光コムを用いた新しい分光エリプソメトリー法を開発

ポイント

• 薄膜は、物質に電気的・機械的・光学的な機能や付加価値を与えるため注目されているが、その特徴を明らかにするには精密な薄膜分析が求められている。
• 本研究では、産総研が開発した高性能な光コム装置と、徳島大学が考案した光の偏光を計測する新しい方法を組み合わせ、これまでになく高速・精密で再現性の良い薄膜解析法を実現した。
• 機能性薄膜や光学材料の静的・動的特性の評価などへの応用が期待される。

＜研究の背景と経緯＞

薄膜分析は、薄膜の特徴を明らかにし、その機能を制御する上で重要です。そのため、高精度な薄膜分析を実現するさまざまな手法が提案されていますが、その中でも光の特徴（波長・強度・位相・偏光など）を利用した分光エリプソメトリー法が広く利用されています（図１）。この方法では、薄膜に光を入射し、入射光と反射光が作る面（入射面）に平行な偏光^注３）成分（ｐ偏光）と垂直な偏光成分（ｓ偏光）で生じるわずかな光の特徴の違いを精密に分析することで、薄膜の特性を明らかにします。

従来の分光エリプソメトリー法では、各偏光成分の光の特徴を得るために機械的、あるいは電気的な光の変調が必要となります。この変調には、機械的振動や温度特性などの影響で、計測時間・安定性・堅牢性・精度などに制限があるという課題がありました。また、分光エリプソメトリー法では光の波長情報を用いることで分析可能な薄膜の特徴が飛躍的に増えますが、従来法では光検出装置の波長分解能、変調器の波長依存性などによる制限が生じ、改善が求められていました。

＜研究の内容＞

本研究グループは、光の波長や位相が高度に制御され、広い波長帯域を持つレーザー光源（光コム）を活用することで、分光エリプソメトリー法で計測する光の特徴を機械的・電気的変調を行わずに高速、精密、かつ堅牢に計測可能な新たな手法を開発しました。

光コムは、非常に波長幅の狭い光が等間隔に櫛の歯状に並んだ広帯域のスペクトル群で構成される光源です（図２）。光コムの櫛１本１本の波長やその位相関係は極めて高精度に制御され、その強度も安定しています。そのため、光コム光源を２台用意し、空間的に重ね合わせてうなり信号^注４）を計測することで、それぞれの波長、位相、強度といった光の特徴を、機械的・電気的変調を加えることなく得ることが可能です（図３）。

そこで本研究グループは、これまでに産総研が開発してきた高精度な光コム光源を利用し、徳島大学が考案した分光エリプソメトリー解析法に適用する新たな手法の開発に取り組みました。その結果、従来の分光器を用いた分光エリプソメトリー法では０．１〜０．０１ナノメートル程度であった波長分解能が、本手法により１．２ｘ１０^－５ナノメートルに向上し、より精密な分光エリプソメトリー法が実現できることが示されました。さらに本研究では、原理検証実験として、複屈折性光学材料（図４）および光学薄膜（図５）の計測をし、機械的・電気的変調を行わなくても高速・精密に分光エリプソメトリー法による分析が可能であることを明らかにしました。

本研究のポイントは、分光エリプソメトリー法で必要な光の特徴（特に光の位相）を２台の光コムのうなり信号として計測した点にあります。光は、非常に高い周波数（数百テラヘルツ）であることから、従来法では光の時間波形を直接計測できません。そのため、光の位相に相当する情報を光の強度に変換することで計測しており、その過程で機械的・電気的光変調を必要としていました。本研究で用いた光コムは、光の周波数を光のうなりという電気的に計測可能なＲＦ周波数（数十メガヘルツ）に変換するため、光の時間波形を直接計測することが可能です。これにより、分光エリプソメトリー法で必要な光の強度や位相などの特徴を、直接取得することに成功しました。この光コムを用いた光周波数からＲＦ周波数への周波数リンク^注５）を活用することにより、分光エリプソメトリー法を飛躍的に進化させる光学的手法の開発に成功しました。

＜今後の展開＞

光コムを用いた新しい分光エリプソメトリー法には、機械的・電気的変調を必要としないため堅牢性がある、波長分解能が高い、高速で測定できるなどの特徴があります。そのため、これらの特徴を生かして機能性薄膜や光学材料の静的・動的評価などの応用が可能です。また、本手法は原理的にさまざまな波長領域に展開することができるため、本手法の波長分解能が高いことを利用して、紫外線、赤外線、テラヘルツ領域など、材料の特性が鋭敏に変化する波長領域での応用も期待されます。さらに材料表面性状評価などへの応用も期待されます。このように、本研究成果は材料特性評価のための基礎技術となり、今後の機能性薄膜を含む材料開発へ大きく寄与するものと期待されます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 薄膜

固体表面の上に蒸着、スパッタリング法、スピンコーティング法などにより形成された、さまざまな材料（金属・半導体・酸化物・レジストなどの有機物）の層。レンズのコーディングに用いる光学薄膜、集積回路製造における微細加工で多用されるレジスト薄膜などがある。作製する材料によって、物質に電気的・機械的・光学的な機能や付加価値を与えることができる。

注２） 分光エリプソメトリー法

入射光の偏光状態をさまざまに変化させ、試料を通った光の偏光状態の変化から、試料の特性を解析し解明する分析法。現在、薄膜の膜厚や光学定数を求める一般的な手法となっており、誘電体・半導体・金属・有機膜など、さまざまな物質解析に用いられている（図１）。

注３） 偏光

光は電磁波の一種であり、電場（または電場と直交する磁場）が電磁波の進行方向（ｚ軸方向）と垂直（ｘ軸、およびｙ軸方向）に振動する横波である。偏光とは、電場ベクトルがｘｙ平面上でどのように振動しているかを示し、電場ベクトルが直線的に振動している「直線偏光」、光の伝播に伴って円を描く「円偏光」などが良く知られている。

注４） うなり信号

周波数がわずかに異なる２つの波（本稿では光）が重ね合わされたとき、低い周波数で振幅が変化する合成波を生じる。合成波の周波数は２つの波の周波数の差に等しい。この低い周波数信号を「うなり（信号）」と呼ぶ。

注５） 周波数リンク

ある周波数帯の情報（強度・周波数・位相・精度・確度・不確かさなど）を、別の周波数帯につなげる方法。光コム技術により、光の周波数と電波（マイクロ波）の周波数を直接リンクすることが可能になった。これにより、直接計測が困難な光周波数（数百テラヘルツ）の情報を、電波（マイクロ波）の周波数（数十メガヘルツ）で計測でき、光周波数の情報に関する計測性能が飛躍的に向上した。

注６） 消衰係数

屈折率は、真空中の光速を物質中の光速（より正確には位相速度）で割った値である。この屈折率の定義を光吸収のある物質に対して拡張するために複素屈折率という物理量が定義されている。複素屈折率ｍを実部と虚部に分解してｍ＝ｎ－ｉｋと表記したとき、実部ｎは通常の屈折率を表し、虚部ｋは消衰係数と呼ばれ、光吸収の度合いを表す。

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