JP5652651B2 - 静電潜像計測方法および静電潜像計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定像面の最適化を行うことでビーム径変化を抑制し、高精度な静電潜像計測を行うことのできる静電潜像計測方法および静電潜像計測装置に関するものである。

昨今、多色画像形成装置に対する画像形成の高速化への要求が高まるとともに、画像形成装置がオンデマンドプリンティングシステムとして簡易印刷に用いられるようになり、画像の高品質化、高精度化が求められている。

電子写真方式の画像形成装置では、帯電、露光、現像、転写、定着の各工程におけるプロセスクオリティが、最終的に出力される画像の品質に大きく影響を与える。中でも、露光プロセスにより感光体上に生じる静電潜像の状態は、トナー粒子の挙動に直接影響を及ぼす重要なファクターである。そのため、露光後の静電潜像の状態を高精度に計測して静電潜像の品質を正しく評価することは、高品質の画像を得ることができる画像形成装置を実現するうえで極めて重要であり、ミクロンスケールでの高精度の計測が要求される。

ミクロンスケールで被測定物の帯電電位を算出する方法として、カンチレバーなどのセンサヘッドを、電位分布を有する試料に近づけ、そのとき静電潜像とカンチレバーなどとの間に相互作用として起こる静電引力や誘導電流を計測し、これを電位分布に変換する方法がある。

しかし、この方式を用いるためには、センサヘッドを試料に近接させる必要があり、放電や吸着の発生、センサ自身が磁場を乱す等の問題がある。また、この方式では原理的に数ミリ程度の分解能であるため、静電潜像特性を評価するのに適していない。

また、特許文献１等に記されているように、電子ビームを用いた静電潜像の測定方法が存在するが、試料としては、ＬＳＩチップや静電潜像を記憶、保持できる試料に限定されている。すなわち、暗減衰を生じる通常の感光体は、測定することができない。通常の誘電体は電荷を半永久的に保持することができるので、電荷分布を形成後、時間をかけて測定を行っても、測定結果に影響を与えることはない。

しかし、感光体の場合は、抵抗値が無限大ではないので、電荷を長時間保持できず、暗減衰が生じ、時間とともに表面電位が低下してしまう。感光体が電荷を保持できる時間は、暗室であってもせいぜい数十秒である。従って、帯電、露光後に電子顕微鏡（ＳＥＭ）内で静電潜像を観察しようとしても、その準備段階で静電潜像は消失してしまう。

これに対して発明者らは、暗減衰を有する感光体試料であっても静電潜像を測定することのできる方法を発明した（特許文献２、特許文献３および特許文献４参照）。また、露光ビームにより２次元的に走査することのできる、より実機に近い静電潜像測定方法を発明した。

しかし、露光ビームの２次元走査時には露光光学系による像面湾曲が生じ、測定像面上で露光ビームのビーム径を一定に保つことができないといった、潜像計測を行う上で好適な露光条件を実現する上での制限があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、露光ビームの２次元走査時に生じる像面湾曲による測定像面範囲内でのビーム径変化に対して、測定像面の最適化を行うことでビーム径変化を抑制し、高精度な静電潜像計測を行うことのできる静電潜像計測方法および静電潜像計測装置に関するものである。

本発明に係る静電潜像計測方法は、感光体の表面に形成される静電潜像を計測する静電潜像計測方法であって、感光体の表面に荷電粒子ビームを照射し感光体を帯電させる帯電工程と、音響光学偏向素子に向けて光束を照射する光束照射工程と、音響光学偏向素子により光束を一方向に回折する回折工程と、回折された前記光束を一方向に対し直交する方向に偏向して感光体表面を走査し露光する露光工程と、回折工程と露光工程により２次元露光された感光体に向けて荷電粒子ビームを照射し、感光体から発生する２次電子を検出する検出工程と、を備え、感光体の表面上における測定範囲の下限、上限をそれぞれ（ｘ_１，ｙ_１）、（ｘ_２，ｙ_２）とし、像面湾曲特性を表す式ｆ（ｙ）＝ａ_１ｙ^２と、試料像面を表す式ｇ（ｙ）＝（ｙ−ｂ）／ａ_２（ただし、a_１、ａ_２、ｂは定数）の交点を（ｘ_３，ｙ_３）、（ｘ_４，ｙ_４）とし、ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３、ｙ_４は、ｙ_１＜ｙ_３、ｙ_３＜ｙ_４、ｙ_４＜ｙ_２の関係であり、測定範囲のｘ座標の差分総和Ｓを式

により求め、差分総和Ｓと測定範囲の幅Ｌとにより、測定範囲における光束の平均結像位置ずれ量Ｄ’を式Ｄ’＝Ｓ／Ｌにより求め、平均結像位置ずれ量Ｄ’が所定の範囲内となるように、感光体の位置を調整することを最も主要な特徴とする。

本発明に係る静電潜像計測方法および静電潜像計測装置によると、測定像面の最適化を行うことでビーム径変化を抑制し、高精度な静電潜像計測を行うことができる。

本発明に係る静電潜像計測装置の例を示すモデル図である。 図１の静電潜像計測装置に用いられている光走査装置を示すモデル図である。 図２の光走査装置に用いられている光源の例を示す斜視図である。 図２の光走査装置に用いられる音響光学偏向素子を示すモデル図およびグラフである。 本発明に係る静電潜像計測装置の全体像を示す概略図である。 形成される潜像画像パターンの例を示す平面図である。 ２次電子による電荷分布検出の原理を示すモデル図である。 静電潜像計測方法を示すフローチャートである。 ２次元露光光学系による像面湾曲を示すグラフである。 副走査深度カーブが偏向角に依存する様子を示すグラフである。 音響光学偏向素子の偏向角特性を示すグラフである。 ２次元露光光学系による光路を示す模式図である。 音響光学偏向素子の回折効率特性を示すグラフである。 音響光学偏向素子によって光路を調整する様子を示す模式図である。 露光光学系の角度調整手段を示す模式図である。 露光光学系の角度調整方法を示すフローチャートである。 結像位置のずれ量を示すグラフである。 結像位置のずれ量の具体例を示すグラフである。 測定像面の最適化をするための条件例を示すグラフである。 測定像面を調整する様子を示す模式図である。 測定像面の最適化方法を示すフローチャートである。 測定像面の最適化を行う制御系を示すブロック図である。

以下、本発明に係る静電潜像計測装置及び静電潜像計測方法の実施例について、図面を参照しながら説明する。

まず、図１を用いて静電潜像計測装置の構成について説明する。本実施形態に係る静電潜像計測装置１は、大きく分けて荷電粒子ビームを照射する荷電粒子照射部１０、露光光学系２２、試料２３を載置する試料設置部ＧＮＤおよび１次反転荷電粒子や２次電子などの検出部２４およびＬＥＤ２５からなる。ここでいう荷電粒子とは、電子ビームあるいはイオンビームなど電界や磁界の影響を受ける粒子を指す。

荷電粒子照射部１０は、電子ビームを発生させるための電子銃１１と、電子ビームを制御するためのサプレッサ電極（引き出し電極）１２、電子ビームのエネルギーを制御するための加速電極１３、電子銃から発生された電子ビームを集束させるためのコンデンサレンズ１４、電子ビームをＯＮ／ＯＦＦさせるためのビームブランカ１５、仕切り板１６、可動絞り１７、非点補正（スティングメータ）１８、ビームブランカ１５を通過した電子ビームを走査させるための走査レンズ１９、走査レンズ１９を通過した電子ビームを再び収束させるための対物レンズ２０およびビーム射出開口部２１を備えている。それぞれのレンズ等には、図示しない駆動用電源が接続されている。なお、イオンビームの場合には、電子銃の代わりに液体金属イオン銃などを用いる。

露光光学系２２は、図２に示すように、感光体に関して感度を持つ波長の光源であるＬＤ（レーザダイオード）１００、コリメートレンズ１０１、アパーチャ１０２、音響光学偏向素子１０３、シリンダレンズ１０４、走査レンズ１０６、同期検知用ミラー１０７、同期検知手段１０８などからなり、感光体試料上に所望のビーム径、ビームプロファイルを生成することが可能となっている。また、ＬＤ制御手段により適切な露光時間、露光エネルギーを照射できるようになっている。光源は、ＬＤ１００に代えて、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すような、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）等のマルチビーム光源を用いてもよい。

露光光学系２２は、光学系にガルバノスキャナやポリゴンスキャナなど反射手段による偏向手段を用いることで、ライン状のパターンを形成することができる。このライン方向を主走査方向とする。また、図２に示すように、ポリゴンスキャナなどによる走査方向（主走査方向）に対し垂直の方向（この方向を副走査方向とする）に光束を走査するための音響光学偏向素子１０３が配置されている。

音響光学偏向素子１０３の１実施例を図４（ａ）と（ｂ）に示す。音響光学偏向素子１０３は、光学媒体の中に超音波を発生させて、進行するレーザ光を回折させる素子で、これに与える入力信号に周波数変調を加えることでレーザ光の角度変調を行うことができる。音響光学偏向素子１０３には機械的可動部がないため、これを用いることで高速な走査を実現することができる。

音響光学偏向素子１０３の動作原理について説明する。二酸化テルル（ＴｅＯ_２）やモリブデン酸鉛（ＰｂＭｏＯ_４）などの単結晶またはガラスからなる音響光学媒体に圧電素子などの超音波トランスデューサを接着し、この圧電素子に外部から電気信号を与えて超音波を発生させ、超音波を媒体中に伝播させると、光学素子内に周期的な屈折率の粗密を形成することができる。

音響光学媒体中を通るレーザ光はブラッグ回折により回折し、入射光は、０次光の他に±１、２…の回折光を生じる。０次回折光と１次回折光との角度θ_０１は、空気中の光波長をλ、音響波基本周波数をｆａ、音響波速度をＶａとすると、以下の式で表される。
θ_０１＝λ・ｆａ／Ｖａ
偏向角をΔθだけ変化させるためには、基本周波数ｆａを音響波周波数変調Δｆａ分だけシフトさせると良い。この場合、Δθは以下の式で表される。
Δθ＝λ・Δｆａ／Ｖａ

この素子を、電圧制御発振機（ＶＣＯ）、ＲＦアンプを用い、任意の駆動周波数で駆動することで、副走査方向に光束を走査することができる。図４（ｂ）は、ＶＣＯに入力する電圧と出力周波数の関係である。このように、ＶＣＯに適切な電圧を入力することで、所望の方向に光束を偏向させることができる。

具体的には、ＴｅＯ２の音響波速度Ｖａが６５０ｍ／ｓで、ｆａが５０Ｍｈｚ、λが６５５ｎｍの場合、
θ_０１＝６５５×１０^−９×５０×１０^６／６５０＝５０．３８（ｍｒａｄ）
となる。

ところで、音響光学偏向素子は、変調信号を与えてから所定の光学特性を得るためには、ディレイが生じる。この応答時間（アクセスタイム）Ｔｒｅｓは、ビームサイズをＤとすると、以下の式で表すことができる。
Ｔｒｅｓ＝Ｄ／Ｖａ
具体的には、Ｄが５ｍｍ、Ｖａが６５０ｍ／ｓの場合、
Ｔｒｅｓ＝５／６５０＝７．７（μｓ）
となる。

このため、応答時間は、反射による変更手段の走査周波数をｆｖとしたとき、
Ｄ／Ｖａ＜１／ｆｖ
とすれば良い。即ち、ポリゴンミラーの回転数（ｒｐｍ）をＲｍ、ポリゴンミラーの面数をＮとすれば、ポリゴンスキャナの走査周波数ｆｖは、
ｆｖ＝Ｒｍ／６０×Ｎ
と表すことができ、Ｖａは
Ｖａ＞Ｄ×ｆｖ
でなければならない。具体的には、Ｄ＝７ｍｍ、ｆｖ＝６ｋＨｚの場合、
Ｖａ＞４２ｍ／ｓ
となる特性を有する音響光学偏向素子を用いる必要がある。

露光光学系２２に用いられている偏向器のモータによる振動や電磁波が電子ビームの軌道に影響を与えないように、露光光学系２２を真空チャンバの外に配置すると良い。露光光学系２２を電子ビームの軌道から遠ざけることにより、外乱の影響を抑制することができる。この場合、露光ビームは、真空チャンバ外壁に設けられた透明な入射窓より入射させることが望ましい。

図５は、真空チャンバ装置と光学系の断面図である。図５に示すように、真空チャンバの鉛直軸に対して４５°の位置に、真空チャンバ内部に対して光束が外部から入射可能な入射窓を配置し、真空チャンバ外部に露光光学系２２を配置した構成となっている。図５において、露光光学系２２は、光源１００、音響光学偏向素子１０３、光偏向器１０５、走査レンズ１０６などを有している。露光光学系２２を保持するハウジングは、露光光学系全体をカバーで覆い、真空チャンバ内部へ入射する外光（有害光）を遮光する構成としても良い。

露光光学系２２は、真空チャンバに対して離れて配置されているので、光偏向器を駆動する際に生じる振動が、直接真空チャンバに伝播されることがない。さらに、図５では図示していないが、構造体と除振台との間にダンパを挿入すれば、更に効果の高い防振効果を得ることができる。

このような機構を設けることにより、感光体試料に対して、２次元の静電潜像パターンを形成することができる。なお、感光体試料の形状は、平面であっても曲面であっても良い

本実施形態の静電潜像計測装置の動作をもとに、静電潜像計測方法について説明する。

まず、感光体試料２３に電子ビームを照射させることで帯電を行う。加速電圧｜Ｖａｃｃ｜は、２次電子放出比が１となる加速電圧より高い加速電圧に設定することにより、入射電子量が放出電子量を上回り、電子が試料に蓄積され、チャージアップを起こす。この結果、試料はマイナスの一様帯電を生じることができる。加速電圧と照射時間を適切に行うことにより、所望の帯電電位を形成することができる。

次に、露光光学系２２を用いた２次元走査により、感光体試料２３を露光する。露光光学系２２は、所望のビーム径及びビームプロファイルを形成するように調整されている。必要露光エネルギーは感光体特性によって決まるファクターであるが、通常、２〜１０ｍＪ／ｍ^２程度である。感度が低い感光体試料では、必要露光エネルギーは十数ｍＪ／ｍ^２となることもある。帯電電位や必要露光エネルギーは、感光体特性やプロセス条件に合わせて設定すると良い。

また、ビームスポット径、デューティ、画周波数、書込密度、画像パターン等の条件設定を任意に行うことで、様々な条件での潜像計測を行うことが可能となる。画像パターンとしては、１ｂｙ１の他、１ドット格子、２ｂｙ２、副走査ラインや副走査ピッチむらを意図的に発生させたラインなど、図５に示すような様々なパターンを形成することができる。この帯電と露光により、感光体試料２３に静電潜像を形成することができる。

次に、静電潜像計測を行う。上記のようにして静電潜像が形成された感光体試料２３を電子ビームで走査し、放出される２次電子を検出器（シンチレータ）２４で検出し、電気信号に変換してコントラスト像を観察する。このようにすると、帯電部の２次電子検出量が多く、露光部の２次電子検出量が少ない明暗のコントラスト像が生じる。暗の部分を露光による潜像部とみなすことができるので、ビームを走査させずにスポット露光した場合の明暗の境界を潜像径とすることができる。

試料表面に電荷分布があると、感光体試料２３の上方に位置する空間に、表面電荷分布に応じた電界分布が形成される。入射電子によって発生した２次電子は、この電界によって押し戻され、検出器に到達する量が減少する。従って、電荷リーク箇所は、露光部が黒、非露光部が白となり、表面電荷分布に応じたコントラスト像を測定することができる。

図７（ａ）は、荷電粒子捕獲器２４と、試料２３との間の空間における電位分布を、等高線表示で説明図的に示したものである。試料２３の表面は、光減衰により電位が減衰した部分を除いては負極性に一様に帯電した状態であり、検出器２４には正極性の電位が与えられている。そのため、実線で示す電位等高線群においては、試料２３の表面から検出器２４に近づくに従い電位が高くなる。

従って、試料２３における、負極性に均一帯電している部分である図のＱ１点やＱ２点で発生した２次電子ｅｌ１、ｅｌ２は、検出器２４の正電位に引かれ、矢印Ｇ１や矢印Ｇ２で示すように変位し、検出器２４に捕獲される。

一方、図７（ａ）において、Ｑ３点は光照射されて負電位が減衰した部分であり、Ｑ３点近傍では電位等高線の配列は破線で示すようになる。この部分電位分布では、Ｑ３点に近いほど電位が高くなっている。換言すると、Ｑ３点の近傍で発生した２次電子ｅｌ３には、矢印Ｇ３で示すように、試料２３側に拘束する電気力が作用する。このため、２次電子ｅｌ３は、破線の電位等高線で示すポテンシャルの穴に捕獲され、検出器２４に向かって移動することができない。

図７（ｂ）は、上記ポテンシャルの穴を模式的に示している。即ち、検出器２４により検出される２次電子の強度（２次電子数）は、強度の大きい部分が「静電潜像の地の部分（均一に負帯電している部分、図７（ａ）の点Ｑ１やＱ２に代表される部分）」に対応し、強度の小さい部分が「静電潜像の画像部（光照射された部分、図７（ａ）の点Ｑ３に代表される部分）」に対応することになる。

従って、２次電子検出部２４で得られる電気信号を、信号処理部で適当なサンプリング時間でサンプリングすれば、前述の如く、サンプリング時刻Ｔをパラメータとして、表面電位分布（電位コントラスト像）Ｖ（Ｘ，Ｙ）を「サンプリングに対応した微小領域」ごとに特定できる。そして、信号処理部により上記表面電位分布Ｖ（Ｘ，Ｙ）を２次元的な画像データとして構成し、これをアウトプット装置で出力すれば、静電潜像が可視的な画像として得られる。

例えば、捕獲される２次電子の強度を「明るさの強弱で表現」すれば、静電潜像の画像部分は暗く、地の部分は明るくコントラストがつき、表面電荷分布に応じた明暗像として表現（出力）することができる。勿論、表面電位分布に基づき、表面電荷分布も計測することができる。

上述の構成によれば、表面電荷分布を有する試料に荷電粒子ビームを照射して得られる検出信号により、試料の電荷分布の状態を測定する方法において、露光条件を変えたときの潜像の状態を計測することにより、感光体の静電特性を把握することができる。

最後に、ＬＥＤ２５（図１参照）を用いて感光体試料２３の除電を行う。感光体試料上に生成された帯電電荷は光を照射することで消失させることができ、ここでは、除電のためにＬＥＤ２５を発光し、次の測定に備える。

以上のプロセスを行うことで、所望の条件で形成された静電潜像を計測することができる。これらの潜像形成に係る一連の動作を図８にフロー図として示し、各ステップの説明を以下に記述する。なお、図８のフロー図は、後述する音響光学偏向素子の使用ＶＣＯ電圧に応じた光学系調整及び測定像面の最適化を含む。

まず、ステップＳ１において、後述する調整手法を用いて、潜像形成で用いるＶＣＯ電圧に応じた光学系調整を行う。

次に、ステップＳ２において、後述する調整手法を用いて、感光体試料上測定像面の最適化を行う。

次に、ステップＳ３において、上述の電子ビームによる帯電により、感光体試料に帯電電荷を生成する。

次に、ステップＳ４において、上述の露光光学系を用いて、所望の２次元露光パターンが形成されるように露光し、感光体試料上に潜像パターンを形成する。

次に、ステップＳ５において、潜像パターンが形成された試料に対して、電子ビームを照射し、試料から放出される２次電子を検出することで静電潜像計測を行う。

次に、ステップＳ６において、ＬＥＤを用いて感光体試料の除電を行い、次の測定に備える。

ところで、上述の構成を用いて２次元走査を行うとき、シリンダレンズ、走査レンズなどを光束が通過する際に、像面湾曲が生じる。特に、レーザ光の副走査位置によりビーム特性が変化するため、副走査偏向に伴う像面湾曲の影響は大きい。

図９に副走査偏向を行ったときの試料像面での副走査位置と副走査方向ビームウエスト位置の関係の一例を示す。図９から分かるように、副走査偏向を行う際に像面湾曲が生じ、その影響を受けて副走査方向ビームウエスト位置が変化し、副走査位置が光軸から離れるほどその影響が大きくなる。なお、副走査偏向を行う場合、主走査方向のビーム特性に関しては大きな変化は見られない。

図１０に示すように、この像面湾曲の影響により、試料像面における各偏向角の副走査深度カーブは、偏向角、即ち音響光学偏向素子に印加するＶＣＯ電圧Ｖｖｃｏの値により異なるため、試料像面でのビーム径を一定に保つことができない。図１０は、試料像面を光軸に対して垂直に配置した場合を示すものであるが、本発明の構成では、図５に示すように試料像面は露光光学系に対して４５度の入射角を持っていることから、副走査偏向角によって光路長が異なり、ビーム径変動の影響はより受けやすい。このような要因から、潜像計測を行うにあたり測定領域でのビーム径変動を抑えるために、所定の範囲で副走査偏向範囲を限定する必要がある。

副走査偏光に用いる有効なＶＣＯ電圧の中央値は、露光光学系の構成により一意的に定まる。像面湾曲の影響が最小となる透過ビームは、光軸上を伝播するものである。そのため、図１１に示すように、ＶＣＯ電圧と透過ビームの光軸からの偏向角が比例する特性を持つ音響光学偏向素子を用いるとともに、図１２に示す模式図のように音響光学偏光素子を光軸に対して垂直に配置する場合、光軸からの振れ角が０となるＶｖｃｏ＝６Ｖであるときの透過ビームは、像面湾曲の影響が最小となる。そして、Ｖｖｃｏ＝６Ｖから離れた電圧を入力するほど、像面湾曲の影響を受けてビーム径が変化する。このため、使用ＶＣＯ電圧範囲は、Ｖｖｃｏ＝６Ｖを中心とした適切な範囲を選択することが望ましい。

一方、音響光学偏向素子の回折効率は、図１３に示すように、そのＶＣＯ電圧に依存する。図１３に示すような回折効率特性をもつ音響光学偏向素子を、Ｖｖｃｏ＝６Ｖで使用するとき、音響光学偏光素子の回折効率は最大回折効率より劣り、副走査偏光における光量損失が最適使用時に比べて増加する。

試料像面への到達光量を考えたとき、露光光学系内での光源光量の損失は少ないほうが望ましい。さらに、回折素子としての不完全性が透過ビーム特性へ影響を与えることや、回折プロセスでの損失エネルギーが音響光学偏光素子自身や光源に対して影響を与えることなどに対しての懸念もあり、この点からも、音響光学偏光素子は、その回折効率が最も高い条件で使用することが望ましいといえる。また、これらの懸念事項を解消し、回折効率の低い条件で音響光学偏光素子を用いる場合でも、回折効率の値や、計測範囲内での回折効率変化率などを考えたとき、その回折効率を任意に設定できる調整ができることは、潜像計測を行ううえで好ましい。このため、任意のＶＣＯ電圧で副走査偏光を行うための調整が必要となる。

図１３のような特性を持つ音響光学偏光素子において、その最大回折効率であるＶｖｃｏ＝４Ｖを中心とした副走査偏光を行うための調整方法を以下に示す。図１２の光学系においては、Ｖｖｃｏ＝４Ｖ時の透過ビームは像面湾曲の影響により試料像面での副走査方向ビーム径はＶｖｃｏ＝６Ｖ時に比べて大きくなるうえ、Ｖｖｃｏ＝４Ｖ付近では像面湾曲によるビーム特性への影響を受けやすいため、Ｖｖｃｏ＝４Ｖを中心とした潜像形成範囲の設定は計測上適切でない。

図１４に示すように、Ｖｖｃｏ＝４Ｖを中心とした潜像計測範囲の設定を実現するためには、Ｖｖｃｏ＝４Ｖ時の透過ビームが光軸を伝播するように、音響光学偏光素子及び音響光学偏光素子以前の光学系に対して調整を行えばよい。調整角度θは、使用ＶＣＯ電圧での光軸からの振れ角であり、音響光学偏光素子におけるＶＣＯ電圧と回折角の関係より求められる。図１１に示されるような音響光学偏向素子のＶＣＯ電圧に対する偏向角特性を事前に測定しておくことで、任意のＶＣＯ電圧における調整角度を求めることができる。

例えば、図１１に示すような特性を持つ音響光学偏光素子を用いる場合、Ｖｖｃｏ＝４Ｖ時の透過ビームを中心とした潜像計測・形成範囲の設定するためには、光軸からの偏向角である０．９３度を調整角度として調整すればよい。このような調整を行うことで、像面湾曲の影響を受けないＶＣＯ電圧を任意に設定できる。

露光光学系の角度調整を行うための調整機構を図１５に示す。露光光学系の角度調整は、光源から音響光学偏向素子までの光学系を一つのユニットとして構成し、マイクロステージなどで構成した傾斜調整ステージ１１０にユニットを載置し、ステージ１１０の可動範囲内でユニットの傾斜角度を調整することで行われる。ステージ１１０の角度調整は、調整ネジ１１１を操作することで行われる。

角度調整軸が音響光学偏向素子の偏向点と異なり、調整により透過ビームの出射点が光軸上に位置しない場合は、図１５の調整機構に加えて高さ調整ステージなどを設置し、その変化量に応じて透過ビームが光軸を伝播するように調整を行なえばよい。また、角度や高さの調整は、手動、もしくは電気的に行ってもよい。さらに、調整はそれぞれの構成部品で独立に行ってもよい。

これらの調整手段のフロー図を図１５に示し、各ステップの説明を以下に記述する。

まず、ステップ１１において、音響光学偏向素子を用いた副走査偏向で使用するＶＣＯ電圧を決定する。

次に、ステップＳ１２において、事前に測定した音響光学偏向素子のＶＣＯ電圧と光軸からの振れ角の特性から、使用ＶＣＯ電圧での光軸からの振れ角を導出する。

次に、ステップＳ１３において、導出した振れ角を調整角度として、光源から音響光学偏向素子の間に設けられている光学系の角度調整を行う。

このようにして、任意のＶＣＯ電圧を中心とした潜像形成範囲を設定することが可能となる。そして、音響光学偏向素子の最大回折効率を有するＶＣＯ電圧での潜像形成が可能となり、露光光学系内での光源光量損失を最低限に抑えることができる。また、回折素子としての不完全性や、回折プロセスでの損失エネルギーに対しての懸念を解消することができる。さらに、回折効率を任意に設定できることで、計測範囲内での回折効率変化率を考慮した回折効率設定を行うことができる。

次に、潜像計測範囲内において広範囲で露光ビームのビーム径を保つための測定像面の設定手法について説明する。

上述したように、音響光学偏向素子を用いた２次元露光光学系では、副走査偏向にともない像面湾曲が生じ、その影響により試料像面で露光ビームのビーム径が一定に保たれる範囲は限定される。このとき、測定像面を像面湾曲による結像位置変化特性に重ねるように設定することで、光軸に対して垂直に配置したときよりも広範囲でビーム径を保つことが可能となる。即ち、像面湾曲に準じた測定像面の最適化を行うことで、広範囲で潜像計測に好適な露光条件を実現することができる。

測定像面の最適化について、図１７を用いて説明する。

像面湾曲により生じる結像位置ズレは二次関数的に生じる。ｘを像面湾曲による結像位置のズレ量、ｙを副走査位置とすると、その特性は以下の式で表される。
ｘ＝ａ_１ｙ^２

試料像面を平面だとすると、

で表される。ａ_１、ａ_２、ｂは定数を示す。

これら二つの曲線と直線との重なりが多いほど、像面湾曲により生じる結像位置と試料像面が重なることを意味する。そのため、測定像面の最適化は、像面上所定範囲でのｘ座標の差分が小さくなるような像面設定をすることで実現できる。

像面上測定範囲の下限、上限をそれぞれ（ｘ_１，ｙ_１）、（ｘ_２，ｙ_２）、直線と曲線の交点を（ｘ_３，ｙ_３）、（ｘ_４，ｙ_４）、Ｓを像面上所定範囲でのx座標の差分総和、Ｌを測定範囲幅、また、
ｆ（ｙ）＝ａ _１ ｙ ^２
ｇ（ｙ）＝（ｙ−ｂ）／ａ_２
とすると、像面上所定範囲でのｘ座標の差分平均、即ち、結像位置ずれ量の測定範囲平均
Ｄ’は、以下の式で表される。
Ｄ’＝Ｓ／Ｌ
また、Ｓは、ｙ_１＜ｙ_３、ｙ_３＜ｙ_４、ｙ_４＜ｙ_２とすると、以下の数１式で表される。

Ｄ’およびＳが最も小さくなるときの直線を像面とすることで、測定像面の最適条件を導出することができる。なお、曲線と直線の交点が１つの場合においても、同様に結像位置ずれ量の総和を求めることができる。また、ここでは試料像面は平面であるとしたが、曲面であってもよい。

図５に示すような真空チャンバ外に露光光学系が配置され、試料像面と露光ビームの入射角が４５度であり、潜像計測範囲Ｌを１ｍｍとしたときの測定像面の最適化を考える。このとき、像面湾曲特性は図９で示されたものとし、その特性は以下の式で表される。
ｘ＝−２．４ｙ^２
これより、ｆ（ｙ）＝−２．４ｙ^２、ｇ（ｙ）＝ｙ−ｂと置き換えられる。また、ｙ_１とｙ_２の関係は、以下の数２式で示される。

上記の数式よりＤ’およびＳを求めるためには、変数ｂおよびｙ_２に任意の値を設定する。

ここで、変数ｂとは、グラフ上で試料像面を示す直線のｙ切片であり、変数ｂを変更することは、試料高さを変更することを意味する。試料高さを変えることで像面湾曲特性を示す曲線との交点を任意に変えることができ、上述の結像位置ずれ量平均を求める数１式中のｙ_３およびｙ_４を任意に設定できる。

また、変数ｙ_２とは、試料像面上の測定範囲の上限値を示す。ｙ_１とｙ_２は、上述の関係があるため、ｙ_２を設定することでｙ_１は一意的に定まる。これより、Ｄ’およびＳを求めることができる。これらの条件を表したものを図１８に示す。

ｂおよびｙ_２をパラメータとしたときの、結像位置ずれ量平均Ｄ’の特性を図１９に示す。ここで、ｂおよびｙ_２の座標の単位はｍｍである。Ｄ’が０．６ｍｍより小さくなる条件を測定像面条件とすると、ｂ＝０またはｂ＝−０．０５であり、かつ、ｙ_２＝０．１、ｙ_２＝０．２の条件である。このように求められた条件をもとに、実際に試料像面を設定することで測定像面の最適化を実現できる。

ｂは、試料高さを示すため、試料をマイクロステージなどで構成された高さ方向可動ステージに設置し、その可動範囲内で手動、もしくは電気的に試料高さを調整すればよい。ｂ＝０とは、像面湾曲の影響が生じない光軸を伝播したビームが結像する位置であり、この位置を基準として試料高さを調整できる。

ｙ_２は、高さ調整を行った試料像面上での測定上限座標、即ち書込開始位置を示す。書込範囲は、音響光学偏向素子のＶＣＯ電圧で任意に制御できるため、音響光学偏向素子の偏向角特性と露光光学系の副走査偏向時結像特性を考慮し、ＶＣＯ電圧の範囲を所望の範囲に設定すればよい。

例えば、１次光振れ角（度）をθ、副走査変化量（ｍｍ）をΔＺとし、音響光学偏向素子による１次光振れ角と結像位置の副走査変化量が以下の式で与えられるような露光光学系を用いたとき、ｙ２＝０．１に結像するためには、θ＝０．０６３であればよい。
θ＝０．０６３×ΔＺ

また、ＶＣＯの電圧変化量（Ｖ）をΔＶ_ｖｃｏとすると、音響光学偏向素子のＶＣＯ電圧と振れ角の関係が以下の関係式であるとする。
θ＝０．４７×ΔＶ_ｖｃｏ
この場合、ΔＶ_ｖｃｏ＝０．１３である。

そのため、測定上限ＶＣＯ電圧を光軸伝播ＶＣＯ電圧より０．１３Ｖ小さくして設定し、それを基準として１ｍｍの測定範囲を設定すればよい。例えば、光軸伝播ＶＣＯ電圧が６Ｖである場合は、ΔＶ_ｖｃｏ＝５．８７〜７．２２Ｖとすることで１ｍｍの測定範囲を実現することができる。

従来の測定像面設定では、図２０（ａ）に示すように、光軸を伝播する音響光学偏向素子を透過する光束、すなわち、Ｖ_ｖｃｏ＝６Ｖを中心として対称的に１ｍｍの測定範囲を設定していたが、上述の最適化を行った場合ＶＣＯ電圧範囲の中心は図２０（ｂ）に示すように６．５５Ｖとなった。これらの差分の０．５５Ｖが、本発明の使用ＶＣＯ電圧範囲における像面最適化調整の電圧シフトである。

測定像面の最適化の手順を図２１に示す。測定像面の最適化を行うことで、測定範囲内でのビーム径変動を小さくすることができる。

まず、ステップＳ２１において、露光光学系による副走査偏向時に生じる像面湾曲特性の数式化を行う。数式化は、シミュレーションなどを用いて行ってもよいし、実測値に対する近似計算などで行ってもよい。

次に、ステップＳ２２において、試料高さを任意の値に設定する。

次に、ステップＳ２３において、測定を行う構成及び設定した試料高さを用いて試料像面の数式化を行う。このとき試料像面は平面であっても曲面であってもよい。

次に、ステップＳ２４において、像面湾曲特性、試料像面を示すそれぞれの数式を用いて、交点を求める。

次に、ステップＳ２５において、試料像面上における測定範囲幅及び測定範囲上限座標、下限座標を設定する。

次に、ステップＳ２６において、設定した条件における結像位置ずれ量平均Ｄ’の算出を行う。

次に、ステップＳ２７において、算出されたＤ’の値と、予め設定した測定像面条件値Ｄ’_０の比較を行い、測定像面条件値を下回る場合はＳ２８に進む。それ以外の場合は、パラメータ値を変更するためにＳ２２へ進む。

ステップＳ２８では、導出された最適化条件に基づき測定像面設定が行われ、測定像面の最適化が終了する。

なお、ここでは試料高さと計測範囲をパラメータとして測定像面の最適化を行ったが、試料に対する露光ビームの入射角を変更することで像面湾曲特性に応じた測定像面の最適化を行ってもよい。入射角の変更は、図５に示す露光光学系からの光を試料に反射する折り返しミラーの角度を任意に調整することで実現できる。また、露光光学系もしくは、試料ステージを傾斜ステージなどに搭載し、その可動範囲内で手動、もしくは電気的に傾斜を制御してもよい。

上述した手順を行うことで、総ライン数、書込密度（ｄｐｉ）を任意に指定したときの最適測定像面条件とライン番号に対応したＶＣＯの値を導出することが可能となる。これらの導出を自動化するための制御系構成を図２２に示す。

最適像面条件算出部５１では、指定した測定範囲に基づく最適像面条件を上述したフローを用いて算出する。試料高さ、試料角度などの試料設置条件に関する情報は試料ステージ制御部５２に送られる。

試料ステージ制御部５２では、その情報に応じて実際に試料ステージＧＮＤを駆動する。

ＶＣＯ電圧調整部５４では、最適像面条件算出部５１で算出された書込開始ＶＣＯ電圧と書込総ライン数、書込密度を入力として受け、音響光学偏向素子１０３の偏向角特性と露光光学系の副走査偏向時結像特性から像面最適化調整を受けたライン毎の調整ＶＣＯ電圧値を求める。求められたライン毎の調整ＶＣＯ電圧値は、ＶＣＯ電圧メモリ５５に格納される。

ＶＣＯ電圧メモリ５５は、同期信号を受けて書込ライン番号をカウントするライン番号制御部５６からのライン番号信号を受け、そのライン番号に対応するＶＣＯ電圧値を音響光学偏向素子制御部５７に与える。

音響光学偏向素子制御部５７では、与えられたＶＣＯ電圧値に対応した駆動周波数を発生させ、それを音響光学偏向素子１０３に与えることで副走査偏向を行う。

この手順を総ライン数に達するまで繰り返すことで、最適化された測定像面に対して、指定した測定範囲幅、総ライン数、書込密度での２次元パターンの露光が実現できる。

１ 静電潜像測定装置
１０ 荷電粒子照射部
１１ 電子銃
１２ 引き出し電極（エキストラクタ）
１３ 加速電極
１４ 静電レンズ（コンデンサレンズ）
１５ ビームブランキング電極（ビームブランカ）
１６ 仕切り板
１７ 可動絞り
１８ 非点補正（スティングメータ）
１９ 走査レンズ（偏向電極）
２０ 静電対物レンズ
２１ ビーム射出開口部
２２ 露光光学系
２３ 感光体試料
２４ 検出器
２５ ＬＥＤ
ＧＮＤ 試料設置部

特開平０３−０４９１４３号公報 特開２００２−１０３３５５号公報 特開２００３−０４３５８７号公報 特開２００７−０７０８３６号公報

Claims (2)

1. 感光体の表面に形成される静電潜像を計測する静電潜像計測方法であって、
   前記感光体の表面に荷電粒子ビームを照射し感光体を帯電させる帯電工程と、
   音響光学偏向素子に向けて光束を照射する光束照射工程と、
   前記音響光学偏向素子により前記光束を一方向に回折する回折工程と、
   回折された前記光束を前記一方向に対し直交する方向に偏向して感光体表面を走査し露光する露光工程と、
   前記回折工程と前記露光工程により２次元露光された前記感光体に向けて荷電粒子ビームを照射し、前記感光体から発生する２次電子を検出する検出工程と、
   を備え、
   前記感光体の表面上における測定範囲の下限、上限をそれぞれ（ｘ_１，ｙ_１）、（ｘ_２，ｙ_２）とし、
   像面湾曲特性を表す式
   ｆ（ｙ）＝ａ_１ｙ^２
   と、試料像面を表す式
   ｇ（ｙ）＝（ｙ−ｂ）／ａ_２（ただし、a_１、ａ_２、ｂは定数）
   の交点を（ｘ_３，ｙ_３）、（ｘ_４，ｙ_４）とし、
   前記ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３、ｙ_４は、ｙ_１＜ｙ_３、ｙ_３＜ｙ_４、ｙ_４＜ｙ_２の関係であり、
   前記測定範囲のｘ座標の差分総和Ｓを式
   

   

   により求め、
   前記差分総和Ｓと前記測定範囲の幅Ｌとにより、前記測定範囲における前記光束の平均結像位置ずれ量Ｄ’を式
   Ｄ’＝Ｓ／Ｌ
   により求め、
   前記平均結像位置ずれ量Ｄ’が所定の範囲内となるように、前記感光体の位置を調整することを特徴とする静電潜像計測方法。
2. 感光体の表面に形成される静電潜像を計測する静電潜像計測方法であって、
   前記感光体の表面に荷電粒子ビームを照射し感光体を帯電させる帯電工程と、
   音響光学偏向素子に向けて光束を照射する光束照射工程と、
   前記音響光学偏向素子により前記光束を一方向に回折する回折工程と、
   回折された前記光束を前記一方向に対し直交する方向に偏向して感光体表面を走査し露光する露光工程と、
   前記回折工程と前記露光工程により２次元露光された前記感光体に向けて荷電粒子ビームを照射し、前記感光体から発生する２次電子を検出する検出工程と、
   を備え、
   前記感光体の表面上における測定範囲の下限、上限をそれぞれ（ｘ_１，ｙ_１）、（ｘ_２，ｙ_２）とし、
   像面湾曲特性を表す式
   ｆ（ｙ）＝ａ_１ｙ^２
   と、試料像面を表す式
   ｇ（ｙ）＝（ｙ−ｂ）／ａ_２（ただし、a_１、ａ_２、ｂは定数）
   の交点を（ｘ_３，ｙ_３）、（ｘ_４，ｙ_４）とし、
   前記ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３、ｙ_４は、ｙ_１＜ｙ_３、ｙ_３＜ｙ_４、ｙ_４＜ｙ_２の関係であり、
   前記測定範囲のｘ座標の差分総和Ｓを式
   

   

   により求め、
   前記差分総和Ｓと前記測定範囲の幅Ｌとにより、前記測定範囲における前記光束の平均結像位置ずれ量Ｄ’を式
   Ｄ’＝Ｓ／Ｌにより求め、
   前記平均結像位置ずれ量Ｄ’が所定の範囲内となるように、前記感光体に対する前記光束の入射角を変更することを特徴とする静電潜像測定方法。

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