熱物性測定装置および熱物性測定方法
【課題】本発明は、測定時間をより短縮することができ、そして、より高精度な測定を可能とする熱物性測定装置および該方法を提供する。
【解決手段】本発明の熱物性測定装置Ｄは、例えば、図１に示す例では、試料ＳＭの熱物性値として熱伝導率を測定するものであって、測定対象の試料ＳＭを加熱するために、互いに照射径の異なる第１および第２加熱光を試料ＳＭにそれぞれ照射する２個の加熱用照射部を備えている。すなわち、第１加熱光は、第１加熱用光源部１１−１、第１変調部８−１、ダイクロイックミラー２、レンズ４および演算制御部１６によって第１照射径で試料ＳＭに照射され、第２加熱光は、第２加熱用光源部１１−２、第２変調部８−２、反射鏡５および演算制御部１６によって第２照射径で試料ＳＭに照射される。そして、演算制御部１６によって、第１および第２加熱光のそれぞれに対応する２個の検出結果に基づいて試料ＳＭの熱伝導率が求められる。
【解決手段】本発明の熱物性測定装置Ｄは、例えば、図１に示す例では、試料ＳＭの熱物性値として熱伝導率を測定するものであって、測定対象の試料ＳＭを加熱するために、互いに照射径の異なる第１および第２加熱光を試料ＳＭにそれぞれ照射する２個の加熱用照射部を備えている。すなわち、第１加熱光は、第１加熱用光源部１１−１、第１変調部８−１、ダイクロイックミラー２、レンズ４および演算制御部１６によって第１照射径で試料ＳＭに照射され、第２加熱光は、第２加熱用光源部１１−２、第２変調部８−２、反射鏡５および演算制御部１６によって第２照射径で試料ＳＭに照射される。そして、演算制御部１６によって、第１および第２加熱光のそれぞれに対応する２個の検出結果に基づいて試料ＳＭの熱伝導率が求められる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象である試料の熱物性を測定する熱物性測定装置および熱物性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エレクトロニクス分野の進展は、著しく、例えば集積度や性能の向上のために、半導体デバイスや記録メディア等の装置は、その微細構造化が進んでいる。このような装置は、使用環境からの熱や自ら発する熱等の影響を受けることから、前記微細構造を実現するために、その熱設計が必要であり、このため、μｍオーダやサブμｍオーダでの微小領域の熱物性値が必要とされている。
【０００３】
このような微小領域の熱物性値を測定する方法の１つとして、熱反射法（サーモリフレクタンス法）が知られている。この熱反射法は、材料表面の反射率が表面温度に依存して変化することを利用して熱物性値を測定する手法である。この熱反射法では、加熱用のパルス光が材料表面に照射されるともに検出用の光が前記材料表面に照射され、前記材料表面で反射された前記検出用の光の反射光における強度が測定され、この測定された反射光の強度に基づいて熱物性値が測定される。このような熱反射法を用いた熱物性測定装置は、例えば、特許文献１および特許文献２に開示されている。
【０００４】
この特許文献１に開示の微小領域熱物性測定装置は、試料表面を加熱する加熱用レーザビームを発する加熱用レーザと、該加熱用レーザビームを交流変調する変調器と、加熱した試料表面に照射する測温用レーザビームを発する測温用レーザと、前記両レーザビームを前記試料表面のほぼ同一位置に集光させる顕微鏡光学系と、前記測温用レーザビームの反射光を検出する手段と、前記検出された反射光に基づいて試料の熱物性値を算出する手段とを備え、前記試料表面の反射率の温度依存性を用いて試料表面の温度変化を検出するものである。
【０００５】
熱物性には、単位長さ当たり１Ｋの温度差がある場合に単位時間に単位面積を移動する熱量である熱伝導率ｋ［Ｗ／ｍＫ］や、単位体積あたりの熱容量である体積熱容量Ｃｖ等がある。前記特許文献１に開示の微小領域熱物性測定装置は、下記式１で定義される熱浸透率ｂを熱物性値として測定することができるが、これら熱伝導率ｋと体積熱容量Ｃｖとを区別して測定することができない。
ｂ＝（ｋ×Ｃｖ）１／２ ・・・（１）
【０００６】
なお、熱抵抗率は、熱伝導率ｋの逆数であり、熱伝導率ｋと熱拡散率との間には、（熱伝導率）＝（熱拡散率）×（定圧比熱容量）×（密度）の関係がある。
【０００７】
そこで、これら熱伝導率ｋと体積熱容量Ｃｖとを区別して測定するために、前記特許文献２に開示の熱物性測定装置が提案されている。この特許文献２に開示の熱物性測定装置は、所定の強度分布を有する加熱光を試料の測定部に照射する加熱光照射手段と、前記試料の測定部に所定の検出光を照射する検出光照射手段と、前記試料の測定部から反射した前記検出光の強度を測定する検出光強度測定手段とを備えた熱物性測定装置であって、前記試料の測定部における前記加熱光の照射位置を測定する加熱光照射位置測定手段と、前記試料の測定部における前記検出光の照射位置を測定する検出光照射位置測定手段と、前記加熱光照射位置測定手段および前記検出光照射位置測定手段の両測定結果に基づいて、前記試料の測定部における前記検出光の照射位置と、前記試料の測定部における前記加熱光の照射位置との相対位置関係を予め定められた目標の位置関係となるように調節する相対位置関係調節手段とを備える。そして、この特許文献２に開示の熱物性測定装置は、試料の熱伝導率ｋと体積熱容量Ｃｖとを区別して測定するために、前記加熱光照射手段により照射された前記加熱光の、前記試料上の照射径を調節する加熱光照射径調節手段をさらに備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１２１５８５号公報
【特許文献２】特開２００６−３４３３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、前記特許文献２に開示の熱物性測定装置では、試料の熱伝導率と体積熱容量とを区別して測定するために、加熱光の異なる複数の照射径について測定する必要がある。このように前記照射径を調節しつつ測定が行われるために、前記特許文献２に開示の熱物性測定装置では、測定に長時間が必要とされ、その調節誤差が測定結果に含まれてしまい、この結果、熱物性値の測定精度が落ちてしまう。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、測定時間をより短縮することができ、そして、より高精度な測定を可能とする熱物性測定装置および熱物性測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる熱物性測定装置は、測定対象の試料を加熱するために、互いに照射径の異なる複数の加熱光を前記試料にそれぞれ照射する複数の加熱用照射部と、前記測定対象の試料に所定の検出光を照射する検出光照射部と、前記測定対象の試料で反射された前記検出光の反射光を検出する反射光検出部と、前記反射光検出部で検出された、前記複数の加熱光のそれぞれに対応する複数の検出結果に基づいて前記試料の熱物性値を求める熱物性演算部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
そして、本発明の他の一態様にかかる熱物性測定方法は、測定対象の試料を加熱するために、互いに照射径の異なる複数の加熱光を照射する複数の加熱用照射部を用いることによって、前記試料に前記複数の加熱光のそれぞれを照射する加熱用照射工程と、前記測定対象の試料に所定の検出光を照射する検出光照射工程と、前記測定対象の試料で反射された前記検出光の反射光を検出する反射光検出工程と、前記反射光検出工程で検出された、前記複数の加熱光のそれぞれに対応する複数の検出結果に基づいて前記試料の熱物性値を求める熱物性演算工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
このような構成の熱物性測定装置および熱物性測定方法では、いわゆる熱反射法によって測定対象の試料における熱物性値を求める場合に、前記試料を加熱するために、互いに照射径の異なる複数の加熱光を前記試料にそれぞれ照射する複数の加熱用照射部が用いられる。すなわち、照射径ごとに専用の加熱用照射部が用意されている。このため、熱物性値を求めるために、互いに照射径の異なる各加熱光の照射による各反射光をそれぞれ検出する場合に、従来技術のように１つの加熱光のビーム径を所望の照射径に調節する必要がなく、所望の照射径に応じたそれ専用の加熱用照射部に切り換えるだけでよい。したがって、このような構成の熱物性測定装置および熱物性測定方法では、測定時間をより短縮することができ、そして、調節誤差が生じないので、より高精度な測定が可能となる。
【００１４】
また、他の一態様では、これら上述の熱物性測定装置において、前記複数の加熱用照射部は、互いに異なる光路で前記複数の加熱光を前記試料にそれぞれ照射することを特徴とする。
【００１５】
前記特許文献２に開示されている測定原理から加熱光の照射径の差が大きいほど測定精度が向上するが、前記特許文献２に開示の熱物性測定装置では、加熱光の光路上に配置されたビーム調整器を使用することによって加熱光の照射径が調整されるため、照射径の可変範囲がビーム調整器の可変範囲に限定されてしまう。しかしながら、上記構成によれば、複数の加熱用照射部は、互いに異なる光路で前記複数の加熱光を前記試料にそれぞれ照射するので、個々の加熱用照射部を任意の照射径で設計することができるから、このような構成の熱物性測定装置では、所望の照射径の加熱用照射部を用いることが可能となる。したがって、このような構成の熱物性測定装置では、測定精度の向上が可能となる。
【００１６】
また、他の一態様では、上述の熱物性測定装置において、前記熱物性演算部は、前記試料の熱物性値として熱伝導率および体積熱容量のうちの少なくとも一方を求めることを特徴とする。そして、他の一態様では、これら上述の熱物性測定装置において、前記熱物性演算部は、前記反射光検出部で検出された検出結果に基づいて熱浸透率を求める熱浸透率演算部と、前記反射光検出部で検出された検出結果であって前記熱浸透率を求める場合に用いた検出結果と異なる検出結果および前記熱浸透率演算部で求めた熱浸透率に基づいて熱伝導率および体積熱容量のうちの少なくとも一方を求める熱伝導率演算部とを備えることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、熱物性値として熱伝導率および体積熱容量のうちの少なくとも一方を測定可能な熱物性測定装置が提供される。
【００１８】
また、他の一態様では、上述の熱物性測定装置において、前記反射光検出部は、前記加熱光を所定の変調信号に従って強度変調した場合に、前記変調信号に対する前記検出光の反射光における位相遅れを検出し、前記複数の加熱光は、前記試料における前記検出光の反射光における位相遅れと前記加熱光の照射径との間の対応関係において、前記位相遅れが前記加熱光の照射径の増大に従って変化する範囲に対応する照射径、および、前記位相遅れが前記加熱光の照射径の増大に従って変化しない範囲に対応する照射径を含むことを特徴とする。
【００１９】
前記試料における前記検出光の反射光における位相遅れと前記加熱光の照射径との間の対応関係は、前記加熱光の照射径の増大に従って前記検出光の反射光における位相遅れも増大し、やがて前記加熱光の照射径が増大しても変わらない所定の一定値となるプロファイルである。このため、上記構成では、位相遅れが加熱光の照射径φの増大に従って変化する変化範囲の検出結果および位相遅れが加熱光の照射径の増大に従って変化しない一定範囲の検出結果を含む検出結果に基づいて熱伝導率および体積熱容量のうちの少なくとも一方が測定されるので、このような構成の熱物性測定装置は、より高精度に測定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明にかかる熱物性測定装置および熱物性測定方法では、測定時間をより短縮することができ、そして、より高精度な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態における熱物性測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１例としての、加熱光の照射径と位相差との関係を示す図である。
【図３】第１例としての、加熱光の照射径と位相差との関係のシミュレーション結果および測定結果を示す図である。
【図４】第２例としての、加熱光の照射径と位相差との関係を示す図である。
【図５】第２例としての、加熱光の照射径と位相差との関係のシミュレーション結果および測定結果を示す図である。
【図６】実施形態の熱物性測定装置における熱物性値を求める場合の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００２３】
本実施形態における熱物性測定装置Ｄは、測定対象の試料における所定の熱物性の値（熱物性値）を測定する装置である。この熱物性測定装置Ｄは、前記試料を加熱するために、互いに照射径の異なる複数の加熱光のそれぞれを複数の加熱用照射部によって前記試料に照射するとともに、前記試料に所定の検出光を検出光照射部によって照射する。そして、この熱物性測定装置Ｄは、前記試料で反射された前記検出光の反射光を反射光検出部によって検出し、熱物性演算部によって、前記反射光検出部で検出された、前記複数の加熱光のそれぞれに対応する複数の検出結果に基づいて前記試料の熱物性値を求めるものである。このように本実施形態の熱物性測定装置Ｄおよびこれに実装された熱物性測定方法は、照射径ごとに専用の複数の加熱用照射部を備えるので、測定時間をより短縮することができ、そして、調節誤差が生じないので、より高精度な測定が可能となる。このような熱物性測定装置Ｄおよびこれに実装された熱物性測定方法の実施の一形態を以下により詳細に説明する。
【００２４】
まず、実施形態における熱物性測定装置の構成について説明する。図１は、実施形態における熱物性測定装置の構成を示すブロック図である。本実施形態における熱物性測定装置Ｄは、例えば、図１に示すように、検出用光源部１と、ダイクロイックミラー２と、ハーフミラー３と、光学系４と、反射鏡５と、ステージ部６と、バンドパスフィルタ７と、複数の変調部８と、駆動部９と、受光部１０と、複数の加熱用光源部１１と、変調信号生成部１２と、検出部１３と、出力部１４と、入力部１５と、演算制御部１６と、記憶部１７とを備えて構成される。
【００２５】
複数の加熱用光源部１１は、それぞれ、演算制御部１６の制御に従って、測定対象の試料ＳＭを加熱するための光である加熱光を試料ＳＭに照射する装置である。複数の加熱用光源部１１は、それぞれ、例えばランプを備えた光源装置等であってもよいが、本実施形態では、試料ＳＭを加熱する加熱用であることから、比較的大きな出力が得られる、例えばレーザ光を連続光（ＣＷ光）で発光するＹＡＧレーザ光源装置やアルゴンレーザ光源装置等を備えて構成される。本実施形態では、複数の加熱用光源部１１は、それぞれ、例えば、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ光をＣＷ光で放射するＹＡＧレーザ光源装置を備えて構成される。複数の加熱用光源部１１のそれぞれから射出された各加熱光は、それぞれ、複数の変調部８に入射される。本実施形態では、互いに異なる２個の照射径で試料ＳＭを加熱するために、複数の加熱用光源部１１は、２個の第１および第２加熱用光源部１１−１、１１−２を備えている。
【００２６】
試料ＳＭは、加熱光によって加熱され、後述の検出光を反射可能な物質であれば、任意の物質であってよい。本実施形態の熱物性測定装置Ｄは、スポット的に加熱する熱反射法を用いているので、微小領域の熱物性を測定することに好適である。このため、試料ＳＭとして例えば金属や合金や半導体の薄膜等が好適である。なお、試料ＳＭには、熱浸透率ｂの比較対象材となる膜が測定表面上に形成されてもよい。本実施形態では、例えば、このような膜としてモリブデン膜が試料ＳＭの測定表面上に形成される。このモリブデン膜は、後述の検出光を効率的に反射するようにも機能する。試料ＳＭは、試料ＳＭを載置するための装置であるステージ部６上に配置される。
【００２７】
複数の変調部８は、それぞれ、駆動部９を介して変調信号生成部１２からの変調信号に従って、光源部１１から入射された加熱光の強度を周期的に変調するための装置である。複数の変調部８は、それぞれ、例えば、入射光の光強度を変調する種々の光変調器を備えて構成される。例えば、このような光変調器は、音響光学効果を利用した音響光学変調器、磁気光学効果を利用した磁気光学変調器、フランツ・ケルディッシュ効果（Franz-Keldysh effect）や量子閉込めシュタルク効果（quantum-confined Stark effect ）を利用した電界吸収型光変調器および電気光学効果を利用した電気光学変調器等が挙げられる。複数の変調部８は、複数の加熱用光源部１１の個数に対応した個数であり、本実施形態では、複数の加熱用光源部１１が２個であることに応じ、第１および第２変調部８−１、８−２を備えている。第１加熱用光源部１１−１から射出された第１加熱光は、第１変調部８−１に入射され、第２加熱用光源部１１−２から射出された第２加熱光は、第２変調部８−２に入射される。そして、本実施形態では、第１変調部８−１から射出された変調された第１加熱光（第１強度変調加熱光）は、ダイクロイックミラー２に入射され、第２変調部８−２から射出された変調された第２加熱光（第２強度変調加熱光）は、反射鏡５に入射される。
【００２８】
変調信号生成部１２は、所定の周波数（例えば、１ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度）の変調信号を生成するための装置であり、例えば、発振器等を備えて構成される。変調信号生成部１２は、この生成した変調信号を駆動部９および検出部１３へそれぞれ出力する。
【００２９】
駆動部９は、複数の変調部８のそれぞれを駆動するためのドライバ回路であり、変調信号生成部１２から入力された変調信号の交流を加熱光の変調に必要なパワーに処理して複数の変調部８のそれぞれに出力する。したがって、複数の変調部８のそれぞれでは、複数の光源部１１から射出された各加熱光は、それぞれ、この変調信号に同期するように強度変調される。
【００３０】
検出用光源部１は、演算制御部１６の制御に従って、試料ＳＭに所定の検出光を照射する装置である。検出光（プローブ光）は、加熱光の照射によって生じる試料ＳＭの温度変化を反射率変化として観測するための光であることから、この検出光によって与えられる試料ＳＭの温度変化が測定結果に与える影響を無視することができる光であることが好ましい。このため、検出用光源部１は、比較的小出力の例えばレーザ光を発光する半導体レーザ等を備えて構成される。本実施形態では、検出用光源部１は、例えば、波長６３５ｎｍのレーザ光を放射する半導体レーザを備えて構成される。なお、加熱光の波長と、検出光の波長とは、例えば後述のバンドパスフィルタ７によって、分離可能とするために、上記のように異なる波長であることが好ましい。検出用光源部１から射出された検出光は、本実施形態では、ダイクロイックミラー２に入射される。
【００３１】
ダイクロイックミラー２は、特定波長の光を反射するとともに、その特定波長を除く他の波長の光を透過する光学素子であり、反射鏡５は、入射光を反射する光学素子である。これらダイクロイックミラー２および反射鏡５は、各加熱光および検出光を試料ＳＭに照射するために、それらの光路を調整する照射光学系である。したがって、このような照射光学系には、試料ＳＭに対する検出用光源部１および複数の変調部８の各配置位置に応じて適宜な配置で適宜な光学素子が用いられる。本実施形態では、図１に示すように、水平な載置台を備えるステージ部６の法線方向にその光軸が一致するように検出用光源部１が配置され、このステージ部６の法線方向に直交する水平方向に各光軸が一致するとともに各光軸が互いに平行となるような空間的に異なる各位置で複数の変調部８（第１および第２変調部８−１、８−２）が配置されている。このため、検出光を試料ＳＭに導くとともに第１加熱光を試料ＳＭに導くために、ダイクロイックミラー２は、検出用光源部１の光軸に対し４５°の傾きであって第１変調部８−１の光軸に対し４５°の傾きとなるように配置されており、前記特定波長が検出用光源部１から放射された検出光の波長に設定される。したがって、ダイクロイックミラー２は、第１変調部８−１から射出された第１強度変調加熱光を反射することによって、前記第１強度変調加熱光を試料ＳＭへ向けてその光路を約９０度曲げるとともに、検出用光源部１から射出された検出光をそのまま透過させて試料ＳＭへ向けて進行させる。このようにダイクロイックミラー２によって検出光と第１強度変調加熱光とは、同一の光路を進行して試料ＳＭに照射されるので、検出光の中心位置と第１強度変調加熱光の中心位置とが略一致するように、検出光と第１強度変調加熱光とは、試料ＳＭに照射される。そして、反射鏡５は、第２変調部８−２から射出された第２強度変調加熱光を反射することによって、第２強度変調加熱光を試料ＳＭへ向けてその光路を曲げる。ここで、反射鏡５は、試料ＳＭにおけるこれら検出光の中心位置と第１強度変調加熱光の中心位置とに第２強度変調加熱光の中心位置が略一致して、第２変調部８−２から射出された第２強度変調加熱光が試料ＳＭに照射されるように、配置される。
【００３２】
このような複数の光源部１１、複数の変調部８、照射光学系（図１に示す例ではダイクロイックミラー２および反射鏡５）および演算制御部１６を備えることによって、熱物性測定装置Ｄは、測定対象の試料ＳＭを加熱するために、複数の加熱光を前記試料ＳＭにそれぞれ照射することができる。そして、本実施形態では、これら複数の加熱光を互いに異なる照射径φで照射することができるようにさらに入射光の径を固定的に変えて射出する照射径変換光学系を備えている。この照射径変換光学系として、本実施形態では、ダイクロイックミラー２とステージ部６（試料ＳＭ）との間に、光軸を一致させてレンズ４が設けられている。このレンズ４は、入射光を集光する集光レンズである。レンズ４とステージ部６との間の距離は、第１加熱光（本実施形態では前記第１強度変調加熱光）の照射径φ１が所望の径となる長さである。レンズ４とステージ部６との間の前記距離がレンズ４の焦点深度の範囲でレンズ４の略焦点距離である場合には、第１加熱光の照射径φ１は、レンズ４の光学性能に応じた最も小さい径（最小径）となり、レンズ４とステージ部６との間の前記距離がレンズ４の略焦点距離から乖離するに従って、第１加熱光の照射径φ１は、前記最小径から大きくなる。第１加熱光の第１照射径φ１が前記所望の径となる長さの前記距離でレンズ４は、ステージ部６（試料ＳＭ）に対して固定的に配置されている。このように複数の加熱光は、照射径変換光学系によって互いに異なる照射径φとされている。本実施形態では、第１および第２加熱光は、レンズ４によって互いに異なる照射径φとされる。
【００３３】
より具体的には、第１加熱用光源部１１−１から放射された所定波長の第１加熱光は、第１変調部８−１に入射され、駆動部９を介して変調信号生成部１２で生成された変調信号に同期した変調周波数ｆで強度変調され、この強度変調が施された変調周波数ｆのパルス状の第１加熱光（第１強度変調加熱光）は、ダイクロイックミラー２によってその光路が約９０度曲げられ、後述のハーフミラー３を通過し、レンズ４で所定の照射径（第１照射径）φ１となって、試料ＳＭへ照射される。一方、第２加熱用光源部１１−２から放射された所定波長の第２加熱光は、第２変調部８−２に入射され、駆動部９を介して変調信号生成部１２で生成された変調信号に同期した変調周波数ｆで強度変調され、この強度変調が施された変調周波数ｆのパルス状の第２加熱光（第２強度変調加熱光）は、反射鏡５によってその光路が所定角度曲げられ、第１照射径φ１と異なる所定の照射径（第２照射径）φ２で試料ＳＭへ照射される。本実施形態では、第１加熱光（第１強度変調加熱光）の第１照射径φ１は、第２加熱光（第２強度変調加熱光）の第２照射径φ２よりも小さく設定されている。また、検出用光源部１から放射された所定波長の検出光は、ダイクロイックミラー２およびハーフミラー３を通過し、レンズ４で所定の照射径となって、試料ＳＭへ照射される。そして、検出光は、試料ＳＭに照射されると、第１加熱光または第２加熱光による試料ＳＭの温度に応じた反射率で反射される。
【００３４】
このように複数の光源部１１、複数の変調部８、照射光学系（図１に示す例ではダイクロイックミラー２および反射鏡５）、照射径変換光学系（図１に示す例ではレンズ４）および演算制御部１６は、測定対象の試料ＳＭを加熱するために、互いに照射径φの異なる複数の加熱光を前記試料ＳＭにそれぞれ照射する複数の加熱用照射部の一例に相当する。図１に示す例では、第１光源部１１−１、第１変調部８−１、ダイクロイックミラー２、レンズ４および演算制御部１６は、測定対象の試料ＳＭを加熱するために、所定の第１照射径φ１で第１加熱光を前記試料ＳＭに照射する第１加熱用照射部の一例であり、第２光源部１１−２、第２変調部８−２、反射鏡５および演算制御部１６は、測定対象の試料ＳＭを加熱するために、前記第１照射径φ１とは異なる第２照射径φ２（＞φ１）で第２加熱光を前記試料ＳＭに照射する第２加熱用照射部の一例である。そして、検出用光源部１は、前記測定対象の試料ＳＭに所定の検出光を照射する検出光照射部の一例である。
【００３５】
なお、上述では、互いに照射径φの異なる２個の加熱光で試料ＳＭを照射するために、２個の第１および第２加熱用光源部１１−１、１１−２が用いられたが、１個の加熱用光源部１１とこの加熱用光源部から射出された加熱光を第１および第２変調部８−１、８−２のいずれか一方へ切り換えて射出する光スイッチが用いられてもよい。あるいは、２個の第１および第２加熱用光源部１１−１、１１−２と２個の第１および第２変調部８−１、８−２が用いられたが、１個の加熱用光源部１１および変調部と、変調部から射出された加熱光（強度変調加熱光）をダイクロイックミラー２および反射鏡５のいずれか一方へ切り換えて射出する光スイッチが用いられてもよい。また、上述では、レンズ４によって照射径φが所望の径に変換され、第１および第２加熱光の各照射径φ１、φ２が異なるように設定されたが、第１変調部８−１の射出径と第２変調部８−２の射出径が異なるように構成され、第１および第２加熱光の各照射径φ１、φ２が異なるように設定されてもよい。
【００３６】
バンドパスフィルタ７は、所定の波長範囲の光を透過するとともに前記所定の波長範囲を除く波長の光を遮断する光学素子である。バンドパスフィルタ７の前記所定の波長範囲は、検出光の反射光の波長を含むように設定され、好ましくは、その中心波長が検出光の反射光の波長に一致するように設定される。
【００３７】
受光部１０は、入射光の光強度に応じた大きさの電気信号（検出信号）を出力する光電変換素子であり、例えば、シリコンホトダイオードを備えて構成される。
【００３８】
ハーフミラー３は、入射光の一部を反射するとともに残余の入射光をそのまま透過する光学素子である。検出用光源部１から放射されて検出光は、上述したようにステージ部６の法線方向から入射するために、このステージ部６の載置台上に配置された試料ＳＭで反射した検出光の反射光は、その大部分がその正反射方向である前記法線方向に進む。すなわち、検出光の反射光の大部分は、入射光路を逆に辿って進む。ハーフミラー３は、このような入射光路を逆に辿って進む反射光を、バンドパスフィルタ７を介して受光部１０へ導くために、その光路を調整する受光光学系である。したがって、このような受光光学系は、前記検出光の反射光における光路および受光部１０の配置位置に応じて適宜な配置で適宜な光学素子が用いられる。本実施形態では、図１に示すように、前記法線方向に直交する水平方向にその光軸が一致するように受光部１０が配置されている。このため、前記検出光の反射光をバンドパスフィルタ７を介して受光部１０に導くために、ハーフミラー３は、ダイクロイックミラー２とレンズ４との間であって検出用光源部１の光軸（前記法線方向）に対し４５°の傾きとなるように配置されている。このようなハーフミラー３は、前記検出光の反射光の一部をそのまま透過させると共に、前記検出光の反射光の残余を反射することによって、前記残余の反射光を受光部１０（バンドパスフィルタ７）へ向けてその光路を約９０度曲げる。このハーフミラー３で光路が曲げられた検出光の反射光は、バンドパスフィルタ７に入射し、バンドパスフィルタ７によってノイズ光が除去されて受光部１０に入射し、光電変換によって検出光の反射光の強度に応じた信号レベルの電気信号に変換され、前記電気信号は、受光部１０から検出部１３へ出力される。なお、ダイクロイックミラー２を介した第１加熱光および検出光は、このハーフミラー３に入射され、ハーフミラー３でその一部がそのまま透過してレンズ４を介して試料ＳＭに照射され、前記一部を除く残余が反射される。
【００３９】
検出部１３は、演算制御部１６に接続され、前記検出光の反射光における光強度に応じた電気信号（検出信号）から前記変調信号に同期した信号成分を検出し、前記変調信号に対する前記反射光の位相遅れδを検出する装置である。検出部１３は、例えば、本実施形態では、ロックインアンプを備えて構成される。このロックインアンプには、変調信号生成部１２で生成された前記変調信号が入力され、この変調信号を参照信号として、受光部１０によって検出された前記反射波の検出信号（電気信号）から、前記変調信号に同期した信号成分の振幅が検出され、前記変調信号に対する位相遅れδが検出される。この検出結果は、検出部１３から演算制御部１６に入力される。なお、検出部１３は、必要に応じて検出結果の信号を増幅する増幅器を備えてもよい。
【００４０】
このようなハーフミラー３、バンドパスフィルタ７、受光部１０、検出部１３、変調信号生成部１２および演算制御部１６を備えることによって、熱物性測定装置Ｄは、前記測定対象の試料ＳＭで反射された前記検出光の反射光を検出することができ、ハーフミラー３、バンドパスフィルタ７、受光部１０、検出部１３、変調信号生成部１２および演算制御部１６は、反射光検出部の一例である。
【００４１】
入力部１５は、演算制御部１６に接続され、外部から当該熱物性測定装置Ｄにコマンド（命令）やデータ等を入力するための装置であり、例えばタッチパネルやキーボード等である。出力部１４は、演算制御部１６に接続され、入力部１５から入力されたコマンドやデータおよび演算制御部１６の演算結果（例えば熱物性値等）等を出力するための装置であり、例えばＣＲＴディスプレイやＬＣＤ（液晶ディスプレイ）や有機ＥＬディスプレイ等のディスプレイおよびプリンタ等の印刷装置等である。
【００４２】
記憶部１７は、熱物性測定装置Ｄの各部を当該機能に応じて制御するための制御プログラムや熱物性値を検出部１３の検出結果に基づいて求める熱物性値演算プログラム等の各種の所定のプログラム、および、前記所定のプログラムの実行に必要なデータ等の各種の所定のデータ等を記憶する、不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Read Only Memory）や書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、および、前記所定のプログラムの実行中に生じるデータ等を記憶するいわゆる後述のＣＰＵのワーキングメモリとなるＲＡＭ（Random Access Memory）、ならびに、これらの周辺回路を備えて構成される。記憶部１７は、機能的に、基礎データ記憶部１７１を備えている。
【００４３】
基礎データ記憶部１７１は、前記反射光の位相遅れδと熱浸透率ｂとの対応関係を予め記憶するものである。この前記反射光の位相遅れδと熱浸透率ｂとの対応関係は、例えば、複数のサンプルを予め実測することによって予め求められ、基礎データ記憶部１７１に予め記憶される。
【００４４】
なお、基礎データ記憶部１７１には、例えば、予め求めた前記対応関係のうち、複数のサンプリング点について、前記反射光の位相遅れδと熱浸透率ｂとの組がそれぞれ求められ、これら求められた複数の組が前記対応関係として記憶されてもよく、また例えば、前記対応関係を表す曲線の式があるいは前記対応関係を表す曲線を近似した近似式が前記対応関係として記憶されてもよい。
【００４５】
演算制御部１６は、熱物性測定装置Ｄの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、そして、測定対象の試料ＳＭにおける所定の熱物性値を検出部１３の検出結果に基づいて求めるものである。演算制御部１６は、例えば、記憶部１７に記憶されている所定のプログラムを読み出して実行することによって所定の制御処理や所定の演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）およびこの周辺回路を備えて構成される。演算制御部１６は、機能的に、検出用光源制御部１６１と、加熱用光源制御部１６２と、熱浸透率演算部１６３と、熱伝導率演算部１６４とを備えている。
【００４６】
検出用光源制御部１６１は、検出用光源部１の動作を制御するものであり、加熱用光源制御部１６２は、複数の加熱用光源部１１における各動作をそれぞれ制御するものである。熱浸透率演算部１６３は、検出部１３で検出された前記反射光の位相遅れδに基づいて、基礎データ記憶部１７１に予め記憶されている前記反射光の位相遅れδと熱浸透率ｂとの対応関係を参照することで、熱浸透率ｂを求めるものである。熱伝導率演算部１６４は、検出部１３で検出された検出結果であって前記熱浸透率演算部１４３で熱浸透率ｂを求める場合に用いた検出結果と異なる検出結果および前記熱浸透率演算部１４３で求めた前記熱浸透率ｂに基づいて熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖのうちの少なくとも一方を求めるものである。例えば、所定の第２照射径φ２が第１照射径φ１より大きい場合（φ２＞φ１）に、第２照射径φ２の第２加熱光を試料ＳＭに照射した場合において、検出光を前記試料ＳＭにさらに照射することによって得られた反射光を検出部１３で検出した検出結果（第２位相遅れδ２）に基づいて、熱浸透率演算部１６３は、熱浸透率ｂ２を求める。そして、前記第２照射径φ２と異なる第１照射径φ１の第１加熱光を試料ＳＭに照射した場合において、検出光を前記試料ＳＭにさらに照射することによって得られた反射光を検出部１３で検出した検出結果（第１位相遅れδ１）および前記熱浸透率演算部１４３によって求められた熱浸透率ｂ２に基づいて、熱伝導率演算部１６４は、熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖのうちの少なくとも一方を求める。
【００４７】
この熱伝導率ｋの導出について以下により詳細に説明する。図２は、第１例として、加熱光の照射径と位相差との関係を示す図である。図３は、第１例として、加熱光の照射径と位相差との関係のシミュレーション結果および測定結果を示す図である。図４は、第２例として、加熱光の照射径と位相差との関係のシミュレーション結果を示す図である。図５は、第２例として、加熱光の照射径と位相差との関係のシミュレーション結果を示す図である。図２ないし図５の横軸は、μｍ単位で表す加熱光の照射径φであり、それら縦軸は、度（°）単位で表す位相差δ（前記変調信号に対する反射光の位相遅れδ）である。また、図３における◆は、測定値であり、■は、熱伝導率ｋが３６７である場合のシミュレーション結果であり、●は、熱伝導率ｋが４０４である場合のシミュレーション結果であり、そして、▲は、熱伝導率ｋが４３７である場合のシミュレーション結果である。なお、図３は、横軸を対比すると理解されるが、図２の一部拡大図でもある。また、図５は、横軸を対比すると理解されるが、図４の一部拡大図でもある。
【００４８】
試料ＳＭに加熱光が照射されると、前記加熱光によって試料ＳＭの温度が上昇する。そして、前記加熱光の照射が停止されると、放熱によって試料ＳＭの温度が降下する。反射率は、一般に、試料ＳＭの温度上昇に伴って増大し、その温度降下に伴って減少する。したがって、試料ＳＭに加熱光が照射されると、前記加熱光によって試料ＳＭの反射率が増大し、前記検出光の反射光における強度も上昇する（増大する）。そして、前記加熱光の照射が停止されると、放熱によって試料ＳＭの反射率が減少し、前記検出光の反射光における強度も降下する（減少する）。このような加熱の有無による試料ＳＭの温度変化とこれに起因する反射率変化との間には、試料ＳＭの熱の伝わる程度に応じたタイムラグが生じる。すなわち、熱の伝わる程度が大きければ（熱が伝わり易ければ）、前記タイムラグは、相対的に、小さくなり、熱の伝わる程度が小さければ（熱が伝わり難ければ）、前記タイムラグは、相対的に、大きくなる。本実施形態の熱物性測定装置Ｄは、前記熱の伝わる程度を上記式１で定義される熱浸透率ｂとし、前記タイムラグを位相遅れ（位相差）δとして観測している。したがって、熱浸透率ｂと位相遅れδとの間には、熱浸透率ｂが大きければ位相遅れδは、小さく、逆に熱浸透率ｂが小さければ位相遅れδは、大きくなるという関係がある。本実施形態の熱物性測定装置Ｄでは、このような熱浸透率ｂと位相遅れδとの間の対応関係が、上述したように、複数のサンプルを予め実測することによって予め求められ、基礎データ記憶部１７１に記憶され、そして、熱浸透率演算部１６３は、検出部１３で検出された前記反射光の位相遅れδに基づいて、基礎データ記憶部１７１に予め記憶されている前記反射光の位相遅れδと熱浸透率ｂとの間の前記対応関係を参照することで、熱浸透率ｂを求めている。
【００４９】
一方、熱浸透率ｂは、上記式１で定義されるので、熱伝導率ｋや体積熱容量Ｃｖの各値が異なっても同一値となるケースが生じる。すなわち、熱浸透率ｂと熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖの組みとは、一対多対応であり、熱浸透率ｂの値が同一であっても熱伝導率ｋの値および体積熱容量Ｃｖの値の組み合わせは、無数に存在する。したがって、熱浸透率ｂだけでは、上述したように、これら熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖを区別することができない。
【００５０】
ここで、図２ないし図５を参照すると、位相遅れ（位相差）δは、加熱光の照射径φに依存していることが理解される。すなわち、熱浸透率ｂは、加熱光の照射径φに依存していることが理解される。位相遅れδは、加熱光の照射径φの増大に従って大きくなり、やがて加熱光の照射径φが増大しても変わらないで所定の一定値となる。これは、加熱光の照射径φが相対的に大きい場合、すなわち、加熱光の照射径φが検出光の照射径に較べて充分に大きい場合には、相対的に広い面積で加熱光が試料ＳＭに照射されるため、試料ＳＭの体積熱容量Ｃｖが支配的に位相遅れδに影響を与える一方、加熱光の照射径φが相対的に小さい場合、すなわち、加熱光の照射径φが検出光の照射径に較べて大差ない場合には、加熱光と検出光とが大差ない面積で加熱光が試料ＳＭに照射されるため、試料ＳＭの熱伝導率ｋが支配的に位相遅れδに影響を与えるためであると、考えられる。このため、照射径φが相対的に大きい場合において、同一の照射径φに対し、位相遅れδは、体積熱容量Ｃｖに依存し、前記所定の一定値は、体積熱容量Ｃｖに依存することが分かる。そして、照射径φが相対的に小さい場合において、同一の照射径φに対し、位相遅れδは、熱伝導率ｋに依存することが分かる。したがって、試料ＳＭにおける前記反射光の位相遅れδと前記加熱光の照射径φとの間の前記対応関係で、位相遅れδ（熱浸透率ｂ）が加熱光の照射径φの増大に従って変化する範囲に対応する照射径（変化範囲照射径）φｒと、位相遅れδ（熱浸透率ｂ）が加熱光の照射径φの増大に従って変化しないで所定の一定値となる範囲に対応する照射径（一定範囲照射径）φｃとで、位相遅れδを測定することによって、これら熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖを区別することができる。図４および図５には、熱伝導率ｋが比較的小さいガラス基板の表面にモリブデン膜を形成した試料ＳＭをシミュレーションしたシミュレーション結果が示されている。この図４および図５を参照すると分かるように、一定範囲照射径φｃは、約４０μｍ以上であればよい。また、同様なシミュレーションにより、一定範囲照射径φｃは、例えば、熱伝導率ｋの比較的大きな銅（Ｃｕ）の場合に約１００μｍ以上であればよい。したがって、熱伝導率ｋが比較的大きな試料ＳＭから比較的小さな試料ＳＭまで測定可能とする観点から、好ましくは、一定範囲照射径φｃは、約１００μｍ以上であって（φｃ≧１００μｍ）、変化範囲照射径φｒは、約４０μｍ以下である（φｒ≦４０μｍ）。また、変化範囲照射径φｒは、より高精度な測定結果を得る観点から、小さいほどよい。本実施形態の熱物性測定装置Ｄでは、熱伝導率演算部１６４は、検出部１３で検出された検出結果であって前記熱浸透率演算部１４３で熱浸透率ｂを求める場合に用いた検出結果（例えば第２照射径φ２での第２位相遅れδ２）と異なる検出結果（この例では第１照射径φ１での第１位相遅れδ１）および前記熱浸透率演算部１４３で求めた前記熱浸透率ｂ（この例では第２照射径φ２での熱浸透率ｂ２）に基づいて熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖのうちの少なくとも一方を求めている。そして、第２照射径φ２は、一定範囲照射径φｃに設定され、第１照射径φ１は、変化範囲照射径φｒに設定されている。
【００５１】
より具体的には、熱伝導率演算部１６４は、前記熱浸透率演算部１４３で求めた前記熱浸透率ｂ（この例では第２照射径φ２での熱浸透率ｂ２）および所定の測定条件を設定するとともに熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖを様々な値に振った下記式２を用いた有限要素法による熱伝導シミュレーションを行い、検出部１３で検出された検出結果であって前記熱浸透率演算部１４３で熱浸透率ｂを求める場合に用いた検出結果（例えば第２照射径φ２での第２位相遅れδ２）と異なる検出結果（この例では第１照射径φ１での第１位相遅れδ１）に、所定の許容誤差範囲で一致する前記熱伝導シミュレーションの結果を探索することで、熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖのうちの少なくとも一方を求めている。
【００５２】
【数１】
【００５３】
ここで、Ｃｖは、体積熱容量であり、Ｔは、温度であり、ｔは、時間であり、ｋは、熱伝導率であり、Ｑは、熱量である。なお、熱量Ｑは、例えば、レーザ光照射による周期加熱の場合には、円筒座標系による下記式３のように仮定される。
【００５４】
【数２】
【００５５】
ここで、ｒは、中心からの距離であり、ｚは、深さ方向の位置であり、Ｑ０は、加熱量振幅であり、ｄは、レーザ光の光浸透長（光浸透深さ）であり、φは、レーザ光の照射径であってφ１もしくはφ２あり、そして、ｆは、変調周波数である。
【００５６】
なお、前記所定の測定条件は、試料ＳＭの例えば厚さ等のサイズ、加熱光の変調周波数ｆ、加熱光の加熱量振幅Ｑ０、加熱光の光浸透長ｄ、加熱光の照射径、検出光の照射径である。ここで、加熱光の照射径は、φ１もしくはφ２ある。
【００５７】
次に、本実施形態の動作について説明する。図６は、実施形態の熱物性測定装置における熱物性値を求める場合の動作を示すフローチャートである。
【００５８】
まず、測定したい試料ＳＭが測定対象としてステージ部６上に配置される。そして、図６において、まず、ステップＳ１において、第１照射径φ１での前記変調信号に対する前記反射光の位相遅れδ１が測定される。より具体的には、演算制御部１６における加熱用光源制御部１６２の制御に従って第１加熱用光源部１１−１は、連続光（ＣＷ光）の第１加熱光を射出し、この射出された第１加熱光は、第１変調部８−１に入射される。第１変調部８−１には、変調信号生成部１２で生成され駆動部９で処理された変調信号が入力されており、この変調信号によって第１変調部８−１では、第１光源部１１−１からの第１加熱光が、変調信号に同期して変調周波数ｆで強度変調され、例えば変調周波数ｆの矩形パルス状の第１加熱光（第１強度変調加熱光）となる。この強度変調された第１強度変調加熱光は、ダイクロイックミラー２で光路が屈曲され、ハーフミラー３をその一部が通過し、レンズ４に入射される。レンズ４では、第１強度変調加熱光は、その径が所定の第１照射径φ１となるように変換され、測定対象の試料ＳＭにおける第１加熱光照射領域を照射するべく、レンズ４から前記第１加熱光照射領域に向けて射出される。なお、変調信号生成部１２で生成された前記変調信号は、変調信号生成部１２から検出部１３にも出力される。そして、このような第１強度変調加熱光が前記第１加熱光照射領域に向けて射出されるタイミングに同期して検出光も検出光照射領域に照射される。すなわち、演算制御部１６における検出用光源制御部１６１の制御に従って検出用光源部１は、連続光（ＣＷ光）の検出光を射出し、この射出された検出光は、ダイクロイックミラー２を通過し、ハーフミラー３をその一部が通過し、そして、レンズ４に入射される。レンズ４では、検出光は、その径が変換され、測定対象の試料ＳＭにおける検出光照射領域を照射するべく、レンズ４から前記検出光照射領域に向けて射出される。ここで、前記第１加熱光照射領域の中心位置と前記検出光照射領域の中心位置とは、略一致する。試料ＳＭでは、第１強度変調加熱光によって加熱され、その温度が変化する。この温度変化に応じて反射率も変化し、この反射率の変化に応じた強度で試料ＳＭに照射された検出光が反射する。この検出光の反射光は、レンズ４を介してハーフミラー３に入射され、ハーフミラー３で光路が屈曲され、その一部がバンドパスフィルタ７を介して受光部１０に入射される。受光部１０では、この受光された前記検出光の反射光は、光電変換によってその強度に応じた信号レベルの電気信号（検出信号）に変換され、前記検出信号は、受光部１０から検出部１３へ出力される。検出部１３では、前記検出信号から前記変調信号に同期した信号成分が検出され、前記変調信号に対する前記反射光の位相遅れδ１が検出され、この前記反射光の位相遅れδ１が演算制御部１６へ出力される。
【００５９】
例えば、試料ＳＭが銅（Ｃｕ）であり、変調周波数ｆ＝１ＭＨｚであり、検出光の照射径が１μｍである場合において、前記第１照射径φ１は、１０μｍに設定され、この場合では、位相遅れδ１は、３９．５°と測定された。この第１照射径φ１（＝１０μｍ）は、変化範囲照射径φｒである。
【００６０】
続いて、ステップＳ２において、第２照射径φ２での前記変調信号に対する前記反射光の位相遅れδ２が測定される。より具体的には、演算制御部１６における加熱用光源制御部１６２の制御に従って第２加熱用光源部１１−２は、連続光（ＣＷ光）の第２加熱光を射出し、この射出された第２加熱光は、第２変調部８−２に入射される。第２変調部８−２には、変調信号生成部１２で生成され駆動部９で処理された変調信号が入力されており、この変調信号によって第２変調部８−２では、第２光源部１１−２からの第２加熱光が、変調信号に同期して変調周波数ｆで強度変調され、例えば変調周波数ｆの矩形パルス状の第２加熱光（第２強度変調加熱光）となる。この強度変調された第２強度変調加熱光は、前記第１照射径φ１と異なる第２照射径φ２で測定対象の試料ＳＭにおける第２加熱光照射領域を照射するべく、反射鏡５で光路が屈曲され、前記第２加熱光照射領域に向けて射出される。なお、変調信号生成部１２で生成された前記変調信号は、変調信号生成部１２から検出部１３にも出力される。そして、このような第２強度変調加熱光が前記第２加熱光照射領域に向けて射出されるタイミングに同期して検出光も、上述と同様に、検出光照射領域に照射される。ここで、前記第２加熱光照射領域の中心位置と前記検出光照射領域の中心位置とは、略一致するとともに、前記第２加熱光照射領域の中心位置と前記第１加熱光照射領域の中心位置とは、略一致する。試料ＳＭでは、第２強度変調加熱光によって加熱され、その温度が変化する。この温度変化に応じて反射率も変化し、この反射率の変化に応じた強度で試料ＳＭに照射された検出光が反射する。この検出光の反射光は、上述と同様に、受光部１０で受光され、検出部１３では、受光部１０からの検出信号から前記変調信号に同期した信号成分が検出され、前記変調信号に対する前記反射光の位相遅れδ２が検出され、この前記反射光の位相遅れδ２が演算制御部１６へ出力される。
【００６１】
例えば、上述の例では、前記第２照射径φ２は、前記第１照射径φ１より充分に大きい、１ｍｍに設定され、この場合では、位相遅れδ２は、３７．３°と測定された。この第２照射径φ２（＝１ｍｍ）は、一定範囲照射径φｃである。
【００６２】
続いて、ステップ３では、演算制御部１６の熱浸透率演算部１６３によって、検出部１３で検出された前記反射光の位相遅れδ２に基づいて、基礎データ記憶部１７１に予め記憶されている前記反射光の位相遅れδと熱浸透率ｂとの間の前記対応関係を参照することで、前記反射波の位相遅れδ２に対応する熱浸透率ｂ２が求められる。
【００６３】
そして、ステップ４では、演算制御部１６の熱伝導率演算部１６４によって、前記熱浸透率演算部１４３で求められた前記熱浸透率ｂ２および所定の測定条件を設定するとともに熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖを様々な値に振った前記式２を用いた有限要素法による熱伝導シミュレーションが行われ、検出部１３で検出された検出結果であって前記熱浸透率演算部１４３で熱浸透率ｂ２を求める場合に用いた位相遅れδ２と異なる位相遅れδ１に、所定の許容誤差範囲で一致する前記熱伝導シミュレーションの結果を探索することで、熱伝導率ｋが求められる。そして、この求められた熱伝導率ｋが出力部１４に出力される。なお、前記熱伝導率ｋに代え、または前記熱伝導率ｋと合わせて、体積熱容量Ｃｖが求められてもよい。
【００６４】
例えば、上述の例では、図３に示すように、検出結果の位相遅れδ１は、熱伝導率ｋが４０４である場合に略一致し、試料ＳＭの熱伝導率ｋは、４０４と測定される。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態における熱物性測定装置Ｄおよびこれに実装された熱物性測定方法では、いわゆる熱反射法によって測定対象の試料ＳＭにおける熱物性値を求める場合に、試料ＳＭを加熱するために、互いに照射径φｎの異なる複数の加熱光を試料ＳＭにそれぞれ照射する複数の加熱用照射部が用いられる。すなわち、照射径φｎごとに専用の加熱用照射部が用意されている。例えば、図１に示す例では、熱物性測定装置Ｄは、第１照射径φ１の第１加熱光を試料ＳＭに照射するために、第１加熱用光源部１１−１、第１変調部８−１、ダイクロイックミラー２、レンズ４および演算制御部１６を備え、そして、第１照射径φ１より大きい第２照射径φ２の第２加熱光を試料ＳＭに照射するために、第２加熱用光源部１１−２、第２変調部８−２、反射鏡５および演算制御部１６を備えている。このため、熱物性値を求めるために、互いに照射径φｎの異なる各加熱光の照射による各反射光をそれぞれ検出する場合に、１つの加熱光のビーム径を所望の照射径φに調節する必要がなく、所望の照射径φに応じたそれ専用の加熱用照射部に切り換えるだけでよい。したがって、本実施形態における熱物性測定装置Ｄおよび熱物性測定方法では、測定時間をより短縮することができ、そして、調節誤差が生じないので、より高精度な測定が可能となる。
【００６６】
また、その測定原理から加熱光の照射径φの差が大きいほど測定精度が向上するが、本実施形態における熱物性測定装置Ｄおよびこれに実装された熱物性測定方法では、複数の加熱用照射部は、上述したように、互いに異なる光路で複数の加熱光を試料ＳＭにそれぞれ照射するので、個々の加熱用照射部を任意の照射径φで設計することができるから、本実施形態における熱物性測定装置Ｄおよびこれに実装された熱物性測定方法では、所望の照射径φの加熱用照射部を用いることが可能となる。したがって、本実施形態における熱物性測定装置Ｄおよびこれに実装された熱物性測定方法は、測定精度の向上が可能となる。
【００６７】
なお、上述の実施形態では、測定対象の試料ＳＭを加熱するために、互いに照射径φｎの異なる複数の加熱光は、２個の第１および第２加熱光であったが、３個以上の任意の個数でよい。複数の加熱光の個数を増加させることによって検出結果の個数が増加し、この結果、前記熱伝導シミュレーションによって検出結果に一致する熱物性を探索する場合に、より適確な熱物性値の探索が可能となり、このような構成の熱物性測定装置Ｄおよび熱物性測定方法は、より高精度な測定が可能となる。
【００６８】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００６９】
Ｄ 熱物性測定装置
２ ダイクロイックミラー
４ レンズ
５ 反射鏡
１１ 加熱用光源部
１１−１ 第１加熱用光源部
１１−２ 第２加熱用光源部
１６ 演算制御部
１７ 記憶部
１６３ 熱浸透率演算部
１６４ 熱伝導率演算部
１７１ 基礎データ記憶部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象である試料の熱物性を測定する熱物性測定装置および熱物性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エレクトロニクス分野の進展は、著しく、例えば集積度や性能の向上のために、半導体デバイスや記録メディア等の装置は、その微細構造化が進んでいる。このような装置は、使用環境からの熱や自ら発する熱等の影響を受けることから、前記微細構造を実現するために、その熱設計が必要であり、このため、μｍオーダやサブμｍオーダでの微小領域の熱物性値が必要とされている。
【０００３】
このような微小領域の熱物性値を測定する方法の１つとして、熱反射法（サーモリフレクタンス法）が知られている。この熱反射法は、材料表面の反射率が表面温度に依存して変化することを利用して熱物性値を測定する手法である。この熱反射法では、加熱用のパルス光が材料表面に照射されるともに検出用の光が前記材料表面に照射され、前記材料表面で反射された前記検出用の光の反射光における強度が測定され、この測定された反射光の強度に基づいて熱物性値が測定される。このような熱反射法を用いた熱物性測定装置は、例えば、特許文献１および特許文献２に開示されている。
【０００４】
この特許文献１に開示の微小領域熱物性測定装置は、試料表面を加熱する加熱用レーザビームを発する加熱用レーザと、該加熱用レーザビームを交流変調する変調器と、加熱した試料表面に照射する測温用レーザビームを発する測温用レーザと、前記両レーザビームを前記試料表面のほぼ同一位置に集光させる顕微鏡光学系と、前記測温用レーザビームの反射光を検出する手段と、前記検出された反射光に基づいて試料の熱物性値を算出する手段とを備え、前記試料表面の反射率の温度依存性を用いて試料表面の温度変化を検出するものである。
【０００５】
熱物性には、単位長さ当たり１Ｋの温度差がある場合に単位時間に単位面積を移動する熱量である熱伝導率ｋ［Ｗ／ｍＫ］や、単位体積あたりの熱容量である体積熱容量Ｃｖ等がある。前記特許文献１に開示の微小領域熱物性測定装置は、下記式１で定義される熱浸透率ｂを熱物性値として測定することができるが、これら熱伝導率ｋと体積熱容量Ｃｖとを区別して測定することができない。
ｂ＝（ｋ×Ｃｖ）１／２ ・・・（１）
【０００６】
なお、熱抵抗率は、熱伝導率ｋの逆数であり、熱伝導率ｋと熱拡散率との間には、（熱伝導率）＝（熱拡散率）×（定圧比熱容量）×（密度）の関係がある。
【０００７】
そこで、これら熱伝導率ｋと体積熱容量Ｃｖとを区別して測定するために、前記特許文献２に開示の熱物性測定装置が提案されている。この特許文献２に開示の熱物性測定装置は、所定の強度分布を有する加熱光を試料の測定部に照射する加熱光照射手段と、前記試料の測定部に所定の検出光を照射する検出光照射手段と、前記試料の測定部から反射した前記検出光の強度を測定する検出光強度測定手段とを備えた熱物性測定装置であって、前記試料の測定部における前記加熱光の照射位置を測定する加熱光照射位置測定手段と、前記試料の測定部における前記検出光の照射位置を測定する検出光照射位置測定手段と、前記加熱光照射位置測定手段および前記検出光照射位置測定手段の両測定結果に基づいて、前記試料の測定部における前記検出光の照射位置と、前記試料の測定部における前記加熱光の照射位置との相対位置関係を予め定められた目標の位置関係となるように調節する相対位置関係調節手段とを備える。そして、この特許文献２に開示の熱物性測定装置は、試料の熱伝導率ｋと体積熱容量Ｃｖとを区別して測定するために、前記加熱光照射手段により照射された前記加熱光の、前記試料上の照射径を調節する加熱光照射径調節手段をさらに備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１２１５８５号公報
【特許文献２】特開２００６−３４３３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、前記特許文献２に開示の熱物性測定装置では、試料の熱伝導率と体積熱容量とを区別して測定するために、加熱光の異なる複数の照射径について測定する必要がある。このように前記照射径を調節しつつ測定が行われるために、前記特許文献２に開示の熱物性測定装置では、測定に長時間が必要とされ、その調節誤差が測定結果に含まれてしまい、この結果、熱物性値の測定精度が落ちてしまう。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、測定時間をより短縮することができ、そして、より高精度な測定を可能とする熱物性測定装置および熱物性測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる熱物性測定装置は、測定対象の試料を加熱するために、互いに照射径の異なる複数の加熱光を前記試料にそれぞれ照射する複数の加熱用照射部と、前記測定対象の試料に所定の検出光を照射する検出光照射部と、前記測定対象の試料で反射された前記検出光の反射光を検出する反射光検出部と、前記反射光検出部で検出された、前記複数の加熱光のそれぞれに対応する複数の検出結果に基づいて前記試料の熱物性値を求める熱物性演算部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
そして、本発明の他の一態様にかかる熱物性測定方法は、測定対象の試料を加熱するために、互いに照射径の異なる複数の加熱光を照射する複数の加熱用照射部を用いることによって、前記試料に前記複数の加熱光のそれぞれを照射する加熱用照射工程と、前記測定対象の試料に所定の検出光を照射する検出光照射工程と、前記測定対象の試料で反射された前記検出光の反射光を検出する反射光検出工程と、前記反射光検出工程で検出された、前記複数の加熱光のそれぞれに対応する複数の検出結果に基づいて前記試料の熱物性値を求める熱物性演算工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
このような構成の熱物性測定装置および熱物性測定方法では、いわゆる熱反射法によって測定対象の試料における熱物性値を求める場合に、前記試料を加熱するために、互いに照射径の異なる複数の加熱光を前記試料にそれぞれ照射する複数の加熱用照射部が用いられる。すなわち、照射径ごとに専用の加熱用照射部が用意されている。このため、熱物性値を求めるために、互いに照射径の異なる各加熱光の照射による各反射光をそれぞれ検出する場合に、従来技術のように１つの加熱光のビーム径を所望の照射径に調節する必要がなく、所望の照射径に応じたそれ専用の加熱用照射部に切り換えるだけでよい。したがって、このような構成の熱物性測定装置および熱物性測定方法では、測定時間をより短縮することができ、そして、調節誤差が生じないので、より高精度な測定が可能となる。
【００１４】
また、他の一態様では、これら上述の熱物性測定装置において、前記複数の加熱用照射部は、互いに異なる光路で前記複数の加熱光を前記試料にそれぞれ照射することを特徴とする。
【００１５】
前記特許文献２に開示されている測定原理から加熱光の照射径の差が大きいほど測定精度が向上するが、前記特許文献２に開示の熱物性測定装置では、加熱光の光路上に配置されたビーム調整器を使用することによって加熱光の照射径が調整されるため、照射径の可変範囲がビーム調整器の可変範囲に限定されてしまう。しかしながら、上記構成によれば、複数の加熱用照射部は、互いに異なる光路で前記複数の加熱光を前記試料にそれぞれ照射するので、個々の加熱用照射部を任意の照射径で設計することができるから、このような構成の熱物性測定装置では、所望の照射径の加熱用照射部を用いることが可能となる。したがって、このような構成の熱物性測定装置では、測定精度の向上が可能となる。
【００１６】
また、他の一態様では、上述の熱物性測定装置において、前記熱物性演算部は、前記試料の熱物性値として熱伝導率および体積熱容量のうちの少なくとも一方を求めることを特徴とする。そして、他の一態様では、これら上述の熱物性測定装置において、前記熱物性演算部は、前記反射光検出部で検出された検出結果に基づいて熱浸透率を求める熱浸透率演算部と、前記反射光検出部で検出された検出結果であって前記熱浸透率を求める場合に用いた検出結果と異なる検出結果および前記熱浸透率演算部で求めた熱浸透率に基づいて熱伝導率および体積熱容量のうちの少なくとも一方を求める熱伝導率演算部とを備えることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、熱物性値として熱伝導率および体積熱容量のうちの少なくとも一方を測定可能な熱物性測定装置が提供される。
【００１８】
また、他の一態様では、上述の熱物性測定装置において、前記反射光検出部は、前記加熱光を所定の変調信号に従って強度変調した場合に、前記変調信号に対する前記検出光の反射光における位相遅れを検出し、前記複数の加熱光は、前記試料における前記検出光の反射光における位相遅れと前記加熱光の照射径との間の対応関係において、前記位相遅れが前記加熱光の照射径の増大に従って変化する範囲に対応する照射径、および、前記位相遅れが前記加熱光の照射径の増大に従って変化しない範囲に対応する照射径を含むことを特徴とする。
【００１９】
前記試料における前記検出光の反射光における位相遅れと前記加熱光の照射径との間の対応関係は、前記加熱光の照射径の増大に従って前記検出光の反射光における位相遅れも増大し、やがて前記加熱光の照射径が増大しても変わらない所定の一定値となるプロファイルである。このため、上記構成では、位相遅れが加熱光の照射径φの増大に従って変化する変化範囲の検出結果および位相遅れが加熱光の照射径の増大に従って変化しない一定範囲の検出結果を含む検出結果に基づいて熱伝導率および体積熱容量のうちの少なくとも一方が測定されるので、このような構成の熱物性測定装置は、より高精度に測定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明にかかる熱物性測定装置および熱物性測定方法では、測定時間をより短縮することができ、そして、より高精度な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態における熱物性測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１例としての、加熱光の照射径と位相差との関係を示す図である。
【図３】第１例としての、加熱光の照射径と位相差との関係のシミュレーション結果および測定結果を示す図である。
【図４】第２例としての、加熱光の照射径と位相差との関係を示す図である。
【図５】第２例としての、加熱光の照射径と位相差との関係のシミュレーション結果および測定結果を示す図である。
【図６】実施形態の熱物性測定装置における熱物性値を求める場合の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００２３】
本実施形態における熱物性測定装置Ｄは、測定対象の試料における所定の熱物性の値（熱物性値）を測定する装置である。この熱物性測定装置Ｄは、前記試料を加熱するために、互いに照射径の異なる複数の加熱光のそれぞれを複数の加熱用照射部によって前記試料に照射するとともに、前記試料に所定の検出光を検出光照射部によって照射する。そして、この熱物性測定装置Ｄは、前記試料で反射された前記検出光の反射光を反射光検出部によって検出し、熱物性演算部によって、前記反射光検出部で検出された、前記複数の加熱光のそれぞれに対応する複数の検出結果に基づいて前記試料の熱物性値を求めるものである。このように本実施形態の熱物性測定装置Ｄおよびこれに実装された熱物性測定方法は、照射径ごとに専用の複数の加熱用照射部を備えるので、測定時間をより短縮することができ、そして、調節誤差が生じないので、より高精度な測定が可能となる。このような熱物性測定装置Ｄおよびこれに実装された熱物性測定方法の実施の一形態を以下により詳細に説明する。
【００２４】
まず、実施形態における熱物性測定装置の構成について説明する。図１は、実施形態における熱物性測定装置の構成を示すブロック図である。本実施形態における熱物性測定装置Ｄは、例えば、図１に示すように、検出用光源部１と、ダイクロイックミラー２と、ハーフミラー３と、光学系４と、反射鏡５と、ステージ部６と、バンドパスフィルタ７と、複数の変調部８と、駆動部９と、受光部１０と、複数の加熱用光源部１１と、変調信号生成部１２と、検出部１３と、出力部１４と、入力部１５と、演算制御部１６と、記憶部１７とを備えて構成される。
【００２５】
複数の加熱用光源部１１は、それぞれ、演算制御部１６の制御に従って、測定対象の試料ＳＭを加熱するための光である加熱光を試料ＳＭに照射する装置である。複数の加熱用光源部１１は、それぞれ、例えばランプを備えた光源装置等であってもよいが、本実施形態では、試料ＳＭを加熱する加熱用であることから、比較的大きな出力が得られる、例えばレーザ光を連続光（ＣＷ光）で発光するＹＡＧレーザ光源装置やアルゴンレーザ光源装置等を備えて構成される。本実施形態では、複数の加熱用光源部１１は、それぞれ、例えば、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ光をＣＷ光で放射するＹＡＧレーザ光源装置を備えて構成される。複数の加熱用光源部１１のそれぞれから射出された各加熱光は、それぞれ、複数の変調部８に入射される。本実施形態では、互いに異なる２個の照射径で試料ＳＭを加熱するために、複数の加熱用光源部１１は、２個の第１および第２加熱用光源部１１−１、１１−２を備えている。
【００２６】
試料ＳＭは、加熱光によって加熱され、後述の検出光を反射可能な物質であれば、任意の物質であってよい。本実施形態の熱物性測定装置Ｄは、スポット的に加熱する熱反射法を用いているので、微小領域の熱物性を測定することに好適である。このため、試料ＳＭとして例えば金属や合金や半導体の薄膜等が好適である。なお、試料ＳＭには、熱浸透率ｂの比較対象材となる膜が測定表面上に形成されてもよい。本実施形態では、例えば、このような膜としてモリブデン膜が試料ＳＭの測定表面上に形成される。このモリブデン膜は、後述の検出光を効率的に反射するようにも機能する。試料ＳＭは、試料ＳＭを載置するための装置であるステージ部６上に配置される。
【００２７】
複数の変調部８は、それぞれ、駆動部９を介して変調信号生成部１２からの変調信号に従って、光源部１１から入射された加熱光の強度を周期的に変調するための装置である。複数の変調部８は、それぞれ、例えば、入射光の光強度を変調する種々の光変調器を備えて構成される。例えば、このような光変調器は、音響光学効果を利用した音響光学変調器、磁気光学効果を利用した磁気光学変調器、フランツ・ケルディッシュ効果（Franz-Keldysh effect）や量子閉込めシュタルク効果（quantum-confined Stark effect ）を利用した電界吸収型光変調器および電気光学効果を利用した電気光学変調器等が挙げられる。複数の変調部８は、複数の加熱用光源部１１の個数に対応した個数であり、本実施形態では、複数の加熱用光源部１１が２個であることに応じ、第１および第２変調部８−１、８−２を備えている。第１加熱用光源部１１−１から射出された第１加熱光は、第１変調部８−１に入射され、第２加熱用光源部１１−２から射出された第２加熱光は、第２変調部８−２に入射される。そして、本実施形態では、第１変調部８−１から射出された変調された第１加熱光（第１強度変調加熱光）は、ダイクロイックミラー２に入射され、第２変調部８−２から射出された変調された第２加熱光（第２強度変調加熱光）は、反射鏡５に入射される。
【００２８】
変調信号生成部１２は、所定の周波数（例えば、１ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度）の変調信号を生成するための装置であり、例えば、発振器等を備えて構成される。変調信号生成部１２は、この生成した変調信号を駆動部９および検出部１３へそれぞれ出力する。
【００２９】
駆動部９は、複数の変調部８のそれぞれを駆動するためのドライバ回路であり、変調信号生成部１２から入力された変調信号の交流を加熱光の変調に必要なパワーに処理して複数の変調部８のそれぞれに出力する。したがって、複数の変調部８のそれぞれでは、複数の光源部１１から射出された各加熱光は、それぞれ、この変調信号に同期するように強度変調される。
【００３０】
検出用光源部１は、演算制御部１６の制御に従って、試料ＳＭに所定の検出光を照射する装置である。検出光（プローブ光）は、加熱光の照射によって生じる試料ＳＭの温度変化を反射率変化として観測するための光であることから、この検出光によって与えられる試料ＳＭの温度変化が測定結果に与える影響を無視することができる光であることが好ましい。このため、検出用光源部１は、比較的小出力の例えばレーザ光を発光する半導体レーザ等を備えて構成される。本実施形態では、検出用光源部１は、例えば、波長６３５ｎｍのレーザ光を放射する半導体レーザを備えて構成される。なお、加熱光の波長と、検出光の波長とは、例えば後述のバンドパスフィルタ７によって、分離可能とするために、上記のように異なる波長であることが好ましい。検出用光源部１から射出された検出光は、本実施形態では、ダイクロイックミラー２に入射される。
【００３１】
ダイクロイックミラー２は、特定波長の光を反射するとともに、その特定波長を除く他の波長の光を透過する光学素子であり、反射鏡５は、入射光を反射する光学素子である。これらダイクロイックミラー２および反射鏡５は、各加熱光および検出光を試料ＳＭに照射するために、それらの光路を調整する照射光学系である。したがって、このような照射光学系には、試料ＳＭに対する検出用光源部１および複数の変調部８の各配置位置に応じて適宜な配置で適宜な光学素子が用いられる。本実施形態では、図１に示すように、水平な載置台を備えるステージ部６の法線方向にその光軸が一致するように検出用光源部１が配置され、このステージ部６の法線方向に直交する水平方向に各光軸が一致するとともに各光軸が互いに平行となるような空間的に異なる各位置で複数の変調部８（第１および第２変調部８−１、８−２）が配置されている。このため、検出光を試料ＳＭに導くとともに第１加熱光を試料ＳＭに導くために、ダイクロイックミラー２は、検出用光源部１の光軸に対し４５°の傾きであって第１変調部８−１の光軸に対し４５°の傾きとなるように配置されており、前記特定波長が検出用光源部１から放射された検出光の波長に設定される。したがって、ダイクロイックミラー２は、第１変調部８−１から射出された第１強度変調加熱光を反射することによって、前記第１強度変調加熱光を試料ＳＭへ向けてその光路を約９０度曲げるとともに、検出用光源部１から射出された検出光をそのまま透過させて試料ＳＭへ向けて進行させる。このようにダイクロイックミラー２によって検出光と第１強度変調加熱光とは、同一の光路を進行して試料ＳＭに照射されるので、検出光の中心位置と第１強度変調加熱光の中心位置とが略一致するように、検出光と第１強度変調加熱光とは、試料ＳＭに照射される。そして、反射鏡５は、第２変調部８−２から射出された第２強度変調加熱光を反射することによって、第２強度変調加熱光を試料ＳＭへ向けてその光路を曲げる。ここで、反射鏡５は、試料ＳＭにおけるこれら検出光の中心位置と第１強度変調加熱光の中心位置とに第２強度変調加熱光の中心位置が略一致して、第２変調部８−２から射出された第２強度変調加熱光が試料ＳＭに照射されるように、配置される。
【００３２】
このような複数の光源部１１、複数の変調部８、照射光学系（図１に示す例ではダイクロイックミラー２および反射鏡５）および演算制御部１６を備えることによって、熱物性測定装置Ｄは、測定対象の試料ＳＭを加熱するために、複数の加熱光を前記試料ＳＭにそれぞれ照射することができる。そして、本実施形態では、これら複数の加熱光を互いに異なる照射径φで照射することができるようにさらに入射光の径を固定的に変えて射出する照射径変換光学系を備えている。この照射径変換光学系として、本実施形態では、ダイクロイックミラー２とステージ部６（試料ＳＭ）との間に、光軸を一致させてレンズ４が設けられている。このレンズ４は、入射光を集光する集光レンズである。レンズ４とステージ部６との間の距離は、第１加熱光（本実施形態では前記第１強度変調加熱光）の照射径φ１が所望の径となる長さである。レンズ４とステージ部６との間の前記距離がレンズ４の焦点深度の範囲でレンズ４の略焦点距離である場合には、第１加熱光の照射径φ１は、レンズ４の光学性能に応じた最も小さい径（最小径）となり、レンズ４とステージ部６との間の前記距離がレンズ４の略焦点距離から乖離するに従って、第１加熱光の照射径φ１は、前記最小径から大きくなる。第１加熱光の第１照射径φ１が前記所望の径となる長さの前記距離でレンズ４は、ステージ部６（試料ＳＭ）に対して固定的に配置されている。このように複数の加熱光は、照射径変換光学系によって互いに異なる照射径φとされている。本実施形態では、第１および第２加熱光は、レンズ４によって互いに異なる照射径φとされる。
【００３３】
より具体的には、第１加熱用光源部１１−１から放射された所定波長の第１加熱光は、第１変調部８−１に入射され、駆動部９を介して変調信号生成部１２で生成された変調信号に同期した変調周波数ｆで強度変調され、この強度変調が施された変調周波数ｆのパルス状の第１加熱光（第１強度変調加熱光）は、ダイクロイックミラー２によってその光路が約９０度曲げられ、後述のハーフミラー３を通過し、レンズ４で所定の照射径（第１照射径）φ１となって、試料ＳＭへ照射される。一方、第２加熱用光源部１１−２から放射された所定波長の第２加熱光は、第２変調部８−２に入射され、駆動部９を介して変調信号生成部１２で生成された変調信号に同期した変調周波数ｆで強度変調され、この強度変調が施された変調周波数ｆのパルス状の第２加熱光（第２強度変調加熱光）は、反射鏡５によってその光路が所定角度曲げられ、第１照射径φ１と異なる所定の照射径（第２照射径）φ２で試料ＳＭへ照射される。本実施形態では、第１加熱光（第１強度変調加熱光）の第１照射径φ１は、第２加熱光（第２強度変調加熱光）の第２照射径φ２よりも小さく設定されている。また、検出用光源部１から放射された所定波長の検出光は、ダイクロイックミラー２およびハーフミラー３を通過し、レンズ４で所定の照射径となって、試料ＳＭへ照射される。そして、検出光は、試料ＳＭに照射されると、第１加熱光または第２加熱光による試料ＳＭの温度に応じた反射率で反射される。
【００３４】
このように複数の光源部１１、複数の変調部８、照射光学系（図１に示す例ではダイクロイックミラー２および反射鏡５）、照射径変換光学系（図１に示す例ではレンズ４）および演算制御部１６は、測定対象の試料ＳＭを加熱するために、互いに照射径φの異なる複数の加熱光を前記試料ＳＭにそれぞれ照射する複数の加熱用照射部の一例に相当する。図１に示す例では、第１光源部１１−１、第１変調部８−１、ダイクロイックミラー２、レンズ４および演算制御部１６は、測定対象の試料ＳＭを加熱するために、所定の第１照射径φ１で第１加熱光を前記試料ＳＭに照射する第１加熱用照射部の一例であり、第２光源部１１−２、第２変調部８−２、反射鏡５および演算制御部１６は、測定対象の試料ＳＭを加熱するために、前記第１照射径φ１とは異なる第２照射径φ２（＞φ１）で第２加熱光を前記試料ＳＭに照射する第２加熱用照射部の一例である。そして、検出用光源部１は、前記測定対象の試料ＳＭに所定の検出光を照射する検出光照射部の一例である。
【００３５】
なお、上述では、互いに照射径φの異なる２個の加熱光で試料ＳＭを照射するために、２個の第１および第２加熱用光源部１１−１、１１−２が用いられたが、１個の加熱用光源部１１とこの加熱用光源部から射出された加熱光を第１および第２変調部８−１、８−２のいずれか一方へ切り換えて射出する光スイッチが用いられてもよい。あるいは、２個の第１および第２加熱用光源部１１−１、１１−２と２個の第１および第２変調部８−１、８−２が用いられたが、１個の加熱用光源部１１および変調部と、変調部から射出された加熱光（強度変調加熱光）をダイクロイックミラー２および反射鏡５のいずれか一方へ切り換えて射出する光スイッチが用いられてもよい。また、上述では、レンズ４によって照射径φが所望の径に変換され、第１および第２加熱光の各照射径φ１、φ２が異なるように設定されたが、第１変調部８−１の射出径と第２変調部８−２の射出径が異なるように構成され、第１および第２加熱光の各照射径φ１、φ２が異なるように設定されてもよい。
【００３６】
バンドパスフィルタ７は、所定の波長範囲の光を透過するとともに前記所定の波長範囲を除く波長の光を遮断する光学素子である。バンドパスフィルタ７の前記所定の波長範囲は、検出光の反射光の波長を含むように設定され、好ましくは、その中心波長が検出光の反射光の波長に一致するように設定される。
【００３７】
受光部１０は、入射光の光強度に応じた大きさの電気信号（検出信号）を出力する光電変換素子であり、例えば、シリコンホトダイオードを備えて構成される。
【００３８】
ハーフミラー３は、入射光の一部を反射するとともに残余の入射光をそのまま透過する光学素子である。検出用光源部１から放射されて検出光は、上述したようにステージ部６の法線方向から入射するために、このステージ部６の載置台上に配置された試料ＳＭで反射した検出光の反射光は、その大部分がその正反射方向である前記法線方向に進む。すなわち、検出光の反射光の大部分は、入射光路を逆に辿って進む。ハーフミラー３は、このような入射光路を逆に辿って進む反射光を、バンドパスフィルタ７を介して受光部１０へ導くために、その光路を調整する受光光学系である。したがって、このような受光光学系は、前記検出光の反射光における光路および受光部１０の配置位置に応じて適宜な配置で適宜な光学素子が用いられる。本実施形態では、図１に示すように、前記法線方向に直交する水平方向にその光軸が一致するように受光部１０が配置されている。このため、前記検出光の反射光をバンドパスフィルタ７を介して受光部１０に導くために、ハーフミラー３は、ダイクロイックミラー２とレンズ４との間であって検出用光源部１の光軸（前記法線方向）に対し４５°の傾きとなるように配置されている。このようなハーフミラー３は、前記検出光の反射光の一部をそのまま透過させると共に、前記検出光の反射光の残余を反射することによって、前記残余の反射光を受光部１０（バンドパスフィルタ７）へ向けてその光路を約９０度曲げる。このハーフミラー３で光路が曲げられた検出光の反射光は、バンドパスフィルタ７に入射し、バンドパスフィルタ７によってノイズ光が除去されて受光部１０に入射し、光電変換によって検出光の反射光の強度に応じた信号レベルの電気信号に変換され、前記電気信号は、受光部１０から検出部１３へ出力される。なお、ダイクロイックミラー２を介した第１加熱光および検出光は、このハーフミラー３に入射され、ハーフミラー３でその一部がそのまま透過してレンズ４を介して試料ＳＭに照射され、前記一部を除く残余が反射される。
【００３９】
検出部１３は、演算制御部１６に接続され、前記検出光の反射光における光強度に応じた電気信号（検出信号）から前記変調信号に同期した信号成分を検出し、前記変調信号に対する前記反射光の位相遅れδを検出する装置である。検出部１３は、例えば、本実施形態では、ロックインアンプを備えて構成される。このロックインアンプには、変調信号生成部１２で生成された前記変調信号が入力され、この変調信号を参照信号として、受光部１０によって検出された前記反射波の検出信号（電気信号）から、前記変調信号に同期した信号成分の振幅が検出され、前記変調信号に対する位相遅れδが検出される。この検出結果は、検出部１３から演算制御部１６に入力される。なお、検出部１３は、必要に応じて検出結果の信号を増幅する増幅器を備えてもよい。
【００４０】
このようなハーフミラー３、バンドパスフィルタ７、受光部１０、検出部１３、変調信号生成部１２および演算制御部１６を備えることによって、熱物性測定装置Ｄは、前記測定対象の試料ＳＭで反射された前記検出光の反射光を検出することができ、ハーフミラー３、バンドパスフィルタ７、受光部１０、検出部１３、変調信号生成部１２および演算制御部１６は、反射光検出部の一例である。
【００４１】
入力部１５は、演算制御部１６に接続され、外部から当該熱物性測定装置Ｄにコマンド（命令）やデータ等を入力するための装置であり、例えばタッチパネルやキーボード等である。出力部１４は、演算制御部１６に接続され、入力部１５から入力されたコマンドやデータおよび演算制御部１６の演算結果（例えば熱物性値等）等を出力するための装置であり、例えばＣＲＴディスプレイやＬＣＤ（液晶ディスプレイ）や有機ＥＬディスプレイ等のディスプレイおよびプリンタ等の印刷装置等である。
【００４２】
記憶部１７は、熱物性測定装置Ｄの各部を当該機能に応じて制御するための制御プログラムや熱物性値を検出部１３の検出結果に基づいて求める熱物性値演算プログラム等の各種の所定のプログラム、および、前記所定のプログラムの実行に必要なデータ等の各種の所定のデータ等を記憶する、不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Read Only Memory）や書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、および、前記所定のプログラムの実行中に生じるデータ等を記憶するいわゆる後述のＣＰＵのワーキングメモリとなるＲＡＭ（Random Access Memory）、ならびに、これらの周辺回路を備えて構成される。記憶部１７は、機能的に、基礎データ記憶部１７１を備えている。
【００４３】
基礎データ記憶部１７１は、前記反射光の位相遅れδと熱浸透率ｂとの対応関係を予め記憶するものである。この前記反射光の位相遅れδと熱浸透率ｂとの対応関係は、例えば、複数のサンプルを予め実測することによって予め求められ、基礎データ記憶部１７１に予め記憶される。
【００４４】
なお、基礎データ記憶部１７１には、例えば、予め求めた前記対応関係のうち、複数のサンプリング点について、前記反射光の位相遅れδと熱浸透率ｂとの組がそれぞれ求められ、これら求められた複数の組が前記対応関係として記憶されてもよく、また例えば、前記対応関係を表す曲線の式があるいは前記対応関係を表す曲線を近似した近似式が前記対応関係として記憶されてもよい。
【００４５】
演算制御部１６は、熱物性測定装置Ｄの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、そして、測定対象の試料ＳＭにおける所定の熱物性値を検出部１３の検出結果に基づいて求めるものである。演算制御部１６は、例えば、記憶部１７に記憶されている所定のプログラムを読み出して実行することによって所定の制御処理や所定の演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）およびこの周辺回路を備えて構成される。演算制御部１６は、機能的に、検出用光源制御部１６１と、加熱用光源制御部１６２と、熱浸透率演算部１６３と、熱伝導率演算部１６４とを備えている。
【００４６】
検出用光源制御部１６１は、検出用光源部１の動作を制御するものであり、加熱用光源制御部１６２は、複数の加熱用光源部１１における各動作をそれぞれ制御するものである。熱浸透率演算部１６３は、検出部１３で検出された前記反射光の位相遅れδに基づいて、基礎データ記憶部１７１に予め記憶されている前記反射光の位相遅れδと熱浸透率ｂとの対応関係を参照することで、熱浸透率ｂを求めるものである。熱伝導率演算部１６４は、検出部１３で検出された検出結果であって前記熱浸透率演算部１４３で熱浸透率ｂを求める場合に用いた検出結果と異なる検出結果および前記熱浸透率演算部１４３で求めた前記熱浸透率ｂに基づいて熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖのうちの少なくとも一方を求めるものである。例えば、所定の第２照射径φ２が第１照射径φ１より大きい場合（φ２＞φ１）に、第２照射径φ２の第２加熱光を試料ＳＭに照射した場合において、検出光を前記試料ＳＭにさらに照射することによって得られた反射光を検出部１３で検出した検出結果（第２位相遅れδ２）に基づいて、熱浸透率演算部１６３は、熱浸透率ｂ２を求める。そして、前記第２照射径φ２と異なる第１照射径φ１の第１加熱光を試料ＳＭに照射した場合において、検出光を前記試料ＳＭにさらに照射することによって得られた反射光を検出部１３で検出した検出結果（第１位相遅れδ１）および前記熱浸透率演算部１４３によって求められた熱浸透率ｂ２に基づいて、熱伝導率演算部１６４は、熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖのうちの少なくとも一方を求める。
【００４７】
この熱伝導率ｋの導出について以下により詳細に説明する。図２は、第１例として、加熱光の照射径と位相差との関係を示す図である。図３は、第１例として、加熱光の照射径と位相差との関係のシミュレーション結果および測定結果を示す図である。図４は、第２例として、加熱光の照射径と位相差との関係のシミュレーション結果を示す図である。図５は、第２例として、加熱光の照射径と位相差との関係のシミュレーション結果を示す図である。図２ないし図５の横軸は、μｍ単位で表す加熱光の照射径φであり、それら縦軸は、度（°）単位で表す位相差δ（前記変調信号に対する反射光の位相遅れδ）である。また、図３における◆は、測定値であり、■は、熱伝導率ｋが３６７である場合のシミュレーション結果であり、●は、熱伝導率ｋが４０４である場合のシミュレーション結果であり、そして、▲は、熱伝導率ｋが４３７である場合のシミュレーション結果である。なお、図３は、横軸を対比すると理解されるが、図２の一部拡大図でもある。また、図５は、横軸を対比すると理解されるが、図４の一部拡大図でもある。
【００４８】
試料ＳＭに加熱光が照射されると、前記加熱光によって試料ＳＭの温度が上昇する。そして、前記加熱光の照射が停止されると、放熱によって試料ＳＭの温度が降下する。反射率は、一般に、試料ＳＭの温度上昇に伴って増大し、その温度降下に伴って減少する。したがって、試料ＳＭに加熱光が照射されると、前記加熱光によって試料ＳＭの反射率が増大し、前記検出光の反射光における強度も上昇する（増大する）。そして、前記加熱光の照射が停止されると、放熱によって試料ＳＭの反射率が減少し、前記検出光の反射光における強度も降下する（減少する）。このような加熱の有無による試料ＳＭの温度変化とこれに起因する反射率変化との間には、試料ＳＭの熱の伝わる程度に応じたタイムラグが生じる。すなわち、熱の伝わる程度が大きければ（熱が伝わり易ければ）、前記タイムラグは、相対的に、小さくなり、熱の伝わる程度が小さければ（熱が伝わり難ければ）、前記タイムラグは、相対的に、大きくなる。本実施形態の熱物性測定装置Ｄは、前記熱の伝わる程度を上記式１で定義される熱浸透率ｂとし、前記タイムラグを位相遅れ（位相差）δとして観測している。したがって、熱浸透率ｂと位相遅れδとの間には、熱浸透率ｂが大きければ位相遅れδは、小さく、逆に熱浸透率ｂが小さければ位相遅れδは、大きくなるという関係がある。本実施形態の熱物性測定装置Ｄでは、このような熱浸透率ｂと位相遅れδとの間の対応関係が、上述したように、複数のサンプルを予め実測することによって予め求められ、基礎データ記憶部１７１に記憶され、そして、熱浸透率演算部１６３は、検出部１３で検出された前記反射光の位相遅れδに基づいて、基礎データ記憶部１７１に予め記憶されている前記反射光の位相遅れδと熱浸透率ｂとの間の前記対応関係を参照することで、熱浸透率ｂを求めている。
【００４９】
一方、熱浸透率ｂは、上記式１で定義されるので、熱伝導率ｋや体積熱容量Ｃｖの各値が異なっても同一値となるケースが生じる。すなわち、熱浸透率ｂと熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖの組みとは、一対多対応であり、熱浸透率ｂの値が同一であっても熱伝導率ｋの値および体積熱容量Ｃｖの値の組み合わせは、無数に存在する。したがって、熱浸透率ｂだけでは、上述したように、これら熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖを区別することができない。
【００５０】
ここで、図２ないし図５を参照すると、位相遅れ（位相差）δは、加熱光の照射径φに依存していることが理解される。すなわち、熱浸透率ｂは、加熱光の照射径φに依存していることが理解される。位相遅れδは、加熱光の照射径φの増大に従って大きくなり、やがて加熱光の照射径φが増大しても変わらないで所定の一定値となる。これは、加熱光の照射径φが相対的に大きい場合、すなわち、加熱光の照射径φが検出光の照射径に較べて充分に大きい場合には、相対的に広い面積で加熱光が試料ＳＭに照射されるため、試料ＳＭの体積熱容量Ｃｖが支配的に位相遅れδに影響を与える一方、加熱光の照射径φが相対的に小さい場合、すなわち、加熱光の照射径φが検出光の照射径に較べて大差ない場合には、加熱光と検出光とが大差ない面積で加熱光が試料ＳＭに照射されるため、試料ＳＭの熱伝導率ｋが支配的に位相遅れδに影響を与えるためであると、考えられる。このため、照射径φが相対的に大きい場合において、同一の照射径φに対し、位相遅れδは、体積熱容量Ｃｖに依存し、前記所定の一定値は、体積熱容量Ｃｖに依存することが分かる。そして、照射径φが相対的に小さい場合において、同一の照射径φに対し、位相遅れδは、熱伝導率ｋに依存することが分かる。したがって、試料ＳＭにおける前記反射光の位相遅れδと前記加熱光の照射径φとの間の前記対応関係で、位相遅れδ（熱浸透率ｂ）が加熱光の照射径φの増大に従って変化する範囲に対応する照射径（変化範囲照射径）φｒと、位相遅れδ（熱浸透率ｂ）が加熱光の照射径φの増大に従って変化しないで所定の一定値となる範囲に対応する照射径（一定範囲照射径）φｃとで、位相遅れδを測定することによって、これら熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖを区別することができる。図４および図５には、熱伝導率ｋが比較的小さいガラス基板の表面にモリブデン膜を形成した試料ＳＭをシミュレーションしたシミュレーション結果が示されている。この図４および図５を参照すると分かるように、一定範囲照射径φｃは、約４０μｍ以上であればよい。また、同様なシミュレーションにより、一定範囲照射径φｃは、例えば、熱伝導率ｋの比較的大きな銅（Ｃｕ）の場合に約１００μｍ以上であればよい。したがって、熱伝導率ｋが比較的大きな試料ＳＭから比較的小さな試料ＳＭまで測定可能とする観点から、好ましくは、一定範囲照射径φｃは、約１００μｍ以上であって（φｃ≧１００μｍ）、変化範囲照射径φｒは、約４０μｍ以下である（φｒ≦４０μｍ）。また、変化範囲照射径φｒは、より高精度な測定結果を得る観点から、小さいほどよい。本実施形態の熱物性測定装置Ｄでは、熱伝導率演算部１６４は、検出部１３で検出された検出結果であって前記熱浸透率演算部１４３で熱浸透率ｂを求める場合に用いた検出結果（例えば第２照射径φ２での第２位相遅れδ２）と異なる検出結果（この例では第１照射径φ１での第１位相遅れδ１）および前記熱浸透率演算部１４３で求めた前記熱浸透率ｂ（この例では第２照射径φ２での熱浸透率ｂ２）に基づいて熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖのうちの少なくとも一方を求めている。そして、第２照射径φ２は、一定範囲照射径φｃに設定され、第１照射径φ１は、変化範囲照射径φｒに設定されている。
【００５１】
より具体的には、熱伝導率演算部１６４は、前記熱浸透率演算部１４３で求めた前記熱浸透率ｂ（この例では第２照射径φ２での熱浸透率ｂ２）および所定の測定条件を設定するとともに熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖを様々な値に振った下記式２を用いた有限要素法による熱伝導シミュレーションを行い、検出部１３で検出された検出結果であって前記熱浸透率演算部１４３で熱浸透率ｂを求める場合に用いた検出結果（例えば第２照射径φ２での第２位相遅れδ２）と異なる検出結果（この例では第１照射径φ１での第１位相遅れδ１）に、所定の許容誤差範囲で一致する前記熱伝導シミュレーションの結果を探索することで、熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖのうちの少なくとも一方を求めている。
【００５２】
【数１】
【００５３】
ここで、Ｃｖは、体積熱容量であり、Ｔは、温度であり、ｔは、時間であり、ｋは、熱伝導率であり、Ｑは、熱量である。なお、熱量Ｑは、例えば、レーザ光照射による周期加熱の場合には、円筒座標系による下記式３のように仮定される。
【００５４】
【数２】
【００５５】
ここで、ｒは、中心からの距離であり、ｚは、深さ方向の位置であり、Ｑ０は、加熱量振幅であり、ｄは、レーザ光の光浸透長（光浸透深さ）であり、φは、レーザ光の照射径であってφ１もしくはφ２あり、そして、ｆは、変調周波数である。
【００５６】
なお、前記所定の測定条件は、試料ＳＭの例えば厚さ等のサイズ、加熱光の変調周波数ｆ、加熱光の加熱量振幅Ｑ０、加熱光の光浸透長ｄ、加熱光の照射径、検出光の照射径である。ここで、加熱光の照射径は、φ１もしくはφ２ある。
【００５７】
次に、本実施形態の動作について説明する。図６は、実施形態の熱物性測定装置における熱物性値を求める場合の動作を示すフローチャートである。
【００５８】
まず、測定したい試料ＳＭが測定対象としてステージ部６上に配置される。そして、図６において、まず、ステップＳ１において、第１照射径φ１での前記変調信号に対する前記反射光の位相遅れδ１が測定される。より具体的には、演算制御部１６における加熱用光源制御部１６２の制御に従って第１加熱用光源部１１−１は、連続光（ＣＷ光）の第１加熱光を射出し、この射出された第１加熱光は、第１変調部８−１に入射される。第１変調部８−１には、変調信号生成部１２で生成され駆動部９で処理された変調信号が入力されており、この変調信号によって第１変調部８−１では、第１光源部１１−１からの第１加熱光が、変調信号に同期して変調周波数ｆで強度変調され、例えば変調周波数ｆの矩形パルス状の第１加熱光（第１強度変調加熱光）となる。この強度変調された第１強度変調加熱光は、ダイクロイックミラー２で光路が屈曲され、ハーフミラー３をその一部が通過し、レンズ４に入射される。レンズ４では、第１強度変調加熱光は、その径が所定の第１照射径φ１となるように変換され、測定対象の試料ＳＭにおける第１加熱光照射領域を照射するべく、レンズ４から前記第１加熱光照射領域に向けて射出される。なお、変調信号生成部１２で生成された前記変調信号は、変調信号生成部１２から検出部１３にも出力される。そして、このような第１強度変調加熱光が前記第１加熱光照射領域に向けて射出されるタイミングに同期して検出光も検出光照射領域に照射される。すなわち、演算制御部１６における検出用光源制御部１６１の制御に従って検出用光源部１は、連続光（ＣＷ光）の検出光を射出し、この射出された検出光は、ダイクロイックミラー２を通過し、ハーフミラー３をその一部が通過し、そして、レンズ４に入射される。レンズ４では、検出光は、その径が変換され、測定対象の試料ＳＭにおける検出光照射領域を照射するべく、レンズ４から前記検出光照射領域に向けて射出される。ここで、前記第１加熱光照射領域の中心位置と前記検出光照射領域の中心位置とは、略一致する。試料ＳＭでは、第１強度変調加熱光によって加熱され、その温度が変化する。この温度変化に応じて反射率も変化し、この反射率の変化に応じた強度で試料ＳＭに照射された検出光が反射する。この検出光の反射光は、レンズ４を介してハーフミラー３に入射され、ハーフミラー３で光路が屈曲され、その一部がバンドパスフィルタ７を介して受光部１０に入射される。受光部１０では、この受光された前記検出光の反射光は、光電変換によってその強度に応じた信号レベルの電気信号（検出信号）に変換され、前記検出信号は、受光部１０から検出部１３へ出力される。検出部１３では、前記検出信号から前記変調信号に同期した信号成分が検出され、前記変調信号に対する前記反射光の位相遅れδ１が検出され、この前記反射光の位相遅れδ１が演算制御部１６へ出力される。
【００５９】
例えば、試料ＳＭが銅（Ｃｕ）であり、変調周波数ｆ＝１ＭＨｚであり、検出光の照射径が１μｍである場合において、前記第１照射径φ１は、１０μｍに設定され、この場合では、位相遅れδ１は、３９．５°と測定された。この第１照射径φ１（＝１０μｍ）は、変化範囲照射径φｒである。
【００６０】
続いて、ステップＳ２において、第２照射径φ２での前記変調信号に対する前記反射光の位相遅れδ２が測定される。より具体的には、演算制御部１６における加熱用光源制御部１６２の制御に従って第２加熱用光源部１１−２は、連続光（ＣＷ光）の第２加熱光を射出し、この射出された第２加熱光は、第２変調部８−２に入射される。第２変調部８−２には、変調信号生成部１２で生成され駆動部９で処理された変調信号が入力されており、この変調信号によって第２変調部８−２では、第２光源部１１−２からの第２加熱光が、変調信号に同期して変調周波数ｆで強度変調され、例えば変調周波数ｆの矩形パルス状の第２加熱光（第２強度変調加熱光）となる。この強度変調された第２強度変調加熱光は、前記第１照射径φ１と異なる第２照射径φ２で測定対象の試料ＳＭにおける第２加熱光照射領域を照射するべく、反射鏡５で光路が屈曲され、前記第２加熱光照射領域に向けて射出される。なお、変調信号生成部１２で生成された前記変調信号は、変調信号生成部１２から検出部１３にも出力される。そして、このような第２強度変調加熱光が前記第２加熱光照射領域に向けて射出されるタイミングに同期して検出光も、上述と同様に、検出光照射領域に照射される。ここで、前記第２加熱光照射領域の中心位置と前記検出光照射領域の中心位置とは、略一致するとともに、前記第２加熱光照射領域の中心位置と前記第１加熱光照射領域の中心位置とは、略一致する。試料ＳＭでは、第２強度変調加熱光によって加熱され、その温度が変化する。この温度変化に応じて反射率も変化し、この反射率の変化に応じた強度で試料ＳＭに照射された検出光が反射する。この検出光の反射光は、上述と同様に、受光部１０で受光され、検出部１３では、受光部１０からの検出信号から前記変調信号に同期した信号成分が検出され、前記変調信号に対する前記反射光の位相遅れδ２が検出され、この前記反射光の位相遅れδ２が演算制御部１６へ出力される。
【００６１】
例えば、上述の例では、前記第２照射径φ２は、前記第１照射径φ１より充分に大きい、１ｍｍに設定され、この場合では、位相遅れδ２は、３７．３°と測定された。この第２照射径φ２（＝１ｍｍ）は、一定範囲照射径φｃである。
【００６２】
続いて、ステップ３では、演算制御部１６の熱浸透率演算部１６３によって、検出部１３で検出された前記反射光の位相遅れδ２に基づいて、基礎データ記憶部１７１に予め記憶されている前記反射光の位相遅れδと熱浸透率ｂとの間の前記対応関係を参照することで、前記反射波の位相遅れδ２に対応する熱浸透率ｂ２が求められる。
【００６３】
そして、ステップ４では、演算制御部１６の熱伝導率演算部１６４によって、前記熱浸透率演算部１４３で求められた前記熱浸透率ｂ２および所定の測定条件を設定するとともに熱伝導率ｋおよび体積熱容量Ｃｖを様々な値に振った前記式２を用いた有限要素法による熱伝導シミュレーションが行われ、検出部１３で検出された検出結果であって前記熱浸透率演算部１４３で熱浸透率ｂ２を求める場合に用いた位相遅れδ２と異なる位相遅れδ１に、所定の許容誤差範囲で一致する前記熱伝導シミュレーションの結果を探索することで、熱伝導率ｋが求められる。そして、この求められた熱伝導率ｋが出力部１４に出力される。なお、前記熱伝導率ｋに代え、または前記熱伝導率ｋと合わせて、体積熱容量Ｃｖが求められてもよい。
【００６４】
例えば、上述の例では、図３に示すように、検出結果の位相遅れδ１は、熱伝導率ｋが４０４である場合に略一致し、試料ＳＭの熱伝導率ｋは、４０４と測定される。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態における熱物性測定装置Ｄおよびこれに実装された熱物性測定方法では、いわゆる熱反射法によって測定対象の試料ＳＭにおける熱物性値を求める場合に、試料ＳＭを加熱するために、互いに照射径φｎの異なる複数の加熱光を試料ＳＭにそれぞれ照射する複数の加熱用照射部が用いられる。すなわち、照射径φｎごとに専用の加熱用照射部が用意されている。例えば、図１に示す例では、熱物性測定装置Ｄは、第１照射径φ１の第１加熱光を試料ＳＭに照射するために、第１加熱用光源部１１−１、第１変調部８−１、ダイクロイックミラー２、レンズ４および演算制御部１６を備え、そして、第１照射径φ１より大きい第２照射径φ２の第２加熱光を試料ＳＭに照射するために、第２加熱用光源部１１−２、第２変調部８−２、反射鏡５および演算制御部１６を備えている。このため、熱物性値を求めるために、互いに照射径φｎの異なる各加熱光の照射による各反射光をそれぞれ検出する場合に、１つの加熱光のビーム径を所望の照射径φに調節する必要がなく、所望の照射径φに応じたそれ専用の加熱用照射部に切り換えるだけでよい。したがって、本実施形態における熱物性測定装置Ｄおよび熱物性測定方法では、測定時間をより短縮することができ、そして、調節誤差が生じないので、より高精度な測定が可能となる。
【００６６】
また、その測定原理から加熱光の照射径φの差が大きいほど測定精度が向上するが、本実施形態における熱物性測定装置Ｄおよびこれに実装された熱物性測定方法では、複数の加熱用照射部は、上述したように、互いに異なる光路で複数の加熱光を試料ＳＭにそれぞれ照射するので、個々の加熱用照射部を任意の照射径φで設計することができるから、本実施形態における熱物性測定装置Ｄおよびこれに実装された熱物性測定方法では、所望の照射径φの加熱用照射部を用いることが可能となる。したがって、本実施形態における熱物性測定装置Ｄおよびこれに実装された熱物性測定方法は、測定精度の向上が可能となる。
【００６７】
なお、上述の実施形態では、測定対象の試料ＳＭを加熱するために、互いに照射径φｎの異なる複数の加熱光は、２個の第１および第２加熱光であったが、３個以上の任意の個数でよい。複数の加熱光の個数を増加させることによって検出結果の個数が増加し、この結果、前記熱伝導シミュレーションによって検出結果に一致する熱物性を探索する場合に、より適確な熱物性値の探索が可能となり、このような構成の熱物性測定装置Ｄおよび熱物性測定方法は、より高精度な測定が可能となる。
【００６８】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００６９】
Ｄ 熱物性測定装置
２ ダイクロイックミラー
４ レンズ
５ 反射鏡
１１ 加熱用光源部
１１−１ 第１加熱用光源部
１１−２ 第２加熱用光源部
１６ 演算制御部
１７ 記憶部
１６３ 熱浸透率演算部
１６４ 熱伝導率演算部
１７１ 基礎データ記憶部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の試料を加熱するために、互いに照射径の異なる複数の加熱光を前記試料にそれぞれ照射する複数の加熱用照射部と、
前記測定対象の試料に所定の検出光を照射する検出光照射部と、
前記測定対象の試料で反射された前記検出光の反射光を検出する反射光検出部と、
前記反射光検出部で検出された、前記複数の加熱光のそれぞれに対応する複数の検出結果に基づいて前記試料の熱物性値を求める熱物性演算部とを備えること
を特徴とする熱物性測定装置。
【請求項２】
前記複数の加熱用照射部は、互いに異なる光路で前記複数の加熱光を前記試料にそれぞれ照射すること
を特徴とする請求項１に記載の熱物性測定装置。
【請求項３】
前記熱物性演算部は、前記試料の熱物性値として熱伝導率および体積熱容量のうちの少なくとも一方を求めること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱物性測定装置。
【請求項４】
前記熱物性演算部は、前記反射光検出部で検出された検出結果に基づいて熱浸透率を求める熱浸透率演算部と、前記反射光検出部で検出された検出結果であって前記熱浸透率を求める場合に用いた検出結果と異なる検出結果および前記熱浸透率演算部で求めた熱浸透率に基づいて熱伝導率および体積熱容量のうちの少なくとも一方を求める熱伝導率演算部とを備えること
を特徴とする請求項３に記載の熱物性測定装置。
【請求項５】
前記反射光検出部は、前記加熱光を所定の変調信号に従って強度変調した場合に、前記変調信号に対する前記検出光の反射光における位相遅れを検出し、
前記複数の加熱光は、前記試料における前記検出光の反射光における位相遅れと前記加熱光の照射径との間の対応関係において、前記位相遅れが前記加熱光の照射径の増大に従って変化する範囲に対応する照射径、および、前記位相遅れが前記加熱光の照射径の増大に従って変化しない範囲に対応する照射径を含むこと
を特徴とする請求項３または請求項４に記載の熱物性測定装置。
【請求項６】
測定対象の試料を加熱するために、互いに照射径の異なる複数の加熱光を照射する複数の加熱用照射部を用いることによって、前記試料に前記複数の加熱光のそれぞれを照射する加熱用照射工程と、
前記測定対象の試料に所定の検出光を照射する検出光照射工程と、
前記測定対象の試料で反射された前記検出光の反射光を検出する反射光検出工程と、
前記反射光検出工程で検出された、前記複数の加熱光のそれぞれに対応する複数の検出結果に基づいて前記試料の熱物性値を求める熱物性演算工程とを備えること
を特徴とする熱物性測定方法。
【請求項１】
測定対象の試料を加熱するために、互いに照射径の異なる複数の加熱光を前記試料にそれぞれ照射する複数の加熱用照射部と、
前記測定対象の試料に所定の検出光を照射する検出光照射部と、
前記測定対象の試料で反射された前記検出光の反射光を検出する反射光検出部と、
前記反射光検出部で検出された、前記複数の加熱光のそれぞれに対応する複数の検出結果に基づいて前記試料の熱物性値を求める熱物性演算部とを備えること
を特徴とする熱物性測定装置。
【請求項２】
前記複数の加熱用照射部は、互いに異なる光路で前記複数の加熱光を前記試料にそれぞれ照射すること
を特徴とする請求項１に記載の熱物性測定装置。
【請求項３】
前記熱物性演算部は、前記試料の熱物性値として熱伝導率および体積熱容量のうちの少なくとも一方を求めること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱物性測定装置。
【請求項４】
前記熱物性演算部は、前記反射光検出部で検出された検出結果に基づいて熱浸透率を求める熱浸透率演算部と、前記反射光検出部で検出された検出結果であって前記熱浸透率を求める場合に用いた検出結果と異なる検出結果および前記熱浸透率演算部で求めた熱浸透率に基づいて熱伝導率および体積熱容量のうちの少なくとも一方を求める熱伝導率演算部とを備えること
を特徴とする請求項３に記載の熱物性測定装置。
【請求項５】
前記反射光検出部は、前記加熱光を所定の変調信号に従って強度変調した場合に、前記変調信号に対する前記検出光の反射光における位相遅れを検出し、
前記複数の加熱光は、前記試料における前記検出光の反射光における位相遅れと前記加熱光の照射径との間の対応関係において、前記位相遅れが前記加熱光の照射径の増大に従って変化する範囲に対応する照射径、および、前記位相遅れが前記加熱光の照射径の増大に従って変化しない範囲に対応する照射径を含むこと
を特徴とする請求項３または請求項４に記載の熱物性測定装置。
【請求項６】
測定対象の試料を加熱するために、互いに照射径の異なる複数の加熱光を照射する複数の加熱用照射部を用いることによって、前記試料に前記複数の加熱光のそれぞれを照射する加熱用照射工程と、
前記測定対象の試料に所定の検出光を照射する検出光照射工程と、
前記測定対象の試料で反射された前記検出光の反射光を検出する反射光検出工程と、
前記反射光検出工程で検出された、前記複数の加熱光のそれぞれに対応する複数の検出結果に基づいて前記試料の熱物性値を求める熱物性演算工程とを備えること
を特徴とする熱物性測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１８９５２５（Ｐ２０１２−１８９５２５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４９９０（Ｐ２０１１−５４９９０）
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（０００１３０２５９）株式会社コベルコ科研 (174)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（０００１３０２５９）株式会社コベルコ科研 (174)
【Ｆターム（参考）】
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