(57)【要約】【課題】空間分解を高くしても精度よく被測定物の熱物性を解析・評価することができる熱物性解析装置及びこの装置を用いた解析方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、検出光出射手段２０と検出光Ｂ２を測定部位１１ａまで導光する検出光用光学系４０とを有して測定部位１１ａに検出光Ｂ２を照射する検出光照射手段を備え、検出光用光学系４０は、光路長を変更するための光路長調節手段４２と、その下流側に設けられ、内部に入射した前記検出光が全反射を繰り返して伝搬されることでこの検出光Ｂ２を所定の方向に出射する光導波路４５と、を含み、光導波路４５は、入射面４５ａが検出光Ｂ２の到達する位置で当該検出光Ｂ２が全反射条件で光導波路４５内に入射可能な方向を向くように配設され、入射面４５ａの大きさが入射する検出光Ｂ２のビーム幅よりも大きいことを特徴とする。【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、
前記測定部位に加熱光を照射する加熱光照射手段と、
前記測定部位に温度変化を検出するための検出光を照射する検出光照射手段と、
前記測定部位からの前記検出光の反射光の強度を測定する反射光測定手段と、を備え、
前記検出光照射手段は、前記検出光を前記測定部位まで導光する検出光用光学系を有し、
前記検出光用光学系は、前記検出光の光路長を変更するための光路長調節手段と、前記検出光の光路上において前記光路長調節手段の下流側に設けられ、内部に入射した前記検出光が全反射を繰り返して伝搬されることでこの検出光を所定の方向に出射する光導波路と、を含み、
前記光導波路は、前記検出光が当該光導波路内に入射可能な入射面を有し、この入射面が前記光路長調節手段からの検出光の到達する位置で当該検出光が当該光導波路内に全反射条件で入射可能な方向を向いた姿勢で配設されることを特徴とする熱物性解析装置。
【請求項２】
前記検出光用光学系は、透過した光を屈折させて焦点に集光可能な集光手段を備え、
前記集光手段は、前記光路長調節手段から前記光導波路に向う検出光が透過し且つ前記焦点が前記光導波路の入射面と略一致する位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱物性解析装置。
【請求項３】
前記集光手段が、光を集光可能な集光部と、この集光部における前記入射面の姿勢を維持しつつ当該集光部をその光軸に沿って移動させる移動手段と、を有することを特徴とする請求項２に記載の熱物性解析装置。
【請求項４】
前記検出光用光学系は、前記光導波路から前記測定部位に向う検出光の強度を測定する強度測定手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱物性解析装置。
【請求項５】
前記検出光用光学系は、前記光路上における前記光導波路の下流側に設けられ、前記検出光が通過することにより当該検出光を所定の偏光状態とする偏光手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱物性解析装置。
【請求項６】
前記光導波路は、光ファイバにより構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱物性解析装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱物性解析装置を用いて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、
前記加熱光照射手段によって加熱光を前記測定部位に照射すると共に、前記検出光照射手段によって検出光を前記測定部位に照射する照射工程と、
前記反射光測定手段によって前記測定部位からの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、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、いわゆるサーモリフレクタンス法であり、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。
【０００３】
具体的に、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（光路長調節手段）によって遅延されつつ測定部位の一方の面に照射され、他方の検出光が測定部位の他方の面に照射される。そして、測定部位の他方の面で反射された検出光が検出され、その検出信号（強度信号）における加熱光の変調成分が検出される。
【０００４】
この状態で、光路長調節手段によって加熱光の遅延状態を変化させることで、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】
近年、熱物性解析装置において高空間分解能が求められているが、そのためには、被測定物に照射される加熱光及び検出光を絞る、即ち、各光（加熱光及び検出光）のビーム幅を小さくする必要があった。また、測定部位において加熱光と検出光との照射位置がずれると、熱物性値を精度よく測定することができないため、高空間分解能の熱物性解析装置、即ち、加熱光及び検出光のビーム幅をそれぞれ小さくした熱物性解析装置においては、加熱光及び検出光を測定部位に導光する光学系の調整を極めて高精度に行わなければならなかった。
【０００７】
しかし、前記の熱物性解析装置の光路長調節手段においては、加熱光の光路上に設けられた反射部材を移動させることで光路長の変更を行うため、この可動部分（反射部材等）の調整が極めて困難であった。これは、可動部分では、反射部材の移動によって機械誤差等に起因する反射部材の姿勢の変化が生じ、これにより加熱光の光軸がずれるためである。しかも、一方の光（加熱光）の光軸が僅かでもずれると、各光が細く絞られているために測定部位において加熱光と検出光との照射位置のずれが顕著に現れ、被測定物における加熱光での加熱部位の熱拡散等を検出光によって正確に測定できなくなる。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、空間分解を高くしても精度よく被測定物の熱物性を解析・評価することができる熱物性解析装置及びこの装置と用いた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】
【０００９】
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、前記測定部位に加熱光を照射する加熱光照射手段と、前記測定部位に温度変化を検出するための検出光を照射する検出光照射手段と、前記測定部位からの前記検出光の反射光の強度を測定する反射光測定手段と、を備え、前記検出光照射手段は、前記検出光を前記測定部位まで導光する検出光用光学系を有し、前記検出光用光学系は、前記検出光の光路長を変更するための光路長調節手段と、前記検出光の光路上において前記光路長調節手段の下流側に設けられ、内部に入射した前記検出光が全反射を繰り返して伝搬されることでこの検出光を所定の方向に出射する光導波路と、を含み、前記光導波路は、前記検出光が当該光導波路内に入射可能な入射面を有し、この入射面が前記光路長調節手段からの検出光の到達する位置で当該検出光が当該光導波路内に全反射条件で入射可能な方向を向いた姿勢で配設されることを特徴とする。
【００１０】
かかる構成によれば、光路長調節手段において光路長を変更したときに検出光の光軸のずれが生じても、その下流側に設けられる光導波路内に検出光が入射することによって測定部位に正確に導光される。具体的には、光導波路を光路長調節手段の下流側に設けることで、光路長調節手段において検出光の光軸のずれが生じても、この検出光が光導波路内に全反射条件で入射することにより当該光導波路から所定の方向に出射されるため、前記光軸のずれが解消する。
【００１１】
本発明に係る熱物性解析装置においては、前記検出光用光学系は、透過した光を屈折させて焦点に集光可能な集光手段を備え、前記集光手段は、前記光路長調節手段から前記光導波路に向う検出光が透過し且つ前記焦点が前記光導波路の入射面と略一致する位置に配置されること、が好ましい。
【００１２】
かかる構成によれば、光路長調節手段において生じる検出光の光軸のずれが大きくても、集光手段によって検出光が入射面側に屈折させられて光導波路内に入射することができる。
【００１３】
この場合、前記集光手段が、光を集光可能な集光部と、この集光部における前記入射面の姿勢を維持しつつ当該集光部をその光軸に沿って移動させる移動手段と、を有する構成とすることで、光導波路の入射面に対する焦点の位置の調節が容易になる。
【００１４】
前記検出光用光学系は、前記光導波路から前記測定部位に向う検出光の強度を測定する強度測定手段を備えること、が好ましい。
【００１５】
かかる構成によれば、光導波路を検出光が通過することによりその強度が変化しても、被測定物についての熱物性を精度よく解析・評価することができる。即ち、光導波路内を通過することにより生じた検出光の強度変化を強度測定手段によって検出し、その結果に基づいて反射光測定手段により測定した測定部位からの検出光の反射光強度を補正することにより、被測定物についての熱物性を精度よく解析・評価することができる。
【００１６】
また、前記検出光用光学系は、前記光路上における前記光導波路の下流側に設けられ、前記検出光が通過することにより当該検出光を所定の偏光状態とする偏光手段を備えること、が好ましい。
【００１７】
かかる構成によれば、光導波路内で全反射を繰り返すことによりその偏光状態が変化した検出光を、この偏光手段を通過させることにより元の偏光状態（所定の偏光状態）に戻すことができる。
【００１８】
尚、当該熱物性解析装置において、前記光導波路は、光ファイバにより構成されてもよい。光ファイバは可撓性を有するためその入射端及び出射端の配置の自由度が高く、これを用いることで熱物性解析装置における構成部品の配置の自由度が向上する。
【００１９】
また、上記課題を解消すべく、本発明は、上記いずれかの熱物性解析装置を用いて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、前記加熱光照射手段によって加熱光を前記測定部位に照射すると共に、前記検出光照射手段によって検出光を前記測定部位に照射する照射工程と、前記反射光測定手段によって前記測定部位からの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ることを特徴とする。
【００２０】
上記いずれかの熱物性解析装置を用いることで、照射工程において検出光用光学系の光路長調節手段で光路長を変更することにより検出光の光軸のずれが生じても、この検出光を測定部位に正確に照射することができる。その結果、被測定物についての熱物性を高分解能且つ高精度で解析・評価することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
以上より、本発明によれば、空間分解を高くしても精度よく被測定物についての熱物性を解析・評価することができる熱物性解析装置及びこの装置を用いた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】
【００２２】
【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光路遅延装置の動作及び検出光の光路を示す図である。
【図３】前記熱物性解析装置の導波路及び導波路用集光手段の概略を示す図である。
【図４】他実施形態に係る熱物性解析装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
図１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。）は、加熱光照射手段によって薄膜試料（被測定物）１１の表面の測定部位１１ａ（以下、単に「測定部位１１ａ」とも称する。）に加熱光Ｂ１を照射すると共に検出光照射手段よって測定部位１１ａに温度変化を検出するための検出光Ｂ２を照射し、反射光測定手段により測定部位１１ａからの検出光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、本実施形態の解析装置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。また、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。
【００２５】
以下、具体的に説明する。
【００２６】
解析装置１０は、加熱光Ｂ１及び検出光Ｂ２の双方を出射する光出射手段２０と、加熱光Ｂ１を薄膜試料１１の測定部位１１ａ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６０と、測定部位１１ａからの反射検出光Ｂ２ａを検出光測定手段６０まで導光する第３の光学系７０と、コンピュータ８０と、出力手段８２と、ステージ１３とを備える。
【００２７】
光出射手段２０は、所定周期のパルス光を出射するパルスレーザ２１と、このパルスレーザ２１から出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、分岐したパルス光をそれぞれ所定の偏光方向に偏光する偏光素子１０１，１０２とを有する。
【００２８】
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を出射する光源である。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、繰り返し周波数が８０ＭＨｚ、ビーム幅が１．４ｍｍのパルス光（パルス状のビーム）Ｂ０を出力する。
【００２９】
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。本実施形態では、第１ビームスプリッタ２２として偏光ビームスプリッタが用いられる。
【００３０】
偏光素子１０１，１０２は、第１ビームスプリッタの下流側に配置される。第１ビームスプリッタ２２で分岐された一方の光である加熱光Ｂ１は、偏光素子１０１を通過することによって第１の偏光方向に偏光される。また、第１ビームスプリッタ２２で分岐された他方の光である検出光Ｂ２は、偏光素子１０２を通過することによって第２の偏光方向に偏光される。尚、第１の偏光方向と第２の偏光方向とでは偏光方向が異なり、例えば、互いに直交する。
【００３１】
第１の光学系３０は、ミラー３１と、集光レンズ３２と、第２ビームスプリッタ３３とを有し、光出射手段２０から出射された加熱光Ｂ１を測定部位１１ａまで導光する。この第１の光学系３０は、加熱光Ｂ１を測定部位１１ａに対して垂直方向（即ち、薄膜試料１１に対して法線方向）から照射するように導光する。また、第１の光学系３０には、加熱光Ｂ１を強度変調するための変調手段３４が設けられている。
【００３２】
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。この集光レンズ３２は、その焦点位置が測定部位１１ａと一致するように配置されている。これにより、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において集束する。尚、本実施形態の集光レンズ３２は、第２の光学系４０及び第３の光学系７０の一部もそれぞれ構成する。
【００３３】
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１の偏光方向の光を反射する。即ち、本実施形態の第２ビームスプリッタ３３は、第２の偏光方向に偏光されている検出光Ｂ２を透過するが、第１の偏光方向に偏光されている加熱光Ｂ１を反射する。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、その光軸が当該ビームスプリッタ３３を通過した後の検出光Ｂ２の光軸と同軸又は略同軸となるように検出光Ｂ２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７０の一部も構成する。この第３の光学系７０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。
【００３４】
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Ｆ１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２００ｋＨｚで強度変調される。
【００３５】
第２の光学系４０は、ミラー４１と、光路遅延装置（光路長調節手段）４２と、導波路用集光手段（集光手段）５０と、光導波路４５と、導波路用偏光素子（偏光手段）４６と、強度測定手段５５と、集光レンズ３２と、を有し、光出射手段２０から出射された検出光Ｂ２を測定部位１１ａまで導光する。本実施形態の第２の光学系４０は、検出光Ｂ２を測定部位１１ａに対して垂直方向から照射するように導光する。
【００３６】
光路遅延装置４２は、図２にも示されるように、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、検出光Ｂ２の光路上で検出光Ｂ２を反射し、光路長を変更するために移動可能な反射部材４３を備える。この反射部材４３は、当該光路遅延装置４２に入射してきた検出光Ｂ２を、当該検出光Ｂ２に対し、平行でその進行方向が反対となるように反射する。本実施形態の光路遅延装置４２では、反射部材４３として一対のミラーが用いられる。これら一対のミラー４３は、各反射面が互いに直交するように配置される。尚、反射部材４３は、一対のミラーに限定されず、プリズム等が用いられてもよい。
【００３７】
光路遅延装置４２は、一対のミラー４３を搭載し、入射してくる検出光Ｂ２に対する一対のミラー４３の姿勢を維持した状態で当該一対のミラー４３を当該光路遅延装置４２に入射してくる検出光Ｂ２の光軸方向（図１における矢印α方向）に移動させる移動ステージ４４、及びこの移動ステージ４４をコンピュータ８０からの制御指令に従って駆動する駆動機構（図示せず）等を備えている。
【００３８】
尚、光路遅延装置４２は、反射部材４３を移動させることにより光路長を変更する構成に限定されず、検出光Ｂ２の光路長を変更可能であれば他の構成であってもよい。
【００３９】
導波路用集光手段５０は、検出光Ｂ２の光路において光路遅延装置４２の下流側に配置され、図３にも示されるように、入射用レンズ（集光部）５１と、この入射用レンズ５１を駆動する駆動機構（移動手段）５２とを備える。この導波路用集光手段５０は、光路遅延装置４２において検出光Ｂ２の光軸のずれが生じたときに、この検出光Ｂ２を入射用レンズ５１の光軸Ｃ側に屈折させる。本実施形態の導波路用集光手段５０には、光導波路４５の入射側の端部を保持可能な入射側移動ステージ５３が設けられ、この入射側移動ステージ５３に入射用レンズ５１と駆動機構５２とが配設されている。
【００４０】
入射用レンズ５１は、透過した光をその光軸Ｃ側に屈折させるレンズである。本実施形態では、光軸Ｃが光導波路（本実施形態では、光ファイバ）４５の入射面（光ファイバのコアの入射側端面）４５ａとその中心で直交し、焦点が入射面４５ａと一致する位置及び姿勢で配置されている。尚、入射用レンズ５１は、その焦点が入射面４５ａに略一致するように配置されていればよい。本実施形態においては、光軸Ｃ方向において入射面４５ａを挟んで前後１ｍｍ程度の範囲内に焦点が位置するように入射用レンズ５１が配置されていればよい。また、この入射用レンズ５１を透過した後、光導波路４５内に入射する検出光Ｂ２のビーム幅は、約１００μｍ以下となる。
【００４１】
駆動機構５２は、入射用レンズ５１を保持し、当該入射用レンズ５１における入射面４５ａの姿勢を維持しつつ当該入射用レンズ５１をその光軸Ｃに沿って移動（図３の矢印β参照）させる機構である。この駆動機構５２により、入射用レンズ５１の入射面４５ａに対する焦点の位置を調節することが可能となる。
【００４２】
入射側移動ステージ５３は、光導波路４５の入射側の端部を保持する保持部５３ａを備え、この保持部５３ａを入射用レンズ５１に対して当該レンズ５１の光軸Ｃと直交する方向に相対移動させることができる。具体的に、入射側移動ステージ５３は、光導波路４５の入射面４５ａを入射用レンズ５１に対して上下方向（図３において上下方向）及び左右方向（図３において紙面と直交する方向）に相対移動させることができる。このように入射面４５ａに対して入射用レンズ５１を相対移動可能に構成することで、入射面４５ａと入射用レンズ５１との相対位置が光軸Ｃと直交する方向にずれたときに容易に修正することができる。
【００４３】
光導波路４５は、検出光Ｂ２の光路において入射用レンズ５１の下流側に設けられ、内部に入射した検出光Ｂ２が全反射を繰り返して伝搬されることでこの検出光Ｂ２を所定の方向に出射するものである。具体的に、光導波路４５は、検出光Ｂ２の伝搬方向に延びるコアと、このコアを外側から周方向に囲み、コアよりも屈折率の小さなクラッドとからなる。コアの一方端（図３において右端）には、検出光Ｂ２がコア内に入射する入射面４５ａが形成され、他方端（図３において左端）には、コア内に入射した検出光Ｂ２が外部に出射する出射面４５ｂが形成されている。入射面４５ａの直径は、当該入射面４５ａから入射する検出光Ｂ２のビーム幅よりも大きい。これにより、検出光Ｂ２の光軸がずれても、当該検出光Ｂ２がコア内に入射し易くなる。本実施形態では、光導波路４５として光ファイバが用いられる。具体的には、コア径約が１００μｍのマルチモード光ファイバ若しくはコア径が約１０μｍのシングルモード光ファイバが用いられる。
【００４４】
この光導波路４５では、コア内に入射した検出光Ｂ２がコアとクラッドとの境界面で全反射を繰り返しながら伝搬されることで、出射面４５ｂから所定の方向（図３においては光導波路４５の軸方向）に出射される。
【００４５】
尚、コア内に入射した検出光Ｂ２は、所定回数以上、全反射を繰り返さないと出射面４５ｂから所定の方向に出射されないため、光導波路４５は、コア内に入射した検出光Ｂ２が出射面４５ｂから所定の方向に出射されるような回数以上の全反射が繰り返される長さを有している。
【００４６】
このように構成される光導波路４５は、入射面４５ａが光路遅延装置４２からの検出光Ｂ２の到達する位置で当該検出光Ｂ２が光導波路４５（詳しくはコア内）に全反射条件で入射可能な方向を向き、且つ、光導波路４５から出射された検出光Ｂ２が測定部位１１ａに到達できるような姿勢で配設される。尚、図１においては、光路遅延装置４２から測定部位１１ａまで真っ直ぐに検出光Ｂ２が進むことができるため、光導波路４５は、入射面４５ａを光路遅延装置４２の検出光Ｂ２の出射部位に向けると共に出射面４５ｂをその光軸が測定部位１１ａの法線方向と一致するように配設されている。
【００４７】
本実施形態では、光導波路４５として前記のような光ファイバが用いられている。光ファイバは可撓性を有するため配置の自由度が高く、当該光ファイバを光導波路４５として用いることで解析装置１０における構成部品の配置の自由度が向上する。
【００４８】
また、光導波路４５が可撓性を有する場合、入射側の端部と出射側の端部とを異なる移動ステージ５３，１５３に保持させて入射側の端部と出射側の端部とを相対変位可能に構成することができる。具体的に、出射側移動ステージ１５３は、導波路用偏光素子４６に対して上下方向（図３において上下方向）及び左右方向（図３において紙面と直交する方向）に相対移動させることができる。このように光導波路４５の入射側端部と出射側端部とを異なる移動ステージ５３，１５３にそれぞれ保持させて相対変位可能に構成することで、下流側に向けて出射する検出光Ｂ２の方向がずれたときに、入射側の端部位置を固定した状態で、出射側の端部のみを変位させ、検出光Ｂ２の方向のずれを容易に修正することができる。
【００４９】
尚、光導波路４５の具体的構成は限定されない。例えば、本実施形態では、光導波路４５として光ファイバを用いているが、これに限定されず、光がｘとｙ軸方向に閉じ込められ、ｚ軸方向に細いビーム状で導波されるいわゆる３次元光導波路等を用いてもよい。
【００５０】
導波路用偏光素子４６は、検出光Ｂ２の光路上における光導波路４５の下流側に設けられ、検出光Ｂ２が通過することにより当該検出光Ｂ２を所定の偏光状態にするものである。この導波路用偏光素子４６は、光導波路を全反射を繰り返しつつ通過することにより偏光状態が変化した検出光Ｂ２を、元の偏光状態に戻すために設けられている。本実施形態では、検出光Ｂ２は、導波路用偏光素子４６を通過することにより第２の偏光方向に偏光した状態となる。
【００５１】
強度測定手段５５は、光導波路４５から測定部位１１ａに向う検出光Ｂ２の強度を測定するためのものであり、第３ビームスプリッタ５６と、補正用光検出器５７と、アンプ５８と、を備える。この強度測定手段５５により、光導波路４５を通過する際に生じる検出光Ｂ２の強度変化が検出される。
【００５２】
第３ビームスプリッタ５６は、検出光Ｂ２の光路上における光導波路４５の下流側に設けられ、検出光Ｂ２の一部をモニター用検出光ｂ２として補正用光検出器５７に向けて反射するものである。本実施形態では、第３ビームスプリッタ５６としてビームサンプラーが用いられる。
【００５３】
補正用光検出器５７は、アンプ５８に接続され、受光したモニター用検出光ｂ２の強度を検出光強度信号としてアンプ５８に出力するものである。この補正用光検出器５７により検出された検出光Ｂ２の強度変化に基づいて、検出光測定手段６０により測定された測定部位１１ａからの反射検出光Ｂ２ａの強度が補正される。
【００５４】
アンプ５８は、コンピュータ８０に接続され、補正用光検出器５７から送られてきた検出光強度信号を増幅してコンピュータ８０に出力する。
【００５５】
検出光測定手段６０は、測定部位１１ａからの反射検出光Ｂ２ａを受光する光検出器６１と、この光検出器６１と発振器３６とが接続されるロックインアンプ６２と、を有する。
【００５６】
光検出器６１は、ロックインアンプ６２に接続され、受光した反射検出光Ｂ２ａの強度を熱反射信号として出力するものである。
【００５７】
ロックインアンプ６２は、光検出器６１から出力される熱反射信号から変調手段３４で変調した周波数成分を検出（抽出）するものである。ロックインアンプ６２は、コンピュータ８０と接続され、抽出した周波数成分をコンピュータ８０に出力する。
【００５８】
第２の光学系４０における集光レンズ３２は、導光される検出光Ｂ２を測定部位１１ａに向けて集光する。
【００５９】
第３の光学系７０は、集光レンズ３２と、第２ビームスプリッタ３３と、第４ビームスプリッタ７１とを有し、測定部位１１ａで反射された反射検出光Ｂ２ａを第２の光検出器６１まで導光する。
【００６０】
第３の光学系７０における第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、反射加熱光をミラー３１側に反射すると共に反射検出光Ｂ２ａを通過させる。これにより、測定部位１１ａで反射した反射加熱光と反射検出光Ｂ２ａのうち反射検出光Ｂ２ａのみを光検出器６１に導光することができる。
【００６１】
第４ビームスプリッタ７１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４ビームスプリッタ７１は、測定部位１１ａに対して垂直方向に光導波路４５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６１に向けて反射する。
【００６２】
コンピュータ８０は、種々の入力信号の解析処理等を行うと共に、解析装置１０の各構成部位の制御等を行うものである。例えば、コンピュータ８０は、検出光測定手段６０で測定された反射検出光Ｂ２ａの強度と、強度測定手段５５において検出された光導波路４５を検出光Ｂ２が通過することで生じた強度変化と、に基づき、薄膜試料１１についての熱物性を解析・評価する。具体的には、コンピュータ８０は、ロックインアンプ６２で検出された周波数成分から検出光Ｂ２の前記強度変化の影響を取り除き、この取り除いた周波数成分から測定部位１１ａの温度変化を導出する。そして、コンピュータ８０は、予め定められた解析規則に従って測定部位１１ａの温度変化から薄膜試料１１の熱物性を解析・評価すると共にその解析結果を出力手段８２へ送信する。
【００６３】
出力手段８２は、コンピュータ８０での解析結果を外部へ出力するものである。本実施形態の出力手段８２は、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ、ＰＤＰ等の表示手段で構成されているが、これに限定されず、プリンタ等の印刷手段や、他の装置等へ出力するように構成されてもよい。また、出力手段８２は、これらを組み合わせたものでもよい。
【００６４】
ステージ１３は、薄膜試料１１が成膜された基板１２を支持すると共にコンピュータ８０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、コンピュータ８０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。
【００６５】
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についての熱物性の解析・評価が行われる。
【００６６】
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が位置するようにコンピュータ８０によりステージ１３が制御される。
【００６７】
次に、光出射手段２０によって加熱光Ｂ１と検出光Ｂ２とが出射される。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。
【００６８】
具体的に、パルスレーザ２１により出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が偏光素子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Ｆ１で強度変調され、ミラー３１、第２ビームスプリッタ３３によって順に反射された後、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。
【００６９】
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測定部位１１ａに照射される。さらに検出光Ｂ２は、光路遅延装置４２によって光路長が変更され、若しくは変更されつつ、測定部位１１ａに照射される。
【００７０】
詳細には、偏光素子１０２を通過して第２の偏光方向に偏光された検出光Ｂ２は、ミラー４１によって光路遅延装置４２内に入射する。この入射した検出光Ｂ２は、一対のミラー（反射部材）４３によって反射され、入射方向と反対向きに光路遅延装置４２から出射される。この出射された検出光Ｂ２は、入射用レンズ５１の光軸Ｃを通って光導波路（本実施形態では、光ファイバ）４５の入射面４５ａから光導波路４５（コア）内に入射する。このようにして光導波路４５内に入射した検出光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。
【００７１】
この状態で一対のミラー４３が搭載された移動ステージ４４が検出光Ｂ２の入射方向に沿って（図２の矢印α方向に）移動することで、検出光Ｂ２の光路長が変更される。詳しくは、一対のミラー４３の移動に伴って光路遅延装置４２内での検出光Ｂ２の光路長が変化し（図２では、光路長が移動ステージ４４の移動距離の２倍変化する）、その結果、第２の光学系４０における検出光Ｂ２の光路長を変化させることができる。
【００７２】
このように一対のミラー４３が移動すると、移動ステージ４４及びその駆動機構の機械誤差や使用環境の影響等によって一対のミラー４３の姿勢が僅かに変化する場合がある。その場合、光路遅延装置４２から出射される光路遅延後の検出光Ｂ２の光軸がずれる（図２における破線参照）。この光軸のずれた検出光Ｂ２は、入射用レンズ５１によって当該レンズ５１の光軸Ｃ側、即ち、入射面４５ａ側に屈折させられ、光導波路４５の入射面４５ａに到達することができる。このように光路遅延装置４２と光導波路４５との間に入射用レンズ５１を設けることで、光路遅延装置４２において光路長を変更する際に検出光Ｂ２の光軸にずれが生じても、光導波路４５内に当該検出光Ｂ２を入射させることが可能となる。これにより、光路長を変更する、即ち、移動ステージ４４を移動させることによりミラー４３の姿勢が変わっても、その度に検出光Ｂ２の光軸の調整をしなくても、検出光Ｂ２を光導波路４５内に入射させることが可能となる。
【００７３】
以上のように光導波路４５に入射した検出光Ｂ２は、光導波路４５内で全反射を繰り返しつつ伝搬され、出射面４５ｂから出射される。このとき、光導波路４５は、その内部に入射した検出光Ｂ２が全反射を繰り返すことにより一定の方向に出射できるため、光路遅延装置４２からの検出光Ｂ２が光導波路４５内に入射しさえすれば、常に一定の方向に向けて検出光Ｂ２を出射する。そのため、光路遅延装置４２と測定部位１１ａとの間に光導波路４５を設けることにより、光路遅延装置４２で生じる検出光Ｂ２の光軸のずれを精度よく修正することが可能となる。しかも、入射用レンズ５１を光導波路４５の入射面４５ａの上流側に配置することにより、当該レンズ５１がない場合に比べて、光路遅延装置４２からの検出光Ｂ２の光軸のずれが大きくても光導波路４５内に検出光Ｂ２を入射させることができる。
【００７４】
出射面４５ｂから出射された検出光Ｂ２は、光導波路４５内で全反射を繰り返すうちにその偏光状態が変わっており、導波路用偏光素子４６を通過することによって第２の偏光方向に偏光した状態に戻される。このように、導波路用偏光素子４６によって、光導波路４５を通過することにより偏光状態が変わった検出光Ｂ２の偏光状態を加熱光Ｂ１の偏光状態（第１の偏光方向）と異なる偏光状態（第２の偏光方向）にそろえることで、測定部位１１ａからの反射光（反射検出光Ｂ２ａ及び反射加熱光）から反射検出光Ｂ２ａのみを分離し易くなる。
【００７５】
導波路用偏光素子４６を通過した検出光Ｂ２は、その一部（モニター用検出光ｂ２）を第３ビームスプリッタ５６により補正用光検出器５７に向けて反射されつつ、第４ビームスプリッタ７１、第２ビームスプリッタ３３を順に通過する。この検出光Ｂ２は、第２ビームスプリッタ３３において加熱光Ｂ１と合流し、この加熱光Ｂ１と共に集光レンズ３２により集光されて測定部位１１ａに照射される。一方、第３ビームスプリッタ５６により反射されたモニター用検出光ｂ２は、補正用光検出器５７に向う。このモニター用検出光ｂ２を受光した補正用光検出器５７は、その強度を測定し、その結果を検出光強度信号として出力する。この検出光強度信号は、アンプ５８を経てコンピュータ８０に送信される。これにより、光導波路４５を通過することにより変化した検出光Ｂ２の強度が測定される。
【００７６】
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７０によって検出光測定手段６０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７０の途中でその進行を阻止される。即ち、反射検出光Ｂ２ａが、第２ビームスプリッタ３３を通過した後、第４ビームスプリッタ７１により反射されて光検出器６１に到達する一方、反射加熱光が、第２ビームスプリッタ３３によってミラー３１側に反射される。
【００７７】
検出光測定手段６０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６１が受光した反射検出光Ｂ２ａの強度が光検出器６１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６２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、コンピュータ８０に送信される。コンピュータ８０は、この周期成分を強度測定手段５５において測定された光導波路４５を通過することにより変化した検出光Ｂ２の強度変化に基づいて補正する。具体的には、コンピュータ８０において、検出光Ｂ２の照射強度で測定部位１１ａにおける検出光Ｂ２の反射率の規格化（反射率／照射強度）を行う。
【００７８】
コンピュータ８０は、この補正された周期成分に基づき、薄膜試料１１の熱物性を解析・評価し、その結果を出力手段８２により外部に出力する。
【００７９】
以上のように本実施形態の解析装置１０では、光路遅延装置４２において光路長を変更したときに検出光Ｂ２の光軸のずれが生じても、その下流側に設けられる光導波路４５内に検出光Ｂ２が入射することによって測定部位１１ａに正確に導光される。具体的には、光導波路４５を光路遅延装置４２の下流側に設けることで、光路遅延装置４２において検出光Ｂ２の光軸のずれが生じても、この検出光Ｂ２が光導波路４５内に全反射条件で入射することで当該光導波路４５から所定の方向に出射されるため、前記光軸のずれが解消する。これにより、高分解能を得るために光出射手段２０から出射されるパルス光のビーム幅を小さくしても、測定部位１１ａにおける加熱光Ｂ１の照射位置と検出光Ｂ２の照射位置とが精度よく一致する。その結果、薄膜試料１１の熱物性を高分解能且つ高精度で解析・評価することができる。
【００８０】
また、第２の光学系４０が光路遅延装置４２と光導波路４５との間に入射用レンズ５１を備えることで、光路遅延装置４２において生じる検出光Ｂ２の光軸のずれが大きくても、入射用レンズ５１によって検出光Ｂ２が入射面４５ａ側に屈折させられて光導波路４５内に入射することができる。
【００８１】
また、第２の光学系４０が強度測定手段５５を備えることで、光導波路４５を検出光Ｂ２が通過することによりその強度が変化しても、薄膜試料１１（測定部位１１ａ）についての熱物性を精度よく解析・評価することができる。即ち、光導波路４５内を通過することにより生じた検出光Ｂ２の強度変化を強度測定手段５５によって測定し、その測定結果に基づいて検出光測定手段６０により測定した測定部位１１ａからの反射検出光Ｂ２ａの反射光強度を補正することにより、薄膜試料１１についての熱物性を精度よく解析・評価することができる。
【００８２】
また、第２の光学系４０が光導波路４５の下流側に導波路用偏光素子４６を備えることで、光導波路４５内で全反射を繰り返すことによりその偏光状態が変化した検出光Ｂ２を、この導波路用偏光素子４６を通過させることにより元の偏光状態（第２の偏光方向に偏光した状態）に戻すことができる。
【００８３】
尚、本発明の熱物性解析装置は、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。
【００８４】
例えば、本実施形態の熱物性解析装置１０では、測定部位１１ａに対して加熱光Ｂ１及び検出光Ｂ２が互いの光軸が一致するように照射されるが、図４に示されるように、検出光Ｂ２が測定部位１１ａに対して斜め方向から照射されてもよい。
【００８５】
具体的に、解析装置１１０では、検出光Ｂ２を薄膜試料１１の測定部位１１ａに対して斜め方向から照射し、当該測定部位１１ａで正反射した検出光（反射検出光）Ｂ２ａを受光するように構成されている。
【００８６】
詳細には、第２の光学系４０において、導波路用偏光素子４６の下流側にミラー４７，４９，及び集光レンズ４８が配置されている。集光レンズ４８は、測定部位１１ａに焦点が位置するように配置され、当該集光レンズ４８を透過した検出光Ｂ２を測定部位１１ａに収束させる。また、第３の光学系７０は、ミラー７２，７３を備え、測定部位１１ａで正反射した反射検出光Ｂ２ａを光検出器６１まで導光する。
【００８７】
このような解析装置１１０によれば、加熱光Ｂ１の照射による測定部位１１ａの表面の温度変化によって当該測定部位１１ａの屈折率が変化し、この屈折率が変化した場合の当該測定部位１１ａ表面での検出光Ｂ２の反射率の変化が入射角に依存するため、加熱光Ｂ１の照射による測定部位１１ａの表面での過渡温度応答（温度変化）を高感度（高Ｎ／Ｓ）で測定することが可能となる。その結果、測定時間の短縮や加熱光Ｂ１の低出力化による測定部位１１ａ（薄膜試料１１）のうけるダメージの低減、コストダウンを図ることが可能となる。
【００８８】
また、上記実施形態では、検出光Ｂ２の光路上における光路遅延装置４２と光導波路４５との間に入射用レンズ５１（導波路用集光手段５０）が配置されているが、他の集光手段であってもよい。即ち、光路遅延装置４２において検出光Ｂ２の光軸のずれが生じたときに、この検出光Ｂ２を光導波路４５の入射面４５ａ側に向けて屈折可能な集光手段であればよい。また、光路遅延装置４２において検出光Ｂ２の光軸のずれが生じても、光導波路４５内に入射可能であれば、導波路用集光手段５０がなくてもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１０   熱物性解析装置
１１   薄膜試料（被測定物）
１１ａ 測定部位
２０   光出射手段（検出光出射手段）
３０   第１の光学系
４０   第３の光学系（検出用光学系）
４２   光路遅延装置（光路長調節手段）
４３   一対のミラー（反射部材）
４５   光導波路
４５ａ 入射面
５０   導波路用集光手段
５１   入射用レンズ（集光部）
５５   強度測定手段
６０   検出光測定手段
７０   第３の光学系
Ｂ１   加熱光
ｂ２   モニター用検出光
Ｂ２   検出光
Ｂ２ａ 反射検出光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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