JP2012208098A - Physical property measuring device and physical property measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜材料の物性を非破壊で測定する物性測定装置及び物性測定方法に関する。 The present invention relates to a physical property measuring apparatus and a physical property measuring method for nondestructively measuring physical properties of a thin film material.
半導体素子開発の進展に伴い、新規薄膜材料の開発が進んでいる。このような薄膜材料を評価する上で、薄膜材料の電気的特性を評価する必要がある。しかし、多くの薄膜材料は入手が困難であり、かつ高価であるため、薄膜材料を破壊して行われる電気的特性の測定は敬遠されている。そこで、特許文献1には、非破壊で薄膜材料の電気的特性を測定するテラヘルツ分光解析の技術が開示されている。
With the progress of semiconductor element development, new thin film materials are being developed. In evaluating such a thin film material, it is necessary to evaluate the electrical characteristics of the thin film material. However, since many thin film materials are difficult to obtain and expensive, measurement of electrical characteristics performed by destroying the thin film material is avoided. Therefore,
しかしながら、テラヘルツ分光解析により薄膜材料の電気的特性を高信頼度で測定する場合、測定値のS/N比を高める必要があり、そのためには十分なキャリア濃度が必要である。しかし、P3HT等の有機電界効果トランジスタ(OFET)はキャリア濃度が低いため、その電気的特性を高信頼度で測定することは困難であった。 However, when measuring the electrical characteristics of a thin film material with high reliability by terahertz spectroscopy analysis, it is necessary to increase the S / N ratio of the measurement value, and for that purpose, a sufficient carrier concentration is required. However, since organic field effect transistors (OFETs) such as P3HT have a low carrier concentration, it is difficult to measure their electrical characteristics with high reliability.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、薄膜の物性を非破壊かつ高信頼度で測定することができる物性測定装置及び物性測定方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a physical property measuring apparatus and a physical property measuring method capable of measuring the physical properties of a thin film nondestructively and with high reliability. It is in.
本発明の物性測定装置は、薄膜の物性を測定する装置において、光パルスを発生する光源と、前記薄膜を励起する励起手段と、前記光源が発生する光パルスの偏光方向を制御する制御手段と、該制御手段により制御された光パルスを受光することによりp偏光及びs偏光のテラヘルツ波を発生し、前記励起手段により励起された薄膜に該テラヘルツ波を照射する照射手段と、該照射手段により前記テラヘルツ波が照射された薄膜で反射したp偏光及びs偏光のテラヘルツ波を検出する検出手段と、該検出手段により検出されたp偏光及びs偏光のテラヘルツ波夫々の振幅及び位相スペクトルを算出する第一算出手段と、該第一算出手段が算出した振幅及び位相スペクトルに基づいて、前記検出手段により検出されたp偏光及びs偏光のテラヘルツ波の振幅比及び位相差を算出する第二算出手段と、該第二算出手段により算出された振幅比及び位相差に基づいて、前記薄膜の複素屈折率スペクトルを算出する第三算出手段とを備えることを特徴とする。 The physical property measuring apparatus of the present invention is a device for measuring physical properties of a thin film, a light source that generates a light pulse, an excitation unit that excites the thin film, and a control unit that controls the polarization direction of the light pulse generated by the light source Receiving a light pulse controlled by the control means to generate p-polarized and s-polarized terahertz waves, and irradiating the thin film excited by the excitation means with the terahertz waves; and the irradiation means Detection means for detecting p-polarized light and s-polarized terahertz wave reflected by the thin film irradiated with the terahertz wave, and amplitude and phase spectrum of each of the p-polarized light and s-polarized terahertz wave detected by the detection means are calculated. Based on the first calculating means and the amplitude and phase spectrum calculated by the first calculating means, the p-polarized light and the s-polarized terahertz detected by the detecting means are obtained. Second calculation means for calculating the amplitude ratio and phase difference of the two waves, and third calculation means for calculating the complex refractive index spectrum of the thin film based on the amplitude ratio and phase difference calculated by the second calculation means; It is characterized by providing.
本発明の物性測定装置は、前記第三算出手段により算出された複素屈折率スペクトルに基づいて、前記薄膜の複素電気伝導度スペクトルを算出する第四算出手段を更に備えることを特徴とする。 The physical property measuring apparatus according to the present invention further includes fourth calculation means for calculating a complex conductivity spectrum of the thin film based on the complex refractive index spectrum calculated by the third calculation means.
本発明の物性測定装置は、前記第四算出手段により算出された複素電気伝導度スペクトルに基づいて、前記薄膜のキャリア濃度を算出する手段を更に備えることを特徴とする。 The physical property measuring apparatus of the present invention further includes means for calculating a carrier concentration of the thin film based on the complex conductivity spectrum calculated by the fourth calculating means.
本発明の物性測定装置にあっては、前記光源は、フェムト秒光パルスを発生するようにしてあることを特徴とする。 The physical property measuring apparatus according to the present invention is characterized in that the light source generates a femtosecond light pulse.
本発明の物性測定装置にあっては、前記光源は、レーザ光源であることを特徴とする。 In the physical property measuring apparatus of the present invention, the light source is a laser light source.
本発明の物性測定方法は、薄膜の物性を測定する方法において、p偏光のテラヘルツ波を前記薄膜に照射し、該薄膜で反射したp偏光のテラヘルツ波の特性を求める第一ステップと、s偏光のテラヘルツ波を前記薄膜に照射し、該薄膜で反射したs偏光のテラヘルツ波の特性を求める第二ステップと、前記第一及び第二ステップにより求められたp偏光及びs偏光のテラへツル波の特性に基づいて、前記薄膜の物性を算出する第三ステップとを含み、前記第一ステップは、光源が発生する光パルスを第一の偏光方向に設定する第一設定ステップと、該第一設定ステップにより設定された第一の偏光方向の光パルスを受光することによりp偏光のテラヘルツ波を発生し、前記薄膜に照射する照射ステップと、前記薄膜を励起する励起ステップと、該励起ステップにより励起された薄膜で反射したp偏光のテラヘルツ波を検出する第一検出ステップと、該第一検出ステップにより検出されたp偏光のテラヘルツ波の振幅及び位相スペクトルを算出する第一算出ステップとを含み、前記第二ステップは、前記光源が発生する光パルスを第二の偏光方向に設定する第二設定ステップと、該第二設定ステップにより設定された第二の偏光方向の光パルスを受光することによりs偏光のテラヘルツ波を発生し、前記薄膜に照射する照射ステップと、前記励起ステップにより励起された薄膜で反射したs偏光のテラヘルツ波を検出する第二検出ステップと、該第二検出ステップにより検出されたs偏光のテラヘルツ波の振幅及び位相スペクトルを算出する第二算出ステップとを含み、前記第三ステップは、前記第一及び第二算出ステップにより算出したp偏光及びs偏光のテラヘルツ波の振幅及び位相スペクトルに基づいて、前記第一及び第二検出ステップにより検出されたp偏光及びs偏光のテラヘルツ波の振幅比及び位相差を算出する第三算出ステップと、該第三算出ステップにより算出された振幅比及び位相差に基づいて、前記薄膜の複素屈折率スペクトルを算出する第四算出ステップとを含むことを特徴とする。 The physical property measurement method of the present invention is a method for measuring the physical properties of a thin film, wherein the thin film is irradiated with a p-polarized terahertz wave and the characteristics of the p-polarized terahertz wave reflected by the thin film are obtained. The second step of irradiating the thin film with the terahertz wave and obtaining the characteristics of the s-polarized terahertz wave reflected by the thin film, and the p-polarized and s-polarized terahertz waves obtained by the first and second steps A first step of setting a light pulse generated by the light source in a first polarization direction, and a third step of calculating the physical properties of the thin film based on the characteristics of Receiving a light pulse in the first polarization direction set by the setting step to generate a p-polarized terahertz wave and irradiating the thin film; and an excitation step for exciting the thin film; A first detection step for detecting p-polarized terahertz waves reflected by the thin film excited by the excitation step, and a first calculation for calculating the amplitude and phase spectrum of the p-polarized terahertz waves detected by the first detection step A second setting step for setting a light pulse generated by the light source in a second polarization direction, and a light pulse in the second polarization direction set by the second setting step. Generating an s-polarized terahertz wave by receiving the light and irradiating the thin film; a second detecting step of detecting the s-polarized terahertz wave reflected by the thin film excited by the excitation step; A second calculation step of calculating an amplitude and a phase spectrum of the s-polarized terahertz wave detected by the two detection steps, The p-polarized and s-polarized terahertz waves detected by the first and second detecting steps based on the amplitude and phase spectrum of the p-polarized and s-polarized terahertz waves calculated by the first and second calculating steps. A third calculation step for calculating the amplitude ratio and the phase difference of the wave, and a fourth calculation step for calculating the complex refractive index spectrum of the thin film based on the amplitude ratio and the phase difference calculated by the third calculation step. It is characterized by including.
本発明の物性測定方法は、前記第四算出ステップにより算出された複素屈折率スペクトルに基づいて、前記薄膜の複素電気伝導度スペクトルを算出する第五算出ステップを更に含むことを特徴とする。 The physical property measurement method of the present invention further includes a fifth calculation step of calculating a complex electric conductivity spectrum of the thin film based on the complex refractive index spectrum calculated in the fourth calculation step.
本発明の物性測定方法は、前記第五算出ステップにより算出された複素電気伝導度スペクトルに基づいて、前記薄膜のキャリア濃度を算出するステップを更に含むことを特徴とする。 The physical property measurement method of the present invention further includes a step of calculating a carrier concentration of the thin film based on the complex conductivity spectrum calculated in the fifth calculation step.
本発明によれば、基板表面に形成した薄膜の電気的特性を非破壊かつ高信頼度で測定することができる。 According to the present invention, the electrical characteristics of the thin film formed on the substrate surface can be measured with high reliability and non-destructiveness.
以下、実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。
実施の形態では、テラヘルツ時間領域分光法を用いて、薄膜試料を反射したテラヘルツ波の周波数領域のスペクトルを得る。時間領域分光法は、電磁波の電場強度の時間波形を時系列フーリエ変換することにより、電磁波の周波数領域のスペクトル及び位相差スペクトルを得る分光法である。
Hereinafter, it will be specifically described with reference to the drawings showing embodiments.
In the embodiment, the frequency domain spectrum of the terahertz wave reflected from the thin film sample is obtained using terahertz time domain spectroscopy. The time domain spectroscopy is a spectroscopy that obtains a frequency domain spectrum and a phase difference spectrum of an electromagnetic wave by time-series Fourier transform of a time waveform of the electric field strength of the electromagnetic wave.
<物性測定装置>
図1は、実施の形態に係る物性測定装置1のブロック図である。
物性測定装置1は、テラヘルツ分光装置2、膜厚測定装置3及びコンピュータ4を含む。なお、物性測定装置1とは別に膜厚測定装置3を設けてもよい。また、コンピュータ4は、テラヘルツ分光装置2の内部に搭載されてもよい。
テラヘルツ分光装置2及び膜厚測定装置3は、コンピュータ4と電気的に接続されおり、コンピュータ4はテラヘルツ分光器2及び厚膜測定装置3との間で測定データ及び計算データの送受信を行う。
<Physical property measuring device>
FIG. 1 is a block diagram of a physical
The physical
The
図2は、実施の形態に係るテラヘルツ分光装置2のブロック図である。
テラヘルツ分光装置2は、レーザ21、ビームスプリッタ22、テラヘルツ波発生器23、試料保持部24、テラヘルツ波検出器25、時間遅延機構26及びポッケルスセル等の偏光回転器29を含む。
レーザ21は、フェムト秒光パルスをビームスプリッタ22に射出する。また、レーザ21は、試料保持部24に取り付けられた薄膜試料Hに対してもフェムト秒光パルスを射出する。薄膜試料Hにフェムト秒光パルスが照射されると、薄膜試料H内にキャリアが励起されて薄膜試料の複素屈折率が変化するため、テラヘルツ波の反射率がキャリア濃度に応じて変化する。
ビームスプリッタ22は、レーザ21から射出されたレーザパルスをポンプ光及びプローブ光の2つに分ける。
FIG. 2 is a block diagram of the
The
The
The beam splitter 22 divides the laser pulse emitted from the
偏光回転器29は、ポンプ光を入射し、その偏光方向を制御する。テラヘルツ波発生器23は、偏光回転器29からポンプ光が照射されると、テラヘルツ波を放射する。テラヘルツ波発生器23が放射するテラヘルツ波の周波数は、例えば0.1〜5THz(テラヘルツ)である。テラヘルツ波発生器23は、例えば非線形光学結晶(テルル化亜鉛、LiNb03等)である。テラヘルツ波発生器23が非線形光学結晶である場合、テラヘルツ波発生器23が発生するテラヘルツ波の偏光方向はポンプ光の偏光方向に依存する。したがって、偏光回転器29によりポンプ光の偏光方向を回転させることによりテラヘルツ波発生器23から放射されるテラヘルツ波の偏光方向が変わり、テラヘルツ波発生器23はp偏光及びs偏光の2種類のテラヘルツ波を放射する。
The
テラヘルツ波発生器23から放射されたp偏光又はs偏光のテラヘルツ波は、ミラー27により反射され、試料保持部24に取り付けられた基板Hの表面に形成された薄膜試料Hに照射される。
The p-polarized or s-polarized terahertz wave radiated from the
プローブ光は、時間遅延機構26に入射される。プローブ光は、薄膜試料Hを反射した反射p偏光及び反射s偏光のテラヘルツ波の電場強度の時間波形を測定するため、ポンプ光に対して時間遅延を有する参照波である。 The probe light is incident on the time delay mechanism 26. The probe light is a reference wave having a time delay with respect to the pump light in order to measure the time waveform of the electric field intensity of the reflected p-polarized light and reflected s-polarized terahertz wave reflected from the thin film sample H.
薄膜試料Hを反射した反射p偏光及び反射s偏光のテラヘルツ波は、ミラー28により反射されてテラヘルツ波検出器25に照射される。テラヘルツ波検出器25は、例えば半導体素子、非線形光学結晶等である。
The reflected p-polarized light and reflected s-polarized terahertz wave reflected from the thin film sample H are reflected by the
時間遅延機構26は、ビームスプリッタ22によって分けられたプローブ光の光路長を変化させ、ポンプ光に対してプローブ光に時間遅延を与える。時間遅延機構26には、プローブ光を反射して折り返す可動のミラーが設けられている。このミラーを少しずつ反射方向に対して後方へ移動することにより、プローブ光の光路長は変化する。ポンプ光の光路長は一定であるため、時間遅延機構26により時間遅延が与えられたプローブ光は、ポンプ光よりも遅れてテラヘルツ波検出器25に達する。このように時間遅延機構26によりプローブ光に任意の時間遅延を与えることにより、反射p偏光及び反射s偏光のテラヘルツ波の電場強度の時間波形が得られる。
The time delay mechanism 26 changes the optical path length of the probe light divided by the beam splitter 22 and gives a time delay to the probe light with respect to the pump light. The time delay mechanism 26 is provided with a movable mirror that reflects and returns the probe light. The optical path length of the probe light changes by moving this mirror little by little with respect to the reflection direction. Since the optical path length of the pump light is constant, the probe light given the time delay by the time delay mechanism 26 reaches the
薄膜試料Hで反射した反射p偏光及び反射s偏光のテラヘルツ波がテラヘルツ波検出器25に入射すると、入射した反射p偏光及び反射s偏光のテラヘルツ波の電場強度に比例した電流がテラヘルツ波検出器25に流れる。この電流値は信号に変換され、テラヘルツ波検出器25からコンピュータ4に送信される。
When the reflected p-polarized and reflected s-polarized terahertz waves reflected by the thin film sample H enter the
本実施の形態では、テラヘルツ波発生器23がp偏光及びs偏光のテラヘルツ波を薄膜試料Hに照射するタイミングに合わせて、レーザ21はフェムト秒光パルスを薄膜試料Hに照射する。これにより、薄膜試料Hは励起してキャリア濃度が高められた状態になるため、キャリア濃度が低い薄膜試料であっても高信頼度で電気的特性を解析できる。キャリア濃度を高めるためにはフェムト秒光パルスを必要に応じて波長変換して用いるのがよい。
In the present embodiment, the
<基板K>
基板Kは、透過波の測定誤差を低減するため、以下の工夫が施されている。
基板Kは石英結晶である。基板Kに石英結晶を用いることにより、広い周波数範囲で高精度の透過光の測定が可能になる。テラヘルツ波発生器23が放射するテラヘルツ波は、中心周波数(0.3〜1THz)付近では強度が大きく、透過率の低い薄膜試料Hでも測定できる。しかし、50GHz(ギガヘルツ)又は5THz付近では強度が小さく、透過率の低い薄膜試料Hの測定が困難になる。そこで、基板Kに、例えば透過率の低い石英ガラスではなく、透過率の高い石英結晶を用いることにより、測定可能な透過波の周波数範囲を広げることができる。透過波の周波数範囲が広いほど、測定された透過波に基づいて実行される薄膜試料Hの電気的特性の解析の信頼度は高まる。
<Substrate K>
The substrate K is devised as follows in order to reduce the measurement error of the transmitted wave.
The substrate K is a quartz crystal. By using a quartz crystal for the substrate K, it is possible to measure transmitted light with high accuracy in a wide frequency range. The terahertz wave radiated from the
基板Kの表面及び裏面は、0.001度以下、又は厚み1mmに対して誤差1μm以下に該当する平行度を有している。
さらに、基板Kの厚さは、1.0mmと厚くしてある。このことは、基板K内で多重反射したテラヘルツ波の時間波形の削除と関係する。そこで、以下に基板K内でテラヘルツ波が多重反射する場合、多重反射が解析に及ぼす影響について説明する。
The front and back surfaces of the substrate K have a parallelism corresponding to an error of 1 μm or less with respect to 0.001 degree or less or a thickness of 1 mm.
Further, the thickness of the substrate K is as thick as 1.0 mm. This is related to the deletion of the time waveform of the terahertz wave that is multiply reflected in the substrate K. Therefore, the influence of multiple reflection on the analysis when terahertz waves are multiple reflected in the substrate K will be described below.
基板K内での多重反射の結果、遅れてきたテラヘルツ波の時間波形をフーリエ変換して周波数領域のスペクトルを得る場合、激しい干渉縞が現れ、データ解析が困難になる。そこで、基板K内で多重反射した反射波が時間波形に現れる時刻以降の波形を削除し、反射波の時間波形が現れない時間幅で、テラヘルツ波の時間波形をフーリエ変換することにより周波数領域のスペクトルを得る。 As a result of multiple reflections in the substrate K, when the time waveform of the delayed terahertz wave is Fourier transformed to obtain a frequency domain spectrum, intense interference fringes appear, making data analysis difficult. Therefore, the waveform after the time when the reflected wave reflected multiple times in the substrate K appears in the time waveform is deleted, and the time waveform of the terahertz wave is Fourier-transformed with a time width in which the time waveform of the reflected wave does not appear. Obtain a spectrum.
図3は、基板K内で多重反射したテラヘルツ波を含む電場強度の時間波形、フーリエ変換スペクトル及び反射率を示す説明図である。図3Aは、基板K内で多重反射したテラヘルツ波を含む電場強度の時間波形を示す説明図である。縦軸はテラヘルツ波振幅であり、横軸は時間(単位はps:ピコ秒)である。電場強度はテラヘルツ波振幅に比例する。図3Bは、図3Aの時間波形をフーリエ変換して得たフーリエ変換スペクトルを示す説明図である。縦軸はテラヘルツ波振幅であり、横軸は周波数(単位はテラヘルツ)である。図3Cは、図3Bのフーリエ変換スペクトルから得た薄膜試料Hの反射率を示す説明図である。縦軸は反射率であり、横軸は周波数(単位はテラヘルツ)である。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing a time waveform, a Fourier transform spectrum, and a reflectance of an electric field intensity including a terahertz wave that is multiple-reflected in the substrate K. FIG. 3A is an explanatory diagram showing a time waveform of an electric field strength including a terahertz wave that is multiple-reflected in the substrate K. FIG. The vertical axis represents the terahertz wave amplitude, and the horizontal axis represents time (unit: ps: picoseconds). The electric field strength is proportional to the terahertz wave amplitude. FIG. 3B is an explanatory diagram showing a Fourier transform spectrum obtained by Fourier transforming the time waveform of FIG. 3A. The vertical axis represents the terahertz wave amplitude, and the horizontal axis represents the frequency (unit: terahertz). FIG. 3C is an explanatory diagram showing the reflectance of the thin film sample H obtained from the Fourier transform spectrum of FIG. 3B. The vertical axis represents reflectance, and the horizontal axis represents frequency (unit: terahertz).
図4は、基板K内で多重反射したテラヘルツ波を削除した場合の電場強度の時間波形、フーリエ変換スペクトル及び反射率を示す説明図である。図4Aは、図3Aから基板K内で多重反射したテラヘルツ波を削除した電場強度の時間波形を示す説明図である。縦軸はテラヘルツ波振幅であり、横軸は時間(単位はps)である。図4Bは、図4Aの時間波形をフーリエ変換して得たフーリエ変換スペクトルを示す説明図である。縦軸はテラヘルツ波振幅であり、横軸は周波数(単位はテラヘルツ)である。太線は薄膜試料Hを反射した反射波のフーリエ変換スペクトルを示している。図4Cは、図4Bのフーリエ変換スペクトルから得た薄膜試料Hの反射率を示す説明図である。縦軸は反射率であり、横軸は周波数(単位はテラヘルツ)である。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing a time waveform, a Fourier transform spectrum, and a reflectance of an electric field intensity when a terahertz wave that has been multiple-reflected in the substrate K is deleted. FIG. 4A is an explanatory diagram showing a time waveform of the electric field intensity obtained by deleting the terahertz wave that is multiple-reflected in the substrate K from FIG. 3A. The vertical axis represents the terahertz wave amplitude, and the horizontal axis represents time (unit: ps). FIG. 4B is an explanatory diagram showing a Fourier transform spectrum obtained by Fourier transforming the time waveform of FIG. 4A. The vertical axis represents the terahertz wave amplitude, and the horizontal axis represents the frequency (unit: terahertz). The thick line shows the Fourier transform spectrum of the reflected wave reflected from the thin film sample H. FIG. 4C is an explanatory diagram showing the reflectance of the thin film sample H obtained from the Fourier transform spectrum of FIG. 4B. The vertical axis represents reflectance, and the horizontal axis represents frequency (unit: terahertz).
図3において、多重反射に起因する電場強度の時間波形を削除しないでフーリエ変換を行った場合、フーリエ変換スペクトルに激しい干渉縞が現れ、このフーリエ変換スペクトルから求められる薄膜試料Hの反射率の精度は低い。一方、図4の場合、25ps以降に現れる多重反射に起因する電場強度の時間波形を削除している。そのため、フーリエ変換スペクトルに干渉縞は現れず、このフーリエ変換スペクトルから求められる薄膜試料Hの反射率の精度は、多重反射に起因する電場強度の時間波形を削除しない場合よりも高い。 In FIG. 3, when Fourier transform is performed without deleting the time waveform of the electric field intensity due to multiple reflection, intense interference fringes appear in the Fourier transform spectrum, and the accuracy of the reflectivity of the thin film sample H obtained from this Fourier transform spectrum. Is low. On the other hand, in the case of FIG. 4, the time waveform of the electric field strength due to multiple reflection appearing after 25 ps is deleted. Therefore, no interference fringes appear in the Fourier transform spectrum, and the accuracy of the reflectance of the thin film sample H obtained from the Fourier transform spectrum is higher than when the time waveform of the electric field strength due to multiple reflection is not deleted.
最初の多重反射波が最初のメインパルスからΔt後に現れる場合、Δtは式(1)から求められる。
Δt=2nd/c ・・・(1)
ただし、nは基板Kのテラヘルツ帯の屈折率、dは基板Kの厚さ、cは光速度である。
When the first multiple reflected wave appears after Δt from the first main pulse, Δt can be obtained from Equation (1).
Δt = 2nd / c (1)
Here, n is the refractive index of the terahertz band of the substrate K, d is the thickness of the substrate K, and c is the speed of light.
テラヘルツ波の吸収をおさえ、テラヘルツ波の透過率を高めるためには、基板Kは薄いほどよい。例えば、基板Kの厚さを0.2mm程度にした場合、薄膜試料Hの持ち運びに支障が出ない程度の機械的な強度を有し、テラヘルツ波の反射率を高めることができる。しかし、式(1)より、基板Kの厚さdが薄いほど、Δtは短くなり、多重反射波と最初のメインパルスとの分離は困難になる。 In order to suppress the absorption of the terahertz wave and increase the transmittance of the terahertz wave, the thinner the substrate K is, the better. For example, when the thickness of the substrate K is about 0.2 mm, it has mechanical strength that does not hinder the carrying of the thin film sample H, and can improve the reflectivity of terahertz waves. However, from Equation (1), as the thickness d of the substrate K is thinner, Δt becomes shorter and it becomes difficult to separate the multiple reflected waves from the first main pulse.
図3の例では、13.5psのメインパルスはゆっくりした振動成分が23ps付近まで続いており、多重反射波とメインパルスとを分離するためには、10ps以上のΔtが必要である。例えば、基板Kの厚さdを1.0mmとした場合、石英結晶のテラヘルツ帯の屈折率nはn=2.1であるから、Δt=14.0psとなる。Δtが14psであれば、メインパルスと多重反射波との分離は十分可能である。しかし、基板Kの厚さを1.0mmより厚くした場合、反射率が低くなり、反射率のS/N比が低下する。 In the example of FIG. 3, the slow vibration component of the main pulse of 13.5 ps continues to around 23 ps, and Δt of 10 ps or more is necessary to separate the multiple reflected wave from the main pulse. For example, when the thickness d of the substrate K is 1.0 mm, the refractive index n of the terahertz band of the quartz crystal is n = 2.1, so Δt = 14.0 ps. If Δt is 14 ps, the main pulse and the multiple reflected wave can be sufficiently separated. However, when the thickness of the substrate K is greater than 1.0 mm, the reflectance is lowered and the S / N ratio of the reflectance is lowered.
実施の形態では、石英結晶基板Kの厚さは、メインパルスと多重反射波との分離の自由度を上げるために、余裕を持たせて1.0mmという値に設定されている。
なお、基板Kの厚さは、例えばΔt=10psに対応する0.7mmであってもよい。
ちなみに、図3の例でも、メインパルスが現れる13.5psに対して、基板K内を1回反射した反射波が14ps後の約27.5ps付近に最初の多重反射波として現れている。
In the embodiment, the thickness of the quartz crystal substrate K is set to a value of 1.0 mm with a margin in order to increase the degree of freedom in separating the main pulse and the multiple reflected waves.
The thickness of the substrate K may be 0.7 mm corresponding to Δt = 10 ps, for example.
Incidentally, even in the example of FIG. 3, the reflected wave reflected once in the substrate K appears as the first multiple reflected wave in the vicinity of about 27.5 ps after 14 ps with respect to 13.5 ps where the main pulse appears.
実施の形態では、時間領域で反射波形を測定する。取得した時間波形データには、基板の厚みに応じた時間間隔で多重反射波が現れるため、解析に用いる時間波形データの時間幅、すなわちメインパルスに加えてどこまでの多重反射パルスを含めてフーリエ変換するかを選択することにより、反射回数を制御したデータによる解析が可能になる。 In the embodiment, the reflected waveform is measured in the time domain. In the acquired time waveform data, multiple reflected waves appear at time intervals according to the thickness of the substrate, so the time width of the time waveform data used for analysis, that is, Fourier transform including the multiple reflected pulses up to the main pulse. By selecting whether or not to perform the analysis, it is possible to analyze the data by controlling the number of reflections.
<分光エリプソメータ>
実施の形態における膜厚測定装置3は、例えば分光エリプソメータ30である。分光エリプソメータ30とは、薄膜試料Hに直線偏光波を照射し、照射光の波長を変えながら、p偏光とs偏光との反射振幅比角Ψ及び位相差Δを測定する装置である。
<Spectroscopic ellipsometer>
The film
図5は、実施の形態における分光エリプソメータ30のブロック図である。
Xeランプ31は、多数の波長成分を含む、いわゆる白色光源である。このXeランプ31の発光は光ファイバ32を介して偏光子33に導かれる。偏光子33により偏光された光は、測定対象である薄膜試料Hの表面に特定の入射角で入射する。薄膜試料Hからの反射は、光弾性変調器(PEM)34を介して検光子35に導かれる。なお、PEM34の位置は偏光子33の後ろか検光子35の前どちらでも可能である。
FIG. 5 is a block diagram of the
The
光弾性変調器(PEM)34により、反射光は50kHzの周波数に位相変調されて、直線から楕円偏光までが作られる。そのため、数ミリ秒の分解能でΨ、Δが決定される。検光子35の出力は光ファイバ36を介して分光器37に入力される。分光器37は、波長ごとに測定を行い、測定結果をアナログ信号としてデータ取込機38へ伝送する。データ取込機38は、アナログ信号をデジタル信号に変換してコンピュータ4に送信する。
By the photoelastic modulator (PEM) 34, the reflected light is phase-modulated to a frequency of 50 kHz to produce linear to elliptically polarized light. Therefore, Ψ and Δ are determined with a resolution of several milliseconds. The output of the analyzer 35 is input to the
分光エリプソメトリでは、予め、薄膜試料Hの厚さ、光学定数等を解析変数とする光学モデルを構築しておき、分光エリプソメータに記録しておく。分光エリプソメータは、光学モデルのシミュレーションを行い、Ψ及びΔの参照データを生成する。分光エリプソメータは、測定データ及び参照データをフィッティングし、測定データに最も合致した参照データを与える光学モデルの解析変数を測定結果として出力する。測定データ及び参照データのフィッティングは、単純な差の比較でもよいし、最小二乗法による比較でもよい。また、フィッティング誤差を最小にするために、線形回帰解析を用いてもよい。 In the spectroscopic ellipsometry, an optical model using the thickness, optical constant, etc. of the thin film sample H as analysis variables is constructed in advance and recorded in the spectroscopic ellipsometer. The spectroscopic ellipsometer simulates the optical model and generates reference data for Ψ and Δ. The spectroscopic ellipsometer fits measurement data and reference data, and outputs an analysis variable of an optical model that gives reference data that most closely matches the measurement data as a measurement result. The fitting of the measurement data and the reference data may be a simple difference comparison or a comparison by the least square method. Also, linear regression analysis may be used to minimize the fitting error.
分光エリプソメータ30に、上記のフィッティングを実行するコンピュータを含めてもよいが、実施の形態では、コンピュータ4が、受信した出力データに基づいて、上記のフィッティングを実行する。
Although the
<コンピュータ>
図6は、実施の形態におけるコンピュータ4のブロック図である。コンピュータ4は、制御部41、ROM(Read Only Memory)42、RAM(Random Access Memory)43、通信部44、操作部45、表示部46及び外部インタフェース47を含む。
ROM42の内部にはプログラムが記録されている。制御部41は、ROM42からプログラムを読み込み、各種処理を実行する。RAM43は、作業用の変数、測定データ等を一時的に記録する。例えば、通信部44は、膜厚測定装置3から送信される膜厚に係るΨ、Δの信号を受信する。制御部41は、測定データ及び参照データのフィッティングを実行し、薄膜試料Hの厚さを求める。制御部41は、求めた薄膜試料Hの厚さをRAM43に記録する。
<Computer>
FIG. 6 is a block diagram of the
A program is recorded in the
操作部45は、キーボード、マウス等の入力機器を含み、ユーザは操作部45及び通信部44を介してコンピュータ4を操作する。また、ユーザは操作部45を介してテラヘルツ分光装置2及び膜厚測定装置3を操作することができる。表示部46は、通信部44及び操作部45を介して入力されたデータ、制御部41が実行した計算結果等を表示する。外部インタフェース47は、図示しない外部の記録媒体と情報のやり取りをするインタフェースである。また、外部インタフェース47はインターネットに接続することができるインタフェースでもある。
The
<物性測定装置の動作>
次に、実施の形態に係る物性測定装置1の動作について説明する。
ユーザは、基板Kのテラヘルツ帯の複素屈折率、基板Kの厚さ、真空の誘電率、薄膜試料Hについてのフリーキャリア以外の誘電率及び素電荷量を、操作部45を介してRAM43に記録する。あるいは、これらの数値は予めROM42に記録しておいてもよい。
<Operation of physical property measuring device>
Next, the operation of the physical
The user records the complex refractive index of the terahertz band of the substrate K, the thickness of the substrate K, the dielectric constant of the vacuum, the dielectric constant other than free carriers and the elementary charge amount for the thin film sample H in the
ユーザは分光エリプソメータ30に薄膜試料Hを設置し、コンピュータ4の操作部45を介して偏光子33から薄膜試料Hに偏光を入射する。制御部41は、通信部44を介してデータ取込機38からΨ、Δの測定データを取得する。制御部41は、測定データ及び参照データのフィッティングを実行し、薄膜試料Hの厚さを求める。制御部41は、求めた薄膜試料Hの厚さをコンピュータ4のRAM43に記録する。
The user installs the thin film sample H on the
なお、ユーザは操作部45から手入力でRAM43に薄膜試料Hの厚さを記録する形態であってもよい。その場合、分光エリプソメータ30にフィッティングを実行するコンピュータを組み込む。ユーザは、分光エリプソメータ30と一体になったコンピュータの表示部から薄膜試料Hの厚さを読み取り、読み取った薄膜試料Hの厚さを、操作部45を介して手入力でRAM43に記録する。
Note that the user may record the thickness of the thin film sample H in the
ユーザは薄膜試料Hを基板Kの表面に形成する。コンピュータ4の制御部41は、レーザ21にフェムト秒光パルスをビームスプリッタ22に向けて射出させる。レーザパルスは、ビームスプリッタ22によりポンプ光とプローブ光とに分けられる。ビームスプリッタ22により分けられたポンプ光は偏光回転器29により偏光方向が制御され、テラヘルツ波発生器23に照射され、テラヘルツ波発生器23はp偏光又はs偏光を放射する。
The user forms the thin film sample H on the surface of the substrate K. The
まず、ユーザはテラヘルツ波発生器23から放射されるテラヘルツ波の偏光方向がp偏光になるように偏光回転器29を調整する。
テラヘルツ波発生器23は、p偏光を放射する。テラヘルツ波発生器23が放射したp偏光は、ミラー27により反射され、基板Kの表面に形成された薄膜試料Hに数秒照射される。薄膜試料Hで反射した反射p偏光は、ミラー28により反射されてテラヘルツ波検出器25で検出される。薄膜試料Hで反射した反射p偏光がテラヘルツ波検出器25に入射することにより、入射した反射p偏光の電場強度に比例した電流がテラヘルツ波検出器25に流れる。一方、プローブ光は、時間遅延機構26により時間遅延が与えられ、テラヘルツ波検出器25で検出される。
First, the user adjusts the
The
制御部41は、時間遅延機構26の反射ミラーを所定量だけ反射方向と反対の後方に移動し、所定の時間遅延を与えたプローブ光を用いて上記の処理を繰り返す。これにより、薄膜試料Hから反射する反射p偏光の電場強度の時間変化がRAM43に記録される。このように、テラヘルツ波検出器25は、反射p偏光の電場強度を示す信号をコンピュータ4へ送信する。制御部41は、通信部44を介してこの信号を受信し、この信号値を反射p偏光の電場強度時間波形としてRAM43に記録する。
The
次いで、ユーザはテラヘルツ波発生器23から放射されるテラヘルツ波の偏光方向がs偏光になるように偏光回転器29を調整する。
テラへツル波発生器23は、s偏光を放射する。テラヘルツ波発生器23が放射したs偏光は、ミラー27により反射され、基板Kの表面に形成された薄膜試料Hに数秒照射される。薄膜試料Hで反射したs偏光は、ミラー28により反射されてテラヘルツ波検出器25で検出される。薄膜試料Hで反射した反射s偏光がテラヘルツ波検出器25に入射することにより、入射した反射s偏光の電場強度に比例した電流がテラヘルツ波検出器25に流れる。一方、プローブ光は、時間遅延機構26により時間遅延が与えられ、テラヘルツ波検出器25で検出される。
Next, the user adjusts the
The
制御部41は、時間遅延機構26の反射ミラーを所定量だけ反射方向と反対の後方に移動し、所定の時間遅延を与えたプローブ光を用いて上記の処理を繰り返す。これにより、薄膜試料Hから反射される反射s偏光の電場強度の時間変化がRAM43に記録される。このように、テラヘルツ波検出器25は、反射s偏光の電場強度を示す信号をコンピュータ4へ送信する。制御部41は、通信部44を介してこの信号を受信し、この信号値を反射s偏光の電場強度時間波形としてRAM43に記録する。
The
図7は、反射p偏光の時間領域の電場強度を求める手順を示すフローチャートであり、図8は、反射s偏光の時間領域の電場強度を求める手順を示すフローチャートである。
先ず、反射p偏光の時間領域の電場強度を求め、次いで、反射s偏光の時間領域の電場強度を求める。
FIG. 7 is a flowchart showing a procedure for obtaining the electric field intensity in the time domain of reflected p-polarized light, and FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for obtaining the electric field intensity in the time domain of reflected s-polarized light.
First, the electric field strength in the time domain of reflected p-polarized light is obtained, and then the electric field strength in the time domain of reflected s-polarized light is obtained.
レーザ21は、フェムト秒光パルスを薄膜試料Hに射出する(ステップS101)。これにより、薄膜試料Hは励起状態となり、薄膜試料Hのキャリア濃度が高まる。レーザ21がレーザパルスを薄膜試料Hに射出するタイミングに合わせて、テラヘルツ波発生器23は、p偏光を薄膜試料Hに照射する(ステップS102)。制御部41は、薄膜試料Hを反射した反射p偏光の電場強度を示す信号をテラヘルツ波検出器25から受け取り、RAM43に記録する(ステップS103)。
The
制御部41は、反射p偏光の電場強度の測定が所定回数測定したか否か判断する(ステップS104)。なお、ステップS104における所定回数は、例えば50回である。制御部41は、所定回数測定していないと判断した場合(ステップS104:NO)、ステップS103に処理を戻す。制御部41は、所定回数測定したと判断した場合(ステップS104:YES)、反射p偏光の電場強度を夫々積算し、積算した値をRAM43に記録する(ステップS105)。
The
制御部41は、時間遅延機構26の反射ミラーが測定終了位置にあるか否か判断する(ステップS106)。制御部41は、時間遅延機構26の反射ミラーが測定終了位置にないと判断した場合(ステップS106:NO)、時間遅延機構26の反射ミラーを所定量後方へ移動し(ステップS107)、ステップS102に処理を戻す。制御部41は、時間遅延機構26の反射ミラーが測定終了位置にあると判断した場合(ステップS106:YES)、s偏光による処理に移行する。
The
レーザ21がレーザパルスを薄膜試料Hに射出するタイミングに合わせて、テラヘルツ波発生器23は、s偏光を薄膜試料Hに照射する(ステップS108)。制御部41は、薄膜試料Hを反射した反射s偏光の電場強度を示す信号をテラヘルツ波検出器25から受け取り、RAM43に記録する(ステップS109)。
The
制御部41は、反射s偏光の電場強度の測定が所定回数測定したか否か判断する(ステップS110)。なお、ステップS110における所定回数は、例えば50回である。制御部41は、所定回数測定していないと判断した場合(ステップS110:NO)、ステップS109に処理を戻す。制御部41は、所定回数測定したと判断した場合(ステップS110:YES)、反射s偏光の電場強度を夫々積算し、積算した値をRAM43に記録する(ステップS111)。
The
制御部41は、時間遅延機構26の反射ミラーが測定終了位置にあるか否か判断する(ステップS112)。制御部41は、時間遅延機構26の反射ミラーが測定終了位置にないと判断した場合(ステップS112:NO)、時間遅延機構26の反射ミラーを所定量後方へ移動し(ステップS113)、ステップS108に処理を戻す。制御部41は、時間遅延機構26の反射ミラーが測定終了位置にあると判断した場合(ステップS112:YES)、処理を終了する。
The
制御部41は、反射p偏光の時間領域の電場強度をRAM43から読み込み、読み込んだ電場強度をフーリエ変換により周波数領域の電場強度に変換し、RAM43に記録する。すなわち、制御部41は、反射p偏光の時間領域の電場強度を反射p偏光の振幅スペクトル及び反射p偏光の位相スペクトルに変換し、RAM43に記録する。また、制御部41は、反射s偏光の時間領域の電場強度をRAM43から読み込み、読み込んだ電場強度をフーリエ変換により周波数領域の電場強度に変換し、RAM43に記録する。すなわち、制御部41は、反射s偏光の時間領域の電場強度を反射s偏光の振幅スペクトル及び反射s偏光の位相スペクトルに変換し、RAM43に記録する。
The
ここで制御部41は、フーリエ変換を実行するにあたり、最初のメインパルスから最初の多重反射波が現れる時刻Δtを式(1)より求める。そのため、制御部41は、基板Kのテラヘルツ帯の複素屈折率の実部及び基板Kの厚さをRAM43から読み込み、Δtを算出する。制御部41は、基板K及び薄膜Hにおける電場強度の時間波形をRAM43から読み込む。制御部41は、時間領域の各電場強度をΔtまでの時間幅でフーリエ変換により周波数領域の電場強度に変換する。制御部41は、基板K及び薄膜Hにおける周波数領域の電場強度をRAM43に記録する。
Here, when executing the Fourier transform, the
図9は、基板K内の多重反射を除外した周波数領域の電場強度を求める手順を示すフローチャートである。
制御部41は、基板Kの屈折率と基板Kの厚さとをRAM43から読み込む(ステップS201)。制御部41は、基板Kの屈折率及び厚さから、メインパルスの後に多重反射波が最初に現れる時間を算出する(ステップS202)。制御部41は、薄膜試料Hにおける電場強度の時間波形をRAM43から読み込む(ステップS203)。制御部41は、ステップS202で求めた時間までの時間幅で、基板K及び薄膜試料Hを透過した透過波の電場強度の時間波形をフーリエ変換する(ステップS204)。制御部41は、フーリエ変換して得られた基板K及び薄膜Hを透過した透過波の周波数領域の電場強度をRAM43に記録し(ステップS205)、処理を終了する。
FIG. 9 is a flowchart showing a procedure for obtaining the electric field strength in the frequency domain excluding the multiple reflection in the substrate K.
The
次に、反射p偏光の振幅スペクトル及び位相スペクトル並びに反射s偏光の振幅スペクトル及び位相スペクトルに基づいて、反射p偏光及び反射s偏光の反射振幅比角Ψ及び位相差Δを求める。 Next, based on the amplitude spectrum and phase spectrum of the reflected p-polarized light and the amplitude spectrum and phase spectrum of the reflected s-polarized light, the reflection amplitude ratio angle Ψ and the phase difference Δ of the reflected p-polarized light and the reflected s-polarized light are obtained.
制御部41は、RAM43から反射p偏光の振幅スペクトルと反射s偏光の振幅スペクトルとを読み込み、それらの比(反射s偏光/反射p偏光)からΨを求める。ここで、|Ψ|2 はエリプソメトリ信号スペクトルである。また、制御部41は、RAM43から反射p偏光の位相スペクトルと反射s偏光の位相スペクトルとを読み込み、それらの比(反射s偏光/反射p偏光)からΔを求める。制御部41は、Ψexp(−iΔ)の測定値と試料の光学モデルから得られた計算値との差の絶対値を誤差関数とし、誤差関数を最小にする複素屈折率スペクトルN=n−ikをフィッティングにより求める。この際、RAM43に記録されている薄膜試料Hの膜厚を利用する。フィッティングを用いることにより、Ψ及びΔの値から励起状態の薄膜試料Hの複素屈折率スペクトルNS を求める。
The
尚、偏光回転器29の回転速度を速めて、テラヘルツ波の偏光方向を高速に変調し、その周波数に同期した信号をロックイン増幅器(図示せず)によって検出することによって、エリプソメトリ信号スペクトルに対する外部雑音を除去することができ、キャリアに対する感度を向上させることができる。また、通常の透過及び反射測定の場合、試料の測定とリファレンス測定が必要であり、試料の移動に伴い位相シフトを精密に測定することが困難である。これに対して、反射p偏光及び反射s偏光を用いた本手法によれば、試料の移動を伴うリファレンス測定が不要となるため、そのような問題は生じない。
In addition, the rotational speed of the
次いで、制御部41は、以下の手順により、複素屈折率スペクトルに基づいて複素電気伝導度スペクトルを計算する。
制御部41は、RAM43から薄膜試料Hの複素屈折率スペクトルを読み込む。制御部41は、RAM43から読み込んだ薄膜試料Hの複素屈折率スペクトルを用いて、薄膜試料Hの複素誘電率及び薄膜試料Hの複素電気伝導度スペクトルを算出する。ここで制御部41は、複素誘電率と複素屈折率スペクトルとの関係を示す式(2)〜式(4)及び複素誘電率と複素電気伝導度スペクトルとの関係を示す式(5)〜式(7)より、薄膜試料Hの複素誘電率及び薄膜試料Hの複素電気伝導度スペクトルを算出する。
Next, the
The
ε=N2 ・・・(2)
ε1 =n2 −κ2 ・・・(3)
ε2 =2nκ ・・・(4)
ただし、εは複素誘電率であり、ε=ε 1−iε 2である。
ε = N 2 (2)
ε 1 = n 2 −κ 2 (3)
ε 2 = 2nκ (4)
Here, ε is a complex dielectric constant, and ε = ε 1 −iε 2 .
ただし、ε0 は真空の誘電率、ε∞はフリーキャリア以外の誘電率である。また、σは複素電気伝導度スペクトルであり、σ=σ1 −iσ2 である。 However, ε 0 is a dielectric constant of vacuum, and ε ∞ is a dielectric constant other than free carriers. Further, σ is a complex conductivity spectrum, and σ = σ 1 −iσ 2 .
制御部41は、真空の誘電率及びフリーキャリア以外の誘電率をRAM43から読み込み、読み込んだ真空の誘電率及びフリーキャリア以外の誘電率を上記の計算に使用する。
制御部41は、算出した薄膜試料Hの複素誘電率及び薄膜試料Hの複素電気伝導度スペクトルをRAM43に記録する。
The
The
制御部41は、薄膜試料Hのキャリア移動度を決定する。その決定方法は、測定から求めた薄膜試料Hの複素電気伝導度スペクトルと、電気伝導モデルにより計算した複素電気伝導度スペクトルとの差が最小となるように、薄膜試料Hのキャリア移動度を算出するパラメータを決定する。ここで使用可能な電気伝導モデルには、ドルーデモデル、拡張ドルーデモデル、局在化ドルーデモデル及びドルーデ−スミスモデルが含まれる。
The
古典的電子ガスモデルであるドルーデモデルは、シリコン、GaAs、一般的な半導体材料等に有効である。拡張ドルーデモデルは、電子相関が強い材料(高温超電導体など)に有効である。キャリアの局在化を考慮した局在化ドルーデモデルは、有機導電性材料等に有効である。ドルーデ−スミスモデルは、シリコンナノクリスタル等に有効である。以下では、ドルーデモデルを用いてキャリア移動度を決定する例について説明する。 The Drude model, which is a classic electron gas model, is effective for silicon, GaAs, general semiconductor materials, and the like. The extended Drude model is effective for materials with high electron correlation (such as high-temperature superconductors). A localized drude model that takes into account carrier localization is effective for organic conductive materials and the like. The Drude-Smith model is effective for silicon nanocrystals and the like. Below, the example which determines carrier mobility using a Drude model is demonstrated.
ドルーデモデルにより与えられる複素電気伝導度スペクトルσ(ω)は、式(8)で示される。 The complex electric conductivity spectrum σ (ω) given by the Drude model is expressed by Equation (8).
ただし、Nc はキャリア濃度、eは素電荷量、τはキャリアの散乱時間、m* は有効質量、Γ(=1/τ)は散乱確率である。また、ω p 2 はプラズマ周波数であり、式(9)で示される。
ここで、キャリア濃度Nc は、薄膜試料の吸収係数及び励起レーザであるフェムト秒光パルスの波長から推定する。
Where N c is the carrier concentration, e is the elementary charge amount, τ is the carrier scattering time, m * is the effective mass, and Γ (= 1 / τ) is the scattering probability. Further, ω p 2 is a plasma frequency and is represented by Expression (9).
Here, the carrier concentration N c is estimated from the absorption coefficient of the thin film sample and the wavelength of the femtosecond light pulse that is an excitation laser.
式(10)は、測定から求めた薄膜試料Hの複素電気伝導度スペクトルσ(ω)と、式(8)により与えられる薄膜試料Hの複素電気伝導度スペクトルとの差からなる誤差関数G(ω)である。 Equation (10) is an error function G () consisting of the difference between the complex conductivity spectrum σ (ω) of the thin film sample H obtained from the measurement and the complex conductivity spectrum of the thin film sample H given by Equation (8). ω).
制御部41は、上記で算出した複素電気伝導度スペクトルをRAM43から読み出し、式(9)のσ(ω)に代入する。また制御部41は、真空の誘電率、素電荷量をRAM43から読み込み、式(10)に代入する。
The
制御部41は、薄膜試料Hのキャリア濃度と、有効質量と、キャリアの散乱時間又は散乱確率とを変更しながら誤差関数G(ω)を計算し、誤差関数G(ω)の最小値を与える薄膜試料Hのキャリア濃度と、有効質量と、キャリアの散乱時間又は散乱確率とを決定する。
The
なお、誤差関数G(ω)の最小値及び上記パラメータを決定するにあたり、線形計画法のシンプレックス法等により計算の高速化を図ってもよい。また、誤差関数G(ω)の計算値が所定値より小さくなった場合、又は誤差関数G(ω)の計算回数が所定回数を超えた場合、計算を終了することにより、計算の高速化を図ってもよい。 In determining the minimum value of the error function G (ω) and the above parameters, the calculation speed may be increased by a simplex method of linear programming or the like. Further, when the calculated value of the error function G (ω) becomes smaller than a predetermined value, or when the number of calculation of the error function G (ω) exceeds the predetermined number, the calculation is terminated to speed up the calculation. You may plan.
以上は、電気伝導モデルにドルーデモデルを適用した場合のパラメータの決定である。制御部41は、同様のパラメータ決定を拡張ドルーデモデル、局在化ドルーデモデル及びドルーデ−スミスモデルについても実行し、誤差関数G(ω)が最小となる電気伝導モデル及びパラメータを決定する。
尚、薄膜が有機半導体の場合には、局在化ドルーデモデルだけを適用してもよい。
制御部41は、決定した電気伝導モデルと、薄膜試料Hのキャリア濃度と、有効質量と、キャリアの散乱時間又は散乱確率とをRAM43に記録する。
The above is the determination of parameters when the Drude model is applied to the electrical conduction model. The
When the thin film is an organic semiconductor, only the localized drude model may be applied.
The
制御部41は、RAM43から素電荷量と、有効質量と、キャリアの散乱時間又は散乱確率とを読み込み、式(11)からキャリア移動度を算出し、算出したキャリア移動度をRAM43に記録する。
The
ただし、μはキャリア移動度である。 Where μ is the carrier mobility.
図10は、薄膜試料Hの電気的特性値を求める手順を示すフローチャートである。
制御部41は、薄膜試料Hの複素屈折率スペクトルをRAM43から読み込む(ステップS301)。制御部41は、真空の誘電率及びフリーキャリア以外の誘電率をRAM43から読み込む(ステップS302)。制御部41は、読み込んだ薄膜試料Hの複素屈折率スペクトル、真空の誘電率及びフリーキャリア以外の誘電率に基づいて、薄膜試料Hの複素誘電率及び複素電気伝導度スペクトルを算出する(ステップS303)。
FIG. 10 is a flowchart showing a procedure for obtaining the electrical characteristic value of the thin film sample H.
The
制御部41は、未選択の電気伝導モデルをドルーデモデル、拡張ドルーデモデル、局在化ドルーデモデル及びドルーデ−スミスモデルの中から1つ選択する(ステップS304)。制御部41は、算出した複素電気伝導度スペクトルを、テラヘルツ波から測定した複素電気伝導度スペクトルと選択した電気伝導モデルから計算される複素電気伝導度スペクトルとの差からなる誤差関数G(ω)に代入する(ステップS305)。制御部41は、誤差関数G(ω)に代入するパラメータをRAM43から読み込む(ステップS306)。制御部41は、誤差関数G(ω)に読み込んだパラメータを代入する(ステップS307)。制御部41は、読み込んだパラメータ以外のパラメータを変更しながら誤差関数G(ω)を計算する(ステップS308)。
The
制御部41は、全ての電気伝導モデルについて誤差関数G(ω)を計算したか否か判断する(ステップS309)。制御部41は、全ての電気伝導モデルについて誤差関数G(ω)を計算していないと判断した場合(ステップS309:NO)、別の電気伝導モデルについて誤差関数G(ω)を計算するため、ステップS304に処理を戻す。制御部41は、全ての電気伝導モデルについて誤差関数G(ω)を計算したと判断した場合(ステップS309:YES)、誤差関数G(ω)が最小となる電気伝導モデル及びそのパラメータを決定する(ステップS310)。制御部41は、決定した電気伝導モデルのパラメータに基づいて薄膜試料Hのキャリア移動度を算出し(ステップS311)、処理を終了する。
The
尚、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiment disclosed this time is illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the meanings described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 物性測定装置
2 テラヘルツ分光装置
3 膜厚測定装置
4 コンピュータ
21 レーザ
22 ビームスプリッタ
23 テラヘルツ波発生器
24 試料保持部
25 テラヘルツ波検出器
26 時間遅延機構
27 ミラー
28 ミラー
29 偏光回転器
DESCRIPTION OF
Claims (8)
光パルスを発生する光源と、
前記薄膜を励起する励起手段と、
前記光源が発生する光パルスの偏光方向を制御する制御手段と、
該制御手段により制御された光パルスを受光することによりp偏光及びs偏光のテラヘルツ波を発生し、前記励起手段により励起された薄膜に該テラヘルツ波を照射する照射手段と、
該照射手段により前記テラヘルツ波が照射された薄膜で反射したp偏光及びs偏光のテラヘルツ波を検出する検出手段と、
該検出手段により検出されたp偏光及びs偏光のテラヘルツ波夫々の振幅及び位相スペクトルを算出する第一算出手段と、
該第一算出手段が算出した振幅及び位相スペクトルに基づいて、前記検出手段により検出されたp偏光及びs偏光のテラヘルツ波の振幅比及び位相差を算出する第二算出手段と、
該第二算出手段により算出された振幅比及び位相差に基づいて、前記薄膜の複素屈折率スペクトルを算出する第三算出手段と
を備えることを特徴とする物性測定装置。 In an apparatus for measuring physical properties of thin films,
A light source that generates a light pulse;
An excitation means for exciting the thin film;
Control means for controlling the polarization direction of a light pulse generated by the light source;
Irradiating means for generating p-polarized and s-polarized terahertz waves by receiving the light pulse controlled by the control means, and irradiating the thin film excited by the excitation means with the terahertz waves;
Detecting means for detecting p-polarized and s-polarized terahertz waves reflected by the thin film irradiated with the terahertz waves by the irradiating means;
First calculation means for calculating the amplitude and phase spectrum of each of the p-polarized light and the s-polarized terahertz wave detected by the detecting means;
Second calculation means for calculating the amplitude ratio and phase difference of the p-polarized light and the s-polarized terahertz wave detected by the detection means based on the amplitude and phase spectrum calculated by the first calculation means;
A physical property measurement apparatus comprising: third calculation means for calculating a complex refractive index spectrum of the thin film based on the amplitude ratio and the phase difference calculated by the second calculation means.
p偏光のテラヘルツ波を前記薄膜に照射し、該薄膜で反射したp偏光のテラヘルツ波の特性を求める第一ステップと、
s偏光のテラヘルツ波を前記薄膜に照射し、該薄膜で反射したs偏光のテラヘルツ波の特性を求める第二ステップと、
前記第一及び第二ステップにより求められたp偏光及びs偏光のテラへツル波の特性に基づいて、前記薄膜の物性を算出する第三ステップと
を含み、
前記第一ステップは、
光源が発生する光パルスを第一の偏光方向に設定する第一設定ステップと、
該第一設定ステップにより設定された第一の偏光方向の光パルスを受光することによりp偏光のテラヘルツ波を発生し、前記薄膜に照射する照射ステップと、
前記薄膜を励起する励起ステップと、
該励起ステップにより励起された薄膜で反射したp偏光のテラヘルツ波を検出する第一検出ステップと、
該第一検出ステップにより検出されたp偏光のテラヘルツ波の振幅及び位相スペクトルを算出する第一算出ステップと
を含み、
前記第二ステップは、
前記光源が発生する光パルスを第二の偏光方向に設定する第二設定ステップと、
該第二設定ステップにより設定された第二の偏光方向の光パルスを受光することによりs偏光のテラヘルツ波を発生し、前記薄膜に照射する照射ステップと、
前記励起ステップにより励起された薄膜で反射したs偏光のテラヘルツ波を検出する第二検出ステップと、
該第二検出ステップにより検出されたs偏光のテラヘルツ波の振幅及び位相スペクトルを算出する第二算出ステップと
を含み、
前記第三ステップは、
前記第一及び第二算出ステップにより算出したp偏光及びs偏光のテラヘルツ波の振幅及び位相スペクトルに基づいて、前記第一及び第二検出ステップにより検出されたp偏光及びs偏光のテラヘルツ波の振幅比及び位相差を算出する第三算出ステップと、
該第三算出ステップにより算出された振幅比及び位相差に基づいて、前記薄膜の複素屈折率スペクトルを算出する第四算出ステップと
を含むことを特徴とする物性測定方法。 In a method for measuring physical properties of a thin film,
irradiating the thin film with p-polarized terahertz waves, and determining the characteristics of the p-polarized terahertz waves reflected by the thin film;
irradiating the thin film with s-polarized terahertz waves, and determining the characteristics of the s-polarized terahertz waves reflected by the thin film;
A third step of calculating physical properties of the thin film based on the p-polarized and s-polarized terahertz wave characteristics obtained by the first and second steps,
The first step includes
A first setting step of setting a light pulse generated by the light source in a first polarization direction;
An irradiation step of generating a p-polarized terahertz wave by receiving a light pulse in the first polarization direction set in the first setting step and irradiating the thin film;
An excitation step for exciting the thin film;
A first detection step of detecting p-polarized terahertz waves reflected by the thin film excited by the excitation step;
A first calculation step of calculating the amplitude and phase spectrum of the p-polarized terahertz wave detected by the first detection step;
The second step includes
A second setting step of setting a light pulse generated by the light source in a second polarization direction;
An irradiation step of generating an s-polarized terahertz wave by receiving a light pulse in the second polarization direction set in the second setting step and irradiating the thin film;
A second detection step of detecting s-polarized terahertz waves reflected by the thin film excited by the excitation step;
A second calculation step of calculating the amplitude and phase spectrum of the s-polarized terahertz wave detected by the second detection step;
The third step is
Based on the amplitude and phase spectrum of the p-polarized and s-polarized terahertz waves calculated by the first and second calculating steps, the amplitude of the p-polarized and s-polarized terahertz waves detected by the first and second detecting steps. A third calculation step for calculating the ratio and the phase difference;
And a fourth calculation step of calculating a complex refractive index spectrum of the thin film based on the amplitude ratio and the phase difference calculated in the third calculation step.
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