(57)【要約】【課題】  平面、円筒、自由形状を含む各種形状の基板の外面および内面上に施したＤＬＣ薄膜の膜厚と屈折率を近赤外光を用いて精度良く測定することを目的とする。【解決手段】  グラファイト成分を含むダイアモンド状カーボン薄膜が半透明な波長域の近赤外光を光源として利用することを特徴として垂直反射干渉スペクトル計測によって膜厚と屈折率の積を求める。  また、干渉測定する対象試料の同一点の屈折率を同一光源を用いて、傾斜入反射測定計で反射物質の屈折率のみで決まるブリュースター角を測定することで、屈折率を決定する。結果として、正確な膜厚が求まる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長域１０００ｎｍから２１００ｎｍの白色光源を用い、ダイアモンド状カーボン薄膜からの反射光のスペクトル干渉効果を利用して膜厚と屈折率の積を計測し、さらに反射干渉法と同じ試料位置のダイアモンド状カーボン薄膜の屈折率をブリュースター角計測法によって測定することを特徴とする装置。
【請求項２】
波長域８００ｎｍから２５００ｎｍの広帯域白色光源を利用することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
屈折率測定用の光源として可視光域（４００ｎｍから７００ｎｍ）もしくは近赤外光域（７００ｎｍから２１００ｎｍ）の偏光した単色光を利用することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
屈折率測定用の光源として可視光域（４００ｎｍから７００ｎｍ）もしくは近赤外光域（７００ｎｍから２１００ｎｍ）の偏光したレーザー光を利用することを特徴とする請求項１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、ダイアモンド状カーボン薄膜の膜厚と屈折率とを近赤外線などを用いて同時計測できる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来の蒸着薄膜の膜厚計測装置には、１）厚さの判った標準試料からの反射光の色比較判断によるもの、２）一部蒸着しない部分を作成して、生じた段差を機械的に、もしくは顕微鏡等によって測定するもの、３）蒸着部部分を凹型球面研磨し、露出したリング形状の薄膜部を顕微鏡検査で膜厚を測定するもの、４）可視光域の光の反射スペクトルに生じる干渉縞の解析から膜厚と屈折率の積を求めるもの、などがある。【０００３】  上記の１）の方法は非接触法であるが、標準試料の膜厚は他に示した方法で前もって計測しておく必要があり、色判断で厚さを推定するものであるから、高い測定精度を期待できない。２）と３）の方法は一種の破壊検査であって、測定対象を一部分壊してしまう方法である。４）の方法は非接触法であるが、使用する光の波長域で透明な物質のみを測定することができる。また、測定結果は膜厚と屈折率の積を与えるものであって、その物質の屈折率は別の方法であらかじめ知っておくか、文献値などを用いるものである。【０００４】  ダイアモンド状カーボン薄膜（ＤＬＣ膜という）は硬度が高く摩擦係数が低いことで知られ、加工用工具や自動車部品、研磨治工具などに蒸着することで、アルミや樹脂など硬度の低いものはもとより超硬物質でも、被蒸着物質の機械的性能を飛躍的に向上させることができる。蒸着された部品の性能を確定する上で、ダイアモンド状カーボン薄膜の厚さ測定は極めて重要である。【０００５】  ダイアモンド状カーボン薄膜は製造法や利用用途によってその組成はさまざまである。一般的にダイアモンド成分とグラファイト成分が共存しており、求められる薄膜性能によって、その混合率を変化させるものである。ダイアモンドは可視域から赤外域まで広いスペクトルで透明である。しかし、実用されるダイアモンド状カーボン薄膜の多くは黒色を呈している。その光学的吸収はグラファイト成分の存在で強い波長依存性を有している。可視光域（４００〜８００ｎｍ）では不透明であることは知られており、本発明の検討過程で近赤外（１０００〜２０００ｎｍ）では半透明であることが判明した。
上記の可視光域の光源を用いた非接触測定法である干渉測定法では不透明膜を測定することができない。【０００６】  さらに、ダイアモンド状カーボン薄膜は製造法や利用用途によって成分を調整するため、その屈折率はさまざまの値を持つことは知られている。従って上記の干渉計測法による測定では膜厚と屈折率の積を測定するため、正確な膜厚の計算には正確な屈折率の計測が不可欠である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３５２５０６号公報
【０００８】
【特許文献２】特開２００８−０２０３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  しかしながら、以上に記述した既存の技術によれば、標準試料との比較で測定する方式では精度が出ず、機械的測定や研削による光学測定では試料を破壊してしまい、非接触法である可視域光源による光学干渉測定ではダイアモンド状カーボン薄膜が光を強く吸収するため、測定できない。またダイアモンド状カーボン薄膜の屈折率は生産ロットや使用用途で大きく異なるために干渉測定法での精度が出ない。
そこで、この発明は、ダイアモンド状カーボン薄膜が透明性を有することが判明した近赤外線領域の光源を用いて干渉測定法で膜厚と屈折率の積を求め、なお、簡便な屈折率測定法によって干渉計測法を適用する同一試料点の屈折率を直接計測して、結果として正確な膜厚を与える装置を提供することを課題とする。【００１０】  ダイアモンド状カーボン薄膜は製造法や利用用途によってその組成はさまざまである。一般的にダイアモンド成分とグラファイト成分が共存しており、求められる薄膜性能によってはその混合率を変化させるものである。ダイアモンドは可視域から赤外域まで広いスペクトルで透明である。しかし、ダイアモンド状カーボン薄膜の多くは黒色を呈している。その光学的吸収はグラファイト成分の存在で強い波長依存性を有し、可視光域（４００〜８００ｎｍ）で不透明であることは知られているが、近赤外（１０００〜２０００ｎｍ）で半透明であることが判明した。
上記の非接触測定法である干渉測定法において可視光域の光源を用いることができない。【００１１】  さらに、ダイアモンド状カーボン薄膜は製造法や利用用途によって成分を調整するため、その屈折率はさまざまの値を持つ。従って上記の干渉計測法による測定では膜厚と屈折率の積を測定するため、正確な膜厚の計算には正確な屈折率の計測が不可欠である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  以上の課題を解決するために、第１発明は、干渉測定法において光源にグラファイト成分でも半透明な波長域の近赤外光を利用することを特徴とする垂直反射光干渉スペクトル計測によって膜厚と屈折率の積を計算できる装置である。
また、第２発明は、干渉測定する対象試料の同一点の屈折率を傾斜入反射測定計で、反射物質の屈折率のみで決まるブリュースター角（入射光のｐ偏光成分の反射率がゼロとなる角度）を測定することで、屈折率を決定できることを特徴とする屈折率計測装置である。
両者を組み合わせることによりダイアモンド状カーボン薄膜の正確な膜厚を計測することを特徴とする計測装置である。
【発明の効果】
【００１３】  第１発明、または第２発明によれば、グラファイトの混合率によらず近赤外線に対する反射干渉波形が容易に収集でき、膜厚と屈折率の積が簡単に求められる。また同一点の屈折率も測定可能であるので、結果として正確な膜厚が計算できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この第１発明の一実施形態を示す。
【図２】この第１発明と第２発明の一実施形態を示す。
【図３】この第１発明と第２発明の一実施例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  この第１発明の一実施形態を、図１に示す。測定対象となるダイアモンド状カーボン薄膜（以下ＤＬＣ膜という）のつけられた基板１に近赤外域の白色光源２からの近赤外光を直接もしくはレンズ３を通して垂直に照射する。ＤＬＣ膜の表面およびＤＬＣ膜の下部にある基板からの反射光をミラー４で分岐して近赤外分光器で反射光のスペクトル強度を計測する。２種類の反射光は分光器内では干渉を生じ反射スペクトルに強度の山と谷を形成する。スペクトルの隣り合う山と山、山と谷、または谷と谷等の波長間隔はＤＬＣ膜の厚さと屈折率の積のみによって決まる。従ってこれらの計測値から膜の厚さと屈折率の積を計算することが可能である。
【００１６】  この第１発明と第２発明の一実施形態を、図２に示す。測定対象はＤＬＣ膜のついた基板１である。近赤外域の白色光源２と同軸型複合光ファイバ３、近赤外分光器４によるＤＬＣ膜の膜厚と屈折率の積の値の計測実施形態は図１の説明と同様である。図２には第２発明の実施形態も同時に示されている。白色光源５からの光は光学系保持筒７に納められた偏光板９とレンズ８を通して、試料面の垂直方向から入射角ｑ１だけ傾いた方向から試料に照射される。偏光板９は白色光源からの光のうちｐ偏光成分のみを透過するように設置されている。試料基板からの反射光は反射角ｑ２の方向に反射されるが、反射の法則によって試料基板の垂直方向から計った入射角と反射角は等しい角度となる（ｑ１＝ｑ２）。反射光は入射光学系と同様で光学系保持筒７に納められたレンズ８と偏光板９を通って近赤外分光器７に導かれ、ｐ偏光成分の反射光強度が測定される。
【００１７】  入射角と反射角を同一に保ちながら変化させることのできる駆動系を用いる。たとえば入射角が４５度程度から７５度程度まで、たとえば２度ごとに反射光強度（分光器は白色光源のスペクトル範囲のうち分光器の検知器が感度を有する全てのスペクトル範囲を測定することができる）を測定する。測定された反射スペクトルから同じ波長における反射強度の角度依存性をプロットすると、反射光強度が最低を示す角度を求めることができる。その角度はブリュースター角と呼ばれているが、基板上のＤＬＣ膜の屈折率のみで決まる数値である。従って反射強度が最低を示す角度の値から屈折率を算出することができる。
データ処理をする波長を変えると、屈折率の波長依存性（屈折率分散という）を求めることもできる。
【００１８】  第３図に上記の実施形態を実現した一実施例を示す。ＤＬＣ膜がついた基板は測定試料台１に載せられる。試料台には試料基板の詳細な位置や方向性を確実にするために試料の位置や角度を調整するための駆動機構がつけられている。膜厚測定用の垂直反射光学系（入出射用複合光ファイバ）は膜厚測定用入射・反射光ファイバ取り付けポート２に挿入することで固定出来る。近赤外光源や近赤外分光器は示されていない。屈折率測定用の光学系は屈折率測定用照射光ファイバ取り付けポート３に取り付けられる。ファイバに接続すべき白色光源は示されていない。反射光強度を測定する受光光学系は屈折率測定用反射受光ファイバ取り付けポート４に取り付けられる。ファイバに接続すべき近赤外分光器は示されていない。それぞれの取り付けポートは入射角可変用駆動台５または受光角可変用駆動台６に固定されている。それぞれの駆動台は同時駆動用モータ７に接続された１本のボールネジ駆動系（図の裏面にあるため見えていない）で駆動できる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】  ＤＬＣ膜は加工用工具、自動車部品、研磨治具などの表面に蒸着することにより被蒸着物質の機械的性質を飛躍的に向上させるが、十分にその性能を発揮させるためにはその薄膜厚さを精密かつ迅速に測定する事が非常に重要である。この装置は半自動的に精密、簡単に測定でき作業現場における効率化に大きく貢献できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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