JP3896532B2

JP3896532B2 - テラヘルツ帯複素誘電率測定装置

Info

Publication number: JP3896532B2
Application number: JP19672399A
Authority: JP
Inventors: 正憲萩行; 治森川; 政吉斗内
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: JP2001021503A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体、誘電体等の材料評価に利用し、特にテラヘルツ帯で使用する素子を構成する材料の複素屈折率などを測定するテラヘルツ帯複素誘電率測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、テラヘルツ帯の物性評価に対しては電磁波を空中伝播させ、分光的に評価することが行われてきた。この分光的評価では単一周波数電磁波源を用いて試料を電磁波パスに挿入することによる透過率と位相遅れ等を測定するが、試料によっては透過率と反射率を測定することもある。これによってその周波数での屈折率（実部）及び吸収（屈折率虚数部）が計算できる。
【０００３】
このような周波数領域に対する電磁波源としては、後進波管や分子レーザーなどが挙げられる。また複素屈折率測定装置としては、干渉計を用いたフーリエ分光計が用いられ、検出にはＩｎＳｂ等、固体中の電子ガスの電磁波吸収による抵抗変化を測定するホットエレクトロンボロメタが多用される。
【０００４】
しかし、広い周波数帯についてはこれらの方法を適用するのは難しい。
それは第一に、これらの電磁波源は周波数が離散的、或いは可変であっても周波数範囲が狭いことである。
第二に、これらの電磁波源は時間的に連続発振しているため、広帯域の複素屈折率を求めるには手間がかかる。すなわち、ある周波数における複素屈折率を求めるためには、透過率・位相遅れの測定が必要である。位相遅れの測定には周波数を固定したまま干渉計を動かし、出力信号の最低値或いは最大値を出す光路差を決定しなければならない。広帯域の透過率・位相遅れを測定するには周波数を逐一変え、上記操作を繰り返す必要がある。
【０００５】
これらの課題を解決するため、パルスレーザー励起の光伝導素子を用いた分光法が１９８５年頃開発された（ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓｖｏｌ．５５（１９８５），ｐｐ．２１５２−２１５５、ＩｎｆｒａｒｅｄＰｈｙｓｉｃｓｖｏｌ．２６（１９８６），ｐｐ．２３−２７、他）。
この光伝導素子を用いた分光法では、光伝導素子をサブピコ秒の超短光パルスで照射すれば光キャリアの生成により瞬間的に導電性となって電流が過渡的に流れることを利用して電磁波放射を行っている。
また、光パルスの照射により瞬間的に導電性となることを利用することにより放射電磁波の検出も行われている。
【０００６】
光パルスを用いた例では、１ＴＨｚ近傍の高周波電磁波に対する試料の応答を測定するための方法として、ＴＤＳ（ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）と呼ばれるものがある。
図４は従来のＴＤＳの概略構成図である。この図に示すように、ＴＤＳでは、モードロックＴｉ：Ｓａｐｐｉｒｅレーザーなどから超短パルス光２３をビームスプリッタ２４で分割し、一方のパルス光２５を電圧印加した電磁波放射用光伝導素子２８に照射する。電磁波放射用光伝導素子２８には瞬間的に電流が流れるため、パルス電磁波３２を放射する。これを放物面鏡３１で平行化して試料３４を透過させ、放物面鏡３６により電磁波検出用光伝導素子２９に集める。
【０００７】
電磁波検出用光伝導素子２９はビームスプリッタ２４で分割されたもう一方の超短パルス光２６で照射され、その瞬間だけ導電性となる。そのため到達してきた電磁波３５の電場を電流として検出することができる。
ビームスプリッタ２４から電磁波検出用光伝導素子２９に到達するまでの時間を遅延系（４１，４２）で変えることにより、試料を透過して来た電磁波３５の時間波形を得ることができる。
【０００８】
なお、図４中、２７はレンズ、３０は電源、３３は電磁波用レンズ、３４は試料、３７は電流増幅器、３８はロックイン増幅器、３９は光チョッパ、４０は平面鏡、４１はリトロリフレクタ、４２は移動ステージ、４３はコンピュータを示す。
【０００９】
このＴＤＳの方法では、用いられる電磁波が短パルスであるため、試料を透過してきた電磁波波形と試料を挿入しない場合の電磁波波形とを比較することにより、広い周波数にわたる電磁波の透過率・位相遅れを計算することができる。
【００１０】
ところで、検出用光伝導素子は光パルス照射の間のパルス電磁場電場による電流を検出するが、光パルスの時間幅はパルス電磁波の時間幅よりも数十分の一程度とかなり短い。例えば光パルスは時間幅が０．１ピコ秒程度であり、パルス電磁波の時間幅はアンテナ効率が入るため数ピコ秒程度である。
【００１１】
したがって、光パルスもパルス電磁波も光速で検出用光伝導素子に繰り返し入射するが、各回においてパルス電磁波の最初の部分から最後の部分までが到達する時間に比較して光パルスの照射時間は短い。そのため、光パルスが照射している間の検出用光伝導素子に流れる電流はパルス電磁波の電場のごく短い部分によるものであり、さらに光パルスとパルス電磁波とが検出用光伝導素子に到達するタイミングは時間遅延により固定されている。
【００１２】
光パルスの繰り返し周波数が例えば約１００ＭＨｚの場合、光パルスとパルス電磁波とが毎秒約１０８回検出用光伝導素子に入射してくるが、パルス電磁波の電場のごく短い部分は毎回パルス電磁波波形のうち時間遅延によって決められた部分であり、全く同じ電流が毎秒約１０8 回流れることになる。
実際の電流計はこのような速い電流の変化に追随できないため、毎秒約１０８回のパルス電流の平均値が測定される。
したがって、パルス電磁波波形のうち時間遅延によって決められた部分が電流として測定され、さらに時間遅延をずらしていくことによりパルス電磁波波形の他の部分も測定できる。
【００１３】
このようにＴＤＳでは電磁波の時間波形を測定することができる。この時間波形を、試料を挿入した場合と試料を挿入しない場合について求めてフーリエ変換し、各周波数成分ごとの振幅及び位相を比較することにより試料がもたらす減衰及び位相遅れがわかり、これから複素誘電率や複素屈折率などを計算することができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＴＤＳでは励起光が短パルスでなければならず、光源にはモードロックなどの短パルス化が施されている必要がある。
【００１５】
そこで、この発明は上記の課題にかんがみて、インコヒーレント光の揺らぎに基づいて同期信号を検出するとともに、短い時間スケールでのランダムな強度変調を含む光であるインコヒーレント光により発生した電磁波を試料に照射して、その試料の特性を検出するテラヘルツ帯複素誘電率測定装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明のテラヘルツ帯複素誘電率測定装置は、電磁波検出手段に照射されるインコヒーレント光と検出すべき電磁波との相互相関信号を同期検出し、試料を挿入した場合と挿入しない場合の電流信号とから、該試料の電磁波透過率と位相遅れを求め、該電磁波透過率及び位相遅れから上記試料の複素誘電率を測定するテラヘルツ帯複素誘電率測定装置において、マルチモード半導体レーザーをインコヒーレント光の光源とし、該インコヒーレント光を２光束に分割する光分割手段と、この分割した一方のインコヒーレント光の照射に基づき１ＧＨｚから１０ＴＨｚの周波数成分を含む電磁波を放射する電磁波放射手段と、電磁波放射手段からの電磁波を試料に集光する第１光処理手段と、電磁波を上記試料に透過又は反射させて集光する第２光処理手段と、分割した他方のインコヒーレント光に時間遅延を与える遅延化処理手段と、第２光処理手段で集光した電磁波と遅延化された他方のインコヒーレント光とが入射される電磁波検出手段と、を含んで構成され、遅延化処理手段にて、光分割手段から電磁波検出手段に到達するまでの時間を変えることにより、電磁波検出手段に入射される電磁波と他方のインコヒーレント光との時間相関を得るように構成した。
【００１９】
請求項２記載の発明は、相互相関信号が前記一方のインコヒーレント光に基づき放射した電磁波の振幅と前記他方のインコヒーレント光の強度との乗算であることを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、インコヒーレント光が、ランダムな強度変調を受けている光であることを特徴とする。
【００２０】
このような構成により、本発明では分割した一方のインコヒーレント光に基づいて発生したテラヘルツ帯の放射電磁波を試料に照射し、試料を透過又は反射してきた検出すべき電磁波を分光する。このとき分割した他方のインコヒーレント光が照射中に検出すべき電磁波を、他方のインコヒーレント光の揺らぎに基づいて同期した相互相関信号として検出する。
したがって本発明では、短い時間スケールでのランダムな強度変調を含む光であるインコヒーレント光により発生したテラヘルツ帯の電磁波を試料に照射してその試料の特性を検出することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
この発明のテラヘルツ帯複素誘電率測定装置は、０．１ピコ秒程度の短い時間スケールでのランダムな強度変調を含む光であるインコヒーレント光を励起する光源と、このインコヒーレント光を分割する光分割手段と、分割した一方のインコヒーレント光の照射に基づき電磁波を放射する電磁波放射手段と、この放射した電磁波を平行化又は集光する第１光処理手段と、電磁波を試料に透過又は反射させて集光する第２光処理手段と、電磁波を検出する電磁波検出手段とを備え、一光電磁波経路を形成している。
【００２２】
さらに分割した他方のインコヒーレント光に時間遅延を付与する遅延化処理手段と、試料からの電磁波を電磁波検出手段に入射すると同時に、この時間遅延を付与されたインコヒーレント光を電磁波検出手段に入射するようにした一光経路の光学距離を調節可能に形成し、この一光経路と上述した一光電磁波経路の光学距離はほぼ等しくなるように構成されている。
【００２３】
インコヒーレント光の光源としてはマルチモード半導体レーザーが使用でき、これは小型、安定及び廉価である。
電磁波放射手段は光伝導素子が使用できる。この電磁波放射用光伝導素子では光が照射されると伝導度が光強度に比例し、光強度に強度変調がある場合には変調を含む電流が流れ、電磁波が発生する。なお、インコヒーレント光に基づき発生する電磁波は１ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ程度の様々な周波数成分を含んでいる。
また電磁波検出手段にも光伝導素子が使用でき、この電磁波検出用光伝導素子では光が照射されると伝導度が光強度に比例する。
したがって、光強度と電磁波の電場との積を電流として検出可能であり、電磁波検出用光伝導素子は乗算器として働く。
【００２４】
分割したインコヒーレント光と、試料を透過又は反射してきた電磁波とを容易に同期させることができる。したがってインコヒーレント光の揺らぎを用いて同期信号を検出可能である。
また第１光処理手段及び第２光処理手段は放物面鏡やレンズなどの光学的手段で構成される。
なお、本発明では電磁波検出手段について寒剤は不要である。
【００２５】
次に、この発明に係るテラヘルツ帯複素誘電率測定装置の作用を説明する。
本発明のテラヘルツ帯複素誘電率測定装置では、光源のインコヒーレント光を励起光として電磁波放射用光伝導素子に照射して電磁波を発生させる。詳細は後述するが、インコヒーレント光は短い時間スケールでのランダムな強度変調を含む光であるため、この強度変調に対応して広帯域の電磁波が発生する。
【００２６】
この広帯域電磁波を試料に照射し、もうひとつの電磁波検出用光伝導素子に集光し、さらに励起光のインコヒーレント光を一部分割して電磁波検出用光伝導素子に照射すると電流が生じる。
この電流は励起光の強度に依存する電磁波検出用光伝導素子の伝導度と電磁波の電場の積で表される。周波数がテラヘルツ帯で非常に高いため、これを積分して時間平均をとった値、すなわち励起光強度と放射電磁波の電場の相互相関信号が実際に検出される電流である。
【００２７】
例えばマルチモード半導体レーザーの光強度は数十から数百ＧＨｚ程度のランダムな変調を受けている。したがって、マルチモード半導体レーザーのレーザー光を励起光に用いると電磁波放射用光伝導素子の光電流は変調され、広帯域の電磁波が放射される。
試料を透過又は反射した電磁波を電磁波検出用光伝導素子に集光し、かつ、光路差をつけたレーザー光を電磁波検出用光伝導素子に照射すると、電磁波の電場とレーザー光の光強度変調に応じた電流が生じる。
【００２８】
この得られた電流信号は、光強度のランダムな変調が様々な周波数成分を含むため、各周波数成分の重ね合わせとみなすことができる。
光伝導素子及び試料は照射光強度や電磁波に対して線形に応答するため、電流信号の個々の周波数成分は対応する周波数の光強度変調及び電磁波のみによって担われているとみなせる。
したがって、検出した電流信号をフーリエ変換すれば、各周波数成分での信号を一度にもとめることができる。
【００２９】
反射率の高い試料については反射した電磁波の方を検出し、試料を金属鏡で置き換えた場合の信号と比較することにより試料の複素誘電率などを得ることも可能である。
【００３０】
次に、この発明のテラヘルツ帯複素誘電率測定装置において信号を検出する原理について説明する。
放射された電磁波の電場Ｅ（ｔ）を、電磁波放射用光伝導素子を照射する光強度Ｉ（ｔ）と、電磁波放射用光伝導素子に関する放射電磁波の照射光強度に対する応答関数Ｆ（ｔ）を用いて表すと積分範囲［−∞、ｔ］で次のようになる。
【００３１】
Ｅ（ｔ）＝∫Ｆ（ｔ−ｔ’）Ｉ（ｔ’）ｄｔ’ ・・・（１）
【００３２】
さらに試料を透過した電磁波の電場Ｅ_T（ｔ）は、試料の透過に関する応答関数Ｔ（ｔ）を用いて表すと、積分範囲［−∞、ｔ］で次のようになる。
【００３３】
Ｅ_T（ｔ）＝∫Ｔ（ｔ−ｔ’）Ｅ（ｔ’）ｄｔ’ ・・・（２）
【００３４】
Ｅ（ｔ）、Ｉ（ｔ）、Ｆ（ｔ）、Ｅ_T（ｔ）及びＴ（ｔ）のフーリエ変換をそれぞれ、Ｅ（ω）、Ｉ（ω）、Ｆ（ω）、Ｅ_T（ω）及びＴ（ω）と書くと、式（１）及び式（２）の両辺をフーリエ変換することにより次のようになる。
【００３５】
Ｅ（ω）＝Ｆ（ω）Ｉ（ω）・・・（３）
Ｅ_T（ω）＝Ｔ（ω）Ｅ（ω）・・・（４）
【００３６】
さらに時間遅延がτのとき、試料を放射電磁波経路に挿入しない場合の電流信号Ｊ_R（τ）と挿入した場合の電流信号Ｊ_T（τ）は、検出用光伝導素子の応答が光強度の変調の時間スケールよりも十分短い場合には、伝導度の光強度に対する係数Ｃσを用いて表すと、積分範囲［−∞、∞］で次のようになる。
【００３７】
Ｊ_R（τ）＝Ｃσ∫Ｅ（ｔ）Ｉ（ｔ−τ）ｄｔ・・・（５）
Ｊ_T（τ）＝Ｃσ∫Ｅ_T(t) Ｉ（ｔ−τ）ｄｔ・・・（６）
【００３８】
Ｊ_R（τ）及びＪ_T（τ）の各フーリエ成分Ｊ_R（ω）及びＪ_T（ω）は、式（５）及び式（６）の両辺をフーリエ変換することによりそれぞれ次のようになる。
【００３９】
Ｊ_R（ω）＝ＣσＥ（ω）Ｉ（−ω）・・・（７）
Ｊ_T（ω）＝ＣσＥ_T（ω）Ｉ（−ω）・・・（８）
【００４０】
試料の電磁波透過率と位相遅れはＴ（ｔ）のフーリエ成分Ｔ（ω）の振幅の二乗と位相で表すことができる。Ｔ（ω）は次のようになる。
【００４１】
Ｔ（ω）＝Ｊ_T（ω）／Ｊ_R（ω）・・・（９）
【００４２】
したがって試料を電磁波経路に挿入しない場合の電流信号と試料を挿入した場合の電流信号とから、試料の電磁波透過率と位相遅れが求められる。
試料の複素誘電率の実数部と虚数部は電磁波透過率と位相遅れから計算することができる。
【００４３】
次に、具体的な実施の形態を説明する。
図１はこの発明のテラヘルツ帯複素誘電率測定装置に係る実施の形態の概略構成図である。ＴＤＳにおける短パルス光の代わりにインコヒーレント光とその揺らぎに基づいて同期し信号検出する構成である。
マルチモード半導体レーザー１からのレーザー光をビームスプリッタ２で分割し、一方の電磁波放射用のレーザー光３を電圧印加した電磁波放射用光伝導素子６に照射する。電磁波放射用光伝導素子６には高速変調を受けた電流が流れるため、電磁波１０を放射する。これを放物面鏡９で平行化して試料１２を透過させ、放物面鏡１４により電磁波検出用光伝導素子７に集める。
【００４４】
なお、図１に示したように試料１２が小さい場合或いは試料の小さい領域の透過を調べる場合などは電磁波用レンズ１１ａを用いて電磁波ビーム径を小さくし透過してきた電磁波を電磁波用レンズ１１ｂで平行化することも可能である。
【００４５】
電磁波検出用光伝導素子７はビームスプリッタ２で分割されたもう一方の電磁波検出用のレーザー光４で照射され、時間的にレーザー光強度の変調を反映した導電性を示し、この間に透過してきた電磁波を検出用光伝導素子７で電流として検出する。
ビームスプリッタ２から検出用光伝導素子７に到達するまでの時間を遅延系（１９，２０）で変えることにより、レーザー光強度と電磁波１３の時間相関が得られる。
【００４６】
なお、図１中、５はレンズ、８は電磁波放射用光伝導素子の電源、１５は電磁波検出用光伝導素子で検出した電流を増幅する電流増幅器、１６はロックイン増幅器、１７は光チョッパ、１８は平面鏡、１９はリトロリフレクタ、２０は移動ステージ、２１はコンピュータ、２２は光アイソレータを示す。
【００４７】
電磁波経路に試料がない場合とｎ型Ｓｉウエハ（２〜３Ω・ｃｍ、厚さが０．６３０ｍｍ）を挿入した場合の電流信号を図２に示す。また図２のデータから計算された複素屈折率を図３に示す。なお、図３中の実線はドルーデモデル（Ｄｒｕｄｅｍｏｄｅｌ）による計算値を示す。
このように電磁波経路に試料がある場合と無い場合のインコヒーレント光による検出用光伝導素子７の電流信号を比較することにより、インコヒーレント光のランダムな変調による信号に基づいた高周波電磁波領域に対する試料の応答を測定することができ、これから複素誘電率を計算することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、この発明のテラヘルツ帯複素誘電率測定装置は、インコヒーレント光の揺らぎに基づいて同期信号を検出し、短い時間スケールでのランダムな強度変調を含む光により発生した電磁波を試料に照射して、その試料の特性を検出することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のテラヘルツ帯複素誘電率測定装置に係る実施の形態の概略構成図である。
【図２】この発明に係る遅延時間に対する電流信号を示す図である。
【図３】図２のデータから計算された複素屈折率を示す図である。
【図４】従来のＴＤＳの概略構成図である。
【符号の説明】
１マルチモード半導体レーザー
２，２４ビームスプリッタ
３電磁波放射用のレーザー光
４電磁波検出用のレーザー光
５，２７レンズ
６，２８電磁波放射用光伝導素子
７，２９電磁波検出用光伝導素子
８，３０電源
９，１４，３１，３６放物面鏡
１０電磁波
１１ａ，１１ｂ，３３電磁波用レンズ
１２，３４試料
１３電磁波
１６，３８ロックイン増幅器
１７，３９光チョッパ
１８，４０平面鏡
１９，４１リトロリフレクタ
２０，４２移動ステージ
２１，４３コンピュータ
２２光アイソレータ
２３光パルス

Claims

電磁波検出手段に照射されるインコヒーレント光と検出すべき電磁波との相互相関信号を同期検出し、試料を挿入した場合と挿入しない場合の電流信号とから、該試料の電磁波透過率と位相遅れを求め、該電磁波透過率及び位相遅れから上記試料の複素誘電率を測定するテラヘルツ帯複素誘電率測定装置において、
マルチモード半導体レーザーをインコヒーレント光の光源とし、該インコヒーレント光を２光束に分割する光分割手段と、
この分割した一方のインコヒーレント光の照射に基づき１ＧＨｚから１０ＴＨｚの周波数成分を含む電磁波を放射する電磁波放射手段と、
上記電磁波放射手段からの電磁波を試料に集光する第１光処理手段と、
上記電磁波を上記試料に透過又は反射させて集光する第２光処理手段と、
分割した他方のインコヒーレント光に時間遅延を与える遅延化処理手段と、
上記第２光処理手段で集光した上記電磁波と上記遅延化された他方のインコヒーレント光とが入射される電磁波検出手段と、を含んで構成され、
上記遅延化処理手段にて、上記光分割手段から上記電磁波検出手段に到達するまでの時間を変えることにより、上記電磁波検出手段に入射される上記電磁波と上記他方のインコヒーレント光との時間相関を得ることを特徴とする、テラヘルツ帯複素誘電率測定装置。
前記相互相関信号が前記一方のインコヒーレント光に基づき放射した電磁波の振幅と前記他方のインコヒーレント光の強度との乗算であることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ帯複素誘電率測定装置。
前記インコヒーレント光が、ランダムな強度変調を受けている光であることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ帯複素誘電率測定装置。