JPS6316232A - レ−ザビ−ム径の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ光のビーム径測定方法に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

レーザ光は細く絞り込むことが可能であるため、上記性
質を利用した装置がいろいろ開発されている。例えば、
レーザビデオディスク装置、レーザ加工機、走査レーザ
顕微鎖などである。これらの装置の性能（精度、分解能
等）は、使用するレーザ光のビーム径に大きく左右され
るので、上記ビーム径を測定すことが重要な仕事になる
。

ビーム径を測定するための従来方法には、（１）ピンホ
ールを用いて測定する方法、（２）鋭い直線エツジを有
する不透明物体を用いて測定する方法などがある。上記
方法はいずれも不透明物体を移動させたときの透過光量
の変化からビーム径を決定する。上記（１）のピンホー
ルを使用する方法は、レーザビームの微細構造が判ると
いう長所をもつが、レーザビーム径が微小になったとき
、微小なピンホールを製作するのが困難なため、実施が
難しくなる。上記（２）の方法は、ナイフェツジ法（特
開昭５１−１１２３８１号公報）、スリット法、リボン
法（オプティックス・アンド・レーザテクノロジー、Ｄ
ｅｃ、、　２７３．１９７６年、におけるＹｏｓｈｉｄ
ａおよびＡｓａｋｕｒａによる”　Ａ　５ｉＩＩｌｐｌ
ｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒｑｕｉｃｋｌｙ　ｍｅ
ａｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　５ｐｏｔ　５ｉｚｅ　ｏｆ　
Ｇａｕｓｓｉａｎｌｅｓｅｒ　ｂｅａｍｓ”）、ロンキ
ル−リング法（オプティカル・エンジニアリング、１８
巻、７０．１９７９年におけるＤｉｃｋｓｏｎの“Ｒｏ
ｎｃｋｉ　Ｒｕｌｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒＭｅａ
ｓｕｒｉｎｇ　Ｇａｕｓｓｉａｎ　Ｂｅａｍ　Ｄｉａｎ
＋ｅｔｅｒ”）等がある。

ビーム径を測定すべきレーザ光の強度Ｉ（ｘ、ｙ）はガ
ウス分布を、しているとすると、強度ＩＣＸｙｙ）は と表わされる。Ｐｏおよびγ−はそれぞれレーザ光の全
パワーおよびスポットサイズである。理論的な透過光の
パワーは、上記（２）に示す方法では、直線エツジで区
切られたレーザ光透過区域において（１）式を積分する
ことにより求められる。例えば、最も簡単なナイフェツ
ジ法の場合、透過光量は ℃ で表わされる。この場合、直線エツジはｘ＝ｔにあり、
ｙ軸に平行である。レーザ光の透過範囲はｔ　（ｘであ
る。上記（２）式はガウスの誤差関数の形をしており、
解析的に積分ができない。一方、実験ではナイフェツジ
を移動させることによって、第４図に示すような透過光
量曲線を得ることができ、上記曲線から（２）式に含ま
れるγ讐（ビーム径は２・γ−を決める一方法として、
（２）式におけるＩ（ｔ）を数値積分により計算し、Ｉ
（ｔ）と透過光量曲線が一番よく一致するγりを見つけ
出し、それをγ−とする方法がある。また、便宜的な方
法としては、透過光量曲線の最大値の１０％および９０
％になる２点間の間隔とγ讐との関係を数値積分を使っ
て求めておき、上記関係を測定曲線にあてはめてγ−を
求める方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記実験的に得られた透過光量曲線を用いてγ讐を求め
る２つの方法は、いずれの方法も計算のいずれかの過程
で数値積分を用いなければならない。上記数値積分は計
算の過程が煩雑であるから、数値積分に依存しない方法
が求められる。

本発明の目的は、数値積分を必要とせずに、レーザビー
ム径の大きさの評価が簡単に行える方法を得ることであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、レーザビームのウ
ェストを部分的に遮蔽する直線エツジを、上記レーザビ
ームの光軸に垂直に移動させながら、レーザ光の照射領
域外の点Ｐ１で境界波を検出し。

上記レーザビーム径の大きさを容易に評価しようとする
ものである。上記レーザビームの光軸に垂直に移動させ
る直線エツジは、上記光軸方向と直角に位置することが
望ましいが、多少の傾きがあっても差支えない、第５図
は不透明な物体１の直線エツジ２が、ガウス分布をした
レーザ光３のビームウェストを部分的に遮蔽している状
態を示し、（ａ）はレーザ光の光軸方向から見た図であ
り、（ｂ）は上記（ａ）の側面図である。なお、図にお
ける不透明物体１の先端である直線エツジ２から下方に
伸びる鎖線は、上記不透明物体１で遮られたレーザビー
ム３の境界を示している。第５図（ｂ）に示す境界波検
出点Ｐ１は、上記直線エツジ２の移動距離に対して十分
遠くにあるものとし、レーザ光３の照射領域外に置かれ
る。上記点Ｐ１はレーザ光３の直接光を受けないことが
必要であるが、上記直線エツジ２の移動距離に対して、
遠ければそれだけ、観察位置からの距離と角度とに基づ
く誤差を小さくすることができるから、十分前れた位置
に設け、さらに、レーザ光３の直接光の振幅よりも、上
記直線エツジ２が存在することによって発生する境界波
の振幅の方が大きい領域に、上記点Ｐ１を設定するよう
にする。

〔作用〕

発明者らが実験的に確認した新しい知見によれば、（１
）式で表わされる第５図のレーザ光３を、ｘ＝ｔにある
ｙ軸に平行な直線エツジ２で遮っているとき、上記直線
エツジ２による境界波強度Ｉｏ（ｔ）は、観測定点を固
定した場合にで表わされる。ただし、Ｃは適当な定数で
ある。

点Ｐ１におけるレーザ光３の強度は、上記レーザ光３の
直接光がないので（３）式で表わされ、（１）式で表わ
されるレーザ光３と同じガウス分布を示す。したがって
、直線エツジ２を移動させながら点Ｐ１でＩＤ（ｔ）を
観測することにより、上記レーザ光３のビーム径２Ｘγ
−が、数値積分を必要とすることなく簡単に判る。なお
、光検出器の受光面におけるそれぞれの点が点Ｐ１と同
じ条件を満たしているならば、出力が（３）式と同様な
形になるのは当然であり、広い受光面を有する光検出器
を使用して、上記光検出器の出力からビーム径を決める
ことができる。

一方、第５図（ｂ）に示すようなレーザ光照射領域内に
ある点Ｐ２で境界波を観測して、上記レーザビーム３の
径を求めることは困難である。点Ｐ２はレーザ光３の照
射領域内に入っているため、不透明な物体１の影に点Ｐ
２が入っていない場合には強いレーザ光３の直接光が存
在しており、上記の影に点Ｐ２が入っている場合には、
上記レーザ光３の直接光がなくなる。したがって、直線
エツジ２を移動させたとき、点Ｐ２における上記レーザ
光３の直接光振幅はステップ状の変化を示すことになる
。点Ｐ２で観測される振幅は、直線エツジ２によるガウ
ス分布を示す境界波の振幅と、ステップ状の変化を示す
直接光の振幅との和で表わされることになるので、点Ｐ
２における上記レーザ光３の強度はガウス分布ではなく
なる。このため、レーザビーム径２×γ−を求めること
は困難になる。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明によるレーザビーム径の測定方法の一実
施例を示す図、第２図は上記実施例におけるガウス分布
をした光検出器の出力を示す図、第３図はレーザ走査顕
微鏡と一体になった他の実施例を示す図である。

第１図において、レーザビーム径を測定しようとするレ
ーザ光３のビームウェスト付近で、直線エツジ２を有す
るナイフェツジ４を、上記レーザ光３の光軸に対して垂
直に移動させる。このとき、直接光を避けた方向にそれ
ぞれ配置した光検出器６−１〜６−４で境界波７−１〜
７−４を検出し、それぞれの出力を和回路１０で加え合
したのち、上記ナイフェツジ４の位置の関数として、レ
コーダ８に記憶あるいは記録する。上記ナイフェツジ４
の移動は３次元方向に移動が可能であるステージ５で行
われ、上記ステージ５の移動源はパルスモータあるいは
圧電素子などである。上記ナイフェツジ４の移動距離は
レーザ測長器９で測定され、移動距離を表わす信号は、
上記レコーダ８に伝えられる。

使用するナイフェツジ４の表面が鏡面でない場合には散
乱光を発生することがあるので、光検出器６−２．６−
３からの信号を使用することが適当でない場合がある。

このような場合は、和回路１０が光検出器６−２．６−
３の出力の和だけを出力するようにする。ナイフェツジ
４の表面から散乱光が発生しない場合は、６−１〜６−
４の光検出器のそれぞれの出力をすべて加え合わせたも
のが使用でき、検出感度を向上させることができる。

入射レーザ光がガウス分布をしているのであれば、ナイ
フェツジ４の位置ｔの関数としてレコーダ８に記録され
る和回路１０の出力は、第２図のようにガウス分布を示
す。光量がピーク値の１／ｅ２になる２点間の距離を測
れば、ビーム径２γ−が判る。あるいはナイフェツジ４
の２つの位置で光量を測定し、（３）式から２×γ−で
表わされるビーム径を計算することも可能である。本実
施例では、ナイフェツジ４を移動させているが、ガルバ
ノミラ−等で入射レーザ光３をナイフェツジ４に対して
走査してもよい。

ナイフェツジ４は基板上に形成されたパタンの直線エツ
ジで代用することが可能である。この場合は、反射率あ
るいは屈折率が異なる物質の直線上の境界線が直線エツ
ジになる。上記基板が透明なものでは、例えば半導体製
造プロセスで使用されるホトマスク等の利用が可能であ
る。レーザ光が基板を透過しない場合でも、光検出器６
−２．６−３の出力を使用することで、レーザビーム径
の測定が可能である。この場合、パタンの直線エツジ以
外の平坦な場所から散乱光が発生しないことが条件にな
る。上記のようなものとして、例えば鏡面シリコン基板
上に形成された数千人の膜Ｊ’Ｚを有するナイトライド
パタンなどがある。

第３図はレーザ走査顕微鏡と一体になったレーザビーム
径測定装置の実施例を示した構成図である。レーザ光源
１１から出射したレーザ光１３はレンズ１２−１および
１２−２でコリメートされたのち、半透鏡１４で反射さ
れ、反射されたレーザ光はレンズ１２−３で観察試料１
５上に集光される。上記ａ祭試料１５は移動ステージ１
７上に載っており、移動可能である。移動ステージ１７
の移動量はレーザ測長器９で測定される。上記観察試料
１５上に集光されたレーザ光の正反射光は、レンズ１２
−３、半透鏡１４、レンズ１２−４、ピンホール１８を
通過して光検出器２０に入る。画像表示装置１９は、観
察試料１５を２次元で走査したときに発生する光検出器
２０の出力を、レーザ測長器９の情報に基づいて′２次
元表示する。

観察試料１５には直線エツジを持つバタンか形成されて
おり、上記直線エツジから境界波が発生し、上記境界波
は反射光が直接入射しない方向に設置された光検出器６
−１．６−２で検出される。上記光検出器６−１．６−
２の出力は和回路１０で加え合わされ、上記和回路１０
の出力は直線エツジの移動距離を検出するレーザ測長器
９の出力の関数としてレコーダ８に表示される。したが
って、上記レコーダ８の表示から直ちに集光したレーザ
光のビーム径を知ることができる。

〔発明の効果〕

上記のように本発明によるレーザビーム径の測定方法は
、直線エツジをレーザビームの光軸に対し相対移動させ
ながら、上記直線エツジから生じる境界波だけを光検出
器で検出し、上記直線エツジの移動距離と上記光検出器
の出力とから、上記レーザビームの径を決定することに
より、複雑な信号処理あるいは数値積分計算を必要とせ
ず、簡単な装置の構成で、レーザビーム径を測定するこ
とが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザビーム径の測定方法の一実
施例を示す図、第２図は上記実施例におけるガウス分布
をした光検出器の出力を示す図、第３図はレーザ走査顕
微鏡と一体になった実施例を示す図、第４図はナイフェ
ツジ法における透過光量曲線を示す図、第５図（ａ）は
レーザ光を直線エツジが遮る状態を光軸方向から見た図
、同図（ｂ）は上記状態を示す側面図である。 ２・・・直線ニッジ　　　　３，１３・・・レーザビー
ム５．１７・・・ステージ　　　６−１〜６−４・・・
光検出器９・・・レーザ測長器　　　１０・・・和回路
代理人弁理士　　中　村　純之助 第１　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、直線エッジをレーザビームの光軸に対し垂直に相対
   移動させながら、上記直線エッジから生じる境界波だけ
   を光検出器で検出し、上記直線エッジの移動距離と上記
   光検出器の出力とから、上記レーザビームの径を決定す
   るレーザビーム径の測定方法。