JPH0783824A

JPH0783824A - 減衰全反射による解析方法及びその装置

Info

Publication number: JPH0783824A
Application number: JP25004493A
Authority: JP
Inventors: Fusaaki Endou; 惣銘遠藤; Hiroshi Iwasaki; 洋岩崎
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-09-10
Filing date: 1993-09-10
Publication date: 1995-03-31

Abstract

(57)【要約】【構成】基体12の一主面上に薄膜11を設けてなる積層
体について減衰全反射法によって解析を行うに際して、
前記薄膜11の側にてこの薄膜上に前記基体12よりも屈折
率の高いプリズム23を配し、このプリズム23から前記基
体12側に入射させた光14を全反射させるようにした、減
衰全反射による解析方法。【効果】薄膜／基体の界面の状態（透明境界膜の厚さ
の変化等）を正確に検出すると共に、薄膜の厚み方向
（初期堆積層／金属層／腐食層の積層状態等）の状態の
解析を可能にし、薄膜の光学定数の決定等の解析をより
正確に行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、減衰全反射（Ａttenua
ted Ｔotal Ｒeflection ：以下、ＡＴＲと称する。）
による解析方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＡＴＲ法は、例えば日本物理学会
誌 Vol. 43, No. 11, 1988, 第 863〜868頁に開示され
ているように、減衰全反射の現象を利用して薄膜の屈折
率、減衰係数（光吸収）、膜厚等の光学定数の評価を行
うための解析技術として知られている。

【０００３】このＡＴＲによる評価は、同じ目的で広く
用いられている偏光解析と比較すると、偏光解析が透明
薄膜や吸収バルク材に適性があるのに対し、ＡＴＲは被
評価薄膜が金属のように光吸収をもつ薄膜である場合に
好適である。

【０００４】このＡＴＲによる評価は、屈折率の高い媒
質Ａから屈折率の小さい媒質Ｂに入射する光が、或る入
射角（即ち、両媒質の屈折率によって決まる全反射臨界
角）を超えるときに生じる全反射の現象を利用するもの
である。このとき、両媒質Ａ及びＢの界面に光を吸収す
る物質の薄膜、例えば金属薄膜が存在すると、媒質Ｂか
ら滲み出した光がこの薄膜で吸収され、反射される光パ
ワーが減少する。

【０００５】このＡＴＲの現象は、共鳴的な性格を持っ
ている。これは、最も効果的に光パワーを吸収できるモ
ードが金属薄膜表面のプラズマ振動（電気分極の波動）
であり、これが媒質の光学定数で決まる固有の分散関係
（角周波数ωと波数ｋの金属薄膜の面方向成分ｋ_Hとが
満たす一定の関係）を持っていることにより、滲み出し
光が、これと同じω、ｋ_Hを持つときに限って高い効率
で表面プラズモンへとエネルギーが移動し、反射率が激
減する。

【０００６】このＡＴＲ薄膜評価方法は、例えば図17に
その一例の基本的構成を示すように、屈折率ｎ_Pのプリ
ズム１の、被評価金属薄膜２（例えば、Ａｇ蒸着膜）が
被着形成された底面に対して入射光３（例えば角周波数
ω_lのレーザ光）を所要の見掛けの入射角（プリズムに
入射する光の、プリズム底面に対する法線とのなす角を
見掛けの入射角と称することにする）θ_iをもって照射
することによって行われる。

【０００７】図18は、この場合の表面プラズモンの分散
関係を示す図である。

【０００８】こうしたＡＴＲ薄膜評価方法は、入射光の
周波数ω_Lは固定するものであるが、光の入射角θ_iを
変えることによって、下記の式１によって周波数ｋ_Hを
選定して、図18の分散曲線上の点Ｐを得ることができ
る。

【０００９】ｋ_H＝ω_Lｎ_Pｓｉｎθ_i／ｃ・・・（１）（ｃは光速を示す。）

【００１０】図19は、光の入射角θ_iに対する反射率の
変化を示し、破線曲線は、プリズムのみの場合、実線曲
線はＡｇ薄膜がある場合である。プリズムのみの場合
は、θ_i＞θ_cで全反射が、Ａｇ薄膜（即ち金属薄膜）
が存在する場合は、図18の点Ｐの分散関係によるＡＴＲ
による沈み込み＝ディップＡが生じる（θ_cは全反射臨
界角）。

【００１１】このような反射率の角度依存性は、媒質の
光学定数（屈折率ｎ、消衰係数ｋ）、金属薄膜の厚さｄ
を仮定して計算することによって求めることができるの
で、計算結果が実測を再現するようにしてｎ、ｋ、ｄの
３者全てを同時に推定できるのである。

【００１２】因に、良く用いられる、入射角固定、単一
波長の偏光解析装置では、ｋに文献値を仮定してｎとｄ
を求めるとか、膜厚を別法で定めた上でｎ、ｋを求める
というように、２者の推定しかできないものであり、こ
こにＡＴＲ薄膜評価方法の大きな利点が存在する。

【００１３】ところで、上述したＡＴＲ薄膜評価方法で
は、上述したことから明らかなように、全反射臨界角θ
_cを超えるような方向に光を導入する必要があり、特殊
な光カップリングが必要となる。

【００１４】ＡＴＲ薄膜評価方法において、その薄膜解
析で一般に用いられている代表的方法としては、クレッ
チマン法とオットー法とがある。

【００１５】クレッチマン法は、図17で説明したよう
に、プリズムに直接薄膜を被着する方法であり、この場
合、被評価薄膜を蒸着あるいはスパッタリングで形成す
る点での制約があって汎用性に欠け、また高価なプリズ
ム上にこの物質を被着することは経済的ではないなどの
問題がある。

【００１６】また、オットー法は、図20に示すように、
プリズム１と被評価薄膜２とが別体構成とされ、両者間
に空隙ｇが存在する配置をとるもので、この場合には物
質の制約が改善されるものの、その空隙ｇの厚さの再現
性に問題があり、この空隙ｇの厚さをそろえるために、
被評価薄膜上にさらに別種のスペーサ薄膜を蒸着した
り、これら薄膜をプリズムに一定の圧力をもって押圧す
るための治具を必要とするなどの問題がある。

【００１７】

【発明に至る経過】こうした問題を解消すべく、本出願
人は次の如き方法を特願平５−７２２４５号等において
既に提案した。即ち、この方法（以下、先願発明と称す
る。）は、「被評価薄膜が形成された光透過性基板の、
上記被評価薄膜が形成された側とは反対側の面に、光結
合用プリズムを配置して該プリズムを介して上記被評価
薄膜に測定用光ビームを照射して、減衰全反射による分
析評価を行うことを特徴とする減衰全反射型薄膜評価方
法」を要旨とするものである。

【００１８】この先願発明の一実施例を図21〜図25につ
いて説明する。この先願発明は、図21にその被評価薄膜
11の光カップリング部の一例の断面図を示すように、被
評価薄膜11が形成された光透過性基板12の、被評価薄膜
11が形成された側とは反対側の面に、光結合用プリズム
13を配置し、このプリズム13を介して被評価薄膜11に測
定用光ビーム14を照射して、減衰全反射（ＡＴＲ）によ
る分析評価を行う。

【００１９】この場合、測定用光ビーム14の径を、光透
過性基板12の厚さＤより小に選定するのが望ましい。

【００２０】また、光結合用プリズム13と光透過性基板
12との間に光透過性のカップリング層15を介在させ、こ
のカップリング層15を、プリズム13とこのカップリング
層15との界面での全反射臨界角が光透過性基板12と空気
との界面での全反射臨界角よりも大となる液体層とする
のが望ましい。

【００２１】先願発明によれば、被評価薄膜11を、プリ
ズム13とは別体の光透過性基板12に形成するので、高価
なプリズムへの加工が回避され、また基板12の材料の選
定の自由度が大となり、クレッチマン配置と同様の利点
を有する。

【００２２】また、先願発明は光透過性の基板12上に形
成した薄膜11に対する評価の態様を採るので、例えば光
ディスクにおけるように、光透過性基板上にＡｌ薄膜等
が形成されたものに対する評価を行う場合において、例
えばこのディスク自体としてその評価を行うことができ
る。従って、その評価（即ち特性測定）を正確かつ簡便
に行うことができる。

【００２３】また、図22に示すように、測定用光ビーム
14の被評価薄膜11との界面からの第１の反射光14Ｒ
₁と、基板12のプリズム13側での界面からの第２の反射
光14Ｒ₂とが重なることにより両者が干渉し、これによ
って生じる反射率変化による誤評価を回避することがで
きる。即ち、今、基板12のプリズム側の界面からの反射
が例えば0.25％という小さな値である場合でも、第１及
び第２の反射光が重なった場合に、これら反射光が干渉
した場合は、その反射率変化が数％にも及び、無視でき
ない大きさになる。

【００２４】即ち、今、反射率（光エネルギーの反射
率）が例えば0.25％のときを考えると、光電場の振幅反
射率は、（0.0025)^1/2＝0.05（＝５％）となる。そして
エネルギーは電場の二乗に比例することから、重ね合わ
せられた反射光全体のエネルギーは次のように電場のた
し合わせから与えられる。

【００２５】（全体としてのエネルギー反射率）＝
｛（第１の反射光の光電場）＋（第２の反射光の光電
場）｝²

【００２６】これより、第２の反射光の電場が、第１の
反射光の電場の数％の大きさであれば、両方の電場の位
相関係によって全体のエネルギーも数％以上変化するこ
とは明らかである。

【００２７】この位相関係は、基板の厚さという、評価
の対称とは無関係で、しかもその量を正確に知ることが
困難な量に依存するので、これを取り入れた測定によっ
て目的とする評価のための解析を行うことはきわめて煩
雑で、かつ精度に問題が生じる。

【００２８】これに対し、先願発明によれば、測定用光
ビーム14の径を、光透過性基板12の厚さＤより小に選定
した場合、第１の反射光14Ｒ₁と、第２の反射光14Ｒ₂
とが重なることが回避されるので、これによる相互の干
渉を回避でき、上述の反射率変化による誤評価を回避す
ることができる。

【００２９】また、先願発明においては、プリズム13と
光透過性基板12との間にカップリング層15を介在させ、
このカップリング層15を、プリズム13とこのカップリン
グ層15との界面での全反射臨界角が光透過性基板12と空
気との界面での全反射臨界角よりも大となる液体層とす
ることができる。このようにしたことによって、カップ
リング層15の厚さを数μｍ程度にしても、即ちプリズム
13と基板12とをさほど圧着させないでも、測定結果に大
きな影響を与えることを回避できるものである。

【００３０】即ち、プリズム13−カップリング層15（即
ち液体層）−基板12の重ね合わせによるプリズム／液体
／基板の構造で、これによる不要な反射が強くなるの
は、入射角がプリズム／液体界面の全反射臨界角に近付
いた場合であり、それにより小さい入射角では、特にＡ
ＴＲ測定に用いられるｐ偏光に対して、ここでの反射は
無視できるほど小さいことを利用するものである。

【００３１】つまり、被評価薄膜11が形成された光透過
性基板12とプリズム13との間に、カップリング層15を介
在させるものであるが、このカップリング層15の構成材
料として通常の光学的カップリングに用いる材料で考慮
されているように、そのカップリングされるべき部材と
屈折率を一致させるという思想によらず、その全反射臨
界角について考慮していることに特徴を有する。

【００３２】このことについて説明する。今、プリズム
／液体／基板において、基板の屈折率をｎ_Sとし、液体
即ちカップリング層の屈折率をｎ_cとしたとき、そのｎ
がｎ_air＜ｎ_c＜ｎ_Sのとき、ｎ_c〜ｎ_Sのとき、ｎ_c
＞ｎ_Sのときの各見掛けの入射角に対するカップリング
層、即ち液体からの反射光（図21で破線図示の第２の反
射光14Ｒ₂）に関する反射率をみると、それぞれ図23、
図24、図25中の曲線21、22及び23となる。これらにおい
て基板はガラスとし、このガラス基板とプリズムの屈折
率ｎは共にｎ＝1.515 とした場合である。カップリング
層はその厚さを５μｍとし、このカップリング層の液体
は、図23が水（ｎ_c＝1.3)、図24がアーモンド油（ｎ_c
＝1.475)、図25がヨウ化メチレン（ｎ_c＝1.73）とした
場合である。

【００３３】また、図23〜図25において曲線24は、プリ
ズム／空気界面における見掛けの入射角に対する反射
率、曲線25は、厚さ36nmのＡｌ膜のプリズム／Ａｌ／空
気の構成におけるＡＴＲスペクトルを計算したものであ
る。この場合、金属膜に特徴的なＡＴＲディップがあら
われるのは、見掛けの入射角が０°から90°の中でも、
プリズム／空気の界面の全反射臨界角に近い30°〜40°
の範囲に限られていることが分かる。

【００３４】図23の曲線21のプリズム／水／ガラスの場
合についてみると、プリズム／水の界面の全反射臨界角
59°に近付くと反射率が波を打ってくるが、この場合、
曲線25のＡＴＲディップが現れる目的の見掛け入射角の
30°〜40°の範囲では、反射率の強度は 0.5％に過ぎな
い。

【００３５】そして、第１の反射光についてみると、こ
の反射光はカップリング層15を往復するものであって、
このカップリング層15を２回通過するものであるので、
これらを合わせても１％程度の損失を被るに過ぎない。

【００３６】従って、この程度の損失は、評価装置全体
の誤差程度であることから、これを無視すれば、このＡ
ＴＲ評価のための目的の角度の範囲（即ち30°〜40°の
範囲）では、カップリング層15の存在は無視できること
になり、プリズム13と基板12は一体と見做すことができ
ることになる。

【００３７】即ち、この場合クレッチマン配置の場合と
等価の効果が得られることになる。

【００３８】そして、このようにカップリング層15を、
入手が容易で、安価で、取扱いに問題のない液体を用い
得ることは、実際の使用においてきわめて有益なもので
ある。

【００３９】また、図24の曲線22で示すカップリング層
としてアーモンド油を用いた場合、その屈折率がプリズ
ム及び基板のガラスに近付くことから、目的の評価範囲
を含んで見掛けの入射角が20°〜60°の範囲できわめて
良好なカップリングが達成されている。この場合におい
ても、プリズム／アーモンド油の界面での全反射臨界角
に近付く85°付近では反射が大きくなる。

【００４０】これに対し、図25の曲線23で示されるよう
に、ｎ_c＞ｎ_Sとするカップリング層15にヨウ化メチレ
ンを用いる場合は、このカップリング層15の屈折率がプ
リズム13や、基板12と全く異なるにもかかわらず、見掛
けの入射角が60°まで全くプリズム／カップリング層界
面での反射はきわめて小さくなる。

【００４１】このように、カップリング層15として、全
反射臨界角を考慮したことによって、いわばオットー的
配置を採りながら、クレッチマン配置と同等の効果を得
て目的のＡＴＲ薄膜評価を確実に行うことができる。

【００４２】このようにしてＡＴＲによる金属薄膜の光
学定数評価を行うことができるものであるが、先願発明
によれば、その光学的結合のためのプリズムに直接被評
価薄膜を被着することなく、しかもこれと等価の評価を
行うことができる。

【００４３】尚、先願発明で用いられるプリズムは、２
等辺３角形のプリズムに限られるものではなく不等辺３
角形等種々の構成を採り得る。

【００４４】上記したように、先願発明は、減衰全反射
型薄膜評価方法、即ちＡＴＲ薄膜評価方法において、そ
の光カップリングを合理的に行うことができるようにし
て、汎用性に優れ、確実に目的とする薄膜の評価すなわ
ち特性測定を行うことができるようにするものである。

【００４５】また、先願発明は例えばＣＤ（コンパクト
・ディスク）等の光ディスクにおけるように、光透過性
の基板（例えばガラス基板、合成樹脂基板等）にＡｌ等
の金属薄膜が被着された構成をとるものにおいて、その
金属薄膜の特性評価を行う場合に用いて好適な評価方法
を提供するものである。

【００４６】上述した先願発明の方法は、基板12の一方
の面にプリズム13を設け、これとは反対の他方の面にＡ
ｌ等の金属薄膜11を形成した状態でレーザー光14をプリ
ズム13に入射させ、その全反射光を得るものであって、
基板12の表面側で光の入射、反射を行っている。この方
法は、本明細書では以下に「表ＡＴＲ法」と称すること
とする。

【００４７】ところで、光ディスクの不良解析（Ａｌ薄
膜と基板との界面）において、ディスクの切断面を電子
顕微鏡で観察することがよく行われている。しかし、こ
うした切断による場合、試料作製時に界面の剥離を起こ
してしまうことがあるが、剥離によって関連する不良解
明のためには好都合な手法とはいえなかった。これを解
消するために、非破壊で“薄膜／基板”界面の情報を得
る解析技術の開発が求められていた。

【００４８】ここで、既述した表面プラズモンについて
説明すると、表面プラズモンは、図３に示すように、金
属などの表面から内部あるいは外部にエネルギーは伝搬
せず、表面上を振動して進行していく（表面プラズマ振
動）。金属表面付近でのプラズモンの振動振幅は、金属
表面からの距離Ｚに対して指数関数で減少して分布す
る。金属薄膜表面に金属腐食層等の被膜層が形成される
と、表面プラズマ振動は金属薄膜と腐食層間で再分布さ
れ、その振動振幅の再分布は被膜層が数原子層であって
もＡＴＲスペクトル吸収として敏感に検出できる。

【００４９】図２（ａ）には、先願発明の如き表ＡＴＲ
法において、Ａｌ等の金属薄膜11と基板12との界面に透
明境界膜11ａが形成されている状態を示したが、この透
明境界膜は特に、ポリメチルメタクリレート等の基板12
上にＡｌ等をスパッタ法で堆積させるときに初期堆積層
として生じるものである。また、同図には、金属11の空
気との界面に上記の金属腐食層としての透明表面膜11ｂ
を示した。

【００５０】しかし、こうした表ＡＴＲ法では、金属薄
膜11と基板12との間にたとえ金属腐食層のような透明境
界膜が存在したとしても、その膜では表面プラズモンの
電場（振動振幅）は弱いので、ＡＴＲスペクトル吸収の
変化として検出できないことが判明した。

【００５１】このことは、図４のＡＴＲスペクトル（Ｓ
imulation data）において、ｉ）透明表面膜11ｂ付きの金属薄膜11の場合、透明表面
膜11ｂの厚さに応じてＡＴＲスペクトルのディップは高
角度側にずれるが、 ii）透明境界膜11ａ付きの金属薄膜11の場合、透明境界
膜11ａの厚さが異なってもこれがＡＴＲスペクトル上に
は現れない。ことによって確認された。

【００５２】従って、表ＡＴＲ法では透明境界膜の厚さ
の変化を検出できないため、多層薄膜の解析（光学定数
の決定）を正確に行えないことになる。実際の製品、例
えば光ディスク等で多層薄膜の場合はその特性を十分に
評価できない。

【００５３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、薄膜
／基体の界面の状態（透明境界膜の厚さの変化等）を正
確に検出すると共に、薄膜の厚み方向（初期堆積層／金
属層／腐食層の積層状態等）の状態の解析を可能にし、
薄膜の光学定数の決定等の解析をより正確に行える、Ａ
ＴＲによる方法及びその装置を提供することにある。

【００５４】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、基体
（例えばポリメチルメタクリレート等の光透過性基板）
の一主面上に薄膜（例えばアルミニウム薄膜）を設けて
なる積層体について減衰全反射法（ＡＴＲ法）によって
解析を行うに際して、前記薄膜の側にてこの薄膜上に前
記基体よりも屈折率の高いプリズムを配し、このプリズ
ムから前記基体側に入射させた光を全反射させるように
した、減衰全反射（ＡＴＲ）による解析方法に係るもの
である。

【００５５】本発明の方法によれば、上記薄膜の側に高
屈折率のプリズムを配し、このプリズムから基体若しく
は基板への入射光を全反射させるようにしているので、
図２（ｂ）に例示する如く、薄膜／基体の界面に存在す
る透明境界膜11ａでは表面プラズモンの電場（振動振
幅）は強いため、ＡＴＲスペクトル吸収の変化としてそ
の厚みを検出できることが分かった。即ち、図５に示す
ように、初期堆積層としての透明境界膜の膜厚ｄの変化
に応じて（ここでは、膜厚の増大に従って）ディップが
低入射角側にずれることが確認されたのである。

【００５６】この事実は、ポリメチルメタクリレート等
の基体12上にスパッタ法でアルミニウム等の金属薄膜を
形成したときに既述した表ＡＴＲ法では解析できなかっ
た初期堆積層をはじめて解析できたことを意味するもの
である。

【００５７】本発明者の考察によれば、例えばアルミニ
ウム膜の多くは、表面（空気側）の腐食層と金属アルミ
ニウム層の２層構造を仮定する限りにおいては、既述し
た表ＡＴＲ法によってその表面腐食層（図２（ａ）での
透明表面膜11ｂ）を解析することが可能である。しか
し、特にポリメチルメタクレリート基板上にアルミニウ
ム膜をスパッタした場合、アルミニウム層と基板との境
界面に別種の層（図２（ａ）での透明境界膜11ａ）が存
在するため、表ＡＴＲ法ではこの透明境界膜を解析でき
ないことは上述した通りである。

【００５８】こうした透明境界膜は、基板に対するスパ
ッタＡｌ膜の付着力の弱さに寄因して生じるものと考え
られるが、この透明境界膜を解析しない限り、ＡＴＲ法
によっても薄膜の光学定数を正確に評価することはでき
ない。

【００５９】本発明は、こうした透明境界膜の解析を可
能にしたものであって、表ＡＴＲ法とは異なり、薄膜の
側からＡＴＲ法を適用したことに特徴があり、いわば
「裏ＡＴＲ法」と称することができる方法を提供するも
のである。

【００６０】図２（ｂ）には、この裏ＡＴＲ法を概略的
に例示したが、ここで、薄膜11に対し（具体的には、透
明表面膜11ｂ）に、基板12よりも屈折率の高いプリズム
23を当てがい、プリズム23から入射する光14を全反射さ
せる必要がある。この場合、プリズム23の屈折率は、基
板12の屈折率の1.01〜5.0 倍とするのがよい。

【００６１】例えば、図１（ｂ）に示すように、基板12
の屈折率をｎ＝1.5 とした場合、プリズム23の屈折率を
ｎ＝1.723 と高くすれば、上記した全反射を効果的に生
ぜしめることができる。

【００６２】そして、本発明では、既述した表ＡＴＲ法
（即ち、図21〜図25に例示した如く、薄膜とは反対側の
基体の他主面上にプリズムを配し、このプリズムから前
記基体側に入射させた光を全反射させるようにした減衰
全反射による解析方法）を併用することによって、薄膜
の解析（光学定数の決定）をより正確に行え、透明境界
膜／Ａｌ膜／透明表面膜の如きより多層の積層膜も解析
できる。

【００６３】即ち、表ＡＴＲ法によって、図21〜図25で
説明したように光透過性基板側から薄膜の光学定数を解
析できるので、この表ＡＴＲ法と組合せて本発明による
裏ＡＴＲ法を適用することによって、上記した透明境界
膜をも解析できるのである。これによって、例えば光デ
ィスクにおけるように、光透過性基板上にＡｌ薄膜等が
形成されたものに対する評価を行う場合において、この
ディスク自体としてその評価を行うことができ、その特
性測定を正確かつ簡便に行うことができる。

【００６４】本発明では、プリズムと基体との間にカッ
プリング層（図21で述べた如きカップリング層15）を設
け、前記プリズムと前記カップリング層との界面での全
反射臨界角が前記基体と空気との界面での全反射臨界角
よりも大となるようにすることが望ましい。

【００６５】即ち、図１において、カップリング層15
は、プリズム13、23とこのカップリング層15との界面で
の全反射臨界角が光透過性基板12と空気との界面での全
反射臨界角よりも大となる液体層（例えば、水、アーモ
ンド油、ヨウ化メチレン等の層）によって形成できる。
カップリング層15をそのような液体層としたことによ
り、ＡＴＲ評価のための目的の角度の範囲（即ち、例え
ば30°〜40°の範囲）では、カップリング層15の存在を
無視でき、プリズム13、23と基板12は一体と見做すこと
ができるので、クレッチマン配置の場合と等価の効果が
得られることになる。

【００６６】そして、このカップリング層15は、入手が
容易で、安価であり、取扱いに問題のない液体を用い得
るので、このことと上述したプリズムへの被評価薄膜の
直接的被着の回避などから、汎用性を高めることができ
る。

【００６７】また、本発明において、レーザー光14等の
測定用の光ビーム径を、基板12の厚さを勘案して基板12
の厚さより小さく選定するのが望ましい。これによっ
て、特に表ＡＴＲ法で、この測定用光ビームの被評価薄
膜11との界面からの第１の反射光と、基板12のプリズム
13側での界面からの第２の反射光14Ｒ₂とが重なること
による両者の干渉で反射率変化が生じ、これによる誤評
価を回避することができ、確実な評価を行うことができ
る。このことは、裏ＡＴＲ法でも同様に考えられる。

【００６８】本発明はまた、裏ＡＴＲ法を実施する解析
装置として、上記した屈折率の高いプリズムと、このプ
リズムへの光入射角を変化させる入射角可変手段と、全
反射光を受光する受光手段とを有する解析装置も提供す
るものである。

【００６９】ここで、上述の表ＡＴＲ法に好適な解析装
置の一例を図15について説明する。このＡＴＲ型薄膜評
価装置は、標準的なＡＴＲ測定系とすることができ、角
走査（即ち、角度掃引）を行うための回転台61上に、被
評価薄膜を有する試料62と、これに特殊な構成で光学的
に結合した光結合用プリズム13とを載置する。

【００７０】この試料62は、図１（ａ）で説明したよう
に、被評価薄膜11として例えばＡｌ金属薄膜が形成され
た光透過性基板12、例えば光ディスクからなっている。
そして、この試料62の被評価薄膜11が形成された側とは
反対側の面に、カップリング層15を介して光結合用プリ
ズム13が光学的に結合されて配置される。

【００７１】回転台61は、いわゆるゴニオメータステー
ジによって構成することができる。即ち、例えばそれぞ
れ２θとθとの関係で回動する第１及び第２のステージ
63及び64を有していて、第２のステージ64上に、互いに
光学的に結合されたプリズム13と試料62とを、少なくと
も被評価薄膜11の法線方向に移動可能とするように、例
えば互いに直交するｘ及びｙの２方向に移動可能に設け
られたステージ75上に試料62を載置する。

【００７２】そして、光源、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ65
が設けられ、このレーザからの測定用光ビーム14（即
ち、レーザ光）を、偏光子66、ビームスプリッタ67、ビ
ームシフタ68を通じてプリズム13に図１に示した所要の
見掛け入射角θ_iをもって導入する。

【００７３】この測定用光ビーム14は、その径を光透過
性基板12の厚さＤより小に選定する。

【００７４】そして、第１及び第２のステージ63及び64
を２θ及びθの関係で回転させて入射角掃引を行い、入
射角に対する試料62からの反射光14Ｒ₁の強度を測定す
る。この測定においては、第１のステージ63に配置され
たフォトダイオード等の第１の光検出器69に反射光14Ｒ
₁を入射させることによって、その光強度を検出する。
このとき、ビームシフタ68を回転させ、かつステージ75
をｘ、ｙ方向に移動させることによって、光透過性基板
12の薄膜11との界面の所定の測定位置に入射光が入射す
るように制御される。

【００７５】一方、ビームスプリッタ67で分離されたレ
ーザ光の一部をフォトダイオード等の第２の光検出器70
に入射させ、これによってレーザ光（即ち、測定用光ビ
ーム）のパワーを検出する。そして、光検出器69及び70
の各検出出力をそれぞれ増幅器71及び72によって増幅
し、これらの出力Ａ及びＢをアナログ割り算器（アナロ
グデバイス社製のＡＤ−５３３）73に導入してＡ／Ｂを
得、これに所要の係数を掛けて反射率を算出する。

【００７６】割り算器73の出力はディジタルオシロスコ
ープを介してパソコン（ＰＣ−９８０１）に導入する。
そして、理論反射率の計算、及び実測値との相互比較も
すべて、このパソコン74で行うことができる。

【００７７】因に、１回の測定に要する時間は、上述の
ゴニオメータステージ61の角度掃引とデータ取り込みを
合わせて５分程度である。

【００７８】次に、上述の裏ＡＴＲ法に好適な解析装置
は、図15に示した装置を使用し、図16に示すように、ゴ
ニオメータ61においてステージ75上に試料72を載置して
構成することができる。その他の構成部分は、図15に示
したものと同様であるので、その説明は省略する。

【００７９】

【実施例】以下、本発明を実施例について更に詳細に説
明する。

【００８０】実施例１表ＡＴＲ法と裏ＡＴＲ法：全反射（光が屈折率の高い媒
質から低い媒質に入射しなければならない。）を生じ、
金属層の吸収による有効なＡＴＲスペクトルのディップ
を得るためには、表ＡＴＲ法と裏ＡＴＲ法では全反射面
及び全反射臨界角が異なるので、基板やプリズムの配置
だけでなく、プリズムの屈折率や形状および入射角を適
当に選ばなければならない。実際に、以下のような方法
で行った。

【００８１】（ｉ）表ＡＴＲ法では、図１（ａ）及び図
２（ａ）に示すように、プリズム13はＢＫ７の正三角柱
プリズム（ｎ＝1.515)、カップリング液15はヨウ化メチ
レン（ＣＨ₂Ｉ₂)を用いた。レーザ光（Ｈｅ−Ｎｅ las
er：633nm)14は、プリズム13、カップリング液15、基板
（ｎ_S〜1.5)12を通り、基板12から空気（ｎ_a＝1.0)に
入射する場合には約41.8°以上の入射角で全反射を生じ
る。また、みかけの入射角θを28〜40°にすることで、
入射角αが39.5〜47.0°となり、全反射臨界角を含み、
Ａｌ層の吸収によるＡＴＲスペクトルのディップが得ら
れる。

【００８２】（ii）裏ＡＴＲ法では、基板と金属の境界
層の変化を解析するために、図１（ｂ）及び図２（ｂ）
に示すように、基板12とＡｌ層11の配置を逆にし、プリ
ズムから基板に入射する場合に全反射を生じるように高
屈折率のプリズム（ｎ_P＝1.723 ＞ｎ_S）23を使用す
る。即ち、ＦＤ10の台形柱状（頂角30°、底角75°）の
高屈折率プリズム23を用い、同様にカップリング液15は
ヨウ化メチレン（ＣＨ₂Ｉ₂)を用いた。

【００８３】また、レーザ光14は、プリズム23から基板
（ｎ_S〜1.5)12に入射する場合には約60°以上の入射角
で全反射を生じる。また、基板12がポリメチルメタクリ
レート（ＰＭＭＡ）基板（ｎ_S＝1.488)の場合、みかけ
の入射角θを40〜64°にすることで、入射角αが55.5〜
68.6°となり、全反射臨界角を含み、Ａｌ層11の吸収に
よるＡＴＲスペクトルのディップが得られる。基板12が
ポリカーボネート（ＰＣ）基板（ｎ_S＝1.579)の場合、
みかけの入射角θを54〜78°にすることで、入射角αを
63.0〜76.7°として、全反射臨界角を含み、Ａｌ層11の
吸収によるＡＴＲスペクトルのディップが得られる。

【００８４】試料：スパッタリング時間以外はすべて共
通の下記の条件下で、室温のＰＭＭＡ基板（３ｔ）上及
びＰＣ基板（３ｔ）上に堆積されたＡｌ薄膜の膜質を比
較した。ＲＦマグネトロンスパッタ、投入電力：300W/100mm diam.、Ａｒ gas圧：0.27Pa、Ａｒ流量：100sccm 。

【００８５】試料１：ＰＣ基板に10秒間Ａｌスパッタ
（No. 3692）試料２：ＰＣ基板に20秒間Ａｌスパッタ（No. 3691）試料３：ＰＭＭＡ基板に10秒間Ａｌスパッタ（No. 369
3）試料４：ＰＭＭＡ基板に20秒間Ａｌスパッタ（No. 369
4）

【００８６】そして、この解析には、図15（表ＡＴＲ
法）及び図16（裏ＡＴＲ法）にそれぞれ示した装置を使
用した。

【００８７】結果：１．表ＡＴＲスペクトルと裏ＡＴＲスペクトル図６及び図７に示すように、同一試料においてそれぞれ
表ＡＴＲと裏ＡＴＲの両スペクトルが得られた。裏ＡＴ
Ｒのスペクトルは、（全反射）臨界角を含み、Ａｌ層の
吸収によるＡＴＲスペクトルのディップが得られるが、
みかけの入射角θの角度幅が表ＡＴＲのそれに比べて約
２倍である。また、裏ＡＴＲスペクトルのディップも表
ＡＴＲのそれに比べてブロードである。また、基板や成
膜法の異なるＡｌ薄膜の他の試料においてもそれぞれ、
図８〜図13に示すように表ＡＴＲと裏ＡＴＲの両スペク
トルが得られ、裏ＡＴＲスペクトルは上記と同様な傾向
を示した。

【００８８】即ち、表ＡＴＲのスペクトルは、基板の屈
折率によらず、みかけの入射角のスキャン角度（28.0〜
40.0°）が等しく、みかけの臨界角がすべてほぼ31.0°
である。しかし、実際の入射角、臨界角、スキャン角度
幅が異なっていることに注意しなければならない。裏Ａ
ＴＲ法においては、基板の屈折率によって、みかけの入
射角もみかけの臨界角も異なっている。

【００８９】実施例２解析：従来の表ＡＴＲ法だけでは、図14（ａ）の如きＡ
ｌ層／Ａｌ腐食層の２層（透明表面膜付き金属薄膜）の
解析は可能であるが、従来の表ＡＴＲ法と裏ＡＴＲ法を
併用することによって、同一試料において表ＡＴＲ法と
裏ＡＴＲ法においてそれぞれの層のｎ、ｋ、ｄは同一で
あることから、図14（ｂ）の如きＡｌ初期堆積層／Ａｌ
層／Ａｌ腐食層の３層の解析が可能となる。但し、Ａｌ
腐食層のｎ、ｋは別の方法により決定した（Ａｌ腐食層
のｎ＝1.50、ｋ＝0.016)。

【００９０】下記の表１に、Ａｌスパッタ膜の各層の
ｎ、ｋ、ｄ（解析結果）を示す。

【００９１】

【００９２】この結果から、ＰＣ基板上にスパッタリン
グ堆積した試料は“Ａｌ腐食層／Ａｌ層／基板”の構造
（図14（ａ）参照）を仮定すれば、ＡＴＲスペクトルを
説明できた。しかし、ＰＭＭＡ基板上にスパッタリング
堆積した試料については、Ａｌ層と基板の境界面に厚さ
が１〜２nmの別種の層（Ａｌ初期堆積層）を仮定しない
と、スペクトルが再現できなかった。スパッタＡｌ膜／
ＰＭＭＡ基板の組み合わせは、付着力が弱いことが知ら
れているが、今回検出した別種の層（Ａｌ初期堆積層）
は非常にｋの値が小さいため（ｋ＝0.04、0.15）、一つ
の可能性としては非常に疎な膜になっていると考えられ
る。そのことが、付着力が小さいことに関係しているこ
とも考えられる。

【００９３】即ち、裏ＡＴＲ法によって非破壊で“薄膜
／基板”界面の情報を得る境界面付近の変化を敏感に検
出できる。また、従来のＡＴＲ法と裏ＡＴＲ法を併用す
ることによって、Ａｌ層と基板の境界層の解析およびＡ
ｌ初期堆積層／Ａｌ層／Ａｌ腐食層の３層（図14（ｂ）
参照）の解析ができる。つまり、薄膜の解析（光学定数
の決定）がより正確に行えかつより多層膜まで解析でき
る。

【００９４】以上、本発明の実施例を説明したが、上述
の実施例は本発明の技術的思想に基いて更に変形が可能
である。

【００９５】例えば、上述した金属薄膜はスパッタ法以
外の蒸着等で成膜してもよいし、その材質もＡｌに限ら
ず、Ａｕ、Ａｇ等であってもよい。また、使用する基
板、カップリング層、プリズムの材質や光学定数等も種
々変更してよい。プリズムの形状は、断面台形、２等辺
３角形、不等辺台形、不等辺３角形等、様々なものを採
用できる。

【００９６】なお、本発明の方法及び装置は、ＣＤ等の
光ディスクにおける金属反射膜をはじめ、種々の薄膜や
より多層の薄膜の光学定数を解析するのに広く応用する
ことができる。

【００９７】本発明は上述した如く、薄膜の側にてこの
薄膜上に基体よりも屈折率の高いプリズムを配し、この
プリズムから前記基体側に入射させた光を全反射させる
ようにした裏ＡＴＲ法を解析に用いているので、薄膜／
基体の界面の状態を正確に検出することができる。

【００９８】しかも、薄膜とは反対側の基体の他主面上
にプリズムを配し、このプリズムから前記基体側に入射
させた光を全反射させるようにした表ＡＴＲ法と併用す
ることによって、薄膜の解析（光学定数の決定）をより
正確に行え、透明境界膜／Ａｌ膜／透明表面膜の如き多
層の積層膜も解析できる。

【００９９】本発明においては、薄膜をプリズムとは別
の基体に設けているので、薄膜を直接に高価なプリズム
に設ける必要がなく、また薄膜とプリズムとの位置関係
を設定し易くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく方法に使用する被測定試料の概
略図である。

【図２】同被測定試料での薄膜構造と表面プラズモンの
電場分布を示す概略図である。

【図３】金属／空気界面の表面プラズモンの説明図であ
る。

【図４】金属薄膜の透明表面膜又は透明境界膜の厚さを
変化させたときのＡＴＲスペクトル図である。

【図５】Ａｌ初期堆積層の厚さを変化させたときの裏Ａ
ＴＲスペクトル図である。

【図６】試料１の表ＡＴＲスペクトル図である。

【図７】試料１の裏ＡＴＲスペクトル図である。

【図８】試料２の表ＡＴＲスペクトル図である。

【図９】試料２の裏ＡＴＲスペクトル図である。

【図10】試料３の表ＡＴＲスペクトル図である。

【図11】試料３の裏ＡＴＲスペクトル図である。

【図12】試料４の表ＡＴＲスペクトル図である。

【図13】試料４の裏ＡＴＲスペクトル図である。

【図14】層構造の異なるモデルの概略図である。

【図15】本発明に基づく表ＡＴＲ法を実施する装置の一
例の構成図である。

【図16】本発明に基づく裏ＡＴＲ法を実施する装置の一
例の主要部の構成図である。

【図17】従来例によるＡＴＲ法に使用する被測定試料の
概略図である。

【図18】表面プラズモンの分散関係を示す図である。

【図19】反射率の見掛けの入射角依存性を示す図であ
る。

【図20】他の従来例によるＡＴＲ法に使用する被測定試
料の概略図である。

【図21】先願発明に基づく方法に使用する被測定試料の
概略図である。

【図22】同被測定試料の反射光路の説明図である。

【図23】反射率の見掛け入射角依存性を示すスペクトル
図である。

【図24】反射率の見掛け入射角依存性を示すスペクトル
図である。

【図25】反射率の見掛け入射角依存性を示すスペクトル
図である。

【符号の説明】

11・・・金属薄膜（被評価被膜） 11ａ・・・透明境界膜（初期堆積層） 11ｂ・・・透明表面膜（腐食層） 12・・・光透過性基板 13、23・・・プリズム 14・・・入射光 14Ｒ₁、14Ｒ₂・・・反射光 15・・・カップリング層ｎ・・・屈折率ｋ・・・消衰率ｄ・・・厚さ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体の一主面上に薄膜を設けてなる積層
体について減衰全反射法によって解析を行うに際して、
前記薄膜の側にてこの薄膜上に前記基体よりも屈折率の
高いプリズムを配し、このプリズムから前記基体側に入
射させた光を全反射させるようにした、減衰全反射によ
る解析方法。
【請求項２】薄膜と基体との界面を解析する、請求項
１に記載した方法。
【請求項３】薄膜の光学定数を解析する、請求項２に
記載した方法。
【請求項４】薄膜とは反対側の基体の他主面上にプリ
ズムを配し、このプリズムから前記基体側に入射させた
光を全反射させるようにした減衰全反射による解析方法
を併用する、請求項１〜３のいずれか１項に記載した方
法。
【請求項５】プリズムと基体との間にカップリング層
を設け、前記プリズムと前記カップリング層との界面で
の全反射臨界角が前記基体と空気との界面での全反射臨
界角よりも大となるようにした、請求項１〜４のいずれ
か１項に記載した方法。
【請求項６】請求項１に記載した屈折率の高いプリズ
ムと、このプリズムへの光入射角を変化させる入射角可
変手段と、全反射光を受光する受光手段とを有する、請
求項１〜５のいずれか１項に記載した方法に使用する、
減衰全反射による解析装置。