JP2004177214A - ３次元電界分布測定方法および３次元電界分布測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】微小な領域における立体的な電界分布を短時間で、測定し画像化することができる３次元電界分布測定方法とその装置を提案する。
【解決手段】（１）電気光学結晶層と、光の反射層と、電気光学結晶層と同じ材質で作られる離間層とからなる電気光学サンプリング用の複数の電界センサーを用いる測定方法であって、（２）第１の測定においては、電界強度測定を、第１電気光学結晶層と第１の離間層とをもった第１の電界センサーで行ない、（３）第２の測定においては、同じ地点の電界強度測定を第２の電気光学結晶層と第２の離間層の第２の電界センサーを用いて行なうが、第１電気光学結晶層と第２の電気光学結晶層とは同じ材質で作り、電気光学結晶層と離間層との厚さの和が、どれも等しくなるようにして、（４）被測定物から離れる方向の電界分布の測定を行なう。また、このような電界センサーをアレイ状にした装置とする。
【選択図】 図１
【解決手段】（１）電気光学結晶層と、光の反射層と、電気光学結晶層と同じ材質で作られる離間層とからなる電気光学サンプリング用の複数の電界センサーを用いる測定方法であって、（２）第１の測定においては、電界強度測定を、第１電気光学結晶層と第１の離間層とをもった第１の電界センサーで行ない、（３）第２の測定においては、同じ地点の電界強度測定を第２の電気光学結晶層と第２の離間層の第２の電界センサーを用いて行なうが、第１電気光学結晶層と第２の電気光学結晶層とは同じ材質で作り、電気光学結晶層と離間層との厚さの和が、どれも等しくなるようにして、（４）被測定物から離れる方向の電界分布の測定を行なう。また、このような電界センサーをアレイ状にした装置とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、微小な領域における電界分布を立体的に測定することのできる３次元電界分布測定方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超高速ＩＣ（集積回路）の開発に用いられる微小な領域の電界の計測技術として、電気光学サンプリング（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｓａｍｐｌｉｎｇ；ＥＯＳ）法が知られている。これは高感度の電気光学結晶をＩＣ表面に近接させて回路（微細配線系）からのフリンジ電界（漏れ電界）を光学的に検出するものである。
【０００３】
その原理は、非特許文献１に詳しく記載されている。以下において、その測定原理を、模式化した図９を用いて説明する。
【０００４】
図９（ａ）に示す様に、プローブ先端に微細な電気光学結晶を設置して、これを被測定物であるＩＣに近接させると、配線の信号による空間に漏れたフリンジ電界に応じてその電気光学結晶の屈折率が電気光学効果により変化する。またそのＩＣと対向するその電気光学結晶の端面には高反射率をもつ誘電体ミラーをつけておく。プローブ光としてパルスレーザを照射する。この光はその電気光学結晶の屈折率を反映し、屈折率変化に応じた偏光状態をもって戻るので、戻りレーザ光の偏光状態の変化を偏光板を通して検出する。図９（ｂ）に示す様に、ここで、被測定物の配線に電気信号を加え、これに対してレーザ光のタイミングを変えることによって，配線上の信号変化を光強度変化として検出し、また、再現することができる。このような検出方法は、サンプリングとして知られており、パルスレーザ光のパルス間隔と同じ間隔をおいて信号の振幅を拾う方法である。このため、被測定物に印加する波形は、周期的繰返し信号とすることが必要である。パルスレーザ光によるサンプリングの時間分解能は、おもに光のパルス幅と光が結晶内の電場がある領域を通過する時間で決まる。電界による複屈折率変化の応答は１００ｆｓｅｃと高速であることから、この時間は無視することができ、１ｐｓｅｃ台は比較的容易に実現できる、と言われている。
【０００５】
また、図１０に示すように，電気光学プローブを、配線直上に置くときには垂直のもれ電界（縦電界プロービング）を受け、配線間に置くときには水平電界（横電界プロービング）を受けるので、検出する電界に応じた電気光学結晶の選択が必要である。
【０００６】
また、表１に、これまでにＥＯＳに用いられたことのある電気光学結晶とその特性を示す。
【０００７】
【表１】
【０００８】
一般に、横電界プロービングはコープレーナ線路のような共平面回路からなるＭＭｌＣや隣接配線の少ないＩＣには適用できるが，一般のＩＣでは光学的クロストークが生じるなど，空間分解能は落ちる。また、縦電界プロービングは，逆に回路表面に垂直な電場に敏感となるから，配線そのものの検出に限定されるが、空間分解能には優れている。酸化物結晶としてはＫＤＰやＫＴｉＯＰＯ４、あるいはＬｉＮｂ０３等の強誘電体電気光学結晶と、化合物半導体のＧａＡｓ、ＣｄＴｅがある。
【０００９】
ここで、結晶の誘電率は被測定物への容量性の負荷となる。しかし、プローブとＩＣ表面との離間距離を２μｍ程度と大きくすることで軽減される。また、空間分解能については、プローブ先端に集光したレーザビーム径の約２μｍが現状では限界である、と言われている。
【００１０】
以上の説明においては、プローブ先端のセンサー部は単独のものであったが、複数のセンサー部を２次元に配置して、電磁放射の画像化を図ったＥＯＳ装置が特許文献１に開示されている。しかし、この特許文献１に記載されたそれぞれのセンサー部の電気光学結晶層は、被測定物からの距離が等しく、この点において本発明と相違している。
【００１１】
【非特許文献１】
宮澤信太郎著、アドバンストエレクトロニクスシリーズ、Ｉ−１４、カテゴリーＩ：エレクトロニクス材料・物性・デバイス、光学結晶、９６〜１０１頁
【特許文献１】
アメリカ合衆国特許 第５９９１０３６号
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の電気光学サンプリングは、被測定物の回りの電界を、３次元空間の中の１点づつ測定するものである。このため、電界分布の３次元像を得ようとする場合は、その測定に長時間を要することになる。また、複数のセンサー部を２次元に配置して、電磁放射の画像化を図ったＥＯＳ装置では、被測定物からの離間距離に依存した電界強度を同時に測定することが困難である。
【００１３】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、微小な領域における立体的な電界分布を短時間で、測定し画像化することができる３次元電界分布測定方法およびその装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、測定用プローブが測定される電界を乱すことが少ない３次元電界分布測定方法に関しており、（１）電気光学結晶層と、前記電気光学結晶層に密着した光の反射層と、前記反射層に密着し前記の電気光学結晶層と同じ材質で作られており上記の反射層を被測定物から離間させる離間層と、からなる電気光学サンプリング用の複数の電界センサーを用いる測定方法であって、（２）第１の測定においては、予め決められた地点の電界強度測定を、第１電気光学結晶層と第１の離間層とをもった第１の電界センサーを用いて行ない、（３）第２の測定においては、上記と同じ地点の電界強度測定を第２の電気光学結晶層と第２の離間層とをもった第２の電界センサーを用いて行なう際に、第１電気光学結晶層と第２の電気光学結晶層とは同じ材質で作られているという条件と、第１電気光学結晶層と第１の離間層との厚さの和が第２の電気光学結晶層と第２の離間層との厚さの和に等しいという条件と、第１の離間層と第２の離間層との厚みが異なるという条件とを満たす第２の電界センサーを用いて測定し、（４）被測定物から離間する方向における電界分布の測定を行なうことを特徴としている。
【００１５】
また、第２の発明は、短時間で測定することのできる３次元電界分布測定方法に関しており、（１）電気光学結晶層を被測定物から離間する機能を有し電気光学結晶層と同じ材質で構成された離間層と、光の反射層と、前記の電気光学結晶層とからなる電気光学サンプリング用の電界センサーを複数備えた電界センサーアレイで、上記それぞれの電界センサーの離間層の厚さと上記の電気光学結晶層との和が一定である電界センサーアレイと、（２）上記の電界センサーアレイにプローブ光を照射する光源と、（３）その反射光の偏光を観測する検出器とを備え、（４）上記の偏光の強度を用いて電界の強度を測定する構成を備えることを特徴としている。
【００１６】
また、第３の発明は、離間層をさらに補うことを容易とするために、第２の発明における上記の離間層の被測定物と接する表面は、平面であることを特徴としている。
【００１７】
また、第４の発明は、微細な構造における電界強度を測定するためのものであり、第２の発明における上記の電界センサーアレイには、顕微鏡を通して光を照射し、その顕微鏡を通して、その光の反射光の偏光度を観察する構成を備えることを特徴としている。
【００１８】
また、第５の発明は、電界強度分布を一括して画像化するためのものであり、第２の発明において、（１）上記の電界センサーアレイには一斉にプローブ光を照射し、上記の電界センサーアレイのそれぞれの反射層から反射する光を捉える偏光検出器を備えた２次元撮像装置と、（２）上記の離間層の厚さを、上記の被測定物からの距離とみなして、３次元画像化する画像処理部とを備えることを特徴としている。
【００１９】
また、第６の発明は、第２ないし第５のいずれかの発明において、上記の電界センサーアレイは、等しいサブアレイの１次元配列であり、サブアレイは、（１）電気光学結晶層を被測定物から離間する離間層と、光の反射層と、前記の電気光学結晶層とからなる電気光学サンプリング用の電界センサーを複数備えた電界センサーアレイであり、上記の１次元電界センサーアレイを、その配列方向と交わる方向に被測定物に対して相対的に掃引する構成により、電界強度分布を３次元画像化することを特徴としている。
【００２０】
また、第７の発明は、第５の発明における上記の電界センサーアレイは、等しいサブアレイの２次元配列であり、サブアレイは、（１）電気光学結晶層を被測定物から離間する離間層と、光の反射層と、前記の電気光学結晶層とからなる電気光学サンプリング用の電界センサーを複数備えた電界センサーアレイであることを特徴としている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは同様の機能を示す素子や装置については、同じ符号を付して説明する。
【００２２】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の望ましい実施の形態の例を示す。図１は、ＥＯＳプローバ２０とその動作に必要な装置の一部を示している。ＥＯＳプローバ２０は、顕微鏡２と交換可能な電界センサー部１ａ、１ｂ、１ｃとからなっている。このＥＯＳプローバ２０は、能動モードロックレーザ８からのパルス信号を受け、これを顕微鏡のビームスプリッタ５で対物レンズ３に向かう光と、高速光検出器１４に向かう光とに分割する。対物レンズ３を通過した光は、電界センサー部１ａ、１ｂ、あるいは１ｃで偏光変調を受け、また、反射され、再び対物レンズ３に戻る。対物レンズ３とビームスプリッタ５を通過した光は、光路１０に沿って進み、偏光板により、選択され、接眼レンズを通過して、光検出器７に入力する。
【００２３】
光検出器７の出力は、電界センサー部１ａ、１ｂ、あるいは１ｃでの変調を反映するので、光検出器７の出力である信号Ａの強度から、電界センサー部１ａ、１ｂ、あるいは１ｃでの電界強度を知ることができる。図４に示したように、この信号Ａは、ロックインアンプ２７に送られ、高周波信号源９の信号と高速光検出器１４からの信号をミキサー２６で混合して作られた低周波の参照信号によって、同期検波が行なわれる。このロックインアンプ２７の出力は、信号処理・表示装置２８により表示される。
【００２４】
電界センサー部１ａ、１ｂ、あるいは１ｃは、交換可能である。これらの電界センサーは、電気光学結晶層２１と反射層２２と離間層２３からなっており、離間層の厚さは、電界センサー部１ａ、１ｂ、あるいは１ｃで徐々に増加している。また、電気光学結晶層２１と離間層２３とは同じ材料で、しかも、電気光学結晶層２１の厚さと離間層２３の厚さの和は、電界センサー部１ａ、１ｂ、あるいは１ｃで等しく作られている。反射層２２は、よく知られた誘電体多層膜による積層膜であるが、この部分は、電気光学結晶層２１や離間層２３に比べて、薄く作ることができるので、上記の様にすることによって、被測定物表面での電界の乱れの違いを無くす事ができる。
【００２５】
一般に、測定の際には、被測定物１１の表面に密着させる。そのためには、離間層の底面、すなわち、被測定物と接触する面は、平坦であることが望ましい。また、表面からさらに離れた地点で電界強度を測定するには、測定物１１とセンサー部１との間にさらに離間用のシートをつけて測定することも可能である。また、図には示していないが、電界センサー部の表面には、反射防止膜を付けることが望ましい。
【００２６】
図１に示す装置では、偏光検出感度が充分でない場合がある。この様な場合には、図５に示す様に、直交する光成分の強度を検出する光検出器３５、３６の出力差を図６の光検出・差動アンプ１６を用いて得た後、ロックインアンプ２７により信号処理することにより充分な感度が得られる。
【００２７】
［第２の実施形態］
図２は、本発明の望ましい第２の実施の形態の例を示す。図２は、ＥＯＳプローバ２０とその動作に必要な装置の一部を示している。また、図３は、電界センサー部１に設けられたその電界センサーアレイの要素を示している。電界センサーアレイは、図３（ａ）あるいは図３（ｂ）の要素を１次元あるいは２次元に配置したものである。また、信号の処理系を図４に示す。
【００２８】
電界センサー部１は、電界センサーアレイであり、その詳細を、図２に示す。図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）は、その電界センサーアレイのサブアレイを示している。図３（ａ）は、図２に示した電界センサー部１に用いたサブアレイと同じものである。この電界センサーのサブアレイは、複数のサブアレイ要素からなっている。このサブアレイ要素は、電気光学結晶層２１と反射層２２と離間層２３とからなっている。図３（ａ）においては３個のサブアレイ要素が連続して構成されているので、離間層は、階段状となっており、その厚さは、複数の部分から構成されている。図３（ａ）に示した電界センサーのサブアレイは、３段であるが、さらに多くの段数でも特に問題とならない。また、この階段状のサブアレイをくり返した構造の電界センサーアレイを用いることによって、測定の際に、センサー部の移動なしに、望みの部分の測定を行なうことができる。
【００２９】
一般に、測定の際には、被測定物１１の表面に密着させる。そのためには、離間層の底面、すなわち、被測定物と接触する面は、平坦であることが望ましい。また、表面からさらに離れた地点で電界強度を測定するには、測定物１１とセンサー部１との間にさらに離間用のシートをつけて測定することも可能である。
【００３０】
また、図３（ａ）は、階段状に構成された電界センサーのアレイ（配列）であるが、図３（ｂ）に示す様に、斜面状に各層を構成してもよい。この場合は、電気光学結晶層２１の表面と被測定物１１の表面とのなす角をθ１とし、離間層２３の表面と被測定物１１の表面とのなす角をθ０とするとき、入射した光線が反射層２２の表面に垂直にあたる様にするために、次の条件を満たす様にθ１、θ０を設定することが望ましい。つまり、電気光学結晶層２１の屈折率をｎとするとき、ｓｉｎθ１＝ｎ×ｓｉｎ（θ１−θ０）。
【００３１】
また、図３（ｃ）に示す電界センサーのサブアレイは、電気光学結晶層２１の表面と離間層２３とを同じ誘電率の物質で構成し、その厚みの和をそれぞれのサブアレイ要素で等しく設定するものである。電気光学結晶層２１と離間層２３とを同じ物質で構成してもよい。このようにすることによって、被測定物の回りの電界が、この電界センサーアレイによって一様に影響を受けることになり、この影響を容易に補正できるようになる。また、その誘電率は、被測定物が使われる環境に近いことが望ましく、それが空気中で使われる場合は、誘電率はなるべく小さいことが望ましい。また、上記の様に、その厚みの和をそれぞれのサブアレイ要素で等しく設定する場合は、光を偏光させる変調効率が異なってくるので、その厚みを標準化して、一定の厚みの電気光学結晶層を用いた測定値となるように換算する処理を行なう。
【００３２】
また、図には示していないが、電界センサー部の表面には、反射防止膜を付けることが望ましい。
【００３３】
図２に示す装置では、偏光検出感度が充分でない場合がある。この様な場合には、図５に示す様に、直交する光成分の強度を検出する光検出器３５、３６の出力差を、図６の光検出・差動アンプ１６を用いて得た後、ロックインアンプ２７により信号処理することにより充分な感度が得られる。
【００３４】
［第３の実施形態］
図７に他の実施の形態を示す。図７に示す装置の特徴は、電界センサー部１５の広範囲にプローブ光を照射し、この照射部分の２次元画像を取得する点にある。ＥＯＳプローバ２１は、ビーム拡張器１８で拡張された能動モードロックレーザ８からの光パルス、つまり信号Ｂ、を受け、これを顕微鏡のビームスプリッタ５で対物レンズ３に向かう光と、高速光検出器１４に向かう光とに分割する。対物レンズ３を通過した光は、電界センサー部１５で、それぞれの地点に応じた偏光変調を受け、また、反射され、再び対物レンズ３に戻る。対物レンズ３とビームスプリッタ５を通過した光は、光路１０に沿って進み、偏光板により選択された後、接眼レンズ４を通過して、撮像装置である光検出器１７に入力する。
【００３５】
図８に示すように、光検出器の出力は、電界センサー部１５での変調を反映するので、光検出器１７の出力である信号Ａの強度から、電界センサー部での電界強度を知ることができる。この信号Ａは、それぞれの画素ごとにロックインアンプ４２に送られ、高周波信号源９の信号と高速光検出器１４からの信号をミキサー２６で混合して作られた低周波の参照信号によって、同期検波が行なわれる。このロックインアンプ４２の出力は、２次元配列データ用の信号処理・表示装置４３により表示される。
【００３６】
電界センサー部の構成材料としては、表１に示すどの材料でも機能するが、電気光学結晶層としては、誘電率の小さい、ＣｄＴｅ等が適しており、また、反射層としては、２酸化チタン層や２酸化珪素層からなる誘電体多層反射膜等が適している。また、離間層としては、電気光学結晶層と同じＣｄＴｅ等が適している。
【００３７】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００３８】
第２の発明では、複数の離間層の厚さの部分から構成される電界センサーアレイを用いる様にしたので、電界センサーアレイを被測定物に密着させたまま、３次元の電界分布を測定できるようになる。
【００３９】
第３の発明では、被測定物と接する表面は、平面である様にしたので、高さ方向の設定が安定するようになる。
【００４０】
第４の発明では、顕微鏡を通して、プローブ光の反射光の偏光度を観察する様にしたので、高さ方向の設定が安定するようになる。
【００４１】
第５の発明では、２次元撮像装置によって、プローブ光の反射光の偏光度を観察する様にしたので、測定を迅速に行える様になる。
【００４２】
第６の発明では、１次元の配列の電界センサーアレイを用いることにしたので、電界センサーアレイの製造が容易であり、また観察信号の処理も容易である。
【００４３】
第７の発明では、２次元の配列の電界センサーアレイを用いることにしたので、電界分布の迅速な測定が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す模式図である。
【図２】第２の実施の形態を示す模式図である。
【図３】電界センサーアレイの要素を示す模式図である。
【図４】信号処理系を示すブロック図である。
【図５】光検出器の構成を示す模式図である。
【図６】信号処理系を示すブロック図である。
【図７】第３の実施の形態を示す模式図である。
【図８】信号処理系を示すブロック図である。
【図９】電気光学結晶を用いた電界測定の原理を示す図である。
【図１０】縦電界プロービング、横電界プロービングを示す図である。
【符号の説明】
１ 電界センサー部
２ 顕微鏡
３ 対物レンズ
４ 接眼レンズ
５ ビームスプリッタ
６ 偏光板
７ 光検出器
８ 能動モードロックレーザ
９ 高周波信号源
１０ 光路
１１ 被測定物
１２、１３ 被測定物の電極
１４ 高速光検出器
１５ 電界センサー部
１６ 光検出・差動アンプ
１７ 光検出器
１８ ビーム拡張器
２０、２１ ＥＯＳプローバ
２２ 反射層
２３ 離間層
２５ クロック信号源
２６ ミキサー
２７ ロックインアンプ
２８ 信号処理・表示装置
３０、３１ 半波長板
３２ １／４波長板
３３、３４ 偏光ビームスプリッタ
３５、３６ 光検出器
４１ 光検出・アンプ
４２ ロックインアンプ
４３ 信号処理・表示装置
【発明の属する技術分野】
この発明は、微小な領域における電界分布を立体的に測定することのできる３次元電界分布測定方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超高速ＩＣ（集積回路）の開発に用いられる微小な領域の電界の計測技術として、電気光学サンプリング（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｓａｍｐｌｉｎｇ；ＥＯＳ）法が知られている。これは高感度の電気光学結晶をＩＣ表面に近接させて回路（微細配線系）からのフリンジ電界（漏れ電界）を光学的に検出するものである。
【０００３】
その原理は、非特許文献１に詳しく記載されている。以下において、その測定原理を、模式化した図９を用いて説明する。
【０００４】
図９（ａ）に示す様に、プローブ先端に微細な電気光学結晶を設置して、これを被測定物であるＩＣに近接させると、配線の信号による空間に漏れたフリンジ電界に応じてその電気光学結晶の屈折率が電気光学効果により変化する。またそのＩＣと対向するその電気光学結晶の端面には高反射率をもつ誘電体ミラーをつけておく。プローブ光としてパルスレーザを照射する。この光はその電気光学結晶の屈折率を反映し、屈折率変化に応じた偏光状態をもって戻るので、戻りレーザ光の偏光状態の変化を偏光板を通して検出する。図９（ｂ）に示す様に、ここで、被測定物の配線に電気信号を加え、これに対してレーザ光のタイミングを変えることによって，配線上の信号変化を光強度変化として検出し、また、再現することができる。このような検出方法は、サンプリングとして知られており、パルスレーザ光のパルス間隔と同じ間隔をおいて信号の振幅を拾う方法である。このため、被測定物に印加する波形は、周期的繰返し信号とすることが必要である。パルスレーザ光によるサンプリングの時間分解能は、おもに光のパルス幅と光が結晶内の電場がある領域を通過する時間で決まる。電界による複屈折率変化の応答は１００ｆｓｅｃと高速であることから、この時間は無視することができ、１ｐｓｅｃ台は比較的容易に実現できる、と言われている。
【０００５】
また、図１０に示すように，電気光学プローブを、配線直上に置くときには垂直のもれ電界（縦電界プロービング）を受け、配線間に置くときには水平電界（横電界プロービング）を受けるので、検出する電界に応じた電気光学結晶の選択が必要である。
【０００６】
また、表１に、これまでにＥＯＳに用いられたことのある電気光学結晶とその特性を示す。
【０００７】
【表１】
一般に、横電界プロービングはコープレーナ線路のような共平面回路からなるＭＭｌＣや隣接配線の少ないＩＣには適用できるが，一般のＩＣでは光学的クロストークが生じるなど，空間分解能は落ちる。また、縦電界プロービングは，逆に回路表面に垂直な電場に敏感となるから，配線そのものの検出に限定されるが、空間分解能には優れている。酸化物結晶としてはＫＤＰやＫＴｉＯＰＯ４、あるいはＬｉＮｂ０３等の強誘電体電気光学結晶と、化合物半導体のＧａＡｓ、ＣｄＴｅがある。
【０００９】
ここで、結晶の誘電率は被測定物への容量性の負荷となる。しかし、プローブとＩＣ表面との離間距離を２μｍ程度と大きくすることで軽減される。また、空間分解能については、プローブ先端に集光したレーザビーム径の約２μｍが現状では限界である、と言われている。
【００１０】
以上の説明においては、プローブ先端のセンサー部は単独のものであったが、複数のセンサー部を２次元に配置して、電磁放射の画像化を図ったＥＯＳ装置が特許文献１に開示されている。しかし、この特許文献１に記載されたそれぞれのセンサー部の電気光学結晶層は、被測定物からの距離が等しく、この点において本発明と相違している。
【００１１】
【非特許文献１】
宮澤信太郎著、アドバンストエレクトロニクスシリーズ、Ｉ−１４、カテゴリーＩ：エレクトロニクス材料・物性・デバイス、光学結晶、９６〜１０１頁
【特許文献１】
アメリカ合衆国特許 第５９９１０３６号
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の電気光学サンプリングは、被測定物の回りの電界を、３次元空間の中の１点づつ測定するものである。このため、電界分布の３次元像を得ようとする場合は、その測定に長時間を要することになる。また、複数のセンサー部を２次元に配置して、電磁放射の画像化を図ったＥＯＳ装置では、被測定物からの離間距離に依存した電界強度を同時に測定することが困難である。
【００１３】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、微小な領域における立体的な電界分布を短時間で、測定し画像化することができる３次元電界分布測定方法およびその装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、測定用プローブが測定される電界を乱すことが少ない３次元電界分布測定方法に関しており、（１）電気光学結晶層と、前記電気光学結晶層に密着した光の反射層と、前記反射層に密着し前記の電気光学結晶層と同じ材質で作られており上記の反射層を被測定物から離間させる離間層と、からなる電気光学サンプリング用の複数の電界センサーを用いる測定方法であって、（２）第１の測定においては、予め決められた地点の電界強度測定を、第１電気光学結晶層と第１の離間層とをもった第１の電界センサーを用いて行ない、（３）第２の測定においては、上記と同じ地点の電界強度測定を第２の電気光学結晶層と第２の離間層とをもった第２の電界センサーを用いて行なう際に、第１電気光学結晶層と第２の電気光学結晶層とは同じ材質で作られているという条件と、第１電気光学結晶層と第１の離間層との厚さの和が第２の電気光学結晶層と第２の離間層との厚さの和に等しいという条件と、第１の離間層と第２の離間層との厚みが異なるという条件とを満たす第２の電界センサーを用いて測定し、（４）被測定物から離間する方向における電界分布の測定を行なうことを特徴としている。
【００１５】
また、第２の発明は、短時間で測定することのできる３次元電界分布測定方法に関しており、（１）電気光学結晶層を被測定物から離間する機能を有し電気光学結晶層と同じ材質で構成された離間層と、光の反射層と、前記の電気光学結晶層とからなる電気光学サンプリング用の電界センサーを複数備えた電界センサーアレイで、上記それぞれの電界センサーの離間層の厚さと上記の電気光学結晶層との和が一定である電界センサーアレイと、（２）上記の電界センサーアレイにプローブ光を照射する光源と、（３）その反射光の偏光を観測する検出器とを備え、（４）上記の偏光の強度を用いて電界の強度を測定する構成を備えることを特徴としている。
【００１６】
また、第３の発明は、離間層をさらに補うことを容易とするために、第２の発明における上記の離間層の被測定物と接する表面は、平面であることを特徴としている。
【００１７】
また、第４の発明は、微細な構造における電界強度を測定するためのものであり、第２の発明における上記の電界センサーアレイには、顕微鏡を通して光を照射し、その顕微鏡を通して、その光の反射光の偏光度を観察する構成を備えることを特徴としている。
【００１８】
また、第５の発明は、電界強度分布を一括して画像化するためのものであり、第２の発明において、（１）上記の電界センサーアレイには一斉にプローブ光を照射し、上記の電界センサーアレイのそれぞれの反射層から反射する光を捉える偏光検出器を備えた２次元撮像装置と、（２）上記の離間層の厚さを、上記の被測定物からの距離とみなして、３次元画像化する画像処理部とを備えることを特徴としている。
【００１９】
また、第６の発明は、第２ないし第５のいずれかの発明において、上記の電界センサーアレイは、等しいサブアレイの１次元配列であり、サブアレイは、（１）電気光学結晶層を被測定物から離間する離間層と、光の反射層と、前記の電気光学結晶層とからなる電気光学サンプリング用の電界センサーを複数備えた電界センサーアレイであり、上記の１次元電界センサーアレイを、その配列方向と交わる方向に被測定物に対して相対的に掃引する構成により、電界強度分布を３次元画像化することを特徴としている。
【００２０】
また、第７の発明は、第５の発明における上記の電界センサーアレイは、等しいサブアレイの２次元配列であり、サブアレイは、（１）電気光学結晶層を被測定物から離間する離間層と、光の反射層と、前記の電気光学結晶層とからなる電気光学サンプリング用の電界センサーを複数備えた電界センサーアレイであることを特徴としている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは同様の機能を示す素子や装置については、同じ符号を付して説明する。
【００２２】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の望ましい実施の形態の例を示す。図１は、ＥＯＳプローバ２０とその動作に必要な装置の一部を示している。ＥＯＳプローバ２０は、顕微鏡２と交換可能な電界センサー部１ａ、１ｂ、１ｃとからなっている。このＥＯＳプローバ２０は、能動モードロックレーザ８からのパルス信号を受け、これを顕微鏡のビームスプリッタ５で対物レンズ３に向かう光と、高速光検出器１４に向かう光とに分割する。対物レンズ３を通過した光は、電界センサー部１ａ、１ｂ、あるいは１ｃで偏光変調を受け、また、反射され、再び対物レンズ３に戻る。対物レンズ３とビームスプリッタ５を通過した光は、光路１０に沿って進み、偏光板により、選択され、接眼レンズを通過して、光検出器７に入力する。
【００２３】
光検出器７の出力は、電界センサー部１ａ、１ｂ、あるいは１ｃでの変調を反映するので、光検出器７の出力である信号Ａの強度から、電界センサー部１ａ、１ｂ、あるいは１ｃでの電界強度を知ることができる。図４に示したように、この信号Ａは、ロックインアンプ２７に送られ、高周波信号源９の信号と高速光検出器１４からの信号をミキサー２６で混合して作られた低周波の参照信号によって、同期検波が行なわれる。このロックインアンプ２７の出力は、信号処理・表示装置２８により表示される。
【００２４】
電界センサー部１ａ、１ｂ、あるいは１ｃは、交換可能である。これらの電界センサーは、電気光学結晶層２１と反射層２２と離間層２３からなっており、離間層の厚さは、電界センサー部１ａ、１ｂ、あるいは１ｃで徐々に増加している。また、電気光学結晶層２１と離間層２３とは同じ材料で、しかも、電気光学結晶層２１の厚さと離間層２３の厚さの和は、電界センサー部１ａ、１ｂ、あるいは１ｃで等しく作られている。反射層２２は、よく知られた誘電体多層膜による積層膜であるが、この部分は、電気光学結晶層２１や離間層２３に比べて、薄く作ることができるので、上記の様にすることによって、被測定物表面での電界の乱れの違いを無くす事ができる。
【００２５】
一般に、測定の際には、被測定物１１の表面に密着させる。そのためには、離間層の底面、すなわち、被測定物と接触する面は、平坦であることが望ましい。また、表面からさらに離れた地点で電界強度を測定するには、測定物１１とセンサー部１との間にさらに離間用のシートをつけて測定することも可能である。また、図には示していないが、電界センサー部の表面には、反射防止膜を付けることが望ましい。
【００２６】
図１に示す装置では、偏光検出感度が充分でない場合がある。この様な場合には、図５に示す様に、直交する光成分の強度を検出する光検出器３５、３６の出力差を図６の光検出・差動アンプ１６を用いて得た後、ロックインアンプ２７により信号処理することにより充分な感度が得られる。
【００２７】
［第２の実施形態］
図２は、本発明の望ましい第２の実施の形態の例を示す。図２は、ＥＯＳプローバ２０とその動作に必要な装置の一部を示している。また、図３は、電界センサー部１に設けられたその電界センサーアレイの要素を示している。電界センサーアレイは、図３（ａ）あるいは図３（ｂ）の要素を１次元あるいは２次元に配置したものである。また、信号の処理系を図４に示す。
【００２８】
電界センサー部１は、電界センサーアレイであり、その詳細を、図２に示す。図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）は、その電界センサーアレイのサブアレイを示している。図３（ａ）は、図２に示した電界センサー部１に用いたサブアレイと同じものである。この電界センサーのサブアレイは、複数のサブアレイ要素からなっている。このサブアレイ要素は、電気光学結晶層２１と反射層２２と離間層２３とからなっている。図３（ａ）においては３個のサブアレイ要素が連続して構成されているので、離間層は、階段状となっており、その厚さは、複数の部分から構成されている。図３（ａ）に示した電界センサーのサブアレイは、３段であるが、さらに多くの段数でも特に問題とならない。また、この階段状のサブアレイをくり返した構造の電界センサーアレイを用いることによって、測定の際に、センサー部の移動なしに、望みの部分の測定を行なうことができる。
【００２９】
一般に、測定の際には、被測定物１１の表面に密着させる。そのためには、離間層の底面、すなわち、被測定物と接触する面は、平坦であることが望ましい。また、表面からさらに離れた地点で電界強度を測定するには、測定物１１とセンサー部１との間にさらに離間用のシートをつけて測定することも可能である。
【００３０】
また、図３（ａ）は、階段状に構成された電界センサーのアレイ（配列）であるが、図３（ｂ）に示す様に、斜面状に各層を構成してもよい。この場合は、電気光学結晶層２１の表面と被測定物１１の表面とのなす角をθ１とし、離間層２３の表面と被測定物１１の表面とのなす角をθ０とするとき、入射した光線が反射層２２の表面に垂直にあたる様にするために、次の条件を満たす様にθ１、θ０を設定することが望ましい。つまり、電気光学結晶層２１の屈折率をｎとするとき、ｓｉｎθ１＝ｎ×ｓｉｎ（θ１−θ０）。
【００３１】
また、図３（ｃ）に示す電界センサーのサブアレイは、電気光学結晶層２１の表面と離間層２３とを同じ誘電率の物質で構成し、その厚みの和をそれぞれのサブアレイ要素で等しく設定するものである。電気光学結晶層２１と離間層２３とを同じ物質で構成してもよい。このようにすることによって、被測定物の回りの電界が、この電界センサーアレイによって一様に影響を受けることになり、この影響を容易に補正できるようになる。また、その誘電率は、被測定物が使われる環境に近いことが望ましく、それが空気中で使われる場合は、誘電率はなるべく小さいことが望ましい。また、上記の様に、その厚みの和をそれぞれのサブアレイ要素で等しく設定する場合は、光を偏光させる変調効率が異なってくるので、その厚みを標準化して、一定の厚みの電気光学結晶層を用いた測定値となるように換算する処理を行なう。
【００３２】
また、図には示していないが、電界センサー部の表面には、反射防止膜を付けることが望ましい。
【００３３】
図２に示す装置では、偏光検出感度が充分でない場合がある。この様な場合には、図５に示す様に、直交する光成分の強度を検出する光検出器３５、３６の出力差を、図６の光検出・差動アンプ１６を用いて得た後、ロックインアンプ２７により信号処理することにより充分な感度が得られる。
【００３４】
［第３の実施形態］
図７に他の実施の形態を示す。図７に示す装置の特徴は、電界センサー部１５の広範囲にプローブ光を照射し、この照射部分の２次元画像を取得する点にある。ＥＯＳプローバ２１は、ビーム拡張器１８で拡張された能動モードロックレーザ８からの光パルス、つまり信号Ｂ、を受け、これを顕微鏡のビームスプリッタ５で対物レンズ３に向かう光と、高速光検出器１４に向かう光とに分割する。対物レンズ３を通過した光は、電界センサー部１５で、それぞれの地点に応じた偏光変調を受け、また、反射され、再び対物レンズ３に戻る。対物レンズ３とビームスプリッタ５を通過した光は、光路１０に沿って進み、偏光板により選択された後、接眼レンズ４を通過して、撮像装置である光検出器１７に入力する。
【００３５】
図８に示すように、光検出器の出力は、電界センサー部１５での変調を反映するので、光検出器１７の出力である信号Ａの強度から、電界センサー部での電界強度を知ることができる。この信号Ａは、それぞれの画素ごとにロックインアンプ４２に送られ、高周波信号源９の信号と高速光検出器１４からの信号をミキサー２６で混合して作られた低周波の参照信号によって、同期検波が行なわれる。このロックインアンプ４２の出力は、２次元配列データ用の信号処理・表示装置４３により表示される。
【００３６】
電界センサー部の構成材料としては、表１に示すどの材料でも機能するが、電気光学結晶層としては、誘電率の小さい、ＣｄＴｅ等が適しており、また、反射層としては、２酸化チタン層や２酸化珪素層からなる誘電体多層反射膜等が適している。また、離間層としては、電気光学結晶層と同じＣｄＴｅ等が適している。
【００３７】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００３８】
第２の発明では、複数の離間層の厚さの部分から構成される電界センサーアレイを用いる様にしたので、電界センサーアレイを被測定物に密着させたまま、３次元の電界分布を測定できるようになる。
【００３９】
第３の発明では、被測定物と接する表面は、平面である様にしたので、高さ方向の設定が安定するようになる。
【００４０】
第４の発明では、顕微鏡を通して、プローブ光の反射光の偏光度を観察する様にしたので、高さ方向の設定が安定するようになる。
【００４１】
第５の発明では、２次元撮像装置によって、プローブ光の反射光の偏光度を観察する様にしたので、測定を迅速に行える様になる。
【００４２】
第６の発明では、１次元の配列の電界センサーアレイを用いることにしたので、電界センサーアレイの製造が容易であり、また観察信号の処理も容易である。
【００４３】
第７の発明では、２次元の配列の電界センサーアレイを用いることにしたので、電界分布の迅速な測定が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す模式図である。
【図２】第２の実施の形態を示す模式図である。
【図３】電界センサーアレイの要素を示す模式図である。
【図４】信号処理系を示すブロック図である。
【図５】光検出器の構成を示す模式図である。
【図６】信号処理系を示すブロック図である。
【図７】第３の実施の形態を示す模式図である。
【図８】信号処理系を示すブロック図である。
【図９】電気光学結晶を用いた電界測定の原理を示す図である。
【図１０】縦電界プロービング、横電界プロービングを示す図である。
【符号の説明】
１ 電界センサー部
２ 顕微鏡
３ 対物レンズ
４ 接眼レンズ
５ ビームスプリッタ
６ 偏光板
７ 光検出器
８ 能動モードロックレーザ
９ 高周波信号源
１０ 光路
１１ 被測定物
１２、１３ 被測定物の電極
１４ 高速光検出器
１５ 電界センサー部
１６ 光検出・差動アンプ
１７ 光検出器
１８ ビーム拡張器
２０、２１ ＥＯＳプローバ
２２ 反射層
２３ 離間層
２５ クロック信号源
２６ ミキサー
２７ ロックインアンプ
２８ 信号処理・表示装置
３０、３１ 半波長板
３２ １／４波長板
３３、３４ 偏光ビームスプリッタ
３５、３６ 光検出器
４１ 光検出・アンプ
４２ ロックインアンプ
４３ 信号処理・表示装置
Claims (7)
- （１）電気光学結晶層と、前記電気光学結晶層に密着した光の反射層と、前記反射層に密着し前記の電気光学結晶層と同じ材質で作られており上記の反射層を被測定物から離間させる離間層とからなる電気光学サンプリング用の複数の電界センサーを用いる測定方法であって、（２）第１の測定においては、予め決められた地点の電界強度測定を、第１電気光学結晶層と第１の離間層とをもった第１の電界センサーを用いて行ない、（３）第２の測定においては、上記と同じ地点の電界強度測定を第２の電気光学結晶層と第２の離間層とをもった第２の電界センサーを用いて行なう際に、第１電気光学結晶層と第２の電気光学結晶層とは同じ材質で作られているという条件と、第１電気光学結晶層と第１の離間層との厚さの和が第２の電気光学結晶層と第２の離間層との厚さの和に等しいという条件と、第１の離間層と第２の離間層との厚みが異なるという条件とを満たす第２の電界センサーを用いて測定し、（４）被測定物から離間する方向における電界分布の測定を行なうことを特徴とする３次元電界分布測定方法。
- （１）電気光学結晶層を被測定物から離間する機能を有し電気光学結晶層と同じ材質で構成された離間層と、光の反射層と、前記の電気光学結晶層とからなる電気光学サンプリング用の電界センサーを複数備えた電界センサーアレイで、上記それぞれの電界センサーの離間層の厚さと上記の電気光学結晶層との和が一定である電界センサーアレイと、（２）上記の電界センサーアレイにプローブ光を照射する光源と、（３）その反射光の偏光を観測する検出器とを備え、（４）上記の偏光の強度を用いて電界の強度を測定する構成を備えることを特徴とする３次元電界分布測定装置。
- 上記の離間層の被測定物と接する表面は、平面であることを特徴とする請求項２に記載の３次元電界分布測定装置。
- 上記の電界センサーアレイには、顕微鏡を通して光を照射し、その顕微鏡を通して、その光の反射光の偏光度を観察する構成を備えることを特徴とする請求項２に記載の３次元電界分布測定装置。
- （１）上記の電界センサーアレイには一斉にプローブ光を照射し、上記の電界センサーアレイのそれぞれの反射層から反射する光を捉える偏光検出器を備えた２次元撮像装置と、（２）上記の離間層の厚さを、上記の被測定物からの距離とみなして、３次元画像化する画像処理部とを備えることを特徴とする請求項２に記載の３次元電界分布測定装置。
- 上記の電界センサーアレイは、等しいサブアレイの１次元配列であり、サブアレイは、（１）電気光学結晶層を被測定物から離間する離間層と、光の反射層と、前記の電気光学結晶層とからなる電気光学サンプリング用の電界センサーを複数備えた電界センサーアレイであり、上記の１次元電界センサーアレイを、その配列方向と交わる方向に被測定物に対して相対的に掃引する構成により、電界強度分布を３次元画像化することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の３次元電界分布測定装置。
- 上記の電界センサーアレイは、等しいサブアレイの２次元配列であり、サブアレイは、（１）電気光学結晶層を被測定物から離間する離間層と、光の反射層と、前記の電気光学結晶層とからなる電気光学サンプリング用の電界センサーを複数備えた電界センサーアレイであることを特徴とする請求項５に記載の３次元電界分布測定装置。
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