JPH0261511A

JPH0261511A - 周期性表面構造の測定装置

Info

Publication number: JPH0261511A
Application number: JP21249388A
Authority: JP
Inventors: Masashi Nakao; 中尾　正史; Fumiyoshi Kano; 文良狩野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1988-08-29
Filing date: 1988-08-29
Publication date: 1990-03-01

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）本発明は回折をひきおこすような周期性を有する表面構
造の分布状態を高速に非破壊自動測定する装置に関し、
更に詳しくは基板上に形成された回折格子がその発振特
性に著しく影響するような分布帰還型の半導体レーザの
製作工程において、非破壊で回折格子の形状の分布状態
を測定し得る装置に関するものである。

（従来の技術）従来、光の回折を利用した周期性を有する表面構造（以
下周期性表面構造という）の周期Ａの測定は、回折光も
しくは反射光を入射光方向に戻し、回折光と反射光の角
度の差δθを求め、ブラッグの式、２　Ａ　−５ｉｎ（δθ）ｍｍλ、（ｍ−±　１．　±２．　・・・）　　・・・（１）を
用いて行っている。ここでλはｆｌｌｌ＋定波長である
。

一方、光の回折強度を利用して周期性表面構造の深さを
推定できるが、回折強度の基板面内分布を求めた例とし
ては富士通研究所の報告（検出ら、昭和６１年電子通信
学会総合全国大会Ｎｏ、９３１）がある。また、回折格
子の回折効率並びに基板からの反射光、散乱光を観察す
る技術がＫＤＤ研究所より報告（秋葉ら、昭和６１年応
用物理学会総会Ｎｏ、ｉｐ−に−２）されている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、従来の光の回折を利用した周期性表面構
造の周期への測定方法では、回折光もしくは反射光の角
度を求めるために、反射光あるいは回折光を入射光方向
に正確に戻さなければならないが、それは原理上無理で
必ずｎ１定光ビーム径に応じた誤差を生じる。その誤差
は周期に換算して、士数オングストロームとなる。回折
格子の周期により発振波長が決定されるような分布帰還
型半導体レーザではこの誤差は設計上無視できないもの
である。また、従来の方法では周期の自動測定も困難で
ある。従って回折格子の周期の分布状態を自動的に測定
する装置はこれまで報告されていない。

また、前述の富士通研究所の報告による技術では、ａＰ
Ｉ定点の位置を常に可視光でモニターしながら、測定点
を中心にして試料を回転することによって回折強度の最
大値を求めるために、１測定点あたりに比較的時間を要
する。また、この技術では回折強度に関する知見しか得
られない。

また、前述のＫＤＤ研究所より報告されている技術は、
回折パダーンを視覚的にとらえるだけであるために空間
的な解像度が著しく劣る欠点がある。

本発明の目的は上記の問題点に鑑み、基板上に作製した
回折格子などのような周期性を有する表面構造の形状分
布を短時間、且つ高精度で測定できる周期性表面構造の
測定装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明は上記の目的を達成するために、請求項１では、
周期的な表面構造を有する測定対象物の表面にレーザ光
を照射し、該ｎｊ定対象物の表面からの回折光と反射光
のそれぞれの該測定対象物の表面に対する角度から該ａ
ｌｌ定対象物の表面構造の形状を求める周期性表面構造
”の測定装置において、前記測定対象物の表面構造の周
期に対応した回折光と反射光をそれぞれ独立に、且つ同
時に受光する複数の受光素子アレイを設け、前記複数の
受光素子アレイの出力信号に基づいて、前記表面構造の
周期を算出する周期算出手段を備えた。

また、請求項２では、周期的な表面構造を有する測定対
象物の表面にレーザ光を照射し、該測定対象物の表面か
らの回折光と反射光のそれぞれの該測定対象物の表面に
対する角度から該測定対象物の表面構造の形状を求める
周期性表面構造のｎ１定装置において、前記ａ１１定対
象物の表面構造の周期に対応した回折光と反射光をそれ
ぞれ独立に、且つ同時に受光する複数の受光素子アレイ
を設け、前記複数の受光素子アレイの出力信号に基づい
て、前記表面構造の周期を算出する周期算出手段を備え
ると共に、前記測定対象物の表面からの散乱光を受光す
る２個以上の受光素子と、前記２個以上の受光素子のそ
れぞれの出力信号に基づいて、前記散乱光の強度を算出
する散乱光強度算出手段とを備えた。

（作　用）本発明の請求項１によれば、複数の受光素子アレイによ
り、測定対象物の表面構造の周期に対応した回折光と反
射光のそれぞれが独立に、且つ同時に受光され、周期算
出手段により、前記複数の受光素子アレイの出力信号に
基づいて、前記表面構造の周期が算出される。

また、請求項２によれば、複数の受光素子アレイにより
、１１定対象物の表面構造の周期に対応した回折光と反
射光のそれぞれが独立に、且つ同時に受光され、周期算
出手段により、前記複数の受光素子アレイの出力信号に
基づいて、前記表面構造の周期が算出される。更に、２
個以上の受光素子により、前記測定対象物の表面からの
散乱光が受光され、散乱光強度算出手段により、前記２
個以上の受光素子のそれぞれの出力信号に基づいて、前
記散乱光の強度が算出される。

（実施例）本発明の一実施例として、表面に回折格子を有する基板
を試料としだｎ１定において、回折格子の周期、深さ（
回折強度）、反射光及び散乱光の強度、並びに基板の光
吸収に基づくフォトルミネセンスの分布を測定する測定
装置を構成した。

第１図は本発明の一実施例における光学系配置図、第２
図は本発明の一実施例における」１定処理系統図、第３
図は本発明の一実施例における制御プログラムチャート
である。

第１図において、１は１１定光源で、例えば、波長λが
３８３．８ｎｍのレーザ光を出射するＨｅ−Ｃｄレーザ
装置である。測定光源１から出射されたレーザ光は、ハ
ーフミラ−２により分けられ、一部はフォトダイオード
３に至り、レーザ出力１ｅｘとしてモニターされるよう
になっている。また、ハーフミラ−２により分けられた
残りのレーザ光は、ミラー４、スリット５、レンズ６を
通過した後、Ｘ−Ｙ−θステージ７の上に置かれた測定
対象物である試料８に入射角αで照射されるようになっ
ている。試料８は、表面に干渉露光法で回折格子を作製
した１５ｍｍＸ　１２ｍｍのＩｎＰ基板である。９はフ
ォトダイオードアレイで、試料８の表面からの回折光を
シリンドリカルレンズ１０を介して受光できる位置に配
設されている。更に、フォトダイオードアレイ９の何番
目のフォトダイオードで回折光を受光したかにより、試
料８の表面に対する回折光の角度即ち、回折角βを算出
できるようになっている。１１はフォトダイオードアレ
イで、試料８の表面からの反射光をシリンドリカルレン
ズ１２を介して受光できる位置に配設されている。更に
、フォトダイオードアレイ１１の何番目のフォトダイオ
ードで反射光を受光したかにより、試料８の表面に対す
る反射光の角度即ち、反射角αを算出できるようになっ
ている。

前記シリンドリカルレンズ１０．１２は、円柱状レンズ
とも呼ばれるもので、入射した光を直線上に集光するレ
ンズである。

１３．１３−はフォトダイオードで、試料８の表面から
の散乱光を受光して散乱強度１ｓｃａを測定するもので
あり、試料８の表面に対して任意の角度に設定できるよ
うになっている。１４は硫化鉛からなる受光素子（以下
、ＰｂＳと称す）で、試料８の光吸収に基づくフォトル
ミネセンス光強度１ｐＬをｌｌ１ｌＪ定できるように配
設されている。

第２図において、１５はリレーで、フォトダイオードア
レイ９，１１の出力信号を入力し、パーソナルコンピュ
ータ１９の指示信号によってフォトダイオードアレイ９
．１１の出力信号を切替えてデータ処理ユニット１６に
出力する。データ処理ユニット１６は、フォトダイオー
ドアレイ９゜１１から出力される光電流をリレー１５を
介して入力し、それぞれを精分し、これらの積分量をそ
れぞれ回折強度１ｄｉｒ、反射強度旨ｅｆとし、更にデ
ィジタルデータに変換してパーソナルコンピュータ１９
に出力する。

１７は１０チヤンネル用マルチチヤンネルデイジタルマ
ルチメータ（以下単にマルチメータ）で、フォトダイオ
ード３，１３．１３−の出力、並びにロックインアンプ
１８を経由したＰｂＳ１４の出力をディジタルデータに
変換してパーソナルコンピュータ１９に出力する。また
、ロックインアンプ１８はパーソナルコンピュータ、１
９に接続され、ロックインアンプ１８の動作はパーソナ
ルコンピュータ１９によって制御される。

２０はステージコントローラで、パーソナルコンピュー
タ１９とＸ−Ｙ−θステージ７に接続され、パーソナル
コンピュータ１９の指令に基づいて、Ｘ−Ｙ−θステー
ジの位置及び角度を制御する。

２１はデイスプレィユニット及びハードコピープリンタ
からなる出力系で、パーソナルコンピュータ１９によっ
て算出されたデータ等を表示及び印字するものである。

前記周期算出手段は、リレー１５、データ処理ユニット
１６、パーソナルコンピュータ１９及びパーソナルコン
ピュータ１９を動作させる制御プログラムによって構成
される。また、前記散乱光強度算出手段は、マルチメー
タ１７、パーソナルコンピュータ１９及びパーソナルコ
ンピュータ１９を動作させる制御プログラムによって構
成される。

次に、本実施例の動作を第３図に示す制御プログラムフ
ローチャートに基づいて説明する。

パーソナルコンピュータ１９は、測定を開始する前に、
データ処理ユニット１６、ステージコントローラ２０、
出力系２１等の初期設定を行い（ＳＬ　）　、オペレー
タにより測定条件が入力され、測定開始の命令が入力さ
れるまで待機する（Ｓ２）（Ｓ３）。オペレータは、前
記測定条件として、試料８の名称、試料８のサイズ及び
試料８のＸ方向とＹ方向の測定間隔等をパーソナルコン
ピュータ１９に入力した後、測定開始命令を入力する。

パーソナルコンピュータ１９は、測定開始命令を受けた
後、Ｘ−Ｙ−θステージ７を試料８のサイズ及び測定間
隔に従って移動させ（Ｓ４　）　、測定を行う（Ｓ５）
。また、このときＸ−Ｙ−θステージ７は、次に示すブ
ラッグの条件に基づいて、フォトダイオードアレイ１１
により反射光を検出できるように移動される。

Ａ−ｎλ／　（５Ｉｎａ　＋ｓｉｎβ）　　　　　−（
２）（２）式において、α、βは、それぞれ反射角、回
折角で、λは７ｉｌｌｊ定光源１の波長である。ｎの値
に応じてｎ次の回折条件になる。

次に、パーソナルコンピュータ１９は、データ処理ユニ
ット１６から回折強度１ｄｉｒ、反射強度１ｒｅｒ、回
折角β、反射角α等のデータを入力し、更にマルチメー
タ１７からレーザ出力Ｉｅｘ　ｓ散乱強度１ｓｃａ及び
フォトルミネセンス光強度１ｐＬを入力して、前記ブラ
ッグの条件を用いて各測定点毎の回折格子の周期へを算
出する（Ｓ６）。

また、回折強度１ｄｉｆ’、反射強度１ｒｅｆ’ｓ散乱
強度１ｓｃａ、及びフォトルミネセンス光強度１ｐＬの
それぞれは時間的ゆらぎを有しているので、このゆらぎ
をなくすためにレーザ出力１ｅｘで除し、分布値のデー
タとしている。即ち、１ｄｉｆ／ｌｅｘを回折強度の値
、Ｉｒｅｒ／Ｉｅｘを反射強度の値、ｌ５ｃａ／　Ｉｅ
ｘを散乱強度の値、ＩｐＬ／ｌｅｘをフォトルミネセン
ス光強度の値としている。更に、分布図作成の際は、そ
れぞれの値を規格化している。

次に、最終測定点に至ったか否かを判断しくＳ７　）　
、最終測定点に至っていないときはＳ４の処理に移行し
て、Ｘ−Ｙ−θステージを移動させた後、Ｓ５．Ｓ８の
処理を実行する。

Ｓ７の判断の結果、最終測定点に至っているときは、デ
ータ処理ユニット１６とマルチメータ１７から入力した
複数のデータ及びこれらのデータから算出した値等をパ
ーソナルコンピュータ１９の中に備わるメモリに蓄積す
ると共に（Ｓ８）、出力系２１にデータ出力する（Ｓ９
）。次に、測定終了か否かの判定を行う（Ｓ　１０）。

この測定終了の判定は、オペレータによって測定終了命
令が入力されたときに測定終了とし、測定継続命令が入
力されたときＳｌの処理に移行して測定を継続できる状
態にする。

本実施例においては、試料８の周期への値を正確に１オ
ングストロ一ム単位で求めることができた。更に、周期
Ａの値を算出するには１秒も要せず、従来のゴニオメー
タ等を用いた回折光と反射光の角度差を求める方法と比
べると、精度、時間ともに著しい向上をはかることがで
きた。

本実施例において測定を行った例として、第４図に回折
格子の周期分布図を、第５図に回折強度分布図をそれぞ
れ示す。測定した試料は、前記試料８のＩｎＰ基、板で
、測定光源１にはＩＩ　ｅ　−Ｃｄレーザ（λ−３６３
．８ｎｒＡ）を用いた。第４図においては、周期の分布
を２オングストローム毎に、２３９８オングストローム
、２４００オングストローム、２４０２オングストロー
ムの周期分布を表わしている。また、第５図においては
、回折強度を１０段階の濃淡で表わしている。

第６図に、走査型電子顕微鏡で実？ｉｐＪシた試料８の
回折格子の深さと本実施例で測定した回折強度の関係を
示す。図において、横軸は回折格子の深さを、縦軸は回
折強度をそれぞれ表わしている。

また、測定値は、ｎ１定に際しての誤差を含んでいるの
で、図中に、その誤差をエラーパーで示した。

この結果、回折強度は回折格子の深さと直線性を有する
関係にあることがわかる。走査型電子顕微鏡の測定限界
は数十ｎ１１１であるが、本測定装置で測定した回折強
度を、本実施例で予測した素子特性即ち、前記回折強度
と回折格子の深さとの直線性を有する関係に対応させる
ことにより、本測定装置では回折格子の深さを数ｎ＋ｍ
までｎ１定することが可能である。

尚、本実施例においては、ｉｌ’Ｐ１定光源１としてＨ
ｅ−Ｃｄレーザ（λ−３８３，８ｎａ＋）を用いたが、
試料８の周期Ａにより、種々の波長λのレーザを選択し
て用いることにより高精度の測定データを得ることがで
きる。

また、本実施例では、散乱光を受光するためのフォトダ
イオードを２個しか配設していないが多数配設すること
により、複数の方向への散乱光強度を同時に得ることが
できるため、より詳細な形状解析を行うことができる。

また、本発明の測定装置を用いると、周期性表面構造の
周期、深さ、並びに形状に関する基板面内分布の迅速な
測定が可能になる。従来、回折格子の周期分布は光学的
には、基板の面内数点を測定した例しかなく、本装置は
周期の面内分布を、空間分解能として入射光のスポット
サイズ（約５０μｍ）まで測定できる。これは従来の技
術では不可能であり、新しい技術として位置付けられる
ものである。

（発明の効果）以上説明したように本発明の請求項１によれば、周期的
な表面構造を有する測定対象物の表面にレーザ光を照射
し、該８１１１定対象物の表面からの回折光と反射光の
それぞれの該測定対象物の表面に対する角度から該測定
対象物の表面構造の形状を求める周期性表面構造のａｌ
ｌＪ定装置において、前記測定対象物の表面構造の周期
に対応した回折光と反射光をそれぞれ独立に、且つ同時
に受光する複数の受光素子アレイを設け、前記複数の受
光素子アレイの出力信号に基づいて、前記表面構造の周
期を算出する周期算出手段を備えたので、周期性表面構
造の光学的な総合＃１１１定を短時間に且つ非破壊で行
うことができるため、素子作成プロセスの歩溜まりの著
しい向上、並びに素子特性の予測を行える等の利点を有
する。また、回折を起こすような周期的な構造をもつも
のであれば、どのようなｒ（１定対象物でも周期の正確
な４１１定、分布状態の観察を行うことができる。更に
、長さ及び深さの測定が原子のオーダーまで可能であり
、さらに改良することによって、新しい型の顕微鏡へと
発展することが期待できる。

また、請求項２によれば、周期的な表面構造を有する測
定対象物の表面にレーザ光を照射し、該測定対象物の表
面からの回折光と反射光のそれぞれの該測定対象物の表
面に対する角度から該ＪＩＩＪ定対象物の表面構造の形
状を求める周期性表面構造の測定装置において、前記測
定対象物の表面構造の周期に対応した回折光と反射光を
それぞれ独立に、且つ同時に受光する複数の受光素子ア
レイを設け、前記複数の受光素子アレイの出力信号に基
づいて、前記表面構造の周期を算出する周期算出手段を
備えると共に、前記測定対象物の表面からの散乱光を受
光する２個以上の受光素子と、前記２個以上の受光素子
のそれぞれの出力信号に基づいて、前記散乱光の強度を
算出する散乱光強度算出手段とを備えたので、測定対象
物表面から複数の方向への散乱光の強度を同時に得るこ
とができるため、７１１１１定対象物の表面構造をより
詳細に解析、観察することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における光学系配置図、第２
図は本発明の一実施例における測定処理系統図、第３図
は本発明の一実施例における制御プログラムフローチャ
ート、第４図は本発明の一実施例による回折格子の周期
分布の測定例を示す図、第５図は本発明の一実施例によ
る回折強度分布の測定例を示す図、第６図は回折強度と
回折格子の深さの関係を示す図である。１・・・測定光源、２・・・ハーフミラ−３，１３゜１
３″・・・フォトダイオード、４・・・ミラー　５・・
・スリット、６・・・レンズ、７・・・Ｘ−Ｙ−〇ステ
ージ、８・・・試料、９，１１・・・フォトダイオード
アレイ、１０．１２・・・シリンドリカルレンズ、１４
・・・ｐｂｓ　。１５・・・リレー　１６・・・データ処理ユニット、１
７・・・マルチチャンネルディジタルマルチメータ、１
８・・・ロック、インアンプ、１９・・・パーソナルコ
ンピュータ、２０・・・ステージコントローラ、２１・
・・出力系。特許出願人　　日本電信電話株式会社代理人　弁理士　　吉　１）精　孝第３図第４図回Ｊ’ｌ梧子の１：！（ｎｍ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）周期的な表面構造を有する測定対象物の表面にレ
ーザ光を照射し、該測定対象物の表面からの回折光と反
射光のそれぞれの該測定対象物の表面に対する角度から
該測定対象物の表面構造の形状を求める周期性表面構造
の測定装置において、前記測定対象物の表面構造の周期
に対応した回折光と反射光をそれぞれ独立に、且つ同時
に受光する複数の受光素子アレイを設け、前記複数の受光素子アレイの出力信号に基づいて、前記
表面構造の周期を算出する周期算出手段を備えたことを特徴とする周期性表面構造の測定装置。
（２）測定対象物の表面からの散乱光を受光する２個以
上の受光素子と、前記２個以上の受光素子のそれぞれの出力信号に基づい
て、前記散乱光の強度を算出する散乱光強度算出手段と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の周期性表面構造の測定
装置。