(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロメートル程度以下の薄膜に対する膜厚測定を高精度で行い、バックグランド成分を除去する仕組みを持つ装置を提供する。【解決手段】バックグランド信号の混入防止のため、以下の方法を組み入れた薄膜評価装置とする。（１）周波数の違いを利用し、周波数フィルターでバックグランド成分の元となる光を除去する。（２）光路の違いを利用し、振動検出信号の強度だけがある周期で振動するようにし、その周波数成分を含む信号のみ抽出する。（３）振動検出信号成分とバックグランド成分の位相が９０度ずれるようし、ロックインアンプでバックグランド成分を除去する。（４）振動検出信号の周波数をバックグランド信号の周波数の倍にし、振動検出信号の周波数に合わせて信号検出を行い、バックグランド信号を除去する。【選択図】      図１
2006125996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の２個の光（周波数：ｆ１、ｆ２）、プローブ光（周波数：ｆｐ）、及び干渉測定用のローカル光（周波数：ｆｒ）の計４個の光と、干渉光用検出器と、前記２個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて｜ｆｐ−ｆ１＋ｆ２−ｆｒ｜の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ２）と前記ローカル光（周波数：ｆｒ）を１個の連続レーザーから作り出してｆ２＝ｆｒの関係を持たせる手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ１）と前記プローブ光（周波数：ｆｐ）を別の１個の連続レーザーから作り出して周波数差｜ｆ１−ｆｐ｜を一定値に保持する手段と、前記周波数差｜ｆ１−ｆｐ｜で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号（周波数：｜ｆ１−ｆｐ｜）を検出するロックインアンプと、前記２個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段を備え、試料表面で反射した後の前記プローブ光に含まれるシフト成分（周波数：｜ｆｐ−ｆ１＋ｆ２｜）と試料表面を経ることなく前記干渉光用検出器に到達する前記ローカル光（周波数：ｆｒ）の両周波数とは異なる周波数の光を遮蔽するフィルターを試料と前記干渉光用検出器の間に設置することを特徴とする薄膜評価装置。
【請求項２】
薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の２個の光（周波数：ｆ１、ｆ２）、プローブ光（周波数：ｆｐ）、及び干渉測定用のローカル光（周波数：ｆｒ）の計４個の光と、干渉光用検出器と、前記２個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて｜ｆｐ−ｆ１＋ｆ２−ｆｒ｜の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ２）と前記ローカル光（周波数：ｆｒ）を１個の連続レーザーから作り出してｆ２＝ｆｒの関係を持たせる手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ１）と前記プローブ光（周波数：ｆｐ）を別の１個の連続レーザーから作り出して周波数差｜ｆ１−ｆｐ｜を一定値に保持する手段と、前記周波数差｜ｆ１−ｆｐ｜で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号（周波数：｜ｆ１−ｆｐ｜）を検出するロックインアンプと、前記２個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段と、前記ローカル光の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする２段目のロックインアンプを備えた薄膜評価装置。
【請求項３】
薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の２個の光（周波数：ｆ１、ｆ２）、プローブ光（周波数：ｆｐ）、及び干渉測定用のローカル光（周波数：ｆｒ）の計４個の光と、干渉光用検出器と、前記２個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて｜ｆｐ−ｆ１＋ｆ２−ｆｒ｜の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ２）と前記ローカル光（周波数：ｆｒ）を１個の連続レーザーから作り出してｆ２＝ｆｒの関係を持たせる手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ１）と前記プローブ光（周波数：ｆｐ）を別の１個の連続レーザーから作り出して周波数差｜ｆ１−ｆｐ｜を一定値に保持する手段と、前記周波数差｜ｆ１−ｆｐ｜で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号（周波数：｜ｆ１−ｆｐ｜）を検出するロックインアンプと、前記２個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ２）の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする２段目のロックインアンプを備えた薄膜評価装置。
【請求項４】
薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の２個の光（周波数：ｆ１、ｆ２）、プローブ光（周波数：ｆｐ）、及び干渉測定用のローカル光（周波数：ｆｒ）の計４個の光と、干渉光用検出器と、前記２個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて｜ｆｐ−ｆ１＋ｆ２−ｆｒ｜の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ１）と前記プローブ光（周波数：ｆｐ）を１個の連続レーザーから作り出してｆ１＝ｆｐの関係を持たせる手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ２）と前記ローカル光（周波数：ｆｒ）を別の１個の連続レーザーから作り出して周波数差｜ｆ２−ｆｒ｜を一定値に保持する手段と、前記周波数差｜ｆ２−ｆｒ｜で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号（周波数：｜ｆ２−ｆｒ｜）を検出するロックインアンプと、前記２個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ１）の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする２段目のロックインアンプを備えた薄膜評価装置。
【請求項５】
薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の２個の光（周波数：ｆ１、ｆ２）、プローブ光（周波数：ｆｐ）、及び干渉測定用のローカル光（周波数：ｆｒ）の計４個の光と、干渉光用検出器と、前記２個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて｜ｆｐ−ｆ１＋ｆ２−ｆｒ｜の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ２）と前記ローカル光（周波数：ｆｒ）を１個の連続レーザーから作り出してｆ２＝ｆｒの関係を持たせる手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ１）と前記プローブ光（周波数：ｆｐ）を別の１個の連続レーザーから作り出して周波数差｜ｆ１−ｆｐ｜を一定値に保持する手段と、前記周波数差｜ｆ１−ｆｐ｜で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号（周波数：｜ｆ１−ｆｐ｜）を検出するロックインアンプと、前記２個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段と、前記ヘテロダイン干渉信号(周波数：｜ｆ１−ｆｐ｜）とそこに混入するバックグランド信号(周波数：｜ｆ１−ｆｐ｜）の位相差を９０度に保つ手段と、前記ヘテロダイン干渉信号(周波数：｜ｆ１−ｆｐ｜）と前記ロックインアンプの参照信号（周波数：｜ｆ１−ｆｐ｜）の位相差を０度に保つ手段を備えた薄膜評価装置。
【請求項６】
薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の２個の光（周波数：ｆ１、ｆ２）、プローブ光（周波数：ｆｐ）、及び干渉測定用のローカル光（周波数：ｆｒ）の計４個の光と、干渉光用検出器と、前記２個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて｜ｆｐ−ｆ１＋ｆ２−ｆｒ｜の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ１）と前記プローブ光（周波数：ｆｐ）を１個の連続レーザーから作り出してｆ１＝ｆｐの関係を持たせる手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ２）と前記ローカル光（周波数：ｆｒ）を別の１個の連続レーザーから作り出して周波数差｜ｆ２−ｆｒ｜を一定値に保持する手段と、前記周波数差｜ｆ２−ｆｒ｜で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号（周波数：｜ｆ２−ｆｒ｜）を検出するロックインアンプと、前記２個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段と、前記ヘテロダイン干渉信号(周波数：｜ｆ２−ｆｒ｜）とそこに混入するバックグランド信号(周波数：｜ｆ２−ｆｒ｜）の位相差を９０度に保つ手段と、前記ヘテロダイン干渉信号(周波数：｜ｆ２−ｆｒ｜）と前記ロックインアンプの参照信号（周波数：｜ｆ２−ｆｒ｜）の位相差を０度に保つ手段を備えた薄膜評価装置。
【請求項７】
薄膜中に超音波を発生させ、前記超音波の振動数に対する表面振動振幅の依存性を測定する装置であって、超音波励起用の２個の光（周波数：ｆ１、ｆ２）、プローブ光（周波数：ｆｐ）、及び干渉測定用のローカル光（周波数：ｆｒ）の計４個の光と、干渉光用検出器と、前記２個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段と、前記ビート状ポンプ光と前記プローブ光を試料表面に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を前記干渉光用検出器に導く光学回路と、前記ローカル光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて｜ｆｐ−ｆ１＋ｆ２−ｆｒ｜の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ１）と前記プローブ光（周波数：ｆｐ）を１個の連続レーザーから作り出して周波数差｜ｆ１−ｆｐ｜を一定値に保持する手段と、前記超音波励起光（周波数：ｆ２）と前記ローカル光（周波数：ｆｒ）を別の１個の連続レーザーから作り出して周波数差｜ｆ２−ｆｒ｜を一定値に保持する手段と、前記４個の光の周波数にｆ１＋ｆ２＝ｆｐ＋ｆｒの関係を持たせる手段と、前記周波数差｜ｆ１−ｆｐ｜の２倍の周波数で振動する周期信号を参照信号として前記ヘテロダイン干渉信号（周波数：２｜ｆ１−ｆｐ｜）を検出するロックインアンプと、前記２個の連続レーザーの片方、または両方を波長可変連続レーザーとしてその波長を変化させることにより前記超音波の振動数を走査する手段を備えた請求項１記載の薄膜評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー励起による弾性波を利用して薄膜の膜厚、膜質、または薄膜中の音速等を測定する薄膜評価装置に関する。特に、半導体製品における薄膜の膜厚測定に利用される。また、半導体製品以外であっても、磁気記録テープ、磁気記録ディスク、光記録ディスク、コーティング鋼板等、薄膜が設けられている試料であれば、本願発明の測定対象となり得る。
【背景技術】
【０００２】
従来、膜厚がマイクロメートル程度以下の不透明薄膜の膜厚を非破壊で測定する方法として、ポンププローブ法により薄膜中に弾性波を発生させ、薄膜界面で反射した弾性波エコーが表面に戻ってくるまでの時間を測定し、その時間に既知の音速を乗じて膜厚に換算する方法が使われている。この方法は、古くから使われているパルス法の特殊な例である。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この方法の原理を以下に説明する。ポンプ光が不透明薄膜に照射されると、試料が不透明であるがゆえに、最表面の限られた深さ範囲でのみポンプ光のエネルギーが吸収される。また、パルス状のポンプ光を使用するため、照射した一瞬にエネルギーが吸収される。そのため、部分的に集中したエネルギーがパルス状の弾性波となり、試料内部に進行していく。この弾性波は、薄膜界面等の材質が不均一になる部分で一部が反射され、試料表面に向かい戻ってきて、エコーとなる。弾性波が表面に到達すると、最表面の体積を伸縮させ、結果として試料表面が変動する。試料表面まで到達した弾性波は、再度、試料内部に向かって進行し、材質が不均一な部分で反射し、２回目のエコーとなる。このようなエコーの到達周期を求めるために、試料表面位置の時間変化を観測する。ポンププローブ法では、この時間変化を求めるために、プローブ用パルス光を試料表面に照射し、反射光を測定して試料表面位置を求める。プローブ光がパルス状なので、そのパルス幅での短時間サンプリング測定となる。したがって、ポンプ光照射からプローブ光照射までのタイミングを変えて多くのサンプリング結果を集めて、試料表面位置の時間変化を再構成する必要がある。タイミングを変えるために、プローブ光源と試料の間の光路長を変化させるための遅延光路が設けられる。
【０００４】
図１０を用いて上記の従来技術に関して説明する。２分の１波長板１９を用いてパルスレーザー１４の偏光方向を変え、偏光ビームスプリッター７により分離されるポンプ光５７とプローブ光５８の割合を調節する。超音波励起用のポンプ光５７は、ミラー２８、偏光ビームスプリッター１１、ビームスプリッター１６と通過した後、レンズ５により試料表面に集光される。一方、プローブ光５８は、ポンプ光照射時からのタイミングを変えるための遅延光路５６、ミラー５２と通過して、偏光ビームスプリッター１１によりポンプ光５７に重ねられ、ビームスプリッター１６により試料６、及びミラー５３の方向に分離される。試料６に向かう光は、レンズ５により試料表面に集光され、振動する表面で反射される。試料表面の変位の影響を受けた反射光は、ビームスプリッター１６により、ミラー５３で反射されて戻ってきた参照光と重ねあわされ、干渉光６０として干渉光用検出器３で検出される。干渉光用検出器３からの出力は、アンプ４８で増幅された後、ロックインアンプ５０の入力信号として使われる。ミラー５３を図中で横方向に移動させ、参照光の光路長を変化させて位相を調整する。ビームスプリッター１６と干渉光用検出器３の間に設置された偏光板２６は、プローブ光５８と同じ偏光成分のみを干渉光用検出器３側に通過させる。また、ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator：音響光学変調器）１８を使用してポンプ光５７の光路を周期的に開閉し、この周期と位相に同期させて、ロックインアンプ５０による測定を行う。周期と位相を同期させるために、ドライバー２２からＡＯＭ１８、及びロックインアンプ５０に、同一の周期信号を送る。ロックインアンプ５０の利用により、ポンプ光５７が試料に届かない状態での測定値をバックグランド信号として、ポンプ光５７が届く時の測定結果から引き、Ｓ／Ｎ比を向上させる。データ収集システム４３により、ロックインアンプ５０からの出力を記録する。データ収集システムは、遅延光路用コントローラー３８を通して、遅延光路５６内の光路長を変化させる。
【０００５】
不透明薄膜の膜厚を測定する他の方法として、パルス光ではなく、周期的な強度変調光を弾性波の励起源とした共振法も使われている。（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
この方法の原理を以下に説明する。ポンプ光により弾性波が発生する仕組みは上記ポンププローブ法とほぼ同様だが、ポンプ光が単発のパルス光ではなく、周期光である点が異なる。このため、エコー間隔とポンプ光周期がある関係を満たした時に共振状態となり、非共振状態と比較して試料表面の振動振幅が大きくなる。ここで満たすべき関係は、薄膜界面が固定端か、自由端かによって異なる。共振時の振動周期に既知の音速を乗じて膜厚に換算する。ポンプ光の周波数変化に対する試料表面の振動振幅の変化は、プローブ光によって測定する。上記ポンププローブ法とは異なり、ここで使用するプローブ光は連続光である。このように、上記ポンププローブ法ではプローブ光の光路長を走査するのに対し、共振法ではポンプ光の変調周期を走査する。
【０００７】
図１１を用いて上記の従来技術に関して説明する。ただし、図１０と共通する部分に関する説明は割愛する。光変調器５４を用いて連続レーザー５９の強度を周期的に変化させ、それを超音波励起用のポンプ光５７として使用する。この周期を変化させながら、薄膜の共振状態を測定する。ポンプ光５７は、ミラー５１、偏光ビームスプリッター１１、ビームスプリッター１６と通過した後、レンズ５により試料表面に集光される。一方、連続レーザー１から出たプローブ光５８は、偏光ビームスプリッター１１によりポンプ光５７に重ねられ、ビームスプリッター１６を通過後、レンズ５により試料表面に集光され、振動する表面で反射され、ビームスプリッター１６によりファブリーペロー干渉計５５、干渉光用検出器３へと導かれる。周波数シフトした成分のみがファブリーペロー干渉計５５を通過して、干渉光用検出器３に到達する。ビームスプリッター１６とファブリーペロー干渉計５５の間に設置された偏光板２６は、プローブ光５８と同じ偏光成分のみをファブリーペロー干渉計５５側に通過させる。データ収集システムは、光変調器用コントローラー３７を通して、光変調器５４を駆動する。
【０００８】
不透明薄膜の膜厚を測定するさらに他の方法として、共振法で利用するレーザー励起光に、波長の異なる２個のレーザー光を干渉させて作ったビート光を利用する方法も使われている。（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
この方法の原理を以下に説明する。ポンプ光の周波数変化に対する試料表面の振動振幅の変化をプローブ光によって測定するという点では上記第２の従来技術と同じだが、ポンプ光の発生方法、及び試料表面の振動振幅の測定方法が異なる。この方法では、共振法で利用するポンプ光として、周波数の異なる２個の光（周波数：ｆ１、ｆ２）を干渉させて作ったビート状ポンプ光を利用して、試料表面を振動させる。この時、ポンプ光は｜ｆ１−ｆ２｜の周波数で強度変化する。プローブ光（周波数：ｆｐ）を試料表面で反射させ、反射光に含まれる周波数シフトした成分とローカル光（周波数：ｆｒ）を干渉させ、｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る。ｆ２＝ｆｒとして、一方のポンプ光をローカル光から分岐する。ｆ１＝ｆｐ＋Δωａ／２π、またはｆ１＝ｆｐ−Δωａ／２πとなるように、光変調器等を利用してもう一方のポンプ光をプローブ光から作り出す。結果として、ヘテロダイン干渉信号は常に同じ周波数（Δωａ／２π）で振動する。同じ周波数の信号を参照信号としてロックインアンプを利用して、ヘテロダイン干渉信号を検出する。２個のポンプ光の周波数差｜ｆ１−ｆ２｜を走査してロックインアンプの出力を測定し、試料薄膜の共振状態の周波数依存を調べる。
【００１０】
図１３を用いて上記の従来技術に関して説明する。超音波励起光、プローブ光、及びローカル光の発生源として、連続レーザー１と連続レーザー２の計２個のレーザーを使用する。連続レーザー２から出た光は、干渉光用検出器３まで到達するローカル光３６と超音波励起光３３の割合を調節するために、２分の１波長板２３により偏光方向を変えられた後、偏光ビームスプリッター１２により２方向に分割される。同様に、連続レーザー１から出た光は、干渉光用検出器３まで到達するプローブ光３５と超音波励起光３２の割合を調節するために、２分の１波長板１９により偏光方向を変えられた後、偏光ビームスプリッター７により２方向に分割される。実際には、参照信号用検出器４の方向に進んだ光は、２分の１波長板２０と偏光ビームスプリッター８の組み合わせ、及び２分の１波長板２１と偏光ビームスプリッター１０の組み合わせにより、さらに２回の調節と分割をされた後、超音波励起光３２となる。また、超音波励起光３２は、進行途中に設置されているＡＯＭ１８により周波数がシフトされる。プローブ光３５はミラー２８を通過した後、偏光ビームスプリッター１１によって超音波励起光３２と重ねられ、さらにビームスプリッター１５によって超音波励起光３３と重ねられ、ビームスプリッター１６を通過した後、レンズ５により試料６の表面に集光される。ビームスプリッター１５以降では、偏光方向が同じ超音波励起光３２と３３が干渉し、ビート状ポンプ光３４となっている。一方、ローカル光３６は、ミラー３０、ビームスプリッター１６と通過した後、試料表面で反射した後のプローブ光３５と干渉して、ヘテロダイン干渉光３９となる。したがって、ヘテロダイン干渉光３９と試料表面で反射した後のビート状ポンプ光３４が偏光板２６に到達するが、偏光方向の違いにより、ヘテロダイン干渉光３９のみが偏光板２６を通過して干渉光用検出器３で検出される。偏光ビームスプリッター７で分割されて参照信号用検出器４の方向に進んだ光の内、超音波励起光３２と分かれて参照信号用検出器４まで到達する２個の光（偏光ビームスプリッター８から偏光ビームスプリッター９に向けて直行する光と偏光ビームスプリッター１０とミラー２７を経由してから偏光ビームスプリッター９に向かう光）は、偏光板２５により偏光方向をそろえられて互いに干渉し、ヘテロダイン干渉光４１となり、参照信号用検出器４で検出される。干渉光用検出器３からの信号がロックインアンプの入力として、参照信号用検出器４からの信号がロックインアンプの参照信号として利用される。ＡＯＭ１８の変調周波数を固定したまま、連続レーザー１と連続レーザー２の周波数の差を走査してロックインアンプの出力を記録する。
【００１１】
上記３例では既知の音速を用いて時間を膜厚に換算する例を説明したが、これらは他の方法で実測した膜厚をエコー周期で除して薄膜中の音速を求める方法として、またはその音速から薄膜の物性を評価する方法としても使われる。また、エコー強度等のエコー周期以外の情報から薄膜表面、または界面の情報を得ることもできる。
【特許文献１】特開平５−１７２７３９号公報
【特許文献２】特開平４−１９１６５２号公報
【特許文献３】特開２００４−１３２９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
膜厚測定方法では、それぞれ、以下のような問題点があった。
【００１３】
上記第１の従来例で示したポンププローブ法においては、遅延光路の長さに制限が生じる。例えば、１マイクロメートルの膜厚の薄膜を測定する場合、膜中の音速を５０００ｍ／秒と仮定すると、1回目のエコーを観測するためには１２ｃｍの遅延光路長が必要になる。複数個のエコーを観測するためにはさらに複数倍の遅延光路長が必要となり、装置寸法からの制限が生じる。光ファイバー等で光路長を伸ばす方法もあるが、光路長を可変にする方法が難しく、光ファイバー中でパルス形状が劣化するという問題も生じる。したがって、ポンプ光の照射時から１回目のエコーまでの時間だけからエコー間隔を求めざるを得ない場合も生じ、膜厚に換算した時の精度が良くないという問題があった。
【００１４】
上記第２の従来例で示した共振法においては、共振法を利用することでポンププローブ法における測定精度の問題を解決することができる。しかし、１個の連続レーザーを強度変調して使用するために、電気的な周波数制御に限界があり、ポンプ光の変調周波数に制限が生じる。例えばマイクロメートル程度以下の薄膜測定には、ギガヘルツ以上、またはテラヘルツ程度の非常に高い変調周波数が必要であり、実用的ではないという問題があった。
【００１５】
上記第３の従来例で示した共振法においては、波長の異なる２個のレーザー光を干渉させて作ったビート光を利用することにより、非常に高い周波数で強度変化する励起光を用意することができ、マイクロメートル程度以下の薄膜測定に対しても共振法を利用することができる。さらに、ビート光を利用する共振法に適した振動測定手段として、ロックインアンプによるヘテロダイン干渉測定を利用する。しかし、試料表面で反射、または散乱した後の超音波励起光が検出器まで到達して、プローブ光の主成分と干渉すると、振動検出信号と同じ周波数を持つバックグランド成分となり、ロックインアンプの利用だけで除去することが困難であるという問題があった。
【００１６】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、マイクロメートル程度以下の薄膜に対する膜厚測定を高精度で行い、バックグランド成分を除去する仕組みを持つ装置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】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明では、波長の異なる２個のレーザー光を干渉させて作ったビート光を利用する共振法に、バックグランド信号の混入を防止するための以下のような方法を組み入れた薄膜評価装置とした。
【００１８】
（１）バックグランド成分の元となる光と振動検出信号の元となる光の周波数が異なることを利用し、バックグランド成分の元となる光をフィルターによってさえぎる。これにより、振動検出信号の元となる光のみが干渉光用検出器まで到達する。
【００１９】
（２）光路の違いを利用し、振動検出信号の強度だけがある周期で振動するようにし、その周波数成分を含む信号のみを２段目のロックインアンプで抽出する。
【００２０】
（３）振動検出信号成分とバックグランド成分の位相が９０度ずれるように光学回路を設置し、同時に、振動検出信号成分とロックインアンプの参照信号の位相が常にそろうようにする。これにより、ロックインアンプでバックグランド成分を除去する。
【００２１】
（４）一方の超音波励起光に対するローカル光の周波数シフトがもう一方の超音波励起光に対するプローブ光の周波数シフトと同じ大きさで、かつその増減方向が逆になるようにし、振動検出信号の周波数をバックグランド信号の周波数の倍にする。振動検出信号の周波数に合わせてロックインアンプでの信号検出を行うことで、バックグランド信号を除去して振動検出信号のみを測定する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２３】
ｆ２＝ｆｒ、かつ｜ｆ１−ｆｐ｜＝定数（Δωａ／２π）として、ビート状ポンプ光を生成するために使用した２個の連続レーザーをプローブ光とローカル光にも利用することで、ビート周波数を走査中でも固定周波数Δωａ／２πのヘテロダイン干渉信号をロックインアンプで検出できるので、信号処理系をその周波数に最適化した第１形態の薄膜評価装置を実現することができる。
【００２４】
ｆ１＝ｆｐ、かつ｜ｆ２−ｆｒ｜＝定数（Δωa／２π）として、ビート状ポンプ光を生成するために使用した２個の連続レーザーをプローブ光とローカル光にも利用することで、ビート周波数を走査中でも固定周波数Δωａ／２πのヘテロダイン干渉信号をロックインアンプで検出できるので、信号処理系をその周波数に最適化した第２形態の薄膜評価装置を実現することができる。
【００２５】
試料表面で反射した後のプローブ光に含まれるシフト成分（周波数：｜ｆｐ−ｆ１＋ｆ２｜）と試料表面を経ることなく干渉光用検出器に到達するローカル光（周波数：ｆｒ）の両周波数とは異なる周波数の光を遮蔽するフィルターを試料と干渉光用検出器の間に設置することで、第１形態の薄膜評価装置に対してバックグランド信号が振動検出信号に混入することを防ぐことができる。
【００２６】
ローカル光の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする２段目のロックインアンプを用いることで、第１形態の薄膜評価装置に対してバックグランド信号が振動検出信号に混入することを防ぐことができる。
【００２７】
超音波励起光（周波数：ｆ２）の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする２段目のロックインアンプを用いることで、第１形態の薄膜評価装置に対してバックグランド信号が振動検出信号に混入することを防ぐことができる。
【００２８】
超音波励起光（周波数：ｆ１）の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする２段目のロックインアンプを用いることで、第２形態の薄膜評価装置に対してバックグランド信号が振動検出信号に混入することを防ぐことができる。
【００２９】
ヘテロダイン干渉信号とそこに混入するバックグランド信号の位相差を９０度に保つ手段と、ヘテロダイン干渉信号とロックインアンプの参照信号の位相差を０度に保つ手段を用いることで、第１形態、及び第２形態の薄膜評価装置に対してバックグランド信号が振動検出信号に混入することを防ぐことができる。
【００３０】
｜ｆ１−ｆｐ｜＝｜ｆ２−ｆｒ｜＝定数（Δωａ／２π）、かつｆ１＋ｆ２＝ｆｐ＋ｆｒとして、ビート状ポンプ光を生成するために使用した２個の連続レーザーをプローブ光とローカル光にも利用することで、ビート周波数を走査中でも固定周波数Δωａ／πのヘテロダイン干渉信号をロックインアンプで検出できるので、信号処理系をその周波数に最適化した第３形態の薄膜評価装置を実現することができ、同時にΔωａ／２πで振動するバックグランド信号の混入を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
共振法で利用するポンプ光として、周波数の異なる２個の光（周波数：ｆ１、ｆ２）を干渉させて作ったビート状ポンプ光を利用して、試料表面を振動させる。プローブ光（周波数：ｆｐ）を試料表面で反射させ、反射光に含まれる周波数シフトした成分とローカル光（周波数：ｆｒ）のヘテロダイン干渉光を検出し、｜ｆｐ−ｆ１＋ｆ２−ｆｒ｜の周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を得る。従来技術として示した特許文献３では、この周波数を｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜と表している。これらの２種の表記の内容はほぼ同じだが、ｆ１−ｆ２がゼロに近い時には｜ｆｐ−ｆ１＋ｆ２−ｆｒ｜の方が適切である。
【００３２】
光変調器等を利用してｆ２＝ｆｒ、かつ｜ｆ１−ｆｐ｜＝定数（Δωａ／２π）とすることで、４個の光を２個の連続レーザーから作り出す。結果として、ヘテロダイン干渉信号は常に同じ周波数（Δωａ／２π）で振動する。同じ周波数の信号を参照信号としてロックインアンプを利用して、ヘテロダイン干渉信号を検出する第１形態の薄膜評価装置を実現する。
【００３３】
光変調器等を利用してｆ１＝ｆｐ、かつ｜ｆ２−ｆｒ｜＝定数（Δωａ／２π）とすることで、４個の光を２個の連続レーザーから作り出す。結果として、ヘテロダイン干渉信号は常に同じ周波数（Δωａ／２π）で振動する。同じ周波数の信号を参照信号としてロックインアンプを利用し、ヘテロダイン干渉信号を検出する第２形態の薄膜評価装置を実現する。
【００３４】
第１形態の薄膜評価装置に対して、試料と干渉光用検出器の間にフィルターを設置する。そのフィルターにより、試料表面で反射した後のプローブ光に含まれるシフト成分（周波数：｜ｆｐ−ｆ１＋ｆ２｜）と試料表面を経ることなく干渉光用検出器に到達するローカル光（周波数：ｆｒ）の両周波数とは異なる周波数の光を遮蔽する。
【００３５】
第１形態の薄膜評価装置に対して、ローカル光の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする２段目のロックインアンプを用いる。
【００３６】
第１形態の薄膜評価装置に対して、超音波励起光（周波数：ｆ２）の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする２段目のロックインアンプを用いる。
【００３７】
第２形態の薄膜評価装置に対して、超音波励起光（周波数：ｆ１）の強度を周期的に変化させる手段と、その振動周波数を参照信号とする２段目のロックインアンプを用いる。
【００３８】
第１形態、及び第２形態の薄膜評価装置に対して、各４個の光に対する光路長を調整し、ヘテロダイン干渉信号とそこに混入するバックグランド信号の位相差を９０度に保ち、かつヘテロダイン干渉信号とロックインアンプの参照信号の位相差を０度に保つ。
【００３９】
光変調器等を利用して｜ｆ１−ｆｐ｜＝｜ｆ２−ｆｒ｜＝定数（Δωａ／２π）、かつｆ１＋ｆ２＝ｆｐ＋ｆｒとすることで、４個の光を２個の連続レーザーから作り出す。結果として、ヘテロダイン干渉信号は常に同じ周波数（Δωａ／π）で振動する。同じ周波数の信号を参照信号としてロックインアンプを利用して、ヘテロダイン干渉信号を検出する第３形態の薄膜評価装置を実現する。
【００４０】
まず、本発明の基礎となる従来技術に関する実施形態について説明する。本発明の実施形態は、後半で説明するバックグランド成分の除去方法として説明する。
【００４１】
従来技術では、２個の連続レーザー、それらのレーザーから超音波励起用のビート状ポンプ光、薄膜共振観測用のプローブ光、及びヘテロダイン測定用のローカル光を分岐させるための光学回路、ビート状ポンプ光とプローブ光を試料表面に導く光学回路、干渉光用検出器、試料で反射したプローブ光（反射光）とローカル光を干渉光用検出器に導く光学回路、及びヘテロダイン測定のための検出回路を備えている。
【００４２】
ここでは、２個の連続レーザーを使用し、一方の連続レーザーからプローブ光と超音波励起光を、もう一方の連続レーザーからローカル光と超音波励起光を分岐させ、２個の超音波励起光を干渉させてビート状ポンプ光を作り出す。そのビート状ポンプ光のビート周波数を変化させることができるように、少なくとも一方の連続レーザーは周波数が連続可変でなければならない。マイクロメートル程度以下の薄膜を測定対象とするためには１ＧＨｚから１ＴＨｚ程度の周波数可変幅が必要となる。２個の連続レーザーの個々の周波数ではなく周波数差が重要なので、ビート状ポンプ光のビート周波数を常にモニターし、フィードバックをかけることで、高精度で安定した測定を行うことができる。そのためには、ビート光を電気信号やマイクロ波に変換した後に、スペクトルアナライザーでそのビート周波数を測定する方法等が考えられる。
【００４３】
従来技術の第１の形態について図１２を用いて説明する。図１２は、光路構成を簡略化して示した図で、実際には重なる光軸を分離して示している。また、各光路長を丸印で囲んだ文字で表している。プローブ光３５と超音波励起光３２の周波数にΔωａ／２πの差を設けるために、連続レーザー１の光路上にＡＯＭ等の変調器を設置する。変調器部分４０では、最適なΔωａを得られるように複数の変調器を組み合わせる場合もあるので、そのような場合も含めて簡略化した。連続レーザー１の電場はｓｉｎ（ω０ｔ＋α）に、連続レーザー２の電場はｓｉｎ（ω２ｔ＋β）に比例しているとすると、試料６の表面での超音波励起光３２の電場はＡｓｉｎ（ω１（ｔ−ｘ３／ｃ）−ω０ｘ１／ｃ＋α）、超音波励起光３３の電場はＣｓｉｎ（ω２（ｔ−ｘ５／ｃ）＋β）と表すことができる。ここで、ｘ１は連続レーザー１から変調器部分４０までの超音波励起光３２の光路長、ｘ３は変調器部分４０から試料６までの超音波励起光３２の光路長、ｘ５は連続レーザー２から試料６までの超音波励起光３３の光路長、αは連続レーザー１の初期位相、βは連続レーザー２の初期位相である。ω１は、変調器部分４０によってω０がΔωｂだけシフトした後の周波数である。Ａ、及びＣは、各光の電場強度を示す。また、ｃは光速を表す。光路途中の光学素子での反射等による位相変化は、換算して上記の光路長に含まれているとする。この時、試料表面での超音波励起光３２と超音波励起光３３の干渉光の強度Iは、以下のように表される。
【００４４】
Ｉ  ＝  （Ａｓｉｎ（ω１（ｔ−ｘ３／ｃ）−ω０ｘ１／ｃ＋α）  ＋
Ｃｓｉｎ（ω２（ｔ−ｘ５／ｃ）＋β））２
＝  Ａ２ｓｉｎ２（ω１（ｔ−ｘ３／ｃ）−ω０ｘ１／ｃ＋α）  ＋
Ｃ２ｓｉｎ２（ω２（ｔ−ｘ５／ｃ）＋β）  ＋
２ＡＣｓｉｎ（ω１（ｔ−ｘ３／ｃ）−ω０ｘ１／ｃ＋α）＊
ｓｉｎ（ω２（ｔ−ｘ５／ｃ）＋β）
最も周期の長い（ω１−ω２）ｔの項以外を時間平均し、近似計算すると、以下の解を得る。
Ｉ  ＝  Ａ２／２  ＋  Ｃ２／２  ＋
ＡＣｃｏｓ（（ω１−ω２）ｔ＋
（−ω１ｘ３−ω０ｘ１＋ω２ｘ５）／ｃ＋α−β）
上式は、両連続レーザーの差周波数（ビート周波数）で強度変化するビート状ポンプ光が試料６に照射されることを意味する。
ここで、超音波励起光３２と超音波励起光３３のレーザー光の強度、偏光、光軸、及びビーム径はそろっていることが望ましい。さらに、重ね合わせられた両ビームの発散、または集光の度合いがそろっていることが望ましい。例えば、片方のレーザー光が完全な平行光ではなく進行するにつれて少しずつ広がる光の場合、もう一方のレーザー光も同様の状態であることが望ましい。この時、上式において直流成分に対する交流成分の比率が最大となり、干渉の効率が最良となる。その時の干渉光の強度は以下のようになる。
Ｉ  ＝  Ａ２  ＋
Ａ２ｃｏｓ（（ω１−ω２）ｔ＋
（−ω１ｘ３−ω０ｘ１＋ω２ｘ５）／ｃ＋α−β）
連続レーザー１から分岐されたプローブ光３５は、超音波励起光３２の周波数よりΔωａ／２πだけずれた周波数になるように変調器部分４０で変調され、試料表面での電場はＢｓｉｎ（（ω１＋Δωａ）（ｔ−ｘ４／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋α）と表される。ここで、ｘ４は変調器部分４０から試料表面までのプローブ光３５の光路長、ｘ２は連続レーザー１から変調器部分４０までのプローブ光３５の光路長とする。Ｂはプローブ光３５の電場強度を示す。上記の超音波励起光の式より、ビート状ポンプ光による試料表面の振動はＵｃｏｓ（（ω１−ω２）ｔ＋（−ω１ｘ３−ω０ｘ１＋ω２ｘ５）／ｃ＋α−β＋θ）と表される。θはビート状ポンプ光のビート位相と表面振動の位相のずれを表す。
この時、反射直後の試料表面でのプローブ反射光は以下のように表される。ここで、プローブ光３５の周波数（（ω１＋Δωａ）／２π）をω３／２π、波数ベクトル（（ω１＋Δωａ）／ｃ）をκ、試料表面での反射率をｒで表す。また、ビート周波数（（ω１−ω２）／２π）をωｓ／２πで表す。｜ωｓ｜≪ω１、ω２、及びκＵ＜＜１とする。
【００４５】
ｒＢｓｉｎ（ω３（ｔ−ｘ４／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋α−
２κＵｃｏｓ（ωｓｔ＋（−ω１ｘ３−ω０ｘ１＋ω２ｘ５）／ｃ＋
α−β＋θ））
＝  ｒＢｓｉｎ（ω３（ｔ−ｘ４／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋α）＊
ｃｏｓ（２κＵｃｏｓ（ωｓｔ＋（−ω１ｘ３−ω０ｘ１＋
ω２ｘ５）／ｃ＋α−β＋θ））  −
ｒＢｃｏｓ（ω３（ｔ−ｘ４／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋α）＊
ｓｉｎ（２κＵｃｏｓ（ωｓｔ＋（−ω１ｘ３−ω０ｘ１＋
ω２ｘ５）／ｃ＋α−β＋θ））
≒  ｒＢｓｉｎ（ω３（ｔ−ｘ４／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋α）  −
２ｒＢκＵｃｏｓ（ω３（ｔ−ｘ４／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋α）＊
ｃｏｓ（ωｓｔ＋（−ω１ｘ３−ω０ｘ１＋ω２ｘ５）／ｃ＋
α−β＋θ）
＝  ｒＢｓｉｎ（ω３（ｔ−ｘ４／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋α）  −
ｒＢκＵｃｏｓ（（ω３＋ωｓ）ｔ＋（−ω３ｘ４−ω０ｘ２−
ω１ｘ３−ω０ｘ１＋ω２ｘ５）／ｃ＋
２α−β＋θ）  −
ｒＢκＵｃｏｓ（（ω３−ωｓ）ｔ＋（−ω３ｘ４−ω０ｘ２＋
ω１ｘ３＋ω０ｘ１−ω２ｘ５）／ｃ＋β−θ）
上記式より、反射光は元の周波数成分と周波数が±ωｓ／２πずれたシフト成分の計３種の光で構成されていることが分かる。また、シフト成分の大きさは、試料表面の振動振幅に比例することが分かる。
【００４６】
上記の反射光をＤｓｉｎ（ω２（ｔ−ｘ６／ｃ）＋β）で表されるローカル光３６と干渉させて、ヘテロダイン検出する。このローカル光３６は、連続レーザー２から分岐して生成する。連続レーザー２から干渉光用検出器３までのローカル光３６の光路長をｘ６、試料表面から干渉光用検出器３までの光路長をｘ７とする。Ｄはローカル光３６の電場強度を示す。また、｜Δωａ｜≪｜ω１−ω２｜とする。この時、干渉光の検出強度Ｉは以下のようになる。
【００４７】
Ｉ＝（ｒＢｓｉｎ（ω３（ｔ−（ｘ４＋ｘ７）／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋α）  −
ｒＢκＵｃｏｓ（（ω３＋ωｓ）（ｔ−ｘ７／ｃ）＋（−ω３ｘ４−
ω０ｘ２−ω１ｘ３−ω０ｘ１＋ω２ｘ５）／ｃ＋
２α−β＋θ）  −
ｒＢκＵｃｏｓ（（ω３−ωｓ）（ｔ−ｘ７／ｃ）＋（−ω３ｘ４−
ω０ｘ２＋ω１ｘ３＋ω０ｘ１−ω２ｘ５）／ｃ＋
β−θ）  ＋
Ｄｓｉｎ（ω２（ｔ−ｘ６／ｃ）＋β）  ）２
最も周期の長いΔωａｔの項以外を時間平均し、近似計算すると、以下の解を得る。ここで、交流成分として残るのは、ローカル光３６と、反射光中の周波数が−ωｓ／２πずれたシフト成分の間で生成されるヘテロダイン干渉光による信号である。
【００４８】
Ｉ  ≒  （ｒＢ）２／２  ＋  Ｄ２／２  ＋
ｒＢκＵＤｓｉｎ（Δωａｔ−（ω３−ωｓ）ｘ７−ω３ｘ４−
ω０ｘ２＋ω１ｘ３＋ω０ｘ１−ω２ｘ５＋ω２ｘ６）／ｃ−θ）
＝  （ｒＢ）２／２  ＋  Ｄ２／２  ＋
ｒＢκＵＤｓｉｎ（Δωａｔ＋（（−ｘ４−ｘ２＋ｘ３＋ｘ１）ω０＋
（−ｘ７−ｘ５＋ｘ６）ω２＋（−ｘ７−ｘ４）Δωａ＋
（−ｘ４＋ｘ３）Δωｂ）／ｃ−θ）
したがって、表面振動の振幅Uが大きいほど、振動検出信号の交流成分の強度が大きくなる。つまり、ビート光のビート周波数を走査させながら振動検出信号強度をプロットすると、ビート周波数が薄膜の超音波共振周波数と等しくなる点で、信号強度が最大となる（図２を参照）。ここで、この交流成分の周波数がビート周波数とは無関係に常に一定である点が重要である。なぜなら、信号処理において最も有利な周波数Δωａ／２πを使用し、その測定条件を保持したままでビート周波数を走査することができるからである。この交流成分のみを効率よく検出するために、ロックインアンプを使用することが望ましい。ロックインアンプを利用することで、ビート状ポンプ光により発生した表面振動以外のノイズ振動を周波数と位相の両面から効率良く取り除くことができる。この場合、ロックインアンプの参照信号用に用いる周波数Δωａ／２πの交流信号として、例えば、変調器の駆動用信号を利用できる。または、変調器を通過後の超音波励起光３２の一部とプローブ光３５の一部を分岐させて干渉させて得られるビート信号を利用することもできる。
【００４９】
図１２に基づいて、ロックインアンプの参照信号をビート信号から得る場合に関して、以下に示す。参照信号検出用の検出器４に到達した時点での２個の光の電場は、ｓｉｎ（ω１（ｔ−ｘ８／ｃ）−ω０ｘ１／ｃ＋α）とｓｉｎ（（ω１＋Δωａ）（ｔ−ｘ９／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋α）に比例する。ここで、ｘ８とｘ９は、変調器部分４０から参照信号用検出器４までの各光の光路長とする。最も周期の長いΔωａｔの項以外を時間平均し、近似計算すると、ヘテロダイン干渉光の検出強度の交流成分Ｉは以下のようになる。
Ｉ  ∝  ｃｏｓ（Δωａｔ＋（（ｘ８＋ｘ１−ｘ９−ｘ２）ω０＋
（−ｘ９）Δωａ＋（ｘ８−ｘ９）Δωｂ）／ｃ）
ところで、干渉光用検出器３に混入するバックグランド成分として、以下の干渉光が存在する。これは、超音波励起光３２が試料表面で反射、または散乱されて干渉光用検出器３まで到達する成分と、試料６で反射した後のプローブ光３５の主成分の間の干渉光で、その強度は以下のように表される。Ｅは干渉光用検出器３まで到達する超音波励起光３２の電場強度を示す。
【００５０】
Ｉ  ＝  （ｒＢｓｉｎ（ω３（ｔ−（ｘ４＋ｘ７）／ｃ）−
ω０ｘ２／ｃ＋α）  ＋
Ｅｓｉｎ（ω１（ｔ−（ｘ３＋ｘ７）／ｃ）−
ω０ｘ１／ｃ＋α）  ）２
最も周期の長いΔωａｔの項以外を時間平均し、近似計算すると、以下の解を得る。
【００５１】
Ｉ  ＝  （ｒＢ）２／２  ＋Ｅ２／２  ＋
ｒＢＥｃｏｓ（Δωａｔ＋（−ｘ４−ｘ２＋ｘ３＋ｘ１）ω０＋
（−ｘ４−ｘ７）Δωａ＋（−ｘ４＋ｘ３）Δωｂ）／ｃ）
実際には、上記以外に、超音波励起光３２が試料表面で反射、または散乱されて干渉光用検出器３まで到達する成分と、試料で反射した後のプローブ光のシフト成分の間で生成される干渉光も同様の周波数を持つバックグランドとなるが、測定に影響しない大きさなのでここでは議論しない。
【００５２】
式中の交流成分が振動検出信号と同じ周波数（Δωａ／２π）を持つため、上記で示したようなロックインアンプの利用だけで除去することは困難である。このバックグランド成分を除去するための６種類の方法について、以下に説明する。この中の（４）、（５）、及び（６）が本発明の実施形態である。
【００５３】
（１）偏光の違いを利用する方法
この方法では、プローブ光とローカル光に対して、ビート状ポンプ光の元となる２個の光が持つ偏光方向に対して直交する偏光方向を持たせるような構成を採用する。この場合、ビート状ポンプ光の反射光、または散乱光が干渉光用検出器まで到達しないように、試料表面から干渉光用検出器に向かう光路中に両偏光状態を分離するための偏光板等を設置する。これにより、プローブ光とローカル光のみが干渉光用検出器まで到達するようにする。
【００５４】
（２）光軸を工夫する方法
この方法では、試料表面で反射後のプローブ光とビート状ポンプ光の光軸が重ならないようにする。これにより、ビート状ポンプ光の反射光だけをさえぎって、ビート状ポンプ光が干渉光用検出器まで到達するのを防ぐことができる。
【００５５】
（３）散乱光の発散性を利用する方法
この方法では、試料から干渉光用検出器までの距離を長くとり、干渉光用検出器に到達するビート状ポンプ光の散乱光強度を下げる。試料表面で散乱したビート状ポンプ光はあらゆる方向に放射されるので、散乱点から離れるほどその強度は薄まっていくが、試料表面で反射した後のプローブ光はその光軸に対して平行光に近い状態で光路中を進行する。したがって、試料から干渉光用検出器までの距離を長くするほど、干渉光用検出器に到達するプローブ光に対する散乱光の光量比を下げることができる。
【００５６】
（４）周波数の違いを利用する方法
この方法では、バックグランド成分の元となる光（周波数：ω１、ω１＋Δωａ）をフィルターによってさえぎる。これにより、プローブ反射光のシフト成分（周波数：ω２＋Δωａ）とローカル光（周波数：ω２）のみが干渉光用検出器まで到達するようにする。ω１のみを変化させてビート周波数を走査することで、振動検出信号の元となる２個の光の周波数とフィルター帯域の関係を固定したままで使用することができる。
【００５７】
（５）光路の違いを利用して、２段目のロックインアンプを使用する方法
この方法として、以下の２種の方法が考えられる。
【００５８】
ひとつは、ローカル光のみが通過する光路中にチョッパー等を設置して、Δωａ／２πより低い周波数でローカル光の強度を振動させる。２段目のロックインアンプを利用して、この周波数成分を持つ信号のみを抽出し、この周波数成分に無関係な信号成分を除去する。これにより、ローカル光に無関係なバックグランド成分を除去することができる。
【００５９】
もうひとつは、超音波励起光３２、または超音波励起光３３のみが通過する光路中にチョッパー等を設置して、Δωａ／２πより低い周波数で超音波励起光３２、または超音波励起光３３の強度を振動させる。これにより、ビート状ポンプ光３４を同じ周波数で強度変調させ、結果として試料表面の振動振幅強度も同様に強度変調させる。これにより、プローブ光のシフト成分にも同じ周波数成分が含まれるようになる。２段目のロックインアンプを利用して、この周波数成分を持つ信号のみを抽出し、この周波数成分に無関係な信号成分を除去する。これにより、プローブ光のシフト成分に無関係なバックグランド成分を除去することができる。
【００６０】
（６）位相の違いを利用する方法
この方法では、振動検出信号成分とバックグランド成分の位相が９０度ずれるように光学回路を設置する。同時に、振動検出信号成分とロックインアンプの参照信号の位相が常にそろうようにする。これにより、ロックインアンプでバックグランド成分を除去することができる。ただし、ビート周波数を走査するために片方の連続レーザーの周波数を変化させると上記の条件が満たされなくなる場合があるので、注意する必要がある。例えば、連続レーザー２の周波数（ω２）を変化させた場合、上記の振動検出分の検出強度の式中の交流成分の位相の項に（−ｘ５＋ｘ６−ｘ７）ω２が含まれているので、ω２の変化にともなって位相も変化していくことがわかる。上記条件の一つである両成分の位相を常に９０度ずれた状態で保つには、この位相変化が発生しないように光路長が−ｘ５＋ｘ６−ｘ７＝０を満たすように光路を設置すればよい。この時、ロックインアンプの参照光用の信号の位相は連続レーザー１だけから作成されているので、その位相もω２の変化とは無関係に一定である。また、連続レーザー１の周波数（ω０）を変化させた場合、上記の振動検出分の検出強度の式中とバックグランド検出強度の式中に同じ形の位相項（ｘ１−ｘ２＋ｘ３−ｘ４）ω０が含まれているので、振動検出信号成分とバックグランド成分の位相の関係は常に一定に保たれる。また、ロックインアンプの参照光用の信号の位相がω０の変化にともなって上記の（ｘ１−ｘ２＋ｘ３−ｘ４）ω０と同じ変化をするように、つまりｘ３−ｘ４＝ｘ８−ｘ９を満たすように、かつ振動検出信号成分の位相と常にそろうように、参照光用の光路長を調整する。ただし、環境の温度変化等により光路長は変化しやすいので、環境管理を徹底する、可能な限り光路を共有する等の対策が有効である。
【００６１】
上記の説明で用いた光をまとめると以下のようになる。カッコ内には各光を定義する位置を示した。
【００６２】
連続レーザー１：
ｓｉｎ（ω０ｔ＋α）
連続レーザー２：
ｓｉｎ（ω２ｔ＋β）
超音波励起光３２（試料表面）：
Ａｓｉｎ（ω１（ｔ−ｘ３／ｃ）−ω０ｘ１／ｃ＋α）
超音波励起光３３（試料表面）：
Ｃｓｉｎ（ω２（ｔ−ｘ５／ｃ）＋β）
プローブ光３５（試料表面）：
Ｂｓｉｎ（（ω１＋Δωａ）（ｔ−ｘ４／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋α）
振動検出信号に寄与するプローブ反射光のシフト成分（干渉光用検出器）：
−ｒＢκＵｃｏｓ（（ω３−ωｓ）（ｔ−ｘ７／ｃ）＋（−ω３ｘ４−  
ω０ｘ２＋ω１ｘ３＋ω０ｘ１−ω２ｘ５）／ｃ＋β−θ）
ローカル光３６（干渉光用検出器）：
Ｄｓｉｎ（ω２（ｔ−ｘ６／ｃ）＋β）
参照信号用超音波励起光３２分岐光（参照信号用検出器）：
ｓｉｎ（ω１（ｔ−ｘ８／ｃ）−ω０ｘ１／ｃ＋α）
参照信号用プローブ光３５分岐光（参照信号用検出器）：
ｓｉｎ（（ω１＋Δωａ）（ｔ−ｘ９／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋α）
プローブ反射光の主成分（干渉光用検出器）：
ｒＢｓｉｎ（ω３（ｔ−（ｘ４＋ｘ７）／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋α
超音波励起光３２の反射散乱成分（干渉光用検出器）：
Ｅｓｉｎ（ω１（ｔ−（ｘ３＋ｘ７）／ｃ）−ω０ｘ１／ｃ＋α）
振動検出信号の交流成分
ｒＢκＵＤｓｉｎ（Δωａｔ＋（（ｘ１−ｘ２＋ｘ３−ｘ４）ω０＋
（−ｘ５＋ｘ６−ｘ７）ω２＋（−ｘ４−ｘ７）Δωａ＋
（ｘ３−ｘ４）Δωｂ）／ｃ−θ）
参照信号の交流成分
ｃｏｓ（Δωａｔ＋（（ｘ１−ｘ２＋ｘ８−ｘ９）ω０＋
（−ｘ９）Δωａ＋（ｘ８−ｘ９）Δωｂ）／ｃ）
バックグランド信号の交流成分
ｒＢＥｃｏｓ（Δωａｔ＋（（ｘ１−ｘ２＋ｘ３−ｘ４）ω０＋
（−ｘ４−ｘ７）Δωａ＋（ｘ３−ｘ４）Δωｂ）／ｃ）
ここまでは、図１２に基づいて従来技術の第１の形態、及び本発明の形態を説明してきた。次に、図１２の一部を変更した従来技術の第２の形態について、図１４に基づいて上記と同様の式を示す。図１４では、図１２において連続レーザー１の光路上に設置されていた変調器を連続レーザー２の光路上に移す。その場合、上記の各式は以下のように書き換えられ、同様の測定を行うことができる。以下の式中の光路長は、図１４に示した。この場合のバックグランド信号は、超音波励起光３３が試料表面で反射、または散乱されて干渉光用検出器まで到達する成分とローカル光の間の干渉光から生成される。
【００６３】
連続レーザー１：
ｓｉｎ（ω１ｔ＋α）
連続レーザー２：
ｓｉｎ（ω０ｔ＋β）
超音波励起光３２（試料表面）：
Ａｓｉｎ（ω１（ｔ−ｘ３／ｃ）＋α）
超音波励起光３３（試料表面）：
Ｃｓｉｎ（ω２（ｔ−ｘ５／ｃ）−ω０ｘ１／ｃ＋β）
プローブ光３５（試料表面）：
Ｂｓｉｎ（ω１（ｔ−ｘ４／ｃ）＋α）
振動検出信号に寄与するプローブ反射光のシフト成分（干渉光用検出器）：
−ｒＢκＵｃｏｓ（ω２（ｔ−ｘ７／ｃ）＋（−ω１ｘ４＋
ω１ｘ３−ω２ｘ５−ω０ｘ１）／ｃ＋β−θ）
ローカル光３６（干渉光用検出器）：
Ｄｓｉｎ（（ω２＋Δωａ）（ｔ−ｘ６／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋β）
参照信号用超音波励起光３３分岐光（参照信号用検出器）：
ｓｉｎ（ω２（ｔ−ｘ８／ｃ）−ω０ｘ１／ｃ＋β）
参照信号用ローカル光３６分岐光（参照信号用検出器）：
ｓｉｎ（（ω２＋Δωａ）（ｔ−ｘ９／ｃ）−ω０ｘ２／ｃ＋β）
超音波励起光３３の反射散乱成分（干渉光用検出器）：
Ｅｓｉｎ（ω２（ｔ−（ｘ５＋ｘ７）／ｃ）−ω０ｘ１／ｃ＋β）
振動検出信号の交流成分
−ｒＢκＵＤｓｉｎ（Δωａｔ＋（（ｘ１−ｘ２＋ｘ５−ｘ６＋
ｘ７）ω０＋（−ｘ３＋ｘ４）ω１＋（−ｘ６）Δωａ＋
（ｘ５−ｘ６＋ｘ７）Δωｂ）／ｃ−θ）
参照信号の交流成分
ｃｏｓ（Δωａｔ＋（（ｘ１−ｘ２＋ｘ８−ｘ９）ω０＋
（−ｘ９）Δωａ＋（ｘ８−ｘ９）Δωｂ）／ｃ）
バックグランド信号の交流成分（）
ＤＥｃｏｓ（Δωａｔ＋（（ｘ１−ｘ２＋ｘ５−ｘ６＋ｘ７）ω０＋
（−ｘ６）Δωａ＋（ｘ５−ｘ６＋ｘ７）Δωｂ）／ｃ）
バックグランド成分を除去するための別の方法について、以下に説明する。この方法（７）も本発明の実施形態のひとつである。
【００６４】
（７）振動検出信号の周波数をバックグランド信号の周波数の倍にする方法
この方法では、連続レーザー１の光路上と連続レーザー２の光路上の両方に変調器を設置する。この形態は、図１２と図１４を融合させたような光路構成となる。超音波励起光３３に対するローカル光の周波数シフトが、超音波励起光３２に対するプローブ光の周波数シフトと同じ大きさで、かつその増減方向が逆になるように、これらの変調器を設定すると、振動検出信号の周波数は参照信号、及びバックグランド信号の周波数の倍になる。参照信号の交流成分を倍波にしてロックインアンプの参照信号とすれば、バックグランド信号を除去して振動検出信号のみを測定することができる。
【００６５】
次に、薄膜の膜厚を求める方法について説明する。共振状態でのビート周波数をν＝ω／２π、薄膜中の音速をV、薄膜の膜厚をDとすると、以下の関係式が成り立つ。
【００６６】
２Dν／ｎ＝Ｖ
ここで、ｎは界面が固定端か自由端かにより異なる数値を用いる。界面を固定端とした場合は、ｎ＝０．５、１．５、２．５等の時に共振状態になる（図３（Ａ）を参照）。界面を自由端とした場合は、ｎ＝１、２、３等の時に共振状態になる（図３（Ｂ）を参照）。どちらの場合も、表面は自由端として扱う。音速Ｖを仮定すれば、D＝ｎＶ／２νより薄膜の膜厚を求めることができる。また、隣接するnに対するνを測定しνｎ、及びνｎ＋１とすると、Ｄを以下のように表すこともできる。
【００６７】
Ｄ  ＝  Ｖ／２（νｎ＋１−νｎ）
この場合、ｎの値が不明でも、Ｄを求めることができる。
【００６８】
また、膜厚がわかっている場合には、上記関係式より薄膜中の音速を求めることができる。
【実施例】
【００６９】
本発明の実施例について図面を参照して説明する。ただし、以下の実施例は、本発明を限定するものではない。実際に、光学部品の配置順、または各光の分離方向を変更したり、光学部品を一部変更したり、追加することにより、同様の機能を持つ多種の光学回路が実現可能である。また、実施例のように、ひとつの平面上に全ての光路を構成する必要もない。また、実際の装置では適切な光路長を設けるため、または各機能間を結ぶ光路の向きを合わせるために、見かけ上の光路が複雑になる場合がある。
【００７０】
また、以下の説明では、本発明の実施例を説明するために、従来技術の実施例の説明から始める。
【００７１】
図１３は、図１２にて説明した内容を具体化した例で、従来技術の第１の実施例である。この図に関しては、既にの項で説明した。
【００７２】
図１５は、図１４にて説明した内容を具体化した例で、従来技術の第２の実施例である。図１３と共通する部分に関する説明は割愛して、この実施例に特有な部分に関してのみ説明する。連続レーザー１から出た光は、干渉光用検出器３まで到達するプローブ光３５と超音波励起光３２の割合を調節するために、２分の１波長板２３により偏光方向を変えられる。同様に、連続レーザー２から出た光は、干渉光用検出器３まで到達するローカル光３６と超音波励起光３３の割合を調節するために、２分の１波長板１９により偏光方向を変えられた後、偏光ビームスプリッター７により２方向に分割される。実際には、参照信号用検出器４の方向に進んだ光は、２分の１波長板２０と偏光ビームスプリッター８の組み合わせ、及び２分の１波長板２１と偏光ビームスプリッター１０の組み合わせにより、さらに２回の調節と分割をされた後、ローカル光３６となる。超音波励起光３２、３３、及びプローブ光３５は、ビームスプリッター１５によって重ねられ、ビームスプリッター１６を通過した後、レンズ５により試料表面に集光される。一方、ローカル光３６は、進行途中に設置されているＡＯＭ１８により周波数がシフトされ、ミラー２９、ビームスプリッター１６と通過した後、試料表面で反射した後のプローブ光３５と干渉して、ヘテロダイン干渉光３９となる。
【００７３】
図１は、図１３を一部変更して周波数フィルターを使用する方法を具体化した例で、本発明の第１の実施例である。図１３と共通する部分に関する説明は割愛して、この実施例に特有な部分に関してのみ説明する。光路状の違いは、偏光板２６と干渉光用検出器３の間に周波数フィルター２４が挿入されている部分のみである。ローカル光３６（周波数：ω２）は、試料表面で反射した後のプローブ光３５のシフト成分（周波数：ω２＋Δωａ）と干渉して、ヘテロダイン干渉光３９となる。また、ビート状ポンプ光３４の成分である超音波励起光３２（周波数：ω１＋Δωａ）と反射した後のプローブ光３５の主成分（周波数：ω１）が干渉光用検出器３に到達してバックグランド成分とならないように、周波数フィルター２４により遮蔽する。
【００７４】
図４は、本発明において共通に利用される制御部分の実施例である。連続レーザー１、及び連続レーザー２の周波数をコントロールするために、レーザーコントローラー４４、４５を使用する。干渉光用検出器３からの出力は、アンプ４８で増幅された後、ロックインアンプ５０の入力信号として使われる。参照信号用検出器４からの出力は、アンプ４９で増幅された後、ロックインアンプ５０の参照信号として使われる。連続レーザー１と連続レーザー２の周波数差を安定に制御するために、アンプ４９の出力から実測した周波数差を、データ収集システム４３を通してレーザーコントローラー４５にフィードバックする。データ収集システム４３は、レーザーコントローラー４４、４５を制御し、ビート状ポンプ光のビート周波数を走査しながら、薄膜の振動振幅をロックインアンプ５０の出力から求め、共振周波数を特定する。
【００７５】
図５は、２段目のロックインアンプを使用する方法を具体化した１番目の例で、本発明の第２の実施例である。大部分の構成は図１３と同じなので、異なる部分と制御部分のみを示した。図４、及び図１３と共通する部分に関する説明は割愛して、この実施例に特有な部分に関してのみ説明する。偏光ビームスプリッター１２とミラー３０の間にチョッパー４６を挿入し、ローカル光３６の強度を周期的に変化させる。ドライバー４２から２段目のロックインアンプ４７用の参照信号とチョッパー４６の駆動周波数を与える。また、１段目のロックインアンプ５０の出力信号を２段目のロックインアンプ４７用の入力信号とする。
【００７６】
図６は、２段目のロックインアンプを使用する方法を具体化した２番目の例で、本発明の第３の実施例である。大部分の構成は図１３と同じなので、異なる部分と制御部分のみを示した。図４、図５、及び図１３と共通する部分に関する説明は割愛して、この実施例に特有な部分に関してのみ説明する。偏光ビームスプリッター１２とビームスプリッター１５の間にチョッパー４６を挿入し、超音波励起光３３の強度を周期的に変化させる。
【００７７】
図７は、２段目のロックインアンプを使用する方法を具体化した３番目の例で、本発明の第４の実施例である。大部分の構成は図１５と同じなので、異なる部分と制御部分のみを示した。図４、及び図１５と共通する部分に関する説明は割愛して、この実施例に特有な部分に関してのみ説明する。２分の１波長板２３とビームスプリッター１５の間に、偏光ビームスプリッター１２と１３、及びミラー３０と３１、及びチョッパー４６を挿入し、超音波励起光３２の強度を周期的に変化させる。
【００７８】
図８は、振動検出信号の周波数をバックグランド信号の周波数の倍にする方法を具体化した１番目の例で、本発明の第５の実施例である。図１３と共通する部分に関する説明は割愛して、この実施例に特有な部分に関してのみ説明する。光路状の違いは、偏光ビームスプリッター１２とビームスプリッター１５の間にＡＯＭ１７が挿入されている部分のみである。超音波励起光３２がＡＯＭ１８を通過する時にその周波数がΔωａ／２π増加し、超音波励起光３３がＡＯＭ１７を通過する時にその周波数がΔωａ／２π減少するように、ドライバー２２から同じ駆動周波数をＡＯＭ１７とＡＯＭ１８に与える。
【００７９】
図９は、振動検出信号の周波数をバックグランド信号の周波数の倍にする方法を具体化した２番目の例で、本発明の第６の実施例である。図８で示したＡＯＭ１７とＡＯＭ１８を一個のＡＯＭでまかなう点が特徴なので、その部分のみを示した。その他の部分の光路等に関しては、例えば図８の光路を修正して容易に実現することができる。連続レーザー１から発せられた超音波励起光３２と連続レーザー２から発せられた超音波励起光３３が同じ光軸上を反対向きに進行し、ＡＯＭ１８で周波数をシフトされる。このような構成をとることで、一方の超音波励起光の周波数増加量ともう一方の超音波励起光の周波数減少量が等しくなる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明における第１の実施例を示す図である。
【図２】本発明における測定結果を示す図である。
【図３】（A）は、薄膜界面が固定端の場合の共振状態を示す図である。（Ｂ）は、薄膜界面が自由端の場合の共振状態を示す図である。
【図４】本発明の制御部分における実施例を示す図である
【図５】本発明における第２の実施例を示す図である。
【図６】本発明における第３の実施例を示す図である。
【図７】本発明における第４の実施例を示す図である。
【図８】本発明における第５の実施例を示す図である。
【図９】本発明における第６の実施例を示す図である。
【図１０】従来のポンププローブ法による薄膜評価装置の例を示す図である。
【図１１】従来の共振法による薄膜評価装置の例を示す図である。
【図１２】従来のビート光利用の共振法における光路構成を示す第１の概念図である。
【図１３】従来のビート光利用の共振法における第１の実施例を示す図である。
【図１４】従来のビート光利用の共振法における光路構成を示す第２の概念図である。
【図１５】従来のビート光利用の共振法における第２の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１、２、５９  連続レーザー
３  干渉光用検出器
４  参照信号用検出器
５  レンズ
６  試料
７、８、９、１０、１１、１２、１３  偏光ビームスプリッター
１４  パルスレーザー
１５、１６  ビームスプリッター
１７、１８  ＡＯＭ
１９、２０、２１、２３  ２分の１波長板
２２、４２  ドライバー
２４  周波数フィルター
２５、２６  偏光板
２７、２８、２９、３０、３１、５１、５２、５３  ミラー
３２、３３  超音波励起光
３４  ビート状ポンプ光
３５、５８  プローブ光
３６  ローカル光
３７  光変調器用コントローラー
３８  遅延光路用コントローラー
３９、４１  ヘテロダイン干渉光
４０  変調器部分
４３  データ収集システム
４４、４５  レーザーコントローラー
４６  チョッパー
４７、５０  ロックインアンプ
４８、４９  アンプ
５４  光変調器
５５  ファブリーペロー干渉計
５６  遅延光路
５７  ポンプ光
６０  干渉光
【図１】
2006125996.tif 000003
【図２】
2006125996.tif 000004
【図３】
2006125996.tif 000005
【図４】
2006125996.tif 000006
【図５】
2006125996.tif 000007
【図６】
2006125996.tif 000008
【図７】
2006125996.tif 000009
【図８】
2006125996.tif 000010
【図９】
2006125996.tif 000011
【図１０】
2006125996.tif 000012
【図１１】
2006125996.tif 000013
【図１２】
2006125996.tif 000014
【図１３】
2006125996.tif 000015
【図１４】
2006125996.tif 000016
【図１５】
2006125996.tif 000017