JP2578026B2 - 光学測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は，光波が境界面で全反
射する際のトンネリング現象を利用して，微小なギャッ
プを測定するために使用する光学測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】距離を精密に測定する装置として，レー
ザ光の干渉を利用するレーザ精密測長器（例えばマイケ
ルソン形干渉計など）が知られている。レーザ精密測長
器は，レーザ光の干渉によって形成される干渉縞の数
が，移動鏡（直角プリズム）の移動距離に比例するとい
う現象を利用している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし，例えば半導体
の製造工程において，ウェハ上にマスクパターンを焼付
ける際のマスクとウェハとのギャップの測定や，ウェハ
上の凹凸の測定には，レーザ精密測長器は適していな
い。これは，レーザ精密測長器で測定するためにはマス
クとウェハとのギャップやウェハ上の凹凸に応じて移動
鏡を移動させなければならないが，ギャップや凹凸の大
きさが分かっていない状態で移動鏡を移動させることは
不可能だからである。このように，従来は，微小なギャ
ップや表面上の凹凸を精密に測定するための装置が無い
という問題があった。この発明は，従来技術における上
述の課題を解決するためになされたものであり，微小な
ギャップや表面上の凹凸を精密に測定するために使用さ
れる光学測定装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め，この発明による光学測定装置は，半導体基板と，前
記半導体基板上にエピタキシャル成長によって形成され
た半導体レーザと，前記半導体基板上に設置された透光
性の部材であって，ギャップを介して供試体の表面とほ
ぼ平行に位置決めされる反射面を有し，前記半導体レー
ザから出射されるレーザ光を当該反射面によって幾何光
学的な全反射条件で反射する導波路部と，前記半導体基
板上にエピタキシャル成長によって形成された受光素子
であって，前記反射面によって反射されたレーザ光の強
度を測定する受光素子と，を備え，前記導波路部の反射
面は前記半導体基板の所定のへき開面に平行な面である
ことを特徴とする。

【０００５】

【作用】レーザ光を反射部によって幾何光学的な全反射
条件で反射させる場合に，その反射面と供試体の表面と
の間のギャップがレーザ光の波長と同程度以下の大きさ
になると，レーザ光の一部が反射面から供試体の内部に
浸出す「トンネリング現象」（その詳細はさらに後述す
る。）が現われる。この時，供試体側に浸出す透過光の
強度は，ギャップの大きさに依存する。同様に，反射部
の反射面で反射されるレーザ光の強度もギャップの大き
さに依存するので，反射光の強度を測定することによ
り，ギャップの大きさや，供試体表面の凹凸の大きさを
求めることができる。また，基板上に，半導体レーザ
と，導波路部と，受光素子とを設置したので，これら相
互の配置関係が外部からの振動などの影響を受け難く，
高精度な測定を行なうことができる。

【０００６】反射面におけるレーザ光の入射角の誤差
は，後で詳述するように，ギャップの測定精度に影響す
る。そこで，半導体レーザと受光素子とを半導体基板の
上にエピタキシャル成長によって形成するようにし，ま
た，導波路層の反射面を前記半導体基板の所定のへき開
面に平行な面とすれば，反射面の方位を正確に設定する
ことができ，レーザ光の入射角を精度よく設定できるの
で，ギャップや凹凸の測定をより高精度に行なうことが
できる。

【０００７】

【実施例】Ａ．トンネリング現象とその利用ここでは，
まず光波が全反射する際のトンネリング現象と，この発
明におけるトンネリング現象の利用方法を説明する。

【０００８】トンネリング現象は，光に限らず，波動関
数で表現される物理現象において一般的に観察される。
すなわち，やや専門的に言えば，物質の境界面で境界条
件を規定すると，その境界面の外側において波動関数が
指数関数的に減衰するような解が得られる。このような
解は，境界面の外側に波動が浸出していることを表わし
ており，その浸出しはその波動の波長の程度の長さにま
で及んでいる。

【０００９】例えば，光が光学的に密な物質（ガラス）
から疎な物質（空気）に入射する場合，入射角が臨界角
以上になると幾何光学的には全反射となる。ところが，
この時の光の伝播状態を波動関数（電界）で表わすと，
幾何光学的には全反射であるにもかかわらず疎な物質
（空気）中に光（電界）が浸出している解が得られる。

【００１０】図１は，密な物質Ｍ１から疎な物質Ｍ２に
光が浸出す場合を示す光路図である。図において，入射
光Ｌｉはｘｙ平面内に偏光方向を有する直線偏光（電界
ベクトルがｘｙ平面に平行）であり，入射角θ１で物質
Ｍ１と物質Ｍ２との界面に入射している。物質Ｍ１の屈
折率はｎ１，物質Ｍ２の屈折率はｎ２である。この図は
幾何光学的な全反射条件を満たす場合を示しているが，
反射光Ｌｒとともに，透過角θ２で物質Ｍ２へ浸出して
いる透過光Ｌｔも描かれている。この透過光Ｌｔの電界
Ｅｔは，次式のような波動関数で表わされる。 Ｅｔ＝Ｅ０＊ｅｘｐ（−ｋｔ＊α＊ｙ） ＊ｅｘｐ［ｉ＊｛ｋｔ（ｎ１／ｎ２）ｓｉｎθ１＊ｘ−ω＊ｔ｝ …（１） ここで，Ｅ０は定数，ｋｔおよびαは各々次の（２）式
および（３）式で表わされる定数，ωは光の角周波数で
ある。また，演算子＊は乗算を表わす。 ｋｔ＝ｎ２＊（２＊π）／λ …（２） α＝［（ｎ１＾２／ｎ２＾２）＊（ｓｉｎθ１）＾２−１］＾０．５ …（３） ここで，λは光の波長であり，演算子＾はべき乗を表わ
す。

【００１１】上記（１）式において，ｅｘｐ（−ｋｔ＊
α＊ｙ）の項は，光波の電界が物質Ｍ２内に浸出してお
り，電界の振幅｜Ｅｔ｜が波長λのオーダの長さにわた
って指数関数的に単調減少することを示している。な
お，これらの式は，例えばファインマン，レイトン，サ
ンズ著「ファインマン物理学ＩＶ，電磁波と物性」（１
９８６年３月，岩波書店）第１９６頁第２０行目の式と
等価である。

【００１２】物質Ｍ２が空気であればｎ２＝１．０であ
り，（１）式，（２）式，（３）式はそれぞれ次のよう
に書換えられる。 Ｅｔ＝Ｅ０＊ｅｘｐ（−ｋｔ＊α＊ｙ） ＊ｅｘｐ［ｉ＊｛ｋｔ＊ｎ１＊ｓｉｎθ１＊ｘ−ω＊ｔ｝］ …（１ａ） ｋｔ＝（２＊π）／λ …（２ａ） α＝［（ｎ１＊ｓｉｎθ１）＾２−１］＾０．５ …（３ａ）

【００１３】この時，図２に示すように第３の密な物質
Ｍ３を用意し，物質Ｍ３を空気Ｍ２側から物質Ｍ１側に
近づけていくと，物質Ｍ１とのギャップＧが波長λ程度
になったときに第３の物質Ｍ３の双極子モーメントが励
起されて第３の物質Ｍ３中に光波が透過し始めるように
なる。第３の物質Ｍ３に透過していく透過光Ｌｔの電界
は，近似的に上記（１ａ）〜（３ａ）式で表わすことが
できる。なお，透過光Ｌｔの強度がその電界の振幅｜Ｅ
ｔ｜の２乗に比例することは，周知のとうりである。

【００１４】透過光Ｌｔの強度とギャップＧとの関係
が，例えば（１ａ）〜（３ａ）式のような計算式によっ
て求められることを利用すれば，ギャップＧを測定する
ことができる。すなわち，透過光Ｌｔの強度とギャップ
Ｇとの関係を予め計算で求めておき，透過光の強度を実
測すれば，ギャップＧの大きさを測定できる。もちろ
ん，透過光Ｌｔの電界Ｅｔを計算で正確に求めるために
は，（１ａ）〜（３ａ）式のかわりに，物質Ｍ１，Ｍ
２，Ｍ３で構成される３層構造を境界条件としてマック
スウェルの方程式を解く必要がある。通常，このような
計算はコンピュータを使用して行なわれており，そのた
めのプログラムは，例えば，草川徹著「レンズ光学」
（１９８８年，東海大学出版会）第２９５頁〜第３１０
頁に示されている。

【００１５】なお，密な物質Ｍ３への透過光Ｌｔの強度
を測定するのは難しいので，そのかわりに，反射光Ｌｒ
の強度を測定するのが実際的である。入射光Ｌｉ，反射
光Ｌｒ，透過光Ｌｔの強度をそれぞれＰｉ，Ｐｒ，Ｐｔ
とすれば，これらには次の関係がある。 Ｐｔ／Ｐｉ＝１−Ｐｒ／Ｐｉ …（４）

【００１６】表１は，３層構造を伝播する光波の電界に
ついて，正確な計算を行なって得られた反射光Ｌｒの反
射率Ｒｒ（＝Ｐｒ／Ｐｉ）を示す。なお，ここでは，入
射光Ｌｉがｓ偏光の場合，ｐ偏光の場合，および，これ
らと偏光方向が４５゜異なる直線偏光（以下，ｓ＋ｐ偏
光と記す）の場合についての計算結果を示している。

【表１】 表１の計算条件は，以下のとうりである。ｎ１＝１．５
１０３，ｋ１＝０．０ （ほうけい酸塩ガラス，ＢＫ
７） ｎ２＝１．０，ｋ２＝０．０ （空気） ｎ３＝３．６７３，ｋ３＝０．００５ （シリコン） λ ＝０．８２７μｍ （ＧａＡｌＡｓレーザ） θ１＝４５゜ ここで，ｋ１，ｋ２，ｋ３はそれぞれ物質Ｍ１（ＢＫ
７），Ｍ２（空気），Ｍ３（シリコン）の消衰係数であ
る。

【００１７】なお，周知のように，任意の直線偏光はｓ
偏光成分とｐ偏光成分とに分けられる。そして，ある直
線偏光の偏光方向がｓ偏光の偏光方向からθ゜傾いてい
るとき，その反射率Ｒｒａはｓ偏光の反射率Ｒｒｓとｐ
偏光の反射率Ｒｒｐとによって，次のように表わすこと
ができる。 Ｒｒａ＝ｃｏｓθ＾２＊Ｒｒｓ＋ｓｉｎθ＾２＊Ｒｒｐ …（５）

【００１８】図３ないし図５は，表１の結果をグラフに
したものである。これらの図で，横軸はギャップＧの大
きさ，縦軸は反射率Ｒｒを示す。ギャップＧが波長λに
比べて十分に大きい時にはほぼ１００％反射（全反射）
になっており，一方，ギャップＧがゼロの時には反射率
もゼロに近く，ほとんどの光が透過していることが分か
る。

【００１９】ところで，（４）式からも明らかなよう
に，透過率Ｒｔ（＝Ｐｔ／Ｐｉ）は，（１−Ｒｒ）と等
しい。図６ないし図８は，透過率ＲｔをギャップＧにた
いしてプロットしたグラフである。ただし，縦軸の透過
率Ｒｔは対数で表示している。これらの図では，ギャッ
プＧがゼロに近いところを除いて，透過率Ｒｔの対数ｌ
ｏｇＲｔを直線で近似することができる。図６〜図８に
破線で示す近似直線は，ギャップＧが０．２〜１．０μ
ｍの範囲において，それぞれ次式で表わされる。 ｌｏｇＲｔ＝−２．６４２Ｇ−０．１３５ …（６ａ） ｌｏｇＲｔ＝−２．２１６Ｇ＋０．３４５ …（６ｂ） ｌｏｇＲｔ＝−２．２９１Ｇ＋０．１６５ …（６ｃ）

【００２０】ギャップＧを測定しようとするときは，上
述のようにギャップＧと反射率または透過率との関係を
予め計算しておき，反射率を実測すれば，上記関係から
ギャップＧの大きさを決定できる。

【００２１】Ｂ．入射角等の影響ここでは，レーザ光の
入射角等がギャップ測定の精度に与える影響について説
明する。上記（１）式で表わされる電界Ｅｔは，図９に
示すように，媒質Ｍ１と媒質Ｍ２との境界面（図１また
は図２参照）から指数関数的に減少する。ギャップ測定
では，このように媒質Ｍ１と媒質Ｍ２との境界面からし
みだす電界Ｅｔを利用している。電界Ｅｔの絶対値が１
／ｅとなる距離をシミだし深さδを定義すると，シミだ
し深さδは次の（７）式で与えられる。 δ＝１／（ｋｔ＊α） ＝λ／｛２π＊ｎ２ ＊［（ｎ１＾２／ｎ２＾２）＊（ｓｉｎθ１）＾２−１］＾０．５｝ …（７） （７）式から，シミだし深さδは入射角θ１に依存する
ことがわかる。

【００２２】図１０は，入射角θ１をパラメータとし
て，ギャップＧと反射率Ｒｒとの関係を示すグラフであ
る。この図から，反射率Ｒｒは入射角度θ１にかなり影
響されていることがわかる。

【００２３】図１１は，入射角θ１が４５°の場合を基
準にして，入射角θ１が４５°からずれた場合のギャッ
プＧの測定誤差を示すグラフである。この図から，例え
ば測定誤差を±１％にするためには，入射角θ１を±
０．１°の精度で設定する必要があることがわかる。す
なわち，入射角θ１の設定精度がギャップＧの測定精度
に直接影響している。

【００２４】つぎに，入射光の偏光面の傾きがギャップ
Ｇの測定精度に及ぼす影響を検討する。図１２は，入射
光がｐ偏光の場合を基準にして，入射光の偏光面が傾い
た場合のギャップの測定精度を示すグラフである。この
図から，例えば測定誤差を±１％にするためには，偏光
面の傾きを±６°の精度で設定する必要があることがわ
かる。

【００２５】以上のように，シミだし電界を利用して高
精度なギャップ測定を行なうには，光学系における入射
角と偏光面の傾きとを高精度で設定する必要がある。以
下に詳述する実施例は，光学系の入射角や偏光面の傾き
を高精度で設定可能な光学測定装置である。

【００２６】Ｃ．第１の実施例図１３は，上記の原理を
利用してギャップを測定する近接ギャップ測定装置の構
成を表わす概念図である。この近接ギャップ測定装置
は，ベース１と，ベース１上に設置された圧電アクチュ
エータ２と，圧電アクチュエータ２上に設置された光学
測定ユニット３０とを備えている。光学測定ユニット３
０の上方には，ギャップＧを介して供試体２０が図示し
ない保持機構によって保持されている。圧電アクチュエ
ータ２はｚ方向に伸縮する圧電素子を有しており，圧電
素子に与える電圧を制御することによって光学測定ユニ
ット３０をｚ方向に移動させる働きをする。

【００２７】図１４は，光学測定ユニット３０を拡大し
て示す斜視図である。この光学測定ユニット３０は，光
導波路としての透光性の基板３１と，ＧａＡｌＡｓレー
ザなどの半導体レーザ３２と，フォトダイオード３３と
を備えている。半導体レーザ３２と，フォトダイオード
３３は，基板３１の一主面上に形成された凹部３４，３
５内にそれぞれ固定されている。なお，基板３１の材料
としては，ＳｉＯ2 やＬｉＮｂＯ3 や，光学ガラスなど
を用いる。

【００２８】半導体レーザ３２から発振されたレーザ光
Ｌｉは，基板３１の凹部３４の壁面３４ａに垂直に入射
し，基板３１の上表面である反射面３１ａに４５゜の入
射角で入射する。例えば上記表１の条件における臨界角
は４１．５゜なので，幾何光学的な全反射条件が満たさ
れている。一般には，入射角を臨界角以上に設定するこ
とによって，幾何学的な全反射条件を満足するようにす
ればよい。反射面３１ａで反射された反射光Ｌｒは，凹
部３５の壁面３５ａからこれと垂直な方向に透過し，フ
ォトダイオード３３で受光される。

【００２９】半導体レーザ３２は，例えばＧａＡｌＡｓ
／ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓで構成される２重ヘテロ構造
（ＤＨ構造）のレーザを用いる。このレーザは，ＤＨ構
造の接合方向に対して平行な直線偏光が得られる。すな
わち，基板３１に入射するレーザ光の偏光面の傾きはＤ
Ｈ構造の接合方向によって決定される。たとえば，基板
３１の表面に平行なＧａＡｌＡｓ層やＧａＡｓ層を有す
る半導体レーザ３２は，反射面３１ａに対してｐ偏光と
なるレーザ光を出射する。

【００３０】ギャップＧの測定は，次のような手順で行
なう。まず，ギャップＧをレーザ光の波長λの数倍以上
の大きさに保つ。この状態でレーザ光Ｌｉを出射し，フ
ォトダイオード３３で受光された反射光Ｌｒの強度を測
定する。ギャップＧを波長λの数倍以上に保った状態で
は，前述のような光波の浸出しが無いので，レーザ光Ｌ
ｉは反射面３１ａで全反射される。従って，この時にフ
ォトダイオード３３で検出される反射光Ｌｒの強度は，
入射光Ｌｉの強度Ｐｉと等しい。すなわち，このように
すれば入射光Ｌｉの強度Ｐｉを測定できる。次に，圧電
アクチュエータ２を駆動させて，光学測定ユニット３０
をｚ方向に移動させ，ギャップＧを波長λの程度にまで
小さくする。この状態で再びレーザ光Ｌｉを出射し，フ
ォトダイオード３３で反射光Ｌｒの強度Ｐｒを測定す
る。なお，この時は前述のように光波の一部が供試体２
０に浸出している。この反射光強度Ｐｒを前のステップ
で求めた入射光強度Ｐｉで割ることにより，反射率Ｒｒ
を求めることができる。さらに，透過率Ｒｔ（＝１−Ｒ
ｒ）も求めることができる。供試体２０がシリコンであ
り，入射光Ｌｉがｓ偏光である場合には，図６（ｐ偏光
の場合は，図７）のグラフ上で，上記のように得られた
透過率Ｒｔに対応するギャップＧを参照すれば，ギャッ
プＧの大きさを求めることができる。

【００３１】なお，このようにギャップＧを求めるのに
際しては，図６のような関係をルックアップテーブルな
どの形で記憶しておき，これを参照するとともに，必要
に応じ補間を行なってギャップＧの大きさを求めるよう
にしてもよい。また，上記（６ａ）式のような式を記憶
しておき，この式にしたがって透過率Ｒｔに対するギャ
ップＧの大きさを求めるようにしてもよい。さらに，
（６ａ）式のような１次関数でなく，より高次の関数や
対数関数，指数関数などを用いて透過率（または反射
率）とギャップとの関係を表わし，これを利用するよう
にしてもよい。

【００３２】なお，基板３１の壁面３１ａは，例えば光
学ガラスを切断，研磨して作成し，凹部３４，３５は，
エッチングして作成する。この際，第１の凹部３４の壁
面３４ａは，その壁面３４ａと反射面３１ａとのなす角
度が，レーザ光Ｌｉの入射角θ１（基板３１の上表面３
１ａにおける入射角）と等しくなるように形成される。
また，第２の凹部３５の壁面３５ａも，その壁面３５ａ
と反射面３１ａとのなす角度がθ１に等しくなるように
形成される。これらの面３１ａ，３４ａ，３５ａを精度
良く形成するのは比較的容易であり，したがって，入射
角θ１を±０．１°程度の精度で設定することも容易で
ある。

【００３３】半導体レーザ３２とフォトダイオード３３
とは，凹部３４，３５の底面にそれぞれ接着材などによ
って固定される。半導体レーザ３２から出射されるレー
ザ光の偏光方向は，基板３１に固定する前に高精度で調
べることができるので，基板３１の上表面３１ａに入射
する入射光Ｌｉの偏光方向をｐ偏光から±６°程度の精
度で設定することは容易である。

【００３４】このように，図１４に示す光学測定ユニッ
ト３０では，入射光Ｌｉの入射角θ１と偏光方向とを精
度良く設定することができ，したがって，ギャップＧを
精度良く測定することができるという利点がある。

【００３５】また，基板３１上に半導体レーザ３２とフ
ォトダイオード３３とを固定しているので，これらの部
材の配置関係が外部からの振動による影響を受けにく
く，安定したものになるという利点もある。

【００３６】さらに，半導体レーザ３２とフォトダイオ
ード３３として数百μｍ角の素子を用いるようにすれ
ば，光学測定ユニット３０の寸法を小さく押さえること
ができ，近接ギャップ測定装置全体の寸法を小さくする
ことができるという利点もある。

【００３７】Ｄ．第２の実施例図１５は，光学測定ユニ
ットの他の実施例を示す斜視図である。この光学測定ユ
ニット４０は，ＧａＡｓ製の基板４１の（１００）面で
ある第１の主面４１ａ上に，分布帰還形の半導体レーザ
４２（ＤＦＢレーザ）と，ショットキーバリア形のフォ
トダイオード４３と，ＧａＡｌＡｓ製の導波路層４４と
を集積化して形成したものである。基板４１の第２の主
面（裏面）には電極４５が形成されている。

【００３８】図１６は，光学測定ユニット４０の製造工
程を示す説明図である。まず，図１６の（ａ）に示すＧ
ａＡｓの基板４１を準備する。この基板４１の一主面４
１ａと，上面４１ｂと，側面４１ｃとは，いずれも結晶
学上互いに等価な（１００）面であり，へき開された面
である。

【００３９】次に，基板４１の主面４１ａ上にＧａＡｌ
Ａｓ製の結晶層をエピタキシャル成長させる。そして，
フォトリソグラフィによりＧａＡｌＡｓ製の結晶層の一
部を除去し，これによって，図１６の（ａ）に示す形状
の導波路層４４を形成する。この導波路層４４の側面の
１つはレーザ光の入射面４４ａとなる面であり，基板４
１の主面４１ａに垂直な面である。

【００４０】次に，基板４１の主面４１ａ上に半導体レ
ーザ４２を形成することにより，図１６の（ｂ）の構造
を得る。この半導体レーザ４２は，例えばＡｌＧａＡｓ
／ＧａＡｓ層で構成されるＤＦＢ（分布帰還形）レーザ
である。ＡｌＧａＡｓ層やＧａＡｓ層はエピタキシャル
成長によって基板４１の主面４１ａに平行な層として形
成される。このようなＤＦＢレーザの構造や特性につい
ては，「半導体レーザと光集積回路」末松安晴著，オー
ム社，昭和５９年４月２５日発行，第３１３頁〜第３１
９頁に記載されている。なお，図１６の（ｂ）までの工
程では，半導体レーザ４２の上面の電極がまだ形成され
ていない。

【００４１】ＤＦＢレーザでは，一般に，所定のＡｌＧ
ａＡｓ層にグレーティング（回折格子）をホログラフィ
ック露光によって形成し，このグレーティングをレーザ
光の共振器として用いる。図１６（ｂ）には，グレーテ
ィング４２ａの凹凸を模式的に示している。半導体レー
ザ４２から出射されるレーザ光の方向は，グレーティン
グ４２ａの凹凸が並ぶ方向（図１６（ｂ）の方向Ｄ）に
等しい。すなわち，レーザ光の出射方向を精度よく設定
するには，グレーティング４２ａの方向Ｄを精度よく設
定すればよい。そこで，グレーティング４２ａをホログ
ラフィック露光で形成する前に，基板４１のへき開面の
１つである側面４１ｃにＨｅ−Ｎｅレーザのレーザ光を
照射し，その反射光を測定しつつ，基板４１を図１６の
紙面に垂直な軸の回りに回転させることにより，基板４
１の向きを調整する。こうすれば，ホログラフィック露
光で形成されるグレーティング４２ａの方向Ｄを，導波
路層４４の入射面４４ａに対して垂直になるように設定
することができる。

【００４２】なお，このＤＦＢレーザ４２の活性層はＧ
ａＡｓなので，導波路層４４の材料をＧａＡｓとする
と，ＤＦＢレーザ４２から出射されるレーザ光が導波路
層４４でかなり吸収されてしまう。そこで，導波路層４
４の材料としては，このようなレーザ光の吸収が比較的
少ないＧａＡｌＡｓを用いている。

【００４３】次に，図１６（ｃ）に示すように，導波路
層４４の一部にフォトダイオード４３の構成要素として
のＩｎＧａＡｓ層４３ａを形成する。この工程は，予め
エッチングにより窓開けされた部分に分子線エピタキシ
法（ＭＢＥ法）や有機気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によ
ってＩｎＧａＡｓを埋込むことによって行なう。図１７
は，フォトダイオード４３の断面を示す図である。Ｉｎ
ＧａＡｓ層４３ａは，導波路層４４ａを貫通して基板４
１の一部に達するように形成されている。このＩｎＧａ
Ａｓ層４３ａと，後の工程で形成されるＡｕ／Ｐｔ製の
電極４３ｂと，基板４１裏面の電極４５とによってショ
ットキバリア形のフォトダイオード４３が構成される。
なお，図１６（ｃ）の工程では，図１７に示す電極４３
ｂ，４５はまだ形成されていない。

【００４４】次に，図１６（ｄ）に示すように，フォト
ダイオード４３の電極４３ｂと，半導体レーザ４２の電
極４２ｂと，基板４１裏面の電極４５とが形成される。

【００４５】そして，基板４１と導波路層４４の上端部
をへき開することにより，清浄な（１００）面を形成す
る。導波路層４４の上面である（１００）面４４ｂはレ
ーザ光の反射面である。

【００４６】上述のように，光学測定ユニット４０は，
半導体レーザ４２と，フォトダイオード４３と，導波路
層４４とを，基板４１の一主面４１ａを基準として形成
し，基板４１上にこれらの光学素子を集積しているの
で，レーザ光の入射角を精度よく調整できる。特に，導
波路層４４の反射面４４ｂをへき開面としているので，
入射角をさらに高精度に調整できる。また，半導体レー
ザ４２を基板４１上にエピタキシャル成長で形成してい
るので，レーザ光の偏光方向を精度よく設定することが
できる。従って，この光学測定ユニット４０を用いれ
ば，精度よくギャップの測定を行なうことができるとい
う利点がある。

【００４７】また，光学素子が基板４１上に集積されて
いるので，光学素子の相互の配置関係が外部からの振動
による影響を受けにくく，安定したものになるという利
点もある。

【００４８】Ｅ．第３の実施例図１８は，光学測定ユニ
ットの他の実施例を示す斜視図である。この光学測定ユ
ニット５０は，ＧａＡｓ製の基板５１の（１００）面で
ある第１の主面５１ａ上に，半導体レーザ５２と，光検
出器５３と，ＬｉＮｂＯ3 製の導波路層５４とを集積化
して形成したものである。基板５１の第２の主面（裏
面）には電極５５が形成されている。また，導波路層５
４の表面には，レーザ光の光路を変換するための２つの
グレーティング（回折格子）５４ｂ，５４ｃが形成され
ている。

【００４９】図１９は，光学測定ユニット５０の製造工
程を示す説明図である。まず，図１９の（ａ）に示すＧ
ａＡｓの基板５１を準備する。この基板５１の一主面５
１ａと，上面５１ｂと，側面５１ｃとは，いずれも結晶
学上互いに等価な（１００）面であり，それぞれへき開
された面である。

【００５０】つぎに，図１９（ａ）に示す半導体レーザ
５２と光検出器５３とを基板５１の主面５１ａ上に形成
する。半導体レーザ５２と光検出器５３とは，どちらも
エピタキシャル成長により形成したレーザ素子を利用す
る。ここでは，共振器を構成するレーザ反射面をドライ
エッチングにより形成するタイプのレーザ素子を用い
る。ただし，これらのレーザ素子の共振器の反射面は，
基板５１の上面５１ａに平行な面である。これは，エッ
チングでレーザ素子の反射面を形成する場合に，（１０
０）面のほうが正確な面方向を出し易いからである。

【００５１】このようなレーザ素子の構成と特性につい
ては，例えば前述の「半導体レーザと光集積回路」末松
安晴著，オーム社，昭和５９年４月２５日発行，第３７
８頁に記載されている。

【００５２】次に，基板５１の主面５１ａにＬｉＮｂＯ
3 層を堆積させ，フォトリソグラフィによりＬｉＮｂＯ
3 層の一部を除去することによって，図１９（ｂ）に示
す導波路層５４を形成する。

【００５３】そして，図１９（ｃ）に示すように導波路
層５４の表面上にグレーティング５４ｂ，５４ｃをホロ
グラフィック露光によって形成する。図２０は，グレー
ティング５４ｂにより入射光Ｌｉがブラッグ反射されて
その方向が変換される様子を示す説明図である。図２０
にも示すように，入射光Ｌｉの進行方向は，グレーティ
ング５４ｂに対する入射光Ｌｉの入射角θｂの２倍の角
度２θｂだけ変換される。例えば，入射光Ｌｉの光路を
４５°変更するには，グレーティング５４ｂの凹凸を入
射光Ｌｉに対して２２．５°の角度で形成すればよい。
レーザ光の波長λとグレーティング５４ｂの周期ｄとの
関係は，次の（８）で与えられる。 ２ｄ・ｓｉｎθｂ＝ｎ・λ
…（８） ここで，ｎは整数である。

【００５４】レーザ光の波長λを０．８４μｍとすれ
ば，グレーティング５４ｂの周期ｄは１．０９８μｍと
なる。なお，グレーティング５４ｂ，５４ｃの凹凸の方
向の調整は，上述した光学測定ユニット４０の半導体レ
ーザ４２におけるグレーティング４２ａの凹凸の方向の
調整と同様に行なうことができる。

【００５５】次に，図１９（ｄ）に示すように，半導体
レーザ５２の表面と，光検出器５３の表面とに電極５２
ａ，５３ａをそれぞれ形成するとともに，基板５１の裏
面にも電極５５を形成する。

【００５６】最後に導波路層５４と基板５１の上面を研
磨することにより，レーザ光の反射面となる導波路層５
４の上面５４ａを形成する。この際，基板５１の底面５
１ｄを予めへき開面としておき，この底面５１ｄを治具
に固定して研磨を行なえば，（１００）面である底面５
１ｄと平行になるようにレーザ光の反射面５４ａを研磨
することができる。現在の光学研磨技術によれば，平行
面の精度を５秒程度にすることができるので，上述した
入射角および偏光面の精度（±６°）を十分満足するこ
とができる。

【００５７】以上のように，図１６および図１８に示す
光学測定ユニット４０，５０は，いずれも基板のへき開
面を基準として，半導体レーザの出射方向やレーザ光の
入射面，反射面の方向を設定するので，反射面における
レーザ光の入射角や偏光面の傾きを精度よく設定するこ
とができる。従って，上述したように，ギャップを高精
度で測定することができるという利点がある。

【００５８】Ｆ．表面形状測定装置の構成図２１は，上
述の光学測定ユニットを利用した表面形状測定装置の一
実施例を示す概念図である。この表面形状測定装置は，
シリコンウェハなどの供試体２０の表面上の凹凸を測定
するための装置である。

【００５９】この表面形状測定装置は，ベース１の上に
載置された試料台としてのｘｙテーブル１１と，ベース
１の上に立設された支持柱１２と，支持柱１２の下部に
設けられた圧電アクチュエータ２と，ｘｙテーブル１１
および圧電アクチュエータ２を制御するコントローラ６
１と，画像処理装置６２と，モニタ６３とを備えてい
る。ｘｙテーブル１１は，２つの駆動モータでそれぞれ
駆動される２つの精密ボールネジによってｘｙ方向に位
置決めされる。

【００６０】供試体２０の表面上の凹凸の測定は，次の
ようにして行なわれる。光学測定ユニット３０（また
は，４０，５０）で反射光の強度が測定されると，反射
光強度に比例した信号Ｓ１が光学測定ユニット３０から
コントローラ６１に与えられる。コントローラ６１は，
この信号Ｓ１のレベルが一定になるように圧電アクチュ
エータ２の伸張量を制御する。すなわち，光学測定ユニ
ット３０と供試体２０との間のギャップが一定になるよ
うに圧電アクチュエータ２の伸張量を制御する。ギャッ
プが一定になるように圧電アクチュエータ２を制御すれ
ば，この伸張量が供試体表面の凹凸に等しい。ところ
で，一般に，圧電アクチュエータ２の伸張量はコントロ
ーラから与えられる制御信号Ｓ２のレベルに比例する。
そこで，画像処理装置６２は，コントローラ６１（また
は光学測定ユニット３０）から与えられる制御信号Ｓ２
に基づいて供試体表面の凹凸量を測定する。

【００６１】なお，この際，コントローラ６１がｘｙテ
ーブル１１を駆動して供試体をｘｙ方向に移動させるこ
とにより，供試体表面全体の凹凸量を測定することがで
きる。こうして得られた供試体表面の凹凸を示す画像
は，モニタ６３に表示される。

【００６２】図２２は，表面形状測定装置の他の実施例
を示す概念図である。この表面形状測定装置は，供試体
２０上に載置される支持柱１２ａと，支持柱１２ａの下
部に設けられた３次元圧電アクチュエータユニット２ａ
と，コントローラ６１と，画像処理装置６２と，モニタ
６３とを備えている。

【００６３】図２３は，３次元圧電アクチュエータユニ
ット２ａの一例を示す概念図である。この３次元圧電ア
クチュエータユニット２ａは，ｘ方向，ｙ方向およびｚ
方向にそれぞれ伸張する３つの圧電アクチュエータ２
ｘ，２ｙ，２ｚが，支持台２１に固定された構造を有し
ている。光学測定ユニット３０は，ｚ方向の圧電アクチ
ュエータ２ｚの底面２２に固定される。

【００６４】図２３の表面形状測定装置の動作は，図２
２に示す装置とほぼ同様である。ただし，図２３の装置
では，３次元圧電アクチュエータユニット２ａがｘ，
ｙ，ｚ方向のすべての位置調整を行なっており，図２２
の装置に比べて狭い領域を精度よく計測するのに適する
という特徴がある。

【００６５】なお，この発明は上記実施例に限られるも
のではなく，その要旨を逸脱しない範囲において種々の
態様において実施することが可能であり，例えば次のよ
うな変形も可能である。

【００６６】（１）上記実施例では，基板の上に半導体
レーザと，光検出器と，反射面を有する導波路層とを設
けていたが，他の回路を基板上に設けてもよい。図２４
は，図１５に示す各素子に加えて，半導体レーザ４２の
出射光の強度を監視・測定するフォトダイオード４６
と，フォトダイオードの出力に応じて半導体レーザ４２
の出射光の強度を一定に制御するレーザ駆動回路４７
と，演算処理回路４８とを設けた光学測定ユニット４０
ａを示す概念図である。

【００６７】ＧａＡｓの基板４１を用いる場合には，フ
ォトダイオード４６，レーザ駆動回路４７，演算処理回
路４８をＧａＡｓ製の集積回路として形成することがで
きる。このように，レーザ駆動回路４７や演算処理回路
４８を他の光学素子と同一の基板上に形成するようにす
れば，近接ギャップ測定装置や表面形状測定装置の全体
を更に小さく押さえることができるという利点がある。

【００６８】（２）上記実施例の光学測定ユニット４
０，５０では，半導体基板や半導体素子をＧａＡｓ半導
体であるとしたが，シリコン半導体など，他の半導体材
料を用いてもよい。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように，本発明の光学測定
装置によれば，レーザ光を反射部によって幾何光学的な
全反射条件で反射させたとき，レーザ光の一部が反射面
から微小なギャップを介して供試体の内部に浸出す「ト
ンネリング現象」が生じることを認識し，この時の反射
光の強度がギャップの大きさに依存することを利用し
て，測定された反射光の強度に基づいてギャップの大き
さや，供試体表面の凹凸の大きさを求めるので，微小な
ギャップや表面上の凹凸を精密に測定することができる
という効果がある。

【００７０】また，基板上に，半導体レーザと，導波路
部と，受光素子とを設置したので，これら相互の配置関
係が外部からの振動や環境温度などの影響を受け難く，
高精度な測定を行なうことができるという効果がある。

【００７１】また，反射面におけるレーザ光の入射角の
誤差は，ギャップの測定精度に影響するが，この発明で
は半導体レーザと受光素子とを半導体基板の上にエピタ
キシャル成長によって形成するようにし，また，導波路
層の反射面を前記半導体基板の所定のへき開面に平行な
面としたので，反射面の方位を正確に設定することがで
き，レーザ光の入射角を精度よく設定できる。従って，
ギャップや凹凸の測定をより高精度に行なうことができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】２層構造における光の浸出しを示す光路図。

【図２】３層構造における光の浸出しを示す光路図。

【図３】反射率とギャップの大きさとの関係を示すグラ
フ。

【図４】反射率とギャップの大きさとの関係を示すグラ
フ。

【図５】反射率とギャップの大きさとの関係を示すグラ
フ。

【図６】透過率とギャップの大きさとの関係を示すグラ
フ。

【図７】透過率とギャップの大きさとの関係を示すグラ
フ。

【図８】透過率とギャップの大きさとの関係を示すグラ
フ。

【図９】境界面からの電界の減衰を示すグラフ。

【図１０】入射角をパラメータとした，ギャップと反射
率との関係を示すグラフ。

【図１１】入射角をパラメータとした，ギャップとその
測定誤差との関係を示すグラフ。

【図１２】偏光面の傾きをパラメータとした，ギャップ
とその測定誤差との関係を示すグラフ。

【図１３】ギャップ測定装置の構成を表わす概念図。

【図１４】光学測定ユニットの第１の実施例を示す斜視
図。

【図１５】光学測定ユニットの第２の実施例を示す斜視
図。

【図１６】図１５の光学測定ユニットの製造工程を示す
説明図。

【図１７】ショットキーバリア形フォトダイオードの構
造を示す断面図。

【図１８】光学測定ユニットの第３の実施例を示す斜視
図。

【図１９】図１８の光学測定ユニットの製造工程を示す
説明図。

【図２０】グレーティングと入射光の偏向角との関係を
示す説明図。

【図２１】表面形状測定装置の第１の実施例を示す概念
図。

【図２２】表面形状測定装置の第２の実施例を示す概念
図。

【図２３】３次元圧電アクチュエータユニットの構成を
示す概念図。

【図２４】光学測定ユニットの変形例を示す概念図。

【符号の説明】

２０ 供試体 ３０ 光学測定ユニット ３１ 基板 ３２ 半導体レーザ ３３ フォトダイオード ３１ａ 反射面 ４０ 光学測定ユニット ４１ 基板 ４２ 半導体レーザ ４３ フォトダイオード ４４ 導波路層 ４４ａ 反射面 ５０ 光学測定ユニット ５１ 基板 ５２ 半導体レーザ ５３ 光検出器 ５４ 導波路層 ５４ａ 反射面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂井 高正 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天 神北町１番地の１ 大日本スクリーン製 造株式会社内 (72)発明者 平得 貞雄 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天 神北町１番地の１ 大日本スクリーン製 造株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−111403（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−193316（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 供試体の表面から所定の部材までのギャ
   ップを測定するために使用する光学測定装置であって，半導体 基板と， 前記半導体基板上にエピタキシャル成長によって形成さ
   れた半導体レーザと，前記半導体基板上に設置された透
   光性の部材であって，ギャップを介して供試体の表面と
   ほぼ平行に位置決めされる反射面を有し，前記半導体レ
   ーザから出射されるレーザ光を当該反射面によって幾何
   光学的な全反射条件で反射する導波路部と， 前記半導体基板上にエピタキシャル成長によって形成さ
   れた受光素子であって，前記反射面によって反射された
   レーザ光の強度を測定する受光素子と，を備え， 前記導波路部の反射面は前記半導体基板の所定のへき開
   面に平行な面である ことを特徴とする光学測定装置。