(57)【要約】【課題】  簡便な測定系でダイナミックレンジの大きな照度分布測定方法を提供しようとすること。【解決手段】  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。【選択図】        図１
2007057279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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請求項１に記載の光量計測装置を用いた照度計測方法。
【請求項３】
前記光センサのある一辺のサイズをＳとしたとき、該光センサの中心がＳ以上の一定間隔で一辺Ｓの方向に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請求項１に記載の光量計測装置又は請求項２に記載の照度計測方法を用いた照度分布計測装置。
【請求項４】
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請求項１に記載の光量計測装置又は請求項２に記載の照度計測方法を用いた照度分布計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系により照明された部分の面照度分布の計測技術に関し、エネルギ線の入射線量分布計測の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には「処理対象物に光等のエネルギ線を照射して対象物に光洗浄等のエネルギ線処理を施す処理装置に適用され、対象物に照射されるエネルギ線量を測定するエネルギ線量モニタ装置において、入射エネルギ線量に応じて光電流を発生する光センサおよび光センサに接続されたコンデンサを収容すると共に、照射位置に配置可能なダミー受光体とコンデンサの電圧を読み出し可能な読み出し回路な読み出し回路およびコンデンサをリセット可能なリセット回路を有する本体部とを備えるエネルギ線量モニタ装置が記載されており、その目的は、従来のエネルギ線量をモニタする装置が実際にエネルギ線が照射される位置に置かれず、対象物に照射される実際のエネルギ線量をモニタできていないことを解決すること、および測定結果を瞬時に出力できることにある。
エネルギ線量のモニタ方法として、エネルギ線量に応じて光センサから光電流が発生し、コンデンサの電圧が変化するものがある。コンデンサの電圧が変化することで入射エネルギ線量が積算されていくことになる、と説明されており、光電流の積算方式でエネルギ線量（光入射光量を含む）を計測することは公知の技術である。すなわち、本発明はこの積分方式による光量計測の照度分布測定への応用、および照度分布測定の改良に属するものである。
【０００３】
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照度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。露光面における照度分布を測定する方法として、簡易的な方法には光センサにマスク（数ｍｍφ、または□（四角）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、照度分布データを得る。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代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、測定に時間がかかり、適切でない。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。これらは一度で照度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。照度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）。
【０００４】
一度に照度分布データを得る光センサアレイにおいて問題になるのは、照度分布データを得たいエリアにおいて、光の強度が極端に異なる部分、例えば１０倍以上の違い、がある場合である。一番強い強度部分を測定できるように測定上限を超えない最大の値に調整すると、弱い部分がその値の１／１０未満になり強度比の精度に問題が生じ、一方、弱い部分の強度を測定できるように調整すると、強い部分がオーバーレンジしてしまい測定が不可能となることである。また、受光部を単一の光センサにして順次測定位置を変えて測定する場合でも、この光センサの出力電流が負荷抵抗を通してボルトメータに接続されている場合、強度が弱い部分では、ボルトメータの入力レンジを下げて測定することになるが（ゲインを上げること）、ノイズの混入が無視できず、精度の点で問題が生じやすい。受光センサとして市販の光量計を使用する場合は低照度でのノイズの混入に対して考慮して設計されていることもあり、ノイズを無視できる範囲が拡がり、測定のダイナミックレンジは拡がるが、測定系のコストが上がる、レスポンスが遅いため測定に要する時間が長くなる、等の問題が生じる。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−９７７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、上記従来技術に鑑み、簡便な測定系でダイナミックレンジの大きな照度分布測定方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は、本発明の（１）「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」、
（２）「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第（１）項に記載の光量計測装置を用いた照度計測方法」、
（３）「前記光センサのある一辺のサイズをＳとしたとき、該光センサの中心がＳ以上の一定間隔で一辺Ｓの方向に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第（１）項に記載の光量計測装置又は第（２）項に記載の照度計測方法を用いた照度分布計測装置」、
（４）「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第（１）に記載の光量計測装置又は第（２）項に記載の照度計測方法を用いた照度分布計測装置」により達成される。
【０００８】
上記（１）に記載の発明は、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置かれ、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）を読み出す方法をとるので、弱い光の場合でも測定時間を長くすることで強い信号を得ることができる。また、繰り返し読み出す方法をとり、これを一時記憶することで、繰り返し測定されたデータのなかから、オーバーレンジのないＳ／Ｎ比の良いデータを選択でき、かつ選択したデータを位置の情報とともに記憶し、位置を変えて上記測定を繰り返すことで、Ｓ／Ｎ比の良い、かつダイナミックレンジの大きなデータで照度分布データを得ることを可能とする。
また、上記（２）に記載の発明は、上記（１）に記載の光量計測装置において、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で、Ｓ／Ｎ比の良いデータを選択できる。
また、上記（３）に記載の発明は、上記（１）、（２）において、光センサのある一辺のサイズをＳとしたとき、該光センサの中心がＳ以上の一定間隔で一辺Ｓの方向に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］を計算することで、単位時間当たりの光量データになり、それぞれの位置の光量データが比較可能になり、このデータを記憶し、位置情報と共に表示することでＳ／Ｎ比の良い、かつダイナミックレンジの大きなデータで照度分布表示を可能とする。
また、上記（４）に記載の発明は、上記（１）、（２）において、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とすることで、短時間での照度分布計測を可能とする。
【発明の効果】
【０００９】
以下の詳細かつ具体的な説明から明らかなように、本発明により、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置かれ、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）を読み出す方法をとるので、弱い光の場合でも測定時間を長くすることで強い信号を得ることができる。また、繰り返し読み出す方法をとり、これを一時記憶することで、繰り返し測定されたデータの中から、オーバーレンジのないＳ／Ｎ比の良いデータを選択でき、かつ選択したデータを位置の情報とともに記憶し、位置を変えて上記測定を繰り返すことで、Ｓ／Ｎ比の良い、かつダイナミックレンジの大きなデータで照度分布データを得ることができる。
また、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で、Ｓ／Ｎ比の良いデータを得ることができる。
また、光センサのある一辺のサイズをＳとしたとき、該光センサの中心がＳ以上の一定間隔で一辺Ｓの方向に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］を計算することで、単位時間当たりの光量データになり、それぞれの位置の光量データが比較可能になり、このデータを記憶し、位置情報と共に表示することでＳ／Ｎ比の良い、かつダイナミックレンジの大きなデータで照度分布表示が可能となる。
また、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とすることで、短時間での照度分布計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明は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光センサと、光センサに入射した光の照度を測定する測定手段とからなる測定系で、該照射面の照度分布を測定するとき、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）を読み出す方法をとる。この方法を、光電流信号を抵抗に流して電圧信号に変換して増幅する手段と比較すると、後者は信号レベルが小さくノイズが無視できないとき、ノイズ（高周波ノイズであることが多い）も一緒に増幅するので、読み出される信号の精度に問題が生じやすいのに比べ、電荷量に変換すると、高周波ノイズは平滑化されるのと同じ効果があり信号のＳ／Ｎ比が向上する。更に測定時間を変えることで、照射面の照度に関わらず、オーバーレンジしない範囲で計測系の最適な入力範囲の信号にして読み出すことでＳ／Ｎ比のよい信号強度を得ることができる。次に、サンプルの露光照射面における露光の照度分布を測定するにあたり、照射面の位置に光センサを置き、これは、測定の目的により光センサアレイであったり、単一の光センサにマスク（数ｍｍ以下の穴あき）をつけたもの、いずれでも良く、センサアレイではアレイ自体は固定位置のまま、マスク付きの光センサでは測定を開始する位置に置く。単一の光センサ（フォトダイオード）の場合について説明する。光を照射した状態で、所定の時間、フォトダイオードの端子間容量に光電流による電荷の蓄積を図る。端子間の電荷量（信号）を読み出し、一時記憶装置に記憶させる。次に、測定時間を変え、同様にフォトダイオード端子容量間の電荷量を読み出し、これを繰り返す。このとき、測定時間は昇順、あるいは降順に機械的に変更してもよいし、測定の都度、読み出した光の強度に応じて次の測定時間を決めてもよい。後者の場合、信号強度は計測可能範囲の最大を超えない範囲で、好ましくは「最大×１／１０〜最大」の範囲の値が得られるまで繰り返す。これは信号レベルの精度を上げるためである。機械的に測定時間を変えた場合は、読み出したデータは一時記憶装置に測定時間の情報とともに入れられ、測定が複数回繰り返された後、信号強度が計測可能範囲の最大を超えない範囲で、好ましくは「最大×１／１０〜最大」の範囲の値のうち最も大きいデータをその位置のデータとし、位置の情報を追加し記憶装置に記憶させる。これを「最終光量測定データ」とし、位置を変えて測定を繰り返した後、各位置の［最終光量測定データ÷信号測定時間］を計算した値は単位時間当たりの光量値となり相互に比較できるデータとなるため、照度分布データとすることができ、Ｓ／Ｎ比の良い、かつダイナミックレンジの広いデータが得られる。
【００１１】
光センサアレイの場合も同様の方法で測定することになる。この場合は素子が並ぶ方向には動かす必要がなくなるため、トータルの測定時間がその分短くなる。なお、光センサアレイを使用する場合は１つのセンササイズ、アレイのピッチが空間位置分解能の制約となるので、これを考慮し、目的に合わせ、２次元センサアレイあるいは１次元センサアレイを選択することになる。
【００１２】
単一の光センサを移動させる場合、受光の開口サイズ（マスクのピンホール）は照度面のサイズが十数ｍｍ〜数十ｍｍのときは数ｍｍ以下のピンホールで行なう。照度面のサイズが小さい場合、ピンホールも空間分解能を考慮して小さくするが、このとき、受光部をファイバーとすることもできる。ファイバーの端部（口径）は数μｍから数百μｍまで市販されたものがあり、小さいものを使えば空間分解能は高まるが、口径を通過して入射する光量は小さくなり、入射光量に比例した電荷が積算され、計測可能範囲の最大を超えない値を得るまでには長時間を要することになる。これも、目的に合わせて選択することになるが、分布測定ではエリアサイズの１／１０以下の受光サイズが望ましい。ファイバーを使う場合の利点は、受光部と光強度測定機器部分が離れることになり、照度測定系の配置の自由度が増すことである。しかし、ファイバーは光が入射する側の端部で入射光を反射させるなど、入射口径が小さい上に、さらに入射光量を減少させる可能性が高く、測定対象の照度が全体に強い場合に使用するのが好ましい。
【実施例】
【００１３】
以下に、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
〔実施例１〕
レーザ光を線状に絞った光で露光されている露光面は照度のダイナミックレンジが大きいので、この場合の照度分布の測定例を示す。
レーザ素子から発振された光を光学系で線状にし、像面ではその径が公称 ビーム長軸１８ｍｍ、短軸２４μｍであるビームの広範囲にわたる照度の広がりを測定する。光源（６５５ｎｍの半導体レーザ使用、光学系は社内製作）、受光部は口径１０μｍのファイバーを使用し、ファイバーの他端にフォトダイオードをおいた。順次測定時間を変えて測定し、光量計計測可能の上限値を超えない最大値と上限値×０．１の範囲の値（＝最終光量測定データ）が得られた段階で、次の測定位置に移動し、光量の測定を繰り返した。最終光量測定データの範囲は電荷量を読み出せる最大信号レベルが１２Ｖであり、従って、１．２Ｖ〜１２Ｖ未満となるが、この信号をＡＤ変換し、デジタル化して記憶するボードの入力レンジが０〜＋１０Ｖのため、１．２Ｖ〜１０Ｖの範囲の値とした。露光ビームの長軸が水平方向、短軸が垂直方向であり、水平方向には１ｍｍピッチで２０ｍｍ、垂直方向には０．００５ｍｍピッチで０．１ｍｍの範囲を位置を変えて測定した。受光ファイバーの位置の移動は精密ステージ（駿河精機（株）製  ＫＳ７０１）を使用した。［最終光量測定データ÷信号測定時間］のデータの例、およびビームの短軸（垂直方向）の照度分布を図３に示す。
【００１４】
【表１】
2007057279.tif 000003
【００１５】
〔実施例２〕
実施例１と同様にして、ただし、露光面の最大の光強度位置でオーバーレンジしない測定時間を選び、全ての位置で同じ測定時間で光量計測を行ない、照度分布データを得た。データを表２、分布を図４に示す。
【００１６】
【表２】
2007057279.tif 000004
各位置とも同じ時間で測定したデータでは、分布データが不正確になることが分かる。
【００１７】
〔実施例３〕
読み取りデータが１Ｖ以下であるような測定時間にした他は実施例１に同様である。データを表３に、分布を図５に示した。
【００１８】
【表３】
2007057279.tif 000005
また、図５に示すように、実施例１に比較しデータに違いが生じる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】光学系と単一センサを移動して照度分布を測定する装置構成の１例を示した図である。
【図２】実施例に使用した照度分布測定対象の光パターンの例を示した図である。
【図３】実施例１の照度分布測定結果を示した図である。
【図４】実施例２の照度分布測定結果を示した図である。
【図５】実施例３の照度分布測定結果（実施例１との比較）を示した図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  レーザ光学系
２  露光面の位置
３  ファイバー受光部の保持治具の側面
４  ファイバー
５  精密移動ステージ
６  フォトダイオード
７  パルス発生器（測定時間制御）
８  切換スイッチ（マルチプレクサ）
９  増幅器
１０  Ａ／Ｄ変換器
１１  一時記憶装置
１２  演算装置
１３  記憶装置（最終測定データ保存用）
１４  表示装置
【図１】
2007057279.tif 000006
【図２】
2007057279.tif 000007
【図３】
2007057279.tif 000008
【図４】
2007057279.tif 000009
【図５】
2007057279.tif 000010