JP4036334B2 - Electro-optic constant measuring method and apparatus - Google Patents

Electro-optic constant measuring method and apparatus

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Description

【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)の検出光波長依存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スペクトルを検出光波長に対して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)の検出光波長依存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スペクトルを検出光波長に対して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(RとR)の比ρから、エリプソ角ΨとΔが、
ρ=R/R=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=nreff E/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(RとR)の比ρから、エリプソ角Ψと位相差Δとが、
ρ=R/R=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=nreff E/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LiNbO結晶薄膜であるLiNbO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SiO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)n=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n=2.286に近い。Δn=2.3×10−3であるから、ポッケルス定数reffは、
eff=2Δn/n E=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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electro-optic constant measuring method and apparatus for measuring the electro-optic effect of a thin film at multiple wavelengths.
[0002]
[Prior art]
The electro-optic effect is a phenomenon in which the refractive index and the like change depending on the applied voltage, and optical communication devices using this electro-optic effect are currently in wide use. In many cases, a single crystal is used, and in particular the Pockels constant of a typical optical crystal at the wavelength of a HeNe laser is known. Usually, since a bulk optical crystal has a size of several mm square or more, several methods for measuring an electro-optic effect using laser light have been proposed and actually used.
[0003]
The most common measurement methods are as follows. The laser light is divided into two by a half mirror, one is passed through an electro-optic crystal to which voltage is applied, and the other is used as a reference signal to optically interfere with each other, and the intensity change is examined. It is possible to calculate the electro-optic constant from the applied voltage when the phase is shifted by a half wavelength [Non-Patent Document 1]. In this measurement method, it is important that the size of the electro-optic crystal is larger than the spot diameter of the laser.
[0004]
On the other hand, since the electro-optic constant of the thin film depends on the film quality, the value of the bulk single crystal cannot be applied, and it is necessary to measure each thin film. However, in order to apply the above measuring method to a thin film, it is necessary to produce an optical waveguide. If a Mach-Zehnder type optical waveguide is formed on a thin film, a voltage is applied to one of the optical waveguides after bifurcation, and the change in signal intensity due to light interference is used, the same measurement is performed. In principle it is possible.
[0005]
However, it is necessary to make a diffusion type optical waveguide or to make a ridge type optical waveguide by etching to make sure that light is guided without interference to some extent, and that light enters only the thin film optical waveguide. However, in order to pick up only the light that has passed through the thin-film optical waveguide, there are many problems that must be cleared, such as the need for spot size conversion.
[0006]
In the case of a material having birefringence, the laser light is polarized through a 45-degree polarizing plate so that the TM polarization and the TE polarization are equal, and passed through the electro-optic thin film in a state where a voltage is applied. After that, if the polarization information is taken out by a 45-degree polarizing plate, information on the electro-optic constant can be obtained [Non-Patent Document 2]. However, even in this case, it is necessary to make the thin film into a waveguide, to guide light without being attenuated, and the like.
[0007]
Further, in the measurement using these single wavelength lasers, there is a limitation that only an electro-optic constant corresponding to the measurement wavelength can be obtained.
[0008]
Non-patent document 1
JL Stevenson, J. Phys. D: Appl. Phys. 6, L13 (1973).
Non-Patent Document 2
GE Peterson, AA Ballman, PV Lenzo, and PM Bridenbaugh, Appl. Phys. Lett. 5, 62 (1964).
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, if the electro-optic constant at each wavelength can be measured in the state of a thin film without producing an optical waveguide, it can be determined in advance whether the thin film has the physical property values required as an electro-optic thin film. The obtained electro-optic constant can be used for element design. Further, if the electro-optic constant can be measured in a continuous wavelength range using a continuous light source such as a halogen lamp instead of a single wavelength measurement by laser light, other information on selection of the design wavelength can be obtained.
[0010]
However, the above-mentioned waveguide type measurement requires the use of laser beams having high intensity and uniform phase, and it has been said that it is not easy to measure electro-optic constants by other methods.
[0011]
The present invention solves the above-described problems and is effective in evaluating the magnitude of the electro-optic effect of the thin film necessary for designing an optical waveguide and a functional optical component incorporating the electro-optic thin film. An object is to provide a constant measuring method and apparatus.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention of claim 1 is capable of applying a voltage between the substrate and the transparent conductive thin film by covering the electro-optic thin film formed on the substrate with the transparent conductive thin film. In the state, when the spectrum of the detected light wavelength of (tan Ψ, cos Δ) is measured by spectroscopic ellipsometry, and the tan Ψ spectrum at the time of voltage application and non-application is obtained by measurement, the amplitude of the difference spectrum between the two tan Ψ spectra By comparing the amplitude of the reference spectrum obtained by differentiating the tan Ψ spectrum with respect to the detection light wavelength, the effective wavelength change of the optical interference caused by the voltage application is calculated, and the refractive index change is calculated from the calculated value. An electro-optic constant measuring method characterized in that the electro-optic constant is calculated by deriving a minute.
According to a second aspect of the present invention, an electro-optic thin film formed on a substrate is covered with a transparent conductive thin film, and a voltage can be applied between the substrate and the transparent conductive thin film by a spectroscopic ellipsometry method. From the measuring device that measures the detection light wavelength-dependent spectrum of (tan Ψ, cos Δ) , the amplitude of the difference spectrum between the two tan Ψ spectra from the tan Ψ spectrum when the voltage is applied and not applied, and the By comparing the amplitude of the reference spectrum obtained by differentiating the tan Ψ spectrum with respect to the detection light wavelength, the effective wavelength change of optical interference caused by voltage application is calculated, and the refractive index change is derived from that value. Then, the electro-optic constant measuring device is provided with an arithmetic device for calculating the electro-optic constant.
[0013]
In the present invention, the electro-optic constant of the thin film is measured using a spectroscopic ellipsometry method. From the ratio ρ of Fresnel reflectivity (R p and R s ) of p-polarized light and s-polarized light, the ellipso angles Ψ and Δ are
ρ = R p / R s = tan Ψ exp (iΔ)
It can be obtained from the following formula. In actual measurement, the values of tan Ψ and cos Δ are measured in a certain wavelength range to obtain a spectrum. Here, tan Ψ corresponds to the amplitude, cos Δ corresponds to the phase portion, and information on the refractive index change is mainly included in tan Ψ.
[0014]
However, the refractive index change is as small as 10 −3 to 10 −5 at most even under an electric field close to the coercive electric field of the electro-optic thin film. For this reason, when the tan Ψ spectra when voltage is applied and when no voltage is applied are displayed on the same graph, they almost completely overlap.
[0015]
However, if the difference spectrum between the two is taken, a significant intensity difference can be obtained spectrally. By comparing the amplitude of the difference spectrum with the amplitude of the reference spectrum obtained by differentiating the tan Ψ spectrum, it is possible to estimate the effective wavelength change of optical interference caused by voltage application. Then, a refractive index change Δn corresponding to the effective wavelength change is derived,
Δn = nr eff 3 E / 2
The effective electro-optic constant (r eff ) of the thin film can be obtained according to the following equation. In this equation, E is the electric field strength.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. An electro-optic constant measuring device according to this embodiment is shown in FIG. The electro-optic constant measuring apparatus in FIG. 1 includes an optical system 10, a spectroscope 20, and an arithmetic device 30. This electro-optic constant measuring apparatus measures the electro-optic constant of the sample 100.
[0017]
In the present embodiment, the ellipso angle Ψ of the sample 100 is measured using a spectroscopic ellipsometry method. This measuring apparatus is the optical system 10 and the spectrometer 20. The optical system 10 includes an adjustment table 11, a light source unit 12, and a light receiving unit 13. The adjusting table 11 sets the angle θ between the light source unit 12 and the light receiving unit 13 so that the light from the light source unit 12 is incident on the sample 100 on the sample table 11A at a predetermined angle. In the present embodiment, the angle θ is 75 degrees.
[0018]
The light source unit 12 makes polarized light incident on the sample 100. For this reason, in the light source unit 12, the ultraviolet to visible light emitted from the xenon lamp 12A is reflected by the mirrors 12B and 12C, and the polarizer 12D is polarized by 45 degrees of polarization.
[0019]
The light receiving unit 13 receives light reflected from the sample 100. For this purpose, in the light receiving unit 13, the analyzer 13A detects the polarization state of the reflected light. The mirror 13B sends the detection light from the analyzer 13A to the transmission unit 13C. The transmission unit 13C guides the detection light to the spectrometer 20.
[0020]
The spectroscope 20 performs spectrum analysis of the detection light from the light receiving unit 13. That is, the detection light is measured while changing the detection wavelength. The spectroscope 20 converts the analyzed light into an electrical signal by the photomultiplier tube 21 and sends it to the arithmetic unit 30.
[0021]
The arithmetic unit 30 calculates an electro-optic constant from the analysis light from the spectrometer 20. That is, the arithmetic unit 30 measures the electro-optic constant using a spectroscopic ellipsometry method.
[0022]
From the ratio ρ of Fresnel reflectivity (R p and R s ) of p-polarized light and s-polarized light, the ellipso angle Ψ and the phase difference Δ are
ρ = R p / R s = tan Ψ exp (iΔ)
It is requested from. In actual measurement, the values of tan Ψ and cos Δ are measured in a certain wavelength range to obtain a spectrum. tan Ψ corresponds to the amplitude, and cos Δ corresponds to the phase portion. Information on the refractive index change is mainly included in tan Ψ.
[0023]
The change in refractive index is very small, about 10 −3 to 10 −5 , even under an electric field close to the coercive field of the electro-optic thin film. Therefore, the tan Ψ spectrum when voltage is applied and when no voltage is applied is displayed on the same graph. In that case, they will almost completely overlap.
[0024]
For this purpose, the arithmetic unit 30 calculates the difference between the tan Ψ spectra when the voltage is applied and when the voltage is not applied. By taking the difference spectrum between the two, a significant intensity difference can be obtained spectrally. Furthermore, the arithmetic unit 30 differentiates the tan Ψ spectrum to obtain a reference spectrum.
[0025]
Thereafter, the computing device 30 computes the effective wavelength change of optical interference caused by voltage application by comparing the amplitude of the difference spectrum of the tan Ψ spectrum with the amplitude of the reference spectrum of the tan Ψ spectrum. Then, the arithmetic unit 30 derives a refractive index change Δn corresponding to the effective wavelength change,
Δn = nr eff 3 E / 2
The effective electro-optic constant (r eff ) of the thin film is obtained according to the following equation. In this equation, E is the electric field strength.
[0026]
The above is the configuration of the electro-optic constant measuring apparatus according to the present embodiment. Next, an electro-optic constant measuring method using the electro-optic constant measuring apparatus will be described. As a sample used here, as shown in FIG. 2, a LiNbO 3 oriented film 102 which is a 300 nm-thick C-axis oriented LiNbO 3 crystal thin film is formed on a low-resistance Si substrate 101, and a leak is formed thereon. In order to reduce the current and increase the applied voltage, a 50 nm thick SiO 2 protective film 103 was formed. Thereafter, a TiN transparent conductive film 104 having a thickness of 20 nm was formed as an upper electrode, and finally, an Al film was deposited on the back surface of the low resistance Si substrate 101 to form an Al lower electrode 105.
[0027]
A variable voltage 200 is applied to the sample 100 between the TiN transparent conductive film 104 and the Al lower electrode 105.
[0028]
The sample 100 is set on the sample table 11A of the adjustment table 11 of the electro-optic constant measuring apparatus. The ultraviolet to visible light emitted from the xenon lamp 12A of the optical system 10 is polarized into 45-degree polarized light by the polarizer 12D and is incident on the measurement sample 100 set on the sample stage 11A. The polarization state of the light reflected from the sample 100 is detected by the analyzer 13A of the light receiving unit 13. When measurement is performed while the detection wavelength is changed by the spectroscope 20, a (tan Ψ, cos Δ) spectrum is obtained.
[0029]
FIG. 3 is a (tan Ψ, cos Δ) spectrum of the sample 100. In FIG. 3, the solid line is tan Ψ and the dotted line is cosΔ. The incident angle θ of the probe light on the sample 100 was fixed at 75 °.
[0030]
The vibration structure corresponding to the wavelength is caused by optical interference at the interface of the multilayer film. When the voltage is applied to + 5V, + 10V, and + 15V, the refractive index change is too small, and the vertical axis scale in FIG. 3 completely overlaps the spectrum of 0V and cannot be distinguished.
[0031]
Here, assuming that the usual spectroscopic ellipsometry analysis method is applied, the spectrum is simulated assuming a certain structural model (tanΨ, cosΔ), and the parameters are optimized to match the spectrum obtained in the experiment. Turn into. As a result, the film thickness, refractive index, and absorption coefficient of each layer are obtained, and the change in refractive index of the electro-optic crystal thin film before and after voltage application is obtained.
[0032]
However, in this spectroscopic ellipsometry analysis method, the error of each parameter determined by optimization is 0.1% or more, and the refractive index values slightly different before and after voltage application are subtracted from each other. It is practically difficult to obtain a reliable value of refractive index change due to the loss of digits.
[0033]
FIG. 4 shows the difference spectrum [tanΨ (xV) −tanΨ (0V)] obtained by subtracting the tanΨ spectrum at a voltage of 0 V from the tanΨ spectrum at the time of applying each voltage.
It is. The noise level of the signal is within ± 0.001, and the significant vibration structure in FIG. 4 is clearly caused by the electro-optic effect. Further, the fact that the amplitude increases almost in proportion to the applied voltage means a primary electro-optic effect (Pockels effect).
[0034]
On the other hand, the wavelength of the tan Ψ spectrum with a voltage of 0 V is shifted by a step size of 0.005 μm,
[Tan Ψ (λ) −tan Ψ (λ + 0.005 μm)]
FIG. 5 shows a differential reference spectrum obtained by calculating. The reference spectrum of FIG. 5 has a vibration shape similar to the difference spectrum of FIG. 4, but only the amplitude is different. This is because a minute refractive index change Δn caused by voltage application effectively corresponds to a minute change in wavelength.
[0035]
Here, as an example, the electro-optic constant at a wavelength of 0.4 μm is evaluated. From the reference spectrum of FIG. 5, the peak-to-peak amplitude (maximum value−minimum value) near the wavelength of 0.4 μm is 0.19. This is an amplitude value corresponding to a wavelength change of 0.005 μm. From the difference spectrum in FIG. 4, the peak-to-peak amplitude of the difference spectrum at a voltage of 15 V is 0.015. From these two values 0.19 and 0.015, the effective wavelength change of the measurement sample is
Δλ = 0.005 × (0.015 ÷ 0.19) = 3.95 × 10 −4
It is.
[0036]
Since light in a medium with a refractive index n behaves as a wavelength λ / n, Δλ and Δn are
Δn / n = Δλ / λ
Are tied together. From this relationship and the previously calculated Δλ value of 3.95 × 10 −4 ,
Δn = (Δλ / λ) n e = 2.3 × 10 -3
Is required. Since the incident angle is 75 °, the measured refractive index is almost close to n e = 2.286. Since Δn = 2.3 × 10 −3 , the Pockels constant r eff is
r eff = 2Δn / n e 3 E = 7.7 pm / V
Is determined.
[0037]
Thus, according to the present embodiment, if the difference spectrum (FIG. 4) of the tan Ψ spectrum when the voltage is applied and when the voltage is not applied is taken, a significant intensity difference can be obtained spectrally. By comparing the amplitude of the difference spectrum with the amplitude of the reference spectrum (FIG. 5) obtained by differentiating the tan Ψ spectrum, it is possible to estimate the effective wavelength change of optical interference caused by voltage application. Furthermore, a refractive index change corresponding to the effective wavelength change can be derived, and an effective electro-optic constant of the sample 100 that is an electro-optic thin film can be obtained from the refractive index change.
[0038]
Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, the specific configuration is not limited to the present embodiment, and even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention, Of course, it is included in the invention.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, a significant intensity difference can be obtained spectrally by taking the difference spectrum of the tan Ψ spectrum when voltage is applied and when no voltage is applied. By comparing the amplitude of the difference spectrum with the amplitude of the reference spectrum obtained by differentiating the tan Ψ spectrum, it is possible to estimate the effective wavelength change of optical interference caused by voltage application. Then, the refractive index change corresponding to the effective wavelength change is derived, and the effective electro-optic constant of the electro-optic thin film as the sample can be obtained from this refractive index change.
[0040]
Therefore, the present invention is effective for evaluating the magnitude of the electro-optic effect of a thin film necessary for designing an optical waveguide or a functional optical component incorporating the electro-optic thin film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an electro-optic constant measuring apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory view for explaining a sample used in the electro-optic constant measuring apparatus of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a (tan Ψ, cos Δ) spectrum when an applied voltage is 0V.
FIG. 4 is a diagram showing a difference spectrum obtained by subtracting a tan Ψ spectrum at an applied voltage of 0 V from a tan Ψ spectrum at an applied voltage of 5 V, 10 V, and 15 V.
FIG. 5 is a diagram showing a [tan Ψ (x) −tan Ψ (x + 0.005 μm)] spectrum derived from the spectrum of FIG. 3;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical system 11 Adjustment stand 12 Light source part 12A Xenon lamp 12B, 12C Mirror 12D Polarizer 13 Light receiving part 13A Analyzer 13B Mirror 20 Spectrometer 21 Photomultiplier tube 30 Arithmetic unit

Claims (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)の検出光波長依存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スペクトルを検出光波長に対して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。
Detection of (tan Ψ, cos Δ) by spectroscopic ellipsometry in a state where an electro-optic thin film formed on a substrate is covered with a transparent conductive thin film and a voltage can be applied between the substrate and the transparent conductive thin film. Measure the light wavelength dependent spectrum,
When a tan Ψ spectrum with and without voltage applied is obtained by measurement, the amplitude of the difference spectrum between the two tan Ψ spectra and the amplitude of the reference spectrum obtained by differentiating the tan Ψ spectrum with respect to the detection light wavelength are obtained. By comparing, calculate the effective wavelength change of optical interference caused by voltage application,
An electro-optic constant measuring method, wherein an electro-optic constant is calculated by deriving a change in refractive index from the value.
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)の検出光波長依存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スペクトルを検出光波長に対して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。
Detection of (tan Ψ, cos Δ) by spectroscopic ellipsometry in a state where an electro-optic thin film formed on a substrate is covered with a transparent conductive thin film and a voltage can be applied between the substrate and the transparent conductive thin film. A measuring device (10, 20) for measuring a light wavelength dependent spectrum;
Obtained by differentiating the amplitude of the difference spectrum between the two tan Ψ spectra and the tan Ψ spectrum with respect to the detection light wavelength from the tan Ψ spectrum obtained when the voltage is applied and not applied obtained by the measuring device (10, 20). An arithmetic unit (30) that calculates the effective wavelength change of optical interference caused by voltage application by comparing the amplitude of the obtained reference spectrum, derives the refractive index change from the value, and calculates the electro-optic constant And an electro-optic constant measuring apparatus.
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