(57)【要約】      （修正有）【課題】膜厚を考慮した解析モデルを組み込んだ表面加熱・表面測温型の薄膜熱拡散率測定装置を構築する。【解決手段】基板１をレーザパルス光などの加熱パルス光３を用いることにより、基板１上に成膜された薄膜２の表面を瞬間的に加熱すると表面温度が瞬間的に上昇する。その後、熱は、薄膜２の内部へ拡散し基板１内へと浸透し、薄膜２の表面温度は減衰する。測温パルス光４(P2)は、加熱パルス光３(P3)と同じ領域に照射される(4a)。その反射光(4b)の光強度は、薄膜２の表面温度に依存してわずかに変化する。この反射光の強度を検知器５により検知し、薄膜２表面の温度変化を検出する。検知器５は、反射光の強度を測定する光強度センサ５ａと、光強度センサ５ａからの信号に基づいて実際の温度とその変化を求め、記録する情報処理装置５ｂとを備えている。情報処理装置は、膜厚を考慮した解析モデルから、薄膜の熱拡散率を算出する演算部が組み込まれている。【選択図】図１
2009068909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に成膜された薄膜の表面を周期的なパルス列で加熱するステップと、
前記薄膜の表面の加熱されている加熱領域の温度変化を検出するステップと、
前記薄膜の周期的な表面温度変化を時間の関数として取得するステップと、
取得した前記薄膜の表面温度の時間変化と薄膜の膜厚とに基づいて、対象となる薄膜の膜厚を考慮した解析モデルから、前記薄膜の熱拡散率を算出するステップと、を有することを特徴とする薄膜熱物性測定方法。
【請求項２】
前記薄膜の熱拡散率を算出するステップは、
前記加熱領域における温度履歴曲線と、膜厚と加熱パルスの浸透深さとに基づいて、対象となる薄膜の膜厚と加熱パルスの膜内浸透深さを考慮した解析モデルから、前記薄膜の熱拡散率を算出するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の薄膜熱物性測定方法。
【請求項３】
前記加熱するステップにおいて、前記薄膜の表面を繰り返し加熱することにより、前記加熱領域が周囲に対して定常的に温度が高いために生じる温度減衰成分を、観測される温度履歴曲線から差し引くことにより、周期的なパルス加熱による温度履歴曲線を単一パルス加熱による温度履歴曲線に変換した後に、熱拡散率を算出するステップを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜熱拡散率測定方法。
【請求項４】
前記周期的なパルス加熱による温度履歴曲線を、前記単一パルス加熱による温度履歴曲線に変換するために、前記温度履歴曲線から直線的に温度減衰する成分を差し引くステップを有することを特徴とする請求項３に記載の薄膜熱物性測定方法。
【請求項５】
前記周期的なパルス加熱による温度履歴曲線を、前記単一パルス加熱による温度履歴曲線と直線的に温度減衰する成分を同時に考慮したモデルから解析するステップを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜熱物性測定方法。
【請求項６】
前記加熱するステップにおいて、周期的に発振するパルスレーザを用いて加熱するステップを有することを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の薄膜熱物性測定方法。
【請求項７】
加熱されている領域の温度変化を検出するステップとして、ｃｗレーザを用いて加熱領域に照射し、その反射光強度の表面温度依存性から、膜表面の温度履歴曲線を得るステップを有することを特徴とする請求項６に記載の薄膜熱物性測定方法。
【請求項８】
加熱パルスレーザと同じ繰り返し周期で、かつ、同期して発振する別のパルスレーザを加熱領域に照射し、その反射光強度の表面温度依存性から、膜表面の温度履歴曲線を得るステップを有することを特徴とする請求項６に記載の薄膜熱物性測定方法。
【請求項９】
基板に成膜された薄膜表面を周期的なパルス列で加熱する加熱手段と、
薄膜表面の加熱されている領域の温度変化を検出する温度検出手段と、
薄膜の周期的な表面温度変化を時間の関数として取得する手段と、
取得した表面温度の時間変化と薄膜の膜厚とに基づいて、対象となる薄膜の膜厚を考慮した解析モデルから熱拡散率を算出する手段と
を備えたことを特徴とする薄膜熱物性測定装置。
【請求項１０】
前記加熱する領域における前記温度履歴曲線、前記膜厚と前記加熱光の浸透深さに基づいて、対象となる薄膜の膜厚と加熱パルスの膜内浸透深さを考慮した解析モデルから薄膜の熱拡散率を算出する手段を備えたことを特徴とする請求項９に記載の薄膜熱物性測定装置。
【請求項１１】
繰り返し加熱することで加熱領域が周囲に対して定常的に温度が高いために生じる温度減衰成分を観測される温度履歴曲線から差し引くことにより、周期的なパルス加熱による温度履歴曲線を単一パルス加熱による温度履歴曲線に変換してから熱拡散率を算出する手段を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の薄膜熱物性測定装置。
【請求項１２】
単一パルス加熱による温度履歴曲線に変換するために、前記温度履歴曲線から直線的に温度減衰する成分を差し引く演算部を有することを特徴とする請求項１１に記載の薄膜熱物性測定装置。
【請求項１３】
前記周期的なパルス加熱による温度履歴曲線を、前記単一パルス加熱による温度履歴曲線と直線的に温度減衰する成分を同時に考慮したモデルから解析する手段を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の薄膜熱物性測定装置。
【請求項１４】
前記加熱する手段として周期的に発振するパルスレーザを用いることを特徴とした請求項９から１３までのいずれか１項に記載の薄膜熱物性測定装置。
【請求項１５】
加熱されている領域の温度変化を検出する手段として、ｃｗレーザを用いて加熱領域に照射し、その反射光強度の表面温度依存性から、膜表面の温度履歴曲線を得ることを特徴とする請求項１４に記載の薄膜熱物性測定装置。
【請求項１６】
加熱パルスレーザと同じ繰り返し周期で、かつ、同期して発振する別のパルスレーザを加熱領域に照射し、その反射光強度の表面温度依存性から、膜表面の温度履歴曲線を得ることを特徴とする請求項１４に記載の薄膜熱物性測定装置。
【請求項１７】
基板に形成され厚さが既知の薄膜の表面を周期的なパルス列で加熱するステップと、
前記薄膜の表面の加熱されている加熱領域の温度変化を検出するステップと、
前記薄膜の周期的な表面温度変化を時間の関数として取得するステップと、
取得した前記薄膜の表面温度の時間変化と薄膜の膜厚とに基づいて、対象となる薄膜の膜厚を考慮した解析モデルから、前記薄膜の熱拡散率を算出するステップであって、周期的な熱パルスによる温度履歴曲線のサーモリフレクタンス信号の測定値から、急激な温度上昇前の期間におけるサーモリフレクタンス信号の測定値を減算することにより、周期的な熱パルスによる温度履歴曲線を単一パルス加熱による温度履歴曲線に変換し、薄膜の熱拡散率を算出するステップと
を有することを特徴とする薄膜熱物性測定方法。
【請求項１８】
基板に形成され厚さが既知の薄膜の表面を周期的なパルス列で加熱するステップと、
前記薄膜の表面の加熱されている加熱領域の温度変化を検出するステップと、
前記薄膜の周期的な表面温度変化を時間の関数として取得するステップと、
取得した前記薄膜の表面温度の時間変化と薄膜の膜厚とに基づいて、対象となる薄膜の膜厚を考慮した解析モデルから、前記薄膜の熱拡散率を算出するステップであって、単一パルス加熱による温度履歴曲線と、前記薄膜の表面を繰り返し加熱することにより、加熱領域が周囲に対して定常的に温度が高いために生じる温度減衰成分とを足し合わせたモデル曲線が観測された温度履歴曲線に合うように、薄膜の熱拡散率を算出するステップと
を有することを特徴とする薄膜熱物性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜熱物性測定技術に関し、特に、薄膜表面に周期的にパルス加熱する際に発生する温度履歴曲線から薄膜熱物性値を計測する測定装置全般に適用可能な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜の熱物性値は、光ディスク、ハードディスク、半導体デバイスなど微細構造化、高集積化が進む先端エレクトロニクス分野の熱設計において重要なパラメータである。多くの薄膜は、金属、半導体、絶縁体など多様な材質の基板上に成膜される。任意の基板上に成膜された薄膜に対して、薄膜の熱物性値を定量的に測定する技術が必要となる。
【０００３】
Eesley、Paddockらはピコ秒パルスレーザで薄膜試料表面を加熱し、試料表面の温度減衰曲線と薄膜の加熱パルス光の波長に対する吸収係数から基板に成膜された単層薄膜の熱拡散率を単一パルス加熱による薄膜は半無限に厚いと仮定したときの温度履歴曲線から算出したが、吸収係数の不確かさや表面状態に対して敏感で定量的な測定は困難であった（非特許文献１参照）。
【０００４】
また、Capinski、Cahill、Norrisらは同様の表面加熱・表面測温型薄膜熱物性測定装置を開発し、加熱パルスを繰り返し照射することの寄与を数値的に足し上げて解析している（特許文献１、非特許文献２、３、４参照）。また、その時には対象の表面に金属膜を成膜し、金属薄膜の熱容量と膜厚は既知として金属薄膜から下地の膜への熱浸透から下地の薄膜の熱伝導率を算出している。表面に金属膜を付けたことで適用できる対象の範囲は広いが薄膜内部の熱拡散による寄与が温度履歴曲線のどの部分かが分かりにくく、金属膜・薄膜間界面熱抵抗の寄与と薄膜内部での熱拡散の寄与を分離することも難しい。
【０００５】
馬場、竹歳らは裏面加熱・表面測温方式の測定装置を開発した（特許文献２・３参照）。膜を横切る熱エネルギー移動を直接観測できる方法であるが、基板が加熱光、測温光に対して透明であることが制約となっていて、任意の基板に対して測定することはできない。
【０００６】
【特許文献１】米国特許公報：ＵＳ  ７，１８２，５１０  Ｂ２
【特許文献２】特許第３２５２１５５号公報
【特許文献３】特開２００３−３２２６２８号公報
【非特許文献１】C.A.Paddock and G.A.Eesley, “Transient thermoreflectance from thin metal films”, J.Appl.Phys. (1986),vol.60, p.285
【非特許文献２】W.S.Capinski, H.J. Maris, “Improved apparatus for picosecond pump-and-probe optical measurements”, Rev. Sci. Instrum.(1996),vol.67, p.388
【非特許文献３】D.G.Cahill, “Analysis of heat flow in layered structures for time-domain thermoreflectance”, Rev. Sci. Instrum., (2004),vol.75, p.5119
【非特許文献４】R.J. Stevens, A.N. Smith and P.M. Norris, “Signal analysis and characterization of experimental setup for the thermoreflectance technique”,Rev.Sci.Instrum.,(2006), vol.77, 084901.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の解析方法では、繰り返し加熱することによる寄与を考慮してはいても、膜の厚みを考慮していないため、薄膜内部の熱拡散のみを抽出することが困難であった。
【０００８】
本発明の目的は、膜厚を考慮した解析モデルを組み込んだ表面加熱・表面測温型の薄膜熱拡散率測定装置を構築し、任意の基板上に成膜された薄膜に対して定量的かつ簡便に測定を実現しようとすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、膜の厚さを解析に取り入れることで、表面加熱・表面測温型の高速温度測定においても、裏面加熱・表面測温型の薄膜熱拡散率測定方法と同様に膜を横切る熱エネルギー移動の寄与を考慮することが可能となり、表面加熱・表面測温型配置においても定量的な熱拡散率測定を実現できる。
【００１０】
すなわち、本発明の一観点によれば、基板に成膜された薄膜の表面を周期的なパルス列で加熱するステップと、前記薄膜の表面の加熱されている加熱領域の温度変化を検出するステップと、前記薄膜の周期的な表面温度変化を時間の関数として取得するステップと、
取得した前記薄膜の表面温度の時間変化と薄膜の膜厚とに基づいて、対象となる薄膜の膜厚を考慮した解析モデルから前記薄膜の熱拡散率を算出するステップと、を有することを特徴とする薄膜熱物性測定方法が提供される。
【００１１】
前記薄膜の熱拡散率を算出するステップは、前記加熱領域における温度履歴曲線と、膜厚と加熱光の浸透深さとに基づいて、対象となる薄膜の膜厚と加熱パルスの膜内浸透深さを考慮した解析モデルから前記薄膜の熱拡散率を算出するステップを有することが好ましい。前記加熱するステップにおいて、前記薄膜の表面を繰り返し加熱することにより、前記加熱領域が周囲に対して定常的に温度が高いために生じる温度減衰成分を、観測される温度履歴曲線から差し引くことにより、周期的なパルス加熱による温度履歴曲線を単一パルス加熱による温度履歴曲線に変換した後に、熱拡散率を算出するステップを有することが好ましい。前記周期的なパルス加熱による温度履歴曲線を、前記単一パルス加熱による温度履歴曲線に変換するために、前記温度履歴曲線から直線的に温度減衰する成分を差し引くステップを有することが好ましい。単一パルス加熱による温度履歴曲線に変換せずに、前記周期的なパルス加熱による温度履歴曲線を、前記単一パルス加熱による温度履歴曲線と、前記温度履歴曲線から直線的に温度減衰する成分を同時に考慮したモデルから解析する手段を有しても良い。前記加熱するステップにおいて、周期的に発振するパルスレーザを用いて加熱するステップを有することが好ましい。尚、加熱されている領域の温度変化を検出するステップとして、ｃｗレーザを用いて加熱領域に照射し、その反射光強度の表面温度依存性から、膜表面の温度履歴曲線を得るステップを有するようにしても良い。また、加熱パルスレーザと同じ繰り返し周期で、かつ、同期して発振する別のパルスレーザを加熱領域に照射し、その反射光強度の表面温度依存性から、膜表面の温度履歴曲線を得るステップを有するようにしても良い。
【００１２】
尚、本発明は、上記ステップに関する機器の制御をコンピュータに実行させるプログラムであっても良く、このようなプログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体であっても良い。
【００１３】
本発明の他の観点によれば、基板に成膜された薄膜表面を周期的なパルス列で加熱する加熱手段と、薄膜表面の加熱されている領域の温度変化を検出する温度検出手段と、薄膜の周期的な表面温度変化を時間の関数として取得する手段と、取得した表面温度の時間変化と薄膜の膜厚とに基づいて、熱拡散率を算出する手段と、を備えたことを特徴とする薄膜熱物性測定装置が提供される。薄膜の周期的な表面温度変化を時間の関数として記憶する手段を有していても良い。
【００１４】
前記加熱する領域における前記温度履歴曲線、前記膜厚と前記加熱光の浸透深さに基づいて、薄膜の熱拡散率を算出する手段を備えていても良い。また、繰り返し加熱することで加熱領域が周囲に対して定常的に温度が高いために生じる温度減衰成分を観測される温度履歴曲線から差し引くことにより、周期的なパルス加熱による温度履歴曲線を単一パルス加熱による温度履歴曲線に変換してから熱拡散率を算出する手段を有するようにしても良い。さらに、単一パルス加熱による温度履歴曲線に変換するために、前記温度履歴曲線から直線的に温度減衰する成分を差し引く演算部を有するようにするのが好ましい。単一パルス加熱による温度履歴曲線に変換せずに、前記周期的なパルス加熱による温度履歴曲線を、前記単一パルス加熱による温度履歴曲線と、前記温度履歴曲線から直線的に温度減衰する成分を同時に考慮したモデルから解析する演算部を有しても良い。前記加熱する手段として周期的に発振するパルスレーザを用いるようにすると良い。また、加熱されている領域の温度変化を検出する手段として、ｃｗレーザを用いて加熱領域に照射し、その反射光強度の表面温度依存性から、膜表面の温度履歴曲線を得ることが好ましい。加熱パルスレーザと同じ繰り返し周期で、かつ、同期して発振する別のパルスレーザを加熱領域に照射し、その反射光強度の表面温度依存性から、膜表面の温度履歴曲線を得ることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
従来の技術では、温度履歴曲線の減衰部分のわずかな変化が熱拡散率の結果に反映されやすく、定量的に熱拡散率を求めることは困難であったが、本発明では、膜厚の寄与を考慮した温度履歴曲線モデルを導入し、かつ、繰り返しパルスによる加熱特有の寄与を差し引くことにより、温度履歴曲線全体を高い信頼性でフィッティングすることが可能となり、測定精度が向上するという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態による薄膜熱物性測定技術について図面を参照しながら説明を行う。
図１は、本実施の形態による薄膜熱物性測定技術であり、表面加熱・表面測温型の高速パルス加熱サーモリフレクタンス法の原理を示す図である。基板１をパルス的に加熱する手段として、例えばレーザパルス光などの加熱パルス光３を用いることにより、基板１上に設けられている（例えば成膜されている）薄膜２の表面を瞬間的に加熱することができる。加熱により、薄膜２の表面における温度が瞬間的に上昇する。その後、熱は、薄膜２の内部へと拡散し基板１内へと浸透していくため、薄膜２の表面温度は減衰していく。
【００１７】
測温パルス光４（Ｐ２）は、加熱パルス光３（Ｐ１）と同じ領域に照射される（４ａ）。その反射光（４ｂ）の光強度は、薄膜２の表面温度に依存してわずかに変化する（この現象を、サーモリフレクタンスと称する。）。この反射光（４ｂ）の強度の、温度に依存した変化を検知器５により検知することにより、薄膜２表面の温度変化を検出することができる。検知器５は、反射光（４ｂ）の強度を測定する光強度センサ５ａと、光強度センサ５ａからの信号に基づいて実際の温度とその変化を求め、記録する情報処理装置５ｂとを備えている。
【００１８】
図２は、実際の測定に用いた薄膜熱物性測定装置Ａの機能ブロック図である。図２に示す薄膜熱物性測定装置Ａは、加熱(励起)パルス光Ｌ２とプローブ光Ｌ３とを別々の光源から得て、パルス光の発振時における両光Ｌ２・Ｌ３のタイミングを電気的な信号で制御するように構成されている。
【００１９】
光源は、具体的には、レーザパルスを生成するピコ秒TiS（チタンサファイア）レーザ２１・２３と、パルスの繰り返し周期を一定、且つ、安定に制御するコントローラ１５・１７とを含んで構成されている。
【００２０】
図２に示すピコ秒TiSレーザ（１）２１は、試料加熱光Ｌ１・Ｌ２として用いられ、ピコ秒TiSレーザ（２）２３は、プローブ光Ｌ３として用いられる。パルス光のパルス幅は、それぞれ２ｐｓであり、発振周波数は７６ＭＨｚ(繰り返し周期１３．２ｎｓ)である。ピコ秒TiSレーザ（１）２１の発振周波数を７６ＭＨｚに維持するために、コントローラ（１）１５によってピコ秒チタンサファイアレーザ（１）２１の共振器長を一定に制御する。制御するための７６ＭＨｚの基準信号は、コントローラ（１）１５から供給される。同様に、ピコ秒TiSレーザ（２）２３の発振周波数を７６ＭＨｚで維持するために、コントローラ（２）１７によってピコ秒TiSレーザ（２）２３の共振器長を一定に制御する。制御するための７６MHzの基準信号は、コントローラ（２）１７から供給される。基準信号とパルス発振の位相の関係は各レーザで一定に保たれる。コントローラ（１）１５とコントローラ（２）１７の出力の位相差は、コントローラ（２）１７の信号波形を設定する設定パネル、又はパーソナルコンピュータ１１などにより遠隔制御することが可能である。
【００２１】
尚、図２に示す構成では２台のピコ秒チタンサファイアレーザ２１・２３を用いたが、等しい周期でパルスを発振する光源であれば、上記の光源に限定されるものではなく光源の種類は任意である。
【００２２】
加熱光Ｌ１は、音響光変調素子２５を通過する際に、周波数１ＭＨｚで強度変調される。１ＭＨｚの強度変調用の信号Ｓ２は、信号発生器（１）４７によって供給される。強度変調用の信号Ｓ２はロックインアンプ４１に参照信号Ｓ５の入力としても用いられる。変調の方法として、本実施の形態では、音響光変調素子２５を用いた例を示したが、その他、例えば、機械式のチョッパや電気光学結晶素子を用いても良い。
【００２３】
また、変調周波数は、ここでは、１ＭＨｚの信号を用いたが、パルスの繰り返し周波数より遅い周波数であることが必要であり、例えば７６MHzの繰り返しでパルスが発振する場合に対しては５００ｋＨｚから１０ＭＨｚ程度の間の変調周波数が適している。音響光変調素子２５により変調された加熱光Ｌ２は、薄膜２・基板１界面に集光される。また、プローブ光Ｌ３は、加熱された上記領域と同じ薄膜２の表面上に集光されるようになっている。
【００２４】
試料１の表面で反射したプローブ光Ｌ６・Ｌ７は、例えば、シリコンフォトダイオードによって構成することのできる検知器３７によって検出される。検出された光に基づく電気信号Ｓ１は、ロックインアンプ４１の信号入力端子４１ａに送られる。試料１の表面の温度は、加熱光Ｌ２の強度変調により１ＭＨｚで変化する成分があるため、試料１で反射したプローブ光Ｌ６においても、微小ながら１ＭＨｚの周期的成分を含む。この強度変調周波数１ＭＨｚに同期したプローブ光の交流成分が、ロックインアンプ４１によって検出される。
【００２５】
温度変化に比例した反射率変化(サーモリフレクタンス)の時間変化は、加熱光に対するプローブ光の試料到達時間の遅れを、コンピュータ１１を用いて制御することにより、コンピュータのハードディスクなどに記録させることができる。コンピュータ１１には、記録された温度履歴曲線と、以下の実施例１に示すような薄膜の膜厚を考慮した解析モデルと解析手順から、薄膜の熱拡散率を算出する演算処理部が組み込まれている。
【００２６】
［実施例１］
以下に、上記の構成により得られた測定結果について説明する。
図３は、周期的な加熱パルスによる温度履歴曲線を実線で示した図であり、縦軸がサーモリフレクタンス信号、横軸が時間である。測定対象の試料は、ガラス基板１上にモリブデン薄膜２が成膜された構造であり、モリブデン薄膜２の膜厚は約４００ｎｍである。図３に示すように、急激な温度上昇の前の直線的に減少しているように見える時間範囲は、周囲への定常的な熱の逃げがあると仮定し、直線で近似して差し引く。差し引くための直線ｆ（ｔ）＝ａｔ＋ｂを、加熱パルス光が到達した時刻ｔ０より早いｔ＜ｔ０（ここでは実験的に定めたｔ０＝３．６８×１０−９ｓ）における観測された温度履歴曲線から決定した（図４参照）。
【００２７】
図４における実線から、鎖線を引いたものが図５における実線で示した温度履歴曲線であり、単一パルス加熱による温度履歴曲線とみなすことができる。
【００２８】
次に、図５の実線で示される温度履歴曲線を以下の単一パルスに対する温度履歴曲線の式（１）を用いてｔ０＜ｔ＜ｔ０＋ｔrepに含まれる全域または一部の範囲に対し、カーブフィッティングを実施する。但し、一部の範囲でフィッティングする際には、初期の急峻に温度が減衰する領域と、熱が基板まで到達したために、温度の減衰が緩やかになっている領域双方が含まれていることが望ましい。
【００２９】
【数１】
2009068909.tif 000003
【００３０】
加熱パルス光が到達した時刻ｔ０は、ここでは実験的に定めたｔ０＝３．６８×１０−９ｓを用いる。図５では、ｎ＝±４までを計算した上記理論曲線をｔ−ｔ０＞０の範囲でカーブフィッティングを実施した。未知のパラメータは、温度振幅ΔＴ、吸収係数(加熱光パルスの浸透深さの逆数)αと膜厚ｄとの積α・ｄであり、熱拡散時間τｆ＝ｄ２／κｆである。ここでκｆは熱拡散率である。γは、加熱源の鏡像の温度振幅係数であり、−１〜１の間で変化する値であり、薄膜と基板の熱浸透率を用いて記述できる。γ＝１のとき、薄膜と基板との間の界面で断熱である。
【００３１】
膜厚と吸収係数とが既知であるとすれば、未知のパラメータは温度振幅ΔＴと薄膜の熱拡散率κｆとなり、２つの未知のパラメータフィッティングとなる。膜厚ｄを実測値４．０５９×１０−７ｍ、吸収係数αの実測値４．８２×１０７ｍ−１を用いて、２つの未知数をフィッティングすることにより決めたところ、薄膜の熱拡散率は３．３×１０−５ｍ２ｓ−１となり、同じ試料に対し、裏面加熱表面測温型の測定を実施した時の値３．０×１０−５ｍ２ｓ−１とほぼ一致する。実際にカーブフィットした結果は、実線と点線で示すように、実験結果を良く再現したカーブとなっている。基板の熱浸透率が薄膜の熱浸透率よりも小さく、断熱的な条件に近いほど有効である。
【００３２】
また、吸収係数が未知の場合、吸収係数と膜厚の積を未知のパラメータとして、３つの未知数をカーブフィッティングで決めても良い。
【００３３】
吸収係数αの逆数（加熱光の浸透深さ）が膜厚ｄに比べて無視できる場合、上記式（１）の代わりに以下の式（２）を用いても良い。
【００３４】
【数２】
2009068909.tif 000004
【００３５】
(２)式が成り立つ条件において、さらにγ＝１とみなせる場合、ある時刻以上のＴ(t)は一定となる。その一定値の１．５倍となる時刻ｔ1.5を単一パルス加熱の温度履歴曲線に変換されたデータにおいて決定し、以下の式から薄膜の熱拡散率を算出しても良い。
【００３６】
【数３】
2009068909.tif 000005
【００３７】
温度の減衰曲線が常に下に凸な曲率を有した形状をしており、直線的な領域を決めにくい場合には、以下の式を用いて、直線的な寄与フィッティングに含めて、解析しても良い。観測された生データの図３に対し、
【００３８】
【数４】
2009068909.tif 000006
としてｔ０＜ｔ＜ｔ０＋τrに含まれる全域または一部の範囲でＳ（ｔ）をカーブフィットすることもできる。ここでτｒは加熱パルスの周期である。
【００３９】
以下に式（４）の右辺第２項の傾きの導出方法を述べる。ここでは式の表現を簡略化するため、便宜的に加熱パルスが照射される時刻ｔ０＝０として計算する。観測される温度履歴曲線S（ｔ）は、単一パルス温度履歴曲線の過去の成分の重ね合わせとして以下の式で表わされる。
【００４０】
【数５】
2009068909.tif 000007
【００４１】
S（τｒ）をオフセットとして、観測される信号S（ｔ）から差し引き、単一パルス加熱による温度応答との違いを調べてみる。
【００４２】
【数６】
2009068909.tif 000008
式（６）の右辺第２項をｔについて一次までテーラー展開すると
【００４３】
【数７】
2009068909.tif 000009
式（７）の右辺の微分を以下の式（８）で近似すると、以下のように式（４）に示した傾きが得られる。
【００４４】
【数８】
2009068909.tif 000010
【００４５】
このように、直線的な寄与の傾きもまた、単一パルス加熱の温度履歴曲線を表すモデルから算出できるが、測定信号に熱伝導以外の原因によるドリフト（例えば照射位置のわずかなズレなど）が含まれているとすると、（８）式で示される傾きとドリフトによる傾きとの分離は難しいので、傾きの係数もまた、未知のパラメータとしてカーブフィットしてもよい。ここで示した実験例では、測温にパルス光を用い、加熱パルス光に対して遅延時間制御を行うことで温度履歴曲線を得ているが、観測時間スケールが１００ｎｓ以上であれば、ｃｗレーザや放射温度計を用いて観測する手段を用いることも可能である。また、ＳＰＭ（Scanning Probe Microscope 走査型プローブ顕微鏡）のような、探針を使う接触式のプローブを用いた装置に対しても適用可能である。従来の技術では、温度履歴曲線の減衰部分のわずかな変化が熱拡散率の結果に反映されやすく、定量的な熱拡散率を論じることは困難であったが、本実施の形態による技術を用いることにより、膜厚の寄与を考慮した温度履歴曲線モデルを導入し、かつ、繰り返しパルスによる加熱特有の寄与を差し引くことにより、温度履歴曲線全体を高い信頼性で薄膜の熱拡散率を算出することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、光ディスク、ハードディスク、半導体デバイスなど微細構造化、高集積化が進む先端エレクトロニクス分野の熱設計において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施の形態による表面加熱・表面測温の原理図である。
【図２】本実施の形態による表面加熱・表面測温装置の一の構成例を示す機能ブロック図である。
【図３】上記装置を用いて得られた繰り返しパルス加熱の温度履歴曲線の例を示す図である。
【図４】繰り返しパルス加熱の温度履歴曲線例を示す図である。
【図５】膜厚を考慮して解析した例を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…基板、２…薄膜、３…加熱パルス光、４…測温パルス光、５…検知器。
【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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