DE60220213T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Polarisationsanalyse - Google Patents

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Description

  • Beschreibung
  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • 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.
  • Zur Erreichung des oben angesprochenen Zwecks ist die Erfindung wie nachfolgend beschrieben zusammengesetzt.
  • 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.
  • 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.
  • Die Fouriertransformation ist ein allgemeines numerischer Verfahren zur Extraktion der Frequenzanteile einer zeitlich veränderlichen Größe.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 zeigt eine Skizze einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt einen Graph einer zeitaufgelöste Wellenform einer reflektierten polarisierten elektromagnetischen Welle der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt einen Graph der Frequenzabhängigkeit der ellipsometrischen Winkel (Amplitudenreflexion und Phasendifferenz), die aus den in 2 dargestellten Daten berechnet wurden.
  • 4 zeigt den aus den Daten der 3 berechneten komplexen Brechungsindex.
  • 5 zeigt eine Skizze eines Ausgestaltung einer Zeitbereichsspektroskopie-Analysevorrichtung einer bekannten Technik 1.
  • 6 zeigt einen konzeptionellen Graph eines gemessenen Signals (zeitaufgelöste Wellenform), die von der zeitbereichsspektroskopischen Vorrichtung der bekannten Technik 1 ermittelt wurde.
  • 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.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Nachfolgend wird in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen eine Beschreibung einer bestmöglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • «Ausführungsbeispiel»
  • 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.
  • 1(a) ist eine skizzenhafte Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 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.
  • 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.
  • Ein stabilisiertes Netzteil 50 versorgt die Abstrahlantenne 3 mit Energie.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Während der Messungen werden als bewegliche Teile nur der Azimuthalwinkel des Polarisators 30 und die Position des verfahrbaren Gestells 32 verändert.
  • Das Kollimationsteil, Kondensorteil und optisches Zeitverzögerungsteil beruhen alle auf optischen Vorrichtungen wie elliptischen Spiegel, Linsen und Ähnlichem.
  • 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.
  • 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.
  • Figure 00130001
  • 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.
  • Figure 00140001
  • 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.
  • 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.
  • Figure 00140002
  • Dementsprechend kann ε2 durch n und k mithilfe von Gleichung 5 ausgedrückt werden.
  • Figure 00140003
  • 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.
  • Figure 00140004
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zum Beaufschlagen einer Probe (5) mit einer elektromagnetischen Welle in einem Bereich zwischen 100 GHz und 20 THz und zur Analyse einer Polarisation der elektromagnetischen Welle, die von der Probe (5) kommt, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst: eine Lichtquelle (1) zur Erzeugung optischer Pulse; ein Lichtaufspaltungsteil (2) zum Aufspalten optischer Pulse, die von der Lichtquelle (1) abgegeben werden; ein Abstrahlteil (3) für elektromagnetische Wellen zum Empfang von einem der aufgespalteten optischen Pulse und zum Abstrahlen der elektromagnetischen Welle; ein Kollimationsteil (43, 4) zur Kollimation der elektromagnetischen Welle, die von dem Abstrahlteil (3) für elektromagnetische Wellen abgestrahlt wurde, um eine kollimierte elektromagnetische Welle zu erzeugen, die eine s-polarisierte elektromagnetische Welle und eine p-polarisierte elektromagnetische Welle enthält; ein Polarisationsteil (30) zum Empfang der kollimierten elektromagnetischen Welle, wobei das Polarisationsteil (30) zwischen einer ersten Stellung, in der die s-polarisierte elektromagnetische Welle durchtritt, und einer zweiten Stellung geschaltet werden kann, in der die p-polarisierte elektromagnetische Welle durchtritt, wobei die s-polarisierte elektromagnetische Welle oder die p-polarisierte elektromagnetische Welle, welche durch das Polarisationsteil (30) tritt, schräg auf die Probe trifft; ein Lichtanalysatorteil (31) die s-polarisierte elektromagnetische Welle oder die p-polarisierte elektromagnetische Welle, die von der Probe (5) reflektiert wird zu empfangen, und einer polarisierten elektromagnetischen Wellenkomponente von der reflektierten s-polarisierten elektromagnetischen Welle oder der reflektierten p-polarisierten elektromagnetischen Welle zu erlauben hier durchzutreten; ein Kondenserteil (6, 67) zum Kondensieren der polarisierten elektromagnetischen Wellenkomponente, die durch das Lichtanalysatorteil (31) hindurch getreten ist; ein optisches Zeitverzögerungsteil (44), um variabel eine Zeitverzögerung bei den anderen aufgespalteten optischen Pulsen auszulösen; und ein Detektorteil (7) für elektromagnetische Wellen, um die kondensierte, polarisierte elektromagnetische Wellenkomponente und die zeitverzögerten anderen optischen Pulse zu empfangen, und um die kondensierten, polarisierten elektromagnetischen Wellenkomponenten in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren umfasst: ein Berechnungsteil (51) zur Fourier-Transformation einer zeitaufgelösten Wellenform, die durch Zeitauflösung des elektrischen Signals der kondensierten, polarisierten elektromagnetischen Wellenkomponenten der s-polarisierten elektromagnetischen Welle und der p-polarisierten elektromagnetischen Welle gewonnen werden, welche von dem Lichtanalysatorteil (31) gewonnen wurden, und zum Berechnen einer Amplitudeninformation und einer Phaseninformation der jeweiligen kondensierten, polarisierten elektromagnetischen Wellenkomponenten der s-polarisierten elektromagnetischen Welle und der p-polarisierten elektromagnetischen Welle.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnungsteil (51) des Weiteren das komplexe optische konstante Spektrum von der Amplitudeninformation und der Phaseninformation der jeweiligen kondensierten, polarisierten elektromagnetischen Wellenkomponenten der s-polarisierten elektromagnetischen Welle und der p-polarisierten elektromagnetischen Welle unter Verwendung eines Amplitudenreflektanzverhältnisses rp/rs der Probe ableitet, wobei rs und rp eine Amplitudenreflektanz der kondensierten, polarisierten elektromagnetischen Wellenkomponente der s-polarisierten elektromagnetischen Welle bzw. eine Amplitudenreflektanz der kondensierten, polarisierten elektromagnetischen Wellenkomponente der p-polarisiserten elektromagnetischen Welle sind, und unter Verwendung einer Phasendifferenz σp – σs, in der σs und σp eine Phase der kondensierten, polarisierten elektromagnetischen Wellenkomponente der s-polarisierten elektromagnetischen Welle bzw. eine Phase der kondensierten, polarisierten elektromagnetischen Wellenkomponente der p-polarisierten elektromagnetischen Welle sind.
  4. Verfahren zum Beaufschlagen einer Probe mit einer elektromagnetischen Welle in einem Bereich zwischen 100 GHz und 20 THz und zur Analyse einer Polarisation der elektromagnetischen Welle, die von der Probe kommt, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: einen Erzeugungsschritt zum Erzeugen optischer Pulse von einer Lichtquelle; einen Aufspaltschritt zum Aufspalten der optischen Pulse, die von der Lichtquelle abgegeben werden; einen Schritt zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen, wobei einer der aufgespalteten optischen Pulse empfangen wird und die elektromagnetische Welle abgestrahlt wird; einen Kollimationsschritt zur Kollimation der abgestrahlten elektromagnetischen Welle, um eine kollimierte elektromagnetische Welle zu erzeugen, die eine s-polarisierte elektromagnetische Welle und eine p-polarisierte elektromagnetische Welle enthält; einen ersten Polarisationsschritt zum Auskoppeln einer ersten polarisierten elektromagnetischen Welle aus der kollimierten elektromagnetischen Welle; einen ersten Einstrahlschritt, bei dem der ersten polarisierten elektromagnetischen Welle ermöglicht wird, schräg auf die Probe einzufallen; einen ersten Detektionsschritt zur Detektion der ersten polarisierten elektromagnetischen Welle, die von der Probe reflektiert wurde, unter Verwendung der anderen aufgespaltenen optischen Pulse; einen zweiten Polarisationsschritt zum Auskoppeln einer zweiten polarisierten elektromagnetischen Welle aus der kollimierten elektromagnetischen Welle; einen zweiten Einfallschritt, bei dem der zweiten polarisierten elektromagnetischen Welle ermöglicht wird, schräg auf die Probe einzufallen; einen zweiten Detektionsschritt zur Detektion der zweiten polarisierten elektromagnetischen Welle, die von der Probe reflektiert wurde, unter Verwendung der anderen optischen Pulse; und einen optischen Zeitverzögerungsschritt, um variabel eine Zeitverzögerung in den anderen optischen Pulsen auszulösen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste polarisierte elektromagnetische Welle eine s-polarisierte elektromagnetische Welle, deren elektrischer Feldvektor rechtwinkelig zu der Einfallsebene ist, oder eine p-polarisierte elektromagnetische Welle ist, deren elektrischer Feldvektor parallel zu der einfallenden Ebene ist, und die zweite polarisierte elektromagnetische Welle die andere der beiden ist.
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