(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。【選択図】　　図１
2004132939.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、複数の連続レーザーと、検出器と、前記複数の連続レーザーを試料表面または検出器に導く光学回路とからなり、前記複数の連続レーザーの中から超音波励起用のビート光の元となる２個のビート発生光（周波数：ｆ１、ｆ２）用レーザーを選択する手段と、前記複数の連続レーザーの中からプローブ光（周波数：ｆｐ）用の１個のレーザーを選択する手段と、前記複数の連続レーザーの中から干渉測定の基準光（周波数：ｆｒ）用のレーザーを選択する手段とを備えた薄膜評価装置。
【請求項２】
前記基準光と試料表面で反射した前記プローブ光を干渉させて、｜｜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手段を備えた請求項１記載の薄膜評価装置。
【請求項３】
前記２個のビート発生光用レーザーの一方と前記プローブ光用レーザーを共用し、かつ前記２個のビート発生光用レーザーのもう一方と前記基準光用レーザーを共用し、ビート発生光、プローブ光、及び基準光のうちのいずれか一つのレーザー光に対して元となるレーザーが持つ周波数を｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜シフトさせる手段を備えた請求項２記載の薄膜評価装置。
【請求項４】
前記ビート発生光用のレーザーとして選択する２個のレーザーの組み合わせを変更することによりビート光のビート周波数を走査する手段を有し、前記シフトさせる周波数を一定に保つことにより常に周波数｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜で振動するヘテロダイン干渉信号を得る請求項３記載の薄膜評価装置。
【請求項５】
前記ビート発生光用レーザーとして選択する一方のレーザーを波長可変連続レーザーとして前記波長可変連続レーザーの波長を変化させることによりビート光のビート周波数を走査する手段を有し、前記シフトさせる周波数を一定に保つことにより常に周波数｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜で振動するヘテロダイン干渉信号を得る請求項３記載の薄膜評価装置。
【請求項６】
ロックインアンプを備え、前記プローブ光および前記基準光のヘテロダイン干渉信号を該ロックインアンプの入力信号とし、周波数｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜で振動する周期信号を該ロックインアンプの参照信号とした請求項４または５に記載の薄膜評価装置。
【請求項７】
前記周期信号は、｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜で周波数シフトさせたレーザーのシフト前後のレーザー光を干渉させることにより得られる｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜で振動する周期信号である請求項６記載の薄膜評価装置。
【請求項８】
直列に接続した２個の変調器を有し、該変調器により前記対象レーザーを周波数シフトさせ、２ＭＨｚ程度の｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜でヘテロダイン干渉信号を得る手段を備えた請求項４または５に記載の薄膜評価装置。
【請求項９】
前記超音波励起用ビート光のビート周波数を測定する測定手段と、ビート周波数を制御する制御手段を備え、薄膜中に励起する超音波振動数を制御する請求項４または５に記載の薄膜評価装置。
【請求項１０】
前記プローブ光から相殺光を分岐させる手段と、該相殺光を前記基準光と試料表面で反射した前記プローブ光と共に干渉させる手段とを備えた請求項２記載の薄膜評価装置。
【請求項１１】
前期基準光を前記プローブ光と重ね合わせた後に試料表面で反射させてヘテロダイン干渉させる手段と、２組のヘテロダイン干渉光から１組のみを選択する手段を備えた請求項２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。
【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、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。この方法の一例は、特開平５−１７２７３９号公報に示されている。
【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。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２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６２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て検出器３に導かれる。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６３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。
【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。この方法の一例は、特開平４−１９１６５２号公報に示されている。
【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３を用いて上記の従来技術に関して説明する。ただし、図２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６１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、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、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。
【０００８】
上記２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。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−１７２７３９号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開平４−１９１６５２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記、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。
【００１２】
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。
【００１３】
また共振法においては、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。
【００１４】
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う装置を提供することを課題とする。
【００１５】
【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。また、共振法を利用した薄膜評価装置としたことにより、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。
【００１６】
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備えた薄膜評価装置とした。これにより数マイクロメートル以下に限らず、ミリメートル程度の薄膜測定も高精度に行うことが可能となる。
【００１７】
【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、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基準光を分岐させるための光学回路、ポンプ光と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）と基準光を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。
【００１８】
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。必要とする周波数で強度変化するビート光を得られるように、２個のレーザーが選択される。対象とする測定膜厚の範囲、要求する測定精度に合わせて、周波数の異なるレーザーを多数用意する必要がある。
【００１９】
必要なレーザーの個数を減らすためには、周波数が連続可変なレーザーを利用する方法がある。この場合、最少でも２個のレーザーを使用し、少なくとも１個のレーザーは周波数が連続可変でなければならない。レーザーを２個使用し、その一方が周波数連続可変の場合、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微調整する方法等が考えられる。２個の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、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。
【００２０】
以下の説明において、「２個のレーザー」等の記述に関しては、複数の励起用連続レーザーから目的の周波数のビート状ポンプ光を生成するために選択された２個のレーザーを示すものとする。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
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。
【００２３】
レーザー１から分岐させたプローブ光をＡｓｉｎ（ω１ｔ）、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である。
【００２４】
ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ−２κＵｓｉｎ（ωｓｔ））
＝　ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ）ｃｏｓ（２κＵｓｉｎ（ωｓｔ））−
ｒＡｃｏｓ（ω１ｔ）ｓｉｎ（２κＵｓｉｎ（ωｓｔ））
≒　ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ）　−
２ｒＡκＵｃｏｓ（ω１ｔ）ｓｉｎ（ωｓｔ）
＝　ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ）　−　ｒＡκＵｓｉｎ（ω１ｔ＋ωｓｔ）　＋
ｒＡκＵｓｉｎ（ω１ｔ−ωｓｔ）
＝　ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ）　−　ｒＡκＵｓｉｎ（（２ω１−ω２）ｔ）　＋　ｒＡκＵｓｉｎ（ω２ｔ）
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、及びシフト成分の一方はレーザー２の周波数に等しいことが分かる。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。
【００２５】
上記の反射光を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。この基準光は、レーザー２から分岐させた光をＡＯＭ等の変調器によりΔω／２πだけ周波数シフトさせて生成する。また、｜Δω｜≪｜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。
【００２６】
Ｉ＝（　Ｂｓｉｎ（（ω２＋Δω）ｔ）　＋
ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ）　−　ｒＡκＵｓｉｎ（（２ω１−ω２）ｔ）　＋　ｒＡκＵｓｉｎ（ω２ｔ）　）２
最も周期の長いΔωｔの項以外を時間平均すると、以下の解を得る。
【００２７】
Ｉ＝　Ｂ２／２　＋　（ｒＡ）２／２　＋　ＢｒＡκＵｃｏｓ（Δωｔ）
したがって、表面振動の振幅Ｕが大きいほど、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４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Δω／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や、基準位相に対する実部と虚部を分離して測定することができる。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Δω／２πの交流信号として、例えば、基準光を周波数シフトするために利用した駆動用信号、または周波数シフト前とシフト後の基準光を干渉させて得られるビート信号等を利用できる。
【００２８】
また、上記のプローブ光、反射光、及び基準光を以下のように置き換えても全く同じ検出強度Ｉを得ることができる。
【００２９】
プローブ光：Ａｓｉｎ（（ω１＋Δω）ｔ）
反射光：ｒＡｓｉｎ（（ω１＋Δω）ｔ−２κＵｓｉｎ（ωｓｔ））
基準光：Ｂｓｉｎ（ω２ｔ）
また、レーザー１とレーザー２を入れ替えても、上記２種の関係と同様の関係を得ることができる。前者の関係に対応する新たな関係は以下のようになる。
【００３０】
プローブ光：Ａｓｉｎ（ω２ｔ）
反射光：ｒＡｓｉｎ（ω２ｔ−２κＵｓｉｎ（ωｓｔ））
基準光：Ｂｓｉｎ（（ω１＋Δω）ｔ）
後者の関係に対応する新たな関係は以下のようになる。
【００３１】
プローブ光：Ａｓｉｎ（（ω２＋Δω）ｔ）
反射光：ｒＡｓｉｎ（（ω２＋Δω）ｔ−２κＵｓｉｎ（ωｓｔ））
基準光：Ｂｓｉｎ（ω１ｔ）
レーザー１とレーザー２を入れ替えた関係では、干渉光の検出強度Ｉは以下のようになる。
【００３２】
Ｉ＝　Ｂ２／２　＋　（ｒＡ）２／２　−　ＢｒＡκＵｃｏｓ（Δωｔ）
また、上記のようにプローブ光、または基準光を周波数Δω／２πだけシフトさせる代わりに２個のビート発生光用レーザーの片方を周波数Δω／２πだけシフトさせると、例えば以下のような関係になる。
【００３３】
プローブ光：Ａｓｉｎ（ω１ｔ）
反射光：ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ−２κＵｓｉｎ（（ωｓ＋Δω）ｔ））
基準光：Ｂｓｉｎ（ω２ｔ）
この場合、干渉光の検出強度Ｉは以下のようになる。
【００３４】
Ｉ＝　Ｂ２／２　＋　（ｒＡ）２／２　＋　ＢｒＡκＵｃｏｓ（Δωｔ）
また、上記第１の関係において、さらに相殺光を追加して、反射光、相殺光、及び基準光を全てまとめて干渉させる新たな関係も考えられる。ここでの相殺光とは、反射光に残っているプローブ光と同じ周波数成分を相殺して、干渉光に含まれる直流成分を減らすために利用される。ここでは、上記の第１の関係に合わせて説明するが、上記の第２、第３、及び第４の関係に対しても同様の関係を考えることができる。ここでの関係は以下のようになる。
【００３５】
プローブ光：Ａｓｉｎ（ω１ｔ）
反射光：ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ−２κＵｓｉｎ（ωｓｔ））
相殺光：−ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ）
基準光：Ｂｓｉｎ（（ω２＋Δω）ｔ）
この時、干渉光の検出強度Ｉは以下のようになる。
【００３６】
Ｉ＝（　Ｂｓｉｎ（（ω２＋Δω）ｔ）　−ｒＡκＵｓｉｎ（（２ω１−ω２）ｔ）　＋ｒＡκＵｓｉｎ（ω２ｔ）　）２
最も周期の長いΔωｔの項以外を時間平均すると、以下の解を得る。相殺光を利用するこの方法により、Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。
【００３７】
Ｉ　＝　Ｂ２／２　＋　ＢｒＡκＵｃｏｓ（Δωｔ）
相殺光を利用する代わりに、周波数フィルターを用いて反射光からｒＡｓｉｎ（ω１ｔ）の成分を取り除いても同様の結果を得ることができる。
【００３８】
また、上記第１の関係において、プローブ光と同様に基準光も試料表面で反射させ、計２個の反射光間での干渉を測定する関係も考えられる。ここでは、上記の第１の関係に合わせて説明するが、上記の第２、第３、及び第４の関係に対しても同様の関係を考えることができる。ここでの関係は以下のようになる。
【００３９】
プローブ光：Ａｓｉｎ（ω１ｔ）
基準光：Ｂｓｉｎ（（ω２＋Δω）ｔ）
反射光（プローブ）：ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ−２κＵｓｉｎ（ωｓｔ））
反射光（基準）：ｒＢｓｉｎ（（ω２＋Δω）ｔ−２κＵｓｉｎ（ωｓｔ））
この時の干渉光の検出強度Ｉを計算すると、以下のようになる。
【００４０】
Ｉ＝（　ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ）　−　ｒＡκＵｓｉｎ（（２ω１−ω２）ｔ）＋ｒＡκＵｓｉｎ（ω２ｔ）　＋ｒＢｓｉｎ（（ω２＋Δω）ｔ）　−ｒＢκＵｓｉｎ（（ω１＋Δω）ｔ）　＋ｒＢκＵｓｉｎ（（−ω１＋２ω２＋Δω）ｔ）　）２
最も周期の長いΔωｔの項以外を時間平均すると、以下の解を得る。
【００４１】
Ｉ　＝　（ｒＡ）２／２　＋　（ｒＢ）２／２　＋（ｒＡκＵ）２　＋　（ｒＢκＵ）２
他の例と比較すると、変位量Ｕに対する一次の振動項が無くなり、非常に感度が悪くなることが分かる。これは、式中の第１項ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ）と第５項ｒＢκＵｓｉｎ（（ω１＋Δω）ｔ）のヘテロダイン干渉光と、第３項ｒＡκＵｓｉｎ（ω２ｔ）と第４項ｒＢｓｉｎ（（ω２＋Δω）ｔ）のヘテロダイン干渉光が打ち消しあってしまうからである。しかし、片方の組み合わせの光のみが通過するような周波数フィルターを検出器前に設置することで、例えば以下のような解を得ることができ、上記の相殺光を利用する場合と同様に、Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。
【００４２】
Ｉ＝（　ｒＡκＵｓｉｎ（ω２ｔ）＋　ｒＢｓｉｎ（（ω２＋Δω）ｔ）　）２
＝　（ｒＡ）２／２　＋　ｒ２ＡＢκＵｃｏｓ（Δωｔ）
この例では、ω２とω２＋Δωが透過するような狭帯域のフィルターを設置する。ω１のみを変化させてビート周波数を走査することで、上記フィルター帯域を固定したままで使用することができる。
【００４３】
しかし、この方法の有利な点は、Ｓ／Ｎ比の点だけではない。他の方法では、試料表面が傾くと反射光の光軸がずれて、基準光との干渉状態が変化してしまい、測定結果に影響を与えてしまうが、この方法では基準光がプローブ光と同様に試料表面で反射されるので、試料表面の傾きによる干渉状態への影響を抑えることができる。
【００４４】
また、全ての方法において、試料直前のレンズによりレーザー光を集光する場合は照射点からの反射光の広がり角により試料の傾きからの影響を低くすることができるが、この方法の配置を利用することでさらに影響を抑えることができる。
【００４５】
Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖ．７９、Ｎ．５、ｐ．８８１「Ａ　Ｎｅｗ　Ｐｈａｓｅ−Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ｌｉｇｈｔ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ：　Ｆｉｒｓｔ　Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｌｅｘ　ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＳｐｅｃｔｒａ」に上記と同様のヘテロダイン検出方法が記載されているが、そこでは試料内部に発生させた音波面によるブリリアン散乱を対象としている。本発明では、この方法を表面振動検出用に利用することで、不透明薄膜の評価を高精度で行う方法を示した。
【００４６】
本手法の優れた点は、ビート状ポンプ光を利用する上での特徴を多様に利用している点である。そのひとつは、電気的には制御の難しい高い周波数での強度変調光を利用でき、膜厚が１マイクロメートル程度以下の薄膜を共振させることができる点である。もうひとつは、ポンプ光用ビートを生成するために使用した２個のレーザーをプローブ光と基準光にも利用することで、独立した周波数Δω／２πで固定したヘテロダイン検出とロックイン検出ができる点である。ただし、片方の特徴を利用するだけでも有効である。例えば、マイクロメートル程度より厚い膜に対しても後者の特徴は有効なので、高精度な薄膜評価が可能である。
【００４７】
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。
【００４８】
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５（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５（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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
【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。
【００５２】
図１は、プローブ光をＡｓｉｎ（ω１ｔ）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、プローブ光、及び基準光の発生源として、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１と連続レーザー２のうち、少なくとも一方は周波数が連続可変である。周波数を変化させるために、可変レーザー内の共振器の片方のミラー位置を微調整する。連続レーザー１から出た光は、検出器３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、検出器３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、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、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。ビームスプリッター１５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。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（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、検出器４で検出される。検出器３からの信号がロックインアンプの入力として、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。
【００５３】
図６は、プローブ光をＡｓｉｎ（（ω２＋Δω）ｔ）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１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、検出器３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２から出た光は、検出器３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。また、プローブ光３５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。一方、基準光３６は、ビームスプリッター１６を通過した後、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。
【００５４】
図７は、プローブ光をＡｓｉｎ（ω１ｔ）、相殺光を−ｒＡｓｉｎ（ω１ｔ）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１、及び図６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、プローブ光、基準光、及び相殺光の発生源として、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１から出た光は、検出器３まで到達するプローブ光３５、ビート状ポンプ光生成用のレーザー光３２、及び検出器３まで到達する相殺光４２の割合を調節するために、２分の１波長板２２と２分の１波長板２３により偏光方向を変えられる。相殺光４２は偏光ビームスプリッター１３により他の２種の光から分離され、偏光ビームスプリッター１４を通過後、ミラー３１で反射され、偏光ビームスプリッター１４に戻ってくる。それまでに４分の１波長板を２回、通過するために偏光方向が９０度、変化している。そのため、ミラー３１から戻ってきた光は偏光ビームスプリッター１４を透過して、ビームスプリッター１７に向かって進む。ミラー３１を図中で横方向に移動させ、相殺光４２の光路長を変化させて位相を調整する。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、ビームスプリッター１７により相殺光４２と重ねられて、ビームスプリッター１６を通過した後、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４０となる。したがって、ヘテロダイン干渉光４０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４０のみが偏光板２６を通過して検出器３で検出される。図１、及び図６のヘテロダイン干渉光３９とは異なり、本例でのヘテロダイン干渉光４０は、相殺光４２により直流成分が少なくなっている。
【００５５】
図８（Ａ）は、図１、図６、及び図７の全て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と周波数カウンター４６、４７を使用する。連続レーザー１、２を安定に制御するために、周波数カウンター４６、４７からの出力がレーザーコントローラー４４、４５にフィードバックされる。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。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。データ収集システムは、レーザーコントローラー４４、４５とロックインアンプ５０を制御し、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の出力から求め、共振周波数を特定する。
【００５６】
図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のロックインアンプ５０の参照信号を変更した例を示した図である。ここでは、ＡＯＭ１８を駆動するために使用するドライバー６３の出力をそのまま、ロックインアンプ５０の参照信号として使う。
【００５７】
図９は、基準光Ａｓｉｎ（（ω２＋Δω）ｔ）をプローブ光と同様に試料表面で反射させるとして説明した内容を具体化した例で、本発明の第４の実施例である。図１、図６、及び図７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。ビート状ポンプ光生成用のレーザー光３２、３３、プローブ光３５、及び基準光３６は、ビームスプリッター１５によって重ね合わせられ、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。４種の光は試料表面で反射されて検出器３の方向に進み、偏光板２６によりビート状ポンプ光３４が除かれ、周波数フィルター６４により周波数ω２とω２＋Δωのみが選択されてヘテロダイン干渉光３９となり検出器３に到達する。
【００５８】
【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。
【００５９】
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。
【００６０】
上記のビート光を利用した薄膜評価法に対して、プローブ光（周波数：ｆｐ）と基準光（周波数：ｆｒ）を用いて試料表面の振動測定を行い、｜｜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ことができる。
【００６１】
上記のビート光を利用した薄膜評価法に対して、ビート発生光用レーザーの一方とプローブ光用レーザーを共用し、ビート発生光用レーザーのもう一方と基準光用レーザーを共用し、４つのレーザー光のうち、一つに対しては元となるレーザーが持つ周波数をΔω／２πだけシフトさせ、残りの３個の光に対してはそれぞれの元のレーザーが持つ周波数のままで利用することで、ヘテロダイン干渉信号の振動周波数｜｜ｆ１−ｆ２｜−｜ｆｐ−ｆｒ｜｜をΔω／２πに設定することができる。
【００６２】
上記のビート光を利用した薄膜評価法に対して、シフト周波数Δω／２πを一定に保つことでビート周波数を走査中で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、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。
【００６３】
上記のビート光を利用した薄膜評価法に対して、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。
【００６４】
上記のビート光を利用した薄膜評価法に対して、Δω／２πで周波数シフトさせたレーザーのシフト前後のレーザー光をヘテロダイン干渉させてΔω／２πで振動する周期信号を得ることができる。これにより、ロックインアンプの参照信号として、入力信号と完全に同期した信号を利用することができ、ロックインアンプのフィルター機能を最良の状態で利用することができる。
【００６５】
上記のビート光を利用した薄膜評価法に対して、ＡＯＭ等の変調光学素子を利用して、信号処理に最適なΔω／２πを選択することができる。例えば、２個のＡＯＭ（例えば、８２ＭＨｚと８０ＭＨｚ）を直列にして利用することで、１個の変調機では実現が困難な信号処理に最適な２ＭＨｚ程度の周波数Δω／２πを利用することができる。
【００６６】
上記のビート光を利用した薄膜評価法に対して、２個のレーザーから生成されるビート光のビート周波数ωｓ／２πを測定して、それをコントロールすることができる。これにより、膜中に励起する超音波振動数を高精度、かつ安定に制御することができる。
【００６７】
上記のビート光を利用した薄膜評価法に対して、反射後のプローブ光に含まれる周波数ｆｐの成分を打ち消すために相殺光を利用することで、Ｓ／Ｎ比の高い測定を行うことができる。
【００６８】
上記ビート光を利用した薄膜評価法に対して、基準光をプローブ光と同様に試料表面で反射させ、発生する２組のヘテロダイン干渉光から１組のみを選択するために周波数フィルターを利用することで、Ｓ／Ｎ比が高く、試料の傾きによる影響を抑えた測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１の実施例を示す図である。
【図２】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３】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４】本発明における測定結果を示す図である。
【図５】（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６】本発明における第２の実施例を示す図である。
【図７】本発明における第３の実施例を示す図である。
【図８】（Ａ）は、本発明の制御部分における第１の実施例を示す図である。（Ｂ）は、制御部分の第２の実施例を示す図である。
【図９】本発明における第４の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１、２、６１　連続レーザー
３、４　検出器
５　レンズ
６　試料
７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４　偏光ビームスプリッター
１５、１６、１７　ビームスプリッター
１８　ＡＯＭ
１９、２０、２１、２２、２３　２分の１波長板
２４　４分の１波長板
２５、２６　偏光板
２７、２８、２９、３０、３１、５１、５２、５３　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、５８　プローブ光
３６　基準光
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　相殺光を利用した場合のヘテロダイン干渉光
４２　相殺光
４３　データ収集システム
４４、４５　レーザーコントローラー
４６、４７　周波数カウンター
４８、４９　アンプ
５０　ロックインアンプ
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
５９　反射光
６０　干渉光
６２　短パルスレーザー
６３　ドライバー
６４　周波数フィルター
【図１】
2004132939.tif 000003
【図２】
2004132939.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004132939.tif 000006
【図５】
2004132939.tif 000007
【図６】
2004132939.tif 000008
【図７】
2004132939.tif 000009
【図８】
2004132939.tif 000010
【図９】
2004132939.tif 000011