(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を照射する光源と、
前記テラヘルツ波を入射する入射面、入射された前記テラヘルツ波を反射する反射面、及び反射した前記テラヘルツ波を外部に出射する出射面を備えたプリズムと、
前記出射面から出射された前記テラヘルツ波を検出する検出部と、
前記反射面側に、試料を支持する設置面が形成される設置台を備え、前記設置台と前記反射面との相対的な距離を調整する距離調整機構と、
を有し、
前記プリズムには、前記反射面よりも前記試料の方向に突き出る突出面が、前記プリズムと一体的にあるいは別体として前記反射面の周囲の少なくとも一部に設けられており、
前記距離調整機構により前記試料を前記突出面に突き当てたときに、前記反射面と前記試料との間に形成される空間により、前記試料と前記反射面との距離が一定距離に保たれていることを特徴とするテラヘルツ波測定装置。
【請求項２】
前記プリズムに、前記反射面と前記突出面との間に凹部が設けられ、
前記凹部により前記空間が形成され、前記空間により前記試料と前記反射面との距離が一定距離に保たれていることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項３】
前記プリズムは、前記試料と同等の材質、あるいは同等の屈折率を有する材質で形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項４】
前記プリズムと前記設置台は、同等の材質、あるいは同等の屈折率を有する材質で形成されることを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載されたテラヘルツ波測定装置を用いて、前記距離調整機構により、前記試料あるいは前記試料を設置する前記設置台と前記反射面との間を、試料データ取得時の前記試料と前記反射面との間の前記空間の距離よりも離した状態として、リファレンスデータを取得し、前記距離調整機構により前記試料と前記反射面との間の前記空間の距離を一定に保った状態で試料データを取得し、各データに基づいて、前記試料を分析することを特徴とするテラヘルツ波測定方法。
【請求項６】
前記プリズムの前記反射面と前記試料との間の前記空間を一定の距離に保ったうえで、前記プリズムの前記反射面からテラヘルツ波の一部が前記試料の方向に漏れ出す光の干渉現象を利用して、前記試料の分析を行うことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料（被測定物）にテラヘルツ波を照射して試料を分析する反射型のテラヘルツ波測定装置、及び、テラヘルツ波測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波測定装置には、試料（被測定物）にテラヘルツ波を照射して透過光を検出する透過型のテラヘルツ波測定装置と、試料にテラヘルツ波を照射して反射光を検出する反射型のテラヘルツ波測定装置とがある。透過型のテラヘルツ波測定装置では、試料の厚み方向に積算した計測結果しか得ることができない。換言すれば、透過型のテラヘルツ波測定装置では、試料の表面のみの測定ができなかった。
【０００３】
これに対して、反射型のテラヘルツ波測定装置では、透過型と異なって、試料の表面のみの測定が可能である。しかしながら、反射型の場合、リファレンス用ミラーの設置誤差が生じやすく、正確なリファレンスデータの取得が困難であるといった問題があった。すなわち、試料とリファレンス用ミラーとを正確に同じ位置に設置して測定しないといけないが、試料とリファレンス用ミラーとの間に設置誤差が生じやすくなっていた。
【０００４】
下記に示す特許文献には、いずれも反射型のテラヘルツ波測定装置に関する発明が開示されている。これらの特許文献ではいずれもプリズムを配置し、プリズムの一面は試料が設置される全反射面とされている。試料はプリズムの全反射面に略当接した状態で配置される。そして試料を全反射面に配置したときと、配置しないときとで、反射光の強度が変化するため、この反射光を測定することにより試料を分析することが可能とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３５４２４６号公報
【特許文献２】特開２０１２−８８１９７号公報
【特許文献３】特開２０１４−７７６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来においては、プリズムの全反射面を上面側に向けて、全反射面上に試料を直接的に置く簡易的な配置構成であり、配置ずれや塵埃の巻き込み等に伴う検知精度の低下や検知ばらつきが発生しやすい問題があった。また全反射面上に直接、試料を設置する構成であるために、全反射面に損傷を与えやすい等の問題もあった。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、特に、プリズムに対して所定の距離だけ離すことができる機構を設けたテラヘルツ波測定装置、及び、テラヘルツ波測定方法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】
【０００８】
本発明におけるテラヘルツ波測定装置は、テラヘルツ波を照射する光源と、前記テラヘルツ波を入射する入射面、入射された前記テラヘルツ波を反射する反射面、及び反射した前記テラヘルツ波を外部に出射する出射面を備えたプリズムと、前記出射面から出射された前記テラヘルツ波を検出する検出部と、前記反射面側に、試料を支持する設置面が形成される設置台を備え、前記設置台と前記反射面との相対的な距離を調整する距離調整機構と、を有し、前記プリズムには、前記反射面よりも前記試料の方向に突き出る突出面が、前記プリズムと一体的にあるいは別体として前記反射面の周囲の少なくとも一部に設けられており、前記距離調整機構により前記試料を前記突出面に突き当てたときに、前記反射面と前記試料との間に形成される空間により、前記試料と前記反射面との距離が一定距離に保たれていることを特徴とする。
【０００９】
このように本発明では、距離調整機構を設けて、試料と反射面との間の距離が一定となるように制御することを可能とし、これにより、テラヘルツ波測定の精度を向上させることができる。また上記に挙げた特許文献では、試料をプリズムの全反射面に略当接した状態で設置してエバネッセント光を利用しているが、本発明では、プリズムの反射面と試料との間に一定の距離を設けて、反射面側での光の干渉現象を利用して、テラヘルツ波測定を行うことが可能である。このように反射面側での光の干渉現象を利用する場合、プリズムの反射面と試料との間の距離を高精度に一定値に保つことが検知精度の低下やばらつきを抑えるうえで特に重要とされる。本発明では、距離調整機構によりプリズムの反射面と試料との間の距離を高精度に一定値に保つことができ、反射面側での光の干渉現象を適切に利用することができる。
【００１０】
このように反射面側に突出面を設け、距離調整機構により、試料を突出面に突き当てることで、反射面と試料との間の距離を簡単且つ精度よく一定に保つことが可能になる。これにより距離調整機構を簡単な構成で実現できる。また距離調整機構を設置台として構成することで、試料の設置を容易化でき、また設置台を反射面から離れる方向に移動させることで、テラヘルツ波測定方法において、試料の分析を精度よく且つ簡単に行うことができる。また、本発明では、前記プリズムに、前記反射面と前記突出面との間に凹部が設けられ、前記凹部により前記空間が形成され、前記空間により前記試料と前記反射面との距離が一定距離に保たれていることが好ましい。
【００１１】
また本発明では、前記プリズムは、前記試料と同等の材質、あるいは同等の屈折率を有する材質で形成されることが好ましい。このようにプリズムの材質や屈折率を試料と等価あるいはそれに近いものとすることで、反射面側での光の干渉現象を適切に利用することができ、精度よく、テラヘルツ波測定を行うことが可能である。
【００１３】
また本発明では、前記プリズムと前記設置台は、同等の材質、あるいは同等の屈折率を有する材質で形成されることが好ましい。このようにプリズム及び設置台の材質や屈折率を試料と等価あるいはそれに近いものとすることで、反射面側での光の干渉現象をより効果的に利用することができ、精度よく、テラヘルツ波測定を行うことが可能である。
【００１４】
また本発明におけるテラヘルツ波測定方法は、上記に記載されたテラヘルツ波測定装置を用いて、前記距離調整機構により、前記試料あるいは前記試料を設置する前記設置台と前記反射面との間を、試料データ取得時の前記試料と前記反射面との間の前記空間の距離よりも離した状態として、リファレンスデータを取得し、前記距離調整機構により前記試料と前記反射面との間の前記空間の距離を一定に保った状態で試料データを取得し、各データに基づいて、前記試料を分析することを特徴とする。本発明では、リファレンスデータ及び試料データの双方を精度よく得ることができ、したがって試料の分析精度を向上させることが可能である。本発明では、前記プリズムの前記反射面と前記試料との間の前記空間を一定の距離に保ったうえで、前記プリズムの前記反射面からテラヘルツ波の一部が前記試料の方向に漏れ出す光の干渉現象を利用して、前記試料の分析を行うことが可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、距離調整機構を設けることで、試料と反射面との間の距離が一定となるように制御することを可能とし、これにより、テラヘルツ波測定の精度を向上させることができる。また本発明では、プリズムの反射面と試料との間に一定の距離を設けて、反射面側での光の干渉現象を利用して、テラヘルツ波測定を行うことが可能である。このように反射面側での光の干渉現象を利用する場合、プリズムの反射面と試料との間の距離を高精度に一定値に保つことが検知精度の低下やばらつきを抑えるうえで特に重要とされる。本発明では、距離調整機構によりプリズムの反射面と試料との間の距離を高精度に一定値に保つことができ、反射面側での光の干渉現象を適切に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施の形態におけるテラヘルツ波測定装置の全体構成図である。
【図２】本実施の形態における距離調整機構を説明するための拡大斜視図である。
【図３】本実施の形態における距離調整機構を説明するための縦断面模式図である。
【図４】本実施の形態のテラヘルツ波測定装置を用いて測定した、時間波形である。
【図５】周波数と反射率との関係を示すグラフである。
【図６】ｐ型半導体におけるドーズ量と反射率のディップ（ｄｉｐ）との関係を示すグラフである。
【図７】ｎ型半導体におけるドーズ量と反射率のディップ（ｄｉｐ）との関係を示すグラフである。
【図８】多層膜干渉モデルでのシミュレーションによる検証を説明するための概念図である。
【図９】図９Ａは、実験値における周波数と反射率との関係を示すグラフであり、図９Ｂは、計算値における周波数と反射率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
【００１８】
本実施の形態は、従来、特に考慮されていなかった、反射型のテラヘルツ波測定装置に組み込まれるプリズムに対する試料の移動機構に関するものである。
【００１９】
従来においては、プリズムの全反射面を上面側に配置し、全反射面上に試料（被測定物）を簡易的に設置する構成がとられていた。このような構成によれば、エバネッセント波を利用して、試料の情報分析を行うことが可能とされる。
【００２０】
一方、本実施の形態では、プリズムの反射面から試料を一定の距離だけ離して、試料の情報分析を行うものである。これによれば反射面側での光の干渉現象を利用することができる。
【００２１】
このように、従来では、プリズムの反射面側での光の干渉現象を利用して、試料の情報分析を行うものではなく、基本的に、プリズムの全反射面上に試料を置けばよい構成であり、試料とプリズムとを高精度に離すことはしていなかった。本実施の形態は、上記の従来技術に鑑みて発明されたものである。以下、本実施の形態のテラヘルツ波測定装置について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は、本実施の形態におけるテラヘルツ波測定装置の全体構成図である。図１に示すように、テラヘルツ波測定装置１は、レーザ光源２、ビームスプリッタ３、光伝導アンテナ（テラヘルツ波発信側）４、プリズム５、光遅延器６、光伝導アンテナ（テラヘルツ波受信側；検出部）７、を有して構成される。
【００２３】
「テラヘルツ波」は、電波と光の両方の性質を持つ電磁波であり、約３０μｍ〜３ｍｍ程度の波長を有する。多くの物質では、固有のテラヘルツ波吸収スペクトルが存在することがわかっており、指紋スペクトル（分子間振動）と称される。このためテラヘルツ波を利用することで、電磁波として試料（被測定物）の電気的特性を測定することが可能である。
【００２４】
レーザ光源２は、フェムト秒パルスレーザを発生させる光源である。レーザ光源２から出射したフェムト秒パルスレーザは、ビームスプリッタ３にてポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２とに二分される。ポンプ光Ｌ１は、光伝導アンテナ（テラヘルツ波発信側）４に入射され、光伝導アンテナ４を励起することでパルス状のテラヘルツパルス波ＴＨｚが発生する。光伝導アンテナには例えば浜松ホトニクス製の光伝導アンテナを用いることができる。ここで「テラヘルツ波を照射する光源」は、少なくともコヒーレントなテラヘルツ波の放射が可能な発生装置であればよい。例えば、「テラヘルツ波を照射する光源」には、上記に記載した光伝導アンテナ以外に非線形光学結晶によるパラメトリック相互作用を利用したテラヘルツ波の発生方法による光源や、同じく非線形光学結晶による差周波を利用したテラヘルツ波の発生方法による光源等を例示できる。
【００２５】
一方、プローブ光Ｌ２は、光遅延器６に入射される。例えば光遅延器６は、固定ミラー９と、ミラー１０を備えた移動ステージ８とを有して構成される。光遅延器６は、ポンプ光Ｌ１側の光路長と、プローブ光Ｌ２側の光路長との間の差分（光路長差）を調整するためのものである。図１に示すように、光遅延器６の移動ステージ８を少しずつ動かして、ポンプ光Ｌ１が光伝導アンテナ（テラヘルツ波発信側）４に入射することで発生したテラヘルツ波ＴＨｚが光伝導アンテナ（テラヘルツ波受信側）７に入射されるタイミングと、プローブ光Ｌ２が光伝導アンテナ（テラヘルツ波受信側）７に入射されるタイミングとの間の相対的なずれ量を調整することができる。
【００２６】
図１に示すように、プローブ光Ｌ２は光遅延器６を通りミラー１１にて反射されて光伝導アンテナ７に入射される。
【００２７】
図１に示すように、光伝導アンテナ（テラヘルツ波発信側）４にて発生したテラヘルツ波ＴＨｚは、偏光子１２を透過して、軸ずらし放物面鏡１３、及びアパーチャー１４を経て、プリズム５に到達する。偏光子１２は例えばワイヤグリッド偏光子である。偏光子１２を透過するテラヘルツ波ＴＨｚは例えばｐ偏光成分である。
【００２８】
図２を用いてプリズム５の構成を説明する。図２に示すように、プリズム５は、例えば正面形状が三角形で所定の奥行き寸法を備えるプリズム形状であるが形状を限定するものではない。例えば、プリズム５の正面形状は台形状等であってもよい。なおプリズム５の形状に応じて後述するように、図５に示す反射率のディップ（ｄｉｐ）の周波数帯域を変更することができる。
【００２９】
プリズム５は、テラヘルツ波ＴＨｚを入射する入射面５ａ、内部に入射されたテラヘルツ波ＴＨｚを反射する反射面５ｂ、及び、反射したテラヘルツ波ＴＨｚを外部に出射する出射面５ｃを備える。図２に示すように、入射面５ａ及び出射面５ｃを傾斜面で形成してもよいし、入射面５ａ及び出射面５ｃの少なくとも一方を、反射面５ｂに対する略垂直面とし、入射面５ａから入射されたテラヘルツ波ＴＨｚを反射面５ｂへ導くための面（光屈曲面；反射面）、及び／又は、反射面５ｂにて反射された光を出射面５ｃへ導くための面（光屈曲面；反射面）を更に設けた構成とすることできる。
【００３０】
図１、図２に示すように試料（被測定物）２０は、プリズム５の反射面５ｂ側に配置される。今、試料２０がプリズム５の反射面５ｂから十分に離れた状態、あるいは試料２０が配置されていない状態（リファレンス）を考える。このとき、テラヘルツ波ＴＨｚは、プリズム５の反射面５ｂにて全反射する。そしてプリズム５の出射面５ｃから外部に出射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、軸ずらし放物面鏡１５を経て光伝導アンテナ（テラヘルツ波受信側；検出部）７に入射される。
【００３１】
光伝導アンテナ７に、パルス状のプローブ光Ｌ２とパルス状のテラヘルツ波ＴＨｚとが同時に入射すると、テラヘルツ波ＴＨｚの電場強度に比例した電気信号を得ることができる。図１に示す電流計１６を用いて瞬時電流を測定することができる。
【００３２】
本実施の形態では、図１に示すように、プリズム５の反射面５ｂに一定距離を離した状態で試料２０を対向配置させる。本実施の形態は、試料２０をプリズム５の反射面５ｂに一定距離を離すことが可能な距離調整機構に特徴的部分がある。
【００３３】
図２は、本実施の形態における距離調整機構を説明するための拡大斜視図である。図３は、本実施の形態における距離調整機構を説明するための縦断面図である。
【００３４】
図２、図３に示すように、プリズム５の反射面５ｂ側には、図示上下方向（プリズム５に対する遠近方向）に移動可能な設置台２１が配置されている。図２に示すように、設置台２１には移動距離や移動速度を制御可能な制御部２２が設けられている。
【００３５】
図２、図３に示すように、設置台２１の上面には平面状の設置面２１ａが設けられている。設置面２１ａとプリズム５の反射面５ｂとは高精度に平行となるように傾き調整されている。そして、試料２０を設置面２１ａ上に設置することができる。なお設置面２１ａには試料２０の置く場所を示すマーカ等が設けられていてもよい。
【００３６】
図２、図３に示すようにプリズム５の反射面５ｂにはその周囲に設置台２１の方向に突き出る突出面２５を備える。換言すれば、プリズム５の下面には、その中央部分に凹部２４が設けられ、凹部２４の天井面（プリズム５が上下反転していれば、凹部２４の底面）が反射面５ｂとなっている。図３に示す凹部２４の深さ寸法Ｈ１（突出面２５の突出寸法）は所定寸法に規制されており、例えば５μｍ〜１０μｍ程度の深さとされる。
【００３７】
突出面２５は設置台２１の設置面２１ａ上に設置された試料２０の周縁部と対向する位置に設けられる。換言すれば、凹部２４の平面形状の大きさは、試料２０の平面形状の大きさよりも小さい。したがって図２、図３Ａに示すように、設置台２１の設置面２１ａ上に試料２０を載せて、制御部２２を用いて、設置台２１をプリズム５の方向に移動させると、図３Ｂに示すように、プリズム５の突出面２５に試料２０の周縁部が当接する。これにより、試料２０と反射面５ｂとの間の空間が一定距離（＝深さ寸法Ｈ１）に保たれる。試料２０と反射面５ｂとの間の空間は空気層である。空気層以外とすることも可能であるが、特にメリットがなく、逆に空間内を、反射面５ｂでの全反射条件（試料２０がない場合）を保ちながら埋めることが必要になるため空気層が好適である。
【００３８】
本実施の形態では、試料２０が直接、反射面５ｂに接しないため、反射面５ｂが損傷を受けることがない。また、反射面５ｂに塵埃が付着していてもその影響を抑制することができる。
【００３９】
また例えば、プリズム５側に衝撃センサを繋いでおき、試料２０が突出面２５に当接した際の衝撃を衝撃センサにて検知し、その検知結果に基づいて制御部２２にて設置台２１の移動をストップさせることができる。
【００４０】
本実施の形態では、プリズム５の反射面５ｂと試料２０との間の空間を一定の距離に保つことで、反射面側での光の干渉現象を利用することができる。すなわち図３Ａに示すように、試料２０が反射面５ｂから離れた状態にあるときは、プリズム５の入射面５ａに入射したテラヘルツ波ＴＨｚは反射面５ｂで全反射し、このテラヘルツ波ＴＨｚはリファレンスデータに用いられる。
【００４１】
一方、図３Ｂに示すように、試料２０と反射面５ｂとの間の空間を、一定の距離に保つと、プリズム５の入射面５ａに入射したテラヘルツ波ＴＨｚは反射面５ｂで全反射せず、一部のテラヘルツ波ＴＨｚ１が試料２０方向に漏れ出る。この結果、光伝導アンテナ（テラヘルツ波受信側；検出部）７にて検知される、時間波形としてのリファレンスデータと、試料データとでは異なるデータが得られる。ここで一例を挙げて説明する。
【００４２】
図４は、本実施の形態のテラヘルツ波測定装置を用いて測定した、時間波形である。ここで実験に使用した試料２０は厚み５２７μｍのＳｉ基板であり、イオン種としてのＢを、１．３５×１０１２／ｃｍ２のドーズ量にて表面から深さ２００ｎｍまで打ち込んだ。
【００４３】
光伝導アンテナ（テラヘルツ波受信側；検出部）７では、テラヘルツ波の強度に応じた電流信号を検出する。そして、図４に示す時間波形をフーリエ変換（分解能は０．０１ＴＨｚ）することで、図５に示すテラヘルツ波のスペクトルを得ることができる。このときリファレンスデータと試料データのスペクトルの比を計算することで図５に示すように、周波数と反射率との関係からなるスペクトルを得ることができる。
【００４４】
図５に示すように、スペクトルにはディップ（ｄｉｐ）が存在する。このディップの値は、ドーズ量により変化する。したがってドーズ量とディップの値との関係の基準データを予め求め、実際に分析に付された試料２０のディップの値を、基準データと照らし合わせることで、分析に付された試料２０のドーズ量を検出することが可能になる。なお「ディップ」とは、グラフ上において最も落ち込みが激しい縊れ箇所の底点を指し、「ディップの値」とは、前記底点の値を指す。図５では、反射率は、周波数が０．２テラヘルツ付近で急激に落ち込んでいることがわかる。そして反射率は、周波数が約０．２テラヘルツよりも大きくなると、徐々に大きくなっている。よって周波数が０．２テラヘルツ付近に反射率のディップが存在しており、図５でのディップの値は、周波数が０．２テラヘルツ付近における反射率の値とされる。
【００４５】
本実施の形態では、試料２０を反射面５ｂ側に一定の距離の空間を空けて保持することで、反射面５ｂから一部のテラヘルツ波ＴＨｚが試料２０の方向に漏れ出る光の干渉現象を利用して、試料２０の情報分析（ドーズ量誘電率、屈折率、緩和時間等の電気的特性の計測）を行うことができる。したがって、特許文献に記載されたエバネッセント波を利用して、試料の情報分析を行う場合のように、試料２０をプリズム５の反射面５ｂに当接した状態とせず、一定距離離した状態とするため、プリズム５の反射面５ｂと試料２０との間の距離が精度よく保持されることが必要である。すなわち、プリズム５の反射面５ｂと試料２０との間の距離がばらつくと試料２０の正確な情報分析を行うことができなくなる。したがって、本実施の形態では、距離調整機構を設けて、試料２０と反射面５ｂとの間の空間の距離を一定に保つことができるようにしたのである。これにより、本実施の形態では、距離調整機構２３によりプリズム５の反射面５ｂと試料２０との間の距離を高精度に一定値に保つことができ、反射面５ｂ側での光の干渉現象を適切に利用することができる。
【００４６】
ここで図２、図３に示した距離調整機構２３では、設置台２１を紙面上下方向（プリズム５に対する遠近方向）に移動可能に制御し、且つ、プリズム５の反射面５ｂ側に、設置台２１の方向に突き出る突出面２５を設け、試料２０の周縁部を突出面２５に突き当てることで、反射面５ｂと試料２０との間の距離を一定に保っている。図２では、反射面５ｂから突き出る部分をプリズム５と一体化しているが（すなわち突出面２５はプリズム５の一部分とされている）、例えば、リング状部材（このときリング穴の形状を試料２０の外周形状に合わせてもよいし、合わせなくてもよい）を別に用意し、リング状部材を反射面５ｂに貼り付けることで、突出面２５を設けることもできる。また、突出面２５は、試料２０の周縁部の全周になくてもよく、突出面２５は試料２０の周縁部に対して間欠的に設けられていてもよい。なお、図２、図３に示すようにプリズム５に凹部２４を形成するには、例えばエッチングや研磨、あるいは、蒸着法を用いて形成することができる。また、突出面２５を複数のドット形状で形成することもできる。
【００４７】
また反射面５ｂにパターン加工を施すことで、測定スポットＰ（図３Ａに符号を付した）の調整や、周波数の調整が可能になる。
【００４８】
また本実施の形態では、プリズム５は、試料２０と同等の材質、あるいは同等の屈折率を有する材質で形成されることが好ましい。「同等の材質」とは同じ材質である場合の他、主成分が一致していれば同等の材質に含まれる。例えば、試料２０とプリズム５とを共にＳｉを主体として形成することができる。また、「同等の屈折率」は、図３Ｂに示すように、反射面５ｂから漏れ出た一部のテラヘルツ波ＴＨｚ１が、試料２０の表面で反射せずに内部に透過することが可能とされ、具体的には、±５％程度の範囲の屈折率が含まれるものとする。例えば、ドーズされる試料２０側の屈折率は、ドーズ量が少ない場合、プリズム２０との間で屈折率の差が少ないために多くテラヘルツ波が透過していくが、ドーズ量が多い場合、プリズム２０との間で屈折率の差が大きくなり、透過するテラヘルツ波が少なくなる。このように、ドーズ量によって表面屈折率が変化し、この変化と透過する量に相関があることを利用してドーズ量を計測することができる。
【００４９】
また本実施の形態では、試料２０に対する設置面２１ａを備えた距離調整機構２３として構成される設置台２１を有する。そして、設置台２１は、プリズム５の反射面５ｂとの間の距離を可変可能に支持している。これにより距離調整機構２３を簡単な構成で実現できる。また距離調整機構２３を設置面２１ａを備えた設置台２１として構成することで、試料２０の設置を容易化できる。また図３Ａに示すように、設置台２１を反射面５ｂから離れる方向に移動させることで、テラヘルツ波測定方法において、リファレンスの時間波形を簡単且つ適切に得ることができる。このように本実施の形態では、プリズム５を固定側とし、設置台２１を移動側としたが、逆の構成にすることもできる。すなわちプリズム５を移動させ、設置台２１を固定させる構成である。しかしながら、プリズム５ではテラヘルツ波ＴＨｚが入射及び射出される光路を備えるため、プリズム５に移動機構を備えることが難しく、またプリズム５の移動により測定スポットＰがばらつきやすくなる等、設置台２１を移動させる構成に比べて不具合が多い。したがって、プリズム５を固定し、設置台２１を移動させることが好適である。
【００５０】
また設置台２１は、プリズム５と同等の材質、あるいは同等の屈折率を有する材質で構成されることが好ましい。「同等の材質」、「同等の屈折率」は、上記で説明した通りである。したがってプリズム５がＳｉで形成される場合、設置台２１もＳｉで形成されることが好ましい。
【００５１】
本実施の形態では、プリズム５、試料２０、及び設置台２１が、全て同等の材質、あるいは同等の屈折率を有する材質で構成されることが最も好ましい。これにより、図３Ｂにおいて、プリズム５の反射面５ｂから試料２０に漏れ出た一部のテラヘルツ波ＴＨｚ１は、試料２０と設置台２１との間で反射せず、試料２０及び設置台２１を透過する。このため、試料２０に漏れ出た一部のテラヘルツ波ＴＨｚ１の反射に伴う、時間波形のばらつき及び試料２０の情報分析のばらつきや分析エラー率の上昇を効果的に抑制することができる。
【００５２】
試料２０について説明する。本実施の形態では、試料２０の材質や形状等を限定するものでない。材質としては、テラヘルツ波吸収スペクトル（指紋スペクトル）を有する物質であればよい。また形状についても板状や一定厚を有する形状でなくてもよい。従来のようにプリズムに試料を当接させる形態では、試料を平面の板状として、プリズムに当接しやすい形状とすることが必要とされたが、本実施の形態では、試料２０をプリズム５の反射面５ｂから空気層を介して一定距離だけ離すため板状等に形状を限定するものではない。一例を挙げると、試料２０にはイオン種がドープされたＳｉ基板を用いることができる。そして本実施の形態では、Ｓｉ基板にドープされたイオン種のドープ量を、光の干渉現象を利用することで、適切かつ高精度に検出することが可能である。
【００５３】
図１に示す反射型のテラヘルツ波測定装置１を用いた測定方法では、まずリファレンスの時間波形を測定するために、図３Ａに示すように試料２０（設置台２１）をプリズム５から離した状態にする。このとき、テラヘルツ波ＴＨｚは、プリズム５の反射面５ｂにて全反射し、全反射したテラヘルツ波ＴＨｚを光伝導アンテナ（テラヘルツ波受信側；検出部）７にて検知しリファレンスの時間波形を得る。
【００５４】
次に、設置台２１を距離調整機構２３によりプリズム５の方向に移動させて、試料２０をプリズム５の突出面２５に当接させる。これにより、プリズム５の反射面５ｂと試料２０との間に一定の距離を空けることができる。このとき、テラヘルツ波ＴＨｚの一部は、プリズム５の反射面５ｂにて試料２０の方向に漏れ出る。そしてプリズム５の反射面５ｂにて反射したテラヘルツ波ＴＨｚを光伝導アンテナ（テラヘルツ波受信側；検出部）７にて検知し試料の時間波形を得る（図４参照）。なお、リファレンスの時間波形の計測と、試料の時間波形の計測はどちらを先に行ってもかまわない。
【００５５】
そして各時間波形をフーリエ変換し、それに基づいて、図５に示すテラヘルツ波のスペクトルを得ることができる。このスペクトルから試料２０に含まれているドープ量を分析することが可能である。本実施の形態では、距離調整機構２３を用いることで、リファレンスの時間波形を精度よく得ることができるとともに、距離調整機構２３により、試料２０と反射面５ｂとの距離を精度よく一定に保つことができ、したがって、試料の時間波形を精度よく得ることができる。したがって試料の分析精度を向上させることが可能である。また本実施の形態では、光の干渉現象に基づく試料の情報分析を行うことができる。
【００５６】
また本実施の形態では、図５に示す反射率のディップ（ｄｉｐ）の周波数帯域を、プリズム５の形状を変更することで調整することができる。すなわちプリズム５の反射面５ｂへの入射角度を変えることで任意の周波数で試料の計測が可能となる。したがって分析する試料に合わせてプリズム５の形状を変えて、周波数を任意の帯域に調整することで、様々な試料に対して高精度な分析を行うことが可能になる。
【実施例】
【００５７】
以下、本発明の効果を明確にするために実施した実施例により本発明を詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【００５８】
（スペクトルのディップ（ｄｉｐ）とドーズ量との相関の検証実験）
以下のサンプルを用意した。
【００５９】
【表１】
0006415931.tif 000002
【００６０】
表１に示すサンプルｐ−１、ｐ−２、ｐ−３は、いずれもｐ型半導体である。また表１に示すサンプルｎ−１、ｎー２、ｎ−３はいずれもｎ型半導体である。各サンプルには表１に示すドーズ量のイオン種を所定の膜厚範囲に打ち込んだ。
【００６１】
そして、図１に示す反射型のテラヘルツ波測定装置を用いて、ドーズ量とスペクトルのディップ（ｄｉｐ）との関係を調べた。
【００６２】
実験では、テラヘルツ波測定装置の設置台２１をプリズム５の反射面５ｂから離した状態（図３Ａ）でリファレンスの時間波形を測定し、続いて、設置台２１をプリズム５の反射面５ｂに近づけて、試料２０と反射面５ｂとを一定の距離に保った状態（図３Ｂ）で、試料の時間波形を測定した。図４は、サンプルｐ−１に対する時間波形の実験例である。そして、各時間波形をフーリエ変換し、それに基づいて、図５に示すテラヘルツ波のスペクトルを得た。図５に示すように、スペクトルには反射率のディップ（ｄｉｐ）が存在していることがわかった。表１に示す各サンプルを用いて、図４の時間波形及び図５のスペクトルを求め、各サンプルにおける反射率のディップ（ｄｉｐ）を求めた。その実験結果が図６及び図７に示されている。図６は、ｐ型半導体におけるドーズ量と反射率のディップ（ｄｉｐ）との関係を示すグラフである。図７は、ｎ型半導体におけるドーズ量と反射率のディップ（ｄｉｐ）との関係を示すグラフである。
【００６３】
図６、図７に示すｐ型半導体及びｎ型半導体では、ドーズ量の増大に伴い、反射率のディップ（ｄｉｐ）が変化することがわかった。このため、ドーズ量と反射率のディップ（ｄｉｐ）との関係、その際に用いたイオン種、さらには、図５に示す反射率のディップ（ｄｉｐ）の周波数を、予め測定した基準データとして保管しておく。これにより新たな試料のドープ量を分析する際に、基準データと照らし合わせることで、ドープ量の分析を高精度且つ簡単に行うことが可能になることがわかった。
【００６４】
（シミュレーションによる検証）
続いて、図８に示す薄膜の多層膜干渉モデルを用いて、シミュレーションによる検証を行った。図８に示すように、Ｓｉからなる三角プリズムがあり、その反射面（全反射面）の下側に空気層を介して試料が存在する。そして試料はバルク層（Ｓｉ層）の表面にドープ層が存在するとした。
シミュレーションでは、以下の計算モデル（１）を用いて検証を行った。
【００６５】
【数１】
0006415931.tif 000003
ただし、ｒは反射率、εは誘電率、ｋzは、z方向の波数ベクトル、ｄは、厚み、ωは、各周波数、ｃは、光速、θは図８に示す入射角度を表す。また、ｉは光線が入射する前の層、ｊは入射後の層を指している。例えば、図８の番号を使用すると、プリズムから空気層へ入射するときの反射率はr12と表す。
【００６６】
シミュレーション実験では、表１に示すサンプルｐ−１、ｐ−２、及びｐ−３を用いた。図９Ａは、実際の実験値、すなわち、図６の実験結果を求めた際に用いた周波数と反射率との関係を示すグラフである。一方、図９Ｂは、上記のシミュレーション実験により求めた計算値である。
【００６７】
図９Ａと図９Ｂに示すように、実験値及び計算値ともに同じ周波数帯域に反射率のディップ（ｄｉｐ）が存在することがわかった。このように、ドープ量に応じた反射率の減衰が実験値及び計算値ともに、同じ周波数帯域に現れることを確認した。したがって本実施例における反射型のテラヘルツ波測定装置を用いることで、試料の情報分析を高精度に行うことができるとわかった。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、反射型のテラヘルツ波測定装置、及び測定方法に関する発明であり、特に光の干渉現象を使用して試料の情報分析を高精度に行うことが可能である。また本発明では、試料としてＳｉ基板を用いることができる。したがってＳｉ基板のドープ量の分析等、様々な半導体分析に用いることができる。
【符号の説明】
【００６９】
１  テラヘルツ波測定装置
２  レーザ光源
３  ビームスプリッタ
４  光伝導アンテナ（テラヘルツ波発信側）
５  プリズム
５ａ  入射面
５ｂ  反射面
５ｃ  出射面
６  光遅延器
７  光伝導アンテナ（テラヘルツ波受信側；検出部）
８  移動ステージ
２０  試料
２１  設置台
２１ａ  設置面
２２  制御部
２３  距離調整機構
２４  凹部
２５  突出面
【図１】
0006415931.tif 000004
【図２】
0006415931.tif 000005
【図３】
0006415931.tif 000006
【図４】
0006415931.tif 000007
【図５】
0006415931.tif 000008
【図６】
0006415931.tif 000009
【図７】
0006415931.tif 000010
【図８】
0006415931.tif 000011
【図９】
0006415931.tif 000012