JPH1183676A - 紫外線パルスレーザ光に対する透過率測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 紫外線パルスレーザ光を直接光源とした透過
率測定において、単発或いは低繰り返しでのパルスレー
ザ光に対する透過率測定精度を向上させる測定方法及び
その測定装置を提供する。 【解決手段】 紫外線パルスレーザ光のワンパルスが測
定対象を透過する前にこのレーザ光から抽出した参照光
の強度と測定対象を透過した後に抽出した透過光の強度
とを同時に検出し、その強度比を用いて測定対象の透過
率を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外線パルスレー
ザ光に対する光学素子材料或いは光学系の透過率を測定
する方法、及びその測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、例えばエキシマレーザリソグラフ
ィ装置、エキシマレーザＣＶＤ装置、エキシマレーザ加
工装置など、エキシマレーザを光源とした各種の光学
系、或いはエキシマレーザと同様にパルス発振運転を行
う紫外線パルスレーザ光を光源とした光学系を有する各
種産業用光学装置が研究されている。これらの装置は、
特に、ＡｒＦエキシマレーザリソグラフィ装置、ＡｒＦ
エキシマレーザＣＶＤ装置、ＡｒＦエキシマレーザ加工
装置などに組み込まれている、波長１９３nmのＡｒＦエ
キシマレーザを光源とした各種の光学系、或いは波長２
００nm以下の紫外、真空紫外線或いは同波長領域のレー
ザを光源とした照明用光学系或いは結像用光学系などの
レンズ部材、ファイバ、窓部材、ミラー、エタロン、プ
リズムなどの光学素子として使用される、石英ガラスや
各種の光学用結晶材料に対して有用である。

【０００３】そして、これらの装置に設置された光学系
を構成する上記のような光学素子には、光源の紫外線に
対する高い初期透過率（透過率自体が高いこと）と高い
耐紫外線性（透過率の変動が小さいこと）が要求され
る。このようなことから光学素子の材料としては石英ガ
ラス、フッ化カルシウム結晶などのような紫外線に対し
て高い透過率を有する材料が用いられるが、たとえ高い
透過率を有する光学素子材料を用いていても、多数の光
学素子が組み合わされて作られる光学系においては、光
学系全体としての透過率をいかに高くするかということ
が問題となる。このため、紫外線レーザ照射中の光学系
を構成する光学素子材料或いは光学系全体の透過率とそ
の変動特性を正確に測定する必要がある。

【０００４】従来、紫外線例えばエキシマレーザ光に対
する光学材料の透過率変動特性の測定は、エキシマレー
ザ光を適当な条件で照射した後、分光光度計を用いてエ
キシマレーザ光と同波長での透過率を測定することを繰
り返すという手法によって行なわれていた。しかしこの
方法では、エキシマレーザ光照射終了から分光光度計で
材料の透過率を測定するまでの間に透過率が経時変化し
てしまうことから、試料を取り出した後に分光光度計で
測定した透過率は、エキシマレーザ光照射中の実際の透
過率と必ずしも一致するものではなかった。

【０００５】この点を解消する方法としては、試料にエ
キシマパルスレーザ光を照射するとともに別の光源によ
る参照光（エキシマレーザ光より充分弱い光）を照射
し、この参照光の透過率測定を行うことによりエキシマ
レーザ光照射中の試料の透過率変動を測定する方法があ
った。しかし、別光源の光の波長をエキシマレーザ光の
波長と一致させてしまうと、透過率測定用の光学系に試
料からのエキシマレーザ光の散乱光や装置内部でのエキ
シマレーザ光の乱反射などが迷光として透過率測定用の
光と混合し、正確な透過率測定ができないという欠点が
あった。このため、このような透過率測定をする場合
は、別光源の光の波長をエキシマレーザ光とは異なる波
長に設定する必要があった。

【０００６】又、産業用光学装置において、測定対象の
実際に測定したい初期透過率及び耐紫外線性は、その光
学装置に用いられている光源そのものに対するものであ
り、例えばエキシマレーザリソグラフィ装置の結像光学
系の光学材料を対象としているならば、同種のエキシマ
レーザ光源に対する光学材料の初期透過率及び耐紫外線
性を直接測定する必要がある。この場合は高エネルギー
で且つパルス発振の紫外線レーザ光を熱的方法或いは光
電的方法として、（１）試料を透過したときのエキシマ
レーザ光の強度（パワー）Ｉと、試料がない場合の強度
Ｉ₀を測定し、透過率をＩ／Ｉ₀値とする、（２）試料の
前後に設置したビームスプリッタでエキシマレーザ光の
一部を取り出し、その光を検出器で検出しその強度比か
ら透過率を算出する、という方法が用いられていた。
又、図２（ｂ）に示すように、エキシマレーザ光のパル
スごとの強度は大きく変動して安定性が非常に悪いこと
を考慮して、透過率測定の際、検出された信号を熱的に
或いは電気的に平均化する処理を行っていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
紫外線パルスレーザ光に対する透過率測定では、エキシ
マレーザ光がパルスごとに変動していること、更に平均
的な強度も数秒から数時間の長いスケールではドリフト
する特性もあるために、高精度な透過率測定はできず、
特にエキシマレーザリソグラフィ用光学材料の透過率測
定においては、０．１％オーダの精度での透過率測定が
要求されるにも関わらず、高々数％オーダの精度を得る
のが限界であった。又、パルスレーザ光が、単発や１０
Hz以下の低繰り返しである場合には、高精度な透過率測
定が非常に困難であった。

【０００８】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであり、紫外線パルスレーザ光を直接光源とした
透過率測定において、単発或いは低繰り返しでのパルス
レーザ光に対する透過率測定精度を向上させる測定方法
及びその測定装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る紫外線パルスレーザ光に対する透過
率測定方法は、紫外線パルスレーザ光のワンパルスが測
定対象を透過する前にこのレーザ光から抽出した参照光
の強度と測定対象を透過した後に抽出した透過光の強度
とを同時に測定し、この参照光の強度と透過光の強度と
から第１強度比を算出する第１工程と、測定対象を取り
外して第１工程と同様に測定される参照光の強度及び透
過光の強度とから第２強度比を算出する第２工程と、第
１工程により求められる第１強度比と、第２工程により
求められる第２強度比とから、測定対象の透過率を算出
する第３工程とを有する。

【００１０】上記透過率測定方法において、紫外線パル
スレーザ光を単発から繰り返し２ＫHzまでの範囲で用い
ることが望ましく、又、紫外線パルスレーザ光はエキシ
マレーザ或いはフッ素分子レーザとしてよい。又、測定
対象は光学材料であってよく、、この光学材料を石英ガ
ラス或いはフッ化カルシウム結晶としてよい。

【００１１】又、本発明に係る紫外線パルスレーザ光に
対する透過率測定装置は、紫外線パルスレーザ光が測定
対象を透過する前にこのレーザ光から抽出した参照光の
強度と測定対象を透過した後に抽出した透過光の強度と
を同時に検出する光検出部と、参照光の強度と透過光の
強度とを同時にアナログーデジタル変換するアナログー
デジタル変換部と、アナログーデジタル変換部により変
換されたデジタル参照光信号とデジタル透過光信号とを
演算処理することにより参照光と透過光との強度比及び
測定対象の透過率を算出する演算部とを備える。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
について説明する。

【００１３】先ず、測定装置の構成について、図を用い
て説明する。図１は本発明に係る紫外線パルスレーザ光
に対する透過率測定装置の構成図（上方から見たブロッ
ク図）である。この装置は基本的に、紫外線パルスレー
ザ光照射光学系、光検出系、アナログーデジタル信号変
換系（ＡＤ変換系）、データ処理系によって構成されて
いる。

【００１４】図１における紫外線パルスレーザ装置１
は、４００nm（ナノメートル）以下の紫外から真空紫外
域の発振波長のパルスレーザ光を出力する光源であり、
所望の波長のパルス光をＡｒＦエキシマレーザ光（波長
１９３nm）とするときは、ＡｒＦエキシマレーザ装置と
する。通常、エキシマレーザ光のワンパルスの光の持続
時間は数ns（ナノ秒）〜数１０ns、又、波長幅は特に狭
帯域化をしていない限り数nmであり、ビーム空間形状は
幅約５〜１０mm×長さ２０〜３０mmの長方形であること
が多い。又、コントローラ２を上記の特性を有するエキ
シマレーザ光が１Hz〜数１００Hzの繰り返し周波数で出
力されるように制御し、紫外線パルスレーザ装置１を運
転する。減光器３は、紫外線パルスレーザ光の強度を調
整し、所望のエネルギー密度を得るために設置される。

【００１５】第１マスク５ａ（光源に近い方）と第２マ
スク５ｂ（光源から遠い方）は、パルスレーザ光軸に対
して垂直方向に設置される。これらのマスク５ａ、５ｂ
は、パルスレーザ光１０１を整形し測定対象の試験片８
に所望のビーム形状で照射するために用いられ、図１の
ように、暗箱１８の外側と内側の２箇所に設けるのが望
ましい。その理由は、第一に、第１マスク５ａである程
度の所望のビーム形状に整形しておくことにより暗箱１
８内に透過率測定に必要のない迷光が発生するのを防ぐ
ためと、第二に、光源の紫外線パルスレーザ光は一般に
数ミリラジアン程度で広がりながら進行するので、試験
片８にできる限り近い場所に第２マスク５ｂを設置する
必要があるためである。なお、この第２マスク５ｂは、
参照光と透過光のビーム形状が異なって正確な透過率測
定ができなくなることを避けるため、参照光用ビームス
プリッタ６ａ及びシャッタ７ｃより光源側に設置しなけ
ればならない。

【００１６】シャッタ７ｃは、パルスレーザ光１０１軸
に対して垂直方向に設置され、試験片８をパルスレーザ
光軸上に出し入れする際にレーザ光が試験片８に照射さ
れるのを防ぐ。よって試験片８の直前に設けるのが望ま
しい。

【００１７】入口側窓基板４ａと出口側窓基板４ｂは、
紫外線パルスレーザ光１０１軸に対して垂直方向に設置
され、暗箱１８への入口と出口に設けられる。窓基板４
ａ、４ｂの材質は合成石英ガラスとし、水素分子を１×
１０¹⁷（分子／cm³ ）以上含有することが望ましい。こ
れによりパルスレーザ光１０１照射による窓基板４ａ、
４ｂ自身の透過率低下を防ぐことができる。そして２面
が平行になるように光学研磨し、更に窓基板４ａ、４ｂ
自身によるパルスレーザ光１０１の吸収を防ぐため、そ
の厚さは５mm以下、好ましくは１mmにする。

【００１８】参照光用ビームスプリッタ６ａは試験片８
の前方に、透過光用ビームスプリッタ６ｂは試験片８の
後方に、それぞれパルスレーザ光１０１軸に対して垂直
な方向から適当な角度に傾けて設置される。これらは照
射される紫外線パルスレーザ光１０１の一部を取り出
し、検出器１１ａ、１１ｂの受光面に向けて反射する働
きをする。その角度は好ましくは４５度とし、これによ
りビームスプリッタ６ａ、６ｂによる反射光を、パルス
レーザ光１０１軸に対して垂直方向に進行させることが
できる。ここで、４５度以外の角度であると、迷光の影
響を受け易くなり、又その他の設置物体との配置関係に
自由度がなくなる。

【００１９】このビームスプリッタ６ａ、６ｂは、窓基
板４ａ、４ｂと同様に２面が平行になるように光学研磨
された光学素子であり、材質も窓基板４ａ、４ｂと同様
に水素分子を１×１０¹⁷（分子／cm³ ）以上含有してい
る合成石英ガラスであることが望ましい。これにより、
パルスレーザ光１０１の照射によるビームスプリッタ６
ａ、６ｂ自身の透過率低下を防ぐことができる。更に、
ビームスプリッタ６ａ、６ｂ自身によるパルスレーザ光
１０１の吸収を防ぐため、その厚さは１mm以下にしてお
くことが望ましい。これは、ビームスプリッタ６ａ、６
ｂ内部での吸収は透過率測定精度に直接影響するため、
暗箱１８の窓基板４ａ、４ｂよりも厳しい耐紫外線性が
要求されるからである。

【００２０】又、これらビームスプリッタ６ａ、６ｂの
片面だけにＡＲコーティング（反射防止膜）を施すこと
もできるが、ＡＲコーティング自身がパルスレーザ光照
射により透過率変動してしまうことも考えられるので、
ビームスプリッタ６ａ、６ｂそれぞれの２面ともコーテ
ィングはしない方がよい。又、ビームスプリッタ６ａ、
６ｂそれぞれの２面を平行ではなく楔形にして２面の干
渉を防ぐようにすることもできるが、楔形にするとその
分だけ厚さが増してしまい、内部吸収の影響が発生する
可能性もあるので避けた方がよい。

【００２１】パワーメータ９は、パルスレーザ光１０１
のパワーの目安をつけるためのものであるが、このパワ
ーメータ９の受光面からのパルスレーザ光１０１の散乱
光が暗箱１８内で迷光となって透過率測定精度が悪化す
るのを防ぐため、このパワーメータ９は暗箱１８の外側
に設置するのが望ましい。

【００２２】試験片８は、透過率測定方向に向かい合う
２面に光学研磨が施されてあり、この２面が紫外線パル
スレーザ光１０１軸に垂直になるように移動ステージ１
３上に固定される。

【００２３】移動ステージ１３は、測定対象をパルスレ
ーザ光１０１軸上に出し入れするためのもので、紫外線
パルスレーザ光１０１軸に対して垂直方向に遠隔操作で
移動可能となっている。ここで移動ステージ１３を遠隔
操作で移動できるようにする理由は、ＡｒＦエキシマレ
ーザなどの真空紫外域のレーザ光での透過率測定を行う
場合には暗箱１８内を窒素パージするか、或いは真空に
する必要があるためである。

【００２４】拡散板１０ａ、１０ｂは、参照光及び透過
光を検出器１１ａ、１１ｂの感度レベルまで減光する目
的と、検出器１１ａ、１１ｂの受光面における感度むら
を解消する目的により設置される。この拡散板１０ａ、
１０ｂは２面が平行になるように砂掛け加工された光学
素子であり、砂掛け加工の砂の粒径はメッシュ４００番
以内が望ましい。これ以上細かい粒径の砂掛け加工の場
合には、光の拡散能力が低下してしまい、本来の目的が
失われる。又、拡散板１０ａ、１０ｂの材質は合成石英
ガラスとし、窓基板４ａ、４ｂと同様に水素分子を１×
１０¹⁷（分子／cm³ ）以上含有することが望ましい。こ
れにより参照光及び透過光の照射による拡散板１０ａ、
１０ｂ自身の透過率の低下を防ぐことができる。更に、
拡散板１０ａ、１０ｂ自身による光吸収を防ぐため、そ
の厚さは２mm以下にしておくことが望ましい。

【００２５】又、この拡散板１０ａ、１０ｂはそれぞれ
複数枚を設置し（図１参照）、試験片８へ照射するパル
スレーザ光１０１の強度に応じて、参照光及び透過光が
検出器１１ａ、１１ｂの感度レベルに対して適当な強度
になるようにする。このとき拡散板同士の間隔は、互い
に接近しすぎて減光能力が低下しないよう、０．５mm以
上取ることが望ましい。又、拡散板はシャッタ、検出器
とともに同一のホルダ治具内に設置し（１０ａ、７ａ、
１１ａ及び１０ｂ、７ｂ、１１ｂ）、ビームスプリッタ
６ａ、６ｂ側のみ開口するようにして参照光及び透過光
以外の迷光を検出しないようにすることが望ましい。

【００２６】参照光側検出器１１ａ、透過光側検出器１
１ｂ（特許請求の範囲の光検出部に相当）には、光起電
力型のフォトダイオードを用いる。その理由を以下に説
明する。

【００２７】エキシマレーザ光のような高エネルギーで
かつパルス発振の紫外線レーザ光は、一般的には熱的方
法と光電的方法によって検出される。熱的検出方法には
サーモパイルを使用したカロリメトリー法と、パイロ素
子を用いた焦電効果法とがあり、前者はエキシマレーザ
光を吸収体に吸収させ、吸収した光パワーを熱に変換し
てから熱測定を行って入力エキシマレーザ光パワーを求
める方法であり、後者は焦電材料の表面にレーザパワー
をよく吸収する黒化物を塗布し、入力レーザパワーの吸
収による発熱温度の時間変化に比例する電気信号に変換
する方法である。光電的検出方法は、光電効果を利用し
て光を電気信号に変換する方法であり、フォトダイオー
ド、光電子増倍管、バイプラナ光電管などを用いたもの
がある。

【００２８】ここで、熱的検出方法によるサーモパイル
型の検出器（パワーメータ）は、本発明の目的である紫
外線パルスレーザ光に対する高精度透過率測定には不適
である。その理由として、この検出器は、光パワーを熱
的に平均化処理をしてパルス信号を直流信号に変換する
ものであり、高精度な透過率測定が望めないこと、検出
器の検出精度自体が数％オーダまでしか保証されておら
ず０．１％オーダ精度での測定ができないこと、繰り返
しを数１０Hz以上にしないと実質パワーの測定が困難で
ある、などの理由が挙げられる。又、熱的検出方法のも
う一つの形式であるパイロジュール型の検出器（エネル
ギージュールメータ）では、パワーメータとは逆に、光
源のパルスレーザの繰り返しを数１０Hz以上にすること
ができず、しかも測定精度は数％オーダまでしか保証さ
れていないので、これも不適である。

【００２９】これらの理由から、本発明の透過光・参照
光ワンパルス同時測光法を実現する上では、レーザ光ワ
ンパルスの光量に比例した電流出力が得られるものがよ
く、この意味では光電的検出方法によるフォトダイオー
ド、なかでも、外部電源を必要としない光起電力型のも
のが望ましい（外部電源による電圧印加型のフォトダイ
オードはエキシマレーザ電源のパルスノイズを拾い易
い）。光電的検出方法であっても、光電子増倍管はフォ
トダイオードに比べるとパルス光に対するリニアリティ
が悪く、光電面の感度むらが大きいという欠点があるこ
とから、又、バイプラナ光電管はワンパルス内における
ピーク強度を検出するものであり、ワンパルスの時間積
分強度、すなわち光量を測定する本発明の参照光・透過
光ワンパルス同時測光法には適していないことから、と
もに不適である。又、フォトダイオードを用いて参照光
及び透過光を検出する場合でも、これを平均化処理した
のでは０．１％オーダ精度の透過率測定は困難であるた
め、本発明の参照光・透過光ワンパルス同時測光法を用
いる必要がある。

【００３０】ＡＤ変換器１６（特許請求の範囲のアナロ
グーデジタル変換部に相当）は、参照光側信号増幅器１
５ａ、透過光側信号増幅器１５ｂにより増幅された、紫
外線パルスレーザ光源のワンパルス光から分離された参
照光及び透過光に基づくアナログパルス電気信号をデジ
タル信号に変換するために設置される。なお、このＡＤ
変換は参照光と透過光同時に行われる。このＡＤ変換器
１６は、１２ビット以上の電圧分解能で参照光及び透過
光のパルス電気信号をＡＤ変換する能力を有しているこ
とが望ましい。これは、１２ビット未満の電圧分解能で
は、パルス信号を０．１％以下の精度でＡＤ変換するこ
とができず、高精度透過率測定が実現できないからであ
る。更に、ＡＤ変換器１６のサンプリング周期は１ＭＳ
／ｓ（メガサイクル／秒）程度備わっていることが望ま
しい。

【００３１】コンピュータ１７（特許請求の範囲の演算
部に相当）はＡＤ変換器１６によりデジタル化された参
照光信号と透過光信号デジタル信号を処理する。

【００３２】図１に示す本発明の装置は、上記構成品の
ほか、検出器と増幅器とを繋ぐ（１１ａと１５ａ、１１
ｂと１５ｂ）同軸ケーブル１２、紫外線パルスレーザ装
置とＡＤ変換器１６の同期を取るためのトリガパルス発
生器１４、トリガパルス用同軸ケーブル２０１、ＡＤ変
換器１６とコンピュータ１７とのデジタル信号の送受信
のための標準インターフェースバスケーブル２０３によ
り構成されている。

【００３３】紫外線パルスレーザ装置１から出力された
パルスレーザ光１０１は、図１の左から右に向かって直
進する。このパルスレーザ光１０１は、減光器３によっ
て所望のエネルギー密度に調整される。減光器３を通っ
たパルスレーザ光１０１は、第１マスク５ａによって或
る程度のビーム形状に整形され、暗箱１８の入口に位置
する窓基板４ａを通過する。そしてパルスレーザ１０１
は第２マスク５ｂによて更に整形され、参照光用ビーム
スプリッタ６ａへ進む。そして参照光用ビームスプリッ
タ６ａにおいて、パルスレーザ光１０１は一部が反射さ
れて参照光として参照光側検出器１１ａに進み、残りは
ビームスプリッタ６ａを通過して試験片８へ進む。ここ
で、ビームスプリッタ６ａをパルスレーザ光１０１軸に
対して４５度に傾けて設置した場合、第２マスク５ｂを
通過してきたパルスレーザ光１０１の強度の約１０％
（片面当たり５％）を参照光側検出器１１ａに、又約９
０％を試験片８に照射させることとなる。

【００３４】ビームスプリッタ６ａを通過したパルスレ
ーザ光１０１の光成分は、シャッタ７ｃを介して移動ス
テージ１３上の試験片８へ到達する。そしてこの試験片
８を通過したパルスレーザ光１０１は更に直進して透過
光用ビームスプリッタ６ｂへ到達し、ここで一部が反射
されて透過光として透過光側検出器１１ｂに進み、残り
はパワーメータ９へ進む。パワーメータ９においてパル
スレーザ光１０１のパワーがモニターされる。ビームス
プリッタ６ａにより分離された参照光と、ビームスプリ
ッタ６ｂにより分離された透過光は、それぞれ拡散板１
０ａ、１０ｂで減光され、シャッタ７ａ、７ｂを介して
検出器１１ａ、１１ｂで検出される。

【００３５】検出器１１ａ、１１ｂにおいて検出された
参照光及び透過光の信号は、それぞれ信号増幅器１５
ａ、１５ｂにおいて増幅されてＡＤ変換器１６に送ら
れ、参照光、透過光同時にＡＤ変換される。ここでデジ
タル化された参照光強度及び透過光強度に比例したそれ
ぞれのパルス信号電圧値はコンピュータ１７に転送さ
れ、ここで強度比＝（透過光電圧平均値）／（参照光電
圧平均値）が算出され、記憶媒体に記録される。又、後
に述べるように、測定対象を通して測定した強度比Ｔと
測定対象を取り除いて測定した強度比Ｔ₀ とから、測定
対象の透過率ｔ＝Ｔ／Ｔ₀ が算出される。

【００３６】

【実施例】次に、上記のような本発明に係る透過率測定
装置の構成の具体例を説明した後、この装置における透
過率測定精度とリニアリティ特性について確認した結果
を示す。

【００３７】測定装置の構成は図１に示したものであ
り、紫外線パルスレーザ装置１はＡｒＦエキシマレーザ
装置（ラムダフィジックス製：LPX240icc ）とし、発振
波長は１９３nm、ワンパルスの光の持続時間は半値全幅
で約８nsである。又、パルス光の繰り返し周波数は１Hz
から３００Hzまで可変できるものであった。暗箱１８の
窓基板４ａ、４ｂ及びビームスプリッタ６ａ、６ｂは合
成石英ガラスを材料として直径６０mm×厚さ１mmの形状
に製作し、厚さ１mm方向の向かい合う２面は、平行度：
１０秒以内、片面ごとの平坦度：ニュートンリング３本
以内、片面ごとの粗さ：ｒｍｓ＝１０オングストローム
以下となるように光学研磨した。

【００３８】マスク５ａ、５ｂの材質はアルミニウム
で、形状は直径８０mm×厚さ２mmとし、中心部に貫通穴
を開けて５mm×５mmに整形し、ＡｒＦエキシマレーザ光
のビーム形状が５mm×５mmとなるようにした。拡散板１
０ａ、１０ｂの材質は合成石英ガラスで、形状は直径５
０mm×厚さ２mmとし、向かい合う２面をメッシュ２４０
番の砂掛け加工仕上げした。検出器１１ａ、１１ｂは光
起電力型フォトダイオード（浜松ホトニクス製：S2281-
01）とし、増幅器１５ａ、１５ｂは電流ー電圧変換型ア
ンプ（浜松ホトニクス製：S2719 ）とした。ＡＤ変換器
１６にはデジタルオシロスコープ（横河電機製：DL3100
B ）を用いた。このデジタルオシロスコープは垂直軸
（電圧）分解能が１２ビット、周波数帯域がＤＣ（直
流）〜１０ＭHzの性能を有していた。

【００３９】このような構成でＡｒＦエキシマレーザ光
を検出すると、デジタルオシロスコープ（ＡＤ変換器１
６）の画面上には、トリガ時刻から１μｓ（マイクロ秒
＝１０^ー6秒）以内にピーク電圧まで立ち上がり、その
後、時定数約１００μｓの指数関数的に電圧減衰するパ
ルス電圧信号波形が得られた。このパルス電圧信号のピ
ーク電圧は参照光と透過光とで異なっており、それぞれ
参照光量、透過光量に比例していた。

【００４０】ピーク電圧後の指数関数的な電圧減衰波形
の時定数は参照光と透過光とで一致するので、指数関数
的に減衰しているときの電圧値も、トリガ時刻から同一
時刻であれば、それぞれ参照光量、透過光量に比例した
電圧値を示す。このことから、トリガ時刻から３０〜５
０μｓ間で１μｓおきの時刻の電圧値を、同一パルス光
での参照光信号分及び透過光信号分共にコンピュータに
転送し、それぞれの電圧値の平均値を算出することによ
り、ワンパルス当たりの透過光と参照光との強度比Ｔ＝
（透過光電圧平均値）／（参照光電圧平均値）が算出さ
れる。ここで、取り出すパルス信号電圧をトリガ時刻か
ら３０〜５０μｓの時刻の電圧値に設定した理由は、３
０μｓ以前にはパルス信号にエキシマレーザの発振時の
ノイズが重畳しており、５０μｓ以降では電圧値自体が
小さくなりＡＤ変換精度が低下するためである。

【００４１】なお、このパルス信号波形から、電圧値が
完全に零になるのは約５００μｓであったので、パルス
光の繰り返しが増加したときに隣接するパルス信号が重
ならない繰り返し周波数は２ＫHz以下となった（すなわ
ち、上記の構成により、パルス光単発から繰り返しが２
ＫHzまでの透過率測定が可能となった）。

【００４２】次に、上記の透過率測定装置のＡｒＦエキ
シマレーザ光に対する透過率精度を確認した結果を示
す。図２（ａ）は、本発明の装置によって測定した透過
率測定精度を示す図であり、横軸は時間を示している
（なお、透過率測定精度の測定が目的であるため、試験
片８は挿入していない、すなわちブランクの状態であ
る）。この時のＡｒＦエキシマレーザ光のワンパルス当
たりのエネルギー密度は約２０mJ／cm² で、繰り返しは
１Hzであった。図２（ａ）から、本発明の装置のＡｒＦ
エキシマレーザ光に対する透過率精度は、ノイズのピー
クトゥピーク幅で０．５％、標準偏差σの３倍値（３
σ）で０．０３％という結果を得た。なお、繰り返しが
２００Hzまでの透過率測定精度を調べた結果、上記と全
く同様の精度が保たれていることが確認された（ここで
求められるブランクの状態での透過光と参照光との強度
比Ｔ₀ ＝（透過光電圧平均値）/（参照光電圧平均値）
は記録しておき、後の測定対象の透過率測定において用
いた）。

【００４３】続いて、この装置のリニアリティ特性を測
定した結果を示す。本発明の透過率測定装置による測定
対象の透過率が実際に正しい値であるかどうかを確認す
るために、分光光度計での測定値との比較による検定を
行った。この検定においては、測定対象がＡｒＦエキシ
マレーザ照射によりダメージを受けない（透過率変動を
起こさない）ようにするために、エネルギー密度を約１
０mJ／cm² に下げた。又、測定対象には直径６０mm×厚
さ１mmの合成石英ガラス基板を用い、この基板は耐Ａｒ
Ｆエキシマレーザ性の高い、水素分子濃度が１×１０¹⁸
（分子／cm³ ）のものとした。なお、板の厚さを１mmと
したのは、内部吸収の影響が極力避けられるようにする
ためである。

【００４４】更に、基板の厚さ方向の向かい合う２面
は、平行度：１０秒以内、片面ごとの平坦度：ニュート
ンリング３本以内、片面ごとの表面粗さ：ｒｍｓ＝１０
オングストローム以下になるように精密研磨を施し、最
終的に基板の厚さが１±０．１mmとなるようにした。更
に、表面吸収の原因となる研磨剤が表面に残留しないよ
うに、高純度ＳｉＯ₂ 粉による仕上げ研磨加工を施し
た。このような合成石英ガラス基板を１枚から４枚重ね
したときの透過率を、本発明の装置及び市販の分光光度
計（バリアン製：Cary５）でそれぞれ測定し、その数値
の比較を行った。その結果を図３に示す。図３に示すよ
うに、本発明の透過率測定装置は、 市販の分光光度計
の測定値とよく一致しており、リニアリティが保証され
ていることが証明された。なお、ＡｒＦエキシマレーザ
光の繰り返しが２００Hzまで同様の検定を行ったが、高
繰り返し下においてもリニアリティが保証されているこ
とが確認された。

【００４５】このように、本発明に係る透過率測定装置
によれば、従来は実現できなかったＡｒＦエキシマレー
ザ光などのパルスレーザ光を直接光源としての高精度な
透過率測定が可能となることが分かる。上記例は、測定
対象が光学材料の場合についてであるが、本発明の方法
はこのような光学材料の試験片に限らず、曲率を有する
単レンズや複数のレンズで構成された光学系などの測定
対象の透過率測定にも有効である。又、紫外線パルスレ
ーザ光源としては、ＫｒＦ（２４８nm）、ＡｒＦ（１９
３nm）エキシマレーザなどのエキシマレーザのみなら
ず、フッ素分子レーザやその他のパルス発振レーザにも
有効である。

【００４６】次に、本発明に係る透過率測定装置を用い
た、透過率測定の第１の測定例を示す。測定対象である
試験片８は、直接法で合成された合成石英ガラスとし
た。試験片８のアルカリ土類金属のＭｇ、Ｃａ、遷移金
属のＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｎｉ、
Ｃｕ、Ｚｎ、そしてＡｌの各不純物元素濃度はそれぞれ
２０ppb 以下であった。更に、Ｃｌ濃度は３０ppm 、Ｎ
ａ濃度は検出下限（１ppb ）以下であり、Ｋ濃度も検出
下限（５０ppb ）以下であった。又、ＯＨ基濃度は１０
００ppm であった。なお、Ｎａ、Ｋ、Ｃｌの定量は熱中
性子線照射による放射化分析によって行った。又、アル
カリ土類金属、遷移金属及びＡｌ元素の定量は誘導結合
型プラズマ発光分光法によって行った。又、ＯＨ基濃度
は赤外吸収分光法（ＯＨ基による１．３８μmの吸収量
を測定する）によって測定した。

【００４７】試験片８の形状は端面が１５mm×１５mm、
長さ１２５mmとした。この試験片８の互いに向かい合う
２つの１５mm×１５mm端面を、平行度：１０秒以内、片
面ごとの平坦度：ニュートンリング３本以内、片面ごと
の表面粗さ：ｒｍｓ＝１０オングストローム以下になる
ように精密研磨を施し、最終的に試験片８の厚さが１２
５±０．１mmとなるように研磨した。更に、表面吸収の
原因となる研磨剤が表面に残留しないように、高純度Ｓ
ｉＯ₂ 粉による仕上げ研磨加工を施した。

【００４８】次に、エキシマレーザの照射条件について
説明する。図１の光源１には、波長１９３nmのＡｒＦエ
キシマレーザ光を用い、試験片８の研磨面がレーザ光１
０１の光軸に対して垂直になるように試験片８を配置し
た。エキシマレーザ光ワンパルス当たりのエネルギー密
度を０．７mJ／cm² 、繰り返しを２００Hz、試験片８の
端面に入射するＡｒＦエキシマレーザ光のビーム形状を
５mm角に設定した。ビーム形状は図１中に示したよう
な、中心に５mm角の開口部を有するアルミ製のマスク５
ａ、５ｂによって整形した。暗箱１８の内部は窒素ガス
で置換し、残留酸素濃度は０．１％以内に保持した。

【００４９】上記のような条件で試験片８にＡｒＦエキ
シマレーザ光を照射して透過率変動の測定を行った結果
を図４に示す。図４のように、本発明の透過率測定装置
によれば、従来技術では測定不可能であった、ＡｒＦエ
キシマレーザ光に対する合成石英ガラスの内部透過率を
０．１％／cm以下の精度で測定することができた。図４
から、本第１の測定例で用いた試験片８の、ワンパルス
当たりのエネルギー密度：０．７mJ／cm² のＡｒＦエキ
シマレーザ照射による内部透過率低下の傾きは、３．５
×１０^ー10 ％／パルスであることが分かった。このよう
な低エネルギー密度のＡｒＦエキシマレーザ照射時の合
成石英ガラス内部透過率変動特性が得られたのは、本発
明がＡｒＦエキシマレーザ光そのものを光源として高精
度な透過率測定を可能にしたことによる。なお、図４の
縦軸は試験片８のＡｒＦエキシマレーザ光に対する厚さ
１cm当たりの内部透過率で、以下の式から算出した。

【００５０】

【数１】 内部透過率＝ exp｛ln（透過率測定値／理論透過率）／試験片厚さ｝・・（１ ）

【００５１】ここで、透過率測定値は、測定対象である
試験片８をブランクとして測定したときの透過光と参照
光との強度比Ｔ₀ と、試験片８を用いて測定した強度比
Ｔとを用い、透過率測定値＝Ｔ／Ｔ₀ により求められ
る。理論透過率は、内部吸収が零の場合の透過率、すな
わち試験片表面反射損失のみで決定される透過率を表
し、試験片８の波長１９３nmでの屈折率から計算するこ
とができる。本第１の測定例の合成石英ガラスの場合、
理論透過率は９０．８７％であった。図４で照射開始時
の内部透過率が９９．８７％で、約０．１３％の内部損
失が照射前から存在していたことを示しているが、この
内部損失はほとんどが光散乱損失で決定されている。

【００５２】次に、本発明に係る透過率測定装置を用い
た透過率測定の第２の測定例を示す。本第２の測定例
は、第１の測定例と同様に図１に示した本発明の装置を
用い、測定対象である試験片８はフッ化カルシウムの結
晶とした。このフッ化カルシウム結晶は、るつぼ降下法
（ブリッジマン法又はストックバーガー法と呼ばれる）
により育成されたものである。本試験片８のＮａ不純物
含有量は０．３８ppm であった。その他の不純物とし
て、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｌａの含有
量はすべて検出下限（１ppm ）以下であった。又、その
他の元素についても定性分析したが、検出されなかっ
た。なお、Ｎａ含有量は放射化分析によって、検出下限
０．００１ppm で測定した。又、その他の金属不純物質
含有量については、誘導結合型プラズマ発光分光法によ
って測定した。

【００５３】本第２の測定例の試験片８の形状は端面が
１５mm×１５mm、長さ５０mmとした。第１の測定例と同
様に、この試験片８の互いに向かい合う２つの１５mm×
１５mm端面を、平行度：１０秒以内、片面ごとの平坦
度：ニュートンリング３本以内、片面ごとの表面粗さ：
ｒｍｓ＝１０オングストローム以下になるように精密研
磨を施し、最終的に試験片８の厚さが５０±０．１mmと
なるように研磨した。更に、表面吸収の原因となる研磨
剤が表面に残留しないように、高純度ＳｉＯ₂ 粉による
仕上げ研磨加工を施した。

【００５４】図１の光源には第１の測定例と同様に波長
１９３nmのＡｒＦエキシマレーザ光を用い、試験片８の
研磨面がレーザ光１０１の光軸に対して垂直になるよう
に配置した。エキシマレーザ光ワンパルス当たりのエネ
ルギー密度を５、１０、２０mJ／cm² 、パルス光の繰り
返しを５Hz、試験片８の端面に入射するＡｒＦエキシマ
レーザ光のビーム形状を５mm角に設定した。ビーム形状
は図１中に示したような、中心に５mm角の開口部を有す
るアルミ製のマスク５ａ、５ｂによって整形した。暗箱
１８の内部は窒素ガスで置換し、残留酸素濃度は０．１
％以内に保持した。

【００５５】上記のような条件で試験片８にＡｒＦエキ
シマレーザ光を照射して透過率変動の測定を行った結果
を図５に示す。図５のように、本発明の透過率測定装置
により、従来技術では測定不可能であった、フッ化カル
シウム結晶のＡｒＦエキシマレーザ照射開始直後の内部
透過率変動特性を測定することができた。このように、
本発明の透過率測定装置と透過率測定方法によれば、従
来実現できなかったフッ化カルシウムの内部透過率変動
特性が、５Hzという低繰り返しのエキシマレーザ光に対
しても高精度で測定可能である。なお、図５の縦軸は、
試験片８のＡｒＦエキシマレーザ光に対する厚さ１cm当
たりの内部透過率で、第１の測定例と同様に式（１）か
ら算出した。又、本第２の測定例のフッ化カルシウム結
晶の場合、理論透過率は９２．２７％であった。

【００５６】以上のように、透過光・参照光ワンパルス
同時測光法は、紫外線パルスレーザ光のワンパルスが測
定対象を透過する前にこのレーザ光から抽出した参照光
の強度と測定対象を透過した後に抽出した透過光の強度
とを同時に検出し、その強度比を用いて測定対象の透過
率を算出する。このため、レーザ光のパルスごとの強度
変動の影響を解消することができ、従来よりも精度の高
い透過率測定が可能である。

【００５７】なお、紫外線パルスレーザ光源としては、
ＫｒＦ（２４８nm）、ＡｒＦ（１９３nm）エキシマレー
ザなどのエキシマレーザのみならず、フッ素分子レーザ
やその他のパルス発振レーザでも有効である。

【００５８】

【発明の効果】本発明に係る紫外線パルスレーザ光に対
する透過率測定方法及び測定装置によれば、透過光・参
照光ワンパルス同時測光法、すなわち紫外線パルスレー
ザ光のワンパルスが測定対象を透過する前にこのレーザ
光から抽出した参照光の強度と測定対象を透過した後に
抽出した透過光の強度とを同時に検出し、その強度比を
用いて測定対象の透過率を算出する方法を用いるので、
従来は実現できなかったＡｒＦエキシマレーザ光などの
パルスレーザ光を直接光源としての高精度な透過率測定
が可能となる。

【００５９】上記測定方法及び測定装置により、ＡｒＦ
エキシマレーザ光が単発から繰り返し２ＫHzまでの範囲
での透過率測定が可能となり、又、低エネルギー密度の
ＡｒＦエキシマレーザ照射時の合成石英ガラス内部透過
率変動特性が得られるので、従来技術では測定不可能で
あったＡｒＦエキシマレーザ光に対する合成石英ガラス
の内部透過率を０．１％／cm以下の精度で測定すること
ができる。

【００６０】又、フッ化カルシウム結晶の内部透過率変
動特性が５Hzという低繰り返しのＡｒＦエキシマレーザ
光に対しても高精度で測定可能となり、従来技術では不
可能であったフッ化カルシウム結晶のＡｒＦエキシマレ
ーザ照射開始直後の内部透過率変動特性を測定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る紫外線パルスレーザ光に対する透
過率測定装置の構成図である。

【図２】本発明の装置の透過率測定精度を示す図
（ａ）、及びエキシマレーザ光のパルスごとの強度を示
す図（ｂ）である。

【図３】本発明の装置のリニアリティ特性を示す図であ
る。

【図４】本発明の装置を用いて合成石英ガラスの透過率
変動を測定した結果を示す図である。

【図５】本発明の装置を用いてフッ化カルシウムの結晶
の透過率変動を測定した結果を示す図である。

【符号の説明】

１ 紫外線パルスレーザ装置 ６ａ 参照光用ビームスプリッタ ６ｂ 透過光用ビームスプリッタ ８ 試験片 １１ａ 参照光側検出器 １１ｂ 透過光側検出器 １６ ＡＤ変換器 １８ 暗箱

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 紫外線パルスレーザ光に対する透過率測
   定方法であって、 前記紫外線パルスレーザ光のワンパルスが測定対象を透
   過する前に前記レーザ光から抽出した参照光の強度と前
   記測定対象を透過した後に抽出した透過光の強度とを同
   時に測定し、前記参照光の強度と前記透過光の強度とか
   ら第１強度比を算出する第１工程と、 前記測定対象を取り外して第１工程と同様に測定される
   参照光の強度及び透過光の強度とから第２強度比を算出
   する第２工程と、 前記第１工程により求められる前記第１強度比と、前記
   第２工程により求められる前記第２強度比とから、前記
   測定対象の透過率を算出する第３工程とを有することを
   特徴とする紫外線パルスレーザ光に対する透過率測定方
   法。
2. 【請求項２】 前記紫外線パルスレーザ光が単発から繰
   り返し２ＫHzまでの範囲で用いられることを特徴とする
   請求項１記載の紫外線パルスレーザ光に対する透過率測
   定方法。
3. 【請求項３】 前記紫外線パルスレーザ光が、エキシマ
   レーザ或いはフッ素分子レーザであることを特徴とする
   請求項１又は請求項２記載の紫外線パルスレーザ光に対
   する透過率測定方法。
4. 【請求項４】 前記測定対象が光学材料であることを特
   徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の紫外線パルス
   レーザ光に対する透過率測定方法。
5. 【請求項５】 前記光学材料が石英ガラスであることを
   特徴とする請求項４記載の紫外線パルスレーザ光に対す
   る透過率測定方法。
6. 【請求項６】 前記光学材料がフッ化カルシウム結晶で
   あることを特徴とする請求項４記載の紫外線パルスレー
   ザ光に対する透過率測定方法。
7. 【請求項７】 紫外線パルスレーザ光に対する透過率測
   定装置であって、 前記紫外線パルスレーザ光が測定対象を透過する前に前
   記レーザ光から抽出した参照光の強度と前記測定対象を
   透過した後に抽出した透過光の強度とを同時に検出する
   光検出部と、 前記参照光の強度と前記透過光の強度とを同時にアナロ
   グーデジタル変換するアナログーデジタル変換部と、 前記アナログーデジタル変換部により変換されたデジタ
   ル参照光信号とデジタル透過光信号とを演算処理するこ
   とにより前記参照光と前記透過光との強度比及び前記測
   定対象の透過率を算出する演算部とを備えることを特徴
   とする紫外線パルスレーザ光に対する透過率測定装置。