JP5214448B2 - 顕微鏡検査方法および顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、検査試料の所定の深度にある画像エリアの画像を生成するための顕微鏡検査方法であって、それぞれ画像エリアの一部を、試料との相互作用により試料放射を発生させる合焦した照明用光線束で照明する複数の照明工程と、発生した試料放射を検出する検出工程と、検出した試料放射を基に画像を生成する評価工程とを含む顕微鏡検査方法に関する。さらに、本発明は、検査試料の所定の深度にある画像エリアの画像を生成するための顕微鏡であって、複数の照明工程において画像エリアを照明し、その際、各照明工程において、それぞれ画像エリアの一部を、試料との相互作用により試料放射を発生させる合焦した照明用光線束で照明する照明モジュールと、発生した試料放射を検出する検出モジュールと、検出した試料放射を基に画像を生成する評価モジュールとを備える顕微鏡に関する。

所望の共焦点の深度弁別を達成するために、検査試料の所定の深度にある画像エリアの画像が生成できるように、走査型レーザ顕微鏡検査では、望ましくない試料光を遮蔽する絞りが用いられる。

さらに、遠距離場において、または画像エリアの部分的な照明（例えば線状照明）の場合に、共焦点の深度弁別を達成するために、照明の組立構造または強度変調を使用できることが知られている。その場合、組立構造された照明の位相変位により、深度弁別された光学的断面を算定し、それによって、対象物の所望の画像を生成することが可能である。これは、例えば、エム．エー．エー．ニールら（Ｍ．Ａ．Ａ．Ｎｅｉｌ ｅｔ ａｌ．）「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｃｔｉｏｎｉｎｇ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ａ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２２（２４）１９９７年、１９０５〜１９０７ページに記載されているように、０°、１２０°、および２４０°での３つの位相画像によって達成可能である。

照明の組立構造のために、照明用ビーム経路内の格子、コヒーレントな部分ビームの干渉、または回折性光学素子の使用が提案されている。しかしながら、これらにより融通性の無さおよび費用の増加といった欠点が生じる。なぜなら、一般的に、レーザ顕微鏡の対物レンズを交換する際には、設計構造部も交換する必要があるからである。そのために通常は、別の格子を設け、またはコヒーレントな部分ビームの干渉を変更し、または別の回折性光学素子を使用しなければならない。

本発明の課題は、焦点外の試料放射を遮蔽するために物理的な絞りを設ける必要なく、深度弁別された光学的断面の生成が容易に可能となるように、冒頭に挙げた種類の顕微鏡検査方法および顕微鏡を改良することである。

この課題は、本発明によれば、冒頭に挙げた種類の顕微鏡検査方法において、各照明工程中に第１および第２の検出工程を実施し、第１の検出工程では焦点内および焦点外で発生した試料放射が検出され、第２の検出工程では、焦点内で発生した第１の検出工程より少ない割合の試料放射および焦点外で発生した試料放射が検出され、かつ評価工程において、第１の検出工程で検出した試料放射の焦点外の割合を減らすために、第２の検出工程で検出した試料放射が利用されることによって解決される。

このため、第１および第２の検出工程において、焦点外で発生した試料放射が基本的に同じである場合、焦点内で発生した試料放射を異なる割合で検出するために、画像エリア内の照明の、合焦に基づく空間的な制限性を利用する。これは、その後、評価工程において、第１の検出工程で検出した試料放射の焦点外の割合を減少させるために有利に利用される。

これにより、焦点外の試料放射を遮蔽するために物理的な絞りを設ける必要なく、より少ない費用で、深度弁別された断面生成が可能である。
物理的な絞りを設ける必要がなく、かつ合焦に基づき照明の空間的な制限性が付与されるので、検出側で空間的自由度が獲得される。照明用光線束を例えば点状に合焦させる場合、検出した試料放射をスペクトル分割することが可能であり、例えばライン検出器によってスペクトル分解して検出することができる。このように、追加された自由度（または追加された空間座標）は、検出工程でスペクトル的に検出するために、また同時に、画像エリアの画像の所望の深度弁別された生成を実現するために利用できる。

焦点外の試料放射を遮蔽する絞りが必要ないため、（ピンホール絞りによる方法と比較して）非常に多くの試料光を検出し評価に利用することができるので、より高い検出効率を達成することができる。

特に、第２の検出工程では焦点内で発生した試料放射を全く検出せず、したがって焦点外で発生した試料放射だけを検出することが可能である。このため、第２の検出工程で検出される焦点内で発生した試料放射の割合はゼロである。

両方の検出工程は、少なくとも１つの照明工程中に同時に実施可能である。このため、測定時間をできるだけ少なく保つことができる。
代替案として、両方の検出工程を、少なくとも１つの照明工程中に時間的に前後して実施することも可能である。この場合は、１つの検出器を両方の照明工程に使用することができる。

特に、第１の検出工程では試料表面の第１の区間から出射する試料放射を検出し、第２の検出工程では試料面の第２の区間から出射する試料放射を検出し、両方の区間は互いに隣接しており、または第２の区間が第１の区間を部分的に覆っている。両方の区間は、直に接し合って（互いに触れ合って）いてもよいが、あるいは、互いから間隔をあけていてもよい。さらに第１の検出工程では、画像エリア内の焦点領域を検出器上に結像させることができ、一方、第２の検出工程では、画像エリア内の隣接する面を検出する。

評価工程では、第１の検出工程で検出した信号から、第２の検出工程で検出した信号を差し引くことができる。その際、もちろん両方の信号の相対的な重み付けを考慮することができる。

特に、試料の深度弁別された複数の断面画像を生成することができるように、試料の様々な所定深度における複数の画像エリアに対して、照明工程、検出工程、および評価工程を実施することができる。したがって、既知の方法で３次元の試料画像を生成することもできる。

この方法では、（好ましくは回折によって制限された）照明用光線束を、点状または線状に合焦させることができる。
上記の課題はさらに、冒頭に挙げた種類の顕微鏡において、各照明工程中に、検出モジュールが第１および第２の検出工程を実施し、第１の検出工程では焦点内および焦点外で発生した試料放射が検出され、第２の検出工程では、焦点内で発生した第１の検出工程より少ない割合の試料放射および焦点外で発生した試料放射が検出され、かつ評価モジュールが、第１の検出工程で検出した試料放射の焦点外の割合を減らすために、第２の検出工程で検出した試料放射が利用されることによって解決される。

このような検出により、両方の検出工程は、焦点内に発生した試料放射を異なる割合で検出するために、画像エリア内に合焦された照明用光線束の空間的な制限性に基づく照明の位置的な変調を利用するので、焦点外の試料放射を遮蔽するための物理的絞りをなくすことができる。特に、第２の検出工程では焦点外で発生した試料放射だけが検出できる。その場合、第２の検出工程で検出される焦点内で発生した試料放射の割合はゼロである。

さらに両方の検出工程において、試料放射をスペクトル分解して検出することができる。その際、試料放射の焦点外の部分を遮蔽するために物理的絞りが必要ないこと、ならびに合焦された照明用光線束の空間的な制限性により、検出側に更なる自由度が存在することを利用する。したがって点状に合焦させた照明用光線束の場合、試料放射をスペクトル分割し、ライン検出器によってスペクトル的に検出することができる。スペクトル分割は、ライン検出器の延長方向に行われる。もちろん、例えば位置分解する平面検出器の１つの行または列だけを、ライン検出器として使用してもよい。照明用光線束を線状に合焦させる場合は平面検出器を使用し、この場合、スペクトル分割は、線状の焦点の延長方向を横切って行うことが好ましい。スペクトル分割は、（適切な分散を伴う）それぞれの適切な光学素子、例えばプリズムまたは回折格子によって実施することができる。このため検出モジュールは、試料放射をスペクトル分割するための光学系、およびスペクトル分割された試料放射をスペクトル分解して検出する少なくとも１つの検出器を有することができる。

検出器モジュールは検出器を２つ含むことができ、これにより両方の検出器を介して両方の検出工程の同時実施が可能である。代替案として、検出モジュールが検出器を１つだけ備えることも可能であり、したがって、両方の検出工程は時間的に前後して実施される。

第１の検出工程では試料表面の第１の区間から出射する試料放射を検出し、第２の検出工程では試料表面の第２の区間から出射する試料放射を検出することができ、その際、試料表面の両方の区間は（直に、または互いに間隔をあけて）隣接しているか、あるいは第２の区間が第１の区間を部分的にのみ覆っている。

さらに検出モジュールは、第１の検出工程では画像エリア内の焦点領域を検出器上に結像させ、第２の検出工程では焦点領域に隣接した画像エリアの面を検出モジュールの検出器上に結像させるように形成することができる。

評価モジュールは、第１の検出工程で検出した信号から、第２の検出工程で検出した信号を差し引くことができ、その際、両方の信号の相互の重み付けが可能である。このため比較的容易に、第１の検出工程の検出信号における焦点外の割合が減少される。

照明モジュールは、画像エリア全体が照明されるように照明用光線束を偏向させるスキャン・モジュールを備えることができる。
さらに照明モジュールは、照明用光線束を、点状または線状に合焦させた照明用光線束として、画像エリア上に向けることができる。

以下に本発明を、添付された図面に基づき、例によってさらに詳しく説明する。
図１に示された実施形態では、顕微鏡は、走査型レーザ顕微鏡として形成されており、光源モジュール１、スキャン・モジュール２、対物レンズ３、記録モジュール４、および評価モジュール５を含んでいる。

レーザ８およびビーム整形光学系９を有する光源モジュール１が、レーザ・ビームＬＳ１を発生させ、このレーザ・ビームが、光源モジュール１とスキャン・モジュール２の間に接続されたビーム・スプリッタ６を介してスキャン・モジュール２に向けられ、このスキャン・モジュールは、試料内の画像エリアが完全に照明されるように、ビームＬＳ１を試料７上で偏向させる。その際、レーザ・ビームＬＳ１は、対物レンズ３によって試料７内に、つまり画像エリアのうちの画像を生成すべき深度に合焦される（光学的断面）。

ここで説明している例示的実施形態の場合、レーザ・ビームＬＳ１は、（好ましくは回折によって制限されて）点状に合焦されるので、合焦されたレーザ・ビームＬＳ１で試料７内の画像エリア全体を走査できるように、スキャン・モジュール２が、レーザ・ビームＬＳ１を２つの互いに独立な方向に偏向させる。

レーザ・ビームＬＳ１と試料の相互作用に基づき、試料放射ＬＳ２が発生し、この試料放射は対物レンズ３を通ってスキャン・モジュール２に進み、このスキャン・モジュールが試料７から来る試料放射ＬＳ２をデスキャンすることにより、試料放射ＬＳ２は、スキャン・モジュール２の後方では静止した光線束ＬＳ２として存在するようになる。ビーム・スプリッタ６は、試料放射ＬＳ２を透過させることによって、試料放射が検出モジュール４に当たるように形成されている。

発生する試料放射は、例えば蛍光、ルミネセンス光、反射光、透過光、および／または散乱光であり得る。
図２に概略的に示されているように、検出モジュール４は、検出光学系１１ならびに第１および第２の検出器Ｄ１、Ｄ２を含んでおり、これらの検出器の信号が、評価モジュール５に送られる。検出器Ｄ１上には、画像エリアの焦点領域（つまりレーザ・ビームＬＳ１が合焦する領域）が結像され、一方、検出器Ｄ２上には、それに隣接する領域が結像される。

これを図３に関してさらに詳しく説明する。図３は検査試料７の断面を示しており、照明用光線束ＬＳ１のビーム・ウエスト部１２が示されている。破線で描かれた水平線Ｌ１とＬ２の間に、試料７の表示すべき深度領域（画像エリア）がある。レーザ・ビームＬＳ１はこの領域内で合焦している。その領域内では、ビーム・ウエスト部１２が最も小さな直径を有していることが分かる。

検出器Ｄ１上に焦点領域を結像させることにより、斜めに平行線を引いた領域Ｂ１内で発生した試料放射が検出器に到達する。領域Ｂ１の破線Ｌ１とＬ２の間にある区間から出た所望の共焦点の試料放射の他に、領域Ｂ１内の線Ｌ１の上および線Ｌ２の下で発生した焦点外の試料放射も到達していることが分かる。

検出器Ｄ２には、水平に平行線を引いた領域Ｂ２内で発生した試料放射が到達する。検出器Ｄ２では焦点領域の隣の領域だけが検出されるので、検出器Ｄ２には、領域Ｂ２内の、ビームＬＳ１により（Ｌ１とＬ２との間の）焦点領域の外で発生した試料放射だけが進入する。このため、ここで説明した例の場合、検出器Ｄ２は焦点外で発生した試料放射ＬＳ２だけを認識する。

図４には、分かりやすいように、焦点内の検出器側での照明分布を示している。合焦したレーザ・ビームＬＳ１は、検出器Ｄ１上にのみ結像され（円Ｆ１）、つまり検出器Ｄ２は共焦点の信号を受け取っていない。

両方の検出器Ｄ１およびＤ２が、ほぼ同じ面積および感度を有すると仮定すると、共焦点の信号Ｓｃおよび非共焦点の信号Ｓｎｃについて、次式を示すことができる：
Ｓｃ＝Ｓ１−ｎ・Ｓ２
Ｓｎｃ＝Ｓ１＋ｎ・Ｓ２−Ｓｃ＝２・ｎ・Ｓ２
ここで、Ｓ１およびＳ２は、検出器Ｄ１およびＤ２の信号である。定数ｎは、経験的に、例えば測定中の基礎信号の最小化から決定することができる。ｎの典型的な値は１〜１．３である。

特に厚い試料の場合、焦点領域からの、回折によって制限された焦点スポットに関して、両方の検出器の間の分割線の正確な位置および鮮鋭度が重要でないことが示された。
一般的に検出器は、両方の検出器Ｄ１とＤ２との間の境界を、検出器Ｄ１上の焦点からのスポット分布の中心から、約１〜２Ａｉｒｙ−Ｕｎｉｔ半径だけ離れているように配置するのが実用的である。Ａｉｒｙ−Ｕｎｉｔ（ＡＵ）は、対物側で１ＡＵ＝１．２２λ／ＮＡと定義され、ここで、λは照明用光線束ＬＳ１の真空波長であり、ＮＡは対物レンズ３の開口数である。図３に簡略化されて図示されているように、両方の領域Ｂ１とＢ２との間隔は、（例えば桁材による）両方の検出器Ｄ１とＤ２との間の例えば１ＡＵより小さくても問題ない。

図５には、合焦が点状ではなく線状である場合の検出器Ｄ１およびＤ２が示されている。図５に示されているように、この場合も同様に、線状の焦点（楕円Ｆ２）が検出器Ｄ１上に結像される。この場合は、もちろんスキャン・モジュール２は、状況によっては（ラインがライン方向において画像エリア全体を覆うほど長い場合）、線状の焦点の延長方向を横切る偏向しか必要ないように、相応に構成される。

顕微鏡の制御および前述の工程の実施のために、顕微鏡は、制御ユニット１０を有している。
もちろん合焦は点状または線状に限定されるものではない。合焦が、画像エリアにおいて少なくとも１つの方向で、好ましくはできるだけ鮮鋭な位置的境界を有していることが重要である。この境界の鮮鋭度は、好ましくは少なくとも対物レンズ３の限界周波数の半分の空間周波数に対応すべきである。

図６には、検出モジュール４の代替実施形態が示されている。この場合、検出モジュール４はビーム・スプリッタ１３を有しており、このビーム・スプリッタは、例えば入射する試料光ＬＳ２を半分ずつ反射および透過し、したがって、２つの検出アームに分割する。図６で右に走っている検出アームには、焦点の部分ＬＳ２ｃも、焦点外の部分ＬＳ２ｎｃも描かれており、上に走っている検出アームには、簡略化のため共焦点の部分ＬＳ２ｃしか示されていない。検出アーム内の検出器Ｄ１、Ｄ２の位置的な配置に基づき、検出器Ｄ２には焦点外の部分ＬＳ２ｎｃだけが当たり、一方、検出器Ｄ１には焦点の部分ＬＳ２ｃが当たる。

図７および図８には、検出器Ｄ１を１つだけ備える、検出モジュール４の一実施形態が示されている。検出光学系１０と検出器Ｄ１との間に、回転可能なガラス板１４が配置されており、このガラス板は、回転位置に応じて焦点の部分ＬＳ２ｃまたは焦点外の部分ＬＳ２ｎｃが検出器１の作動面上に当たるようにする。

照明用光線束または合焦されるレーザ・ビームＬＳ１を点状に合焦させる場合、図１に関して説明したように、スペクトル分解した検出のために図５のライン検出器を使用することができる。そのためには、試料放射がライン検出器Ｄ１、Ｄ２に当たる前に、検出される試料放射を、ライン検出器の延長方向にスペクトル分割するだけでよい。

レーザ・ビームＬＳ１を線状に合焦させる場合にも同じことが当てはまる。この場合は、少なくとも１つの位置分解する平面検出器が必要であり、その際、例えばライン焦点を列方向に位置分解して検出し、行方向にスペクトル分解されたライン焦点を、行方向にスペクトル分解して検出する。

本発明による顕微鏡の概略図。 図１の検出モジュールの拡大図。 検査試料の断面図。 図２の検出器の上面図。 図４の検出器の１変形形態を示す図。 図１の検出モジュールの代替実施形態を示す図。 図１の検出モジュールの更なる代替実施形態を示す図。 図１の検出モジュールの更なる代替実施形態を示す図。

Claims (14)

1. 検査試料の所定の深度にある画像エリアの画像を生成するための顕微鏡検査方法であって、
   それぞれ該画像エリアの一部を、該試料との相互作用により試料放射を発生させる合焦した照明用光線束で照明する複数の照明工程と、
   発生した該試料放射を検出する検出工程と、
   検出した該試料放射を基に該画像を生成する評価工程とを備え、
   各照明工程中に第１および第２の検出工程が実施され、
   該第１の検出工程では、該焦点内および該焦点外で発生した試料放射の信号が検出され、
   該第２の検出工程では、該焦点内で発生した該第１の検出工程より少ない割合の該試料放射と、該焦点外で発生した試料放射との信号が検出され、
   該評価工程において、該第１の検出工程で検出される該試料放射の該焦点外の割合を減らすために、前記第１の検出工程で検出した前記信号から、前記第２の検出工程で検出した前記信号が差し引かれることを特徴とする方法。
2. 両方の前記検出工程が、少なくとも１つの照明工程中に同時に実施される、請求項１に記載の方法。
3. 両方の前記検出工程が、少なくとも１つの照明工程中に時間的に前後して実施される、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の検出工程では前記試料表面の第１の区間から出射する前記試料放射が検出され、前記第２の検出工程では前記試料表面の第２の区間から出射する前記試料放射が検出され、両方の区間が互いに隣接しているか、または該第２の区間が該第１の区間を部分的に覆っている、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記試料の深度弁別された複数の断面画像を生成するために、前記試料の様々な所定深度における複数の画像エリアに対して、前記照明工程、両方の前記検出工程、および前記評価工程を実施する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記照明用光線束が点状または線状に合焦される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 両方の前記検出工程において、前記試料放射をスペクトル分解して検出する、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 検査試料の所定の深度にある画像エリアの画像を生成するための顕微鏡であって、
   複数の照明工程において該画像エリアを照明する照明モジュールであって、各照明工程において、それぞれ該画像エリアの一部を、該試料との相互作用により試料放射を発生させる合焦した照明用光線束で照明する、照明モジュールと、
   発生した該試料放射を検出する検出モジュールと、
   検出した該試料放射を基に該画像を生成する評価モジュールとを備え、
   各照明工程中に、該検出モジュールが第１および第２の検出工程を実施し、
   該第１の検出工程では該焦点内および該焦点外で発生した試料放射の信号を検出し、
   該第２の検出工程では、該焦点内で発生した該第１の検出工程より少ない割合の該試料放射と、該焦点外で発生した試料放射との信号を検出し、
   該評価モジュールが、該第１の検出工程で検出される該試料放射の該焦点外の割合を減らすために、前記第１の検出工程で検出した前記信号から、前記第２の検出工程で検出した前記信号を差し引くことを特徴とする顕微鏡。
9. 前記検出モジュールが２つの検出器を有し、そのため両方の前記検出工程の同時実施が可能である、請求項８に記載の顕微鏡。
10. 前記検出モジュールが、両方の前記検出工程のために１つの検出器を有する、請求項８に記載の顕微鏡。
11. 前記第１の検出工程では前記試料表面の第１の区間から出射する前記試料放射を検出し、前記第２の検出工程では前記試料表面の第２の区間から出射する前記試料放射を検出し、前記試料表面の両方の該区間が互いに隣接しているか、または該第２の区間が該第１の区間を部分的に覆っている、請求項８から１０のいずれか一項に記載の顕微鏡。
12. 前記照明モジュールが、前記照明用光線束を前記画像エリア上に向けるスキャン・モジュールを有する、請求項８から１１のいずれか一項に記載の顕微鏡。
13. 前記照明モジュールが、点状または線状に合焦させた照明用光線束で前記画像エリアを照明する、請求項８から１２のいずれか一項に記載の顕微鏡。
14. 両方の前記検出工程において、前記試料放射をスペクトル分解して検出する、請求項８から１３のいずれか一項に記載の顕微鏡。

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