JP5361956B2 - 電磁波を用いる検査装置、及び検査方法 - Google Patents
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Description
テラヘルツ波を第1の位置で発生させるための発生部と、
前記テラヘルツ波の波形情報を第2の位置で検出するための検出部と、
前記テラヘルツ波が前記発生部で発生してから、該テラヘルツ波の波形情報として前記検出部で検出されるまでの時間を変えるように、前記第1の位置と前記第2の位置との相対位置で決まる前記テラヘルツ波の伝播距離を変えるための距離変化部と、を有し、
前記距離変化部は、前記第1の位置或いは前記第2の位置に照射する励起光の入射角度を変えるための角度可変ミラー、或いは、前記発生部と前記検出部との相対位置を変えるための可動ステージであり、
前記発生部により発生したテラヘルツ波ごとに、前記検出部で検出されたテラヘルツ波の波形情報と前記伝播距離とを関連付けることを特徴とする。
まず、11は、テラヘルツ波を発生させるための発生部である。前記発生部11は、低温成長させたGaAs(LT−GaAs)、InGaAs、AlGaAsなどの光伝導性を有する半導体(単一の層構造、光伝導膜とも呼ぶ。)であることが望ましい。また、前記発生部11は、前記光伝導性を有する半導体を含み構成される構造体(複数の層構造)であることが望ましい。前記構造体は、励起光の光子エネルギーより小さなバンドギャップエネルギーを持つ半導体を含み構成されるダイオード構造(整流性を持たせた構造)のことである。例えば、p-i-nダイオード構造、metal-i-nダイオード構造、metal-i-metalダイオード構造、ショットキーバリアダイオード構造などを用いることができる。これらは、素子に逆バイアスを印加することにより、励起光の照射で発生するキャリアにより流れる電流を小さくすることができる。このため、発生部11の抵抗が小さくても、効率良くキャリアに電界を印加することができる。ここで、i層の材料には、例えば、LT−GaAsよりも抵抗の低いInGaAsなどを用いることが好ましいが、本発明はこれに限らない。また、前記発生部11には、共鳴トンネルダイオード、半導体超格子、超伝導体などを用いても良い。
次に、前記遅延部14について、図1(b)を用いて説明する。
前記遅延部14は、テラヘルツ波が前記発生部11で発生する位置(第1の位置17とも呼ぶ。)と、該テラヘルツ波の波形情報を前記検出部12で検出する位置(第2の位置18とも呼ぶ。)との相対位置を変える機能を有することが好ましい。前記第1の位置17と前記第2の位置18との距離を変化させるもの(距離変化部とも呼ぶ。)であれば何でも良い。
別の本実施例に係るテラヘルツ波の時間波形に関する情報を取得するための方法(或いは波形情報取得方法)は、以下の工程を有する。
1)テラヘルツ波を伝播させる工程。
2)第1の伝播距離を伝播したテラヘルツ波の波形情報を取得する工程。
3)前記テラヘルツ波の伝播距離を第2の伝播距離に変化させる工程。
4)前記第2の伝播距離を伝播したテラヘルツ波の波形情報を取得する工程。
5)前記第1の伝播距離及び前記第2の伝播距離で伝播したテラヘルツ波の波形情報から取得される時間波形に関する情報を取得する工程。
本実施形態に係る検査装置及び検査方法は、上記効果を達成するために、次の基本的な構成要素ないし工程を有する。すなわち、検査装置は、発生部で発生する電磁波を検出部に伝播するための伝播部を有して、距離変化手段により、上記発生部の電磁波を発生する電磁波発生位置と上記検出部の電磁波を検出する電磁波検出位置との間の、上記電磁波の伝播距離を変化させる。また、検査方法は、電磁波を発生する発生工程と、上記電磁波を検出する検出工程と、上記電磁波を発生する電磁波発生位置と上記電磁波を検出する電磁波検出位置との間の、電磁波の伝播距離を変化させる距離変化工程とを含む。
図2-1(a)及び(b)に示す様に、本デバイスの主要部分は、基板114上の、基準電極113、第1光伝導膜110、第2光伝導膜112、第1誘電体111、第2誘電体116、第3誘電体117、第1電極109、第2電極115を含む。基準電極とは、本実施形態の検査で用いる検査素子118において電位の基準となる電極を意味する。
次に、本デバイスを駆動させる駆動系と駆動方法について説明する。
基準電極113を電気的に接地(アース)させ、第1電極109にバイアス電圧(10V程度)を印加する。また、第2電極115に、高利得電流電圧変換増幅器106を接続する。
本実施形態では、上述した様なパルス時間幅が100フェムト秒程度の超短パルスレーザ光を分割してポンプ光とプローブ光を得ている。よって、ポンプ光照射位置(電磁波発生位置)で発生する電磁波のパルス周波数と、プローブ光照射位置(電磁波検出位置)に伝播してくる電磁波を取り込むサンプリング周波数との比が1:1になっている。また、検出部に伝播してくる電磁波のパルスの時間幅は、プローブ光によるサンプリングの時間幅より十分大きくなっている。よって、後述する様に、検出部に伝播してくる電磁波の時間波形の少なくとも一部を取得することができる。
t=nMSLx/c 式1
ここで、tは時間、nMSLは、光伝導膜上におけるマイクロストリップライン型伝送路を伝播するテラヘルツ波の実効屈折率、xはポンプ光照射位置107の移動距離、cは光速である。この式より、ポンプ光照射位置と各照射位置で得られた出力値の組み合わせが得られれば、時間波形を得られることが分かる。本実施形態では、アクチュエータ101からの信号をコンピュータ120に取り込むことで、ポンプ光照射位置107の位置情報を得る。こうして、コンピュータ120は、伝播距離の変化の情報と、検出部で検出される電磁波の情報とを関連付けて、伝播部を伝播してきた電磁波の時間波形の少なくとも一部を取得する。
(実施例1:角度可変ミラーにより入射角度を変化)
以下に、数値を交えてより具体的な実施例を示す。
図2-1と図2-2を用いて実施例1を説明する。実施例1では、基板114は例えばシリコン基板を用い、真空蒸着法でチタン及び金を積層することで基準電極113を形成する。基準電極113は厚さ300nm程度とする。第1光伝導膜110及び第2光伝導膜112は、200℃〜300℃で分子ビームエピタキシー法にて結晶成長させた低温成長ガリウムヒ素(LT−GaAs)膜(厚さ1μm〜2μm程度)などを用いる。上記LT−GaAs膜を基準電極113上に設置する方法は、いわゆるエピタキシャルリフトオフ法や、AuSn(金スズ)ボンディング後に基板をウェットエッチングで除去する方法などを用いることができる。第1光伝導膜110と第2光伝導膜112は1mm程度隔てて設置される。
実施例2を以下に記す。上記実施例1では、アクチュエータ204を使用してポンプ光側ミラー203の傾きを変え、ポンプ光照射位置107を第1電極109に沿って移動させるが、本実施例では音響光学素子404を用いる(図4参照)。例えばカルコゲナイトガラスなどの音響光学媒体を使用し、これを数10MHzの超音波で駆動することで、音響光学媒体に入射しこれを通過する電磁波の数10ミリrad(1°〜2°)程度のビーム偏向が得られる。ここでは、制御用電気信号を超音波発生部に印加して超音波を発生させ、これを音響光学媒体に入れてビーム偏向させる。このとき、制御用電気信号を制御して超音波の駆動周波数を変化させることで偏向角を変化させ、ポンプ光照射位置を第1電極109に沿って移動させる。なお、その他の付番について、本実施例を示す図4では、図2-1と図2-2に示すものと同じ機能を有する部分を、十の位まで同じ四百番台の数字で示す。
実施例3を以下に記す。上記実施例1では、アクチュエータ101からの信号をコンピュータ120に取り込むことで、ポンプ光照射位置107の位置情報を得ている。本実施例では、より正確にポンプ光照射位置を求めるために、図5に示す様に第1電極509に沿ってこの付近に高反射率マーカー514を複数設置している。高反射率マーカー514は、第1電極509と同じく、フォトリソグラフィーと真空蒸着法によるリフトオフプロセスでチタンと金を積層させて作製することができる。高反射率マーカー514は第1電極509から或る程度離して形成することで、第1電極509を信号線とするマイクロストリップラインを伝播するテラヘルツ波に影響を与えない様にできる。
実施例4を以下に述べる。上記実施例1ではポンプ光照射位置のみを第1電極に沿って移動させるが、本実施例ではポンプ光703とプローブ光704の両方をそれぞれ第1電極708a、708bに沿って移動させる。
実施例5を以下に述べる。上記実施例1では、発生した電磁波は第1電極、第1誘電体、基準電極で構成されるマイクロストリップライン型伝送路を伝播するが、本実施例では、いわゆるコプレーナストリップ線路型伝送路を使用する。
実施例6を以下に述べる。上記実施例1では、ポンプ光を第1電極に沿って移動させることで、検出部に伝播してくるテラヘルツ波の時間波形を取得するが、本実施例ではポンプ光を複数として各々異なる位置に照射し、各ポンプ光の光路に設置したシャッターを開閉する。こうして、シャッターによりポンプ光を切り替えることで、ポンプ光照射位置を移動させる。
本発明の第7の実施例を、図13-1及び図13-2を用いて説明する。図13-1(a)及び(b)に示す様に、本実施例では1枚の横長のLT−GaAs膜を設置することにより、実施例1における第1誘電体部分をLT−GaAs膜が兼ねる。すなわち、実施例1における第1光伝導膜110、第1誘電体111、第2光伝導膜112を、実施例7では第1光伝導膜1310で置き換えた構造となっている。第1光伝導膜1310上のポンプ光照射位置1307で発生したテラヘルツ波は、第1光伝導膜1310を誘電体とし、第1電極1309及び基準電極1312で構成されるマイクロストリップ線路を伝播する。そして、第1光伝導膜1310上のプローブ光照射位置1308で検出される。この様な構成にすることで、マイクロストリップ線路のインピーダンス不整合に伴う反射パルスを低減する効果がある。その他の点は実施例1と同様である。
本発明の第8の実施例を、図14-1を用いて説明する。図14-1に示す光伝導アンテナアレイ素子1501は、テラヘルツ波を発生する素子である。ガリウムヒ素基板に結晶成長させたLT−GaAs薄膜上に、いわゆるダイポールアンテナ型の電極を複数配列させたものである。ダイポールアンテナを構成する2つの電極間のギャップは典型的には5μm、隣り合うアンテナ間の間隔は500μm程度である。両電極間に10V程度の電圧を印加し、アンテナギャップにポンプ光1502(パルス時間幅100fs程度以下のフェムト秒レーザ)を照射することで、パルス状のテラヘルツ波が発生する。
本発明の第9の実施例を、図14-2を用いて説明する。テラヘルツ波を発生する、発生側光伝導アンテナ素子1601は、LT−GaAs薄膜上にコプレーナストリップライン1602とアンテナ1603が形成されたものである。コプレーナストリップライン1602は、20μm程度の幅を有する金属線が100μm程度の間隔を有して形成されているものである。コプレーナストリップライン1602の一方はアンテナ1603と接続されている。
本発明の第10の実施例を、図15を用いて説明する。
テラヘルツ波を発生する発生側光伝導アンテナ素子1702は、LT−GaAs上にダイポールアンテナ(不図示)が形成されたものである。発生側光伝導アンテナ1702へのポンプ光は、光ファイバー1701を伝播して直接前記ダイポールアンテナの所定の位置に照射される。発生側光伝導アンテナ素子1702から発生したテラヘルツ波は、放物面鏡1703にてコリメートされ、放物面鏡1705を経て検出側光伝導アンテナ素子1706に入射する。テラヘルツ波が検出側光伝導アンテナ素子1706に入射するのと同時にプローブ光が光ファイバー1707を伝播して入射する。
12、22 検出部
13 伝播部
14 遅延部
15 励起光
16 固定ミラー
17 第1の位置
18 第2の位置
29 テラヘルツ波
101,204,501,1301 アクチュエータ(距離変化手段)
103,208,408,503,703,911,1005,1006,1107,1108,1303,1502,1604 ポンプ光(レーザ光)
104,209,409,504,704,912,1004,1106,1304,1507,1609 プローブ光(レーザ光)
107,507,706,913,1307 ポンプ光照射位置(電磁波発生位置)
108,508,707,914,1308 プローブ光照射位置(電磁波検出位置)
113,1312 基準電極(発生部、検出部、伝播部)
114,907,1313 基板
118,207,407,1010,1316 デバイス(検査素子)
120,213,413,513,712,910,1318 コンピュータ(処理部)
201,401,1001 レーザ光源(発生部、検出部)
404 音響光学素子(距離変化手段)
524 高反射率マーカー
701 バンドパスフィルター(伝播部)
1002 第1ビームスプリッター(距離変化手段)
1003 第2ビームスプリッター(距離変化手段)
1008,1109 第1シャッター(距離変化手段)
1009,1110 第2シャッター(距離変化手段)
110,510,709,905,1103,1310 第1光伝導膜(発生部、伝播部、検出部)
109,509,708a,708b,901,1101,1309 第1電極(発生部、伝播部、検出部)
111,702,1102,1311 第1誘電体(伝播部)
112,511,710,906,1104 第2光伝導膜(伝播部、検出部)
115,902,1105,1314 第2電極(発生部、検出部、伝播部)
903 第3電極(検出部)
1501 光伝導アンテナアレイ素子
1503,1605 角度可変ミラー
1504 可動放物面鏡
1505,1606,1607 固定放物面鏡
1506 光伝導アンテナ素子
1508,1610 固定ミラー
1601,1702 発生側光伝導アンテナ素子
1602 コプレーナストリップライン
1603 アンテナ
1608,1706 検出側光伝導アンテナ素子
1701,1707 光ファイバー
1703,1705 放物面鏡
1704 ステージ
Claims (6)
- 電磁波を発生するための発生部と、
前記電磁波を検出するための検出部と、
前記発生部で発生する電磁波を前記検出部に伝播するための伝播部と、
前記発生部の電磁波を発生する電磁波発生位置と前記検出部の電磁波を検出する電磁波検出位置との間の、前記伝播部を介する電磁波の伝播距離を変化させるための距離変化部と、
前記伝播距離の変化の情報と、前記検出部で検出される電磁波の情報とを関連付けて、前記伝播部を伝播してきた電磁波の時間波形の少なくとも一部を取得するための処理部と、を有し、
前記電磁波の伝播状態の変化から、前記電磁波発生位置と前記電磁波検出位置との間に置かれる検体の情報を取得する検査装置であって、
前記電磁波発生位置で発生する電磁波のパルスを発生させるタイミングを決めるパルス周波数と、前記電磁波検出位置に伝播してきた電磁波を取り込むタイミングを決めるサンプリング周波数との比がn:1(nは1以上の自然数)になっており、
前記発生部と前記検出部の少なくとも一方は、前記電磁波を発生または検出するための光伝導部を有し、
前記光伝導部は、複数の電極と、光伝導性を有する半導体膜を含んで構成され、
前記光伝導部の前記複数の電極は互いに接触せず且つ前記半導体膜に接して形成され、
前記光伝導膜上の前記電磁波発生位置または前記電磁波検出位置に、前記パルス周波数または前記サンプリング周波数のレーザ光を照射して前記電磁波の発生または検出が行われ、
前記距離変化部は、前記電磁波発生位置と前記電磁波検出位置の少なくとも一方を変化させて前記伝播距離を変化させることを特徴とする検査装置。 - 前記レーザ光を照射する位置が、前記レーザ光の照射によって前記半導体膜に生じた電荷キャリアが前記複数の電極の間を伝導し得る位置であることを特徴とする請求項1に記載の検査装置。
- 前記距離変化部は、前記レーザ光を前記光伝導膜に入射させるために設けられたミラーの角度を変化させて前記電磁波発生位置または前記電磁波検出位置を変化させ、
前記処理部は、前記ミラーの角度の情報を受けて前記伝播距離の変化の情報を得ることを特徴とする請求項1または2に記載の検査装置。 - 前記距離変化部は、前記レーザ光が通過する音響光学素子を用いて前記電磁波発生位置または前記電磁波検出位置を変化させ、
前記処理部は、前記音響光学素子の動作周波数の情報を受けて前記伝播距離の変化の情報を得ることを特徴とする請求項1または2に記載の検査装置。 - 前記距離変化部は、複数に分岐された前記レーザ光をシャッターの開閉で切り替えて前記電磁波発生位置または前記電磁波検出位置に照射して前記電磁波発生位置または前記電磁波検出位置を変化させ、
前記処理部は、前記レーザ光の切り替えの情報を受けて前記伝播距離の変化の情報を得ることを特徴とする請求項1または2に記載の検査装置。 - 電磁波を発生する発生工程と、
前記電磁波を検出する検出工程と、
前記電磁波を発生する電磁波発生位置と前記電磁波を検出する電磁波検出位置との間の、電磁波の伝播距離を変化させる距離変化工程と、
前記伝播距離の変化の情報と、前記検出される電磁波の情報とを関連付けて、前記電磁波検出位置に伝播してきた電磁波の時間波形の少なくとも一部を取得する時間波形取得工程と、を含み、
前記電磁波の伝播状態の変化から、前記電磁波発生位置と前記電磁波検出位置との間に置かれる検体の情報を取得する検査方法であって、
前記電磁波発生位置で発生する電磁波のパルスを発生させるタイミングを決めるパルス周波数と、前記電磁波検出位置に伝播してきた電磁波を取り込むタイミングを決めるサンプリング周波数との比をn:1(nは1以上の自然数)に設定し、
前記発生工程において、前記電磁波発生位置は、レーザ光を照射して前記パルス周波数の電磁波を発生する位置であり、前記レーザ光を照射する位置を変化させて前記電磁波発生位置で発生する電磁波を変調し、
前記検出工程において、前記変調された電磁波を同期検波することを特徴とする検査方法。
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