JP2004340763A - テラヘルツ光を用いた測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透過測定及び反射測定の両方を同時に効率良く行う。
【解決手段】透過測定部は、透過測定位置にセットされた試料にテラヘルツパルス光を照射し、当該試料を透過したテラヘルツパルス光を検出して透過光検出信号を出力する。反射測定部は、反射測定位置にセットされた試料にテラヘルツパルス光を照射し、当該試料を反射したテラヘルツパルス光を検出して反射光検出信号を出力する。搬送装置７６は、両測定位置にそれぞれ試料を搬送する。制御・演算処理部７０は、両測定位置にそれぞれ試料がセットされたときに、両測定部を同時に作動させる制御信号を出力する。両測定部は、レーザパルス光を発生する１つのパルス光発生部３を共有し、前記レーザパルス光に基づいて透過光検出信号及び反射光検出信号をそれぞれ同時に出力する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テラヘルツ光を用いた測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
テラヘルツ光は、周波数がおおよそ０．０１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲の電磁波である。従来から、テラヘルツ光を用いた種々の測定装置（例えば、分光装置、誘電率測定装置、検査装置、イメージ化装置など）が提供されている。このような従来のテラヘルツ光を用いた測定装置では、対象物にテラヘルツパルス光を照射して当該対象物を透過したテラヘルツパルス光を検出するもの（説明の便宜上、「透過測定用テラヘルツ光装置」と呼ぶ。）と、対象物にテラヘルツパルス光を照射して当該対象物で反射したテラヘルツパルス光を検出する装置（説明の便宜上、「反射測定用テラヘルツ光装置」と呼ぶ。）とが、それぞれ別々の装置として提供されている。
【０００３】
例えば、下記の特許文献１には、半導体の電気特性評価装置として構成された透過測定用テラヘルツ光装置が具体的に開示されている。また、特許文献１では、具体的な構成の開示はないが、半導体の電気特性評価装置を反射測定用テラヘルツ光装置として構成し得る旨も、言及されている。
【０００４】
また、下記の特許文献２には、対象物の複素誘電率や複素屈折率を測定する装置として構成された透過測定用テラヘルツ光装置と、対象物の複素誘電率や複素屈折率を測定する装置として構成された反射測定用テラヘルツ光装置が、それぞれ別々の装置として開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−９８６３４号公報
【特許文献２】
特開２００２−２７７３９３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
対象物によっては、当該対象物を透過したテラヘルツパルス光を検出する透過測定を行う方が好ましいものや、当該対象物で反射したテラヘルツパルス光を検出する反射測定を行う方が好ましいものもある。また、同一の対象物であっても、例えば、その性質等を観察する上で、透過測定及び反射測定の両方を行うことが好ましい場合もある。
【０００７】
しかしながら、前記従来のテラヘルツ光を用いた測定装置は、透過測定用テラヘルツ光装置及び反射測定用テラヘルツ光装置のうちのいずれかとして構成されているだけであった。したがって、複数の対象物の各々について透過測定及び反射測定を両方を行う場合に、それらの測定を効率良く行うことができなかった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、透過測定及び反射測定の両方を同時に効率良く行うことができるテラヘルツ光を用いた測定装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【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の態様によるテラヘルツ光を用いた測定装置は、透過測定位置にセットされた対象物にテラヘルツパルス光を照射し、当該対象物を透過したテラヘルツパルス光を検出して透過光検出信号を出力する透過測定部と、反射測定位置にセットされた対象物にテラヘルツパルス光を照射し、当該対象物を反射したテラヘルツパルス光を検出して反射光検出信号を出力する反射測定部と、前記透過測定位置及び前記反射測定位置にそれぞれ対象物を搬送する搬送部と、前記搬送部により前記透過測定位置及び前記反射測定位置にそれぞれ対象物がセットされたときに、前記透過測定部及び前記反射測定部を同時に作動させる制御信号を出力する制御部と、を備え、前記透過測定部及び前記反射測定部は、レーザパルス光を発生する１つのパルス光発生部を共有し、前記レーザパルス光に基づいて前記透過光検出信号及び前記反射光検出信号をそれぞれ同時に出力するものである。
【００１０】
本発明の第２の態様によるテラヘルツ光を用いた測定装置は、前記第１の態様において、前記搬送部は、複数の対象物を順次、前記透過測定部及び前記反射測定部のうちの一方の測定部による測定終了後、他方の測定部の測定位置に搬送するとともに前記一方の測定部の測定位置に次の対象物を搬送するものである。
【００１１】
本発明の第３の態様によるテラヘルツ光を用いた測定装置は、前記第１の態様において、前記透過測定部と前記反射測定部とに共通して使用され、前記対象物からのテラヘルツパルス光を時系列的に検出する為に検出用の前記レーザパルス光の光路長を可変とするステージを有するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるテラヘルツ光を用いた測定装置について、図面を参照して説明する。
【００１３】
［第１の実施の形態］
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施の形態によるテラヘルツ光を用いた測定装置の光学的な構成を模式的に示す概略構成図である。図１において、紙面が水平面と平行で、紙面と垂直な方向が鉛直方向となっている。図２は、本実施の形態によるテラヘルツ光を用いた測定装置の電気的な構成を模式的に示す概略構成図である。図３は、図１中のＡ矢視の概略図である。図４は、本実施の形態によるテラヘルツ光を用いた測定装置の透過測定光学系及び反射測定光学系を収容した筐体２等を示す外観図である。
【００１５】
本実施の形態によるテラヘルツ光を用いた測定装置は、測定対象物としての複数の試料１の複素誘電率等を測定する測定装置として構成されている。
【００１６】
本実施の形態によるテラヘルツ光を用いた測定装置は、反射測定位置（本実施の形態では、図３中の試料１の位置）にセットされた試料１にテラヘルツパルス光を照射して試料１で反射したテラヘルツパルス光を検出する反射測定光学系と、透過測定位置（本実施の形態では、図１中の試料１の位置）にセットされた試料１にテラヘルツパルス光を照射して試料１を透過したテラヘルツパルス光を検出する透過測定光学系と、を備えている。前記透過測定光学系及び前記反射測定光学系は、１つの筐体２内に収容されている。これらの光学系の具体的な構成については、後述する。
【００１７】
図１に示すように、パルス光発生部としてのフェムト秒パルスレーザ３から発生されたフェムト秒パルス光（レーザパルス光）Ｌ１が、ビームスプリッタ４によって、反射測定用パルス光Ｌ２と透過測定用パルス光Ｌ３とに分割される。
【００１８】
ビームスプリッタ４で反射された反射測定用パルス光Ｌ２は、平面鏡５を経た後に、ビームスプリッタ６で２つに分割されて、それぞれポンプパルス光Ｌ４とプローブパルス光Ｌ５になる。
【００１９】
ポンプパルス光Ｌ４は、平面鏡７，８、後述する窓９及び集光レンズ１０を経て、テラヘルツ光発生器としてのダイポールアンテナ等の光伝導アンテナ１１に入射する。なお、光伝導アンテナ１１に代えて電気光学結晶などの他のテラヘルツ光発生器を用いてもよいことは、言うまでもない。図２に示す切替部６１のスイッチ６２がオンである場合には、バイアス電圧印加部６０からのバイアス電圧が、光伝導アンテナ１１に印加される。なお、本実施の形態では、バイアス電圧印加部６０は、テラヘルツ光検出のＳＮ比を向上するために、パルス状に変調されたバイアス電圧を出力するとともに、後述するロックイン増幅のための参照信号（バイアス電圧に同期した信号）を出力する。光伝導アンテナ１１は、バイアス電圧が印加されている状態で、ポンプパルス光Ｌ４が入射されることにより励起されて、テラヘルツパルス光Ｌ６を発生する。
【００２０】
一方、プローブパルス光Ｌ５は、平面鏡１２、光路長可変用光学素子としての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（平行折り返しミラー）１３、平面鏡１４、後述する窓１５、平面鏡１６、更には集光レンズ１７を経て、テラヘルツ光検出器としてのダイポールアンテナ等の光伝導アンテナ１８へ導かれる。なお、光伝導アンテナ１８に代えて電気光学結晶などの他のテラヘルツ光検出器を用いてもよいことは、言うまでもない。
【００２１】
プローブパルス光Ｌ５の光路上に配置された可動鏡１３は、図２に示す制御・演算処理部７０による制御下で、光路長可変用移動機構としての一軸のステージ１９により図１中の左右方向に移動可能となっている。可動鏡１３は、取り付け部材２０を介して、ステージ１９の可動部１９ａに固定されている。可動鏡１３の移動量に応じて、プローブパルス光Ｌ５の光路長が変わる。すなわち、本実施の形態では、可動鏡１３及びステージ１９が、プローブパルス光Ｌ５の光路長をポンプパルス光Ｌ４の光路長に対して相対的に変え得るようにする第１の光路長可変部を構成している。光伝導アンテナ１１から発生するテラヘルツパルス光の発生期間とプローブパルス光Ｌ５が光伝導アンテナ１８に到達するタイミングを一致させる必要がある。また、いわゆるポンプ−プローブ法により、テラヘルツパルス光の時系列波形を得るためには、光伝導アンテナ１１からテラヘルツパルス光が発生している期間内におけるプローブパルス光Ｌ５のタイミングを変える必要がある。このため、本実施の形態では、前記第１の光路長可変部が設けられているのである。
【００２２】
光伝導アンテナ１１から発生したテラヘルツパルス光Ｌ６は、放物面鏡等の曲面鏡２１を経て平行光に変換された後、放物面鏡等の曲面鏡２２、平面鏡２３及び後述する窓２４を経て集光位置に集光される。図１及び図３に示すように、テラヘルツパルス光Ｌ６の光軸は、光伝導アンテナ１１から平面鏡２３までの間では水平面内にあるが、平面鏡２３の向きが図示のように設定されることにより、平面鏡２３と前記集光位置との間では上側に立ち上げられている。
【００２３】
テラヘルツパルス光Ｌ５の集光位置が、反射測定位置となっている。この反射測定位置には、後述する搬送装置７６により搬送されてきた試料１を保持するホルダである試料ホルダ２５（図３及び図４参照、図１では省略）により、下面が水平面となるように保持された試料１の当該下面の測定部位（所定の微小の領域）が配置される。図１、図３及び図４には示していないが、図２に示すように、前記反射測定位置に試料１がセットされたことを検出する光センサ等からなる反射測定用試料設置検出器７１が設けられている。なお、試料１の局所的な情報ではなく、例えば試料１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Ｌ６を局所的に集光することなく試料１の下面の比較的広い領域を照射するようにしてもよい。
【００２４】
ここで、前記試料ホルダ２５について、図３及び図４を参照して説明する。試料ホルダ２５は、試料保持面となる上面が水平面となるように筐体２に固定された載置台として、構成されている。試料ホルダ２５の中央付近には、開口２５ａが形成されている。この開口２５ａは、試料ホルダ２５の上面に載置することにより保持された試料１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パルス光を、通過させる窓部となっている。この試料ホルダ２５によれば、上面に試料１を単に載置するだけで、試料１が重力で保持される。もっとも、本発明では、試料ホルダ２５は、このような構成に限定されるものではない。
【００２５】
再び図１及び図３を参照すると、試料１の下面の測定部位で反射されたテラヘルツパルス光Ｌ７は、窓２４を経て平面鏡２６で反射され、放物面鏡等の曲面鏡２７を経て平行光に変換された後、放物面鏡等の曲面鏡２８により光伝導アンテナ１８に集光され、光伝導アンテナ１８によりその電場強度が検出されて電流信号（反射光検出信号に相当）に変換される。テラヘルツパルス光Ｌ７の光軸は、平面鏡２６の向きが図示のように設定されることにより、前記集光位置と平面鏡２６との間では下側に立ち下げられているが、平面鏡２６と光伝導アンテナ１８との間では水平面内にある。
【００２６】
図２に示す切替部６１のスイッチ６３がオンである場合には、光伝導アンテナ１８で得られた電流信号が、反射測定用検出信号処理部８１で信号処理されて、コンピュータ等からなる制御・演算処理部７０に供給される。本実施の形態では、反射測定用検出信号処理部８１は、電流−電圧変換器８２と、ロックイン増幅器８３と、Ａ／Ｄ変換器８４とから構成されている。光伝導アンテナ１８で得られた電流信号は、電流−電圧変換器８２で電圧信号に変換された後、ロックイン増幅器８３により、バイアス電圧印加部６０からの前記参照信号と同期してロックイン検出される。ロックイン増幅器８３の出力信号は、反射測定位置にセットされた試料１で反射したテラヘルツ光の電場強度の検出信号として、Ａ／Ｄ変換器８４によりＡ／Ｄ変換され、これが制御・演算処理部７０に供給される。
【００２７】
フェムト秒パルスレーザ３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、このフェムト秒パルス光で励起される光伝導アンテナ１１からのテラヘルツパルス光Ｌ６も、数ｋＨｚから１００ＭＨｚオーダーの繰り返して放射される。本実施の形態では、同じ波形のテラヘルツパルス光Ｌ７が繰り返して到来することを利用して、ポンプパルス光Ｌ４とプローブパルス光Ｌ５との間に時間遅延を設けてテラヘルツパルス光Ｌ７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としての光伝導アンテナ１１を作動させるポンプパルス光Ｌ４に対して、テラヘルツ光検出器としての光伝導アンテナ１８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、遅延時間τだけ遅れた時点でのテラヘルツパルス光Ｌ７の電場強度を光伝導アンテナ１８で測定できる。言い換えれば、プローブパルス光Ｌ５は、光伝導アンテナ１８に対してゲートをかけていることになる。また、可動鏡１３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。ステージ１９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Ｌ７の各遅延時間τごとの時点の電場強度を光伝導アンテナ１８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Ｌ７の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）を計測することができる。
【００２８】
本実施の形態では、テラヘルツパルス光Ｌ７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７０が、ステージ１９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８４からのデータを制御・演算処理部７０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Ｌ７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。
【００２９】
このような時系列波形Ｅ（τ）を示すデータを、試料ホルダ２５上に試料１として参照試料（例えば、金属ミラーなどの、屈折率等が既知である部材）を載置した場合と観測試料（例えば、ウエハ等）を載置した場合について取得する。なお、試料ホルダ２５上に試料１として参照試料を載置した場合における前記データの取得は、初期動作として予め１回行っておくだけでよい。制御・演算処理部７０は、これらのデータに基づいて、反射測定位置にセットされた観測試料の所望の特性（情報）を求め、これを液晶等の表示部７４に表示させる。例えば、制御・演算処理部７０は、公知の演算によって、観測試料の複素誘電率を求め、これを表示部７４に表示させる。もっとも、例えば、反射測定位置にセットされた観測試料についてのみ時系列波形Ｅ（τ）を示すデータを得、当該時系列波形をフーリエ変換することで分光情報を得るだけでもよい。この場合、当該テラヘルツ光を用いた測定装置は分光装置となる。
【００３０】
ビームスプリッタ４を透過した透過測定用パルス光Ｌ３は、ビームスプリッタ３１で２つに分割されて、それぞれポンプパルス光Ｌ８とプローブパルス光Ｌ９になる。
【００３１】
ポンプパルス光Ｌ８は、平面鏡３２，３３、後述する窓３４、平面鏡３５及び集光レンズ３６を経て、テラヘルツ光発生器としてのダイポールアンテナ等の光伝導アンテナ３７に入射する。なお、光伝導アンテナ３７に代えて電気光学結晶などの他のテラヘルツ光発生器を用いてもよいことは、言うまでもない。図２に示す切替部６１のスイッチ６４がオンである場合には、バイアス電圧印加部６０からのバイアス電圧が、光伝導アンテナ３７に印加される。光伝導アンテナ３７は、バイアス電圧が印加されている状態で、ポンプパルス光Ｌ８が入射されることにより励起されて、テラヘルツパルス光Ｌ１０を発生する。
【００３２】
一方、プローブパルス光Ｌ９は、平面鏡３８〜４１、光路長可変用光学素子としての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（平行折り返しミラー）４２、平面鏡４３、後述する窓４４、平面鏡４５、更には集光レンズ４６を経て、テラヘルツ光検出器としてのダイポールアンテナ等の光伝導アンテナ４７へ導かれる。なお、光伝導アンテナ４７に代えて電気光学結晶などの他のテラヘルツ光検出器を用いてもよいことは、言うまでもない。
【００３３】
プローブパルス光Ｌ９の光路上に配置された可動鏡４２は、前述したステージ１９により図１中の左右方向に移動可能となっている。可動鏡４２は、取り付け部材５５を介して、ステージ１９の可動部１９ａに固定されている。可動鏡４２の移動量に応じて、プローブパルス光Ｌ９の光路長が変わる。すなわち、本実施の形態では、可動鏡４２及びステージ１９が、プローブパルス光Ｌ９の光路長をポンプパルス光Ｌ８の光路長に対して相対的に変え得るようにする第２の光路長可変部を構成している。このように、ステージ１９の可動部１９ａには、前述した可動鏡１３のみならず可動鏡４２も固定されている。すなわち、本実施の形態では、前記第１及び第２の光路長可変部は、１つのステージ１９を共有している。第２の光路長可変部も、前記第１の光路長可変部と同様の理由で設けられている。
【００３４】
光伝導アンテナ３７から発生したテラヘルツパルス光Ｌ１０は、放物面鏡等の曲面鏡４８を経て平行光に変換された後、放物面鏡等の曲面鏡４９及び後述する窓５０を経て集光位置に集光される。
【００３５】
テラヘルツパルス光Ｌ１０の集光位置が、透過測定位置となっている。この透過測定位置には、後述する搬送装置７６により、両面が垂直となるように保持された試料１の測定部位（所定の微小の領域）が配置される。図１には示していないが、図２に示すように、前記透過測定位置に試料１がセットされたことを検出する光センサ等からなる透過測定用試料設置検出器７２が設けられている。なお、試料１の局所的な情報ではなく、例えば試料１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Ｌ１０を局所的に集光することなく試料１の面の比較的広い領域を照射するようにしてもよい。
【００３６】
試料１を透過したテラヘルツパルス光Ｌ１１は、後述する窓５１を経て、放物面鏡等の曲面鏡５２により平行光に変換された後、放物面鏡等の曲面鏡５３により光伝導アンテナ４７に集光され、光伝導アンテナ４７によりその電場強度が検出されて電流信号（透過光検出信号に相当）に変換される。なお、テラヘルツパルス光Ｌ１０，Ｌ１１の光軸は、全て水平面内にある。
【００３７】
図２に示す切替部６１のスイッチ６４がオンである場合には、光伝導アンテナ４７で得られた電流信号が、透過測定用検出信号処理部９１で信号処理されて、制御・演算処理部７０に供給される。本実施の形態では、透過測定用検出信号処理部９１は、反射測定用検出信号処理部８１と同様に、電流−電圧変換器９２と、ロックイン増幅器９３と、Ａ／Ｄ変換器９４とから構成されている。光伝導アンテナ４７で得られた電流信号は、電流−電圧変換器９２で電圧信号に変換された後、ロックイン増幅器９３により、バイアス電圧印加部６０からの前記参照信号と同期してロックイン検出される。ロックイン増幅器９３の出力信号は、透過測定位置にセットされた試料１を透過したテラヘルツ光の電場強度の検出信号として、Ａ／Ｄ変換器９４によりＡ／Ｄ変換され、これが制御・演算処理部７０に供給される。
【００３８】
本実施の形態では、同じ波形のテラヘルツパルス光Ｌ１１が繰り返して到来することを利用して、前述した反射測定の場合と同様に、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としての光伝導アンテナ４７を作動させるポンプパルス光Ｌ１０に対して、テラヘルツ光検出器としての光伝導アンテナ４７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、遅延時間τだけ遅れた時点でのテラヘルツパルス光Ｌ１１の電場強度を光伝導アンテナ４７で測定できる。言い換えれば、プローブパルス光Ｌ９は、光伝導アンテナ４７に対してゲートをかけていることになる。また、可動鏡４２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。ステージ１９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Ｌ１１の各遅延時間τごとの時点の電場強度を光伝導アンテナ４７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Ｌ１１の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）を計測することができる。
【００３９】
本実施の形態では、この透過測定の場合も、前述した反射測定の場合と同様に、テラヘルツパルス光Ｌ１１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７０が、ステージ１９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９４からのデータを制御・演算処理部７０内の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。
【００４０】
このような時系列波形Ｅ（τ）を示すデータを、試料１をテラヘルツパルス光Ｌ１０の集光位置（透過測定位置）に置いた場合と置かない場合について取得する。なお、試料１を透過測定位置に置かない場合における前記データの取得は、初期動作として予め１回行っておくだけでよい。制御・演算処理部７０は、これらのデータに基づいて、透過測定位置にセットされた試料１の所望の特性（情報）を求め、これを表示部７４に表示させる。例えば、制御・演算処理部７０は、公知の演算によって、試料１の複素誘電率を求め、これを表示部７４に表示させる。もっとも、例えば、透過測定位置にセットされた試料１について時系列波形Ｅ（τ）を示すデータを得、当該時系列波形をフーリエ変換することで分光情報を得るだけでもよい。この場合、当該テラヘルツ光を用いた測定装置は分光装置となる。
【００４１】
以上の説明からわかるように、本実施の形態では、前述した要素３〜１４，１６〜１８，２１〜２３，２６〜２８によって、前記反射測定光学系が構成されている。また、前述した要素３，４，３１〜３３，３５〜４３，４５〜４９，５２，５３によって、前記透過測定光学系が構成されている。このように、反射測定光学系及び透過測定光学系は、一つのフェムト秒パルスレーザ３を共有している。
【００４２】
ここで、反射測定光学系及び透過測定光学系の配置に着目すると、本実施の形態では、反射測定光学系におけるテラヘルツパルス光Ｌ６，Ｌ７の光路長と、透過測定光学系におけるテラヘルツパルス光Ｌ１０，Ｌ１１の光路長とが、異なっている。これは、透過測定光学系では、曲面鏡４９と曲面鏡５２との間に平面鏡を設置せずに試料１を置くのに対し、反射測定光学系では、曲面鏡２２と曲面鏡２７との間に平面鏡２３，２６を設置して試料１を置き、試料１で反射させているためである。すなわち、透過測定光学系では、測定時に試料１がテラヘルツパルス光Ｌ１０，Ｌ１１の水平光軸上に位置するのに対し、反射測定光学系では、テラヘルツパルス光Ｌ６，Ｌ７の水平光軸上に試料１を設置することが困難であるためである。本実施の形態では、このように反射測定光学系と透過測定光学系との間のテラヘルツパルス光の光路長の差異に応じて、フェムト秒パルスレーザ３から光伝導アンテナ１１，１８，３７，４７の各々に至る光路長を適切に設定している。
【００４３】
図１に示すように、筐体２内には、真空引き可能な１つのチャンバー１００が形成されている。図１において、１０１，１０２はこのチャンバー１００の壁部を示し、壁部１０１を示すラインと壁部１０２を示すラインとの間がチャンバー１００内の領域である。図面には示していないが、壁部１０１には、真空ポンプ（図示せず）等と接続可能な接続口を有し、当該真空ポンプ等によってチャンバー１００を真空引きしたりパージしたりできるようになっている。筐体２内の領域のうちチャンバー１００外の領域は、大気領域である。なお、図４からも理解できるように、筐体２を形成する部材の一部とチャンバー１００を形成する部材の一部とは、共通化されている。
【００４４】
図１に示すように、反射測定光学系における光伝導アンテナ１１から光伝導アンテナ１８までのテラヘルツ光学系、前記要素１０，１６，１７、透過測定光学系における光伝導アンテナ３７から光伝導アンテナ４７までのテラヘルツ光学系、及び、前記要素３５，３６，４５，４６は、チャンバー１００内に収容されている。一方、筐体２内に収容された要素のうち、他の要素は、チャンバー１００外の大気領域に配置されている。
【００４５】
前記窓９，１５，３４，４４は、図１に示すように、壁部１０１に設けられているが、筐体２の外部には臨んでいない。前記窓２４は、図３に示すように、壁部１０１に設けられ、筐体２の外部に臨んでいる。図４に示すように、筐体２の上部には、外部上方に開口した凹部１１０が形成されている。この凹部１１０の壁部は前記チャンバー１００の壁部１０２で構成され、凹部１１０はチャンバー１００の外側から凹んでいる。図１において、壁部１０２を示すラインにより囲まれた領域は、凹部１１０内の領域であり、大気領域である。前記窓５０，５１は、図１及び図４に示すように、凹部１１０を挟んで対向するように、この壁部１０２に設けられている。これにより、前記窓５０，５１は、筐体２の外部に臨んでいる。凹部１１０内が、試料１の前述した透過測定位置となっている。後述する搬送装置７６により試料１が凹部１１０内に挿入されることで、試料１が透過測定位置に設置されるようになっている。
【００４６】
前記窓９，１５，３４，４４を構成する材料としては、例えば、石英やガラスなどを挙げることができる。これらの材料は、機械的な強度及び近赤外レーザ光の透過率が比較的高いので、好ましい。また、前記窓２４，５０，５１を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、石英、ポリメチルペンテン、サファイア、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＭｇＯ、ポリテトラフルオロエチレン、ダイヤモンドなどを挙げることができる。これらの材料は、テラヘルツパルス光の透過率が比較的高いので、好ましい。
【００４７】
搬送装置７６は、例えば、多軸の搬送ロボット等で構成される。本実施の形態では、搬送装置７６は、図４に示すように、独立して作動可能な２本のアーム７７を備えている。各アーム７７は、その先端に、試料１を把持する把持部７７ａを有している。搬送装置７６は、制御・演算処理部７０から外部通信用ポート（図２参照）を介して供給される制御信号に従って、各アーム７７の把持部７７ａで試料１を把持することで、試料１の保管部（図示せず）から試料１を前記試料ホルダ２５上の反射測定位置に搬送したり、試料１をこの反射測定位置から搬送し前記凹部１１０内に挿入して透過測定位置に設置したり、試料１をこの透過測定位置から前記保管部（あるいは、必要に応じて他の保管部等）に搬送したりすることができるようになっている。
【００４８】
制御・演算処理部７０は、図２に示すように、操作部７３からの指令に応じて、第１乃至第４の測定モードのうちのいずれかを選択する測定モード選択信号を、切替部６１に供給する。第１の測定モードは、前記反射測定位置に試料１がセットされるとともに前記透過測定位置に他の試料１がセットされたときに、反射測定位置にセットされた試料１について反射測定を行うと同時に、透過測定位置にセットされた試料１について透過測定を行う測定モード（「反射・透過同時測定モード」と呼ぶ。）であり、かつ、１つの試料１について反射測定と透過測定とを順次に行う測定モードである。第２の測定モードは、反射・透過同時測定モードであるが、１つの試料１については反射測定及び透過測定のうちのいずれか一方のみを行う測定モードである。第３の測定モードは、いずれの試料１についても、透過測定を行うことなく、反射測定のみを行う測定モードである。第４の測定モードは、いずれの試料１についても、反射測定を行うことなく、透過測定のみを行う測定モードである。
【００４９】
切替部６１は、制御・演算処理部７０からの測定モード選択信号に応じて、切替部６１が有するスイッチ６２〜６５の各オン・オフ状態を切り替えるようになっている。前記第１及び第２の測定モードの場合には、スイッチ６２〜６５がオンにされる。前記第３の測定モードの場合には、スイッチ６２，６３がオンにされるとともに、スイッチ６４，６５がオフにされる。前記第４の測定モードの場合には、スイッチ６２，６３がオフにされるとともに、スイッチ６４，６５がオンにされる。
【００５０】
試料１が反射測定位置にセットされている際の反射測定の動作、及び、試料１が透過測定位置にセットされている際の透過測定の動作については、既に説明した。制御・演算処理部７０は、操作部７３からの指令に応じて、これらの個別動作と搬送装置７６に対する制御とを組み合わせることで、前述した各測定モードを実現する。なお、必要に応じて、反射測定位置に前記参照試料をセットした際の反射測定データや透過測定位置に試料１をセットしていない際の透過測定データを予め取得しておき、これらのデータを制御・演算処理部７０のメモリ内に格納しておく。
【００５１】
次に、操作部７３から前記第１の測定モードが指令された場合の動作の具体例について、図５を参照して説明する。図５は、本実施の形態による測定装置の第１の測定モードの動作の具体例を示す概略フローチャートである。
【００５２】
操作部７３から第１の測定モードが指令されると、制御・演算処理部７０は、まず、第１の測定モードを示す選択信号を切替部６１に供給する（ステップＳ１）。なお、操作者は、第１の測定モードを指令する際に、操作部７３を操作して、前記保管部に保管されている試料１のうち何個の試料１について反射・透過測定を行うかを指定しておく。ここでは、この個数をＮ個とする。Ｎは、通常は２以上とされるが、１としてもよい。
【００５３】
次に、制御・演算処理部７０は、制御・演算処理部７０内のメモリに記憶されたカウント値ｎを１にセットする（ステップＳ２）。
【００５４】
次いで、制御・演算処理部７０は、搬送装置７６を制御して、ｎ番目の試料１を前記保管部から反射測定位置に搬送させる（ステップＳ３）。その後、制御・演算処理部７０は、反射測定用試料設置検出器７１からの検出信号に基づいて、試料１が前記反射測定位置にセットされたか否かを判定する（ステップＳ４）。試料１が反射測定位置にセットされていればステップＳ５へ移行し、そうでなければステップＳ３へ戻る。
【００５５】
ステップＳ５において、制御・演算処理部７０は、前述したように、ステージ１９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８４からのデータを制御・演算処理部７０内のメモリに順次格納することで、反射測定位置にセットされた試料１の反射測定データを取得する。そして、制御・演算処理部７０は、必要に応じて、この反射測定データに基づいて当該試料１の複素誘電率や分光情報などを演算する。
【００５６】
次に、制御・演算処理部７０は、カウント値ｎがＮか否かを判定し（ステップＳ６）、ＮでなければステップＳ７へ移行する一方、ＮであればステップＳ１２へ移行する。
【００５７】
ステップＳ７において、制御・演算処理部７０は、搬送装置７６を制御して、ｎ番目の試料１を反射測定位置から透過測定位置へ搬送させるとともに、ｎ＋１番目の試料１を前記保管部から反射測定位置へ搬送させる（ステップＳ７）。
【００５８】
次に、制御・演算処理部７０は、各試料位置設置検出器７１，７２からの検出信号に基づいて、各試料１が反射測定位置及び透過測定位置にそれぞれセットされたか否かを判定する（ステップＳ８）。各試料１が両測定位置にそれぞれセットされていなければステップＳ７へ戻り、セットされていればステップＳ９へ移行する。
【００５９】
ステップＳ９において、制御・演算処理部７０は、ステージ１９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、各Ａ／Ｄ変換器８４，９４からのデータをそれぞれ制御・演算処理部７０内のメモリに順次格納することで、反射測定位置及び透過測定位置にそれぞれセットされた各試料１の反射測定データ及び透過測定データを取得する。そして、制御・演算処理部７０は、必要に応じて、この反射測定データ及び透過測定データにそれぞれ基づいて当該各試料１の複素誘電率や分光情報などを演算する。
【００６０】
次に、制御・演算処理部７０は、搬送装置７６を制御して、ｎ番目の試料１を前記保管部へ搬送させる（ステップＳ１０）。次いで、制御・演算処理部７０は、カウント値ｎを１だけカウントアップし（ステップＳ１１）、ステップＳ７へ戻る。
【００６１】
一方、ステップＳ６においてカウント値ｎがＮであると判定されると、ステップＳ１２において、制御・演算処理部７０は、搬送装置７６を制御して、ｎ番目の試料１を反射測定位置から透過測定位置へ搬送させる。次に、制御・演算処理部７０は、透過測定用試料設置検出器７２からの検出信号に基づいて、試料１が前記透過測定位置にセットされたか否かを判定する（ステップＳ１３）。試料１が透過測定位置にセットされていればステップＳ１４へ移行し、そうでなければステップＳ１２へ戻る。
【００６２】
ステップＳ１４において、制御・演算処理部７０は、ステージ１９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９４からのデータを制御・演算処理部７０内のメモリに順次格納することで、透過測定位置にセットされた試料１の透過測定データを取得する。そして、制御・演算処理部７０は、必要に応じて、この透過測定データに基づいて当該試料１の複素誘電率や分光情報などを演算する。
【００６３】
その後、制御・演算処理部７０は、搬送装置７６を制御して、ｎ番目の試料１を前記保管部へ搬送させ（ステップＳ１５）、第１の測定モードの一連の動作を終了する。
【００６４】
以上、操作部７３から前記第１の測定モードが指令された場合の動作の具体例について説明した。操作部７３から前記第２の測定モードが指令された場合には、前記保管部に格納されている複数の試料１のうちの、反射測定を行うべき一群の試料１を順次反射測定位置に搬送させるとともに、透過測定を行うべき他の一群の試料１を順次透過測定位置に搬送させ、ある試料１が反射測定位置にセットされかつ他の試料１が透過測定位置にセットされているときに、ステージ１９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、各Ａ／Ｄ変換器８４，９４からのデータをそれぞれ制御・演算処理部７０内のメモリに順次格納することで、反射測定位置及び透過測定位置にそれぞれセットされた各試料１の反射測定データ及び透過測定データを取得すればよい。そして、この場合には、反射測定又は透過測定が終了した試料１は、透過測定位置又は反射測定位置に搬送することなく、前記保管部に格納させればよい。
【００６５】
また、操作部７３から前記第３の測定モードが指令された場合には、前記保管部に格納されている複数の試料１を順次反射測定位置に搬送させ、試料１が反射測定位置にセットされているときに、ステージ１９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８４からのデータを制御・演算処理部７０内のメモリに順次格納することで、反射測定位置にセットされた試料１の反射測定データを取得すればよい。このとき、透過測定位置には試料１を搬送しない。
【００６６】
さらに、操作部７３から前記第４の測定モードが指令された場合には、前記保管部に格納されている複数の試料１を順次透過測定位置に搬送させ、試料１が透過測定位置にセットされているときに、ステージ１９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９４からのデータを制御・演算処理部７０内のメモリに順次格納することで、透過測定位置にセットされた試料１の透過測定データを取得すればよい。このとき、反射測定位置には試料１を搬送しない。
【００６７】
本実施の形態によれば、反射測定光学系及び透過測定光学系を有しているので、前記第１及び第２の測定モードのように、試料１で反射されたテラヘルツパルス光による反射測定、及び、試料１を透過したテラヘルツパルス光による透過測定の両方を行うことできる。そして、本実施の形態では、反射測定光学系及び透過測定光学系が１つの筐体２内に収容されているので、装置全体の低価格化を図ることができるとともに、装置全体として占有空間を抑えることができる。透過測定及び反射測定の両方を行う場合、それぞれ別々の装置として構成された透過測定用テラヘルツ光装置及び反射測定用テラヘルツ光装置の両方を用意すると、両装置全体としての価格が著しく増大するとともに、両装置全体としての占有空間が大きくなってしまう。
【００６８】
また、本実施の形態では、反射測定光学系及び透過測定光学系が１つのフェムト秒パルスレーザ３を共有しているので、フェムト秒パルスレーザは非常に高価であることから、フェムト秒パルスレーザを各光学系に対して１つずつ設ける場合に比べて、著しくコストを低減することができるとともに、装置をより小型化することができる。
【００６９】
さらに、本実施の形態では、ポンプ−プローブ法で不可欠な前記第１及び第２の光路長可変部が１つの光路長可変用移動機構としてのステージ１９を共有しているので、高精度の移動機構は非常に高価であることから、移動機構を各光路長可変部にそれぞれ設ける場合に比べて、著しくコストを低減することができるとともに、装置をより小型化することができる。
【００７０】
そして、本実施の形態では、前記第１及び第２の測定モードにおいて、搬送装置７６によって反射測定位置及び透過測定位置に試料１がそれぞれ搬送され、反射測定位置及び透過測定位置にそれぞれ試料１がセットされたときに、演算処理部７０が、透過測定部及び反射測定部を同時に作動させる制御信号（本実施の形態では、ステージ１９への制御信号）を出力し、並列に設けられた各検出信号処理部８１，９１でそれぞれ処理されたテラヘルツ光検出信号を測定データとして取り込むので、流れ作業の如く、透過測定及び反射測定の両方を同時に効率良く行うことができる。特に測定すべき試料１が大量にある場合には、その効果は著しい。なお、本実施の形態のように、前記第１乃至第４の測定モードを行うように構成することが好ましいが、本発明では、前記第１及び第２の測定モードのうちの少なくとも一方のみを行うように構成してもよい。
【００７１】
なお、透過測定用テラヘルツ光装置と反射測定用テラヘルツ光装置の２台の装置を用いれば、透過測定及び反射測定を同時に行うことは可能であるが、この場合には、装置の操作者が、それぞれの装置に対して操作をしなければならず、それらの測定を効率良く行うことができない。これに対し、本実施の形態では、そのような不都合が生じることがない。
【００７２】
［第２の実施の形態］
【００７３】
図６は、本発明の第２の実施の形態によるテラヘルツ光を用いた測定装置の光学的な構成を模式的に示す概略構成図である。図６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。
【００７４】
本実施の形態による測定装置が前記第１の実施の形態による測定装置と異なる所は、その光学的な構成の一部のみである。
【００７５】
すなわち、前記第１の実施の形態では、フェムト秒パルスレーザ３からのフェムト秒パルス光Ｌ１をビームスプリッタ４によって反射測定用パルス光Ｌ２と透過測定用パルス光Ｌ３とに分割した後に、ビームスプリッタ６によって反射測定用パルス光Ｌ２を反射測定用ポンプパルス光Ｌ４と反射測定用プローブパルス光Ｌ５とに分割するとともに、ビームスプリッタ３１によって透過測定用パルス光Ｌ３を透過測定用ポンプパルス光Ｌ８と透過測定用プローブパルス光Ｌ９とに分割している。そして、反射測定用プローブパルス光Ｌ５を可動鏡１３に入射させるとともに、透過測定用プローブパルス光Ｌ９を可動鏡４２に入射させている。
【００７６】
これに対し、本実施の形態では、図６に示すように、フェムト秒パルスレーザ３からのフェムト秒パルス光Ｌ１を先にビームスプリッタ１１１によってポンプパルス光Ｌ１２とプローブパルス光Ｌ１３とに分割した後に、ビームスプリッタ１１２によってポンプパルス光Ｌ１２を反射測定用ポンプパルス光Ｌ４と透過測定用ポンプパルス光Ｌ８とに分割するとともに、ビームスプリッタ１２４によってプローブパルス光Ｌ１３を反射測定用プローブパルス光Ｌ５と透過測定用プローブパルス光Ｌ９とに分割している。そして、プローブパルス光Ｌ１３をステージ１９に搭載された１つの可動鏡１２３に送ることで、ビームスプリッタ１２４による分割後の各測定用プローブパルス光Ｌ５，Ｌ９の光路長を可変できるようになっている。なお、図６において、１１３，１１４，１２１，１２２，１２５〜１２９は、平面鏡である。
【００７７】
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。また、前記第１の実施の形態では２つの可動鏡１３，４２を要していたのに対し、本実施の形態では１つの可動鏡１２３で済む。このため、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と比較して、プローブパルス光Ｌ５，Ｌ９となるフェムト秒パルスレーザ光Ｌ１，Ｌ１３の光軸を調整するのが容易となるとともに、より小型化及びコスト低減を図ることができる。
【００７８】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００７９】
例えば、前記実施の形態は、本発明をテラヘルツ光を用いた複素誘電率等の測定装置に適用した例であったが、本発明は、テラヘルツ光を用いた他の種々のテラヘルツ光を用いた測定装置に適用することができる。
【００８０】
また、前記各実施の形態において、各テラヘルツ光発生器として、光伝導アンテナ１１，３７を用いる代わりに、電気光学結晶をそれぞれ用いてもよい。また、各テラヘルツ光検出器として、光伝導アンテナ１８，４７を用いる代わりに、電気光学結晶をそれぞれ用いてもよい。この場合、例えば、テラヘルツパルス光Ｌ６，Ｌ１０が各測定位置にセットされた試料１の２次元領域をそれぞれ照射するようにし、テラヘルツパルス光Ｌ７，Ｌ１１が各電気光学結晶の２次元領域を照射するようにし、各プローブパルス光を偏光子で偏光させて各電気光学結晶の前記２次元領域を照射し、各電気光学結晶を通過したプローブパルス光を検光子で検光した後に各ＣＣＤカメラで受光するようにしてもよい。この場合、一方のＣＣＤカメラによりテラヘルツパルス光の試料反射像に相当する像を得ることができるとともに、他方のＣＣＤカメラによりテラヘルツパルス光の試料透過像に相当する像を得ることができる。このとき、ＣＣＤカメラは、大気領域に配置してもよい。このように、本発明は、イメージ化装置にも適用することができる。なお、前述したイメージ化装置のようにポンプ−プローブ法を用いない場合には、前述した第１及び第２の光路長可変部は必ずしも必要ではない。
【００８１】
また、前記各実施の形態では、プローブパルス光をステージ１９に搭載された可動鏡に送るように構成されていたが、逆に、ポンプパルス光をステージに搭載された可動鏡に送るように構成することで、両者の間の光路長を可変できるようにしてもよい。
【００８２】
以上説明した実施の形態では、試料の表面の物質特性を反射測定により得ることができ、かつ試料の内部の物質特性を透過測定により得ることができる。例えば、半導体ウエハでは表面の薄膜の電気的特性と内部の電気的特性とを得ることができる。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、透過測定及び反射測定の両方を同時に効率良く行うことができるテラヘルツ光を用いた測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるテラヘルツ光を用いた測定装置の光学的な構成を模式的に示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態によるテラヘルツ光を用いた測定装置の電気的な構成を模式的に示す概略構成図である。
【図３】図１中のＡ矢視の概略図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態によるテラヘルツ光を用いた測定装置の透過測定光学系及び反射測定光学系を収容した筐体等を示す外観図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態によるテラヘルツ光を用いた測定装置の第１の測定モードの動作の具体例を示す概略フローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施の形態によるテラヘルツ光を用いた測定装置の光学的な構成を模式的に示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 試料（対象物）
２ 筐体
３ フェムト秒パルスレーザ（パルス光発生部）
１１，３７ 光伝導アンテナ（テラヘルツ光発生器）
１３，４２ 可動鏡（光路長可変用光学素子）
１８，４７ 光伝導アンテナ（テラヘルツ光検出器）
１９ ステージ（光路長可変用移動機構）
２５ 試料ホルダ
７０ 制御・演算処理部
７６ 搬送装置

Claims (3)

1. 透過測定位置にセットされた対象物にテラヘルツパルス光を照射し、当該対象物を透過したテラヘルツパルス光を検出して透過光検出信号を出力する透過測定部と、
   反射測定位置にセットされた対象物にテラヘルツパルス光を照射し、当該対象物を反射したテラヘルツパルス光を検出して反射光検出信号を出力する反射測定部と、
   前記透過測定位置及び前記反射測定位置にそれぞれ対象物を搬送する搬送部と、
   前記搬送部により前記透過測定位置及び前記反射測定位置にそれぞれ対象物がセットされたときに、前記透過測定部及び前記反射測定部を同時に作動させる制御信号を出力する制御部と、
   を備え、
   前記透過測定部及び前記反射測定部は、レーザパルス光を発生する１つのパルス光発生部を共有し、前記レーザパルス光に基づいて前記透過光検出信号及び前記反射光検出信号をそれぞれ同時に出力することを特徴とするテラヘルツ光を用いた測定装置。
2. 前記搬送部は、複数の対象物を順次、前記透過測定部及び前記反射測定部のうちの一方の測定部による測定終了後、他方の測定部の測定位置に搬送するとともに前記一方の測定部の測定位置に次の対象物を搬送することを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ光を用いた測定装置。
3. 前記透過測定部と前記反射測定部とに共通して使用され、前記対象物からのテラヘルツパルス光を時系列的に検出する為に検出用の前記レーザパルス光の光路長を可変とするステージを有することを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ光を用いた測定装置。

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