(57)【要約】【課題】不透明薄膜の膜厚測定において、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う装置を提供することを目的とする。【解決手段】共振法で利用するレーザー励起光として、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。これにより、非常に高い周波数で強度変化する励起光を用意し、マイクロメートル以下の薄膜測定にも対応する。共振法の利用により、繰り返されるエコー間隔の情報を有効に活用する。また、ビート周波数を変化させるために用いる周波数可変連続レーザーの周波数を正確に制御する必要の無い装置とする。【選択図】    図１
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【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、超音波励起用の連続レーザーと、プローブ光用の連続レーザーと、検出器と、前記超音波励起用レーザーと前記プローブ光用レーザーを試料表面または検出器に導く光学回路と、前記超音波励起用の連続レーザーを干渉させてビート状ポンプ光を発生させる手段を備え、発生させるビート光の周波数が複数の共振周波数が含まれる程度に広帯域な範囲で変動することを特徴とする薄膜評価装置。
【請求項２】
機械的に透過周波数を走査させ振動する表面で反射したプローブ光に含まれる周波数シフト成分を測定する分光器をさらに備えたことを特徴とする、請求項１記載の薄膜評価装置。
【請求項３】
マイケル干渉計を有し、機械的にマイケルソン干渉計の光路長を走査してフーリエ変換により反射光のスペクトルを計算することで振動する表面で反射したプローブ光に含まれる周波数シフト成分を測定する手段をさらに備えたことを特徴とする、請求項１記載の薄膜評価装置。
【請求項４】
入射光の周波数に応じて出射角度が異なる分光器とマルチチャンネル検出器とを有し、振動する表面で反射したプローブ光に含まれる周波数シフト成分を測定することを特徴とする、請求項１記載の薄膜評価装置。
【請求項５】
基準光を含み、ビート光発生用に用いる２個のレーザーの一方をプローブ光用に、もう一方を基準光用に共用し、これら４種の光の中の１種をΔω／２πだけシフトさせることで、ビート光用に用いる２個のレーザー光（周波数：ｆ１、ｆ２）、プローブ光（周波数：ｆｐ）、及び基準光（周波数：ｆｒ）が｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜＝｜Δω｜／２π＝一定の条件を満たすようにして反射したプローブ光と基準光のヘテロダイン干渉測定を行う手段を備えた備えたことを特徴とする、請求項１記載の薄膜評価装置。
【請求項６】
Δω／２πで周波数シフトさせたレーザー光のシフト前後のレーザー光をヘテロダイン干渉させて得られるΔω／２πで振動する周期信号を参照信号として、ロックインアンプを利用してプローブ光と基準光のヘテロダイン干渉信号を検出する手段を備えたことを特徴とする、請求項５記載の薄膜評価装置。
【請求項７】
表面振動振幅の測定と同時に、その瞬間のビート周波数をある基準からの周波数変化分として測定する手段を備えたことを特徴とする、請求項６記載の薄膜評価装置。
【請求項８】
出力ピークを示すタイミング及び順序がビート周波数の増加中と減少中で異なるように設置した複数のマッハツェンダー干渉計を有し、周波数変化分を測定することを特徴とする、請求項７記載の薄膜評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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や、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が測定対象となり得る。
【０００２】
【従来の技術】
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、例えば特開平４−１９１６５２号公報（特許文献１）に記載されているような、周期的な強度変調光を弾性波の励起源とした共振法が使われている。
【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。そのため、部分的に集中したエネルギーが弾性波となり、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。周期的な強度変調光をポンプ光として使用するため、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。ポンプ光の変調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。
【０００４】
図２を用いて上記の従来技術に関して説明する。光変調器４６を用いて連続レーザー１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４５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４５は、ミラー３１、偏光ビームスプリッター１５、ビームスプリッター１７と通過した後、レンズ７により試料表面に集光される。一方、連続レーザー３から出たプローブ光３５は、偏光ビームスプリッター１５によりポンプ光４５に重ねられ、ビームスプリッター１７を通過後、レンズ７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１７によりファブリーペロー干渉計４２、検出器５へと導かれる。振動する表面で反射されて周波数シフトした成分のみがファブリーペロー干渉計４２を通過して、検出器５に到達する。ビームスプリッター１７とファブリーペロー干渉計４２の間に設置された偏光板２７は、プローブ光３５と同じ偏光成分のみをファブリーペロー干渉計４２側に通過させる。また、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：音響光学変調器）１９を使用してポンプ光４５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４０による測定を行なう。周期と位相を同期させるために、ドライバー４３からＡＯＭ１９、及びロックインアンプ４０に、同一の周期信号を送る。ロックインアンプ４０の利用により、ポンプ光４５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４５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４１により、ロックインアンプ４０からの出力を記録する。
【０００５】
上記の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。
【０００６】
【特許文献１】
特開平４−１９１６５２号公報
【課題を解決するための手段】及び図１。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記、膜厚測定方法では、以下のような問題点があった。
【０００８】
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。
【０００９】
また、反射したプローブ光全体から周波数シフトした成分のみを分離するために分光器として使用するファブリーペロー干渉計の透過周波数を走査する必要があるが、変調周波数の走査と干渉計透過周波数の走査の計２軸の走査が必要となり制御手段と測定時間に対する負担が増大する。
【００１０】
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行う装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、共振法で利用するレーザー励起光に、波長の異なる２種類のレーザー光を干渉させて作ったビート光を利用した薄膜評価装置とした。これにより、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。
【００１２】
また、ポンプ光の強度変化の周波数を積極的に制御する必要の無い方法を採用した。これにより、ポンプ光のビート周波数を制御して走査すること無く、制御手段と測定時間に対する負担を軽減することができる。
【００１３】
さらに本願発明では、ビート光を利用する共振法に適した振動測定手段を採用した。これにより、制御手段と測定時間に対する負担をさらに軽減することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明では、複数の連続レーザー、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と薄膜共振観測用のプローブ光を試料表面に導く光学回路、検出器、試料で反射したプローブ光（反射光）を検出器に導く光学回路を備えている。
【００１５】
ここでは、超音波励起用の複数の連続レーザーから２個のレーザーを選択し、それらの光を干渉させ、ビート光を作り出す。ビート周波数がある帯域幅で連続的に変化するように、少なくとも一方のレーザーは周波数が連続可変でなければならない。また、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。この目的のためには、レーザー共振器の片方のミラー位置を動かす方法等が考えられる。ただし、以下に示すように、可変周波数を正確に制御する必要はないので、自由な揺らぎに任せて周波数を変化させたり、大雑把に共振器のミラー位置を動かす等の方法で実現すればよい。
【００１６】
レーザー光を試料表面に導く光学回路により、２つのレーザー光が測定試料の同じ点に集光される。２つのレーザー光は、強度、偏光、及び光軸をそろえて、試料に照射されることが望ましい。レーザー１からのレーザー光をＡｓｉｎ（ω１ｔ−κ１ｘ）、及びレーザー２からのレーザー光をＡｓｉｎ（ω２ｔ−κ２ｘ）と表すと、両光の干渉光の強度Ｉは、以下のように表される。
【００１７】
Ｉ  ＝  （Ａｓｉｎ（ω１ｔ−κ１ｘ）  ＋  Ａｓｉｎ（ω２ｔ−κ２ｘ））２
＝  Ａ２ｓｉｎ２（ω１ｔ−κ１ｘ）  ＋  Ａ２ｓｉｎ２（ω２ｔ−κ２ｘ）＋  ２Ａ２ｓｉｎ（ω１ｔ−κ１ｘ）ｓｉｎ（ω２ｔ−κ２ｘ）
最も周期の長い（ω１−ω２）ｔの項以外を時間平均すると、以下の解を得る。
【００１８】
Ｉ  ＝  Ａ２  ＋  Ａ２ｃｏｓ（（ω１−ω２）ｔ−（κ１−κ２）ｘ）
上式は、両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に照射されることを意味する。試料に対する励起光の進入深さが浅いほど、短波長の超音波を発生させ、より薄い薄膜に対応することが可能になる。そのために、励起光を試料に対して斜めに照射する方法も考えられる。ただし、試料表面で吸収されずに反射されてしまう成分が増加して励起強度の点で不利になるため、試料膜厚に合わせて最適な照射角度で照射することが望ましい。観測用に取り出されたプローブ光の試料表面でのスポット径は、ポンプ光のスポット径よりも小さいことが望ましい。プローブ光は、測定スポット径を小さくするために、試料に対して垂直に照射することが望ましい。また、ポンプ光とプローブ光を同じ測定点に集光するには、すべての光軸をそろえて、ひとつの集光レンズを用いて、試料に対して垂直に照射する方法が有利である。
【００１９】
プローブ光をＡｓｉｎ（ω３ｔ）、表面振動をＵｓｉｎ（ωｓｔ）、κＵ＜＜１とすると、反射光は以下のように表される。ここで、κはプローブ光の波数ベクトル、ｒは反射率である。また、共振時の表面振動の周波数は照射ビート光のビート周波数に等しく、ωｓ／２π＝（ω１−ω２）／２π、かつ｜ωｓ｜≪ω１、ω２、ω３  である。
【００２０】
ｒＡｓｉｎ（ω３ｔ−２κＵｓｉｎ（ωＳｔ））
＝  ｒＡｓｉｎ（ω３ｔ）ｃｏｓ（２κＵｓｉｎ（ωＳｔ））−
ｒＡｃｏｓ（ω３ｔ）ｓｉｎ（２κＵｓｉｎ（ωＳｔ））
≒  ｒＡｓｉｎ（ω３ｔ）−２ｒＡκＵｃｏｓ（ω３ｔ）ｓｉｎ（ωｓｔ）
＝  ｒＡｓｉｎ（ω３ｔ）−ｒＡκＵｓｉｎ（ω３ｔ＋ωＳｔ）＋
ｒＡκＵｓｉｎ（ω３ｔ−ωＳｔ）
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。
【００２１】
次に、ビート光によって周期的に注入されたエネルギーが共振状態に寄与する度合いを考える。ここでは、表面から内部に進行していく弾性波のエネルギーの一部が下層に透過して共振状態に寄与しないような薄膜を対象とする。この場合、過去の短時間に供給されたビートのエネルギーが主に共振に寄与する。
【００２２】
ビートの１周期分で注入されるエネルギーをＥ、界面で反射してくるエネルギーの割合をＲとすると、ｎ周期分のエネルギー（ｎＥ）の内、薄膜中に滞在しているエネルギー（Ｅｎ）は以下のように表される。
【００２３】
ｎ
Ｅｎ＝ΣＥＲ（ｋ−１）＝Ｅ（１−Ｒｎ）／（１−Ｒ）
ｋ＝１
この式より、例えばＲ＝０．７、つまり７０％のエネルギーが反射してくるような場合、共振状態に寄与する全てのエネルギーに対して、１４周期以前のビートが寄与するエネルギーは約１％にすぎないことが分かる。つまり、１４周期以上の時間、ビート周波数を固定しても、得られる表面振動強度は約１％しか違わない。同時に、ビート周波数の小さなずれに対する影響も小さくなる。したがって、このような状況下では、ビート周波数を高速に変化させるような使い方が可能になる。
【００２４】
一般的な考え方では、図３に示すように、狭帯域のビート周波数を持つポンプ光を使用し、そのビート周波数を小さなステップで変化させながら、各ステップにおいて反射光に含まれる周波数シフト成分を測定し、ビート周波数とシフト成分、つまり表面振動振幅の大きさの関係を求める。そして、図４に示すような関係図から共振周波数を求める。つまり、狭帯域のビート周波数を制御して走査する必要がある。しかし、本発明では、ビート光の元になるレーザーの周波数を制御することなく自由な揺らぎに任せて変化させる、あるいはレーザー共振器の片方のミラー位置を動かす等の方法により正確な制御をすることなく大雑把に変化させる。ビート光発生用に用いる２個の連続レーザーの内の少なくとも一方が上記のような周波数可変レーザーでなければならない。結果として、図５のようにポンプ光のビート周波数が広帯域の周波数分布を持つようにする。また、その変化する周波数範囲内に目的とする共振周波数が含まれるようにする。これにより、以下のような３種の測定方法が可能となる。
【００２５】
第１の測定方法は、反射光からシフト成分のみを抽出するために分光器を用いる。ここで使用する分光器は、回折格子やファブリーペロー干渉計を機械的に動かして分光器を通過してくる周波数を走査しながら１台の検出器でスペクトルを取得する。したがって、この方法に対して、ビート周波数を制御して走査する一般的な方法を組み合わせると、合わせて２軸の走査が必要になる。しかし、本発明では、透過周波数を機械的に走査しながら行う多数の測定点の各測定時間中に図５のような分布でビート周波数が高速に変化するような構成を採り、ビート周波数を制御して走査する必要はない。この方法では、図４と図５をかけ合わせた図６のようなスペクトルが常に反射光のシフト成分に含まれるので、分光器を機械的に走査してそのスペクトル形状を得ることになる。上記分光器の代わりに、マイケルソン干渉計を機械的に走査してフーリエ変換を利用してスペクトルを取得する方法でも同様の効果と結果を得ることができる。
【００２６】
第２の測定方法は、マルチチャンネル検出器を用いて分光器を走査することなくスペクトルを取得する。例えば、回折格子での反射角度が周波数によって異なることを利用して、いろいろな角度に反射してきた光を同時に測定して、スペクトルを取得する。この方法では、第１の測定方法で必要とされた分光器の機械的走査も不要になるため、さらに簡易な測定が可能となる。
【００２７】
第３の測定方法は、ビート光用に用いる２個の光の一方を分岐してプローブ光として使用し、Ａｓｉｎ（  ω１ｔ）とする。この場合の反射光は以下のようになる。
【００２８】
ｒＡｓｉｎ（  ω１ｔ−２κＵｓｉｎ（  ωｓｔ））
≒  ｒＡｓｉｎ（  ω１ｔ  ）  −  ｒＡκＵｓｉｎ（（２ω１  −  ω２  ）ｔ）＋  ｒＡκＵｓｉｎ（  ω２ｔ）
この反射光をＢｓｉｎ（（  ω２  ＋  Δω）ｔ）で表される基準光と干渉させてヘテロダイン検出する。この場合、ビート光用に用いるもう一方の光をその周波数がΔω／２πだけシフトするように変調して基準光として用いる。この時、干渉光の検出強度Ｉは以下のようになる。
【００２９】
Ｉ＝  Ｂ２／２  ＋  （ｒＡ）２／２  ＋  ＢｒＡκＵｃｏｓ（  Δωｔ）
この検出信号から、表面振動Ｕに比例したΔωで振動する信号のみを抽出する。この振動周波数Δωは基準光を作るために使用した固定周波数なので、周波数フィルター、あるいはロックインアンプ等を使用して検出信号からその振動成分のみを抽出することは容易である。
【００３０】
この測定方法では、上記の関係に限らず、ビート光用に用いる２個のレーザー光（周波数：ｆ１、ｆ２）、プローブ光（周波数：ｆｐ）、及び基準光（周波数：ｆｒ）が｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜＝｜Δω｜／２πの関係を満たしていれば上記と同様の結果を得ることができる。この関係は、ビート光用に用いる２個のレーザーの一方をプローブ光用に、もう一方を基準光用に共用し、これら４種の光の中の１種をΔω／２πだけシフトさせることで得られる。
【００３１】
この測定方法では、最終的に得られる信号は常にΔωで振動する電気信号なので、第１、および第２の測定方法で用いたような分光器を必要としない。しかし、その代わりに、測定時のビート周波数を把握する必要がある。ただし、本発明では、ビート周波数を単に監視するだけで、正確な制御の必要はない。図５のような周波数分布で変動するビート光を利用し、各瞬間のビート周波数と信号強度をプロットする。この測定方法では、図６のような第１、および第２の測定方法で得られる結果とは異なり、図７のような結果が得られる。図７で示されたように分布密度が大きな周波数領域ではプロットデータが多くなるので、測定精度が高くなる。ビート周波数が図５に示すような分布内で高速に増減を繰り返すポンプ光を用いてデータ点数を蓄積してもよいし、ビート周波数が低速で一度だけ一方向（増加方向、または減少方向）に変化する間に、あるいは数回増減を繰り返す間にデータ点数を蓄積してもよい。いずれにしろ、ビート周波数の変化を正確に制御する必要はない。
【００３２】
次に、第３の測定方法においてビート周波数を監視する方法について考える。ビート周波数を直接測定するには、それに追随できるような非常に高速な検出器や信号処理回路が必要となる。しかし、ギガヘルツ以上、テラヘルツ近くの振動成分を捉えることのできる検出システムを実現するのは難しい。そこで、本発明では、ビート光の元となる各レーザー光の周波数変化だけを検出し、そこから計算してビート周波数を求める方法を採用する。
【００３３】
レーザー光の周波数変化を検出する方法の例は、図８に示すようなマッハツェンダー干渉計を利用する方法である。短い光路を通過してきた光と長い光路を通過してきた光の位相がそろえば出力が最大になり、位相が１８０度ずれれば出力が低くなる。干渉計に入ってくる光の周波数が変化すると位相のずれも変化する。このように、測定対象の光の周波数が変化するのに合わせて干渉計の出力が周期的に強弱を繰り返すので、その繰り返し回数をカウントすることで周波数の変化を求めることができる。２個の光路長の差が大きいほど、同量の周波数変化に対する出力の強弱周期が短くなり、分解能を上げることができる。ただし、この方法では、ビート周波数が増加しているのか、減少しているのかの区別がつかないので実用的ではない。そこで、複数のマッハツェンダー干渉計を用いて、ビート周波数の増加と減少の区別をつける。
【００３４】
その方法の一例は、図９のように２個の干渉計の出力の位相が少しずれて強弱を繰り返すように両干渉計を設定する。入射光の周波数が増加中は、干渉計Ａの出力がピークを示して直ぐに干渉計Ｂの出力もピークを示し、少し間が空いてから干渉計Ａが再びピークを示す。入射光の周波数が減少中は、逆に干渉計Ｂの出力がピークを示して直ぐに干渉計Ａの出力もピークを示し、少し間が空いてから干渉計Ｂが再びピークを示す。このように干渉計ＡとＢの出力ピークの現れるタイミングの違いから、周波数の増減の向きを知ることができる。
【００３５】
もうひとつの例は、図１０のように３個の干渉計の出力の位相が約１２０度ずつずれて強弱を繰り返すようにこれらの干渉計を設定する。これにより、入射光の周波数が増加中は干渉計Ａ、Ｂ、Ｃの順に各出力がピークを示し、入射光の周波数が減少中は逆に干渉計Ｃ、Ｂ、Ａの順に各出力がピークを示すので、周波数の増減の向きを知ることができる。
【００３６】
上記の２例と同様に、複数の干渉計の出力がピークを示すタイミングや順序がビート周波数の増加中と減少中で異なるようにすれば、同様の効果を得ることができる。この測定方法は周波数変化のみを測定しているので、何らかの基準周波数を用いて校正した後に使用しないと、真のビート周波数を知ることはできない。しかし、以下に説明するように、隣接する共振周波数の差を知ることができれば対象とする薄膜を評価することが可能であり、真のビート周波数を知る必要はない。本測定方法では、図５のようなビート周波数の分布の範囲内に、複数の共振周波数が含まれる必要がある。
【００３７】
最後に、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。
【００３８】
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１１（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１１（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。
【００３９】
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。つまり、隣接する共振周波数の差を知ることができれば、真のビート周波数を知る必要は無いことが分かる。
【００４０】
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。
【００４１】
【実施例】
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、または各種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。
【００４２】
図１２は、上記第１の測定方法として説明した内容を具体化した例で、本発明の第１の実施例である。ポンプ光の発生源として連続レーザー１からのレーザー光３２と周波数可変連続レーザー２からのレーザー光３３を干渉させて作るビート状ポンプ光３４を利用する。連続レーザー２内の共振器の片方のミラーを動かすことで、レーザー光３３の周波数を変化させる。レーザー光３２とレーザー光３３は、偏光ビームスプリッター１４により光軸を重ねられ、偏光板２８により偏光方向をそろえられて互いに干渉し、ビート状ポンプ光３４となる。干渉に寄与する光量を調整するために、２分の１波長板２４と２分の１波長板２１を用いる。ビート状ポンプ光３４は、偏光ビームスプリッター１５、ビームスプリッター１７と通過した後、レンズ７により試料表面に集光される。一方、連続レーザー３から出たプローブ光３５は、偏光ビームスプリッター１５によりビート状ポンプ光３４に重ねられ、ビームスプリッター１７を通過後、レンズ７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１７によりファブリーペロー干渉計４２、検出器５へと導かれる。振動する表面で反射された反射光３９に含ま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４２を通過して、検出器５に到達する。ビームスプリッター１７とファブリーペロー干渉計４２の間に設置された偏光板２７は、プローブ光３５と同じ偏光成分のみをファブリーペロー干渉計４２側に通過させる。プローブ光の光量を調整するために、２分の１波長板２５を用いる。また、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：音響光学変調器）１９を使用してビート状ポンプ光３４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４０による測定を行なう。周期と位相を同期させるために、ドライバー４３からＡＯＭ１９、及びロックインアンプ４０に、同一の周期信号を送る。ロックインアンプ４０の利用により、ビート状ポンプ光３４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、ビート状ポンプ光３４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４１により、ロックインアンプ４０からの出力を記録すると、試料薄膜の共振状態の周波数依存を知ることができ、そこから試料薄膜の膜厚を計算することができる
図１３は、上記第２の測定方法として説明した内容を具体化した例で、本発明の第２の実施例である。図１２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。振動する表面で反射された反射光３９は、分光器４４によりそれが含む周波数に合わせて異なる角度に広がって放出されるので、その角度分布をマルチチャンネル検出器４７で検出し、試料薄膜の共振状態の周波数依存を知ることができる。
【００４３】
図１は、第３の測定方法として説明した内容を具体化した例で、本発明の第３の実施例である。図１２、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。ポンプ光３４、プローブ光３５、及び基準光３６の発生源として、連続レーザー１と周波数可変連続レーザー２の計２個のレーザーを使用する。連続レーザー１から出た光は、検出器５まで到達するプローブ光３５とビート状ポンプ光生成用のレーザー光３２の割合を調節するために、２分の１波長板２４により偏光方向を変えられる。同様に、周波数可変連続レーザー２から出た光は、検出器５まで到達する基準光３６とビート状ポンプ光生成用のレーザー光３３の割合を調節するために、２分の１波長板２１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１０により２方向に分割される。実際には、検出器４の方向に進んだ光は、２分の１波長板２２と偏光ビームスプリッター１１の組み合わせ、及び２分の１波長板２３と偏光ビームスプリッター１２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、基準光３６となる。ビート状ポンプ光生成用のレーザー光３２、３３、及びプローブ光３５は、ビームスプリッター１６によって重ねられ、ビームスプリッター１７を通過した後、レンズ７により試料表面に集光される。ビームスプリッター１６以降では、偏光方向が同じビート状ポンプ光生成用のレーザー光３２と３３が干渉し、ビート状ポンプ光３４となっている。一方、基準光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３０、ビームスプリッター１７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３８となる。したがって、ヘテロダイン干渉光３８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２７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３８のみが偏光板２７を通過して検出器５で検出される。偏光ビームスプリッター１０で分割されて検出器４の方向に進んだ光の内、基準光３６と分かれて検出器４まで到達する２種の光（ミラー２９を経由して偏光ビームスプリッター１３に向かう光と偏光ビームスプリッター１２を経由してから偏光ビームスプリッター１３に向かう光）は、偏光板２６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３７となり、検出器４で検出される。検出器５からの信号がロックインアンプ４０の入力として、検出器４からの信号がロックインアンプ４０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、周波数可変連続レーザー１と連続レーザー２の周波数の差とロックインアンプの出力を記録すると、試料薄膜の共振状態の周波数依存を知ることができ、そこから試料薄膜の膜厚を計算することができる。周波数可変連続レーザー２からのレーザー光の一部は偏光ビームスプリッター９で分岐され、周波数変化量測定器６によりその周波数の変化量を測定され、連続レーザー１の周波数との差からビート周波数の変化が求められる。
【００４４】
【発明の効果】
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。
【００４５】
共振法で利用するレーザー励起光として、波長および周波数の異なる２個のレーザー光（周波数：ｆ１、ｆ２）を干渉させて作ったビート周波数  ωｓ／２πのビート光を利用する。これにより、ギガヘルツ以上等の非常に高い周波数で強度が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評価に対しても共振法を利用することができる。同時に、共振法の利用により、繰り返されるエコーの情報を有効利用し、測定精度を向上させることができる。
【００４６】
上記のビート光を利用した薄膜評価法に対して、複数の共振周波数が含まれる程度に広帯域な範囲でビート周波数が変動するビート状ポンプ光を利用することで、ビート周波数を正確に制御することなく、共振法による薄膜評価を行うことができる。結果として、正確な制御に応えられるような高価なレーザーやそれに対応した環境を用意する必要の無い測定装置とすることができる。
【００４７】
上記の広帯域なビート光を利用した薄膜評価装置に、機械的な走査が必要な回折格子やファブリーペロー干渉計等で構成された分光器を組み合わせることで、従来の考え方では分光器の走査とビート周波数の走査の２軸の走査が必要であった測定を分光器の走査のみで行うことができる。
【００４８】
上記の広帯域なビート光を利用した薄膜評価装置に、機械的な走査が必要なマイケルソン干渉計とフーリエ変換を利用して反射光のスペクトルを取得する方法を組み合わせることで、従来の考え方ではマイケルソン干渉計の走査とビート周波数の走査の２軸の走査が必要であった測定をマイケルソン干渉計の走査のみで行うことができる。
【００４９】
上記の広帯域なビート光を利用した薄膜評価装置に、回折格子等の入射光の周波数に応じて出射角度の異なる分光器とマルチチャンネル検出器を組み合わせることで、従来の考え方では分光器の走査が必要であった測定を何も走査することなく行うことができる。
【００５０】
上記の広帯域なビート光を利用した薄膜評価装置に対して、ビート光用に用いる２個のレーザー光（周波数：ｆ１、ｆ２）、プローブ光（周波数：ｆｐ）、及び基準光（周波数：ｆｒ）が｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜＝｜Δω／２πの関係を満たし、かつ周波数Δω／２πを一定に保つようにしてヘテロダイン干渉測定を行うことで、ビート周波数が変動していても常に同じ周波数で振動するヘテロダイン干渉信号を生成することができ、ビート周波数  ωｓ／２πで振動している表面振動のみを検出することができる。
【００５１】
上記のヘテロダイン干渉測定を行う薄膜評価装置に対して、ビート光用に用いる２個のレーザーの一方をプローブ光用に、もう一方を基準光用に共用し、これら４種の光の中の１種をΔω／２πだけシフトさせることで、｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜＝｜Δω｜／２π＝一定の条件を満たすことができる。
【００５２】
上記のヘテロダイン干渉測定を行う薄膜評価装置に対して、Δω／２πで周波数シフトさせたレーザー光のシフト前後のレーザー光をヘテロダイン干渉させて得られるΔω／２πで振動する周期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ことができる。これにより、ビート周波数  ωｓ／２πで振動している表面振動の位相情報を得ることができ、検出対象ではないランダムな位相を持つ振動成分を効率よく取り除くことや、位相のずれや広がりの情報から薄膜の膜質情報を抽出することができる。
【００５３】
上記のヘテロダイン干渉測定を行う薄膜評価装置に対して、表面振動の振幅量の測定と同時に、その瞬間のビート周波数をある基準からの周波数変化分として測定して、信号強度と共にプロットすることで、真のビート周波数を必要とせずに共振状態を知ることができる。
【００５４】
上記の周波数変化分を測定する薄膜評価装置に対して、複数のマッハツェンダー干渉計の出力をそれらの出力ピークを示すタイミングや順序がビート周波数の増加中と減少中で異なるように設置することで、ビート周波数が増減して変動するような状況でもある基準からの周波数変化分を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第３の実施例を示す図である。
【図２】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３】ビート周波数を走査して共振ピークを調べる際に考えられる一般的な方法を示す図である。
【図４】ビート周波数と表面振動振幅の関係を示す図である。
【図５】本発明で使用するビート周波数の分布を示す図である。
【図６】本発明における測定結果を示す図であり、図５に示したビート周波数の分布帯域も重ねて示されている。
【図７】本発明における図６とは異なるタイプの測定結果を示す図であり、図５に示したビート周波数の分布帯域も重ねて示されている。
【図８】マッハツェンダー干渉計を利用した周波数変化測定器を示す図である。
【図９】２個のマッハツェンダー干渉計を利用して、増減方向も含めて周波数変化を測定する方法を示す図である。
【図１０】３個のマッハツェンダー干渉計を利用して、増減方向も含めて周波数変化を測定する方法を示す図である。
【図１１】（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１２】本発明における第１の実施例を示す図である。
【図１３】本発明における第２の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１、３…連続レーザー
２…周波数可変連続レーザー
４、５…検出器
６…周波数測定器、または周波数変化量測定器
７…レンズ
８…試料
９、１０、１１、１２、１３、１４、１５…偏光ビームスプリッター
１６、１７…ビームスプリッター
１８、１９…ＡＯＭ
２０、２１、２２、２３、２４、２５…２分の１波長板
２６、２７、２８…偏光板
２９、３０、３１…ミラー
３２、３３…ビート状ポンプ光生成用のレーザー光
３４…ビート状ポンプ光
３５…プローブ光
３６…基準光
３７、３８…ヘテロダイン干渉光
３９…反射光
４０…ロックインアンプ
４１…データ収集システム
４２…ファブリーペロー干渉計
４３…ドライバー４４…分光器
４５…ポンプ光
４６…光強度変調器
４７…マルチチャンネル検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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