(57)【要約】高感度の光学異方性の評価技術を提供する。  光計測評価装置Ａは、光パルスを発生する光パルス発生器１とハーフミラー３と第１のミラー５と第２のミラー７と第３のミラー９とリトロリフレクター１１と波長板１５と、ンズ１７と分光器２１と制御装置（ＰＣ）２３とを有する。光パルス発生器１から出射した光パルスＬ１は、ハーフミラー３において２つのパルス光Ｌ２とＬ３とに分離される。パルス光Ｌ２は、ミラー５及びミラー７により反射され（パルス光Ｌ４、Ｌ５）、光パルスの偏光を回転ステージ１５ａに設置した半波長位相板１５により回転し、レンズ１７により試料Ｓの表面上に焦点が合わされる（Ｌ８）。光パルスＬ３は、非同軸で入射光と平行な光を返すリトロリフレクター１１により反射され（Ｌ６）、ミラー９によって反射され、光パルスの偏光を回転ステージ１５ａに設置した半波長位相板１５により回転され、レンズ１７により上記Ｌ８と異なる光路Ｌ７により試料Ｓ上の同様の位置に焦点が合わされる。この際、２つの光パルスの略平行にそろえられた直線偏光を同時に回転して試料Ｓに照射する。光パルスＬ８に波数ｋ１を光パルスＬ７に波数ｋ２をもたせることで四光波混合現象が起こる。等方的な薄膜に一軸歪等による非等方性の変化が存在すると、回折光（２ｋ２−ｋ１）の強度に大きな異方性が現れる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光パルスと該第１光パルスと異なる波数ベクトルを有する第２光パルスとの偏光方向が略平行にそろえられた直線偏光を測定対象の任意の結晶軸に対して回転する偏光回転手段と、
該偏光回転手段により偏光が回転された前記第１及び第２光パルスを前記結晶に照射することにより得られる四光波混合による回折光を分光する分光手段と
を有する光計測評価装置。
【請求項２】
光パルスを第１光パルスと該第１光パルスと異なる波数ベクトルを有する第２光パルスとの２つの光パルスに分離する光パルス分離手段と、
前記第１光パルスと第２光パルスとの偏光方向が略平行にそろえられた直線偏光を測定対象の任意の結晶軸に対して回転する偏光回転手段と、
該偏光回転手段により偏光が回転された前記第１及び第２光パルスを前記結晶に照射することにより得られる四光波混合による回折光を分光する分光手段と、
を有する光計測評価装置。
【請求項３】
前記光パルス分離手段は、前記光パルスが入射する位置に設けられた回折格子を含むことを特徴とする請求項２に記載の光計測評価装置。
【請求項４】
さらに、前記分光手段により分光された光スペクトルと前記偏光角とに基づくエネルギー（波長）と偏光角と回折強度からなる３次元解析を行う３次元解析手段を含むことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の光計測評価装置。
【請求項５】
光パルスの直線偏光を測定対象の任意の結晶軸に対して回転する偏光回転手段と、
偏光が回転された光パルスを空間的に分離する空間分離手段と、
該空間分離手段により分離された前記偏光が回転された光パルスを対向する方向から前記結晶に照射することにより得られる四光波混合による回折光を分光する分光手段と
を有する光計測評価装置。
【請求項６】
結晶に対する光学異方性を検出する光計測方法であって、
光パルスを二つに分離するステップと、
前記光パルスの偏光方向が略平行にそろえられた直線偏光を測定対象の任意の結晶軸に対して回転するステップと、
偏光が回転された前記光パルスに基づく前記結晶の四光波混合による回折光を分光するステップと
を有する光計測方法。
【請求項７】
結晶に対する光学異方性を検出する光計測方法であって、
光パルスを二つに分離するステップと、
前記光パルスの偏光方向が略平行にそろえられた直線偏光を測定対象の任意の結晶軸に対して回転するステップと、
偏光が回転された前記光パルスに基づく前記結晶の電子分極の３次非線形性を検出するステップと
を有する光計測方法。
【請求項８】
四光波混合による回折光を分光して得られた光スペクトルと偏光角とに基づく３次元解析を行う３次元解析手段を含むことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の光計測評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、光計測評価方法及び光計測評価装置に関し、特に薄膜結晶の高感度な光計測評価技術に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来から、光学異方性の評価方法として、反射率分光（図３）や発光分光（図４）が簡易的な方法として用いられてきた。図３に示す反射率分光は、サファイアのＡ面上に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜層を評価したものであり、横軸はエネルギーを、縦軸は反射率を示している。ランプ光源から出射された励起光は、結晶軸［−１−１２０］または［１−１００］に平行な偏光面を持って、試料に照射される。分散が生じている箇所（Ａ、Ｂ，Ｃで示される矢印）が励起子準位に対応する。この試料では、サファイアＡ面とＧａＮ薄膜層とは、熱膨張係数の差に起因して結晶軸に応じた１軸性の歪が存在する。そのため、偏光の変化に応じた反射スペクトルの変化が観測される（非特許文献１）。【０００３】  図４は、発光スペクトルによる光学異方性評価例を示す図である。横軸はエネルギーを、縦軸は発光スペクトルの強度を示している。図４に示すように、不純物準位を含むいくつかのピークが観測されるが、Γで示されるピークが励起子準位に対応し、破線と実線との差で示される光学異方性が確認されている（非特許文献２）。
【非特許文献１】”Ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｗｕｒｔｚｉｔｅ  ＧａＮ  ｅｐｉｌａｙｅｒｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  Ａ−ｐｌａｎｅ  ｓａｐｐｈｉｒｅ”：Ａ．Ａｌｅｍｕ，Ｂ．Ｇｉｌ，Ｍ．Ｊｕｌｉｅｒ，ａｎｄ  Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ５７，３７６１−３７６４（１９９８）
【非特許文献２】”Ｓｐｉｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  ｏｆ  ｅｘｃｉｔｏｎｓ  ｉｎ  ＧａＮ”：Ｐ．Ｐ．Ｐａｋｏｖ，Ｔ．Ｐａｓｋｏｖａ，Ｐ．Ｏ．Ｈｏｌｔｚ，ａｎｄ  Ｂ．Ｍｏｎｅｍａｒ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ６４，１１５２０１  １−６（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  光デバイスではヘテロエピタキシャル成長による薄膜結晶が用いられる場合が多い。成長した薄膜には、基板との熱膨張係数差や格子不整合のために歪や欠陥が生じる。このような歪は、電子エネルギーおよびバンド構造に大きな変化を与える。歪や欠陥のもたらす光学異方性の大きさ、方向を高感度に測定することにより、期待されるデバイス性能を得るための知見を得ることができる。【０００５】  上記背景技術に記載した反射率分光及び発光分光は、光デバイス評価方法として確立されているが、光誘起分極に対して線形な測定であるため、微小な光学異方性を評価するのには十分とは言えない。すなわち、上記の手法は、いずれも線形分光であるため、光学異方性の評価における感度が小さくなりがちである。また反射スペクトルにおける電子エネルギーを見積るためには、クラーマス・クローニッヒ変換が必要であり、多数の近似パラメータを必要とするため精度が低い。他方で、発光分光は必ず不純物準位などによるスペクトルが重畳するため、電子エネルギーを同定するためには、他の手法との比較が必要であるという問題点があった。【０００６】  本発明は、より感度の高い光学異方性の評価技術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】
【０００７】  本発明では、電子分極の非線形性を利用し、光学異方性を高感度に検出することによって薄膜の光学評価を実現する。非線形分光の１つである四光波混合分光法を利用して、回折光スペクトルの偏光依存性から薄膜の光学的異方性を見積る。
【発明の効果】
【０００８】  本発明によれば、電子分極の３次非線形性を利用することにより、従来の線形分光手法の４乗倍の感度をもつ光計測評価が実現される。この高感度化により、例えば窒化ガリウム半導体薄膜においては、ＭＰａ（メガパスカル）程度の微小な歪を検出する高精度な評価が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本実施の形態による光計測評価装置を原理的に説明するための単純化した構成例を示す図である。
【図１Ｂ】異方性をもつ薄膜結晶に対して得られる四光波混合スペクトルを偏光角とエネルギーとに対してプロットした計算結果例を示す図である。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施の形態による光計測評価装置のより具体的な構成例を示す図である。
【図２】四光波混合法の原理を示す図である。
【図３】反射率分光に基づく光学異方性の評価方法であって、サファイアのＡ面上に形成されたＧａＮ層を評価したものであり、横軸はエネルギーを、縦軸は反射率を示している。
【図４】発光スペクトルによる光学異方性評価例を示す図である。横軸はエネルギーを、縦軸は発光スペクトルの強度を示している。
【図５Ａ】励起する光パルスの偏光を回転ステージに設置した半波長偏光板によって回転したときのピーク強度の等高線図である。横軸はエネルギーを、縦軸は偏光の角度である。
【図５Ｂ】サファイア基板上にエピタキシャル成長された窒化ガリウム薄膜の光学異方性を示す図であり、横軸にエネルギーを縦軸に四光波混合（ＦＷＭ）強度をとっており、パルス幅１５０ｆｓ程度の光パルスを１軸性の歪を有する窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜に照射したときに得られる四光波混合のスペクトル図である。
【図６】左上図は、図５Ａのスペクトルをローレンツ関数により非線形最小２乗法により近似したときの、ピーク強度の偏光依存性を示す図である。横軸は偏光であり、縦軸は四光波混合の強度を示す図である。左下図は、エネルギーピーク値の偏光依存性を示す図である。横軸は偏光であり、縦軸はエネルギーである。右図は、左上図及び左下図に対応する図であり、各応答関数にもとづく振動子強度および励起子エネルギーと偏光依存性を示す図である。
【図７Ａ】ＧａＮ薄膜（基板を除去したＧａＮ層：厚さ７０μｍの試料）を、本実施の形態による光計測評価装置を用いて評価した結果を示す図である。
【図７Ｂ】ＧａＮ薄膜（は等方的な基板上に成長されたＧａＮ層：厚さ２．３μｍの試料）を、本実施の形態による光計測評価装置を用いて評価した結果を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態による光計測評価装置の一構成例を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に測定装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００１０】Ａ…光計測評価装置、１…光パルス発生器、３…ハーフミラー、５…第１のミラー、７…第２のミラー、９…第３のミラー、１１…第４のミラー、１５…波長板（半波長位相板）、１７…レンズ、２１…分光器、２３…制御装置として機能するパーソナルコンピュータＰＣ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】  以下、本発明の実施の形態による光学異方性の評価技術について図面を参照しつつ説明を行う。まず、本発明の第１の実施形態による光学異方性の評価技術について説明を行う。図１Ｃは、本実施の形態による光計測評価装置の一構成例を示す図である。図２は、四光波混合法の原理を示す図である。図２に示すように、四光波混合法は、薄膜の試料に対して、２つの異なる波数ベクトル（例えばｋ１とｋ２）を有する光パルスが入射することによって、試料Ｓに電子分極の回折格子（干渉波の波数ベクトル：Ｇ）が形成される。この回折格子により片方の光パルスが自己回折されることによる回折光（２ｋ２−ｋ１）を検出する。四光波混合は公知の非線形分光であるが、本実施の形態による光学異方性の評価技術においては、四光波混合を微小な光学異方性変化の検出を目的として用いる点に特徴がある。すなわち、四光波混合による回折光の強度が電子分極の大きさ（振動子強度）の４乗に比例するため、薄膜結晶に対する高感度な異方性評価が可能となると考えられる。例えば、試料の面内方向に等方的な薄膜において、一軸歪等による非等方性（非対称的）の変化が存在すると、励起する光パルスの偏光を回転させることにより、回折光強度に大きな異方性が現れる。【００１２】  また、この手法を用いると、非等方的な外場がもたらす電子バンド構造の変化を見積ることもできる。例えば、半導体薄膜の電子と正孔との準位は、異なるスピンが縮退している場合が多い。しかしながら、非等方的な外場が加わると、スピンの縮退がその足し合わせで表現される状態に解け、わずかにエネルギー分裂を生じる。この大きさは物質に依存するが、大きくても１ｍｅＶ以下である。従って、上記の手法で用いる照射光源としてピコ秒（ｐｓ）程度の光パルスを用いれば、縮退の解けた二つの準位を同時に励起することが可能となる。【００１３】  スピンは光の円偏光に対応する運動量を持つ。従って、スピンの足し合わせは直線偏光で励起することができる。いま等方的な半導体結晶を考えると、価電子帯の正孔の上向きのスピン（↑）と下向きのスピン（↓）の状態は縮退している。このときに非等方的な外場が加わると、スピンの足し合わせで記述される量子状態（↑＋↓）と（↑−↓）とが異なるエネルギーを持つことになる。それぞれの量子状態（（↑＋↓）と（↑−↓））は、外場の方向に応じて反相関的な振動子強度をもつ。従って、片方の準位が増強される方向に偏光が一致するときに他の準位は抑制され、その回折光のピークエネルギーは各準位エネルギーを反映する。【００１４】  図１Ａは、本実施の形態による光計測評価装置を原理的に説明するための単純化した構成例を示す図である。図示しないレーザーから出射した平行な直線偏光にそろえた波数ベクトルの異なる２つのパルス光１０１、１０２であって、任意の遅延時間差τ（０を含む）有するパルス光を、回転ステージを設けた半波長板１０５に通し、測定対象（図では、ｃ軸配向のサファイヤＡ面上に形成されたＧａＮ結晶）１０７の任意の結晶軸に対して同時に偏光回転させながら、四光波混合スペクトルを分光した図である。このような簡単な構成により、バックグラウンドの影響を受けない微小な光学異方性変化を検��することができる。【００１５】  図１Ｂは、異方性をもつ薄膜結晶に対して得られる四光波混合スペクトルを偏光角とエネルギーとに対してプロットした計算結果例を示す図である。図１Ｂに示すように、励起子の極性を３次元的に表すことが可能である。【００１６】  以下、本実施の形態による光計測評価装置についてより具体的に説明を行なう。【００１７】  図１Ｃは、本実施の形態による光計測評価装置の一構成例を示す図である。図１Ｃに示すように、本実施の形態による光計測評価装置Ａは、光パルスを発生する光パルス発生器１と、ハーフミラー３と、第１のミラー５と、第２のミラー７と、第３のミラー９と、第４のミラー１１と、波長板（半波長位相板）１５と、レンズ１７と、分光器２１と、制御装置として機能するパーソナルコンピュータＰＣ２３とを有している。【００１８】  この光計測評価装置Ａにおいて、光パルス発生器１から出射した光パルスＬ１は、ハーフミラー３において２つのパルス光Ｌ２とＬ３とに分離される。パルス光Ｌ２は、ミラー５及びミラー７により反射され（パルス光Ｌ４、Ｌ５）、光パルスの偏光を回転ステージ１５ａに設置した半波長位相板１５により回転し、レンズ１７により試料Ｓの表面上に焦点が合わされるようになっている（Ｌ８）。一方、光パルスＬ３は、非同軸で入射光と平行な光を返すリトロリフレクター１１により反射され（Ｌ６）、ミラー９によって反射され、光パルスの偏光を回転ステージ１５ａに設置した半波長位相板１５により回転され、レンズ１７により上記Ｌ８と異なる光路Ｌ７により試料Ｓ上の同様の位置に焦点が合わされるようになっている（Ｌ７）。この際、２つの光パルスの直線偏光を同時に回転して試料Ｓに照射する。【００１９】  図１Ｃに示すように、同じ光パルスを２つの光パルスに分離させ、異なる光路をとらせて試料に照射するように光学系を設計することにより、２つの光パルスのうち光パルスＬ８に波数ｋ１を、光パルスＬ７に波数ｋ２をもたせることができる。それぞれ波数ｋ１と波数ｋ２となる偏光方向が平行な直線偏光にそろえられた２つのパルスで試料Ｓを励起することにより、図２に示す四光波混合現象が起こる。上述のように、四光波混合による回折光が電子分極の大きさ（振動子強度）の４乗に比例するため、薄膜結晶に対する高感度な異方性評価が可能となる。例えば等方的な薄膜に一軸歪等による非等方性の変化が存在すると、励起する光パルスの偏光を回転させることにより、回折光（２ｋ２−ｋ１）の強度に大きな異方性が現れる。【００２０】  図５Ａ、図５Ｂは、本実施の形態による光評価方法により評価した例であって、サファイア基板上にエピタキシャル成長された窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜の光学異方性を示す図である。【００２１】  図５Ａは、励起する光パルスの偏光を回転ステージに設置した半波長位相板によって回転したときのピーク強度の等高線図である。横軸はエネルギーを、縦軸は直線偏光の任意の結晶方向に対する角度θである。これは、あたかもＸ線回折の光計測に相当する。本手法は放射性物質を含まないため安全であり、小型かつ簡便な装置構成のため携帯用の評価解析や実装されたデバイスに対する結晶評価が可能である。さらに時間分解能（Ｘ線回折���ミリ秒、本手法：フェムト秒）に優れている。この図は、図１に示す測定において、波長板１５を回転ステージ１５ａにより１度毎に回転し、分光器２１により回折光スペクトルを取り込んでいる。等高線の高さがＦＷＭの強度を示し、上に示すＭＡＸに向かって強度が高く示される。図５Ａに示すように、極めて明瞭な等高線パターンがエネルギーと回転角に依存する形で示される。【００２２】  一方、図５Ｂは、矢印で示す回転角におけるエネルギーとＦＷＭの強度との関係を示す図である。横軸にエネルギーを、縦軸に四光波混合（ＦＷＭ）強度をとっており、パルス幅１５０ｆｓ程度の光パルスを１軸性の歪を有する窒化ガリウム薄膜に照射したときに得られる四光波混合のスペクトルで、励起光の偏光方向に依存した光学異方性が現れている。【００２３】  回転角θがπの場合が結晶軸方向［−１−１２０］（数字の前の記号−はバーを表す）である図５Ｂの一番上のパターンを、回転角θが０．７５πの場合が結晶方向［−２０２０］である図５Ｂの真ん中のパターンを、回転角θが０．５πの場合が結晶方向［１−１００］である図５Ｂの下のパターンに対応する。図５Ｂにおいて、エネルギー３．５００ｅＶ近傍にピークを有する強度パターンがＡ励起子のピークに対応し、エネルギー３．５０９ｅＶ近傍にピークを有する強度パターンがＢ励起子のピークに対応する。図５Ｂに示すようにＡ励起子のピークとＢ励起子のピークとが異なる偏光依存性を示していることがわかる。【００２４】  図５Ａ、Ｂに示すように、Ａ励起子（電子−正孔対）とＢ励起子とのエネルギー準位に相当する２本のピークが明確に観測されている。これらのピーク強度は励起子振動子強度の４乗に対応している。試料として用いたＧａＮのエピタキシャル薄膜は、Ａ面のサファイア基板上に成長されており、サファイア基板の結晶軸により異なる熱膨張係数差が存在するため一軸性歪を内包している。またＡ，Ｂ励起子は歪に対して異なる光学異方性を有している。尚、ここで言うピークとは、ある広がりを持ったスペクトルのことである。【００２５】  このことから、本実施の形態による評価技術を用いると、小型、かつ、簡便な装置構成でＸ線解析と同等の高感度歪測定が可能となることがわかる。さらにＸ線解析装置に対する利点として、特に移動型の解析が可能であること、光を用いているため空間分解による計測評価が容易である。また、非破壊検査が可能であるため、例えば光デバイス又は電子デバイスの製造プロセス開始前或いは開始後の加工された結晶の計測も可能であり、極めて実用性の高い手法であることがわかる。【００２６】  図６の左上図は、図５Ｂに示すスペクトルをローレンツ関数により非線形最小２乗法により近似したときの、各励起子ピークに対応するピーク強度の偏光依存性を示す図である。横軸は偏光角であり、縦軸は四光波混合の回折信号強度を示す図である。但し、励起子の増加につれて現れる多体効果に基づく励起子強度の飽和の影響を除去するために図１のふたつ光パルスの試料表面への到達時間を調整した後の実験値と理論計算値とを比較した図である。このように、回折光強度は振動子強度の４乗に相当し、図３及び図４に示した線形分光（振動子強度に比例）による評価と比較して強度が著しく大きいことがわかる。さらに、基板の結晶軸方向と偏光による強度変化とが対応することが確認されている。すなわち、Ａ、Ｂ励起子は、一軸性歪によってスピンの足し合わせ方が異なる二つの準位に分裂している。このことはピークエネルギーの変化から確認できる。【００２７】  このように、強度と励起子エネルギーとの角度θ依存性の実験値（強度比Ｉｍａｘ／Ｉｍｉｎ）は、図６真ん中の図に示すような振動子強度ｆに対して（ｆｓｉｎθ）４を仮定した理論値とほぼ一致しており、上記の原理に基づく現象であることが明らかになったと言える。【００２８】  図６の左下の図は、ＡおよびＢ励起子エネルギー値の偏光依存性を示す図である。横軸は偏光角θであり、縦軸は励起子エネルギーである。Ａ励起子とＢ励起子との各々が、スピンの足し合わせが異なる２つの準位に分離しており、偏光角に依存してそれぞれの励起子準位エネルギーの変化が観測されている。Ａ，Ｂ各励起子準位の分裂幅は１ｍｅＶ以下と非常に小さい値ではあるが、光学異方性を反映した偏光依存性が明確に観測されている。【００２９】  尚、偏光依存性を持つ励起子エネルギーの分裂幅を見積ることにより、例えばレーザー発振利得の見積もりが可能であり、励起子エネルギーの分裂幅は光学素子の設計上、非常に有益な知見が得られる重要な物性値である。【００３０】  一方、図６の右側の図はｆｓｉｎθを仮定した場合の計算値であり、従来手法である線形分光を利用した偏光解析結果に対応する。この場合には、強度比（Ｉｍａｘ／Ｉｍｉｎ）が実験値とは大きく異なることがわかる。また本手法の強度比は従来手法の理論計算結果に比べると、１０倍程度向上しており、高感度化の実現が確認できる。【００３１】  図７Ａ、図７Ｂは、一般的には理想的には無歪と考えてよいＧａＮ薄膜（図８Ａは基板を除去したＧａＮ層：厚さ７０μｍの試料、図８Ｂは等方的な基板上に成長されたＧａＮ層：厚さ２．３μｍの試料）を、本実施の形態による光計測評価装置を用いて評価した結果をそれぞれ示す図である。このような試料に関しては従来の方法では歪みを見積もることは困難であったが、本実施の形態による光計測評価装置を用いると、図示するように偏光角θに対して周期的な濃淡の存在を確認できることがわかる。これは、歪みの検出精度が従来手法と比較して大きく向上していることを示すものである。以上、本実施の形態による光計測評価装置によれば、微小な光学異方性変化の検出に四光波混合法を用い、試料の面内方向に等方的な薄膜において、励起する光パルスの偏光を回転させることにより現れる回折光強度の大きな異方性に基づいて、一軸歪等の結晶に内在する非等方性を精度良く評価することができる。また、非等方的な外場がもたらすスピン交換相互作用に起因したスピンの足し合わせで表されるような電子バンド構造の微小なエネルギー変化やエネルギー分裂を見積ることもできる。【００３２】  次に、本発明の第２の実施の形態による光計測評価技術について図面を参照しつつ説明を行う。本実施の形態による測定系は、図１Ｃに示す光測定評価装置と異なり、回折格子により光パルスを偏光のそろえられた二つのパルスに分離するステップを有することを特徴とする。図８は、本���施の形態による光計測評価装置の一構成例を示す図である。図８に示すように、本実施の形態による光計測評価装置Ｂは、図１Ｃに示す光計測評価装置Ａが時間変化を測定するために光学遅延系を用いているのに対して、回折格子により光パルスを２つに分離するステップを導入することにより簡略化される。すなわち、図７に示すように、本実施の形態による光計測評価装置Ｂは、光パルスＬ１１を発生する光パルス発生器５１と、発生した光パルスＬ１１を受けるレンズ５３と、レンズ５３から出射した光パルスを受けてこれを２つに分離する回折格子５５と、回折格子５５により２つに分離された光パルスＬ１２、Ｌ１３を、それぞれ平行光にするレンズ５７と、光パルスＬ１２、Ｌ１３の偏光を回転ステージ５１ａに設置した半波長位相板（波長板）５１により回転し、レンズ６３により試料Ｓ上に波数ｋ１と波数ｋ２の光パルスを合焦させ、四光波混合により波数２ｋ１−ｋ２の回折光として分光器６５により分光する。尚、回転ステージ５１ａと分光器６５とは、パーソナルコンピュータＰＣ６７により、自動的にピークエネルギー、ピーク強度を取り込むように制御される。【００３３】  本実施の形態による光計測評価技術においても、第１の実施の形態と同様に一軸歪等による非等方性の変化の存在を精度良く評価することができる上に、回折格子により光パルスを正確に同じ光強度で二つの光路に分離でき、かつ、試料上での２つの光パルスの時間的・空間的な重なりが自動的に保証されるため、測定系を簡単化できると同時に光パルスの経路の調整が不要になるという利点がある。【００３４】  次に、本発明の第３の実施の形態による光計測評価技術について図面を参照しつつ説明を行う。図９に示す本実施の形態による測定装置は、空間的な異方性分布を求めることを特徴とする。空間的な異方性分布を取得するために、試料の空間移動を含めた光学系が必要となる。図９に示すように、本実施の形態による光計測評価装置Ｃは、光パルス発生器７０と、波長板７１と、ハーフミラー７３と、第１のミラー７５及び第２のミラー８１と、第１の対物レンズ７７及び第２の対物レンズ８３と、試料Ｓと、ｘｙｚ軸ステージ８５と、を有している。光パルス発生器７０から出射した光パルスＬ２１は、回転ステージ７１ａを有する波長板７１と、回転ステージ７１ａを設けた波長板７１により偏光回転された光パルスを２方向に分離して光パルスＬ２２と光パルスＬ２３とに分離するハーフミラー７３と、光パルスＬ２２を反射させて試料Ｓの一方側から入射する方向に変更するミラー７５と、光パルスＬ２３を反射させて試料Ｓの他方側から入射する方向に変更するミラー８１と、ミラー７５により反射された光パルスＬ２４を試料Ｓ上に合焦させる対物レンズ７７と、ミラー８１により反射された光パルスＬ２５を試料Ｓ上に合焦させる対物レンズ８３と、試料Ｓを保持し、ｘ−ｙ−ｚ軸上に移動させることができるｘｙｚ軸ステージ８５と、を有している。【００３５】  四光波混合分光は、指向性の高い回折光として信号を出射する。このことは、例えば等方的に発せられる発光と比較して背景雑音（例えば励起光によるレイリー散乱光）の低い信号検出を可能にすることを意味する。【００３６】  ��かしながら、四光波混合信号を励起光と分離して得るためには、方向の異なる二つの励起光の焦点を一致させるように集光する必要がある。本実施の形態による評価装置では、非同軸でかつ高い空間分解能を得るために、対向方向で励起光を照射している点に特徴がある。高い空間分解能を得るために、二つの励起光の光軸を対物レンズの中心付近に設定し、焦点を一致させる。四光波混合信号は方向のわずかな違いを反映し、励起光と異なる光軸を通って検出される。これにより、励起光と四光波混合信号とを分離しつつ、空間的に微小な領域へ励起光の集光を達成することが可能となる。【００３７】  特に、上記構成を用いて、ＸＹＺステージにより光パルスが焦点を結ぶ試料の場所を変化させ、各点における異方性を偏光を回転させることにより３次元的にマッピングする。これにより非等方的な外場の分布を見積ることが可能となる。例えば薄膜に貫通転移等の欠陥が存在すると、欠陥の回りに非等方的な歪が誘起され、偏光に対する異方性が観測される。３次元的な光学異方性の観測により、欠陥分布の光学的評価も可能となる。【００３８】  以上、本発明の各本実施の形態による光計測評価方法は、非線形な測定方法であるため、パワー密度に強く依存する。その結果、光パルスの焦点位置に対して敏感であり、光吸収による損失が許容される範囲であれば、薄膜内部のイメージングが可能となる。この手法によれば、例えば歪に対する基板の影響を評価することが可能となる。【００３９】  尚、上記各実施の形態における光学異方性の評価対象としては、等方的な薄膜結晶に対して、非等方的な外場が加わる場合にも利用することができる。また、上記各実施の形態では、窒化ガリウム半導体薄膜を例に、一軸性歪に対する光学異方性評価技術について説明したが、本発明は材料、歪みの性質などにおいて限定されるものではない。例えば、励起子が関与する現象を示す材料であれば、液晶材料、有機半導体材料、も測定対象である。さらに、バルクの表面解析にも利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】  本発明は、光学デバイスや電子デバイスに不可欠な薄膜の光学異方性を精度良く評価することができる薄膜評価装置及び薄膜評価技術として有用である。
【図１Ａ】
2006051766.tif 000002
【図１Ｂ】
2006051766.tif 000003
【図１Ｃ】
2006051766.tif 000004
【図２】
2006051766.tif 000005
【図３】
2006051766.tif 000006
【図４】
2006051766.tif 000007
【図５Ａ】
2006051766.tif 000008
【図５Ｂ】
2006051766.tif 000009
【図６】
2006051766.tif 000010
【図７Ａ】
2006051766.tif 000011
【図７Ｂ】
2006051766.tif 000012
【図８】
2006051766.tif 000013
【図９】
2006051766.tif 000014
【国際調査報告】
2006051766.tif 000015
2006051766.tif 000016
2006051766.tif 000017
2006051766.tif 000018