JPS62208017A - 赤外線共焦点顕微鏡 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、赤外線を光源に用いて、対物レンズとコレク
ターレンズを同軸上で共焦点に配置した顕微鏡に関する
。

〔発明の背景〕

光学顕微鏡は、物体表面の観察、あるいは段差等の高低
情報を゛検出するのに用いることができることはよく知
られている。しかし、該顕微鏡では、ａ察対象領域外か
らの迷光成分があるためコントラストが悪くなる０面方
位分解能が０．４μｍ（全体倍率１０００）　、深さ方
向分解能も２μｍ程度であることから、半導体集積回路
や生物体の３次元的な構造を観察するうえで必らずしも
満足できなかった。

上記の課題に対応できる装置の一例として、対物レンズ
とコレクタレンズを共焦点状態に配置し。

ピンホールを設けることで分解能向上を計った共焦点顕
微鏡がある。このような例として、オプティック　レタ
ーズ　１９８５年２月　１０巻２号５３〜５５頁ｏｐｔ
ｉｃｓ　１ｅｔｔｅｒｓ　１９８５　Ｆｅｂｒｕａｒｙ
ＶＯＩＩＯ，Ｎ１１２　　Ｐ５３〜Ｐ５５）に記載があ
る。

該顕微鏡の基本構成を第１図に示す。点光源１の放射光
は対物レンズ２を通過後、その焦点位置に配置した試料
３の表面に集光する。試料３を透過した光は、共焦点位
置にあるコレクタレンズ４を通過しａ整面に集まる。共
焦点顕微鏡では、観察面にピンホール５を設けることで
試料３における観察対象とする部分以外からの迷光成分
を除去する。ちなみに、上記ピンホール５を取り除いた
光学系の画像の性質は、一般に普及している光学顕微鏡
に相当する。

次に、深さ方向の情報がどのように得られるかを第２図
（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。試料３が光軸方向に
変位すると、光検出器６で得られる光量が変化する。試
料３が合焦位置にある場合は、点光源７を発する光は試
料３を透過後破線で示すように全光量がピンホール５を
通過する。しかし、試料３が２＝０から対物レンズ２側
へΔ２動いた場合、変位した試料３′の発光点７′から
の光は、結像関係によってピンホール５とコレクタレン
ズ４の間に集光することになり、この結果ピンホール５
を通過する光量が減少する。従って、試料３を合焦位置
ｚ＝Ｏの前後に変・化して光検出器６で得た信号は、第
２図（ｂ）の形となる。この強度変化曲線から試料の変
位量と受光量の関係が明らかとなる。

以上で述べた第２図（ａ）の構成で深さ方向（２方向）
の分解能は０．１μｍ程度が得られる。

同時にコントラストも向上する。

光軸に対し垂直方向に配置した試料３を面内で２次元的
に移動することで面方向の情報が得られる。試料の３次
元形状を求めるには、最初に面内の任意点で試料３を上
下し、その光量最大位置を基準零点とする。その後、逐
次面内各点で測定を行い基準零点からの差を求める。面
内座標Ｘｉ。

ｙｉに対応づけてＺｔ　を求めることで３次元的な分布
が明らかとなる。

この結果、共焦点顕微鏡を用いることで金属表面などの
外形形状の計測が可能となる。金属を対象とした場合、
可視光で反射率が高いこと、眼に見える、取り扱いが容
易であることなどから光源には可視光源を分いることが
一般的である。

外形形状を忠実にトレースするには、第３図（ａ）に示
すような条件、照射ビーム径Ｄ、表面のうねりの周期長
し、凹凸間の高さＨの間で１００＜Ｌ、Ｄ≧Ｈであるこ
とが必須条件とされる。

ところでＳｉやＧｅなどの半導体試料の形状が第３図（
ｂ）に示すような、Ｌ−：Ｄ、Ｈ’　＞＞Ｄの関係にあ
る穴の場合、穴位置において散乱をうけ反射光量は極端
に減衰してしまう、従って、照射場所Ａ、Ｂ、Ｃにビー
ム中心が位置したと仮定すると反射光量に明確な差異を
認めることができなくなり、深穴形状を求めることが不
可能となる。

Ｇ　ｅ　、　Ｓ　ｉ　、　ＧａＡｓなどの半導体に限定
すると。

深穴などの３次元形状を求めるというＷ頭に関しては、
可視光線の代りに赤外線を利用する方法がある。穴を横
切るように走査すると、試料表面からＨ′離れた点Ｂを
含む境界面は容易に点Ａ、Ｃを含む傾斜部分と区別する
ことができる。これは、照射ビームの中心が点Ｂにある
場合、試料を上下させたときの光量変化が第２図（ｂ）
に示す形となり１表面からの距離Ｈ′が明らかとなるか
らである。

可視光源１（例えば波長７８０ｎｍの半導体し一ザ）を
用いた場合の共焦点顕微鏡を第４図に示す、該顕微鏡の
構成は、先に説明した第１図の光学系を具体化したもの
である。光学系は、Ｓ／Ｎ比の点で有利である反射型で
ある。光源１からの光をコリメータレンズ８で平行光束
にした後、対物レンズ２で焦点距離Ｆの試料面に集光す
る。なお、光学系途中には試料３で反射後、光検出器６
で受光するに十分なエネルギーを得るため、光源波長に
適合したコーティングを施した偏光ビームスプリッタ９
と１７４波長板１０が入っている。

画像処理及び最終的な３次元表示は、光検出器６からの
電気信号を信号処理回路１１で電流電圧変換し、ゼロク
ロス点検出回路１２で２方向の変化量を求め、その後ｘ
、ｙ軸と同期した状態で画像メモリ１３に蓄え、一画面
分の情報を表示モニタ１４に伝送することで行う。

先に述べたようにＳｉやＧｅなどの半導体の穴形状、半
導体集積回路の内部断層パターンを測定するには、可視
光源１の代りに赤外線光源を用いる必要がある。赤外線
光源に変更した状態では、必らずしも顕微鏡を構成する
光学素子の中心にビームが位置しているとはいえない、
したがって補助手段を併用して光学素子中心に赤外線ビ
ームが透過していることを確認する必要がある。光軸か
らビームがずれるとピンホールを通過する光成分。

がなくなり、結果的に、共焦点顕微鏡としての機能を失
うことになる。

〔本発明の目的〕

本発明の目的は、赤外線光源１′を用いる共焦点顕微鏡
において、該顕微鏡を構成する光学素子を最適状態に配
置する手段を講するとともに、特に配列の困難なピンホ
ールを的確、迅速に設定することができる装置を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

目的を達成するための赤外線共焦点顕微鏡を構成する光
学素子に対して、赤外線光源１′の他に可視光源１を同
時に利用することである０両光源からのビームを同軸上
に保ち、光学素子の配列を可視光ビームで行うやり方で
ある。この方法によ、つてピンホール５を除いた他の光
学素子の配列はできる。しかし、赤外線光源１′に変更
したことから、偏光ビームスプリッタ９’　、１／４波
長板１０’がパワー保持、Ｓ／Ｎ比の向上という点から
赤外線用に取り替えられることになる。このことから単
に３ｍＷの可視光を同軸にしただけではピンホール５の
戻り光は５μＷ程度になってしまう。

ピンホール５の大きさは１０．５μｍであり、コレクタ
レンズ４の焦点面でピンホール５をビームウェスト部に
合致させることは極めて困難となる。

何処なら、例えば１０１１Ｉｌ角のマスク中の５μｍ穴
に、直径２μｍ程度のビームウェストをマイクロメータ
駆動方式で位置合わせすることは不可能であるからであ
る。それ故配列は、最初にビームウェストからはずれた
、ビームが広がった位置でピンホール５をＸｔＶ面内で
移動し、近似的にレーザビームを合わすことになる。そ
の後ピンホール５を２方向に移動し最適位置に固定する
という方法をとる。

ピンホール５をビームが広がった状態で位置合わせする
とき、ホトダイオードや拡張板をピンホール５の後方に
設置し、可視光透過状態でパターン観察あるいは強度測
定することが必要である。

】 このためにはコレクタレンズ４の出射側で最低５０μＷ
程度の出力がなくてはならない。

以上述べた条件を満足するため、約３ｍＷ出力の可視光
半導体レーザを使用する変わりに、高い出力が得られる
Ｈ　ｅ　−Ｎ　ｅやＡｒなとの気体レーザを用いること
が考えられる。しかし、約３０ｍＷを発振する上記のレ
ーザは、長さ１，５ｍ　、高価であることなどから光学
素子配列用として利用するには不向きである。

安価で１寸法的に取扱いが容易な可視光半導体レーザを
用いて１次のような構成をとることで目的を達成するこ
とができる。

対物レンズ２、コレクタレンズ４．偏光ビームスプリッ
タ９′などと同軸上にピンホール５亦配霞されることか
ら、光学素子配列に当っては、常に赤外線と可視光線を
同軸上に保つ必要がある。

コレクタレンズ４の出射光を増加するため、赤外線光源
１′に直角の方向に配置した可視光源１からの光を分割
する。一部は同軸とすることで偏光ビームスプリッタ９
′や１／４波長板１０’　を配置するために利用する０
分割素子（ここではハーフプリズム）を透過した光は、
パワーの損失がないように、使用可視光源の波長を１０
０％近く反射するようなビームスプリッタや反射鏡でコ
レクタレンズ４に導かれる。付加した光学系を用いるこ
とでコレクタレンズ４の出射側で１ｍＷ得られることに
なる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例１を第５図に従って説明する。該
顕微鏡では、ＳｉやＧｅなどの半導体試料の穴形状や集
積回路の断層パターンを求めることから光源には、赤外
線を発振する半導体レーザ１′を利用する。コリメータ
レンズ８で平行光束にした後、可視光に対し反射・透過
が４５％ずつであるが、赤外線では９０％透過するハー
フプリズム１５を通過させ偏光ビームスプリッタ９′に
導く。半導体レーザ１′の光は直線偏光していることか
ら、赤外線用にコーティングした偏光ビームスプリッタ
９′で、特定方向の偏光面のみ反射する。

他方、光学素子配列用の可視光源１からのビームは、コ
リメータレンズ８′で平行光束にした後、ハーフプリズ
ム１５で反射および透過する成分に分けられる６反射し
たビームは、ここで赤外線ビームと同軸になるように設
定される。同軸合わせは、赤外線を可視光にかえる螢光
板や赤外線イメージ装置などで行える。

赤外線用偏光ビームスプリッタ９′で可視光が約２５％
反射することから、赤外線用の１／４波長板１０′、対
物レンズ２．試料３、コレクタレンズ４の配置は、可視
光で配列できる。一方、ハーフプリズム１５を透過した
ビームは反射Ｒ１７で偏向した後、可視光（例えばＨａ
　−Ｎ　ｅレーザ、波長Ｑ、６３３μｍ）の特定波長の
みを９５％反射するが赤外光は９０％透過する偏光ビー
ムスプリッタ９に導かれる。このビームスプリッタ９の
調整で反射した可視光は、試料で反射した赤外線と同軸
とされる。

コレクタレンズ４の焦点距離位置にピンホール５が強い
可視光をたよりにパターンｗＡ察法で配置され、その後
方に赤外線検出器６′　（ここではホトダイオード）が
組み込まれる。

データの収集は、試料の任意の位置で試料を２方向に上
下し、光量が最大となるように調整し、そこで得られる
信号を信号処理回路１１で電流。

電圧化し、ゼロクロス点検出回路１２に伝送する。

このときの２位置が基準位Ｉｔ　ｚ　＝　Ｏである。

試料３をパルスモータ１６を用いてｘｐｙ面ｃ移動させ
、逐次各側定位置で試料３を２方向で上下することで第
２図（ｂ）に示す強度変化曲線が得られる。先に求めた
基準位置に対して光量最大位置を示す位置のずれをゼロ
クロス点検出回路１２で求める０画像メモリ１３には、
試料のＸ。

ｙＷＪＩ４に同期して初期設定した基準位置からのずれ
量ΔＺｓａ　（ｉ、ＪはＸｙＦ面内の測定位置）が記録
される。画像メモリ１３からの出力は最終的に表示モニ
タ１４で３次元的に表される。なお。

共焦点顕微鏡の光学系調整後は、可視光のみを遮断する
シャッタ１８を閉じる。

該顕微鏡では別個の可視光源が用意できれば、第６図実
施例２のように反射ｆｉ１７の位置にこの光源を設定す
ることで、実施例１の場合と同様。

ピンホール５をコレクタレンズ４の焦点距離位置に配置
することができる。

〔発明の効果〕

従来コレクタレンズ４からの赤外線に対するピンホール
５の配置に関しては、ピンホール５の穴であるという位
置を指針なく適当に移動させることで赤外線ビームとピ
ンホールを合致させていた。

この方法では、長時間の調整時間を要することもたびた
びあった。また、ピンホール径が１〜５μｍ程度となる
と対応しきれなくなるということもわかってきた０本発
明によって、可視光ビームを確実に追いかけていくこと
ができるので、ピンホール５をビーム中心近傍まで比較
的早くもっていけるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図（ａ）は、共焦点光学系の原理説明図
、第２図（ｂ）は光量変化の説明図、第３図（Ｑ）、（
ｂ）は試料表面の断面図、第４図は共焦点顕微鏡の構成
を示す横断面図、第５図は実施例１の横断面図、第６図
は実施例２の横断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、共焦点状態に対物レンズとコレクタレンズを配置し
   、該コレクタレンズの結像位置にピンホールを配し、該
   ピンホールを通過した光ビームを電気信号に変換する手
   段が配されており可視光源を光学系に付加するとともに
   、透・反射特性に関して波長依存性を有する偏光ビーム
   スプリッタ、並びにハーフプリズムを有することを特徴
   とする赤外線共焦点顕微鏡。 ２、２個の可視光源を用い、１個はピンホールを除く光
   学系の配列用、他方はピンホール配置用としたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の赤外線共焦点顕微
   鏡。