(57)【要約】【課題】電気光学薄膜を組み込んだ光導波路や機能性光学部品を設計するために必要な、薄膜の電気光学効果の大きさを評価するのに有効である電気光学定数測定方法および装置を提供する。【解決手段】基板上に成膜した電気光学薄膜を透明導電性薄膜で覆って、基板と透明導電性薄膜との間に電圧を印加可能な状態で、分光エリプソメトリー法により（ｔａｎΨ，ｃｏｓΔ）スペクトルを測定する測定装置（１０、２０）と、測定装置（１０、２０）によって得られた電圧印加時と非印加時のｔａｎΨスペクトルから、２つのｔａｎΨスペクトルの差スペクトルの振幅と、ｔａｎΨスペクトルを微分して得られた参照スペクトルの振幅とを比較することにより、電圧印加がもたらす光学干渉の実効波長変化分を計算し、その値から屈折率変化分を導出して、電気光学定数を算出する演算装置（３０）とを備える。【選択図】  図１
2005017022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に成膜した電気光学薄膜を透明導電性薄膜で覆って、当該基板と当該透明導電性薄膜との間に電圧を印加可能な状態で、分光エリプソメトリー法により（ｔａｎΨ，ｃｏｓΔ）スペクトルを測定し、
測定によって電圧印加時と非印加時のｔａｎΨスペクトルを得ると、当該２つのｔａｎΨスペクトルの差スペクトルの振幅と、当該ｔａｎΨスペクトルを微分して得られた参照スペクトルの振幅とを比較することにより、電圧印加がもたらす光学干渉の実効波長変化分を計算し、
その値から屈折率変化分を導出して、電気光学定数を算出することを特徴とする電気光学定数測定方法。
【請求項２】
基板上に成膜した電気光学薄膜を透明導電性薄膜で覆って、当該基板と当該透明導電性薄膜との間に電圧を印加可能な状態で、分光エリプソメトリー法により（ｔａｎΨ，ｃｏｓΔ）スペクトルを測定する測定装置（１０、２０）と、
前記測定装置（１０、２０）によって得られた電圧印加時と非印加時のｔａｎΨスペクトルから、当該２つのｔａｎΨスペクトルの差スペクトルの振幅と、当該ｔａｎΨスペクトルを微分して得られた参照スペクトルの振幅とを比較することにより、電圧印加がもたらす光学干渉の実効波長変化分を計算し、その値から屈折率変化分を導出して、電気光学定数を算出する演算装置（３０）とを備えることを特徴とする電気光学定数測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜の電気光学効果を多波長で測定する電気光学定数測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気光学効果は印加電圧によって屈折率等が変化する現象であり、この電気光学効果を利用した光通信用デバイスは、現在、広範囲に実用化されている。多くの場合、単結晶が用いられ、特に、ＨｅＮｅレーザーの波長における代表的な光学結晶のポッケルス定数が既知である。通常、バルク光学結晶は数ｍｍ角以上のサイズを有するので、レーザー光を用いた電気光学効果の測定方法がいくつか提案され、実際に使われている。
【０００３】
ごく一般的な測定方法としては、次のものがある。レーザー光をハーフミラーで２分割し、一方を電圧印加した電気光学結晶を通過させた後、他方を参照信号として両者を光学的に干渉させ、その強度変化を調べる。位相が半波長ずれるときの印加電圧から、電気光学定数を算出することが可能である［非特許文献１］。この測定方法では、レーザーのスポット径よりも電気光学結晶のサイズが大きいことが重要な点である。
【０００４】
一方、薄膜の電気光学定数はその膜質に依存するため、バルク単結晶の値を適用することができず、各々の薄膜に対して測定する必要がある。しかし、前記の測定方法を薄膜に対して適用するには、光導波路を作製することが必要になる。マッハツェンダー型の光導波路を薄膜上に作り込み、２分岐後の片方の光導波路に電圧を印加する構造を付加して、光の干渉による信号強度の変化を利用すれば、同様の測定を行うことが原理的に可能である。
【０００５】
しかし、拡散型光導波路を作るか、あるいはエッチングによりリッジ型光導波路を作り込んで、ある程度光が減衰しないで導波して干渉することを確かめる必要があること、薄膜光導波路だけに光を入射し、薄膜光導波路を通ってきた光だけをピックアップするためには、スポットサイズ変換が必要なことなど、クリアしなければならない課題が多かった。
【０００６】
複屈折性を有する材料の場合は、レーザー光を４５度の偏光板を通して、ＴＭ偏波とＴＥ偏波とが等量になるように偏光し、電圧を印加した状態の電気光学薄膜を通過させた後に、４５度の偏光板により偏波情報を取り出せば、電気光学定数に関する情報が得られる［非特許文献２］。しかし、この場合でも薄膜を導波路化すること、減衰することなく光を導波すること等が必要条件である。
【０００７】
また、これらの単一波長レーザーを使った測定では、その測定波長だけの電気光学定数しか得られないという制限があった。
【０００８】
非特許文献１
Ｊ．  Ｌ．  Ｓｔｅｖｅｎｓｏｎ，  Ｊ．  Ｐｈｙｓ．  Ｄ：  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ６，  Ｌ１３  （１９７３）．
非特許文献２
Ｇ．  Ｅ．  Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，  Ａ．  Ａ．  Ｂａｌｌｍａｎ，  Ｐ．  Ｖ．  Ｌｅｎｚｏ，  ａｎｄ  Ｐ．  Ｍ．  Ｂｒｉｄｅｎｂａｕｇｈ，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ５，  ６２  （１９６４）．
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光導波路を作製しなくても、薄膜の状態で各波長における電気光学定数を測定できれば、その薄膜が電気光学薄膜として要求される物性値を備えているかどうかを、あらかじめ判断でき、実際に得られた電気光学定数を素子設計に使える。また、レーザー光による単一波長の測定ではなく、ハロゲンランプなどの連続光源を用いて、ある連続的な波長範囲で電気光学定数が測定できれば、設計波長の選択に関して別の情報が得られる。
【００１０】
しかし、前記の導波型の測定は、強度の強い、位相の揃ったレーザー光を使うことが必要条件であり、それ以外の方法で電気光学定数を測定するのは容易でないとされていた。
【００１１】
この発明は、前記の課題を解決し、電気光学薄膜を組み込んだ光導波路や機能性光学部品を設計するために必要な、薄膜の電気光学効果の大きさを評価するのに有効である電気光学定数測定方法および装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、基板上に成膜した電気光学薄膜を透明導電性薄膜で覆って、当該基板と当該透明導電性薄膜との間に電圧を印加可能な状態で、分光エリプソメトリー法により（ｔａｎΨ，ｃｏｓΔ）スペクトルを測定し、測定によって電圧印加時と非印加時のｔａｎΨスペクトルを得ると、当該２つのｔａｎΨスペクトルの差スペクトルの振幅と、当該ｔａｎΨスペクトルを微分して得られた参照スペクトルの振幅とを比較することにより、電圧印加がもたらす光学干渉の実効波長変化分を計算し、その値から屈折率変化分を導出して、電気光学定数を算出することを特徴とする電気光学定数測定方法である。
請求項２の発明は、基板上に成膜した電気光学薄膜を透明導電性薄膜で覆って、当該基板と当該透明導電性薄膜との間に電圧を印加可能な状態で、分光エリプソメトリー法により（ｔａｎΨ，ｃｏｓΔ）スペクトルを測定する測定装置と、前記測定装置によって得られた電圧印加時と非印加時のｔａｎΨスペクトルから、当該２つのｔａｎΨスペクトルの差スペクトルの振幅と、当該ｔａｎΨスペクトルを微分して得られた参照スペクトルの振幅とを比較することにより、電圧印加がもたらす光学干渉の実効波長変化分を計算し、その値から屈折率変化分を導出して、電気光学定数を算出する演算装置とを備えることを特徴とする電気光学定数測定装置である。
【００１３】
本発明では、分光エリプソメトリーの方法を利用して、薄膜の電気光学定数を測定する。ｐ偏光とｓ偏光のＦｒｅｓｎｅｌ反射率（ＲｐとＲｓ）の比ρから、エリプソ角ΨとΔが、
ρ＝Ｒｐ／Ｒｓ＝ｔａｎΨｅｘｐ（ｉΔ）
の式から求められる。実際の測定では、一定の波長範囲でｔａｎΨとｃｏｓΔとの値を測定し、スペクトルを得る。ここで、ｔａｎΨは振幅対応し、ｃｏｓΔは位相部分に対応していて、屈折率変化の情報は主にｔａｎΨに含まれている。
【００１４】
しかし、屈折率変化は、電気光学薄膜の抗電界に近い電界下においても、高々１０−３から１０−５程度とごく小さい。このため、電圧印加時と非印加時のｔａｎΨスペクトルを同じグラフ上に表示した場合、両者はほぼ完全に重なってしまう。
【００１５】
しかし、両者の差スペクトルをとれば、有為な強度差がスペクトル的に得られる。この差スペクトルの振幅と、当該ｔａｎΨスペクトルを微分して得た参照スペクトルの振幅とを比較することにより、電圧印加がもたらす光学干渉の実効波長変化分を見積もることが可能である。そして、その実効波長変化分に対応する屈折率変化Δｎを導出し、
Δｎ＝ｎｒｅｆｆ３Ｅ／２
の式に従って、当該薄膜の実効的な電気光学定数（ｒｅｆｆ）を求めることができる。この式で、Ｅは電界強度である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。本実施の形態による電気光学定数測定装置を図１に示す。図１の電気光学定数測定装置は、光学系１０と分光器２０と演算装置３０とを備えている。この電気光学定数測定装置は試料１００の電気光学定数を測定するものである。
【００１７】
本実施の形態では、分光エリプソメトリーの方法を利用して、試料１００のエリプソ角Ψを測定する。この測定装置が、光学系１０と分光器２０とである。光学系１０は、調整台１１と光源部１２と受光部１３とを備えている。調整台１１は、試料台１１Ａ上の試料１００に対して、光源部１２からの光が所定角度で入射するように、光源部１２と受光部１３との角度θを設定する。本実施の形態では、角度θが７５度である。
【００１８】
光源部１２は、偏光した光を試料１００に入射する。このために、光源部１２では、キセノンランプ１２Ａが発光する紫外〜可視光を、ミラー１２Ｂ、１２Ｃが反射し、偏光子１２Ｄが４５度の偏波に偏光する。
【００１９】
受光部１３は、試料１００から反射した光を受光する。このために、受光部１３では、検光子１３Ａが反射光の偏光状態を検出する。ミラー１３Ｂは、検光子１３Ａからの検出光を伝送部１３Ｃに送る。伝送部１３Ｃは、検出光を分光器２０に導く。
【００２０】
分光器２０は、受光部１３からの検出光のスペクトル分析をする。つまり、検出波長を変化させながら、検出光の測定を行う。分光器２０は、分析した光を光電子増倍管２１で電気信号に変換し、演算装置３０に送る。
【００２１】
演算装置３０は、分光器２０からの分析光から電気光学定数を算出する。つまり、演算装置３０は、分光エリプソメトリーの方法を利用した電気光学定数を測定する。
【００２２】
ｐ偏光とｓ偏光のＦｒｅｓｎｅｌ（フレネル）反射率（ＲｐとＲｓ）の比ρから、エリプソ角Ψと位相差Δとが、
ρ＝Ｒｐ／Ｒｓ＝ｔａｎΨｅｘｐ（ｉΔ）
から求められる。実際の測定では、一定の波長範囲でｔａｎΨとｃｏｓΔとの値を測定し、スペクトルを得る。ｔａｎΨは振幅に対応し、ｃｏｓΔは位相部分に対応する。屈折率変化の情報は、主にｔａｎΨに含まれている。
【００２３】
屈折率変化は、電気光学薄膜の抗電界に近い電界下においても、高々１０−３から１０−５程度とごく小さいため、電圧印加時と電圧非印加時のｔａｎΨスペクトルを同じグラフ上に表示した場合、両者はほぼ完全に重なってしまう。
【００２４】
このために、演算装置３０は、電圧印加時と電圧非印加時のｔａｎΨスペクトルの差を演算する。両者の差スペクトルをとれば、有為な強度差がスペクトル的に得られる。さらに、演算装置３０は、ｔａｎΨスペクトルを微分して参照スペクトルを得る。
【００２５】
この後、演算装置３０は、ｔａｎΨスペクトルの差スペクトルの振幅と、ｔａｎΨスペクトルの参照スペクトルの振幅とを比較することにより、電圧印加がもたらす光学干渉の実効波長変化分を演算する。そして、演算装置３０は、その実効波長変化分に対応する屈折率変化Δｎを導出し、
Δｎ＝ｎｒｅｆｆ３Ｅ／２
の式に従って、当該薄膜の実効的な電気光学定数（ｒｅｆｆ）を求める。この式では、Ｅが電界強度である。
【００２６】
以上が本実施の形態による電気光学定数測定装置の構成である。つぎに、この電気光学定数測定装置を用いた電気光学定数の測定方法について説明する。ここで用いる試料としては、図２に示すように、低抵抗Ｓｉ基板１０１上に、膜厚３００ｎｍのＣ軸配向したＬｉＮｂＯ３結晶薄膜であるＬｉＮｂＯ３配向膜１０２を成膜し、その上にリーク電流を低減し印加電圧を高めるために、膜厚５０ｎｍのＳｉＯ２保護膜１０３を成膜した。この後、上部電極として膜厚２０ｎｍのＴｉＮ透明導電膜１０４を成膜し、最後に、低抵抗Ｓｉ基板１０１の裏面に、Ａｌ膜を蒸着してＡｌ下部電極１０５とした。
【００２７】
試料１００には、ＴｉＮ透明導電膜１０４とＡｌ下部電極１０５との間に、可変の電圧２００が印加される。
【００２８】
この試料１００を電気光学定数測定装置の調整台１１の試料台１１Ａにセットする。光学系１０のキセノンランプ１２Ａから発せられる紫外〜可視光を、偏光子１２Ｄで４５度の偏波に偏光して、試料台１１Ａ上にセットした測定試料１００に入射する。試料１００から反射した光の偏光状態は、受光部１３の検光子１３Ａで検出される。そして、分光器２０で検出波長を変化させながら測定を行うと、（ｔａｎΨ，ｃｏｓΔ）スペクトルを得る。
【００２９】
図３は、試料１００の（ｔａｎΨ，ｃｏｓΔ）スペクトルである。なお、図３では、実線がｔａｎΨであり、点線がｃｏｓΔである。試料１００へのプローブ光の入射角θを７５°に固定した。
【００３０】
波長に対応する振動構造は、多層膜の界面における光学干渉に起因する。電圧を＋５Ｖ、＋１０Ｖ、＋１５Ｖと印加したときの（ｔａｎΨ，ｃｏｓΔ）スペクトルは、屈折率変化が小さすぎて、図３の縦軸スケールでは、電圧０Ｖのスペクトルと完全に重なってしまい区別できない。
【００３１】
ここで、通常の分光エリプソメトリーの解析方法を適用するとすれば、ある構造モデルを仮定して（ｔａｎΨ，ｃｏｓΔ）スペクトルのシミュレーションを行い、実験で得られたスペクトルに一致するように、パラメータを最適化する。その結果、各層の膜厚と屈折率、並びに吸収係数が得られ、電圧印加の前後における電気光学結晶薄膜の屈折率変化を求めることになる。
【００３２】
しかし、この分光エリプソメトリーの解析方法では、最適化により決定される各パラメータの誤差が０．１％以上になり、電圧印加前後の、わずかしか違わない屈折率の値を、お互いに引き算したときの桁落ちにより、信頼性ある屈折率変化の値を求めることは現実的に困難である。
【００３３】
図４は、各電圧印加時のｔａｎΨスペクトルから、電圧０ＶのｔａｎΨスペクトルを差し引いた差スペクトル
［ｔａｎΨ（ｘＶ）−ｔａｎΨ（０Ｖ）］
である。信号のノイズレベルは±０．００１内に収まっており、図４の有為な振動構造は明らかに電気光学効果により生じている。また、振幅が印加電圧にほぼ比例して増大していることは、一次の電気光学効果（ポッケルス効果）を意味している。
【００３４】
一方、電圧０ＶのｔａｎΨスペクトルの波長を、刻み幅０．００５μｍだけシフトして、
［ｔａｎΨ（λ）−ｔａｎΨ（λ＋０．００５μｍ）］
を計算して得た微分参照スペクトルが図５である。図５の参照スペクトルは、図４の差スペクトルと類似の振動形状をしているが、振幅だけが異なっている。何故ならば、電圧印加により生じる微小な屈折率変化Δｎは、実効的には波長の微小変化分に対応するからである。
【００３５】
ここで、例として、波長０．４μｍにおける電気光学定数を評価する。図５の参照スペクトルから、波長０．４μｍ付近のピーク間振幅（最大値−最小値）は０．１９である。これは、０．００５μｍの波長変化分に対応する振幅値である。図４の差スペクトルから、電圧１５Ｖのときの差スペクトルのピーク間振幅は０．０１５である。これら２つの値０．１９と値０．０１５とから、測定試料の実効波長変化分は、
Δλ＝０．００５×（０．０１５÷０．１９）＝３．９５×１０−４
である。
【００３６】
屈折率ｎの媒質中における光は、波長λ／ｎとして振る舞うので、ΔλとΔｎとは、
Δｎ／ｎ＝Δλ／λ
の関係で結びついている。この関係と、先に演算したΔλの値３．９５×１０−４とから、
Δｎ＝（Δλ／λ）ｎｅ＝２．３×１０−３
と求められる。なお、入射角が７５°のため、測定される屈折率は、ほぼｎｅ＝２．２８６に近い。Δｎ＝２．３×１０−３であるから、ポッケルス定数ｒｅｆｆは、
ｒｅｆｆ＝２Δｎ／ｎｅ３Ｅ＝７．７ｐｍ／Ｖ
と決定される。
【００３７】
こうして、本実施の形態により、電圧印加時と電圧非印加時のｔａｎΨスペクトルの差スペクトル（図４）をとれば、有為な強度差がスペクトル的に得られる。この差スペクトルの振幅と、ｔａｎΨスペクトルを微分して得られた参照スペクトル（図５）の振幅とを比較することにより、電圧印加がもたらす光学干渉の実効波長変化分を見積もることが可能である。さらに、この実効波長変化分に対応する屈折率変化を導出し、この屈折率変化から、電気光学薄膜である試料１００の実効的な電気光学定数を求めることができる。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれることは、もちろんである。
【００３９】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明では、電圧印加時と電圧非印加時のｔａｎΨスペクトルの差スペクトルをとれば、有為な強度差がスペクトル的に得られる。この差スペクトルの振幅と、ｔａｎΨスペクトルを微分して得られた参照スペクトルの振幅とを比較することにより、電圧印加がもたらす光学干渉の実効波長変化分を見積もることが可能である。そして、その実効波長変化分に対応する屈折率変化を導出し、この屈折率変化から、試料である電気光学薄膜の実効的な電気光学定数を求めることができる。
【００４０】
したがって、本発明は、電気光学薄膜を組み込んだ光導波路や機能性光学部品を設計するために必要な、薄膜の電気光学効果の大きさを評価するのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態による電気光学定数測定装置の構成を示す構成図である。
【図２】図１の電気光学定数測定装置に用いられる試料を説明する説明図である。
【図３】印加電圧０Ｖのときの（ｔａｎΨ，ｃｏｓΔ）スペクトルを示す図である。
【図４】印加電圧５Ｖ、１０Ｖ、１５ＶのｔａｎΨスペクトルから、印加電圧０ＶのｔａｎΨスペクトルを差し引いて得られた差スペクトルを示す図である。
【図５】図３のスペクトルから導出した［ｔａｎΨ（ｘ）−ｔａｎΨ（ｘ＋０．００５μｍ）］スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１０  光学系
１１  調整台
１２  光源部
１２Ａ  キセノンランプ
１２Ｂ、１２Ｃ  ミラー
１２Ｄ  偏光子
１３  受光部
１３Ａ  検光子
１３Ｂ  ミラー
２０  分光器
２１  光電子増倍管
３０  演算装置
【図１】
2005017022.tif 000003
【図２】
2005017022.tif 000004
【図３】
2005017022.tif 000005
【図４】
2005017022.tif 000006
【図５】
2005017022.tif 000007