JP6461583B2

JP6461583B2 - 誘電率測定装置

Info

Publication number: JP6461583B2
Application number: JP2014248915A
Authority: JP
Inventors: 堀部　雅弘; 雅弘堀部; 野田　一房; 一房野田; 町田　進; 進町田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2034-12-09
Also published as: JP2016109612A

Description

本発明は、物質の誘電率を測定する誘電率測定装置に関する。

誘電体の誘電率は、複素数で表した複素誘電率として実数部（εｒ）と虚数部（εｉ）である。一般的には、εｒの実数部のみか、これに加えて損失係数としてのｔａｎδを合わせて表している。このｔａｎδはεｉ／εｒであるので、複素誘電率の測定は重要である。
従来、ミリ波帯以上の周波数帯における物質の誘電率の測定には、透過法や反射法などが用いられている。これらの測定法は規格化された振幅と位相を測定する高価な測定装置が必要である。
一方、被測定物質の誘電率を測定する方法として、エリプソメトリ法が知られている。

ミリ波を用いて薄膜状の被測定物質の誘電率を測定するエリプソメトリ法は、物質表面における反射波の電界成分から複素誘電率を直接測定する方法である。
より詳細には、エリプソメトリ法は、直線偏波の入射波（電波ビーム）の進行方向に対して４５度に設置した被測定物質の表面での反射波の電界成分を測定する。このとき、入射波の電界の偏波状態は完全な直線偏波であり、入射波の進行方向の垂直断面で４５度の角度にする。入射波は被測定物質の表面で直角に反射する。被測定物質の表面での反射波の電界は、入射波の進行方向の垂直断面で、垂直な成分と水平な成分に分解できる。この電界の垂直成分と水平成分のそれぞれの電界強度と位相の差を測定して、被測定物質の複素誘電率を求める。

例えば、下記特許文献１では、エリプソメータにおいて、ウエハ上面に形成された絶縁膜の膜厚および光学定数を測定する一方で、電気容量測定部において、絶縁膜と空間を隔てて対向配置された絶縁膜との間で、ギャップおよび蓄積容量を測定する。このため、これらの膜厚、光学定数、ギャップ、および蓄積容量を、いずれも非接触で測定することができる。

特開２００５−３１１２２９号公報

ここで、送信側からの入射波は完全な４５度の直線偏波であり、直交偏波間の振幅が等しく位相差が０である。反射側では被測定物質からの反射波の電界の垂直成分と水平成分を測定する。反射する電界は一般的に主軸の方向が４５度の楕円偏波になり、直交偏波間の振幅が変化し位相差が生じる。
一般的に用いられている矩形導波管の測定系では、測定可能な電界の方向は矩形断面に垂直方向である。これに直交する水平な電界成分は矩形導波管のカットオフ特性によって送信側に反射する。この反射波の成分は、送信側の矩形導波管でも反射する。この送信側の反射波が入射波と干渉すると、４５度の直線偏波の入射波が楕円偏波になり、誘電率の測定精度に影響する。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、エリプソメトリ法を用いた誘電率測定装置において、不要な電磁波の偏波成分を除去し、測定精度を向上させることにある。

上述の目的を達成するため、請求項１の発明にかかる誘電率測定装置は、入射波を発生し入射側矩形導波管内に送出する発振器と、前記入射波を被測定物質の表面に導く入射側円形導波管と、前記入射側矩形導波管と前記入射側円形導波管とを接続する角円変換導波管と、を備える入射側送波手段と、前記被測定物質の表面で前記入射波が反射した反射波の偏波状態を測定する検波器と、前記反射波を前記検波器に導く反射側円形導波管と、前記反射側円形導波管と前記検波器に接続された反射側矩形導波管とを接続する円角変換導波管と、を備える反射波測定手段と、前記入射波の偏波状態と前記反射波の偏波状態との変化に基づいて前記被測定物質の複素誘電率を算出する演算手段と、を備える誘電率測定装置であって、前記角円変換導波管の前記入射側円形導波管側に、当該入射側円形導波管内の電界方向と直交する偏波成分を減衰させる直交偏波減衰器を備える、ことを特徴とする。
請求項２の発明にかかる誘電率測定装置は、前記直交偏波減衰器は、前記入射側円形導波管内に当該入射側円形導波管内の電界方向と直交する偏波成分を減衰させる抵抗板を設けることによって構成される、ことを特徴とする。
請求項３の発明にかかる誘電率測定装置は、前記直交偏波減衰器の前記抵抗板が前記入射側円形導波管内から前記角円変換導波管内に延在する、ことを特徴とする。
請求項４の発明にかかる誘電率測定装置は、前記入射側送波手段は、前記入射側円形導波管に接続され、前記入射波を球面波として空間上に送波する入射側丸型ホーンアンテナと、前記入射側丸型ホーンアンテナから送波された前記入射波を平面波に変換するとともに、前記被測定物質の表面に導く入射側パラボラ反射鏡と、さらに備え、前記反射側測定手段は、前記被測定物質の表面で反射された前記反射波を平面波から球面波に変換する反射側パラボラ反射鏡と、前記反射波を受信し前記反射側円形導波管に送波する反射側丸型ホーンアンテナと、さらに備え、前記円角変換導波管の前記反射側円形導波管側に、当該反射側円形導波管内の電界方向と直交する偏波成分を減衰させる直交偏波減衰器を備える、ことを特徴とする。
請求項５の発明にかかる誘電率測定装置は、２本の直線円形導波管が同一平面上に直交して接続され４つの端部を有する十字分岐円形導波管を備え、前記４つの端部のうちの１つの端部である第１の端部には、前記発振器に接続された前記入射側矩形導波管が前記角円変換導波管を介して接続され、前記第１の端部と直交する第２の端部には、円形導波管回転接続器および前記円角変換導波管を介して前記検波器に接続された前記反射側矩形導波管が接続され、２本の前記直線円形導波管の交差部に前記被測定物質がその表面を前記第１の端部および前記第２の端部に対して４５度傾けて配置される、ことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、入射側の角円変換導波管の入射側円形導波管側に、当該入射側円形導波管内の電界方向と直交する偏波成分を減衰させる直交偏波減衰器を備えたので、入射側の角円変換導波管および反射側の円角変換導波管で発生する不要な直交偏波成分と、反射側の円角変換導波管で発生する直交偏波の反射波成分を除去することができ、入射側円形導波管の偏波状態を完全な直線偏波にすることができる。よって、誘電率算出時の処理負荷を軽減するとともに、誘電率の測定精度を向上させることができる。
請求項２の発明によれば、入射側円形導波管内に抵抗板を挿入することにより直交偏波減衰器を構成するので、簡易な構成で直交偏波減衰器を実現することができる。
請求項３の発明によれば、直交偏波減衰器の抵抗板を角円変換導波管内にまで延在させるようにしたので、角円変換導波管で発生する不要モードによる角円変換導波管の特性の劣化を抑制することができる。
請求項４の発明によれば、ホーンアンテナを用いた測定系において、受信側にも直交偏波減衰器を設けたので、不要な成分の多重反射を抑制することができ、誘電率の測定精度をさらに向上させることができる。
請求項５の発明によれば、十字分岐円形導波管を用いてエリプソメトリ法による誘電率測定装置を構成したので、装置構成を小型化することができるとともに、演算部に高価なネットワークアナライザを用いる必要がなく、測定コストを低減することができる。

実施の形態１にかかる誘電率測定装置１０の構成を示す説明図である。導波管内の電界方向を模式的に示す説明図である。実施の形態２にかかる誘電率測定装置３０の構成を示す説明図である。被測定物質４０の他の配置例を示す説明図である。矩形導波管の規格と対応する円形導波管の特性を示す表である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる誘電率測定装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる誘電率測定装置１０の構成を示す説明図である。
なお、以下の説明において、各構成部品の角度は入射波の進行方向を上方向から見た場合に反時計回り方向を正とし、電界の方向は電磁波の進行方向を直視した時の反時計回り方向を正とする。
実施の形態にかかる誘電率測定装置１０は、エリプソメトリ法を用いて薄膜状の被測定物質２０の複素誘電率を測定する。測定に用いる電磁波は、導波管での構成が可能なマイクロ波からミリ波、テラヘルツ波であるものとする。
誘電率測定装置１０は、直線偏波の入射波Ｗ１を被測定物質２０の表面に送波する入射側送波手段１２と、被測定物質２０の表面で入射波Ｗ１が反射した反射波Ｗ２の偏波状態を測定する反射側測定手段１４と、入射波Ｗ１の偏波状態と反射波Ｗ２の偏波状態との変化に基づいて被測定物質２０の複素誘電率を算出する演算部（演算手段）１６０２と、を備える。
本実施の形態では、制御演算部１６０２としてベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ、以下「ネットワークアナライザ１６」とする）を用い、ネットワークアナライザ１６において入射波Ｗ１の発生および反射波Ｗ２の電界成分の振幅と位相の測定を行う。すなわち、ネットワークアナライザ１６に制御演算部１６０２、発振器１２０２、検波器１４１６が含まれている。

入射側送波手段１２は、発振器１２０２、ひねり導波管１２０４、角円変換導波管１２０６、入射側円形導波管１２０８、入射側丸型ホーンアンテナ１２１２、入射側パラボラ反射鏡１２１４、および直交偏波減衰器１２１０によって構成される。
発振器１２０２は、直線偏波の入射波Ｗ１を発生し、ひねり導波管１２０４内に送出する。発振器１２０２における出力導波管は、一般的に水平方向が長辺になる矩形導波管であり、その伝播モードは矩形導波管の基本モードであるＴＥ１０モードであり、電界の方向は長辺方向に対して垂直である（図２Ａ参照）。
ひねり導波管１２０４の出力側は、水平方向に対して４５度傾いており、入射波Ｗ１の電界の偏波方向を入射波Ｗ１の進行方向の垂直断面で４５度の角度に傾ける。これは、エリプソメトリ法においては、被測定物質２０に対して入射波Ｗ１を４５度の電界方向で入射することが求められるためである。
角円変換導波管１２０６は、矩形導波管であるひねり導波管１２０４と後述する入射側円形導波管と１２０８とを接続する。角円変換導波管１２０６の入力側矩形導波管の長辺方向は４５度となる。
入射側円形導波管１２０８は、入射側丸型ホーンアンテナ１２１２に接続され、後述する直交偏波減衰器１２１０を構成する。
入射側丸型ホーンアンテナ１２１２は、入射側円形導波管１２０８に接続され、入射波Ｗ１を球面波として空間上に送波する。
入射側パラボラ反射鏡１２１４は、入射側丸型ホーンアンテナ１２１２から送波された入射波Ｗ１を平面波に変換するとともに、被測定物質２０の表面に導く。
入射波Ｗ１は被測定物質２０の表面に対して４５度の角度で入射され、反射波Ｗ２も被測定物質２０の表面に対して４５度の角度で反射される。

反射側測定手段１４は、平面反射鏡１４０２、反射側パラボラ反射鏡１４０４、反射側丸型ホーンアンテナ１４０６、反射側円形導波管１４０８、円角変換導波管１４１２、受信側矩形導波管１４１４、検波器１４１６および直交偏波減衰器１４１０によって構成される。
平面反射鏡１４０２は、被測定物質２０の表面で反射した反射波Ｗ２をさらに反射する。
反射側パラボラ反射鏡１４０４は、反射波Ｗ２を平面波Ｗ１から球面波に変換するとともに、反射側丸型ホーンアンテナ１４０６に導く。この平面反射鏡１４０２は、本装置全体を占めるスペースが確保できるならば必要がない。
反射側丸型ホーンアンテナ１４０６は、反射波Ｗ２を受信し、反射側円形導波管１４０８に導入する。この反射側円形導波管１４０８は、後述する直交偏波減衰器１４１０を構成する。
円角変換導波管１４１２は、反射側円形導波管１４０８と受信側の矩形導波管である受信側矩形導波管１４１４とを接続する。
受信側矩形導波管１４１４は、直線導波管および９０度ひねり導波管である。
検波器１４１６において反射波Ｗ２の電界の垂直成分を測定する場合には、円角変換導波管１４１２の出力側矩形導波管の長辺方向が測定成分と水平であるから、直線矩形導波管を用いて直接接続する。
一方、反射波Ｗ２の電界の水平成分を測定する場合には、円角変換導波管１４１２の出力側矩形導波管の長辺方向が測定成分と垂直であるから、９０度ひねり導波管を用いて検波器１４１６に接続する。このようにすれば、反射側測定手段１４において矩形導波管を回転させる必要がない。
検波器１４１６は、反射波Ｗ２の電界成分を測定する。

上記の構成における複素誘電率の測定は、従来公知の方法で行われる。
すなわち、ネットワークアナライザ１６内の発振器１２０２で生成された矩形導波管モード（ＴＥ１０モード）の電磁波（入射波Ｗ１）が、ひねり導波管１２０４で４５度に傾けられ、さらに角円変換導波管１２０６で円形導波管モード（ＴＥ１１モード）へ変換される。その後、入射波Ｗ１は入射側円形導波管１２０８を経由して入射側丸型ホーンアンテナ１２１２から放射され、入射側パラボラ反射鏡１２１４で反射された後、被測定物質２０の表面に到達する。
被測定物質２０の表面で反射された反射波Ｗ２は、平面反射鏡１４０２および反射側パラボラ反射鏡１４０４を経由して、反射側丸型ホーンアンテナ１４０６で受信される。受信された反射波Ｗ２は、入射側とは逆のモード変換を経てネットワークアナライザ１６内の検波器１４１６にて検波される。
ネットワークアナライザ１６の演算部１６０２は、発振器１２０２で生成した入射波Ｗ１と、検波器１４１６で検波した反射波Ｗ２から、被測定物質２０の伝送特性であるＳマトリクスを求め、さらにそのＳマトリクスから誘電率（または屈折率）を既知のソフトウエアを用いて算出する。

ここで、誘電率測定装置１０において、角円変換導波管１２０６の入射側円形導波管１２０８側には、当該入射側円形導波管１２０８内の電界方向と直交する偏波成分を減衰させる直交偏波減衰器１２１０が設けられている。
また、誘電率測定装置１０には、反射側測定手段１４にも直交偏波減衰器１４１０が設けられている。この直交偏波減衰器１４１０は、円角変換導波管１４１２の反射側円形導波管１４０８側に設けられており、当該反射側円形導波管１４０８内の電界方向と直交する偏波成分を減衰させる。
直交偏波減衰器１２１０，１４１０は、入射側円形導波管１２０８または反射側円形導波管１４０８内に当該入射側円形導波管１２０８または反射側円形導波管１４０８内の電界方向と直交する偏波成分を減衰させる抵抗板Ｒを設けることによって構成される。

以下、直交偏波減衰器１２１０，１４１０の働きについて説明する。
発振器１２０２で生成される入射波Ｗ１は、矩形導波管の基本モードであるＴＥ１０モードであり、その電界方向を図２Ａに示す。入射波Ｗ１は、４５度回転されたひねり導波管１２０４を介して角円変換導波管１２０６で円形導波管モードに変換され、入射側円形導波管１２０８内に進入する。ＴＥ１０モードの入射波Ｗ１をテーパ型の角円変換導波管１２０６で円形導波管モードに変換すると円形導波管の基本モードであるＴＥ１１モードとなる（図２Ｂ参照）。
図２Ａに示すＴＥ１０モードの電界方向に対して直交する成分は、カットオフ周波数が２倍なので基本の周波数では伝搬しない。
一方、ＴＥ１１モードは、円周方向に対して全ての角度で断面形状が均一なので、全ての角度での電界成分が伝搬できる。これにより、エリプソメトリ法に要求される被測定物質に対する入射波Ｗ１の４５度の電界方向での入射が可能になる。
なお、円形導波管におけるＴＥ１１モードの全ての偏波の状態は、主電界と、これに直交する直交電界の強度の比と位相差で決まる楕円偏波として記述できる。

円形導波管内の４５度回転した円形ＴＥ１１モードの電界（図２Ｂに示す）は、垂直電界成分と水平電界成分の合成である。エリプソメトリ法は、この垂直成分と水平成分をそれぞれ分離して測定する。
上述のように、反射波Ｗ２の垂直電界成分を測定する場合には、受信側矩形導波管１４１４が水平になるように接続する。したがって、測定成分と直交する水平電界成分は矩形導波管の長辺方向に対して水平になり、矩形導波管のカットオフ条件で送信側に無損失で反射する。
また、送信側に反射した水平電界成分も＋４５度と−４５度の電界成分の合成とすれば、円形ＴＥ１１モードの主電界方向である＋４５度成分は送信側の発振状態に悪影響を与える。また、−４５度成分は同様な効果で受信側に反射するので、多重反射の状態になる。

このような直交成分の多重反射は、以下のように測定結果に影響を与える。
（１）印加電界（入射波Ｗ１の電界）の方向は厳密に４５度が要求されるが、反射した直交成分が入射波Ｗ１と干渉すると直線入射偏波が楕円偏波に変換するので、厳密に４５度の直線偏波にはならない。
（２）被測定物質２０表面での反射角は厳密に４５度が要求されるが、反射した直交成分によって被測定物質２０表面での反射角が変化する可能性がある。
Ｓｉｎ（４５度）、Ｃｏｓ（４５度）、Ｔａｎ（４５度）は変化率の大きなところであり、小さな角度の誤差でも大きく影響する。
このような反射波の影響は最小限にすることが好ましい。
したがって、この直交偏波成分に対して損失を与える直交偏波減衰器１２１０，１４１０が有効になる。
なお、反射側測定手段１４の直交偏波減衰器１４１０を省略して、入射側の直交偏波減衰器１２１０のみ設けてもよいが、本実施の形態のようにアンテナを用いた測定系では、丸型ホーンアンテナ１２１２，１４０６、パラボラ反射鏡１２１４，１４０４、平面反射鏡１４０２などの製作精度、設置位置（中心軸、角度等）の誤差などと、直交偏波成分の多重反射によって偏波方向の回転が生じる可能性があるため、受信側にも直交偏波減衰器１４１０を設けるのが好ましい。

直交偏波減衰器１２１０，１４１０は、図２Ｃに示すように、円形導波管１２０８，１４０８内に抵抗板ＲをＴＥ１１モードの主電界の方向に対して直交する方向に挿入して構成する。なお、抵抗板Ｒは、円形導波管１２０８，１４０８の直径方向の中心位置を通るようにする。
このような構成では、抵抗板Ｒに垂直な主電界には損失がほとんど発生しない。しかし、抵抗板Ｒに平行である、主電界に対して直交する電界には大きな損失を与えることができる。
本実施の形態では、円形導波管内を伝搬するモードは、４５度回転した円形ＴＥ１１モードである。したがって、直交偏波減衰器１２１０，１４１０の抵抗板ＲはＴＥ１１モードの４５度方向に対して直角に挿入する。

また、直交偏波減衰器１２１０，１４１０の抵抗板Ｒを、入射側円形導波管１２０８内から角円変換導波管１２０６内に延在するように、反射側円形導波管１４０８内から円角変換導波管１４１２内に延在するように、それぞれ構成してもよい。
すなわち、抵抗板Ｒを円形導波管１２０８，１４０８の軸方向に所定の長さを持って挿入することによって、ＴＥ１１モード以外の不要なモードに対して減衰器としての効果がある。特に、ＴＭモ−ドに対する減衰が大きい。
よって、直交偏波減衰器１２１０，１４１０の抵抗板Ｒの一部を角円変換器１２０６または円角変換導波管１４１２内まで挿入すれば、角円変換器１２０６または円角変換導波管１４１２で発生する不要モードのモード変換−再変換による変換器の特性の劣化を抑制することができる。
この場合の抵抗板Ｒは直交偏波減衰器１２１０，１４１０の抵抗板Ｒと設置方向が同一なので、角円変換器１２０６または円角変換導波管１４１２と直交偏波減衰器１２１０，１４１０を一体として構成でき、これを９０度回転させれば測定電界の方向が選択できる。

以上説明したように、実施の形態１にかかる誘電率測定装置１０は、入射側の角円変換導波管１２０６の入射側円形導波管１２０８側に、当該入射側円形導波管１２０８内の電界方向と直交する偏波成分を減衰させる直交偏波減衰器１２１０を備えたので、入射側の角円変換導波管１２０６および反射側の円角変換導波管１４１２で発生する不要な直交偏波成分と、反射側の円角変換導波管１４１２で発生する直交偏波の反射波成分を除去することができ、入射側円形導波管１２０８の偏波状態を完全な直線偏波にすることができる。よって、誘電率算出時の処理負荷を軽減するとともに、誘電率の測定精度を向上させることができる。
また、誘電率測定装置１０は、入射側円形導波管１２０８内に抵抗板Ｒを挿入することにより直交偏波減衰器１２１０を構成するので、簡易な構成で直交偏波減衰器１２１０を実現することができる。
また、誘電率測定装置１０において、直交偏波減衰器１２１０の抵抗板Ｒを角円変換導波管１２０６内にまで延在させるようにすれば、角円変換導波管１２０６内で発生する不要モードによる角円変換導波管１２０６の特性の劣化を抑制することができる。
また、誘電率測定装置１０は、ホーンアンテナを用いた測定系において、受信側にも直交偏波減衰器１４１０を設けたので、不要な成分の多重反射を抑制することができ、誘電率の測定精度をさらに向上させることができる。

（実施の形態２）
実施の形態１の誘電率測定装置１０は、丸型ホーンアンテナと反射鏡（パラボラ反射鏡および平面反射鏡）のアンテナ系で構成しているために、高価格であり、かつ、アンテナ系の直径（例えば測定周波数が１００ＧＨｚ帯の場合には約１００ｍｍ）程度の大面積の被測定物質膜が必要になる。
また、バルク状（塊状）の被測定物質の測定に対して形状の大きさで不利である。さらに、アンテナ系の測定帯域は使用する矩形導波管の帯域に依存する。
そこで、実施の形態２では、アンテナ系の代わりに円形導波管系を用いて小型化と測定帯域の広帯域化を可能にする。

図３は、実施の形態２にかかる誘電率測定装置３０の構成を示す説明図である。
誘電率測定装置３０は、十字分岐円形導波管３８を中心に構成されている。
十字分岐円形導波管３８は、２本の直線円形導波管が同一平面上に直交して接続されたものである。より詳細には、直線部３８０２，３８０４および端部３８１２，３８１４によって構成される第１直線円形導波管および直線部３８０６，３８０８および端部３８１６，３８１８によって構成される第２直線円形導波管が同一平面上に直交して接続され、その接続部は交差部３８１０を構成している。

十字分岐円形導波管３８を構成する４つの端部３８１２，３８１４，３８１６，３８１８を、それぞれ第１の端部３８１２、第２の端部３８１８、第３の端部３８１４、第４の端部３８１６とすると、第１の端部３８１２には、発振器３２０２に接続された入射側矩形導波管（図示なし）が角円変換導波管３２０４を介して接続される。よって、第１の端部３８１２に通じる直線部３８０２が入射側円形導波管となる。
また、角円変換導波管３２０４の入射側円形導波管（直線部３８０２）側には、当該入射側円形導波管内の電界方向と直交する偏波成分を減衰させる直交偏波減衰器３２０６が設けられる。直交偏波減衰器３２０６は、直線部３８０２と同サイズの円形導波管に抵抗板Ｒを挿入したものである。
また、第１の端部３８１２と直交する第２の端部３８１８には、検波器３４０６に接続された反射側矩形導波管（図示なし）が円角変換導波管３４０４を介して接続される。また、第２の端部３８１８と円角変換導波管３４０４との間には、円形導波管回転接続器３４０２が接続されている。
さらに、発振器３２０２および検波器３４０６には、誘電率の算出を行う演算手段３６が接続される。なお、演算手段３６は、市販の（または試用等、一般に流通されている）解析ソフトをインストールした一般的なパーソナルコンピュータを使用可能である。
第３の端部３８１４および第４の端部３８１６には終端器３９が接続される。

十字分岐円形導波管３８の直線円形導波管の交差部３８１０には、被測定物質４０がその表面を第１の端部３８１２および第２の端部３８１６に対して４５度傾けて配置される。
なお、図４に示すように、第１の端部３８１２および第２の端部３８１６に対して４５度傾いた端面４２を有する丸棒状の被測定物質４０を、第３の端部３８１６（または第４の端部３８１８）方向に挿入することにより、薄膜状の被測定物質４０のみならずバルク状の被測定物質４０についても誘電率の測定が可能となる。

誘電率測定装置３０における測定は、以下のように行う。
まず、発振器３２０２で生成された矩形導波管モード（ＴＥ１０モード）の電磁波（入射波Ｗ１）が、角円変換導波管３２０４で円形導波管モード（ＴＥ１１モード）へ変換される。その後、入射波Ｗ１は直交偏波減衰器３２０６を構成する円形導波管および直線部３８０２を経由して被測定物質２０の表面に到達する。
被測定物質２０の表面で反射された反射波Ｗ２は、直線部３８０８を経由して円形導波管回転接続器３４０２に到達する。
円形導波管回転接続器３４０２を回転させることにより、入射波Ｗ１の偏波の方向である４５度に対して＋４５度および−４５度における反射波Ｗ２の強度を測定するとともに、反射波Ｗ２の強度が最少になる円形導波管回転接続器３４０２の回転角を求め、直交偏波間の反射率の比とその位相差を求める。
その後、演算手段３６によって被測定物質２０の誘電率を算出する。

より詳細には、検波器３４０６は矩形導波管の垂直な電界方向の振幅しか測定できないが、垂直方向に対して角度を持った電界であっても、その電界を垂直成分と水平成分に分解すれば、電界の垂直成分を検波することが可能となる。
したがって、円角変換導波管３４０４と検波器３４０６を円形導波管回転接続器３４０２で回転させれば、円形導波管内の４５度に回転した電界成分を任意の角度成分として検波できる。
このとき、回転角が−４５度と＋４５度の場合の強度の比と位相差が楕円偏波の楕円率と回転方向を示す。回転角が−４５度と＋４５度の間では、直交偏波間の干渉効果で検波出力は０〜１の間の正弦波状に変化するので、検波出力が最小になる円形導波管回転接続器３４０２の回転角が直交偏波間の位相差に相当する。
この干渉効果は、円角変換導波管３４０４と矩形導波管内で行われるので、直交偏波（楕円偏波）の維持が必要となる。このため、誘電率測定装置３０においては、反射側には直交偏波減衰器を接続することはできない。
一方、入射側では円形導波管内に４５度回転した完全な直線偏波を発生させるために直交偏波減衰器３２０６が必要となる。

一般に、エリプソメトリ法は直交偏波間の反射率の比と位相差を測定するために、測定装置には高価なネットワークアナライザを使用する。一方で、実施の形態２ではネットワークアナライザを使用せずに一般的な測定用の導波管型発振器と導波管型検波器を用いることが可能である。また、実施の形態１と比較して、測定系を小型化することができる。

発振器３２０２は、小型の導波管型のガン発振器などが使用可能なので、入射側にひねり導波管は必要なく、発振器３２０２を４５度回転させて直接角円変換導波管３２０４に接続すればよい。
また、検波器３４０６は、矩形断面の長辺に垂直な電界成分のみを検波するので、直交偏波を分離して検波することができる。さらに、検波器３４０６と円角変換導波管１４１２を同時に回転させることで、円形導波管内の楕円偏波における直交偏波間の振幅の比と位相差を測定することが可能である。
また、検波器３４０６として、同軸検波器を用いることもできる。この場合、検波器３４０６（同軸検波器）を円角変換導波管３４０４に同軸−導波管変換器を介して接続する。これらの検出器は小型化が可能であり、自由に回転することが可能である。

図５は、矩形導波管の規格と対応する円形導波管の特性を示す表である。
カットオフ周波数は、各円形導波管において伝播可能な周波数の下限値である。すなわち、カットオフ周波数より低い周波数の電波は伝播しない。
円形導波管は基本モードのＴＥ１１モードで使用するので、図５には矩形導波管に対する円形導波管の直径（Ｄ）を示す。矩形導波管としてＷＲ１５（５０−７０ＧＨｚ）を用いる場合、これに適した円形導波管はＶ−Ｌｏｗであり、直径は４．１９ｍｍである。この場合、測定に用いる薄膜の被測定物質４０の大きさは、図４に示す十字分岐円形導波管３８の交差部３８１０に取り付けることを考慮しても１０ｍｍ程度の直径で十分である。また、被測定物質４０がバルクの場合には円形導波管の直径の大きさになる。すなわち、実施の形態１よりも小さな被測定物質４０で測定が可能となる。

また、直交偏波減衰器３２０６での不要モードのモードフィルタの効果で、オーバーサイズでの使用が可能である。すなわち、角円変換導波管３２０４と円角変換導波管３４０４以外は、矩形導波管ＷＲ１５（５０−７０ＧＨｚ）で設計した円形導波管部はＷＲ１０の帯域（７０−１１０ＧＨｚ）でも、矩形導波管ＷＲ１０の系はＷＲ６の帯域（１１０−１７０ＧＨｚ）でも、それぞれ使用可能である。

以上説明したように、実施の形態２にかかる誘電率測定装置３０は、十字分岐円形導波管３８を用いてエリプソメトリ法による誘電率測定装置を構成したので、装置構成を小型化することができるとともに、演算部（演算手段３６）に高価なネットワークアナライザを用いる必要がなく、測定コストを低減することができる。

１０，３０……誘電率測定装置、１２……入射側送波手段、１４……反射側測定手段、１６……ネットワークアナライザ、２０……被測定物質、１２０２……発振器、１２０４……導波管、１２０６……角円変換導波管、１２０８……入射側円形導波管、１２１０，１４１０……直交偏波減衰器、１２１２……入射側丸型ホーンアンテナ、１２１４……入射側パラボラ反射鏡、１４０２……平面反射鏡、１４０４……反射側パラボラ反射鏡、１４０６……反射側丸型ホーンアンテナ、１４０８……反射側円形導波管、１４１０……直交偏波減衰器、１４１２……円角変換導波管、１４１４……受信側矩形導波管、１４１６……検波器、１６０２……制御演算部。

Claims

入射波を発生し入射側矩形導波管内に送出する発振器と、前記入射波を被測定物質の表面に導く入射側円形導波管と、前記入射側矩形導波管と前記入射側円形導波管とを接続する角円変換導波管と、を備える入射側送波手段と、
前記被測定物質の表面で前記入射波が反射した反射波の偏波状態を測定する検波器と、
前記反射波を前記検波器に導く反射側円形導波管と、前記反射側円形導波管と前記検波器に接続された反射側矩形導波管とを接続する円角変換導波管と、を備える反射波測定手段と、
前記入射波の偏波状態と前記反射波の偏波状態との変化に基づいて前記被測定物質の複素誘電率を算出する演算手段と、を備える誘電率測定装置であって、
前記角円変換導波管の前記入射側円形導波管側に、当該入射側円形導波管内の電界方向と直交する偏波成分を減衰させる直交偏波減衰器を備える、
ことを特徴とする誘電率測定装置。
前記直交偏波減衰器は、前記入射側円形導波管内に当該入射側円形導波管内の電界方向と直交する偏波成分を減衰させる抵抗板を設けることによって構成される、
ことを特徴とする請求項１記載の誘電率測定装置。
前記直交偏波減衰器の前記抵抗板が前記入射側円形導波管内から前記角円変換導波管内に延在する、
ことを特徴とする請求項２記載の誘電率測定装置。
前記入射側送波手段は、
前記入射側円形導波管に接続され、前記入射波を球面波として空間上に送波する入射側丸型ホーンアンテナと、
前記入射側丸型ホーンアンテナから送波された前記入射波を平面波に変換するとともに、前記被測定物質の表面に導く入射側パラボラ反射鏡と、さらに備え、
前記反射側測定手段は、
前記被測定物質の表面で反射された前記反射波を平面波から球面波に変換する反射側パラボラ反射鏡と、
前記反射波を受信し前記反射側円形導波管に送波する反射側丸型ホーンアンテナと、さらに備え、
前記円角変換導波管の前記反射側円形導波管側に、当該反射側円形導波管内の電界方向と直交する偏波成分を減衰させる直交偏波減衰器を備える、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の誘電率測定装置。
２本の直線円形導波管が同一平面上に直交して接続され４つの端部を有する十字分岐円形導波管を備え、
前記４つの端部のうちの１つの端部である第１の端部には、前記発振器に接続された前記入射側矩形導波管が前記角円変換導波管を介して接続され、
前記第１の端部と直交する第２の端部には、円形導波管回転接続器および前記円角変換導波管を介して前記検波器に接続された前記反射側矩形導波管が接続され、
２本の前記直線円形導波管の交差部に前記被測定物質がその表面を前記第１の端部および前記第２の端部に対して４５度傾けて配置される、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の誘電率測定装置。