(57)【要約】【課題】  試料の所定エリアでの応力をマッピング測定する応力測定装置において、前記測定結果が正しいか否かを客観的に判断する材料を簡易かつ迅速に得られるようにし、パラメータ設定の誤りに起因して生じる間違った応力測定を可及的に排除する。【解決手段】  試料に向かってエネルギ線を照射するエネルギ線照射部と、そのエネルギ線を試料の表面で走査させるエネルギ線走査部と、前記エネルギ線の走査によって試料の各ポイントで発生する光を分光し、検出する光検出部と、前記光検出部からの出力信号を受信して各光のスペクトルを示すスペクトルデータを生成するスペクトルデータ生成部と、所定の基準データと前記各スペクトルデータとの相関値を所定の演算式に基づいてそれぞれ算出する相関値算出部と、前記各相関値をそのまま又は画像データ等の所定形式に変換して出力する相関値出力部とを備えるようにした。【選択図】  図３
2006125863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料にエネルギ線を照射して発生する光を検出し、その光のスペクトルのピークシフト量に基づいて前記試料に作用している応力を測定する応力測定装置であって、
試料に向かってエネルギ線を照射するエネルギ線照射部と、
そのエネルギ線を試料の表面で走査させるエネルギ線走査部と、
前記エネルギ線の走査によって試料の各ポイントで発生する光を分光し、検出する光検出部と、
前記光検出部からの出力信号を受信して各光のスペクトルを示すスペクトルデータを生成するスペクトルデータ生成部と、
所定の基準データと前記各スペクトルデータとの相関値を所定の演算式に基づいてそれぞれ算出する相関値算出部と、
前記各相関値をそのまま又は画像データ等の所定形式に変換して出力する相関値出力部とを備えていることを特徴とする応力測定装置。
【請求項２】
前記相関値が、スペクトルの強度変化及びオフセット量に依存しないものである請求項１記載の応力測定装置。
【請求項３】
試料にエネルギ線を照射して発生する光を検出し、その光のスペクトルのピークシフト量に基づいて前記試料に作用している応力を測定する方法であって、
試料に向かってエネルギ線を照射し、
そのエネルギ線を試料の表面で走査させ、
前記エネルギ線の走査によって試料の各ポイントで発生する光を分光して検出し、それら各光のスペクトルデータを生成し、
所定の基準データと前記各スペクトルデータとの相関値を所定の演算式に基づいてそれぞれ算出することを特徴とする応力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試料に電子線やレーザ光線等を照射して発生する光を検出し、その光のスペクトルに基づいて前記試料に作用している応力を測定する応力測定装置等に関し、特にある程度の面積エリアに亘る多数点での光のスペクトルを測定し、そのエリアに作用している応力を測定するマッピング測定を行う応力測定装置等に好適に適用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の非破壊応力測定装置としては、特許文献１、２に示すように、電子線やレーザ、あるいはＸ線等のエネルギ線を試料に照射し、そのときに発生するルミネッセンスやラマン光、Ｘ線回折のスペクトル変化に基づいて、前記エネルギ線を照射された部位に作用している応力を測定するものが知られている。このような装置は、応力が作用していない状態でのスペクトルを基準とし、その基準スペクトルからの応力印加状態におけるスペクトルの変化量、より具体的には、スペクトルのピーク位置のシフト量に基づいて、エネルギ線照射ポイントに作用している応力値を定量的に算出するものである。また、試料のある程度の面積エリアに作用している応力を測定するには、マッピング測定、すなわち、エネルギ線をそのエリアで走査させ、走査した多数のポイントから得られる各光のスペクトルのピークシフト量にそれぞれ基づいてそのエリアでの応力印可状態を算出するようにしている。
【０００３】
ところで、光のスペクトルのピーク位置を特定するにあたっては、測定によって得られた生のスペクトルデータに対して１又は複数のガウシアン関数等をフィッティングするカーブフィッティングや、微分によりピーク位置を求める方法が用いられている。
【０００４】
しかしながら、カーブフィッティングは、ピークの数やベースラインの設定など、オペレータ（解析者）が主観で定めるべきパラメータが多く、そのパラメータの設定値の違いで結果が異なってしまう場合が往々にしてある。特に応力印可によるスペクトルの変化は非常に小さいため、パラメータ設定の違いが応力測定結果に大きな影響を及ぼし、場合によっては全く間違った応力測定結果を得ることにもなりかねない。しかも、その測定結果が正しいか否かを判断することも難しい。
【０００５】
また微分による方法にしても、多項式近似の際にオペレータの主観によるパラメータ設定が必要で、前記カーブフィッティング同様の不具合が生じる。
【特許文献１】特開平７−２６０５９８号公報
【特許文献２】特開平６−３４７３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は、試料の所定エリアでの応力をマッピング測定する応力測定装置において、前記測定結果が正しいか否かを客観的に判断する材料を簡易かつ迅速に得られるようにし、パラメータ設定の誤りに起因して生じる間違った応力測定を可及的に排除すべく図ったものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る応力測定装置は、試料にエネルギ線を照射して発生する光を検出し、その光のスペクトルのピークシフト量に基づいて前記試料に作用している応力を測定するものであって、試料に向かってエネルギ線を照射するエネルギ線照射部と、そのエネルギ線を試料の表面で走査させるエネルギ線走査部と、前記エネルギ線の走査によって試料の各ポイントで発生する光を分光し検出する光検出部と、前記光検出部からの出力信号を受信して各光のスペクトルを示すスペクトルデータを生成し、メモリの所定領域に設けたスペクトルデータ格納部に格納するスペクトルデータ生成部と、所定の基準データと前記各スペクトルデータとの相関値を所定の演算式に基づいてそれぞれ算出する相関値算出部と、前記各相関値をそのまま又は画像データ等の所定形式に変換して出力する相関値出力部とを備えていることを特徴とする。エネルギ線とは電子線、可視レーザ光、Ｘ線等のことである。
【０００８】
このようなものであれば、測定された各ポイントでのスペクトルの相互の違いを、多分に定性的ではあるにせよ、各相関値の相互関係から客観的に把握することができる。そして測定ポイント間で少なくとも応力に違いが生じている部分であれば、前記スペクトルの相互の違いとして現れるはずであるから、スペクトルに違いがあるにもかかわらず、応力に違いが無いというような結果を得られた場合に、オペレータが入力したカーブフィッティング等のパラメータに誤りがあることが直ちにわかる。
【０００９】
より好ましくは、前記相関値が、スペクトルの強度変化及びオフセット量に依存しないように演算式を設定しておけばよい。
【発明の効果】
【００１０】
このような構成の本発明によれば、試料測定エリアの応力分布測定にあたってオペレータの主観が入り得る仮定や近似等を全く必要とせず、定性的ではあるものの、完全に自動で算出される相関値という客観的な判断材料を得ることができる。したがってその相関値の相互関係に応力分布測定結果を照らし合わせることにより、パラメータ設定の誤りに起因して生じる間違った応力測定を可及的に排除することが可能になる。また、相関値の算出は、簡単な数式で行うことができるため、プログラム化も簡単で計算も迅速に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態にかかる応力測定装置は、測定試料Ｗの所定エリアにエネルギ線である電子線ＥＢを走査し、試料Ｗの各ポイントから発生する光（ルミネッセンス）Ｌのスペクトルのピークシフト量に基づいて前記試料Ｗに作用している応力を算出するとともに、そのエリアの応力分布イメージ画像を表示するものである。そして構造的にいえばこの応力測定装置は、図１に示すように、試料台１と、その試料台１に載せた試料Ｗにエネルギ線である電子線ＥＢを照射する電子線照射装置２と、電子線ＥＢの照射によって試料Ｗから発生するルミネッセンスＬを分光し、検出する光検出部たる検出装置３と、その検出装置３からの出力信号を受信し、前記試料Ｗに生じている応力を算出する等の演算処理を行う情報処理装置４とを備えている。
【００１２】
各部を説明する。
試料台１は、Ｘ軸及びＹ軸方向に移動可能なものであり、本実施形態では試料スペクトルのピーク半値幅を小さくし、前記スペクトルから意味のある情報を得るために、図示しない冷却手段及び温度制御機構をさらに設け、この試料台１及び試料Ｗを数十Ｋ以下の所定温度に冷却できるようにしている。
【００１３】
電子線照射装置２は、例えば走査型のもので、エネルギ線照射部である電子銃２１と、電子銃２１から射出された電子線ＥＢを試料Ｗの測定部位に収斂させるとともに走査させるコンデンサレンズ、アパーチャ等のレンズ機構からなるエネルギ線走査部２２とを備えている。なお本実施形態では前記電子銃２１に熱フィラメント電界開放型のものを用いている。
【００１４】
検出装置３は、集光部３１、分光部３２及びセンシング部３３を備えたものである。集光部３１は、試料Ｗから発生するルミネッセンスＬを最小限の損失で集め分光部に導くものであり、例えば楕円面鏡３１１や光ファイバ３１２等からなる。楕円面鏡３１１はそれ自体が受光と集光の作用をし、球面収差や色収差を発生しないという利点を有するためこれを採用している。その一方で楕円面鏡３１１は、結像倍率が機械的配置条件から決まるため、分光部３２とのカップリングがうまくいかない欠点を有する。そこでこれを解消し、なおかつ光軸調整を簡単にするということから前記光ファイバ３１２を用い、楕円面鏡３１１で集光したルミネッセンスＬを分光部３２に転送するようにしている。もちろんその他に放物面鏡を用いたものやレンズを用いたものでも構わないのは言うまでもない。
【００１５】
分光部３２は、前記集光部３１で集光されたルミネッセンスＬを単色光に分離するもので、例えばモノクロメータを利用して構成している。
【００１６】
センシング部３３は、前記分光部３２で波長毎に複数に分光された各単色光の強度をそれぞれ測定し、各単色光の強度に応じた値の電流値（又は電圧値）を有する出力信号を出力するものである。本実施形態ではこのセンシング部３３をフォトマルチプライヤ（PMT）を用いて構成しているが、測定する波長領域によって使用する機器を変えても構わない。例えば赤外（１μｍ〜）においては、Ge検出器、Pbs検出器、赤外PMT等を用いることが好ましい。また、光−電子変換効率、ダイナミックレンジ、S/Nに優れているといったことからCCDを利用してもよい。CCDによればスペクトルの一括検出も可能である。
【００１７】
情報処理装置４は、構造としては図２に示すように、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェース、ＡＤ変換器、入力手段等からなる汎用又は専用のコンピュータである。そして、前記メモリの所定領域に格納してあるプログラムに基づいてＣＰＵやその周辺機器が作動することにより、この情報処理装置４が、図３に示すように、前記検出装置３からの出力信号を受信し、走査した各測定ポイントでのスペクトルデータを生成するスペクトルデータ生成部４１と、所定の基準データと前記各スペクトルデータとの相関値を所定の演算式に基づいてそれぞれ算出する相関値算出部４２と、前記各相関値をそのまま又はマップ等の所定形式に変換して出力する相関値出力部４３等としての機能を少なくとも発揮する。
【００１８】
スペクトルデータ生成部４１は、前記出力信号をＡ／Ｄ変換するＡＤ変換器等を含んで構成されるもので、受信した出力信号をＡ／Ｄ変換し、図４に示すように、ルミネッセンスＬの波数毎の光強度値で表されるスペクトルデータを生成する。そしてこのスペクトルデータを、測定したポイントの位置情報と関連づけて、前記メモリの所定領域に設定したスペクトルデータ格納部Ｄ１に格納する。
【００１９】
相関値算出部４２は、前記スペクトルデータ格納部Ｄ１に格納されているスペクトルデータを取得するとともに、メモリの所定領域に設定した基準スペクトルデータ格納部Ｄ２から基準スペクトルデータ（基準データ）を取得し、前記スペクトルデータの基準スペクトルデータに対する相関値を所定演算式に基づいて算出するものである。
【００２０】
鋳型となる基準スペクトルデータは、例えば、得られたスペクトルデータの一つをオペレータが適宜選んで設定するようにしているが、予め決められたものであっても構わない。
【００２１】
また、前記所定演算式は、次の数式［１］に示されるもので、演算プログラムとしてメモリの所定領域に格納されている。
【数１】
2006125863.tif 000003
ここでＩｘはスペクトル、Ｉｙは基準スペクトル、ρＩｘ,Ｉｙは相関値、σＩｘ、σＩｙはそれぞれスペクトル及び基準スペクトルの標準偏差を示す。
【００２２】
なお、Ｉｘ、Ｉｙを離散化したデジタルデータ（スペクトルデータ及び基準スペクトルデータ）としてＩｘｊ、Ｉｙｊ（ｊ＝０，１，・・・ｎ、図４参照）と表せば、前記Ｃｏｖ（Ｉｘ，Ｉｙ）は、次の数式［２］で示される。
【数２】
2006125863.tif 000004
ここでμｘ、μｙは平均の光強度を示す。
【００２３】
かかる演算式［１］、［２］から算出される相関値は、ピークシフト、半値幅の変化、スペクトル形状の変化、ベースラインの変化により変化し、スペクトルの強度変化、オフセット値の変化に対しては変化は起こらない。なお、その相関値の変化量は多分に定性的なものであって、その変化量から直ちにピークシフト量等が示されるものではない。
【００２４】
相関値出力部４３は、前記相関値算出部４２で算出された相関値ρＩｘ,Ｉｙを、ディスプレイに数値として、又は試料の画像データなどとして出力するものである。
【００２５】
次に、このように構成した応力測定装置の動作について図５を参照しつつ説明する。
【００２６】
まず、試料台１を予め定めた初期位置に移動させ、電子線ＥＢが試料測定エリアの初期ポイント（例えば試料測定エリアの隅部）に照射されるように設定する。
【００２７】
その後、電子銃から前記ポイントに電子線ＥＢが照射される（ステップＳ１）。
【００２８】
この電子線ＥＢの照射により発生したルミネッセンスＬは、検出装置３で各波長に分光され、この検出装置３から、波長毎の光強度を示す出力信号が情報処理装置４に送信される（ステップＳ２）。
【００２９】
この出力信号をスペクトルデータ生成部４１が受信し、波長（波数）と関連づけることによりスペクトルデータを生成する。そしてこのスペクトルデータを、電子線ＥＢの照射ポイント情報に関連づけて前記スペクトルデータ格納部Ｄ１に格納する（ステップＳ３）。
【００３０】
次にスペクトルデータ生成部４１は、電子線ＥＢの照射が試料エリアの終了ポイント（例えば初期ポイントの対向に位置する隅部）に至ったかどうかを判断し（ステップＳ４）、至ってなければ、エネルギ線操作部２２に制御信号を出力して電子線ＥＢの軌道をｘ方向又はｙ方向を所定単位量だけ変え、次の電子線照射ポイントに電子線ＥＢが照射する（ステップＳ５）。そしてかかるステップ２〜５を繰り返し、電子線の走査を行いつつ各ポイントでのスペクトルデータを次々に生成、格納する。
【００３１】
一方、試料エリアの電子線走査が終了すれば、相関値算出部４２が、前記スペクトルデータ格納部Ｄ１に格納されている各スペクトルデータをそれぞれ取得するとともに（ステップＳ６）、基準スペクトルデータ格納部Ｄ２から基準スペクトルデータ（基準データ）を取得する（ステップＳ７）。そして前記各スペクトルデータの基準スペクトルデータに対する相関値を、前記演算式［１］［２］に基づいてそれぞれ算出する（ステップＳ８）。
【００３２】
次に相関値出力部４３が、前記相関値算出部４２で算出された相関値ρＩｘ,Ｉｙを例えば濃淡や色に変換し、試料の測定エリアに対応付けたスペクトル変化画像などとして、ディスプレイに出力する。
【００３３】
このようにして得られたスペクトル変化画像からは、試料の測定エリアにおいて、スペクトル変化がある部分を定性的に把握することができる。
【００３４】
その後、詳細な説明、図示は省略するが、オペレータから入力されたパラメータ等に基づいて、情報処理装置４が前記各スペクトルデータにカーブフィッティングを施し、ピーク位置を特定するとともに、そのピーク位置の基準ピーク位置からのシフト量に基づいて、当該試料エリアにおける応力分布を算出し、例えば応力分布画像として表示する。
【００３５】
したがって、このようなものであれば、オペレータは、前記応力分布画像とスペクトル変化画像とを比較し、もし応力に変化が生じている部位であってスペクトル変化画像において変化が現れていなければ、同じスペクトルデータに基づくものであるかぎり応力に変化が生じている部位であれば少なくともスペクトル変化も生じているはずであるから、オペレータが入力したパラメータに誤りがあることが直ちにわかる。
【００３６】
つまり、この応力測定装置によれば、応力測定にあたってオペレータの主観が入り得る仮定や近似等を全く必要とせず、定性的ではあるものの、完全に自動で算出されるスペクトル変化という客観的な判断材料を得ることができるので、その客観的判断材料に照らし合わせることにより、パラメータ設定の誤りに起因して生じる間違った応力測定を可及的に排除することが可能になる。また、スペクトル変化の算出は、上述した簡単な数式で行うことができるため、プログラム化も簡単で計算も迅速に行うことができる。
【００３７】
最後に、前記応力算出について原理を簡単に説明しておく。測定試料Ｗの電子線ＥＢを照射された部位に存在する応力と得られるピーク波長（ピーク位置）との関係は、応力の大きさが十数ＧＰａ程度までは直線近似することができ、その相関は、下式［３］で示される。
【数３】
2006125863.tif 000005
ここでνσは測定したスペクトルのピーク波長、ν０は基準となるピーク波長、σは測定試料Ｗに作用している応力を示すテンソル、ΠはＰＳ（Piezo−Spectroscopic）係数と呼ばれ、応力のみに依存して位置に依存しないテンソルである。このν０及びΠが前記相関データとして相関データ格納部Ｄ２に格納してある。かかる相関データは、測定試料Ｗと同等の試料に、既知の応力を複数作用させることによって統計的に求めるようにしている。
【００３８】
基準となるピーク波長（基準ピーク位置）は、例えば、測定試料Ｗの残留応力を測定したい場合には、残留応力の存在していない他の同等の試料や、当該測定試料Ｗにおける残留応力の存在していない部位から得られたスペクトル波形から予め得て記憶させておく。一方、例えば測定試料Ｗに作用させた外力に起因して発生する内部応力を測定したい場合には、外力を作用させていない状態での測定試料Ｗから得られたスペクトル波形から基準となるピーク波長を予め得て記憶させておく。
【００３９】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、応力分布と相関値とを比較する比較部を設け、応力測定結果の誤りの有無を自動で判断させ、あるいは誤りがあった場合にその場所を自動で特定し出力させるようにしても構わない。
【００４０】
また、相関値を求める演算式は、本実施形態に限られず、種々の変更が可能である。さらに、基準データは、スペクトルを示すものに限られず、直線やその他の波形であっても構わない。特に前記実施形態による演算式によれば、基準データの示す波形に対し左右対称なスペクトルデータは相関値が等しくなるため、この基準データの示す波形をそのようなことの起こりにくい偏った波形に設定することが好ましい。また、相関値がピーク位置にのみ依存して変化するような演算式であればなお好適である。
【００４１】
扱うことのできる応力測定のスペクトルは、前述したカソードルミネッセンススペクトルに限られず、ラマンスペクトル、フォトルミネッセンススペクトル、Ｘ線回折ピークなどでも構わない。
【００４２】
さらに言えば、スペクトルデータのみを持ち運び可能な記録媒体に記録し、独立した情報処理装置でそのスペクトルデータから応力分布、相関値等を算出するなどしてもよい。
【００４３】
その他、本発明は前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係る応力測定装置を示す模式的機器構成図。
【図２】同実施形態における情報処理装置の模式的構造図。
【図３】同実施形態における情報処理装置の機能ブロック図。
【図４】同実施形態におけるスペクトルデータの一例を示す模式的データ構造図。
【図５】同実施形態における情報処理装置の動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４５】
Ｗ・・・試料
ＥＢ・・・エネルギ線（電子線）
Ｌ・・・光（ルミネッセンス）
２１・・・エネルギ線照射部（電子銃）
２２・・・エネルギ線走査部
３・・・光検出部（検出装置）
４１・・・スペクトルデータ生成部
４２・・・相関値算出部
４３・・・相関値出力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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