WO2006051766A1 - 光計測評価方法及び光計測評価装置 - Google Patents

光計測評価方法及び光計測評価装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2006051766A1
WO2006051766A1 PCT/JP2005/020410 JP2005020410W WO2006051766A1 WO 2006051766 A1 WO2006051766 A1 WO 2006051766A1 JP 2005020410 W JP2005020410 W JP 2005020410W WO 2006051766 A1 WO2006051766 A1 WO 2006051766A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
light
polarization
pulse
optical pulse
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/020410
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yasunori Toda
Satoru Adachi
Original Assignee
National University Corporation Hokkaido University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University Corporation Hokkaido University filed Critical National University Corporation Hokkaido University
Priority to JP2006544884A priority Critical patent/JPWO2006051766A1/ja
Priority to US11/667,678 priority patent/US20080002184A1/en
Publication of WO2006051766A1 publication Critical patent/WO2006051766A1/ja

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/636—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited using an arrangement of pump beam and probe beam; using the measurement of optical non-linear properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/447—Polarisation spectrometry

Definitions

  • the present invention relates to an optical measurement evaluation method and an optical measurement evaluation apparatus, and more particularly to a highly sensitive optical measurement evaluation technique for a thin film crystal.
  • FIG. 3 reflectance spectroscopy (FIG. 3) and emission spectroscopy (FIG. 4) have been used as simple methods for evaluating optical anisotropy.
  • the reflectance spectrum shown in FIG. 3 is an evaluation of a gallium nitride (GaN) thin film layer formed on the sapphire A plane, with the horizontal axis representing energy and the vertical axis representing reflectance.
  • the excitation light emitted from the lamp light source irradiates the sample with a polarization plane parallel to the crystal axis [-1-120] or [1-100].
  • the locations where dispersion occurs correspond to exciton levels.
  • Non-Patent Document D o the sapphire A surface and the GaN thin film layer have a uniaxial strain corresponding to the crystal axis due to the difference in thermal expansion coefficient. For this reason, a change in the reflection width according to the change in polarization is observed (Non-Patent Document D o).
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of optical anisotropy evaluation based on an emission spectrum.
  • the horizontal axis shows energy, and the vertical axis shows the intensity of the emission spectrum.
  • Fig. 4 several peaks including impurity levels are observed, but the peak indicated by ⁇ corresponds to the exciton level, and the optical value indicated by the difference between the broken line and the solid line. Anisotropy has been confirmed (Non-Patent Document 2).
  • Non-patent ⁇ ffl ⁇ l Optical properties of wurtzite GaN epilayers grown on A-plane sapp hire ": A. Alemu, B. Gil, M. Julier, and S. Nakamura, Physical Review B 57, 3761-37 64 (1998 )
  • Patent Document 2 "Spin-exchange splitting of excitons in GaN”: P. P. Pakov, T. Paskova, P. O. Holtz, and B. Monemar, Physical Review B 64, 115201 1-6 (2001)
  • Optical devices often use thin-film crystals by heteroepitaxial growth.
  • the grown thin film has strain and defects due to differences in thermal expansion coefficient from the substrate and lattice mismatch. Such strains can cause significant changes in electron energy and band structure.
  • An object of the present invention is to provide a technique for evaluating optical anisotropy with higher sensitivity.
  • optical evaluation of a thin film is realized by detecting the optical anisotropy with high sensitivity using the nonlinearity of electronic polarization.
  • the polarization-dependent force of the diffracted light spectrum also estimates the optical anisotropy of the thin film.
  • optical measurement evaluation having a sensitivity that is a fourth power of that of a conventional linear spectroscopy technique is realized.
  • a gallium nitride semiconductor thin film can be evaluated with high accuracy by detecting minute strains of about MPa (megapascal).
  • FIG. 1A is a diagram showing a simplified configuration example for explaining in principle the optical measurement evaluation apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 1B is a diagram showing a calculation result example in which the four-wave mixing spectrum obtained for a thin film crystal having anisotropy is plotted with respect to the polarization angle and the energy.
  • FIG. 1C is a more specific configuration example of the optical measurement evaluation apparatus according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 1C is a more specific configuration example of the optical measurement evaluation apparatus according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of the four-wave mixing method.
  • FIG. 3 Evaluation method of optical anisotropy based on reflectance spectroscopy, which evaluates a GaN layer formed on the A-plane of sapphire, with the horizontal axis representing energy and the vertical axis representing reflectance. Is shown.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of optical anisotropy evaluation based on an emission spectrum.
  • the horizontal axis indicates energy, and the vertical axis indicates the intensity of the emission spectrum.
  • Fig. 5A is a contour map of the peak intensity when the polarized light pulse to be excited is rotated by a half-wave polarizing plate placed on a rotating stage.
  • the horizontal axis is energy
  • the vertical axis is the angle of polarization.
  • This figure shows the optical anisotropy of a gallium nitride thin film epitaxially grown on a sapphire substrate, with the horizontal axis representing energy and the vertical axis representing four-wave mixing (FWM) intensity, and a pulse width of about 150 fs.
  • 4 is a spectrum diagram of four-wave mixing obtained when the light pulse is irradiated onto a gallium nitride (GaN) thin film having uniaxial strain.
  • FIG. 6 The upper left diagram shows the polarization dependence of the peak intensity when the spectrum of FIG. 5A is approximated by the nonlinear least square method using the Lorentz function.
  • the horizontal axis is polarization
  • the vertical axis is a diagram showing the intensity of four-wave mixing.
  • the lower left figure shows the polarization dependence of the energy peak value.
  • the horizontal axis is polarized light
  • the vertical axis is energy.
  • the right figure is a figure corresponding to the upper left figure and the lower left figure, and shows the oscillator strength, exciton energy and polarization dependence based on each response function.
  • FIG. 7A A diagram showing the results of evaluating a GaN thin film (GaN layer with a substrate removed: sample having a thickness of 70 ⁇ ) using the optical measurement evaluation apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 7B is a diagram showing the results of evaluating a GaN thin film (having a GaN layer grown on an isotropic substrate: a sample having a thickness of 2.3 ⁇ m) using the optical measurement evaluation apparatus according to the present embodiment. .
  • Sono 8 is a diagram showing a configuration example of the optical measurement evaluation apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • Sono 9] is a diagram showing a configuration example of the measuring apparatus in the third embodiment of the present invention.
  • a ... Optical measurement and evaluation device 1 ... Optical node generator, 3 ... Half mirror, 5 ... First mirror, ⁇ '"Second mirror, 9 ... Third mirror, 11 ... Fourth 15 ... Wave plate (half-wave phase plate), 17 ... Lens, 21 ... Spectroscope, 23 ... Personal computer PC functioning as a control device BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1C is a diagram illustrating a configuration example of the optical measurement evaluation apparatus according to the present embodiment.
  • Figure 2 shows the principle of the four-wave mixing method. As shown in Figure 2, the four-wave mixing method has two different wave vectors (e.g., k and k) for thin film samples.
  • a diffraction grating with electronic polarization (wave number vector of interference wave: G) is formed on sample S.
  • This diffraction grating detects diffracted light (2k -k) by self-diffracting one optical pulse.
  • Four-wave mixing is a well-known nonlinear spectroscopy.
  • the spin has a momentum corresponding to the circular polarization of light. Therefore, the spin addition can be excited by linearly polarized light.
  • the upward spin (T) and downward spin ( ⁇ ) states of the valence band hole are degenerate. This time non
  • the quantum state (T +) described by the sum of spins and ( ⁇ -I) have different energies.
  • Each quantum state (( ⁇ + ⁇ ) and ( ⁇ - ⁇ ) have different energies.
  • FIG. 1A is a diagram showing a simplified configuration example for explaining in principle the optical measurement evaluation apparatus according to the present embodiment.
  • Two pulse lights 101 and 102 having different wave vectors aligned with parallel linearly polarized light emitted from a laser (not shown) and having an arbitrary delay time difference ⁇ (including 0) are provided with a half stage provided with a rotation stage.
  • the four-wave mixing spectrum was dispersed through the wave plate 105 while simultaneously rotating the polarization with respect to any crystal axis of the object to be measured (in the figure, a GaN crystal formed on the c-axis oriented sapphire surface).
  • FIG. With such a simple configuration, it is possible to detect minute changes in optical anisotropy that are not affected by the background.
  • FIG. 1B is a diagram showing an example of a calculation result in which a four-wave mixing spectrum obtained for an anisotropic thin film crystal is plotted with respect to a polarization angle and energy. As shown in Fig. 1B, it is possible to represent the exciton polarity in three dimensions.
  • optical measurement evaluation apparatus According to the present embodiment, the optical measurement evaluation apparatus according to the present embodiment will be described more specifically.
  • FIG. 1C is a diagram showing a configuration example of the optical measurement evaluation apparatus according to the present embodiment.
  • the optical measurement evaluation apparatus A includes an optical panel generator 1 that generates an optical pulse, a half mirror 3, a first mirror 5, and a second mirror 7.
  • the optical pulse L1 emitted from the optical pulse generator 1 is separated into two pulsed lights L2 and L3 in the half mirror 3.
  • the pulsed light L2 is reflected by the mirror 5 and the mirror 7 (pulsed light L4, L5), and the polarization of the light pulse is rotated by the half-wave phase plate 15 placed on the rotating stage 15a, and the lens 17 is used to cause the surface of the sample S
  • the focus is adjusted to (L8).
  • the light pulse L3 is reflected by the retroreflector 11 that returns light that is non-coaxial and parallel to the incident light (L6), and is reflected by the mirror 9 to reflect the light.
  • the polarized light of the pulse is rotated by the half-wave phase plate 15 installed on the rotation stage 15a, and the lens 17 is focused on the same position on the sample S by the optical path L7 different from the above L8 (L7). .
  • the sample S is irradiated with the two optically-polarized linearly polarized light simultaneously rotated.
  • an optical system is designed such that the same optical pulse is separated into two optical pulses, and the sample is irradiated with different optical paths.
  • L8 can have wave number k
  • optical pulse L7 can have wave number k. Wave number k and wave respectively
  • the four-wave mixing phenomenon shown in Fig. 2 occurs.
  • the diffracted light by four-wave mixing is proportional to the fourth power of the magnitude of the electronic polarization (oscillator strength)
  • highly sensitive anisotropy can be evaluated for the thin film crystal. For example, if there is an anisotropic change due to uniaxial strain or the like in an isotropic thin film, a large anisotropy appears in the intensity of the diffracted light (2k 1 k) by rotating the polarization of the excitation light pulse.
  • FIGS. 5A and 5B are examples evaluated by the optical evaluation method according to the present embodiment, and are diagrams showing optical anisotropy of a gallium nitride (GaN) thin film epitaxially grown on a sapphire substrate. It is.
  • GaN gallium nitride
  • FIG. 5A is a contour map of peak intensity when the polarized light pulse to be excited is rotated by a half-wave phase plate placed on a rotary stage.
  • the horizontal axis is energy
  • the vertical axis is the angle ⁇ with respect to an arbitrary crystal direction of linearly polarized light.
  • This is equivalent to the optical measurement of X-ray diffraction.
  • This method is safe because it does not contain radioactive materials, and because of its small and simple device configuration, it can be used for portable evaluation analysis and crystal evaluation of mounted devices. Furthermore, it has excellent time resolution (X-ray diffraction: millisecond, this method: femtosecond). In this figure, in the measurement shown in FIG.
  • the wave plate 15 is rotated by a rotation stage 15a every 1 degree, and the diffracted light spectrum is captured by the spectroscope 21.
  • the height of the contour line indicates the intensity of the FWM, and the intensity increases toward the MAX shown above.
  • Figure 5A a very clear contour pattern is shown depending on energy and rotation angle.
  • FIG. 5B is a diagram showing the relationship between the energy at the rotation angle indicated by the arrow and the intensity of FWM.
  • Energy is plotted on the horizontal axis
  • four-wave mixing (FWM) intensity is plotted on the vertical axis.
  • FWM four-wave mixing
  • the rotation angle ⁇ is ⁇
  • the top pattern of Fig. 5 ⁇ where the crystal axis direction is [-1-120] (the symbol before the number represents a bar)
  • the rotation angle ⁇ force SO. 75 ⁇ corresponds to the pattern in the middle of Fig. 5 ⁇ ⁇ where the crystal orientation is [-2020]
  • the rotation angle ⁇ force S0.5 TT corresponds to the pattern below Fig. 5 ⁇ ⁇ where the crystal orientation is [1-100].
  • the intensity pattern having a peak near the energy of 3.500 eV corresponds to the peak of the A exciton
  • the intensity pattern having a peak near the energy of 3.509 eV corresponds to the peak of the B exciton.
  • the peak of the A exciton and the peak of the B exciton show different polarization dependences.
  • the GaN epitaxial thin film used as the sample is grown on the sapphire substrate on the A plane, and contains uniaxial strain because there is a difference in thermal expansion coefficient depending on the crystal axis of the sapphire substrate.
  • a and B excitons have different optical anisotropy with respect to strain.
  • the peak said here is a spectatonole with a certain spread.
  • the upper left diagram of FIG. 6 is a diagram showing the polarization dependence of the peak intensity corresponding to each exciton peak when the spectrum shown in FIG. 5B is approximated by a nonlinear least square method using a Lorentz function.
  • the horizontal axis represents the polarization angle
  • the vertical axis represents the diffraction signal intensity of four-wave mixing.
  • saturation of exciton intensity based on many-body effects that appear as exciton increases.
  • FIG. 2 is a diagram comparing experimental values and theoretical calculation values after adjusting the arrival times of the two light pulses in FIG. 1 to the sample surface for removal.
  • the diffracted light intensity corresponds to the fourth power of the oscillator strength, and it can be seen that the intensity is significantly higher than the evaluation by linear spectroscopy (proportional to the oscillator strength) shown in FIGS. Furthermore, it has been confirmed that the crystal axis direction of the substrate corresponds to the intensity change due to polarization. In other words, A and B excitons are split into two levels with different spin addition methods due to uniaxial strain. This can be confirmed from changes in peak energy.
  • the lower left diagram of FIG. 6 is a diagram showing the polarization dependence of the A and B exciton energy values.
  • the horizontal axis is the polarization angle ⁇
  • the vertical axis is the exciton energy.
  • Each force of A exciton and B exciton is separated into two levels with different sums of spins, and changes in the exciton level energy are observed depending on the polarization angle. Yes.
  • the split widths of the exciton levels of A and B are very small values of lmeV or less, polarization dependence reflecting the optical anisotropy is clearly observed.
  • the laser oscillation gain for example, by estimating the split width of exciton energy having polarization dependence.
  • the split width of exciton energy is very useful in designing the optical element. It is an important physical property value that can be obtained.
  • the figure on the right side of FIG. 6 is a calculated value when fsin ⁇ is assumed, and corresponds to the ellipsometry result using linear spectroscopy, which is a conventional method.
  • the intensity ratio (I / 1) is significantly different from the actual max mm test value.
  • the intensity ratio of this method is about 10 times higher than the theoretical calculation results of the conventional method, confirming the realization of high sensitivity.
  • Figures 7A and 7B are GaN thin films that can be considered ideally unstrained in general (Figure 8A shows a GaN layer with the substrate removed: a 70 ⁇ m thick sample, and Figure 8B shows an isotropic view.
  • FIG. 5 is a diagram showing the results of evaluating a GaN layer grown on a typical substrate (a sample having a thickness of 2.3 ⁇ m) using the optical measurement evaluation apparatus according to the present embodiment. With respect to such a sample, it was difficult to estimate the distortion by the conventional method, but when the optical measurement evaluation apparatus according to the present embodiment is used, it is illustrated. As can be seen, it is possible to confirm the presence of periodic shading with respect to the polarization angle ⁇ .
  • the four-wave mixing method is used to detect a minute change in optical anisotropy, and the light pulse excited in the thin film isotropic in the in-plane direction of the sample. Based on the large anisotropy of the diffracted light intensity that appears by rotating the polarized light, the anisotropy inherent in the crystal such as uniaxial strain can be accurately evaluated. It is also possible to estimate the minute energy change and energy splitting of the electronic band structure as represented by the sum of spins caused by the spin exchange interaction caused by the anisotropic external field.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of the optical measurement evaluation apparatus according to the present embodiment.
  • the optical measurement / evaluation apparatus B according to the present embodiment uses an optical delay system to measure the temporal change of the optical measurement / evaluation apparatus A shown in FIG. Is simplified by introducing a step to separate the light pulse into two. That is, as shown in FIG.
  • the optical measurement evaluation apparatus B includes an optical pulse generator 51 that generates an optical pulse L11, a lens 53 that receives the generated optical pulse L11, and an output from a lens 53.
  • the diffraction grating 55 that receives the received light pulse and splits it into two
  • the lens 57 that converts the light pulses L12 and L13 separated into two by the diffraction grating 55 into parallel light, and the light pulses L12 and L13, respectively.
  • the rotary stage 51a and the spectroscope 65 are controlled by the personal computer PC67 so as to automatically take in peak energy and peak intensity.
  • the presence of an anisotropic change due to uniaxial strain or the like can be evaluated with high accuracy as in the first embodiment.
  • the light pulse can be separated into two light paths with exactly the same light intensity, and 2 on the sample. Since the temporal and spatial overlap of two optical nodes is automatically guaranteed, there is an advantage that the measurement system can be simplified and adjustment of the optical pulse path is not required.
  • the measuring apparatus according to the present embodiment shown in FIG. 9 is characterized by obtaining a spatial anisotropy distribution.
  • an optical system that includes the spatial movement of the sample is required.
  • the optical measurement evaluation apparatus C according to the present embodiment includes an optical pulse generator 70, a wave plate 71, a half mirror 73, a first mirror 75 and a second mirror 81, A first objective lens 77 and a second objective lens 83, a sample S, and an xyz axis stage 85 are provided.
  • the light pulse L21 emitted from the light pulse generator 70 is divided into a light plate L22 by separating the light pulse polarized and rotated by the wave plate 71 having the rotation stage 71a and the wave plate 71 having the rotation stage 71a into two directions.
  • Half mirror 73 that separates into light pulse L23, mirror 75 that reflects light pulse L22 to change the direction of incidence from one side of sample S, and light pulse L23 that reflects from the other side of sample S
  • Mirror 81 that changes direction
  • objective lens 77 that focuses light pulse L24 reflected by mirror 75 on sample S
  • optical noise L25 reflected by mirror 81 are focused on sample S.
  • An objective lens 83, and an xyz axis stage 85 that holds the sample S and can be moved on the x-y-z axis.
  • Four-wave mixing spectroscopy emits a signal as diffracted light with high directivity. This means that background noise (e.g. Rayleigh scattered light due to excitation light) is compared to light emitted isotropically, for example.
  • background noise e.g. Rayleigh scattered light due to excitation light
  • the evaluation apparatus is characterized in that excitation light is irradiated in the opposite direction in order to obtain non-coaxial and high spatial resolution.
  • the optical axes of the two excitation lights are set near the center of the objective lens, and the focal points are matched.
  • the four-wave mixed signal reflects the difference in direction force and is detected through an optical axis different from that of the excitation light. As a result, it is possible to collect the excitation light in a spatially minute region while separating the excitation light and the four-wave mixed signal.
  • the location of the sample where the optical focus is focused is changed by the XYZ stage, and the anisotropy at each point is mapped three-dimensionally by rotating the polarization.
  • This makes it possible to estimate the distribution of anisotropic external fields. For example, when a defect such as a threading transition exists in a thin film, an anisotropic strain is induced around the defect, and anisotropy with respect to polarized light is observed. Observation of three-dimensional optical anisotropy enables optical evaluation of defect distribution.
  • the optical measurement evaluation method according to each embodiment of the present invention is a non-linear measurement method, and thus strongly depends on the power density.
  • imaging within the thin film is possible as long as it is sensitive to the focal position of the light pulse and the loss due to light absorption is acceptable.
  • this method it is possible to evaluate the influence of the substrate on the strain, for example.
  • the evaluation target of optical anisotropy in each of the above embodiments can also be used when an anisotropic external field is applied to an isotropic thin film crystal.
  • the optical anisotropy evaluation technique for uniaxial strain has been described using the gallium nitride semiconductor thin film as an example.
  • the present invention is not limited in terms of materials, strain characteristics, and the like. .
  • liquid crystal materials and organic semiconductor materials are also objects of measurement. It can also be used for Balta surface analysis.
  • the present invention is useful as a thin film evaluation apparatus and a thin film evaluation technique that can accurately evaluate the optical anisotropy of a thin film indispensable for optical devices and electronic devices.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

　高感度の光学異方性の評価技術を提供する。 　光計測評価装置Ａは、光パルスを発生する光パルス発生器１とハーフミラー３と第１のミラー５と第２のミラー７と第３のミラー９とリトロリフレクター１１と波長板１５と、ンズ１７と分光器２１と制御装置（ＰＣ）２３とを有する。光パルス発生器１から出射した光パルスＬ１は、ハーフミラー３において２つのパルス光Ｌ２とＬ３とに分離される。パルス光Ｌ２は、ミラー５及びミラー７により反射され（パルス光Ｌ４、Ｌ５）、光パルスの偏光を回転ステージ１５ａに設置した半波長位相板１５により回転し、レンズ１７により試料Ｓの表面上に焦点が合わされる（Ｌ８）。光パルスＬ３は、非同軸で入射光と平行な光を返すリトロリフレクター１１により反射され（Ｌ６）、ミラー９によって反射され、光パルスの偏光を回転ステージ１５ａに設置した半波長位相板１５により回転され、レンズ１７により上記Ｌ８と異なる光路Ｌ７により試料Ｓ上の同様の位置に焦点が合わされる。この際、２つの光パルスの略平行にそろえられた直線偏光を同時に回転して試料Ｓに照射する。光パルスＬ８に波数ｋ１を光パルスＬ７に波数ｋ２をもたせることで四光波混合現象が起こる。等方的な薄膜に一軸歪等による非等方性の変化が存在すると、回折光（２ｋ２－ｋ１）の強度に大きな異方性が現れる。

Description

明 細 書
光計測評価方法及び光計測評価装置
技術分野
[0001] 本発明は、光計測評価方法及び光計測評価装置に関し、特に薄膜結晶の高感度 な光計測評価技術に関する。
背景技術
[0002] 従来から、光学異方性の評価方法として、反射率分光 (図 3)や発光分光 (図 4)が簡 易的な方法として用いられてきた。図 3に示す反射率分光は、サファイアの A面上に 形成された窒化ガリウム (GaN)薄膜層を評価したものであり、横軸はエネルギーを、 縦軸は反射率を示している。 ランプ光源から出射された励起光は、結晶軸 [-1-120] または [1-100]に平行な偏光面を持って、試料に照射される。分散が生じている箇所 (A、 B, Cで示される矢印)が励起子準位に対応する。この試料では、サファイア A面 と GaN薄膜層とは、熱膨張係数の差に起因して結晶軸に応じた 1軸性の歪が存在す る。そのため、偏光の変化に応じた反射スぺ外ルの変化が観測される（非特許文献 D o
[0003] 図 4は、発光スペクトルによる光学異方性評価例を示す図である。横軸はエネルギ 一を、縦軸は発光スペクトルの強度を示している。図 4に示すように、不純物準位を含 むレ、くつかのピークが観測されるが、 Γで示されるピークが励起子準位に対応し、破 線と実線との差で示される光学異方性が確認されてレ、る（非特許文献 2)。
非特許乂 ffl^l： Optical properties of wurtzite GaN epilayers grown on A- plane sapp hire" : A. Alemu, B. Gil, M. Julier, and S. Nakamura, Physical Review B 57, 3761-37 64 (1998)
特許文献 2 : "Spin - exchange splitting of excitons in GaN" : P. P. Pakov, T. Paskova ， P. O. Holtz, and B. Monemar, Physical Review B 64, 115201 1—6 (2001)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 光デバイスではへテロェピタキシャル成長による薄膜結晶が用いられる場合が多い 。成長した薄膜には、基板との熱膨張係数差や格子不整合のために歪や欠陥が生 じる。このような歪は、電子エネルギーおよびバンド構造に大きな変化を与える。歪や 欠陥のもたらす光学異方性の大きさ、方向を高感度に測定することにより、期待され るデバイス性能を得るための知見を得ることができる。
[0005] 上記背景技術に記載した反射率分光及び発光分光は、光デバイス評価方法として 確立されているが、光誘起分極に対して線形な測定であるため、微小な光学異方性 を評価するのには十分とは言えない。すなわち、上記の手法は、いずれも線形分光 であるため、光学異方性の評価における感度が小さくなりがちである。また反射スぺ タトルにおける電子エネルギーを見積るためには、クラ一マス'クローニッヒ変換が必 要であり、多数の近似パラメータを必要とするため精度が低レ、。他方で、発光分光は 必ず不純物準位などによるスペクトルが重畳するため、電子エネルギーを同定する ためには、他の手法との比較が必要であるという問題点があった。
[0006] 本発明は、より感度の高い光学異方性の評価技術を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明では、電子分極の非線形性を利用し、光学異方性を高感度に検出すること によつて薄膜の光学評価を実現する。非線形分光の 1つである四光波混合分光法を 利用して、回折光スぺ外ルの偏光依存性力も薄膜の光学的異方性を見積る。 発明の効果
[0008] 本発明によれば、電子分極の 3次非線形性を利用することにより、従来の線形分光 手法の 4乗倍の感度をもつ光計測評価が実現される。この高感度化により、例えば窒 化ガリウム半導体薄膜においては、 MPa (メガパスカル)程度の微小な歪を検出する 高精度な評価が可能となる。
図面の簡単な説明
[0009] [図 1A]本実施の形態による光計測評価装置を原理的に説明するための単純化した 構成例を示す図である。
[図 1B]異方性をもつ薄膜結晶に対して得られる四光波混合スぺ外ルを偏光角とェ ネルギ一とに対してプロットした計算結果例を示す図である。
[図 1C]本発明の第 1の実施の形態による光計測評価装置のより具体的な構成例を 示す図である。
[図 2]四光波混合法の原理を示す図である。
[図 3]反射率分光に基づく光学異方性の評価方法であって、サファイアの A面上に形 成された GaN層を評価したものであり、横軸はエネルギーを、縦軸は反射率を示して いる。
園 4]発光スペクトルによる光学異方性評価例を示す図である。横軸はエネルギーを 、縦軸は発光スぺタトノレの強度を示している。
園 5A]励起する光パルスの偏光を回転ステージに設置した半波長偏光板によって回 転したときのピーク強度の等高線図である。横軸はエネルギーを、縦軸は偏光の角 度である。
園 5B]サファイア基板上にェピタキシャル成長された窒化ガリウム薄膜の光学異方性 を示す図であり、横軸にエネルギーを縦軸に四光波混合 (FWM)強度をとつており、 パルス幅 150fs程度の光パルスを 1軸性の歪を有する窒化ガリウム（GaN)薄膜に照 射したときに得られる四光波混合のスペクトル図である。
[図 6]左上図は、図 5Aのスペクトルをローレンツ関数により非線形最小 2乗法により近 似したときの、ピーク強度の偏光依存性を示す図である。横軸は偏光であり、縦軸は 四光波混合の強度を示す図である。左下図は、エネルギーピーク値の偏光依存性を 示す図である。横軸は偏光であり、縦軸はエネルギーである。右図は、左上図及び 左下図に対応する図であり、各応答関数にもとづく振動子強度および励起子ェネル ギ一と偏光依存性を示す図である。
園 7A]GaN薄膜 (基板を除去した GaN層：厚さ 70 μ ΐηの試料)を、本実施の形態に よる光計測評価装置を用いて評価した結果を示す図である。
園 7B]GaN薄膜（は等方的な基板上に成長された GaN層：厚さ 2.3 μ mの試料）を、 本実施の形態による光計測評価装置を用いて評価した結果を示す図である。
園 8]本発明の第 2の実施の形態による光計測評価装置の一構成例を示す図である 園 9]本発明の第 3の実施の形態に測定装置の構成例を示す図である。
符号の説明 [0010] A…光計測評価装置、 1…光ノ^レス発生器、 3…ハーフミラー、 5…第 1のミラー、 Ί' " 第 2のミラー、 9…第 3のミラー、 11…第 4のミラー、 15…波長板（半波長位相板）、 17 …レンズ、 21…分光器、 23…制御装置として機能するパーソナルコンピュータ PC。 発明を実施するための最良の形態
[0011] 以下、本発明の実施の形態による光学異方性の評価技術について図面を参照し つつ説明を行う。まず、本発明の第 1の実施形態による光学異方性の評価技術につ いて説明を行う。図 1Cは、本実施の形態による光計測評価装置の一構成例を示す 図である。図 2は、四光波混合法の原理を示す図である。図 2に示すように、四光波 混合法は、薄膜の試料に対して、 2つの異なる波数ベクトル (例えば kと k )を有する
1 2 光パルスが入射することによって、試料 Sに電子分極の回折格子 (干渉波の波数べク トル: G)が形成される。この回折格子により片方の光パルスが自己回折されることによ る回折光（2k -k )を検出する。四光波混合は公知の非線形分光であるが、本実施
2 1
の形態による光学異方性の評価技術においては、四光波混合を微小な光学異方性 変化の検出を目的として用いる点に特徴がある。すなわち、四光波混合による回折 光の強度が電子分極の大きさ (振動子強度)の 4乗に比例するため、薄膜結晶に対す る高感度な異方性評価が可能となると考えられる。例えば、試料の面内方向に等方 的な薄膜において、一軸歪等による非等方性 (非対称的）の変化が存在すると、励起 する光パルスの偏光を回転させることにより、回折光強度に大きな異方性が現れる。
[0012] また、この手法を用いると、非等方的な外場力 Sもたらす電子バンド構造の変化を見 積ることもできる。例えば、半導体薄膜の電子と正孔との準位は、異なるスピンが縮退 している場合が多い。し力、しながら、非等方的な外場が加わると、スピンの縮退がそ の足し合わせで表現される状態に解け、わずかにエネルギー分裂を生じる。この大き さは物質に依存するが、大きくても lmeV以下である。従って、上記の手法で用いる 照射光源としてピコ秒 (ps)程度の光ノ^レスを用いれば、縮退の解けた二つの準位を 同時に励起することが可能となる。
[0013] スピンは光の円偏光に対応する運動量を持つ。従って、スピンの足し合わせは直 線偏光で励起することができる。いま等方的な半導体結晶を考えると、価電子帯の正 孔の上向きのスピン（ T )と下向きのスピン（丄）の状態は縮退している。このときに非 等方的な外場が加わると、スピンの足し合わせで記述される量子状態（ T + )と（ ΐ - I )とが異なるエネルギーを持つことになる。それぞれの量子状態（（ ΐ +丄）と（ ΐ -丄
) )は、外場の方向に応じて反相関的な振動子強度をもつ。従って、片方の準位が増 強される方向に偏光が一致するときに他の準位は抑制され、その回折光のピークェ ネルギ一は各準位エネルギーを反映する。
[0014] 図 1Aは、本実施の形態による光計測評価装置を原理的に説明するための単純化 した構成例を示す図である。図示しないレーザーから出射した平行な直線偏光にそ ろえた波数ベクトルの異なる 2つのパルス光 101、 102であって、任意の遅延時間差 τ (0を含む）有するパルス光を、回転ステージを設けた半波長板 105に通し、測定 対象（図では、 c軸配向のサフアイャ Α面上に形成された GaN結晶） 107の任意の結 晶軸に対して同時に偏光回転させながら、四光波混合スペクトルを分光した図である 。このような簡単な構成により、バックグラウンドの影響を受けない微小な光学異方性 変化を検出することができる。
[0015] 図 1Bは、異方性をもつ薄膜結晶に対して得られる四光波混合スペクトルを偏光角 とエネルギーとに対してプロットした計算結果例を示す図である。図 1Bに示すように、 励起子の極性を 3次元的に表すことが可能である。
[0016] 以下、本実施の形態による光計測評価装置についてより具体的に説明を行なう。
[0017] 図 1Cは、本実施の形態による光計測評価装置の一構成例を示す図である。図 1C に示すように、本実施の形態による光計測評価装置 Aは、光パルスを発生する光パ ノレス発生器 1と、ハーフミラー 3と、第 1のミラー 5と、第 2のミラー 7と、第 3のミラー 9と、 第 4のミラー 11と、波長板（半波長位相板） 15と、レンズ 17と、分光器 21と、制御装 置として機能するパーソナルコンピュータ PC23とを有している。
[0018] この光計測評価装置 Aにおいて、光パルス発生器 1から出射した光パルス L1は、 ハーフミラー 3において 2つのパルス光 L2と L3とに分離される。パルス光 L2は、ミラ 一 5及びミラー 7により反射され (パルス光 L4、 L5)、光パルスの偏光を回転ステージ 15aに設置した半波長位相板 15により回転し、レンズ 17により試料 Sの表面上に焦 点が合わされるようになつている（L8)。一方、光パルス L3は、非同軸で入射光と平 行な光を返すリトロリフレタター 11により反射され (L6)、ミラー 9によって反射され、光 パルスの偏光を回転ステージ 15aに設置した半波長位相板 15により回転され、レン ズ 17により上記 L8と異なる光路 L7により試料 S上の同様の位置に焦点が合わされる ようになつている（L7)。この際、 2つの光ノ^レスの直線偏光を同時に回転して試料 S に照射する。
[0019] 図 1Cに示すように、同じ光パルスを 2つの光パルスに分離させ、異なる光路をとら せて試料に照射するように光学系を設計することにより、 2つの光パルスのうち光パル ス L8に波数 kを、光パルス L7に波数 kをもたせることができる。それぞれ波数 kと波
1 2 1 数 kとなる偏光方向が平行な直線偏光にそろえられた 2つのパルスで試料 Sを励起
2
することにより、図 2に示す四光波混合現象が起こる。上述のように、四光波混合によ る回折光が電子分極の大きさ (振動子強度)の 4乗に比例するため、薄膜結晶に対す る高感度な異方性評価が可能となる。例えば等方的な薄膜に一軸歪等による非等 方性の変化が存在すると、励起する光パルスの偏光を回転させることにより、回折光 (2k 一 k )の強度に大きな異方性が現れる。
2 1
[0020] 図 5A、図 5Bは、本実施の形態による光評価方法により評価した例であって、サフ アイァ基板上にェピタキシャル成長された窒化ガリウム (GaN)薄膜の光学異方性を 示す図である。
[0021] 図 5Aは、励起する光パルスの偏光を回転ステージに設置した半波長位相板によつ て回転したときのピーク強度の等高線図である。横軸はエネルギーを、縦軸は直線 偏光の任意の結晶方向に対する角度 Θである。これは、あた力も X線回折の光計測 に相当する。本手法は放射性物質を含まないため安全であり、小型かつ簡便な装置 構成のため携帯用の評価解析や実装されたデバイスに対する結晶評価が可能であ る。さらに時間分解能 (X線回折:ミリ秒、本手法：フェムト秒)に優れている。この図は、 図 1に示す測定において、波長板 15を回転ステージ 15aにより 1度毎に回転し、分光 器 21により回折光スペクトルを取り込んでいる。等高線の高さが FWMの強度を示し 、上に示す MAXに向かって強度が高く示される。図 5Aに示すように、極めて明瞭な 等高線パターンがエネルギーと回転角に依存する形で示される。
[0022] 一方、図 5Bは、矢印で示す回転角におけるエネルギーと FWMの強度との関係を 示す図である。横軸にエネルギーを、縦軸に四光波混合 (FWM)強度をとつており、 パルス幅 150fs程度の光パルスを 1軸性の歪を有する窒化ガリウム薄膜に照射したと きに得られる四光波混合のスペクトルで、励起光の偏光方向に依存した光学異方性 が現れている。
[0023] 回転角 Θが πの場合が結晶軸方向 [-1-120] (数字の前の記号一はバーを表す） である図 5Βの一番上のパターンを、回転角 Θ力 SO.75 πの場合が結晶方向 [-2020 ]である図 5Βの真ん中のパターンを、回転角 Θ力 S0.5 TTの場合が結晶方向 [1-100] である図 5Βの下のパターンに対応する。図 5Βにおいて、エネルギー 3.500eV近傍 にピークを有する強度パターンが A励起子のピークに対応し、エネルギー 3.509eV 近傍にピークを有する強度パターンが B励起子のピークに対応する。図 5Bに示すよ うに A励起子のピークと B励起子のピークとが異なる偏光依存性を示していることがわ かる。
[0024] 図 5A、 Bに示すように、 A励起子 (電子-正孔対)と B励起子とのエネルギー準位に 相当する 2本のピークが明確に観測されている。これらのピーク強度は励起子振動子 強度の 4乗に対応している。試料として用いた GaNのェピタキシャル薄膜は、 A面の サファイア基板上に成長されており、サファイア基板の結晶軸により異なる熱膨張係 数差が存在するため一軸性歪を内包している。また A, B励起子は歪に対して異なる 光学異方性を有している。尚、ここで言うピークとは、ある広がりを持ったスぺタトノレの ことである。
[0025] このこと力ら、本実施の形態による評価技術を用いると、小型、かつ、簡便な装置構 成で X線解析と同等の高感度歪測定が可能となることがわかる。さらに X線解析装置 に対する利点として、特に移動型の解析が可能であること、光を用いているため空間 分解による計測評価が容易である。また、非破壊検査が可能であるため、例えば光 デバイス又は電子デバイスの製造プロセス開始前或いは開始後の加工された結晶 の計測も可能であり、極めて実用性の高い手法であることがわかる。
[0026] 図 6の左上図は、図 5Bに示すスペクトルをローレンツ関数により非線形最小 2乗法 により近似したときの、各励起子ピークに対応するピーク強度の偏光依存性を示す図 である。横軸は偏光角であり、縦軸は四光波混合の回折信号強度を示す図である。 但し、励起子の増加につれて現れる多体効果に基づく励起子強度の飽和の影響を 除去するために図 1のふたつ光パルスの試料表面への到達時間を調整した後の実 験値と理論計算値とを比較した図である。このように、回折光強度は振動子強度の 4 乗に相当し、図 3及び図 4に示した線形分光 (振動子強度に比例)による評価と比較し て強度が著しく大きいことがわかる。さらに、基板の結晶軸方向と偏光による強度変 ィ匕とが対応することが確認されている。すなわち、 A、 B励起子は、一軸性歪によって スピンの足し合わせ方が異なる二つの準位に分裂している。このことはピークェネル ギ一の変化から確認できる。
[0027] このように、強度と励起子エネルギーとの角度 Θ依存性の実験値 (強度比 I /1 ) max mm は、図 6真ん中の図に示すような振動子強度 fに対して (fsin e ) 4を仮定した理論値と ほぼ一致しており、上記の原理に基づく現象であることが明らかになったと言える。
[0028] 図 6の左下の図は、 Aおよび B励起子エネルギー値の偏光依存性を示す図である。
横軸は偏光角 Θであり、縦軸は励起子エネルギーである。 A励起子と B励起子との各 々力 スピンの足し合わせが異なる 2つの準位に分離しており、偏光角に依存してそ れぞれの励起子準位エネルギーの変化が観測されている。 A， B各励起子準位の分 裂幅は lmeV以下と非常に小さい値ではあるが、光学異方性を反映した偏光依存性 が明確に観測されている。
[0029] 尚、偏光依存性を持つ励起子エネルギーの分裂幅を見積ることにより、例えばレー ザ一発振利得の見積もりが可能であり、励起子エネルギーの分裂幅は光学素子の 設計上、非常に有益な知見が得られる重要な物性値である。
[0030] 一方、図 6の右側の図は fsin Θを仮定した場合の計算値であり、従来手法である線 形分光を利用した偏光解析結果に対応する。この場合には、強度比 (I /1 )が実 max mm 験値とは大きく異なることがわかる。また本手法の強度比は従来手法の理論計算結 果に比べると、 10倍程度向上しており、高感度化の実現が確認できる。
[0031] 図 7A、図 7Bは、一般的には理想的には無歪と考えてよい GaN薄膜（図 8Aは基板 を除去した GaN層：厚さ 70 μ mの試料、図 8Bは等方的な基板上に成長された GaN 層：厚さ 2.3 μ mの試料)を、本実施の形態による光計測評価装置を用レ、て評価した 結果をそれぞれ示す図である。このような試料に関しては従来の方法では歪みを見 積もることは困難であつたが、本実施の形態による光計測評価装置を用いると、図示 するように偏光角 Θに対して周期的な濃淡の存在を確認できることがわかる。これは 、歪みの検出精度が従来手法と比較して大きく向上していることを示すものである。 以上、本実施の形態による光計測評価装置によれば、微小な光学異方性変化の検 出に四光波混合法を用い、試料の面内方向に等方的な薄膜において、励起する光 パルスの偏光を回転させることにより現れる回折光強度の大きな異方性に基づいて、 一軸歪等の結晶に内在する非等方性を精度良く評価することができる。また、非等 方的な外場がもたらすスピン交換相互作用に起因したスピンの足し合わせで表され るような電子バンド構造の微小なエネルギー変化やエネルギー分裂を見積ることもで きる。
[0032] 次に、本発明の第 2の実施の形態による光計測評価技術について図面を参照しつ つ説明を行う。本実施の形態による測定系は、図 1Cに示す光測定評価装置と異なり 、回折格子により光パルスを偏光のそろえられた二つのパルスに分離するステップを 有することを特徴とする。図 8は、本実施の形態による光計測評価装置の一構成例を 示す図である。図 8に示すように、本実施の形態による光計測評価装置 Bは、図 1C に示す光計測評価装置 Aが時間変化を測定するために光学遅延系を用いているの に対して、回折格子により光パルスを 2つに分離するステップを導入することにより簡 略化される。すなわち、図 7に示すように、本実施の形態による光計測評価装置 Bは 、光パルス L11を発生する光パルス発生器 51と、発生した光パルス L11を受けるレ ンズ 53と、レンズ 53から出射した光パルスを受けてこれを 2つに分離する回折格子 5 5と、回折格子 55により 2つに分離された光パルス L12、 L13を、それぞれ平行光に するレンズ 57と、光パルス L12、 L13の偏光を回転ステージ 51aに設置した半波長 位相板（波長板） 51により回転し、レンズ 63により試料 S上に波数 kと波数 kの光パ
1 2 ノレスを合焦させ、四光波混合により波数 2k -kの回折光として分光器 65により分光
1 2
する。尚、回転ステージ 51aと分光器 65とは、パーソナルコンピュータ PC67により、 自動的にピークエネルギー、ピーク強度を取り込むように制御される。
[0033] 本実施の形態による光計測評価技術においても、第 1の実施の形態と同様に一軸 歪等による非等方性の変化の存在を精度良く評価することができる上に、回折格子 により光パルスを正確に同じ光強度で二つの光路に分離でき、かつ、試料上での 2 つの光ノ^レスの時間的 ·空間的な重なりが自動的に保証されるため、測定系を簡単 化できると同時に光パルスの経路の調整が不要になるという利点がある。
[0034] 次に、本発明の第 3の実施の形態による光計測評価技術について図面を参照しつ つ説明を行う。図 9に示す本実施の形態による測定装置は、空間的な異方性分布を 求めることを特徴とする。空間的な異方性分布を取得するために、試料の空間移動 を含めた光学系が必要となる。図 9に示すように、本実施の形態による光計測評価装 置 Cは、光パルス発生器 70と、波長板 71と、ハーフミラー 73と、第 1のミラー 75及び 第 2のミラー 81と、第 1の対物レンズ 77及び第 2の対物レンズ 83と、試料 Sと、 xyz軸 ステージ 85と、を有している。光パルス発生器 70から出射した光パルス L21は、回転 ステージ 71aを有する波長板 71と、回転ステージ 71aを設けた波長板 71により偏光 回転された光パルスを 2方向に分離して光パルス L22と光パルス L23とに分離する ハーフミラー 73と、光パルス L22を反射させて試料 Sの一方側から入射する方向に 変更するミラー 75と、光パルス L23を反射させて試料 Sの他方側から入射する方向 に変更するミラー 81と、ミラー 75により反射された光パルス L24を試料 S上に合焦さ せる対物レンズ 77と、ミラー 81により反射された光ノ ルス L25を試料 S上に合焦させ る対物レンズ 83と、試料 Sを保持し、 x—y— z軸上に移動させることができる xyz軸ス テージ 85と、を有している。
[0035] 四光波混合分光は、指向性の高い回折光として信号を出射する。このことは、例え ば等方的に発せられる発光と比較して背景雑音 (例えば励起光によるレイリー散乱光
)の低レ、信号検出を可能にすることを意味する。
[0036] しかしながら、四光波混合信号を励起光と分離して得るためには、方向の異なる二 つの励起光の焦点を一致させるように集光する必要がある。本実施の形態による評 価装置では、非同軸でかつ高い空間分解能を得るために、対向方向で励起光を照 射している点に特徴がある。高い空間分解能を得るために、二つの励起光の光軸を 対物レンズの中心付近に設定し、焦点を一致させる。四光波混合信号は方向のわず 力、な違いを反映し、励起光と異なる光軸を通って検出される。これにより、励起光と四 光波混合信号とを分離しつつ、空間的に微小な領域へ励起光の集光を達成すること が可能となる。 [0037] 特に、上記構成を用いて、 XYZステージにより光ノ^レスが焦点を結ぶ試料の場所を 変化させ、各点における異方性を偏光を回転させることにより 3次元的にマッピング する。これにより非等方的な外場の分布を見積ることが可能となる。例えば薄膜に貫 通転移等の欠陥が存在すると、欠陥の回りに非等方的な歪が誘起され、偏光に対す る異方性が観測される。 3次元的な光学異方性の観測により、欠陥分布の光学的評 価も可能となる。
[0038] 以上、本発明の各本実施の形態による光計測評価方法は、非線形な測定方法で あるため、パワー密度に強く依存する。その結果、光パルスの焦点位置に対して敏感 であり、光吸収による損失が許容される範囲であれば、薄膜内部のイメージングが可 能となる。この手法によれば、例えば歪に対する基板の影響を評価することが可能と なる。
[0039] 尚、上記各実施の形態における光学異方性の評価対象としては、等方的な薄膜結 晶に対して、非等方的な外場が加わる場合にも利用することができる。また、上記各 実施の形態では、窒化ガリウム半導体薄膜を例に、一軸性歪に対する光学異方性評 価技術について説明したが、本発明は材料、歪みの性質などにおいて限定されるも のではない。例えば、励起子が関与する現象を示す材料であれば、液晶材料、有機 半導体材料、も測定対象である。さらに、バルタの表面解析にも利用することができる
産業上の利用可能性
[0040] 本発明は、光学デバイスや電子デバイスに不可欠な薄膜の光学異方性を精度良く 評価することができる薄膜評価装置及び薄膜評価技術として有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 第 1光パルスと該第 1光パルスと異なる波数ベクトルを有する第 2光パルスとの偏光 方向が略平行にそろえられた直線偏光を測定対象の任意の結晶軸に対して回転す る偏光回転手段と、
該偏光回転手段により偏光が回転された前記第 1及び第 2光パルスを前記結晶に 照射することにより得られる四光波混合による回折光を分光する分光手段と を有する光計測評価装置。
[2] 光パルスを第 1光パルスと該第 1光パルスと異なる波数ベクトルを有する第 2光パル スとの 2つの光パルスに分離する光パルス分離手段と、
前記第 1光パルスと第 2光パルスとの偏光方向が略平行にそろえられた直線偏光を 測定対象の任意の結晶軸に対して回転する偏光回転手段と、
該偏光回転手段により偏光が回転された前記第 1及び第 2光ノ^レスを前記結晶に 照射することにより得られる四光波混合による回折光を分光する分光手段と、 を有する光計測評価装置。
[3] 前記光パルス分離手段は、前記光ノ^レスが入射する位置に設けられた回折格子 を含むことを特徴とする請求項 2に記載の光計測評価装置。
[4] さらに、前記分光手段により分光された光スペクトルと前記偏光角とに基づくェネル ギー (波長)と偏光角と回折強度からなる 3次元解析を行う 3次元解析手段を含むこと を特徴とする請求項 1から 3までのいずれか 1項に記載の光計測評価装置。
[5] 光パルスの直線偏光を測定対象の任意の結晶軸に対して回転する偏光回転手段 と、
偏光が回転された光パルスを空間的に分離する空間分離手段と、
該空間分離手段により分離された前記偏光が回転された光パルスを対向する方向 力 前記結晶に照射することにより得られる四光波混合による回折光を分光する分 光手段と
を有する光計測評価装置。
[6] 結晶に対する光学異方性を検出する光計測方法であって、
光パルスを二つに分離するステップと、 前記光パルスの偏光方向が略平行にそろえられた直線偏光を測定対象の任意の 結晶軸に対して回転するステップと、
偏光が回転された前記光パルスに基づく前記結晶の四光波混合による回折光を分 光するステップと
を有する光計測方法。
[7] 結晶に対する光学異方性を検出する光計測方法であって、
光パルスを二つに分離するステップと、
前記光パルスの偏光方向が略平行にそろえられた直線偏光を測定対象の任意の 結晶軸に対して回転するステップと、
偏光が回転された前記光パルスに基づく前記結晶の電子分極の 3次非線形性を 検出するステップと
を有する光計測方法。
[8] 四光波混合による回折光を分光して得られた光スぺ外ルと偏光角とに基づく 3次 元解析を行う 3次元解析手段を含むことを特徴とする請求項 1から 3までのいずれ力 1 項に記載の光計測評価装置。
PCT/JP2005/020410 2004-11-15 2005-11-08 光計測評価方法及び光計測評価装置 WO2006051766A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006544884A JPWO2006051766A1 (ja) 2004-11-15 2005-11-08 光計測評価方法及び光計測評価装置
US11/667,678 US20080002184A1 (en) 2004-11-15 2005-11-08 Optical Measurement/Evaluation Method And Optical Measurement/Evaluation Apparatus

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004331123 2004-11-15
JP2004-331123 2004-11-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006051766A1 true WO2006051766A1 (ja) 2006-05-18

Family

ID=36336445

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2005/020410 WO2006051766A1 (ja) 2004-11-15 2005-11-08 光計測評価方法及び光計測評価装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20080002184A1 (ja)
JP (1) JPWO2006051766A1 (ja)
WO (1) WO2006051766A1 (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2460502A (en) * 2008-06-02 2009-12-09 Ian Petar Mercer Wave mixing apparatus for sample analysis
JP2014027074A (ja) * 2012-07-26 2014-02-06 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 核スピン状態の制御方法、検出方法、制御装置および検出装置
CN105158162A (zh) * 2015-05-06 2015-12-16 哈尔滨工业大学 一种基于光学互相关的时间选通装置及方法
CN106546332A (zh) * 2016-11-17 2017-03-29 山西大学 基于超冷分子光缔合光谱的光频移测量装置及方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104819937A (zh) * 2015-05-06 2015-08-05 哈尔滨工业大学 一种用于喷雾场测量的时间选通装置及方法
KR102659810B1 (ko) * 2015-09-11 2024-04-23 삼성디스플레이 주식회사 결정화도 측정 장치 및 그 측정 방법
CN113029969B (zh) * 2021-02-09 2023-03-31 华南师范大学 一种各向异性非线性光学特性测量装置及其测量方法
CN114384018B (zh) * 2021-12-27 2023-07-25 中国科学院福建物质结构研究所 用于测量大尺寸各向同性透明介质中弱各向异性的测量装置及测量方法和应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10115573A (ja) * 1996-10-11 1998-05-06 Hitachi Ltd ３次非線形感受率測定方法及び装置
JP2004061411A (ja) * 2002-07-31 2004-02-26 Japan Science & Technology Corp 非線形ラマン分光方法及び装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5530544A (en) * 1992-10-26 1996-06-25 Sandia Corporation Method and apparatus for measuring the intensity and phase of one or more ultrashort light pulses and for measuring optical properties of materials
US5754292A (en) * 1992-10-26 1998-05-19 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for measuring the intensity and phase of an ultrashort light pulse
JP3396241B2 (ja) * 1992-12-04 2003-04-14 科学技術振興事業団 過渡回折格子分光法
US6219142B1 (en) * 1997-10-17 2001-04-17 Southwest Sciences Incorporated Method and apparatus for determining wave characteristics from wave phenomena
US6115127A (en) * 1997-11-17 2000-09-05 Institute Of Paper Science And Technology Non-contact measurements of ultrasonic waves on paper webs using a photorefractive interferometer
JP4026983B2 (ja) * 1999-01-27 2007-12-26 浜松ホトニクス株式会社 光飛跡観測装置
US6504612B2 (en) * 2000-11-14 2003-01-07 Georgia Tech Research Corporation Electromagnetic wave analyzer
JP3498141B2 (ja) * 2001-07-12 2004-02-16 株式会社デバイス・ナノテク・リサーチ・インスティチュート 光パルス評価方法、光パルス評価装置、及び光通信システム
US7145654B2 (en) * 2003-10-01 2006-12-05 Tokyo Electron Limited Method and apparatus to reduce spotsize in an optical metrology instrument
US7130052B1 (en) * 2004-03-24 2006-10-31 Daniel J. Kane Real-time measurement of ultrashort laser pulses

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10115573A (ja) * 1996-10-11 1998-05-06 Hitachi Ltd ３次非線形感受率測定方法及び装置
JP2004061411A (ja) * 2002-07-31 2004-02-26 Japan Science & Technology Corp 非線形ラマン分光方法及び装置

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Spectroscopical Society of Japan Koen Yoshishu, 2001 Nen Shunki", BUNKO KENKYU - JOURNAL OF THE SPECTROSCOPICAL SOCIETY OF JAPAN, NIPPON BUNKO GAKKAI, TOKYO,, JP, 1 January 2001 (2001-01-01), JP, pages 72, XP002999887, ISSN: 0038-7002 *
EXTENDED ABSTRACTS; THE JAPAN SOCIETY OF APPLIED PHYSICS, vol. 63, no. 1, 24 September 2002 (2002-09-24), pages 262, XP002999884 *
EXTENDED ABSTRACTS; THE JAPAN SOCIETY OF APPLIED PHYSICS, vol. 65, no. 1, 1 September 2004 (2004-09-01), pages 307, XP002999883 *
FELDMANN J. ET AL: "Coherent Dynamics of excitonic Wave Packets", PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol. 70, no. 20, 17 May 1993 (1993-05-17), pages 3027 - 3030, XP002999885 *
OUDAR J. L. ET AL: "Transient Anisotropy Effects in the Absorption Saturation of GaAs", JOURNAL OF LUMINESCENCE, vol. 30, no. 1-4, 1985, pages 340 - 354, XP002999886 *
XU JING-JUN ET AL: "Anisotropic Light-Induced Scatering by Photorefractive Four-Wave Mixing in c-Cut LiNbO3:Fe Crystal Sheet", ACTA PHYSICA SINICA, vol. 43, no. 12, December 1994 (1994-12-01), pages 2059 - 2064, XP002999888 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2460502A (en) * 2008-06-02 2009-12-09 Ian Petar Mercer Wave mixing apparatus for sample analysis
GB2460502B (en) * 2008-06-02 2011-02-16 Ian Petar Mercer Apparatus for sample analysis
JP2014027074A (ja) * 2012-07-26 2014-02-06 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 核スピン状態の制御方法、検出方法、制御装置および検出装置
CN105158162A (zh) * 2015-05-06 2015-12-16 哈尔滨工业大学 一种基于光学互相关的时间选通装置及方法
CN106546332A (zh) * 2016-11-17 2017-03-29 山西大学 基于超冷分子光缔合光谱的光频移测量装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2006051766A1 (ja) 2008-05-29
US20080002184A1 (en) 2008-01-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5006331B2 (ja) 半導体構造における歪み及び活性ドーパントの光反射特徴付け方法
WO2006051766A1 (ja) 光計測評価方法及び光計測評価装置
Reid et al. Terahertz radiation and second-harmonic generation from InAs: Bulk versus surface electric-field-induced contributions
JP5477275B2 (ja) 塗装膜の検査装置および検査方法
US10371668B2 (en) Apparatus and methods for probing a material as a function of depth using depth-dependent second harmonic generation
US7304305B2 (en) Difference-frequency surface spectroscopy
JP5063325B2 (ja) キャリア濃度測定装置およびキャリア濃度測定方法
US20060098198A1 (en) Polarization modulation photoreflectance characterization of semiconductor electronic interfaces
US11662646B2 (en) Inspection and metrology using broadband infrared radiation
JP4147487B2 (ja) テラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置
US7903238B2 (en) Combination of ellipsometry and optical stress generation and detection
EP1636555A2 (en) Polarization modulation photoreflectance characterization of semiconductor quantum confined structures
JP7330538B2 (ja) 偏光分解ラマン分光法を実施するための装置
JP3288670B2 (ja) 試料の物理的性質の測定装置
US7038768B2 (en) Optical measuring method for semiconductor multiple layer structures and apparatus therefor
An et al. Absolute phase and amplitude of second-order nonlinear optical susceptibility components at Si (001) interfaces
WO2011122281A1 (ja) テラヘルツ分光分析装置およびテラヘルツ分光分析方法
RU2423684C2 (ru) Способ оптических измерений для материала
Toda et al. Optical diffraction spectroscopy of excitons in uniaxially strained GaN films
JP2004101235A (ja) 半導体の歪量を測定する装置及び方法、半導体の歪量分布を測定する装置及び方法、並びに半導体製造装置及び方法
JPH1010047A (ja) 界面分析方法
JP2008309749A (ja) 電子スピン共鳴測定装置および電子スピン共鳴測定方法
Lu Degenerate Second Order Nonlinear Optical Spectroscopy of Chiral Weyl Semimetals
竹野広晃 Optical Study on Spin-Polarized Dirac Electrons in Topological Insulator Films
Faizanuddin et al. Surface Second Harmonic Generation from Topological Dirac Semimetal PdTe $ _2$

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KM KN KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV LY MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NG NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU LV MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006544884

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 11667678

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 05806337

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 11667678

Country of ref document: US