(57)【要約】変調分光システム１が、プローブビーム１１をサンプル１０上に向け、反射されたプローブビームは集光器７によって集光され、検出器８により処理される。光源４、５によって作られたポンプビームは、ポンプビーム１３をサンプル上のプローブビームと同じにスポットに向ける。しかし、同時にポンプビームをそのプローブスポットに重ならない隣接した位置に切り換えることも行われる。これは空間変調と呼ばれる。集光サブシステム７の円柱レンズ１６は、両ポンプビームスポットからのルミネセンスを同時に含む反射光を集光し、従ってルミネセンスは除去が容易に行えるＤＣ信号となる。また、変調器からのポンプビームの強度と位置を変えるための手段も備える。これは不要なバックグラウンドのルミネセンス信号を除去する手段となると同時にＳ／Ｎ比を改善する。
2006509190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルにプローブビーム及びポンプビームを向け、かつ前記ポンプビームを変調する過程を有し、前記プローブビームが前記サンプルから反射され、反射された前記プローブビームが検出器によって検出され、前記ポンプビームが、その前記サンプル上の入射位置を前記プローブビームの入射位置と異なる位置との間で動かすことによって空間変調され、両位置からのルミネセンスを前記プローブビームで変調されないように受け取ることを特徴とする変調分光測定方法。
【請求項２】
変調されない前記ルミネセンス及び変調された前記プローブビームが同じ検出器によって検出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】
前記ルミネセンスが円柱レンズによって受け取られ、前記円柱レンズの軸は前記サンプル上の前記ポンプビームの両入射位置を通して延びることを特徴とする請求項１若しくは２に記載の方法。
【請求項４】
前記円柱レンズの出力が、第１の前記円柱レンズに対して垂直な向きに設けられた第２の円柱レンズを通る方向に向けられることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ポンプビーム変調器のための駆動信号に基づく基準周波数を用いて、受け取られた前記ルミネセンスをロックイン増幅器で除去する過程をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の方法。
【請求項６】
前記ポンプビームが、２つの異なる経路の間を切り換える変調器にいよって空間変調されることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の方法。
【請求項７】
前記変調器が、交代駆動周波数信号で駆動される音響光学変調器であり、各駆動周波数は異なる経路に１次以上の次数の回折光を供給し、前記駆動周波数を変化させる周波数が変調（トグル）周波数であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記検出器による反射とルミネセンス集光の効果を最適化するべく前記ポンプビームの強さが変えられるように、前記変調器が制御されることを特徴とする請求項６若しくは７に記載の方法。
【請求項９】
各位置からのルミネセンスを等しくし、変調された反射とＤＣルミネセンスの前記検出器による集光効果を最適化するべく、前記変調器が各経路上で異なる強度を有するように制御されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記サンプル上のポンプビーム強度を検出する加算モードで動作する四象限光検出器を有するフィードバックループによって前記強度が変えられることを特徴とする請求項８若しくは９に記載の方法。
【請求項１１】
前記検出器による反射とルミネセンスの集光の対象性を最適化するべく、前記ポンプビームの入射位置が変えられるように、前記変調器が制御されることを特徴とする請求項６乃至１０の何れかに記載の方法。
【請求項１２】
前記サンプル上のポンプビームの位置を検出する差動モードで動作する四象限光検出器を有するフィードバックループによって前記ポンプビームの位置が変えられることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記プローブビームが、前記サンプルから反射される前に単色化されることを特徴とする請求項１乃至１２の何れかに記載の方法。
【請求項１４】
前記プローブビームを検出する手段とは異なる手段によって、前記プローブビームと同時入射する位置からの変調されたルミネセンスを別個に検出する過程をさらに有することを特徴とする請求項１乃至１３の何れかに記載の方法。
【請求項１５】
前記変調器から出力された１次ビーム以外の次数のビーム及びゼロ次のビームが除去されることを特徴とする請求項７乃至１４の何れかに記載の方法。
【請求項１６】
除去されたゼロ次の出力のみが存在するように、インタロック機構が、前記変調器（音響光学結晶）からの出力を遮断することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
図面に記載された変調分光測定方法。
【請求項１８】
請求項１乃至１７の何れかに記載の変調分光測定方法を行うための手段を備える光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変調分光に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
変調分光は分光測定法の一種であって、半導体、有機物、またはポリマー等の材料の反射光（または透過光）において、外部の変動要因によって電磁スペクトルの幾つかの部分が変えられるものである。一般的に、この外部の変動要因は周期的に加えられ、その外部の変動に応答して変化するその波長での半導体の反射が外部の変動要因がないときの値と外部の変動要因が存在するときの値との間で周期的に切り換わるようにされる。変調分光測定法の多くでは、その変動が光ビームによって光学的に加えられる。そのような方法では、分光測定を行うために用いられる光ビームは、多くの場合「プローブ」ビームと呼ばれ、材料の反射を変動させる光ビームは通常「ポンプ」ビームと呼ばれる。ポンプビームは、通常はサンプル上でプローブビームが当たるのと同じ場所に当てられて強度が変調される。
【０００３】
周期的に変調されるポンプ光ビームが反射光の分光測定のために用いられるプローブ光ビームと材料上の同じ点に当てられる、変調反射光の分光測定は、通常は光反射分光測定法と称される。
【０００４】
米国特許第５１７２１９１号には、プローブビームが入射する点におけるサンプル材料の反射の変調が行われる光反射分光測定法が記載されている。ポンプビームは横方向に動かされ、サンプル上のプローブビームが当たっている位置からずらされる。
【０００５】
米国特許第５２２５０７１号には、１本のビームが１本のビーム経路においてオン状態とオフ状態との間で振幅変調される音響光学変調によって、ポンプビームの変調が行われる光反射分光測定法が記載されている。
【０００６】
従来の変調反射分光測定法における問題点は、反射プローブビームを集光するための光学系が、ポンプビームがプローブビームとサンプル上の同じ点に入射することによって生ずる散乱ルミネセンス光も集光してしまうことである。ポンプビームはプローブビームより強く、プローブビームは、サンプルに入射する前は、少なくとも大部分は単色であり、ポンプビームが変調器によってスイッチオフされると、ルミネセンス光も消える。従って、変調された反射光信号と同じ周波数を有する周期的なルミネセンス信号は、反射されたプローブビームを集光するための光学系によって集光されることになる。多くのサンプル、特にある種の半導体や発光ポリマー構造体における、ポンプビームを当てられた領域からのルミネセンス信号は、変調された反射光信号より大きい強度を有し得る。更に、サンプルと検出器との間にはモノクロメータが存在していない場合には、全波長の全ルミネセンス信号が検出器に入る。主要な信号に干渉することはもちろん、バックグラウンドのルミネセンスはＳ／Ｎ比における主要な要素でもある。
【０００７】
本発明はこれらの問題を取り扱っている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、サンプルにプローブビーム及びポンプビームを向け、かつ前記ポンプビームを変調する過程を有し、前記プローブビームが前記サンプルから反射され、反射された前記プローブビームが検出器によって検出され、前記ポンプビームが、その前記サンプル上の入射位置を前記プローブビームの入射位置と異なる位置との間で動かすことによって空間変調され、両位置からのルミネセンスを前記プローブビームで変調されないように受け取ることを特徴とする変調分光測定方法が提供される。
【０００９】
或る実施形態では、変調されない前記ルミネセンス及び変調された前記プローブビームが同じ検出器によって検出される。
【００１０】
別の実施形態では、前記ルミネセンスが円柱レンズによって受け取られ、前記円柱レンズの軸は前記サンプル上の前記ポンプビームの両入射位置を通して延びる。
【００１１】
更に別の実施形態では、前記円柱レンズの出力が、第１の前記円柱レンズに対して垂直な向きに設けられた第２の円柱レンズを通る方向に向けられる。
【００１２】
或る実施形態では、前記方法が、前記ポンプビーム変調器のための駆動信号に基づく基準周波数を用いて、受け取られた前記ルミネセンスをロックイン増幅器で除去する過程をさらに有する。
【００１３】
別の実施形態では、前記ポンプビームが、２つの異なる経路の間を切り換える変調器にいよって空間変調される。
【００１４】
さらに別の実施形態では、前記変調器が、交代駆動周波数信号で駆動される音響光学変調器であり、各駆動周波数は異なる経路に１次以上の次数の回折光を供給し、前記駆動周波数を変化させる周波数が変調（トグル）周波数である。
【００１５】
或る実施形態では、前記検出器による反射とルミネセンス集光の効果を最適化するべく前記ポンプビームの強さが変えられるように、前記変調器が制御される。
【００１６】
別の実施形態では、各位置からのルミネセンスを等しくし、変調された反射とＤＣルミネセンスの前記検出器による集光効果を最適化するべく、前記変調器が各経路上で異なる強度を有するように制御される。
【００１７】
さらに別の実施形態では、前記サンプル上のポンプビーム強度を検出する加算モードで動作する四象限光検出器を有するフィードバックループによって前記強度が変えられる。
【００１８】
或る実施形態では、前記検出器による反射とルミネセンスの集光の対象性を最適化するべく、前記ポンプビームの入射位置が変えられるように、前記変調器が制御される。
【００１９】
別の実施形態では、前記サンプル上のポンプビームの位置を検出する差動モードで動作する四象限光検出器を有するフィードバックループによって前記ポンプビームの位置が変えられ。
【００２０】
さらに別の実施形態では、前記プローブビームが、前記サンプルから反射される前に単色化される。
【００２１】
或る実施形態では、前記方法が、前記プローブビームを検出する手段とは異なる手段によって、前記プローブビームと同時入射する位置からの変調されたルミネセンスを別個に検出する過程をさらに有する。
【００２２】
別の実施形態では、前記変調器から出力された１次ビーム以外の次数のビーム及びゼロ次のビームが除去される。
【００２３】
さらに別の実施形態では、除去されたゼロ次の出力のみが存在するように、インタロック機構が、前記変調器（音響光学結晶）からの出力を遮断する。
【００２４】
本発明の別の側面によれば、上記の変調分光測定方法を行うための手段を備える光学測定装置が提供される。
【００２５】
本発明は、添付の図面とともに、単なる例示として提示された以下のいくつかの実施例についての説明を参照することで、より明確に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１を参照すると、変調分光システムが、広い波長にわたるスペクトルを有する光ビームを作り出すプローブ光源２と、その光ビームを形作り他の部品にカップリングするためのビームステアリング光学部品３とを有する。光源２のなかでは、第１モノクロメータが光の波長の狭い範囲のみが選択され、送出されるように光の各波長を拡散させている。ビームステアリング要素３は、入力光ビームの形状を整え、サンプル材料１０にカップリングされる出力プローブビーム１１を供給する。
【００２７】
ポンプ光源４は、１つの波長または波長の狭いスペクトルを有する光ビームを作り出し、ビームステアリング光学部品５がその形状を整えて光ビーム９を供給する。ポンプ光ビームの波長は、対応する光のエネルギーが、検査される半導体のバンドギャップより大きいレベルか、検査される化学物質の２つの分子の電子エネルギーレベルの差より大きいレベルか、あるいは検査される材料において光誘導荷電キャリアが生成されるのに十分な光エネルギーとなるようなレベルのポンプ光ビームの波長が選択される。ポンプビームステアリング要素５は光ビームの形状を整えて、一定の方向に向ける。
【００２８】
ポンプビーム光強度変調器６は、ポンプビームの入射位置をプローブビームスポットに一致するスポットを有する経路１３とプローブビームスポットから離れた位置のスポットを有する別の経路１４との間で交代させる手段によって、サンプル上のポンプビームの入射点へ向けられた光の強度を変調する。これは空間変調と呼ばれる。この変調器は、入射光を回折する音響光学変調器デバイスを備えることによってこれを達成しており、前記音響光学変調器のＲＦ駆動周波数は２つの周波数レベルの間で変調される。一方の駆動周波数レベルでは、１次出力光がゼロ次の直線軸からある偏向角をなし、他方の駆動周波数レベルは１次の偏向角が異なった角度となる。
【００２９】
一般に、変調器動作パラメータは以下の通りである。
【００３０】
・音響光学変調器結晶のＲＦ駆動周波数、ほぼ１００ＭＨｚ台の大きさ。
【００３１】
・ビームが２つの異なる経路の間で切り換えられる周波数、即ち変調周波数またはトグル周波数。この大きさは、一般的には変調分光の用途では数１００Ｍｚから数ＭＨｚの範囲にわたる。
【００３２】
２つの異なる光経路の間の角度（即ち、サンプル上の空間分離の大きさ）は、一方または両方の経路の駆動周波数を変えることによって変更できる。また、両方の駆動周波数を変更することによって、互いの角度が異ならない状態で等しい大きさのシフトを達成することができる。また、両ビームの一方または両方の強度は、駆動周波数の一方または両方の振幅を変えることによって変えることができる。さらに、デューティサイクルは、変調（トグル）デューティサイクルを変えることによって、５０：５０から所望の比率まで変更することができる。
【００３３】
音響光学変調器用のプログラム可能なコントローラを用いることによって、ポンプビームの強度を、その一方の位置または両方の位置において容易かつ汎用性をもって制御することが可能となる。サンプルから反射されたポンプビームの全部または一部を検出するべく配置された光電検出器は、強度制御機構のフィードバックデバイスの一部を構成し得る。そのような強度制御機構は、変調されたポンプレーザービームの強度を変えるために用いられる。そのようなレーザー強度のフィードバックループを用いることによって、サンプル上への入射光の２つの空間位置のそれぞれにおけるレーザースポットの強度の安定性を確保できる。ビームスポット位置フィードバックは、（上述の駆動周波数制御によって）サンプル上のビーム位置を変えるために実施される。詳述すると、四象限フォトダイオードを有するタイプの位置検出器（ＰＳＤ）によってスポット位置が検出され得る。ＰＳＤは強度フィードバックのための強度検出用としても用いられる。位置検出のためにはＰＳＤは差動モードで使用され、強度フィードバックのためには加算モードで使用される。
【００３４】
一定量の直進するゼロ次光が存在するが、これは止められる。カバーが開かれたり、その他の安全を損なう事象が生じると、システムのインタロック機構が変調器（音響光学結晶）からのパワーを遮断する。これによって１次または他の高次の回折光が止められ、デフォルトではゼロ次光のみが残るがこれは安全に止められる。インタロック機構が他の回路を迂回して音響光学結晶に直接結合されていることから、この構成がフェイルセーフとなっている。
【００３５】
検出器ビームステアリングサブシステム７は、サンプル１０から反射された反射プローブ光ビームとともにサンプル１０からルミネセンス１２を集光し、カップリングするための光学部品を含む。重要な点として、サブシステム７は、後述する２つの互いの直交する方向を向いた円柱レンズを有する。検出器８は、反射されたプローブビームとルミネセンスを検出する。
【００３６】
機械的サブシステムは、種々の構成要素の光軸がサンプルに対して等しい角度をなすようにそれらを支持しており、従って検出器８は反射されたプローブビームとルミネセンスを検出することになる。電子的サブシステムは、検出器８からの電気信号を記録し、互いに周波数の異なる周期的な２つの電気信号を識別する。サンプル材料を保持するサンプルマウントサブシステムも、サンプル１０を光ビームに対して動かすための手段を有し得る。コンピュータサブシステムは、いくつかのサブシステムを制御し、記録されたデータを処理する。電源サブシステムは、システムに電源電力と低電圧電力を供給する。
【００３７】
入力プローブビームステアリングサブシステム３及び出力プローブビームステアリングサブシステム７は、それらの光軸がサンプル１０の表面の垂線に対して同じ角度をなすように取り付けられる。サンプル１０は反射面を有しており、プローブビームがサンプル１０から反射されて検出器ビームステアリングサブシステム７の光路に入るように置かれる。ポンプビーム要素は、ポンプビームが変調器６によって偏向またはスイッチオフされないときには、サンプル上のプローブビーム１１が入射するのと同じ位置に入射するように配置される。サンプル上へのプローブビームの入射角が、機械的アセンブリを用いることによって達成され得るどのような射角にあっても、ポンプビームは少なくともサンプル１０上のプローブビームスポット領域を完全にカバーしている。ポンプビーム要素は、大部分の用途においては、ポンプビームの入射角がサンプル表面に対して垂直となるように配置されるが、その角度を変えてもよい。
【００３８】
サンプル１０は水平に置くことができ、サンプルマウントシステムは、プローブビーム要素の最適な整合がとれるようにサンプルを上下に動かすことができる。
【００３９】
システムの光学部品は、自由空間を通してまたはファイバーによって光学的にカップリングするために配設される。
【００４０】
動作時には、図２にも示すように、プローブビームはサンプルに向けられて、サンプルからの鏡面反射、「反射プローブビーム」１１は、レンズ１６及び１７によって捕捉され、検出器８によって再生される。ポンプビームによって、変調（トグル）周波数Ｆでサンプル上のプローブビームの入射領域の周期的な照射が行われる。これには、半導体の場合には半導体のバンドギャップより大きいエネルギーの光、他のサンプル材料の場合には材料における荷電キャリアを発生させるための十分なエネルギーとなる光エネルギーの光が用いられる。
【００４１】
時間とともに変化しない反射されたプローブビームの強度（符号Ｒで表す）と、反射されたプローブビームの強度のポンプビームの変調（トグル）周波数Ｆで振幅変調された時間とともに変化する成分（ΔＲ）とを検出する。比率ΔＲ／Ｒは、プローブビームのさまざまな異なる波長において既知となっている。サンプルからの散乱光（ルミネセンスを含む）は検出器によって集められる。
【００４２】
ポンプビーム１３がサンプル上のプローブビーム１１の入射点からずれた位置に入射する状態でサンプルを最小限の強さの光にさらすために、プローブビーム１１は、
狭い範囲の波長を有する単色光ビームとしてサンプル上に照射され得る。
【００４３】
ポンプビームは反射信号の変調とともに、ルミネセンス信号を発生する。しかし、システム１においては、ポンプビームはサンプル上に２つの入射領域を有するように空間変調され、両領域は等しい大きさのルミネセンス信号を発生する（但し、そのサンプルが少なくともそれら２つの領域で同程度のルミネセンス信号を発生するものであるものとする）。前記２つの領域からのルミネセンス信号はサブシステム７による集光及び検出に関して同じ効果を有する。ポンプビームの入射領域の一方は、少なくともサンプル上のプローブビームの入射領域の全体をカバーし、ポンプビームの他方の入射領域はサンプル上のプローブビームの入射領域とは全く重ならない。反射信号の変調は、ポンプビームの強度の変調、例えばポンプビームを周期的に切断したり周期的にオンオフを切り換えることによってではなく、ポンプビームの経路を周期的に２つ異なる経路の間で切り換えることによって達成される。プローブビームサブシステムによって集められ検出器８によって検出されて得られた信号は、不変の即ちＤＣルミネセンス信号、ＤＣ反射信号、及びＡＣの変調された反射信号である。変調反射信号を変調されたルミネセンスの干渉を受けずに測定できるように、ＤＣ信号からＡＣ変調済み反射信号を電子的に分離するための多くの既存の方法が存在する。
【００４４】
上記の説明及び図２に示すように、ビームステアリングサブシステム７は、２つの互いに直交する円柱レンズ１６及び１７を有し、これらはサンプル上のポンプビームの２つの入射領域から集光し、球面光学素子を用いて検出器へイメージングするのに適した概ね円形の断面形状のビームにする。これによって、ポンプビーム入射領域のそれぞれについて信頼できる等しいルミネセンス集光の効果を達成でき、このようにして集光されたルミネセンスはＤＣ信号とすることができる。システムの構成において、円柱レンズ１６及び１７を、その光学的中心が２つのスポット位置の間の重心と整合するように配置するのを確実にすることが重要である。
【００４５】
従って、本発明は、変調反射プローブビーム経路において不要な変調ルミネセンス信号が含まれないようにするものである。同期をとって空間変調の切り換えをさせることにより、２つの異なる経路の何れか一方にポンプ光ビームを発生させることは有益である。さらに、ＤＣルミネセンスの集光のために、両経路の光強度は別々にあるいは同時に変えることができる。光強度の制御は、当該光経路のための駆動信号の強度を変えることによって達成される。また、２つの経路の位置のずれ、即ち間隔を変える能力も与えられる。このことは、経路の一方または両方の駆動周波数を変えることにより達成される。駆動周波数の変更によって、両ビームを等しく即ち相前後して動かし、対称的な集光を確実にすることもできる。また、円柱レンズを使用することは、両ポンプビームの入射領域から同程度の効果をもって、サンプルからのルミネセンスを集光する効果を有する。さらに、第２の円柱レンズを第１の円柱レンズに対して直交する向きに設けることによって、集められた光は全てコリメートされ後段の処理のための平行ビームにされる。
【００４６】
本発明による別形態のシステム１００を図３に示す。プローブビーム光源サブシステム１０２は、ファイバー光学要素１８と一対のレンズ１９及び２０によってカップリングされた光源１７を有する。レンズ２０からの光がモノクロメータ２１の許容幅の大半を満たし、モノクロメータ２１からほぼ最適なスペクトル分解納能とスループットが得られるように、レンズ１９はファイバー光学要素１８のＦ値に近い適切なＦ値を有し、他のレンズ２０はモノクロメータ２１のＦ値に近い適切なＦ値を有している。これによって単色の光ビームが作り出され、この単色光ビームは、適切なＦ値を有する一対のレンズ２２及び２３によって、プローブ入力ビームステアリングサブシステム１０８に供給するための入力ファイバーにカップリングされる。上記の用語「Ｆ値」については、これは当技術分野で公知の用語で、レンズまたは集光光学要素の集光力または集光スピードを表すものである。しかし誤解を避けるために説明しておくと、レンズの焦点距離の有効径に対する比率のことである。
【００４７】
入力光学プローブビームステアリングサブシステム１０３は１対のレンズ２４及び２５を有し、第２のレンズはガリレイ望遠鏡の対物レンズであり、ガリレイ望遠鏡の接眼レンズ２６は、縮小径の平行プローブビーム１１がレンズ２６の出力から生成され、大きいＦ値のレンズ２７を用いてサンプル材料１０上に集束されるように配置される。
【００４８】
ポンプ光源は、ミラー１０５によって同期切換式空間変調器１０６にカップリングされ、変調器１０６はポンプビーム９を１対の空間的に離れた交代的に変調される経路１３及び１４に変調する。経路１３は、サンプル１０上のプローブビーム１１の入射領域に向けられ、他の経路１４は、プローブビーム１１のスポットと重ならない、サンプル１０上のある入射領域に向けられる。
【００４９】
出力光学プローブビームサブシステムは円柱レンズ１６を有し、円柱レンズ１６は、そのレンズがサンプル１０での両ポンプビームの入射領域に重なり合う線状焦点１５を有するような方向に向けられる。球面レンズ２８は、ビームをフィルタ２９を介してファイバー光学要素３７にカップリングする。このシステムは、球面レンズ２８の代わりに、図２に示すような第２の円柱レンズを備えて、完全にコリメートされた出力ビームを得るようにしてもよい。ファイバー３７の出力は、適切なＦ値を有する一対のレンズ３０及び３１を介して光電検出器１０８にカップリングされている。検出器１０８はシリコンフォトダイオード検出器か、インジウムガリウム砒素フォトダイオード検出器である。
【００５０】
検出器１０８によって生成された電気信号は、トランスインピーダンス３２及びプリアンプ３３段を介して、ロックイン増幅器３２に接続される。ロックイン増幅器は、変調器を駆動するものと同じ信号源からの基準周波数信号を用いている。ロックイン増幅器によって読み取られた信号は制御用コンピュータ３６に供給され、このコンピュータがシステムの他の構成要素のいくつかを制御する。検出器１０８からの一定のＤＣ電流または電圧の大きさも、メータ３４によって測定・記録される。メータ３４の出力は制御用コンピュータ３６に供給される。この検出器１０８からの一定のＤＣ電流または電圧は、ごく微小な一定のルミネセンス信号を含む、モノクロメーター２１の透過波長におけるサンプルの不変調基準Ｒである。これは、反射信号の大きさに比べれば無視できる大きさである。
【００５１】
この測定の結果は、無次元の両ΔＲ／Ｒとして表される。ΔＲ／Ｒの測定は、モノクロメータ２１の透過波長をプログラム可能に直接することによって、多数の波長において反復して行われ、サンプル１０の変調反射ΔＲ／Ｒのスペクトルが得られる。
【００５２】
別の実施形態では、光検出器からの、変調反射プローブビーム強度成分の電気信号に１以上のフェーズシフトを導入して、その信号を幾つかの異なる位相条件の下で測定し、位相解析を行うことができる。ロックイン増幅器は、この位相のずれを生じさせる即ち２チャンネルロックイン（同相と直角位相の同時解析）を行うために必要な電子デバイスを含み得る。
【００５３】
円柱レンズは、これらの領域（どの時点においてもその一方のみがルミネセンスを発生している）からのルミネセンスを集めて、検出器にイメージングするのに適した概ね円形の断面形状を有するビームにしている（一対の互いに直交する向きの円柱レンズを使用しているため）ということは理解されよう。この構成は、ポンプビームの同期して切り換える方式の空間変調と組み合わせることによって、ポンプビームの入射領域のそれぞれについて等しいルミネセンス集光効果を容易に達成し、このようにして集光されたルミネセンスをＤＣ信号にするものである。また、フィードバックを利用してポンプビームの強さ及び位置を別々に又は同時に動的に変化させる能力をもたせることで、ルミネセンスをＤＣ信号として維持することを動的に行うことが可能となっている。
【００５４】
本発明の或る実施形態は、さらに以下に挙げるサブシステムのうちの１以上を有しうる。
【００５５】
・出力プローブビームサブシステムと検出器サブシステムとの間に設けられ、これらのサブシステムにファイバーによって光学的にカップリングされる第２の補助マイクロメータサブシステム。
【００５６】
・ルミネセンスと散乱光の集光のための第４の集光サブシステム。
【００５７】
・ルミネセンスと散乱光の単色化のための第３のモノクロメータサブシステム。これは、サブシステムに入った光が電気信号を発生すると同時に、ランプの強度のスペクトルの分布の測定値を発生するように、一体的な検出器または検出器のアレイを備えたものであり得る。
【００５８】
・ポンプビーム検出のための第２の検出器サブシステム。これは、ルミネセンス・散乱光モノクロメータサブシステムの一部を構成し得る。
【００５９】
・サンプルへの入射光のスポットの直径を回折効果と実際のレンズ系固有の収差によって導入される限界を考慮して最小限のサイズまで小さくするための、入力プローブビームサブシステムの一部を構成する微小光学部品。
【００６０】
・１以上のウエハ用のカセットまたはトレイから一定の直径範囲を有し得る半導体ウエハを選択し、ウエハ上の選択された点が入力プローブビームサブシステムからの光ビームの入射点となるようにその半導体ウエハをサンプル設置サブシステム上に置くためのウエハ操作サブシステム。
【００６１】
本発明の実施形態のいくつかにおいては、入力プローブビームサブシステムと主モノクロメータサブシステムの代わりに、異なるピーク波長の単色光源のアレイを波長選択光学フィルタと組み合わせて用いることができる。実施例によっては、これらの光源からの１以上の光ビームの形状を整える光学部品も組み合わせて用いる。検出器システムは、複数のロックイン増幅器を備えていてもよい。
【００６２】
本発明は、他にもあるが特に以下の技術分野における用途を有する。
・室温における半導体層のバンドギャップの測定。
・合成半導体層及びウエハにおける合金モル分率の測定。
・半導体層及びウエハにおける表面及び接合面の電界の測定。
・半導体層及びウエハにおける電子遷移及び帯構造の特性化。
・半導体の表面及び接合面の特性化。
・半導体層若しくはウエハまたはその表面や接合面において損傷や改変によって生じた化学物質、イオン、電子、またはプラズマの特性化。
・非エピタキシャル成長した半導体構造の格子不整合の特性化。
・半導体層及びウエハにおける応力による歪み効果の特性化。
・量子井戸半導体構造の特性化。
・量子ドット半導体構造の特性化。
・半導体ヘテロ構造及び関連デバイスの特性化。
・半導体レーザ及び発光構造及び関連デバイスの特性化。
・有機物・ポリマー発光デバイス及び材料の特性化。
・垂直キャビティ面発光レーザ又は発光物質半導体構造（エピタキシャルウェハ上にあるか、材料サンプルまたはデバイス中にあるかを問わず）におけるアクティブレーザー層及びエタロンまたは反射キャビティ層の特性化。それらの変調応答分光特性が、１種以上の入射角で変調反射の測定を行うことによって区別される。
・ヘテロ接合バイポーラトランジスタエピタキシャルウエハにおけるベース−コレクタ間及びベース−エミッタ間の内部電界、または多層エピタキシャル構造における他の内部、接合部または表面の電界の測定。また、対応するベース−エミッタ及びベース−コレクタ間光強度解析にも適用することができる。
【００６３】
例えば、半田リフローやデバイスまたは他の材料のデバイスを第２の材料やデバイスへボンディングまたはブレイジングする際に加わる熱のように、サンプルに外部から加わるストレスの関数として実施される場合の測定や特性化の用途を上述したように列挙した。
【００６４】
上記した変調器以外の変調器を用いて空間変調を行うことも想定されている。例えば、走査用のミラーを用いてもよい。この方法は、音響光学変調器結晶と同程度の動的制御はできないが、それで空間変調が行われ、光学系が両方の位置から同時に集光できれば、用途によってはそれで十分である。
【００６５】
本発明は、光反射ビームに存在する周期的に変調されるルミネセンスの干渉を著しく低減する方法を提供することによって、従来技術の方法を改善するものであることは理解されよう。本発明は、反射の変調のために、同期して切り換えられる空間的に分離された一対の光ビームであって、特性化される物質のサンプル上に離隔されているが近接した領域に入射するような１対の光ビームの１本を使用することによって、掃引式光反射技術を改善するものである。ポンプビームは、それが２本の異なるビーム経路の間で高速で切り換えられることで両経路の一方または他方に存在し、両経路自体もその相互の広がり及び／又は間隔を変化させることができる。ビームの強度は、何れの経路にあるときも同じ強度とし得るが、経路ごとに異なる形態を選択することもできる。各経路のビームのデューティサイクルは５０％である必要はないが、必要に応じて、一方の経路上では他方の経路にあるときよりビームがより長い時間存在するようにすることもできる。適切な光学系は、ビーム対の両入射領域からのルミネセンス干渉を、周期的に切り替わる信号ではなく連続的な信号として集光する。但し、非常にゆっくりと変化する擬似不変信号や不変信号を区別する周期信号リカバリのための周波数選択装置は、有意な周期的変調ルミネセンスが存在しない場合にのみ変調された反射信号を検出できるようにする。本発明によって、変調分光のあらゆる用途において高いＳ／Ｎ比が得られるようになり、特に光デバイスの製造のために作られた化合物半導体や有機物層及び構造のようなルミネセンスのレベルの高い材料の特性化のための変調分光の用途において利益がある。本発明は、バックグラウンドのルミネセンスが主たるノイズ源となる従来技術の装置を著しく改善するものである。
【００６６】
本発明は、ここに説明した実施態様に限定されず、その構造及び細部を様々に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の変調分光システムの線図。
【図２】図１のシステムの動作を示す図。
【図３】本発明による別のシステムの線図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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