(57)【要約】【課題】  サブマイクロメートル程度の空間分解能で、熱拡散率の測定することができる微小領域熱物性解析方法及び装置を実現する【解決手段】  加熱ビーム８１は、金属薄膜７１の加熱面を照射して加熱する。測温ビーム８２は、光ファイバ・プローブ４５に入射して微小開口４５２と金属薄膜７１との間に近接場光８４を発生させる。金属薄膜７１と近接場光８４とが相互作用し、測温面の反射率に応じた反射光８５を生じさせる。処理部５は、加熱ビーム８２の遅延時間を変化させて、反射光８５の強度を繰り返し算出し、反射光８５の強度の時間変化を求める。処理部５は、サーモリフレクタンス法により反射光８５の強度から金属薄膜７１の表面温度を算出し、別途、入力部６から金属薄膜７１の膜厚の入力を受け、金属薄膜の熱拡散率を算出する。【選択図】    図１
2005091119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料台に保持された薄膜の一方の面に、加熱用のレーザ光を照射し、
前記薄膜の加熱用のレーザ光を照射した面と反対の面に、測温用の近接場光を照射し、
前記薄膜に照射した近接場光の反射光強度の時間変化を測定し、
測定した反射光強度の時間変化からサーモリフレクタンス法により前記薄膜の加熱用のレーザ光を照射した面と反対の面における表面温度の時間変化を検出し、
検出された前記表面温度の時間変化と前記薄膜の膜厚とから前記薄膜の熱拡散率を算出することを特徴とする微小領域熱物性解析方法。
【請求項２】
試料台と加熱光学系と測温部と処理部とを備え、
前記試料台は、熱拡散率を測定する対象の薄膜を保持し、
前記加熱光学系は、光源から出射されたレーザ光を集光して、前記試料台に保持された薄膜の一方の面である加熱面に照射して加熱し、
前記測温部は、測温光学系と測定部とを有し、
前記測温光学系は、光源から出射されたレーザ光の波長より小さい直径をもつ開口を設けたプローブをもち、当該開口は、前記加熱面と反対の面である測温面に対して、光源から出射されたレーザ光の波長より小さい距離で配置され、光源から出射されたレーザ光により前記開口と前記測温面との間に近接場光を発生させ、
前記測定部は、前記測温光学系から前記測温面に照射された近接場光の反射光の入射を受けて、当該反射光の強度を検出し、
前記処理部は、前記測定部で検出された前記反射光の強度の入力を受けて、サーモリフレクタンス法により前記測温面における表面温度の時間変化を算出し、当該表面温度の時間変化とあらかじめ測定された前記薄膜の膜厚とから前記薄膜の熱拡散率を算出する微小領域熱物性解析装置。
【請求項３】
加振部と振動数検出部と距離制御部とを備え、
前記加振部は、前記プローブに対し当該プローブの共振周波数で、前記測温面に対して水平方向に振動を加え、
前記振動数検出部は、前記プローブの振動数を検出し、
前記距離制御部は、前記振動数検出部により検出された前記プローブの振動数に基づき、前記試料台を移動させ、前記開口と前記測温面との距離が前記測温面に照射されるレーザ光の波長より小さくなるように制御する請求項２に記載の微小領域熱物性解析装置。
【請求項４】
前記プローブは、
前記入射口となる石英基板上に窒化シリコン膜を形成し、
前記窒化シリコン膜上にフォトリソグラフ技術を用いて円柱状のレジストパターンを形成し、
ドライエッチング法により前記レジストパターンをマスクとして前記窒化シリコン膜をエッチングして窒化シリコンの突起を形成し、
プラズマを用いたアッシングにより前記レジストパターンを除去し、
前記突起の先端に前記開口を設けて前記石英基板及び前記突起を覆うように金属膜を形成して作製されることを特徴とする請求項２に記載の微小領域熱物性解析装置。
【請求項５】
前記加熱光学系は、チタン／サファイヤ・レーザを光源とすることを特徴とする請求項２に記載の微小領域熱物性解析装置。
【請求項６】
前記加熱光学系は、半導体レーザから出射された光を電気光学変調器により変調した周期加熱光を光源とすることを特徴とする請求項２に記載の微小領域熱物性解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、サブミクロン単位の薄膜を横切って流れる熱の熱拡散率をサブミクロン以下の空間分解能で測定する、近接場光を用いたサーモリフレクタンス法による微小領域熱物性解析方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種デバイスの熱設計を行う場合には、これらを構成する微小な各素材の熱拡散率の測定が必要とされる。材料の熱拡散率を測定する方法としてレーザ光フラッシュ法がある。一定温度に保たれた平板状の試料の表面をレーザ光パルスが瞬間的かつ均一に加熱すると、熱は試料の表面から裏面へ１次元的に拡散する。赤外式放射温度計を用い、試料の裏面における温度の時間変化を観測し、試料の厚さと熱の拡散に要する時間とから熱拡散率を算出する。この方法では、直径１０ｍｍ及び厚さ１ｍｍ以上の試料サイズが必要であり、また、測定した熱拡散率は試料全体における平均として得られる。
【０００３】
近年、サブミクロン程度の厚さをもつ薄膜（以下、単に薄膜と称する）が工業的に広く使用されている。バルク試料における２〜３ミリメートル程度の距離に対する熱拡散時間は、数百ミリ秒程度であるのに対し、薄膜における厚さ方向の熱拡散時間は、数百ピコ秒程度と極めて短い。そのため、応答速度が低速な赤外式放射温度計を用いるレーザ光フラッシュ法を用いた熱拡散率の測定は、バルク試料には適しても、薄膜には適さない。そこで、ピコ秒パルスレーザ光を用いて薄膜の熱拡散率を計測する方法及び装置が提案されている。
【０００４】
特許文献１及び特許文献２に示されたピコ秒サーモリフレクタンス法を利用した熱物性解析装置によれば、膜厚１００ｎｍ程度の金属薄膜における膜厚方向の熱拡散率の測定が可能であり、また、スポット的に熱拡散率の測定が可能である。図４に示すように、金属薄膜１０１を、透明基板１０２上に配置して適宜の手段で固定する。その上で、金属薄膜１０１を加熱するためのパルス光である加熱光１０３を、透明基板１０２側から金属薄膜１０１と透明基板１０２との界面に照射して加熱するとともに、金属薄膜１０１の表面温度を測定するためのパルス光である測温光１０４を、透明基板１０２側から金属薄膜１０１の表面に照射する。測温光１０４の反射光１０５の強度は、金属薄膜１０１の表面温度に依存して変化するため、この反射光１０５の強度を測定して、金属薄膜１０１の表面温度を検出できる。この金属薄膜１０１の表面温度の時間変化と、予め測定された金属薄膜１０１の厚さとにより、金属薄膜１０１の熱拡散率が算出される。このとき、加熱光１０３からの遅延時間が制御されたパルス光を、測温光１０４として用いると、金属薄膜１０１の表面温度の時間変化は測温光１０４のパルス持続時間と等しい時間分解能で検出できる。すなわち、本方法により、薄膜における数百ピコ秒程度の時間分解能で、熱拡散率を計測できる。
【０００５】
さらに近年、特に半導体電子デバイスや情報記録媒体の分野では、集積度及び性能の向上を図るため、構造の複雑化及び微細化が進んでいる。そのため、サブマイクロメータ程度の高い空間分解能での熱拡散率の測定法が求められている。空間分解能は、レンズにより試料に集光されるレーザ光のスポット径に依存する。従来のサーモリフレクタンス法で使用されるレーザ光のスポット径は、５０μｍ程度であるが、このスポット径をさらに小さくできれば、空間分解能が向上すると考えられる。
【０００６】
しかし、光の回折理論によると、レンズに入射されるレーザ光の波長をλ、レンズの開口数をＮＡとすると、集光スポット径ｄは、次式で与えられる限界を有する。
ｄ〜１．２２λ／ＮＡ    ・・・  （１）
レーザ光の波長λが短く、開口数ＮＡが大きいほど、集光スポット径ｄは小さくなるが、波長以下の径の集光スポットを形成することは困難である。すなわち、光を電磁波として利用する従来のシステムでは、回折限界以下にスポット径を小さくできないため、回折限界以下の微小な領域における熱拡散率を測定できない問題がある。
【０００７】
一方、顕微鏡の分野においては、回折限界による制約を克服するため、光の波長よりも小さい開口を設けたプローブを、試料の表面に対して光の波長程度に近づけ、開口と試料との間に生じるエバネッセント波（近接場光）を用いる方法が提案されている。近接場光は、原則的に放射されず、光の波長よりも小さい領域に閉じ込められる。この近接場光と試料とを相互作用させ、相互作用した近接場光の反射光を検出することにより、回折限界を超える分解能を有する顕微鏡（近接場光学顕微鏡）が構成される。この近接場光学顕微鏡は、生体試料の蛍光測定や、各種素子の評価（誘電体光導波路各種特性評価、半導体量子ドットの発光スペクトルの測定、半導体面発光素子の諸特性の評価等）等に応用されている。
【０００８】
特許文献３及び特許文献４に示された近接場光を用いて半導体の微細構造の欠陥等を評価する方法では、近接場光を試料に照射するため、先端に微小開口が設けられた光ファイバ・プローブが用いられている。光ファイバ・プローブの後端に設けられた入射口にレーザ光が入射されると、先端の微小開口から近接場光が発生する。光ファイバ・プローブは、各種誘電体材料を用いて作製されるが、一般には、ガラス製光ファイバーが用いられる。光ファイバーは、伝搬光を伝送するコアとその周囲に設けられたクラッドとからなり、光ファイバーの一端は延伸あるいは化学エッチングにより先鋭化され、コアを突出させている。また、先鋭化された光ファイバーの先端部の周辺は、金属膜により被覆されて、その最先端部に微小開口が形成されている。
【特許文献１】特許第３２５２１５５号公報
【特許文献２】特許第３２９４２０６号公報
【特許文献３】特開平１１-２３０９７２号公報
【特許文献４】特開２０００-１６４６６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１及び特許文献２に示された熱物性解析装置では、光源の波長に対応した回折限界以下の微小領域における熱物性解析を行えない問題がある。また、特許文献３及び特許文献４で提案されている近接場光を用いた材料の物性評価法では、半導体の微細構造の欠陥を調査することを目的とし、熱拡散率の測定の分野においては、回折限界による分解能の制約が依然として存在している。そこで、本発明は、サブマイクロメートル程度の空間分解能で、熱拡散率の測定することができる微小領域熱物性解析方法及び装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この微小領域熱物性解析方法は、試料台に保持された薄膜の一方の面に、加熱用のレーザ光を照射し、薄膜の加熱用のレーザ光を照射した面と反対の面に、測温用の近接場光を照射し、薄膜に照射した近接場光の反射光強度の時間変化を測定し、測定した反射光強度の時間変化からサーモリフレクタンス法により薄膜の加熱用のレーザ光を照射した面と反対の面における表面温度の時間変化を検出し、検出された表面温度の時間変化と薄膜の膜厚とから薄膜の熱拡散率を算出する。
【００１１】
また、この微小領域熱物性解析装置は、試料台と加熱光学系と測温部と処理部とを備え、試料台は、熱拡散率を測定する対象の薄膜を保持し、加熱光学系は、光源から出射されたレーザ光を集光して、試料台に保持された薄膜の一方の面である加熱面に照射して加熱し、測温部は、測温光学系と測定部とを有し、測温光学系は、光源から出射されたレーザ光の波長より小さい直径をもつ開口を設けたプローブをもち、開口は、加熱面と反対の面である測温面に対して、光源から出射されたレーザ光の波長より小さい距離で配置され、光源から出射されたレーザ光により開口と測温面との間に近接場光を発生させ、測定部は、測温光学系から測温面に照射された近接場光の反射光の入射を受けて、反射光の強度を検出し、処理部は、測定部で検出された反射光の強度の入力を受けて、サーモリフレクタンス法により測温面における表面温度の時間変化を算出し、表面温度の時間変化とあらかじめ測定された薄膜の膜厚とから薄膜の熱拡散率を算出する。
【００１２】
さらに、この微小領域熱物性解析装置は、加振部と振動数検出部と距離制御部とを備え、加振部は、プローブに対しプローブの共振周波数で、測温面に対して水平方向に振動を加え、振動数検出部は、プローブの振動数を検出し、距離制御部は、振動数検出部により検出されたプローブの振動数に基づき、試料台を移動させ、開口と測温面との距離が測温面に照射されるレーザ光の波長より小さくなるように制御する。
【００１３】
また、プローブは、入射口となる石英基板上に窒化シリコン膜を形成し、窒化シリコン膜上にフォトリソグラフ技術を用いて円柱状のレジストパターンを形成し、ドライエッチング法によりレジストパターンをマスクとして窒化シリコン膜をエッチングして窒化シリコンの突起を形成し、プラズマを用いたアッシングによりレジストパターンを除去し、突起の先端に開口を設けて石英基板及び突起を覆うように金属膜を形成して作製されることを特徴とする。
【００１４】
また、加熱光学系は、チタン／サファイヤ・レーザを光源とすること、又は、半導体レーザから出射された光を電気光学変調器により変調した周期加熱光を光源とする。
【発明の効果】
【００１５】
微小開口を設けたプローブを用いることで、試料の微小領域に近接場光を照射でき、サブミクロン以下の微小領域の熱拡散率を測定できる。また、半導体プロセスを利用し、再現性よく安価に大量に生産できる平面型プロ−ブを採用することで、微小領域熱物性解析装置の実現が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る微小領域熱物性解析装置１は、図１に示すように光源部２と加熱部３と測温部４と処理部５と入力部６とを備え、試料７が有する金属薄膜７１の一方の面に、スポット的にレーザ光を照射して加熱させ、他方の面にレーザ光を照射してその反射光強度の時間変化を測定し、あらかじめ求められた薄膜の表面温度と反射率との関係を参照して薄膜の表面温度を算出するサーモリフレクタンス法により、金属薄膜７１の表面温度の時間変化を算出し、金属薄膜７１の熱拡散率を測定する装置である。
【００１７】
光源部２は、チタン／サファイヤ・レーザ２１とコリメータ・レンズ２２と第１のビーム・スプリッタ２３とを有し、光源ビーム８を発生させて、金属薄膜７１を加熱させるために照射する光の元となる加熱ビーム８１を、加熱部３に出射し、金属薄膜７１からの反射光強度を測定するために照射する光の元となる測温ビーム８２を、測温部４に出力する。チタン／サファイヤ・レーザ２１は、光源ビーム８として、周期７６ＭＨｚでピコ秒単位のパルス持続時間を有するパルス・レーザ光を発生させる。コリメータ・レンズ２２は、光源ビーム８を平行光として出力する。第１のビーム・スプリッタ２３は、平行光とされた光源ビーム８を、加熱ビーム８１とこれより強度の弱い測温ビーム８２とに分割する。
【００１８】
加熱部３は、音響光学変調素子３１と、光学遅延装置３２と、第２のミラー３３と第３のミラー３４と加熱側レンズ３５とを有し、光源部２から入力された加熱ビーム８１を変調し、遅延させて金属薄膜７１に照射する。音響光学変調素子３１は、加熱ビーム８１の入力を受け、変調周波数１ＭＨｚで変調して変調加熱ビーム８３を出力する。光学遅延装置３２は、第１のミラー３２１及びプリズム３２２をもち、プリズム３２２を移動させて第１のミラー３２１とプリズム３２２との距離を制御する。光学遅延装置３２は、変調加熱ビーム８３の入力を受け、通過する変調加熱ビーム８３に光路長に応じた遅延を生じさせる。第２のミラー３３、第３のミラー３４及び加熱側レンズ３５は、光学遅延装置３２から出力された変調加熱ビーム８３を、金属薄膜７１に導く。
【００１９】
測温部４は、第４のミラー４１と第２のビーム・スプリッタ４２と第５のミラー４３と対物レンズ４４と光ファイバ・プローブ４５と集光レンズ４６と測定器４７と距離制御装置４８とを有し、光源部２から入力された測温ビーム８２を元に近接場光８４を試料７に照射し、その反射光８５の強度を測定して測定結果を処理部５に出力する。
【００２０】
第４のミラー４１、第２のビーム・スプリッタ４２、第５のミラー４３及び対物レンズ４４は、光源部２から入射された測温ビーム８２を光ファイバ・プローブ４５に入射口４５１から入射させる。また、対物レンズ４４、第５のミラー４３、第２のビーム・スプリッタ４２及び集光レンズ４６は、光ファイバ・プローブ４５から出射された反射光８５を測定器４７に集光して入射させる。
【００２１】
光ファイバ・プローブ４５は、入射口４５１と微小開口４５２とをもつ。一端に設けられた入射口４５１は、外部から光の入射を受け、また、内部からの光を出射させる。微小開口４５２は、入射口４５１とは逆の一端に設けられた、測温ビーム８２の波長よりも十分小さい大きさの開口であり、入射口４５１と光学的に接続される。微小開口４５２は、金属薄膜７１との距離が光の波長程度に近くなる距離に配置される。光ファイバ・プローブ４５は、微小開口４５２により、伝搬光成分を除去した成分である近接場光８４のみを、試料７の金属薄膜７１の測温面付近に発生させ、その反射光８５を検出できる。
【００２２】
微小開口４５２は、例えば、石英製の光ファイバの一端を、フッ酸混液を用いて化学的にエッチングして先鋭な形状とした後、先端に所望の大きさの開口を設けるよう、金、銀、アルミニウム、ニッケル等の金属膜を用いてコーティングすることにより形成され、あるいは、シリコンを用いて異方性エッチングすることにより形成される。伝搬光成分を十分に遮蔽して近接場光成分のみが得られる構造とするため、例えば、先端の金属膜は厚さ１００〜２００ｎｍ程度とされている。また、微小開口４５２は、光ファイバ・プローブ４５を斜めに回転させながら金属を蒸着させることにより、または有機薄膜をコーティングした後、適当なエッチング液でウェットエッチングすることにより形成される。
【００２３】
測定部４７は、シリコン・フォト・ダイオードをもち、入射される反射光８５の強度を測定し、処理部５に測定された信号を出力する。
【００２４】
距離制御部４８は、振動装置４８１と試料台４８２とレーザ・ダイオード４８３とフォト・ダイオード４８４とフィードバック回路４８５と位置制御部４８６とを有し、微小開口４５２と金属薄膜７１との距離を調整する。振動装置４８１は、例えばＰＺＴ等の圧電素子であり、光ファイバ・プローブ４５の共振周波数で、光ファイバ・プローブ４５を、金属薄膜７１の表面に対して水平方向に振動させる。光ファイバ・プローブ４５の共振周波数は、数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度である。試料台４８２には、金属薄膜７１が透明基板７２の表面に成膜されて構成される試料７が載せられる。振動する光ファイバ・プローブ４５を、金属薄膜７１に接近させると、光ファイバ・プローブ４５と金属薄膜７１との間に横方向（水平方向）の剪断応力（シェアフォース）が働き、光ファイバ・プローブ４５の振幅は小さくなる。レーザ・ダイオード４８３は、光ファイバ・プローブ４５にレーザ光を照射する。フォト・ダイオード４８４は、照射されたレーザ光の反射光をモニターする。フィードバック回路４８５は、振動装置４８１からの共振周波数の入力と、フォト・ダイオード４８４からのモニター結果の入力とを受けて、光ファイバ・プローブ４５の微小開口４５２と金属薄膜７１との距離を正確に算出する。位置制御部４８６は、フィードバック回路４８５により算出された距離の入力を受けて、試料台４８２の位置を制御する。正確な位置の制御を実現することにより、近接場光の利用効率が高まる。
【００２５】
処理部５は、チタン／サファイヤ・レーザ２１に光源ビーム８の発生及び停止を指示し、音響光学変調素子３１に変調周波数としての１ＭＨｚの信号を送り、光学遅延装置３２に、変調加熱ビーム８３に与える遅延時間に対応する光路長の値を出力する。また、処理部５は、測定部４７から反射光８５の強度の入力を受ける。処理部５は、変調加熱ビーム８３に与える遅延時間を変化させて、反射光８５の強度の入力を繰り返し受け、反射光８５の強度の時間変化を測定する。処理部５は、あらかじめ求められた金属薄膜７１の表面温度と反射率との関係を参照し、サーモリフレクタンス法により金属薄膜７１の表面温度を算出する。処理部５は、この算出結果と、入力部６から入力された金属薄膜７１の膜厚とに基づいて、金属薄膜７１の熱拡散率を算出する。
【００２６】
この微小領域熱物性解析装置１を用いて金属薄膜７１の熱拡散率を測定する方法を説明する。距離制御部４８は、光ファイバ・プローブ４５の開口４５２と金属薄膜７１との距離を、光の波長以下の所望の距離に制御する。処理部５は、光学遅延装置３２に光路長の値を出力し、光学遅延装置３２は、入力された光路長が得られるように第１のミラー３２１とプリズム３２２とを配置する。処理部５の指示によりチタン／サファイヤ・レーザ２１から出射された光源ビーム８は、コリメータ・レンズ２２により平行光に変換されて、第１のビーム・スプリッタ２３により加熱ビーム８１と測温ビーム８２とに分割される。
【００２７】
加熱ビーム８１は、処理部５から変調周波数としての１ＭＨｚの信号の入力を受けた音響光学変調素子３１により、１ＭＨｚで強度変調されて変調加熱ビーム８３となる。変調加熱ビーム８３は、光学遅延装置３２を通り、光路長に応じた遅延を受ける。変調加熱ビーム８３は、さらに第２のミラー３３、第３のミラー３４及び加熱側レンズ３５に導かれ、試料７を構成する金属薄膜７１の透明基板７２側の面（以下、加熱面と称する）に集光し、金属薄膜７１に熱を与える。
【００２８】
一方、測温ビーム８２は、第４のミラー４１、第２のビーム・スプリッタ４２、第５のミラー４３及び対物レンズ４４に導かれ、光ファイバ・プローブ４５に、その入射口４５１から入射される。光ファイバ・プローブ４５に入射された測温ビーム８２は、光ファイバ・プローブ４５内部を通り、加熱面と反対側の面（以下、測温面と称する）の付近であって、加熱された位置に相対する位置に近接するように配置された微小開口４５２に導かれ、微小開口４５２と金属薄膜７１との間に、近接場光８４を発生させる。
【００２９】
変調加熱ビーム８３により加熱面に加えられた熱が測温面に伝わり、測温面の温度が変化すると、これに応じて測温面の反射率が変化する。放射されず光の波長よりも小さな領域に閉じ込められる近接場光８４が、金属薄膜７１と相互作用し、測温面の反射率に応じた反射光８５が得られる。
【００３０】
反射光８５は、微小開口４５２で検出され、光ファイバ・プローブ４５を通過して入射口４５１から出射され、対物レンズ４４、第５のミラー４３、第２のビーム・スプリッタ４２及び集光レンズ４６を通過して、測定部４７に集光する。測定部４７は、反射光８５の強度を、シリコン・フォト・ダイオードで測定し、測定された信号を処理部５に出力する。
【００３１】
処理部５は、ロックイン増幅機能を有し、測定部４７から入力される信号のＡＣ成分を、音響光学素子３１に出力する１ＭＨｚの変調周波数で同期をとる。処理部５は、光学遅延装置３２に出力する遅延時間を変化させて、反射光８５の強度を繰り返し算出することにより、反射光８５の強度の時間変化を求める。反射光８５の強度は、金属薄膜７１の表面温度に依存して変化するため、あらかじめ求められた金属薄膜７１の表面温度と反射率との関係を参照することにより、サーモリフレクタンス法により反射光８５の強度から金属薄膜７１の表面温度が算出される。また、処理部５は、別途、入力部６から金属薄膜７１の膜厚の入力を受け、入力された金属薄膜７１の膜厚と、算出された金属薄膜７１の表面温度の時間変化とにより、金属薄膜の熱拡散率を算出する。
【００３２】
なお、本実施形態では、近接場光を発生させるプローブとして光ファイバ・プローブ４５を用いているが、図２に示すように、平面型プローブ９０を利用してもよい。この平面型プローブ９０の作製過程を図３に示す。まず、図３（ａ）に示されるように、光学的に透明な基板である石英基板９１の表面に、高い屈折率を有する材料である窒化シリコン膜９２を形成する。石英基板９１の厚みは、通常０．５〜１．５ｍｍ、好ましくは０．６〜１．２ｍｍである。窒化シリコン膜９２の厚みは、２μｍ以上であることが望ましい。窒化シリコン膜は、ＳｉＨ４及びＮＨ３を約７００〜１１００℃の高温下で熱反応させる高温熱ＣＶＤ法により成膜される。
【００３３】
なお、石英基板９１及び窒化シリコン膜９２の代わりに他の材料を用いてもよい。例えば、石英基板９１の代わりに、例えばアルミノシリケート系ガラス等の化学強化ガラス等を用いてもよい。また、石英ガラスを透明基板９１とし、表面から１μｍ程度の厚さでＳｉＯ２をスパッタしたのち、Ｎ原子やＣ原子の侵入層を設けて高屈折率材料膜を形成してもよい。この高屈折率材料膜は、Ｃ原子を侵入させる場合はＣＨ４をソースガスとして石英ガラスへイオン注入することにより形成し、Ｎ原子を侵入させる場合はＳｉＨ４とＮ２Ｏを原料とする熱分解ＣＶＤ法によってＳｉＯ２を成膜することにより形成することができる。この高屈折率材料膜は、ＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング等や熱拡散法によっても形成できる。
【００３４】
また、単結晶シリコン基板に酸化シリコン層を埋め込んで形成された基板（ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基盤）を使用し、ＳＯＩ基板とガラス基板とに電極を設け、約３００℃程度の温度雰囲気中で適当な電圧を印加することによりＳＯＩ基板とガラス基板とを接合してもよい。さらに別の方法として、接合する表面を十分に洗浄した石英基板とＳＯＩ基板の活性シリコン層とを張り合わせ、窒素雰囲気中９００℃以上で熱処理することにより接合してもよい。また、接合する石英基板とＳＯＩ基板との接合面を鏡面研磨し、ＲＣＡ洗浄し、１．３×１０―７Ｐａ以下の真空度のチャンバー内でＡｒのＦＡＢ（Fast Atom Beam）を３００秒程度同時に照射し、１×１０７Ｐａの圧力で圧着してもよい。
【００３５】
次に、図３（ｂ）に示されるように、石英基板９１上に窒化シリコン膜９２を成膜した基板に、半導体プロセスのフォトリソグラフ技術を用いて円柱状のレジストパターン９３を形成する。円柱状のレジストパターン９３は、シリコンの突起を形成しようとする領域を覆うように設けられる。次に、図３（ｃ）に示されるように、レジストパターン９３をマスクとして窒化シリコン膜９２をドライエッチングにより除去する。石英基板９１をストッパー層とすることで、石英基板９１上に窒化シリコン突起９４を形成できる。ドライエッチングの条件を変化させることにより、形成された窒化シリコン突起９４の形状を変化させることができる。例えば、平行平板型のＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を用いたドライエッチングでは、ガス種、処理圧力、ＲＦパワーを最適条件に変化させることにより、円柱や円錐形等の各種形状の窒化シリコン突起９４を形成できる。エッチング時間を調節し、レジストパターン９３に覆われていない領域の窒化シリコン膜９２を、石英基板９１上に残してもよい。
【００３６】
次に、図３（ｄ）に示されるように、酸素プラズマを用いてレジストアッシングを行い、レジストパターン９３を除去する。シリコン突起側面に付着した側壁保護膜等はＢＨＦ溶液によって除去することができる。次に、図３（ｅ）に示されるように、窒化シリコン突起９４が形成された面に、金属膜９５をスパッタにより成膜する。この際、窒化シリコン突起９４の頂点付近に光の波長より小さな、例えば５０ｎｍ程度の微小開口９６を設ける。微小開口９６の大きさは、所望の分解能によって変える。金属膜９５は、光の染み込み深さ以上に蒸着することで、窒化シリコン突起９４から生じる近接場光以外の光を遮断することができる。反射部材としての好適な金属膜９５の形成方法には、金属蒸着、メッキ及び電着等がある。金属膜９５の材料は、アルミニウム、金または銀等があり、酸化性の低いものが好ましい。次に、図３（ｆ）に示されるように、石英基板９１の裏面に、スパッタ等を用いて反射防止膜９７をコーティングする。以上により、平面型プローブ９０が形成される。
【００３７】
平面型プローブ９０の反射防止膜９７が形成されている面から測温ビーム８２が入射する。反射防止膜９７を設けると、例えば、反射防止膜９７がない場合に約４％であった反射率は、ＭｇＦ２からなる１４０ｎｍの反射防止膜９７を設けることにより、約１．４％に軽減される。すなわち、反射率を軽減させることにより、近接場光を効率良く発生させることができ、高効率かつ高速に信号を検出できる。なお、単層膜の反射防止膜は、ＳｉＯやＣｅＦ３等であってもよい。また、単層膜の反射防止膜より多層膜の反射防止膜の方が、広い波長域にわたって低い反射率を得られる。例えば、ＭｇＦ２からなる膜厚１４０ｎｍの第１の誘電体膜、ＣｅＯ２からなる膜厚９６ｎｍの第２の誘電体膜、ＳｉＯからなる膜厚１０８ｎｍの第３の誘電体膜により多層膜を構成すると、反射率をほぼ０に近づけられる。
【００３８】
また、本実施形態では、光源部２は、チタン／サファイヤ・レーザ２１を光源として用いているが、半導体レーザ光等から出力された光を、電気光学変調器等を用いて１００ＭＨｚ程度以上の周波数で変調した加熱光源を用いてもよい。また、試料台４８２を２次元的に走査することにより、金属薄膜７１の表面の広範囲の熱拡散率を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】光ファイバ・プローブを用いた微小領域熱物性解析装置の構成図である。
【図２】平面型プローブを用いた微小領域熱物性解析装置の構成図である。
【図３】平面型プローブの作製過程を示す図である。
【図４】ピコ秒パルスレーザ光を用いた従来の熱物性解析方法の説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１；微小領域熱物性解析装置、２；光源部、３；加熱部、４；測温部、５；処理部、６；入力部、７；試料、８；光源ビーム、２１；チタン／サファイヤ・レーザ、２２；コリメータ・レンズ、２３；第１のビーム・スプリッタ、３１；音響光学変調素子、３２；光学遅延装置、３３；第２のミラー、３４；第３のミラー、３５；加熱側レンズ、４１；第４のミラー、４２；第２のビーム・スプリッタ、４３；第５のミラー、４４；対物レンズ、４５；光ファイバ・プローブ、４６；集光レンズ、４７；測定器、４８；距離制御装置、７１；金属薄膜、７２；透明基板、８１；加熱ビーム、８２；測温ビーム、８３；変調加熱ビーム、８４；近接場光、８５；反射光、９０；平面型プローブ、９１；石英基板、９２；窒化シリコン膜、９３；レジストパターン、９４；窒化シリコン突起、９５；金属膜、９６；微小開口、９７；反射防止膜、３２１；第１のミラー、３２２；プリズム、４５１；入射口、４５２；微小開口、４８１；加振装置、４８２；試料台、４８３；レーザ・ダイオード、４８４；フォト・ダイオード、４８５；フィードバック回路、４８６；位置制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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