(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ギガヘルツのオーダーの所定の高周波で変調された光源としての半導体レーザーと、
前記半導体レーザーが発する低コヒーレンス光を導く測定光路腕及び非測定光路腕の２本の腕を持つ干渉計と、
を有し、
前記非測定光路腕は実質的に光ファイバー（以下単にファイバーと称す）のみからなっていて空間伝搬光路を含まない光路であり、
前記測定光路腕は前記半導体レーザーが発する前記低コヒーレンス光を被測定物の被測定薄膜の表面に投射するための光ファイバーの端面から被測定薄膜の表面までの所定長の空間伝搬光路を除いては光ファイバーのみからなる、
ことを特徴とする薄膜の膜厚測定装置。
【請求項２】
前記干渉計の少なくとも前記測定光路腕が圧電素子にファイバーを巻き付けた圧電型のファイバー長可変装置を含み、
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡である、
ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記干渉計の両方の腕が圧電素子にファイバーを巻き付けた圧電型のファイバー長可変装置を含み、
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡である、
ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記干渉計の少なくとも前測定光路腕が磁気ひずみ体にファイバーを巻き付けた磁気ひずみ型のファイバー長可変装置を含み、
前記非測定航路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡である、
ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜の膜厚測定装置。
【請求項５】
前記干渉計の両方の腕が磁気ひずみ体にファイバーを巻き付けた磁気ひずみ型のファイバー長可変装置を含み、
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡である、
ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜の膜厚測定装置。
【請求項６】
前記磁気ひずみ体が実質的に円筒形であり、その筒面にファイバーが巻き付けられている、
ことを特徴とする請求項４または５に記載の薄膜の膜厚測定装置。
【請求項７】
前記磁気ひずみ体が実質的にトロイダル形であり、そのトロイダル面のまわりにファイバーが巻き付けられている、
ことを特徴とする請求項４または５に記載の薄膜の膜厚測定装置。
【請求項８】
前記測定光路腕のファイバーの端面と被測定薄膜の表面との相対的空間位置関係を固定する固定手段と、
前記ファイバーの端面から被測定薄膜の表面までの所定長の空間伝搬光路上に置いた投射光学手段を空間伝搬光路に沿って移動する移動手段と、
をさらに具えた請求項１ないし７のいずれかに１つに記載の薄膜の膜厚測定装置。
【請求項９】
前記被測定薄膜が任意の平面又は曲面であり、
この平面又は曲面の法線を空間伝搬光路の光軸に実質的に一致させるように被測定物の姿勢を微細に調整して保持する保持具をさらに具えた、
ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の薄膜の膜厚測定装置。
【請求項１０】
前記被測定薄膜の曲面が円筒状、球殻上又は不定形である請求項８に記載の薄膜の膜厚測定装置。
【請求項１１】
前記所定の高周波数が０．８ないし３ギガヘルツの範囲である請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の薄膜の膜厚測定装置。
【請求項１２】
光源としての半導体レーザーをギガヘルツのオーダーの所定の高周波で変調して低コヒーレンス光を発生するステップ、及び
前記低コヒーレンス光を干渉計の測定光路腕及び非測定光路腕の２本の腕に導くステップ、
を有し、
前記非測定光路腕は実質的に光ファイバー（以下単にファイバーと称す）のみからなっていて空間伝搬光路を含まない光路であり、
前記測定光路腕は前記半導体レーザーが発する前記低コヒーレンス光を被測定物の被測定薄膜の表面に投射するための光ファイバーの端面から被測定薄膜の表面までの所定長の空間伝搬光路を除いては光ファイバーのみからなり、
上記干渉計により被測定薄膜の膜厚を測定する、
ことを特徴とする薄膜の膜厚測定方法。
【請求項１３】
前記干渉計の少なくとも前記測定光路腕が圧電素子にファイバーを巻き付けた圧電型のファイバー長可変装置を含み、その圧電作用によってファイバー長を有意に変化させ、
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡であることにより常に安定な非測定光路腕長を保たせる、
ことを特徴とする請求項１２に記載の薄膜の膜厚測定方法。
【請求項１４】
前記干渉計の両方の腕が圧電素子にファイバーを巻き付けた圧電型のファイバー長可変装置を含み、
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡であり、
両方の腕のファイバー長を圧電作用によって有意に変化させることにより、上記干渉計により被測定薄膜の膜厚を測定する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の薄膜の膜厚測定方法。
【請求項１５】
前記干渉計の少なくとも前記測定光路腕が磁気ひずみ体にファイバーを巻き付けた磁気ひ
ずみ型のファイバー長可変装置を含み、その磁気ひずみ作用によってファイバー長を有意
に変化させ、
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡であること
により常に安定な非測定光路腕長を保たせる、
ことを特徴とする請求項１２に記載の薄膜の膜厚測定方法。
【請求項１６】
前記干渉計の両方の腕が磁気ひずみ体にファイバーを巻き付けた磁気ひずみ型のファイバー長可変装置を含み、その磁気ひずみ作用によってファイバー長を有意に変化させ、
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡であることにより常に安定な非測定光路腕長を保たせる、
ことを特徴とする請求項１２に記載の薄膜の膜厚測定方法。
【請求項１７】
前記磁気ひずみ体が実質的に円筒形であり、その筒面にファイバーが巻き付けられている、
ことを特徴とする請求項１５または１６に記載の薄膜の膜厚測定方法。
【請求項１８】
前記磁気ひずみ体が実質的にトロイダル形であり、そのトロイダル面の回りにファイバーが巻き付けられている、
ことを特徴とする請求項１５または１６に記載の薄膜の膜厚測定方法。
【請求項１９】
前記測定光路腕のファイバーの端面と被測定薄膜の表面との相対的空間位置関係を固定手段により固定するステップ、及び
前記ファイバーの端面から被測定薄膜の表面までの所定長の空間伝搬光路上に置いた投射光学手段を空間伝搬光路に沿って移動するステップ、
をさらに具えた請求項１２ないし１８のいずれか１つに記載の薄膜の膜厚測定方法。
【請求項２０】
前記被測定薄膜が任意の平面又は曲面であり、
この平面又は曲面の法線を空間伝搬光路の光軸に実質的に一致させるように被測定物の姿勢を姿勢調整保持具で微細に調整保持するステップ、をさらに具えた、
ことを特徴とする請求項１２ないし１９のいずれか１つに記載の薄膜の膜厚測定方法。
【請求項２１】
前記被測定薄膜の曲面が円筒状、球殻状又は不定形である請求項２０に記載の薄膜の膜厚測定方法。
【請求項２２】
前記所定の高周波数が０．８ないし３ギガヘルツの範囲である請求項１２ないし２１のいずれか１つに記載の薄膜の膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜の膜厚を非破壊的、非接触的に測り表示する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
塗布、塗装、印刷、コーティング、ラミネート、蒸着、堆積、貼付、転写、生成、生育など各種の方法によって物体上に塗布・形成された薄膜を非破壊で測定する必要性は、それらの生産工程の管理、製品の品質管理をはじめ、真珠など薄膜で形成されている宝飾品の鑑定、鑑別、認証など、工業、流通、一般消費経済活動の諸分野で、しばしば生ずる。また、筒状やチューブ状体の外面又は内面に形成した薄膜の膜厚の非破壊、非接触の連続測定による工程管理や歯科、眼科、皮膚科などにおける層構造を持つ生体組織表面直下の膜厚に関連する治療、診断、たとえば、ヒトや動物の歯牙のエナメル質（あるいはほうろう質）の厚さの非破壊的測定の必要性などもしばしば生ずる。
【０００３】
フィルムや紙類、プラスチックシートなど、独立した単体のシート状薄膜については、マイクロメーターその他の機械的な膜厚計で測定可能であるが、上述のような物体上に形成された薄膜や、筒状又はチューブ状体の表面の薄膜などについては、このような機械的な膜厚計測法が適用できない。物体上に形成された薄膜については、その薄膜が比較的透明なものである場合には、エリプソメーターが使われる。しかし、エリプソメーターによる測定は複雑で、時間を要するものであり、一般の工程管理、品質管理、鑑別などの目的には適さない。
【０００４】
薄膜の膜厚が１００μｍ以上あり、必要とする分解能が１０μｍ以上である場合については、エリプソメーターに代わってより簡便な低コヒーレンス干渉計が使われていた。まず、図７は従来の空間内光伝搬を用いる低コヒーレンス干渉計の原理を示す図である。図７において、光源１を出て、ハーフミラー２に入射する入射光３は、その相対強度を１とするとき、透過光４と上方への反射光５を、それぞれ相対強度約  ０．５ずつ生ずる。透過光４は被測定物６の表面で反射され、再びハーフミラー２に入射する。一方、上方への反射光５は反射鏡７で反射され、再びハーフミラー２に入射する。ハーフミラー２に再入射したそれぞれの反射光はハーフミラー２上で干渉して、２本の干渉光８と９を生ずる。一つの干渉光８は光検出器１０に向かい、他方の干渉光９は光源１に向かう。以上によりいわゆるマイケルソン干渉計が構成される。
【０００５】
ハーフミラー２から被測定物６までの光路を干渉計の一方の腕１１、ハーフミラー２から反射鏡７までの光路を干渉計の他方の腕１２と呼ぶ。光源のコヒーレンス性がよい場合には、一方の腕の長さを固定して他方の腕の長さをゆっくりと変化するとき、ハーフミラー２に再入射する２本の反射光の干渉により、２本の干渉光８と９の強度は図８に示すように、それぞれ正弦波状に変化する。そして一方の干渉光が強くなるとき、他方の干渉光は弱くなる。光検出器１０からの出力電流は、干渉光８の強度の変化にしたがって、一方の腕の長さを変化するとき正弦波状に変化する。図７では、腕１２の光路長を変化させる場合が示されている。腕１２の光路長を変化させるための変位装置１３には、その先端に反射鏡７が取り付けられている。
【０００６】
以下に、上記の従来の低コヒーレンス干渉計による薄膜の膜厚計の原理を説明する。膜厚計測のための干渉計の光源１には、低コヒーレンスの光源、すなわち、コヒーレンス長の短い光源が選ばれる。コヒーレンス長の短い光源としては、いわゆるスーパールミネッセントダイオード（以後、ＳＬＤと称す）やハロゲンランプがある。コヒーレンス長が短かければ、干渉計の一方の腕の長さの変化に対して正弦波状に変化する干渉光、したがって検出器１０からの正弦波状の出力電流は、図９に示すように干渉計の両腕の長さ（図７）が等しくなるときの横軸上の包路線の中央の点Ｍで最大値をとり、その前後のごく狭い範囲（電流（光入力）の正弦波状の変化の１０ないし数１０周期分程度）に局限化される。したがって、光検出器の出力電流の正弦波状変化の包路線の最大値を与える反射鏡７の位置を干渉による位置計測に用いることができる。包絡線の半値幅が狭ければ狭いだけ分解可能距離を小さくすることができる。
【０００７】
干渉計による薄膜の膜厚測定は、その表面と裏面について、それぞれに屈折率のステップ的変化が存在するので、２個の反射点が存在することとなる。これら２個の反射点について、それぞれの分解可能距離が膜厚そのものより小さければ、上述の位置計測を２回適用することができることとなり、それぞれの位置の差を薄膜の光学的膜厚とすることができる。光学的膜厚とは、測定しようとする機械的膜厚に薄膜の屈折率かけたものを言う。したがって、薄膜の屈折率が既知の場合には、光学的膜厚を屈折率で割ることによって、実際の被測定膜の機械的膜厚を求めことができる。しかし、薄膜の屈折率が既知でない場合には、薄膜の屈折率を独立に測定する必要がある。このように、光学的膜厚と屈折率とを独立に求める方法について、たとえばＯｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ２０巻、２１号、２２５８ページ（１９９５年１１月）に掲載されたＧ．Ｊ．Ｔｅａｒｎｅｙらによる”Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｉｎｄｅｘ  ｏｆ  ｈｉｇｈｌｙ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｈｕｍａｎ  ｔｉｓｓｕｅ  ｂｙ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ”（以下文献１とする）、同じく、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ２１巻、２３号、１９４２ページ（１９９６年１２月）に掲載されたＴ．Ｆｕｋａｎｏらによる”Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ  ａｎｄ  ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｉｎｄｉｃｅｓ  ｏｆ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｌａｙｅｒｓ”（以下文献２とする）、また、特開２００１−１４１６５２に開示されている発明者、春名正光の「光干渉法による既知の方法が測定対象物の屈折率と厚さの同時測定法およびそのための装置」などに、すでに述べられている。
【０００８】
以上述べてきたような先行例での空間内の光伝搬に頼る干渉計式の膜厚計測装置は、光学構成部品の配置、設定、調整に高度の熟練と長時間を要し、また、その完成後の長期安定性についても問題があり、装置製造後も使用の都度絶えず熟練者による調整を必要とするなどの問題があった。なぜなら、空間内の光伝搬に頼る干渉計では、ミラー、ビームスプリッターなどのうちの１個の光学部品の配置、設定、調整が、他の光学部品の配置、設定、調整に相互に関係するため、装置全体の配置、調整を完了するのに、大略各部品の調節に要する調整時間の、ほぼ部品点数をＮとしたときＮ（Ｎ−１）倍の調整時間を要するからである。また、その安定性についても、個々の部品の安定度に部品点数Ｎの√Ｎ倍の安定度が要求されるからである。
【０００９】
もし、１個の光学部品の配置、設定、調整が、他の光学部品の配置、設定、調整に相互に関係しなければ、装置全体の配置、調整を完了するのに要する時間は、大略各部品の調節に要する調整時間のほぼ部品点数倍で済み、また、装置全体の安定性も、個々の部品の安定度がそのまま装置全体の安定度となるだけである。
このように、各光学部品の配置、設定、調整や安定度を分離独立させるためには、各光学部品間の光伝搬を空間伝搬に頼らす、光ファイバーに頼ることとし、各光学部品を空間的光伝搬から独立させればよい。
【００１０】
図７に示した空間内伝搬光による干渉計を用いた膜厚測定装置をファイバー化した従来の干渉計膜厚測定装置を図１０に示す。太い実線で示してあるものがファイバーである。図７中の構成要素と同一の機能を果たす図１０中の構成要素には、対応する図７中の構成要素と同一の番号を付してある。図７中のハーフミラー２は図１０中では、ファイバー方向性結合器２に置き換えられている。ファイバー方向性結合器２の働きは、図７中のハーフミラー２と同じであり、方向性結合器の端子２１から入った光は端子２２と２４から等量出て行くが、端子２３からは出て行かない。端子２２から入った光は端２１と２３から等量出て行くが、端子２４からは出て行かない。端子２４から入った光は端２１と２３から等量出て行くが、端子２２からは出て行かない。投射用の光学素子としてのレンズ１６、２６は、それぞれの腕のファイバー端から右向きに出射する発散光を並行光に変換するためのものであり、被測定物６と反射鏡７には、それぞれ、平行光線が入射するように、ファイバー端とレンズ１６、２６への距離は、それぞれのレンズの焦点距離に一致させてある。図１０中の１４、１５で示すように、各腕には空間伝搬路が存在する。
【００１１】
図１０に示す在来のファイバー化した干渉計膜厚測定装置において、光学部品を多数用いる干渉計式膜厚測定装置のシステムの組立についても、各光学部品の配置、設定、調整が独立化される。またそれらの組立は各部品を単にファイバーコネクターでつなぐだけで行われる。従って熟練者を必要とせず、組立作業は極端に短縮される。また、装置の安定性も、先述の理由により、格段に向上する。しかしこの従来の装置では、被測定物６直前の空間伝搬路１４と干渉計の腕１２の長さを変えるための反射鏡７直前の空間伝搬路１５は、取り除くことができない。１３は反射鏡７直前の空間伝搬路１５の伝搬長を変えるための反射鏡７を取り付けた反射鏡移動機構である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図１０の従来のファイバー化干渉計膜厚測定装置において、被測定物に測定光を非接触に投射する目的及び干渉計の腕の距離を可変とするためには、被測定物６直前の空間伝搬路１４と干渉計の腕１２の長さを変えるための反射鏡７直前の空間伝搬路１５とが必要であった。それ故、空間伝搬路の存在に起因する従来技術の欠点、すなわち、装置の組み立て・調整作業の繁雑性、また、周囲の環境からの外乱に敏感に反応する空間伝搬路干渉計を含むことに起因する装置の不安定性が解決されていなかった。
【００１３】
また、光源としては、従来、分解可能距離を小さく取るため、低コヒーレンス性のＳＬＤやハロゲンランプなどを用いていた。しかしこれらの光源は空間的にコヒーレンス性が低いため、ファイバー化したときには、光源からファイバーへの結合効率が極端に悪くなり、干渉計測に使える光のパワーのレベルが極端に低下する。それ故、干渉の結果得られる正弦波状検出電流出力のＳＮ比を低下させ、得られるべき膜厚分解能の低下を招く。特に被測定薄膜が透明体ではなく、散乱性あるいは吸収性を含む媒質であるときには、測定光のパワーのレベルが低いことは致命的であり、その場合測定が不可能となる。
【００１４】
このように、ファイバー化された干渉計式の膜厚測定装置においては、ファイバー、高分解能の干渉計式膜厚測定に必要な低コヒーレンス性のＳＬＤやハロゲンランプ光源などからファイバーへ結合効率がファイバー化により極端に低下し、それに起因する膜厚分解能力が低下する問題があった。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のファイバー化干渉計膜厚測定装置においては、まず、装置に含まれる干渉計の組み立て・調整作業の容易化、装置の安定性向上のために、干渉計を構成するファイバーの一部のファイバー長自体を可変とすることによって、干渉計の腕の長さを可変とするために必要であった空間伝搬路を無くした。その結果、構成された本発明のファイバー化干渉計膜厚測定装置を図１に示す。図１においては、被測定物に測定光を投射するために必要な被測定物６直前の極めて短い空間伝搬路１４以外の空間伝搬路（たとえば、図１０の反射鏡７直前の空間伝搬路１５）は、すべてファイバー化されている。
【００１６】
上に述べてきたファイバー自体の物理的な長さを可変とする方法として、圧電素子または磁気ひずみ素子に巻き付けた長尺ファイバーを少なくとも干渉型の一方の腕に挿入し、これに、可変電圧（圧電素子の場合）または可変電流（磁気ひずみ素子の場合）を印加している。これによって、被測定物直前の空間伝搬路１４以外をすべてファイバー化している。膜厚測定干渉計の組み立ての容易化、動作の安定化をはかっている。
【００１７】
本発明の薄膜の膜厚測定装置は、ギガヘルツのオーダーの所定の高周波で変調された光源としての半導体レーザーと、前記半導体レーザーが発する低コヒーレンス光を導く測定光路腕及び非測定光路腕の２本の腕を持つ干渉計と、を有し、前記非測定光路腕は実質的に光ファイバー（以下単にファイバーと称す）のみからなっていて空間伝搬光路を含まない光路であり、前記測定光路腕は前記半導体レーザーが発する前記低コヒーレンス光を被測定物の被測定薄膜の表面に投射するための光ファイバーの端面から被測定薄膜の表面までの所定長の空間伝搬光路を除いては光ファイバーのみからなることを特徴とする。
本発明の薄膜の膜厚測定方法は、光源としての半導体レーザーをギガヘルツのオーダーの所定の高周波で変調して低コヒーレンス光を発生するステップ、前記低コヒーレンス光を干渉計の測定光路腕及び非測定光路腕の２本の腕に導くステップ、を有し、
前記非測定光路腕は実質的に光ファイバー（以下単にファイバーと称す）のみからなっていて空間伝搬光路を含まない光路であり、前記測定光路腕は前記半導体レーザーが発する前記低コヒーレンス光を被測定物の被測定薄膜の表面に投射するための光ファイバーの端面から被測定薄膜の表面までの所定長の空間伝搬光路を除いては光ファイバーのみからなり、上記干渉計により被測定薄膜の膜厚を測定することを特徴とする。
また、本発明のファイバー干渉計膜厚測定装置においては、パルス発振半導体レーザーを用い、その励起電流に高周波変調をかけることによって、従来技術で用いられてきたＳＬＤなどに比して、半導体レーザーの持つより良好な空間コヒーレンシーを利用しつつ、変調によって実現できる時間コヒーレンシーの低下（膜厚分解能を高めるために必要）をも同時に実現している。これによって、ファイバー化に際しても、光源のファイバーへの高効率な結合が維持でき、時間的低コヒーレンシー化の実現と相まって、膜厚に対する感度と分解能とを同時に高めている。
【００１８】
さらに、干渉計の腕の長さを可変とするための圧電素子または磁気ひずみ素子に巻き付けた長尺ファイバーを干渉計の両腕に設けて、それぞれを逆位相で励起することにより、測定可能膜厚のレンジを拡大している。
【００１９】
また、被測定物に光を照射するためのレンズのみの移動によって、屈折率未知の膜厚測定のために必要な光学的膜厚と屈折率を単一の装置で同時に測定できる新しい方法が提案されている。
これによって、被測定物直前の空間伝搬路を含む測定ヘッド部分を一体化することができ、先端部を被測定物に接触保持するなどにより、一層容易に安定な膜厚測定が可能となる。
【００２０】
上記の構成各部の改善が相まって、組み立てが容易、感度と膜厚分解能が改善され、測定可能膜厚レンジの拡大された、動作の安定した膜厚と屈折率の同時・独立測定可能なファイバー化干渉計膜厚測定装置が実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適な実施例について説明する。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施例を示したものである。図１中の構成要素で図６または図１０に示した従来例の構成要素と同一の機能を果たす対応要素には、図６または図１０中の構成要素と同一の符合を付してあり、それらについての重複した説明は、ここでは省略する。
【００２３】
光源１には半導体レーザーを用いている。その半導体レーザー１としては、光ＬＡＮなどに使われるところの、高速変調可能で、接合容量やその他の浮遊容量が少なく、デバイスリード線が短く誘導性  リアクタンスが少ない種類の半導体レーザーが使われる。このような半導体レーザーに、図中に示される等価回路で表されるバイアスティー１００を通して、直流電源１０１からの直流バイアスと、０．８ＧＨｚないし３ＧＨｚ程度の高周波電源１０２からの正弦波状の高周波電圧が印加される。一般に、このように高周波変調可能な半導体レーザーは、その接合部に存在する電子分布の非線形性のために、変調度が１０パーセントから２０パーセント程度であっても、印加高周波電圧の周波数でくり返すパルス幅数十ピコ秒のパルス状の光を出力する。このパルス状のレーザー発振によってパルス幅内の短時間に、上述の接合部の電子分布の密度が急激に変化する。したがって接合部の屈折率も急激に変化し、発振光は大きい変調度で周波数変調を受ける。一般に、周波数変調のスペクトルは広い周波数帯域に広がることが知られている。その結果、直流励起では、ほぼ単一のチップ縦モードで発振していたレーザーが多くの縦モードで発振することとなり、広いスペクトルが得られる。なお、上記約０．８ＧＨｚ以下の変調周波数では変調波形にほぼ忠実な変化を示す光強度変化となり、パルス状の光出力とはならない。また約３ＧＨｚ以上の変調周波数では、光出力は変調波形に追随できず、一定出力となって、やはりパルス状の光出力とはならない。一方レーザー発振は、ハロゲンランプやＳＬＤとは異なり、通常の半導体レーザーが持つ程度の高い空間コヒーレンス性を持っている。それ故、ハロゲンランプやＳＬＤでは得られなかった低コヒーレンス性と高い空間コヒーレンス性とを併せ持ち、干渉膜厚測定に最適な光源が、変調半導体レーザーによって得られる。
【００２４】
干渉計の２つの腕のうちファイバーの長さを変化する方の腕はこの実施例では非測定光路腕１２であり、腕１２を構成する主要要素であるファイバー１８を数十メートルの長尺なものとしてある。これをジルコン酸チタン酸鉛（いわゆるＰＺＴ）などの例えば円筒状の圧電素子（既知方法でポーリングしてある）の円筒１９１に一定の張力と、好ましくは、一定の逆バイアス電圧を与えつつ巻き付けた圧電ファイバー長可変装置１９である。この圧電素子の筒１９１に圧電素子励起電源２０からの励起電圧を加える。この励起電圧は一定電圧のもの（ＤＣ）でも所望の周波数の所望の波形で変化するもの（ＡＣ）でもよい。圧電ファイバー長可変装置１９の構成の１例を図２に示す。図２では、円筒形の圧電素子１９１に長尺ファイバー１８を多数回巻き付け、圧電素子に設置した適当な電極に、すなわちこの実施では図２で示す円筒内壁と外壁とのそれぞれの全面に金メッキなどで設けた電極１９３と１９４間に、直流電源２０１からの電圧、低周波交流電源２０２からの電圧、または、それらの電圧を図示のフィルター回路（Ｌ＋Ｃ）を介した電圧を同時に印加する。これによって、円筒１９１の直径を一定にまたは周期的に変化させ、ファイバーに張力を与えてファイバーの長さを一定に、または周期的に変化させている。図２の構造では、通常のクラッド径１２５ｍｍのファイバーを用い、円筒形圧電素子の筒厚５ｍｍのとき、印加電圧１００Ｖで、ファイバー１０ｍあたり１ｍｍの伸びが得られた。
【００２５】
先にも図９に関してのべたように、本発明のような低コヒーレンス干渉計において干渉波形が現れるのは、干渉計の両腕の長さが等しくなる状態の近辺のみである。したがって非測定光路腕１２が長尺ファイバーを含む本実施例では、腕１２のこの長尺ファイバーと長さのバランスをとるために測定光路腕１１の大部分を構成するファイバー長は、非測定光路腕１２の長尺ファイバー長から被測定物６直前の空間伝搬路長１４（但しファイバー内光伝搬路に換算したもの）を差し引いた長さからなるものでなければならない。それ故図１の測定光路腕１１のファイバー１７は空芯に巻き付けた長尺ファイバー１９９を含んで作られている。
【００２６】
上に述べた圧電ファイバー長可変装置１９によって、干渉計の一方の腕１２の長さが可変となるので、図１０に示した従来技術のファイバー干渉計において干渉計の腕１２の長さを変えるために設けられていた反射鏡７直前の空間伝搬路１５はもはや必要でなくなる。それゆえ本発明では腕１２を構成するファイバーの終端の端面に直接高反射コーティング２５を施して、これを干渉計の腕１２の反射鏡としている。これによって、図１０に示したようなの空間伝搬路１５を取り除くことができ、装置の組立の容易性と（空間伝搬路１５の長さやミラーと光線の垂直性の調整が不要であること）干渉計の安定性の向上（上記の長さやミラーの角度と運動の方向のずれの校正が不要であること）に寄与することができる。
【００２７】
上に述べた圧電ファイバー長可変装置は、これをアルフェロ合金や希土類金属間化合物（いわゆるターフェノール）などの磁気ひずみ体を用いた磁気ひずみファイバー長可変装置で置き換えてもよい。その一例を図１１に示す。図１１に示すものは棒状（ａ）あるいはトロイダル状（ｂ）に形成された磁気ひずみ体６００に磁界をかけるための図に細線で示した電気導体巻線５００と太線で示したファイバー１８をともに巻き付けたものである。ファイバー巻き付け時に張力を与えつつ巻くことと、その時に磁気ひずみ体６００が細くなる極性の直流バイアスのかけ方、動作時の直流バイアスのかけ方などの配慮の仕方は、圧電ファイバー長可変装置の場合と同様である。
【００２８】
次に、図１に示した本発明の第１の実施例による干渉を用いた薄膜膜厚測定装置による測定動作を説明する。
圧電ファイバー長可変装置１９に加えられる圧電素子励起電源２０からの電圧を掃引することによって干渉計の一方の腕１２の長さを変化させる。圧電ファイバー長可変装置１９の圧電素子１９１に巻き付けた長尺ファイバー１８が十分長く、電源２０からの挿引電圧幅も十分大きい場合には、腕１２の光学長の変化を被測定光学膜厚よりも大きくできる。故に腕１２の長さの変化を被測定物６の膜６９の光学膜厚よりも大きくできる。そして腕１１の光線の終端部には、被測定物６の反射面として膜６９の表面６Ａと裏面６Ｂの２面存在することから、このようにすると、腕１２の長さの変化に対する干渉強度波形の変化は、図３に示すように２カ所生ずる。なお被測定物６は、その被測定薄膜６９の表面６Ａ及び裏面６Ｂを、ほぼ腕１１のレンズ１６から投射される光の光軸に垂直に調整するためのゴニオメータ式の２自由度角度微調整装置６９０により保持される。
【００２９】
図３の横軸は、あらかじめ、被測定物６を反射鏡に置き換えて、これを所定の距離ずつ移動することにより、腕１２の機械的な長さ、すなわち、通常の意味での実際の長さの変化として目盛ることが可能であるから、図３中での横軸は腕１２の機械的長さとして示せる。このような横軸の目盛りの上での２つの干渉ピーク間の間隔をＬで表す。
また、上の２カ所の干渉ピークは薄膜６９内の光の往復に基づいて起こるから、これら２カ所の干渉ピークの（機械的距離で目盛った）間隔Ｌは、薄膜６９の光学長、すなわち、薄膜６９の光学的厚さ（薄膜の機械的厚さに薄膜の屈折率をかけた値）Ｔｏｐｔの１／２である。したがって、
【００３０】
【数１】
0003542346.tif 000002
【００３１】
と表される。すなわち、図３の強度変化のピーク間隔で測定された距離Ｌは、測定しようとしている薄膜の機械的な膜厚の１／２ではなく、薄膜の光学膜厚Ｔｏｐｔの１／２である。
【００３２】
被測定物６の薄膜６９の屈折率ｎが既知である場合には、測定された光学膜厚Ｔｏｐｔから、求める薄膜の機械的な膜厚Ｔは、先に述べた光学長と機械長との関係によって
【００３３】
【数２】
0003542346.tif 000003
【００３４】
で与えられる。以上によって、屈折率ｎが既知である場合には薄膜６９の膜厚Ｔが求められることになる。
【００３５】
被測定物６の薄膜６９の屈折率ｎが未知である場合には、上で測定された光学膜厚
Ｔｏｐｔと独立に被測定物６の屈折率ｎを測定しなければならない。このように、光学膜厚
Ｔｏｐｔと屈折率ｎを互いに独立に求める方法としては、すでに、先にも述べたように、文献１，文献２，特開平９−２１８０１６などがある。
【００３６】
本発明では、よりシンプルで安定な方法として、以下に述べる可動部分の少ない方法を用いている。
先に述べた方法によって、被測定物６の光学膜６９の厚さＴｏｐｔは既に求まっているものとする。このＴｏｐｔの測定中の腕１１のファイバー１７、光投射光学手段であるレンズ１６、そのレンズを光軸方向に移動する移動ヘリコイド１６０、測定物６、測定物６をその被測定薄膜６９の面内で直交する２軸ＸとＹとの回りに２自由度で姿勢微調整するゴニオメータ式調整装置６９０、の相互位置の配置を図４（ａ）に示す。この状態では、ファイバー１７の端面とレンズ１６の間の距離はレンズの焦点距離ｆに保たれていて、レンズ１６からの出射光は並行光となっており、それによって、図３に示したように、干渉強度変化の上に、２つののピークを得ている。この状態において、ファイバー１７の端面と被測定物６の間の距離ｇを、たとえば、レンズ１６の焦点距離ｆの４倍以上５倍までの距離、すなわち、
【００３７】
【数３】
0003542346.tif 000004
【００３８】
の範囲の所定の距離ｇに固定する。つぎに、このように一旦距離ｇを固定したまま、レンズ１６だけを被測定物の方向に移動させる。その結果、レンズ１６から出射した光は並行光ではなくなり、被測定物６の薄膜６９の表面６Ａ、裏面６Ｂのいずれからの反射光も発散するため、大部分の光はファイバー１７には戻らない。この結果、干渉ピークは消失する。［式３］は、１枚のレンズ１６で、レンズの移動に対して、被測定薄膜６９の表面６Ａ、裏面６Ｂで結像を得るための条件である。
【００３９】
さらに、レンズ１６を被測定物６の薄膜６９の方向に移動させてゆくと、やがて図４（ｂ）に示すように、集光束は被測定薄膜６９の裏面６Ｂで結像する。裏面６Ｂで結像の様子をさらに詳しく示すために、図４（ｄ）に図４（ｂ）の拡大図を示す。集光光線は、被測定薄膜６９の持つ屈折率のため薄膜６９の表面６Ａで屈折する。光線の入射角と屈折角とは屈折の法則を満足するように屈折する。このときのレンズ１６の最初の状態からの移動距離をａとする。ここで、薄膜の裏面６Ｂへの入射光と反射光とは互いに共焦点の関係となっており、反射光の大きな部分が、ファイバー１７に戻り、干渉計中での干渉強度パターン上に１個のピークが現れる。このとき、表面６Ａでは結像しておらず、共焦点状態を満足していないので、表面からの反射光による干渉ピークは現れない。すなわち、裏面と表面とからの２個のピークは同時には現れず、上述のように１個のピークが現れるのみである。
【００４０】
さらに、レンズ１６を被測定物の方向に移動させてゆくと、やがて、図４（ｃ）に示すように、集光束は被測定薄膜６９の表面６Ａに結像する。このとき、裏面６Ｂでの結像の場合と同様、反射光の大きな部分が、ファイバー１７に戻り、干渉計中での干渉強度パターン上に１個のピークが現れる。ここでのレンズ１６の、図４（ｃ）の状態からの移動距離をｂとする。レンズの焦点距離ｆ、上記の距離、ａ、ｂ、ｃ、ｇおよび、薄膜６９の屈折率ｎなどの間には、レンズの結像関係式と屈折の法則から図４を参照して以下の諸式が成立することがわかる。
【００４１】
図４（ｂ）において、ｃはレンズ１６から被測定薄膜６９への収束入射光束の膜６９中への延長線（破線）の交点までの距離である。レンズの結像公式から、
【００４２】
【数４】
0003542346.tif 000005
【００４３】
が成立する。また、図から明らかなように、
【００４４】
【数５】
0003542346.tif 000006
【００４５】
の関係がある。被測定薄膜６９の表面６Ａで起こる屈折について、屈折の法則から、次の［式６］が成立する。
【００４６】
【数６】
0003542346.tif 000007
【００４７】
［式４］、［式５］、［式６］からｃを消去して次の［式７］が得られる。
【００４８】
【数７】
0003542346.tif 000008
【００４９】
［式７］の最右辺はすべて既知量である。先の［式２］より
【００５０】
【数８】
0003542346.tif 000009
【００５１】
である。Ｔｏｐｔは既に測定されている既知量である。  ［式６］、［式７］、［式８］から
【００５２】
【数９】
0003542346.tif 000010
【００５３】
【数１０】
0003542346.tif 000011
【００５４】
ｄは［式７］により既知量であるから、［式９］［式１０］により薄膜６９の膜厚Ｔと屈折率ｎがそれぞれ独立に得られたことになる。この測定の間、ファイバー出力端と被測定物との間の距離ｇは一定に保たれている。
なお、図４の（ｃ）では、レンズの位置がさらに図中に示したｂだけ前進しており、被測定薄膜の表面６Ａで結像しており、干渉強度パターンにピークが現れるので、表面６Ａの結像を確認することができる。このｂの値と先にも用いたａ，ｆ，ｇの値の間には［式４］と同様なレンズによる結像関係が成立している。このときのファイバー１７の端面とレンズ１６の間の距離、レンズ１６と被測定薄膜の表面６Ａとの間の距離、はいずれもレンズ１６の焦点距離ｆのほぼ２倍となっている。
【００５５】
上の測定の間、ファイバー出力端と被測定物との間の距離ｇは先にも述べたように一定に保たれていた。このような測定が可能なｇの範囲は、ｇが［式３］を満足しておればよく、厳密に定められた値である必要はない。そこで、調節可能で、かつ、固定可能な枠構造（投射光を遮らない）をファイバー出力端に取り付けて、被測定物にこの枠構造先端部を軽くタッチして測定を行うことにより被測定物の設定がシンプルで安定な測定が可能となる。
【００５６】
次に被測定薄膜が、レンズの焦点ｆにくらべて半径の小さい円筒体や球殻体状の曲面状の薄膜である場合について、第２の実施例を図５を用いて説明する。円筒体状薄膜の例としては、細管チューブそのもの、またはその外面上に形成された薄膜、球殻体状薄膜についての例としては、真珠の成長層などがある。これらの場合には、被測定薄膜が平面状の場合の図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）が図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に置き換わる。図４（ａ）では
Ｔｏｐｔを測定する際のファイバー１７とレンズ１６間の距離をレンズの焦点距離ｆに一致させたが、球体薄膜の場合には図５（ａ）に示すように、その距離を焦点距離ｆの２倍付近の値ｈ、すなわち、
【００５７】
【数１１】
0003542346.tif 000012
【００５８】
にとり、干渉強度パターン上に２つのピークが生じるよう球状被測定物をセットすればよい。これ以後の測定プロセスは、図の４の（ｂ），（ｃ），（ｄ）と同様な図５の（ｂ），（ｃ），（ｄ）のプロセスとなるので、［式４］〜［式７］中のｆをｈに置き換えればよく、最終的には、、［式８］〜［式９］がそのまま適用でき、球面上薄膜についても、膜厚Ｔと屈折率ｎとをそれぞれ独立に測定することができる。
【００５９】
第３の実施例の配置図を図６に示す。本実施例では、腕１１と腕１２の両方に同一の特性を持つ圧電ファイバー長可変装置１９Ａ、１９Ｂを、それぞれに設置している。圧電ファイバー長可変装置１９Ａ、１９Ｂには、それぞれ励起電源２０Ａ、２０Ｂからの励起電圧が印加される。直流を印加するか、低周波交流電圧を印加するか、あるいは、それらを重畳して印加するか、いずれの場合にしても、それらを独立に印加しても、共通の電圧を印加してもよい。特に共通の電圧を印加する場合には、それらの波形が両圧電素子に互いに逆相として働くように印加すれば、同一電圧で両腕の長さの差を図１の単一のファイバー長可変装置の場合の２倍変化させることができ、測定可能膜厚レンジを拡大することができる。また、同一電圧を印加する場合は、電源を１個として、各圧電素子への印加方向を逆にしても、同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００６０】
本発明は、実施例とその各種の側面に関して特に説明してきたが、その種々の変更や変形が本発明の精神と目的から逸脱することなくなされ得ることは当該分野に通常に精通したなんびとによっても理解されるところであろう。
【００６１】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、被測定薄膜の直前の光空間伝搬路以外の部分の干渉計の光伝搬路をすべてファイバーとすることが可能となる。また、低コヒーレンス光源として高周波変調半導体レーザーを用いたことで、光伝搬路をほぼファイバー化したにもかかわらず、光源出力の利用効率を高めることができる。しかも被測定物の膜厚と屈折率を単一の装置の単一の可動部分の操作によって測定できる。また、これらの測定方法と測定装置は、平面状薄膜に限らず、球面状、円筒状その他各種の曲面状薄膜の測定にも適用できる。これらの結果、他物体上に形成された薄膜、あるいは、チューブ状、曲面状の薄膜に適用できる。しかもこの膜厚測定装置は組立容易で、使用の都度専門家による調整など不要で、安定性に優れ、膜厚が安定して測定可能である。したがって産業上の効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の膜厚測定装置の光学的配置図と光源励起電源回路
【図２】第１の実施例に使われる圧電式ファイバー長可変装置の斜視図とその励起電願部の回路図
【図３】第１の実施例における干渉計の腕の長さに対する干渉強度波形の変化
【図４】第１の実施例の測定原理を説明するための、被測定物直前の空間伝搬部の種々の光学的配置状態の図
【図５】第２の実施例の測定原理を説明するための被測定物直前の空間伝搬部の種々の光学配置状態の図
【図６】第３の実施例の膜厚測定装置の光学配置図
【図７】従来の空間伝搬光路型膜厚計測装置の原理を示す光学的配置図
【図８】従来の空間伝搬形の干渉計において、コヒーレンス光源を用いたときの１個の反射鏡の変位に対する両腕からの干渉強度の変化を示す図
【図９】従来の空間伝搬形の干渉計において、低コヒーレンス光源を用いたときの１個の反射鏡の変位に対する両腕からの干渉強度の変化を示す図
【図１０】従来のファイバー化膜厚測定装置の光学的配置図
【図１１】本発明の実施例に使用する磁気ひずみ装置の２つの例を示す斜視図であり、（ａ）は円筒状の構造を持つもの、（ｂ）はトロイダル状の構造を持つものである。
【符号の説明】
１    光源、半導体レーザー
２    ハーフミラー
３    入射光
４    透過光
５    反射光
６    被測定物
６Ａ    被測定薄膜の表面
６Ｂ    被測定薄膜の裏面
７    反射鏡
８、９    干渉光
１０    光検出器
１１、１２    干渉計の腕
１３    変位装置
１４、１５    空間伝搬路
１６、２６    レンズ
１７    ファイバー
１８    長尺ファイバー
１９、１９Ａ、１９Ｂ    圧電ファイバー長可変装置
２０、２０Ａ、２０Ｂ    圧電素子励起電源
２１、２２、２３、２４    方向性結合器の端子
２５    高反射コーティング
６９    膜
１００    バイアスティー
１０１    直流電源
１０２    高周波電源
１９１    圧電素子
１９３、１９４    電極
２０１    直流電源
５００    電気導体巻線
６００    磁気ひずみ体
【図１】
0003542346.tif 000013
【図２】
0003542346.tif 000014
【図３】
0003542346.tif 000015
【図４】
0003542346.tif 000016
【図５】
0003542346.tif 000017
【図６】
0003542346.tif 000018
【図７】
0003542346.tif 000019
【図８】
0003542346.tif 000020
【図９】
0003542346.tif 000021
【図１０】
0003542346.tif 000022
【図１１】
0003542346.tif 000023