JP2003121355A

JP2003121355A - 試料情報取得方法及びテラヘルツ光装置

Info

Publication number: JP2003121355A
Application number: JP2001312866A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Iwamoto; 敏志岩本
Original assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp
Current assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2003-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】測定の手数を低減し、処理を簡単にし、しか
も、最終的に得られる試料の情報の精度を向上させる。【解決手段】テラヘルツ光発生器から発生したテラヘ
ルツ光Ｌ４を試料１００ａの下面の所定領域に導き、前
記所定領域で反射されたテラヘルツ光Ｌ５をテラヘルツ
光検出器により検出し、前記テラヘルツ光検出部からの
検出結果に基づいて試料１００ａの情報を取得する。試
料１００ａの下面が水平面となるように、上面が水平面
とされた試料ホルダ４０上に、試料１００ａを載置す
る。試料ホルダ４０は、テラヘルツ光Ｌ４，Ｌ５を透過
させる開口を有する。テラヘルツ光発生器から発生した
テラヘルツ光Ｌ５を試料１００ａの下面の前記所定領域
に下側から入射させ、前記所定領域で反射されたテラヘ
ルツ光Ｌ５をテラヘルツ光検出器に導く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、テラヘルツ光を用
いて試料の情報を取得する試料情報取得方法及びテラヘ
ルツ光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、物質の測定・検査・イメージ化及
びその他の種々の分野において、超短パルスレーザによ
って発生させたテラヘルツパルス電磁波（テラヘルツパ
ルス光）を用いた時系列変換テラヘルツ分光法などの、
テラヘルツ光の利用技術の有用性が認識されてきてお
り、テラヘルツ光を用いる種々のテラヘルツ光装置が、
既に提供されあるいは新たに開発されようとしている。

【０００３】テラヘルツ光を用いて試料の情報を得る場
合、テラヘルツ光を試料に照射し、試料を透過したテラ
ヘルツ光を検出してその検出結果に基づいて試料の情報
を得る場合と、試料で反射されたテラヘルツ光を検出し
てその検出結果に基づいて試料の情報を得る場合とがあ
る。ここでは、前者を透過測定、後者を反射測定とい
う。反射測定は、試料の反射率が比較的高い場合などに
行われる。

【０００４】透過測定及び反射測定のいずれの場合も、
例えば、試料の複素誘電率や複素屈折率などの情報を得
ることができることが知られている。反射測定の場合の
複素誘電率の測定について簡単に説明すると、測定すべ
き試料（観測試料）にテラヘルツパルス光を照射するこ
とにより前記試料で反射してテラヘルツ光検出部にて検
出されるパルス光の、電場強度の時系列波形を、いわゆ
るポンプ−プローブ法により取得する。また、観測試料
を、例えば金属ミラーなどの屈折率等が既知である参照
すべき試料（参照試料）で置き換えて、同様に、電場強
度の時系列波形を取得する。そして、観測試料により得
られた時系列波形と参照試料により得られた時系列波形
とから、公知の演算により観測試料の複素誘電率を求め
ている。

【０００５】ところで、透過測定の場合、試料の一方の
側からテラヘルツ光を入射させ、試料の他方の側に透過
するテラヘルツ光を検出するので、光学系を構成する光
学素子（例えば、放物面鏡など）を試料の両側に配置す
る必要がある。そこで、透過測定の場合、光学素子等の
保持の容易性から、テラヘルツ光の光軸がいずれの箇所
においても同一水平面内に位置するように、光学系が構
成されている。したがって、試料は、試料面の法線が水
平面内に位置するように、起立して保持されている。

【０００６】従来、反射測定の場合には、透過測定の場
合の光学系に対して、試料の透過側に配置されていた光
学素子を単に試料の反射側に位置するように変形した光
学系が、用いられていた。すなわち、反射測定の場合に
も、透過測定の場合と同じく、テラヘルツ光の光軸がい
ずれの箇所においても同一水平面内に位置するように、
光学系が構成されていた。したがって、反射測定の場合
にも、試料は、試料面の法線が水平面内に位置するよう
に、起立して保持されていた。

【０００７】従来の反射測定で用いられていた試料ホル
ダの一例を、図８乃至図１０に示す。図８は、従来の試
料ホルダ１を示す概略斜視図である。図９は、図８に示
す試料ホルダ１に試料１００を保持させたものを、異な
る角度から見た概略斜視図である。図１０は、図９中の
Ａ−Ａ’矢視図である。ただし、図１０において、保持
バネ４ｂの図示は省略している。理解を容易にするた
め、図８乃至図１０に示すように、互いに直交するＸ
軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する（後述する図１１乃至図１
４についても、同様である。）。ＸＹ平面が水平面であ
り、Ｚ軸方向が鉛直方向と一致しており、＋Ｚ方向が
上、−Ｚ方向が下である。

【０００８】この従来の試料ホルダ１は、水平部２と垂
直部３とが断面Ｌ字状に一体化されてなる本体と、試料
１００を垂直部３の試料保持面３ａに押し付けて保持す
るための保持バネ４ａ，４ｂと、を備えている。垂直部
３の中央付近には、開口３ｂが形成されている。この開
口３ｂは、試料保持面３ａに保持された試料１００の試
料保持面３ａ側の面の所定領域に対して入射して前記所
定領域で反射するテラヘルツ光を、通過させる窓部とな
っている。垂直部３の下部付近には、試料１００の下端
を支持する段部３ｃが形成されている。ここで、試料１
００は観測試料１００ａ及び参照試料１００ｂを代表し
て示しており、観測試料１００ａ及び参照試料１００ｂ
は、互いに交換して試料ホルダ１に装着される。

【０００９】しかし、この従来の試料ホルダ１では、入
射されたテラヘルツ光を反射する試料１００の試料面
（試料保持面３ａ側の面）のＹ軸方向の位置が微妙にず
れてしまう。その理由は、保持バネ４ａ，４ｂのバネ力
が弱い場合には、試料１００ａ，１００ｂは試料ホルダ
１の同じ位置（Ｙ軸方向の位置）に固定されないし、そ
のバネ力が強い場合には、観測試料１００ａと参照試料
１００ｂとを付け替えるときに余分な力が加わってしま
い、試料ホルダ１自体の位置が移動してしまうためであ
ると、考えられる。この観測試料１００ａと参照試料１
００ｂとのＹ軸方向の位置ずれの様子を、図１１に模式
的に示す。図１１に示す例では、観測試料１００ａと参
照試料１００ｂとで、テラヘルツ光入射側の面のＹ軸方
向の位置が、Δｙだけずれている。

【００１０】テラヘルツ光を用いた測定において、位相
のずれは非常に重要な情報の１つである。位相のずれ
は、物質中を進行する光が屈折率の影響を受け光路長が
変化することによって生じるものである。したがって、
位相のずれは、試料１００ａ，１００ｂの位置の変化に
伴う光路差と区別することができない。そのため、観測
試料１００ａと測定試料１００ｂとでＹ軸方向の位置が
変化すると、その変化を位相のずれと誤認した位相情報
を得てしまうことになる。すなわち、図１１に示す例で
は、参照信号の測定（参照試料１００ｂを試料ホルダ１
に装着して参照試料１００ｂで反射したテラヘルツ光の
測定）と、観測信号の測定（観測試料１００ａを試料ホ
ルダ１に装着して観測試料１００ａで反射したテラヘル
ツ光の測定）とで、光路差２Δｙが生じてしまい、この
光路差２Δｙを位相のずれと誤認した位相情報を得てし
まう。その結果、最終的に得られる観測試料１００ａの
情報（例えば、複素誘電率や複素屈折率など）の測定精
度が、低下してしまう。

【００１１】このように、従来は、観測試料１００ａと
参照試料１００ｂとのＹ軸方向の位置ずれΔｙに起因し
て、最終的に得られる観測試料１００ａの情報の測定精
度が、低下していた。

【００１２】そこで、位置ずれΔｙの影響を補正する方
法として、次のような方法が提案されている。この補正
方法について、図１２及び図１３を参照して説明する。

【００１３】図１２は、この補正方法の説明図であり、
図１１に対応している。図１２において、図１１中の要
素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重
複する説明は省略する。図１３は、この補正方法により
得られる、参照光信号（参照試料１００ｂで反射された
テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形）と、補正
前の観測光信号（観測試料１００ａで反射されたテラヘ
ルツパルス光の電場強度の時系列波形）と、及び補正後
の観測光信号（補正前の観測光信号に対して時間軸を補
正して得られた信号）との、関係を示す波形図である。

【００１４】この補正方法では、図１２に示すように、
観測試料１００ａのテラヘルツ光入射側の面に、厚さｄ
及び屈折率ｎ_１が既知でかつテラヘルツ領域で透明な物
質１０１を貼り付ける。図１２に示す例では、観測試料
１００ａに貼り付けた物質１０１と参照試料１００ｂと
で、テラヘルツ光入射側の面のＹ軸方向の位置が、Δ
ｙ’だけずれている。ｄは物質１０１の厚さである。

【００１５】図１２（ａ）に示す状態で得られる参照光
信号は図１３（ａ）に示すようになり、そのピークの時
点はτ_０となっている。また、図１２（ｂ）に示す状態
で得られる補正前の観測光信号は、図１３（ａ）に示す
参照光信号に対して、図１３（ｂ）に示すようになる。
この補正方法では、補正前の観測光信号における最初の
反射信号を物質１０１のテラヘルツ光入射側の表面での
反射信号とする。図１３（ｂ）に示す例では、この最初
の反射信号のピークの時点は、τ_２’となっている。ま
た、補正前の観測光信号における次の反射信号（すなわ
ち、観測試料１００ａのテラヘルツ光入射側の面での反
射信号）のピークの時点は、τ_０’＋Δτ_１となってい
る。ここで、時点τ_０’は、観測試料１００ａの物質が
参照試料１００ｂの物質と同一であると仮定した場合に
得られる補正前の観測光信号における次の反射信号のピ
ークの時点である。時点（τ_０’＋Δτ_１）は時点
τ_０’に対して時間Δｔ_１だけずれている。この時間Δ
τ_１は、観測試料１００ａの物質が参照試料１００ｂの
物質と異なることよる位相差に相当している。時点
τ_２’から時点τ_０’までの時間（τ_０’−τ_２’）
は、物質１０１の厚さｄ及び屈折率ｎ_１を用いると、２
ｄｎ_１／ｃとなる。ここで、ｃは光速である。

【００１６】図１３（ｃ）に示すように、時点τ_０’が
時点τ_０となるように補正前の観測光信号に対して時間
軸をずらす補正を行えば、補正後の観測光信号は、観測
試料１００ａに物質１０１を貼り付けない状態で観測試
料１００ａのテラヘルツ光入射側の面のＹ軸方向の位置
が参照試料１００ｂのテラヘルツ光入射側の面のＹ軸方
向の位置と同一である場合に得られる、観測光信号と同
一となる。この時間軸の補正量（τ_０’−τ_０）は、図
１３からわかるように、（２ｄｎ_１／ｃ）−（τ_０−τ
_２’）となる。ここで、（τ_０−τ_２’）は観測値であ
る。そこで、この補正方法では、前述した時間軸の補正
量を演算し、図１３（ｃ）に示すような補正後の観測光
信号を得る。

【００１７】このように、この補正方法によれば、理論
上、観測試料１００ａと参照試料１００ｂとのＹ軸方向
の位置ずれの影響をなくすことができ、最終的に得られ
る観測試料１００ａの情報の測定精度が向上する。

【００１８】ところで、従来の反射測定では、図９及び
図１０に示すように、観測試料１００ａのテラヘルツ光
入射側と反対側の面には、何らの物質が配置されるよう
なことがなく、その面は空気に晒されていた。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た補正方法では、いちいち観測試料１００ａに物質１０
１を貼り付けなければならず、測定に手数を要する。ま
た、時間軸の補正量の演算が不可欠であるため、処理が
複雑となる。また、物質１０１の厚さｄ及び屈折率ｎ_１
について既知の値と実際の値との間に誤差があると、そ
の誤差に起因して補正を精度良く行うことができない可
能性があり、検出信号に試料以外の物質の影響が含まれ
ることはできるだけ避けることが望まれる。

【００２０】また、前述した従来の反射測定では、観測
試料１００ａのテラヘルツ光入射側と反対側の面が空気
に晒されていたので、図１４に示すように、入射したテ
ラヘルツ光は、観測試料１００ａのテラヘルツ光入射側
の面で反射されるのみならず、観測試料１００ａのテラ
ヘルツ光入射側と反対側の面で反射（裏面反射）され
る。したがって、観測試料１００ａがウエハのような薄
い試料である場合、裏面反射によって、観測したい信号
に干渉の効果が重なるため、スペクトル分解の良い測定
を行うことができない。なお、図１４は、観測試料１０
０ａにおける裏面反射の様子を示す説明図であり、図１
１（ｂ）に対応している。

【００２１】本発明は、前述したような事情に鑑みてな
されたもので、測定に手数を要することがないとともに
処理が簡単となり、しかも、最終的に得られる試料の情
報の測定精度を向上させることができる試料情報取得方
法及びテラヘルツ光装置を提供することを目的とする。

【００２２】また、本発明は、スペクトル分解の良い測
定を行うことができる試料情報取得方法を提供すること
を目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様による試料情報取得方法は、テ
ラヘルツ光発生部から発生したテラヘルツ光を試料の所
定面の所定領域に導き、前記所定領域で反射されたテラ
ヘルツ光をテラヘルツ光検出部により検出し、前記テラ
ヘルツ光検出部からの検出結果に基づいて前記試料の情
報を取得する試料情報取得方法において、前記所定面が
下側に向いた状態で前記試料を保持し、前記テラヘルツ
光発生部から発生したテラヘルツ光を前記所定面の前記
所定領域に下側から入射させ、前記所定領域で反射され
たテラヘルツ光を前記テラヘルツ光検出部に導くもので
ある。

【００２４】なお、本明細書において、上下について
は、重力が作用する向きを下、その反対の向きを上とす
る。

【００２５】本発明の第２の態様による試料情報取得方
法は、前記第１の態様において、上側に前記試料を載置
し得る載置部を有するホルダであって、前記所定面を下
側にして前記載置部上に載置した前記試料の前記所定領
域に対して下側から入射して前記所定領域で反射するテ
ラヘルツ光を通過させるホルダを用い、該ホルダの前記
載置部上に前記試料を載置することにより、前記試料を
重力で保持するものである。

【００２６】本発明の第３の態様による試料情報取得方
法は、前記第１又は第２の態様において、前記試料にお
ける前記所定面と反対側の面において少なくとも前記所
定領域に対応する領域に、前記試料の屈折率と略同一の
屈折率を持つ物質を配置するものである。

【００２７】本発明の第４の態様による試料情報取得方
法は、テラヘルツ光発生部から発生したテラヘルツ光を
試料の所定面の所定領域に導き、前記所定領域で反射さ
れたテラヘルツ光をテラヘルツ光検出部により検出し、
前記テラヘルツ光検出部からの検出結果に基づいて前記
試料の情報を取得する試料情報取得方法において、前記
試料における前記所定面と反対側の面において少なくと
も前記所定領域に対応する領域に、前記試料の屈折率と
略同一の屈折率を持つ物質を配置するものである。

【００２８】本発明の第５の態様によるテラヘルツ光装
置は、（ａ）テラヘルツ光発生部と、試料を保持するホ
ルダと、テラヘルツ光検出部と、前記テラヘルツ光発生
部から発生したテラヘルツ光を前記ホルダに保持された
前記試料の所定面の所定領域に導くとともに前記所定領
域で反射されたテラヘルツ光を前記テラヘルツ光検出部
に導く光学系と、を備え、（ｂ）前記ホルダは、前記所
定面が下側に向いた状態で前記試料を保持し、（ｃ）前
記光学系は、前記テラヘルツ光発生部から発生したテラ
ヘルツ光を前記所定面の前記所定領域に下側から入射さ
せ、前記所定領域で反射されたテラヘルツ光を前記テラ
ヘルツ光検出部に導くものである。

【００２９】本発明の第６の態様によるテラヘルツ光装
置は、前記第５の態様において、前記ホルダは、上側に
前記試料を載置し得る載置部を有するとともに、前記所
定面を下側にして前記載置部上に載置した前記試料の前
記所定領域に対して下側から入射して前記所定領域で反
射するテラヘルツ光を通過させるものである。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明による試料情報取得
方法及びテラヘルツ光装置について、図面を参照して説
明する。

【００３１】図１は、本発明の一実施の形態によるテラ
ヘルツ光装置を模式的に示す概略構成図である。図２
は、図１中のＢ−Ｂ’線に沿った概略断面図である。理
解を容易にするため、図１及び図２に示すように、互い
に直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する（後述する図
３乃至図７についても、同様である。）。ＸＹ平面が水
平面であり、Ｚ軸方向が鉛直方向と一致しており、＋Ｚ
方向が上、−Ｚ方向が下である。

【００３２】本実施の形態によるテラヘルツ光装置で
は、図１に示すように、レーザ光源等からなるフェムト
秒パルス光源１１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ
１が、ビームスプリッタ１２で２つのパルス光Ｌ２，Ｌ
３に分割される。

【００３３】ビームスプリッタ１２で分割された一方の
パルス光Ｌ２は、光伝導アンテナ等の光スイッチ素子又
はＥＯ結晶などのテラヘルツ光発生器１６を励起してこ
の発生器１６にテラヘルツパルス光を発生させるための
ポンプ光（パルス励起光）となる。このポンプ光Ｌ２
は、平面鏡１３を経て、光チョッパ１４によりチョッピ
ングされた後に、集光レンズ１５によりテラヘルツ光発
生器１６に集光される。なお、テラヘルツ光発生器１６
として光スイッチ素子を用いる場合には、図示しないバ
イアス電源によりバイアス電圧がテラヘルツ光発生器１
６に印加される。

【００３４】ビームスプリッタ１２で分割された他方の
パルス光Ｌ３は、テラヘルツパルス光を検出するタイミ
ングを定めるプローブ光（サンプリングパルス光）とな
る。このプローブ光Ｌ３は、平面鏡１７、２枚もしくは
３枚の平面鏡が組み合わされてなる可動鏡１８、平面鏡
１９，２０，２１、更には集光レンズ２２を経て、テラ
ヘルツ光検出器２３へ導かれる。本実施の形態では、検
出器２３として、ダイポールアンテナを用いた公知の光
スイッチ素子が用いられている。

【００３５】プローブ光Ｌ３の光路上に配置された可動
鏡１８は、制御・演算処理部３３による制御下で、移動
機構３５により矢印Ｆ方向に移動可能となっている。可
動鏡１８の移動量に応じて、プローブ光Ｌ３の光路長が
変わり、プローブ光Ｌ３が検出器２３へ到達する時間が
遅延する。すなわち、本実施の形態では、可動鏡１８及
び移動機構３５が、プローブ光Ｌ３の時間遅延装置を構
成している。

【００３６】発生器１６に導かれたポンプ光Ｌ２によ
り、発生器１６が励起されてテラヘルツパルス光Ｌ４を
放射する。テラヘルツパルス光Ｌ４としては、概ね０．
０１×１０^１２から１００×１０^１２ヘルツまでの周波
数領域の光が望ましい。このテラヘルツパルス光Ｌ４
は、放物面鏡等の曲面鏡２４を経て平行光に変換された
後、放物面鏡等の曲面鏡２５及び平面鏡２６を経て集光
位置に集光される。

【００３７】図１及び図２に示すように、テラヘルツパ
ルス光Ｌ４の光軸は、発生器１６から平面鏡２６までの
間では水平面内（ＸＹ平面と平行な面内）にあるが、平
面鏡２６の向きが図示のように設定されることにより、
平面鏡２６と前記集光位置との間では上側に立ち上げら
れている。

【００３８】テラヘルツパルス光Ｌ４の集光位置には、
試料ホルダ４０（図２参照、図１では省略）により下面
が水平面（ＸＹ平面と平行な面）となるように保持され
た試料１００の当該下面の測定部位（所定の微小の領
域）が配置される。試料１００は観測試料１００ａ及び
参照試料１００ｂを代表して示しており、観測試料１０
０ａ及び参照試料１００ｂは、互いに交換して試料ホル
ダ４０に保持される。参照試料１００ｂとしては、例え
ば金属ミラーなどの、屈折率等が既知である部材が用い
られる。観測試料１００ａとしては例えばウエハ等を挙
げることができるが、これに限定されるものではない。
なお、試料１００の局所的な情報ではなく、例えば試料
の比較的広い領域の平均的な情報を得たり各局所的な情
報の２次元分布を一括して得たりする場合には、テラヘ
ルツパルス光Ｌ４を局所的に集光することなく試料１０
０の下面の比較的広い領域を照射するようにしてもよ
い。

【００３９】ここで、前記試料ホルダ４０について、図
３乃至図５を参照して説明する。図３は、図１中の試料
ホルダ４０を示す概略斜視図である。図４は、図３に示
す試料ホルダ４０に試料１００を保持させたものを示す
概略斜視図である。図５は、図４中のＣ−Ｃ’線に沿っ
た概略断面図である。

【００４０】本実施の形態では、試料ホルダ４０は、図
３乃至図５に示すように、試料保持面となる上面が水平
面となるように図示しない支持部により支持された平板
状の載置板として、構成されている。試料ホルダ４０の
中央付近には、開口４０ａが形成されている。この開口
４０ａは、試料ホルダ４０の上面に載置することにより
保持された試料１００の下面の測定部位（所定領域）に
対して入射して前記測定部位で反射するテラヘルツ光
を、通過させる窓部となっている。もっとも、このよう
な窓部は、開口４０ａに限定されるものではなく、例え
ば開口４０ａがテラヘルツ光透過材料で埋められていて
もよい。また、試料ホルダ４０を構成する載置板全体
を、テラヘルツ光透過材料で構成してもよい。

【００４１】この試料ホルダ４０によれば、前述した図
８乃至図１０に示す従来の試料ホルダ１と異なり、上面
に試料１００を単に載置するだけで、試料１００が重力
で保持される。このため、観測試料１００ａの下面のＺ
軸方向の位置と参照試料１００ｂのＺ軸方向の位置と
を、再現良く同じ位置にすることができる。すなわち、
図１１中の位置ずれΔｙに相当する位置ずれを、大幅に
低減することができる。

【００４２】なお、前記試料ホルダ４０の上面は、必ず
しも水平面に設定する必要はない。試料１００がずり落
ちない程度であれば、前記試料ホルダ４０の上面は傾い
ていてもよい。また、例えばずり落ち防止用の段部（試
料ホルダ４０の下寄りの辺が当接する段部）を試料ホル
ダ４０に設けておけば、試料ホルダ４０の上面はもっと
大きく傾けることも可能である。これらの場合も、試料
１００が重力で保持されることには変わりがない。な
お、試料ホルダ４０の上面を傾けた場合には、その傾き
に応じて平面鏡２６，２７の向き等が変更されること
は、言うまでもない。

【００４３】再び図１及び図２を参照すると、試料１０
０の下面の測定部位で反射されたテラヘルツパルス光Ｌ
５は、前記集光位置を含みかつＹＺ平面と平行な面に関
して平面鏡２６及び曲面鏡２５，２４とそれぞれ対称に
配置された平面鏡２７及び曲面鏡２８，２９を経て、テ
ラヘルツ光検出器２３に集光され、検出器２３により電
場強度が検出されて電流信号に変換される。この電流信
号は、電流計３０で電圧信号に変換された後、ロックイ
ン増幅器３１により、光チョッパー１４のチョッピング
と同期してロックイン検出される。ロックイン増幅器３
１の出力信号は、テラヘルツ光の電場強度の検出信号と
して、Ａ／Ｄ変換器３２によりＡ／Ｄ変換され、これが
コンピュータ等からなる制御・演算処理部３３に供給さ
れる。

【００４４】フェムト秒パルス光源１１から放射される
フェムト秒パルス光Ｌ１の繰り返し周期は、数ｋＨｚか
ら１００ＭＨｚオーダーである。したがって、発生器１
６から放射されるテラヘルツパルス光Ｌ４も、数ｋＨｚ
から１００ＭＨｚオーダーの繰り返しで放射される。現
在の検出器２３では、このテラヘルツパルス光の波形を
瞬時に、その形状のまま計測することは不可能である。

【００４５】したがって、本実施の形態では、同じ波形
のテラヘルツパルス光Ｌ５が数ｋＨｚから１００ＭＨｚ
オーダーの繰り返しで到来することを利用して、ポンプ
光Ｌ２とプローブ光Ｌ３との間に時間遅延を設けてテラ
ヘルツパルス光Ｌ５の波形を計測する、いわゆるポンプ
−プローブ法を採用している。すなわち、テラヘルツ光
発生器１６を作動させるポンプ光Ｌ２に対して、テラヘ
ルツ光検出器２３を作動させるタイミングを時間τだけ
遅らせることにより、時間τだけ遅れた時点でのテラヘ
ルツパルス光Ｌ５の電場強度を検出器２３で測定でき
る。言い換えれば、プローブ光Ｌ３は、テラヘルツ光検
出器２３に対してゲートをかけていることになる。ま
た、可動鏡１８を徐々に移動させることは、遅延時間τ
を徐々に変えることにほかならない。前記時間遅延装置
によってゲートをかけるタイミングをずらしながら、繰
り返し到来するテラヘルツパルス光Ｌ５の各遅延時間τ
ごとの時点の電場強度を検出器２３から電気信号として
順次得ることによって、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場
強度の時系列波形Ｅ（τ）を計測することができる。

【００４６】本実施の形態では、テラヘルツパルス光の
電場強度の時系列波形Ｅ（τ）の計測時には、制御・演
算処理部３３が、移動機構３５に制御信号を与えて、前
記遅延時間τを徐々に変化させながら、Ａ／Ｄ変換器３
２からのデータを制御・演算処理部３３内の図示しない
メモリに順次格納する。これによって、最終的に、テラ
ヘルツパルス光の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）を示す
データ全体をメモリに格納する。

【００４７】このような時系列波形Ｅ（τ）を示すデー
タを、試料ホルダ４０上に参照試料１００ｂを載置した
場合と観測試料１００ａを載置した場合について取得す
る。制御・演算処理部３３は、これらのデータに基づい
て、観測試料１００ａの所望の特性（情報）を求め、こ
れをＣＲＴ等の表示部３４に表示させる。例えば、制御
・演算処理部３３は、公知の演算によって、観測試料１
００ａの複素誘電率を求め、これを表示部３４に表示さ
せる。

【００４８】本実施の形態によれば、前述したように、
試料ホルダ４０の上面に試料１００ａ，１００ｂを単に
載置するだけで、観測試料１００ａのテラヘルツ光入射
側の面（下面）のＺ軸方向の位置と参照試料１００ｂの
テラヘルツ光入射側の面（下面）のＺ軸方向の位置と
を、再現良く同じ位置にすることができる。したがっ
て、本実施の形態によれば、前述した従来の補正方法を
採用する場合に比べて、測定に手数を要することがない
とともに処理が簡単となり、しかも、最終的に得られる
観測試料１００ａの情報の測定精度を向上させることが
できる。

【００４９】ここで、本実施の形態によるテラヘルツ光
装置と比較される比較例について、図７を参照して説明
する。図７は、比較例のテラヘルツ光装置を模式的に示
す概略構成図である。図７において、図１中の要素と同
一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する
説明は省略する。

【００５０】この比較例は、従来技術に相当している。
この比較例が本実施の形態と異なる所は、平面鏡２６，
２７及び試料１００の配置を、図１に示す位置から、図
７に示すように、平面鏡２６，２７の法線が水平面内に
位置するように、曲面鏡２５及び平面鏡２６間のテラヘ
ルツ光の光軸並びに平面鏡２７及び曲面鏡２８間のテラ
ヘルツ光の光軸を含むＸ軸と平行な直線を中心として９
０゜回転移動させた点である。これに伴い、比較例で
は、図７に示すように試料１００の面の法線が水平面内
に位置することから、図３乃至図５に示す試料ホルダ４
０に代えて、図８乃至図１０に示す試料ホルダ１が用い
られている。なお、図７中のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸と図８
乃至図１０中のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸とはそれぞれ一致し
ている。この比較例では、前述した従来の補正方法を採
用しない限り、観測試料１００ａと参照試料１００ｂと
のＹ軸方向の位置ずれΔｙに起因して、最終的に得られ
る観測試料１００ａの情報の測定精度が、大幅に低下し
てしまう。

【００５１】ところで、観測試料１００ａがウエハなど
のような薄い試料である場合には、試料ホルダ４０上に
観測試料１００ａを載置した状態で時系列波形Ｅ（τ）
を示すデータを得るとき、図６に示すように、観測試料
１００ａにおけるテラヘルツ光入射側の面と反対側の面
の少なくともテラヘルツ光入射領域に、観測試料１００
ａの屈折率と略同一の屈折率を持つ物質からなる部材１
０２を配置することが、好ましい。図６は部材１０２を
観測試料１００ａ上に更に配置した図５に対応する概略
断面図であり、図６において、図５中の要素と同一の要
素には同一符号を付している。

【００５２】本実施の形態の場合、観測試料１００ａに
おけるテラヘルツ光入射側の面は下面であるので、部材
１０２を単に観測試料１００ａの上面に載置するだけで
よく、部材１０２の厚みが厚くてもその配置は極めて容
易である。なお、部材１０２と観測試料１００ａの上面
との間にエアギャップが生ずる可能性がある場合には、
観測試料１００ａの屈折率と略同一の屈折率を持つ接着
剤又は充填剤等を適宜介在させてもよい。

【００５３】このように部材１０２を配置すると、入射
したテラヘルツ光が観測試料１００ａの上面で反射され
なくなり、代わって部材１０２の上面で反射されること
になる。このため、部材１０２の厚みが十分に厚けれ
ば、スペクトル分解の高い測定を行う場合でも、観測試
料１００ａの下面で反射した反射光が他の反射光と干渉
してしまうような事態が防止され、時系列波形Ｅ（τ）
をスペクトルに変換しても干渉光の影響が低減され、Ｓ
／Ｎの良いデータを得ることができる。すなわち、スペ
クトル分解の良い測定が可能となる。

【００５４】例えば、観測試料１００ａとして５００μ
ｍの厚みのシリコンウエハを用いる場合、シリコンの屈
折率を３．４１７として計算すると、図５に示す状況で
は、時系列波形Ｅ（τ）において、表面反射（下面での
反射）による信号の１１．３９ｐｓ（ピコ秒）後に裏面
反射（上面での反射）による信号が観測されることにな
る。これは２．９ｃｍ^−１に相当する干渉となり、この
影響を観測しないためには、これより低いスペクトル分
解で測定しなければならないことになる。これに対し、
図６に示すようにこのシリコンウエハ（観測試料１００
ａ）の上に厚み１ｃｍのシリコン板（部材１０２）を載
せて測定を行うと、裏面反射（部材１０２の上面での反
射）による信号は２３９．１９ｐｓ後に観測されること
になり、０．１４ｃｍ^−１よりスペクトル分解の低い測
定では裏面反射による干渉効果は現れないことがわか
る。換言すれば、スペクトル分解が２．９ｃｍ^−１から
０．１４ｃｍ^−１に向上した測定が可能となる。

【００５５】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではな
い。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
測定に手数を要することがないとともに処理が簡単とな
り、しかも、最終的に得られる試料の情報の測定精度を
向上させることができる試料情報取得方法及びテラヘル
ツ光装置を提供することができる。

【００５７】また、本発明によれば、スペクトル分解の
良い測定を行うことができる試料情報取得方法を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるテラヘルツ光装置
を模式的に示す概略構成図である。

【図２】図１中のＢ−Ｂ’線に沿った概略断面図であ
る。

【図３】図１中の試料ホルダを示す概略斜視図である。

【図４】図３に示す試料ホルダに試料を保持させたもの
を示す概略斜視図である。

【図５】図４中のＣ−Ｃ’線に沿った概略断面図であ
る。

【図６】部材を観測試料上に更に配置した図５に対応す
る概略断面図である。

【図７】比較例のテラヘルツ光装置を模式的に示す概略
構成図である。

【図８】従来の試料ホルダを示す概略斜視図である。

【図９】図８に示す試料ホルダに試料を保持させたもの
を、異なる角度から見た概略斜視図である。

【図１０】図９中のＡ−Ａ’矢視図である。

【図１１】観測試料と参照試料との位置ずれの様子を模
式的に示す図である。

【図１２】位置ずれの影響を補正する補正方法を示す説
明図である。

【図１３】図１２に示す補正方法により得られる参照光
信号と補正前後の観測光信号との関係を示す波形図であ
る。

【図１４】裏面反射の様子を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１６テラヘルツ光発生器２３テラヘルツ光検出器２４，２５，２７，２８曲面鏡２６，２７平面鏡１００試料１００ａ観測試料１００ｂ参照試料４０試料ホルダ４０ａ開口１０２観測試料と略同一の屈折率を持つ物質からなる
部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G059 AA02 BB16 DD13 EE01 EE02 EE12 GG01 GG06 GG08 JJ11 JJ13 JJ14 JJ24 KK01 LL01 MM01 MM08 MM10 PP04 5F072 RR10 SS08 YY20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】テラヘルツ光発生部から発生したテラヘ
ルツ光を試料の所定面の所定領域に導き、前記所定領域
で反射されたテラヘルツ光をテラヘルツ光検出部により
検出し、前記テラヘルツ光検出部からの検出結果に基づ
いて前記試料の情報を取得する試料情報取得方法におい
て、前記所定面が下側に向いた状態で前記試料を保持し、前記テラヘルツ光発生部から発生したテラヘルツ光を前
記所定面の前記所定領域に下側から入射させ、前記所定
領域で反射されたテラヘルツ光を前記テラヘルツ光検出
部に導くことを特徴とする試料情報取得方法。
【請求項２】上側に前記試料を載置し得る載置部を有
するホルダであって、前記所定面を下側にして前記載置
部上に載置した前記試料の前記所定領域に対して下側か
ら入射して前記所定領域で反射するテラヘルツ光を通過
させるホルダを用い、該ホルダの前記載置部上に前記試
料を載置することにより、前記試料を重力で保持するこ
とを特徴とする請求項１記載の試料情報取得方法。
【請求項３】前記試料における前記所定面と反対側の
面において少なくとも前記所定領域に対応する領域に、
前記試料の屈折率と略同一の屈折率を持つ物質を配置す
ることを特徴とする請求項１又は２記載の試料情報取得
方法。
【請求項４】テラヘルツ光発生部から発生したテラヘ
ルツ光を試料の所定面の所定領域に導き、前記所定領域
で反射されたテラヘルツ光をテラヘルツ光検出部により
検出し、前記テラヘルツ光検出部からの検出結果に基づ
いて前記試料の情報を取得する試料情報取得方法におい
て、前記試料における前記所定面と反対側の面において少な
くとも前記所定領域に対応する領域に、前記試料の屈折
率と略同一の屈折率を持つ物質を配置することを特徴と
する試料情報取得方法。
【請求項５】テラヘルツ光発生部と、試料を保持する
ホルダと、テラヘルツ光検出部と、前記テラヘルツ光発
生部から発生したテラヘルツ光を前記ホルダに保持され
た前記試料の所定面の所定領域に導くとともに前記所定
領域で反射されたテラヘルツ光を前記テラヘルツ光検出
部に導く光学系と、を備え、前記ホルダは、前記所定面が下側に向いた状態で前記試
料を保持し、前記光学系は、前記テラヘルツ光発生部から発生したテ
ラヘルツ光を前記所定面の前記所定領域に下側から入射
させ、前記所定領域で反射されたテラヘルツ光を前記テ
ラヘルツ光検出部に導くことを特徴とするテラヘルツ光
装置。
【請求項６】前記ホルダは、上側に前記試料を載置し
得る載置部を有するとともに、前記所定面を下側にして
前記載置部上に載置した前記試料の前記所定領域に対し
て下側から入射して前記所定領域で反射するテラヘルツ
光を通過させることを特徴とする請求項５記載のテラヘ
ルツ光装置。