(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスの内部の集積回路の活性化領域における電界を光ビーム照射により検出する方法であって、
第１の光パルスを生ずる過程と、
前記第１の光パルスを時間Δｔだけ互いに分離した二つの光パルスに分割する過程と、
前記二つの光パルスを前記半導体デバイスに同一の光路経由で導く過程と、
前記二つの光パルスを前記半導体デバイスとの相互作用ののち二つの光パルスに空間的に分離する過程と、
前記二つの互いに分離された光パルスの各々を検出する過程と、
前記二つの検出された光パルスから差信号を生ずる過程と
を含む方法。
【請求項２】
前記第１の光パルスがレーザから供給される請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記レーザがモード同期レーザである請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記二つの光パルスを前記半導体デバイスに導く過程がそれら二つの光パルスを前記半導体デバイスを通じて伝搬させるように導く請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記二つの光パルスを前記半導体デバイスに導く過程がそれら二つのパルスと前記半導体デバイスとの相互作用の前に逆のヘリシティで円形偏光させることを含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記二つの光パルスに分割する過程が前記第１のパルスを直線偏光板、すなわち前記二つの光パルスに直交直線偏光を与える直線偏光板に導くことを含み、前記二つの光パルスの振幅を等化する過程をさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記二つの光パルスの少なくとも一方を、前記二つの光パルスの前記半導体デバイスへの印加の前に、それら二つの光パルスが互いに相異なる波長を備える結果になるように、波長偏移にかける請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記差信号を増幅する過程と、
その増幅された差信号をディジタル信号に変換する過程と
をさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記二つの光パルスの入射を受ける前記半導体デバイス上の位置を動かす過程と、
前記半導体デバイス上の複数の位置の各々で前記二つの光パルスを検出する過程と
をさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記二つの光パルスを前記半導体デバイスに導く前に前記二つの光パルスをさらに分割して少なくとも二つの追加の光パルスを生ずる過程と、
前記追加の光パルスを基準光路経由で導き、それによって基準光パルスを供給する過程と、
前記二つの光パルスが前記半導体デバイスと相互作用したあとであって前記分離した光パルスの各々を検出する前に、前記二つの光パルスの各々が前記基準光パルスの一つと空間的時間的に重なり合い前記二つの分離した光パルスの各々を検出する過程が前記基準光パルスと合成された前記二つの分離ずみの光パルスを検出する過程を含むように前記二つの光パルスの各々を前記基準光パルスの一つと合成する過程と
をさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記基準光光路の光路長を前記二つの光パルスの前記基準光パルスとの時間的重なり合いを維持するように帰還ループで調節する過程をさらに含む請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
半導体デバイスの内部の集積回路の活性化領域における電界を光ビーム照射により検出する装置であって、
光パルスの供給源と、
前記光パルスの入射を受けその光パルスを時間Δｔだけ互いに分離し互いに同一の光路経由で導かれる二つの光パルスに分割するスプリッタと、
前記二つの光パルスの入射を受ける前記半導体デバイスの支持部材と、
前記半導体デバイスとの相互作用のあとの前記光パルスの入射を受けそれら光パルスを互いに空間的に分離する第２のスプリッタと、
前記二つの分離した光パルスをそれぞれ検出するように配置した第１および第２の光検出器と、
前記第１および第２の光検出器に結合した減算器と
を含む装置。
【請求項１３】
前記光パルス供給源がレーザである請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記レーザがモード同期レーザである請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記二つの光パルスが同一の光路経由で前記半導体デバイスに導かれる請求項１２記載の装置。
【請求項１６】
前記二つの光パルスが前記半導体デバイスに導かれその半導体デバイスを通じて伝搬する請求項１２記載の装置。
【請求項１７】
前記半導体デバイスに入射する前記二つの光パルスを逆のヘリシティで円形偏光させる波長板をさらに含む請求項１２記載の装置。
【請求項１８】
前記光パルスの入射を受ける前記スプリッタが偏光スプリッタであり、それによって前記二つの光パルスが直交直線偏光を受ける請求項１２記載の装置。
【請求項１９】
前記減算器に結合した増幅器と、
前記増幅器の出力端子に結合したＡ−Ｄ変換器と
をさらに含む請求項１２記載の装置。
【請求項２０】
前記支持部材を前記光パルスに対して動かすように結合した機構をさらに含む請求項１２記載の装置。
【請求項２１】
前記スプリッタと前記支持部材との間の光路に配置され前記半導体デバイスとの相互作用を受けない基準光の光路長を画定する基準光伝送部を含む干渉計をさらに含む請求項１２記載の装置。
【請求項２２】
前記基準光光路長を調節するための帰還信号を生ずる帰還ループを電子回路部分にさらに含む請求項２１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザビームによる半導体集積回路デバイスの精査装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
ここに参照してこの明細書に組み入れる１９９９年２月１６日発行のPanicciaほか名義の米国特許第5,872,360号は被検集積回路の活性化領域における電界の検出装置および検出方法を開示している（同特許の要約書参照）。一つの実施例では、シリコンなど集積回路用半導体材料のバンドギャップ近傍の波長のレーザビームを生じさせる。そのレーザビームを例えばＭＯＳトランジスタのドレーン領域などのＰＮ接合に集束させる。そのＰＮ接合、すなわち、例えばトランジスタスイッチのドレーン領域に外部電界を印加すると、電気駆動による吸収の現象により電界の変調に従って光吸収の度合いが変調を受ける。電気駆動による吸収に伴って電気駆動による屈折も生じ、それによってＰＮ接合／酸化物層界面からのレーザビーム反射成分の反射係数が変調を受ける。
【０００３】
ここに参照してこの明細書に組み入れる１９９９年５月１８日発行のWilsherほか名義の米国特許第5,975,577号はデュアルレーザビームによる半導体集積回路デバイスの精査を記載している。同特許記載の方法においては、被検半導体集積回路デバイス（ＤＵＴ）への波形を、そのＤＵＴに印加する電気的テストパターン信号の各サイクル期間ごとにレーザプローブビームを用いてサンプリングする。そのＤＵＴへのテストパターン信号の各動作サイクルについて、上記プローブビームおよび基準レーザビームの両方でＤＵＴの同一の物理的部位を互いにずらせた時点でサンプリングする。この基準レーザビームによる測定を上記テストパターンに対して固定の時点で行い、対象のテストパターン時点で等価時間サンプリングで用いる方法によりプローブビーム走査測定を行い波形を再構成する。各検査サイクルについて、雑音による測定値変動を減らすようにプローブ測定値対基準測定値比をとる。
【０００４】
上記米国特許第5,905,577号の図６はモード同期レーザ光源からプローブパルスを生ずるシステムを図解している。このレーザ光源は短いパルス幅のレーザパルスを高い繰返し周波数で生ずる。基準レーザ光源は基準レーザパルスの形成に用いるレーザビームを出力する。基準レーザ光源は通常は連続波レーザ光源である。プローブレーザ光源および基準レーザ光源からのレーザ光パルスを両方とも光学的に変調し、ビーム偏向光学系によりビーム結合器すなわちビーム合成器に導く。そのビーム合成器により結合すなわち合成したレーザパルスを光ファイバカップラを通じてレーザ走査型顕微鏡に集束させる。すなわち、レーザパルスを二つの別々の光源から供給する。この合成レーザビームはＤＵＴに導かれ、そのＤＵＴで反射し、光検出器に導かれる。この光検出器に時間的に互いにずれて到達するプローブレーザパルスおよび基準レーザパルスを別々に検出してディジタル化する。
【０００５】
これらプローブレーザパルスと基準レーザパルスとの反射成分を適宜分配することによって、雑音が測定値に及ぼす影響を大幅に減らすことができるが、いくつかの要因がその雑音消去効果を減退させ、測定がショット雑音（レーザビーム特有の雑音）による限界値まで到達することを妨げる。例えば、ＤＵＴ内部における電気的活動度（すなわちＤＵＴ内部の集積回路の活性化領域における電界の強度）に伴うレーザパルスの反射成分振幅の変調は反射成分振幅全体に比べると小さい。したがって、対象の被変調信号が大きいＤＣオフセット値に重なっている場合は、被変調信号のディジタル化対象の実効ダイナミックレンジが大幅に制限される。また、基準レーザパルスおよびプローブレーザパルスは波長を互いに異にする場合もあり、それらレーザパルスの雑音成分が、ＤＵＴとの間の波長依存性相互作用により、またこれらパルス相互間の時間的ずれにより、相関不十分になったりする。
【０００６】
したがって、雑音の影響を受けにくい集積回路デバイス用光精査装置または精査方法が必要になっている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は上述のとおり集積回路デバイス内の電気的活動度を測定する装置および方法を対象とする。二つのレーザ光パルスを単一のレーザ装置など同じレーザ光源から取り出す。二つの光パルスを非コヒーレント光源から取り出すこともできる。それら二つの光パルスで、半導体集積回路デバイス内の電気的活動度を、例えば零を含む遅延Δｔ秒だけ互いに隔たった二つの時点でサンプリングする。次に、これら二つのパルスを互いに相等しい適切な光検出器を用いて別々に検出し、検出出力信号を相互に減算する。その減算による差出力は共通モード雑音信号、すなわち機械的振動およびレーザ光源からのレーザビームの振幅雑音に誘発された共通モード雑音信号を消去する。適切な精度の光検出器を用いることによって、この発明はレーザビーム中の光子の数で定まるショット雑音限界値に容易に到達する。
【０００８】
零以外の遅延Δｔだけ互いにずれた二つの光パルスでＤＵＴ内の電気的活動度を互いに異なる時点でプローブする。それら二つの光パルスが互いに同等の相互作用強度のＤＵＴと相互作用すると、この測定から生ずる差信号は、単一光パルス精査手法で得られるはずの波形の導関数に比例する。
【０００９】
時間的に互いに一致する（Δｔ＝０）二つの光パルスでＤＵＴ内の電気的活動度を同時にサンプリングする。それら光パルスが相互作用強度の等しいＤＵＴと相互作用すると、出力の差信号は零になる。それら二つの光パルスが相互作用強度の互いに異なるＤＵＴと相互作用すると、零以外の差信号が生ずる。例えば、それら二つの光パルスが直交直線偏光から成り、ＤＵＴとの相互作用が偏光依存型である場合は、出力の差信号は単一光パルス精査手法で生じショット雑音限界値に達する波形に比例する。波長の互いに異なる二つの光パルスとＤＵＴとの間の相互作用の差も同様に活用できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
半導体集積回路デバイスの精査にショット雑音だけが感度限界を決める一つのパルス状レーザ光を用いる。一つのレーザ光パルスから二つのレーザ光パルスを生ずる。被検デバイスＤＵＴと相互作用する前の段階では、それら二つのレーザ光パルスは同一の雑音成分を含む。すなわちそれら二つのレーザ光パルスは同じ一つのレーザ光パルスから取り出されているからである。被検デバイスＤＵＴと相互作用すると、ＤＵＴの振動に起因する追加の雑音が加わるが、それら二つの光パルスの雑音は両者間の時間が非常に短いので互いに相関する。したがって、それらレーザ光パルスの各々が関連の光検出器に生ずる光電流信号相互間の差信号は過剰なレーザ誘起雑音またはＤＵＴ振動誘起雑音を含まない。残留雑音は、関連の光検出器および増幅器が十分に低雑音であり十分に整合していれば、ショット雑音に限定される。光検出器および増幅器の応答が十分に高速である場合は、遅延回路を付加した単一の検出器および増幅器を使うことができる。上記差信号は第１のプローブパルス・ＤＵＴ間の相互作用と第２のプローブパルス・ＤＵＴ間の相互作用との間の差を表す。この差信号から時間変動信号を再生するには種々の周知の方法を用いることができる。
【００１１】
図１はこの発明の一つの実施例による装置のプロック図である。レーザを含む光源６０が光パルス列を出力する。発光ダイオードや白熱電球など非コヒーレント光源からの出力をこれら光パルスとすることもできる。これら光パルスの各々をブロック６４で二つの光パルスに分割し、それら二つの光パルスの相互間に遅延を与えたうえ光学的に再合成する。その詳細は後述する。符号ＡおよびＢを付けて示したこれら二つの光パルスは相互間に通常僅かな遅延を有する。次に、これら光パルスＡおよびＢをＤＵＴ６８と相互作用させる。ＤＵＴ６８との相互作用のあと、これら二つの光パルスをセパレータ素子７４により光パルスＡおよびＢに再び光学的に分離する。セパレータ素子７４はこれら二つの光パルスＡおよびＢを空間的に分離して互いに異なる検出器に導く。光パルスＡは第１の検出器Ｄ２ ７８に印加され、光パルスＢは第２の検出器Ｄ１ ８２に印加される。これら検出器は慣用の光検出器で構成できる。次に、これら検出器Ｄ１およびＤ２からの出力信号を減算器８４において互いに減算する。次に、減算器８４からの差信号出力を増幅器８８で増幅して、プロセッサ１００の一部を成すＡ−Ｄ変換器９２に加え、プロセッサ１００で周知のデータ処理を行ってその出力をユーザに提供する。ＤＵＴの互いに異なる部分を、ＤＵＴの移動またはＤＵＴに対する光学系組立体の移動によって精査する。
【００１２】
ＤＵＴ６８において光パルスＡおよびＢの両方に誘起される雑音は、上記二つの光検出器出力信号を減算器８４において互いに減算した段階ですべて消去されるので有利である。また、１／Δｔ以下の周波数（Δｔは隣接パルス間の時間間隔）のＤＵＴ６８の機械的振動もすべて消去される。
【００１３】
この装置には、好ましくはパルス幅の小さいパルス状レーザ光を生ずるレーザ光源６０が一つだけあればよい。この装置はレーザ雑音に影響されず、雑音消去のために二つの信号の比の算出を要することもない。この装置では、二つの光パルスＡおよびＢを共通のレーザ光源６０から取り出しており減算器８４からの出力信号がこれら光パルスＡおよびＢの各々の生ずる電気信号の差を表すので、もともとショット雑音だけが制約となる。これら二つの光パルスと二つの光検出器とは光パルスエネルギーと検出器利得との調整によって平衡させ、ＤＵＴ内の電気的活動度零の場合に上記差信号のＤＣオフセットが零になるようにすることができる。この差信号は、Ａ−Ｄ変換器９２のダイナミックレンジ全体を利用できるように増幅器８８で増幅でする。この手法における二つの光パルスの利用により、光と半導体との間の相互作用の侵襲性の特徴付与およびその利用が可能になる。例えば、一方の光パルスで接合内に電子・ホール対を形成し、他方の光パルスでそれら電子・ホール対を精査することができる。
【００１４】
図２は図１の装置の具体例であって、同一構成要素には同一参照数字をそれぞれ付けて示してある。一つの例では、レーザ光源６０はモード同期したＮｄ：ＹＡＧレーザであって、図示のとおりパルス幅約３２ｐｓ、中心波長1.064μｍの光パルスを生ずる。これら光パルスの偏光面を分割光学系６４の中の半波長板１０４で回転させる。次に、これらパルスを偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０６で直線偏光に従って分離する。一つの光路では光ビームは四分の一波長板１１０を透過し反射鏡１１４で反射する。反射鏡１１４は反射後にビームが同じ光路を戻るように調整可能である。この四分の一波長板１１０を、戻りの光路でこのビームの直線偏光が９０°だけ回転するように調節する。この戻りの光路では、光ビームは偏光ビームスプリッタ１０６を再び通過する。
【００１５】
分割光学系６４のもう一つの光路では、直交偏光ビームがもう一つの四分の一波長板１２０を通過し、第２の反射鏡１２４、すなわちビームが同じ光路で戻りその偏光面が９０°回転するように調整した第２の反射鏡１２４で反射する。この戻りの光路では偏光ビームスプリッタ１０６でこのビームは反射されてもう一つのビームと合成される。反射鏡１２４はこの光路ともう一つの光路（反射鏡１１４を含む光路）との間の光路長差を許容するように調整できる。すなわち、二つの光パルスＡおよびＢが合成される際に両者間の時間差Δｔを反射鏡１２４を動かすことにより制御できる。この反射鏡の動きは通常図の平面内で垂直な向きに行う。上記二つの光路の光路長が互いに等しいときはこの遅延時間Δｔは零となる。
【００１６】
偏光ビームスプリッタを出た光パルスＡおよびＢは図示のとおり全く同じ光路を通る。次に、光パルスＡおよびＢは非偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）１３０を通過する。次に、これら光パルスは図示のとおりＤＵＴ（サンプル）６８と相互作用し、このＤＵＴ６８で反射される。反射されたこれら光ビームは非偏光ビームスプリッタ１３０で反射され、セパレータ素子７４、すなわちこの例では偏光ビームスプリッタで構成されるセパレータ素子７４で光パルスＡおよびＢに再び分離される。
【００１７】
図１の場合と同様に、光パルスＡは光検出器７８によって検出され、光パルスＢは光検出器８２によって検出される。これら光検出器７８および８２は、例えば、カリフォルニア州サンタクララ所在のNew Focus社から市販されているNew Focus 2001型の帯域幅２００ＫＨｚの光検出器で構成できる。これら光検出器７８および８２の出力側以降は信号はもちろん光信号でなく電気信号である。検出器７８からの電気信号は増幅器１３４で増幅し、光検出器８２からの電気信号は増幅器１３６で増幅する。これら二つの増幅器の出力信号を減算器８４で互いに減算し、その出力の差信号を図１の示すとおりＡ−Ｄ変換器９２に加える。
【００１８】
上述の構成の代わりに、光パルスＡおよびＢをＤＵＴ６８を通過させ、反射部材でＤＵＴ６８経由で反射させて非偏光ビームスプリッタ１３０に導いたのち光検出器７８および８２に導く構成にすることもできる。これら光パルスがＤＵＴ６８を伝搬したのちセパレータ素子で分離して光検出器７８および８２に導くように構成することもできる。
【００１９】
これら光検出器７８および８２の各々の検出出力電流は所望の信号だけでなくレーザパルス含有の雑音成分を含む。この雑音成分にはＤＵＴ６８の機械的振動に起因するものやレーザ光源６０からのレーザパルス光含有雑音などがある。減算器８４はこれら二つの光パルスの雑音成分の共通雑音を消去しショット雑音成分だけにする。この差信号をコンピュータ１００により慣用の表示装置に画像表示する。
【００２０】
図２の装置の変形には、ＤＵＴ内部の電気的活動度に起因する二つの光パルスＡおよびＢの間の差動位相偏移の測定を同装置の光学系に干渉計を追加して行うなどの構成が考えられる。その差動位相偏移測定装置の概略を図３に示す。図３の構成は、干渉計が追加されている以外は図２の構成と同じである。
【００２１】
この干渉計は、光パルスＡおよびＢの両方を一部透過させるとともに基準パルスＡ’およびＢ’として一部反射させる追加の非偏光ビームスプリッタ（ＮＢＰＳ）１３９を備える。非偏光ビームスプリッタ１３０も光パルスＡおよびＢの両方を一部透過させる。これら光パルスＡおよびＢは前述の例の場合と同様にＤＵＴ６８と相互作用し反射されたのち、第２の非偏光ビームスプリッタ１３０で反射される。反射成分Ａ''およびＢ''を反射鏡１４１から光パルスＡ’およびＢ’と追加の非偏光ビームスプリッタ１４４により合成する。反射鏡１４１は、圧電素子（図示してない）により、光パルスＡ''およびＢ''の組と光パルスＡ’およびＢ’の組とが互いに干渉して干渉作用を生ずるように調節できる。そのためには、一つの光検出器に到達した時点で光パルスＡ''およびＡ’が空間的に重なり、もう一つの光検出器に到達した時点で光パルスＢ''およびＢ’が空間的に重ならなければならない。上記半波長板１４０は基準光パルスＡ’およびＢ’の偏光を調節してＮＰＢＳ１４４の残留偏光依存性を補償するように作用する。図３の装置は上述の点以外は図２の装置と同じである。
【００２２】
図４は図３に概略的に示した差動位相偏移測定装置をより詳細に示し、図３には表示されていない構成要素も表示する。ビームスプリッタ１３０は分離と再合成との両方を行うので図３のビームスプリッタ１３９および１４４は必要ではない。図４において、レーザ光源６０は実際のレーザ装置１４６と、パルス成形器１４８と、光路変更用の反射鏡１５０とを備える。レーザ光源６０は図示のとおりレーザ光パルスを生ずる。パルス光スプリッタおよび遅延装置６４は図２および図３の構成と同じ構成を備える（図示の便宜上、図４では光パルスを図３の場合と対照的に鋭いピークとして示すが、実際のレーザ光パルスは図３の場合のように丸味を帯びている）。ブロック６４内には、パルス遅延Δｔを光パルスＡと光パルスＢとの間に生じた形で図示してある。
【００２３】
光路形成の便宜のために用いた反射鏡１５２および１５４でこれら光パルスＡおよびＢは反射される。この例ではＤＵＴ６８のすぐ手前に対物レンズ１５６を配置してある。図３に概略的に示した干渉計をブロック１６０内により詳細に示す。この干渉計１６０は対物レンズ１６２と、反射鏡を位置定めする圧電駆動素子１６４とを備える。また、光路を垂直に曲げるための反射鏡１６６を備える。対物レンズ１６２は干渉計基準光光路の照準をＤＵＴ光路の照準と合わせるように調節する。図４には、オプションのＤＵＴｘ−ｙ支持ステージ１６３を同ステージ駆動装置１６５とともに示してある。
【００２４】
干渉計の出力側で偏光ビームスプリッタ７４に付随する形で光路変換のための反射鏡１６８、１６９および１７２が設けてある。上述の構成要素のほかに、電子回路１７０の部分に、増幅器１７１、信号処理回路１７４、および高電圧増幅器１７８を含む帰還ループが設けてあり、このループによって、干渉基準光光路での反射鏡１４１の位置の制御用の圧電駆動装置１６４に点線で表示した帰還信号を供給する。この帰還ループは、例えばＤＵＴの機械的振動に起因するＤＵＴ光路の光路長の変動を補償するように基準光光路の光路長を調節してこの干渉計を安定化させる。電子回路１７０には、慣用の手法でコンピュータ１００と結合したモニタ１８０を出力信号表示用に設けてある。この例では、偏光ビームスプリッタ７４は検光子部分１８２の一部を構成している。
【００２５】
図５Ａ乃至５Ｄは図２に示した差動振幅変調測定装置の動作原理を図解している。図５Ａにおいて、電圧信号２００はＤＵＴの特定の選ばれた端子に印加した電圧である。この信号は、精査用の入射レーザビームではなく、ＤＵＴ端子にそのＤＵＴの駆動のために印加された電気信号である。図５ＢはＤＵＴ精査用の時間的にΔｔだけ互いにずれた二つの入射レーザ光パルスＡおよびＢを示す。これら二つの光パルスＡおよびＢの振幅は、ＤＵＴとの間の相互作用前は、それぞれＩ(ｔ）およびＩ(ｔ＋Δｔ）である。
【００２６】
ＤＵＴとの相互作用のあとでは、図５Ｃに示すとおり、レーザ光パルスＡおよびＢの振幅はそれぞれＲ(ｔ）およびＲ(ｔ＋Δｔ）になる。したがって、差信号（増幅後）はこれら二つの振幅値の差に比例する。この差信号は、図５Ｄに示した等価時間サンプリング出力波形の形成に用いる。等価時間サンプリング波形はＤＵＴ端子への印加電気信号の導関数である。
【００２７】
レーザ光パルス幅を無視した場合の測定帯域幅は１／πΔｔである。光パルスＡおよびＢはそれぞれパルス幅ΔＴを備え、このパルス幅と両パルス間の時間差とから総合実効測定帯域幅１／π(Δｔ２＋ΔＴ２）１／２ を達成する。レーザ光パルスＡおよびＢ含有のレーザ雑音は、これら光パルスが同一の光パルスから取り出されているので消去される。ＤＵＴの動きに起因する振動雑音は帯域幅１／πΔｔの範囲内で消去される。振動源の大部分は10,000Ｈｚ以下の周波数を有する。上記二つの光パルスの相互間の時間間隔は帯域幅318,000,000Ｈｚ対応の１ｎｓよりも通常大きい。すなわち、ＤＵＴの振動は、図５Ｄに示すとおり、大幅に抑えられる。減算処理のあとでは、図５Ｃに示すとおり、短い雑音だけが残留する。
【００２８】
図２の装置を用いた差動振幅変調測定の例を図６Ａおよび図６Ｂに示す。図６Ａにおいて実線２１０は第１のレーザ光パルス１の検出を表す信号であり、点線２１４は第２のレーザ光パルスＢの検出を表す同様の信号である。これら二つの光パルスＡおよびＢの間の遅延時間は約１００μｓである。光パルスＡおよびＢは、図示のとおり水平および垂直の互いに直交する偏光を備える。
【００２９】
図６Ｂにおいて、実線２２０は図２の二つの光検出器Ｄ１およびＤ２からの検出出力電流を互いに減算した結果得られる差信号である。この差信号２２０は、図５Ｄの例の場合と同様に、ＤＵＴへの印加電気信号の導関数に近似している。これら差信号のピークはＤＵＴ内の電圧遷移に対応する。比較のために、曲線２２６は図６Ａの上記二つの信号２１０および２１４のコンピュータによる減算の結果を示す。この減算出力２３０と測定結果の差信号２２２との符号が互いに逆であるのは、この装置が検出出力の絶対値を測定するものであって信号の符号は処理していないことによる。
【００３０】
上記差信号が零にならないためには、二つの等振幅光パルスとＤＵＴとの間の相互作用が互いに異なっている必要がある。ＤＵＴとの相互作用は、上述のとおり二つの光パルス相互間に時間差がある場合、またはＤＵＴ固有の差異がある場合に差を生ずる。相互作用の固有の差には、例えば偏光依存型のものまたは波長依存型のものがある。偏光依存型の相互作用はＤＵＴとの相互作用のために二つの光パルスを互いに異なる形で偏光させることによって利用できる。波長依存型の相互作用はＤＵＴとの相互作用の前に上記二つの光パルスの少なくとも片方を波長偏移させて互いに異なる波長の光パルスにすることによって利用できる。
【００３１】
レーザ光ビームとＤＵＴとの間の相互作用の強度がＤＵＴ内の電界の方向（またはそれ以外の基準軸）に対するレーザ光ビームの偏光の向きに左右される場合は、直交偏光の光パルスＡおよびＢとＤＵＴとの間の相互作用は互いに異なるであろう。例えば、振幅が互いに等しく直交偏光の関係にある二つの光パルスをＤＵＴに同時に（Δｔ＝０）相互作用させると、その相互作用が偏光依存型であった場合に反射光の振幅は互いに異なり、非零差信号を生ずる。この非零差信号はＤＵＴのへの印加電圧波形に伴って時間変化する。これと対照的に、直交偏光を受けた振幅の互いに等しいΔｔ＝０の二つの光パルスは、その相互作用が偏光依存型でない場合は反射光の振幅が互いに等しくなり、差信号は零となる。
【００３２】
偏光依存型の相互作用の場合は、ＤＵＴと相互作用する互いに等振幅で直交偏光の二つのレーザ光パルスからの差信号は、単一のレーザ光パルスからの差信号と同等で振幅だけが減少したものとなる。この差信号はＤＵＴ印加電圧波形により近似しており、とくにΔｔ〜０についてはその電圧波形の導関数になる。上記二つのレーザ光パルスとＤＵＴとの間の相互作用が二つの直交偏光方向で互いに大幅に異なる場合は、これらレーザ光パルスの偏光方向の選択およびΔｔ＝０の設定によって、差信号から直接に電圧波形を得ることができよう。そのようにして、レーザ雑音および振動雑音が消去され、雑音による制約をショット雑音によるものだけにすることができる。
【００３３】
二つの光検出器Ｄ１およびＤ２の検出出力電力が互いにほぼ等しくなるように上記二つの直交偏光レーザ光パルスの振幅を設定することによって、雑音消去はより容易になる。そのためには、ＤＵＴとの相互作用を強める大電力レーザ光パルスを用いる必要があろう。しかし、レーザ光ビームがＤＵＴの半導体材料に例えば電子・ホール対の生成など何らかの侵襲性の効果を及ぼす場合は、ＤＵＴ内の半導体材料への上記二つのパルスの電力が互いに異なるときの上記侵襲性の効果の差信号に及ぼす影響が両パルスの電力が互いに等しいときよりも大きくなる。この種の侵襲性の効果は無視できることが多い。
【００３４】
二つの互いに直交偏光されたレーザ光パルスとＤＵＴとの間の相互作用は、直線偏光を円偏光に変換することによって偏光効果に影響されないようにすることができる。円偏光したレーザ光パルスとＤＵＴとの間の相互作用は、直線偏光の全方向についての平均である。例えば、オプションの四分の一波長板１８４をＤＵＴの手前に配置することによって上記二つのレーザ光パルスの偏光を直交直線偏光からヘリシティ付きの円偏光に変換する。ＤＵＴで反射された光パルスは再び四分の一波長板を通過し、９０゜回転した直交直線偏光になる。前述のとおり、これらレーザ光パルスの二つの反射成分は偏光ビームスプリッタで空間的に分離できる。
【００３５】
ＤＵＴまたはレーザビーム光路（上記二つの直交直線偏光レーザ光パルスの発生からＤＵＴに至る区間）内のいずれかの光学素子が複屈折特性を備えている場合は、直線偏光の入射光は四分の一波長板の出力側のＤＵＴで円偏光の代わりに楕円偏光を受ける。しかし、その場合も、それらレーザ光パルスとＤＵＴとの間の相互作用は入射光の偏光方向に左右される。この偏光方向変動を避ける一つの方法は、四分の一波長板１８４の代わりに可変波長板をＤＵＴの手前に配置する方法である。その可変波長板を調整することによって、この光学系の複屈折性を補償し、ＤＵＴにおけるレーザ光パルスを円偏光にし、直交偏光の影響を回避できる。
【００３６】
上述の説明は例示を目的とするものであって限定のためのものではない。上記以外の多様な変形が当業者には上述の説明から自明であり、それら変形は特許請求の範囲の各請求項に含めることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による装置のブロック図。
【図２】図１の装置の詳細図。
【図３】図２の装置のもう一つの実施例の詳細図。
【図４Ａ】図３の装置の詳細図。
【図４Ｂ】図３の装置の詳細図。
【図５】図５Ａ乃至図５Ｄは図１の装置の動作を説明する波形図。
【図６】図６Ａおよび図６Ｂは図１の装置に用いる差動振幅変調測定値。
【符号の説明】
１００            コンピュータ
１０４            半波長板
１０６、７４      偏光ビームスプリッタ
１３９、１３０、１４１、１４４    非偏光ビームスプリッタ
１１４、１２４、１４１            反射鏡
６０            レーザ光源
６４            ビーム分割、遅延、再合成手段
７４            セパレータ素子
７８、８２      光検出器
８４            減算器
８８            増幅器
９２            Ａ−Ｄ変換器
【図１】
0004806490.tif 000002
【図２】
0004806490.tif 000003
【図３】
0004806490.tif 000004
【図４Ａ】
0004806490.tif 000005
【図４Ｂ】
0004806490.tif 000006
【図５】
0004806490.tif 000007
【図６】
0004806490.tif 000008