JPH0422846A - 薄膜光学定数の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ｖｌｊ鏡法などが良く卸られている。先
ず、偏光解析法は比較的厚い膜（５３０００人）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ｌＸｌ０−’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、−
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。先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　、　ｏ
ｆ　　ｔｈｅ　　Ｏ，Ｓ、　Ａ。

Ｖｏ１６０．　Ｎｏ１Ｏ（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ｎｐ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θＰ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
が先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、水洗では、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、先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、先導波路の伝搬損
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、チンプパッシベー
ション膜や多層配線の眉間絶縁膜とじて使用するＳｉ○
ｚｔ　Ｓｉ、Ｎ、、ＰＳＧ等の各種誘電体薄膜の物性値
を成膜時にｉｎ　−５ｉｔｕ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、 ａＮ　　　　　ａＮ　　　　ａＮ ΔＮ＝□Δｎｐ十πΔα＋１］四−Δθ・ｎｐ で与えられる。ここでΔｎｐ、Δα、ΔθＰ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。Δｎｐ＝Ｉ　Ｘｌ０−５．　
Δａ＝０．５秒と仮定し、ΔｏＰを±３秒の精度で測定
した場合、屈折率測定精度はｌＸ１０−５と極めて高精
度な値が原理的に得られる。したがって、水洗による光
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、　Ｃ
ＶＤ　（ｃｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖａｐｏｒ　　Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）　。

イオンブ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（先導波路、ガラス、ＳｉＮ、ＬｉＮｂＯ３
等）、半導体薄膜（Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等）、高分子
薄膜（レジスト、ポリイミド等のパンシヘーション）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、イオンブレーティング法、熱酸化法等によ
り形成される。薄膜としてイオンブ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１０００人スパッタ
リング法により堆積させた後、１０００℃＋　Ｏｚ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先導波路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１５０〜４００
ｍｍとするのが適当である。ここで、プリズム３はＴ１
０□（ルチル）製を用い、頂角５５度、プリズム屈折率
ｎｐ　：２．８５４．底面の曲率半径２５０ｍｎ＋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
調整は能動装置例えばパルスモータ（図示せず）によっ
て別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】−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。上記能動装置は計算機（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ｎｓ）上に形成した薄膜（光導波路）２の屈
折率ｎ、と膜厚りを測定する場合、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θＰ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θＰ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。

Ｎ＝ｓｉｎαｎｐ　　−５ｉｎ　　８ｐ　＋ｃｏｓａ　
・ｓｉｎθｐ　　　　−−（１）ここで、αニブリズム
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（ｎｐ　＝１．５２）　＋Ｇ　Ｇ　Ｇ　
（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ｎｌと膜厚りを算出する。

ここで、ｍはモート番号であり、ｍ＝ｏ、１゜２・・・
・・・Ｋ　ｘ　、γＳ、γＣはレーザ光の入射方向の伝
搬定数であり、 波数ｋ。＝２７ｃ／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。この先導波路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ト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、μ。：真空中の透磁率
、ω：先の角周波数 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）式を満たす等偏屈折率
を求めることは固有値問題となる。ここで、Ｗ　Ｋ、　
Ｈの近似法によれば、以下の固有値方程式が得られる。

ｋｏｆ””ｆｉ可戸可ｄｙ ｍ＝１．．２．　　・・ ここでｙｔｍ：ｍ次モードの転移点、ｎｏ＋表面屈折率
である。

次に、逆ＷＫＢ法は、上述した各伝搬モートの実効屈折
率Ｎ工、Ｎ２・・・・・Ｎｍから、それぞれの転移点ｙ
ｔ□＋　ｙｉｚ・・・・・・・ｙｔ＋１を求め、点列（
Ｎ　ｔ　、　ｙｔ、）。

（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、と薄膜り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θＰ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．ｌ、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表に示した実効屈折率Ｎｍ２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Ｘが得られる。次に、Ｔ１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、＋Δｎ−ｅｘｐ　　（ｙ／　ｄｙ）２−
−　（１０）と表わされる。

ここで、ｎ、：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ｎ
０、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）に計算値舛が良く対応し、水洗の有効性を確
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゜０
０１と良好であった。

第１表 上記し、た屈折率分布の測定方法は、金属鉱ｖＩｌ型先
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、先導波路上に光波制
御用装荷層として使用するＴｉｅ２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Ｔｉ○２膜２を形成した。Ｔｉｅ
、薄膜の組成を制御するためＡｒガスに０２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０２／Ａγの分圧比を変化させて作製した膜の
ｎｌとｈの測定結果を示す。この結果、０２／Ａγ分圧
比とｎｆの間に顕著な相関が認められる。し、たがって
、ｎ、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。

以下余白 第 表 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は適宜試料を
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４００
μｍ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Ｓｉｎ、膜を形成した。第６図
は、実施例］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θＰ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θ２の測定結果を示す。また、第４
表に（９）式を用いたＳｊ○２膜の屈折率ｎ。

と膜厚りの計算結果を示す。一般にＳｉｎ、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、の標準偏差は２．４６　Ｘ　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　Ｘ　１０−’μｍとｎｌ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。

以下余白 第３表 第４表 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先導波路の伝播損
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に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３
２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Ｐ、とし、プリズム３
３からの放射光強度を特徴とする特許 Ｐ、＝γＰｏｅ”’″Ｘ　］　　　　　　、、、、、、
、、、ｃｔ　１．）となる。ここで、γニブリズム３３
の結合係数、Ｌ：光導波路の伝搬損失である。次に２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Ｐ、′　とすると、 Ｐ３　’　＝Ｙ　（Ｐｏ　ｅ−””　Ｐｚ　）　ｅ−’
　”　−”’　　　叩°（１２）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Ｐ２Ｐ３′とすると、 ｐ３’＝ｙ（ｐ、ｅ　　−ｐ２’）ｅ−Ｌ′！３−”　
　　−＝（ｔ３）となる。従って、（１１）〜（１３）
より光導波路２の伝搬損失りは 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Ｔ
ｉ拡散ＬｉＮｂ○、光導波路のＬを測定した結果、Ｌ　
＝０．５ｄ　Ｂ／■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。

水沫によれば、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　−５ｉｔ
ａ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秒車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
Ｉ×１０−ｓ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、イオンブ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、Ｔｉ
○２１ｚｎｏ、ｐＬＺＴ、５ｉｉＮ４＋５１０２などあ
らゆる材料の成膜に適用できる。

実施例　６゜ 第１０ＵＡ（ａ）、第１０図（ｂ）は本発明ノ他ノ実施
例を示し、光集積回路の一例として光ディスク装置用光
ピンクアップを取上げ、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１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２
６により反射された光は、レンズ２５．ガラスブロック
２０′９回折格子２１′　を通すグレーテインクカソプ
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ＬｉＮｂ０．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０．３５
Ｐａ、スパッタ速度０．４ｎｍ／ｓｅｅ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先導波路２の屈
折率を測定した結果、表面屈折率ｎ。＝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、Ｔ
ｌＯ２を反応性スパッタリングにより１１００ｎ形成し
た。スパッタ条件は、Ｔｉｅ２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、０２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、ＴｌＯ２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、Ｔｉ０２層を所定のグレー
ティング形状に微細加工するために、ＴｌＯ２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１
−として電子線しシストであるクロルメチル化ポリスチ
レン（ＣｌｖｉＳ−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−ティ
ング形状に照射した。照射条件は、電子ビーム径０．１
μｍ、照射量１６μＣ／ｄ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
ンエツチングによりグレーテイング層を微細加工した。

イオンエツチングの条件は、エツチングガスとしてＣＦ
４を用い、圧力３．８Ｐａ、高周波パワー２００Ｗ　。

エツチング時間１５ｍ１ｎとした。エツチングの後レジ
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２１．２１’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８１０２を約８　μ
ｍ、ＳｉＣＱ４と０２を原料としたＣＶＤ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５ｊＯ
２をホトリン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
ンエツチングによりＳｉｎ、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イング層の
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１９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Ｉ
Ｃ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
光デイスク装置に組込みデータの検索を行った結果、は
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
した光年積回路形成用屈折率、膜厚測定用プロセスモニ
タは、光通信用商品をはしめ、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）面り型
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＝ＩＸ１０１ｓａｎ弓（低効率４〜６Ω・ａｎ
）を用いた。次に、ゲート絶縁膜として、熱酸化による
Ｓｉ○２１２９及びＣＶＤによるＳｉＮ１３０を形成し
た。熱酸化の条件は、鎌化雰囲気として水蒸気を送り、
温度１０００℃で１００分酸化させた６ＶＣＤの条件は
、ガスとして、ＮＨ３９９％。

Ｓ＋ｘＨ，１％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５ｉｎ２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、Ｓｉ
Ｎ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ツチ
ング法によりＳｉＮ膜の窓明けを行う。さらに、ＨＦ　
：　ＮＨ，Ｆ＝１２：　１００（７）エツチング液でＳ
ｉＮをマスクとしてＳｉＣ２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１
５００ｎｍ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ＡＮ電極１３
４．１３５を形成する。Ａ、Ｑ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
ィ技術とエツチング技術を用いてＡρ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（ＶＤ）−トレイン電流（ＩＤ）特性を測定
した。その結果、飽和領域のＩＤはｖＤ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ＭＯ５Ｉ−
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ｔ、（２）式におい
てモード番号ｍ＝ｏの光のみが導波される。従って、導
波モートの固有方程式（２）を連立することができず、
屈折率ｎｆもしくは膜厚り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、直線偏光をは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
率は前記した偏光をより、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
入射光を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θＰを測定する。次に、（１）式によりそれ
ぞれの偏光をついて実効屈折率Ｎを算出することにより
、シングルモート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２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、プリズム些介して、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、先導波路の
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（、）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（、）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６１・・・基板、　　　　　　　２・・・先導波路、
３・プリズム、　　　　　４・・・光源、・回転テーブ
ル、 ホルダ、 押しネジ、 ８受光素子、 保持具。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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光学測定方法。 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記載の光学測定方
   法。 ３、上記算出される光学定数が、上記実効屈折率に基い
   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記載の光学測定方法。 ４、上記算出された実効屈折の精度が１×１０＾−＾５
   以上であることを特徴とする請求項１記載の光学測定方
   法。 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記載の光学測定方法。 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記載の光学測定方法。 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光学測
   定方法。 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光学測
   定方法。 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光
   学測定装置。 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。 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記載の光学測定装置。 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記載の光学測定装置
   。 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記載の光学測定装置。 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
   載の光学測定装置。 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記載の光学測定装置。 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記載の光学測定装置。 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記載の光学測定
   装置。 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記載の光学測定装置。