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WO2010106589A1 - 光測定装置及び光測定方法 - Google Patents

光測定装置及び光測定方法 Download PDF

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Publication number
WO2010106589A1
WO2010106589A1 PCT/JP2009/005142 JP2009005142W WO2010106589A1 WO 2010106589 A1 WO2010106589 A1 WO 2010106589A1 JP 2009005142 W JP2009005142 W JP 2009005142W WO 2010106589 A1 WO2010106589 A1 WO 2010106589A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
sample
terahertz
angle
reflected
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/005142
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
松本直樹
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
Publication of WO2010106589A1 publication Critical patent/WO2010106589A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor

Definitions

  • the present invention relates to a light measurement apparatus and a light measurement method for measuring physical properties such as dielectric constant, absorption coefficient, electrical conductivity, etc. of dielectric materials, semiconductors, magnetic materials, etc. in a non-contact manner using pulsed light in the terahertz frequency region. .
  • Patent Document 1 discloses a measuring device in which a device that detects the intensity and phase difference of transmitted light and a device that detects the intensity and phase difference of reflected light are configured as independent devices.
  • Patent Document 3 discloses an ellipsometer capable of deriving a complex optical constant spectrum of a sample in the terahertz region without performing a reference measurement.
  • Patent Document 3 employs an ellipsometry method that uses the property that the reflectance and phase of s-polarized light and p-polarized light differ depending on the complex dielectric constant of the sample, and calculates the physical property value based on the polarization change of the reflected light with respect to the incident light. is doing.
  • JP 2002-277393 A Japanese Patent Laying-Open No. 2005-227021 JP 2003-014620 A
  • the terahertz light measurement device disclosed in Patent Document 2 needs to include a transmitted light detection unit and a reflected light detection unit separately. Since all of these light detection units are expensive, there is a problem that it is difficult to reduce the cost of the entire measuring apparatus.
  • the incident angle of the terahertz light incident on the sample is originally based on the principle of the ellipsometry method, and the ratio of the amplitude reflection coefficient between the s-polarized light and the p-polarized light is the maximum. It is necessary to set near the Brewster angle. Since the Brewster angle changes depending on the complex dielectric constant of the sample, it is desirable to make the incident angle to the sample variable when employing the ellipsometry method.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and can switch between transmitted light detection and reflected light detection with a simple configuration, and changes the incident angle of the terahertz light incident according to the type of measurement sample.
  • An object of the present invention is to provide a light measuring device and a light measuring method capable of measuring a physical property value with high accuracy.
  • an optical measurement apparatus measures a terahertz light source that emits pulsed light in the terahertz frequency region, a photodetector that detects the pulsed light, and pulsed light emitted from the terahertz light source.
  • a symmetric position across the sample which is composed of at least two or more mirrors for guiding the transmitted light transmitted through the sample or the reflected light reflected by the sample to the photodetector.
  • the operation is controlled so as to change the incident angle of the pulsed light emitted from the terahertz light source to the sample by changing the position and angle of the two pairs of mirrors arranged in the mirror and the two pairs of mirrors.
  • a control mechanism is controlled so as to change the incident angle of the pulsed light emitted from the terahertz light source to the sample by changing the position and angle of the two pairs of mirrors arranged in the mirror and the two pairs of mirrors.
  • control mechanism is configured to change the position and angle of the two pairs of mirrors by a support arm having a center portion of the sample as a rotation center. It is characterized by being.
  • the control mechanism changes the position and angle of the two pairs of mirror groups so that the light detector transmits the transmitted light. It is characterized by switching between detection and detection of reflected light.
  • the optical measurement device is the optical measurement device according to any one of the first to third aspects, wherein the mirror group includes at least one curved mirror, and the pulsed light emitted from the terahertz light source in the vicinity of the sample. It is characterized by being collimated.
  • the light measurement device is characterized in that, in the third or fourth invention, a polarizer is provided on an optical path through which the pulsed light emitted from the terahertz light source propagates.
  • the light measurement device is based on the amplitude reflection coefficient ratio and phase difference of the s-polarized light and the p-polarized light of the sample when the control mechanism is switched to detect the reflected light in the fifth invention. And calculating a physical property value.
  • control mechanism is configured such that the incident angle of the pulsed light emitted from the terahertz light source to the sample substantially coincides with the Brewster angle of the sample. The operation is controlled.
  • the pulse light emitted from the terahertz light source incident on the sample has the same light intensity of s-polarized light and p-polarized light.
  • the amplitude detection coefficient ratio and the phase difference between the s-polarized light and the p-polarized light reflected by the sample are linearly polarized light, and the signal detected when the angle of the polarizer is set to 0 degree or 90 degrees. It is characterized by acquiring based on.
  • the terahertz light source is a photoconductive antenna that generates pulsed light in the terahertz frequency region using an optical rectification method.
  • the photoconductive antenna is arranged so that the polarization of the generated pulsed light is inclined by 45 degrees.
  • an optical measurement method includes a terahertz light source that emits pulsed light in the terahertz frequency region, a photodetector that detects the pulsed light, and pulses emitted from the terahertz light source.
  • the light is guided to the sample to be measured, and the transmitted light transmitted through the sample or the reflected light reflected by the sample is guided to the photodetector.
  • the sample is composed of at least two or more mirrors. Two pairs of mirror groups arranged at symmetrical positions, and changing the incident angle of the pulsed light emitted from the terahertz light source to the sample by changing the position and angle of the two pairs of mirror groups The operation is controlled so that
  • the light measurement method according to the eleventh invention is characterized in that, in the tenth invention, the positions and angles of the two pairs of mirror groups are changed by a support arm having a central portion of the sample as a rotation center.
  • the light measurement method according to a twelfth aspect of the present invention is the light measurement method according to the tenth or eleventh aspect, wherein the light detector detects transmitted light or reflects light by changing the position and angle of the two pairs of mirror groups. It is characterized by switching whether to detect light.
  • a terahertz light source that emits pulsed light in the terahertz frequency region, a photodetector that detects pulsed light, and the pulsed light emitted from the terahertz light source is guided to the sample to be measured, and the sample And two pairs of mirrors arranged at symmetrical positions with the sample interposed therebetween, which guides the transmitted light that has passed through or reflected light reflected by the sample to the photodetector.
  • the incident angle of the pulsed light emitted from the terahertz light source to the sample can be changed by changing the position and angle of the two pairs of mirror groups.
  • the position and angle of the two pairs of mirrors are changed by the support arm having the center portion of the sample as the center of rotation, so the relative positions of the terahertz light source and the photodetector are changed according to the sample. Therefore, it is possible to detect transmitted light and reflected light with a single photodetector. Further, each time the incident angle to the sample is changed, it is not necessary to perform complicated operations such as optical axis alignment, and pulse light can be reliably guided to the photodetector.
  • the photodetector switches between detecting transmitted light and reflected light.
  • the transmitted light and the reflected light can be detected by the instrument, so that the structure of the entire optical measuring device can be simplified and the cost can be reduced.
  • the mirror group includes at least one curved mirror, and collimates the pulsed light emitted from the terahertz light source in the vicinity of the sample, so that the physical property value is reliably measured even when the light receiving area of the sample is small. It becomes possible.
  • a polarization measurement function can be provided, and polarization measurement using the ellipsometry method can be performed. . It is also possible to measure an anisotropic sample.
  • a reference measurement when switching to detect reflected light, a reference measurement is performed by using a so-called ellipsometry method that calculates a physical property value based on the amplitude reflection coefficient ratio and phase difference of s-polarized light and p-polarized light of a sample. Therefore, it is not necessary to execute the measurement every measurement, and the measurement accuracy can be maintained high.
  • the pulsed light is applied to the sample near the Brewster angle of the sample.
  • the incident angle can be adjusted. Therefore, measurement can be performed at an incident angle at which the ratio of the s-polarized light and p-polarized light to the amplitude reflection coefficient is maximized, and the physical property value can be measured with high accuracy.
  • the pulsed light emitted from the terahertz light source incident on the sample is 45-degree linearly polarized light having the same light intensity of s-polarized light and p-polarized light, and the s-polarized light and p of reflected light reflected by the sample.
  • the amplitude reflection coefficient ratio and the phase difference of the polarized light are acquired based on a signal detected when the angle of the polarizer is set to 0 degree or 90 degrees.
  • a slight change in polarization due to the complex dielectric constant of the sample can be detected, and the physical property value can be measured with high accuracy.
  • the rotation angle of the polarizer is fixed at the set angle during the measurement, it is possible to reduce the mechanical error as compared with the conventional measurement method in which the polarizer is continuously rotated.
  • the terahertz light source includes a photoconductive antenna that generates pulsed light in the terahertz frequency region using an optical rectification method. Since the photoconductive antenna is arranged so that the polarization of the generated pulsed light is inclined by 45 degrees, it is possible to increase the utilization efficiency of the pulsed light emitted from the terahertz light source.
  • the incident angle of the pulsed light emitted from the terahertz light source to the sample can be changed by changing the position and angle of the two pairs of mirror groups, so the terahertz light source and the photodetector are fixed.
  • the terahertz light source and the photodetector are fixed.
  • FIG. 2 It is a schematic diagram which shows the mode of the polarization change of the pulsed light in the optical measurement apparatus which concerns on this Embodiment 2.
  • FIG. It is a graph which shows the result of having measured the amplitude reflection coefficient ratio of the p-type Si substrate with the optical measurement apparatus which concerns on this Embodiment 2.
  • FIG. It is a graph which shows the result of having measured the phase difference of the p-type Si substrate with the optical measurement apparatus which concerns on this Embodiment 2.
  • FIG. It is the graph which compared the result of having calculated the complex dielectric constant with the result of theoretical calculation based on the amplitude reflection coefficient ratio and phase difference of the p-type Si substrate which were measured with the optical measurement apparatus which concerns on this Embodiment 2.
  • FIG. It is a graph which shows the example which computed complex electrical conductivity in the optical measurement apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention.
  • the sample is irradiated with pulsed light having a frequency component of 0.1 ⁇ 10 12 to 100 ⁇ 10 12 Hertz and transmitted through the sample, or the sample surface
  • pulsed light having a frequency component of 0.1 ⁇ 10 12 to 100 ⁇ 10 12 Hertz
  • An example of a so-called terahertz light measuring device that calculates a physical property value of a sample and obtains it as a measured value by detecting the intensity and phase difference of the reflected light reflected by the light source will be specifically described based on the drawings. .
  • FIG. 1 and 2 are schematic views showing the configuration of the light measurement apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the light measurement device when measuring transmitted light
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the light measurement device when measuring reflected light.
  • the light measurement apparatus splits the pulsed light L1 emitted from the pulsed laser 1 with the beam splitter 2, and supplies the one pulsed light L2 to the condenser lens 3a. Induce.
  • the pulsed light L2 condensed on the terahertz light source element (terahertz light source) 4 by the condenser lens 3a is converted into pulsed light in the terahertz frequency region, and the converted terahertz light L4 is mirrored by the non-axial parabolic mirror 5 Guided to group 10a.
  • the pulse laser 1 for example, a mode-locked femtosecond (fs) unit ultrashort pulse laser is used, and the pulse width is preferably 10 to 150 femtoseconds.
  • the terahertz light source element 4 includes a photoconductive antenna formed on, for example, a low-temperature grown GaAs thin film.
  • FIG. 3 is an exemplary diagram showing a configuration of an antenna module when the terahertz light source element 4 includes a photoconductive antenna.
  • FIG. 3A is a schematic perspective view of the antenna module
  • FIG. 3B is an enlarged view of the vicinity of the antenna gap.
  • An antenna pattern 43 having an antenna gap 42 is formed on the photoconductive antenna substrate 41, and a bias voltage is applied to both ends of the electrodes forming the antenna gap 42 by a bias power supply 44.
  • a transient current flows instantaneously, and 0.1 ⁇ 10 12 to 100 ⁇ due to electric dipole radiation. 10 12 Hz, i.e.
  • terahertz light L4 pulsed light in the terahertz frequency range (terahertz light) L4 is generated.
  • the generated terahertz light L4 is radiated into free space by the silicon hemisphere lens 45 that is in close contact with the back surface of the photoconductive antenna substrate 41.
  • the mirror group 10a includes a plane mirror 11a and a non-axis parabolic mirror (curved mirror) 12a.
  • the plane mirror 11a is mounted on a rotation stage 13a that can rotate around the position irradiated with the terahertz light L4, and the rotation stage 13a can linearly move in a direction parallel to the terahertz light L4.
  • a moving rail (not shown) is provided in a direction parallel to the terahertz light L4, and the moving rail can be moved linearly.
  • the non-axial parabolic mirror 12a is connected to a support arm 14a whose center of rotation is the central portion of the sample 6 to be measured.
  • the support arm 14a is attached to the rotation center of the rotation stage 13b that rotates on the same rotation center axis as the rotation stage 13c on which the sample 6 is mounted and the rotation stage 13d to which the support arm 14b described later is attached.
  • the axial parabolic mirror 12a can be rotated and moved with the effective focal length EFL as the rotation radius. That is, the rotary stages 13b, 13c, and 13d are provided on the same rotation center axis in the direction perpendicular to the paper surface of FIGS. 1 and 2, and can rotate independently.
  • the terahertz light L4 is collimated at the center portion of the sample 6, that is, at the rotation center of the non-axial parabolic mirror 12a.
  • the position and tilt angle of the plane mirror 11a are controlled so that the angle formed between the incident light and the reflected light in the non-axis parabolic mirror 12a is always 90 degrees.
  • the rotation stage 13c on which the sample 6 is mounted is rotated so that the terahertz light L4 enters the sample 6 at an incident angle of 0 degree, and the inclination angle of the plane mirror 11a is 45 degrees.
  • the distance between the center portion of the sample 6 and the plane mirror 11a is equal to the effective focal length EFL of the non-axial parabolic mirror 12a.
  • the support arm 14a is controlled so as to be parallel to the direction orthogonal to the sample 6, that is, the terahertz light L4 incident on the plane mirror 11a.
  • the rotation angle of the support arm 14a, the horizontal axis position and tilt angle of the plane mirror 11a, and the rotation angle of the sample 6 are controlled by an actuator (not shown), such as a servo motor or a stepping motor, for controlling the respective operations. (Control mechanism).
  • the rotation stage 13c on which the sample 6 is mounted is rotated 90 degrees from the position at the time of transmitted light measurement so that the terahertz light L4 is incident on the sample 6 with an incident angle. is there.
  • the tilt angle of the plane mirror 11a, the position of the plane mirror 11a in the horizontal axis direction when the central portion of the sample 6 is the rotation center, the tilt angle, and the rotation position of the support arm 14a are determined by the incident light and the reflection at the non-axis parabolic mirror 12a.
  • the angle formed with the light is 90 degrees, and the distance between the center point of the sample 6 and the reflection position at the non-axial parabolic mirror 12a is controlled to be equal to the effective focal length EFL of the non-axial parabolic mirror 12a.
  • the FIG. 4 is an explanatory diagram for calculating the relationship between the position in the horizontal axis direction of the plane mirror 11a, the tilt angle, and the rotational position of the support arm 14a.
  • the distance in the horizontal axis direction from the reflection position of the terahertz light L4 on the plane mirror 11a to the center point of the sample 6 is x, and the distance in the vertical axis direction is h.
  • the incident angle of the terahertz light L4 to the sample 6 (inclination angle from the direction orthogonal to the surface of the sample 6) is ⁇ i
  • the inclination angle ⁇ m of the plane mirror 11a is equal to the angle A and the angle A ′ shown in FIG. Diagonal relationship). Since the angle A is (180 ⁇ i) / 2, the inclination angle ⁇ m of the plane mirror 11a can be expressed as (180 ⁇ i) / 2.
  • the distance x in the horizontal axis direction from the reflection position of the terahertz light L4 at the plane mirror 11a to the center point of the sample 6 is the extension direction of the sample 6 from the center point of the sample 6 (the incident direction of the terahertz light L4 to the plane mirror 11a).
  • y can be calculated as EFL / cos (90 ⁇ i) from a right triangle including EFL, and therefore x can be calculated by (Expression 1).
  • the transmitted light that has passed through the sample 6 or the reflected light that has been reflected by the sample 6 is guided to the photodetector 8 by the mirror group 10b that is arranged symmetrically with the sample 6 in between.
  • the mirror group 10b includes a plane mirror 11b and a non-axis parabolic mirror 12b.
  • the plane mirror 11b is mounted on a rotation stage 13e that can rotate around the position irradiated with the terahertz light L4, and the rotation stage 13e can linearly move in a direction parallel to the terahertz light L4.
  • a moving rail (not shown) is provided in a direction parallel to the terahertz light L4, and the moving rail can be moved linearly.
  • the non-axial parabolic mirror 12b is connected to a support arm 14b whose center of rotation is the central portion of the sample 6 to be measured.
  • the support arm 14b is attached to the rotary stage 13d, and can rotate and move with the effective focal length EFL of the non-axial parabolic mirror 12b as the rotation radius.
  • the terahertz light L4 collimated at the center portion of the sample 6, that is, the rotation center of the non-axial parabolic mirror 12b, is transmitted through the sample 6 and guided to the non-axial parabolic mirror 12b.
  • the inclination angle of the plane mirror 11b is 135 (45) degrees symmetrical to the plane mirror 11a, and the distance between the central portion of the sample 6 and the plane mirror 11b is the non-axial parabolic mirror 12b. Is equal to the effective focal length EFL.
  • the support arm 14b is controlled to be parallel to the direction orthogonal to the sample 6, that is, the terahertz light L4 emitted from the plane mirror 11b.
  • the rotation angle of the support arm 14b, the horizontal axis position and the inclination angle of the plane mirror 11b are controlled by an actuator (not shown), such as a servo motor or a stepping motor, which controls the respective operations (control mechanism).
  • the inclination angle of the plane mirror 11b, the position in the horizontal axis direction of the plane mirror 11b when the central portion of the sample 6 is the rotation center, the inclination angle, and the rotation position of the support arm 14b are non-axial.
  • the angle formed by the incident light and the reflected light at the parabolic mirror 12b is 90 degrees, and the distance between the center point of the sample 6 and the reflection position at the non-axial parabolic mirror 12b is the same as that of the non-axial parabolic mirror 12b. It is controlled to be equal to the effective focal length EFL.
  • the inclination angle of the plane mirror 11b can be expressed by 180 ⁇ (180 ⁇ i) / 2, and the terahertz light L4 from the plane mirror 11b can be expressed.
  • the distance x to the reflection position can also be calculated by (Equation 1) described above with the central portion of the sample 6 as the rotation center.
  • the position and inclination angle of the plane mirror 11b in the horizontal axis direction, and the rotation position of the support arm 14b are symmetric with respect to the plane mirror 11a and the sample 6 by the actuator (not shown) that controls the respective operations. Further, the plane mirror 11b is controlled so that the tilt angle of the plane mirror 11b is symmetric with the plane mirror 11a, and the rotational position of the support arm 14b is symmetric with the support arm 14a.
  • the terahertz light L4 parallel to the terahertz light L4 can be reflected by the plane mirror 11b.
  • the incident angle to the sample 6 is changed, it is not necessary to perform complicated adjustment work such as optical axis alignment of reflected light each time by automatically controlling the operation of the actuator according to the method described above.
  • the reflected light can be easily guided to the photodetector 8.
  • the reflected light reflected by the sample 6 is reflected and guided to the plane mirror 11b so that the angle formed by the incident light and the reflected light in the non-axial parabolic mirror 12b of the mirror group 10b is 90 degrees.
  • the terahertz light L4 guided by the plane mirror 11b to the non-axial parabolic mirror 7 disposed at a position substantially symmetrical to the non-axial parabolic mirror 5 and at least parallel to the terahertz light L4 is detected by the photodetector 8. Is incident on.
  • the pulsed light L3 dispersed by the beam splitter 2 is condensed by the condenser lens 3b via the optical delay line 9, and enters the photodetector 8.
  • the signal according to the electric field strength at the time of the terahertz light L4 reaching the photodetector 8 can be detected.
  • the pulse waveform of the terahertz light L4 can be acquired by delay sweeping the arrival time of the pulsed light L3 reaching the photodetector 8 to the photodetector 8 by the optical delay line 9.
  • the positions and angles of the two pairs of mirror groups 10a and 10b arranged at symmetrical positions with the sample 6 in between are changed in cooperation, thereby providing a terahertz light source element. Since the incident angle of the pulsed light (terahertz light) L4 emitted from 4 to the sample 6 can be changed, either transmitted light or reflected light is detected with the terahertz light source element 4 and the photodetector 8 fixed. It is possible to adjust the incident angle of the pulsed light (terahertz light) L4 to the sample 6 when the reflected light is detected.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a light measurement apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 shows the configuration of the light measurement device at the time of reflected light measurement.
  • the same reference numerals are given to the same configurations as those in the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.
  • the light measurement device splits the pulsed light L1 emitted from the pulsed laser 1 with the beam splitter 2, and guides one pulsed light L2 to the condenser lens 3a.
  • the pulsed light L2 collected by the condensing lens 3a is converted into pulsed light of 0.1 ⁇ 10 12 to 100 ⁇ 10 12 hertz, that is, a terahertz frequency region through a terahertz light source element (terahertz light source) 4;
  • the converted terahertz light L4 is guided to the mirror group 10a by the non-axis parabolic mirror 5.
  • the terahertz light L4 is incident on the polarizer 21, and only linearly polarized light L5 that oscillates in a direction inclined by 45 degrees from a plane perpendicular to the incident surface is extracted.
  • the “polarizer” is, for example, a wire grid in which fine metal wires are periodically arranged.
  • the 45-degree linearly polarized light L5 is a vector sum of s-polarized light and p-polarized light having the same electric field amplitude intensity.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a change in polarization of pulsed light in the light measurement device according to the second embodiment.
  • FIG. 6A is a schematic diagram showing 45-degree linearly polarized light L5 extracted by the polarizer 21.
  • the mirror group 10a is composed of a plane mirror 11a and a non-axis parabolic mirror 12a.
  • the plane mirror 11a is mounted on a rotation stage 13a that can rotate around the position irradiated with the terahertz light L4, and the rotation stage 13a can linearly move in a direction parallel to the terahertz light L4.
  • a moving rail (not shown) is provided in a direction parallel to the terahertz light L4, and the moving rail can be moved linearly.
  • the non-axial parabolic mirror 12a is connected to a support arm 14a whose center of rotation is the central portion of the sample 6 to be measured.
  • the support arm 14a is attached to the rotary stage 13b, and can rotate and move with the effective focal length EFL of the non-axial parabolic mirror 12a as the rotation radius.
  • the terahertz light L4 is collimated at the center portion of the sample 6, that is, the rotation center of the non-axial parabolic mirror 12a.
  • the position and tilt angle of the plane mirror 11a are controlled so that the angle formed between the incident light and the reflected light in the non-axial parabolic mirror 12a is always 90 degrees.
  • the terahertz light L4 since the terahertz light L4 is collimated in the vicinity of the sample 6, it is possible to reliably measure the physical property value even when the light receiving area of the sample 6 is small.
  • the rotation position of the rotation stage 13c on which the sample 6 is mounted is the position at the time of reflected light measurement, that is, the rotation stage on which the sample 6 is mounted so that the 45-degree linearly polarized light L5 is incident on the sample 6 with an incident angle. 13c is rotated 90 degrees from the position at the time of transmitted light measurement.
  • the tilt angle of the plane mirror 11a, the position of the plane mirror 11a in the horizontal axis direction when the central portion of the sample 6 is the rotation center, the tilt angle, and the rotation position of the support arm 14a are determined by the incident light and the reflection at the non-axis parabolic mirror 12a.
  • the angle formed by the light is 90 degrees, and the distance between the center point of the sample 6 and the reflection position at the non-axial parabolic mirror 12a is controlled to be equal to the effective focal length EFL of the non-axial parabolic mirror 12a.
  • the inclination angle of the plane mirror 11a can be expressed by (180 ⁇ i) / 2, and the sample is measured from the reflection position of the 45-degree linearly polarized light L5 on the plane mirror 11a.
  • the distance x to the center point 6 can also be calculated by the above-described (Expression 1).
  • FIG. 6B is a schematic diagram showing elliptically polarized light L6.
  • the elliptically polarized light L6 is guided to the mirror group 10b arranged symmetrically with the sample 6 in between.
  • the mirror group 10b includes a plane mirror 11b and a non-axis parabolic mirror 12b.
  • the plane mirror 11b is mounted on a rotation stage 13e that can rotate around a position irradiated with terahertz light, and the rotation stage 13e can linearly move in a direction parallel to the terahertz light L4.
  • a moving rail (not shown) is provided in a direction parallel to the terahertz light L4, and the moving rail can be linearly moved.
  • the non-axial parabolic mirror 12b is connected to a support arm 14b whose center of rotation is the central portion of the sample 6 to be measured.
  • the support arm 14b is attached to the rotary stage 13d, and can rotate and move with the effective focal length EFL of the non-axial parabolic mirror 12b as the rotation radius.
  • the 45-degree linearly polarized light L5 collimated at the center portion of the sample 6, that is, the rotation center of the non-axial parabolic mirror 12b, is reflected by the surface of the sample 6 and guided to the non-axial parabolic mirror 12b.
  • the tilt angle of the plane mirror 11b, the position of the plane mirror 11b in the horizontal axis direction when the center portion of the sample 6 is the center of rotation, the tilt angle, and the rotation position of the support arm 14b are determined by incident light and reflection at the non-axis parabolic mirror 12b.
  • the angle formed by the light is 90 degrees, and the distance between the center point of the sample 6 and the reflection position at the non-axial parabolic mirror 12b is controlled to be equal to the effective focal length EFL of the non-axial parabolic mirror 12b.
  • the inclination angle of the plane mirror 11b can be expressed by 180 ⁇ (180 ⁇ i) / 2, and the elliptically polarized light L6 at the plane mirror 11b
  • the distance x to the reflection position can also be calculated by (Equation 1) described above with the central portion of the sample 6 as the rotation center.
  • the position and inclination angle of the plane mirror 11b in the horizontal axis direction, and the rotation position of the support arm 14b are symmetric with respect to the plane mirror 11a and the sample 6 by the actuator (not shown) that controls the respective operations. Further, the plane mirror 11b is controlled so that the tilt angle of the plane mirror 11b is symmetric with the plane mirror 11a, and the rotational position of the support arm 14b is symmetric with the support arm 14a.
  • the terahertz light L4 parallel to the terahertz light L4 can be reflected by the plane mirror 11b.
  • the incident angle to the sample 6 is changed, it is not necessary to perform complicated adjustment work such as optical axis alignment of reflected light each time by automatically controlling the operation of the actuator according to the method described above.
  • the reflected light can be easily guided to the photodetector 8.
  • the reflected light reflected by the sample 6 is reflected and guided to the plane mirror 11b so that the angle formed by the incident light and the reflected light in the non-axial parabolic mirror 12b of the mirror group 10b is 90 degrees.
  • the elliptically polarized light L6 reflected by the plane mirror 11b is guided to the non-axial parabolic mirror 7 disposed at a position symmetrical to the non-axial parabolic mirror 5 via the polarizer 22 and the polarizer 23. .
  • the elliptically polarized light L6 is extracted as linearly polarized light L7 separated by the polarizer 22 into an s-polarized component and a p-polarized component. That is, by setting the angle of the polarizer 22 to 0 degree or 90 degrees, only s-polarized light or p-polarized light is extracted.
  • FIG. 6C is a schematic diagram showing s-polarized light or p-polarized linearly polarized light L7. In FIG.6 (c), the arrow has shown the oscillating direction of the electric field vector, and has shown s polarized light or p polarized light.
  • the linearly polarized light L7 is incident on the photodetector 8 through the polarizer 23.
  • the polarizer 23 is set at an angle of ⁇ 45 degrees with respect to a plane perpendicular to the incident plane, whereby both the s-polarized component and the p-polarized component can be detected by the photodetector 8.
  • the linearly polarized light L7 is reflected by the non-axial parabolic mirror 7 and enters the photodetector 8.
  • the pulsed light L3 dispersed by the beam splitter 2 is also condensed by the condenser lens 3b via the optical delay line 9 and is incident on the photodetector 8.
  • the pulse waveform of the terahertz light L4 can be acquired by delay sweeping the arrival time of the pulsed light L3 to the photodetector 8 by the optical delay line 9.
  • the time waveforms of s-polarized light and p-polarized light are acquired by attaching the polarizer 22 to the rotary stage and switching the rotation angle to 0 degree or 90 degrees. That is, when the acquisition of the time waveform of s-polarized light or p-polarized light is completed, the rotation angle of the polarizer 22 is switched to acquire the time waveform of s-polarized light or p-polarized light.
  • the complex reflection coefficients r s and r p of s-polarized light and p-polarized light can be obtained by performing Fourier transform on the acquired time waveform, the order of s-polarized light and p-polarized light that can be measured by the ellipsometry method.
  • the ratio ⁇ of the complex reflection coefficients r s and r p in the complex plane can be defined as shown in (Equation 2).
  • Equation 2 the absolute value of the phase [delta] p and the amplitude reflection coefficient of the s-polarized light of the phase [delta] s, p-polarized light
  • the complex permittivity ⁇ cn of the sample 6 is obtained.
  • FIG. 7 is a graph showing the result of measuring the amplitude reflection coefficient ratio tan ⁇ of a p-type Si substrate having a resistivity of 1.1 to 1.4 ⁇ ⁇ cm as the sample 6 in the optical measurement device according to the second embodiment.
  • FIG. 8 shows the result of measuring the phase difference ⁇ of a p-type Si substrate having a resistivity of 1.1 to 1.4 ⁇ ⁇ cm as the sample 6 by the light measurement apparatus according to the second embodiment. It is a graph.
  • the complex permittivity ⁇ cn of Si is (12 ⁇ i ⁇ 0.5)
  • the Brewster angle is approximately 73 degrees. Therefore, when the measurement in FIGS. 7 and 8 is performed, the terahertz light L4 is incident on the sample 6.
  • the positions and rotation angles of the mirror groups 10a and 10b were adjusted so that the angle was 70 degrees.
  • the incident angle of the terahertz light L4 on the sample 6 is adjusted in the vicinity of the Brewster angle of the sample 6 because the complex reflection coefficients r s and r p of the s-polarized light and the p-polarized light of the sample 6 are adjusted in the vicinity of the Brewster angle. Because the ratio ⁇ is maximized, the complex permittivity ⁇ cn of the sample 6 can be obtained with high accuracy based on (Equation 5).
  • the incident angle to the sample 6 can be adjusted by changing the position and the rotation angle of the mirror groups 10a and 10b, so that the terahertz light source element 4 and The photodetector 8 can be fixed, and complicated adjustment work such as optical axis alignment becomes unnecessary when changing the incident angle. Therefore, even when the sample 6 is frequently replaced, a troublesome operation does not occur for the measurer, and the measurement result can be acquired in a relatively short time.
  • the amplitude reflection coefficient ratio tan ⁇ and the phase difference ⁇ of the p-type Si substrate are changed according to the frequency in the terahertz band. It can be seen that the changing state is clearly measured.
  • FIG. 9 shows the result of calculating the complex permittivity ⁇ cn based on the amplitude reflection coefficient ratio tan ⁇ and the phase difference ⁇ of the p-type Si substrate measured by the optical measurement apparatus according to the second embodiment and the theoretical calculation described later. It is the graph which compared the result.
  • the real part ⁇ ′ and the imaginary part ⁇ ′′ when the complex dielectric constant ⁇ cn is expressed as ⁇ cn ⁇ ′ ⁇ i ⁇ ′′ are calculated as a function of frequency.
  • the real part 91 calculated based on (Expression 5) indicated by ⁇ is substantially coincident with the real part 92 (solid line) obtained as a result of theoretical calculation based on the Drude model described later.
  • the imaginary part 93 obtained by calculation based on (Equation 5) indicated by a circle is substantially coincident with the imaginary part 94 (solid line) obtained by theoretical calculation based on the Drude model described later. It is clear that the tendency that the value of the imaginary part ⁇ ′′ increases in the region can be measured with high accuracy.
  • ⁇ cn ( ⁇ ) represents the complex electrical conductivity, and can be represented by the sum of the real part ⁇ ′ ( ⁇ ) and the imaginary part ⁇ ′′ ( ⁇ ).
  • Complex dielectric obtained by (Expression 5)
  • the following equation (7) is obtained.
  • the complex permittivity in vacuum is ⁇ 0
  • the complex permittivity in the high frequency limit is ⁇ ( ⁇ ).
  • the resistivity ⁇ can be obtained as the reciprocal of the real part ⁇ ′ ( ⁇ ) of the complex electrical conductivity ⁇ cn ( ⁇ ).
  • FIG. 10 is a graph showing an example in which the complex electrical conductivity ⁇ cn ( ⁇ ) is calculated by the optical measurement device according to the second embodiment of the present invention. As the sample 6, the p-type Si substrate described above is used.
  • ⁇ mark real sigma 'the (omega) of the complex electrical conductivity ⁇ cn ( ⁇ ), ⁇ mark imaginary part of the complex electrical conductivity ⁇ cn ( ⁇ ) ⁇ "the (omega), respectively
  • the complex electric conductivity ⁇ cn ( ⁇ ) since the carrier cannot follow the speed of the electric field change as the frequency becomes higher, the complex electric conductivity ⁇ cn ( ⁇ )
  • the resistivity ⁇ calculated as the reciprocal of the real part ⁇ ′ ( ⁇ ) of the complex electrical conductivity ⁇ cn ( ⁇ ) is low-frequency side (near ⁇ is 0). 1.0 to 1.1 ⁇ ⁇ cm, which is substantially equal to the resistivity ⁇ of the p-type Si substrate used.
  • the carrier concentration N, the carrier scattering time ⁇ , and the mobility ⁇ can be calculated based on the complex dielectric constant ⁇ cn calculated by (Equation 5).
  • the complex permittivity ⁇ cn is expressed as (Equation 8).
  • the complex permittivity in vacuum is ⁇ 0
  • the complex permittivity in the high frequency limit is ⁇ ( ⁇ ).
  • the plasma frequency ⁇ p can be expressed by (Equation 9) where N is the carrier concentration, m * is the effective mass, and e is the charge amount of electrons.
  • the carrier concentration N can be obtained.
  • the real part 92 and the imaginary part 94 (solid line) of the complex permittivity ⁇ cn in FIG. 9 indicate the real part ⁇ ′ and the imaginary part ⁇ ′′ derived by the fitting process using the above-described method.
  • the carrier concentration N is 1.3 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 and the carrier scattering time ⁇ is 1 ⁇ 10 ⁇ 13 sec.
  • the mobility ⁇ can be calculated from (Equation 14) based on the carrier scattering time ⁇ .
  • the mobility ⁇ can be a value of 436 cm 2 V ⁇ 1 sec ⁇ 1 . It was confirmed that the physical property values of the above-described p-type Si substrate were generally consistent with general values obtained by a conventional semiconductor physical property measurement method such as hole measurement.
  • the incident angle of the pulsed light emitted from the terahertz light source element 4 to the sample 6 is changed by changing the positions and angles of the two pairs of mirror groups 10a and 10b. Therefore, the incident angle when detecting reflected light can be freely adjusted. Therefore, it is not necessary to change the relative positions of the terahertz light source element 4 and the light detector 8 according to the sample 6, the reflected light can be detected by the single light detector 8, and the incident angle to the sample 6 is changed. Each time, it is not necessary to perform complicated adjustment work such as optical axis alignment.
  • the pulsed light emitted from the terahertz light source element 4 incident on the sample 6 is 45-degree linearly polarized light having the same intensity of s-polarized light and p-polarized light, and the s-polarized light and p of the reflected light reflected by the sample.
  • the amplitude reflection coefficient ratio tan ⁇ and the phase difference ⁇ of the polarized light are obtained based on a signal detected when the angle of the polarizer is set to 0 degree or 90 degrees.
  • a slight change in polarization that changes depending on the complex dielectric constant of the sample 6 can be detected, and measurement can be performed with high accuracy.
  • the rotation angle of the polarizer is fixed at the set angle during the measurement, it is possible to reduce the mechanical error as compared with the conventional measurement method in which the polarizer is continuously rotated.
  • Embodiments 1 and 2 described above can be modified without departing from the spirit of the present invention.
  • the configuration of the mirror groups 10a and 10b is particularly limited as long as the mirror groups 10a and 10b are arranged at symmetrical positions with the sample 6 interposed therebetween, have at least one curved mirror, and can be accommodated in a housing. Is not to be done.
  • SYMBOLS 1 Pulse laser 2 Beam splitter 3a Condensing lens 4 Terahertz light source element (terahertz light source) 6 Sample 5, 7 Non-axis parabolic mirror 8 Optical detector 9 Optical delay line 10a, 10b Mirror group 11a, 11b Plane mirror 12a, 12b Non-axis parabolic mirror (curved mirror) 13a, 13b, 13c, 13d, 13e Rotating stage 14a, 14b Support arm

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Abstract

　簡便な構成で透過光検出と反射光検出とを切り替えることができ、試料の種類に応じて入射させるテラヘルツ光の入射角を変更することで精度良く物性値を測定することができる光測定装置及び光測定方法を提供する。テラヘルツ周波数領域のパルス光を発するテラヘルツ光源４と、パルス光を検出する光検出器８と、テラヘルツ光源４から発したパルス光を測定対象である試料６へ誘導し、試料６を透過した透過光又は試料６で反射した反射光を光検出器８へ誘導する、少なくとも二以上のミラーで構成された、試料６を挟んで対称な位置に配置してある二対のミラー群１０ａ、１０ｂを備える。二対のミラー群１０ａ、１０ｂの位置及び角度を変更することにより、テラヘルツ光源４から発したパルス光の試料６への入射角を変更する。

Description

光測定装置及び光測定方法
　本発明は、テラヘルツ周波数領域のパルス光を用いて、誘電体、半導体、磁性体等の誘電率、吸収係数、電気伝導度等の物性値を非接触で測定する光測定装置及び光測定方法に関する。
　従来の光測定装置、特にテラヘルツ周波数領域のパルス光を用いた光測定装置では、０．１×１０12～１００×１０12ヘルツの周波数成分を有するパルス光を試料に照射し、試料を透過した透過光、又は試料表面で反射した反射光の強度及び位相差を検出することにより、試料の物性値を算出する。例えば特許文献１には、透過光の強度及び位相差を検出する装置と反射光の強度及び位相差を検出する装置とを、それぞれ独立した装置として構成してある測定装置が開示されている。
　テラヘルツ光を透過する試料であっても、吸収係数が大きい試料の場合には十分な強度を有する透過光を得ることができない。また、導電性膜上に形成された薄膜が試料である場合等にはテラヘルツ光が透過しないことから、反射光の強度及び位相差を検出する装置へ切り替える必要がある。そこで、特許文献２では、透過光検出部と反射光検出部とを備え、試料に応じてワイヤーグリッドを切り替えることにより、１台の測定装置で透過光及び反射光の両方を検出することができるテラヘルツ光測定装置が開示されている。
　反射測定の場合は、リファレンスの反射面と試料との相対反射率比及び位相差を正確に測定する必要がある。しかし、リファレンスの反射面と試料との位置を切り替える場合に生じる機械的誤差等により、特に位相差を正確に測定することが困難であるという問題点があった。斯かる問題点を解決するべく、例えば特許文献３には、テラヘルツ領域における試料の複素光学定数スペクトルをリファレンス測定することなく導出することが可能な偏光解析装置が開示されている。特許文献３では、試料の複素誘電率によってｓ偏光及びｐ偏光の反射率及び位相が異なるという性質を利用し、入射光に対する反射光の偏光変化に基づいて物性値を算出するエリプソメトリ法を採用している。
特開２００２－２７７３９３号公報 特開２００５－２２７０２１号公報 特開２００３－０１４６２０号公報
　測定試料に応じて透過測定と反射測定との切り替えを行う場合、特許文献２に開示されているテラヘルツ光測定装置では、透過光検出部と反射光検出部とを別個に備える必要がある。これらの光検出部はいずれも高価であることから、測定装置全体としてコストダウンが困難であるという問題点があった。
　また、特許文献３に開示されている偏光解析装置において、本来はエリプソメトリ法の原理に基づき、試料へ入射させるテラヘルツ光の入射角は、ｓ偏光とｐ偏光との振幅反射係数比が最大となるブリュースター角近傍に設定する必要がある。ブリュースター角は試料の複素誘電率に依存して変化するため、エリプソメトリ法を採用する場合には、試料への入射角を可変とすることが望ましい。しかし、特許文献３の光学系配置では、テラヘルツ光源と光検出部との物理的配置によって入射角が固定されてしまうことから、試料によっては試料へ入射させるテラヘルツ光の入射角がブリュースター角とかけ離れ、測定した物性値の信頼性が低くなるという問題点があった。
　本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、簡便な構成で透過光検出と反射光検出とを切り替えることができ、測定試料の種類に応じて入射させるテラヘルツ光の入射角を変更することで精度良く物性値を測定することができる光測定装置及び光測定方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために第１発明に係る光測定装置は、テラヘルツ周波数領域のパルス光を発するテラヘルツ光源と、該パルス光を検出する光検出器と、前記テラヘルツ光源から発したパルス光を測定対象である試料へ誘導し、該試料を透過した透過光又は前記試料で反射した反射光を前記光検出器へ誘導する、少なくとも二以上のミラーで構成された、前記試料を挟んで対称な位置に配置してある二対のミラー群と、二対の該ミラー群の位置及び角度を変更することにより、前記テラヘルツ光源から発したパルス光の前記試料への入射角を変更するよう動作を制御する制御機構とを備えることを特徴とする。
　また、第２発明に係る光測定装置は、第１発明において、前記制御機構は、前記試料の中央部分を回転中心とした支持アームにより二対の前記ミラー群の位置及び角度を変更するようにしてあることを特徴とする。
　また、第３発明に係る光測定装置は、第１又は第２発明において、前記制御機構は、二対の前記ミラー群の位置及び角度を変更することにより、前記光検出器が、透過光を検出するか、反射光を検出するかを切り替えるようにしてあることを特徴とする。
　また、第４発明に係る光測定装置は、第１乃至第３発明のいずれか１つにおいて、前記ミラー群は曲面鏡を少なくとも一含み、前記試料近傍にて前記テラヘルツ光源から発したパルス光をコリメートするようにしてあることを特徴とする。
　また、第５発明に係る光測定装置は、第３又は第４発明において、前記テラヘルツ光源から発したパルス光が伝播する光路上に偏光子を備えることを特徴とする。
　また、第６発明に係る光測定装置は、第５発明において、前記制御機構により前記反射光を検出するよう切り替えた場合、前記試料のｓ偏光及びｐ偏光の振幅反射係数比及び位相差に基づいて物性値を算出することを特徴とする。
　また、第７発明に係る光測定装置は、第６発明において、前記制御機構は、前記テラヘルツ光源から発したパルス光の前記試料への入射角が、前記試料のブリュースター角と略一致するよう動作を制御することを特徴とする。
　また、第８発明に係る光測定装置は、第６又は第７発明において、前記試料に入射される、前記テラヘルツ光源から発したパルス光は、ｓ偏光及びｐ偏光の光強度が同等である４５度直線偏光であり、前記試料で反射した反射光のｓ偏光及びｐ偏光の振幅反射係数比及び位相差を、前記偏光子の角度を０度又は９０度に設定した場合に検出される信号に基づいて取得するようにしてあることを特徴とする。
　また、第９発明に係る光測定装置は、第６乃至第８発明のいずれか１つにおいて、前記テラヘルツ光源は、光整流法を用いてテラヘルツ周波数領域のパルス光を発生する光導電性アンテナを備え、該光導電性アンテナは、発生するパルス光の偏光が４５度傾斜するように配置されていることを特徴とする。
　次に、上記目的を達成するために第１０発明に係る光測定方法は、テラヘルツ周波数領域のパルス光を発するテラヘルツ光源と、該パルス光を検出する光検出器と、前記テラヘルツ光源から発したパルス光を測定対象である試料へ誘導し、該試料を透過した透過光又は前記試料で反射した反射光を前記光検出器へ誘導する、少なくとも二以上のミラーで構成された、前記試料を挟んで対称な位置に配置してある二対のミラー群とを備え、二対の該ミラー群の位置及び角度を変更することにより、前記テラヘルツ光源から発したパルス光の前記試料への入射角を変更するよう動作を制御することを特徴とする。
　また、第１１発明に係る光測定方法は、第１０発明において、前記試料の中央部分を回転中心とした支持アームにより二対の前記ミラー群の位置及び角度を変更することを特徴とする。
　また、第１２発明に係る光測定方法は、第１０又は第１１発明において、二対の前記ミラー群の位置及び角度を変更することにより、前記光検出器が、透過光を検出するか、反射光を検出するかを切り替えることを特徴とする。
　第１発明及び第１０発明では、テラヘルツ周波数領域のパルス光を発するテラヘルツ光源と、パルス光を検出する光検出器と、該テラヘルツ光源から発したパルス光を測定対象である試料へ誘導し、試料を透過した透過光又は試料で反射した反射光を光検出器へ誘導する、少なくとも二以上のミラーで構成された、試料を挟んで対称な位置に配置してある二対のミラー群とを備えている。二対のミラー群の位置及び角度を変更することにより、テラヘルツ光源から発したパルス光の試料への入射角を変更することができるので、テラヘルツ光源及び光検出器を固定した状態で透過光／反射光のいずれを検出するかを切り替えること、及び反射光検出時の入射角を調整することができる。したがって、試料に応じてテラヘルツ光源及び光検出器の相対位置を変更する必要がなく、一の光検出器で透過光及び反射光を検出することが可能となる。また、試料への入射角を変更する都度、光軸合わせ等の煩雑な作業を行う必要がない。
　第２発明及び第１１発明では、試料の中央部分を回転中心とした支持アームにより二対のミラー群の位置及び角度を変更するので、試料に応じてテラヘルツ光源及び光検出器の相対位置を変更する必要がなく、一の光検出器で透過光及び反射光を検出することが可能となる。また、試料への入射角を変更する都度、光軸合わせ等の煩雑な作業を行う必要がなく、光検出器へパルス光を確実に誘導することができる。
　第３発明及び第１２発明では、二対のミラー群の位置及び角度を変更することにより、光検出器が、透過光を検出するか、反射光を検出するかを切り替えるので、一の光検出器で透過光及び反射光を検出することができ、光測定装置全体の構造の簡素化、コストダウンを図ることが可能となる。
　第４発明では、ミラー群は曲面鏡を少なくとも一含み、試料近傍にてテラヘルツ光源から発したパルス光をコリメートするので、試料の受光可能面積が小さい場合であっても確実に物性値を測定することが可能となる。
　第５発明では、テラヘルツ光源から発したパルス光が伝播する光路上に偏光子を備えることにより、偏光測定機能を付与することができ、エリプソメトリ法を用いた偏光測定を行うことが可能となる。また、異方性を有する試料についても測定することが可能となる。
　第６発明では、反射光を検出するよう切り替えた場合、試料のｓ偏光及びｐ偏光の振幅反射係数比及び位相差に基づいて物性値を算出する、いわゆるエリプソメトリ法を用いることにより、リファレンス測定を測定の都度実行する必要がなく、測定精度を高く維持することが可能となる。
　第７発明では、テラヘルツ光源から発したパルス光の試料への入射角が、試料のブリュースター角と略一致するよう動作を制御することにより、試料のブリュースター角近傍にパルス光の試料への入射角を調整することができる。したがって、試料のｓ偏光及びｐ偏光の振幅反射係数比が最大となる入射角で測定することができ、高い精度で物性値を測定することが可能となる。
　第８発明では、試料に入射される、テラヘルツ光源から発したパルス光は、ｓ偏光及びｐ偏光の光強度が同等である４５度直線偏光であり、試料で反射した反射光のｓ偏光及びｐ偏光の振幅反射係数比及び位相差を、偏光子の角度を０度又は９０度に設定した場合に検出される信号に基づいて取得する。これにより、試料の複素誘電率によるわずかな偏光変化を検出することができ、高い精度で物性値を測定することが可能となる。また、測定中は偏光子の回転角は設定角度で固定されているので、偏光子を連続的に回転させる従来の測定方法と比較して機械的誤差の低減を図ることも可能となる。
　第９発明では、テラヘルツ光源は、光整流法を用いてテラヘルツ周波数領域のパルス光を発生する光導電性アンテナを備えている。光導電性アンテナは、発生するパルス光の偏光が４５度傾斜するように配置されていることから、テラヘルツ光源から発したパルス光の利用効率を高めることが可能となる。
　上記構成によれば、二対のミラー群の位置及び角度を変更することにより、テラヘルツ光源から発したパルス光の試料への入射角を変更することができるので、テラヘルツ光源及び光検出器を固定した状態で透過光／反射光のいずれを検出するかを切り替えること、及び反射光検出時の入射角を調整することができる。したがって、試料に応じてテラヘルツ光源及び光検出器の相対位置を変更する必要がなく、一の光検出器で透過光及び反射光を検出することが可能となる。また、試料への入射角を変更する都度、光軸合わせ等の煩雑な作業を行う必要がない。
本発明の実施の形態１に係る光測定装置の透過光測定時の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る光測定装置の反射光測定時の構成を示す模式図である。 テラヘルツ光源素子４が光導電性アンテナを備える場合のアンテナモジュールの構成を示す例示図である。 平面鏡の横軸方向の位置、傾斜角度及び支持アームの回転位置の関係を算出するための説明図である。 本発明の実施の形態２に係る光測定装置の反射光測定時の構成を示す模式図である。 本実施の形態２に係る光測定装置でのパルス光の偏光変化の様子を示す模式図である。 本実施の形態２に係る光測定装置にてｐ型Ｓｉ基板の振幅反射係数比を測定した結果を示すグラフである。 本実施の形態２に係る光測定装置にてｐ型Ｓｉ基板の位相差を測定した結果を示すグラフである。 本実施の形態２に係る光測定装置で測定したｐ型Ｓｉ基板の振幅反射係数比及び位相差に基づいて、複素誘電率を算出した結果と理論計算の結果とを比較したグラフである。 本発明の実施の形態２に係る光測定装置にて複素電気伝導率を算出した例を示すグラフである。
　以下、本発明の実施の形態に係る光測定装置について、０．１×１０12～１００×１０12ヘルツの周波数成分を有するパルス光を試料に照射し、試料を透過した透過光、又は試料表面で反射した反射光の強度及び位相差を検出することにより、試料の物性値を算出して測定値として取得する、いわゆるテラヘルツ光測定装置を例に挙げて、図面に基づいて具体的に説明する。
　（実施の形態１）
　図１及び図２は、本発明の実施の形態１に係る光測定装置の構成を示す模式図である。図１は光測定装置の透過光測定時の構成を示す模式図を、図２は光測定装置の反射光測定時の構成を示す模式図である。
　図１及び図２に示すように、本実施の形態１に係る光測定装置は、パルスレーザ１で発光したパルス光Ｌ１をビームスプリッタ２で分光し、一方のパルス光Ｌ２を集光レンズ３ａに誘導する。集光レンズ３ａにてテラヘルツ光源素子（テラヘルツ光源）４に集光されたパルス光Ｌ２は、テラヘルツ周波数領域のパルス光に変換され、変換されたテラヘルツ光Ｌ４は非軸放物面鏡５によりミラー群１０ａに誘導される。
　パルスレーザ１としては、例えばモードロックされたフェムト秒（ｆｓ）単位の超短パルスレーザを用い、パルス幅は１０～１５０フェムト秒が好ましい。また、テラヘルツ光源素子４は、例えば低温成長ＧａＡｓ薄膜上に形成された光導電性アンテナを備えている。
　図３は、テラヘルツ光源素子４が光導電性アンテナを備える場合のアンテナモジュールの構成を示す例示図である。図３（ａ）はアンテナモジュールの模式的な斜視図であり、図３（ｂ）はアンテナギャップ近傍の拡大図である。光導電性アンテナ基板４１には、アンテナギャップ４２を有するアンテナパターン４３が形成されており、アンテナギャップ４２を形成する電極の両端にはバイアス電源４４によりバイアス電圧が印加されている。バイアス電圧が印加されている状態でフェムト秒単位のパルス光Ｌ２が光導電性アンテナ基板４１に入射した場合、瞬間的に過渡電流が流れ、電気双極子放射により０．１×１０12～１００×１０12ヘルツ、すなわちテラヘルツ周波数領域のパルス光（テラヘルツ光）Ｌ４が発生する。発生したテラヘルツ光Ｌ４は、光導電性アンテナ基板４１の裏面に密着させてあるシリコン半球レンズ４５により自由空間に放射される。
　図１及び図２に戻って、ミラー群１０ａは、平面鏡１１ａ、非軸放物面鏡（曲面鏡）１２ａで構成されている。平面鏡１１ａは、テラヘルツ光Ｌ４が照射される位置を回転中心として回転することが可能な回転ステージ１３ａに搭載されており、回転ステージ１３ａは、テラヘルツ光Ｌ４と平行な方向に直線移動することが可能な構成、例えばテラヘルツ光Ｌ４と平行な方向に図示しない移動レールを設け、移動レール上を直線移動することが可能になっている。
　非軸放物面鏡１２ａは、測定対象となる試料６の中央部分を回転中心とする支持アーム１４ａと連結されている。支持アーム１４ａは、試料６が搭載されている回転ステージ１３ｃ及び後述する支持アーム１４ｂが取り付けてある回転ステージ１３ｄと同一回転中心軸にて回転する回転ステージ１３ｂの回転中心に取り付けられており、非軸放物面鏡１２ａの有効焦点距離ＥＦＬを回転半径として回転移動することが可能となっている。すなわち、回転ステージ１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、図１及び図２の紙面に鉛直な方向の同一の回転中心軸上に備えてあり、別個独立して回転することが可能となっている。
　テラヘルツ光Ｌ４は、試料６の中央部分、すなわち非軸放物面鏡１２ａの回転中心にてコリメートされる。このようにするために、非軸放物面鏡１２ａにおける入射光と反射光とがなす角度が常に９０度となるように平面鏡１１ａの位置及び傾斜角度が制御される。
　図１に示す透過光測定時では、試料６はテラヘルツ光Ｌ４が入射角０度で入射するよう、試料６が搭載されている回転ステージ１３ｃを回転させ、平面鏡１１ａの傾斜角度は４５度としてある。この場合、試料６の中央部分と、平面鏡１１ａとの距離は、非軸放物面鏡１２ａの有効焦点距離ＥＦＬと等しくなる。そして、支持アーム１４ａは、試料６に直交する方向、すなわち平面鏡１１ａへ入射するテラヘルツ光Ｌ４と平行になるよう制御される。なお、支持アーム１４ａの回転角度、平面鏡１１ａの横軸方向の位置及び傾斜角度、及び試料６の回転角度は、それぞれの動作を制御する図示しないアクチュエータ、例えばサーボモータ、ステッピングモータ等により制御される（制御機構）。
　図２に示す反射光測定時では、試料６にテラヘルツ光Ｌ４が入射角を有して入射するよう、試料６が搭載されている回転ステージ１３ｃを透過光測定時の位置から９０度回転させてある。平面鏡１１ａの傾斜角度、試料６の中央部分を回転中心とした場合の平面鏡１１ａの横軸方向の位置、傾斜角度及び支持アーム１４ａの回転位置は、非軸放物面鏡１２ａにおける入射光と反射光とのなす角度が９０度となり、試料６の中心点と非軸放物面鏡１２ａでの反射位置との距離が、非軸放物面鏡１２ａの有効焦点距離ＥＦＬと等しくなるよう制御される。図４は、平面鏡１１ａの横軸方向の位置、傾斜角度及び支持アーム１４ａの回転位置の関係を算出するための説明図である。
　図４では、平面鏡１１ａでのテラヘルツ光Ｌ４の反射位置から試料６の中心点までの横軸方向の距離をｘ、縦軸方向の距離をｈとしている。テラヘルツ光Ｌ４の試料６への入射角（試料６表面に直交する方向からの傾斜角度）をθｉとした場合、平面鏡１１ａの傾斜角度θｍは、図４に示す角度Ａ及び角度Ａ’と等しい（対角の関係）。角度Ａは（１８０－θｉ）／２であるので、平面鏡１１ａの傾斜角度θｍは（１８０－θｉ）／２で表すことができる。
　また、平面鏡１１ａでのテラヘルツ光Ｌ４の反射位置から試料６の中心点までの横軸方向の距離ｘは、試料６の中心点から試料６の延長方向（平面鏡１１ａへのテラヘルツ光Ｌ４の入射方向と平行な方向）と平面鏡１１ａでの反射光の方向との交点までの距離をｙとすると、（ｙ－ｈ／ｔａｎθｉ）で表すことができる。ここで、ｙは、ＥＦＬを含む直角三角形から、ＥＦＬ／ｃｏｓ（９０－θｉ）と算出することができるので、ｘは（式１）にて算出することができる。
　ｘ＝ＥＦＬ／ｃｏｓ（９０－θｉ）－ｈ／ｔａｎθｉ　・・・　（式１）
　図１及び図２に戻って、試料６を透過した透過光又は試料６で反射した反射光は、試料６を挟んで対称に配置されているミラー群１０ｂによって光検出器８へ誘導される。ミラー群１０ｂは、平面鏡１１ｂ、非軸放物面鏡１２ｂで構成されている。
　平面鏡１１ｂは、テラヘルツ光Ｌ４が照射される位置を回転中心として回転することが可能な回転ステージ１３ｅに搭載されており、回転ステージ１３ｅは、テラヘルツ光Ｌ４と平行な方向に直線移動することが可能な構成、例えばテラヘルツ光Ｌ４と平行な方向に図示しない移動レールを設け、移動レール上を直線移動することが可能になっている。
　非軸放物面鏡１２ｂは、測定対象となる試料６の中央部分を回転中心とする支持アーム１４ｂと連結されている。支持アーム１４ｂは、回転ステージ１３ｄに取り付けられており、非軸放物面鏡１２ｂの有効焦点距離ＥＦＬを回転半径として回転移動することが可能となっている。試料６の中央部分、すなわち非軸放物面鏡１２ｂの回転中心にてコリメートされたテラヘルツ光Ｌ４は、試料６を透過して非軸放物面鏡１２ｂへ誘導される。
　図１に示す透過光測定時では、平面鏡１１ｂの傾斜角度は平面鏡１１ａと対称な１３５（４５）度であり、試料６の中央部分と、平面鏡１１ｂとの距離は、非軸放物面鏡１２ｂの有効焦点距離ＥＦＬと等しくなる。そして、支持アーム１４ｂは、試料６に直交する方向、すなわち平面鏡１１ｂから出射するテラヘルツ光Ｌ４と平行になるよう制御される。なお、支持アーム１４ｂの回転角度、平面鏡１１ｂの横軸方向の位置及び傾斜角度は、それぞれの動作を制御する図示しないアクチュエータ、例えばサーボモータ、ステッピングモータ等により制御される（制御機構）。
　図２に示す反射光測定時では、平面鏡１１ｂの傾斜角度、試料６の中央部分を回転中心とした場合の平面鏡１１ｂの横軸方向の位置、傾斜角度及び支持アーム１４ｂの回転位置は、非軸放物面鏡１２ｂにおける入射光と反射光とがなす角度が９０度となり、試料６の中心点と非軸放物面鏡１２ｂでの反射位置との距離が、非軸放物面鏡１２ｂの有効焦点距離ＥＦＬと等しくなるよう制御される。ミラー群１０ｂはミラー群１０ａと試料６を挟んで対称に配置されているので、平面鏡１１ｂの傾斜角度は１８０－（１８０－θｉ）／２で表すことができ、平面鏡１１ｂでのテラヘルツ光Ｌ４の反射位置までの距離ｘも、試料６の中央部分を回転中心として、上述した（式１）にて算出することができる。
　すなわち、平面鏡１１ｂの横軸方向の位置及び傾斜角度、支持アーム１４ｂの回転位置を、それぞれの動作を制御する図示しないアクチュエータにより、平面鏡１１ｂの位置は平面鏡１１ａと試料６を挟んで対称となる位置に、平面鏡１１ｂの傾斜角度は平面鏡１１ａと対称となる傾斜角度に、支持アーム１４ｂの回転位置は支持アーム１４ａと対称となる回転位置に、それぞれなるように制御することで、平面鏡１１ａに入射するテラヘルツ光Ｌ４と平行なテラヘルツ光Ｌ４を平面鏡１１ｂで反射させることができる。したがって、試料６への入射角を変更する場合であっても、上述した方法に従ってアクチュエータの動作を自動制御することにより、反射光の光軸合わせ等の煩雑な調整作業を都度実行する必要がなく、容易に反射光を光検出器８まで誘導することができる。
　すなわち、試料６で反射した反射光は、ミラー群１０ｂの非軸放物面鏡１２ｂにおける入射光と反射光とがなす角度が９０度となるように反射して平面鏡１１ｂに誘導される。平面鏡１１ｂにて非軸放物面鏡５と略対称な位置、少なくともテラヘルツ光Ｌ４と平行な位置に配置してある非軸放物面鏡７へ誘導されたテラヘルツ光Ｌ４は、光検出器８へ入射される。
　一方、ビームスプリッタ２にて分光されたパルス光Ｌ３は、光学遅延ライン９を経由して集光レンズ３ｂで集光され、光検出器８へ入射する。このようにすることで、テラヘルツ光Ｌ４が光検出器８に到達した時点での電場強度に応じた信号を検出することができる。また、光検出器８に到達するパルス光Ｌ３の光検出器８への到達時間を光学遅延ライン９により遅延掃引することにより、テラヘルツ光Ｌ４のパルス波形を取得することができる。
　以上のように本実施の形態１によれば、試料６を挟んで対称な位置に配置されている二対のミラー群１０ａ、１０ｂの位置及び角度を連携させて変更することにより、テラヘルツ光源素子４から発したパルス光（テラヘルツ光）Ｌ４の試料６への入射角を変更することができるので、テラヘルツ光源素子４及び光検出器８を固定した状態で透過光／反射光のいずれを検出するかを切り替えること、及び反射光検出時の試料６へのパルス光（テラヘルツ光）Ｌ４の入射角を調整することができる。したがって、試料６に応じてテラヘルツ光源素子４及び光検出器８の相対位置を変更する必要がなく、一の光検出器８で透過光及び反射光を検出することが可能となる。また、試料６への入射角を変更する都度、光軸合わせ等の煩雑な調整作業を実行する必要がなく、測定者が容易に試料６の物性値を測定することが可能となる。
　（実施の形態２）
　図５は、本発明の実施の形態２に係る光測定装置の構成を示す模式図である。図５は反射光測定時の光測定装置の構成を示しており、実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付することで詳細な説明は省略する。
　図５に示すように、本実施の形態２に係る光測定装置は、パルスレーザ１で発光したパルス光Ｌ１をビームスプリッタ２で分光し、一方のパルス光Ｌ２を集光レンズ３ａに誘導する。集光レンズ３ａにて集光されたパルス光Ｌ２は、テラヘルツ光源素子（テラヘルツ光源）４を介して０．１×１０12～１００×１０12ヘルツ、すなわちテラヘルツ周波数領域のパルス光に変換され、変換されたテラヘルツ光Ｌ４は非軸放物面鏡５によりミラー群１０ａに誘導される。
　テラヘルツ光Ｌ４は、偏光子２１に入射され、入射面に対して垂直な面から４５度傾いた方向にて振動する直線偏光Ｌ５のみが取り出される。なお、ここで「偏光子」とは、例えば金属細線を周期的に配列したワイヤーグリッドである。４５度直線偏光Ｌ５は、電場振幅強度が同一であるｓ偏光とｐ偏光とのベクトル和である。テラヘルツ光源素子４が光導電性アンテナを備える場合、アンテナギャップに電圧が印加される方向に振動する直線偏光のテラヘルツ光が発生するので、図３に示すように光導電性アンテナ基板４１を４５度傾けることで４５度直線偏光を得ることができる。ただし、このとき発生するテラヘルツ光Ｌ４はわずかに楕円偏光成分を含むため、角度を４５°に設定した偏光子２１を挿入することで完全な直線偏光成分のみを取り出すことができる。
　図６は、本実施の形態２に係る光測定装置でのパルス光の偏光変化の様子を示す模式図である。図６（ａ）は、偏光子２１によって取り出された４５度直線偏光Ｌ５を示す模式図である。図６（ａ）では、矢印は電場ベクトルの振動方向を示している。
　図５に戻って、ミラー群１０ａは、平面鏡１１ａ、非軸放物面鏡１２ａで構成されている。平面鏡１１ａは、テラヘルツ光Ｌ４が照射される位置を回転中心として回転することが可能な回転ステージ１３ａに搭載されており、回転ステージ１３ａは、テラヘルツ光Ｌ４と平行な方向に直線移動することが可能な構成、例えばテラヘルツ光Ｌ４と平行な方向に図示しない移動レールを設け、移動レール上を直線移動することが可能になっている。
　非軸放物面鏡１２ａは、測定対象となる試料６の中央部分を回転中心とする支持アーム１４ａと連結されている。支持アーム１４ａは、回転ステージ１３ｂに取り付けられており、非軸放物面鏡１２ａの有効焦点距離ＥＦＬを回転半径として回転移動することが可能となっている。テラヘルツ光Ｌ４は、試料６の中央部分、すなわち非軸放物面鏡１２ａの回転中心にてコリメートされる。このようにするために、非軸放物面鏡１２ａにおける入射光と反射光とがなす角度が常に９０度となるように平面鏡１１ａの位置及び傾斜角度が制御される。なお、試料６近傍にてテラヘルツ光Ｌ４をコリメートするので、試料６の受光可能面積が小さい場合であっても確実に物性値を測定することが可能となる。
　試料６が搭載されている回転ステージ１３ｃの回転位置は反射光測定時の位置、すなわち試料６に４５度直線偏光Ｌ５が入射角を有して入射するよう、試料６が搭載されている回転ステージ１３ｃを透過光測定時の位置から９０度回転させてある。平面鏡１１ａの傾斜角度、試料６の中央部分を回転中心とした場合の平面鏡１１ａの横軸方向の位置、傾斜角度及び支持アーム１４ａの回転位置は、非軸放物面鏡１２ａにおける入射光と反射光とがなす角度が９０度となり、試料６の中心点と非軸放物面鏡１２ａでの反射位置との距離が、非軸放物面鏡１２ａの有効焦点距離ＥＦＬと等しくなるよう制御される。具体的には、実施の形態１で開示した方法と同様に、平面鏡１１ａの傾斜角度は（１８０－θｉ）／２で表すことができ、平面鏡１１ａでの４５度直線偏光Ｌ５の反射位置から試料６の中心点までの距離ｘも、上述した（式１）にて算出することができる。
　試料６で反射した反射光は、試料６で反射することにより楕円偏光Ｌ６となる。試料６の複素誘電率に応じてｓ偏光及びｐ偏光の振幅反射係数比及び位相が変化するからである。したがって、楕円偏光Ｌ６を解析することにより、試料６の複素誘電率を導出することができる。図６（ｂ）は、楕円偏光Ｌ６を示す模式図である。
　図５に戻って、楕円偏光Ｌ６は、試料６を挟んで対称に配置されているミラー群１０ｂへ誘導される。ミラー群１０ｂは、平面鏡１１ｂ、非軸放物面鏡１２ｂで構成されている。
　平面鏡１１ｂは、テラヘルツ光が照射される位置を回転中心として回転することが可能な回転ステージ１３ｅに搭載されており、回転ステージ１３ｅは、テラヘルツ光Ｌ４と平行な方向に直線移動することが可能な構成、例えばテラヘルツ光Ｌ４と平行な方向に図示しない移動レールを設け、移動レール上を直線移動することが可能になっている。
　非軸放物面鏡１２ｂは、測定対象となる試料６の中央部分を回転中心とする支持アーム１４ｂと連結されている。支持アーム１４ｂは、回転ステージ１３ｄに取り付けられており、非軸放物面鏡１２ｂの有効焦点距離ＥＦＬを回転半径として回転移動することが可能となっている。試料６の中央部分、すなわち非軸放物面鏡１２ｂの回転中心にてコリメートされた４５度直線偏光Ｌ５は、試料６表面で反射して非軸放物面鏡１２ｂへ誘導される。
　平面鏡１１ｂの傾斜角度、試料６の中央部分を回転中心とした場合の平面鏡１１ｂの横軸方向の位置、傾斜角度及び支持アーム１４ｂの回転位置は、非軸放物面鏡１２ｂにおける入射光と反射光とがなす角度が９０度となり、試料６の中心点と非軸放物面鏡１２ｂでの反射位置との距離が、非軸放物面鏡１２ｂの有効焦点距離ＥＦＬと等しくなるよう制御される。ミラー群１０ｂはミラー群１０ａと試料６を挟んで対称に配置されているので、平面鏡１１ｂの傾斜角度は１８０－（１８０－θｉ）／２で表すことができ、平面鏡１１ｂでの楕円偏光Ｌ６の反射位置までの距離ｘも、試料６の中央部分を回転中心として、上述した（式１）にて算出することができる。
　すなわち、平面鏡１１ｂの横軸方向の位置及び傾斜角度、支持アーム１４ｂの回転位置を、それぞれの動作を制御する図示しないアクチュエータにより、平面鏡１１ｂの位置は平面鏡１１ａと試料６を挟んで対称となる位置に、平面鏡１１ｂの傾斜角度は平面鏡１１ａと対称となる傾斜角度に、支持アーム１４ｂの回転位置は支持アーム１４ａと対称となる回転位置に、それぞれなるように制御することで、平面鏡１１ａに入射するテラヘルツ光Ｌ４と平行なテラヘルツ光Ｌ４を平面鏡１１ｂで反射させることができる。したがって、試料６への入射角を変更する場合であっても、上述した方法に従ってアクチュエータの動作を自動制御することにより、反射光の光軸合わせ等の煩雑な調整作業を都度実行する必要がなく、容易に反射光を光検出器８まで誘導することができる。
　すなわち、試料６で反射した反射光は、ミラー群１０ｂの非軸放物面鏡１２ｂにおける入射光と反射光とがなす角度が９０度となるように反射して平面鏡１１ｂに誘導される。平面鏡１１ｂで反射された楕円偏光Ｌ６は、偏光子２２及び偏光子２３を経由して、非軸放物面鏡５と対称な位置に配置してある非軸放物面鏡７へ誘導される。
　楕円偏光Ｌ６は、偏光子２２によってｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分離された直線偏光Ｌ７として取り出される。すなわち偏光子２２の角度を０度又は９０度に設定することで、ｓ偏光又はｐ偏光のみを取り出す。図６（ｃ）は、ｓ偏光又はｐ偏光の直線偏光Ｌ７を示す模式図である。図６（ｃ）では、矢印は電場ベクトルの振動方向を示しており、ｓ偏光又はｐ偏光を示している。
　直線偏光Ｌ７は、偏光子２３を介して光検出器８へ入射される。偏光子２３は入射面に対して垂直な面から－４５度傾いた角度に設定されており、これによりｓ偏光成分とp偏光成分との両方を光検出器８で検出することができる。
　直線偏光Ｌ７は、非軸放物面鏡７で反射されて光検出器８へ入射される。一方で、ビームスプリッタ２にて分光されたパルス光Ｌ３も、光学遅延ライン９を経由して集光レンズ３ｂで集光され、光検出器８へ入射される。このようにすることで、直線偏光Ｌ７が光検出器８に到達した時点での電場強度に応じた信号を検出することができる。また、パルス光Ｌ３の光検出器８への到達時間を光学遅延ライン９により遅延掃引することにより、テラヘルツ光Ｌ４のパルス波形を取得することができる。
　ｓ偏光及びｐ偏光の時間波形は、偏光子２２を回転ステージに取り付け、回転角を０度又は９０度になるよう切り替えることにより取得する。すなわち、ｓ偏光又はｐ偏光の時間波形の取得を完了した時点で偏光子２２の回転角を切り替え、ｓ偏光又はｐ偏光の時間波形を取得する。
　取得した時間波形をフーリエ変換することにより、ｓ偏光及びｐ偏光の複素反射係数ｒs 、ｒp を求めることができるので、エリプソメトリ法で測定することが可能なｓ偏光とｐ偏光との位相差Δ及びｓ偏光とｐ偏光との振幅反射係数比ｔａｎΨとを用いて、（式２）に示すように複素平面における複素反射係数ｒs 、ｒp の比ρを定義することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　（式２）において、ｓ偏光の位相δs 、ｐ偏光の位相δp 及び振幅反射係数の絶対値｜ｒs ｜、｜ｒp ｜を用いると、複素反射係数ｒs 、ｒp は（式３）のように表すことができ、ｓ偏光とｐ偏光との位相差Δ及びｓ偏光とｐ偏光との振幅反射係数比ｔａｎΨは（式４）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、複素平面における複素反射係数ｒs 、ｒp の比ρについて、空気と試料６との界面における反射のみを考慮して、いわゆるフレネルの方程式を適用すると、試料６の複素誘電率εcnは（式５）で表すことができ、実測値であるｓ偏光とｐ偏光との位相差Δ及びｓ偏光とｐ偏光との振幅反射係数比ｔａｎΨから（式２）にて算出した、複素平面における複素反射係数ｒs 、ｒp の比ρに基づいて、試料６の複素誘電率εcn（＝ε’－ｉε”）を算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図７は、本実施の形態２に係る光測定装置で、試料６として抵抗率が１．１～１．４Ω・ｃｍであるｐ型Ｓｉ基板の振幅反射係数比ｔａｎΨを測定した結果を示すグラフであり、図８は、本実施の形態２に係る光測定装置で、試料６として抵抗率が１．１～１．４Ω・ｃｍであるｐ型Ｓｉ基板の位相差Δを測定した結果を示すグラフである。Ｓｉの複素誘電率εcnを（１２－ｉ・０．５）とした場合、ブリュースター角は略７３度となるので、図７及び図８の測定時には、テラヘルツ光Ｌ４の試料６への入射角が７０度となるようにミラー群１０ａ、１０ｂの位置及び回転角度を調整した。
　なお、テラヘルツ光Ｌ４の試料６への入射角を、試料６のブリュースター角近傍に調整するのは、ブリュースター角近傍では試料６のｓ偏光及びｐ偏光の複素反射係数ｒs 、ｒp の比ρが最大となるので、（式５）に基づいて高い精度で試料６の複素誘電率εcnを求めることができるからである。
　また、本実施の形態２では、実施の形態１と同様、試料６への入射角をミラー群１０ａ、１０ｂの位置及び回転角度を変更することにより調整することができるので、テラヘルツ光源素子４及び光検出器８を固定しておくことができ、入射角を変更する場合等に光軸合わせ等の煩雑な調整作業が不要となる。したがって、試料６を頻繁に交換する場合であっても、測定者に煩雑な作業が発生することがなく、測定結果を比較的短時間で取得することが可能となる。
　図７及び図８からも明らかなように、本実施の形態２に係る光測定装置を用いることにより、テラヘルツ帯の周波数に応じて、ｐ型Ｓｉ基板の振幅反射係数比ｔａｎΨ及び位相差Δが変化する様子が、明確に測定されていることがわかる。
　図９は、本実施の形態２に係る光測定装置で測定したｐ型Ｓｉ基板の振幅反射係数比ｔａｎΨ及び位相差Δに基づいて、複素誘電率εcnを算出した結果と後述する理論計算の結果とを比較したグラフである。図９では、複素誘電率εcnをεcn＝ε’－ｉε”として表した場合の実部ε’と虚部ε”とを周波数の関数として算出している。
　図９において、■印で示す、（式５）に基づいて算出した結果の実部９１は、後述するドルーデモデルに基づき理論計算した結果の実部９２（実線）と略一致している。また、○印で示す、（式５）に基づいて算出した結果の虚部９３は、同じく後述するドルーデモデルに基づき理論計算した結果の虚部９４（実線）と略一致しており、低周波領域で虚部ε”の値が増大する傾向が精度良く測定できていることが明らかである。
　また、Ｓｉのようにテラヘルツ周波数領域においてフォノン散乱による吸収を無視することができる試料である場合、フリーキャリア散乱が加わったときの誘電関数は、ドルーデ（Ｄｒｕｄｅ）モデルにより（式６）のように表すことができる。なお、ωは周波数を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここでσcn（ω）は複素電気伝導率を示しており、実部σ’（ω）と虚部σ”（ω）との和で表すことができる。（式５）で求めた複素誘電率εcn（＝ε’－ｉε”）を用いて実部σ’（ω）及び虚部σ”（ω）をそれぞれ複素誘電率で表すと、（式７）のようになる。なお、（式７）において、真空での複素誘電率をε0 、高周波極限での複素誘電率をε（∞）とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　抵抗率Ρは複素電気伝導率σcn（ω）の実部σ’（ω）の逆数として求めることができる。図１０は、本発明の実施の形態２に係る光測定装置にて複素電気伝導率σcn（ω）を算出した例を示すグラフである。試料６として、上述したｐ型Ｓｉ基板を用いている。
　図１０において、◆印は複素電気伝導率σcn（ω）の実部σ’（ω）を、●印は複素電気伝導率σcn（ω）の虚部σ”（ω）を、それぞれ示しており、テラヘルツ帯の周波数に応じてプロットしている。図１０に示すように、高周波になるほど電場変化の速度に対してキャリアが追従しきれなくなることから、複素電気伝導率σcn（ω）が低下していることがわかる。一方、複素電気伝導率σcn（ω）の実部σ’（ω）の逆数として算出した抵抗率Ρは、低周波側（ωが０の近傍）にて１．０～１．１Ω・ｃｍとなり、用いたｐ型Ｓｉ基板の抵抗率Ρと略一致している。
　また、（式５）で算出した複素誘電率εcnに基づいて、キャリア濃度Ｎ、キャリアの散乱時間τ、移動度μを算出することもできる。複素誘電率εcn（＝ε’－ｉε”）にドルーデ（Ｄｒｕｄｅ）の式を適用して、プラズマ周波数ωp 、キャリアの散乱時間τを用いて複素誘電率εcnを（式８）のように表すことができる。なお、（式８）においても、真空での複素誘電率をε0 、高周波極限での複素誘電率をε（∞）とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　プラズマ周波数ωp は、キャリア濃度をＮ，有効質量をｍ* 、電子の電荷量をｅとした場合、（式９）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　一方、ドルーデ・ロレンツの方程式により、プラズマ周波数ωp 、キャリアの散乱時間τ、複素電気伝導率σcn（ω）は、（式１０）の関係にある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　周波数ωが限りなく０に近づく、すなわち直流では、複素電気伝導率σcn（ω）の実部σ’（０）は（式１０）の分母が１になることから（式１１）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　抵抗率Ρは、複素電気伝導率σcn（ω）の実部σ’（ω）の逆数であるから、（式１１）にσ’（０）＝１／Ρを代入してキャリアの散乱時間τを算出すると、（式１２）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　このように求めた（式１２）を（式８）に代入して、複素誘電率εcnをプラズマ周波数ωp の関数として表すと（式１３）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　（式１３）で算出した複素誘電率εcnと、測定して求めた複素誘電率εcnとが一致する場合のプラズマ周波数ωp の値をフィッティング処理等を用いて求めることにより、キャリア濃度Ｎ，キャリアの散乱時間τを求めることが可能となる。例えば図９における複素誘電率εcnの実部９２及び虚部９４（実線）は、上述した方法を用いてフィッティング処理して導出した実部ε’及び虚部ε”を示している。図９のフィッティング結果を用いた場合、キャリア濃度Ｎは１．３×１０16ｃｍ-3と、キャリアの散乱時間τは１×１０-13 ｓｅｃとして算出される。
　また、キャリアの散乱時間τに基づいて移動度μは、（式１４）から算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　本実施の形態２で用いたｐ型Ｓｉ基板では、移動度μは４３６ｃｍ2 Ｖ-1ｓｅｃ-1という値を得ることができた。上述したｐ型Ｓｉ基板の物性値は、ホール測定等による従来の半導体物性値の測定法で求められる一般的な値と概ね整合していることを確認した。
　以上のように本実施の形態２によれば、二対のミラー群１０ａ、１０ｂの位置及び角度を変更することにより、テラヘルツ光源素子４から発したパルス光の試料６への入射角を変更することができるので、反射光検出時の入射角を自在に調整することができる。したがって、試料６に応じてテラヘルツ光源素子４及び光検出器８の相対位置を変更する必要がなく、一の光検出器８で反射光を検出することができ、試料６への入射角を変更する都度、光軸合わせ等の煩雑な調整作業を実行する必要がない。
　また、試料６のｓ偏光及びｐ偏光の振幅反射係数比ｔａｎΨ及び位相差Δに基づいて物性値を算出する、いわゆるエリプソメトリ法を用いることにより、リファレンス測定を測定の都度実行する必要がなく、測定精度を高く維持することが可能となる。特に、試料６のブリュースター角近傍に入射角を調整することにより、試料６のｓ偏光及びｐ偏光の振幅反射係数比が最大となる入射角で測定することができ、高い精度で物性値の測定を行うことが可能となる。
　さらに、試料６に入射される、テラヘルツ光源素子４から発したパルス光は、ｓ偏光及びｐ偏光の光強度が同等である４５度直線偏光であり、試料で反射した反射光のｓ偏光及びｐ偏光の振幅反射係数比ｔａｎΨ及び位相差Δは、偏光子の角度を０度又は９０度に設定した場合に検出される信号に基づいて取得する。これにより、試料６の複素誘電率によって変化するわずかな偏光変化を検出することができ、高い精度で測定することが可能となる。また、測定中は偏光子の回転角が設定角度で固定されていることから、偏光子を連続的に回転させる従来の測定方法と比較して機械的誤差の低減を図ることも可能となる。
　なお、上述した実施の形態１及び２は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができることは言うまでもない。例えばミラー群１０ａ、１０ｂの構成は試料６を挟んで対称な位置に配置されていること、少なくとも一の曲面鏡を備えていること、筐体に収容できること等の条件を具備すれば、特に限定されるものではない。
　１　パルスレーザ
　２　ビームスプリッタ
　３ａ　集光レンズ
　４　テラヘルツ光源素子（テラヘルツ光源）
　６　試料
　５、７　非軸放物面鏡
　８　光検出器
　９　光学遅延ライン
　１０ａ、１０ｂ　ミラー群
　１１ａ、１１ｂ　平面鏡
　１２ａ、１２ｂ　非軸放物面鏡（曲面鏡）
　１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ　回転ステージ
　１４ａ、１４ｂ　支持アーム

Claims (12)

  1. 　テラヘルツ周波数領域のパルス光を発するテラヘルツ光源と、
    　該パルス光を検出する光検出器と、
    　前記テラヘルツ光源から発したパルス光を測定対象である試料へ誘導し、該試料を透過した透過光又は前記試料で反射した反射光を前記光検出器へ誘導する、少なくとも二以上のミラーで構成された、前記試料を挟んで対称な位置に配置してある二対のミラー群と、
    　二対の該ミラー群の位置及び角度を変更することにより、前記テラヘルツ光源から発したパルス光の前記試料への入射角を変更するよう動作を制御する制御機構と
    　を備えることを特徴とする光測定装置。
  2. 　前記制御機構は、前記試料の中央部分を回転中心とした支持アームにより二対の前記ミラー群の位置及び角度を変更するようにしてあることを特徴とする請求項１記載の光測定装置。
  3. 　前記制御機構は、二対の前記ミラー群の位置及び角度を変更することにより、前記光検出器が、透過光を検出するか、反射光を検出するかを切り替えるようにしてあることを特徴とする請求項１又は２記載の光測定装置。
  4. 　前記ミラー群は曲面鏡を少なくとも一含み、前記試料近傍にて前記テラヘルツ光源から発したパルス光をコリメートするようにしてあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光測定装置。
  5. 　前記テラヘルツ光源から発したパルス光が伝播する光路上に偏光子を備えることを特徴とする請求項３又は４記載の光測定装置。
  6. 　前記制御機構により前記反射光を検出するよう切り替えた場合、前記試料のｓ偏光及びｐ偏光の振幅反射係数比及び位相差に基づいて物性値を算出することを特徴とする請求項５記載の光測定装置。
  7. 　前記制御機構は、前記テラヘルツ光源から発したパルス光の前記試料への入射角が、前記試料のブリュースター角と略一致するよう動作を制御することを特徴とする請求項６記載の光測定装置。
  8. 　前記試料に入射される、前記テラヘルツ光源から発したパルス光は、ｓ偏光及びｐ偏光の光強度が同等である４５度直線偏光であり、
    　前記試料で反射した反射光のｓ偏光及びｐ偏光の振幅反射係数比及び位相差を、前記偏光子の角度を０度又は９０度に設定した場合に検出される信号に基づいて取得するようにしてあることを特徴とする請求項６又は７記載の光測定装置。
  9. 　前記テラヘルツ光源は、光整流法を用いてテラヘルツ周波数領域のパルス光を発生する光導電性アンテナを備え、
    　該光導電性アンテナは、発生するパルス光の偏光が４５度傾斜するように配置されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の光測定装置。
  10. 　テラヘルツ周波数領域のパルス光を発するテラヘルツ光源と、
    　該パルス光を検出する光検出器と、
    　前記テラヘルツ光源から発したパルス光を測定対象である試料へ誘導し、該試料を透過した透過光又は前記試料で反射した反射光を前記光検出器へ誘導する、少なくとも二以上のミラーで構成された、前記試料を挟んで対称な位置に配置してある二対のミラー群と
    　を備え、
    　二対の該ミラー群の位置及び角度を変更することにより、前記テラヘルツ光源から発したパルス光の前記試料への入射角を変更するよう動作を制御することを特徴とする光測定方法。
  11. 　前記試料の中央部分を回転中心とした支持アームにより二対の前記ミラー群の位置及び角度を変更することを特徴とする請求項１０記載の光測定方法。
  12. 　二対の前記ミラー群の位置及び角度を変更することにより、前記光検出器が、透過光を検出するか、反射光を検出するかを切り替えることを特徴とする請求項１０又は１１記載の光測定方法。
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