膜厚での温度応答波形と前記基準応答波形とをそれぞれ対比し、
前記緩和時間において前記基準応答波形から波形が乖離する温度応答波形に対応する膜厚を前記最小膜厚とすることを特徴とすることを特徴とする熱物性解析方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱物性解析方法において、
前記光照射工程では、前記加熱用パルス光と検出光とは、共通の基幹パルス光が２つのパルス光に分岐されることで形成されることを特徴とする熱物性解析方法。
【請求項６】
請求項５に記載の熱物性解析方法において、
前記光照射工程では、前記金属膜への照射前に前記加熱用パルス光を第１の周波数で強度変調すると共に前記検出光を第２の周波数で強度変調し、
これら強度変調された加熱用パルス光と検出光とは、互いに光軸が一致した状態で前記金属膜表面に到達するようにそれぞれ案内され、
前記温度変化検出工程では、前記金属膜表面で反射された前記検出光のうち、前記第１の周波数と第２の周波数との和若しくは差の周波数成分を検出することを特徴とする熱物性解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の測定部位に加熱光を照射して加熱し、この測定部位に検出光を反射させてこの反射光を受光し、その受光強度の変化から前記測定部位の温度変化を検出して熱物性についての解析を行う熱物性解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、薄い被測定物、例えば薄膜試料の熱物性についての解析評価のための測定方法として、特許文献１に記載された方法が知られている。この方法は、共通の短パルスレーザが加熱光（加熱用パルス光）と検出光（検出用パルス光）とに分岐され、これら加熱光と検出光とが透明基板上に形成された薄膜試料における測定部位の表裏各面に照射されることにより熱拡散測定が行われるいわゆるサーモリフレクタンス法である。
【０００３】
具体的には、前記サーモリフレクタンス法では、短パルスレーザの分岐光のうち一方の加熱光が変調手段によって変調されると共に光学遅延手段によって遅延されつつ前記測定部位の一方の面に照射され、他方の検出光が前記測定部位の他方の面に照射される。そして、前記測定部位の他方の面で反射された検出射光（反射検出光）が検出され、その検出信号（強度信号）における前記加熱光の変調成分が検出される。
【０００４】
この状態で、前記光学遅延手段によって前記加熱光の遅延状態が変化すれば、前記測定部位の過渡的な温度変化（光学的反射率の変化）が測定され、その過渡的な温度変化（過渡温度応答）が解析されることによって前記測定部位（被測定物）の熱物性値が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−８３１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記のサーモリフレクタンス法では、前記薄膜試料の裏面側（検出光が照射される面の反対側）に配置された基板（部材）が加熱光を透過する素材でなければ、前記加熱光が前記薄膜試料の裏面に到達することができず、当該薄膜試料を加熱することができない。即ち、不透明な基板の表面に形成された薄膜試料の熱物性についての解析のための測定ができないという問題が生じていた。
【０００７】
そこで、前記加熱光と検出光とを前記薄膜試料の表面、即ち、同一面に照射し、その反射検出光から前記測定部位の温度変化を検出することが考えられた。このように前記加熱光と検出光とが共に薄膜試料の表面に照射されることで、薄膜試料の裏面側に配置された基板が不透明な素材で構成されていても当該薄膜試料が前記加熱光によって加熱される。
【０００８】
しかし、このように前記薄膜試料の同一面に前記加熱光と検出光とが照射される場合、当該薄膜試料が非常に薄いと前記加熱光の一部が当該薄膜試料を透過して裏面側に配置された前記基板に到達し、当該基板が加熱される場合がある。この場合、前記基板からの熱の影響を受け、前記薄膜試料自身の温度変化が正確に評価できなくなり、薄膜試料の熱物性についての解析（熱物性解析）の精度が低下するといった問題が懸念された。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、不透明な基板上に形成された薄い被測定物であっても、当該被測定物に対する熱物性についての解析の精度を維持することができる熱物性解析方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係る熱物性解析方法は、被測定物の測定部位に光を照射し、その反射光に基づいて前記被測定物の熱物性についての解析を行う熱物性解析方法であって、前記被測定物の表面に金属膜を形成する成膜工程と、この金属膜の形成後、当該金属膜に表面側から加熱用パルス光と検出光とを照射する光照射工程と、前記金属膜表面で反射された前記検出光を受光してその受光強度の変化から当該金属膜表面の温度変化を検出する温度変化検出工程と、前記検出した温度変化のうち前記加熱用パルス光の照射による熱が前記金属膜の内部でのみ拡散している時間が経過した後の温度変化に基づいて被測定物の熱物性を解析する解析工程と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、前記金属膜が照射された加熱光によって加熱され、この熱が前記被測定物に拡散するため、当該被測定物には表面側（金属膜）のみから熱が伝わる。そのため、前記被測定物において、裏面側からの加熱用パルス光に基づく熱の影響を抑制した状態で、前記検出光の受光強度の変化から熱の拡散による前記金属表面の温度変化、即ち、前記加熱用パルス光の加熱に対する過渡温度応答を測定することができる。
【００１２】
この過渡温度応答のうち前記金属膜表面から被測定物に熱が拡散するまでは、前記金属膜の熱物性によって決定されている。そのため、前記熱がこの金属膜内部でのみ拡散している時間経過以降の前記過渡温度応答を解析することで、被測定物の熱物性についての解析を精度よく行うことができる。
【００１３】
さらに、前記被測定物の表面に前記金属膜を形成することで、前記検出光を反射しない素材で形成された被測定物であっても前記過渡温度応答の測定を行うことが可能となる。
【００１４】
本発明に係る熱物性解析方法においては、前記成膜工程では、あらかじめ前記金属膜が前記加熱用パルス光の照射により加熱されて温度上昇した後に当該金属膜における原子温度と格子温度とが平衡になるまでの緩和時間を算出し、さらにこの緩和時間の間に熱が前記金属膜表面から裏面へ到達することができる厚みを最小膜厚として算出しておき、この最小膜厚以上の厚みとなるように前記金属膜を前記被測定物に形成する構成が好ましい。
【００１５】
かかる構成によれば、前記加熱された金属膜において当該金属膜の電子温度と格子温度とが平衡状態となった後、この熱が前記被測定物に拡散し、この熱の拡散を前記過渡温度応答として測定することができる。そのため、前記被測定物の熱物性についての解析を例えば通常の熱伝導方程式（フーリエの法則）を適用することで容易に行うことができる。
【００１６】
具体的には、前記加熱用パルス光によって加熱された物質は、当該加熱用パルス光による光励起直後のごく短い時間で観測すると電子温度と格子温度とが非平衡状態となっている。仮に、前記被測定物がこのような電子温度と格子温度との非平衡状態で熱物性の解析が行われたとすると、連立熱伝導方程式（２温度モデル）を適用して算出しなければならない。このとき不定パラメーターである物性値未定の被測定物の電子格子相互作用定数が必要となるため前記被測定物の熱物性の解析が困難、即ち、熱物性値の定量化が困難となる。
【００１７】
これに対し、前記緩和時間の間に熱が前記金属膜表面から裏面へ到達することができる厚みを最小膜厚として算出しておき、この最小膜厚以上の厚みとなるように前記金属膜が前記被測定物に形成されることで、前記金属膜表面から裏面に熱が拡散するまでに前記緩和時間が経過するため、前記金属膜内部で電子温度と格子温度とが平衡状態となった後、前記被測定物に熱が拡散する。従って、当該方法を用いて測定した前記過渡温度応答から被測定物の熱物性についての解析を行うことで、前記連立熱伝導方程式を用いることなく通常の熱伝導方程式のみで計算することができる。
【００１８】
その結果、前記過渡温度応答に基づく熱物性についての解析が容易になる。即ち、前記被測定物において、電子温度と格子温度とが非平衡状態での解析を回避することができ、平衡状態での解析が可能となる。
【００１９】
尚、前記構成の場合、前記成膜工程では、前記金属膜は、電子格子相互作用定数が既知の金属によって形成され、前記緩和時間は、前記加熱用パルス光によって加熱された前記金属膜の原子温度と格子温度との以下の式（１）、（２）による連立熱伝導方程式から算出されることが好ましい。
【数１】
2010236895.tif 000003
【数２】
2010236895.tif 000004
ここで、Ｔｅは電子の温度，Ｔｌは格子の温度、Ｃｅ（Ｔｅ）は電子の比熱容量，Ｃｌ（Ｔｌ）は格子の比熱容量、λｅは電子の熱伝導率、Ｇは電子格子相互作用定数、Ｓは熱源である。
【００２０】
このようにすることで、前記金属膜の電子格子相互作用定数が既知であるため、前記緩和時間の算出において、上記の式（１）及び式（２）による連立熱伝導方程式（２温度モデル）を適用して前記緩和時間が容易に算出される。
【００２１】
また、前記構成の場合、前記成膜工程では、前記加熱用パルス光の照射後の前記金属膜の電子温度と格子温度とが平衡状態になるまで当該金属膜表面での温度応答減衰が続く十分な膜厚の前記金属膜に対して前記加熱用パルス光を照射したときに得られる温度応答波形を基準応答波形とし、膜厚を前記十分な膜厚から徐々に薄くした場合の各膜厚での前記加熱用パルス光の照射により得られる温度応答波形をそれぞれ計算し、この各膜厚での温度応答波形と前記基準応答波形とをそれぞれ対比し、前記緩和時間において前記基準応答波形から波形が乖離する温度応答波形に対応する膜厚を前記最小膜厚とすることが好ましい。
【００２２】
このようにすることで、前記加熱用パルス光による熱が前記金属膜から被測定物に拡散するまでに当該金属膜内部で電子温度と格子温度とが平衡状態になる最小の前記金属膜の膜厚を容易に得ることができる。そのため、前記被測定物内部で電子温度と格子温度との非平衡状態が起こらず、物性値未定の被測定物の電子格子相互作用定数を用いることなく前記被測定物の熱物性についての解析を行うことができる。
【００２３】
また、前記光照射工程では、前記加熱用パルス光と検出光とは、共通の基幹パルス光が２つのパルス光に分岐されることで形成されてもよい。
【００２４】
かかる構成によれば、前記加熱用パルス光と検出光とのパルス繰り返し周波数を高精度に一致、即ち、同調させることができる。そのため、前記繰り返し周波数の一致誤差に起因する測定精度の悪化が抑制できる。
【００２５】
また、前記光照射工程では、前記金属膜への照射前に前記加熱用パルス光を第１の周波数で強度変調すると共に前記検出光を第２の周波数で強度変調し、これら強度変調された加熱用パルス光と検出光とは、互いに光軸が一致した状態で前記金属膜表面に到達するようにそれぞれ案内され、前記温度検出工程では、前記金属膜表面で反射された前記検出光のうち、前記第１の周波数と第２の周波数との和若しくは差の周波数成分を検出する構成であってもよい。
【００２６】
かかる構成によれば、前記金属薄膜表面で反射された前記検出光のうち、前記第１の周波数と第２の周波数との和若しくは差の周波数成分を検出することで、前記検出光に含まれた前記加熱用パルス光の前記金属膜での反射によるノイズを除去することができる。そのため、前記加熱用パルス光の照射による前記過渡温度応答を高精度に測定することが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
以上より、本発明によれば、不透明な基板上に形成された薄い被測定物であっても、当該被測定物に対する熱物性についての解析の精度を維持することができる熱物性解析方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態に係る熱物性解析装置の概略構成図である。
【図２】同実施形態に係る熱物性解析装置における（ａ）は加熱用パルス光の強度変化を模式的に表し、（ｂ）は検出用パルス光の強度変化を模式的に表した図である。
【図３】金属膜（Ｃｒ膜）における電子温度と格子温度との過渡温度応答波形を示す図である。
【図４】各膜厚での金属膜（Ｃｒ膜）における過渡温度応答波形を示す。
【図５】（ａ）はＡｕ薄膜表面にＣｒ膜を形成した場合の電子温度と格子温度との過渡温度応答波形を示し、（ｂ）はＳｉＯ２薄膜表面にＣｒ膜を形成した場合の電子温度と格子温度との過渡温度応答波形を示す図である。
【図６】Ｃｒ膜を表面に形成したＡｕ薄膜とＳｉＯ２薄膜との電子温度における過渡温度応答波形を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の第１実施形態について、添付図面を参照しつつ説明するが、まず、本実施形態に係る熱物性解析方法で用いる熱物性解析装置（以下、単に「解析装置」とも称する。）について図１に基づいて説明する。
【００３０】
この解析装置１０は、１つのパルスレーザ（光源）１１から周期的に出射される基幹パルスレーザ（基幹パルス光）Ｂ０を２分岐させて、その一方を加熱用パルス光（以下、単に「加熱光」とも称する。）Ｂ１ａ、他方を検出用パルス光（以下、単に「検出光」とも称する。）Ｂ２ａとしている。そして、加熱光Ｂ１ａを薄膜試料（被測定物）３０の測定部位３０ａに照射すると共にその測定部位３０ａに検出光Ｂ２ａを照射し、当該測定部位３０ａで反射した検出光Ｂ２ａを受光してその受光強度を検出することにより、前記測定部位３０ａの温度変化（過渡温度応答）を測定するサーモリフレクタンス法に基づく熱物性解析を行う装置である。
【００３１】
尚、解析装置１０の測定対象となる薄膜試料３０としては、例えば、プリント基板上の配線パターンや、電子回路の配線膜、各種合金材料、炭素系コーティング膜の他、銅や金、アルミ等の金属の膜（特に、１００ｎｍオーダーの膜）等である。また、本実施形態に係る薄膜試料は、基板（図示せず）上（基板の表面）に成膜されている。
【００３２】
解析装置１０は、具体的には、パルスレーザ（光源）１１、ビームスプリッタ（光分岐手段）１２，１５及び２０、第１変調器１３、第２変調器１９、ミラー１４，１７、レンズ１６、光路長調節機構１８、第１発振器２１、第２発振器２２、混合器２３、光検出器２４、検波器２５、計算機２６及びステージ２７を備えている。
【００３３】
パルスレーザ１１は、所定周期で断続する数ピコ秒〜十ピコ秒程度の幅の単位パルス光ＰＬで構成される基幹パルス光（基幹パルスビーム）Ｂ０を出力（照射）する光源である。例えば、本実施形態に係るパルスレーザ１１は、波長が５３２ｎｍ、パルス幅が１２ｐｓｅｃのパルス光（パルス状のビーム）Ｂ０を繰り返し周波数が８０ＭＨｚで出力する。
【００３４】
ビームスプリッタ１２は、パルスレーザ１１から出力される基幹パルス光Ｂ０を分岐させるもので、本実施形態においては第１の分岐光Ｂ１及び第２の分岐光Ｂ２に２分岐させる。この第１の分岐光Ｂ１は後述する加熱光Ｂ１ａとして、第２の分岐光Ｂ２は後述する検出光Ｂ２ａとして薄膜試料３０の測定部位３０ａに照射される。
【００３５】
第１の分岐光Ｂ１（加熱光Ｂ１ａ）は、ミラー１４、ビームスプリッタ１５及びレンズ１６により、薄膜試料３０の測定部位３０ａに案内される。また、第２の分岐光Ｂ２（検出光Ｂ２ａ）は、ミラー１７、光路長調節機構１８、ビームスプリッタ２０，１５及びレンズ１６により薄膜試料３０の測定部位３０ａに案内される。このように案内される加熱光Ｂ１ａと検出光Ｂ２ａとは、薄膜試料３０の測定部位３０ａ近傍に設置されたビームスプリッタ１５までは、それぞれ異なる光学系によって案内される。
【００３６】
ビームスプリッタ１５及びレンズ１６によって、加熱光Ｂ１ａと検出光Ｂ２ａとは、薄膜試料３０の測定部位３０ａに対して垂直（若しくはほぼ垂直）な方向から互いに光軸が一致（若しくはほぼ一致）するように照射される。このように２つの光（加熱光及び検出光）Ｂ１ａ，Ｂ２ａを薄膜試料３０の測定部位３０ａに対して垂直方向（法線方向）から照射することによって両光Ｂ１ａ，Ｂ２ａのスポット径をより小さくすることができる。その結果、薄膜試料３０における微小領域の測定が容易となる。
【００３７】
尚、偏光板等により、ビームスプリッタ１５の位置に到達する加熱光Ｂ１ａ及び検出光Ｂ２ａの偏光方向が異なるようにし、ビームスプリッタ１５を偏光ビームスプリッタに置き換えることで、加熱光Ｂ１ａ及び検出光Ｂ２ａのエネルギーロスを低減できる。
【００３８】
第１変調器（加熱光変調手段）１３は、第１発振器２１から出力される所定の周波数（第１の周波数）Ｆ１の発振信号に基づいて、第１の分岐光Ｂ１をビームスプリッタ１２から薄膜試料３０の測定部位３０ａまでの中間位置で第１の周波数Ｆ１で強度変調するものである。以下では、第１変調器１３によって変調される前（上流側）の光を第１の分岐光Ｂ１とも称し、第１の変調器１３によって変調された後（下流側）の光を加熱光Ｂ１ａとも称する。
【００３９】
第２変調器（検出光変調手段）１９は、第２発振器２２から出力される所定の周波数（第２の周波数）Ｆ２の発振信号に基づいて、第２の分岐光Ｂ２をビームスプリッタ１２から薄膜試料３０の測定部位３０ａまでの中間位置で第２の周波数Ｆ２で強度変調するものである。以下では、第２変調器１９によって変調される前（上流側）の光を第２の分岐光Ｂ２とも称し、第２変調器１９によって変調された後（下流側）の光を検出光Ｂ２ａとも称する。
【００４０】
ここで、第１の周波数Ｆ１及び第２の周波数Ｆ２は、基幹パルス光Ｂ０における単位パルス光ＰＬの繰り返し周波数Ｆ０（断続周波数）よりも十分に小さい。また、第１の周波数Ｆ１と第２の周波数Ｆ２とは、異なる周波数であり、例えば、本実施形態においては、Ｆ０＝８０ＭＨｚに対し、Ｆ１＝２００ｋＨｚ、Ｆ２＝２３０ｋＨｚである。
【００４１】
尚、本実施形態において、第１変調器１３は、ビームスプリッタ１２とミラー１４との間に配置されているが、この位置に限定されず、ビームスプリッタ１２から薄膜試料３０の測定部位３０ａに至るまでの光路における他の位置に配置されてもよい。同様に、第２変調器１９は、光路長調節機構１８とビームスプリッタ２０との間に配置されているが、この位置に限定されず、ビームスプリッタ１２から薄膜試料３０の測定部位３０ａに至るまでの光路における他の位置に配置されてもよい。
【００４２】
光路長調節機構１８は、加熱光Ｂ１ａと検出光Ｂ２ａとの間で薄膜試料３０の測定部位３０ａにおけるパルス光到達の時間差Δｔｐを生じさせるものであり、その時間差Δｔｐを例えばナノ秒オーダー以下の精度で調節可能（可変）とする光学機器及びその移動機構で構成されている装置（光路長調節手段）である。
【００４３】
本実施形態においては、光路長調節機構１８は、第２の分岐光Ｂ２（検出光Ｂ２ａ）の光路長を調節するための装置である。具体的には、光路長調節機構１８は、第２の分岐光Ｂ２の光路中に配置され、一対のミラー１８ａ，１８ａと、この一対のミラー１８ａ，１８ａを第２の分岐光Ｂ２の光軸方向に移動させる移動ステージ１８ｂ、及びこの移動ステージ１８ｂの動作を計算機２６からの制御指令に従って制御する制御回路（図示せず）等を備えている。
【００４４】
尚、本実施形態においては、光路長調節機構１８は、第２の分岐光Ｂ２（強度変調前の検出光Ｂ２ａ）の光路中に配置されているが、この位置に限定されず、強度変調後の検出光Ｂ２ａの光路中に配置されてもよく、また、第１の分岐光Ｂ１（強度変調前の加熱光Ｂ１ａ）又は強度変調後の加熱光Ｂ１ａの光路中に配置されてもよい。
【００４５】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、それぞれ解析装置１０における強度変調後の加熱光Ｂ１ａ及び検出光Ｂ２ａの強度変化を模式的に表した図である。尚、図２（ａ）及び図２（ｂ）において、強度変調後の加熱光Ｂ１ａの強度をＨ（ｔ）、強度変調後の検出光Ｂ２ａの強度をＰ（ｔ）とする。また、図２（ａ）及び図２（ｂ）において、破線で表されるｓｉｎ波形は、強度変調の周波数成分を表す波形である。
【００４６】
加熱光Ｂ１ａ及び検出光Ｂ２ａは、一定の強度の単位パルス光ＰＬの列であった基幹パルス光Ｂ０（図１参照）の分岐光Ｂ１，Ｂ２がそれぞれ異なる周波数Ｆ１及びＦ２で強度変調された光である。また、光路長調節機構１８の作用により、薄膜試料３０の測定部位３０ａにおいて、加熱光Ｂ１ａの単位パルス光に対して検出光Ｂ２ａの単位パルス光が時間差Δｔｐだけ遅れて到達する。
【００４７】
図１に戻り、薄膜試料３０の測定部位３０ａで反射した検出光Ｂ２ａ（以下、単に「反射検出光Ｂ２ｂ」とも称する。）は、レンズ１６及びビームスプリッタ１５を通過し、さらにビームスプリッタ２０で反射した後、光検出器（光強度検出手段）２４によって受光される。この光検出器２４は、薄膜試料３０の測定部位３０ａで反射した検出光Ｂ２ａ（反射検出光Ｂ２ｂ）を受光してその受光強度を検出する。
【００４８】
尚、偏光板等により、ビームスプリッタ２０の位置に到達する検出光Ｂ２ａ及び反射検出光Ｂ２ｂの偏光方向が異なるようにし、ビームスプリッタ２０を偏光ビームスプリッタに置き換えることで、検出光Ｂ２ａ及び反射検出光Ｂ２ｂのエネルギーロスを低減することができる。
【００４９】
検波器２５は、光検出器２４による反射検出光Ｂ２ｂの受光強度の検出信号Ｓｉｇに基づいて、その検出信号Ｓｉｇにおける第１の周波数Ｆ１と第２の周波数Ｆ２との和（Ｆ１＋Ｆ２）又は差（Ｆ１−Ｆ２）の周波数成分を検出する。そして、この検出された検出値Ｐｆ（以下、単に「検波値」とも称する。）を計算機２６に対して出力する。この検波器２５は、本実施形態においては、ロックインアンプで構成されている。
【００５０】
混合器２３は、第１発振器２１及び第２発振器２２のそれぞれの出力信号（周波数Ｆ１及びＦ２の発振信号）を混合し、この混合信号を検波器２５に対して出力する。そして、検波器２５は、混合器２３から得た混合信号に基づいて、反射検出光Ｂ２ｂの受光強度の検出信号Ｓｉｇから（Ｆ１＋Ｆ２）又は（Ｆ１−Ｆ２）の周波数成分を検出する。
【００５１】
ステージ２７は、薄膜試料３０が成膜された基板を支持すると共に計算機２６からの制御指令に従って、薄膜試料３０の位置を２次元方向（加熱光Ｂ１ａおよび検出光Ｂ２ａの照射方向に対して垂直若しくはほぼ垂直な面の方向）に移動可能ないわゆるＸ−Ｙステージである。
【００５２】
計算機２６は、ステージ２７を制御することによって薄膜試料３０の位置決めを行う、即ち、所望の測定部位３０ａの位置を加熱光Ｂ１ａ及び検出光Ｂ２ａの照射位置に合わせる。また、計算機２６は、検波器２５により検出された検波値Ｐｆ（反射検出光Ｂ２ｂの強度の検出信号Ｓｉｇにおける（Ｆ１＋Ｆ２）又は（Ｆ１−Ｆ２）の周波数成分のレベル値）を薄膜試料３０の測定部位３０ａごとに当該計算機２６の記憶部（ハードディスク等）に記憶させる。
【００５３】
さらに計算機２６は、その記憶部に記憶させた検波値Ｐｆに基づいて、あらかじめ定められた後述の解析規則に従って薄膜試料３０の熱物性を解析すると共にその解析結果を出力（記憶部への書き込みや表示部への表示、他装置への送信等）する。
【００５４】
次に、前記の解析装置１０を用いて行う薄膜試料（被測定物）３０の熱物性の解析方法（熱物性解析方法）について説明する。
【００５５】
本実施形態に係る熱物性解析方法（以下、単に「解析方法」とも称する。）は、薄膜試料３０の測定部位３０ａに光Ｂ１ａ，Ｂ２ａを照射し、その反射に基づいて薄膜試料３０の熱物性についての解析を行うための方法であり、成膜工程と、光照射工程と、温度変化検出工程と、解析工程と、を備える。
【００５６】
被測定物である薄膜試料３０は、基板上に形成（成膜）された熱物性値未定の非常に薄い薄膜である。具体的には、１００ｎｍオーダーの膜を主な対象とする熱物性解析方法である。しかし、この範囲に限定される必要はなく、当該解析方法は、１０ｎｍ程度以上の厚みの薄膜試料についての熱物性解析を行うことができる。
【００５７】
「成膜工程」
本実施形態に係る熱物性解析方法では、まず、薄膜試料３０の表面に金属膜ｆｉが形成される。本実施形態においては、前記金属膜ｆｉにはモリブデン（Ｍｏ）が用いられる。
【００５８】
このように薄膜試料３０の表面に金属膜ｆｉが形成されることで、加熱光Ｂ１ａが金属膜表面の測定部位３０ａに照射されたときに、まず前記金属膜ｆｉが加熱され、この熱が薄膜試料３０に拡散するため、薄膜試料３０には表面側（金属膜ｆｉ）のみから熱が伝わる。そのため、薄膜試料３０において、裏面側（基板）に透過した加熱光Ｂ１ａに基づく熱の影響を抑制した状態で、反射検出光Ｂ２ｂの受光強度の変化から熱の拡散による金属膜表面の温度変化、即ち、加熱光Ｂ１ａに対する過渡温度応答を測定することができるようになる。
【００５９】
さらに、薄膜試料３０表面に金属膜ｆｉを形成することで、検出光Ｂ２ａを反射しない素材で形成された薄膜試料３０であっても過渡温度応答の測定が可能となる。
【００６０】
前記の金属膜ｆｉの形成において、具体的には、その膜厚を決定するためにあらかじめ金属膜ｆｉが加熱光Ｂ１ａの照射により加熱されて温度上昇した後に当該金属膜ｆｉにおける原子温度と格子温度とが平衡になるまでの緩和時間を算出しておく。ここで、本実施形態における緩和時間とは、例えば、電子温度と格子温度とが単位パルス光により加熱されて各温度がピーク値を取った後に緩和していき、両者の差が５％以内に収まった時間とする（図３参照）。
【００６１】
この緩和時間は、加熱光Ｂ１ａによって加熱された金属膜ｆｉの原子温度と格子温度との以下の２式（式（１１）及び式（１２））による連立熱伝導方程式（２温度モデル）から算出される。
【数３】
2010236895.tif 000005
【数４】
2010236895.tif 000006
ここで、Ｔｅは電子の温度，Ｔｌは格子の温度、Ｃｅ（Ｔｅ）は電子の比熱容量，Ｃｌ（Ｔｌ）は格子の比熱容量、λｅは電子の熱伝導率、Ｇは電子格子相互作用定数、Ｓは熱源である。
【００６２】
尚、クロムについての電子格子相互作用定数Ｇは、従来から文献値等による既知の値である。そのため、緩和時間の算出において、式（１１）及び式（１２）による連立熱伝導方程式からの算出が容易となる。
【００６３】
次に、この算出された緩和時間の間に熱が金属膜表面から裏面へ到達することができる厚みを金属膜ｆｉの最小膜厚として算出する。
【００６４】
この最小膜厚の算出では、まず、基準応答波形を算出する。詳細には、加熱光Ｂ１ａの照射後の金属膜ｆｉの電子温度と格子温度とが平衡になるまで当該金属膜表面での温度応答減衰が続く十分な膜厚の金属膜に対して加熱光Ｂ１ａを照射したときに得られる温度応答波形である基準応答波形が前記連立熱伝導方程式から計算される。次に、金属膜ｆｉの膜厚を前記十分な膜厚から徐々に薄くした場合の各膜厚での加熱光Ｂ１ａの照射により得られる温度応答波形が前記同様に連立熱伝導方程式からそれぞれ算出される。これら各膜厚での温度応答波形と基準応答波形とをそれぞれ比較し、緩和時間において基準応答波形から波形が乖離する温度応答波形に対応する膜厚を求める（図４参照）。このように求めた膜厚を最小膜厚とする。この最小膜厚以上の厚みとなるように金属膜ｆｉを薄膜試料３０の表面に形成する。
【００６５】
このように最小膜厚以上の厚みの金属膜ｆｉを薄膜試料３０の表面に形成すれば、加熱された金属膜ｆｉにおいて当該金属膜ｆｉの電子温度と格子温度とが平衡状態となった後、この熱が薄膜試料３０に拡散し、この熱の拡散を過渡温度応答として測定することができる。そのため、薄膜試料３０の熱物性についての解析を例えば通常の熱伝導方程式（フーリエの法則）を適用することで容易に行うことができる。
【００６６】
具体的には、加熱光Ｂ１ａによって加熱された物質は、当該加熱光Ｂ１ａによる光励起直後のごく短い時間で観測すると電子温度と格子温度とが非平衡状態となっている。仮に、薄膜試料３０がこのような電子温度と格子温度との非平衡状態で熱物性の解析が行われたとすると、式（１１）及び式（１２）からなる連立熱伝導方程式（２温度モデル）を適用して算出しなければならない。このとき不定パラメーターである物性値未定の薄膜試料３０の電子格子相互作用定数Ｇが必要となるため薄膜試料３０の熱物性の解析が困難、即ち、熱物性値の定量化が困難となる。
【００６７】
これに対し、緩和時間の間に熱が金属膜表面から裏面へ到達することができる厚みを最小膜厚として算出しておき、この最小膜厚以上の厚みとなるように金属膜ｆｉが薄膜試料３０に形成されることで、金属膜表面から裏面に熱が拡散するまでに緩和時間が経過するため、金属膜内部で電子温度と格子温度とが平衡状態となった後、薄膜試料３０に熱が拡散する。従って、当該方法を用いて測定した過渡温度応答から薄膜試料３０の熱物性について、連立熱伝導方程式を用いることなく通常の熱伝導方程式のみで解析することができる。
【００６８】
その結果、過渡温度応答に基づく熱物性についての解析が容易になる。即ち、薄膜試料３０において、電子温度と格子温度とが非平衡状態での解析を回避することができ、平衡状態での解析が可能となる。
【００６９】
「光照射工程」
金属膜ｆｉの形成後、薄膜試料３０を前記の解析装置１０のステージ２７に配置し、金属膜ｆｉに表面側から加熱光Ｂ１ａと検出光Ｂ２ａとを照射する。この加熱光Ｂ１ａと検出光Ｂ２ａとは、前記のように共通の基幹パルス光Ｂ０が２つのパルス光に分岐されることで形成されている。また、加熱光Ｂ１ａと検出光Ｂ２ａとは、加熱光Ｂ１ａが第１の周波数Ｆ１に強度変調されており、検出光Ｂ２ａが第２の周波数Ｆ２に強度変調されており、互いに光軸が一致した状態で金属膜表面に照射される。
【００７０】
このように共通のパルス光を分岐して用いることで、加熱光Ｂ１ａと検出光Ｂ２ａとのパルス繰り返し周波数を高精度に一致（同調）させることができる。そのため、繰り返し周波数の一致誤差に起因する測定精度の悪化が抑制できる。
【００７１】
「温度変化検出工程」
前記光照射工程において金属膜ｆｉに照射した検出光Ｂ２ａは金属膜表面で反射される。そして、この金属膜表面で反射された検出光Ｂ２ａ（反射検出光Ｂ２ｂ）を受光してその受光強度の変化から当該金属膜表面の温度変化を検出する。このとき、反射検出光Ｂ２ｂのうち、第１の周波数Ｆ１と第２の周波数Ｆ２との和（Ｆ１＋Ｆ２）若しくは差（Ｆ１−Ｆ２）の周波数成分を検出する。
【００７２】
この周波数成分を検出することで、前記温度変化の検出において、反射検出光Ｂ２ｂに含まれた加熱光Ｂ１ａの金属膜表面での反射によるノイズを除去することができる。そのため、加熱光Ｂ１ａの照射による過渡温度応答を高精度に測定（検出）することが可能となる。
【００７３】
「解析工程」
解析工程では、温度変化検出工程で検出した温度変化（過渡温度応答）のうち加熱光Ｂ１ａの照射による熱が金属膜ｆｉの内部でのみ拡散している時間が経過した後の温度変化に基づいて薄膜試料３０の熱物性を解析する。
【００７４】
これは、前記熱が金属膜ｆｉの内部でのみ拡散している間の過渡温度応答は、金属膜ｆｉの熱物性によって決定（支配）されている。そのため、熱がこの金属膜ｆｉの内部でのみ拡散している時間が経過した後の過渡温度応答だけを解析することで、薄膜試料３０の熱物性についての解析を精度よく行うことができる。
【００７５】
尚、成膜工程において金属膜ｆｉの膜厚が最小膜厚に形成されると、前記熱が金属膜ｆｉの内部でのみ拡散している時間は、成膜工程において算出した緩和時間と等しくなる。
【００７６】
ここで、得られた温度過渡応答から薄膜試料３０の熱物性を得るための具体的な解析についての詳細を説明する。
【００７７】
フーリエ則に基づく熱伝導方程式により、温度過渡応答を計算し、薄膜試料３０の熱物性を求める。金属膜と薄膜試料３０とからなる試料をパルス加熱したときの温度過渡応答は、下記の式（１３）〜式（１７）を計算することにより得られる。尚、加熱パルス光はガウス分布を仮定する。また、計算は、熱が基板まで伝わらない時間領域において行う。
１）熱伝導方程式
【数５】
2010236895.tif 000007
２）加熱条件
【数６】
2010236895.tif 000008
【数７】
2010236895.tif 000009
３）熱物性値
【数８】
2010236895.tif 000010
【数９】
2010236895.tif 000011
ここで、Ｃは単位体積当たりの熱容量、λは熱伝導率、ｗは加熱レーザ光半径、ｄは加熱レーザ光浸透長、ａは金属膜の厚み、ｍは金属膜、ｆは薄膜材料である。
【００７８】
薄膜試料３０の熱物性値を未知数として前記の計算を行い、測定から得た温度過渡応答に、計算から求めた温度過渡応答が合致したときの熱物性値を薄膜材料３０の熱物性値として採用する。より精度よく評価するために、加熱レーザ光半径ｗを複数条件を変えて温度過渡応答を測定し、解析してもよい。
【００７９】
本実施形態においては、このように得られた温度過渡応答から薄膜試料３０の熱物性を解析しているが、これに限定されず、標準試料を利用した検量線から熱物性値を評価してもよい。具体的に、薄膜試料３０と同じ組成・厚み・膜質の金属膜を成膜した標準試料を準備する。この標準試料は、例えば、石英ガラスと純Ｃｕなどの熱伝導性の低い試料と高い試料との２種以上の組み合わせを用いる。加熱と検出とを同じ試料面で行うことから、標準試料は、薄膜である必要はなく、レーザフラッシュ法等で予め熱物性値の同定が可能な形状の試料が用いられる。前記検量線は、例えば、次のように作成する。それぞれの標準試料の温度過渡応答から、減衰率を評価し、減衰率・熱物性値の検量線を作成する。減衰率は、金属膜において電子温度と格子温度とが平衡状態になってから一定時間（例えば、５０ｐｓｅｃ等）経過する間に、温度応答信号が何％に減衰したかにより評価する。このように標準試料と同様に薄膜試料３０の減衰率を求め、検量線から熱物性値を評価する。
【００８０】
尚、本実施形態において、検出光Ｂ２ａをＰ偏光にして金属膜ｆｉに照射してもよい。また、円偏光や楕円偏光の光を金属膜ｆｉに照射し、受光段階でＰ偏光成分を偏光板等で抽出してもよい。また、このときＳ偏光成分も同時に抽出することで、金属膜表面の反射率やレーザパワー変動等を検知することができる。これらを測定結果に対する補正信号として利用してもよい。
【実施例１】
【００８１】
第１実施形態の解析装置１０を用い、薄膜試料３０（Ａｕ膜及びＳｉＯ２膜）の表面にクロム（Ｃｒ））で金属膜ｆｉを形成して第１実施形態に係る熱物性解析を行った。
【００８２】
クロムについては、電子格子相互作用定数Ｇの文献値があり、この値を用いて２温度モデル（連立熱伝導方程式）による解析を行った。パルスの時間幅１０ｐｓｅｃ（ピコ秒）の加熱を行った場合の前記解析の結果を図３に示す。この図から解るように、パルスの時間幅１０ｐｓｅｃの加熱を行った場合、電子温度と格子温度とが平衡になるまでにおよそ１００ｐｓｅｃかかる。即ち、緩和時間が１００ｐｓｅｃとなる。
【００８３】
図４に、前記金属膜の厚みを１０〜１０００ｎｍまで変更して２温度モデルによる解析を行った結果を示す。厚み１０００ｎｍでは、時刻１０００ｐｓｅｃまで温度応答波形が減衰（温度応答減衰）を続けており、温度応答波形に金属膜裏面側の基板からの熱の影響を受けない十分な膜厚であることが解る。
【００８４】
前記で求めた電子温度と格子温度とが非平衡な状態で熱（熱エネルギー）が伝わる時間、即ち、緩和時間１００ｐｓｅｃの間に、前記十分な厚み１０００ｎｍの前記金属膜ｆｉの波形と乖離しない最小の膜厚は、１００ｎｍとわかる。この厚みを最小膜厚としてこの厚み以上の前記金属膜ｆｉを薄膜試料３０表面に形成することで、薄膜試料３０には前記平衡状態で金属膜ｆｉから熱が伝わる。従って、薄膜試料３０内部では、電子温度と格子温度との非平衡状態が生じず、薄膜試料３０の電子格子相互作用定数Ｇを用いることなく、通常の熱伝導方程式により解析を行うことができる。
【００８５】
このようにして得た最小膜厚１００ｎｍの金属膜（Ｃｒ）ｆｉを薄膜試料（厚み１００ｎｍのＡｕ薄膜、及び厚み１００ｎｍのＳｉＯ２薄膜）３０の表面に形成し、パルス光で加熱した場合の過渡温度応答を図５（ａ）及び図５（ｂ）にそれぞれ示す。これらの図からわかるように、１００ｐｓｅｃ（緩和時間）以降は、電子温度と格子温度とが平衡状態となっている。
【００８６】
また、図５（ａ）及び図５（ｂ）における電子温度を比較したものを図６に示す。この図からわかるように、緩和時間以降の過渡温度応答に明確な波形の違いが表れている。この波形の違いが熱物性値の違いであり、これを前記のように解析することで熱物性値の評価をすることができる。
【００８７】
尚、本発明の熱物性解析方法は、上記第１及び第２実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００８８】
例えば、第１及び第２実施形態では、検波器２５によって、反射検出光Ｂ２ｂの強度の検出信号Ｓｉｇにおける第１の周波数Ｆ１と第２の周波数Ｆ２との和（Ｆ１＋Ｆ２）又は差（Ｆ１−Ｆ２）の周波数成分を検出することで、過渡温度応答を検出している。しかし、これに限定される必要はなく、金属膜表面での反射光から反射検出光Ｂ２ｂを光学フィルタ等によって抽出して過渡温度応答を検出してもよい。
【００８９】
また、加熱光Ｂ１ａと検出光Ｂ２ａとの両パルス光の繰り返し周波数を高精度で一致させることができれば、光源（パルスレーザ）が１つである必要はなく、それぞれ異なる光源を用いてもよい。
【００９０】
また、加熱光Ｂ１ａがパルス光であれば、検出光Ｂ２ａはパルス光である必要はない。この場合、加熱光Ｂ１ａに対応した極めて短い時間での薄膜試料３０（金属膜ｆｉ）表面の温度変化を検出できればよい。
【符号の説明】
【００９１】
３０   薄膜試料（被測定物）
Ｂ１ａ 加熱光（加熱用パルス光）
Ｂ２ａ 検出光（検出用パルス光）
ｆｉ   金属膜
【図１】
2010236895.tif 000014
【図２】
2010236895.tif 000015
【図３】
2010236895.tif 000016
【図４】
2010236895.tif 000017
【図５】
2010236895.tif 000018
【図６】
2010236895.tif 000019