JP2008224622A - 光量分布測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受光部の入射角度依存性を考慮し、光量分布測定方法、および装置の改良を目的とする。すなわち、簡便な測定系で指向性のある露光エリアの光量分布を精度良く測定する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】入射光の入射角度により測定される光強度値が異なる光量測定装置において、該入射角度に対する依存性に基づき、測定された光強度値を修正し出力する光量測定装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、指向性のある光源により照明された部分の光量分布の計測技術に関する。

サンプルにある広がりのある露光を行なう場合、単なる照明を行なうのでないかぎり、その露光エリアにおける光量分布は常に問題になる。これはサンプルに露光による影響がある場合、場所による不均一さを避けるためであり、同時にサンプルにどれだけの露光エネルギーを与えたかを把握しやすくするためにも、サンプル全体に均一な露光をすることが求められるからである。
露光面における光量分布を測定する方法として、簡易的な方法には光センサ（フォトダイオード）にマスク（数ｍｍφ、または□の小さい穴あき）をつけ、露光面をステップで移動させ、受けた光照度に対応した電流値を負荷抵抗により電圧に変え、これをデジタルマルチメータ等に入力し値を読む方法がある。読みとった値と位置の情報との対応から、光量分布データを得る。
また、測定に精度を要求される場合は、この受光部分を市販の光量計にかえて行なうことも可能である。ただし、市販の光量計は一般的にレスポンスが遅く、露光エリアが広い場合や、位置に対する分布データを細かく見たい場合など、測定ポイントが多い場合には、測定に時間がかかるという欠点がある。
分布データを素早く得るために、センサが一定間隔で並んだ光センサアレイを使うことも知られている。
また、露光面にレンズの焦点を合わせ撮像管、あるいはＣＣＤカメラで撮影し、観察する方法もある。これらは一度で光量分布データを得る方法であるが、測定系が複雑になること、コストがかかること、等の問題がある。光量分布測定とは少々異なるが、レーザのビーム径を知るために光センサの前にナイフエッジを置き、ビームに対し、一方から横断させ、光パワーを測定し、光センサの測定した光電流をナイフエッジの移動距離で微分することでビーム径を知る方法もある（ナイフエッジ法）。
測定時間がかかることを問題としない場合は市販の光量計を使うのは測定精度の点で有利である。この場合には受光面に置かれた光センサに小さなマスクをつける、あるいは受光面には口径の小さなファイバーを置き、他端からの出射光を光センサに入力させる方法がある。

本発明者は、既に、「光照射面の位置に全照射面積より小さいサイズである光センサがおかれ、該光センサへの入射光量に比例して、光センサの端子間容量に蓄積される電荷量（信号）をトリガー信号により繰り返し読み出す方法をとるものであって、トリガー信号の周期より短いパルス幅の時間を光量測定時間として光センサへの電荷蓄積が行われ、光センサから読み出される信号および、読み出し毎に変えた信号測定時間とからなる一組のデータ、あるいは該一組のデータに該光センサが置かれた測定位置の情報を加えて一組のデータとし、該一組のデータを複数記憶する一時記憶装置と、一時記憶された複数の信号データを比較する演算装置と、比較の結果を記憶する記憶装置と、記憶されたデータを表示する表示装置からなることを特徴とする照度計測装置」、「前記演算装置により比較された信号（電荷量のデータ）のうち、信号データが光量計測システムの計測可能の上限値を超えない最大値と上限値×０．１の範囲にあるとき、そのときの信号測定時間を記憶し、これを最終光量測定データとして記憶することを特徴とする前記光量計測装置を用いた照度計測方法」、及び「前記光センサのサイズをＳとしたとき、該光センサの中心がＳ以上の一定間隔で位置を移動してその位置の最終光量測定データを測定位置の情報と共に記憶することを全照射面にわたって繰り返し、各位置における最終光量測定データについて［最終光量測定データ÷信号測定時間］を計算し、該データを記憶し、位置情報と共に表示することを特徴とする前記光量計測装置又は前記照度計測方法を用いた照度分布計測装置」及び「前記光センサ素子が１次元あるいは２次元に並んだ光センサアレイであって、アレイ素子全数は同時、あるいは個別に光量測定するように構成されており、信号測定時間を昇順、あるいは降順に変えて、各アレイ素子で最終光量測定データが得られるまで繰り返しの測定を続け、各素子における最終光量測定データについて［最終光量測定データ÷信号測定時間］を計算し、該データを記憶し、各素子の位置情報と共に表示することを特徴とする前記光量計測装置又は前記照度計測方法を用いた照度分布計測装置」を提案している（特許文献１：特願２００５−２４０５３０号明細書）。

このときに問題になるのは、光源が露光エリアに対し小さく、光源からの光が散乱光ではなく指向性をもつ場合である。
指向性を持つと、露光エリア内の位置毎に入射角度が異なり、受光部（マスク、あるいはファイバー面）の入射角度依存性が大きいとその影響が受け、測定値が真の値からずれることになる。
これを避けるために、入射角度依存性が極力小さいセンサを受光部にすることは一つの解決手段である。しかし、光量計測が入射角度に全く依存しないセンサはなく、ある角度範囲までは依存性が無視できる程度に小さいが、そこを超えると無視できないなどの問題を抱える。

特許文献２（特開２００１−２８１０９７号公報）には、本文中に放物面ミラーで反射した全反射光量を測定する際に、放物面ミラーの反射率に入射角度依存性がある場合について、「入射角度依存性を測定し、予めその不均一性を確認した上、光検出器で受光された光を電気信号に変換する際に、前記不均一性を補正すればよい」との記載がある。放物面ミラーにおいては反射率の入射角度依存性があること、予め依存性データをとり、反射光量値を補正することは公知の技術である。

特願２００５−２４０５３０号明細書及び図面 特開２００１−２８１０９７号公報

本発明は、特許文献２記載の技術と類似する部分はあるが、放物面ミラーとは異なる受光部の入射角度依存性を考慮し、光量分布測定方法、および装置の改良を目的としている。すなわち、本発明は、簡便な測定系で指向性のある露光エリアの光量分布を精度良く測定する方法を提供することを目的とするものである。

上記課題は、本件発明の（１）〜（３）によって解決される。
（１）「入射光の入射角度により測定される光強度値が異なる光量測定装置において、該入射角度に対する依存性に基づき、測定された光強度値を修正し出力する光量測定装置」、
（２）「指向性のある入射光に対し受光部の入射光量に対する入射角度依存性を予め測定し、記憶装置に保持しており、このデータと光源部と受光部の配置関係から入射角度を算出することで、測定された光強度値を修正して出力し、測定位置を変え上記測定を繰り返す光量分布測定方法」、
（３）「指向性のある入射光に対し位置を変えての光量測定時、光源部と受光部の配置関係から入射角度を算出し、受光面に対し入射光が垂直入射になるよう受光部の角度を変えて測定する光量分布測定方法」。

上記第（１）項記載の本発明によれば、入射光の入射角度により測定される光強度値が異なる光量測定装置において、該入射角度に対する依存性に基づき、測定された光強度値を修正し出力することで、正確な光量測定が可能となる。
上記第（２）項記載の本発明によれば、指向性のある入射光に対し受光部の入射光量に対する入射角度依存性を予め測定し、記憶装置に保持し、このデータと光源部と受光部の配置関係から入射角度を算出したデータとで、測定された光強度値を修正して出力し、測定位置を変え上記測定を繰り返すとき、正確な光量分布測定が可能となる。
また、上記第（３）項記載の本発明によれば、指向性のある入射光に対し位置を変えての光量測定時、光源部と受光部の配置関係から入射角度を算出し、受光面に対し入射光が垂直入射になるよう受光部の角度を変えて測定することで、正確な光量分布測定が可能となる。

［光量測定装置］
本発明の光量測定装置は例えば、光を出射する光学系と、該光学系からでた光が照射する面と、その照射面に置かれた受光部（光センサ＋マスク、あるいはファイバー）と、光センサに入射した光の光量を測定する測定手段とからなる測定系で、該照射面の光量分布を測定するとき、受光部入射光量値を入射角度依存性に基づき修正して出力するシステムとすることができる。

［光量分布測定方法１］
本発明の、指向性のある入射光に対し受光部の入射光量に対する入射角度依存性を予め測定し、記憶装置に保持しており、このデータと光源部と受光部の配置関係から入射角度を算出することで、測定された光強度値を修正して出力し、測定位置を変え上記測定を繰り返す光量分布測定方法（以下「光量分布測定方法１」ともいう）は、例えば図３（測定系の上面図）に示す如く、指向性を持つ光源としてはレーザがあり、レンズ光学系（図に不示）でビームウェスト（垂直方向）が最小になる位置（２）（ピントが合う位置の意味）に照射する。照射面（２）の位置にはファイバー（６）（例えば口径１０μｍ）を回転機構付きの台座（４）に置き、他端（出射端）を光量計の光センサ（図に不示）に接続する。ファイバー受光面（７）を光源と平行に対向するように設置し、回転機構で水平方向に徐々に受光面を回転すると（台座の回転中心（８）と受光部は一致）、測定される光量は回転につれ徐々に小さくなり、ファイバー（６）の入射角度依存性があることが確かめられる。

最初の位置を角度０°とし、回転させたときの角度と光量値のデータを取り、最大値で規格化することで、入射角度依存性のデータが得られる。仮に回転角度θ_ｋのときＰ_ｋ（最大値で規格化された値）とすると、指向性のある光源で照射された広い露光領域の光量分布測定に置いて、中心位置より角度θ_ｋだけ離れた位置であれば測定された光量値Ｐ’に対し、Ｐ’／Ｐ_ｋの演算を施すことで、この位置の真の光量値が得られる。これは露光エリアの光量分布のうち水平方向について説明したが、垂直方向に測定位置を動かしても同じ修正が可能である。
つまり、２次元に広い露光エリアである場合、正確な２次元の分布測定も可能となる。さらに測定時に光源と受光部の配置関係から受光部の位置での入射角度を割り出し、その角度分だけ受光部を回転させることで（受光部分が回転中心であることが必要）、受光部と光源がいつでも対向するようにして測定することもできる。この場合には予め入射角度依存のデータをとる必要はなく、正しい光量分布測定が可能となる。

［光量分布測定方法２］
本発明の、指向性のある入射光に対し位置を変えての光量測定時、光源部と受光部の配置関係から入射角度を算出し、受光面に対し入射光が垂直入射になるよう受光部の角度を変えて測定する光量分布測定方法（以下「光量分布測定方法２」ともいう）は、さらに測定時に光源と受光部の配置関係から受光部の位置での入射角度を割り出し、その角度分だけ受光部を回転させることで（受光部分が回転中心であることが必要）、受光部と光源がいつでも対向するようにして測定することもできる。この場合には予め入射角度依存のデータをとる必要はなく、正しい光量分布測定が可能となる。

以下、実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。
（実施例１）
［光量測定装置］
図３に示す如く、指向性を持つ光源としてはレーザユニット（３）から照射されるレーザを使用し、レンズ光学系（図に不示）でビームウェスト（垂直方向）が最小になる位置（２）（ピントが合う位置の意味）に照射する。照射面（２）にはファイバー（６）（この例では口径１０μｍ）を回転機構付きの台座（４）に置き、他端（出射端）を光量計の光センサ（図に不示）に接続する。この例の測定系は、水平・垂直精密移動機構付き移動ユニット（５）をも併せて有する。ファイバー受光面（７）を光源と平行に対向するように設置し、回転機構で水平方向に徐々に受光面を回転すると（台座の回転中心（８）と受光部（７）は一致）、測定される光量は回転につれ徐々に小さくなり、ファイバー（６）の入射角度依存性があることが確かめられる。

［使用したもの（主たる構成品）］
・線状ビーム：Lyte-MVレーザラインジェネレータモジュールGrobal Laser社製）
波長：６３５ｎｍ
ライン放射角：３０°（全角）
モジュール出射端から照射面までの距離は８８ｍｍとし、照射面で焦点が合うように調整した。このとき線状の長さ（水平方向）は概略５５ｍｍで、出射端からモジュール内部の光学部品までの距離１５ｍｍを考慮すると、焦点距離は概ね１０３ｍｍとなる。
・光量計：型式３２９２（横河電機製）−ファイバーで光量入射
・精密移動ステージ：水平・垂直移動用 型式 ＫＳ７０１−３０ＬＭＳ（駿河精機 社製）、ステージコントロールドライバ 型式 Ｄ２２４（駿河精機 社製） 回転ステージ 型式ＫＳ４０２−７５（駿河精機 社製）
・ファイバー：口径１０μｍ
・その他：光学スタンド、ファイバー固定治具等

（比較測定）
比較のために、本発明の方法を採らない方法で測定を行なう。
上記機器を使い、線状ビームの中心位置に受光部（ファイバー）を置いた。受光部は水平移動用精密移動ステージに治具を使い固定された。ただし、水平移動用のステージの移動距離がおよそ２５ｍｍのため、中心より左右へそれぞれ１０ｍｍ、すなわち２０ｍｍの範囲の光量分布を測定した。結果は図１に示すように、中心で照度が強い分布となった。分布データは、得られたデータの最大の値で規格化している。

（実施例２）
［光量測定装置］及び［光量分布測定方法１］
線状ビームの中心位置に受光部（ファイバー）を置いた。受光部は水平移動用精密ステージと回転ステージを組み合わせたステージ上に治具を使い固定された。同時に受光部は回転ステージの回転中心位置に来るように固定し、線状ビームの中心に位置するようにした。この状態で、受光部を０．５５°のステップで回転し、各ステップでの測定光量を記録した。角度範囲は０〜６°とした。この範囲は中心より最大の離れる位置が１０ｍｍであるため、ｔａｎ^−１（１０／１０３）＝５．５４°が最大の入射角度になることから決めた。またステップ角度は水平方向に１ｍｍステップで移動させることから、ｔａｎ^−１（１／１０３）＝０．５５°から決めた。得られたデータを最大値（受光部が光源に対し正面を向いているときの値）を１として規格化して、表１のデータが得られた。このデータを測定システムの記憶装置に入れた。次に実施例１と同様にして、受光部を線状ビームの中心から右１０ｍｍの位置から左１０ｍｍまで１ｍｍステップで２０ステップ、２０ｍｍ水平移動させ、各ステップ毎の光量を測定し、これをＰとし、同じ入射角度の先に得られた規格化データをＫとすると（真の値）×Ｋ＝ＰよりよりＰ／Ｋを計算することで（真の値）を得た。この結果は図２に示す。
実施例１とは大きく異なる結果が得られた。

（実施例３）
［光量測定装置の他の例］及び［光量分布測定方法２］
実施例２と同様にして、受光部を線状ビームの中心から右１０ｍｍの位置から左１０ｍｍまで１ｍｍステップで２０ステップ、２０ｍｍ水平移動させた。このとき受光部は回転ステージの回転中心位置にあるように配置を決めた。水平方向移動の各ステップにおける中心からの移動距離をＸとすると、入射角度はｔａｎ^−１（Ｘ／１０３）で算出されるので、各ステップ毎に入射角度分だけ受光部を光源側に回転させ、光源部と対向するようにした。得られたデータは実施例２と同様の光量分布を示した。

従来方法による指向性のある光の光量分布測定データの例である。 本発明による指向性のある光の光量分布測定データの例である。 実施例における光量分布測定の装置構成（上面図）を示す図である。

符号の説明

１ 露光面にピントを合わせたときの線状ビームの水平方向長さ（例示装置では５５ｍｍ）
２ 照射面で光量分布を測定する範囲（例示装置では２０ｍｍ）
３ 線状ビームレーザユニット
４ 回転ステージ（台座）
５ 水平・垂直精密移動ステージ
６ ファイバー
７ 受光面（ファイバー先端）
８ 回転中心

Claims (3)

1. 入射光の入射角度により測定される光強度値が異なる光量測定装置において、該入射角度に対する依存性に基づき、測定された光強度値を修正し出力する光量測定装置。
2. 指向性のある入射光に対し受光部の入射光量に対する入射角度依存性を予め測定し、記憶装置に保持しており、このデータと光源部と受光部の配置関係から入射角度を算出することで、測定された光強度値を修正して出力し、測定位置を変え上記測定を繰り返す光量分布測定方法。
3. 指向性のある入射光に対し位置を変えての光量測定時、光源部と受光部の配置関係から入射角度を算出し、受光面に対し入射光が垂直入射になるよう受光部の角度を変えて測定する光量分布測定方法。

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