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JP2724025B2 - Measurement method of optical constant of thin film - Google Patents
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JP2724025B2 - Measurement method of optical constant of thin film - Google Patents

Measurement method of optical constant of thin film

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JP2724025B2
JP2724025B2 JP12668090A JP12668090A JP2724025B2 JP 2724025 B2 JP2724025 B2 JP 2724025B2 JP 12668090 A JP12668090 A JP 12668090A JP 12668090 A JP12668090 A JP 12668090A JP 2724025 B2 JP2724025 B2 JP 2724025B2
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thin film
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refractive index
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康夫 日良
貴子 福島
和民 川本
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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。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for measuring an optical constant of a thin film and an apparatus for measuring the same, and more particularly to a nondestructive, simple and accurate measuring method. Further, the present invention relates to an optical integrated circuit or a semiconductor element formed by feeding back a measured value of an optical constant by the above-described measuring method to a thin film forming process.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

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。
2. Description of the Related Art Conventionally, as methods for measuring thin film optical constants, 1) ellipsometry, 2) interference microscopy and the like are well known. First,
Ellipsometry has the disadvantage that the refractive index cannot be quantified unless the film thickness is known to some extent, since a relatively thick film (3000 °) has a periodic solution in the measured values. In addition, the measurement accuracy of the refractive index is generally as low as about 1 × 10 −3 . Further, there is a disadvantage that the method cannot be applied as a method for measuring the refractive index distribution.

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。
Next, the interference microscope needs to make the measurement medium thin and optically polished. Therefore, a great deal of time is required for sample preparation. In addition, there is a drawback that the sample cannot be regenerated because it is a destructive inspection. In addition, when an interferometer such as Michelson et al. Is used, a refractive index × thickness, that is, an optical distance can be obtained as a measured value, so that there is a disadvantage that any one of them is known as a precondition.

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。
On the other hand, with the progress of research on semiconductor lasers in recent years,
Research on an optical integrated circuit in which a light receiving / emitting element such as a laser and various waveguide type optical elements are integrated on a single substrate has been actively conducted. One of the most basic components of the optical integrated circuit is an optical waveguide. As a method for measuring the effective refractive index of an optical waveguide, see Journal of the Optical Society.
Of America, 60, 10 (1970) J. of the OSAVol6
0, No10 (1970) and the like, the prism coupler method is generally widely known.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

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θ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。
The above prior art, the prism refractive index n P is adhered across the air layer on the optical waveguide. Then, exciting the guided light by the phase matching between the optical waveguide is incident light beam to the prism bottom surface at a predetermined angle theta P, the second prism taking out guided light to the outside. In this case, the effective refractive index of the optical waveguide is calculated using the principle that the angle of the emitted light varies depending on the waveguide mode of the optical waveguide. However, in this method, since the bottom surface of the prism is flat, the coupling efficiency is low, and moreover, since two or more prisms are always used, there is a disadvantage that the SN is reduced and high-precision measurement cannot be performed. Further, when the refractive index of the optical waveguide changes continuously, there is a disadvantage that it cannot be used. Furthermore, when applied to the measurement of the propagation loss of an optical waveguide, there is a problem that the coupling efficiency varies greatly and is not practical.

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。
Therefore, there has been no method of measuring the refractive index, which is a basic parameter of the optical integrated circuit, with high accuracy, and it has been necessary to optimize the device by trial and error in manufacturing the device.

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。
In the semiconductor device manufacturing process, Si used as a chip passivation film or an interlayer insulating film of a multilayer wiring is used.
The physical properties of various dielectric thin films such as O 2 , Si 3 N 4 , PSG, etc.
Evaluating and managing in situ is a very important issue in ensuring the reliability of a semiconductor device.

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。
Conventionally, as a monitoring device in a thin film manufacturing process, a film thickness meter is mainly used. Therefore, there is a disadvantage that the physical property value at the time of film formation cannot be measured and fed back to the film formation conditions.

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。
An object of the present invention is to measure optical values such as a refractive index, a film thickness, and a refractive index distribution propagation loss of a thin film with high accuracy.

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。
Another object of the present invention is to easily and nondestructively measure the above optical values.

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。
Another object of the present invention is to form a thin film with high accuracy,
An object of the present invention is to provide an optical element having excellent performance.

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。
In the present invention, the optical measuring device includes a light source, a prism placed in close contact with the sample, and a light receiving device for detecting light reflected from the bottom of the prism. In the present invention, using a prism integrated with a light receiving element, the relationship between the incident angle of a light incident beam from a light source on the prism and the intensity of reflected light at the bottom of the prism is continuously measured using the incident angle as a variable.
Then, from the relationship between the incident angle of the light incident beam and the intensity of the reflected light at the bottom of the prism, the effective refractive index of a number of media (optical thin films, optical waveguides) corresponding to the above variables is calculated. Here, it is necessary to calculate two or more effective refractive indices for at least two or more incident angles.

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。
In the above measurement, coupling efficiency is improved by processing the prism bottom surface into a spherical surface, and measurement accuracy is improved. Next, 2
For the above variables (incident angle), the reflected light intensity is measured, and the refractive index and the film thickness are simultaneously quantified by numerical calculation.
When the refractive index is distributed, the refractive index distribution can be obtained by using the inverse WKB method.

〔作用〕[Action]

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Δnp,Δα,Δθ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=1×10-5,Δα=0.5秒と
仮定し、Δθ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。
The measurement accuracy of the optical constant according to the present invention depends on the measurement accuracy of the incident angle of the beam. That is, the measurement accuracy of the refractive index is ΔN
Then Given by Here, Δn p , Δα, and Δθ P are measurement errors of the prism refractive index, prism apex angle, and laser beam prism incident angle, respectively. Assuming that Δn P = 1 × 10 −5 and Δα = 0.5 seconds, when Δθ P is measured with an accuracy of ± 3 seconds, the refractive index measurement accuracy is 1 × 10 −5, which is an extremely high value in principle. can get. Therefore, the optical constant according to the present method can be measured as a monitor of various thin film forming processes and can be fed back to the film forming conditions. Further, by adding two more prisms, it can be applied as a method for measuring the propagation loss of the optical waveguide. In this case, since the third prism is used as a monitor, there is a feature that the coupling efficiency is not affected by the measurement accuracy of the loss even when the second prism is moved.

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。
The measuring method of the present invention is applied to sputtering, vacuum deposition, CVD
(Chemical Vapor Deposition), ion plating and other thin film forming methods can improve the controllability of the performance of the formed thin film and provide high performance optical devices, optical integrated circuits, and semiconductor devices. Will be possible.

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。
In this specification, the term thin film is used in a broad sense. Conductive thin film (metal thin film etc.), dielectric thin film (optical waveguide, glass, SiN, LiNbO 3 etc.), semiconductor thin film (S
i, Ge, GaAs, etc.) and polymer thin films (resist, passivation of polyimide, etc.). The thin film is formed by a sputtering method, a vacuum deposition method, a CVD method, an ion plating method, a thermal oxidation method, or the like. It is assumed that the thin film includes a layer continuously formed on the substrate surface by a method such as ion plating. The thin film is an optical integrated circuit,
It includes a constituent material that functions as an optical waveguide in a semiconductor element and an optical element.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

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nP=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。
Embodiment 1. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, in which, for example, a LiNbO 3 crystal is used for a substrate 1 and an optical waveguide 2 whose refractive index continuously changes in the depth direction of the substrate 1. 4 shows an example of measuring a refractive index distribution. The optical waveguide 2 was formed by a thermal diffusion method of metal Ti. The preparation conditions were as follows: Ti was deposited on the substrate 1 by a 1000 ° sputtering method and then thermally diffused at 1000 ° C. in an O 2 atmosphere for 20 hours. Next, a prism 3 whose bottom is spherically processed is brought into close contact with the optical waveguide 2 via an air layer. By performing spherical processing, the optical coupling efficiency between the optical waveguide 2 and the prism 3 is improved. It is appropriate that the radius of curvature is 150 to 400 mm.
Here, the prism 3 is made of TiO 2 (rutile) and has an apex angle of 55.
The degree and the prism refractive index n P = 2854 and the radius of curvature of the bottom surface of 250 mm were used. The light beam is incident on the prism 3 by using, for example, a He—Ne laser having a wavelength of 0.633 μm as the light source 4, and adjusting the incident angle by using a driving device, for example, a pulse motor (not shown). 5 was performed.
FIG. 2 shows an example of a method of supporting the prism 3. The prism 3 is fixed to the holder 6, and the degree of close contact with the substrate 1 is adjusted by a push screw 7. The driving device may be controlled by a computer (not shown).

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。
FIG. 3 (a) shows the trajectories of the light beam which is incident on the prism 3 at various angles and which propagates through the optical waveguide 2 and the light beam which is reflected at the bottom of the prism. Here, as described above, the light beam propagating through the optical waveguide 2 has a discrete value of m = 0, 1, 2,... With respect to the incident angle of the light beam.
Therefore, the incident angle of the light beam and the light intensity reflected on the bottom surface of the prism 3 are continuously measured by the light receiving element 8. The light receiving element 8 may be formed integrally with the prism 3 and the holder 9.

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nf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。
Here, the measurement principle will be described with reference to FIG. When measuring the refractive index nf and the film thickness h of the thin film (optical waveguide) 2 formed on the substrate 1 (refractive index n s ), a prism integrated with a light receiving element and having a spherical bottom is adhered to the thin film 2, Laser light is made incident on the prism. Then, the incident angle θ P is changed to read the incident angle θ P at which the intensity of the reflected light from the bottom surface of the prism is minimized, and the effective refractive index N corresponding to the propagation mode is calculated by equation (1).

ここで、α:プリズム頂角、プリズムの屈折率であ
る。
Here, α is the prism apex angle and the refractive index of the prism.

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),GGG(nP=1.965),TiO2
(nP=2.584),GaP(nP=3.314)等がある。
Here, the prism to be used needs to be appropriately selected according to the refractive index of the thin film to be measured. As the prism material, BK-7 glass (n P = 1.52), GGG (n P = 1.965), TiO 2
(N P = 2.584) and GaP (n P = 3.314).

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nfと膜厚hを算出する。
Next, substituting N into the eigenvalue equation (2) of the next guided mode derived from Maxwell's wave equation,
The refractive index nf and the film thickness h are calculated by making the equation (2) simultaneous.

ここで、mはモード番号であり、m=0,1,2……KX
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。
Here, m is a mode number, and m = 0, 1, 2... K X , γ
S and γc are propagation constants in the incident direction of the laser light, Wave number k 0 = 2π / λ λ: wavelength.

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。
Next, a case where the refractive index in the depth direction of the medium changes continuously will be described with reference to FIG. In FIG. 3 (b), an optical waveguide 2 whose refractive index changes continuously is formed above the substrate 1. The light beam propagating through the optical waveguide 2 draws a locus of an arc, and draws a different locus depending on the propagation mode. Therefore, the effective refractive index N corresponding to the propagation mode is calculated by equation (1) as described above.

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。
Next, the wave equation of the TE mode in the two-dimensional optical waveguide having the refractive index distribution of n (y) is obtained from Maxwell's equation: It is expressed as

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。
Here, β: propagation constant in the x direction, μ 0 : magnetic permeability in vacuum,
ω: angular frequency of light.

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。
Using the effective refractive index N described above, equation (4) gives: Becomes When n (y) is known, finding an equivalent refractive index that satisfies equation (7) is an eigenvalue problem. Where WKB
According to the approximation method, the following eigenvalue equation is obtained.

ここでytm:m次モードの転移点、n0:表面屈折率であ
る。
Here, ytm: transition point of the m-order mode, n 0 : surface refractive index.

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。
Next, the inverse WKB method calculates the respective transition points yt 1 , yt 2, ..., Yt from the effective refractive indices N 1 , N 2 ,.
This is a method of obtaining m and obtaining a sequence of points (Nt, yt 1 ) and (Ntm, yTm). By connecting the dot sequence, the refractive index distribution can be obtained.

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nfと薄膜hを測定することがで
きる。
Further, when the refractive index of the substrate is larger than the refractive index of the thin film, the refractive index nf and the thin film h of the thin film can be measured by simultaneously establishing the following eigenvalue equation, which is generally called a leaky mode.

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。
FIG. 4 shows an example of the measurement data. The horizontal axis is a prism incident angle theta P of the light beam, and the vertical axis represents the intensity of reflected light by the light receiving element. In the figure, the incident angle at which the reflected light intensity shows the minimum value corresponds to the effective refractive index Nm of each propagation mode (m, 0, 1, 2,...), And the value is calculated by the equation (1). Next, measurement data Nm of the effective refractive index corresponding to the above-described propagation mode
Is used to calculate a point sequence between the effective refractive index and the transition point according to the equation (8). Table 1 shows an example of the calculation results of the effective refractive index and the transition point.

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)=ns+Δn・exp−(y/dy) ……(10) と表わされる。
When the effective refractive index Nm shown in Table 1 and the transition point, that is, the distance x from the substrate surface, are plotted, * shown in FIG. 5 is obtained. Next, when the refractive index distribution of the Ti diffused optical waveguide 2 is estimated from the diffusion theory and assumed to be a Gaussian distribution, and curve fitting is performed, a solid curve shown in FIG. 5 is obtained. The refractive index distribution n (y) is expressed as n (y) = n s + Δn · exp- (y / dy) 2 ...... (10).

ここで、ns: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。
Here, n s : substrate refractive index, Δn: refractive index change, dy: diffusion depth. As shown in Table 1, both the surface refractive index n 0 and the diffusion depth dy are in good agreement between the analysis results and the values predicted by the diffusion experiment. The theoretical curve (solid line) shown in FIG.
And the calculated value * corresponded well, confirming the effectiveness of this method.

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。
Also, the reproducibility by repeated measurement was 3σ = 0.00.
1 was good.

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。
The above-described method of measuring the refractive index distribution is used as an application other than the metal diffusion type optical waveguide, in the process of manufacturing a semiconductor element,
The measurement of impurity concentration distribution by impurity diffusion or ion implantation into the Si substrate and the measurement of the thickness of the epitaxial growth layer can be performed by using infrared light as a light source.

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nfとhの測定結果を示
す。この結果、O2/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、nf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。
Example 2 Next, an example of measuring the refractive index and the thickness of a TiO 2 thin film used as a light-wave control loading layer on an optical waveguide in forming an optical integrated circuit will be described. Using BK-7 glass as the substrate 1, a TiO 2 film 2 was formed by a reactive sputtering method. In order to control the composition of the TiO 2 thin film, O 2 gas is added to Ar gas to perform sputtering. Table 2 shows the measurement results of nf and h of the films manufactured by changing the partial pressure ratio of O 2 / Aγ as the sputtering conditions. As a result, a remarkable correlation is observed between the O 2 / Aγ partial pressure ratio and n f . Therefore, to measure the value of n f as a monitor at the time of film formation, it can be stabilized in the film forming process by feeding back the film forming conditions.

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。
As the above-mentioned monitoring method, there are a method of (1) sampling inspection of a sample, a method of providing a monitor chamber in a vacuum chamber, appropriately introducing a sample into the monitor chamber, and measuring in-process. Further, the above method can be applied to various thin film forming methods such as a vacuum evaporation method and a CVD method, and various thin films formed using the same.

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nf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nf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nf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。
Example 3 FIG. 6 shows a measurement example of a Si thermal oxide film important in a manufacturing process of a semiconductor element or an optical integrated circuit. Sample preparation is 400μ thick
The m single Si crystal substrate was heated at 1200 ° C. for about 30 hours in a flowing oxygen atmosphere humidified with steam using a quartz tube electric furnace to form a SiO 2 film having a thickness of about 5 μm. Figure 6 is a horizontal axis like the fourth diagram described in Example 1 is the incident angle theta P of the prism of the laser beam, and the vertical axis represents the intensity of reflected light from the prism bottom surface by the light receiving element. Table 3 shows the measurement results of the incident angle θ P corresponding to each mode. Table 4 shows the calculation results of the refractive index nf and the thickness h of the SiO 2 film using the equation (9). Generally, the refractive index of SiO 2 is 1.46. On the contrary,
In this method, 1.458981 was obtained. The standard deviation of n f calculated for each mode was 2.46 × 10 −5, which was a good value. On the other hand, the measurement result of the film thickness was 3.28 × 10 −3 μ with a standard deviation.
Although slightly lower than m and nf , it is considered that the precision is sufficient for forming an optical integrated circuit or a semiconductor element.

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。
The above-described measurement method can be applied to various thin films such as a resist and a passivation film.

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
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。
Embodiment 4 FIG. 7 (a) shows another embodiment of the present invention, and FIG. 7 (b), FIG. 8 (a), FIG. 8 (b), and FIG. A method for measuring propagation loss of an optical waveguide which is important in forming an integrated circuit will be described. FIG. 7A is a perspective view of an apparatus for measuring a propagation loss. FIG. 7 (b) is a perspective view illustrating a case where the measuring device is viewed from another angle. Fig. 8 (a)
FIG. 8 (c) is a diagram for explaining a measuring method and a measuring principle of the propagation loss. The device shown in FIG. 7 (a) has a movable second prism 32 for taking out guided light propagating through the optical waveguide 2 to the outside in addition to the basic structure shown in the device shown in FIG.
And a third prism 33 for monitoring. Here, the method of measuring the propagation loss will be described in detail with reference to FIG. In FIG. 8, the position of the prism 3 is taken as the origin, the position of the prism 32 is x 2 , the position after the movement of the prism 32 is x 2 ′, and the position of the prism 33 is x 3 . Fig. 8 (a)
In the above, if the power of the light guided to the optical waveguide 2 by the prism 3 is P 0 and the intensity of the light emitted from the prism 33 is P 3 , Becomes Here, γ is the coupling coefficient of the prism 33, and L is the propagation loss of the optical waveguide. Next, install the prism 32 to the position of the x 2, the emitted light intensity from the prism 32 and P 2, the prism
If the intensity of the emitted light from 33 is P 3 ′, Becomes Further, assuming that the prism 32 is moved to x 2 ′ and the radiated light intensities of the prisms 32 and 33 are respectively P 2 ′ and P 3 ″, Becomes Therefore, from (11) to (13), the propagation loss L of the optical waveguide 2 is Becomes

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。
An example of the above-described propagation loss measurement is shown in Example 1.
As a result of measuring L of the Ti diffused LiNbO 3 optical waveguide, L = 0.5 dB /
cm was obtained. In addition, good results were obtained with a repeat measurement error of 0.5% or less. According to this method, by providing the third monitoring prism 33, the measurement efficiency is improved because the coupling efficiency of the second prism 32 does not affect the measurement.

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。
Embodiment 5 FIG. 9 shows another embodiment of the present invention, and shows a sputtering apparatus 11 as an example of a thin film forming apparatus necessary for forming an optical integrated circuit or a semiconductor element. In FIG. 9, after the chamber 12 is evacuated to a vacuum, a gas such as Ar is introduced from the flow control valve 13 and a high voltage is applied between the target 14 and the substrate holder 15 to ionize Ar and collide with the target. Let it. Then, the atoms on the target surface are repelled by Ar ions and deposited on the substrate 1. here,
In order to evaluate the physical property value, the film thickness, and the like of the thin film 3 in-sita, the film formation is temporarily stopped, and the prism holder 16 having the vertical mechanism is brought into contact with the monitor substrate 1. Next, chamber 12
Laser beam 17 from outside via mirrors 18 and 19
And the photodiode 8 detects the intensity of the reflected light.
Here, the mirror 19 can be rotated in 0.1 second units by a pulse motor (not shown), and the prism incident angle can be adjusted. Therefore, the film thickness and the refractive index can be measured with high accuracy of 1 × 10 −5 without taking the sample into the atmosphere. Further, as described above (Example 2), since the refractive index of the formed thin film and the film forming conditions have a strong correlation,
By feeding back the refractive index measurement data to the film forming conditions, a thin film of stable quality can be formed. The present thin film forming apparatus can be applied to various thin film forming apparatuses such as a vacuum deposition apparatus, a CVD apparatus, and an ion plating apparatus in addition to a sputtering apparatus. In addition, this thin film forming apparatus is used for GaAs, ImP, TiO 2 , ZnO, PL
It can be applied to film formation of any material such as ZT, Si 3 N 4 and SiO 2 .

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。
Embodiment 6. FIGS. 10 (a) and 10 (b) show another embodiment of the present invention, in which an optical pickup for an optical disk device is taken as an example of an optical integrated circuit and is necessary for forming the same device. The following shows an indispensable application example as a process monitor for measuring the refractive index and film thickness of various thin films.

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。
Optical integrated circuit (OIC) shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b)
In other words, the light emitted from the semiconductor laser 4 coupled to the glass block 20 is diffracted by the diffraction grating 21 and further refracted at the interface between the glass block and the substrate.
Is coupled to the optical waveguide 2. The guided light 23 is deflected by the SAW light deflector 24, enters the grating coupler 22 ', and is diffracted into the substrate. The light diffracted into the substrate is refracted at the interface between the substrate and the glass block, and then the diffraction grating 21 '
The light is diffracted by the glass block, is reflected by the end surface of the glass block, is emitted upward, and is condensed by a lens 25 having a mechanism for moving perpendicularly to the optical disk, and the bit (information) of the optical disk 26
Is collected. The light reflected by the optical disk 26 passes through the lens 25, the glass block 20 ', and the diffraction grating 21', is coupled to the waveguide again by the grating coupler 22 ', and then is incident on the condensing beam splitter 27.
The light is divided and condensed on the two-division photodiodes 28 and 28 'to read the bit information.

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。
Hereinafter, a method for manufacturing the above-described OIC will be described in detail. Using an optically polished LiNbO 3 crystal as the substrate 1, Ti was deposited to a thickness of 24 nm by sputtering, and thermal diffusion was performed to form an optical waveguide 3. The sputtering conditions were as follows: high frequency power 300 W, argon gas pressure 0.35 Pa, sputtering rate 0.4 nm / se
c. The thermal diffusion was performed by using an electric furnace, heating to 1000 ° C., flowing an argon gas atmosphere for 2 hours, and subsequently flowing an oxygen gas for 0.5 hours.

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。
Here, the refractive index of the optical waveguide 2 was measured in the same manner as in the method described in Example 1, and as a result, the surface refractive index n 0 = 2.220.
It was a TE single-mode waveguide having an effective refractive index N = 2.209.
These measured values are compared with the optical design values, and if there is an error, it can be accurately controlled by feeding back to the process conditions. Next, the optical waveguide 2
In order to form various gratings thereon, TiO 2 was formed to a thickness of 100 nm by reactive sputtering. The sputtering conditions were as follows: using a TiO 2 target, using argon and oxygen as the sputtering gas, a flow ratio of O 2 and Ar of 0.7, and a sputtering gas pressure of
0.42 Pa, high frequency power 500 W, sputtering rate 0.1 nm / sec. The thickness and refractive index of TiO 2 were measured in the same manner as in Example 2. Next, in order to finely process the TiO 2 layer into a predetermined grating shape, a resist was formed on the TiO 2 layer by a spin coating method. Here, chloromethylated polystyrene (CMS-EX) which is an electron beam resist is used as the resist.
R: Toyo Soda). Here, as a result of measuring the resist film thickness in the same manner as described above, it was 500 nm. After pre-baking the resist at 130 ° C. for 20 minutes, an electron beam was applied to a predetermined greeting shape. The irradiation conditions were an electron beam diameter of 0.1 μm and an irradiation amount of 16 μc / cm 2 . After electron beam exposure, development was performed to form a resist mask. Thereafter, the grating layer was finely processed by ion etching. Conditions of the ion etching, a CF 4 as an etching gas, and the pressure 3.8Pa, a high-frequency power 200 W, and etching time 15min. After the etching, the resist mask was removed to form a grating element. Then 21,2
C with respect to the diffraction grating, using the BK-7 glass as the substrate, in which the SiO 2 to about 8μm thereon, the SiCl 4 and O 2 as a raw material 1 '
It was formed by a VD method, a vapor deposition method, sputtering, or the like. Next, in order to process SiO 2 into a predetermined lattice shape by photolithography, a photoresist (OFPR800) was formed by a 1 μm spin coating method. After pre-baking the resist at 85 ° C. for 30 minutes, the resist was contact-exposed using a UV exposure apparatus using a photomask having a predetermined lattice shape. After the exposure, the film was immersed in chlorobenzene at 40 ° C. for 5 minutes and developed. Cr was vapor-deposited on the resist lattice pattern, and ultrasonic cleaning was performed in acetone to remove the resist, thereby forming a Cr mask. Thereafter, SiO 2 was finely processed by ion etching using CF 4 gas, and Cr was removed to form a lattice pattern. This photolithography technique can also be applied to the aforementioned fine processing of the grating layer. Substrate on which the above elements are formed, diffraction gratings 21, 21 'and BK-7
The glass blocks 20, 20 'are cut and polished at their respective end faces at a predetermined angle, and bonded with an adhesive having substantially the same refractive index as BK-7. (A), the optical IC of FIG. 10 (b) was formed. In order to evaluate the performance of the above-described OIC, a search for embedded data was performed in a read-only optical disk device. As a result, it was confirmed that the operation performed almost as designed. It was also confirmed that the test passed a predetermined durability test. Further, the above process monitor for measuring the refractive index and the film thickness for forming an optical integrated circuit can be applied to various optoelectronic components including optical communication products.

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。
Embodiment 7 FIG. 11 shows another embodiment of the present invention, in which a MOS transistor is taken as an example of a semiconductor element, and an application example as a process monitor for measuring a film thickness in various semiconductor thin film forming processes is shown.

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。
In FIG. 10, a silicon substrate 1 was a (100) n-type silicon wafer, the surface of which was mirror-finished, and a donor impurity concentration = 1 × 10 15 cm −3 (low efficiency of 4 to 6 Ω · cm). Next, as a gate insulating film, SiO 2 129 by thermal oxidation is used.
And SiN130 was formed by CVD. The conditions of the thermal oxidation were such that steam was sent as an oxidizing atmosphere, and oxidation was performed at 1000 ° C. for 100 minutes. VCD conditions are as follows: a gas mixture of 99% NH 3 and 1% SiH 4 is supplied as a gas, the substrate temperature is 850 ° C., and the furnace vacuum degree is 0.5 Torr.
And 20 analyzes were performed.

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。
Here, the thickness of the SiO 2 thermal oxide film was measured in the same manner as in Example 3, and as a result, it was 600 nm. The thickness of the SiN film was measured in the same manner as in Example 2, and was found to be 500 nm. In the case where there is a variation in the film thickness, accurate control can be performed by feeding back to the process conditions.

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。
Next, a window is formed in the drain-source region. First, a photoresist is applied to the entire surface, and the resist in the drain-source region is removed by a normal photolithography technique. Next, windows of the SiN film are opened by a plasma etching method using the resist as a mask. Furthermore, HF: NH 4 F = 12: 100
A window of SiO 2 is formed with the etching solution of SiN using SiN as a mask. Next, after removing the resist, B 2 H 6 -NH 3
Using a system gas, a BN film 131 is deposited at about 1500 nm at a substrate temperature of 700 ° C.

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。
Next, a diffusion heat treatment is performed at 1150 ° C. for 6 hours in an N 2 atmosphere to form a P-type diffusion layer in the drain 132 and the source 33 region 133.
Further, Al electrodes 134 and 135 are formed on the gate insulating film. A
The electrodes 134 and 135 are formed by processing Al into a predetermined electrode shape by using vacuum deposition and ordinary photolithography and etching techniques as a film forming method.

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)−ドレイン電流(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。
In order to evaluate the characteristics of the MOS transistor described above, a drain voltage (V D ) -drain current (I D ) characteristic was measured. As a result, I D of saturation region without depending on V D, becomes a constant value, was found to show good saturation characteristics. Further, the process monitor of the semiconductor device described above can be applied to the manufacturing process of various microcomputers and memories including bipolar transistors in addition to MOS transistors.

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nfもしくは膜厚hの一方が既知であることが前提と
なる。
The present invention has been described based on the embodiments. In the measurement of the refractive index of the thin film described above, when the thickness of the thin film is small, or when the refractive index difference between the thin film and the substrate is small, it is generally called a single mode waveguide, and in the equation (2), the mode number m = 0. Only light is guided. Therefore, the eigen equation (2) of the waveguide mode cannot be simultaneously established, and it is assumed that one of the refractive index nf and the film thickness h is known.

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。
Therefore, a method for solving the above-described problem will be described in detail below. Laser light, which is a light source, generally emits linearly polarized light. Also, two types of linearly polarized light, S-polarized light and P-polarized light, are known. Further, it is known that the refractive index of a medium used as a thin film is slightly different depending on the above-mentioned polarized light. Therefore, when measuring the refractive index of the thin film described above, the polarization plane of the laser beam is rotated, and the incident angle θ P at which the intensity of the reflected light from the prism bottom surface with respect to each of the S-polarized light and the P-polarized light is measured. I do. Next, by calculating the effective refractive index N for each polarized light by the formula (1), it is possible to simultaneously measure the refractive index and the film thickness of the single mode waveguide by the formula (2).

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

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。
As described above, according to the present invention, optical constants (refractive index, film thickness, refractive index distribution, etc.) of a thin film can be measured with high accuracy. By feeding back these measured values to the thin film forming process, a high-performance optical integrated circuit or semiconductor device can be stably produced with good reproducibility. Further, by adding two prisms to the above-described method of measuring the optical constant of the thin film, the propagation loss of the optical waveguide can be measured with high accuracy, thereby improving the performance of the optical integrated circuit and optimizing the optical design. There is.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

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。
FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of a thin film optical constant measuring apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a sectional view showing an example of the prism holding method. FIG. 3 (a) shows one embodiment of the present invention, and is a diagram for explaining the trajectory of a light beam propagating to a medium via a prism. FIG. 3 (b) shows an embodiment of the present invention and is a diagram for explaining the trajectory of a light beam propagating through a prism to a medium whose refractive index changes continuously. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the incident angle of the prism by the measurement of the present invention and the intensity of the light reflected by the light receiving element. FIG. 5 is a diagram showing a refractive index distribution characteristic obtained by measurement according to the present invention. FIG. 6 is a diagram showing a relationship between the prism incident angle and the reflected light intensity by the light receiving element according to the measurement of the present invention. FIG. 7 (a) shows another embodiment of the present invention, and is a perspective view showing an optical waveguide propagation loss measuring device. FIG. 7 (b) shows the seventh embodiment.
It is a perspective view showing the case where the measuring device of Drawing (a) is seen from another angle. FIGS. 8 (a) to 8 (c) are diagrams for explaining a measuring method and a measuring principle of the propagation loss. FIG. 9 shows another embodiment of the present invention and is a view showing a thin-film manufacturing apparatus provided with a thin-film optical constant measuring apparatus. FIG. 10 (a) shows another embodiment of the present invention and is a plan view of an optical integrated circuit prepared by monitoring the optical constants of the thin film. FIG. 10 (b) is a front view of the optical integrated circuit of FIG. 9 (a). FIG. 11 shows another embodiment of the present invention and is a view for explaining a thin film manufacturing process including a process of monitoring a thin film optical constant. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Optical waveguide, 3 ... Prism, 4 ... Light source, 5 ... Rotary table, 6 ... Holder, 7 ... Push screw, 8 ... Light receiving element, 9 ... Holder.

───────────────────────────────────────────────────── 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) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kazumi Kawamoto 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Inside the Hitachi, Ltd. Production Technology Laboratory Co., Ltd. (56) References JP-A-2-244106 (JP, A) JP-A-57-120844 (JP, A) JP-A-64-35306 (JP, A) JP-A-53 JP-A-136886 (JP, A) JP-A-60-236004 (JP, A) JP-A-53-130061 (JP, A)

Claims (18)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【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。
1. A prism having a bottom surface in close contact with a thin film, light from a light source is incident on the prism while changing the incident angle, and the light is incident on the thin film from the bottom surface of the prism. The light intensity of the reflected light from the bottom surface of the prism is measured, the incident angle at which the light intensity is minimized is determined, and the effective refractive index is calculated using the determined incident angle, the vertex angle of the prism, and the refractive index as parameters. A method of calculating a plurality of effective refractive indices for a plurality of propagation modes, and calculating an optical constant of the thin film based on the plurality of calculated effective refractive indices.
【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。
2. The method according to claim 1, wherein the calculated optical constant is a refractive index or a film thickness of the thin film.
【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。
3. The method according to claim 1, wherein the calculated optical constant is calculated based on the effective refractive index using a WKB method or an inverse WKB method.
【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。
4. The accuracy of the calculated effective refractive index is 1 × 10.
2. The method for measuring optical constants of a thin film according to claim 1, wherein the value is not less than -5 .
【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。
5. The method for measuring the optical constant of a thin film according to claim 1, wherein a laser beam having a different wavelength is used as the light source, and a refractive index dispersion as an optical constant of the thin film is calculated.
【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。
6. The method according to claim 1, wherein a laser beam having a different polarization state is used as the light source, and a refractive index, which is an optical constant of the thin film, is calculated.
【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。
7. A first prism, a second prism, and a bottom surface of a third prism are placed in close contact with a thin film, and first light from a light source is incident on the first prism. The first light is incident on the thin film from the bottom surface of the prism, the first light is propagated in the thin film, and the first propagated light is emitted by the third prism,
A first light intensity of the first emitted light is measured, a second light is incident on the first prism from a light source, and the second light is applied to the thin film from a bottom surface of the first prism. Incident, and propagates the second light into the thin film;
Is emitted by the second prism, a second light intensity of the second emitted light is measured, third light is incident on the second prism from a light source, and the second light is emitted from the light source. The third light is incident on the thin film from the bottom surface of the prism, and the third light is propagated in the thin film.
Is emitted by the third prism, a third light intensity of the third emitted light is measured, the second prism is moved, and the first prism is moved from the light source to the first prism. 4, the fourth light is incident on the thin film from the bottom surface of the first prism, the fourth light is propagated in the thin film, and the fourth propagated light is moved in the thin film. The fourth emitted light is measured by the second prism, the fourth light intensity of the fourth emitted light is measured, and the fourth propagated light is reflected at the interface of the thin film. The fifth propagating light is emitted by the third prism, the fifth light intensity of the fifth emitted light is measured, and the fifth light intensity is converted to the first to fifth light intensities. Calculating the propagation loss of light propagating in the thin film based on the thin film optical constant. Measurement method.
【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。
8. A first prism, a second prism, and a bottom surface of a third prism are placed in close contact with a thin film, and first light from a light source is incident on the first prism. The first light is incident on the thin film from the bottom surface of the prism, the first light is propagated in the thin film, and the first propagated light is emitted by the third prism,
A first light intensity of the first emitted light is measured, a second light from a light source is incident on the first prism, and the second light is applied to the thin film from the bottom surface of the first prism. , The second light is propagated in the thin film, and the second propagated light is emitted by the second prism,
Measuring a second light intensity of the second emitted light; reflecting the second propagated light at an interface of the thin film; propagating the second light as a third light in the thin film; The third light is emitted by the third prism, the third light intensity of the third emitted light is measured, the second prism is moved, and the fourth light from the light source is sent to the first prism. Light is incident, the fourth light is incident on the thin film from the bottom surface of the first prism, the fourth light propagates in the thin film, and the fourth propagated light is moved. The light is emitted by the second prism, the fourth light intensity of the fourth emitted light is measured, the fourth propagated light is reflected at the interface of the thin film, and the fifth light is reflected in the thin film as the fifth light. The fifth propagating light is emitted by the third prism, and the fifth emitted light is emitted by the third prism. Measuring a fifth light intensity of said light, and calculating a propagation loss of light propagating in said thin film based on said first to fifth light intensities.
【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。
9. A thin film, a light source, a prism disposed in close contact with the bottom surface of the thin film, and light from the light source propagates through the prism and enters the thin film from the bottom surface of the prism. A light-receiving device that receives reflected light generated by being reflected at the bottom surface of the prism through the prism and measures the light intensity of the reflected light; and a holding driving unit that holds the thin film and the prism and displaces a relative position of each other. And a calculation control means for controlling the holding and driving means and calculating the optical constant of the thin film based on the light intensity.
【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。
10. The apparatus according to claim 9, wherein said calculation control means calculates a refractive index, a film thickness, or a refractive index distribution.
The optical measuring device as described in the above.
【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。
11. An apparatus according to claim 9, wherein the bottom surface of said prism is spherically processed.
【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。
12. A radius of curvature of the spherical processing is 150 to 400 nm.
12. The apparatus for measuring a thin film optical constant according to claim 11, wherein:
【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。
13. An apparatus according to claim 9, wherein said prism and said light receiving device are integrally formed.
【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。
14. An apparatus according to claim 9, wherein said light is laser light having a different wavelength, and said optical constant is refractive index dispersion.
【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。
15. An apparatus according to claim 9, wherein said light is laser light having a different polarization state.
【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。
16. A computer system comprising: a plurality of prisms for emitting light incident on the thin film by the prism; and a plurality of light receiving devices for receiving light emitted from the plurality of prisms, respectively. The apparatus for measuring a thin film optical constant according to claim 9, wherein the means calculates a propagation loss.
【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。
17. An apparatus according to claim 16, wherein at least one of said plurality of prisms is movable.
【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。
18. An apparatus for measuring the optical constant of a thin film according to claim 9, further comprising a holding drive means for holding said thin film and said prism and displacing a relative position between said thin film and said prism.
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