(57)【要約】【課題】被測定物の同一面に加熱光及び検出光を照射して当該試料の熱物性を解析しても、検出光の反射光強度の測定において加熱光の反射光の影響を受け難い熱物性解析装置及び熱物性解析方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明では、検出光Ｂ２を測定部位１１ａで焦点を結ぶように集光させて照射すると共に加熱光Ｂ１を当該測定部位１１ａに照射し、この測定部位１１ａからの反射検出光Ｂ２ａを測定部位１１ａとは異なる測定位置まで導光し、この測定位置に導光された反射検出光Ｂ２ａの強度を測定する。前記加熱光Ｂ１の照射は、測定部位１１ａにおいて加熱光Ｂ１が焦点を結ぶように照射する場合に比べ、測定位置に到達する反射加熱光Ｂ１ａの強度が小さくなるように測定部位１１ａにおいて焦点をぼかし且つその照射範囲ｓに検出光Ｂ２の照射範囲が含まれるように加熱光Ｂ１を集光するように照射する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物表面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装置であって、
前記測定部位を加熱するための加熱光を放射する加熱光放射手段と、
前記加熱光を前記測定部位まで導光する第１の光学系と、
前記測定部位の温度変化を検出するための検出光を放射する検出光放射手段と、
前記検出光を前記測定部位まで導光する第２の光学系と、
前記測定部位からの前記検出光の反射光を受光する受光部を有し、この受光部に入射した前記検出光の反射光の強度を測定する検出光測定手段と、
前記測定部位からの前記検出光の反射光を前記検出光測定手段の受光部まで導光する第３の光学系とを備え、
前記第２の光学系が、前記測定部位で焦点を結ぶように前記検出光を集光する検出光用集光部材を有すると共に、前記第１の光学系が、前記測定部位において前記加熱光が焦点を結ぶように集光する場合に比べ前記第３の光学系に導光されて前記受光部に到達する加熱光の反射光の強度が小さくなるように前記測定部位において焦点をぼかし且つその照射範囲に前記検出光の照射範囲が含まれるように加熱光を集光する加熱用集光部材を有することを特徴とする熱物性解析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱物性解析装置において、
前記第１の光学系は、前記加熱用集光部材により集光された加熱光を前記検出用集光部材により集光された検出光に同軸又は略同軸となるように合流させて前記測定部位に照射することを特徴とする熱物性解析装置。
【請求項３】
請求項２に記載の熱物性解析装置において、
前記加熱用集光部材は、前記測定部位からの前記加熱光の反射光が前記第３の光学系において前記受光部よりも上流側で焦点を結ぶように構成され、
前記第３の光学系は、前記加熱光の反射光の焦点位置に集光された前記加熱光の反射光の進行を遮る遮光部と、この遮光部を支持しその周囲を光が通過可能な光通過部とを有する遮光部材を備えることを特徴とする熱物性解析装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の熱物性解析装置において、
前記第１の光学系は、前記加熱光を第１の偏光方向に偏光する第１の偏光手段を有し、
前記第２の光学系は、前記検出光を前記第１の偏光方向と異なる第２の偏光方向に偏光する第２の偏光手段を有し、
前記第３の光学系は、当該第３の光学系において前記第２の偏光方向に偏光された光の下流側への進行を許容すると共に前記第１の偏光方向に偏光された光の下流側への進行を阻止する選択手段を有することを特徴とする熱物性解析装置。
【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装置において、
前記加熱光放射手段と前記検出光放射手段とが前記加熱光及び前記検出光の双方を放射する共通の光放射手段によって構成され、
この光放射手段は、所定周期のパルス光を放射するパルス光放射部と、この放射部から放射された前記パルス光を前記加熱光と前記検出光とに分岐し、この分岐した加熱光を前記第１の光学系に入射させると共に前記分岐した検出光を前記第２の光学系に入射させる分岐手段とを有することを特徴とする熱物性解析装置。
【請求項６】
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、
前記測定部位の温度変化を測定するための検出光を当該測定部位で焦点を結ぶように集光させて照射すると共に、前記測定部位を加熱するための加熱光を当該測定部位に照射する照射工程と、
前記測定部位からの前記検出光の反射光を前記測定部位とは異なる測定位置まで導光する導光工程と、
この導光工程で前記測定位置に導光された前記検出光の反射光の強度を測定する測定工程とを備え、
前記照射工程では、前記測定部位において前記加熱光が焦点を結ぶように集光する場合に比べ、前記導光工程において導光され前記測定位置に到達する加熱光の反射光の強度が小さくなるように前記測定部位において焦点をぼかし且つその照射範囲に前記検出光の照射範囲が含まれるように加熱光を集光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、被測定物表面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装置及び熱物性解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、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を薄膜試料の測定部位を加熱するための加熱光（加熱用パルス光）と前記測定部位の温度変化を検出するための検出光（検出用パルス光）とに分岐し、これら加熱光と検出光とを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することにより熱拡散測定を行ういわゆるサーモリフレクタンス法である。この測定方法において加熱光と検出光とを薄膜試料に照射するときには、高精度に温度変化を検出するために測定部位での光の強度を確保すべく当該測定部位で焦点を結ぶように検出光が照射されると共に、加熱を効率よく行うために測定部位での光の強度を確保すべく当該測定部位で焦点を結ぶように加熱光が照射される。
【０００３】
こ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、前記のサーモリフレクタンス法では、不透明な基板の表面に形成された前記薄膜試料の熱物性についての解析に必要な測定ができないという問題が生じていた。
【０００４】
そこで、前記加熱光と前記検出光とを前記薄膜試料の表面、即ち、同一面に照射し、その検出光の反射光から前記測定部位の温度変化を検出する方法が考えられた。このように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を前記加熱光によって加熱することができる。
【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】
しかし、この方法では、加熱光も検出光も薄膜試料の同一面（表面）で反射されるため、前記加熱光の反射光が前記検出光の反射光強度を測定する測定系に入射する場合がある。しかも加熱光が測定部位で焦点を結ぶように照射されるため、この焦点位置で反射された加熱光の反射光の強度は大きい。前記測定系に向かう加熱光の反射光は、そのままの強度で測定系によって測定されるため当該測定系で測定される検出光の反射光強度の測定結果にノイズとして入り込み易かった。このように検出光の反射光強度の測定結果にノイズが混入すると、被測定物の熱物性の解析評価を精度よく行うことができない。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、被測定物の同一面に加熱光及び検出光を照射して当該試料の熱物性を解析しても、検出光の反射光強度の測定において加熱光の反射光の影響を受け難い熱物性解析装置及び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】
【０００８】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明は、被測定物表面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装置であって、前記測定部位を加熱するための加熱光を放射する加熱光放射手段と、前記加熱光を前記測定部位まで導光する第１の光学系と、前記測定部位の温度変化を検出するための検出光を放射する検出光放射手段と、前記検出光を前記測定部位まで導光する第２の光学系と、前記測定部位からの前記検出光の反射光を受光する受光部を有し、この受光部に入射した前記検出光の反射光の強度を測定する検出光測定手段と、前記測定部位からの前記検出光の反射光を前記検出光測定手段の受光部まで導光する第３の光学系とを備え、前記第２の光学系が、前記測定部位で焦点を結ぶように前記検出光を集光する検出光用集光部材を有すると共に、前記第１の光学系が、前記測定部位において前記加熱光が焦点を結ぶように集光する場合に比べ前記第３の光学系に導光されて前記受光部に到達する加熱光の反射光の強度が小さくなるように前記測定部位において焦点をぼかし且つその照射範囲に前記検出光の照射範囲が含まれるように加熱光を集光する加熱用集光部材を有することを特徴とする。尚、本発明において、集光とは、光を一点（焦点）に集束させる場合だけでなく、光が進むに従ってその照射範囲が広がるような光線を照射範囲が一定となるようにして光線が発散しないようにする場合も含む。
【０００９】
被測定物表面の測定部位において検出光が焦点を結ぶように照射されると共に、加熱光が測定部位において焦点を結ぶように集光する場合に比べ第３の光学系に導光されて受光部に到達する加熱光の反射光（反射加熱光）の強度が小さくなるように前記測定部位において焦点をぼかし且つその照射範囲に前記検出光の照射範囲を含むよう照射されるように、異なる集光部材によって検出光と加熱光とが前記測定部位にそれぞれ集光されることにより、第３の光学系に導光される検出光の反射光（反射検出光）に混入した反射加熱光がその一部しか検出光測定手段の受光部に入射できず、これにより検出光測定手段における反射検出光の強度を測定した結果に反射加熱光の影響（ノイズ）が入り難くなる。
【００１０】
具体的に、検出用集光部材により検出光が被測定物表面（測定部位）で焦点を結ぶように集光されると共に、加熱用集光部材により加熱光が被測定物表面で焦点をぼかすように集光されることで、検出光と加熱光との測定部位における各反射光はそれぞれ異なるビーム広がり角を有することとなる。第３の光学系では、このビーム広がり角の違いに起因して反射加熱光が受光部の位置において発散状態（受光部の上流側で一旦集束したあと発散した状態も含む。）となるため、その一部しか受光部に入射することができない。その結果、受光部に入射する反射加熱光の強度が小さくなり、この反射加熱光が測定結果にノイズとして入り難くなる。
【００１１】
しかも、検出光が測定部位において焦点を結ぶように照射されるため、測定部位での検出光の強度が確保され、これにより当該部位の温度変化の測定精度が確保される。
【００１２】
本発明に係る熱物性解析装置において、前記第１の光学系は、前記加熱用集光部材により集光された加熱光を前記検出用集光部材により集光された検出光に同軸又は略同軸となるように合流させて前記測定部位に照射するのが好ましい。
【００１３】
このように測定部位に照射される加熱光及び検出光を同軸又は略同軸とすることにより、反射検出光と同じ光路を反射加熱光が通るため第３の光学系に入射する反射加熱光の強度が大きくなるが、当該装置のように測定部位に照射する加熱光の焦点をぼかすことで、反射検出光の測定結果に反射加熱光の影響が入るのを抑制することができる。
【００１４】
しかも、加熱光と検出光とを同軸又は略同軸にして測定部位に照射することで、被測定物の厚さが変わったとき、即ち、被測定物表面と各集光部材との間隔が変わったときに、異なる集光部材によって加熱光と検出光とがそれぞれ測定部位に向けて集光されているにも関わらず各照射位置の調整が不要になる。
【００１５】
前記加熱用集光部材は、前記測定部位からの前記加熱光の反射光が前記第３の光学系において前記受光部よりも上流側で焦点を結ぶように構成され、前記第３の光学系は、前記加熱光の反射光の焦点位置に集光された前記加熱光の反射光の進行を遮る遮光部と、この遮光部を支持しその周囲を光が通過可能な光通過部とを有する遮光部材を備えるのが好ましい。
【００１６】
かかる構成によれば、第３の光学系において、受光部へ向けて導光される反射加熱光が遮光部材の遮光部によってその進行を遮られる一方、受光部へ向けて導光される反射検出光は、遮光部材よりも下流側の受光部で集光するため遮光部の周囲（即ち、光通過部）を通ってその下流側の受光部まで到達できる。その結果、受光部に反射加熱光がより入射し難くなり、これにより検出光測定手段における反射検出光の強度を測定した結果に反射加熱光の影響がより入り難くなる。
【００１７】
前記第１の光学系は、前記加熱光を第１の偏光方向に偏光する第１の偏光手段を有し、前記第２の光学系は、前記検出光を前記第１の偏光方向と異なる第２の偏光方向に偏光する第２の偏光手段を有し、前記第３の光学系は、当該第３の光学系において前記第２の偏光方向に偏光された光の下流側への進行を許容すると共に前記第１の偏光方向に偏光された光の下流側への進行を阻止する選択手段を有するのが好ましい。
【００１８】
かかる構成によれば、選択手段が、第３の光学系に入射して受光部へ向かう反射加熱光の進行を阻止すると共に反射検出光の進行を許容するため、反射加熱光が受光部へより到達し難くなり、その結果、検出光測定手段における反射検出光の強度の測定結果に反射加熱光の影響がより入り難くなる。即ち、第３の光学系では、反射加熱光が第１の偏光手段により第１の偏光方向に偏光された加熱光の反射光であるため受光部へ導光される途中で選択手段により受光部への進行を阻止される一方、反射検出光が第２の偏光手段により第２の偏光方向に偏光された検出光の反射光であるため選択手段により受光部への進行を許容され当該受光部へ到達できる。
【００１９】
また、前記加熱光放射手段と前記検出光放射手段とが前記加熱光及び前記検出光の双方を放射する共通の光放射手段によって構成され、この光放射手段は、所定周期のパルス光を放射するパルス光放射部と、この放射部から放射された前記パルス光を前記加熱光と前記検出光とに分岐し、この分岐した加熱光を前記第１の光学系に入射させると共に前記分岐した検出光を前記第２の光学系に入射させる分岐手段とを有するのが好ましい。
【００２０】
かかる構成によれば、加熱光と検出光とを放射するためにパルス光放射手段を個別に配置する必要がなくなることで省コスト化及び装置の小型化が図られ、しかも異なるパルス光放射手段から放射されたパルス光の同期を図るといった困難な調整作業や複雑な調整回路等が不要となる。
【００２１】
また、上記課題を解消すべく、本発明は、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、前記測定部位の温度変化を測定するための検出光を当該測定部位で焦点を結ぶように集光させて照射すると共に、前記測定部位を加熱するための加熱光を当該測定部に照射する照射工程と、前記測定部位からの前記検出光の反射光を前記測定部位とは異なる測定位置まで導光する導光工程と、この導光工程で前記測定位置に導光された前記検出光の反射光の強度を測定する測定工程とを備え、前記照射工程では、前記測定部位において前記加熱光が焦点を結ぶように集光する場合に比べ、前記導光工程において導光され前記測定位置に到達する加熱光の反射光の強度が小さくなるように前記測定部位において焦点をぼかし且つその照射範囲に前記検出光の照射範囲が含まれるように加熱光を集光することを特徴とする。
【００２２】
このように被測定物表面の測定部位において焦点を結ぶように検出光を照射すると共に、測定部位において焦点を結ぶように集光する場合に比べ、導光工程において導光され測定位置に到達する加熱光の反射光の強度が小さくなるように前記測定部位において焦点をぼかし且つその照射範囲に検出光の照射範囲が含まれるように加熱光を集光することにより、導光工程において反射検出光と共に導光される反射加熱光のうちの一部しか測定位置において測定されず、これにより測定位置での反射検出光の強度を測定した結果に反射加熱光の影響が入り難くなる。
【００２３】
即ち、異なる焦点位置となるように加熱光と検出光とが測定部位に照射されることで反射加熱光と反射検出光とが異なるビーム広がり角を有することとなり、このビーム広がり角の違いに起因して当該導光工程で導光される反射加熱光が測定位置において発散状態となりその一部しか測定されない。
【００２４】
しかも、検出光が測定部位において焦点を結ぶように照射されるため、測定部位での検出光の強度が確保され、これにより当該部位の温度変化の測定精度が確保される。
【発明の効果】
【００２５】
以上より、本発明によれば、被測定物の同一面に加熱光及び検出光を照射して当該試料の熱物性を解析しても、検出光の反射光強度の測定において加熱光の反射光の影響を受け難い熱物性解析装置及び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】
【００２６】
【図１】本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】前記熱物性解析装置の第３の光学系周辺の拡大構成図である。
【図３】他実施形態に係る熱物性解析装置における光検出器の構成図である。
【図４】他実施形態に係る熱物性解析装置における第３の光学系周辺の拡大構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
【００２８】
図１及び図２に示されるように、本実施形態に係る熱物性解析装置（以下、単に「解析装置」とも称する。）１０は、１つのパルスレーザ２１から周期的に出射（放射）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。）Ｂ１、他方を検出用パルス光（以下、単に「検出光」とも称する。）Ｂ２としている。そして、加熱光Ｂ１を薄膜試料（被測定物）１１表面の測定部位１１ａに照射すると共に検出光Ｂ２を照射し、当該測定部位１１ａで反射した検出光（反射検出光）Ｂ２ａを受光してその強度を測定することにより、前記測定部位１１ａの温度変化を測定する（熱拡散測定を行う）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。尚、本実施形態に係る薄膜試料１１は、基板１２上に成膜されている。
【００２９】
具体的に、解析装置１０は、加熱光Ｂ１及び検出光Ｂ２の双方を放射する光放射手段２０と、加熱光Ｂ１を薄膜試料１１の測定部位１１ａ（以下、単に「測定部位１１ａ」とも称する。）まで導光する第１の光学系３０と、検出光Ｂ２を測定部位１１ａまで導光する第２の光学系４０と、測定部位１１ａからの反射検出光Ｂ２ａの強度を測定する検出光測定手段５０と、測定部位１１ａからの反射検出光Ｂ２ａを検出光測定手段５０まで導光する第３の光学系６０と、ステージ１３とを備える。
【００３０】
光放射手段２０は、所定周期のパルス光を放射するパルスレーザ（パルス光放射部）２１と、このパルスレーザ２１から放射されたパルス光を加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２とに分岐する第１ビームスプリッタ（分岐手段）２２とを有する。
【００３１】
パルスレーザ２１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を放射する光源である。例えば、本実施形態に係るパルスレーザ２１は、波長が５３２ｎｍ、パルス幅が１２ｐｓ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。
【００３２】
第１ビームスプリッタ２２は、パルスレーザ２１から出力される基幹パルス光Ｂ０を分岐させるもので、加熱光（加熱用パルス光）Ｂ１と検出光（検出用パルス光）Ｂ２とに２分岐させる。この第１ビームスプリッタ２２は、基幹パルス光Ｂ０を分岐した後、加熱光Ｂ１を第１の光学系３０に入射させると共に検出光Ｂ２を第２の光学系４０に入射させる。本実施形態の第１ビームスプリッタ２２は、偏光ビームスプリッタであり、下流側には偏光調整用波長板１０１，１０２が配置される。この第１ビームスプリッタ２２は、分岐した光（加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２）を偏光調整用波長板１０１，１０２に通すことで加熱光Ｂ１を第１の偏光方向に偏光すると共に検出光Ｂ２を第２の偏光方向に偏光する。即ち、本実施形態の偏光調整用波長板１０１，１０２を有する第１ビームスプリッタ２２は、基幹パルス光Ｂ０を加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２とに分岐する分岐手段と、加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２とを互いに異なる偏光状態にする偏光手段とを兼ねている。尚、第１の偏光方向と第２の偏光方向とは異なる偏光方向である。
【００３３】
第１の光学系３０は、ミラー３１と、加熱用集光レンズ（加熱用集光部材）３２と、第２ビームスプリッタ３３とを有し、光放射手段２０から放射された加熱光Ｂ１を測定部位１１ａまで導光する。また、第１の光学系３０は、加熱光Ｂ１を強度変調するための変調手段３４を有する。
【００３４】
加熱用集光レンズ３２は、第１の光学系３０で導光される加熱光Ｂ１を測定部位１１ａに向けて集光するものである。この加熱用集光レンズ３２の焦点位置は、測定部位１１ａと異なる位置に設定されている。そのため、加熱用集光レンズ３２によって集光された加熱光Ｂ１は、測定部位１１ａにおいて一点に集束せずに照射範囲ｓが広がりを有するように照射される（図２参照）。即ち、測定部位１１ａにおいて焦点がぼけた状態で加熱光Ｂ１が照射される。この加熱用集光レンズ３２は、測定部位１１ａにおいて加熱光Ｂ１が焦点を結ぶように集光する場合に比べ、第３の光学系６０に導光されて検出光測定手段５０に到達する反射加熱光Ｂ１ａの強度が小さくなるように測定部位１１ａにおいて焦点をぼかし且つその照射範囲ｓに検出光Ｂ２の照射範囲が含まれるような焦点位置に設定されている。このように加熱用集光レンズ３２の焦点位置が設定されることで、測定部位１１ａで反射して第３の光学系６０に入り込んだ反射加熱光Ｂ１ａは、検出光測定手段５０の光検出器５１（詳細には、光検出器５１の受光部５１ａ）よりも上流側で焦点を結ぶ。具体的に、本実施形態の加熱用集光レンズ３２には、焦点距離（焦点位置）が４０ｍｍの凸レンズが用いられる。この加熱用集光レンズ３２を通過した加熱光Ｂ１は、測定部位１１ａに到達する前に一旦集束した後、発散状態で測定部位１１ａに到達する（図２参照）。
【００３５】
第２ビームスプリッタ３３は、偏光ビームスプリッタであり、第２の偏光方向に偏光された光を透過させると共に第２の偏光方向と異なる偏光方向に偏光された光を反射する。即ち、本実施形態の第２ビームスプリッタ３３では、第２の偏光方向に偏光されている検出光Ｂ２は透過するが、第１の偏光方向に偏光されている加熱光Ｂ１は反射される。この第２ビームスプリッタ３３は、当該第２ビームスプリッタ３３で反射した加熱光Ｂ１を当該ビームスプリッタ３３を通過した後の検出光Ｂ２に同軸又は略同軸となるように合流させる。尚、本実施形態の第２ビームスプリッタ３３は、第３の光学系６０の一部も構成する。この第３の光学系６０における第２ビームスプリッタ３３の作用については後述する。
【００３６】
変調手段３４は、変調器３５と発振器３６とを有し、変調器３５が発振器３６からの変調信号に基づいて加熱光Ｂ１を所定の周波数で強度変調する。本実施形態では、変調器３５として音響光学変調器が用いられ、加熱光Ｂ１が１００ｋＨｚで強度変調される。
【００３７】
第２の光学系４０は、ミラー４１と、光路遅延装置４２と、検出用集光レンズ（検出用集光部材）４３とを有し、測定部位１１ａに対して検出光Ｂ２を垂直方向から照射するように導光する。
【００３８】
光路遅延装置４２は、加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２との間で測定部位１１ａにおけるパルス光到達の時間差を生じさせるものであり、その時間差を例えばピコ秒オーダーの精度で調節可能（可変）である。この光路遅延装置４２は、光学機器及びその移動機構で構成されている。本実施形態の光路遅延装置４２は、検出光Ｂ２の光路長を調節することにより、加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２との間で測定部位１１ａにおけるパルス光到達の時間差を生じさせる装置である。具体的には、光路遅延装置４２は、一対のミラー４２ａと、この一対のミラー４２ａを検出光Ｂ２の光軸方向に移動させる移動ステージ４２ｂ、及びこの移動ステージ４２ｂの動作を計算機５３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。
【００３９】
検出用集光レンズ４３は、第２の光学系４０で導光される検出光Ｂ２を測定部位１１ａに向けて集光するものである。この検出用集光レンズ４３の焦点位置は、測定部位１１ａと一致又は略一致するように設定されている。そのため、検出用集光レンズ４３によって集光された検出光Ｂ２は、測定部位１１ａにおいて一点に集束する。即ち、測定部位１１ａで焦点を結ぶように検出光Ｂ２が照射される（図２参照）。このように検出用集光レンズ４３の焦点位置が設定されることで、測定部位１１ａで反射して第３の光学系６０に入り込んだ反射検出光Ｂ２ａは、検出光測定手段５０の光検出器５１（詳細には、光検出器５１の受光部５１ａ）で焦点を結ぶ。具体的に、本実施形態の検出用集光レンズ４３には、焦点距離（焦点位置）が６０ｍｍの凸レンズが用いられる。尚、本実施形態の検出用集光レンズ４３は、第３の光学系６０の一部も構成する。この第３の光学系６０における検出用集光レンズ４３の作用については後述する。
【００４０】
検出光測定手段５０は、測定部位１１ａからの反射検出光Ｂ２ａが入射する光検出器５１と、この光検出器５１と発振器３６とが接続されるロックインアンプ５２と、このロックインアンプ５２が接続される計算機５３とを有する。
【００４１】
光検出器５１は、反射検出光Ｂ２ａが入射する受光部５１ａを有し、この受光部５１ａに入射した反射検出光Ｂ２ａの強度を強度信号として出力するものである。受光部５１ａは、第３の光学系６０により導光された反射検出光Ｂ２ａが入射できる大きさを有していればよい。本実施形態では、反射検出光Ｂ２ａが受光部５１ａの位置において集束するように第３の光学系６０によって導光されるため、受光部５１ａには小型の受光素子が用いられる。具体的には、受光部５１ａとしてシリコンフォトダイオード（縦が０．５ｍｍ、横が０．５ｍｍ、受光径φが０．５ｍｍ）が用いられる。
【００４２】
尚、光検出器５１の具体的構成は限定されない。例えば、本実施形態では、受光部５１ａとして受光素子が配置されているが、これに限定されず、図３に示されるように、光検出器１５１は、検出器本体１５２とその内部に配置される受光素子１５３とを備え、受光部として検出器本体１５２に設けられたピンホール１５１ａに入射した（即ち、ピンホール１５４を通過した）反射検出光Ｂ２ａを検出器本体１５２の内部に配置された受光素子１５３が受光し、その受光強度を検出するように構成されてもよい。この光検出器１５１では、反射検出光Ｂ２ａは、集光状態でピンホール（受光部）１５１ａに向かい、ピンホール１５１ａを通過するときに一旦集束し、その後、ピンホール１５１ａを通過して発散状態となって受光素子１５３に到達する。従って、この光検出器１５１では、本実施形態の受光素子５１ａよりも大きな受光素子１５３を用いることができる。
【００４３】
ロックインアンプ５２は、光検出器５１から出力される強度信号から変調手段３４で変調した周波数成分を検出（抽出）するものである。
【００４４】
計算機５３は、ロックインアンプ５２で検出された周波数成分から測定部位１１ａの温度変化を導出するものである。さらに計算機５３は、あらかじめ定められた解析規則に従って測定部位１１ａの前記温度変化から薄膜試料１１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。
【００４５】
第３の光学系６０は、第２ビームスプリッタ３３と、検出用集光レンズ４３と、第３ビームスプリッタ６１と、遮光部材６２と、集光レンズ６３とを有し、測定部位１１ａで反射された反射検出光Ｂ２ａを光検出器５１の受光部５１ａまで導光する。
【００４６】
第２ビームスプリッタ３３は、測定部位１１ａに対して垂直方向から入射した加熱光Ｂ１及び検出光Ｂ２の各反射光のうち、第１の偏光方向に偏光された反射加熱光Ｂ１ａを加熱用集光レンズ３２側に反射すると共に第２の偏光方向に偏光された反射検出光Ｂ２ａを通過させる。このとき、第２ビームスプリッタ３３は、反射加熱光Ｂ１ａを全て反射することができず、僅かな反射加熱光Ｂ１ａが当該第２ビームスプリッタ３３を反射検出光Ｂ２ａと共に通過する。
【００４７】
検出用集光レンズ４３は、測定部位１１ａで反射され発散状態で当該検出用集光レンズ４３に到達した反射検出光Ｂ２ａをその内部を通過させることにより平行光にする。また、検出用集光レンズ４３は、測定部位１１ａで反射され発散状態（反射検出光Ｂ２ａと異なるビーム広がり角）で当該検出用集光レンズ４３に到達した反射加熱光Ｂ１ａ（第２ビームスプリッタ３３で反射されずに透過した反射加熱光Ｂ１ａ）をその内部を通過させることにより集光状態にする。
【００４８】
第３ビームスプリッタ６１は、第２の光学系４０により導光される検出光Ｂ２の光路上に配置されている。本実施形態の第３ビームスプリッタ６１は、ハーフミラーで構成され、測定部位１１ａに対して垂直方向から当該測定部位１１ａに向って進む検出光Ｂ２を通過させると共に測定部位１１ａから同軸上に戻ってきた反射検出光Ｂ２ａを光検出器５１側へ反射するものである。
【００４９】
遮光部材６２は、第３の光学系６０において、反射検出光Ｂ２ａの下流側への進行を許容しつつ、反射加熱光Ｂ１ａの下流側への進行を遮るものである。この遮光部材６２は、第３の光学系６０において反射加熱光Ｂ１ａの焦点位置に配置され、遮光部６２ａと光通過部６２ｂとを有する。遮光部材６２において、遮光部６２ａは反射加熱光Ｂ１ａの焦点位置に集光された反射加熱光Ｂ１ａの進行を遮るための部位であり、光通過部６２ｂは遮光部６２ａを前記焦点位置に支持しその周囲を光（反射検出光Ｂ２ａ）が通過可能に構成された部位である。本実施形態では、第３の光学系６０の導光方向における反射加熱光Ｂ１ａの焦点位置に当該光学系６０により導光される光の光路と直交する姿勢で配置された板状のガラス（光通過部）６２ｂと、このガラス６２ｂの表面における前記焦点位置に蒸着されたアルミ（遮光部）６２ａとで構成される。即ち、焦点位置に集光された反射加熱光Ｂ１ａが蒸着されたアルミ６２ａによって反射されてその進行を遮られ、その周囲のガラス部分６２ｂを反射検出光Ｂ２ａが通過する。
【００５０】
集光レンズ６３は、検出用集光レンズ４３を通過することにより平行光となった反射検出光Ｂ２ａを当該反射検出光Ｂ２ａが当該集光レンズ６３を通過することにより光検出器５１の受光部５１ａにおいて焦点を結ぶように集光するものである。
【００５１】
ステージ１３は、薄膜試料１１が成膜された基板１２を支持すると共に計算機５３からの制御指令に従って、薄膜試料１１の位置を２次元方向（加熱光Ｂ１及び検出光Ｂ２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。即ち、計算機５３によってステージ１３を制御することにより、加熱光Ｂ１及び検出光Ｂ２の照射位置に薄膜試料１１表面における所望の測定部位１１ａを位置合わせすることができる。
【００５２】
以上のように構成される解析装置１０では、以下のようにして薄膜試料１１の熱物性の解析が行われる。
【００５３】
薄膜試料１１を成膜された基板１２がステージ１３上に設置される。加熱光Ｂ１及び検出光Ｂ２の照射位置に薄膜試料１１表面における測定部位１１ａが位置するように計算機５３によりステージ１３が制御される。
【００５４】
次に、光放射手段２０によって加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２とが放射される。加熱光Ｂ１は、第１の光学系３０により導光されて測定部位１１ａに照射される一方、検出光Ｂ２は、第２の光学系４０により導光されて測定部位１１ａに照射される。具体的に、パルスレーザ２１により放射された基幹パルス光Ｂ０が第１ビームスプリッタ２２により加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２とに分岐される。このとき、第１ビームスプリッタ２２により分岐された加熱光Ｂ１及び検出光Ｂ２が偏光調整用波長板１０１，１０２を通ることにより、加熱光Ｂ１は第１の偏光方向に偏光され、検出光Ｂ２は第２の偏光方向に偏光される。加熱光Ｂ１は、変調手段３４により所定の周期で強度変調された後、加熱用集光レンズ３２により集光されて測定部位１１ａに照射される。一方、検出光Ｂ２は、加熱光Ｂ１に対して所定のパルス光到達時間差で測定部位１１ａに到達するように光路遅延装置４２によって光路長を調節されたあとに検出用集光レンズ４３により集光されて測定部位１１ａに照射される。このとき、検出光Ｂ２は測定部位１１ａで焦点を結ぶように照射される一方、加熱光Ｂ１は焦点をぼかすように、即ち、焦点位置が測定部位１１ａと異なる位置となるように照射される。
【００５５】
そして、測定部位１１ａで反射された検出光（反射検出光）Ｂ２ａは、第３の光学系６０によって検出光測定手段５０まで導光される一方、反射された加熱光（反射加熱光）Ｂ１ａは第３の光学系６０の途中でその進行を阻止される。具体的に、反射検出光Ｂ２ａは、第２ビームスプリッタ３３を通過し、検出用集光レンズ４３、第３ビームスプリッタ６１、遮光部材６２（詳細には、光通過部６２ｂ）、集光レンズ６３を順に経て光検出器５１の受光部５１ａに到達する。一方、反射加熱光Ｂ１ａは、その多くが第２ビームスプリッタ３３によって加熱用集光レンズ３２側に反射され、その一部だけが当該第２ビームスプリッタ３３を通過する。即ち、反射加熱光Ｂ２ａの一部が第３の光学系６０に入り込む。この第２ビームスプリッタ３３を通過した反射加熱光Ｂ１ａは、検出用集光レンズ４３、第３ビームスプリッタ６１を順に経て遮光部材６２の遮光部６２ａの位置で焦点を結び、この遮光部６２ａにより反射されることによりその進行を阻止される。即ち、第３の光学系６０に入り込んだ反射加熱光Ｂ１ａは、第２ビームスプリッタ３３と、遮光部材６２とにより受光部５１ａへの到達が阻止される。
【００５６】
検出光測定手段５０において、前記導光された反射検出光Ｂ２ａの強度が測定され、その強度に基づいて薄膜試料１１（測定部位１１ａ）の熱物性が解析される。具体的に、光検出器５１の受光部５１ａに入射した反射検出光Ｂ２ａの強度が光検出器５１から強度信号として出力される。この強度信号を受け取ったロックインアンプ５２において、当該強度信号から変調手段３４での強度変調の周期成分が検出され、この周期成分に基づき計算機５３が薄膜試料１１の熱物性を解析すると共にその解析結果を出力する。
【００５７】
以上のように本実施形態の解析装置１０では、測定部位１１ａにおいて検出光Ｂ２が焦点を結ぶように集光されると共に、第３の光学系６０に入り込んだ反射加熱光Ｂ１ａが当該光学系６０において受光部５１ａよりも上流側で焦点を結ぶように加熱光Ｂ１が測定部位１１ａにおいて焦点をぼかされ且つその照射範囲ｓに検出光Ｂ２の照射範囲（焦点位置）を含むよう集光されるように、異なる集光レンズ３２，４３によって加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２とが測定部位１１ａにそれぞれ集光されるため、第３の光学系６０に導光される反射検出光Ｂ２ａに混入した反射加熱光Ｂ１ａがその焦点位置で一旦集束したあと発散状態で受光部５１ａに到達するため、受光部５１ａに入射した反射加熱光Ｂ１ａの強度は小さい。そのため、検出光測定手段５０における反射検出光Ｂ２ａの強度を測定した結果に反射加熱光Ｂ１ａの影響（ノイズ）が入り難くなる。
【００５８】
しかも、本実施形態では、第３の光学系６０において、反射加熱光Ｂ１ａが焦点を結ぶ位置に遮光部材６２を配置し、この焦点位置で集束した状態の反射加熱光Ｂ１ａを反射して当該反射加熱光Ｂ１ａの進行を阻止することにより受光部５１ａに到達する反射加熱光Ｂ１ａをさらに少なくし、これにより検出光測定手段５０における反射検出光Ｂ２ａの強度を測定した結果に反射加熱光Ｂ１ａの影響（ノイズ）が入ることをより抑制している。
【００５９】
具体的に、加熱用集光レンズ３２の焦点距離が反射加熱光Ｂ１ａが第３の光学系６０において受光部５１ａよりも上流側で焦点を結ぶように設定されているため、第３の光学系６０に入り込んだ反射加熱光Ｂ１ａは、受光部５１ａの上流側で一旦集束したあと発散し、その一部のみが受光部５１ａに入射する。そのため、受光部５１ａに入射する反射加熱光Ｂ１ａの強度は、集束した状態で受光部５１ａに入射したときよりも小さくなる。そのため、反射検出光Ｂ２ａの測定結果に反射加熱光Ｂ１ａの影響が入り難くなる。
【００６０】
しかも、本実施形態の解析装置１０では、前記焦点位置に遮光部材６２が配置されることで、第３の光学系６０において、第２ビームスプリッタ３３を通過して受光部５１ａへかう反射加熱光Ｂ１ａが遮光部材６２の遮光部６２ａによってその進行を遮られるため、反射検出光Ｂ２ａの測定結果に反射加熱光Ｂ１ａの影響がさらに入り難くなる。一方、反射検出光Ｂ２ａは、遮光部材６２を平行光の状態で通過し、当該遮光部材６２よりも下流側の集光レンズ６３によって集光されるため、遮光部材６２の位置では遮光部６２ａの周囲（即ち、光通過部６２ｂ）を通過してその下流側の受光部５１ａに到達できる。
【００６１】
さらに、本実施形態の解析装置１０では、第３の光学系６０に偏光ビームスプリッタである第２ビームスプリッタ３３が配置されることで、当該第２ビームスプリッタ３３が第３の光学系６０に入射して受光部５１ａへ向かう反射加熱光Ｂ１ａの進行の多くを阻止すると共に反射検出光Ｂ２ａの進行を許容するため、受光部５１ａに到達する反射検出光Ｂ２ａの強度を十分確保することができると共に第３の光学系６０に入り込む反射加熱光Ｂ１ａの量を少なくすることができる。その結果、検出光測定手段５０における反射検出光Ｂ２ａの強度の測定結果に反射加熱光Ｂ１ａの影響がより入り難くなる。
【００６２】
また、本実施形態の解析装置１０では、測定部位１１ａに照射される加熱光Ｂ１及び検出光Ｂ２を同軸又は略同軸とすることにより反射検出光Ｂ２ａと同じ光路を反射加熱光Ｂ１ａが通るため第３の光学系６０に向う反射加熱光Ｂ１ａの強度が大きくなるが、当該解析装置１０のように測定部位１１ａに照射する加熱光Ｂ１の焦点をぼかすことで、反射検出光Ｂ２ａの測定結果に反射加熱光Ｂ１ａの影響が入るのを抑制することができる。即ち、当該解析装置１０では、遮光部材６２が配置されていなくても、測定部位１１ａで焦点を結ぶように加熱光Ｂ１が照射されたときよりも受光部５１ａに入射する反射加熱光Ｂ１ａの強度が小さくなるため、反射検出光Ｂ２ａの測定結果に反射加熱光Ｂ１ａの影響が入るのを抑制することができ、本実施形態のように遮光部材６２が配置されていれば、遮光部材６２によって受光部５１ａへの到達を阻止され、反射検出光Ｂ２ａの測定結果に反射加熱光Ｂ１ａの影響が入るのをより抑制することができる。
【００６３】
ここで、例えば、解析装置１０において、測定部位１１ａに対して検出光Ｂ２を垂直に照射すると共に加熱光Ｂ１を入射角を大きくして照射する場合、薄膜試料１１の厚さが変わると、薄膜試料１１の表面と加熱用集光レンズ３２及び検出用集光レンズ４３との距離が変わるため、斜めから照射される加熱光Ｂ１の薄膜試料１１表面上の照射位置が移動し、加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２との照射位置がずれてしまう。そのため、このような解析装置では、薄膜試料１１の厚みに応じて、加熱光Ｂ１の照射位置を調整する必要がある。しかし、本実施形態の解析装置１０では、加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２とを同軸又は略同軸にして測定部位１１ａに照射するため、薄膜試料１１の厚さが変わっても、即ち、薄膜試料１１の表面と各集光レンズ３２，４３との間隔が変わっても、加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２との照射位置のずれが生じない。そのため、各照射位置の調整が不要になる。
【００６４】
また、本実施形態の解析装置１０では、一つの光放射手段２０が加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２との双方を放射するためにパルス光放射手段を個別に配置する必要がなくなり、これにより省コスト化及び装置の小型化が図られ、しかも異なるパルス光放射手段から放射されたパルス光の同期を図るといった困難な調整作業や複雑な調整回路等が不要となる。
【００６５】
また、本実施形態の解析装置１０では、検出光Ｂ２が測定部位１１ａにおいて焦点を結ぶように照射されるため、測定部位１１ａでの検出光Ｂ２の強度が確保され、これにより当該部位１１ａの温度変化の測定精度が確保される。
【００６６】
尚、本発明の熱物性解析装置及び熱物性解析方法は、上記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。
【００６７】
例えば、上記実施形態では、第３光学系６０に入り込んだ反射加熱光Ｂ１ａが受光部５１ａの上流側で焦点を結ぶように加熱用集光レンズ３２が構成されている（即ち、加熱用集光レンズ３２の焦点距離が設定されている）が、この構成に限定されない。即ち、加熱光Ｂ１が測定部位１１ａにおいて焦点を結ぶように集光する場合に比べ、第３の光学系６０に入り込んで受光部５１ａに到達する反射加熱光Ｂ１ａの強度が小さくなるように測定部位１１ａにおいて焦点をぼかし且つその照射範囲ｓに検出光の照射範囲を含むよう測定部位１１ａに向けて加熱光Ｂ１を集光するように構成されていればよい。
【００６８】
このように構成されていれば、異なる集光レンズ３２，４３によって加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２と測定部位１１ａにそれぞれ集光されることにより、第３の光学系６０に導光される反射検出光Ｂ２ａに混入した反射加熱光Ｂ１ａがその一部しか検出光測定手段５０の受光部５１ａに入射できず、これにより検出光測定手段５０における反射検出光Ｂ２ａの強度を測定した結果に反射加熱光Ｂ１ａの影響（ノイズ）が入り難くなる。
【００６９】
そのため、前記のように、上記実施形態の第３の光学系６０において遮光部材６２を取り除いても、反射加熱光Ｂ１ａが一旦焦点位置（遮光部材６２の配置位置）で集束したあと発散するためその一部しか受光部５１ａに入射できず、これにより受光部５１ａに入射する反射加熱光Ｂ１ａの強度が十分小さくなって反射検出光Ｂ２ａの測定結果に反射加熱光Ｂ１ａの影響が入り難い。
【００７０】
また、図４に示されるように、検出光Ｂ１２のビーム径を受光部５１ａと同程度まで絞り、検出用集光レンズ１４３と加熱用集光レンズ１３２との焦点距離をそれぞれ調整することにより、反射検出光Ｂ１２ａが平行光の状態で受光部５１ａに入射し且つ反射加熱光Ｂ１１ａが受光部５１ａに向って発散し続けるように解析装置１０が構成されてもよい。このように構成されても、受光部５１ａに入射する反射加熱光Ｂ１１ａの強度を十分小さくすることができ、これにより反射検出光Ｂ１２ａの測定結果に反射加熱光Ｂ１１ａの影響を入り難くすることができる。
【００７１】
上記実施形態では第２ビームスプリッタ３３が偏光ビームスプリッタで構成されているが、これに限定されず、第２ビームスプリッタ３３がハーフミラーで構成され、第３ビームスプリッタ６１が偏光ビームスプリッタで構成されてもよい。即ち、反射加熱光Ｂ１ａが第３ビームスプリッタ６１を通過すると共に反射検出光Ｂ２ａが受光部５１ａ側に反射されるように第３ビームスプリッタ６１が構成されてもよい。
【００７２】
上記実施形態では、測定部位１１ａに対して加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２とが同軸又は略同軸で照射されているが、これに限定されない。例えば、測定部位１１ａに対して検出光Ｂ２を垂直に照射すると共に加熱光Ｂ１を斜め方向から照射してもよい。この場合、薄膜試料１１の表面には微視的には凹凸が存在するため、この凹凸により乱反射した反射加熱光Ｂ１ａが第３の光学系６０に入り込んで光検出器５１に向うが、測定部位１１ａにおいて焦点がぼけるように加熱光を斜めから照射することで、測定部位１１ａで焦点を結ぶように斜めから照射した場合に比べ、光検出器５１で測定される反射加熱光Ｂ１ａの強度を弱くすることができる。
【００７３】
上記実施形態では、解析装置１０は、加熱光Ｂ１を強度変調して測定部位１１ａに照射しているが、強度変調していない加熱光Ｂ１を測定部位１１ａに照射するように構成されてもよい。このように構成されても、反射検出光Ｂ２ａの強度に基づき薄膜試料１１の熱物性を解析することができる。
【００７４】
上記実施形態の解析装置１０では、１つのパルスレーザ２１が用いられ、このパルスレーザ２１から放射された基幹パルス光Ｂ０を分岐することで加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２とが導出されているが、個別のパルスレーザ、即ち、加熱用パルスレーザ（加熱光放射手段）と検出用パルスレーザ（検出光放射手段）とが用いられてもよい。この場合、加熱用パルスレーザから放射される加熱光（加熱用パルス光）と検出用パルスレーザから放射される検出光（検出用パルス光）との同期を図る必要がある。
【符号の説明】
【００７５】
１０   解析装置（熱物性解析装置）
１１   薄膜試料（被測定物）
１１ａ 測定部位
２０   光放射手段
３０   第１の光学系
３２   加熱用集光レンズ（加熱用集光部材）
４０   第２の光学系
４３   検出用集光レンズ（検出用集光部材）
５０   検出光測定手段
６０   第３の光学系
Ｂ１   加熱光
Ｂ１ａ 反射加熱光（加熱光の反射光）
Ｂ２   検出光
Ｂ２ａ 反射検出光（検出光の反射光）
ｓ     測定部位における加熱光の照射範囲
【図１】
2011012991.tif 000003
【図２】
2011012991.tif 000004
【図３】
2011012991.tif 000005
【図４】
2011012991.tif 000006