(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームを利用して試料の物理的及び光学的性質を決定する方法であって、
ａ)
後進波発振器(BWO)；
第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGPl)；
第1の回転子(RE1)；
試料(S)を支持するためのステージ(STG)；
第2の回転子(RE2)；
第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)；
ゴーレイセル(Golay cell)検出器(DET)；
をこの順に備えるテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムを用意するステップ、
ｂ)
前記試料を支持するためのステージ(STG)上に試料(S)を設置するステップ、
ｃ)
前記後進波発振器(BWO)から出力された、基本周波数のテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームである入力光（BI）を、前記第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGPl)を通過させて、前記第1の回転子(RE1)を通過し、前記試料を支持するためのステージ(STG)上の試料(S)から反射させて、前記第2の回転子(RE2)を通過し、前記第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)を通過させて、出力光(BO)として前記ゴーレイセル検出器(DET)に入力させるステップ、
ｄ)
前記第1の回転子(RE1)及び前記第2の回転子(RE2)が回転している間に、ゴーレイセル検出器から試料の特徴を示すデータを取得するステップ、
を含み、
前記第1の回転子(RE1)及び前記第2の回転子(RE2)は、以下グループからそれぞれ選択され、
一方が、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)であり、
他方が、任意の機能的順序で配列された、第1(RP)、第2(RM1)、第3(RM2)、第4(RM3)反射素子から成る回転型遅延子(RRET)であり、
当該回転型遅延子(RRET)を構成するこれらそれぞれの反射素子は、使用時に電磁放射ビームを一回反射し、前記第1反射素子(RP)はプリズムであり、第1側面からビームを受け、そして反射された反射光が第3側面からビームを出力し、前記反射は第2側面でおこり、第2側面は、第1側面及び第3側面とともにプリズムを構成する角度を決めており、これら反射素子(RP) (RM1) (RM2) (RM3)は前記プリズムの第2側面からの反射ビームの軌跡が、前記プリズム(RP)内で全反射が達成される角度と等しいあるいはそれより大きな角度で第2側面に近づくように、かつ、任意の機能的順序で配列された一連の素子の4番目に配置された反射素子からの反射ビームの軌跡が、一連の素子の1番目に配置された反射素子によって受光されたビームの軌跡からの逸脱あるいは変位がなく、ほぼ共軸となるように決められ、
使用時に、前記後進波発振器(BWO)からの射出光(BI)は、基本周波数のテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームとして、第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGPl)を通過して、前記第1の回転子(RE1)を通過し、前記ステージ(STG)に支持された試料(S)で反射され、前記第2の回転子(RE2)を通過し、前記第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)を通過して、出力光(BO)として前記ゴーレイセル検出器(DET)に入力される
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記テラヘルツエリプソメーターあるいは前記ポラリメーターシステムを用意するステップにおいて、更に、前記第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)の前段に
前記後進波発振器(BWO)の後段に周波数逓倍器(FM)；
第1の放物凹面鏡(PM1)；
及び反射手段(M1)；
を備え、
及び、更に前記第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)に続いて、前記回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)の前段に、第2の放物凹面鏡(PM2)；
更に、前記回転型遅延子(RRET)の後段に続いて配置される、第3の放物凹面鏡(PM3)；
更にまた、前記第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)の後段に続いて配置され、前記ゴーレイセル検出器(DET)の前段に配置される第4の放物凹面鏡(PM4)；
を備え、
使用時に、前記後進波発振器(BWO)は、基本周波数のテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム(BI)を、前記周波数逓倍器(FM)に向けて出力し、当該周波数逓倍器(FM)から出力される所望の周波数を含むビームは、コリメートされたビームとして前記第1の放物凹面鏡(PM1)から反射され、そして、コリメートされたビームは、前記反射手段(M1)で反射され、前記第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGPl)を通過して、前記第2の放物凹面鏡(PM2)で反射するようにされ、前記回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)を通過して、試料を支持するための前記ステージ(STG)上の試料(S)で反射されて、前記回転型遅延子(RRET)を通過し、前記第3の放物凹面鏡(PM3)で反射され、前記第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)を通過して、前記第4の放物凹面鏡(PM4)で反射されて、出力光(BO)として前記ゴーレイセル検出器(DET)に入力される
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項３】
試料(S)を、前記ゴーレイセル検出器(DET)からデータが取得されている間に、略垂直な面内に配向させることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
【請求項４】
第1の左側素子(FLS)、第1の右側素子(FRS)、第2の左側素子(SLS)、第2の右側素子(SRS)、第3の左側素子(TLS)、第3の右側素子(TRS)の左・右の垂直シーケンスから成るシステムによって、前記回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)から出力されるテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームが、前記第1の左側素子(FLS)から前記第2の左側素子(SLS)に反射し、次いで前記第3の右側素子(TRS)へ反射し、略水平面内でステージ(STG)上の試料(S)から前記第3の左側素子(TLS)へ向けて反射するようにビームが向けられ、前記第3の左側素子(TLS)は、前記第2の右側素子(SRS)へビームを反射し、前記第2の右側素子(SRS)は、前記第1の右側素子(FRS)の方へビームを反射し、当該ビームは前記回転型遅延子(RRET)に向けられるように、試料(S)が水平に適応させられている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
【請求項５】
更に、
試料(S)を支持する前記ステージ(STG)；前記回転型遅延子(RRET)；備えるとすれば前記第3の放物凹面鏡(PM3)；前記第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)；備えるとすれば前記第4の放物凹面鏡(PM4)；前記ゴーレイセル検出器(DET)、を含むユニットとしての回転可能な手段、及び
試料(S)を支持するための前記ステージ(STG)；前記回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)；備えるとすれば前記第2の放物凹面鏡(PM2)；前記第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGPl)；備えるとすれば前記反射手段(M1)；備えるとすれば前記第1の放物凹面鏡(PM1)；備えるとすれば前記周波数逓倍器(FM)；そして前記後進波発振器(BWO)、を含むユニットとしての回転可能な手段、
の双方、あるいはいずれか一方のユニットとしての回転可能な手段を含み、
試料(S)を支持する前記ステージ(STG)中心を通る縦軸周りで、前記回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)から出力された前記テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームの入射角(θ)と、前記ステージ(STG)上の試料(S)からの反射角(θ)とを等しく調整できるようにされており、
前ステップdでは、ステージの中心を通る縦軸を中心にユニットの回転が実現される
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
【請求項６】
更に、
用意されたチョッパー(CHP)の使用を含むことができ、
当該チョッパー(CHP)は、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームが通過できる複数の開口を輪の形態で有し回転可能に形成されており、
当該チョッパー(CHP)は、前記後進波発振器と前記ゴーレイセル検出器との間の、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームの通過経路中に配置され
ステップdにおいてデータ取得中に、前記テラヘルツ周波数帯域のビームを断続的に遮断することを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
【請求項７】
前記回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)、及び前記第1(RP)、前記第2(RM1)、前記第3(RM2)及び前記第4(RM3)反射素子を備える前記回転型遅延子(RRET)が、前記ステップdにおいてデータ取得中に、互いに1対10あるいは10対1の比率の相対的な速度で回転させられる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
【請求項８】
更に、
機械可読媒体にゴーレイセル検出器によって提供されるいくつかのデータのうち少なくとも一つを格納するステップ；
前記ゴーレイセル検出器によって提供されるいくつかのデータのうちの少なくとも一つを解析し、及び機械可読媒体内の幾つかの解析結果のうちの少なくとも一つを格納するステップ；
前記ゴーレイセル検出器によって提供されるいくつかのデータのうちの少なくとも一つを、電子的手段及び非電子的手段の双方、あるいはいずれか一方により表示するステップ；
前記ゴーレイセル検出器によって提供されるいくつかのデータのうちの少なくとも一つを解析し、その解析結果のうちの少なくとも一つを、電子的手段及び非電子的手段の双方、あるいはいずれか一方により表示するステップ；
前記ゴーレイセル検出器によって提供されるいくつかのデータのうちの少なくとも一つから、具体的で明白な結果を提供するために適用される信号を生成するステップ；
前記ゴーレイセル検出器によって提供されるいくつかのデータのうちの少なくとも一つを解析し、その解析結果のうちの少なくとも一つから、具体的で明白な結果を提供するために適用される信号を生成するステップ；
からなるグループから少なくとも一つのステップが選択されて含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
【請求項９】
テラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムであって、
テラヘルツ周波数帯域の光源；
テラヘルツ周波数帯域で動作する第1の回転可能な偏光子；
試料(S)を支持するためのステージ(STG)、
テラヘルツ周波数帯域で動作する第2の回転可能な偏光子；
テラヘルツ周波数帯域の検出器(DET)；
を備え、
前記テラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムは、更に、
前記テラヘルツ周波数の光源と前記テラヘルツ周波数帯域の検出器(DET)の間に、第1の回転子(RE1)及び第2の回転子(RE2)を備え、
テラヘルツ周波数帯域の光源を用いて基本周波数としてテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム(BI)を出力し、このビームをテラヘルツ周波数帯域で動作する前記第1の回転可能な偏光子を通過させ、前記ステージ(STG)上の試料(S)から反射させ、テラヘルツ周波数帯域で動作する前記第2の回転可能な偏光子を通過させ、出力光(BO)として前記検出器(DET)に入力させ、
前記電磁放射ビームは、また前記第1の回転子(RE1)及び前記第2の回転子(RE2)を通過し、
前記第1の回転子(RE1)及び前記第2の回転子(RE2)は、以下グループからそれぞれ選択され、
一方が、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)であり、
他方が、任意の機能的順序で配列された、第1(RP)、第2(RM1)、第3(RM2)、第4(RM3)反射素子から成る回転型遅延子(RRET)であり、
当該回転型遅延子を構成するこれらそれぞれの反射素子は、使用時に電磁放射ビームを一回反射し、前記第1反射素子(RP)はプリズムであり、第1側面からビームを受け、そして第2側面から反射された反射光が第3側面からビームを出力され、第2側面は、第1側面及び第3側面とともにプリズムを構成する角度を決めており、前記反射素子(RP) (RM1) (RM2) (RM3)は互いにその向きが、当該プリズムの第2側面からの反射ビームの軌跡が当該プリズム(RP)内で全反射が達成されるように決められ、かつ素子の並びにおける4番目に配置された反射素子からの反射ビームの軌跡が、一連の素子の並びの1番目に配置された反射素子によって受光されたビームの軌跡からの逸脱あるいは変位がなく、ほぼ共軸となるように決められている
ことを特徴とするテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項１０】
前記第1の回転子(RE1)及び前記第2の回転子(RE2)は、前記ステージ(STG)の前記光源側と検出器(DET)側にそれぞれに配置され、
テラヘルツ周波数帯域で動作する前記第1の回転可能な偏光子はワイヤーグリッドを備え、テラヘルツ周波数帯域で動作する前記第2の回転可能な偏光子はワイヤーグリッドを備え、
前記テラヘルツ周波数帯域の光源は、後進波発振器(BWO)であり、前記テラヘルツ周波数帯域の検出器はゴーレイセル(Golay cell)であり、
前記後進波発振器(BWO)を用いて基本周波数としてテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム(BI)を出力し、このビームを前記第1の回転可能な偏光子を通過させ、前記第1の回転子(RE1)を通過させ、前記ステージ(STG)上の試料(S)から反射させ、前記第2の回転子(RE2)を通過させ、前記第2の回転可能な偏光子を通過させ、当該偏光子からの出力光(BO)を前記ゴーレイセル検出器(DET)に入力させる
ことを特徴とする請求項9に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項１１】
更に、順次、
前記後進波発振器(BWO)に引き続いて配置される周波数逓倍器(FM)；
第1の放物凹面鏡(PM1)；及び
反射手段(M1)；
前記第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)；
そして更に前記第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)の後段に備えられる第2の放物凹面鏡(PM2)；
前記第1の回転子(RE1);
そして、また更に順次、前記第2の回転子(RE2)の後段に、第3の放物凹面鏡(PM3)；
そして、また更に順次、引き続いて配置される前記第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)；
第4の放物凹面鏡 (PM4)、前記ゴーレイセル検出器(DET)；
を備え、
使用時に、前記後進波発振器(BWO)は、基本周波数のテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム(BI)を、前記周波数逓倍器(FM)に向けて出力し、当該周波数逓倍器(FM)から出力される所望の周波数を含むビームは、コリメートされたビームとして前記第1の放物凹面鏡(PM1)から反射され、コリメートされたビームは、前記反射手段(Ml)で反射されて前記第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)を通過し、前記第2の放物凹面鏡(PM2)で反射するようにされており、前記第1の回転子(RE1)を通過し、そして、前記ステージ(STG)上の試料(S)で反射して、前記第2の回転子(RE2)を通過し、前記第3の放物凹面鏡(PM3)で反射され、前記第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)を通過し、前記第4の放物凹面鏡(PM4)で反射され、出力光(BO)として前記ゴーレイセル検出器(DET)に入力される
ことを特徴とする請求項9に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項１２】
前記第1の回転子(RE1)は回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)であり、前記第2の回転子(RE2)は、第1(RP)、第2(RM1)、第3(RM2)、第4(RM3)反射素子を備えた回転型遅延子(RRET)であり、前記第1反射素子(RP)はプリズムである
ことを特徴とする請求項9、10、11のいずれか一項に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項１３】
更に、少なくとも一つの開口(A)を前記後進波発振器(BWO)と前記ゴーレイセル検出器(DET)との間に備えることを特徴とする請求項9、10、11のいずれか一項に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項１４】
更に、前記後進波発振器(BWO)と前記ゴーレイセル検出器(DET)との間に、
少なくとも一つの放物凹面鏡(PM1) (PM2) (PM3) (PM4)の組；及び
少なくとも一つの反射手段(M1)；
のグループから少なくとも一つを選んで配置される
ことを特徴とする請求項9又は10に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項１５】
更に、前記テラヘルツ周波数帯域の光源の後段に周波数逓倍器(FM)を備えることを特徴とする請求項9又は10に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項１６】
更に、前記後進波発振器(BWO)と前記ゴーレイセル検出器(DET)との間に、チョッパー(CHP)を備えることを特徴とする請求項9、10、11のいずれか一項に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項１７】
試料(S)を支持する前記ステージ(STG)中心を通る縦軸周りで、前記テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームの入射角(θ)と、前記ステージ(STG)上の試料(S)からの反射角(θ)とを等しく調整するための、
ユニットとして、試料(S)を支持する前記ステージ(STG)と、前記ゴーレイセル検出器(DET)との間の全ての素子を含む回転手段と、
ユニットとして、試料(S)を支持する前記ステージ(STG)と、前記後進波発振器(BWO)との間の全ての素子を含む回転手段の
双方、あるいはいずれか一方を更に備えることを特徴とする請求項9、10、11のいずれか一項に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項１８】
試料(S)を支持する前記ステージ(STG)は、略垂直面に試料(S)を支持するように向けられていることを特徴とする請求項9、10、11のいずれか一項に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項１９】
試料(S)を支持する前記ステージ(STG)は、略水平面に試料(S)を支持するように向けられていることを特徴とする請求項9、10、11のいずれか一項に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項２０】
試料(S)を支持するためのステージ(STG)が試料(S)を水平面に支持させられるように向けられており、前記第1の回転子(RE1)を出たビームが、左・右の垂直シーケンスによってステージ(STG)に向けられるビームを受け取ることを可能にされ、第1の左側素子(FLS)、第1の右側素子(FRS)、第2の左側素子(SLS)、第2の右側素子(SRS)、第3の左側素子(TLS)、第3の右側素子(TRS)の各々の素子は、第1の回転子(RE1)から出力されるテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームを、前記第1の左側素子(FLS)から前記第2の左側素子(SLS)へ反射させ、そして前記第3の右側素子(TRS)へ反射し、ステージ(STG)の水平面に置かれたサンプル(S)から前記第3の左側素子(TLS)へ反射され、前記第3の左側素子(TLS)は前記第2の右側素子(SRS)へのビームを反射し、前記第2の右側素子(SRS)は、前記第1の右側素子(FRS)へビームを反射し、当該ビームは第2の回転子(RE2)に向けられるようにされている
ことを特徴とする請求項9、10、11のいずれか一項に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項２１】
回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)が、
非ブリュースター(NBR)角、及びブリュースター(BR)角コンポーネントを含むデュアル偏光コンポーネントシステムと、
第1及び第2のワイヤーグリッド偏光子(WG1)及び(WG2)を備えた、傾けられたデュアルワイヤーグリッド偏光子システム
から選択され、
前記デュアル偏光コンポーネントシステムでは、ワイヤーグリッドを有する前記非ブリュースター(NBR)角コンポーネントを通り抜ける電磁放射ビームは、追加の反射手段(Ml)と(M2)から反射され、ブリュースター(BR)角コンポーネントから反射され、偏光ビームとして伝播し、
前記デュアルワイヤーグリッド偏光子システムでは、前記第1及び第2のワイヤーグリッド偏光子は、互いに平行な方向の偏光軸を有し、それぞれこの偏光軸に平行な第1面及び第2面を有し、各々この第1面及び第2面が傾いていて、当該第1のワイヤーグリッド偏光子へ入力されたビームは、第2のワイヤーグリッド偏光子から偏光状態で出力されるとき、不要とされる反射成分(R1)と(R2)はそらされる
ことを特徴とする請求項9に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【請求項２２】
前記第1及び第2の回転子は、互いに対して1対10、あるいは10対1の比率の相対的な速度で回転させられる
ことを特徴とする請求項9、10、11のいずれか一項に記載のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エリプソメーター(楕円偏光解析器：ellipsometer)及びポラリメーター(偏光計：polarimeter)システムに関し、より詳細には、テラヘルツ(THz)の周波数帯域で動作するエリプソメーター、ポラリメーター、又はこれらと同種のシステムであって、基本的に、後進波発振器(Backward Wave Oscillator)；周波数逓倍器(Frequency Multiplier)；第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子；第1の回転子(RE1)、(例えば、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP))；試料を保持するためのステージ；第2の回転子(RE2)、(例えば、第1、第2、第3、及び第4反射素子を備える回転型遅延素子(RRET))；第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子：及びゴーレイセル(Golay cell)検出器を備えるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エリプソメトリーの実施は、サンプルシステムの特性を決定するための非破壊的な手法として定着しており、実時間で実施することができる。このトピックに関しては多数の出版物に詳細が記載されており、そのような出版物の1つに、レビュー論文(review paper)である非特許文献１がある。
【０００３】
まず、本発明に関係するので、エリプソメーターシステムが一般的に、直線または楕円偏光状態(一般には、実質的に直線偏光)を設定する手段を含むことに留意されたい。
【０００４】
続いて、概して、エリプソメトリーの最近の実施方法では、通常、既知の偏光状態にある分光的な電磁放射ビームを、入射面において、サンプルシステムの表面の法線に対する少なくとも1つの入射角でサンプルシステムと相互作用させている（注：入射面には、測定対象のサンプルの表面の法線と前記電磁放射ビームのローカス(locus：すなわち軌跡(又はビーム経路とも称す)の双方が含まれる）。前記サンプルシステムとの前記相互作用の結果による前記電磁放射ビームの偏光状態の変化は、前記サンプルシステムの構造と組成を示す。エリプソメトリーを実施するに当たり更に、エリプソメーターシステムの数学的モデル及びそれを使用することにより検査されるサンプルシステムを提案することを含み、それからエリプソメーターシステムを適用することにより実験データを得る。これに続き、一般に、サンプルシステムの特性を決定する数学的モデルのパラメータを評価するために、平方誤差を低減する数学的回帰法を適用し、得られた実験データと数学的モデルを使用して計算された値とが実質的に同じになるようにする。
【０００５】
通例エリプソメトリーの目的は、サンプルシステムと相互作用するようにされる前記電磁放射ビームの各波長及び入射角に対して、サンプルシステムを特徴付けるΨ値及びΔ値を得ることであり(Ψ値は、前記電磁放射ビームの直交成分の大きさの比rp/rsの変化に関係し、Δ値は、前記直交成分rpとrsとの間に生じた移相すなわち位相のずれに関係する)、これらの値は、前記サンプルシステムとの相互作用によって生じる。これらを決定する式は：
ρ＝rp/rｓ＝Tan(Ψ)exp(iΔ)
である。
【０００６】
可能性を示唆したように、エリプソメトリーを実施するには、サンプルシステム及び適用されるエリプソメーターシステム用の数学的モデルを導き出して提供する必要がある。その観点からみれば、サンプルを検査するシステムに適用されるエリプソメーターシステムは、一般的に、順次：
ａ．電磁放射ビーム源；
ｂ．偏光子用素子； 
ｃ．任意に設けられることのある補償子用素子； 
ｄ．(追加的な1つまたは複数の素子)； 
ｅ．サンプルシステム； 
ｆ．(追加的な1つまたは複数の素子)； 
ｇ．任意に設けられることのある補償子用素子；
ｈ．検光子用素子；及び
ｉ．分光検出器システム
を備えていることが理解されるであろう。
【０００７】
前記構成要素ｂ〜ｉのそれぞれは、上記ａの前記電磁放射ビーム源から生じる電磁放射ビームを表すベクトルに沿った、エリプソメーターシステムの数学的モデルによって正確に示される必要がある。
【０００８】
通常の様々な構成のエリプソメーターは、偏光子と、検光子及び補償子の双方あるいはいずれか一方とを、データ収集中に回転させることができ、回転型偏光子(RPE)型、回転型検光子(RAE)型及び回転型補償子(RCE)型のエリプソメーターシステムとして多様に表現することができる。使用時、素子が回転しているというよりも回転可能である消光型エリプソメーターも存在することにも留意されたい。
【０００９】
一般的に、消光型エリプソメーターシステムの使用の際には、直線偏光子によって電磁放射ビームを実質的に直線偏光状態にして、得られる電磁放射ビームの偏光ビームをサンプルシステムと相互作用させ、次に検光子を、サンプルシステムを通過して進む電磁放射ビームを効率的に無効にする(すなわち消す)方位角に調整する。消光が生じる検光子の方位角により、サンプルシステムの特性を洞察できる、すなわち予見する知見が得られる。
【００１０】
更に、使用時、サンプルシステムが配置されたエリプソメーターシステムによってデータセットを得ることができる。このデータセットは、他のサンプルシステムが備えられている場合と、エリプソメーターシステムが直通型に配置され、電磁放射ビームを、サンプルシステムと相互作用せずにエリプソメーターシステムを真っ直ぐに通過させるようにした場合について、連続的に得られる。様々な配置に対応する複数のデータセットを用いる同時的な数学的回帰法によって、エリプソメーターを較正し、及び波長域にわたって、サンプルシステムの特性を決定するΨ値及びΔ値を評価することができる。例えば、一連のサンプルシステムを用いること、及びこれらサンプルシステムと相互作用するようにされる電磁放射ビームを複数の一連の偏光状態にすることの、双方またはいずれか一方を実行することによって、エリプソメーターシステムの多数の可変箇所の較正を可能とする。
【００１１】
上述したことは、エリプソメトリーに対して一般的な知見を提供するものである。上述したことを念頭に、300 GHzあるいはテラヘルツ周波数帯域に十分含まれる低い周波数の範囲で使われる実用的なエリプソメーター又はポラリメーターである本発明に関する背景技術に注意を転ずる。なお、先行技術は、テラヘルツ(THz)周波数帯域に対応するためのシステム、及び、テラヘルツ周波数帯域における偏光解析法の実施を提供することが未知のものではないことを開示していることに留意されたい。しかしながら、大学や産業界あるいはその他において、それらを可能にし、汎用的実施に適する高品質な特定の実施形態の製品については、いまだ開示されていない。本願の出願人が知る限り、市場には、テラヘルツ周波数帯域で使用される商業レベルで利用可能であるエリプソメーターまたはポラリメーターはない。
【００１２】
シンクロトロンは、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームを提供するために使用されているが、エリプソメーターの実施が望まれる全ての場所でシンクロトロンを提供することは可能ではない。この発明は、市場において、汎用的利用に供される新規な実用的システムをもたらす、複数の構成要素のコンビネーションを提供するものである。
【００１３】
更に、便宜上いくつかの用語を定義しておく。まず、テラヘルツ周波数帯域として一般に容認された帯域の定義について、これは、約3×1011(つまり300 GHz)〜1.3×1012(つまり1.3 THz) Hzの範囲の帯域である。テラヘルツ周波数帯域は、マイクロ波(最長の波長が1ミリメートルである)と遠赤外線(その長波長端は100マイクロメートルである)の間にはさまれた波長/周波数帯域を指す。
【００１４】
また、数多くのテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム源が存在することに注目される。例えば、スミス-パーセル・セルは、回折格子のラフな表面(ruled surface)の非常に近くに高いエネルギーの電子線を走らせる装置である。スミス-パーセル・セルでは、電子線の軌跡に関する影響は無視できるが、電磁放射ビームの位相速度が周期的な回折格子により変調されることによって、テラヘルツ周波数帯域のチェレンコフ光が生成される。
【００１５】
この他のテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム源としては、自由電子レーザーがある。この電磁放射ビーム源では、電子が相対論的な速度に加速され、周期的な直交磁界を通り抜けさせられる。この磁石のアレイは、電子の経路を正弦波の形状に形成するので、アンデュレーター(undulator)あるいはウィグラー(wiggler)と呼ばれる。電子を加速することによって「シンクロトロン放射」と呼ばれる光子の放出が起こる。この電子の運動は、放出される電磁放射ビームの位相と同位相であり、そのため、コヒーレントな場を生じさせる。
【００１６】
電子のアンデュレーター内の振動の相互作用に起因する不安定な運動が電磁放射ビームを放射することにつながる。電子から放射された電磁放射ビームの波長は、電子線のエネルギーの大きさ及びアンデュレーターの磁場の強度の双方、あるいはいずれか一方を調節することにより、テラヘルツ周波数帯域となるように調節される。
【００１７】
テラヘルツ周波数帯域の他の電磁放射ビーム源(そして、この発明において利用して好ましい電磁放射ビーム源)は、後進波発振器(BWO：Backward Wave Oscillator)である。このBWOは、真空管システムであって、電子線を発生させて、テラヘルツ周波数帯域の振動が、電子線に対して後方に進行する電磁波との間の相互作用によって維持されるように、その電子を放出する電子線とは逆の方向に進む電磁波と相互作用させる電子ガンを備える。
【００１８】
テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームをモニターすることを目的とする様々な検出器が既に存在することも開示されている。その一例がゴーレイセルであり、本発明に用いて好適であり、試料に入射する電磁放射ビームに起因する温度変化を、測定可能である信号に変換することにより動作する。通常、電磁放射ビームが黒くされた素材に入射すると、第1槽内に封入されたガス(例えば、キセノンガス)が加熱される。そして、このことによって、上述の第1槽の直後に設けられた曲げることができ光を反射するダイアフラム/フィルムの形を変形させる。上述のダイアフラム/フィルムによって第1槽から分けられた第2槽において、このフィルムからの反射光がフォトセルに入力される。このフォトセルは受信した反射光を電気信号に変換する。
【００１９】
ボロメーター(Bolometer)は、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームをモニターするための検出器であるが、黒くされた金属に入射する電磁放射ビームによって引き起こされる電気抵抗の変化を利用して動作する。
【００２０】
この他、テラヘルツ周波数帯域の固体発光光源及び固体素子検出器も知られている。例えば、Nagashima等の論文(非特許文献７)には、モード同期Tiサファイアレーザーから出力され80 fsの時間幅のパルスで励起された蝶ネクタイ型の光伝導アンテナ(bow-tie photoconductive radiation antenna)によって、テラヘルツパルス(パルス幅がテラヘルツ周波数帯域の幅であるパルス)が、生成されることが記載されている。そして、受信アンテナは、低温成長によるGaAs(LT-GaAs)上に形成された5ミクロンギャップを有する双極子型の光伝導アンテナによって形成されている。更に、フランスのパリにあるABミリメーター(AB Millimeter)社によって、8 GHz〜1000 GHzの帯域をカバーする固体発光光源及び固体検出素子を備えるシステムが提供されていることが知られている。
【００２１】
公知文献の開示の前に、PTOウェッブサイトを用いて、(エリプソメーター、及び、ボロメーター)、(エリプソメーター、及び、ゴーレイセル)という単語を含む、特許公報と公開公報に対してコンピューター検索を行った結果、1点の文献がヒットした。それは、Tsukrukの特許文献１である。この特許文献１には、エリプソメトリーとゴーレイという単語を含んでいるが、上述の素子を含むエリプソメーターシステムについての記載はなされていない。
【００２２】
更に、(エリプソメーター、及び、後進波発振器)、(エリプソメーター、及び、スミス-パーセル)、そして、(エリプソメーター、及び、自由電子レーザー)という単語を含む、特許公報と出版された論文に対してコンピューター検索を行った結果、Nakahara等の特許文献２が存在した。この特許文献２は、エリプソメーターと自由電子レーザーという単語を含んでいるが、上述の素子の組み合わせについての記載はなされていない。
【００２３】
Wang等の特許文献３には、ゴーレイセル及びスミス-パーセル検出器と組み合わせて利用される自由電子レーザーについて記載されている。しかしながら、エリプソメーターあるいはポラリメーターへの応用については記載されていない。
【００２４】
Brownellの特許文献４には、自由電子レーザーとスミス-パーセル検出器の使用について記載されているが、エリプソメーターあるいはポラリメーターの視点からの記載はなされていない。Andrews等の非特許文献２には、スミス-パーセル自由電子レーザーの使用について記載されている。Kompfnerの特許文献５には、後進波発振器について開示した記載がある。Epszteinの特許文献６には、後進波発振器について開示した記載がある。テラヘルツ周波数帯域におけるエリプソメーターについて記載した公知文献には、以下のものがある。
【００２５】
Hofmann等の非特許文献３には、エリプソメトリーで生成されて使われるテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームの利用について記載されている。このテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームの光源は、ドイツのBESSYにあるシンクロトロンである。
【００２６】
Hofmann等の非特許文献４には、エリプソメトリーで生成されて使われるテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームの利用について記載されている。このテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム源は、シンクロトロン光源あるいは伝統的な黒体(Blackbody)である。また、FTIR光源及びボロメーターについても言及されている。
【００２７】
Menikh等の非特許文献５には、テラヘルツ周波数帯域の非バイアスGaAs固体電磁放射ビーム源、及びZnTe固体受光素子の使用について記載されている。
【００２８】
Hango等の非特許文献６には、30 GHz 〜 10 THzにわたり、また、遠赤外領域(FIR)のフーリエ変換分光(FTS)の使用について記載されている。このアプローチは、1 THz以下の帯域では容易でないことに留意して行われている。この文献には、後進波発振器(BWO)に周波数逓倍器を加えた応用についても記載されている。この周波数帯域をカバーするために、30 GHz 〜 3 THz の帯域をカバーすることは、さまざまのBWO及び周波数逓倍器に要求されることが留意される。この文献には、フェムト秒レーザー（例えば、モード同期Ti:サファイアレーザーあるいは低温成長GaAsで形成された光伝導アンテナと組み合わせられたErドープファイバーレーザー）の利用についても示されている。
【００２９】
Nagashima等の非特許文献７には、蝶ネクタイ型アンテナ(bow-tie antenna)とGaAs受信アンテナを備えるモード同期Ti:サファイアレーザーの使用について記載されている。Luttmanの特許文献７には、エリプソメーターにおけるテラヘルツ光源の利用についての記載がある。Nagashima等の非特許文献８には、テラヘルツエリプソメーターが提案されている。Dobroiu等の非特許文献９には、電磁放射ビームを出力するテラヘルツ光源の利用について記載されている。
【００３０】
Herzinger等の特許文献８には、電磁放射ビームの偏光の回転に対する奇数回反射(Odd-Bounce)システムについて記載されている。この特許文献８を先導する特許は、特許文献９である。Herzinger等の特許文献９には、多数回の反射手段の脈絡で単一のブリュースター角偏光子について記載しており、先行技術であるデュアルブリュースター角単一反射手段(dual Brewster Angle Single Reflective Means)による偏光システムについて開示している。
【００３１】
Herzinger等の特許文献10には、適用される分光エリプソメーターとともに、調整可能なビームアライメント補償子/遅延子について記載されている。
【００３２】
Johs等の特許文献11には、複数枚のBerek板による遅延子(a multiple Berek plate optical retarder)システムについて記載されている。
【００３３】
Johs等の特許文献12には、単一の三角形状の遅延子について記載されている。
【００３４】
Johs等の特許文献13には、さまざまの補償子/遅延子との組み合わせとして双傾斜型ワイヤーグリッド偏光子(dual tipped wire grid polarizers)について記載されている。
【００３５】
Johs等の特許文献14には、デュアル水平三角形状の遅延素子(dual horizontally oriented triangular shaped optical retarder)について記載されている。
【００３６】
Johs等の特許文献15には、平行四辺形の形状をした遅延素子(parallelogram shaped optical retarder element)について記載されている。
【００３７】
Johs等の特許文献16には、デュアル垂直三角形状の遅延素子(dual vertically oriented triangular shaped optical retarder element)について記載されている。Johs等の特許文献17及び特許文献18には、偏向角を自己補償する補償システムについて記載されている。
【００３８】
Johs等の特許文献19には、エリプソメーターシステムについて開示されている。このシステムにおいて、検光子と偏光子は、データを取得している間その位置を固定されたままとされ、補償子は連続的に回転している。
【００３９】
Thompson等の特許文献20には、赤外線波長帯域で利用されるようにキャリブレートされたエリプソメーターシステムにおいて、最初に、その適用のための二重フーリエ級数楕円偏光計較正手順に基づく数学的回帰について記載されている。このシステムの構成要素として複屈折透過ウインドウ型補償子(Bi-refringent, transmissive window-like compensators)が記載されており、連続して隣接した素子によってもたらされた遅延の相関性の議論がなされている。この素子は、データ取得時には互いに他に対して回転されない。
【００４０】
更に、特許文献８には、Green等の特許文献21及び特許文献22が挙げられている。ここでは、ゼロ(0.0)近傍及び180度近傍のデルタ(Δ)の値の測定、及び、45度のプサイ(Ψ)の値までの変調素子エリプソメーターの拡張を可能にするように回転型アナライザー/偏光子エリプソメーターシステムの測定範囲を拡張する方法について教示している。これらの特許公報(特許文献21及び特許文献22)には、透過率可変の、複屈折部品の存在について開示している。これらの素子及び部品は、システムに付加されて利用されるものであり、データ取得中はそれらの性能はアイデンティファイ可能な状態とされている。
【００４１】
He等の特許文献23には、サンプルの微小な領域に、サンプルシステムに対して斜め入射される、偏光された電磁放射ビームを提供可能なエリプソメーターシステムが開示されている。
【００４２】
Herzinger等の特許文献８には、一般的興味を引く特許として、Woollam等の特許文献24(チョッパーについて記載されている)、Johs等の特許文献25、Green等の特許文献26、Johs等の特許文献27が含まれていて、エリプソメーターシステムに関連した開示がされている。
【００４３】
Coates等の特許文献28には、薄膜の厚みを測定するために、試料基板への入射がブリュースター角で、反射され直線偏光した電磁放射線の単色ビームを利用することについて記載されている。この特許公報には、異なる厚みの表面コーティングがなされている2枚の試料基板を用いるキャリブレーションについても記載されている。
【００４４】
サンプルを検査するシステムのための反射電磁放射ビームの利用についての記載がされた他の特許文献は、Coates等の特許文献29、特許文献30、特許文献31及びJohnson等の特許文献32がある。
【００４５】
Bjork等の特許文献33には、電磁放射ビーム中に複数の反射光の偏光状態の変調器を連続的に、個々に配置するための設備を備えたエリプソメーターシステムが開示されている。特許文献34、特許文献35、及び特許文献36も、上述の特許文献33で引用されている。これらの特許公報(特に特許文献35)に記載されているシステムでは、偏光状態を変調するためにある要素からの反射が用いられ、ある要素が調査対象のサンプルの実質的な複製であり、それから90度回転されているならば、電磁放射ビームにおける偏光状態変調要素の効果がサンプルにより消去される。
【００４６】
Mansuripur等の特許文献37には、反射率を測定する装置について開示されている。Mansuripur等の特許文献38及び特許文献39には、斜め入射光をサンプルシステムに入射させるタイプのエリプソメーターシステムが開示されている。特許文献39は、複数の波長の光、及び、複数の入射角を利用可能にする。同じ理由で、Gold等の特許文献40にも、開示されている。
【００４７】
以上の特許に加えて、Herzinger等の特許文献８の中で紹介されている複数の科学技術論文としてJohsの非特許文献10がある。この文献には、エリプソメーターシステムのキャリブレーションに関連する数学的回帰についての記載がある。
【００４８】
付加的に関連する特許として、Johsの特許文献41がある。この特許公報には、合波器を含む、結合された多色の電磁放射ビーム源について記載されている。
【００４９】
また、JAウーラム株式会社(J. A. Woollam Co., Inc.)は、多年にわたりIR-VASE (Reg.TM)と称される赤外領域のエリプソメーターを販売している。この装置は、10 THz〜150 THzの周波数帯域に適用可能であり、BOMEM社製フーリエ変換型赤外分光計(Bomen FTIR)を利用する、入射角が可変である回転型補償子システムである。更に、フーリエ変換型赤外光源と、ワイヤーグリッド型偏光子(wire-grid polarizer)によって与えられた偏光状態を回転させるための奇数回反射画像回転装置(Odd-Bounce image rotating system)とを備えている。このシステムは、市場としては、1 THz以下の帯域に対しては提供されていなかったものであり、現状の発明の進展に寄与するものであることに注目してほしい。
【００５０】
テラヘルツ周波数帯域で実用のエリプソメーターについて記載している追加的文献として以下の文献がある。
【００５１】
Dietz等の非特許文献11及び非特許文献12には、テラヘルツ周波数帯域で使用されるエリプソメーターについて記載されている。
【００５２】
Rudychの非特許文献13には、テラヘルツ周波数帯域の光源として自由電子レーザーを利用することについて記載されている。
【００５３】
Holldack等の非特許文献14及び非特許文献15には、ストークスパラメータを全て決定することに対する構想が記載されている。
【００５４】
Esquinazi等の非特許文献16には、一般化した磁気光学エリプソメトリーにおけるシンクロトロン放射の利用について記載されている。また、Esquinazi等の非特許文献17には、一般化したミューラーマトリックスエリプソメトリーにおけるシンクロトロン放射の利用について記載されている。
【００５５】
Kuwata-Gonokami等の非特許文献18には、磁気光学の光学的測定においてテラヘルツ周波数帯域を使った誘電率テンソルの決定方法について記載されている。
【００５６】
Gallot等の非特許文献19には、THz波を超える範囲の周波数での偏光状態の決定について記載されている。
【００５７】
Hangyo等の非特許文献20には、テラヘルツ時間領域分光技術によるテラヘルツエリプソメトリーについて記載されている。
【００５８】
テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム源について記載している追加的文献として以下の文献がある。
【００５９】
Hurlbut等の非特許文献21には、後進波発振器(BWO)を周波数逓倍器と組合せることについて記載されている。
【００６０】
Vodopyanov等の非特許文献22には、テラヘルツ波を作るための閃亜鉛鉱構造(Zincblende)半導体(GaAs, GaP)の応用について記載されている。
【００６１】
Gorshunov等の非特許文献23には、後進波発振器(BWO)による分光器を利用した、誘電体、導体、及び超伝導体の誘電応答の直接的測定方法について記載されている。
【００６２】
Kozlov等の非特許文献24には、0.1〜1 THzの周波数帯域で動作するポータブルタイプのテラヘルツ分光器について記載されている。Nishizawa等の非特許文献25には、テラヘルツの時間分光について記載されている。
【００６３】
2008年4月3日に発行されたVodopanov等の特許文献42には、光パルス列を半導体に照射することを含む、テラヘルツ放射の発生方法について記載されている。
【００６４】
Stehle等の2004年11月16日に発行された特許文献43及び2005年1月25日に発行された特許文献44にも、エリプソメーターシステムにおけるテラヘルツ周波数帯域の応用について記載されている。
【００６５】
PCTの特許文献45に対するサーチレポートは最近受け取られたことを注記しておく。これには、引用文献(特許文献８、特許文献46、特許文献47、特許文献48、特許文献49、特許文献50、特許文献51、及び特許文献52)が確認されている。
【００６６】
また、Duerr, Erik Kurt からマサチューセッツ工科大学（Mass. Inst. Tech.）に提出された2002年9月付けの博士論文（非特許文献26）、Hofmann等の非特許文献27が確認されている。
【００６７】
確認された文献である明細書［シリアル番号No. 12/456,791］、仮出願(provisional application)の明細書［シリアル番号No. 61/208,735 及びNo. 61/281,905］は全てこの明細書に取り込まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００６８】
【非特許文献１】Collins, “Automatic Rotating Element Ellipsometers: Calibration, Operation and Real-Time Applications”, Rev．Sci．Instrum., 61 (8) (1990)
【非特許文献２】Andrews, et al., “Gain of a Smith-Purcell Free Electron Laser“Phy. Rev., Vol. 7, 070701 (2004)
【非特許文献３】Hofmann et al., "Terahertz Generalized Meuller-matrix Ellipsometry", Proc. of SPIE, Vol. 6120, pp. 61200D1-61200D10, (2005)
【非特許文献４】Hofmann et al., "Terahertz magneto-optic generalized ellipsometry using synchrotron and blackbody radiation" American Inst, of Physics, 77,063902-1〜063902-12, (2006)
【非特許文献５】Menikh et al., "Label-free Amplified Bioaffinity Detection Using Terahertz Wave Technology" Biosensors and Bioelectronics 20, 658-662 (2004)
【非特許文献６】Hango et al., "Spectroscopy by Pulsed Terahertz Radiation" Meas. Sci. and Technol., 13 (2002), pp 1727-1738
【非特許文献７】Nagashima et al.. "Development of Terahertz Ellipsometry and its Application to Evaluation of Semiconductors", Tech. Meeting on Light Application and Visual Science, IEEE (2002)
【非特許文献８】Nagashima et al., "Measurement of Complex Optical Constants of a Highly Doped Si Wafer Using TerahertzEllipsometry", Applied Phys Lett. Vol. 79, No. 24 (10 Dec.  2001)
【非特許文献９】Dobroiu et al., "Terahertz Imaging System Based on a Backward-Wave Oscillator" Applied Optics, Vol. 43, No 30, (20 October 2004)
【非特許文献１０】Johs, "Regression Calibration Method for Rotating Element Ellipsometers", Thin Solid Films, 234 (1993)
【非特許文献１１】Dietz et al. "THz Ellipsometry in Theory and Experiment", 33rd International Conference on Infrared and Millimeter Waves (2008)
【非特許文献１２】Dietz et al. "THz Ellipsometry in Theory and Experiment", 16th International Conference on Terahertz Electronics, IRMMW-THz (2008)
【非特許文献１３】Rudych, "Study Terahertz Ellipsometry Setups for Measuring Metals and Dielectrics Using Free Electron Laser Light Source", 31st International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th International Conference on Terahertz Electronics, IRMMW-THz (2006)
【非特許文献１４】Holldack et al., "Spectral THz Ellipsometer for the Unambiguous Determination of all Stokes Parameters", 30th Internat onal Conference on Infrared and Millimeter Waves (2006)
【非特許文献１５】Holldack et al., "Spectral THz Ellipsometer for the Unambiguous Determination of all Stokes Parameters", 13th International Conference on Terahertz Electronics, IRMMW-THz (2006)
【非特許文献１６】Esquinazi et al., "Terahertz Magneto-Optic Generalized Ellipsometry Using Synchrotron and Blackbody Radiation", Sci. Instrum., Vol. 7, No. 6(2006)
【非特許文献１７】Esquinazi et al., "Terahertz Generalized Mueller-Mat ix Ellipsometry", Proc. Int. Soc. Opt. Eng., Vol. 6120, (2006)
【非特許文献１８】Kuwata-Gonokami et al., "THz Time-Domain Magneto-Optic Ellipsometry in Reflection Geometry", Trends Opt. Photonics Series, Vol. 97, (2004)
【非特許文献１９】Gallot et al., "Terahertz Polarimetry", Conf. Lasers Electro-Optics, CLEO, Vol. 3 (2005)
【非特許文献２０】Hangyo et al-, "Evaluation of Complex Optical Constants of Semiconductor Wafers using Terahertz Ellipsometry", Trends Opt. Photonics Series, Vol. 88, (2003)
【非特許文献２１】Hurlbut et al., "Improved Performance of Hybrid Electronic Terahertz Generators", 33rd 5 International Conference on Infrared and Millimeter Waves and Terahertz Waves, IRMMW-THz (2008)
【非特許文献２２】Vodopyanov et al., "Terahertz Wave Generation in Orientation-Patterned GaAs Using Resonantly Enhanced Schemes", SPIE-Intl. Soc. for Opt. Eng.USA, Vol. 6455, (2007)
【非特許文献２３】Gorshunov et al., "Terahertz BWO Spectroscopy of Conductors and Superconductors", Quantum Electronics, Vol. 37, No. 10 (Oct 2007)
【非特許文献２４】Kozlov et al., "Portable THz Spectrometers", 31st International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th International Conference on Terahertz Electronics, IRMMW-THz (2007)
【非特許文献２５】Nishizawa et al., "Terahertz Time-Domain Spectroscopy", Terahertz Optoelectronics, Topics Appl . Phys. 97, 203-271 (2005)
【非特許文献２６】Duerr, Erik Kurt, "Distributed Photomixers" 2002年9月付け博士論文
【非特許文献２７】Hofmann et al., "Hole Diffusion Profile in a P-P+ Sliced Homojunction Determined by Terahertz and Mid-infrared Spectroscopic Ellipsometry" App. Phys. Lett., 95 032102 (2009)
【特許文献】
【００６９】
【特許文献１】米国特許公開公報US2005/0175507号明細書
【特許文献２】米国特許第5,317,618号明細書
【特許文献３】米国特許第5,914,492号明細書
【特許文献４】米国特許公開公報US2006/0050269号明細書
【特許文献５】米国特許第2,985,790号明細書
【特許文献６】米国特許第2,880,355号明細書
【特許文献７】米国特許公開公報US2004/0027571号明細書
【特許文献８】米国特許第6,795,184号明細書
【特許文献９】米国特許第6,137,618号明細書
【特許文献１０】米国特許第6,084,675号明細書
【特許文献１１】米国特許第6,118,537号明細書
【特許文献１２】米国特許第6,141,102号明細書
【特許文献１３】米国特許第5,946,098号明細書
【特許文献１４】米国特許第6,100,981号明細書
【特許文献１５】米国特許第6,084,674号明細書
【特許文献１６】米国特許第5,963,325号明細書
【特許文献１７】米国特許第7,450,231号明細書
【特許文献１８】米国特許第7,460,230号明細書
【特許文献１９】米国特許第5,872,630号明細書
【特許文献２０】米国特許第5,706,212号明細書
【特許文献２１】米国特許第5,757,494号明細書
【特許文献２２】米国特許第5,956,145号明細書
【特許文献２３】米国特許第5,963,327号明細書
【特許文献２４】米国特許第5,373,359号明細書
【特許文献２５】米国特許第5,666,201号明細書
【特許文献２６】米国特許第5,521,706号明細書
【特許文献２７】米国特許第5,504,582号明細書
【特許文献２８】米国特許第4,826,321号明細書
【特許文献２９】米国特許第Re.34,783号明細書
【特許文献３０】米国特許第4,373,817号明細書
【特許文献３１】米国特許第5,045,704号明細書
【特許文献３２】米国特許第5,452,091号明細書
【特許文献３３】米国特許第4,647,207号明細書
【特許文献３４】米国特許第4,210,401号明細書
【特許文献３５】米国特許第4,332,476号明細書
【特許文献３６】米国特許第4,355,903号明細書
【特許文献３７】米国特許第4,838,695号明細書
【特許文献３８】米国特許第4,750,822号明細書
【特許文献３９】米国特許第5,596,406号明細書
【特許文献４０】米国特許第5,042,951号明細書
【特許文献４１】米国特許第6,268,917号明細書
【特許文献４２】米国特許第7,339,718号明細書
【特許文献４３】米国特許第6,819,423号明細書
【特許文献４４】米国特許第5,317,618号明細書
【特許文献４５】国際出願公開公報PCT/US09/05346号明細書
【特許文献４６】米国特許第7,274,450号明細書
【特許文献４７】米国特許第6,798,511号明細書
【特許文献４８】米国特許公開公報US2004/0228371号明細書
【特許文献４９】米国特許公開公報US2007/0252992号明細書
【特許文献５０】米国特許公開公報US2006/0289761号明細書
【特許文献５１】米国特許公開公報US2007/0278407号明細書
【特許文献５２】米国特許公開公報US2007/0097373号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００７０】
関連する先行技術を考慮しても、テラヘルツ周波数帯域での利用のため、好ましくは、直線偏光電磁放射ビームを供給する便利なアプローチと組合せた、直線偏光の方位角の制御が可能であるエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムの必要性は残っている。
【課題を解決するための手段】
【００７１】
この発明は、テラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムに関し、基本的に、
テラヘルツ周波数帯域の光源(BWO)；
第1の回転可能な偏光子(WGP1)；
試料(S)を支持するためのステージ(STG)；
第2の回転可能な偏光子(WGP2)；及び
テラヘルツ周波数帯域の電磁放射線検出器(DET)；
をこの順に含んでいる。
【００７２】
前記テラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムは、更に、第1の回転子(RE1)及び第2の回転子(RE2)を、前記光源(BWO)と前記検出器(DET)との間に備え、これらはともに、ステージ(STG)に対して、光源(BWO)あるいは検出器(DET)側に配置することができるが、好ましくは各側に１つ配置するのが望ましい。また、好ましい光源は、後進波発振器(Backward wave oscillator)であり、好ましい検出器はゴーレイセルであることにも注意されたい。
【００７３】
好ましい実施例によって記述すると次のようになる。使用時に、後進波発振器(BWO)は、基本周波数としてテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム(BI)を出力し、このビームを第1の回転可能な偏光子を通過させ、試料を支持するためのステージ(STG)上に置かれた試料(S)から反射させ、第2の回転可能な偏光子を通過させ、出力光(BO)としてゴーレイセル検出器(DET)に入力させる。また、電磁放射ビームは、第1の回転子(RE1)及び第2の回転子(RE2)も通過する。
【００７４】
示唆されるように、好ましい実施例として、第1の回転子(RE1)及び第2の回転子(RE2)が、それぞれステージ(STG)及び試料(S)に対して、光源(BWO)側及び検出器(DET)側にそれぞれ配置された形態を提供する。この様な形態においては、使用の際、後進波発振器(BWO)によって出力される基本周波数としてのテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム(BI)は、第1の回転可能な偏光子を通過する。この第1の回転可能な偏光子は、好ましくはワイヤーグリッド偏光子(WGP1)である。第1の回転可能な偏光子を通過した光は、第1の回転子(RE1)を通過する。そして、試料を支持するためのステージ(STG)上に置かれた試料(S)から反射させた光は、第2の回転子(RE2)を通過し、その後、第2の回転可能な偏光子を通過する。この第2の回転可能な偏光子は、好ましくはワイヤーグリッド偏光子(WGP2)であって、第2の回転可能な偏光子の出力光(BO)はゴーレイセル検出器(DET)に入力する。
【００７５】
この基本的構成のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムでは、第1の回転子(RE1)及び第2の回転子(RE2)が、以下に掲げるグループの中からそれぞれ選択される。その選択肢の一つが、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)であり、その他の選択肢が、回転型遅延子(RRET)である。
【００７６】
この回転型遅延子(RRET)は、任意の機能的順序で配列された、第1(RP)、第2(RM1)、第3(RM2)、第4(RM3)反射素子を備えている。それぞれの反射素子は、使用時に電磁放射ビームを一回反射する。第1反射素子(RP)はプリズムであり、第1側面からビームを受け、そして第2側面から反射された光が第3側面から出力される。反射は、第1側面及び第3側面とともにプリズムを構成する角度を決めている第2側面からなされる。これら反射素子(RP) (RM1) (RM2) (RM3)は、このプリズムの第2側面からの反射ビームの軌跡が、このプリズム(RP)内で全反射が達成される角度と等しいあるいはそれより大きな角度で第2側面に近づくように、かつ、任意の機能的順序で配列された一連の素子の4番目に配置された反射素子からの反射ビームの軌跡が、一連の素子の1番目に配置された反射素子によって受光されたビームの軌跡からの逸脱あるいは変位がなく、ほぼ共軸となるように、互いに対して向けられる（注：好適な実施形態は、第1の回転子(RE1)が回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)であり、第2の回転子(RE2)が、回転型遅延子(RRET)であり、好適な構成の回転型遅延子(RRET)は、第1(RP)、第2((RM1)、第3(RM2)、そして第4(RM3)反射素子が任意の機能的順序で配置されており、好適な構成の回転型遅延子(RRET)は、入射ビームが最初に入射される位置にプリズム(RP)が配置された構成である)。
【００７７】
基本的なテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターは、更に、
後進波発振器(BWO)の後段に配置する周波数逓倍器(FM)；
第1の放物凹面鏡(PM1)；及び
反射手段(Ml)； 
既に述べた、第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)；
を連続して配置して構成することもできる。
【００７８】
基本的なテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターは、更に、第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)の後段に、第2の放物凹面鏡(PM2)と既に述べた第1の回転子(RE1)-(RWGP)を備えることもできる。そして、更に、後述する第2の回転子(RE2)-(RRET)の後段に、第3の放物凹面鏡(PM3)を連続して配置することもできる。更に、後述する第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)の後段に、第4の放物凹面鏡(PM4)に続き、既に述べたゴーレイセル検出器(DET)を連続して配置して構成することもできる。
【００７９】
使用時に、適所に置かれた先の追加の要素と共に、後進波発振器(BWO)からの射出光は、基本周波数のテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム(BI)を周波数逓倍器(FM)に入力させる。周波数逓倍器(FM)から出力された所望の周波数を含むビームは、実質的にコリメートされたビームとして、第1の放物凹面鏡(PM1)から反射される。それから、この実質的にコリメートされたビームは、反射手段(M1)で反射されるように向けられ、第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGPl)を通過して、第2の放物凹面鏡(PM2)で反射されて、第1の回転子(RE1)を通過して、試料を支持するためのステージ(STG)上に置かれた試料(S)から反射されて、第2の回転子(RE2)を通過し、第3の放物面鏡(PM3)で反射され、第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)を通過して、第4の放物凹面鏡(PM4)で反射されて、出力光(BO)としてゴーレイセル検出器(DET)に入力される。
【００８０】
基本構成のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムは、更に、後進波発振器(BWO)とゴーレイセル検出器(DET)との間に、単純に、放物凹面鏡(PM1) (PM2) (PM3) (PM4)の組;及び、反射手段(M1)から選択された一つを含むことが可能である。
【００８１】
基本構成のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムは、更に、単純に後進波発振器(BWO)の後段に周波数逓倍器(FM)を含むことが可能である。
【００８２】
基本構成のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムは、また、後進波発振器(BWO)とゴーレイセル検出器(DET)との間に、チョッパー(CHP)を置くことが可能である。
【００８３】
基本構成のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムは、更に、次に示すユニットとしての回転手段を、試料(S)を支持するためのステージ(STG)の中心に位置決めされた縦軸周りに含むことが可能である。
【００８４】
このユニットは、試料(S)を支持するためのステージ(STG)とゴーレイセル検出器(DET)との間の要素、（例えば、試料(S)を支持するためのステージ(STG)；第2の回転子、備えるとすれば第3の放物凹面鏡(PM3)；第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)；備えるとすれば第4の放物凹面鏡(PM4)；そして、ゴーレイセル検出器(DET)）というユニット、及び、試料(S)を支持するためのステージ(STG)と、後進波発振器(BWO)との間の要素（例えば、試料(S)を支持するためのステージ(STG)；第1の回転子：備えるとすれば第2の放物凹面鏡(PM2)；第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)；備えるとすれば反射手段(M1);第1の放物凹面鏡(PM1)；備えるとすれば周波数逓倍器(FM)；そして、後進波発振器(BWO)）というユニット、の双方あるいはいずれか一方である。
【００８５】
このユニットは、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)から出力されて試料(S)に届くテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームの入射角(θ)と、試料を支持するためのステージ(STG)上に置かれた試料(S)からの反射角(θ)の制御が可能である。
【００８６】
基本構成のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムは、試料(S)を支持するためのステージ(STG)を、試料(S)を垂直面あるいは水平面内で支持するように向けることを可能にする。
【００８７】
ステージ(STG)が水平面内に支持させられることになっている場合、このシステムは上述の第1の回転子(RE1)を出て、左・右の垂直シーケンスによってステージ(STG)にそれを向けるビームを受け取ることを可能にされる。第1の(FLS/FRS)、第2の(SLS/SRS)、及び第3の(TLS/TRS)の各々の素子は、第1の回転子(RE1)から出力されるテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームを、第1の左側素子(FLS)から第2の左側素子(SLS)へ反射させ、そして第3の右側素子(TRS)へ反射する。そして、ステージ(STG)の水平面に置かれたサンプル(S)から、第3の左側素子(TLS)へ反射されるように向けられる。第3の左側素子(TLS)は、第2の右側素子(SRS)へビームを反射する。このビームは第2の回転子(RE2)に向けられる。
【００８８】
このテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムは、以下のグループから選択される回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)を含むことができる。
【００８９】
一つは、非ブリュースター(NBR)角、及びブリュースター(BR)角コンポーネントを含むデュアル偏光コンポーネントシステムである。ここで、ワイヤーグリッドを有する非ブリュースター(NBR)角コンポーネントを通り抜ける電磁放射ビームは、追加の反射手段(Ml)と(M2)から反射し、その後、ブリュースター(BR)角コンポーネントから反射される。そして、偏光ビームとして伝播し続ける。
【００９０】
もう一つは、第1及び第2のワイヤーグリッド偏光子(WG1)及び(WG2)を備えた、デュアルワイヤーグリッド偏光子システムである。ここで、この第1及び第2のワイヤーグリッド偏光子は、互いに平行な方向の偏光軸を有し、各々が偏光軸に平行な第1及び第2面を有する。そして、第1及び第2のワイヤーグリッド偏光子は、各々この平行な面が実質的に角度(α)だけ傾いている。ここで、第1のワイヤーグリッド偏光子へ入力されたビームは、第2のワイヤーグリッド偏光子から偏光状態で出力される。そのとき、不要とされる反射成分(R1)と(R2)は、そらされる。
【００９１】
基本構成のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムは、更に、後進波発振器(BWO)とゴーレイセル検出器(DET)との間に、少なくとも一つの開口(A)を含むことが可能である。また、このテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムは、第1(RE1)及び第2(RE2)の回転子が、互いに相対的に1対10あるいは10対1の比率の相対的な速度で回転するように構成することが可能である。
【００９２】
次に進む前に、次の点に言及しておく。この発明は、ワイヤーグリッドを備えるか否かに係らず任意の基本的に回転可能あるいは回転型の偏光子を利用することができる。しかしながら、この発明の好適な実施形態では、それ単体で、あるいはワイヤーグリッドを備える偏光子が利用される。その上、この発明においてゴーレイセル検出器を利用するのが好適であるが、テラヘルツ周波数帯域の電磁波の任意の検出器を使用することができる(例えば、ボロメーターあるいは固体素子)。
【００９３】
この発明の好ましい実施形態では、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームによる試料の物理的及び光学的性質を決定する方法は、以下のa〜dのステップを含んでいる。
【００９４】
ステップaは、以下の構成要素、
後進波発振器(BWO)；
第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)；
回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)；
試料(S)を支持するためのステージ(STG)；
回転型遅延子（RRET）；
第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)；
ゴーレイセル検出器(DET)；
を順に備えるテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムを用意するステップである。
【００９５】
回転型遅延子(RRET)は、任意の機能的順序で配列された、第1(RP)、第2(RM1)、第3(RM2)及び第4(RM3)反射素子を備え、使用時にこれら素子では電磁放射ビームが1回ずつ反射する。第1反射素子(RP)はプリズムであり、その第1側面を通過したビームを受け、反射されてその第3側面から出力する。この反射は第2側面で起こり、第2側面は第1及び第3側面で形成されるプリズムの角度で決定される。これら反射素子(RP) (RM1) (RM2) (RM3)は互いにその向きが、このプリズムの第2側面からの反射ビームの軌跡が、この第1反射素子(RP)内で全反射が達成される角度あるいはそれ以上の角度で、第2側面に近づき、かつ、任意の機能的順序で配列された一連の素子の4番目に配置された反射素子からの反射ビームの軌跡が、一連の素子の1番目に配置された反射素子によって受光されたビームの軌跡からの逸脱あるいは変位がなく、ほぼ共軸となるように決められる。
【００９６】
使用時に、後進波発振器(BWO)は、基本周波数のテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム(BI)を、第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)を通過するように出力する。そして、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)を通過し、試料を支持するためのステージ(STG)上の試料(S)から反射され、回転型遅延子(RRET)を通過し、第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)を通過して、出力光(BO)としてゴーレイセル検出器(DET)に入力される。
【００９７】
ステップbは、試料を支持するためのステージ(STG)上に試料(S)を設置するステップである。
【００９８】
ステップcは、後進波発振器(BWO)から出力された基本周波数のテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームである入力光(BI)を、第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)を通過させ、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)を通過し、試料を支持するためのステージ(STG)上の試料(S)から反射させ、回転型遅延子(RRET)を通過し、第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)を通過させて、出力光(BO)としてゴーレイセル検出器(DET)に入力されるように設定するステップである。
【００９９】
ステップdは、ゴーレイセル検出器(DET)から試料の特徴を示すデータを取得するステップである。
【０１００】
上述の方法は、更に以下に示す構成要素を備えるテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムを用意するステップに含めることが可能である。その構成要素は、第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子（WGP1）の前段に、
後進波発振器(BWO)の後段に備える周波数逓倍器(FM)；
第1の放物凹面鏡(PM1)；及び
反射手段(M1);
更に、一連の順序で第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)の後段であり、上述の回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)の前段に第2の放物凹面鏡(PM2)；
また、一連の順序で、回転型遅延子(RRET)の後段に第3の放物凹面鏡(PM3)；
そして、また、一連の順序で、第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)の後段であり、ゴーレイセル検出器(DET)の前段に第4の放物凹面鏡(PM4)；
である。
【０１０１】
使用時に、後進波発振器(BWO)は、基本周波数のテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビーム(BI)を、周波数逓倍器(FM)に向けて出力し、周波数逓倍器(FM)から出力される所望の周波数を含むビームは、実質的にコリメートされたビームとして第1の放物凹面鏡(PM1)から反射される。実質的にコリメートされたビームは、反射手段(Ml)で反射されて第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)を通過し、第2の放物凹面鏡(PM2)で反射して回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)を通過するようにされている。そして、試料を支持するためのステージ(STG)上の試料(S)で反射して、回転型遅延子(RRET)を通過し、第3の放物凹面鏡(PM3)で反射され、第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)を通過し、第4の放物凹面鏡(PM4)で反射され、出力光(BO)としてゴーレイセル検出器(DET)に入力される。
【０１０２】
上述の方法は、ゴーレイセル検出器(DET)からデータが取得されている間に、試料(S)がほぼ垂直面に向けられている場合であっても実行される。そして、これを達成させるための好ましいアプローチは、第1の(FLS/FRS)、第2の(SLS/SRS)と第3の(TLS/TRS)の各々の素子の左右の垂直方向の配列を含むシステムを利用することである。
【０１０３】
回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)から出力されるテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームが、第1の左側素子(FLS)から第2の左側素子(SLS)に反射し、次いで、第3の右側素子(TRS)へ反射する。実質的に水平面内でステージ(STG)上の試料(S)から、第3の左側素子(TLS)へ向けて反射し、この反射は、第2の右側素子(SRS)、ついで第1の右側素子(FRS)へ向けて反射する。第1の右側素子(FRS)からの反射光は、回転型遅延子(RRET)に向けられる。
【０１０４】
上述の方法は、更に、次に示す双方、あるいはいずれか一方の、ユニットとしての回転可能な手段を、試料(S)を支持するためのステージ(STG)中心を通る縦軸周りに含むことができる。
【０１０５】
一つ目のユニットは、試料(S)を支持するためのステージ(STG)とゴーレイセル検出器(DET)との間の素子である (例えば、試料(S)を支持するためのステージ(STG)；回転型遅延子(RRET)；備えるとすれば第3の放物凹面鏡(PM3)；第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)；備えるとすれば第4の放物凹面鏡(PM4)；ゴーレイセル検出器(DET))；
二つ目のユニットは、試料(S)を支持するためのステージ(STG)と後進波発振器(BWO)との間の素子である。(例えば、試料(S)を支持するためのステージ(STG)；回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)；備えるとすれば第2の放物凹面鏡(PM2)；第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGPl)；備えるとすれば反射手段(M1)；備えるとすれば第1の放物凹面鏡(PM1)；備えるとすれば周波数逓倍器(FM)；そして後進波発振器(BWO))である；
そして、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)から出力されたテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームの入射角(θ)と、試料を支持するためのステージ(STG)上の試料(S)からの反射角(θ)とを等しく調整できるようにされている。
【０１０６】
上述のステップdでは、ステージの中心を通る縦軸を中心にユニットの回転が実現される。
【０１０７】
上述の方法は、更に、用意されたチョッパー(CHP)の使用を含むことができる。このチョッパー(CHP)は、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームが通過できる複数の開口を輪の形態で有し回転可能に形成されており、このチョッパー(CHP)は、後進波発振器とゴーレイセル検出器との間の、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームの通過経路中に配置される。そして、ステップdにおいてデータ取得中に、チョッパーは、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームを断続的に遮断する。
【０１０８】
上述の方法は、ステップdにおいてデータ取得中に、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)、及び、第1(RP)、第2(RM1)、第3(RM2)、第4(RM3)反射素子を備える回転型遅延素子(RRET)が互いに1対10あるいは10対1の比率の相対的な速度での回転操作を含むことができる。
【０１０９】
最後に、上述の方法は次から成るグループから選択される、少なくとも1つのステップを更に含むことができる。
【０１１０】
少なくとも機械可読媒体にゴーレイセル検出器によって提供されるいくつかのデータのうちの少なくとも一つを格納するステップ；
ゴーレイセル検出器によって提供されるいくつかのデータのうちの少なくとも一つを解析し、及び機械可読媒体内の幾つかの解析結果のうちの少なくとも一つを格納するステップ；
ゴーレイセル検出器によって提供されるいくつかのデータのうちの少なくとも一つを、電子的手段及び非電子的手段の双方、あるいはいずれか一方により表示するステップ；
ゴーレイセル検出器によって提供されるいくつかのデータのうちの少なくとも一つを解析し、その解析結果のうちの少なくとも一つを、電子的手段及び非電子的手段の双方、あるいはいずれか一方により表示するステップ；
ゴーレイセル検出器によって提供されるいくつかのデータのうちの少なくとも一つから、具体的で明白な結果を提供するために適用される信号を生成するステップ；
ゴーレイセル検出器によって提供されるいくつかのデータのうちの少なくとも一つを解析し、その解析結果のうちの少なくとも一つから、具体的で明白な結果を提供するために適用される信号を生成するステップ；
この発明は、図面と併せて明細書の詳細な説明を参照することによって、よりしっかりと理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１−１】図1aは、この発明の基本的構成のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターを示す図である。
【図１−２】図1a'は、この発明のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターのより詳細な実施形態を示す図である。図1bは、図1a'に示す好適なこの発明の実施形態のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターが、異なる入射角(AOI)を実現可能に回転できることを示す図である。
【図１−３】図1cは、この発明で試料を水平方向に向けることを可能とするシステムを示す図である。図1d1は、図1a及び図1a'において、回転型遅延素子(RRET)として適用可能な遅延素子を示す図である。
【図１−４】図1d2〜1d5は、任意の実施形態において、プリズム(RP)で全反射して電磁放射ビームが通過するように、図1d1に示す回転型遅延素子を配置した状況を示す図である。
【図１−５】図1eは、図1aあるいは図1a'に示す偏光子(WGP1), (RWGP), (WGP2)のブリュースター角及び非ブリュースター角の併合の実施形態を示す図である。図1fは、図1a〜1a'に示す偏光子(WGP1), (RWGP), (WGP2)である傾斜したデュアルワイヤーグリッド偏光子を示す図である。
【図２】図2a〜2dは、テラヘルツ周波数帯域の光源のさまざまな形態を示す図である。図2e〜2gは、テラヘルツ周波数帯域の検出器を示す図である。
【図３】この発明を適用することによって得られた、1.0〜1.4 THz帯域を含むデータを示す図である。
【図４】コンピューターを利用してこの発明の実施によって得られたデータが表示されている様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０１１２】
ここで、図面を参照すると、図1-1の1aは、この発明の基本構成のテラヘルツ(THz)エリプソメーターあるいはポラリメーターシステムを示している。この発明の基本構成のテラヘルツエリプソメーターあるいはポラリメーターシステムは、以下に示す構成要素を備えている。その構成要素は、
後進波発振器(BWO)；
第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)；
第1の回転子(RE1)；
試料(S)を支持するためのステージ(STG);
第2の回転子(RE2)；
第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)；
ゴーレイセル検出器(DET)；
である。
【０１１３】
使用時には、前記後進波発振器(BWO)から発生する、基本周波数のテラヘルツ周波数の電磁放射ビームは、入力光(BI)として前記第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)を通過し、次に第1の回転子(RE1)を通過し、前記ステージ(STG)上の試料(S)から反射されて、前記第2の回転子(RE2)を通過する。そして、第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)を通過して、出力光(BO)として前記ゴーレイセル検出器(DET)に入力される。
【０１１４】
好適な実施形態は、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)を含む前記第1の回転子(RE1)を提供する。そして、第2の回転子(RE2)は、第1(RP)、第2(RMl)、第3(RM2)、第4(RM3)反射素子を任意の機能的順序で配列して備える回転型遅延子(RRET)を含む。前記第1反射素子(RP)はプリズムであり、その第1側面を通過するビームを受け、反射したビームをその第3側面から出力する。この反射は第2側面で起こり、その方向は第1及び第3側面で形成されるプリズムの角度で決定される。これら反射素子(RP) (RM1) (RM2) (RM3)は互いにその向きが、このプリズムの第2側面からの反射ビームの軌跡がこのプリズム(RP)内で全反射が達成される角度あるいはそれ以上の角度で第2側面に近づき、かつ、一連の素子の4番目に配置された反射素子からの反射ビームの軌跡が、一連の素子における1番目に配置された反射素子によって受光されたビームの軌跡からの逸脱あるいは変位がなく、ほぼ共軸となるように決められる。
【０１１５】
図1-2のla'に示すこの発明のより詳しい好適な実施形態として提示する、テラヘルツエリプソメーターを含むシステムは、構成要素、
後進波発振器(BWO)
任意に選択される周波数逓倍器(FM)；
任意に選択される第1の放物凹面鏡(PM1)；
任意に選択される反射手段(M1)；
第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)；
任意に選択される開口(A)；
任意に選択される第2の放物凹面鏡(PM2)；
回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)；
試料(S)を支持するためのステージ(STG)；
回転型遅延子(RRET)；
任意に選択される第3の放物凹面鏡(PM3)；
第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)；
任意に選択される第4の放物凹面鏡(PM4)；及び
ゴーレイセル検出器(DET)
をこの順序で備えている。
【０１１６】
ここで、全ての構成要素を備えるものとする。使用時に、前記後進波発振器(BWO)は、基本周波数のテラヘルツ周波数の電磁放射ビーム(BI)を、周波数逓倍器(FM)に向ける。所望の周波数を含む周波数逓倍器(FM)からのビームは、前記第1の放物凹面鏡(PM1)から実質的にコリメートされたビームとして反射される。この実質的にコリメートされたビームは、反射手段(M1)で反射され、第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)を通過する。(配置さているとして)任意に選択される前記開口(A)を通過して、前記第2の放物凹面鏡(PM2)で反射されて、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)を通過する。その後、試料を支持するためのステージ(STG)上の試料(S)で反射され、回転型遅延子(RRET)を通過する。そして、第3の放物凹面鏡(PM3)で反射され、前記第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)を通過し、前記第4の放物凹面鏡(PM4)で反射されて、その出力光(BO)が前記ゴーレイセル検出器(DET)に入力される（注：任意に選択される開口(A)を配置するとすれば、後進波発振器(BWO)と検出器(DET)との間に配置することができる。更に、1個以上の開口(A)をこの間に配置することもできる）。必須構成要素のみを備えた場合には、使用時に、前記後進波発振器(BWO)は、基本周波数のテラヘルツ周波数の電磁放射ビームを出力する。そして、第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)を通過して、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)を通過し、前記試料を支持するためのステージ(STG)上の試料(S)で反射され、回転型遅延子(RRET)を通過し、第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)を通過して、前記ゴーレイセル検出器(DET)に入力される。
【０１１７】
図1-2のlbは、図1-2のla'のテラヘルツエリプソメーターが、以下の構成要素をユニットとして、回転可能な手段を、試料(S)を支持するためのステージ(STG)中心を通る縦軸周りに、備えうることを示している。
【０１１８】
このユニットは、
試料(S)を支持するためのステージ(STG)；
第1(RP)、第2(RMl)、第3(RM2)、第4(RM3)反射素子を含む回転型遅延子；
備えるとすれば、第3の放物凹面鏡(PM3)；
第2の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP2)；
備えるとすれば、第4の放物凹面鏡(PM4)；そして
ゴーレイセル検出器(DET)；
を備えている。
【０１１９】
回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)から出力されたテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームの入射角(θ)と、試料を支持するためのステージ(STG)上の試料(S)からの反射角(θ)とを調整できるようにされている。
【０１２０】
図1-2のlbは、
後進波発振器(BWO)；
備えるとすれば、周波数逓倍器(FM)；
備えるとすれば、第1の放物凹面鏡(PM1)
備えるとすれば、反射手段(M1)；
第1の回転可能なワイヤーグリッド偏光子(WGP1)；
備えるとすれば、第2の放物凹面鏡(PM2)、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)、及びステージ(ST)；
が、ユニットとして、代替的に、あるいはまた、試料(S)を支持するためのステージ(STG)の中心を通る縦軸周りで、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)から出力されたテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームの入射角(θ)と、試料を支持するためのステージ(STG)上の試料(S)からの反射角(θ)とを等しく調整できることを示すための図であると解釈することもできる。
【０１２１】
テラヘルツエリプソメーターシステムは、更に、チョッパー(CHP)を含むことができる。このチョッパー(CHP)は、機能的デザインが施されており、典型的な形状としては、テラヘルツ電磁放射ビームが通過できる複数の開口が形成された回転輪であり、このチョッパーは、後進波発振器とゴーレイセル検出器との間の、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームの通過経路中に配置される。この回転輪は、高密度ポリエチレンあるいは金属で作られている。図1-2の1a'に示すチョッパー(CHP)の位置は、例示でありこれに限定されない。チョッパー(CHP)は、テラヘルツエリプソメーターシステムの任意の効果的な位置に配置される（注：一方、図1-2の1a'は、ステージ(STG)及び試料(S)の前段に置かれた回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)、及び、後段に置かれた回転型遅延子(RRET)を示すが、これは例示でありこれに限定されない。すなわち、(RWGP)と(RRET)の位置は、逆にすることができ、また、この発明の実用的な形態を提供することができる）。
【０１２２】
図1-3の1cは、テラヘルツエリプソメーターシステムにおいて、実質的に水平面内に、試料(S)を支持するためのステージ(STG)を向けることを可能にするシステムを示す。実質的に水平面内で試料を支持するために、試料(S)を支持するためのステージ(STG)が利用されることに注意してほしい。図1-3の1cにおいて、第1の(FLS/FRS)、第2の(SLS/SRS)、及び第3の(TLS/TRS)のおのおのの左・右の垂直シーケンスを備えるシステムによって、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)から出力されるテラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームが、第1の左側素子(FLS)から第2の左側素子(SLS)へ反射し、そして、第3の右側素子(TRS)へ向けられる。そして、水平面内のステージ(STG)の置かれたサンプル(S)から第3の左側素子（TLS）へ反射される。第3の左側素子(TLS)は、第2の右側素子(SRS)へビームを反射し第2の右側素子(SRS)は第1の右側素子(FRS)へビームを反射する。そして第1の右側素子(FRS)から反射されたビームは、図1-2の1a’に示すように、回転型遅延子(RRET)に導かれる。
【０１２３】
テラヘルツエリプソメーターシステムでは、試料(S)が実験室座標系に対して、実質的に垂直平面内に観測されるように、試料を支持するためのステージ(STG)に取り付けられることに注目してほしい。
【０１２４】
図1-3の1d1は、テラヘルツエリプソメーターシステムの、好適例ではないが、プリズム(RP)を備えた回転型遅延子(RRET)を示している。回転型遅延子(RRET)は、プリズムを含んでいて、このプリズムの第1側面に垂直にビームを入力し、反射されたビームを第3側面に対して垂直の方向に出射させる。この反射は、第1側面及び第3側面に対して45°の斜面であるこのプリズムの第2側面からの全反射である。このプリズム(RP)は、図1-3の1d1で、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームを回転型遅延子(RRET)に導く、一連の反射素子(RM1)、(RM2)、及び(RM3)に対して第1反射素子として示してあるが、必須ではない。プリズム(RP)と組み合わされた反射素子(RM1)、(RM2)、及び(RM3)は、4つの構成素子からなる回転型遅延子(RRET)を提供する。
【０１２５】
好ましい回転型遅延子の実施例は図1-4の1d2〜1d4に示されている。ここで、プリズム(RP)は、内部で全反射を達成するように向けられている。図1d2はもっとも好ましい実施例を示している。重要なことは、図1-4の1d1〜1d5に示す実施例は、出力されるビームが、入力されるビームと、実質的に共軸となっていることである。出力ビームの経路は、ビーム経路を中心に回転している間でも、実質的に入力ビームがそれた方向に進むことがなく、入力ビーム経路が平行移動することもない。その上、図1-4の1d2〜1d5は、第1(RP)、第2(RM1)、第3(RM2)、及び第4(RM3)反射素子(おのおのにおいて電磁放射ビームは1回反射される)を示しており、これらは、任意の機能的順序で配列させる。上述の配置の中で、プリズム(RP)が第1反射素子と名付けられ、そして、入射するビームを第1側面から受け取り、反射されたビームを第3側面から出力させる。反射は、第2側面での全反射である。このプリズムの第2側面は、第1側面及び第3側面に対して、プリズムを形成する角度に向けられる。実施例のいずれにおいても、素子(RP)、(RM1)、(RM2)、(RM3)は、互いに、このプリズムの第2側面から反射されるビーム経路が、このプリズム内の全反射を達成するのに必要な角度又はそれ以上の角度で第2側面に達するように、また、任意の機能的順序で配列された一連の素子のうち、4番目に配置された反射素子から反射されるビーム経路が、一連の素子のうち、1番目に配置された反射素子によって受けられたビームのビーム経路から、それた方向に進むことがなく、入力ビーム経路が平行移動することもなく実質的に共軸となるように、方向を定めて配置される。
【０１２６】
また、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームを偏光させるのに典型的に応用されるような、単純な単一のワイヤーグリッド偏光子に適用することは、この発明の目的の範囲内である。図1-5のle及び1fは、テラヘルツ周波数帯域の偏光子の好ましい実施例を示す。
【０１２７】
図1-5のleは、非ブリュースター(NBR)角及びブリュースター(BR)角構成部分を含む偏光子(P)を示す。非ブリュースター(NBR)角を通過し、反射手段(M1)及び(M2)、そしてブリュースター(BR)角から反射されてビーム(PEMW)として通過する電磁放射(EMW)のビームが、示されている。テラヘルツ周波数帯域が利用される場合、非ブリュースター(NBR)角の偏光子は典型的にワイヤーグリッド構成であり、図1-5のleにおいて、他のコンポーネントが無視される場合に、単一のワイヤーグリッド偏光子を表わすと見なされる。
【０１２８】
図1-5の1fは、選択的なもう一つの好ましい偏光子の例を示す。この偏光子は、互いに傾けられて配置される第1(WG1)及び第2(WG2)のワイヤーグリッド偏光子を含む、デュアルワイヤーグリッド偏光子システムであり、第1(WG1)及び第2(WG2)のワイヤーグリッド偏光子は互いに平行な方向の偏光軸を有し、各々この偏光軸に平行な第1面及び第2面を有している。第1のワイヤーグリッド偏光子(WG1)及び、第2のワイヤーグリッド偏光子(WG2)は、各々この第1面及び第2面が実質的に角度(α)だけ傾いている。角度(α)傾ける目的は、望まない反射(R1)及び(R2)を避けることにある。
【０１２９】
図1-5の1eと1fに示す両偏光子は、これら偏光子が電磁放射ビームのビーム経路を中心に回転されても、入力ビームに対して実質的にそれた方向に進むことがなく入力ビーム経路が平行移動することもなく出力光を出力させるものであることに注目されたい。
【０１３０】
好ましい実施例の偏光子は、出力として直線偏光を作り出すが、この発明は、実質的に直線偏光を作り出す偏光子、あるいは、部分的直線偏光を作り出す偏光子とともに使用することができることが理解される。請求項において「偏光子」との用語は、好ましくは、直線偏光子を意味するように広く解釈されるべきであるが、部分的な直線偏光を生み出す偏光子を含む。更に、補償子を組み合わせることによって、直線偏光以外の他の偏光状態も生み出せる。
【０１３１】
回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)、及び第1(RP)、第2(RM1)、第3(RM2)及び第4(RM3)反射素子を含む、回転型遅延子(RRET)が利用されたテラヘルツエリプソメーターシステムでは、好ましくは、必須ではないが、使用時に、回転型ワイヤーグリッド偏光子(RWGP)と回転型遅延子(RRET)が互いに対して1〜10、または10〜1の範囲の比率の、相対的回転速度で回転させられる。
【０１３２】
図1-2〜1-5のla'〜1fに示されたこの発明の好適な実施例の説明に供する各図は、不可欠のものであるとかあるいはこれに限定されるものではなく、図2の2a〜2g及び図3、4に示されている。
【０１３３】
ここで、図2の2a〜2dに戻って、さまざまなテラヘルツ光源の動作について説明する。
図2の2aは、回折格子(G)とそれを通過する電子線(e-)を備え、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームを放出するスミス-パーセル(Smith-Purcell)セル(SP)を示している。
図2の2bは、一連の磁極(MP)と、それを通過する電子線(e-)を備え、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームを放出する自由電子レーザー(FE)を示している。
図2の2cは、この電磁放射ビーム(EM)を一方向から通過させ、電子線(e-)を反対方向から通過させるワイヤーグリッド(WG)を備え、テラヘルツ周波数帯域の電磁放射ビームを放出する後進波発振器(BWO)を示している。
図2の2dは、テラヘルツ発信器(S1)に対して、出力の周波数帯域を拡張するために周波数逓倍器(M)が典型的に必要とされることを示す(例えば、300 GHzあるいはそれ以下から少なくとも1.4 THzに及ぶ)。
【０１３４】
図2の2e及び2fは、基本的な受光機器(例えば、ゴーレイセル(GC)及びボロメーター (BOL))を示す。ゴーレイセルは基本的に2つのチェンバー(CH1)と(CH2)とを備えている。電磁放射ビーム(EM)が一つ目のチェンバー(CH1)に入力されてその中の気体を暖め膨張させる。これによって、ダイアフラム(DIA)の形状の変化を生じさせ、第2のチェンバー(CH2)に入力される探索ビーム(PB)の反射方向を変化させる。そしてこの反射方向の変化が検出器(図示せず)で測定される。
【０１３５】
図2の2fは、ボロメーター(BOL)が、温度上昇に伴って物質の抵抗が変化する物質(Ω)にあたるように電磁放射ビーム(EM)を向けることにより動作することを示している。また、電源(V)と電流計(I)が図には示されている。使用時には、電流値の変化が、電磁放射ビームが物質(Ω)にあたったことによる温度上昇を示す。
【０１３６】
図2の2gは、例証的なテラヘルツ周波数帯域の検出器を示す。この検出器はP/N接合上に電磁放射ビーム(EM)を当て、測定可能な電位(V)を発生させるものである。更に、多くの材料が固体素子に利用できるが、THz及びIR周波数帯域に適用できる特に関連する素材は「重水素トリグリシン硫酸(Deuterated Triglycine Sulfate)」として開示されている。これは、任意選択的にポリフッ化ビニリデン(PVDF)に埋め込まれて、焦電検出器(DTGS)と呼ばれている。この材料は、非常に高い焦電性能を示す（注：図2の2gも、少なくともテラヘルツ周波数帯域の固体光源の一部を示すと考えられる。ここで、電圧がかけられ、電磁放射ビームの放出が実現される。THz周波数帯域及びIR周波数帯域の双方、あるいはいずれか一方の電磁放射ビームを提供し検知するための固体光源及び検出器の代わりになることができるか、あるいは、ここに識別された他のタイプの光源と検出器のタイプのうちのどれと結合しても使用することができると解される）。図2の2a〜2gは、さまざまの光源及び検出器に対する一般的見方を提供することも含まれている。そして、再度、この発明は後進波発振器とゴーレイセルを含むことを注意しておく。
【０１３７】
図3は、この発明が300 GHzあるいはそれ以下からほぼ1.4 THzにわたる周波数の領域のIR領域、あるいはほぼ1.0 THz及びそれ以上の周波数帯域での出力を提供するためにサンプル検査能力と結びついていることの説明に供する図である。更に、この図は、ほぼ1.4 THz以下では第1光源(S1)が電磁放射ビームを提供するために利用され、ほぼ1.0 THz以上では第2(S2)光源(例えば、この発明のシステム)が電磁放射ビームを提供するために利用されることを示している。図3は、ほぼ1.0 からほぼ1.4 THzの範囲の重なりを示している。そして、この発明のシステムは同様の望ましい結果(例えば、Ψ及びΔの双方、あるいはいずれか一方）を示しており、検出器の出力は、例えば、利用される光源にかかわらず、試料を特徴付けるΨ(ψ)(あるいはΔ)を提供するために解析される。図3は、この発明を適用することによって達成することができる結果の具体的で実証的な提示として見られるべきである。
【０１３８】
図4は、図1-1の1a、図1-2の1a’の検出器(DET)によって供給され、コンピューター(CMP)のメディア可読装置を使用して、この発明を実行することによって得られるデータの表示(DIS)について示している。同様に、コンピューター(CMP)が、エリプソメーターあるいはポラリメーターの構成要素のオペレーションをコントロールすることができることを示している。
【０１３９】
最後に、特に、この発明システムが構成要素の動作(例えば、回転可能な偏光子(WGP1)、回転型遅延子(RRET)、回転型偏光子(RWGP)、回転可能な偏光子(WGP2)の全て、あるいはいずれか1つ、あるいはこれらから選択された2つ〜3つ、のいずれかの、段階的あるいは連続的な回転；チョッパー(CH)のオペレーション;試料(S)のポジショニング;光源(BWO)のオペレーション;またゴーレイセル検出器(DET)のオペレーション)を制御するコンピューター・システムを含むことについて公開する。
【０１４０】
更に、この発明システムは、検出器(DET)によって提供されるデータを分析し、その分析のデータあるいは結果を表示する、同じあるいは異なるコンピューター・システム(CMP)を含む。
【０１４１】
すなわち、この発明は、エリプソメーターあるいはポラリメーターを含むコンピューター・システム(CMP)であると考えられる場合がある。コンピューターシステム(CMP)は、エリプソメーターかポラリメーターの構成要素のオペレーションを、試料の性質を決めるデータを展開する最終端まで制御し、同様にそのデータの解析を実行し、データあるいは解析結果を表示する。
【０１４２】
この発明の要旨を開示したが、教示を考慮して、この発明の多くの変更、代替及び変形が可能であることは明白である。従って、この発明は、特に記述された以外の形態で実施されてもよく、特許請求の範囲によってのみその技術的範囲が制限されることが理解される。
【０１４３】
財政支援ステートメント
この出願の主題である発明は、Phase I ARMY STTR Contract No. W911NF-08-C-01121下において軍隊からの助成金による支援を受けて一部開発された。合衆国政府は本発明に一定の権利を有する。 
【図１−１】
0006029684.tif 000002
【図１−２】
0006029684.tif 000003
【図１−３】
0006029684.tif 000004
【図１−４】
0006029684.tif 000005
【図１−５】
0006029684.tif 000006
【図２】
0006029684.tif 000007
【図３】
0006029684.tif 000008
【図４】
0006029684.tif 000009