(57)【要約】【課題】被測定膜において、屈折率×膜厚の値が７５より小さい場合にも、簡易な方法によって、非接触で高精度に膜厚を測定できる膜厚測定装置および膜厚測定方法を提供すること。【解決手段】ポンプ光２ｂの照射によって、光伝導アンテナ２８ａからテラヘルツ波５を、入射角がブリュースター角になるようにサンプル８に照射する。偏光板２９ａ，２９ｂを調節して、サンプル８で反射されたテラヘルツ波５からＳ偏光成分を光伝導アンテナ２８ｂによって検出する。偏光板２９ａ，２９ｂを調節して、サンプル８で反射されたテラヘルツ波５からＰ偏光成分を光伝導アンテナ２８ｂによって検出する。情報処理部２６は、Ｓ偏光成分のピークに対するＰ偏光成分のピークの時間遅れに基づいて、サンプル８表面に形成された被測定膜の膜厚を導出する。【選択図】図４
2013228330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を射出するテラヘルツ波発生手段と、
前記テラヘルツ波発生手段から射出されたテラヘルツ波を、被測定膜のブリュースター角を入射角として前記被測定膜に照射するテラヘルツ波照射手段と、
前記被測定膜で反射されたＰ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを検出するテラヘルツ波検出手段と、
前記テラヘルツ波検出手段により検出された前記Ｓ偏光のテラヘルツ波に対する前記Ｐ偏光のテラヘルツ波の時間遅れに基づいて、前記被測定膜の膜厚を導出する情報処理手段と、を備える
ことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
前記テラヘルツ波検出手段が、Ｓ偏光のテラヘルツ波とＰ偏光のテラヘルツ波とを電気的に切り替えて検出可能な光伝導アンテナから構成されることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記光伝導アンテナが、間隙を有して直線状に形成された、一対の第１の導線および一対の第２の導線を備え、前記第１の導線および前記第２の導線が互いの間隙を重ねつつ直交して配置され、前記第１の導線および前記第２の導線の間隙にレーザ光を照射することによってＳ偏光のテラヘルツ波およびＰ偏光のテラヘルツ波を弁別して検出可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記テラヘルツ波検出手段が、ポッケルズ効果を呈する電気光学結晶を備えることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
前記テラヘルツ波発生手段が、間隙を有して直線状に形成された、一対の第３の導線および一対の第４の導線を備え、前記第３の導線および前記第４の導線が互いの間隙を重ねつつ直交して配置され、前記第３の導線と前記第４の導線とに対して選択的に電圧を印加するとともに、前記第３の導線および前記第４の導線の間隙にレーザ光を照射することによってＳ偏光のテラヘルツ波とＰ偏光のテラヘルツ波とを独立して発生可能な光伝導アンテナから構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の膜厚測定装置。
【請求項６】
レーザ光源から分配される第１のパルス光を導光する第１の光ファイバと、前記レーザ光源から分配される第２のパルス光を導光する第２の光ファイバと、前記テラヘルツ波発生手段が、前記第１の光ファイバに導光された前記第１のパルス光の照射によりテラヘルツ波を発生可能に構成され、前記テラヘルツ波検出手段が、前記第２の光ファイバに導光された前記第２のパルス光の照射によりテラヘルツ波を検出可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の膜厚測定装置。
【請求項７】
テラヘルツ波を被測定膜に対して前記被測定膜のブリュースター角を入射角として照射する照射ステップと、
前記被測定膜で反射されたＳ偏光のテラヘルツ波を検出するＳ偏光検出ステップと、
前記被測定膜で反射されたＰ偏光のテラヘルツ波を検出するＰ偏光検出ステップと、
前記Ｓ偏光検出ステップにおいて検出されたＳ偏光のテラヘルツ波に対する、前記Ｐ偏光検出ステップにおいて検出されたＰ偏光のテラヘルツ波の時間遅れに基づいて、前記被測定膜の膜厚を導出する算出ステップと、を含む
ことを特徴とする膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属や半導体表面に形成された膜の膜厚、特に鋼板の表面に形成された酸化膜の膜厚を測定する膜厚測定装置および膜厚測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業上における品質管理において、膜の連続測定が重要となることが多い。膜の連続測定としては、フィルムの品質管理のための膜厚測定などがある。また、金属や半導体の表面に形成された膜の膜厚の測定としては、ＩＣ回路の製造工程中における半導体基板上の酸化膜の膜厚の測定、鋼板の製造工程中における鋼板表面に生成されたスケール膜厚の測定、鋼板に接着させたラミネート膜厚の測定、および鋼の表面の塗装膜厚の測定などがある。
【０００３】
この膜厚の測定に用いられる方法としては、渦流測定、超音波測定、エリプソメトリ、および赤外線膜厚計などの方法が挙げられる。
【０００４】
これらの方法のうちの渦流測定は、金属表面の絶縁性膜の膜厚を測定するための測定方法であり、電磁誘導の原理に基づいている。すなわち、渦流測定は、測定器によって交流磁気を発生させ、電磁誘導により金属表面の近傍に生じる渦電流に起因して発生する磁束における測定器から金属までの距離による反応の違いを、測定器で測定する方法である。ところが、この渦流測定は、測定器を測定対象の膜表面に接触させる必要があるため、移動している測定対象に対する連続測定には適さないという問題がある。
【０００５】
超音波測定は、測定器から発生された超音波の表面での反射と裏面での反射との時間ずれを利用した測定方法である。ところが、この超音波測定においては、測定器を測定対象である膜表面に接触させるか、測定器と測定対象である膜表面の間に水などの超音波媒体を媒介させる必要がある。そのため、超音波測定には、移動している測定対象に対しては連続測定が困難であったり、水を使用する必要があったりするなどの問題がある。
【０００６】
エリプソメトリは、可視連続光や赤外連続光などのＰＳ偏光を利用した方法であり、具体的には、測定対象膜の中の多重反射によるＰＳ偏光の偏光状態の変化から膜厚を測定する方法である。ところが、このエリプソメトリにおいては、測定に使用する電磁波が膜を透過しない場合には測定することができないという問題がある。また、このエリプソメトリにおいては、パルス光などの非連続の電磁波を利用できないという問題もある。
【０００７】
赤外線膜厚計は、赤外線の吸収スペクトルを利用して、膜厚による赤外線の吸光度の差を利用した方法である。ところが、この赤外線膜厚計においては、測定対象となる膜の成分の微妙な違いにより生じる吸光率の差の影響を強く受けるため、測定精度の点で問題がある。また、測定対象の膜の赤外線の吸収が非常に強く透過しない場合には、膜厚を測定することができないという問題もある。
【０００８】
そこで、以上のような測定方法以外に、可視光や赤外線を透過しない材質の膜であっても膜厚を測定することができる方法として、テラヘルツ時間領域分光を用いる方法が提案されている。非特許文献１，２には、このテラヘルツ時間領域分光が開示されている。テラヘルツ時間領域分光とは、周波数が０．１〜１０ＴＨｚのテラヘルツ波と呼ばれる電磁波を利用した測定方法である。
【０００９】
図１７ａは、テラヘルツ時間領域分光を利用して膜厚測定を行う膜厚測定装置１００の構成を示す。図１７ａに示すように、励起用レーザ光源１０１からパルスレーザ光１０２ａが同一周期で繰り返し発生される。この励起用レーザ光源１０１には通常フェムト秒レーザと呼ばれる短パルスレーザ光源が用いられる。なお、パルスレーザ光１０２ａの波長は、使用するテラヘルツ波発生器やテラヘルツ波検出器にあわせて選択される。
【００１０】
パルスレーザ光１０２ａは、ビームスプリッタ１０３によってポンプ光１０２ｂとプローブ光１０２ｃとに分割される。ポンプ光１０２ｂはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板からなるテラヘルツ波発生器１０４の表面に照射される。ポンプ光１０２ｂが照射されることによってテラヘルツ波発生器１０４の表面にはキャリア（電子および正孔）が励起される。このキャリアは、半導体表面の電位の曲がりや、励起されたキャリア密度の空間的な差によって生じる電位差により加速される。このキャリアの加速によって半導体バルク結晶からなるテラヘルツ波発生器１０４に過渡電流が流れる。そして、この過渡電流によりパルス状のテラヘルツ波１０５が発生して射出される。これを半導体表面発光という。
【００１１】
この半導体表面発光により射出されたテラヘルツ波１０５は、放物面鏡１０６ａ，１０６ｂおよびテラヘルツ波用ハーフミラー１０７により順次反射されて測定対象の被測定膜が形成されたサンプル１０８に照射される。テラヘルツ波１０５はサンプル１０８の表面で反射され、サンプル１０８により反射されたテラヘルツ波１０５は、放物面鏡１０６ｂにより反射されてテラヘルツ波用ハーフミラー１０７を透過した後、放物面鏡１０６ｃにより反射されてテラヘルツ波検出器１０９に照射される。
【００１２】
一方、テラヘルツ波検出器１０９には、パルス状のプローブ光１０２ｃがミラー１１０ａ，１１０ｂにより順次反射されて照射される。なお、ミラー１１０ａは、遅延ステージ１１２によって位置が変更され、ビームスプリッタ１０３からテラヘルツ波検出器１０９までのプローブ光１０２ｃの光路長を変更することができる。テラヘルツ波検出器１０９においては、プローブ光１０２ｃが到達した瞬間のテラヘルツ波１０５が電圧に変換され電気信号として情報処理部１１１に供給される。情報処理部１１１においては、上述した遅延ステージ１１２の位置の信号を受けて測定された電圧値に基づいてテラヘルツ時間波形が再現される。膜厚測定においては、テラヘルツ波１０５の膜の表面からの反射と膜の裏面からの反射との時間遅れに基づいて、膜厚が導出される。
【００１３】
ここで、テラヘルツ波時間波形の測定方法について説明する。発生したテラヘルツ波は時間的に急激な変化をするので、通常の測定方法では時間分解能が足りず、波形を精度よく測定することが困難である。よって、膜厚測定装置が備える遅延ステージ１１２を利用してテラヘルツ波の検出タイミングを変動させ、検出値とその検出タイミングから元のテラヘルツ波の波形を再現する手法が用いられる。
【００１４】
上述したポンプ光１０２ｂとプローブ光１０２ｃとは、パルスレーザ光１０２ａがビームスプリッタ１０３により分割されたパルス光なので、同一波形且つ同一のタイミングで繰り返し発生される。遅延ステージ１１２によりミラー１１０ａの位置が変えられると、ポンプ光１０２ｂとプローブ光１０２ｃとの光路長が変更されて、ポンプ光１０２ｂによって発生されるテラヘルツ波１０５がテラヘルツ波発生器１０４へ到達するタイミングと、プローブ光１０２ｃがテラヘルツ波検出器１０９へ到達するタイミングとをずらすことができる。図１７ｂは、図１７ａに示すポンプ光１０２ｂと、ポンプ光１０２ｂによって発生されるテラヘルツ波１０５と、プローブ光１０２ｃとにおけるタイミングのずれにより検出される観測波形を示す図である。
【００１５】
上述したように、テラヘルツ波検出器１０９は、プローブ光１０２ｃが到達した瞬間のテラヘルツ波１０５の振幅を電圧に変換する。よって、遅延ステージ１１２のミラー１１０ａの位置を変えてタイミングをずらしながら、テラヘルツ波検出器１０９がテラヘルツ波１０５の振幅を繰り返し測定し、情報処理部１１１が、測定された振幅値をずらしたタイミングの順に並べることによって元のテラヘルツ波時間波形を再現することができる。
【００１６】
しかしながら、この方法で観測された波形は実際のテラヘルツ波の波形を時間軸方向に引き伸ばしたものとなっている。このため、本発明の実施形態におけるテラヘルツ波の測定方法においては、以下の方法で実際のテラヘルツ波に換算される。
【００１７】
実際のテラヘルツ波の測定においては、遅延ステージ１１２上でミラー１１０ａを一定速度ｖで移動させながら、テラヘルツ波１０５の振幅がサンプリング周波数ｆｓでサンプリングされる。これにより、１サンプリングあたりの光路長の変位量ｄｌは、ｄｌ＝(２×ｖ)／ｆｓとなる（なお、この計算は図１７ａに示すように遅延ステージ１１２によって１回折りかえされている場合である）。また、実際のテラヘルツ波１０５の時間軸上での時間ステップは、ｄｔ＝ｄｌ／ｃとなる。ただし、ｃは光速である。よって、観測される波形は、実際のテラヘルツ波１０５を時間軸上での倍率、１／ｆｓ／ｄｔ＝ｃ／２ｖ倍したものとなっている。よって、テラヘルツ波１０５の測定においては、情報処理部１１１が測定した実際の波形に対して時間軸を２ｖ／ｃ倍したものが真の波形となる。
【００１８】
また、テラヘルツ波検出器１０９としては、光伝導アンテナや電気光学結晶が用いられる。これらのうちの光伝導アンテナは、テラヘルツ波検出器のみならずテラヘルツ波発生器としても使用することができ、上述した半導体表面発光の代わりに用いられることもある。
【００１９】
ここで、光伝導アンテナの動作について、図１８ａ、図１８ｂを参照しつつ説明する。図１８ａは、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナの構成を示す。このテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２００は、低温成長ＧａＡｓからなる半導体基板２０１上に、金属を蒸着させてアンテナ２０２が形成されている。このアンテナ２０２の両端には直流電源２０３が接続されている。アンテナ２０２の中央には、１０μｍ程度の間隙からなるアンテナギャップ２０２ａが形成され、このアンテナギャップ２０２ａによってアンテナ２０２が互いに絶縁されている。ポンプ光１０２ｂがアンテナギャップ２０２ａに照射されるとキャリア（電子および正孔）が励起されアンテナギャップ２０２ａが接続される。アンテナギャップ２０２ａには直流電源２０３により電圧が生じているため、キャリアによってアンテナ２０２が接続され過渡電流が流れる。この過渡電流によってアンテナ２０２の方向に偏波したテラヘルツ波１０５が発生する。なお、直流電源２０３の代わりに交流電源が用いられることもある。
【００２０】
図１８ｂは、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナの構成を示す。このテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２１０は、低温成長ＧａＡｓからなる半導体基板２１１上に、金属を蒸着させてアンテナ２１２が形成されている。このアンテナ２１２の両端には電圧計２１３が接続されている。アンテナ２１２の中央には、１０μｍ程度の間隙からなるアンテナギャップ２１２ａが形成され、このアンテナギャップ２１２ａによってアンテナ２１２が互いに絶縁されている。テラヘルツ波１０５の発生と同様に、プローブ光１０２ｃがアンテナギャップ２１２ａに照射されるとアンテナ２１２が接続される。このタイミングでテラヘルツ波１０５が照射させるとテラヘルツ波１０５の電場のアンテナ方向の成分によって電子がアンテナ２１２上を動き電流が流れる。この電流により生じた電圧は、電圧計２１３に供給される。
【００２１】
なお、図１８ａおよび図１８ｂに示すアンテナ２０２，２１２は、ダイポールアンテナと称される形状のアンテナである。また、このダイポールアンテナ以外にも、スパイラル型、ボウタイ型、およびストリップライン型などと称される形状のアンテナが存在するが、これらの基本原理についてもダイポールアンテナと同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００９−１８６３３３号公報
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】安井武史、荒木勉「テラヘルツ波を用いた塗膜モニタリング技術」、塗装工学Ｖｏｌ．４３（１１）ＰＰ．３８９−３９７ （２００８）
【非特許文献２】テラヘルツテクノロジーフォーラム編  「テラヘルツ技術総覧」（２００７），７．３．７．コンピュータトモグラフィ  安井武史、 Ｐ．４５０．図１，図２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
上述したテラヘルツ時間領域分光を用いる膜厚測定は、可視光や赤外線を透過しない対象に使用することができる。反面、このテラヘルツ時間領域分光を用いる膜厚測定においては、膜厚が非常に小さい場合に第１パルスと第２パルスとの差を測定することが困難になる。
【００２５】
図１９は、被測定膜における顕微鏡の断面観察によって測定した膜厚ｄ（μｍ）にあらかじめ測定した被測定膜の屈折率ｎを乗じた値を横軸とし、テラヘルツ時間領域分光により測定された時間波形に基づいて、デコンボリューション法により表面および裏面から反射されたそれぞれのパルス光を検出し、それらの時間ずれに基づいて膜厚ｄを算出して、この膜厚ｄに被測定膜の屈折率ｎを乗じた値（膜厚と屈折率との積算値）を第１軸としたグラフ（図１９中、実線）を示す。また、第２軸は、顕微鏡の断面観察によって測定した膜厚ｄの値を真値としたときの、テラヘルツ時間領域分光により測定した膜厚ｄの値の誤差である。
【００２６】
図１９に示す点線のグラフから、テラヘルツ時間領域分光を用いた膜厚測定においては、屈折率と膜厚（μｍ）との積算値（ｎ×ｄ）の値が７５より小さい場合、誤差が１０％を大きく越えてしまい、被測定膜の膜厚の測定が極めて困難になることが分かる。本発明者の検討によれば、被測定膜の膜厚の測定が困難になるのは、膜表面で反射した第１パルスと膜裏面で反射した第２パルスとの弁別が困難になることに起因する。
【００２７】
また、テラヘルツ波を用いて膜厚測定を行う事例としては、上述した事例以外にも、鋼板の表面に生成される酸化膜の膜厚を測定する事例がある。鋼板の表面に生成される鉄の酸化膜はスケールと称され、特にマグネタイトを主成分とするスケールは、可視光や赤外線を透過しないという問題がある。そこで、このスケールの膜厚を測定する際にテラヘルツ波を用いる測定方法が提案されている（特許文献１）。
【００２８】
特許文献１には、鉄の酸化物であるマグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）は表面でテラヘルツ波を反射するが、同様に鉄の酸化物であるヘマタイト（Ｆｅ2Ｏ3）やウスタイト（ＦｅＯ）はテラヘルツ波を透過することに着目して、被測定対象にあらかじめレーザ光を照射してその表面を局所的に１０００℃以上に加熱することによりヘマタイト層を除去し、且つマグネタイト層をウスタイトに逆変態させた後、テラヘルツ波により膜厚を測定する方法が開示されている。
【００２９】
しかしながら、この膜厚測定方法においては、鋼板表面を熱するためにテラヘルツ波を発生させるレーザとは別のレーザが必要になるため、装置が大掛かりになるとともに、高価になるという問題がある。
【００３０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、可視光や赤外線を透過しない被測定膜であってもその膜厚を測定することができるとともに、測定に非連続光源を用いることができ、屈折率と膜厚との積算値が７５より小さい場合であっても、簡易な方法によって、非接触で高精度に膜厚を測定することができる膜厚測定装置および膜厚測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る膜厚測定装置は、テラヘルツ波を射出するテラヘルツ波発生手段と、テラヘルツ波発生手段から射出されたテラヘルツ波を、被測定膜のブリュースター角を入射角として被測定膜に照射するテラヘルツ波照射手段と、被測定膜で反射されたＰ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを検出するテラヘルツ波検出手段と、テラヘルツ波検出手段により検出されたＳ偏光のテラヘルツ波に対するＰ偏光のテラヘルツ波の時間遅れに基づいて、被測定膜の膜厚を導出する情報処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００３２】
このように構成された膜厚測定装置によれば、ブリュースター角におけるテラヘルツ波のＰ偏光成分の反射率とＳ偏光成分の反射率との相違によって、Ｓ偏光のテラヘルツ波の大部分が被測定膜の表面で反射し、Ｐ偏光のテラヘルツ波が被測定膜の裏面で反射するので、被測定膜が薄い場合にも、Ｓ偏光の最大ピークに対するＰ偏光の最大ピークの時間遅れに基づいて膜厚を正確に測定することができる。
【００３３】
本発明に係る膜厚測定装置は、上記の発明において、テラヘルツ波検出手段が、Ｓ偏光のテラヘルツ波とＰ偏光のテラヘルツ波とを電気的に切り替えて検出可能な光伝導アンテナから構成されることを特徴とする。
【００３４】
このような構成によれば、電気的な切り替えを行うことによって、偏光を切り替えるときに生じるアラインメントのずれをあらかじめ防止することができるので、光軸の調整に要する手間を省くことができ、より容易且つ正確に、Ｐ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを弁別することが可能になる。
【００３５】
本発明に係る膜厚測定装置は、上記の発明において、光伝導アンテナが、間隙を有して直線状に形成された、一対の第１の導線および一対の第２の導線を備え、第１の導線および第２の導線が互いの間隙を重ねつつ直交して配置され、第１の導線および第２の導線の間隙にレーザ光を照射することによってＳ偏光のテラヘルツ波およびＰ偏光のテラヘルツ波を弁別して検出可能に構成されていることを特徴とする。
【００３６】
このような構成によれば、同一光軸上のＰ偏光のテラヘルツ波およびＳ偏光のテラヘルツ波を検出することができるので、テラヘルツ波検出手段における、膜厚の測定の初期に行うアラインメントの手間を大幅に削減することができ、より簡易且つ正確にＰ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを弁別することができる。
【００３７】
本発明に係る膜厚測定装置は、上記の発明において、テラヘルツ波検出手段が、ポッケルズ効果を呈する電気光学結晶を備えることを特徴とする。
【００３８】
このような構成によれば、ポッケルズ効果を利用してＰ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを同時に検出することが可能となる。
【００３９】
本発明に係る膜厚測定装置は、上記の発明において、テラヘルツ波発生手段が、間隙を有して直線状に形成された、一対の第３の導線および一対の第４の導線を備え、第３の導線および第４の導線が互いの間隙を重ねつつ直交して配置され、第３の導線と第４の導線とに対して選択的に電圧を印加するとともに、第３の導線および第４の導線の間隙にレーザ光を照射することによってＳ偏光のテラヘルツ波とＰ偏光のテラヘルツ波とを独立して発生可能な光伝導アンテナから構成されることを特徴とする。
【００４０】
このような構成によれば、Ｐ偏光のテラヘルツ波およびＳ偏光のテラヘルツ波を同一光軸上で発生させることができるとともに、必要に応じてテラヘルツ波検出手段とテラヘルツ波発生手段とを同じ構成の光伝導アンテナとすることができるので、膜厚測定の初期に行うテラヘルツ波検出手段およびテラヘルツ波発生手段のアラインメントの手間を大幅に削減することができる。
【００４１】
本発明に係る膜厚測定装置は、上記の発明において、レーザ光源から分配される第１のパルス光を導光する第１の光ファイバと、レーザ光源から分配される第２のパルス光を導光する第２の光ファイバと、テラヘルツ波発生手段が、第１の光ファイバに導光された第１のパルス光の照射によりテラヘルツ波を発生可能に構成され、テラヘルツ波検出手段が、第２の光ファイバに導光された第２のパルス光の照射によりテラヘルツ波を検出可能に構成されていることを特徴とする。
【００４２】
このような構成によれば、光ファイバを用いて、励起用レーザ光源からテラヘルツ波発生手段に第１のパルス光を導光し、励起用レーザ光源からテラヘルツ波検出手段に第２のパルス光を導光していることにより、テラヘルツ波発生手段およびテラヘルツ波検出手段の設置位置を容易に変更することができるので、被測定膜に対してテラヘルツ波を入射させる際の入射角の設定を容易に行うことができる。
【００４３】
本発明に係る膜厚測定方法は、テラヘルツ波を被測定膜に対して被測定膜のブリュースター角を入射角として照射する照射ステップと、被測定膜で反射されたＳ偏光のテラヘルツ波を検出するＳ偏光検出ステップと、被測定膜で反射されたＰ偏光のテラヘルツ波を検出するＰ偏光検出ステップと、Ｓ偏光検出ステップにおいて検出されたＳ偏光のテラヘルツ波に対する、Ｐ偏光検出ステップにおいて検出されたＰ偏光のテラヘルツ波の時間遅れに基づいて、被測定膜の膜厚を導出する算出ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４４】
本発明に係る膜厚測定装置および膜厚測定方法によれば、可視光や赤外線を透過しない被測定膜であってもその膜厚を測定することができるとともに、測定にパルス光源などの非連続光源も用いることができ、屈折率と膜厚との積算値が７５より小さい場合であっても、簡易な方法によって、非接触で高精度に膜厚を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１ａ】図１ａは、テラヘルツ波の透過測定に用いた実験装置の概略構成図である。
【図１ｂ】図１ｂは、テラヘルツ波の透過測定の結果を示すグラフである。
【図２】図２は、ブリュースター角でスケールに入射されたＰ偏光とＳ偏光との光路の違いを説明するための図である。
【図３】図３は、Ｐ偏光とＳ偏光の反射率の入射角依存性を表すグラフである。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態による膜厚測定装置の概略構成を示す図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施形態による膜厚測定装置において被測定膜の膜厚を算出する際に用いられる数式を説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態による膜厚測定装置の概略構成を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態によるＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナを示す略線図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施形態によるＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナのアンテナギャップの部分を示す略線図である。
【図９ａ】図９ａは、本発明の第２の実施形態によるテラヘルツ波発生用の光伝導アンテナの変形例を示す略線図である。
【図９ｂ】図９ｂは、本発明の第２の実施形態によるテラヘルツ波検出用の光伝導アンテナの変形例を示す略線図である。
【図１０】図１０は、本発明の第３の実施形態による膜厚測定装置の概略構成を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第４の実施形態による膜厚測定装置の概略構成を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の第４の実施形態による膜厚測定装置のテラヘルツ波検出器の構造を示す図である。
【図１３ａ】図１３ａは、本発明の実施例により検出したテラヘルツ波のＳ偏光成分を表すグラフである。
【図１３ｂ】図１３ｂは、本発明の実施例により検出したテラヘルツ波のＰ偏光成分を表すグラフである。
【図１４】図１４は、本発明の実施例により膜厚を測定した結果と渦流計測により膜厚を測定した結果とを比較したグラフである。
【図１５】図１５は、本発明の実施例により測定した鋼板表面のスケールの膜厚を測定する際のテラヘルツ波の検出結果を示すグラフである。
【図１６】図１６は、本発明の実施例により測定した鋼板表面のスケール膜厚の測定結果と、顕微鏡により測定したスケール膜厚の測定結果とを比較した図である。
【図１７ａ】図１７ａは、従来のテラヘルツ時間領域分光を採用した膜厚測定装置の概略構成を示す図である。
【図１７ｂ】図１７ｂは、テラヘルツ時間領域分光の原理を説明するための図である。
【図１８ａ】図１８ａは、テラヘルツ波発生用の光伝導アンテナの動作原理を説明するための略線図である。
【図１８ｂ】図１８ｂは、テラヘルツ波検出用の光伝導アンテナの動作原理を説明するための略線図である。
【図１９】図１９は、顕微鏡による断面計測と従来のテラヘルツ時間領域分光によって膜厚を測定した場合の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。
【００４７】
まず、本発明の実施形態に採用される原理について説明する。
【００４８】
すなわち、本発明者は、まず、厚さｄ＝１００μｍのスケール膜（主成分：マグネタイト）を実験的に作成し、このスケール膜に対してテラヘルツ波の透過測定を行った。図１ａは、テラヘルツ波の透過測定に用いた実験装置の概略構成を示し、図１ｂは、その透過測定の結果を示す。
【００４９】
図１ａに示すように、スケールを透過するテラヘルツ波には、スケールを直接透過する第１透過波とスケール内で２回反射された波である第２透過波とが存在する。第１透過波と第２透過波とは伝播する距離が異なるので、図１ｂに示すように、時間差（図１ｂ中、Δｔ）でテラヘルツ波検出器により検出される。第１透過波および第２透過波の振幅は、それぞれ第１透過波が０．８６５であり、第２透過波が０．５６８であった。この振幅の比から本実験のスケールの減衰率が６５．６％であると導かれる。また、単位長さあたりの吸収率は、（１００−減衰率）／（膜厚×２）に基づいて算出すると、０．１７％／μｍとなる。
【００５０】
図１ｂの測定結果には入射光の振幅を記載してはいないが、仮に記載した場合、入射光の振幅は図１ｂのスケールで１００以上となる。すなわち、入射光と第１透過光との振幅の比を考えると、本実験のスケールの反射率は９９％以上であり、大部分が表面で反射されていることが分かる。これにより、可視光や赤外線は言うに及ばずテラヘルツ波でさえスケールの内部にはほとんど侵入しないことが分かる。
【００５１】
そこで、本発明者は、図２に示すように、電磁波をブリュースター角で入射させた場合、Ｐ偏光の電磁波は被測定膜であるスケールの表面を１００％透過し、Ｓ偏光の電磁波では一部のみが透過し一部が反射する現象に着目した。そして、電磁波としてテラヘルツ波を用い、Ｐ偏光のテラヘルツ波およびＳ偏光のテラヘルツ波を入射角がブリュースター角となるように被測定膜のスケールに入射させ、反射されたＰ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とをそれぞれ測定することによって、スケールの表面と裏面とによる反射を独立して検出できることを知見した。これにより、本発明者は、被測定膜の表面で反射されたＳ偏光のテラヘルツ波に対する被測定膜の裏面で反射されたＰ偏光のテラヘルツ波の時間遅れから膜厚を測定できることを見出した。
【００５２】
また、テラヘルツ波は金属に対してほぼ１００％の反射率を持つ。このため、ブリュースター角で入射したテラヘルツ波は、スケールの表面を１００％透過し、スケールと鋼の界面で１００％反射される。これにより、Ｐ偏光のテラヘルツ波は多重反射することなく、ひとつのピークのみが検出される。
【００５３】
さらに、本発明者は、通常の厚鋼板および熱延鋼板などの表面にできるスケールのテラヘルツ領域における屈折率を測定した。この測定結果により、テラヘルツ領域でのスケールの屈折率は２．９〜３．９程度に収まることがわかった。図３は、この測定結果からスケールの反射率をフレネルの式に従って計算した場合の、Ｐ偏光およびＳ偏光の反射率の入射角依存性を示すグラフである。
【００５４】
図３から、入射角が５０度以上８０度以下の範囲では、Ｔｐ（Ｐ偏光の表面の透過率）＞９０％となりＰ偏光のほとんどの成分がスケール中に透過することが分かる。すなわち、本発明を実施する際には、Ｐ偏光のテラヘルツ波の最大のピークを、スケール表面を透過した後に、スケールと鋼との界面で反射したピークとみなしてよいことが分かる。
【００５５】
さらに、図３から、テラヘルツ波のスケールへの入射角が６５度以上であれば、Ｒｓ（Ｓ偏光の表面反射率）＞Ｔｓ（Ｓ偏光の表面透過率）となり、Ｓ偏光のテラヘルツ波において、表面で反射されたテラヘルツ波が表面を透過したテラヘルツ波を上回る。すなわち、本発明を実施する際には、Ｓ偏光のテラヘルツ波のピークのうちの最大のピークがスケールの表面で反射したピークとみなしてよいことが分かる。
【００５６】
これにより、スケールで反射された複数のＳ偏光のテラヘルツ波からスケール表面で反射されたテラヘルツ波を探す必要がなくなるので、Ｓ偏光のテラヘルツ波の最大のピークに対するＰ偏光のテラヘルツ波の最大のピークの時間遅れから膜厚を測定することができ、信号処理が容易になる。以上から、テラヘルツ波を被測定膜に照射する際の入射角を、６５度以上８０度以下とすることが望ましい。すなわち、本発明において、ブリュースター角は６５度以上８０度以下の角度であり、好適には、７０度以上７５度以下の角度である。
【００５７】
（第１の実施形態）
図４は、本発明の第１の実施形態による膜厚測定装置の構成を示す図である。なお、この第１の実施形態においては、厚板工程などで圧延された鋼板の表面に形成される酸化膜（スケール）の膜厚を測定する場合を例として説明する。
【００５８】
図４に示すように、本発明の第１実施形態による膜厚測定装置は、パルスレーザ光２ａを射出する励起用レーザ光源１と、ポンプ光２ｂを励起光としてテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａと、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａから発生したテラヘルツ波５をコリメートする放物面鏡６ａと、テラヘルツ波５を偏光させる偏光板２９ａと、テラヘルツ波５をサンプル８にブリュースター角を入射角として照射させるテラヘルツ波用ミラー１０ｅおよび放物面鏡６ｂと、プローブ光２ｃを検出光としてテラヘルツ波５を検出するテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂと、検出されたテラヘルツ波５の強度分布に基づいてテラヘルツ波時間波形を再現したり膜厚を導出したりする情報処理部２６とを主な構成要素として備える。
【００５９】
励起用レーザ光源１は、パルスレーザ光２ａを同一周期で繰り返し射出できるように構成されている。この一実施形態において、励起用レーザ光源１としては、フェムト秒レーザと称される短パルスレーザ光源が用いられ、具体的には、例えばチタン（Ｔｉ）サファイアレーザが用いられる。
【００６０】
パルスレーザ光２ａの波長は、使用するテラヘルツ波発生器やテラヘルツ波検出器にあわせて選ばれる。ここで、後述するように、この一実施形態においては、テラヘルツ波発生器やテラヘルツ波検出器として、低温成長ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板を用いた光伝導アンテナが採用される。そのため、パルスレーザ光２ａの波長は例えば７８０ｎｍに選ばれる。
【００６１】
ビームスプリッタ３は、パルスレーザ光２ａを、第１のパルス光としてのポンプ光２ｂと第２のパルス光としてのプローブ光２ｃとに分割するためのものである。ビームスプリッタ３によって分割されたパルス光のうちのポンプ光２ｂは、ミラー１０ｄによって導光され、光変調器としてのチョッパ２０を通過し、レンズ２２ａによってテラヘルツ波発生手段としてのテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａに照射される。
【００６２】
テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａは、低温成長ＧａＡｓ基板上に２つのアンテナがギャップ（図示せず）を隔てて設けられており、この２つのアンテナに電源２１により直流電圧が印加されている。ポンプ光２ｂは、このアンテナギャップに集光される。ポンプ光２ｂがテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａにおけるアンテナギャップに集光されると、この瞬間に、上述したテラヘルツ波の発生原理に基づいてパルス状のテラヘルツ波５が発生される。なお、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａにおけるテラヘルツ波５の発生側には、レンズ２３ａが接触させて配置されている。このレンズ２３ａは、テラヘルツ波５がテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａの基板と空気との界面で反射して損失が発生するのを防止するためのものである。
【００６３】
ポンプ光２ｂの照射により発生したテラヘルツ波５は、放物面鏡６ａにより反射され、偏光板２９ａにより偏光された後、テラヘルツ波照射手段としてのテラヘルツ波用ミラー１０ｅおよび放物面鏡６ｂにより順次反射される。放物面鏡６ｂにより導光されたテラヘルツ波５は、表面に被測定膜としてのスケール（図示せず）が形成されたサンプル８に対して、スケールの空気に対するブリュースター角、具体的には６５〜８０度のブリュースター角を入射角として照射される。ここで、この第１の実施形態においては、サンプル８の表面に形成されたスケールの屈折率の測定結果が例えば３．４であった場合、ブリュースター角は例えば７４度となる。
【００６４】
次に、サンプル８で反射されたテラヘルツ波５は、放物面鏡６ｃおよびテラヘルツ波用ミラー１０ｆにより順次反射され、偏光板２９ｂにより偏光された後、放物面鏡６ｄにより反射され、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂに照射される。なお、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂには、レンズ２３ｂが接触させて配置されている。このレンズ２３ｂは、テラヘルツ波５がテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂの基板と空気との界面で反射して損失が発生するのを防止するためのものである。
【００６５】
一方、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂのテラヘルツ波５が照射される側とは反対側に、ビームスプリッタ３により分割されたプローブ光２ｃが、ミラー１０ａ，１０ｂ，１０ｃにより順次反射されて導光される。ミラー１０ａは、光学的時間遅延手段としての遅延ステージ７によって位置を変更することができる。そして、ミラー１０ａの位置の変更によって、ビームスプリッタ３からテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂまでのプローブ光２ｃの光路長が変更される。これにより、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂの検出タイミングが変更される。なお、このミラー１０ａの位置情報は、遅延ステージ７から情報処理部２６に供給され、時間情報として処理される。
【００６６】
テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂは、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａと同様に、低温成長ＧａＡｓ基板上に２つのアンテナがギャップを隔てて設けられている。プローブ光２ｃは、レンズ２２ｂによって、このアンテナギャップに集光される。プローブ光２ｃがテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂにおけるアンテナギャップに集光されると、上述したテラヘルツ波の検出原理に基づいて、この瞬間にテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂに照射されているテラヘルツ波５の大きさに応じた電圧が生じて、テラヘルツ波５を検出することができる。
【００６７】
このように、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂにおいて、パルス状のプローブ光２ｃが到達した瞬間のテラヘルツ波５が電圧に変換されると、プリアンプ２４に電気信号として供給される。プリアンプ２４においては、この電気信号が増幅されて、ロックインアンプ２５に供給される。ロックインアンプ２５においては、ポンプ光２ｂの光路の途中に設けられたチョッパ２０からの信号を参照信号に同期させて検波することで、プリアンプ２４から供給された電気信号のノイズが低減され、この電気信号が情報処理部２６に供給される。
【００６８】
ここで、チョッパ２０は、例えば交流電源の周波数などの電気ノイズ源の周波数の整数倍にならない周波数で光路をオンしたりオフしたりし、これらのオンおよびオフのタイミングに同期した信号を出力している。このチョッパ２０の出力信号を参照信号として同期検波することで電気信号のＳＮ比を向上させることができる。なお、チョッパ２０の周波数は、考えられる電気ノイズの周波数成分を避け、ＳＮ比が高くなるように設定される。
【００６９】
情報処理部２６においては、遅延ステージ７から供給されるミラー１０ａの位置情報とロックインアンプ２５から供給される電気信号の信号強度とに基づいてテラヘルツ時間波形が再現される。
【００７０】
また、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａおよびテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂは、基板上のアンテナの向きがサンプル８に対してＰ偏光とＳ偏光との中間の角度（４５度）になるように配置されている。すなわち、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａは、あらかじめＰ偏光のテラヘルツ波５とＳ偏光のテラヘルツ波５とを射出するように配置されている。また、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂは、あらかじめＰ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを検出できるように配置されている。そして、光路の途中に設けられた偏光板２９ａ，２９ｂを、同一の偏光のテラヘルツ波５が透過するように、２枚の偏光板２９ａ，２９ｂを同時に切り替えつつ、上述したテラヘルツ波５の射出および検出が繰り返し行われる。この偏光板２９ａ，２９ｂの偏光情報は、情報処理部２６に供給される。なお、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａは、半導体表面から発光するものを用いることも可能である。
【００７１】
情報処理部２６においては、偏光板２９ａ，２９ｂから供給される偏光情報に基づいて射出されたテラヘルツ波５および検出されたテラヘルツ波５がＰ偏光であるかＳ偏光であるかが弁別される。また、情報処理部２６においては、ロックインアンプ２５から供給される電気信号および遅延ステージ７から供給されるミラー１０ａの位置情報に基づいて、Ｐ偏光のテラヘルツ波時間波形およびＳ偏光のテラヘルツ波時間波形が再現され、それぞれのピーク位置が求められる。そして、情報処理部２６において、Ｓ偏光のテラヘルツ波５のピークに対するＰ偏光のテラヘルツ波５のピークの時間遅れΔｔの情報から、以下の（１）式に従ってスケールの膜厚ｄが導出される。
【００７２】
【数１】
2013228330.tif 000003
（ｄ：膜厚、Δｔ：Ｓ偏光のピークに対するＰ偏光のピークの時間遅れ、θ２：膜内におけるテラヘルツ波の角度、ｃ：光速、ｎ：屈折率）
【００７３】
ここで、（１）式の導出について図５を参照しつつ説明する。すなわち、図５に示すように、テラヘルツ波を入射角θ１で屈折率ｎの被測定膜に入射させたときの被測定膜内における角度をθ２、被測定膜内における行路長を２ｌ、被測定膜にテラヘルツ波が入射したところから被測定膜の裏面で１回反射されて射出する（以下、１回多重反射）ところまでの距離をａとする。この場合、表面反射と１回多重反射との光路差ΔＰａｔｈは、
【数２】
2013228330.tif 000004
で表される。なお、光路は行路と屈折率との積である。一方、幾何学的条件から
【数３】
2013228330.tif 000005
【数４】
2013228330.tif 000006
であるので、（２）式〜（４）式から、
【数５】
2013228330.tif 000007
が得られ、さらに、スネルの法則から、
【数６】
2013228330.tif 000008
が得られる。（５）式および（６）式からθ1を消去すると、
【数７】
2013228330.tif 000009
が導かれる。また、Δｔ（時間遅れ）およびｃ（光速）から
【数８】
2013228330.tif 000010
が得られる。（８）式を変形すると（１）式が得られる。上述したように、Ｐ偏光のテラヘルツ波５は１回多重反射が主な成分であり、Ｓ偏光のテラヘルツ波５は表面反射が主な成分であることから、Δｔとしては、Ｓ偏光のテラヘルツ波５のピークに対するＰ偏光のテラヘルツ波５のピークの時間遅れ、すなわち時間差を採用することができる。
【００７４】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態によれば、サンプル８にテラヘルツ波５を、その入射角が６５〜８０度のブリュースター角になるように照射し、反射されたＳ偏光のテラヘルツ波５とＰ偏光のテラヘルツ波５とをそれぞれ測定することによって、スケール表面で反射したテラヘルツ波５と、スケール裏面で反射したテラヘルツ波５とを容易に弁別することができるので、反射されたＳ偏光のテラヘルツ波５のピークに対するＰ偏光のテラヘルツ波５のピークの時間遅れからスケールの膜厚を容易に算出することができる。
【００７５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、この第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様の部分については、その説明を省略し、同一または対応する部分については、同一の符号を付す。
【００７６】
図６は、本発明の第２の実施形態による膜厚測定装置の構成を示す。図６に示すように、この第２の実施形態においては、第１の実施形態と異なり、偏光板を採用することなく、ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂおよびスイッチ３１ａ，３１ｂによって、テラヘルツ波の偏光が切り替えられる。
【００７７】
まず、励起用レーザ光源１からパルスレーザ光２ａが同一周期で繰り返し射出される。ここで、第１の実施形態と同様に、励起用レーザ光源１にはＴｉサファイアレーザが用いられる。また、テラヘルツ波発生器およびテラヘルツ波検出器として使用されるＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂがＧａＡｓ基板を用いていることから、パルスレーザ光２ａの波長は例えば７８０ｎｍである。
【００７８】
パルスレーザ光２ａは、ビームスプリッタ３によって、ポンプ光２ｂとプローブ光２ｃとに分割される。ポンプ光２ｂは、ミラー１０ｄを経由しチョッパ２０を介してレンズ２２ａによって、テラヘルツ波発生手段としてのＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａのアンテナギャップに集光される。また、ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａには、電源２１からスイッチ３１ａを介して直流電圧が供給されている。ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａにおいては、後述するテラヘルツ波発生原理に従って、ポンプ光２ｂによりアンテナが接続されたときに、スイッチ３１ａによって指定された偏光方向のパルス状のテラヘルツ波５が射出される。
【００７９】
射出されたテラヘルツ波５は、放物面鏡６ａ、テラヘルツ波用ミラー１０ｅ、および放物面鏡６ｂにより順次反射され、被測定膜のスケールが形成されたサンプル８に向けて、ブリュースター角として６５〜８０度、具体的例えば７４度の入射角で照射される。ここで、このブリュースター角は、サンプル８の表面に形成されたスケールの屈折率が３．４の場合における空気に対するブリュースター角である。
【００８０】
サンプル８の表面で正反射されたテラヘルツ波は、放物面鏡６ｃ、テラヘルツ波用ミラー１０ｆ、および放物面鏡６ｄによって順次反射され、テラヘルツ波検出手段としてのＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ｂに照射される。
【００８１】
一方、ビームスプリッタ３で分割されたパルス状のプローブ光２ｃがミラー１０ａ，１０ｂ，１０ｃに順次反射されて導光され、レンズ２２ｂによってテラヘルツ波検出用のＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ｂのアンテナギャップに集光される。ミラー１０ａは、光学的時間遅延手段としての遅延ステージ７によって位置が変更される。遅延ステージ７によるミラー１０ａの位置の変更によって、ビームスプリッタ３からＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ｂまでの光路長が変更される。このミラー１０ａの位置情報は、遅延ステージ７から情報処理部２６に供給される。
【００８２】
ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ｂにおいては、プローブ光２ｃが到達した瞬間においてスイッチ３１ｂにより指定されている偏光方向のテラヘルツ波５が電圧に変換され、電気信号としてプリアンプ２４に供給される。プリアンプ２４においては、供給された電気信号が増幅され、ロックインアンプ２５に供給される。ロックインアンプ２５においては、ポンプ光２ｂの光路の途中に設けられたチョッパ２０からの信号を参照信号に同期させて検波することで、プリアンプ２４から供給された電気信号のノイズが低減され、この電気信号が情報処理部２６に供給される。
【００８３】
なお、ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂにはそれぞれ、レンズ２３ａ，２３ｂが接触させて配置されている。これらのレンズ２３ａ，２３ｂは、テラヘルツ波５がＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂの基板と空気との界面で反射することにより生じる損失を防止するためのものである。
【００８４】
ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂとスイッチ３１ａ，３１ｂとの組み合わせによってテラヘルツ波５の偏光を切り替え、Ｓ偏光のテラヘルツ波５の測定とＰ偏光のテラヘルツ波５の測定とを独立して行うことにより、第１の実施形態と同様の方法に従って、サンプル８表面のスケールの膜厚を測定することができる。なお、第１の実施形態におけると異なり、スイッチ３１ａ，３１ｂから情報処理部２６に偏光情報が供給される。
【００８５】
図７は、この第２の実施形態において使用されるＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂを示す。以下、ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナの動作原理について説明する。このＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂは、スイッチ３１ａ，３１ｂにより、それぞれテラヘルツ波５の射出および検出する偏光方向を変えることができる。
【００８６】
ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂは、第１の実施形態において用いられた光伝導アンテナと同様に、低温成長ＧａＡｓ基板などの半導体基板上に、中央に間隙が設けられた十字形の金属膜が蒸着されている。すなわち、同一直線状に間隙を設けて配置された金属線からなる第１の導線としてのアンテナ３２ａから一対のペアが構成され、同様の第２の導線としてのアンテナ３２ｂからさらに一対のペアが構成される。ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂにおいては、これらの２組のペアが、それらの長手方向が互いに直交しつつ互いの間隙（ギャップ）の中心がほぼ一致するように配置されている。
【００８７】
このように構成されたＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａを、テラヘルツ波５の発生に用いる場合には、まず、ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａのアンテナ３２ａ，３２ｂが選択的にスイッチ３１ａを介して電源２１に接続される。そして、ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａにおけるアンテナ３２ａ，３２ｂのギャップにポンプ光２ｂが照射されると、半導体中の伝導帯にキャリアが励起されてアンテナ３２ａ，３２ｂが接続される。このとき、アンテナ３２ａ，３２ｂのうちのスイッチ３１ａによって選択された一対のペアにのみ電流が流れる。図７においては、縦向きに配置されたアンテナ３２ａのペアが選択されると、符号Ａで示す方向に電流が流れ、この電流に応じて偏光されたテラヘルツ波５が射出される。一方、スイッチ３１ａが切り替えられて、横向きに配置されたアンテナ３２ｂのペアが選択されると、符号Ｂで示す方向に電流が流れ、符号Ａに示す方向に電流が流れた際に射出されるテラヘルツ波５に対して、偏光方向が９０度異なるテラヘルツ波５が射出される。このように、ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａからはスイッチ３１ａの切り替えによってＰ偏光とＳ偏光との２種類の偏光状態のテラヘルツ波５を射出することが可能である。
【００８８】
ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ｂをテラヘルツ波５の検出に用いる場合には、スイッチ３１ｂとプリアンプ２４（図６参照）とを介してロックインアンプ２５などの電圧を測定可能な機器に接続される。また、上述したテラヘルツ波の発生の場合と同様に、第３の導線としてのアンテナ３３ａおよび第４の導線としてのアンテナ３３ｂから、スイッチ３１ｂによって検出に使用されるペアが選択される。そして、ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ｂにおけるアンテナ３３ａ，３３ｂの間隙、すなわちアンテナギャップにプローブ光２ｃが照射されると、半導体中の伝導帯にキャリアが励起されてアンテナ３３ａ，３３ｂが接続される。このアンテナ３３ａ，３３ｂが接続されるタイミングにおいて、テラヘルツ波５が照射されることにより生成される電場のアンテナ３３ａ，３３ｂのいずれかの方向の成分が検出される。すなわち、スイッチ３１ｂによっていずれかのアンテナ３３ａ，３３ｂが選択されることにより、選択されたアンテナ３３ａ，３３ｂの方向に応じて、Ｓ偏光のテラヘルツ波とＰ偏光のテラヘルツ波とが選択的に検出することが可能となる。
【００８９】
以上のテラヘルツ波５を発生したり検出したりするＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂにおいて、向かい合う１つのペアのアンテナ３２ａ，３２ｂ（３３ａ，３３ｂ）の遠い端部間の長さＬ（端部間長Ｌ）は、使用するテラヘルツ波５の帯域に関連する。すなわち、一般に膜厚の測定においては、時間分解能を高くするために端部間長Ｌは短い方が有利である。ところが、端部間長Ｌを短くしすぎると製作時の加工の難易度が高くなってしまうという問題も生じる。そこで、端部間長Ｌとしては、例えば２０μｍ〜５ｍｍ程度の範囲で、使用する波長に応じて長さを選択することが望ましく、この第２の実施形態においては、例えば４０μｍに設定される。
【００９０】
図８は、この第２の実施形態によるＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂの中央部分のアンテナギャップを示す。図８に示すように、２組のアンテナ３２ａ，３２ｂ（３３ａ，３３ｂ）はそれぞれ、Δｌ（μｍ）の間隙（ギャップ）を隔てて配置されている。このアンテナギャップΔｌは、ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂにそれぞれ照射されるポンプ光２ｂやプローブ光２ｃのスポット径より小さい必要がある。さらに、このアンテナギャップΔｌは、アンテナ３２ａ，３２ｂ（３３ａ，３３ｂ）において絶縁が保たれる距離や、製作時の加工精度の制約なども考慮すると、具体的は５〜１０μｍが好ましく、この第２の実施形態においては、例えば７μｍに設定される。
【００９１】
次に、この第２の実施形態による膜厚測定装置の光伝導アンテナの変形例について説明する。図９ａおよび図９ｂは、上述したＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナに代えて用いられる、従来のダイポールアンテナからなる光伝導アンテナを２つ並べて電気的に切り替え可能な構成の光伝導アンテナを示す。
【００９２】
図９ａに示すように、この第２の実施形態の変形例によるテラヘルツ波発生用の光伝導アンテナ１４ａ，１４ｂはそれぞれ、例えば低温成長ＧａＡｓからなる半導体基板１１ａ，１１ｂ上に、それぞれ金属が蒸着されてＴ字型のアンテナ１２ａ，１２ｂが形成されている。なお、これらのアンテナ１２ａ，１２ｂには電源（図示せず）が接続されている。また、アンテナ１２ａ，１２ｂのそれぞれの中央にはそれぞれ、例えば１０μｍ程度の間隙からなるアンテナギャップ１３ａ，１３ｂが形成されている。そして、このように構成された２つのテラヘルツ波発生用の光伝導アンテナ１４ａ，１４ｂは、その向きを互いに９０度ずらして設置されている。
【００９３】
また、励起光としてのポンプ光２ｂは、ハーフミラー１５ａによって２つに分割される。分割されたポンプ光２ｂのうち、反射されたポンプ光２ｂは光伝導アンテナ１４ａのアンテナギャップ１３ａに照射される。一方、ハーフミラー１５ａを透過してミラー１６ａによって反射されたポンプ光２ｂは、光伝導アンテナ１４ｂのアンテナギャップ１３ｂに照射される。２つの光伝導アンテナ１４ａ，１４ｂにおいては、それぞれのアンテナ１２ａ，１２ｂに流れる電流の向きが互いに９０度異なる。そのため、それぞれのアンテナ１２ａ，１２ｂから発生するテラヘルツ波５は、それらの偏光が互いに９０度異なる。そして、膜厚測定装置において、片方の光伝導アンテナ１４ａをその発生するテラヘルツ波５の電場が被測定膜であるスケール（図示せず）の面に対して水平方向になるように設置するとともに、他方の光伝導アンテナ１４ｂを光伝導アンテナ１４ａに対して９０度回転された向きに配置することによって、スケールに対してＰ偏光のテラヘルツ波５およびＳ偏光のテラヘルツ波５を照射することが可能となる。
【００９４】
また、図９ｂに示すように、この第２の実施形態の変形例によるテラヘルツ波検出用の光伝導アンテナ１４ｃ，１４ｄはそれぞれ、例えば低温成長ＧａＡｓからなる半導体基板１１ｃ，１１ｄ上にそれぞれ金属が蒸着されてアンテナ１２ｃ，１２ｄが形成されている。なお、これらのアンテナ１２ｃ，１２ｄのそれぞれの両端に電圧を測定可能な機構（図示せず）が接続されている。また、アンテナ１２ｃ，１２ｄのそれぞれの中央にはそれぞれ、例えば１０μｍ程度の間隙からなるアンテナギャップ１３ｃ，１３ｄが形成されている。このように構成された２つのテラヘルツ波検出用の光伝導アンテナ１４ｃ，１４ｄは、その向きを互いに９０度ずらして並べて設置されている。
【００９５】
また、プローブ光２ｃは、ハーフミラー１５ｂによって２つに分割される。分割されたプローブ光２ｃのうち、反射されたプローブ光２ｃは光伝導アンテナ１４ｃのアンテナギャップ１３ｃに照射される。一方、ハーフミラー１５ｂを透過してミラー１６ｂによって反射されたプローブ光２ｃは、光伝導アンテナ１４ｄのアンテナギャップ１３ｄに照射される。２つの光伝導アンテナ１４ｃ，１４ｄにおいては、それぞれのアンテナ１２ｃ，１２ｄに流れる電流の向きが互いに９０度異なる。そのため、それぞれのアンテナ１２ｃ，１２ｄにより検出可能なテラヘルツ波５は、それらの偏光が互いに９０度異なる。そして、膜厚測定装置において、片方の光伝導アンテナ１４ｃをその検出可能な電場が被測定膜のスケール（図示せず）の面に対して水平方向の電場になるように設置するとともに、他方の光伝導アンテナ１４ｄを光伝導アンテナ１４ｃに対して９０度回転された向きに配置することによって、それぞれの光伝導アンテナ１４ｃ，１４ｄによって、スケールで反射されたＰ偏光のテラヘルツ波５およびＳ偏光のテラヘルツ波５をそれぞれ検出することが可能となる。
【００９６】
以上説明した変形例のように、膜厚測定装置におけるテラヘルツ波発生手段およびテラヘルツ波検出手段として、それぞれ２つの光伝導アンテナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを用いることにより、テラヘルツ波５によりスケールの膜厚を高精度に測定することが可能となる。ところが、図９ａに示す光伝導アンテナ１４ａ，１４ｂを用いて、Ｐ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とをブリュースター角でサンプル８に入射させる方法においては、Ｐ偏光とＳ偏光との光学系のアラインメントに差がある場合には補正を行う必要がある。この補正は、サンプルの位置に、表面に膜が形成されていない金属板を配置し、金属板の表面から反射されるＰ偏光のテラヘルツ波のピークとＳ偏光のテラヘルツ波のピークとが同時になるようにするものである。
【００９７】
しかしながら、このような補正を行うには、まずアラインメントがずれないようにＰ偏光とＳ偏光とを切り替えつつ、サンプル８の表面から反射されるＰ偏光およびＳ偏光を精密に測定した上で、測定した値を数値的に補正したり、微妙なアラインメントを変えたりする必要がある。この補正は、非常に手間がかかる。
【００９８】
このように、上述した第２の実施形態の変形例においては、２つのアンテナの位置を相互に精密に合わせることが比較的難しくなる。これに対し、第２の実施形態において採用したＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナであれば、Ｐ偏光のテラヘルツ波の発生や検出に用いられるアンテナギャップとＳ偏光のテラヘルツ波の発生や検出に用いられるアンテナギャップとを一致させていることにより、変形例に比してアラインメントの設定が容易になるという利点がある。
【００９９】
以上説明した第２の実施形態によれば、テラヘルツ波発生手段およびテラヘルツ波検出手段としてそれぞれ、ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａ，３０ｂを用い、それぞれスイッチ３１ａ，３１ｂによって、発生させたり検出したりするテラヘルツ波５を、電気的な切り替えによってＳ偏光とＰ偏光とで相互に切り替えることができる。これにより、発生させたり検出したりするテラヘルツ波をＳ偏光とＰ偏光とで切り替える際にアラインメントがずれるのをあらかじめ防止することができ、光軸の調整の手間を省くことができる。
【０１００】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、この第３の実施形態においては、第１および第２の実施形態と同様の部分については、その説明を省略し、同一または対応する部分については、同一の符号を付す。図１０は、本発明の第３の実施形態による、光ファイバを用いて光源とテラヘルツ波発生器およびテラヘルツ波検出器とを接続した膜厚測定装置の光学系を示す図である。なお、図１０においては、第１および第２の実施形態による膜厚測定装置と異なる構成の光学系のみを示し、光学系以外の部分の構成については、第１および第２の実施形態におけると同様であるので、その図示および説明を省略する。
【０１０１】
図１０に示すように、この第３の実施形態による膜厚測定装置は、励起用レーザ光源１と、ビームスプリッタ３と、ミラー１０ｂと、ミラー１０ａを備えた遅延ステージ７とが配置された光源ボックス４３が、光ファイバ４１ａ，４１ｂによってそれぞれテラヘルツ波発生器４２ａおよびテラヘルツ波検出器４２ｂに光学的に接続されている。また、テラヘルツ波発生器４２ａおよびテラヘルツ波検出器４２ｂは、ゴニオメータ４４上に設置されている。これにより、テラヘルツ波発生器４２ａおよびテラヘルツ波検出器４２ｂは、自動または手動によって測定対象のサンプル８に対する位置を変更することができ、サンプル８に照射するテラヘルツ波５の入射角を容易に変更可能に構成されている。
【０１０２】
このように構成された膜厚測定装置の光学系においては、励起用レーザ光源１から射出されたパルスレーザ光２ａは、ビームスプリッタ３によってポンプ光２ｂとプローブ光２ｃとに分割される。一方のポンプ光２ｂは、光ファイバ４１ａを通じてテラヘルツ波発生器４２ａに導光される。他方のプローブ光２ｃは、ミラー１０ａおよびミラー１０ｂにより反射され、光ファイバ４１ｂを通じてテラヘルツ波検出器４２ｂに導光される。
【０１０３】
テラヘルツ波照射手段としてのテラヘルツ波発生器４２ａの内部には、テラヘルツ波発生手段としての第１の実施形態で採用した光伝導アンテナや第２の実施形態で採用したＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナが設けられている。そして、光源ボックス４３から光ファイバ４１ａを通じて供給されるポンプ光２ｂが、テラヘルツ波発生器４２ａに入射されると、テラヘルツ波発生器４２ａからサンプル８に向けて、６５度〜８０度の入射角でテラヘルツ波５が照射される。一方、光源ボックス４３から光ファイバ４１ｂを通じて供給されるプローブ光２ｃがテラヘルツ波検出器４２ｂに入射されると、サンプル８により反射されたテラヘルツ波５がテラヘルツ波検出器４２ｂによって検出される。
【０１０４】
この第３の実施形態による膜厚測定装置によれば、光ファイバ４１ａによってテラヘルツ波発生器４２ａにポンプ光２ｂを導光するように構成しているとともに、光ファイバ４１ｂによってテラヘルツ波検出器４２ｂにプローブ光２ｃを導光するように構成し、これらのテラヘルツ波発生器４２ａおよびテラヘルツ波検出器４２ｂをゴニオメータ４４上に設置していることにより、テラヘルツ波５のサンプル８への入射角を容易に設定変更することができる。これにより、サンプル８の表面に形成される被測定膜としてのスケールが種々変わった場合であっても、そのスケールの屈折率に応じて、テラヘルツ波発生器４２ａおよびテラヘルツ波検出器４２ｂの位置を容易に変更することができ、テラヘルツ波５のサンプル８への入射角を容易にブリュースター角に設定することができる。
【０１０５】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、この第４の実施形態においては、第１乃至第３の実施形態と同様の部分については、その説明を省略し、同一または対応する部分については、同一の符号を付す。図１１は、第４の実施形態によるテラヘルツ波検出器に電気光学結晶（ＥＯ結晶）を用いた膜厚測定装置の概略構成を示す。
【０１０６】
図１１に示すように、この第４の実施形態においては、テラヘルツ波検出手段として、第２の実施形態による膜厚測定装置のＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ｂの代わりに、ＺｎＴｅ結晶からなる電気光学結晶を用いたＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６が採用されている。
【０１０７】
この第４の実施形態による膜厚測定装置においては、第２の実施形態と同様に、励起用レーザ光源１からパルスレーザ光２ａが射出され、ビームスプリッタ３によって、ポンプ光２ｂとプローブ光２ｃとに分割される。ポンプ光２ｂはミラー１０ｄにより反射され、チョッパ２０を通過して、レンズ２２ａによりテラヘルツ波発生用のＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａのアンテナギャップに集光される。ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａには、電源２１からスイッチ３１ａを介して直流電圧が供給されている。ポンプ光２ｂの照射によってアンテナがオンされると、上述したＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａのテラヘルツ波発生原理に従って、レンズ２３ａを介して、スイッチ３１ａにより選択された偏光方向のテラヘルツ波５が発生される。
【０１０８】
発生されたテラヘルツ波５は、放物面鏡６ａ、テラヘルツ波用ミラー１０ｅ、および放物面鏡６ｂにより順次反射され、表面に被測定膜としてのスケール（図示せず）が形成されたサンプル８に対して、スケールの空気に対するブリュースター角を入射角として照射される。ここで、この第４の実施形態においては、サンプル８の表面に形成されたスケールの屈折率の測定結果が例えば３．４であった場合、ブリュースター角は例えば７４度となる。
【０１０９】
サンプル８により反射されたテラヘルツ波５は、放物面鏡６ｃ，６ｄにより順次反射され、ハーフミラー５１を透過して、テラヘルツ波検出用のＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６に導かれる。
【０１１０】
一方、プローブ光２ｃは、ミラー１０ａ，１０ｂ，１０ｃにより順次反射された後、偏光板５７によって直線偏光とされ、さらにハーフミラー５１によって反射されて、テラヘルツ波５と同一の光軸でＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６に照射される。ミラー１０ａは、光学的時間遅延手段としての遅延ステージ７によって位置が変更される。ミラー１０ａの位置の変更によって、ビームスプリッタ３からＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６までのプローブ光２ｃの光路長が変更される。これにより、ＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６の検出タイミングが変更される。また、このミラー１０ａの位置情報は、遅延ステージ７から情報処理部２６に供給され、時間情報として処理される。
【０１１１】
ＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６においては、後述する検出原理に従って、パルス状のプローブ光２ｃが到達した瞬間のテラヘルツ波５の信号強度が電圧に変換されて、プリアンプ２４に電気信号として供給される。プリアンプ２４においては、この電気信号が増幅されて、ロックインアンプ２５に供給される。ロックインアンプ２５においては、チョッパ２０からの信号を参照信号に同期させて検波することで、プリアンプ２４から供給された電気信号のノイズが低減され、この電気信号が情報処理部２６に供給される。情報処理部２６においては、遅延ステージ７から供給されるミラー１０ａの位置情報とロックインアンプ２５から供給される電気信号の信号強度とに基づいてテラヘルツ時間波形が再現される。
【０１１２】
ＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６と、ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ３０ａのスイッチ３１ａとを組み合わせて偏光を切り替え、Ｓ偏光のテラヘルツ波５およびＰ偏光のテラヘルツ波５の測定を順次行うことにより、第１の実施形態と同様の方法によってサンプル８の表面のスケールの膜厚を測定することができる。なお、第１の実施形態と異なり、この第４の実施形態においては、偏光情報は、スイッチ３１ａおよびＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６から出力され、最終的に情報処理部２６に供給されて処理される。
【０１１３】
次に、ＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６の検出原理について、図１２を参照しつつ説明する。図１２は、ＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６の概略構成を示す。
【０１１４】
図１２に示すように、ＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６は、ＥＯ結晶５２、λ／４波長板５３、例えばウォーラストンプリズムを用いた検光子５４、および光バランス型検出器５５から構成されている。このＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６によるテラヘルツ波５の検出は次のように行われる。
【０１１５】
すなわち、プローブ光２ｃが偏光板５７により直線偏光に整えられた後、ハーフミラー５１により反射されてテラヘルツ波５と同軸でＥＯ結晶５２に照射される。ＥＯ結晶５２を透過したプローブ光２ｃは、λ／４波長板５３によってテラヘルツ波５による電場がない場合に円偏光となるように調整される。λ／４波長板５３を通過したプローブ光２ｃは、検光子５４に入射される。検光子５４においては、プローブ光２ｃが直交する２方向の偏光に分割されて光バランス型検出器５５に入射される。光バランス型検出器５５においては、分割されたプローブ光２ｃの２つの偏光状態の差が電気信号にされて、この電気信号がプリアンプ２４に供給される。
【０１１６】
上述したように、プローブ光２ｃは、あらかじめλ／４波長板５３によって、ＥＯ結晶５２にテラヘルツ波５による電場がかかっていない場合に円偏光となるように、偏光状態が調整されている。ＥＯ結晶５２は、テラヘルツ波５による電場がかかると、電気光学効果の一つであるポッケルズ効果によって複屈折を受け、常光方向と異常光方向との屈折率が変化する。この屈折率の変化により、プローブ光２ｃの偏光状態が円偏光から楕円偏光に変化する。
【０１１７】
ＥＯ結晶５２にテラヘルツ波５が照射されていない場合には、プローブ光２ｃが円偏光となり直交する２方向の電場成分が同一となるので、光バランス型検出器５５の出力は零となる。一方、ＥＯ結晶５２にテラヘルツ波５が照射されている場合には、プローブ光２ｃが楕円偏光となり直交する２方向の電場成分に差が生じるので、光バランス型検出器５５からは、テラヘルツ波５の電場強度に応じた電気信号が出力される。
【０１１８】
以上説明したように、本発明の第４の実施形態によれば、テラヘルツ波検出手段としてＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器５６を用いていることにより、ポッケルズ効果を利用してＰ偏光のテラヘルツ波５とＳ偏光のテラヘルツ波５とを検出することが可能となる。
【０１１９】
以上の第１〜第４の実施形態において説明したように、本発明においては、測定するテラヘルツ波の偏光状態がＰ偏光であるかＳ偏光であるかを弁別することができれば、被測定膜の膜厚測定が可能となる。そのため、発生側と検出側とのいずれかにおいてＰ偏光とＳ偏光とを弁別することができればよい。そこで、上述した第１〜第４の実施形態による膜厚測定装置による偏光状態の弁別の方法についてまとめ、これらに基づいた種々の変形例について以下に説明する。
【０１２０】
（１）上述の第１の実施形態のように、直線偏光をＰ偏光成分とＳ偏光成分との双方を含む角度、具体的にはＰ偏光の強度とＳ偏光の強度とが同一になることから好ましくは４５度で発生させ、偏光板によって、Ｐ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを選択的に切り替えて測定対象に照射し、検出側でも偏光板でＰ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを切り替えて測定する。
【０１２１】
（２）上述した第２および第３の実施形態のように、直線偏光のテラヘルツ波源を用いてＰ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを、相互に切り替えて発生させて被測定膜に照射し、検出側においても切り替えて検出する。
【０１２２】
（３）無偏光光源からＰ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを含むような無偏光の電磁波を射出して、偏光板によって偏光状態を切り替えて測定対象に照射し、検出側においても偏光板によって検出する偏光状態を切り替えて検出する。具体的には、第１の実施形態において採用したテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａに代えて、図１８ａに示す半導体表面発光の光伝導アンテナを用いた膜厚測定装置に相当する。
【０１２３】
以上の（１）〜（３）は、テラへルツ波の発生側と検出側との双方において、Ｐ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを切り替える方法である。しかしながら、上述したように、テラヘルツ波のＰ偏光とＳ偏光との偏光状態を弁別することができれば被測定膜の膜厚を測定することが可能である。そこで、次のような方法も考えられる。
【０１２４】
（４）上述した（１）〜（３）のいずれかの場合と同様の照射方法を採用して、Ｐ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを分けて被測定膜に照射し、一方で検出側においては、Ｐ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波との双方を分けることなく検出する。なお、Ｐ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波との双方の成分を同時に検出する方法としては、例えば、第１の実施形態によるテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂ（図４参照）に対して、アンテナの長手方向を４５度だけ回転させたテラヘルツ波検出用光伝導アンテナを用いることによって実現可能である。この方法によれば発光側においてＰ偏光とＳ偏光との偏光状態を弁別することができることから、検出側では偏光状態を弁別する必要がない。
【０１２５】
また、（４）の例としては、第１の実施形態においてテラヘルツ波を検出する側の光学系における偏光板２９ｂ（図４参照）を除いた膜厚測定装置により実現可能であり、第４の実施形態において説明した膜厚測定装置によっても実現可能である。
【０１２６】
（５）発光側においては、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを含むテラヘルツ波を、偏光状態を区別することなく発生させて被測定膜に照射させ、検出側において偏光状態を区別するようにしてもよい。このＰ偏光成分とＳ偏光線分との双方の成分を同時に発生させる方法としては、例えば、第１の実施形態におけるテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａ（図４参照）に対して射出方向を変えることなくアンテナの長手方向を４５度だけ回転させたテラヘルツ波発生用光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生させる方法を挙げることができる。
【０１２７】
また、（５）の例としては、第１の実施形態においてテラヘルツ波を発生する側の光学系における偏光板２９ａを除いたものを挙げることができる。
【０１２８】
以上の（１）〜（５）のいずれの方法を採用した膜厚測定装置においても被測定膜の膜厚を測定することが可能である。（１）〜（３）の場合は、発生側と検出側との双方において偏光状態の弁別を行うため、膜厚測定装置の構成が複雑になる反面、Ｐ偏光とＳ偏光との弁別がより厳密になるという利点がある。（４）および（５）の場合は、膜厚測定装置の構成自体を簡略化することができるという利点がある。
【０１２９】
さらに、第１、第２および第３の実施形態に記載したように、同じ形式のテラヘルツ波発生器とテラヘルツ波検出器とのペア、さらには幾何学的にも同じ形状の光伝導アンテナを用いることにより、テラヘルツ波発生器とテラヘルツ波検出器との周波数特性が同一になるため、テラヘルツ波の発生と検出を高効率化することができ、測定精度を向上させることができる。
【０１３０】
また、Ｐ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを同時に発生させるテラヘルツ波発生器を採用する場合には、半導体表面発光や、光パラメトリック発生、光パラメトリック発振、光注入型光パラメトリック発生、および差周波発生などの非線形光学効果を利用する非線形光学結晶などをテラヘルツ波発生器として用いることも可能である。
【０１３１】
以上説明した本発明の実施形態によるいずれの膜厚測定装置においても、テラヘルツ波発生器とサンプルとの距離であるリフトオフを１００ｍｍ以上に確保することができるので、例えば、鉄鋼の熱延、厚板、精整、および表面処理ラインなどにおいて、インラインに設置することが可能である。なお、この場合、サンプル８は、図４、図６および図１１において紙面に対して垂直方向に移動するように構成される。
【実施例１】
【０１３２】
次に、上述した本発明に係る膜厚測定装置を用いて測定を行った実施例について説明する。ここで、膜厚測定装置としては、第１〜第４の実施形態のいずれの膜厚測定装置を採用しても同様の結果を得ることができる。そこで、この実施例１においては、第３の実施形態による膜厚測定装置を採用して膜厚の測定を実施した。
【０１３３】
図１３ａおよび図１３ｂはそれぞれ、渦流測定方法によってあらかじめ確認したテープの膜厚を種々変更させ、本発明に係る膜厚測定装置によってそれぞれＳ偏光のテラヘルツ波およびＰ偏光のテラヘルツ波を検出した結果を示す。ここで、この測定に用いたテープの屈折率は別途行った測定により１．４であったことから、tan-１（１．４)＝５４.５度がブリュースター角となる。そこで、テープへのテラヘルツ波の入射角を５４．５度とする。なお、図１３ａおよび図１３ｂにおいて、振幅は規格化されている。
【０１３４】
図１３ａから、Ｓ偏光のテラヘルツ波においては、テープの膜厚が１３５μｍ以上の場合に、表面反射と１回多重反射との２つのピークが明瞭に弁別可能であることが分かる。一方、図１３ａからは、テープの膜厚が９０μｍ以下の場合には、表面反射と１回多重反射との２つのピークが重なってしまうため弁別できないことも分かる。本発明者の検討によれば、区別できない理由は、これらのテープの表面反射の反射率が５０〜６０％程度であり、上述したスケールの反射率が９９％以上であるのに比して圧倒的に小さいことから、Ｓ偏光のテラヘルツ波であっても表面反射の成分が多いことにある。
【０１３５】
また、図１３ｂから、Ｐ偏光のテラヘルツ波においては、ピークとして１回多重反射の１つのピークのみが検出されていることが分かり、さらに、テープの厚さに応じてこの１つのピークが時間的に遅れていくことが分かる。
【０１３６】
図１４は、図１３ａに示すＳ偏光のテラヘルツ波の１回多重反射のピークと、図１３ｂに示すＰ偏光のテラヘルツ波のピークとの時間差に基づいて、上述の（１）式から膜厚を導出し、あらかじめ渦流膜厚測定により膜厚を測定した結果と比較したグラフである。
【０１３７】
図１４に示すように、左端の点における膜厚が４５μｍであり、テープの屈折率は１．４である。これにより、屈折率と膜厚（μｍ）との積算値（ｎ×ｄ）は６３であり、従来の屈折率と膜厚との積算における測定限界値であった７５より小さい領域であっても、膜厚を精度良く測定できることが分かる。
【０１３８】
また、図１５は、厚板の表面に形成されたスケールを測定した際のＰ偏光のテラヘルツ波とＳ偏光のテラヘルツ波とを測定した結果を示す。なお、このスケールの顕微鏡による断面顕鏡結果は１３μｍであり、あらかじめ測定したスケールの屈折率は３．４であった。屈折率が３．４であることから、スケールのブリュースター角が７３．６度になるので、膜厚測定装置においてテラヘルツ波をスケールに入射させる際の入射角を７５度とした。
【０１３９】
図１５から、Ｓ偏光のテラヘルツ波に対するＰ偏光のテラヘルツ波の時間遅れは０．３１ｐｓｅｃであることが分かる。この時間遅れに基づくと、（１）式から膜厚ｄは１３．０μｍと導出され、本発明の膜厚測定装置によれば、スケールの膜厚を正確に導出できることが確認された。
【０１４０】
図１６は、上述したスケールの膜厚の測定と同様にして、３つのサンプルのスケールに対して、顕微鏡を用いて膜厚を測定した結果と、テラヘルツ波を用いて膜厚を測定した結果とを示す。なお、図１６において、横軸が顕微鏡による断面顕鏡結果であり、縦軸が本発明の膜厚測定装置を用いてスケールの膜厚を測定した場合の測定結果である。図１６から、３つのサンプルのいずれにおいても、スケールの膜厚を測定可能であることが確認された。
【０１４１】
このように、本発明の膜厚測定装置によれば、可視光や赤外線が透過せず、且つ屈折率と膜厚（μｍ）との積算値が７５以下の被測定膜においても、Ｓ偏光のテラヘルツ波による表面反射のピークに対するＰ偏光のテラヘルツ波の１回多重反射のピークの時間遅れを高精度に測定することによって、（１）式を用いて被測定膜の膜厚を高精度に導出することが可能となる。
【０１４２】
特に、鉄鋼ラインにおいて生産される厚鋼板、熱延鋼板、および各種鋼管などの表面に形成されるスケールの膜厚は、通常１〜２０μｍ程度である。そこで、これらの製品のスケールについてテラヘルツ波の領域における屈折率を測定したところ、屈折率は２．８〜３．４であった。この場合、これらのスケールにおける屈折率と膜厚（μｍ）との積算値は、２．８〜６８である。すなわち、屈折率と膜厚（μｍ）との積算値が７５より小さい値であることで、従来のテラヘルツ時間領域分光では膜厚の測定が困難であったスケールにおいても、本発明の膜厚測定装置によれば測定可能になることが確認された。
【０１４３】
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０１４４】
上述の実施形態においては、励起用レーザ光源１として、チタン（Ｔｉ）サファイアレーザが用いられるが、励起用レーザ光源１としては、ファイバーレーザなどを使用することも可能である。
【０１４５】
また、上述の第１の実施形態においては、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａおよびテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ２８ｂとして、低温成長ＧａＡｓ基板を用いた光伝導アンテナを用い、励起用レーザ光源１としてレーザ光の波長が７８０ｎｍのレーザを用いているが、光伝導アンテナとして、例えばＩｎＧａＡｓ基板を用いた光伝導アンテナを用いる場合は、励起用レーザ光源１としてレーザ光の波長が１５６０ｎｍのレーザを用いるのが望ましい。
【０１４６】
上述の第１の実施形態においては、ロックインアンプ２５における電気ノイズの低減のために、チョッパ２０を用いているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ２８ａに電源２１から供給する電圧を矩形波として、その周波数にあわせた信号を参照信号として同期検波しても同様の効果を得ることができる。
【０１４７】
上述の第２の実施形態の変形例においては、図９ａに示すように、２つの光伝導アンテナ１４ａ，１４ｂをそれぞれ異なる半導体基板１１ａ，１１ｂにより構成しているが、２つの光伝導アンテナ１４ａ，１４ｂを同一の半導体基板上に配置することも可能である。また、図９ｂに示す２つの光伝導アンテナ１４ｃ，１４ｄについても同様に同一の半導体基板上に配置することも可能である。
【０１４８】
上述の第４の実施形態においては、ＥＯ結晶としてＺｎＴｅ結晶を用いたが、他のＥＯ結晶を用いることも可能である。具体的には、例えばＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＣｄＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いてもよい。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体はＥＯ係数が大きく、屈折率がテラヘルツ帯（ＴＨｚ帯）と光領域とにおいて近い値を持つため、位相整合がとりやすいという利点がある。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体以外にも、ＧａＰ、ＧａＡｓ、およびＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を採用することも可能である。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、検出帯域を広く取ることができる。また、ＬｉＮｂＯ3などの強誘電性結晶を採用することも可能である。強誘電性結晶は、非常に大きなＥＯ係数を持つが、一方でテラヘルツ波を強く吸収するため、結晶を薄くするなどの透過性を維持する必要がある。
【符号の説明】
【０１４９】
１  励起用レーザ光源
２ａ  パルスレーザ光
２ｂ  ポンプ光
２ｃ  プローブ光
３  ビームスプリッタ
５  テラヘルツ波
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ  放物面鏡
７  遅延ステージ
８  サンプル
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ  ミラー
１０ｅ，１０ｆ  テラヘルツ波用ミラー
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  半導体基板
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，３２ａ，３２ｂ  アンテナ
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ  アンテナギャップ
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ  光伝導アンテナ
１５ａ，１５ｂ  ハーフミラー
１６ａ，１６ｂ  ミラー
２０  チョッパ
２１  電源
２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ  レンズ
２４  プリアンプ
２５  ロックインアンプ
２６  情報処理部
２８ａ  テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ
２８ｂ  テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ
２９ａ，２９ｂ  偏光板
３０ａ，３０ｂ  ＰＳ偏光切り替え型光伝導アンテナ
３１ａ，３１ｂ  スイッチ
４１ａ，４１ｂ  光ファイバ
４２ａ  テラヘルツ波発生器
４２ｂ  テラヘルツ波検出器
４３  光源ボックス
４４  ゴニオメータ
５１  ハーフミラー
５２  ＥＯ結晶
５３  λ／４波長板
５４  検光子
５５  光バランス型検出器
５６  ＥＯ結晶利用テラヘルツ波検出器
５７  偏光板
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１９】
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