JP2004198250A

JP2004198250A - 時間分解反射測定方法およびテラヘルツ時間分解反射測定装置

Info

Publication number: JP2004198250A
Application number: JP2002366951A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Usami; 護宇佐見
Original assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp
Current assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】容易に正確な位相情報を得ることができる時間分解反射測定方法の提供。
【解決手段】平行平板試料９にテラヘルツパルス光Ｌ４を照射し、試料９からの反射テラヘルツパルス光Ｌ５の時系列波形を検出して試料９の特性を測定する時間分解反射測定方法に関する。そして、反射テラヘルツパルス光Ｌ５に含まれる試料入射面での前記反射パルス光を参照信号とし、反射テラヘルツパルス光Ｌ５から反射パルス光を除いた差分信号を試料信号とし、参照信号および試料信号に基づいて試料９の特性を測定する。その結果、参照用鏡等を用いた測定を行うことなく、位相情報を容易にかつ正確に測定することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料により反射されたパルス光を検出して計測を行う時間分解反射測定方法およびテラヘルツ時間分解反射測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、テラヘルツパルス光を用いた分光計測やイメージング技術が注目を集めているが、そのような計測にはテラヘルツ時間分解測定という手法が用いられている。テラヘルツ時間分解測定においては、テラヘルツパルス光を試料に照射して、透過型の場合には試料からの透過時系列波形を、反射型の場合には試料からの反射時系列波形をそれぞれ測定する。すなわち、透過または反射パルス光の電場強度の時間変化を測定し、フーリエ変換により各波長に対する電場の振幅強度と位相情報を得るようにしている。
【０００３】
通常、試料に関する情報を得るためには、これら試料からの時系列波形に加えて、参照用の時系列波形が必要となる。参照用波形としては、透過型の場合には試料を取り除いたときに検出される波形が用いられ、反射型の場合には反射率が１００％とみなせる鏡を試料の代わりに配設して、そのときに検出される波形を用いる。そして、参照用波形もフーリエ変換し、各波長に対する電場の振幅強度と位相情報を得る。試料に対する波形の振幅強度と参照用波形の振幅強度の比から、試料の透過率もしくは反射率が求まり、試料に対する位相と参照用波形の位相から、位相差を求めることができる。
【０００４】
上述したように、テラヘルツ時間分解測定では、透過率や反射率だけではなく、検出される光の位相情報まで得ることができる。その効果は、例えば、試料の複素屈折率を求める場合に顕著となる。実数部と虚数部とから成る複素屈折率は、試料の性質を調べる上で重要な役割を果たす。ところが、位相が測定できない場合、透過率もしくは反射率のみからでは複素屈折率を求めることはできない。
【０００５】
透過型の場合には試料位置は位相に影響しない。しかし、反射型の場合には試料位置が位相に影響を与えるので、位相情報を利用するためには試料と参照用鏡とを同一位置に配設する必要があった。このときに要求される精度は、１THzにおいて数μｍ程度であり、周波数が高くなるほどより高い位置精度が必要とされる。
【０００６】
このように参照用鏡の位置決めは高精度に行われる必要があるが、一般にそれは難しい。高精度な位置決めを必要とせずに位相情報を得るためには、例えば、試料前面（テラヘルツパルス光入射側の面）に物理特性が既知であるシリコン板を密着させて配設し、そのときの反射スペクトルが計算結果と一致するように試料位置を補正する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
菜嶋（Nashima）、外３名、アプライドフィジックスレターズ（Applied Physics Letters）、（米国）、２００１年１２月１０日、第７９巻、第２４号、ｐ．３９２３−３９２５
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにシリコン板を試料に密着させるという方法は、どのような試料に対しても使用できるわけではない。そして、シリコン板を密着させる方法であるために、テラヘルツ時間分解測定の特徴の一つである「非接触測定」という利点が損なわれてしまうという課題があった。
【０００９】
本発明は、容易に正確な位相情報を得ることができる時間分解反射測定方法およびテラヘルツ時間分解反射測定装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平行平板試料にパルス光を照射し、試料からの反射光の時系列波形を検出して試料の特性を測定する時間分解反射測定方法に適用され、反射光の時系列波形に含まれる試料入射面での反射パルス光を参照信号とし、反射光の時系列波形から前記反射パルス光を除いた差分信号を試料信号とし、参照信号および試料信号に基づいて試料の特性を測定することを特徴とする。
なお、試料に照射するパルス光を、テラヘルツ帯域のテラヘルツパルス光としても良い。
また、反射光の時系列波形は、試料にパルス光を繰り返し照射するとともに、パルス光と同期した複数の遅延時間で試料からの反射光をそれぞれ検出することにより得られる。
本発明は、平行平板試料にテラヘルツ帯域のテラヘルツパルス光を照射し、試料で反射された反射光の時系列波形を検出して試料の特性を測定するテラヘルツ時間分解反射測定装置に適用され、反射光の時系列波形から試料入射面での反射パルス光を抽出する抽出手段と、反射光の時系列波形から前記反射パルス光を除いた差分信号を演算する演算手段とを備え、前記抽出手段で抽出された前記反射パルス光を参照信号に用いるとともに差分信号を試料信号に用いて、試料の特性を測定することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明によるテラヘルツ時間分解反射測定装置の一実施の形態を示す図であって、装置の概略構成を模式的に示したものである。本実施の形態による装置では、フェムト秒パルス光源１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ１は、ビームスプリッタ２により２つのパルス光Ｌ２，Ｌ３に分割される。パルス光Ｌ２はテラヘルツパルス光発生のためのポンプ光（パルス励起光）として利用され、パルス光Ｌ３はテラヘルツパルス光検出の際のプローブ光として利用される。
【００１２】
本実施の形態では、フェムト秒パルス光源１はレーザ光源等からなり、例えば、フェムト秒パルス光Ｌ１として、中心波長が近赤外領域のうちの７８０〜８００ｎｍ程度、パルス幅が１０〜１５０ｆｓ程度のパルス光を、所定の周期で繰り返し発生する。
【００１３】
ビームスプリッタ２で分割された一方のパルス光Ｌ２は、平面鏡３により反射されてテラヘルツ光発生素子４にポンプ光として入射される。図２（ａ）はテラヘルツ光発生素子４の一例を示す図であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に低温成長ＧａＡｓ光伝導薄膜を形成し、その光伝導薄膜上にギャップＧの微小ダイポールアンテナを有する一対の平行伝送線路４１を形成したものである。一対の平行伝送線路４１間にバイアス電圧Ｖｂを印加し、ギャップ部分にフェムト秒パルス光Ｌ２を照射すると、テラヘルツパルス光Ｌ４が発生する。
【００１４】
テラヘルツ光発生素子４で発生したテラヘルツパルス光Ｌ４は、シリコン半球レンズ５を介して軸外し放物面鏡６に入射する。テラヘルツパルス光Ｌ４は放物面鏡６，７および平面鏡８の順に反射されて、試料９上に集光される。そして、試料９により反射された反射テラヘルツパルス光Ｌ５は平面鏡１０および放物面鏡１１，１２の順に反射され、シリコン半球レンズ１３を介してテラヘルツ光検出素子１４に集光される。
【００１５】
一方、ビームスプリッタ２で分割された他方のパルス光Ｌ３は、平面鏡１５，可動鏡１６，平面鏡１７により順に反射され、プローブ光としてテラヘルツ光検出素子１４に導かれる。可動鏡１６は複数の平面鏡から構成され、駆動装置１８で可動鏡１６を移動することによりパルス光Ｌ３の光路長を変更することができる。駆動装置１８は制御演算処理装置１９により制御される。制御演算処理装置１９は、駆動装置１８の制御の他に、パルス光源１，テラヘルツ光発生素子４およびテラヘルツ光検出素子１４の制御、検出信号に基づく各種演算処理を行う。
【００１６】
図２（ｂ）はテラヘルツ光検出素子１４の一例を示す図であり、素子１４にはテラヘルツ光発生素子４と同様のものが用いられる。試料９からの反射テラヘルツパルスＬ５は、シリコン半球レンズ１３を介してテラヘルツ光検出素子１４に入射する。反射テラヘルツパルス光Ｌ５の入射と同期させて、パルス光Ｌ３をダイポールアンテナのギャップ間に照射すると、照射時に入射した反射テラヘルツパルスＬ５の電場振幅に比例した電流Imが図２（ｂ）のように流れる。この電流Imを検出することにより、反射テラヘルツパルス光Ｌ５の電場振幅を測定することができる。なお、シリコン半球レンズ５，１３は、後述する多重反射の影響が生じないようにそれぞれ素子４，１４に対して密着して設けられる。
【００１７】
《反射テラヘルツパルス光の解析手法の説明》
透過型装置の場合には、試料の位置が光軸方向にずれても光路長は変化しないので、位置ずれが位相情報に影響を与えない。一方、反射型装置の場合には、試料９を図１のように配置して得られた信号Imと、試料９を参照用鏡と置き換えて得られた参照信号とをそれぞれフーリエ変換し、それらを用いて反射率スペクトルや位相情報を得るようにしている。
【００１８】
しかし、測定時に試料９と参照用鏡が異なる位置に配設されると、それに起因して光路長が変化する。つまり、時間軸上における参照信号の位置がずれることになり、この影響はフーリエ変換したときの位相のずれとして現れる。そこで、本実施の形態では、参照用鏡を用いることなく計測を行うことにより、このような位相ずれが生じないようにした。
【００１９】
反射テラヘルツパルス光Ｌ５を計測する場合、反射テラヘルツパルス光Ｌ５には、平行平板試料９の表面（もしくは入射面）で反射された光だけでなく、試料９の裏面で反射された光、さらには試料９内部で多重反射された光とが含まれている。なお、平行平板試料とは、試料９の両面でテラヘルツパルス光Ｌ４が鏡面反射することを指す。たとえ試料９に凹凸があっても、それがテラヘルツパルス光Ｌ４の波長よりも十分に小さければ平板とみなして良い。例えば、テラヘルツ光の波長は１ＴＨｚの場合で３００μｍであり、可視光線に比べて非常に長いため１μｍ程度の凹凸であれば平板とみなすことができる。
【００２０】
厚さｄの平行平板試料９による反射テラヘルツパルス光Ｌ５をテラヘルツ時間分解測定により計測すると、図３の模式図に示すような時系列波形が得られる。図４は、そのときの反射の形態を模式的に示した図である。
【００２１】
図３に示す時系列波形において最初に観測されるパルスＢ１は、図４の符号Ｂ１で示す反射形態のように試料９の表面で反射されたものである。二番目のパルスＢ２は、図４の符号Ｂ２で示す反射形態のように試料９の裏面で反射されたものである。三番目のパルスＢ３は、図４の符号Ｂ３で示す反射形態のように多重反射を一回含むものである。
【００２２】
そのため、平行平板試料９に入射したテラヘルツパルス光Ｌ４の複素振幅反射率ｒは次式（１）で表される。式（１）の右辺第１項は図３のパルスＢ１に対応しており、第２項はパルスＢ２に対応している。さらに、右辺第３項はパルスＢ３に対応しており、式（１）の右辺第３項以降は多重反射を含むパルスに対応している。
【数１】

【００２３】
式（１）において、ｒ₀は屈折率ｎ₀の媒質から屈折率ｎ₁の試料９に入射する光が試料表面で反射される際の振幅反射率であり、次式（２）で表される。ｒ₁は試料９の内部で反射する光の振幅反射率であり、次式（３）で表される。式（２），（３）からも分かるように、ｒ₀＝−ｒ₁の関係があって、試料表面での反射と試料内部での反射とは位相が反転している。
【数２】
ｒ₀＝（ｎ₀−ｎ₁）／（ｎ₀＋ｎ₁） …（２）
ｒ₁＝（ｎ₁−ｎ₀）／（ｎ₀＋ｎ₁） …（３）
【００２４】
また、ｔ₀は屈折率ｎ₀の媒質から屈折率ｎ₁の試料９に入射する光の振幅透過率で、次式（４）で表される。ｔ₁は屈折率ｎ₁の試料９から屈折率ｎ₀の媒質に出射する光の振幅透過率で、次式（５）で表される。なお、式（１）において、θはθ＝（ω／ｃ）ｎ₁ｄであり、ｃは真空中の光速、ｄは試料９の厚さである。試料９が大気中もしくは真空中に配置されている場合には、ｎ₀＝１とみなして良い。
【数３】
ｔ₀＝２ｎ₀／（ｎ₀＋ｎ₁） …（４）
ｔ₁＝２ｎ₁／（ｎ₀＋ｎ₁） …（５）
【００２５】
上述したようにｒ₀＝−ｒ₁の関係があるので、式（１）は次式（６）のように書き換えることができる。
【数４】

【００２６】
なお、時間分解反射測定方法においては、例えば、テラヘルツ光検出素子１４に入射する反射テラヘルツパルス光Ｌ５が図５（ａ）に示すようなものであった場合、プローブ光として入射させるパルス光Ｌ３の光路長を可動鏡１６を移動して変更し、遅延時間の異なる複数のパルス光Ｌ３をテラヘルツ光検出素子１４に入射させる。その結果、図５（ｂ）に示すような電流信号Im（τ）が得られる。τはパルス光Ｌ３の光路長に対応する遅延時間である。
【００２７】
図６は反射テラヘルツパルス光Ｌ５の検出動作を定性的に説明する図であり、図６（ａ）は図５（ａ）の符号Ａで示す部分の拡大図、図６（ｃ）は図５（ｂ）の符号Ａで示す部分の拡大図である。図６（ｂ）は、プローブ光として遅延時間τ１〜τ５でテラヘルツ光検出素子１４に入射する各パルス光Ｌ３(τ１)〜Ｌ３(τ５)を示したものである。図６（ｂ）に示すようなパルス光Ｌ３(τ１)〜Ｌ３(τ５)をプローブ光としてテラヘルツ光検出素子１４に入射すると、遅延時間τ１〜τ５における電流Imを検出することができる。
【００２８】
例えば、パルス光Ｌ３(τ２)をテラヘルツ光検出素子１４に入射すると、遅延時間τ２における電場振幅Ｅ（τ２）＝Ｅ２に対応する電流Im（τ２）＝Im2が検出される。同様な動作を各遅延時間τ１，τ３，τ４，τ５に関して行うことにより、図６（ａ）に示す電場振幅Ｅ（ｔ）に対応して、図６（ｃ）のような電流Im（τ）を検出することができる。
【００２９】
図７は検出手順の概要を示すフローチャートである。ステップＳ１では、図６（ｂ）に示したような遅延時間τｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）を設定する際の添字ｉの値を、初期値ｉ＝０に設定する。ステップＳ２では、ｉの値をｉ＋１で置き換えて１だけ増加する。ステップＳ３では、可動鏡１６の位置を制御してプローブ光Ｌ３の遅延時間をτｉに設定する。図７のＳ１→Ｓ２→Ｓ３の順に処理がされて初めてステップＳ３の処理が行われたときには、ｉ＝１なので遅延時間はτ１に設定される。
【００３０】
ステップＳ４では、テラヘルツ光発生素子４にレーザパルス光を照射してテラヘルツパルス光Ｌ４を発生させる。ステップＳ５では、ステップＳ３で設定された遅延時間τｉでパルス光Ｌ３をテラヘルツ光検出素子１４に照射し、反射テラヘルツパルス光Ｌ５を検出する（図６参照）。ステップＳ６では、遅延時間τｉに関する検出結果、すなわち、図６（ｃ）のＩｍｉを読み込む。
【００３１】
ステップＳ７では、ｉがｎとなったか否か、すなわち、遅延時間τｉで検出する反射テラヘルツパルス光Ｌ５のサンプリング数が所定数ｎとなったか否かを判定する。ステップＳ７でｙｅｓと判定されるとステップＳ８へ進み、ｎｏと判定されるとステップＳ２へ戻る。このように遅延時間を順に変えて検出することにより図３のような時系列波形をデジタル値として取得することができる。ステップＳ８では、取得された時系列データ（時系列波形）に基づいて、図３のパルスＢ１，Ｂ２，Ｂ３，…を抽出する。ステップＳ９では、抽出したパルスＢ１を参照信号とし、その他のパルスＢ２，Ｂ３，…を試料信号とすることにより、各種特性値を演算する。
【００３２】
このように、本実施の形態における解析手法の特徴は、図３の一番目のパルスＢ１を、すなわち試料表面で反射されたパルスＢ１を参照信号として用い、それ以降のパルスＢ２，Ｂ３，…を試料信号として用いることにある。
【００３３】
そして、試料表面で反射されたパルスＢ１の時系列波形のフーリエ変換と、それ以降のパルスＢ２，Ｂ３，…のフーリエ変換との比を位相まで含めて計算すれば良い。このようにして算出された物理量に対応する理論式は、式（６）を変形した式（７）のような形に表現される。
【数５】

【００３４】
上述したように、本発明では、試料表面で反射されたパルスＢ１を参照信号として用いているので、従来の反射測定装置のように参照用鏡を用いる必要が無く、参照用鏡の位置ずれによって位相情報が不正確になるというような不都合が生じない。すなわち、位相情報を容易に精度良く測定することが可能となる。
【００３５】
また、試料９を参照用鏡に置き換えるとともに高精度に位置決めして参照信号を計測する必要がないので、測定時間の短縮を図ることができる。さらに、従来の技術で述べた装置のように試料にシリコン板等を密着配置する必要が無く、非接触測定という特徴が損なわれることもない。
【００３６】
なお、上述した試料９内における多重反射とは別に、テラヘルツ光学系に多重反射の原因となる要素を含まないようにしなければならない。このようなテラヘルツパルス光の多重反射があった場合には、図３に示すような試料９で反射された反射テラヘルツパルス光Ｌ５のパルスに、光学系での多重反射によるパルスが重なって分離して解析することができなくなる可能性がある。
【００３７】
例えば、テラヘルツ光発生素子４またはテラヘルツ光検出素子１４に用いられるＧａＡｓ基板内部で多重反射が生じる可能性がある。このような場合には、ＧａＡｓ基板内部の光路長と試料９内部の光路長とが大きく異なるように構成すれば、ＧａＡｓ基板内部の多重反射によるパルスと試料９で反射されたパルスとを分離することができる。
【００３８】
上述した実施の形態では、テラヘルツパルス光を用いた時間分解反射測定装置を例に説明したが、本発明はテラヘルツ帯域以外のパルス光を用いる時間分解反射測定装置にも同様に適用することができる。なお、以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、制御演算処理装置１９は抽出手段および演算手段を構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、参照用鏡等を用いた参照信号を別途測定することなく、位相情報を容易にかつ正確に測定することができる。さらに、測定時間の短縮が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるテラヘルツ時間分解反射測定装置の一実施の形態を示す図であって、装置の概略構成を模式的に示したものである。
【図２】（ａ）はテラヘルツ光発生素子４の斜視図であり、（ｂ）はテラヘルツ光検出素子１４の斜視図である。
【図３】反射テラヘルツパルス光Ｌ５の時系列波形を示す模式図である。
【図４】反射型の場合の反射形態を示す模式図である。
【図５】（ａ）は反射テラヘルツパルス光Ｌ５の電場振幅を示す図であり、（ｂ）はテラヘルツ光検出素子１４で検出される電流値Imを示す図である。
【図６】反射テラヘルツパルス光Ｌ５の検出動作を定性的に説明する図であり、（ａ）は図５（ａ）の符号Ａで示す部分の拡大図、（ｂ）は遅延時間τ１〜τ５におけるパルス光Ｌ３(τ１)〜Ｌ３(τ５）を示す図、（ｃ）は図５（ｂ）の符号Ａで示す部分の拡大図である。
【図７】検出手順の概要を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１フェムト秒パルス光源
２，３，８，１０，１５，１７平面鏡
４テラヘルツ光発生素子
５，１３シリコン半球レンズ
６，７，１１，１２軸外し放物面鏡
９，２０試料
１４テラヘルツ光検出素子
１６可動鏡
１８駆動装置
１９制御演算処理装置

Claims

平行平板試料にパルス光を照射し、前記試料からの反射光の時系列波形を検出して前記試料の特性を測定する時間分解反射測定方法において、
前記反射光の時系列波形に含まれる前記試料入射面での反射パルス光を参照信号とし、前記反射光の時系列波形から前記反射パルス光を除いた差分信号を試料信号とし、前記参照信号および前記試料信号に基づいて前記試料の特性を測定することを特徴とする時間分解反射測定方法。
請求項１に記載の時間分解反射測定法において、
前記試料に照射するパルス光を、テラヘルツ帯域のテラヘルツパルス光としたことを特徴とする時間分解反射測定法。
請求項１または２に記載の時間分解反射測定法において、
前記試料にパルス光を繰り返し照射するとともに、前記パルス光と同期した複数の遅延時間で前記試料からの反射光をそれぞれ検出して前記時系列波形を検出する検出工程と、
前記検出工程で検出された時系列波形から前記参照信号および前記試料信号を抽出する抽出工程とを有することを特徴とする時間分解反射測定法。
平行平板試料にテラヘルツ帯域のテラヘルツパルス光を照射し、前記試料で反射された反射光の時系列波形を検出して前記試料の特性を測定するテラヘルツ時間分解反射測定装置において、
前記反射光の時系列波形から前記試料入射面での反射パルス光を抽出する抽出手段と、
前記反射光の時系列波形から前記反射パルス光を除いた差分信号を演算する演算手段とを備え、
前記抽出手段で抽出された前記反射パルス光を参照信号に用いるとともに前記差分信号を試料信号に用いて、前記試料の特性を測定することを特徴とするテラヘルツ時間分解反射測定装置。