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Beschreibung
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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Analysevorrichtung und ein Analyseverfahren
zur Messung von optischen und elektrischen Eigenschaften von Materialien
mittels einer spektroskopischen Methode, und im besonderen eine
Analysevorrichtung und ein Analyseverfahren zur nichtdestruktiven
und berührungslosen Materialmessungen
ohne die Notwendigkeit einer Referenzmessung.
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Zeitbereichsspektroskopische
Verfahren im Terahertz-Wellenbereich (100 GHz bis 20 THz) sind spektroskopische
Verfahren, die sich durch eine direkte Messmöglichkeit komplexer optischer
Konstanten ohne Verwendung einer Kramer-Kronig-Transformation oder ähnliches
auszeichnen, wie beispielsweise die Messung des komplexen Brechungsindex,
der den Brechungsindex und den Dämpfungskoeffizienten
eines Materials in dem betreffenden Frequenzbereich umfasst, der
komplexen elektrischen Konduktivität oder der komplexen dielektrischen
Konstante. Des Weiteren können
von den komplexen optischen Konstanten im Terahertz-Wellenbereich
verschiedene Informationen über
feste, flüssige
oder gasphasige Materialien bestimmt werden, deren Messung in anderen
Frequenzbereichen schwierig ist. Darüber hinaus sind nichtdestruktive
und berührungslose
Messungen der komplexen optischen Konstanten möglich. Vor dem oben angesprochenen Hintergrund
wird die Forschung und Entwicklung der Zeitbereichspektroskopie
im Terahertz-Wellenbereich und deren Anwendung in der Materialwissenschaft
mit viel Energie vorangetrieben.
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Während eine
große
Zahl der auf Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie basierenden Forschungen
für feste,
flüssige
und gasphasige Materialien umgesetzt wurde, basieren viele dieser
Verfahren auf einer Transmittanzmessung der elektromagnetischen
Welle im Terahertzbereich. Bei einigen anderen gebräuchlichen Forschungsvorhaben
wurde eine reflektierte elektromagnetische Welle einer Probe gemessen,
um die optische Konstante der Probe, die eine geringe Transmittanz
der elektromagnetischen Welle im Terahertzbereich aufweist, zu ermitteln.
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Eine
Zusammenfassung der Zeitbereichsspektroskopie, die die Transmittanzmessung
einer bekannten Technik 1 (Martin van Exter und D. Grischkowsky,
Phys. Rev. B, Band 41, Nr. 17, Seiten 12140–12149, 1990) wird in Bezug
auf 5 erläutert.
In dieser vorbekannten Technik 1 der Zeitbereichsspektroskopie
werden zwei elektromagnetische Wellen, wobei eine eine Probe durchläuft, und
die anderen bei nichtvorhandener Probe abgestrahlt wird (Referenzmessung),
aufgezeichnet.
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5 zeigt
eine zusammenfassende Darstellung einer vorbekannten Zeitbereichsspektroskopie 1. Ein
Pulslaser 100 erzeugt einen optischen Laserpuls 101.
Ein Strahlteiler 102 teilt den optischen Laserpuls 101 in
optische Laserpulse 103 und 104, und gibt diese
aus. Der optische Laserpuls 103 wird zur Abstrahlung einer elektromagnetischen
Welle benutzt, während
der optische Laserpuls 104 zum Triggern einer photoleitenden Detektionsvorrichtung
für elektromagnetische
Wellen 110 verwendet wird. Der optische Laserpuls 103 fällt über einen
Spiegel 120, einen Chopper 105, und eine Linse 106 auf
einer Abstrahlantenne 108, wobei diese eine photoleitende
Abstrahlvorrichtung für
elektromagnetische Wellen darstellt.
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Die
Abstrahlantenne 108 strahlt eine elektromagnetische Welle 124 im
Terahertzbereich durch Aufnahme des optischen Laserplus 103 ab.
Die erzeugte Terahertzwelle 124 wird durch eine Halbkugellinse 122 und
einen Parabolspiegel 107 kolliminiert und fällt auf
einer Probe 109. Ein stabilisiertes Netzteil 121 versorgte die
Abstrahlantenne 108 mit elektrischer Energie.
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Der
Chopper 105 ist eine rotierende Vorrichtung, die abwechselnd
offene und geschlossene Sektorbereiche aufweist, und mit einer Frequenz
von 1 bis 3 kHz wiederholend eine Transmission und Unterbrechung des
Laserpulses 103 bewirkt.
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Die
elektromagnetische Welle 125 im Terahertzbereich durchlauft
die Probe 109 und wird durch den Parabolspiegel 113 und
die Halbkugellinse 123 gebündelt, und fällt auf
die Empfangsantenne 110, die eine photoleitende Detektionsvorrichtung
für elektromagnetische
Wellen 110 darstellt, die symmetrisch zur Position der
Abstrahlantenne 108 angeordnet ist. Die Empfangsantenne 110 als
Empfangsvorrichtung gibt instantan beim Empfang des Femtosekunden-Laserpulses 104 ein
sich proportional zum elektrischen Feld der elektromagnetischen
Welle im Terahertzbereich verhaltendes Signal aus.
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Der
am Strahlteiler 102 abgezweigte andere Laserpuls 104 wird über einen
Retroreflektor 111, der einen Reflexionsspiegel bildet, über Spiegel 128, 129 und
eine Linse 130 an die Empfangsantenne 110 abgestrahlt.
Durch eine in Richtung der dargestellten Pfeile ausgeführten Bewegung
des verschieblichen Gestells 112, an das der Retroreflektor 111 befestigt
ist, kann der Eintreffzeitpunkt (Größe der Zeitverzögerung des
Belichtungszeitpunkts) des Laserpulses 104 an der Empfangsantenne 110 verändert werden.
Ein Stromverstärker 126 verstärkt das
Ausgangssignal der Empfangsantenne 110. Ein Lock-m-Verstärker 127 nimmt
das Ausgangssignal des Stromverstärkers 126 und ein
Rotationssteuersignal (Rotationserkennungssignal) des Choppers 105 auf,
und gibt entsprechend der Rotation des Choppers 105 Komponenten
des Ausgangssignals des Stromverstärkers 126 aus.
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Durch
Veränderungen
der Zeitverzögerungen
durch Bewegung des verschieblichen Gestells 112 werden
die Amplituden des Ausgangssignals (elektrisches Feld der elektromagnetischen
Welle im Terahertzbereich) des Lock-In-Verstärkers 127 bei verschiedenen
Zeitverzögerungen
gemessen. Als Ergebnis kann die zeitaufgelöste Wellenform der abgestrahlten
elektromagnetischen Welle im Terahertzbereich, wie in 6 dargestellt
(Amplitude des elektrischen Felds über Größe der Zeitverzögerung),
gemessen werden.
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Wie
oben dargestellt kann die zeitaufgelöste Wellenform der elektromagnetischen
Welle im Terahertzbereich, d.h. die Amplituden/Phasen-Eigenschaft
der elektromagnetischen Welle gemessen werden. Das komplexe Transmittanzspektrum
einer Probe kann durch Messungen der zeitaufgelöste Wellenform im Falle einer
im Strahlengang der elektromagnetischen Welle eingelegten und nichteingelegten
Probe und durch Bildung des Verhältnisses
der diesbezüglichef
komplexen Spektren der entsprechenden Fouriertransformierten bestimmt
werden. Somit können
auf einmal die komplexen optischen Konstanten wie der komplexe Brechungsindex
oder die komplexe elektrische Konduktivität über einen großen Frequenzbereich
des Terahertz-Wellenbandes bestimmt werden.
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In
einer Zeitbereichsspektroskopie einer vorbekannten Technik 2 wird
eine zeitaufgelöste
Wellenform einer elektromagnetischen Welle, die von der Oberfläche einer
Probe des Messobjekts reflektiert wird und eine zeitaufgelöste Wellenform
einer elektromagnetischen Welle, die von der Oberfläche eines
Referenzmaterials (Referenz) reflektiert wird, und dessen Reflexionseigenschaft
durch 1 bekannt ist, gemessen, und durch Bildung des Verhältnisses
der beiden komplexen Spektren das komplexe Reflexionsspektrum der
Probe bestimmt.
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Während in
der vorbekannten Technik 1 das transmittierte Licht durch
eine Probe gemessen wird, wird in der vorbekannten Technik 2 (S.C.
Howells and C. A. Schlie, Applied Physics Letter, Band 69, Nr. 4,
Seiten 550–552,
1996) das reflektierte Licht der Probe gemessen. Bezüglich der
restlichen oben angeführten
Eigenschaften stimmen die beiden Anordnungen überein.
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In
der Zeitbereichsspektroskopie der vorbekannten Technik 2,
die reflektiertes Licht verwendet, muss jedoch zur Gewinnung einer
genügend
genauen Phaseninformation die Positionen der reflektierenden Oberflächen der
Probe und der Referenz im Rahmen einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern übereinstimmen (T.
I. Jeon und D. Grischkowksy: Applied Physics Letters, Band 72, Seiten
3032–3035,
1998). Diese ist jedoch aufgrund der mechanischen Genauigkeit eines
gebräuchlichen
Probenhalters nur schwer erreichbar. Um diese Schwierigkeiten zu
umgehen wurde eine neues Verfahren entwickelt, bei dem ein transparentes
Material bekannter Filmdicke und bekanntem Reflexionsindex auf der
Oberfläche
einer Probe befestigt wird, und sowohl die auf der Oberfläche des
transparenten Films als auch die an der Zwischenschicht zwischen
transparentem Film und Probe reflektierten elektromagnetischen Wellen
gemessen werden, und bei gegebener Filmdicke und bekanntem Brechungsindex
des transparenten Films durch Datenverarbeitung eine ausreichende
Genauigkeit erreicht wird (Shigeki Najima und andere, 2001 (Heisei
13), 61. Applied Physics Autumn Academic Conference). Jedoch weist
dieses Verfahren das Problem auf, dass bestimmte Bearbeitungsschritte
an die Probe notwendig werden. und dass die Datenverarbeitung eine
leidig hohe Komplexität
erfordert.
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Im
Rahmen der reflektiertes Licht verwendende Zeitbereichsspektroskopie
wurden ferner Versuche zur Bestimmung der optischen Konstanten ohne
die Durchführung
einer Referenzmessung durchgeführt.
Dabei wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem durch Veränderung
des Einfallswinkels auf die Probe der Brewsterwinkel durch Messung
der reflektierten Wellenform bestimmt wird, und ausgehend von diesen
Daten der Brechungsindex eines auf einem Substrat aufgetragenen
Films, das die Probe darstellt, bestimmt wird (M. Li und andere:
Applied Physics Letters, Band 74, Seiten 2113–2114, 1999). Obwohl dieses
Verfahren die Messung der optischen Konstanten eines extrem dünnen Films
exzellent ermöglicht,
ist es notwendig, jedesmal bei Veränderung des Einfaltswinkels
die Positionen der Empfangsantenne zu verändern. Im Rahmen der Zeitbereichsspektroskopie
ist es erforderlich bei jeder Messung und Veränderung des Einfallswinkels
eine Anpassung der Strahlbahn des Femtosekun den- Pulslasers, der
die Empfangsantenne triggert, vorzunehmen, und dies kostet viel
Zeit und einen hohen Aufwand, und macht das Verfahren unpraktikabel.
Des Weiteren kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren kein kontinuierliches
Spektrum bestimmt werden.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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In
Anbetracht der oben angesprochenen Probleme ist das Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, durch
welche das komplexe optische Konstantenspektrum mit hoher Genauigkeit
selbst bei einer Probe mit niedriger elektromagnetischer Transmittanz
durch Reflexionsmessung unter einem einzigen konstanten Einfallswinkel
ohne Referenzmessung und des weiteren ohne zusätzliche Bearbeitungsschritte
an der Probe ermittelt werden kann.
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Zur
Erreichung des oben angesprochenen Zwecks ist die Erfindung wie
nachfolgend beschrieben zusammengesetzt.
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Eine
Polarisationsanalysevorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst
die Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
2 und 3 definiert.
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Die
oben angesprochene Polarisationsanalysevorrichtung der vorliegenden
Erfindung kann des weiteren folgendes umfassen: ein Berechnungsteil
zur Fouriertransformation einer zeitaufgelösten Wellenform, die durch
Zeitauflösung
des oben angesprochenen elektrischen Signals der von einer Probe
reflektierten s-und p-polarisierten elektromagnetischen Welle gewonnen
wurde, und zum Berechnen einer Amplituden- und einer Phaseninformation
der s- und der p-polarisierten
elektromagnetischen Welle.
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Die
Fouriertransformation ist ein allgemeines numerischer Verfahren
zur Extraktion der Frequenzanteile einer zeitlich veränderlichen
Größe.
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Die
oben angesprochene Polarisationsanalysevorrichtung der vorliegenden
Erfindung kann des weiteren dadurch gekennzeichnet werden, dass
das oben angesprochene Berechnungsteil unter Verwendung des Amplitudereflexionsverhältnisses
rp/rs (rs und rp sind entsprechende
Amplitudenreflexionen der s- bzw. p-polarisierten elektromagnetischen
Welle einer Probe) und der Phasendifferenz δp – δs (δs und δp sind
entsprechende Phasen der von einer Probe re flektierten s- bzw. p-polarisierten
elektromagnetischen Welle) durch Ableitung der Amplituden- und Phaseninformation
der von einer Probe reflektierten s-und p-polarisierten elektromagnetischen
Welle das komplexe optische Konstantenspektrum bestimmt.
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Die
oben angesprochene Polarisationsanalysevorrichtung der vorliegenden
Erfindung kann des Weiteren dadurch gekennzeichnet sein, dass die
Frequenz der oben angesprochenen elektromagnetischen Welle in einem
Frequenzbereich zwischen 100 GHz und 20 THz liegt.
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Die
oben angesprochene Polarisationsanalysevorrichtung der vorliegenden
Erfindung kann des Weiteren dadurch gekennzeichnet sein, dass die
oben angesprochene Lichtquelle ein Ferntosekunden-Pulslaser oder
ein Halbleiterlaser ist.
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Die
oben angesprochene Polarisationsanalysevorrichtung der vorliegenden
Erfindung kann des Weiteren dadurch kennzeichnet sein, dass das
oben angesprochene Lichtaufspaltungsteil oder die oben angesprochene
Lichtaufspaltungsvorrichtung ein Strahlsplitter ist.
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Der
Polarisationsanalyseverfahren der vorliegenden Erfindung umfasst
folgende Schritte: ein Erzeugungsschritt zum Erzeugen optischer
Pulse von einer Lichtquelle; ein Aufspaltschritt zum Aufspalten
der optischen Pulse, die von der Lichtquelle abgegeben werden; ein
Schritt zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen, wobei einer
der aufgespaltenen optischen Pulse empfangen wird, und die elektromagnetische
Welle abgestrahlt wird; ein Kollimationsschritt zur Kollimation
der abgestrahlten elektromagnetischen Welle; einen ersten Polarisationsschritt
zum Auskoppeln einer ersten polarisierten elektromagnetischen Welle
aus der gebündelten
elektromagnetischen Welle; einen ersten Detektionsschritt zur Detektion
der von der Probe reflektierten ersten polarisierten elektromagnetischen
Welle unter Verwendung der anderen aufgespaltenen optischen Pulse;
einen zweiten Polarisationsschritt zum Auskoppeln einer zweiten
polarisierten elektromagnetischen Welle aus der gebündelten
elektromagnetischen Welle; einen zweiten Detektionsschritt zur Detektion
der oben angesprochenen zweiten von einer Probe reflektierten polarisierten
elektromagnetischen Welle unter Verwendung der oben angesprochenen
anderen optischen Pulse; und einen optischen Zeitverzögerungsschritt,
um variabel eine Zeitverzögerung
der anderen optischen Pulse zu erreichen.
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Das
oben angesprochene Polarisationsanalyseverfahren der vorliegenden
Erfindung kann des weiteren dadurch gekennzeichnet sein, dass die
oben angesprochene erste elektromagnetische Welle entweder eine
s-polarisierte elektromagnetische Welle ist (der elektrische Feldvektor
ist rechtwinklig zur Einfallsebene) oder eine p-polarisierte elektromagnetische
Welle ist (der elektrischer Feldvektor liegt parallel zu der Einfallsebene)
und die zweite polarisierte elektromagnetische Welle die jeweils
andere der beiden ist.
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Die
vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Polarisationsanalyse vorschlägt, durch
das das komplexe optische Konstantenspektrum mit hoher Genauigkeit selbst
bei einer Probe mit niedriger elektromagnetischer Transmittanz durch
Reflexionsmessung unter einem einzigen konstanten Einfallswinkel
ohne Referenzmessung und des weiteren ohne zusätzliche Bearbeitungsschritte
an einer Probe ermittelt werden kann.
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Die
neuen Merkmale der Erfindung werden nachfolgend vollständig beschrieben
und insbesondere in den abhängigen
Ansprüchen
dargelegt, und die Konfigurationen und die Details der Erfindung
können
zusammen mit weiteren Zielen und Merkmalen durch Bezug auf die nachfolgende
detaillierte Beschreibung und die zugehörigen Zeichnungen besser verstanden
werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 zeigt
eine Skizze einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
einen Graph einer zeitaufgelöste
Wellenform einer reflektierten polarisierten elektromagnetischen
Welle der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
einen Graph der Frequenzabhängigkeit
der ellipsometrischen Winkel (Amplitudenreflexion und Phasendifferenz),
die aus den in 2 dargestellten Daten berechnet
wurden.
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4 zeigt
den aus den Daten der 3 berechneten komplexen Brechungsindex.
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5 zeigt
eine Skizze eines Ausgestaltung einer Zeitbereichsspektroskopie-Analysevorrichtung
einer bekannten Technik 1.
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6 zeigt
einen konzeptionellen Graph eines gemessenen Signals (zeitaufgelöste Wellenform),
die von der zeitbereichsspektroskopischen Vorrichtung der bekannten
Technik 1 ermittelt wurde.
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Es
versteht sich von selbst, dass die Zeichnungen im Ganzen oder in
Teilen lediglich Illustrationsdiagramme sind, und nicht notwendigerweise
detaillierte Darstellungen der tatsächlichen relativen Größen oder Positionen
der gezeigten Elemente sind.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Nachfolgend
wird in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen eine Beschreibung
einer bestmöglichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
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«Ausführungsbeispiel»
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Im
nachfolgenden wird eine Polarisationsanalysevorrichtung und ein
Polarisationsanalyseverfahren der vorliegenden Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispiels
ausführlich
erläutert.
In diesem Zusammenhang sollen die vorliegende Erfindung als nicht
durch das unten beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt verstanden
werden.
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1(a) ist eine skizzenhafte Darstellung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Ein
Pulslaser (Lichtquelle) 1 erzeugt einen optischen Laserplus.
Als Lichtquelle wird ein Femtosekunden-Pulslaser oder ein Halbleiterlaser
eingesetzt. Der Laser erzeugt Laserlicht einer Wellenlänge von
etwa 800 nm, und einer Pulsdauer von etwa 80 fs bei einer Wiederholfrequenz
von circa 80 MHz. Ein Strahlteiler 2 (Lichtaufspaltungsteil,
Lichtaufspaltungsvorrichtung) teilt den einfallenden Laserpuls in
die optischen Laserpulse 10 und 11 auf. Der Strahlteiler 2 ist
beispielsweise ein Halbspiegel. Der optische Laserpuls 10 wird
für die elektromagnetische
Abstrahlung verwendet, während
der optische Laserpuls 11 zum Triggern der photoleitenden
Antenne (Empfangsantenne) 7 eingesetzt wird.
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Der
optische Laserpuls 10 fällt über einen
Spiegel 40, einen Chopper 41, und eine Linse 42 auf
die Abstrahlantenne 3, die als photoleitende elektromagnetische
Terahertzwellen-Abstrahlvorrichtung
(elektromagnetisches Wellenabstrahlteil, elektromagnetische Wellenabstrahlvorrichtung)
ausgeführt
ist. Die Abstrahlantenne 3 umfasst ein paar leitende und
mit extrem geringem Abstand zueinander parallel verlaufende Schaltbahnen
(parallele Elektroden), die in einer rechtwinklig zum einfallenden
Laserlicht angeordneten Ebene verlaufen. (eine rechtwinklig zur
Blattebene der 1 verlaufenden Ebene). Durch
die von dem optischen Laserpuls 10 hervorgerufene Belichtung
fließt
instantan Strom in die Abstrahlantenne 3 (parallele Elektroden).
In der Abstrahlantenne 3 fließt ein transienter Strom vornehmlich
in der Zeitspanne, während
der der optische Laserpuls auf die Abstrahlantenne 3 fällt, und
dadurch strahlt die Abstrahlantenne 3 eine elektromagnetische
Welle im Terahertzbereich mit einer Pulsdauer von 50 fs bis 10 ps
ab (elektromagnetische Welle im Teraherztbereich (100 GHz bis 20
THz)). Die erzeugte elektromagnetische Welle ist linear polarisiert,
wobei die magnetische Komponente rechtwinklig zur Stromrichtung
ausgerichtet ist.) Die Abstrahlantenne 3 hat eine polarisationsabhängige Charakteristik,
und ist so angeordnet, dass der elektrische Feldvektor der elektromagnetischen
Welle zu einem Zeitpunkt unmittelbar nach der Bestrahlung einen
Maximalwert in einer Ebene rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung
der elektromagnetischen Wellen annimmt, und des weiteren einen Winkel
von 45° in
Bezug auf die Einfallsebene zur Probe aufweist. In diesem Zusammenhang
bezeichnet die Einfallsebene auf eine Probe eine Ebene, in der die
Ausbreitungsrichtung (Richtung des Poyntingvektors) der elektromagnetischen Welle,
die die Abstrahlantenne 3 verlässt, an der Probe reflektiert
wird, und die zur Empfangsantenne 7 gelangt (die im Zeichenblatt
der 1(a) liegende Ebene) liegt.
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Ein
stabilisiertes Netzteil 50 versorgt die Abstrahlantenne 3 mit
Energie.
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Als
Abstrahlantenne 3 kann jede Antenne verwendet werden. Z.B.
kann anstelle der oben angesprochenen Dipolantenne einer Bowtie
Antenne (planare bikonische Antenne) oder eine Spiralantenne, die
eine spiralartige Elektrodenstruktur aufweist (strahlt eine zirkularpolarisierte
Welle ab), verwendet werden. Die von der Abstrahlantenne 3 abgestrahlte
elektromagnetische Welle im Teraherztbereich wird mit Hilfe eines
Polarisators in eine linear polarisierte Welle umgewandelt und auf
die Probe abgestrahlt.
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Ein
Chopper 41 ist eine rotierende Vorrichtung, die abwechselnd
offene und geschlossene Sektorblenden aufweist und die wiederholend
eine Transmission und Unterbrechung des Laserpulses 10 in
einer Frequenz von 1 bis 3 kHz bewirkt.
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Die
erzeugte elektromagnetische Welle 20 im Teraherztbereich
wird durch eine Halbkugellinse 43 und einen Parabolspiegel 4 gebündelt (Kollimationsteil,
erstes optisches System) und an einen Polarisator 30 abgestrahlt
(Polarisationssteil). Der Polarisator 30 lässt bestimmte
polarisierte elektromagnetische Wellen der elektromagnetischen Welle 20 im
Teraherztbereich passieren. Der Polarisator 30 ist ein
aus vielen metallischen Drähten
geformtes Drahtgitter, die eine Drahtdicke von mehreren Micrometern
und einen Gitterabstand von ungefähr 10 Micrometern
aufweisen. Der Polarisator 30 kann unmittelbar vor einer
Probe 5 oder unmittelbar nach der Abstrahlantenne 3 angeordnet
werden. Bevorzugterweise wird der Polarisator 30 durch
eine Haltevorrichtung befestigt, die eine präzise Steuerung des Azimuthalwinkels
ermöglicht.
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Als
erstes wird eine s-polarisierte elektromagnetische Wellen (oder
p-polarisierte elektromagnetische Welle) aus der elektromagnetischen
Welle 20 im Teraherztbereich, die von der Abstrahlantenne 3 in
den Polarisator abgestrahlt wird, ausgekoppelt (durch Durchleitung
der elektromagnetische Welle durch den Polarisator 30).
Während
dieses Vorgangs kann durch Rotation des Azimuthalwinkels des Polarisators 30 um
90° eine
p-polarisierte elektromagnetische Welle (oder eine s-polarisierte
elektromagnetische Welle) ausgekoppelt werden (in Bezug auf 1(b)). Die s-polarisierte elektromagnetische Welle
ist eine elektromagnetische Welle, deren elektrischer Feldvektor
rechtwinklig zur Einfallsebene liegt, während die p-polarisierte elektromagnetische Welle
einer elektromagnetische Welle ist, deren elektrischer Feldvektor
parallel zur Einfallsebene liegt.
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Falls
die Abstrahlantenne 3 keine polarisationsabhängige Charakteristik
besitzt, weist die s-polarisierte
und die p-polarisierte elektromagnetische Welle, die durch den Polarisator 30 gelangen,
dieselbe Amplitude und dieselbe Phase auf. Eventuell hat die Abstrahlantenne 3 eine
polarisationsabhängige
Charakteristik. In diesem Fall wird die Abstrahlantenne 3 so
angeordnet, dass der elektrische Feldvektor einen Maximalbetrag an
einer Stelle unmittelbar nach Abstrahlung von der Antenne 3 annimmt,
und dabei einen Winkel von 45° bezüglich der
Einfallsebene aufweist. Dadurch werden Amplituden und Phasen der
s- und p-polarisierten elektromagnetischen Wellen gleich groß.
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Nach
der oben angesprochenen Anpassung werden s -und p-polarisierte elektromagnetische
Wellen schräg
auf die Probe abgestrahlt, und behalten ihre Kollimation nach Einstellung
des Azimuthalwinkels des Polarisator bei.
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Die
von der Probe 5 reflektierte elektromagnetische Welle 21 im
Teraherztbereich (s- oder p-polarisierte
elektromagnetische Welle) fällt
unter Beibehaltung ihrer Kollimation auf den Analysator 31 (Analysatorteil). Der
Analysator 31 besteht aus einem Drahtgitter vergleichbar
mit dem des Polarisators 30 (siehe 1(b)), welches
zur Steigerung der Detektionssensitivität nur die polarisierten Komponenten
der reflektierten elektromagnetischen Welle zur Empfangsantenne 7 durchlässt. Die
elektromagnetische Welle 21 im Teraherztbereich, die durch
den Analysator 31 fällt,
wird durch einen Parabolspiegel 6 und eine Kugellinse 47 gebündelt (Kondensorteil,
zweites optisches System) und fällt
auf die Empfangsantenne 7, die aus einer photoleitenden Detektionsvorrichtung
für elektromagnetische
Wellen besteht (elektromagnetisches Wellendetektorteil, elektromagnetische
Wellendetektionsvorrichtung). Die Empfangantenne 7 umfasst
ein paar leitende und mit extrem geringem Abstand zueinander parallel
verlaufende Schaltbahnen (parallele Elektroden), die in einer rechtwinklig
zur einfallenden elektromagnetischen Welle angeordneten Ebene verlaufen.
(eine rechtwinklig zur Blattebene der 1 verlaufenden
Ebene). Als Empfangsantenne 7 kann jede Antenne zum Empfang
linear polarisierte Wellen verwendet werden. Beispielsweise kann
anstelle der oben angesprochenen Dipolantenne eine Bowtie-Antenne
(planare bikonische Antenne) verwendet werden. Die Empfangsantenne 7,
die eine Detektionsvorrichtung darstellt, gibt ein Signal proportional
zum elektrischen Feld der elektromagnetischen Welle im Teraherztbereich
aus, die in dem Moment des Einstrahlens des Femtosekunden-Laserpuls 11 empfangen wurde.
Die Empfangsantenne 7 wird bei Bestrahlung mit dem Femtosekunden-Laserpuls 11 transient
leitend und fällt
nach Abklingen der Lichtbestrahlung in einen nichtleitenden Zustand
zurück.
Die Empfangsantenne 7 weist eine polarisationsabhängige Charakteristik
auf, und ist so angeordnet, dass sich die Richtung ihrer höchsten Detektionssensitivität in einer
Ebene rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Felder
erstreckt, und dabei einen Winkel von 45° in Bezug auf die Einfallsebene
aufweist.
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Der
zur Detektion der elektromagnetischen Welle verwendete und von dem
Strahlteiler 2 als weiterer Laserpuls aufgespaltete und
zur Detektion elektromagnetischer Wellen dienende optische Laserpuls 11 fällt über einen
Retroreflektor 44 als Reflexionsspiegel, einen Spiegel 45 und
eine Linse 46 auf die Empfangsantenne 7. Beim
Einfall des optischen Laserpulses 11 auf die Empfangsantenne 7 ändert sich
die Leitfähigkeit der
Empfangsantenne 7 instantan. In diesem Augenblick fließt ein sich
proportional zum elektrischen Feld der an der Empfangsanten ne 7 eintreffenden
reflektierten elektromagnetischen Welle 21 einstellender
Strom in die Empfangsantenne 7.
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Der
Retroreflektor 44 als Reflexionsspiegel (optisches Zeitverzögerungsteil,
drittes optisches System) ist zwischen dem Strahlteiler 2 und
der Empfangsantenne 7 angeordnet. Durch Bewegen des verfahrbaren Gestells 32,
an dem der Retroreflektor 44 befestigt ist, in der durch
Pfeile angedeutete Richtung wird die optische Weglange des Laserpulses 11 variiert,
und dadurch der Zeitpunkt, an dem der Laserpuls 11 auf
die Empfangsantenne 7 fällt,
verändert
(Größe der Zeitverzögerung (Phase)
des Belichtungszeitpunkts). Ein Stromverstärker 48 verstärkt das
Ausgangssignal der Empfangsantenne 7. Ein Lock-In-Verstärker 49 empfängt das Ausgangssignal
des Stromverstärkers 48 und
ein Rotationssteuersignal (oder Rotationsdetektionsignal) und koppelt
eine der Rotation des Choppers 41 zugeordnete Komponente
des Ausgangssignal des Stromverstärkers 48 aus.
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Durch
Veränderung
der Größe der Zeitverzögerung durch
Bewegen des verfahrbaren Gestelles 32 wird die Amplitude
des Ausgangssignals (elektrisches Feld der elektromagnetischen Welle
im Teraherztbereich) des Lock-In-Verstärkers 49 während den
entsprechenden Verzögerungszeiten
gemessen. Im Ergebnis kann die zeitaufgelöste Wellenform (Zeitverzögerung/Amplitudencharakteristik)
der abgestrahlten s- und p-polarisierten elektromagnetischen Wellen
bestimmt werden.
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In 2 sind
die zeitaufgelösten
Wellenformen einer ws(t) und wp(t)
(t: Zeit) einer reflektierten elektromagnetischen Welle einer s-und
-polarisierten elektromagnetischen Welle eines n-dotierten Siliziumwafers (0,136 cm,
0,7 mm Dicke) bei einem Einfaltswinkel von 45° dargestellt. Des Weiteren sind
in 3 die ellipsometrischen Winkelveränderungen über der
Frequenz durch Berechnung des Verhältnisses der entsprechenden
Fouriertransformierten der in 2 gezeigten
Daten aufgezeichnet. Das anhand der Daten der 3 berechnete
komplexe Brechungsindexspektrum ist in 4 gezeigt.
Diesbezüglich
zeigen die in den Figs. 3 und 4 dargestellten
durchgezogenen Kennlinien auf Basis eines Drudemodells berechnete
Werte.
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Während in
der vorliegenden Ausführungsform
der Polarisationsanalysevorrichtung ein Computer 51 schrittweise
Kommandos zum Bewegen des verfahrbaren Gestells 32 (um
den Zeitpunkt, an dem der Laserpuls 11 die Empfangsantenne 7 bestrahlt,
zu verändern)
schickt, empfangt der Computer 51 sukzessive Ausgangssignale
des Lock-In-Verstärkeres 49 (Aus gangssignal
der s- und p-polarisierten elektromagnetischen Welle). Nachdem das
Ausgangssignal des Lock-In-Verstärkers 49 (zeitaufgelöste Wellenform)
A./D-gewandelt wurde, werden die Daten im Speicher des Computers 51 abgelegt.
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In
einer anderen Ausführungsform
bewegt Messbedienpersonal das verfahrbare Gestell 32 schrittweise
und liest das Ausgangssignal des Lock-In-Verstärker 49 sukzessive
ab und gibt die ausgelesenen Werte in den Computer 51 ein.
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Die
den Durchlass der s- und p-polarisierten elektromagnetischen Welle
bestimmende Ausrichtung des Drahtgitters des Polarisators 30 kann
entweder von Hand oder motorisch umgeschaltet werden.
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Während der
Messungen werden als bewegliche Teile nur der Azimuthalwinkel des
Polarisators 30 und die Position des verfahrbaren Gestells 32 verändert.
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Das
Kollimationsteil, Kondensorteil und optisches Zeitverzögerungsteil
beruhen alle auf optischen Vorrichtungen wie elliptischen Spiegel,
Linsen und Ähnlichem.
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Der
Computer 51 (Berechnungsteil) führt die folgenden Berechnungen
basierend auf den oben erwähnten
gemessenen Daten durch und stellt die berechneten Ergebnisse als
Zielparameter auf einer Anzeige 52 dar.
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Die
komplexen Spektren Es(v) und Ep(v), die die Amplituden- und Phaseninformation
der reflektierten elektromagnetischen Welle beinhalten, werden durch
Fouriertransformation der zeitaufgelösten Wellenformen ws(t) und wp(t) (t:
Zeit) der s- und p-polarisierten elektromagnetischen Welle berechnet.
Dabei ist v = 2π x
Frequenz.
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Das
Spektrum des Amplitudenreflektanzverhältnisses zwischen s- und p-polarisierter
elektromagnetische Welle rp(v)/r(v) und
die Phasendifferenz δp – δs werden
durch Bildung des Verhältnisses
der komplexen Spektren der s-polarisierten und der p-polarisierten
elektromagnetischen Welle bestimmt.
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Diese
entsprechenden den diesbezüglichen
Ausdrücken
der ellipsometrischen Winkel vorbekannter Polarisationsanalyseverfahren,
tan Ψ(v) ≡ rp(v)/rs(v) und Δ(v) ≡ δP – δs.
Danach kann das komplexe optische Konstantenspektrum aus den ellipsometrischen
Winkeln mithilfe der Polarisationsanalyseverfahren abgeleitet werden.
Das Verfahren zur Berechnung der komplexen optischen Konstantenspektren
von der frequenzabhängigen
Variationen des ellipsometrischen Winkels ist seit langen gut bekannt,
und beispielsweise in einem Buch von A. Azzam und N. M. Bashara, „Ellipsometry
and Polarized Light" (North-Holland,
1987) vorgestellt.
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Es
gelte, dass die komplexe optische Konstante als n – ik (n
ist Realteil, k ist Imaginärteil
der komplexen optischen Konstanten) und die komplexe dielektrische
Konstante als ε = ε1 – iε2 (ε1 ist
Realteil und ε2 ist Imaginärteil der komplexen dielektrische
Konstante) geschrieben werden. ε1 kann unter der Vorgabe von θ0 als Einfallswinkel der elektromagnetischen
Weile auf eine Probe mit Hilfe von n und k durch Gleichung 4 ausgedrückt werden.
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Dementsprechend
kann ε2 durch n und k mithilfe von Gleichung 5
ausgedrückt
werden.
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Des
weiteren steht, wie in Gleichung (6) und (7) dargestellt, die komplexen
Dielektrizitätszahlen
mit der komplexen elektrischen Leitfähigkeit σ = σ1 – iσ2 (σ1 ist
Realteil, σ2 ist Imaginärteil der komplexen elektrischen
Leitfähigkeit)
in Beziehung, und die elektrischen Eigenschaften können auf
einem berührungslosen
und zerstörungsfreien
Weg unter Vermeidung der Ausformung von Elektrodenstrukturen gemessen
werden. In diesem Zusammenhang gibt ε0 die
Vakuumdielektrizitätszahl
an.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung können
die ellipsometrischen Winkel tan Ψ und Δ lediglich durch Messung der
zeitaufgelösten
Wellenform der reflektierten Welle einer s- und p-polarisierten
elektromagnetischen Welle unter einem einzigen konstanten Einfallswinkel
ermittelt werden, wobei keine Messungen in Abhängigkeit des Einfallswinkels
notwendig sind.
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Des
weiteren kann in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung und wie oben beschrieben das komplexe
optische Konstantenspektrum einer Probe durch Messung der zeitaufgelösten Wellenform
der entsprechenden reflektierten elektromagnetischen Wellen unter
der Bedingung abgeleitet werden, dass der Azimuthalwinkel eines
Polarisator in zwei zueinander orthogonal gekreuzte Polarisationsrichtungen
eingestellt wird.
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Im
Rahmen des vorbekannten spektroskopischen Polarisationsanalyseverfahren
war es, da die azimuthale Winkelabhängigkeit des Polarisators im
Detail bekannt sein musste, notwendig, viele Messungen bei geringen
Veränderungen
des Azimuthalwinkels vorzunehmen, im Gegensatz hierzu kann in der
vorliegenden Erfindung das komplexe optische Konstantenspektrum
durch zwei Messungen bestimmt werden.
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Das
Polarisationsanalyseverfahren im Teraherztbereich und die zugehörige Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung kann verschiedene komplexe Daten durch
Messung der zeitaufgelösten
Wellenform einer Vielzahl von polarisierten reflektierten elektromagnetischen
Wellen einer Probe ableiten. Bei dem Verfahren und der Vorrichtungen
zur Wellenpolarisationsanalyse im Teraherztbereich werden keine
Referenzdaten gemessen.
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Wie
bereits oben beschrieben wurde kann das komplexe optische Konstantenspektrum
einer Probe sehr einfach über
die zeitaufgelöste
Wellenform einer reflektierten Welle einer s- und p-polarisierten
elektromagnetischen Welle ohne die Notwendigkeit einer Referenzmessung,
beispielsweise mit einem metallischen Spiegel, ermittelt werden.
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Darüberhinaus
ist die Probe vermessbar, sofern der mit der elektromagnetischen
Welle bestrahlte Bereich flach ausgebildet ist, dabei sind keine
besonderen zusätzlichen
Bearbeitungsschritte notwendig. Beispielsweise kann die vorliegende
Messvorrichtung sogleich bei Einbringung in eine Dünnfilmformvorrichtung Untersuchungen
der freien Ladungsträgerbeweg lichkeit
und Ladungsträgerdichte
von Halbleitern und supraleitenden Dünnfilmen, komplexe dielekrische
Konstanten ferroelektrischer Materialien, oder Organismen (DNA,
Proteine, Enzyme oder Ähnliches)
vornehmen. Beispielsweise können
die abwechselnden Absorptionslinien der Moleküle von Probeorganismen durch
die vorliegende Messvorrichtung erkannt werden, und der Grad des
Reaktionsausmaßes
gemessen werden (oder die Existenz spezifischer DNA bestimmt werden).
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird ein vorteilhafter Effekt dadurch
erreicht, dass eine Polarisationsanalysevorrichtungen und ein Polarisationsanalyseverfahren
vorgeschlagen wird, die es ermöglichen,
ein komplexes optisches Konstantenspektrum durch Reflexionsmessung
bei einem einzigen konstanten Einfallswinkel selbst von Materialien
zu bestimmen, die eine geringe elektromagnetische Wellentransmittanz
aufweisen, wobei keine Referenzmessung vorgenommen werden muss,
und des weiteren keine zusätzlichen
Bearbeitungen der Probe vorgenommen werden müssen.
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Obwohl
die Erfindung detailliert im Rahmen der bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde, können
erläuterte
Konfigurationsdetails der bevorzugten Ausführungsformen abgeändert oder
modifiziert werden, und es können
Veränderungen
der Kombination oder der Reihenfolge der Elemente vorgenommen werden,
ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt
ist, abzuweichen.