JP2006017838A

JP2006017838A - 光強度分布調整フィルタ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2006017838A
Application number: JP2004193253A
Authority: JP
Inventors: Misako Kobayashi; 美佐子小林; Yoshio Mori; 芳雄森
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】光源の光強度分布を精度よく所望の分布に調整することができる光強度分布調整フィルタを提供する。
【解決手段】本発明の光強度分布調整フィルタのひとつは、一方の面が凹面であり、他の面が平面である第１透明板１１と、一方の面が上記凹面と相補的な凸面であり、他の面が平面である金属層１３が形成された第２透明板１４と、上記凹面と上記凸面とを接着する接着層１２とを備える。また、上記金属層１３の光進行方向の厚さがｚであり光吸収率がαであるとき、入射光輝度に対して、上記金属層１３透過後の輝度比は（１−ｚ・log₁₀（１／（１−α））である。軸対称のガウス分布の光強度分布は、上記凹面と上記凸面を球面とすることにより平坦化される。
【選択図】図１

Description

本発明は、スペックルパターンを生じさせることなくレーザ光などの可干渉光の光強度分布を調整することができる光強度分布調整フィルタ及びその製造方法に関する。

２次元平面上での光強度分布を調整する方法は、いくつか知られている。
例えば、顕微鏡の視野内で被観察物体を均一に照明するには拡散板が用いられる。その場合、拡散板により光源（ナトリウムランプやハロゲンランプなど）のフィラメントの像をぼかし、拡散板によるざらつきも見えないようにするため、光源の像に対して、複数の絞りの位置と、複数のレンズからなる結像レンズ系の共役点を調整する必要がある（特許文献１）。

また、ステッパ（半導体縮小投影露光機）などでは、光源光束の中心部を暗くして解像限界付近の像のコントラストを向上させるため、フライアイレンズの後段（投影光学系の開口絞りの位置）に、中心部を遮光するとともに周辺光へ向かって連続的に透過率が上昇するフィルタを用いる（特許文献２）。
また、レーザ光は、光強度がガウス型分布に従うため、レーザビームを一旦集光レンズで集光して拡大した後、中心部分の光を拡散板などのようにランダムな粗面を有するフィルタ、又は、数ミクロンの凹凸を規則的に形成した透明フィルタなどを通過させ、光強度分布をより均一にすることもよく行われている。
特開平１１−２８７９５５号公報（図１）特開平５−３１５２２６号公報（図４）

しかし、特許文献１のように、拡散板を用いたのでは、倍率が変わるごとに光学系を調整し直す必要がある。また、拡散板などの粗い表面や不均質な媒質によりレーザ光が散乱されるとコントラストの高い斑点状の模様（スペックルパターン）が生じるため、拡散板などは高精度な干渉計測には使用できない。
また、特許文献２のように、透過率分布フィルタを用いたのでは、真空蒸着などで形成する金属膜の厚さ分布により透過率を変化させるため、透過率分布を所望のものとするには精度が足りない。

また、レーザビームを一旦集光する方法を用いたのでは、集光レンズを入れ替えるごとに、光学調整をし直す必要がある。この作業が光源側であればそれだけ下流の光学系に影響を及ぼし、再調整が煩雑化するという難点がある。
そこで、本発明は、スペックパターンを生じさせることがなく、光学系の再調整が不要であり、光源の光強度分布を精度よく所望の分布に調整することができる光強度分布調整フィルタを提供することを目的とする。

本発明の光強度分布調整フィルタは、入射光の２次元的光強度分布を、平坦化したり、所望の分布に調整したりするため、一方の面が凹面であり他の面が平面である透明板と、その凹面と相補的な凸面を有する光吸収板とを貼り合わせたフィルタに光を入射させる。
具体的には、請求項１に係る発明は、一方の面が凹面であり、他の面が平面である第１透明板と、一方の面が前記凹面と相補的な凸面であり、他の面が平面である金属層が形成された第２透明板と、前記凹面と前記凸面とを接着する接着層とを備えることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の光強度分布調整フィルタにおいて、前記金属層の光進行方向の厚さがｚであり光吸収率がαであるとき、前記金属層の光透過後の輝度比が（１−ｚ・log₁₀（１／（１−α））であることを特徴とする。
また、請求項３に係る発明は、請求項１記載の光強度分布調整フィルタを製造する製造方法において、前記凹面及び前記凸面を機械研磨によって形成することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、一方の面が凹面であり、他の面が平面である透明板と、
一方の面が前記凹面と相補的な凸面であり、他の面が平面である光吸収板と、前記凹面と前記凸面とを接着する接着層とを備え、前記光吸収板は、金属材料と透明材料の混合物であることを特徴とする。
また、請求項５に係る発明は、請求項４記載の光強度分布調整フィルタにおいて、前記光吸収板の光進行方向の厚さがｚであり光吸収率がαであるとき、前記金属層の光透過後の輝度比が（１−ｚ・log₁₀（１／（１−α））であることを特徴とする。

また、請求項６に係る発明は、請求項４記載の光強度分布調整フィルタにおいて、前記透明板と前記光吸収板の屈折率は略等しいことを特徴とする。
また、請求項７に係る発明は、請求項４記載の光強度分布調整フィルタにおいて、前記光吸収板の前記透明材料は、ガラス又はプラスチックであることを特徴とする。
また、請求項８に係る発明は、請求項４記載の光強度分布調整フィルタを製造する製造方法において、前記凹面及び前記凸面を機械研磨又は型押しによって形成することを特徴とする。

また、請求項９に係る発明は、請求項１又は４記載の光強度分布調整フィルタにおいて、
前記凹面及び凸面は、球面であることを特徴とする。

本発明によれば、スペックパターンを生じさせることがなく、光学系の再調整が不要であり、光源の光強度分布を精度よく所望の分布に調整することができる光強度分布調整フィルタが提供される。
特に、光強度分布調整フィルタはフラット板と同じ機能を持ちそれ自体は光学的パワー（屈折力）を持たないため、入射する光が平行光であるときは、出射光も平行光となり、光強度分布調整フィルタ透過以降の光学系を再調整する必要はない。

したがって、本発明によれば、高精度の干渉計を作成することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
［実施形態１］
図１（Ａ）は、本発明の実施形態１の光強度分布調整フィルタの断面図である。
光強度分布調整フィルタ１０は、第１透明板１１と、接着層１２と、金属層１３と、第２透明板１４とからなる。

第１透明板１１のひとつの面は凹面であり、他の面は平面であり、その材料には、光透過率が高い光学ガラス又はＰＭＭＡなどのプラスチックを用いるとよい。
ガラスを使用するときは機械研磨により凹面を形成し、プラスチックを使用するときは型押しにより凹面を形成する。
次に、接着層１２は、有機系接着剤が好適であり、その厚さは薄い程よい。また、屈折率は、第１透明板の屈折率に近いほどよい。これにより、第１透明板１１と接着層１２の境界面での屈折が極力抑制され、光強度分布調整フィルタ１０が光学的パワー（屈折力）を持たないようにする。

次に、金属層１３は、ひとつの面が第１透明板１１の凹面と相補的な凸面であり、他の面が平面である。すなわち、凸面と凹面とを直接接触させれば完全に密着する関係にある。但し、完全に相補的であることは現実には不可能であるため、実質的に相補的であればよい。
入射光輝度に対して、金属層１３透過後の輝度比は、金属層１３の光進行方向の厚さがｚであり光吸収率がαであるとき、（１−ｚ・log₁₀（１／（１−α）））である。

金属層１３の材料は、特に制限なくいろいろな元素から選択することができる。しかし、金属を用いる理由は、広い波長範囲域で透過率を一定とする可能性があるためであり、いかなる光源を使用しても、光強度分布調整フィルタ１０を交換しなくてすむ利点があるからである。したがって、金や銀などのように、分光透過率が大きく変化するような元素を単独で使用することは好ましくない。また、金属層としての分光透過率を一定にするため、数種類の元素を使用するとよい。

金属層１３は真空蒸着やメッキなどにより形成し、その凸面を機械研磨により形成する。
次に、第２透明板１４は、平行平板であり、その材料は、ガラス又はプラスチックであり、必ずしも第１透明板と同じ材料である必要はない。その理由は、金属層１３と第２透明板１４との界面では屈折が起こらず、光強度分布調整フィルタ１０に光学的パワーを与えることはないからである。

［実施形態２］
図１（Ｂ）は、本発明の実施形態２の光強度分布調整フィルタの断面図である。
光強度分布調整フィルタ２０は、透明板２１と、接着層２２と、光吸収板２３とからなる。
透明板２１のひとつの面は凹面であり、他の面は平面であり、その材料には光透過率が高い光学ガラス又はＰＭＭＡなどのプラスチックを使用する。

ガラスを使用するときは機械研磨により凹面を形成し、プラスチックを使用するときは型押しにより凹面を形成する。
次に、接着層２２は、有機系接着剤が好適であり、その厚さは薄い程よい。また、屈折率は、透明板２１の屈折率に近いほどよい。これにより、透明板２１と接着層２２の境界面での屈折が極力抑制され、光強度分布調整フィルタ２０が光学的パワー（屈折力）を持たないようにする。

次に、光吸収板２３は、ひとつの面が透明板２１の凹面と相補的な凸面であり、他の面が平面である。すなわち、凸面と凹面を直接接触させれば完全に密着する関係にある。但し、完全に相補的であることは現実には不可能であるため、実質的に相補的であればよい。
光吸収板２３の材料は、金属材料と透明材料の混合物であり、入射光輝度に対して、光吸収板２３透過後の輝度比は、光吸収板２３の光進行方向の厚さがｚであり光吸収率がαであるとき、（１−ｚ・log₁₀（１／（１−α）））である。図１（Ｂ）に示すように、金属粒子２４と透明材料２５を均一に分散させて固化させ、光吸収板２３を形成する。光吸収板２３の光吸収率は、金属粒子の含有量が高いほど高くなる。

金属材料としては、特に制限なくいろいろな元素から選択することができる。しかし、金属を用いる理由は、広い波長領域で透過率を一定とする可能性があるためであり、いかなる光源を使用しても、光強度分布調整フィルタ２０を交換しなくてすむ利点があるからである。したがって、金や銀などのように、分光透過率が大きく変化するような元素を単独で使用することは好ましくない。また、光吸収板２３の分光透過率を一定にするため、数種類の元素を用いるとよい。

また、透明材料には、透過率の高い光学ガラスやＰＭＭＡなどのプラスチックを用いるとよい。
ところで、透明材料の屈折率は、接着層２２の屈折率に近い程好適である。これにより、接着層２２と光吸収板２３との界面での屈折を抑制し、光強度分布調整フィルタ２０の光学的パワー（屈折力）を実質的にゼロとする。したがって、光吸収板２３の透明材料は同一であることが最も望ましい。

［凹面及び凸面の決定方法］
図２は、金属層１３、光吸収板２３の凹面及び凸面の決定方法について説明する光路図である。
光の進行方向をＺ軸とし、それに垂直な方向をＹ軸とする。曲面の頂点はＹＺ座標の原点にあり、金属層１３、光吸収板２３の光軸（Ｚ軸）上の厚さ（原点Ｏと点Ｄ（金属層１３の平面又は光吸収板２３がＺ軸を切る点））をｄ”とする。

また、光強度分布Ｆ（ｙ）の光が凸面側から入射するものとする。ここで、例えば、レーザ光のときは、Ｆ（ｙ）はガウス分布である。
また、光軸に平行な光線が点Ａに入射し点Ｂから出射するものとする。
点Ａから点Ｂまでの距離をｚとし、光吸収率をαとすると、光強度分布調整フィルタ１０または２０から出射する光量はＦ（ｙ）・（１−ｚ・log₁₀（１／（１−α）））となる。

光強度分布調整フィルタ１０または２０は、Ｆ（ｙ）を、別の分布Ｇ（ｙ）に変更するフィルタであるから、以下の式が成り立つ。
Ｇ（ｙ）＝Ｆ（ｙ）・（１−ｚ・log₁₀（１／（１−α）））
ここに、凸面のプロファイルＰは、（ｄ−ｚ）であるから、上式を解いて点Ａから点Ｂまでの距離ｚを求めればプロファイルＰが求まる。

このように、本発明の光強度分布調整フィルタ１０又は２０は，任意の光強度分布を別の任意の光強度分布に変更することができるフィルタである。
金属層１３又はガラスと金属粒子の混合物である光吸収板２３の凸面を形成するには、光軸からの距離ｙに対して、プロファイルＰを入力し、ＮＣ（数値制御）により機械研磨で曲面を形成する。また、プラスチックと金属粒子の混合物である光吸収板２３の凸面を形成するには、上述した機械研磨又は金型による型押し（プレス成形）による。

次に、具体例として、光強度分布Ｆ（ｙ）がガウス分布の平行光束を本発明の光強度分布調整フィルタ１０又は２０に入射させ、完全に平坦な光強度分布に調整して出射させる場合を考える。
このとき、Ｇ（ｙ）はｙによらず一定Ｃであり、軸上でＦ（０）を”１”に規格化するときＦ（ｙ）＝ｅｘｐ（−ｙ²／（２・ｗ²））である。ここに、ｗは、光強度が軸上での電場振幅の１／ｅとなる半径（ビーム径）である。

したがって、以下の式が成り立つ。
Ｃ＝（ｅｘｐ（−ｙ²／（２・ｗ²）））・（１−ｚ・log₁₀（１／（１−α）））
ｙ＝０のとき、ｚ＝ｄであるから、Ｃ＝（１−ｄ・log₁₀（１／（１−α）））となる。
したがって、ｙが小さいとき、
Ｐ＝（１／（log₁₀（１／（１−α）） - d)・（ｙ²／（２・ｗ²））となり、Ｐは放物線となる。

しかし、放物線をさらに円弧で近似してもよい。
したがって、軸対称の強度分布を有する入射光に対して、金属層１３又は光吸収板２３を球面研磨することにより、又は球面の金型により型押しすることにより、容易に所望の球面を形成し、ガウス分布を平坦化することができる。
［光強度分布調整フィルタの使用例］
図３は、本発明の光強度分布調整フィルタ１０または２０の使用例を説明するための光路図である。

本発明の光強度分布調整フィルタ１０または２０は、レーザ光などを利用して高精度の干渉計測を行うために用いてもよい。
そのため、光源からのレーザ光は、集光レンズ３０で一旦その焦点に集光され、コリメータレンズ３２で平行光束とされる。ただし、レーザ光の中心部分のみ使用するため、絞り３１により周辺光をカットする。コリメータレンズ３２を通過したレーザ光は依然として、ガウス分布の強度分布を有しているため、光強度分布調整フィルタ１０又は２０により、強度分布を平坦化する。

光強度分布調整フィルタ１０又は２０は光学的パワーを持たないため、レーザ光は平行光束のまま光強度分布調整フィルタ１０又は２０から出射する。

本発明の光強度分布調整フィルタの断面図である。光吸収層の曲面の決定方法を説明するための光路図である。本発明の光強度分布調整フィルタの利用方法を説明するための光路図である。

符号の説明

１０光強度分布調整フィルタ
１１第１透明板
１２接着層
１３金属層
１４第２透明板
２０光強度分布調整フィルタ
２１透明板
２２接着層
２３光吸収板
２４金属粒子
２５透明材料
３０集光レンズ
３１絞り
３２コリメータレンズ

Claims

一方の面が凹面であり、他の面が平面である第１透明板と、
一方の面が前記凹面と相補的な凸面であり、他の面が平面である金属層が形成された第２透明板と、
前記凹面と前記凸面とを接着する接着層とを備えることを特徴とする光強度分布調整フィルタ。
請求項１記載の光強度分布調整フィルタにおいて、
前記金属層の光進行方向の厚さがｚであり光吸収率がαであるとき、前記金属層の光透過後の輝度比が（１−ｚ・log₁₀（１／（１−α））であることを特徴とする光強度分布調整フィルタ。
請求項１記載の光強度分布調整フィルタを製造する製造方法において、
前記凹面及び前記凸面を機械研磨によって形成することを特徴とする製造方法。
一方の面が凹面であり、他の面が平面である透明板と、
一方の面が前記凹面と相補的な凸面であり、他の面が平面である光吸収板と、
前記凹面と前記凸面とを接着する接着層とを備え、
前記光吸収板は、金属材料と透明材料の混合物であることを特徴とする光強度分布調整フィルタ。
請求項４記載の光強度分布調整フィルタにおいて、
前記光吸収板の光進行方向の厚さがｚであり光吸収率がαであるとき、前記金属層の光透過後の輝度比が（１−ｚ・log₁₀（１／（１−α））であることを特徴とする光強度分布調整フィルタ。
請求項４記載の光強度分布調整フィルタにおいて、
前記透明板と前記光吸収板の屈折率は略等しいことを特徴とする光強度分布調整フィルタ。
請求項４記載の光強度分布調整フィルタにおいて、
前記光吸収板の前記透明材料は、ガラス又はプラスチックであることを特徴とする光強度分布調整フィルタ。
請求項４記載の光強度分布調整フィルタを製造する製造方法において、
前記凹面及び前記凸面を機械研磨又は型押しによって形成することを特徴とする製造方法。
請求項１又は４記載の光強度分布調整フィルタにおいて、
前記凹面及び凸面は、球面であることを特徴とする光強度調整フィルタ。