JPH0989650A

JPH0989650A - 光量計測装置

Info

Publication number: JPH0989650A
Application number: JP7245794A
Authority: JP
Inventors: Kajiro Ushio; 嘉次郎潮
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-09-25
Filing date: 1995-09-25
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】構成が簡便である、安価である、応答速度が
はやい、高精度の光量測定が可能である、という特徴を
有する光量計測装置を提供すること。【解決手段】音響発生部材２５に光１５を断続的に照
射したときの照射光吸収に起因する該部材２５の体積変
化により発生する音響信号を計測することにより、前記
照射光の光量を計測する光量計測装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光量計測装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】様々な光応用技術の進展に伴い、光学計
測の要求は益々高度化している。特に近年の傾向として
は、可視光に比べて波長が非常に長い、或いは短い光の
利用に関心が集まっていることが挙げられる。特に超短
波長の光では、各種エキシマレーザ等が微細加工やリソ
グラフィに用いられ、そのための計測評価が不可欠にな
りつつある。

【０００３】各種光学的計測のうち、光量計測は最も基
本的なものの一つである。一般的な光量計測方法として
は、フォトダイオード等の半導体タイプのセンサや光電
子増倍管（いわゆるフォトマル）を用いた計測方法があ
る。これらは基本的に、光照射により固体中あるいは真
空中に励起生成された光電子をカウントする方式による
計測方法である。

【０００４】これらの計測方法とは別に、照射光吸収に
よる受光部の温度変化を計測する方法も存在し、ワット
メータやジュールメータ等の光量測定機において使用さ
れている。この計測方法では、熱に変換された吸収光が
熱起電力として計測されたり（サーモパイル型、サーモ
ディスク型）、焦電効果による生成電荷として計測され
る（パイロ型）。

【０００５】前記の各計測方法はそれぞれ特徴を有し、
場合に応じて使い分けられている。一般に、応答速度、
感度などに優れるているのが光電子検出による計測方法
であり、また広帯域な波長対応、対応エネルギーレンジ
の大きさ、耐久性、安定性などに優れているのが熱変換
による計測方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、光量
計測の各方法はそれぞれ、原理的なものに起因する特徴
を有し、それぞれ使われる場面が異なっている。フォト
ダイオードやフォトマルを用いた光電子検出による計測
方法は、最も一般的な計測方法であり、応答性、感度に
おいて優れた方法であるが、問題点も存在する。

【０００７】即ち、特に波長が非常に短くなると、波長
感度がなくなったり、リニアリティ（光強度と出力の線
形関係）の範囲が小さくなることなどに起因して測定が
困難になる場合が多いという問題点がある。フォトマル
を用いた計測方法では、出力の長期安定性が良くないと
いう問題点がある。また、各種加工用に用いられるパル
スレーザーなど、大きなエネルギーの光が照射される
と、光学タイプの受光部は劣化をおこしやすく、所定の
性能を保持できない場合があり問題点となっている。

【０００８】光強度が大きいときには、何らかの減光を
行なって受光部へ入力される強度を低下させているが、
その場合には、減光手段であるフィルタ等の安定性が悪
いことがあり問題点となっている（特に、よく用いられ
るインコネル膜やクロム膜の透過率が強い光の照射によ
り変動することは知られている）。一方、熱変換型の素
子を用いた計測方法では、吸収による熱生成を利用した
計測であるため、波長感度域は広く（短波長域でも感度
があり）、波長による変化を小さくすることができ、較
正も容易である。

【０００９】また、受光部の耐久性は一般に大きく、エ
キシマレーザ等の高出力にも減光なしで対応でき、計測
できるエネルギーレンジも広い。さらに、長期にわたっ
て出力の安定性も得やすいという利点もある。しかし、
熱に変換するという計測方法であるため、応答速度は光
電子検出による計測方法と比較して遅く、特にサーモパ
イル型やサーモディスク型では数秒になる（このこと
は、単発のパルス形状の照射計測には不適当である）と
いう問題点がある。また、感度の点でも劣ることは否め
ず問題点となっている。しかも、半導体タイプの受光ヘ
ッドと比較して高価であるという問題点がある。

【００１０】さらに、上記すべての計測方法に対して言
えることであるが、受光部は計測光をほぼ１００％吸収
して検出する。このことは、光量計測をしながら、計測
光を用いて別の操作（加工、測定など）を行なう必要が
ある場合には、光路を分岐して計測する必要があるとい
うことを示す。しかし、光路を分岐するには、分岐のた
めに用いる光学部品の安定性にも留意しなければなら
ず、煩雑になるという問題点がある。

【００１１】このように、従来の計測方法はそれぞれ問
題点をかかえており、適宜性能のバランスを図りながら
用いられている。しかるに、十分に満足のいく性能が得
られない場合も多い。例えば、現在要請が増大している
エキシマパルスレーザーの光量計測に際しては、熱変換
による計測方法が主に用いられているが、上述したよう
に、サーモパイル、サーモディスクタイプにおいては、
その応答速度の遅さ故、ワンパルス毎の計測は困難であ
り、平均光量の計測（ワットメータ）にならざるを得な
いという問題点がある。

【００１２】また、パイロタイプの場合は、パルス計測
が可能になるが、精度が劣るという問題点がある。さら
に、未だに双方とも高価であることも、問題点と言え
る。本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであ
り、構成が簡便である、安価である、応答速度がはや
い、高精度の光量測定が可能である、という特徴を有す
る光量計測装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は第一
に「音響発生部材に光を断続的に照射したときの照射光
吸収に起因する該部材の体積変化により発生する音響信
号を計測することにより、前記照射光の光量を計測する
光量計測装置（請求項１）」を提供する。また、本発明
は第二に「少なくとも、前記照射光の光源、光源からの
光を前記音響発生部材に集光して照射する集光光学系、
前記音響発生部材が音響整合をとられた状態にて保持さ
れるホルダー、及び前記音響発生部材またはホルダーに
音響整合をとられた状態にて設けられた音響検知素子を
備えていることを特徴とする請求項１記載の光量計測装
置（請求項２）」を提供する。

【００１４】また、本発明は第三に「前記音響発生部材
として、基板上に形成した１層以上の薄膜を用いたこと
を特徴とする請求項１または２記載の光量計測装置（請
求項３）」を提供する。また、本発明は第四に、「前記
音響発生部材に照射光に対する反射防止層を設けたこと
を特徴とする請求項１〜３記載の光量計測装置（請求項
４）」を提供する。

【００１５】また、本発明は第五に「前記音響発生部材
による前記照射光の吸収率が１％以下であることを特徴
とする請求項１〜４記載の光量計測装置（請求項５）」
を提供する。また、本発明は第六に「前記音響発生部材
は、光学素子に設けられていることを特徴とする請求項
１〜５記載の光量（請求項６）」を提供する。

【００１６】

【発明の実施の態様】以下、本発明にかかる、光量計測
の原理を説明する。物質に光が照射されて吸収される
と、無輻射遷移の結果、熱が生成する。断続光が照射さ
れた場合には、加熱と冷却により、その物質の膨張およ
び緩和が音響波を形成する。

【００１７】音響波の強度や位相により、物質の無輻射
遷移に関する様々な情報を得ることができる。この情報
から光を照射した物質の物性を解析する方法は光音響法
と呼ばれる。音響は、マイクロフォンや、サンプル又は
そのホルダーにとりつけた圧電素子トランスデューサ
（音響検知素子の一例）などにより、電気信号に変換し
て検出する。この音響信号から、各物質材料の光吸収量
を算出する吸収計測が提案されており、この方法は比較
的簡便に行なえ、計測感度も高いことから、液体、粉
体、薄膜材料などに広く試みられている。

【００１８】音響波信号の大きさと光吸収量の関連は、
様々なケースで理論的に計算が試みられている（例えば
論文J.Appl.Phys, vol.47,No1, pp64. J.Appl.Phys, vo
l.51,No6, pp3343. Can.J.Phys,vol.64,pp147 など）
が、低吸収の領域においては、音響信号（圧力信号）
と、吸収され（熱に変換され）た光量とは比例関係にあ
るというのが、一般的に共通した結果であり、このこと
は実験的にも観察されている。

【００１９】ここでいう低吸収の領域とは、音響発生に
関わる諸物性定数である比熱、膨張係数などが光強度に
依存せず、一光子吸収が支配的であるような部分であ
る。この範囲は、物質によって異なるが、通常、光強度
として４桁以上の範囲で音響信号のリニアリティを持つ
ことが知られている（Rev.Sci.Instrum.57(11)p2754(19
86) など）。

【００２０】この原理を用いて光強度（光量）を計測す
るには、例えば図１に示すように、計測すべき光の照射
位置に音響発生部材１を配置して、その音響を計測すれ
ばよい。この例では、部材１に直接取り付けた音響検知
素子５により音響を検知計測している。音響強度を大き
くとり、パルス光源による音響をも測定するには、この
ような接触音響計測が適している。接触にあたっては、
音響マッチング材６を用いて適切に音響整合をとってい
る。

【００２１】音響信号を評価する方法は様々であるが、
音響信号を時間的にみたときの、あるピーク値７に注目
した計測や、波長分解したときの特定周波数における強
度８の観察（波長成分観察）などが一般的である。な
お、ノイズ低減の点では、波長成分観察が好ましい。い
ずれの信号（評価値）も光強度に比例するので、予め比
例係数を与えておけば、評価値から光強度を即座に知る
ことができる。音響信号は、熱緩和と同程度のオーダ
（ｐｓｅｃオーダ）で発生し、音響伝搬の時間を考慮し
ても数μｓｅｃ〜数十μｓｅｃでの計測が可能であり、
他の熱変換計測方法と比較して高速の計測が可能にな
る。特にパルス光の計測に有効である。

【００２２】また、感度の点では、機械的音響雑音や電
磁雑音の点で注意を要するが、これを除去できれば、熱
雑音の影響などについては熱変換計測方法より有利であ
り、これらよりも優れた感度を達成できる。なお、機械
的音響雑音や電磁雑音の除去は、信号取込み時間の適切
な設定、計測周波数の適切な選別により可能であること
を我々は確認している。

【００２３】本発明にかかる音響による光量検出を用い
た光量計測装置によれば、比較的簡単な装置構成が可能
である（例えば、請求項２または実施例記載の構成）。
その結果、装置が安価である。また、応答速度がはや
く、しかも高精度の光量測定が可能である。音響計測で
は、どのような材料を音響源（音響発生部材）として用
いるかが問題となる。できるだけ安定であり、しかもあ
る程度の強さの音響を発生する材料が好ましい。

【００２４】但し、音響発生が大きいことは光吸収が大
きいことを意味し、この場合には材料の劣化がおこりや
すいという一般的な傾向がある。先に述べたように、音
響法による光量計測は、多くの半導体タイプによる光量
計測よりも幅広いレンジでの計測が可能であるが、より
正確に、安定に、光強度（光量）を計測するために、音
響発生部材の材料を適宜選定すること好ましい。

【００２５】即ち、強い光を計測する場合は、吸収の小
さな材料、弱い光の計測には吸収の大きな材料を使用す
ることが好ましい。これらは、従来の光量測定において
適切な減光手段を講ずる（例えばフィルタ挿入など）こ
とに対応する。異なる波長の光の計測にあたっても同様
である。音響発生源（音響発生部材）が基板上の薄膜、
即ち十分に薄い材料であると（請求項３）、音響発生に
あたっては瞬時におこる薄膜内での熱発生のみを考えれ
ばよく（これは非常に吸収の大きな材料の表面部分での
み熱が発生することでも同様である）、長距離にわたっ
ての熱伝導は影響がなくなり、より再現性のよい計測が
可能になるので好ましい。

【００２６】基板が同一の形状及び材料であれば、音響
信号の周波数や強度は、その薄膜の材料が何であれ、薄
膜の光吸収量のみに依存することが知られている。従っ
て、音響源（音響発生部材）を同一基板上の薄膜とする
ことにより（請求項３）、他の音響伝搬条件を同一にす
れば、異なる発生源からの音響信号強度も、その薄膜の
光吸収率を知ることにより、直接比較することができる
ので好ましい。

【００２７】音響発生部材に光が入射すると、一部は反
射し、一部は吸収され、残りは透過する。計測する光学
系によっては、音響発生部材からの戻り光が迷光とし
て、悪影響を及ぼすことがある。このような場合には、
音響発生部材からの反射が光学系に影響しないように、
光路を曲げることの他に、音響発生部材自身から光を反
射しないようにすることが有効であり、音響発生部材に
照射光に対する反射防止層を設けることが好ましい（請
求項４）。

【００２８】なお、音響発生部材を基板上の薄膜とする
場合は、基板上に形成した反射防止層（薄膜層）を音響
発生部材として兼用できるので好ましい。音響による光
強度（光量）計測の有利な点の一つに、透過モードでの
計測が簡単にできるということがある。透明基板に薄膜
を形成した音響発生部材を用い、透過率を大きく（例え
ば９９％以上）設定しても、数ｍＪ程度のパルス光は十
分観測可能である（請求項５）。

【００２９】透過モードでの光量計測法を用いれば、例
えばエキシマレーザ加工機、露光機、または光学測定装
置における光量モニタにおいて、特別に光路の分岐を設
ける必要なく、光路上に配置するだけで、極く僅かの光
量損失で同時モニターが可能となる（請求項５）。この
ような際にも反射防止層を設けることは、非常に有効で
ある。

【００３０】さらに、加工機、測定機などにおける光量
モニタにおいては、これらの系で用いられる光学系の部
材をそのまま音響発生源として利用することもできる
（請求項６）。例えば、集光用またはビーム整形用のレ
ンズに形成した反射防止薄膜を音響発生源とし、該レン
ズまたはそのホルダーに取り付けた音響検知素子により
音響信号を計測することにより、何ら特別な光学系の変
更なく、光量のモニタを行なうことができる。

【００３１】この場合も、音響の効率的な検出のために
は、レンズとホルダーとの間で、音響整合がとられてい
ることが好ましい。また、ミラーが用いられている光学
系において、そのミラーを音響源として用いてもよい。
いずれにしても、本発明にかかる音響による光量検出を
用いた光量計測装置によれば、比較的簡単な装置構成が
可能であり、その結果、装置が安価である。また、高速
高精度の計測が可能であり、特に高出力のパルスレーザ
などの計測に非常に適した光量計測装置となる。

【００３２】以下、本発明を実施例により更に詳細に説
明するが、本発明はこの例に限定されるものではない。

【００３３】

【実施例１】図２に本実施例の光量計測装置の概略構成
図を示す。光源は、ArF エキシマレーザ（波長１９３n
m）９であり、パルス幅約２０nsecのものを用いた。光
はレンズ光学系１０を通して、サンプルホルダー２０に
保持されたサンプル（音響発生部材の一例）２５に集光
照射する。

【００３４】サンプル面での光の径は約３mmΦである。
光学系１０に挿入したズームレンズにより光強度を調節
しており、光強度は石英ガラス１１の表面反射を用いた
分岐光路において、光センサ（バイプラナ型フォトマル
チプライヤ）１２によりモニタされている。サンプル２
５を透過した光はもどりを防ぐため、吸収体１４により
ブロックする。計測光は、酸素中では僅かに吸収される
ので、計測系は全体として窒素パージされた雰囲気チャ
ンバー１６内に配置されている。

【００３５】サンプル２５は３０ｍｍΦ、厚さ２ｍｍの
円形ペレット状の石英ガラス基板（計測光透過）に、薄
膜を１μｍ以下の厚さにて形成したものである。サンプ
ル２５の計測光透過率は約９５％、反射率は２％程度で
ある。このサンプル２５を図３に示すような輪帯状の溝
を設けたＡｌ製のホルダー２０に、音響マッチング材と
しての接着剤２１を介して接合した。

【００３６】音響信号は、圧電材料であるＰＺＴ（ジル
コン酸チタン酸鉛）にアルミナの受信板を付けた構成の
センサ（音響検知素子の一例）２２により検出した。セ
ンサ２２はホルダーに接着剤２３により固定され、良好
な音響整合がとられている。こうして、サンプル２５に
計測レーザ光１５を照射した。ズームレンズを駆動して
光強度を変えながら、光照射を行ない、センサ２２の出
力（電圧）を計測した。信号は適当なフィルタリングを
行ない（電磁ノイズや振動ノイズを除いて）、デジタル
オシロスコープにより観察した。

【００３７】サンプル２５の吸収による光音響信号発生
は、光照射後約８μｓｅｃであり、照射直後、あるいは
音響到達後しばらくたってからの信号は、サンプルの光
吸収以外の雑音信号がのってくるので除去して信号を記
録、さらに、この系の共振周波数付近を選択して（ＦＦ
Ｔによる）波長成分信号強度も計測した。ズームレンズ
を制御しているパーソナルコンピュータ１８により、モ
ニタしている光強度信号と連動させ、１パルス照射ごと
に計測、記録されるようにした。

【００３８】こうして得た光強度と音響信号強度の相関
グラフの一例を図４に示す。音響信号は、光強度に対し
て原点を通り（オフセットがない）、十分な線形性のあ
ることが確かめられ、光量モニタとして機能することが
確かめられた。

【００３９】

【実施例２】図５に本実施例の光量計測装置の概略構成
図を示す。本実施例の光量計測装置は、音響発生部材が
異なる他は、実施例１と同じ構成である。本実施例で
は、フォトマルセンサへの光路導入において、誘電体
（酸化物、弗化物）を石英基板上に積層したミラー２６
を音響発生部材として用いた。ミラー２６の反射率は約
９８％、透過率は約１％である。

【００４０】このミラー背面に、光路を妨害しないよう
な配置で接着した圧電音響検知素子（音響検知素子の一
例）２２により、同様な信号検出を行なった。信号のパ
ワー線形性は良好であり、本実施例の装置でも光量モニ
タが実現できることが確認できた。

【００４１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明にかかる音響
による光量検出を用いた光量計測装置によれば、比較的
簡単な装置構成が可能であり、その結果、装置が安価で
ある。また、応答速度がはやく、しかも高精度の光量測
定が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の測定原理を示す説明である。ａは
音響信号（時間軸）、ｂは音響信号を周波数分解したも
の（周波数軸）をそれぞれ示す。

【図２】は、実施例１の光量計測装置の概略構成図であ
る。

【図３】は、実施例１の光量計測装置における光量計測
用サンプル（音響発生部材の一例）及びホルダーの構造
を示す図であり、上図が正面図、下図が断面図である。

【図４】は、計測光強度と音響信号強度の相関（一例）
を示すデータ図である。

【図５】は、実施例１の光量計測装置の概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１・・音響発生部材２・・計測光３・・光照射による加熱部分４・・音響波５・・音響検知素子６・・音響マッチング材７・・音響信号（時間軸）の計測値の一例８・・音響信号（周波数成分）の計測値の一例９・・エキシマレーザー１０・・光量調節光学系（ズームレンズを含む）１１・・石英ガラス基板１２・・光量モニタセンサ１３・・集光光学系１４・・光吸収体（ビームトラップ）１５・・レーザ光１６・・窒素パージチャンバー１７・・アンプ、周波数選別装置（ＦＦＴ）１８・・パーソナルコンピュータ１９・・ズームレンズ制御を表す。２０・・光量計測サンプルホルダー２１・・サンプルとホルダーとの音響マッチング用接着
剤２２・・圧電素子（音響検知素子の一例）２３・・ホルダーと音響検知素子との音響マッチング用
接着剤２４・・レーザスポット２５・・薄膜を形成した基板（音響発生部材の一例）２６・・積層膜ミラー（音響発生部材の一例）以上

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響発生部材に光を断続的に照射したと
きの照射光吸収に起因する該部材の体積変化により発生
する音響信号を計測することにより、前記照射光の光量
を計測する光量計測装置。
【請求項２】少なくとも、前記照射光の光源、光源か
らの光を前記音響発生部材に集光して照射する集光光学
系、前記音響発生部材が音響整合をとられた状態にて保
持されるホルダー、及び前記音響発生部材またはホルダ
ーに音響整合をとられた状態にて設けられた音響検知素
子を備えていることを特徴とする請求項１記載の光量計
測装置。
【請求項３】前記音響発生部材として、基板上に形成
した薄膜を用いたことを特徴とする請求項１または２記
載の光量計測装置。
【請求項４】前記音響発生部材に照射光に対する反射
防止層を設けたことを特徴とする請求項１〜３記載の光
量計測装置。
【請求項５】前記音響発生部材による前記照射光の吸
収率が１％以下であることを特徴とする請求項１〜４記
載の光量計測装置。
【請求項６】前記音響発生部材は、光学素子に設けら
れていることを特徴とする請求項１〜５記載の光量。