JP2666038B2 - 和周波測定装置 - Google Patents

和周波測定装置

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JP2666038B2
JP2666038B2 JP21124993A JP21124993A JP2666038B2 JP 2666038 B2 JP2666038 B2 JP 2666038B2 JP 21124993 A JP21124993 A JP 21124993A JP 21124993 A JP21124993 A JP 21124993A JP 2666038 B2 JP2666038 B2 JP 2666038B2
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孝浩 木村
千樫 山田
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光技術研究開発株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体結晶やLB膜の
表面及び界面等の評価を行う和周波測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年の薄膜作成技術の進展に伴い、リア
ルタイムでその場観察が行える赤外分光測定技術の確立
が要望されている。例えば、有機金属を用いた原子層エ
ピタキシー技術においては、表面吸着種の赤外分光によ
るその場観察が成長層の制御性及び品質を向上させる鍵
を握っている。
【0003】従来、赤外分光測定を行う装置として図3
に示すような和周波測定装置がある。この装置は、YA
Gレーザ31、一対のLiNbO3 結晶32、第1のカ
ットフィルタ33、第1の集光レンズ34、可変遅延回
路35、第2の集光レンズ36、スリット37、第2の
カットフィルター38、モノクロメーター39、光電子
増倍管40、及び複数の光学ミラー41を有している。
なお、光学ミラー41は、必要に応じて設ければ良いも
のなので以下の説明では、光学ミラー41についての説
明を省略する。
【0004】YAGレーザ31は、パルス幅35psec、
繰り返し周期10Hzでパルス発振して波長1064nmの
光301を出射する。また、その第2高調波である波長
532nmの光302を出射する。
【0005】YAGレーザ31から出射された波長10
64nmの光301は、一対のLiNbO3 結晶32に入
射する。一対のLiNbO3 結晶32は、それぞれ光パ
ラメトリック発振・増幅を行い、波長1064nmの光3
01を赤外光303に変換する。ここで、赤外光303
の波長は、一対のLiNbO3 結晶32の光路に対する
角度を変更することにより調整できる。
【0006】第1のカットフィルタ33は、LiNbO
3 結晶32で赤外光に変換されなかった波長1064nm
の光を除去する。そして、赤外光303は、第1の集光
レンズ34で照射面積0.1cm2 程度に集光されて試料
42表面に照射される。
【0007】他方、YAGレーザ31から出射された波
長532nmの光302は、可変遅延回路35を通り、第
2の集光レンズ36で照射面積0.1cm2 程度に集光さ
れて試料42の表面に照射される。ここで、過変遅延回
路35は、YAGレーザ31から試料42までの、波長
532nmの光302の光路長を調整するための回路であ
る。
【0008】試料42上では、赤外光303及び波長5
32nmの光302は、それぞれ反射されると共に、2つ
の光が合成されて和周波光304が発生する。スリット
37は、赤外光303、波長532nmの光302、及び
和周波光304の反射角度の違いを利用して、和周波光
304のみを通過させ、赤外光303及び波長532nm
の光302の通過を阻止する。スリット37を通過した
和周波光304は、第2のカットフィルター38を通
り、モノクロメータ39に入射する。なお、第2のカッ
トフィルターは、試料42表面で散乱した波長532nm
の光を除去する。
【0009】モノクロメータ39は、入射された和周波
光304を中心とする狭い周波数帯の光を分離して光電
子増倍管40へ出射する。光電子増倍管40は、入射さ
れた光の強度を検出する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】従来の和周波測定装置
では、試料表面で和周波光を発生させるために、光路の
異なる2つの光を時間的、空間的に重ねなければならな
い。このため、光学系の調整が非常に困難であるという
問題点がある。例えば、パルス幅35p秒の光を用いた
場合は、2つの光の光路長の誤差が1mm程度しか許され
ない。
【0011】また、検出精度の向上を図るには、和周波
光の強度を上げる必要があるが、レンズを用いて集光し
て試料に照射するようにすると、さらに2つの光の光路
長の調整精度を上げなければならないという問題点があ
る。
【0012】さらに、従来の和周波測定装置では、赤外
光の波長を変化させて分光測定を行おうとすると、試料
表面で発生する和周波光の出射方向が変化するので、和
周波光検出用の光学系を調整しなければならないという
問題点がある。
【0013】所で、これらの問題点は、光路の異なる2
つの信号を用いなければ解消することができる。そこ
で、LiNbO3 から出射される赤外光と、この赤外光
と同一光軸上に存在する赤外光に変換されなかった波長
1064nmの光を用いることが考えられる。
【0014】しかしながら、LiNbO3 から出射され
る赤外光に比べ、赤外光に変換されなかった波長106
4nmの光はその強度が2桁程度強く、単純にこの2つの
光を試料上に集光すると、試料が波長1064nmの光に
よってダメージを受けるという問題点がある。
【0015】また、LiNbO3 から出射される赤外光
と赤外光に変換されなかった波長1064nmの光を用い
る方法では、LiNbO3 内において発生する和周波光
が、測定の妨げになるという問題点もある。
【0016】本発明は、同一光軸上の赤外光と波長10
64nmの光とを用いた、簡素で調整の簡単な和周波測定
装置を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、レーザ
光を発生する光源と、前記レーザ光の一部を該レーザー
光よりも波長の長い光に変換する波長変換手段とを備
え、前記レーザ光と前記波長の長い光とを試料に照射し
て和周波光を発生させ、その強度を測定する和周波測定
装置において、前記光源と前記波長変換手段との間に配
置され前記レーザ光を直線偏光させる偏光手段と、前記
波長変換手段から出射する前記レーザ光及び前記波長の
長い光を通過させ前記レーザ光と前記波長の長い光との
強度を平均化するロションプリズムと、該ロションプリ
ズムから出射する前記レーザ光及び前記波長の長い光を
通過させて前記試料に照射するとともに、前記レーザ光
と前記波長の長い光との和周波光を除去するGaAs単
結晶フィルタとを有することを特徴とする和周波測定装
置が得られる。
【0018】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図1に本発明の一実施例を説明する。本実施例の
和周波測定装置は、YAGレーザ11、偏光回転子1
2、一対のLiNbO3 結晶13、ロションプリズム1
4、GaAs単結晶フィルタ15、レンズ16、モノク
ロメータ17、光電子増倍管18、及び遮光物19を有
している。
【0019】YAGレーザ11は波長1064nmのパル
ス光を発生する。YAGレーザ11から出射されたパル
ス光は偏光回転子12へ入射する。偏光回転子12は入
射した波長1064nmのパルス光を直線偏光させる。直
線偏光された波長1064nmの光は、一対のLiNbO
3 結晶13へ入射する。
【0020】一対のLiNbO3 結晶13は、パラメト
リック発振・増幅を行い、入射した波長1064nmのパ
ルス光の一部をより波長の長い赤外光に変換する。な
お、これら一対のLiNbO3 結晶13を図の矢印のよ
うに光路に対して互いに逆方向に傾けると、光路を変え
ること無く変換される光の波長を変更することができ
る。この一対のLiNbO3 結晶13から出射した赤外
光及び変換されなかった波長1064nmの光は、ロショ
ンプリズム14に入射する。
【0021】ロションプリズム14は、MgF2 製で、
同じくさび角を持つ二片の複屈折結晶くさびをはり合わ
せ、それらの光学軸が直交するようにした偏光プリズム
である。このロションプリズム14は、LiNbO3
晶13から出射された赤外光のほとんどをそのまま直進
通過させる。また、波長1064nmの光のほとんどの部
分の進行方向を変え、一部を直進通過させる。これによ
って、ほぼ同じ強度を有する赤外光と波長1064nmの
光を同一光軸上に得ることができる。なお、進行方向を
変えられた波長1064nmの直線偏光したパルス光は、
遮光板19によって遮られる。
【0022】ロションプリズム14によって同一光軸上
に取り出された赤外光と波長1064nmの直線偏光した
パルス光は、GaAs単結晶フィルタ15に入射する。
GaAs単結晶フィルタ15はロションプリズム14か
らの光が(100)面に垂直に入射するように配置され
ている。このGaAs単結晶フィルタ15は、後述する
ように、分光測定に必要な光のみを透過し、その他の光
を阻止する。
【0023】GaAs単結晶フィルタ15を通過した光
は、レンズ16で集光され試料20表面に照射される。
試料20表面では、和周波光が発生し、和周波光はモノ
クロメーター17に入射する。モノクロメータ17で分
光された光は光電子増倍管18でその強度が検出され
る。
【0024】次に、図2を参照してロションプリズム1
4及びGaAs単結晶フィルタ15の動作を詳述する。
図2では、光の進行方向をX軸、偏光回転子12による
直線偏光の方向をY軸とする。また、LiNbO3 13
は、そのC軸(光学軸)が、X−Y平面内に存在するよ
うに配置されているものとする。
【0025】図2(a)に示すように、直線偏光した波
長1064nmの光ω1 は、LiNbO3 13内で、より
波長の長い2つの光、シグナル光ω2 及びアイドラー光
ω3に変換され、変換されなかった光ω1 の残りと共
に、ロションプリズム14へ入射する。このときLiN
bO3 13から出射されるシグナル光ω2 及びアイドラ
ー光ω3 は、Z軸方向に直線偏光している。
【0026】ロションプリズム14の入射側の複屈折結
晶くさびのC軸がX軸に平行、出射側の複屈折結晶くさ
びのC軸がY軸に平行だと仮定すると(2つの複屈折結
晶くさびのC軸がともに、シグナル光ω2 及びアイドラ
ー光ω3 の偏光方向に垂直とすると)、シグナル光ω2
及びアイドラー光ω3 は、ロションプリズム14内を直
進する。一方、波長1064nmの光ω1 は、ロションプ
リズム14内で屈折し、シグナル光ω2 及びアイドラー
光ω3 が出射する方向とは異なる方向へ出射する。ここ
で、ロションプリズム14を光路を軸にして回転させる
と、直進する光の割合が変化する。例えば、ロションプ
リズム14を約6°回転させると、波長1064nmの光
ω1 は、強度にして1%がロションプリズム14内をX
軸方向へ直進する。逆に、シグナル光ω2 及びアイドラ
ー光ω3 は、強度にして1%がロションプリズム14内
で屈折する(図2(b)参照)。換言すれば、シグナル
光ω2 及びアイドラー光ω3 は強度にして99%がロシ
ョンプリズム14内をX軸方向へ直進する。これによっ
て、赤外光(シグナル光ω2 及びアイドラー光ω3)よ
りも強度が2桁も大きかった同一光軸上の波長1064
nmの光ω1 の強度を、赤外光と同程度にすることができ
る。
【0027】図2(b)を参照すると、GaAs結晶フ
ィルター15には、波長1064nmの光ω1 、シグナル
光ω2 、及びアイドラー光ω3 が入射されている。とこ
ろが、実際にGaAs結晶フィルター15に入射する光
の中には、波長1064nmの光ω1 の2倍波光、波長1
064nmの光ω1 とシグナル光ω2 との和周波光、及び
波長1064nmの光ω1 とアイドラー光ω3 との和周波
光等が含まれている。和周波測定を行う場合、普通、波
長2500nm〜3850nmの範囲で波長可変なアイドラ
ー光ω3 を使用する。このアイドラー光ω3 と波長10
64nmの光ω1との和周波は、746nm〜833nmの範
囲で変化することになる。ここで、GaAs結晶フィル
ター15の(100)面に対してロションプリズム14
からの光が垂直に入射するように図2(b)直交座標と
GaAs結晶フィルター15の結晶軸を一致させると、
GaAs結晶フィルター15は、波長1064nmの光ω
1及び波長2500nm〜3850nmのアイドラー光ω3
を透過させ、和周波746nm〜833nmの光は阻止する
フィルターとして働く。また、GaAsの物性(2次の
非線形感受率)によって、GaAs結晶フィルター15
の内部では、Y−Z平面を偏光面とする波長1064nm
の光ω1 とアイドラー光ω3 との和周波の発生はない。
【0028】
【発明の効果】本発明によれば、偏光回転子、ロッショ
ンプリズム、及びGaAs単結晶フィルターを設けて同
一光軸上にレーザ光と赤外光とが得られるようにしたこ
とで、光路長を調整するための回路が不要となり光学系
が簡素になる。また、調整そのものも楽に行えるように
なる。これは、試料が真空チェンバ内に位置する場合の
ように光学系の配置に多くの制限を受ける場合に非常に
好都合である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の概略図である。
【図2】図1のロションプリズム及びGaAs単結晶フ
ィルターの動作を説明するための図である。
【図3】従来の和周波測定装置の概略図である。
【符号の説明】
11 YAGレーザ 12 偏光回転子 13 LiNbO3 結晶 14 ロションプリズム 15 GaAs単結晶フィルタ 16 レンズ 17 モノクロメータ 18 光電子増倍管 19 遮光物 31 YAGレーザ 32 LiNbO3 結晶 33 第1のカットフィルタ 34 第1の集光レンズ 35 可変遅延回路 36 第2の集光レンズ 37 スリット 38 第2のカットフィルター 39 モノクロメーター 40 光電子増倍管 41 光学ミラー 42 試料 301 波長1064nmの光 302 波長532nmの光 303 赤外光 304 和周波光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/36 H01L 21/36

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ光を発生する光源と、前記レーザ
    光の一部を該レーザー光よりも波長の長い光に変換する
    波長変換手段とを備え、前記レーザ光と前記波長の長い
    光とを試料に照射して和周波光を発生させ、その強度を
    測定する和周波測定装置において、前記光源と前記波長
    変換手段との間に配置され前記レーザ光を直線偏光させ
    る偏光手段と、前記波長変換手段から出射する前記レー
    ザ光及び前記波長の長い光を通過させ前記レーザ光と前
    記波長の長い光との強度を平均化するロションプリズム
    と、該ロションプリズムから出射する前記レーザ光及び
    前記波長の長い光を通過させて前記試料に照射するとと
    もに、前記レーザ光と前記波長の長い光との和周波光を
    除去するGaAs単結晶フィルタとを有することを特徴
    とする和周波測定装置。
  2. 【請求項2】 該ロションプリズムから出射する前記レ
    ーザ光及び前記波長の長い光が(100)面に垂直に入
    射するように前記GaAs単結晶フィルターを配置した
    ことを特徴とする請求項1の和周波測定装置。
  3. 【請求項3】 前記光源が波長1064nmのレーザ光を
    発生するYAGレーザであり、前記波長変換手段が一対
    のLiNbO3 結晶であることを特徴とする請求項1又
    は2の和周波測定装置。
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CN104990872B (zh) * 2015-06-22 2017-11-28 清华大学 润滑界面和频信号的测量装置
CN109813670B (zh) * 2017-11-20 2020-11-10 中国科学院物理研究所 中红外光的全谱测量方法和相应的装置

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