JP2001108908A - レーザ顕微鏡及び共焦点型レーザ走査顕微鏡 - Google Patents

レーザ顕微鏡及び共焦点型レーザ走査顕微鏡

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料に照射する深紫外レーザ光の強度を制限
して試料の損傷を抑えるレーザ顕微鏡及び共焦点型レー
ザ走査顕微鏡を提供することである。 【解決手段】 深紫外レーザ光8を出射するレーザ光発
信装置1と、深紫外レーザ光8の強度を制限する減光フ
ィルタ切り換えユニット11を有する顕微鏡本体4とを
備えているレーザ顕微鏡において、深紫外レーザ光8の
強度に対する試料10の損傷の度合に係るマップを格納
するメモリ7aを設け、外部から試料損傷制限値が入力
されたとき、マップに基づき減光フィルタ切り換えユニ
ット11を切り換えてレーザ光の強度を調整するように
した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明はレーザ顕微鏡及び
共焦点型レーザ走査顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】微細構造を観察する場合、顕微鏡の限界
解像力は、δを解像力、λを使用波長、NAを対物レン
ズの開口数としたとき一般にδ=λ/2NAで表され
る。この式より解像力δを向上する方法は使用波長λを
短くするか、対物レンズの開口数NAを大きくするか、
又は使用波長λを短くすると同時に対物レンズの開口数
NAを大きくするかであることがわかる。
【0003】細胞等の生体試料が観察対象の場合には、
使用波長を紫外域以下(300nm以下)にまで短くす
ると、試料中に起きる光化学反応等によって試料そのも
のが損傷してしまうので、液浸系の対物レンズを用いる
ことにより解像力を向上させている。
【0004】主に無機物の材料、特に集積回路が観察対
象の場合には、試料に対する損傷が少ないので、生体試
料とは逆に使用波長を短くして解像力を向上させてい
る。
【0005】液浸系の対物レンズを使用すると油が試料
に付着し、金属配線が酸化して集積回路が短絡する等の
不具合を引き起こしてしまうので、液浸系の対物レンズ
の使用は好ましくない。
【0006】しかし、使用波長を短くすると言っても、
X線や電子線の波長領域を使う顕微鏡では装置の構造や
操作が複雑になってしまい、使い勝手が良くないので使
用波長は限られる。
【0007】一方、近年、半導体分野において、IC等
の集積回路に代表される微細構造物は小型化の一途をた
どっている。微細周期構造(半導体プロセスではライン
&スペースと呼ばれる)では、繰返し周期が0.25μ
mを下回ると従来の光学顕微鏡で試料の周期構造をコン
トラスト良く解像することが理論的に難しい。
【0008】それに対して、深紫外連続発振レーザを光
源として用い、0.9程度の高開口数の対物レンズを用
いて0.10μmの解像力を得ることができる。深紫外
連続発振レーザとして、例えば、Nd:YAGレーザの
4倍高調波である266nmの光を、BBO結晶を用い
て連続発振させるレーザがある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところが、無機物は深
紫外光による試料の損傷が生体試料に比べて少ないとは
いえ試料の損傷は起こる。例えば、試料が半導体ウエハ
上のレジストパターンであり、しかも、製造時にレジス
トに露光する波長と観察時に照射する光の波長とが近い
場合、露光総量が大きい場合には損傷してしまうという
問題がある。
【0010】特に、共焦点型レーザ走査顕微鏡の場合に
は、試料表面の微小範囲にレーザ光が収束するので単位
面積当たりに試料が受けるエネルギーが大きくなり、一
括照明型(ケーラー照明)に比較し損傷の度合が大きく
なるという問題がある。
【0011】この発明はこのような事情に鑑みてなされ
たもので、その課題は、深紫外光による試料の損傷を最
小限に抑えるレーザ顕微鏡及び共焦点型レーザ走査顕微
鏡を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め請求項1記載の発明は、深紫外レーザ光を出射する光
源と、前記深紫外レーザ光の強度を制限する制限手段を
有する顕微鏡本体とを備えているレーザ顕微鏡におい
て、前記深紫外レーザ光の強度に対する試料の損傷の度
合に係るマップを格納する記憶手段と、外部から試料損
傷制限値が入力されたとき、前記マップに基づき前記制
限手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴と
する。
【0013】上述のように、深紫外レーザ光の強度に対
する試料の損傷の度合に係るマップを格納する記憶手段
と、外部から試料損傷制限値が入力されたとき、マップ
に基づき制限手段を制御する制御手段とを備えているの
で、制御手段は試料に照射するレーザ光の強度を制限す
る。
【0014】請求項2記載の発明は、深紫外レーザ光を
出射する光源と、前記深紫外レーザ光の強度を制限する
制限手段を有する顕微鏡本体とを備えている共焦点型レ
ーザ走査顕微鏡において、前記深紫外レーザ光の強度に
対する試料の損傷の度合に係るマップを格納する記憶手
段と、外部から試料損傷制限値が入力されたとき、前記
マップに基づき前記制御手段を制御する制御手段とを備
えていることを特徴とする。
【0015】上述のように、共焦点型レーザ走査顕微鏡
において、制御手段は試料に照射するレーザ光の強度を
制限する。
【0016】請求項3記載の発明は、請求項2記載の共
焦点型レーザ走査顕微鏡において、前記制御手段は外部
からピンホール調整信号が入力されたとき、ピンホール
の大きさを制御することを特徴とする。
【0017】上述のように、ピンホールの大きさを制御
できるので、観察に必要な光量を得ることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。
【0019】図1はこの発明の第1の実施形態に係る共
焦点型レーザ走査顕微鏡を示すブロック図、図2は試料
の損傷度合、レーザ光の強度、ピンホールの大きさ及び
画像の明るさの関係を示すマップである。
【0020】この共焦点型レーザ走査顕微鏡はレーザ光
発振装置(光源)1と、反射板2と、反射板3と、顕微
鏡本体4と、画像処理装置5と、ディスプレイ6と、コ
ンピュータ(制御手段)7と、除振台9とで構成されて
いる。
【0021】レーザ光発振装置1は深紫外域のレーザ光
を出射する。
【0022】顕微鏡本体4は減光フィルタ切り換えユニ
ット11と、ビームエキスパンダ14と、ビームスプリ
ッタ15と、二次元スキャナユニット16と、リレーレ
ンズ17と、第一対物レンズ18と、第一集光レンズ1
9と、ピンホール切り換えユニット20と、光電子増倍
管21とを有する。
【0023】減光フィルタ切り換えユニット11は複数
の減光能力の異なる減光フィルタ11a,11b,11
cを有し、減光フィルタ11a,11b,11cの内一
つ(図1の場合、11b)を光路上に配置して、レーザ
光8の強度を制限する。
【0024】ビームエキスパンダ14はレンズ14aと
レンズ14bとを有し、レーザ光8を第一対物レンズ1
8の瞳面を満たす大きさに拡大する。
【0025】ビームスプリッタ15はビームエキスパン
ダ14を通過したレーザ光8を反射し、試料10から反
射するレーザ光8を透過する。
【0026】二次元スキャナユニット16は反射板16
a,16bとを有し、レーザ光8を一定速度で二次元的
(XY方向)に走査する。
【0027】リレーレンズ17はレンズ17aとレンズ
17bとを有し、レーザ光8を伝達する。
【0028】第一対物レンズ18はレーザ光8を集光
し、試料10の表面においてスポット光10aを形成す
る。
【0029】第一集光レンズ19は焦点の合う像のみピ
ンホールを通過させ、光電子増倍管21に捉えさせる。
【0030】ピンホール切り換えユニット20は大きさ
の異なる複数のピンホール20a,20b,20cを有
する。ピンホール20a,20b,20cの内一つ(図
1の場合、20b)を光路上に配置することができる。
ピンホール20において焦点の合わない光はピンホール
20によってほとんど遮られるので、焦点の合う像のみ
が鮮明に観察できる(これをセクショニング機能と言
う)。ピンホール20a,20b,20cはその大きさ
より狭い幅の光束のみを通過させるので、像の明るさも
同時に調節する。
【0031】除振台9の上にはレーザ光発振装置1と反
射板2と反射板3と顕微鏡本体4とが載置されている。
【0032】除振台9はレーザ光発振装置1から発生す
る振動を抑えて顕微鏡本体4に伝わらないようにして光
のぶれを防ぐ。また、除振台9は顕微鏡本体4の外部か
ら加わる振動を抑えて光のぶれを防ぐ。
【0033】ピンホール切り換えユニット20の後には
光電子増倍管21が配置されている。光電子増倍管21
は光を検出し、順次電気信号に変換する。
【0034】光電子増倍管21には画像処理装置5が接
続されている。画像処理装置5は電気信号を一時記憶
し、信号が一定量になると映像化可能な電気信号として
出力する。
【0035】画像処理装置5にはディスプレイ6が接続
されている。ディスプレイ6は電気信号を画像に変換す
る。
【0036】コンピュータ7はメモリ(記憶手段)7a
を有し、減光フィルタ切り換えユニット11と、ピンホ
ール切り換えユニット20と、光電子増倍管21と、画
像処理装置5とに接続されている。
【0037】コンピュータ7は、操作者が設定する試料
損傷制限値に基づき、許容される試料10の損傷度合に
対する照射可能なレーザ光8の強度をマップから判断し
て、減光フィルタ切り換えユニット11を駆動させ、減
光フィルタ11a,11b,11cを移動し、ピンホー
ル20a,20b,20cの内一つを選択して光路上に
配置させる。
【0038】また、操作者がピンホールの大きさA,
B,Cを設定すると、コンピュータ7は設定に応じて、
ピンホール切り換えユニット20を駆動させ、ピンホー
ル20a,20b,20cを移動し,ピンホール20
a,20b,20cの内一つを選択して光路上に配置さ
せる。
【0039】更にコンピュータ7は、画素の平均輝度が
マップ上の画像の明るさからはずれている場合に光電子
増倍管21の感度を補正し、ディスプレイ6の画像の明
るさを調節させる。
【0040】メモリ7aは、図2に示すように予め試料
の損傷度合、照射可能なレーザ光8の強度、ピンホール
の大きさA,B,C及び画像の明るさの関係を示すマッ
プを記憶している。
【0041】縦軸は試料10の損傷度合を示す軸50と
画像の明るさを示す軸51,52,53である。画像の
明るさを示す軸51,52,53は、それぞれピンホー
ル20a,20b,20cに対応する。ピンホール20
a,20b,20cの大きさはそれぞれA,B,Cであ
る。
【0042】試料10の損傷度合を示す軸50の目盛り
は、試料10の例として集積回路を使用した場合、集積
回路上に塗布されているレジスト線の幅の減り具合を示
し、レジスト線の幅がレーザ光8の照射前後で変わらな
いとき0%とし、レジスト線が完全に消滅したとき10
0%とする。
【0043】画像の明るさを示す軸51,52,53の
目盛は画面の平均輝度のデジタル量を示す。
【0044】横軸はレーザ光8の強度を示す軸54であ
る。この軸の目盛りはレーザ光8の最大出力を100%
とし、レーザ光8が試料10に当たっていない状態を0
%とする。
【0045】特性曲線55は試料10の損傷度合、レー
ザ光8の強度及び画像の明るさとの関係からレジストの
種類ごとに実験により予め求められている。
【0046】次に、共焦点型レーザ走査顕微鏡の作動を
示す。
【0047】レーザ光発振装置1から出射したレーザ光
8は反射板2,3において誘導され、顕微鏡本体4内へ
入る。
【0048】レーザ光8は減光フィルタ切り換えユニッ
ト11内の光路上に位置決めされている減光フィルタ1
1bにて適正な光量に調整された後に、ビームエキスパ
ンダ14にて対物レンズ18の瞳径を満たすように拡大
され、ビームスプリッタ15にて反射された後、二次元
スキャナユニット16に互いに直角な方向に走査されつ
つ、リレーレンズ17を経て、対物レンズ18にて試料
10上に微小スポット光10aとして結像される。試料
10上を二次元走査された微小スポット光10aの反射
光は、対物レンズ18、リレーレンズ17、二次元スキ
ャナユニット16と逆戻りし、再び静止光ビームとなっ
て、ビームスプリッタ15を透過する。その後、第一集
光レンズ19によってピンホール切り換えユニット20
内の光路上に位置決めされているピンホール20bを通
りぬけた光のみが光電子増倍管21にて光電変換され、
画像処理装置5にて画像信号に処理されて、ディスプレ
イ6に映し出される。
【0049】次に図1,2に基づいてコンピュータ7の
操作順序を説明する。
【0050】まず、操作者は試料損傷制限値を設定する
(例えばYを設定する)。このとき、試料損傷制限値Y
に基づく試料10の損傷度合はY%となる。図2に示す
ように特性曲線55において試料10の損傷度合に対応
するレーザ光8の強度はX%となる。そこで、コンピュ
ータ7は減光フィルタ切り換えユニット11を駆動し、
レーザ光8の強度がX%以下になるように減光フィルタ
11a,11b,11cから一つを選択し、光路上に移
動させる。
【0051】次に、操作者はピンホール20a,20
b,20cの大きさA,B,Cの内一つを設定する(例
えば、Bを選択する)。そこで、コンピュータ7はピン
ホール切り換えユニット20を駆動し、ピンホール20
bを光路上に移動させる。このとき、ピンホールの大き
さがBとなるので、画像の明るさは軸52上のZとな
る。
【0052】この後、コンピュータ7は画像が暗い場合
には光電子増倍管21の感度を補正させる。光電子増倍
管21は画像の明るさがZとなるように出力電圧を調整
する。
【0053】この実施形態によれば、深紫外域のレーザ
光8を光源とする共焦点型レーザ走査顕微鏡において適
切な明るさで鮮明な画像を見ることができ、損傷を軽減
することができる。
【0054】図3はこの発明の第2の実施形態に係るレ
ーザ顕微鏡を示すブロック図、図4は試料の損傷度合、
レーザ光の強度及び画像の明るさの関係を示すマップで
ある。この実施形態では、第1実施形態と共通する部分
には同一符号を付してその説明を省略する。
【0055】この実施形態では、レーザ顕微鏡の例とし
て一括照明(ケーラー)型顕微鏡について説明する。
【0056】この実施形態では、反射板2と反射板3に
換えて光ファイバ102を設けた。第一対物レンズ18
に換えて第二対物レンズ118を設けた。第一集光レン
ズ19に換えて第二集光レンズ119を設けた。光電子
増倍管21に換えてCCDカメラ121を設けた。コン
ピュータ7に換えてコンピュータ(制御手段)107を
設けた。ビームエキスパンダ14とビームスプリッタ1
5との間に集光レンズ122を設けた。除振台9に換え
て除振台109を設けた。
【0057】この一括照明(ケーラー)型顕微鏡はレー
ザ光発振装置(光源)1と、光ファイバ102と、顕微
鏡本体104と、画像処理装置5と、ディスプレイ6
と、コンピュータ(制御手段)107と、除振台109
とで構成されている。
【0058】顕微鏡本体104は減光フィルタ切り換え
ユニット11と、ビームエキスパンダ14と、集光レン
ズ122と、ビームスプリッタ15と、第二対物レンズ
118と、第二集光レンズ119と、CCDカメラ12
1とを有する。
【0059】光ファイバ102の材質は石英等で、光フ
ァイバ102はレーザ光発振装置1から顕微鏡本体10
4内へレーザ光8を導く。
【0060】第二対物レンズ118は試料10に均一に
照射するようにレーザ光8を集光する。
【0061】第二集光レンズ119はCCDカメラ12
1に試料10の像を捉えられるように集光する。
【0062】CCDカメラ121は捉えた光を電気信号
に変換する。
【0063】CCDカメラ121には画像処理装置5が
接続され、画像処理装置5にはディスプレイ6が接続さ
れている。
【0064】除振台109の上には顕微鏡本体104が
載置されている。除振台109は顕微鏡本体104の外
部から与えられる振動を抑え、光のぶれを防ぐ。
【0065】コンピュータ107はメモリ(記憶手段)
107aを有し、減光フィルタ切り換えユニット11
と、CCDカメラ121と、画像処理装置5とに接続さ
れている。
【0066】コンピュータ107は操作者が設定する試
料損傷制限値に基づき照射可能なレーザ光8の強度をマ
ップから判断して、減光フィルタ切り換えユニット11
を駆動させ、減光フィルタ11a,11b,11cを移
動し、減光フィルタ11a,11b,11cの内一つを
選択して光路上に配置する。
【0067】更にコンピュータ7は画素の平均輝度がマ
ップ上の画像の明るさからはずれている場合に、CCD
カメラ121の蓄積時間を調整し、画像の明るさがZと
なるようにする。
【0068】メモリ107aは、図4に示すように予め
試料の損傷の度合に対する照射可能なレーザ光8の強度
及び画像の明るさの関係を示すマップを記憶している。
【0069】縦軸は試料10の損傷度合を示す軸150
と画像の明るさを示す軸151である。
【0070】横軸はレーザ光8の強度を示す軸154で
ある。
【0071】特性曲線155は試料10の損傷度合、レ
ーザ光8の強度及び画像の明るさとの関係からレジスト
の種類ごとに実験により予め求められている。
【0072】次に、一括照明(ケーラー)型顕微鏡の作
動を示す。
【0073】レーザ光発振装置1から出射したレーザ光
8は光ファイバ102において誘導され、顕微鏡本体1
04内へ入る。
【0074】レーザ光8は減光フィルタ切り換えユニッ
ト11内の光路上に位置決めされている減光フィルタ1
1bにて適正な光量に調整された後、ビームエキスパン
ダ14にて第二対物レンズ118の瞳径を満たすように
拡大され、集光レンズ122により集光され、ビームス
プリッタ15にて反射された後、第二対物レンズ118
にて試料10上に均一照射される。試料10からの反射
光は第二対物レンズ118を逆戻りし、ビームスプリッ
タ15を透過し、第二集光レンズ119によってCCD
カメラ121上に結像され、光電変換された後、画像処
理装置5にて画像信号に処理されてディスプレイ6に映
し出される。
【0075】次に図3,4に基づいてコンピュータの操
作順序を示す。
【0076】まず、操作者は試料損傷制限値を設定する
(例えばyを設定する)。このとき、試料損傷制限yに
基づく試料の損傷度合はy%となる。図4に示すように
特性曲線55において試料の損傷度合y%に対応するレ
ーザ光8の強度はx%となる。
【0077】そこで、コンピュータ7は減光フィルタ切
り換えユニット11を駆動し、レーザ光8の強度がx%
以下になるように減光フィルタ11a,11b,11c
の内から一つを選択し、光路上に移動させる。
【0078】この後、コンピュータ7は画像が暗い場合
にはCCDカメラ121の感度を補正させる。CCDカ
メラ121画像の明るさがZとなるように蓄積時間を調
整する。
【0079】この実施形態によれば、深紫外域のレーザ
光8を光源とする一括照明(ケーラー照明)型顕微鏡に
おいて適切な明るさの画像を見ることができ、試料の損
傷を軽減することができる。
【0080】なお、上記各実施形態では減光フィルタ切
り換えユニット11内に減光能力の異なる減光フィルタ
が11a,11b,11cの三種類有する場合について
述べたが、複数ならばいくつの減光フィルタを有するこ
とも可能である。
【0081】また、複数個の個別減光フィルタの代わり
に、1枚の円盤内の減光度合いが連続的に変化している
減光フィルタを回転させて、同様の効果を得ることもで
きる。
【0082】また、上記第1の実施形態では二次元スキ
ャナユニット16の走査速度が一定の場合について述べ
たが、複数の固有の走査速度毎に求められている特性曲
線に基づいたマップを予めメモリ7a,107a内に記
憶しておき、異なる走査速度に対応できる。
【0083】更に、上記第1の実施形態では大きさの異
なるピンホールとして20a,20b,20cの三種類
をピンホール切り換えユニット20に有する場合につい
て述べたが、三種類に限らず複数ならばいくつのピンホ
ールを有することも可能である。
【0084】また、上記第1の実施形態では、操作者が
設定値を入力するとコンピュータ7がレーザ光8の強度
の調節、ピンホール20a,20b,20cの選択及び
画像の明るさの調節を行わせたが、操作者がマニュアル
操作によりレーザ光8の強度、ピンホール20a,20
b,20cの選択及び画像の明るさを微調整することも
可能である。
【0085】上記第2の実施形態では、操作者が設定値
を入力するとコンピュータ107がレーザ光8強度の調
節及び画像の明るさの調節を行わせたが、操作者がマニ
ュアル操作によりレーザ光8の強度及び画像の明るさを
微調整することも可能である。
【0086】また、上記第2の実施形態では、レーザ光
発振装置1から顕微鏡本体104にレーザ光8を導く手
段として光ファイバ102を使用した場合について述べ
たが、光ファイババンドルを使用してもよい。
【0087】
【発明の効果】以上説明したように請求項1の発明のレ
ーザ顕微鏡によれば、レーザ光の照射による試料の損傷
を抑える。
【0088】請求項2の発明の共焦点型レーザ走査顕微
鏡によれば、請求項1の発明と同様な効果がある。
【0089】請求項3の発明の共焦点型レーザ走査顕微
鏡によれば、鮮明な像によって試料を観察できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はこの発明の第1の実施形態に係る共焦点
型レーザ走査顕微鏡装置を示すブロック図である。
【図2】図2はマップの一例を示す図である。
【図3】図3はこの発明の第2の実施形態に係るレーザ
顕微鏡を示すブロック図である。
【図4】図4はマップの一例を示す図である。
【符号の説明】
1 レーザ光発振装置(光源) 4 顕微鏡本体 7,107 コンピュータ(制御手段) 7a,107a メモリ(記憶手段) 8 レーザ光 11 減光フィルタ切り換えユニット(制限手段) 20a,20b,20c ピンホール

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 深紫外レーザ光を出射する光源と、前記
    深紫外レーザ光の強度を制限する制限手段を有する顕微
    鏡本体とを備えているレーザ顕微鏡において、 前記深紫外レーザ光の強度に対する試料の損傷の度合に
    係るマップを格納する記憶手段と、 外部から試料損傷制限値が入力されたとき、前記マップ
    に基づき前記制限手段を制御する制御手段とを備えてい
    ることを特徴とするレーザ顕微鏡。
  2. 【請求項2】 深紫外レーザ光を出射する光源と、前記
    深紫外レーザ光の強度を制限する制限手段を有する顕微
    鏡本体とを備えている共焦点型レーザ走査顕微鏡におい
    て、 前記深紫外レーザ光の強度に対する試料の損傷の度合に
    係るマップを格納する記憶手段と、 外部から試料損傷制限値が入力されたとき、前記マップ
    に基づき前記制御手段を制御する制御手段とを備えてい
    ることを特徴とする共焦点型レーザ走査顕微鏡。
  3. 【請求項3】 前記制御手段は外部からピンホール調整
    信号が入力されたとき、ピンホールの大きさを制御する
    ことを特徴とする請求項2に記載の共焦点型レーザ走査
    顕微鏡。
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