徳島大学など、精密な薄膜分析が可能な光コムを用いた分光エリプソメトリー法を開発

 徳島大学の南川丈夫講師、安井武史教授、および産業技術総合研究所(産総研)の大久保 章主任研究員、稲場 肇研究グループ長らの研究グループは、高い制御性を持ち、光の波長、強度、位相が精密に定まったレーザー光源(光コム)を用いた新しい薄膜分析法を開発した。

 薄膜は、物質に電気的・機械的・光学的な機能や付加価値を与えるため注目されているが、それらの特徴を明らかにするには高精度な薄膜分析が必要となる。そのため、さまざまな手法が提案されているが、その中でも光の特徴(波長、強度、位相、偏光など)を利用した分光エリプソメトリー法が広く応用されてきた。

 しかし従来の分光エリプソメトリー法では、光の特徴を計測するために機械的・電気的な光の変調が必要であり、機械的振動や温度特性などの影響で、計測時間、安定性、堅牢性、精度などに制限が生じるという課題があったという。また、薄膜分析では、波長が異なる多数の光を用いることで分析可能な情報が飛躍的に増えるが、従来法では光検出装置の波長分解能、変調器の波長依存性などによる制限が生じ、改善が求められていたという。

 これに対し研究グループでは、光の波長や位相が高度に制御され、広い波長帯域を持つレーザー光源(光コム)を活用することで、分光エリプソメトリー法で計測する光の特徴を機械的・電気的変調を行わずに高速、精密、かつ堅牢に計測可能な新たな手法を開発した。

 光コムは、非常に波長幅の狭い光が等間隔に櫛の歯状に並んだ広帯域のスペクトル群で構成される光源。光コムの櫛1本1本の波長やその位相関係は極めて高精度に制御され、その強度も安定している。そのため、光コム光源を2台用意し、空間的に重ね合わせてうなり信号を計測することで、それぞれの波長、位相、強度といった光の特徴を、機械的・電気的変調を加えることなく得ることが可能。

 これまでに産総研が開発してきた高精度な光コム光源を利用し、徳島大学が考案した分光エリプソメトリー解析法に適用する新たな手法の開発に取り組んだ。その結果、従来の分光器を用いた分光エリプソメトリー法では0.1~0.01nm程度であった波長分解能が、本手法により1.2×10-5nmに向上し、より精密な分光エリプソメトリー法が実現できることが示された。さらに本研究では、原理検証実験として、複屈折性光学材料および光学薄膜の計測を行い、機械的・電気的変調を行わなくても高速・精密に分光エリプソメトリー法による分析が可能であることを明らかにした。
今回開発した分析法による薄膜の評価
図説:光が薄膜を反射する時も入射面に平行な偏光成分(p偏光)と垂直な偏光成分(s偏光)とで強度や位相変化量は異なり、それらは薄膜の厚さや素材によって変化する(d)。膜厚があらかじめ分かっている薄膜を本手法で計測したところ、偏光成分の強度比に関連したエリプソメトリックパラメーターΨ(a)や、各偏光成分の位相変化量差に関連したエリプソメトリックパラメーターΔ(b)が、膜厚によって変わっている様子が観察できた(b)。また本手法では、光周波数に応じてΨやΔが変化している様子も同時に計測することができる(a)(b)。さらに、その変化から推定される膜厚は、実際の膜厚とよく一致した(c)。