JP2724025B2

JP2724025B2 - 薄膜光学定数の測定方法

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Publication number: JP2724025B2
Application number: JP12668090A
Authority: JP
Inventors: 秀己佐藤; 康夫日良; 貴子福島; 和民川本; 顕知伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1998-03-09
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: JPH0422846A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は薄膜の光学定数の測定方法及びその測定装置
に係り、特に非破壊で簡便かつ高精度な測定方法に係
る。また、上記測定方法による光学定数の測定値を薄膜
形成プロセスにフィードバックして作成した光集積回路
もしくは半導体素子に係る。

〔従来の技術〕

従来、薄膜光学定数の測定方法として、１）偏光解析
法、２）干渉顕微鏡法などが良く知られている。先ず、
偏光解析法は比較的厚い膜（3000Å）の場合、測定値
に周期解が存在するため、膜厚がある程度既知でないと
屈折率が定量できない欠点があった。また、屈折率の測
定精度は一般に１×10^-3程度と低い。さらに、屈折率分
布の測定方法として適用できない欠点があった。

次に、干渉顕微鏡は測定媒質を薄片化し、しかも光学
研磨する必要がある。したがって、試料作製に多大な時
間を必要とする。しかも、破壊検査であるため、試料の
再生ができない欠点があった。また、マイケルソン等の
干渉計を用いた場合、測定値として屈折率×膜厚、すな
わち光学的距離が得られるため、いずれかが既知である
ことが前提条件となる欠点があった。

一方、近年半導体レーザに関する研究の進展に伴い、
一枚の基板上に上記レーザ等受発光素子や各種導波路形
光学素子を集積した光集積回路の研究が活発に行われて
いる。この光集積回路の最も基本的な構成要素の一つと
し光導波路がある。光導波路の実効屈折率の測定方法と
しては、ジャーナルオブザオプティカルソサエティ
オブアメリカ,60,10（1970年）J.of the O.S.A.Vol6
0,No10（1970）等に論じられているようにプリズムカッ
プラ法が一般に広く知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、光導波路上に屈折率n_Pのプリズムを
空気層をはさんで密着させる。そして、プリズム底面に
所定の角度θ_Ｐで光ビームを入射させ光導波路との位相
整合をとる事により導波光を励振し、第２のプリズムに
より導波光を外部へ取り出す。この場合、出射光の角度
が光導波路の導波モードにより異なる原理を用いて、光
導波路の実効屈折率を算出する。しかし、本法では、プ
リズム底面が平面であるため、結合効率が小さく、しか
もプリズムを必ず２個以上使用するため、SNが低下し高
精度な測定ができない欠点があった。また、光導波路の
屈折率が連続的に変化している場合、使用できない欠点
があった。さらに、光導波路の伝搬損失の測定に応用し
た場合、結合効率のバラツキが大きく実用に乏しい問題
があった。

したがって、従来光集積回路の基本的なパラメータで
ある屈折率の高精度測定方法がなく、素子の製作におい
て試行錯誤により最適化を行う必要があった。

また、半導体素子製造工程において、チップパッシベ
ーション膜や多層配線の層間絶縁膜として使用するSi
O₂,Si₃N₄,PSG等の各種誘電体薄膜の物性値を成膜時にin
−situで評価し、管理することが半導体素子の信頼性を
確保する上で極めて重要な課題である。

従来、薄膜製造工程におけるモニタリング装置として
は、膜厚計が主流である。したがって、成膜時の物性値
を測定し、成膜条件にフィードバックすることができな
い欠点があった。

本発明の目的は、薄膜の屈折率，膜厚，屈折率分布伝
播損失等の光学値を高精度で測定することにある。

本発明の他の目的は上記光学値を非破壊で簡便に測定
することにある。

また、本発明の他の目的は、薄膜を精度良く形成し、
性能に優れた光学素子を提供することにある。

本発明において、光学測定装置は光源，試料に密着し
て設置されるプリズム、プリズム底面からの反射光を検
出する受光装置からなる。本発明において、受光素子と
一体化したプリズムを用いて、プリズムに対する光源か
らの光入射ビームの入射角度とプリズム底面での反射光
強度の関係を入射角度を変数として連続的に測定する。
そして上記光入射ビームの入射角度とプリズム底面での
反射光強度の関係から、上記変数に対応した数の媒質
（光学薄膜，光導波路）の実効屈折率を算出する。ここ
で少なくとも２以上の入射角について、２以上の実効屈
折率を算出することが必要である。

上記測定においてプリズム底面を球面加工することに
より結合効率が向上し、測定精度が向上する。次に、２
以上の変数（入射角度）について、反射光強度を測定
し、数値計算により屈折率と膜厚を同時に定量化する。
また、屈折率が分布している場合逆WKB法を用いて屈折
率分布を求めることができる。

〔作用〕

本発明による光学定数の測定精度なビームの入射角測
定精度に依存する。すなわち、屈折率の測定精度をΔＮ
とすると、で与えられる。ここでΔn_p,Δα，Δθ_Ｐは、プリズム
屈折率，プリズム頂角，レーザ光のプリズム入射角それ
ぞれの測定誤差である。Δn_P＝１×10^-5,Δα＝0.5秒と
仮定し、Δθ_Ｐを±３秒の精度で測定した場合、屈折率
測定精度は１×10^-5と極めて高精度な値が原理的に得ら
れる。したがって、本法による光学定数を各種薄膜形成
プロセスのモニタとして測定し、成膜条件にフィードバ
ックすることができる。また、プリズムをさらに二個追
加することにより、光導波路の伝搬損失の測定法として
応用できる。この場合、第３のプリズムをモニタとして
用いるため、第２のプリズムを移動させても結合効率が
損失の測定精度に影響されない特徴がある。

本発明の測定方法を、スパッタリング，真空蒸着,CVD
（chemical Vapor Deposition），イオンプレーティ
ング等の薄膜形成方法に適用することにより、形成され
る薄膜の性能の制御性が向上し、高性能な光素子，光集
積回路，半導体素子を提供することが可能になる。

本明細書中で薄膜という語は広義に使用されるものと
する。薄膜として導電体薄膜（金属薄膜等），誘電体薄
膜（光導波路，ガラス,SiN,LiNbO₃等），半導体薄膜（S
i,Ge,GaAs等），高分子薄膜（レジスト，ポリイミド等
のパッシベーション）を含むものとする。薄膜はスパッ
タリング法，真空蒸着法,CVD法，イオンプレーティング
法，熱酸化法等により形成される。薄膜としてイオンプ
レーティング等の方法によって基板素面に連続的に形成
された層を含むものとする。また薄膜は、光集積回路，
半導体素子，光素子において光導波路として機能する構
成材料を含むものとする。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

実施例 1. 第１図は、本発明の一実施例を示し、基板１に例え
ば、LiNbO₃結晶を用い、基板１の深さ方向に屈折率が連
続的に変化している光導波路２の屈折率分布の測定例を
示す。光導波路２は、金属Tiの熱拡散法により作成し
た。作成条件は基板１上にTiを1000Åスパッタリング法
により堆積させた後、1000℃,O₂雰囲気中で20時間熱拡
散した。次に光導波路２上に、底面を球面加工したプリ
ズム３を空気層を介して密着させる。球面加工すること
により光導波路２とプリズム３の光学的な結合効率が向
上する。曲率半径は150〜400mmとするのが適当である。
ここで、プリズム３はTiO₂（ルチル）製を用い、頂角55
度，プリズム屈折率n_P＝2854,底面の曲率半径250mmを用
いた。プリズム３への光ビーム入射方法は、光源４に例
えば波長0.633μｍのHe−Neレーザを用い、入射角の調
整は駆動装置例えばパルスモータ（図示せず）によって
駆動される角度分解能0.5秒回転テーブル５で行った。
第２図は、プリズム３の支持方法の１例を示す。プリズ
ム３は、ホルダ６に固定し、押しネジ７により基板１と
の密着度を調整する。上記駆動装置は計算機（図示せ
ず）により制御されるようにしてもよい。

第３図（ａ）は、光ビームをプリズム３に種々の角度
で光ビームを入射させ、光導波路２を伝搬する光線及び
プリズム底面で反射する光線の軌跡を示す。ここで、前
述したように、光導波路２を伝搬する光線は光ビームの
入射角度に対してｍ＝0,1,2,……と離散的な値をとる。
したがって、光ビームの入射角度とプリズム３の底面で
反射する光強度を、受光素子８で連続的に測定する。受
光素子８は、プリズム３と保持具９により一体に形成し
てもよい。

ここで測定原理を第３図（ａ）に基いて説明する。基
板１（屈折率n_s）上に形成した薄膜（光導波路）２の屈
折率n_fと膜厚ｈを測定する場合、薄膜２に受光素子と一
体化し底面を球面加工したプリズムを密着させ、プリズ
ムにレーザ光を入射させる。そして、入射角θ_Ｐを変化
させプリズム底面からの反射光強度が最小となる入射角
θ_Ｐを読み取り、伝搬モードに対応した実効屈折率Ｎを
（１）式で算出する。

ここで、α：プリズム頂角、プリズムの屈折率であ
る。

ここで、使用するプリズムは、測定する薄膜の屈折率
に応じて適宜選択する必要がある。プリズム材質とし
て、BK−７ガラス（n_P＝1.52）,GGG（n_P＝1.965）,TiO₂
（n_P＝2.584）,GaP（n_P＝3.314）等がある。

次に、マックスウェルの波動方程式から導出される次
の導波モードの固有値方程式（２）にＮを代入し、
（２）式を連立させて屈折率n_fと膜厚ｈを算出する。

ここで、ｍはモード番号であり、ｍ＝0,1,2……K_X,γ
_S,γｃはレーザ光の入射方向の伝搬定数であり、波数k₀＝２π／λ λ：波長である。

次に、媒質の深さ方向の屈折率が連続的に変化する場
合を第３図（ｂ）に基いて説明する。第３図（ｂ）では
基板１の上部に屈折率が連続的に変化する光導波路２が
形成されている。この光導波路２を伝搬する光ビームは
円弧の軌跡を描き、伝搬モードにより異なった軌跡を描
く。そこで、上記と同様に伝搬モードに対応した実効屈
折率Ｎを（１）式で算出する。

次に、屈折率分布がｎ（ｙ）の二次元光導波路におけ
るTEモードの波動方程式は、マックスウェルの方程式か
ら、と表わされる。

ここで、β:x方向の伝搬定数、μ₀:真空中の透磁率、
ω：光の角周波数である。

上記した実効屈折率Ｎを用いると（４）式は、となる。ｎ（ｙ）が既知のとき、（７）式を満たす等価
屈折率を求めることは固有値問題となる。ここで、WKB
の近似法によれば、以下の固有値方程式が得られる。

ここでytm:m次モードの転移点、n₀:表面屈折率であ
る。

次に、逆WKB法は、上述した各伝搬モードの実効屈折
率N₁,N₂……Nmから、それぞれの転移点yt₁,yt₂………yt
mを求め、点列（Nt,yt₁），（Ntm,yTm）を得る方法であ
る。この点列を結べば屈折率分布を求めることができ
る。

さらに、薄膜の屈折率よりも基板の屈折率が大きい場
合、一般にリーキーモードと呼ばれ次の固有値方程式を
連立させて薄膜の屈折率n_fと薄膜ｈを測定することがで
きる。

第４図に測定データの一例を示す。横軸は光ビームの
プリズム入射角θ_Ｐであり、縦軸は受光素子による反射
光強度を示す。同図において、反射光強度が最小値を示
す入射角度が各伝搬モード（m,0,1,2……）の実効屈折
率Nmに対応し、（１）式により値を算出する。次に、上
述した伝搬モードに対応した実効屈折率の測定データNm
を用いて、（８）式により、実効屈折率と転移点との点
列を算出する。第１表に実効屈折率と転移点の計算結果
の一例を示す。

また、第１表に示した実行屈折率Nmと転移点すなわち
基板表面からの距離ｘをプロットすると第５図に示した
＊が得られる。次に、Ti拡散光導波路２の屈折率分布を
拡散理論から推定してガウス分布と仮定し、カーブフィ
ッティングを行うと第５図に示す実線のカーブが得られ
る。なお、屈折率分布ｎ（ｙ）はｎ（ｙ）＝n_s＋Δｎ・exp−（y/dy）^２ ……（10）と表わされる。

ここで、n_s:基板屈折率、Δn:屈折率変化、dy:拡散深
さである。第１表に示したように、表面屈折率n₀、拡散
深さdyともに解析結果と拡散実験による予測値とが良く
一致している。また、第５図に示した理論曲線（実線）
に計算値＊が良く対応し、本法の有効性を確認すること
ができた。

また、繰返し測定による再現性についても３σ＝0.00
1と良好であった。

上記した屈折率分布の測定方法は、金属拡散型光導波
路以外の応用として、半導体素子の製造工程において、
Si基板への不純物拡散やイオン打込みによる不純物濃度
分布の測定及びエピタキシャル成長層の厚さを測定など
について、光源として赤外線を用いることにより可能で
ある。

実施例 2. 次に、光集積回路の形成において、光導波路上に光波
制御用装荷層として使用するTiO₂薄膜の屈折率及び膜厚
の測定例を示す。基板１としてBK−７ガラスを用い、反
応性スパッタ法でTiO₂膜２を形成した。TiO₂薄膜の組成
を制御するためArガスにO₂ガスを添加してスパッタリン
グをおこなう。第２表は、スパッタ条件としてO₂/Aγの
分圧比を変化させて作製した膜のn_fとｈの測定結果を示
す。この結果、O₂/Aγ分圧比とn_fの間に顕著な相関が認
められる。したがって、n_fの値を成膜時のモニタとして
測定し、成膜条件にフィードバックすることにより膜形
成プロセスの安定化が図れる。

上記したモニタリングの方法として、１）試料の抜取
り検査、２）真空チャンバ内にモニタ室を設け適宜試料
をモニタ室に導入し、インプロセスで測定する方法など
がある。また、上記方法は、真空蒸着法やCVD法など各
種薄膜形法及びそれを用いて形成した各種薄膜に適用で
きる。

実施例 3. 半導体素子や光集積回路の製造工程で重要なSi熱酸化
膜の測定例を第６図に示す。試料の作製は、厚さ400μ
ｍのSi単結晶基板を石英管式電気炉を用いて、水蒸気加
湿した流通酸素雰囲気で、1200℃で約30時間加熱し、厚
さ約５μｍのSiO₂膜を形成した。第６図は、実施例１で
述べた第４図と同様に横軸はレーザ光のプリズムへの入
射角θ_Ｐであり、縦軸は受光素子によりプリズム底面か
らの反射光強度を示す。第３表に各モードに対応した入
射角θ_Ｐの測定結果を示す。また、第４表に（９）式を
用いたSiO₂膜の屈折率n_fと膜厚ｈの計算結果を示す。一
般にSiO₂の屈折率は1.46とされている。これに対して、
本方法では1.458981が得られていた。また、各モード毎
に算出したn_fの標準偏差は2.46×10^-5と良好な値が得ら
れた。一方、膜厚の測定結果は標準偏差で3.28×10^-3μ
ｍとn_fに比較して若干低下するが、光集積回路や半導体
素子を形成する上で十分な精度と考える。

なお、上記した測定方法はレジストやパッシベーショ
ン膜など各種薄膜に適用できる。

実施例 4. 第７図（ａ）は第７図（ｂ），第８図（ａ），第８図
（ｂ），第８図（ｃ）は本発明の他の実施例を示し、光
集積回路を形成する上で重要な光導波路の伝播損失の測
定方法を示す。第７図（ａ）は伝播損失を測定する装置
の斜視図である。第７図（ｂ）は上記測定装置を別の角
度からみた場合を説明する斜視図である。第８図（ａ）
〜第８図（ｃ）は伝播損失の測定方法および測定原理を
説明する図である。第７図（ａ）の装置は第１図の装置
に示した基本構成に加えて、光導波路２を伝搬する導波
光を外部に取り出すための移動可能な第２のプリズム32
及びモニタ用の第３のプリズム33を備えている。ここ
で、第８図を用いて伝搬損失の測定方法の詳細について
説明する。第８図において、プリズム３の位置を原点に
とり、プリズム32の位置をx₂,プリズム32の移動後の位
置をx₂′，プリズム33の位置をx₃とする。第８図（ａ）
において、プリズム３により光導波路２に導波された光
のパワーをP₀とし、プリズム33からの放射光強度をP₃と
すると、となる。ここで、γ：プリズム33の結合係数、L:光導波
路の伝搬損失である。次に、プリズム32をx₂の位置に設
置し、プリズム32からの放射光強度をP₂とし、プリズム
33からの放射光強度をP₃′とすると、となる。さらに、プリズム32をx₂′まで移動させプリズ
ム32,33の放射光強度をそれぞれP₂′,P₃″とすると、となる。従って、（11）〜（13）より光導波路２の伝搬
損失Ｌはとなる。

上記した伝播損失の測定例として、実施例１に示した
Ti拡散LiNbO₃光導波路のＬを測定した結果、Ｌ＝0.5dB/
cmが得られた。また、繰返し測定誤差は0.5％以下と良
好な結果が得られた。本法によれば、第３のモニタ用プ
リズム33を設けることにより、第２のプリズム32の結合
効率が測定に影響しないため、測定精度の向上が図れ
た。

実施例 5. 第９図は本発明の他の実施例を示し、光集積回路や半
導体素子を形成する上で必要な薄膜形成装置の一例と
し、スパッタリング装置11を示す。第９図において、チ
ャンバ12を真空に排気した後、流量調整弁13よりAr等の
ガスを導入し、ターゲット14及び基板ホルダ15間に高電
圧を印加することによりArをイオン化し、ターゲットに
衝突させる。そして、ターゲット表面の原子はArイオン
によりはじき出され、基板１上にたい積する。ここで、
薄膜３の物性値及び膜厚などをin−sitaで評価するた
め、成膜を一時中断し、上下機構を有したプリズムホル
ダ16をモニタ用基板１に接触される。次に、チャンバ12
外からレーザー光17をミラー18,19を介してプリズム３
に入射させホトダイオード８で反射光強度を検出する。
ここで、ミラー19はパルスモータ（図示せず）で0.1秒
単位で回転することができ、プリズム入射角を調整する
ことができる。したがって、試料を大気中に取り出すこ
となく、膜厚や屈折率を１×10^-5と高精度に測定するこ
とができる。また、前述（実施例２）したように、成膜
した薄膜屈折率と成膜条件は強い相関関係にあるため、
屈折率測定データを成膜条件にフィードバックコントロ
ールすることにより安定した品質の薄膜を形成するがで
きる。本薄膜形成装置はスパッタリング装置の他、真空
蒸着装置,CVD装置，イオンプレーティング装置など各種
の薄膜形成装置に適用できる。また、本薄膜形成装置は
光集積回路や半導体薄膜に用いるGaAs,ImP,TiO₂,ZnO,PL
ZT,Si₃N₄,SiO₂などあらゆる材料の成膜に適用できる。

実施例 6. 第10図（ａ），第10図（ｂ）は本発明の他の実施例を
示し、光集積回路の一例として光ディスク装置用光ピッ
クアップを取上げ、同素子を形成する上で必要不可欠
な、各種薄膜の屈折率，膜厚測定用プロセスモニタとし
ての適用例を示す。

第10図（ａ），第10図（ｂ）の光集積回路（OIC）
は、ガラスブロック20に結合した半導体レーザ４からの
出射光は、回折格子21により回折されさらにガラスブロ
ックと基板の界面で屈折し、グレーティングカップラ22
により光導波路２に結合される。導波光23は、SAW光偏
向器24により偏向されてグレーティングカップラ22′に
入射し、基板内に回折される。基板内に回折された光は
基板とガラスブロックの界面で屈折した後回折格子21′
により回折されガラスブロック端面で反射されて上方に
出射され光ディスクに対して垂直に移動する機構を有し
たレンズ25で集光されて光ディスク26のビット（情報）
に集光される。光ディスク26により反射された光は、レ
ンズ25,ガラスブロック20′，回折格子21′を通りグレ
ーティングカップラ22′により再び導波路に結合された
後、集光ビームスプリッタ27に入射することによって２
分割されるとともに２分割ホトダイオード28,28′上に
集光されてビットの情報が読み取られる。

以下、上述したOICの製造方法について詳述する。基
板１として光学研磨したLiNbO₃結晶を用い、Tiをスパッ
タリングにより24nm堆積させ、熱拡散を行って光導波路
３を形成した。上記スパッタリングの条件は、高周波パ
ワー300W,アルゴンガス圧0.35Pa,スパッタ速度0.4nm/se
cである。熱拡散は電気炉を用いて、1000℃に加熱しア
ルゴンガス雰囲気中で２時間、続いて酸素ガスを0.5時
間流して行った。

ここで、実施例１で述べた方法と同様に光導波路２の
屈折率を測定した結果、表面屈折率n₀＝2.220となり、
実効屈折率Ｎ＝2.209のTE単一モード導波路であった。
これらの測定値は光学設計値と対比させ、誤差がある場
合、プロセス条件にフィードバックすることにより、正
確にコントロールすることができる。次に、光導波路２
上に各種グレーティングを形成するため、TiO₂を反応性
スパッタリングにより100nm形成した。スパッタ条件
は、TiO₂ターゲットを用いてスパッタガスとしてアルゴ
ンと酸素を用い、O₂とArの流量比0.7,スパッタガス圧力
0.42Pa,高周波パワー500W,スパッタ速度0.1nm/secであ
る。なお、TiO₂の膜厚及び屈折率についても実施例２と
同様に測定した。次に、TiO₂層を所定のグレーティング
形状に微細加工するために、TiO₂層上にレジストを回転
塗布法により形成した。ここではレジストとして電子線
レジストであるクロルメチル化ポリスチレン（CMS−EX
R:東洋ソーダ製）を用いた。ここで、上記と同様にレジ
スト膜厚を測定した結果、500nmであった。上記レジス
トを130℃で20分間プリベークしたのち、電子ビームを
所定のグリーティング形状に照射した。照射条件は、電
子ビーム径0.1μm,照射量16μc/cm²とした。電子ビー露
光後に現像を行いレジスト製のマスクを形成した。その
後、イオンエッチングによりグレーティング層を微細加
工した。イオンエッチングの条件は、エッチングガスと
してCF₄を用い、圧力3.8Pa,高周波パワー200W,エッチン
グ時間15minとした。エッチングの後レジスト製マスク
を除去してグレーティング素子が形成できた。次に21,2
1′の回折格子に関しては、基板としてBK−７ガラスを
用い、その上にSiO₂を約８μm,SiCl₄とO₂を原料としたC
VD法もしくは蒸着法，スパッタリング等によって形成し
た。次にSiO₂をホトリソグラフィにより所定の格子形状
に加工するため、ホトレジスト（OFPR800）を１μｍ回
転塗布法により形成した。上記レジストを85℃で30分間
プリベークした後、所定の格子形状を描いたホトマスク
により、UV露光装置を用いて密着露光した。露光後クロ
ルベンゼン中で40℃で５分間浸漬処理を行った後現像し
た。レジスト製の格子パターン上へCrを蒸着し、アセト
ン中で超音波洗浄を行ってレジストを除去しCr製のマス
クを形成した。その後CF₄ガスを用いたイオンエッチン
グによりSiO₂を微細加工し、Crを除去して格子パターン
が形成できた。このホトリソグラフィ技術は前述のグレ
ーティング層の微細加工にも応用することができる。上
記の素子を形成した基板1,回折格子21,21′及びBK−７
製のガラスブロック20,20′はそれぞれの端面を所定の
角度で切断，研磨してBK−７とほぼ同じ屈折率をもつ接
着剤で貼り合わされ、半導体レーザ及びホトダイオード
を端面結合して第10図（ａ），第10図（ｂ）の光ICを形
成した。上記したOICの性能を評価するため、読み出し
専用の光ディスク装置に組込みデータの検索を行った結
果、ほぼ設計値通りの動作を行うことを確認した。ま
た、所定の耐久試験にもパスすることを確認した。さら
に、上記した光集積回路形成用屈折率，膜厚測定用プロ
セスモニタは、光通信用商品をはじめ、各種オプトエレ
クトロニクス部品に適用できる。

実施例 7. 第11図は本発明の他の実施例を示し、半導体素子の一
例としてMOSトランジスタを取上げ、各種半導体薄膜形
成工程の膜厚測定用プロセスモニタとしての適用例を示
す。

第10図において、シリコン基板１は（100）面ｎ型シ
リコンウェハを用い、表面が鏡面加工され、ドナー不純
物濃度＝１×10¹⁵cm^-3（低効率４〜６Ω・cm）を用い
た。次に、ゲート絶縁膜として、熱酸化によるSiO₂129
及びCVDによるSiN130を形成した。熱酸化の条件は、酸
化雰囲気として水蒸気を送り、温度1000℃で100分酸化
させた。VCDの条件は、ガスとして、NH₃99％,SiH₄1％の
混合ガスを供給し、基板温度850℃，炉内真空度0.5Torr
とし、20分析出させた。

ここで、上記したSiO₂熱酸化膜の膜厚を実施例３と同
様に測定した結果、600nmであった。また、SiNの膜厚を
実施例２と同様に測定した結果、500nmであった。な
お、上記した膜厚にバラツキがある場合、プロセス条件
にフィードバックすることにより、正確にコントロール
することができる。

次に、ドレイン−ソース領域の窓明けを行う。まず全
面にフォトレジストを塗布し、通常のフォトリソグラフ
ィ技術によりドレイン−ソース領域のレジストを除去す
る。次にレジストをマスクにしてプラズマエッチング法
によりSiN膜の窓明けを行う。さらに、HF:NH₄F＝12:100
のエッチング液でSiNをマスクとしてSiO₂の窓明けを行
う。次にレジストを除去した後、CVD法によりB₂H₆−NH₃
系ガスを用いて、基板温度700℃でBN膜131を約1500nm析
出させる。

次に、N₂雰囲気1150℃,6時間の拡散熱処理を行いドレ
イン132及びソース33領域133のＰ型拡散層を形成する。
さらに、ゲート絶縁膜上にAl電極134,135を形成する。A
l電極134,135の形成は、成膜法として真空蒸着及び通常
のホトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いてAlを
所定の電極形状に加工する。

上記したMOSトランジスタの特性を評価するため、ド
レイン電圧（V_D）−ドレイン電流（I_D）特性を測定し
た。その結果、飽和領域のI_DはV_Dに依存せず、一定値と
なり、良好な飽和特性を示すことがわかった。また、上
記した半導体素子のプロセスモニタはMOSトランジスタ
以外に、バイポーラトランジスタを初め、各種マイコ
ン，メモリの製造プロセスに適用できる。

以上本発明を実施例に基いて説明をおこなった。な
お、上記した薄膜の屈折率測定において、薄膜の膜厚が
薄い場合、もしくは基板との屈折率差が小さい場合、一
般にシングルモード導波路と呼ばれ、（２）式において
モード番号ｍ＝０の光のみが導波される。従って、導波
モードの固有方程式（２）を連立することができず、屈
折率n_fもしくは膜厚ｈの一方が既知であることが前提と
なる。

そこで、上記した課題を解決する方法について以下に
詳述する。光源であるレーザ光は、一般に直線偏光した
光を放射する。また、直線偏光にはＳ偏光とＰ偏光の二
種類が知られてる。さらに、薄膜として用いる媒質の屈
折率は前記した偏光により、わずかに異なることが知ら
れている。従って、前述した薄膜の屈折率の測定時、レ
ーザ光の偏光面を回転させ、Ｓ偏光及びＰ偏光それぞれ
の入射光に対してプリズム底面からの反射光強度が最小
となる入射角θ_Ｐを測定する。次に、（１）式によりそ
れぞれの偏光について実効屈折率Ｎを算出することによ
り、シングルモード導波路においても屈折率と膜厚を
（２）式により同時に測定することが可能となる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、薄膜の光学定数
（屈折率，膜厚，屈折率分布など）が高精度に測定でき
る。また、これらの測定値を薄膜形成プロセスにフィー
ドバックすることにより、高性能な光集積回路や半導体
素子が再現性良く、安定して生産できる。また、上記し
た薄膜光学定数の測定方法にプリズムを２個追加するこ
とにより、光導波路の伝搬損失が高精度で測定できるた
め、光集積回路の性能向上及び光学設計の最適化ができ
るなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る薄膜光学定数測定装置の一実施
例を示す斜視図である。第２図は、プリズム保持方法の
１例を示す断面図である。第３図（ａ）は、本発明の一
実施例を示し、プリズムを介して、媒質へ伝播する光線
の軌跡を説明する図である。第３図（ｂ）は、本発明の
一実施例を示し、プリズムを介して、屈折率が連続的に
変化する媒質へ伝播する光線の軌跡を説明する図であ
る。第４図は、本発明の測定によるプリズム入射角と受
光素子による反射光強度の関係を示す図である。第５図
は、本発明の測定による屈折率分布特性を示す図であ
る。第６図は、本発明の測定によるプリズム入射角と受
光素子による反射光強度の関係を示す図である。第７図
（ａ）は、本発明の他の実施例を示し、光導波路の伝播
損失測定装置を示す斜視図である。第７図（ｂ）は第７
図（ａ）の測定装置を別の角度から見た場合を示す斜視
図である。第８図（ａ）〜（ｃ）は伝播損失の測定方法
および測定原理を説明する図である。第９図は、本発明
の他の実施例を示し、薄膜光学定数測定装置を備えた薄
膜製造装置を示す図である。第10図（ａ）は、本発明の
他の実施例を示し、薄膜光学定数をモニタして作成した
光集積回路の平面図である。第10図（ｂ）は、第９図
（ａ）の光集積回路の正面図である。第11図は、本発明
の他の実施例を示し、薄膜光学定数をモニタするプロセ
スを含む薄膜製造プロセスを説明する図である。１……基板、２……光導波路、３……プリズム、４……光源、５……回転テーブル、６……ホルダ、７……押しネジ、８……受光素子、９……保持具。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川本和民神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者伊藤顕知神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献特開平２−244106（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−120844（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−35306（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−136886（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−236004（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−130061（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】薄膜にプリズムの底面を密着させて設置
し、上記プリズムに光源からの光を入射角を変化させな
がら入射し、上記プリズムの底面から上記光を上記薄膜
に入射するとともに、上記プリズムの底面からの反射光
の光強度を測定し、上記光強度が最小となる入射角を決
定し、上記決定された入射角と上記プリズムの頂角およ
び屈折率をパラメータとして実効屈折率を算出し、上記
実効屈折率を複数の伝播モードについて複数算出すると
ともに、複数算出された実効屈折率に基いて上記薄膜の
光学定数を算出することを特徴とする薄膜光学定数の測
定方法。
【請求項２】上記算出される光学定数が、上記薄膜の屈
折率又は膜厚であることを特徴とする請求項１記載の薄
膜光学定数の測定方法。
【請求項３】上記算出される光学定数が、上記実行屈折
率に基いてWKB法または逆WKB法を用いて算出されること
を特徴とする請求項１記載の薄膜光学定数の測定方法。
【請求項４】上記算出された実行屈折率の精度が１×10
^-5以上であることを特徴とする請求項１記載の薄膜光学
定数の測定方法。
【請求項５】上記光源として波長の異なるレーザ光を用
い、上記薄膜の光学定数である屈折率分散を算出するこ
とを特徴とする請求項１記載の薄膜光学定数の測定方
法。
【請求項６】上記光源として偏光状態の異なるレーザ光
を用い、上記薄膜の光学定数である屈折率を算出するこ
とを特徴とする請求項１記載の薄膜光学定数の測定方
法。
【請求項７】薄膜に第１のプリズムと第２のプリズムと
第３のプリズムの底面を密着させて設置し、上記第１のプリズムに光源からの第１の光を入射し、上
記第１のプリズムの底面から上記第１の光を上記薄膜に
入射し、上記薄膜内に上記第１の光を伝播させ、上記第
１の伝播した光を上記第３のプリズムにより出射させ、
上記第１の出射した光の第１の光強度を測定し、上記第１のプリズムに光源から第２の光を入射し、上記
第１のプリズムの底面から上記第２の光を上記薄膜に入
射し、上記薄膜内に上記第２の光を伝播させ、上記第２
の伝播した光を上記第２のプリズムにより出射させ、上
記第２の出射した光の第２の光強度を測定し、上記第２のプリズムに光源から第３の光を入射し、上記
第２のプリズムの底面から上記第３の光を上記薄膜に入
射し、上記薄膜内に上記第３の光を伝播させ、上記第３
の伝播した光を上記第３のプリズムにより出射させ、上
記第３の出射した光の第３の光強度を測定し、上記第２のプリズムを移動し、上記第１のプリズムに光源からの第４の光を入射し、上
記第１のプリズムの底面から上記第４の光を上記薄膜に
入射し、上記薄膜内に上記第４の光を伝播させ、上記第
４の伝播した光を上記移動された第２のプリズムにより
出射させ、上記第４の出射した光の第４の光強度を測定
し、上記第４の伝播した光を上記薄膜の界面で反射させ、上
記薄膜内に第５の光として伝播させ、上記第５の伝播し
た光を上記第３のプリズムにより出射させ、上記第５の
出射した光の第５の光強度を測定し、上記第１から第５までの光強度に基いて上記薄膜内の伝
播する光の伝播損失を算出することを特徴とする薄膜光
学定数の測定方法。
【請求項８】薄膜に第１のプリズムと第２のプリズムと
第３のプリズムの底面を密着させて設置し、上記第１のプリズムに光源からの第１の光を入射し、上
記第１のプリズムの底面から上記第１の光を上記薄膜に
入射し、上記薄膜内に上記第１の光を伝播させ、上記第
１の伝播した光を上記第３のプリズムにより出射させ、
上記第１の出射した光の第１の光強度を測定し、上記第１のプリズムに光源からの第２の光を入射し、上
記第１のプリズムの底面から上記第２の光を上記薄膜に
入射し、上記薄膜内に上記第２の光を伝播させ、上記第
２の伝播した光を上記第２のプリズムにより出射させ、
上記第２の出射した光の第２の光強度を測定し、上記第２の伝播した光を上記薄膜の界面で反射させ、上
記薄膜内に第３の光として伝播させ、上記第３の伝播し
た光を上記第３のプリズムにより出射させ、上記第３の
出射した光の第３の光強度を測定し、上記第２のプリズムを移動し、上記第１のプリズムに光源からの第４の光を入射し、上
記第１のプリズムの底面から上記第４の光を上記薄膜に
入射し、上記薄膜内に上記第４の光を伝播させ、上記第
４の伝播した光を上記移動された第２のプリズムにより
出射させ、上記第４の出射した光の第４の光強度を測定
し、上記第４の伝播した光を上記薄膜の界面で反射させ、上
記薄膜内に第５の光として伝播させ、上記第５の伝播し
た光を上記第３のプリズムにより出射させ、上記第５の
出射した光の第５の光強度を測定し、上記第１から第５までの光強度に基いて上記薄膜内の伝
播する光の伝播損失を算出することを特徴とする薄膜光
学定数の測定方法。
【請求項９】薄膜と、光源と、上記薄膜に底面で密着し
て設置されたプリズムと、上記光源からの光が上記プリ
ズム内を伝播して上記プリズムの底面から上記薄膜に入
射するとともに、上記プリズムの底面で反射して発生す
る反射光を上記プリズムを通して受光し該反射光の光強
度を測定する受光装置と、上記薄膜と上記プリズムを保
持し互いの相対位置を変位させる保持駆動手段と、上記
保持駆動手段を制御し、上記光強度に基いて上記薄膜の
光学定数を算出する計算制御手段とを有することを特徴
とする薄膜光学定数の測定装置。
【請求項１０】上記計算制御手段が、屈折率または膜厚
または屈折率分布を算出することを特徴とする請求項９
記載の光学測定装置。
【請求項１１】上記プリズムの底面が、球面加工されて
いることを特徴とする請求項９記載の薄膜光学定数の測
定装置。
【請求項１２】上記球面加工の曲率半径が、150〜400nm
であることを特徴とする請求項11記載の薄膜光学定数の
測定装置。
【請求項１３】上記プリズムと上記受光装置が、一体成
形されていることを特徴とする請求項９記載の薄膜光学
定数の測定装置。
【請求項１４】上記光が、波長の異なるレーザ光であ
り、上記光学定数が屈折率分散であることを特徴とする
請求項９記載の薄膜光学定数の測定装置。
【請求項１５】上記光が、偏光状態の異なるレーザ光で
あることを特徴とする請求項９記載の薄膜光学定数の測
定装置。
【請求項１６】上記プリズムにより上記薄膜に入射され
た光を出射するための複数のプリズムと、上記複数のプ
リズムから出射された光を夫々受光する複数の受光装置
とを有し、上記計算制御手段が、伝播損失を算出するこ
とを特徴とする請求項９記載の薄膜光学定数の測定装
置。
【請求項１７】上記複数のプリズムのうち少なくとも一
つが移動可能であることを特徴とする請求項16記載の薄
膜光学定数の測定装置。
【請求項１８】上記薄膜と上記プリズムを保持し、該薄
膜と該プリズムの相対位置を変位する保持駆動手段を有
することを特徴とする請求項９記載の薄膜光学定数の測
定装置。