JP2002323659A - 共焦点光学系及びこれを用いた走査型共焦点顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】標準膜厚サンプルを用意して事前に測定するな
どの手間を無くして、試料上の膜の少なくとも屈折率を
簡単に、かつ正確に求めること。 【解決手段】試料１４面上のＸＹ平面上の任意の１点に
おける光強度と対物レンズ２６の上下方向（Ｚ方向）の
位置情報とを受けて光強度Ｉ−対物レンズ位置情報Ｚを
記憶し、この光強度Ｉ−対物レンズ位置情報Ｚの関係か
ら光強度Ｉの２つの極大値を選択し、この選択された２
つの極大値に対して所定の割合の値、例えば極大値に対
してそれぞれ２分の１の割合の光強度値を求め、この光
強度値における光強度Ｉの変化の半値幅｛ｄ’_Ｚ１（３
ｄＢ）、ｄ’_Ｚ２（３ｄＢ）｝を求め、この光強度Ｉの
変化の幅に基づいて膜１４ｂの屈折率ｎ_２を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料に対してレー
ザ光を対物レンズを通して照射し、この試料からの反射
光を共焦点用絞りを通して検出する共焦点光学系及びこ
の共焦点光学系を用いた走査型共焦点顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】共焦点光学系は、例えば「T.Whilsom,"C
onfocal Microscopy"ACADEMICPRESS1990」に記載され
ているように光軸方向においてもセクショニング効果を
有することが知られている。

【０００３】図６はかかる共焦点光学系を用いた走査型
共焦点顕微鏡の光学系統図である。レーザ光源１は、等
価的に点光源と考えられるもので、このレーザ光源１か
ら出力された光ビーム２は、ビームスプリッタ３を透過
して第１の光偏向器４に入射する。

【０００４】この第１の光偏向器４は、対物レンズ５の
瞳６と共役な位置に配置されており、偏向を行なってい
ない場合、光ビーム２を光軸７に沿って進行させる。
又、この第１の光偏向器４は、偏向を行なっている場合
すなわち光ビーム２を走査する場合、当該光偏向器４が
瞳位置に配置されているので、光ビーム２の進行方向
は、軸外主光線８に一致し、かつ光ビーム２の中心も軸
外主光線８に一致する。

【０００５】このように偏向された光ビーム２は、各瞳
伝送レンズ９，１０を通って瞳位置に配置された第２の
光偏向器１１に入射する。上記第１の光偏向器４が二次
元走査のうちＸ方向の走査を行なうものであれば、第２
の光偏向器１１はＹ方向の走査を行なうものとなる。こ
れら第１及び第２の光偏向器４，１１により二次元的に
走査された光ビーム２は、瞳投影レンズ１２及び結像レ
ンズ１３により対物レンズ５の瞳６に入射する。

【０００６】これにより、光ビーム２は、対物レンズ５
によって試料１４上に回折で制限される点状光を生じ
る。そして、第１及び第２の光偏向器４，１１によるＸ
Ｙ方向への二次元走査により点状光は、試料１４上に二
次元走査される。

【０００７】この試料１４からの光、ここでは反射され
た光ビームは、対物レンズ５とその瞳６を通り、さらに
結像レンズ１３を通って一旦結像する。この結像面は、
通常の光学顕微鏡で像を観察する面である。

【０００８】さらに光ビームは、瞳投影レンズ１２を通
って第２の光偏向器１１に戻る。

【０００９】このように試料１４から反射された光ビー
ムは、試料１４に照射されたときと全く同一の光路を逆
方向に通ってビームスプリッタ３に戻り、このビームス
プリッタ３により検出ビーム１５として取り出される。
このとき、試料１４から反射された光ビームは、第２及
び第１の光偏向器１１，４を通って戻ってきているの
で、軸外を走査しても検出ビーム１５の光軸は動かな
い。

【００１０】ビームスプリッタ３により取り出された検
出ビーム１５は、集光レンズ１６によって点状に絞られ
る。この点状に絞られた位置には、ピンホール１７が設
けられている。検出ビーム１５は、ピンホール１７を通
って検出器１８に入射して検出される。

【００１１】このように検出器１８により検出ビーム１
５を検出すると、フレアのない、通常の顕微鏡よりも高
解像度の画像を得ることができる。又、通常の顕微鏡よ
り焦点深度の浅い、高さ方向にセクショニング効果のあ
る画像を得ることができる。さらに、上記セクショニン
グ効果を用いれば、対物レンズ５又は試料１４を光軸方
向に移動させることにより試料１４の高さ情報を得るこ
とができる。

【００１２】このようなセクショニング効果を用いたも
のに、例えば試料１４の上面に形成された膜の厚さを測
定する（以下、膜厚測定と称する）ものがあり、試料１
４に対し、その膜の上面及びこの膜を透過して膜の下面
の高さ情報を得ることにより膜厚を測定する装置があ
る。例えば、かかる膜厚測定装置としては、特開平８−
５３３９号公報及び特開平８−２１０８１８号公報に記
載された技術がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記セ
クショニング効果を用いて試料１４の膜厚を測定した場
合、膜の屈折率により実際とは異なった膜厚が測定され
ることがある。このため、上記特開平８−２１０８１８
号公報に記載された技術も含む従来では、膜の屈折率に
相当する補正係数を用いて膜厚測定値を補正することが
行なわれている。この補正係数は、膜の屈折率又は標準
膜厚サンプルを事前に測定することにより算出される。

【００１４】ところが、実際に膜厚測定を行なうために
使用する光ビームの波長における膜の屈折率の情報を得
ることは容易でなく、そのうえ標準膜厚サンプルを事前
に測定して算出する場合でも、標準膜厚サンプルの準備
や事前の測定など、大変な手間を必要とするのが現状で
ある。

【００１５】そこで本発明は、標準膜厚サンプルを用意
して事前に測定するなどの手間を無くして、試料上の膜
の少なくとも屈折率を簡単に、かつ正確に求めることが
できる共焦点光学系及びこれを用いた走査型共焦点顕微
鏡を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、光透過
性の膜が少なくとも１層形成された試料に対して光ビー
ムを対物レンズを通して照射し、この試料からの光を共
焦点絞りを介して検出する共焦点画像を取得する共焦点
光学系において、前記対物レンズと前記試料との間隔を
光軸方向に相対的に可変したときの前記反射光の光強度
と前記光軸方向の位置情報との関係を求める光強度・位
置情報取得手段と、この光強度・位置情報取得手段によ
り求められた前記光軸方向で異なる少なくとも２つの位
置の前記光強度と前記光軸方向位置情報との関係に基づ
いて前記膜の屈折率を算出する屈折率演算手段とを具備
したことを特徴とする共焦点光学系である。

【００１７】第２の発明は、上記第１の発明の共焦点光
学系において、前記屈折率演算手段により算出された前
記膜の屈折率に基づいて前記膜の厚さを算出する膜厚演
算手段を備えたことを特徴とする。

【００１８】第３の発明は、上記第１又は第２の発明の
共焦点光学系において、前記屈折率演算手段は、前記光
強度と前記光軸方向位置情報との関係から前記光強度の
極大値を選択する手段と、この選択された前記光強度の
極大値に対して所定の割合の値を求める手段と、前記所
定の割合の値から選られる前記光軸方向の２つの位置の
距離を求める手段と、前記光強度の変化の幅に基づいて
前記膜の屈折率を算出する手段とからなることを特徴と
する。

【００１９】第４の発明は、上記第３の発明の共焦点光
学系において、前記屈折率演算手段は、前記光強度の極
大値に対して前記所定の割合の値から得られる前記光軸
方向の２つの位置の距離の前記対物レンズと前記試料と
の間隔が離れる側の位置と極大値の無位置との距離を求
める機能を有することを特徴とする。

【００２０】第５の本発明は、上記第１乃至４のうち少
なくとも１つの本発明の共焦点光学系を備え、光透過性
の膜が少なくとも１層形成された試料に対して光ビーム
を対物レンズを通して走査し、この光ビームが走査され
た前記試料からの光を共焦点絞りを介して共焦点画像を
取得することを特徴とする走査型共焦点顕微鏡である。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。

【００２２】図１は走査型共焦点顕微鏡の構成図であ
り、図２は同顕微鏡の顕微鏡制御システムのブロック図
である。レーザ光源２０は、光ビーム２１を出力するも
のである。この光ビーム２１の進行光路上には、ビーム
スプリッタ２２と、λ／４波長板４１と、ＸＹ光偏向ユ
ニット２３と、瞳投影レンズ２４と、結像レンズ２５
と、対物レンズ２６とが設けられている。

【００２３】このうちビームスプリッタ２２は、レーザ
光源２０から出力された光ビーム２１を透過し、かつ試
料１４からの光、ここではλ／４波長板４１を通り偏光
された反射光を分離する作用を有している。

【００２４】ＸＹ光偏向ユニット２３は、レーザ光源２
０と対物レンズ２６と間に配置され、瞳投影レンズ２４
と結像レンズ２５とにより対物レンズ２６の瞳に入射す
る光ビーム２１の入射角を変化させて当該光ビーム２１
の試料１４上のＸＹ方向に走査させる機能を有してい
る。このＸＹ光偏向ユニット２３は、例えば２つのガル
バノミラー等により構成されている。又、このＸＹ光偏
向ユニット２３には、光偏向制御部２７が接続されてい
る。この光偏向制御部２７は、インターフェース（Ｉ／
Ｆ）４３を介して中央制御部３６と連結されており、こ
の中央制御部３６からの制御信号により例えば２つのガ
ルバノミラー等が動作制御されるものとなっている。

【００２５】対物レンズ２６は、対物レンズ移動ユニッ
ト２８の動作によって光軸方向に上下動するようになっ
ている。この対物レンズ移動ユニット２８には、対物移
動制御部２９が接続されている。この対物移動制御部２
９もインターフェース（Ｉ／Ｆ）４２を介して中央制御
部３６と連結されており、この中央制御部からの制御信
号により対物レンズ２６の上下動作が制御されるものと
なっている。

【００２６】上記ビームスプリッタ２２により分離され
る試料１４からの反射光（検出ビーム３０）の光路上に
は、この検出ビーム３０を結像する結像レンズ３１と、
集光された検出ビーム３０を絞るコンフォーカル絞りと
しての例えばピンホール（共焦点用絞り）３２と、この
ピンホール３２を通過した検出ビーム３０を検出する検
出器３３とが配置されている。この検出器３３は、検出
ビーム３０を検出してその光強度に応じた電気信号を出
力するものとなっている。

【００２７】光強度情報記憶部４４は、Ａ／Ｄ変換部４
８を介して検出器３３からの電気信号をクロック発生部
４５からのクロック信号と対応づけて逐次記憶する。

【００２８】検出光処理部３４は、光強度情報記憶部４
４に記憶されている電気信号と、中央制御部３６からＸ
Ｙ光偏向ユニット２３へ与えられるＸＹ方向の位置情報
を取り込み、検出器３３から得られる光強度に応じた電
気信号とＸＹ方向の位置情報とに基づいて試料１４の画
像情報を取得する。検出光処理部３４て得た画像情報
は、フレームメモリ４６に一時蓄積し、この試料１４の
画像情報を画像表示部３５に表示させる。

【００２９】中央制御部３６は、コンピュータにより構
成され、試料１４に形成された膜の屈折率及び膜厚を測
定するときに光偏向制御部２７、対物移動制御部２９及
び検出光処理部３４をそれぞれ同期制御するもので、光
偏向制御部２７に対してＸＹ方向の位置情報を与えると
共に、対物移動制御部２９に対して対物レンズ２６の上
下方向（Ｚ方向）の位置情報を与えるものとなってい
る。

【００３０】膜厚演算部３７は、上記検出光処理部３４
を通して試料１４面上のＸＹ平面上の任意の１点（ＸＹ
座標）における光強度と対物レンズ２６と試料１４との
間隔を光軸方向に相対的に可変したときの対物レンズ２
６の上下方向（Ｚ方向）の位置情報とを受け、反射光の
光強度と光軸方向の位置情報の関係（以下、光強度Ｉ−
対物レンズ位置情報Ｚ）を記憶し、この光強度Ｉ−対物
レンズ位置情報Ｚに基づいて試料１４上に形成された光
透過性の膜の屈折率ｎを算出し、さらに当該屈折率ｎに
基づいて膜の厚さｔを算出する機能を有している。

【００３１】具体的に膜厚演算部３７は、光強度Ｉ−対
物レンズ位置情報Ｚを記憶する光強度−位置情報記憶部
３８と、この光強度Ｉ−対物レンズ位置情報Ｚに基づい
て試料１上に形成された膜の屈折率ｎを中央制御部３６
で演算されて算出するためのプログラムを記録した記録
媒体（ＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク、ＩＣカー
ド等）からなる屈折率演算部３９との各機能を有してい
る。

【００３２】ここで、図３を参照して光透過性の膜１４
ｂの屈折率ｎ_２の算出について説明する。同図の左側に
は基板１４ａの面上に膜１４ｂを形成した試料１４が示
され、右側には試料１４から得られる光強度Ｉ−対物レ
ンズ位置情報Ｚが示されている。

【００３３】この光強度Ｉ−対物レンズ位置情報Ｚとの
関係は、例えば「T.R.Corle G.S.Kino,"Confocal Sca
nning Optical Micrscopy and Related Imaging
Systems "ACADEMICPRESS 1996」によれば、次式(1)に
より表わされる。

【００３４】

【数１】

【００３５】但し、ｋ＝２π／λであって、λは波長、
ｎは屈折率、Ｎ．Ａ．は対物レンズ２６の開口数であっ
て、Ｎ．Ａ．＝ｎ・sinθである。

【００３６】次に、図３に示す光強度Ｉ−対物レンズ位
置情報Ｚにおいて、半値全幅（FWHMdistance）は次式
(2)により表わされる。

【００３７】

【数２】

【００３８】よって、図３に示す光強度Ｉ−対物レンズ
位置情報Ｚにおいてｄ_Ｚ（３ｄＢ）を求め、予め入力さ
れた対物レンズ２６の開口数Ｎ．Ａ．より求めたθ、光
ビーム２１の波長λから膜１４ｂの屈折率ｎ_２を算出す
ることが可能となる。

【００３９】又、図４に試料１４から空気層を含めて対
物レンズ２６を上下動させたときの光強度Ｉ−対物レン
ズ位置情報Ｚを示す。この光強度Ｉ−対物レンズ位置情
報Ｚは、空気層と膜１４ｂとの境界にあたるところの光
強度Ｉに極大値が現われ、膜１４ｂと基板１４ａとの境
界にあたるところの光強度Ｉにもう１つの極大値が現わ
れている。

【００４０】このような光強度Ｉ−対物レンズ位置情報
Ｚに対しては、光強度Ｉの極大値に対して所定の割合の
値、例えば極大値に対して２分の１の割合の光強度値の
ところの半値幅ｄ’_Ｚ１（３ｄＢ）、ｄ’_Ｚ２（３ｄ
Ｂ）を求めると共に、これら極大値の間隔ΔＺ＝（ｚ_１
−ｚ_２）を求める。

【００４１】上記式(2)から、

【数３】

【００４２】が求められ、ここで、空気中であれば、そ
の屈折率ｎ_１は、ｎ_１＝１であるので、膜１４ｂの膜厚
ｔは、次式(4)により表わされる。

【００４３】

【数４】

【００４４】従って、屈折率演算部３９は、光強度−位
置情報記憶部３８に記憶された光強度Ｉ−対物レンズ位
置情報Ｚの関係から光強度Ｉの２つの極大値を選択し、
この選択された２つの極大値に対して所定の割合の値、
例えば極大値に対してそれぞれ２分の１の割合の光強度
値を求め、この光強度値における光強度Ｉの変化の半値
幅｛ｄ’_Ｚ１（３ｄＢ）、ｄ’_Ｚ２（３ｄＢ）｝を求
め、この光強度Ｉの変化の幅に基づいて膜１４ｂの屈折
率ｎ_２を算出する機能を有している。この場合、上記半
値幅は、光強度Ｉの変化の対物レンズ２６と試料１４と
の間隔が離れる側において求められる。

【００４５】膜厚演算部３７には、光透過性の膜１４ｂ
が１層形成された試料１４に対して光ビーム２１を対物
レンズ２６を通して照射し、この試料１４からの反射ビ
ームをピンホール３２を通して検出する共焦点光学系に
おいて、対物レンズ２６と試料１４との間隔を光軸方向
に相対的に可変したときの試料１４からの反射ビームの
光強度Ｉと光軸方向の位置情報との関係（光強度Ｉ−対
物レンズ位置情報Ｚ）を求め、この関係から光強度Ｉの
極大値を選択し、この選択された光強度Ｉの極大値に対
して所定の割合の値を求め、中央制御部３６でこの所定
の割合の値における光強度Ｉの変化の幅を求め、この幅
に基づいて膜１４ｂの屈折率ｎ_２を算出し、さらに膜１
４ｂの屈折率ｎ_２に基づいて膜１４ｂの膜厚ｔを算出す
るコンピュータにより読み取り可能な膜情報算出プログ
ラムが記録されている。

【００４６】プログラムメモリ４０は、膜厚演算部３７
から上述したの膜情報算出プログラムを一時保管するこ
とで、中央制御部３６にプログラムに沿った制御を実行
させるものである。

【００４７】次に、上記の如く構成された走査型共焦点
顕微鏡を用いての試料１４の膜１４ｂの屈折率ｎ_２と膜
厚ｔとを測定する作用について図５に示す測定フローチ
ャートに従って説明する。

【００４８】レーザ光源１から出力された光ビーム２１
は、ビームスプリッタ２２とλ／４波長板４１とを通過
してＸＹ光偏向ユニット２３に入射する。このＸＹ光偏
向ユニット２３は、瞳投影レンズ２４と結像レンズ２５
とにより対物レンズ２６の瞳に入射する光ビーム２１の
入射角を変化させて当該光ビーム２１を試料１４上のＸ
Ｙ方向に走査する。

【００４９】この試料１４からの反射ビームは、試料１
４に照射したときと全く同一の光路を逆方向に通ってビ
ームスプリッタ２２まで戻り、このビームスプリッタ２
２により検出ビーム３０が取り出される。

【００５０】この検出ビーム３０は、結像レンズ３１に
よって点状に絞られる。この点状に絞られた位置には、
ピンホール３２が設けられているので、検出ビーム３０
は、ピンホール３２を通って検出器３３に入射して検出
される。

【００５１】この検出器３３は、検出ビーム３０を検出
してその光強度に応じた電気信号を出力する。そして、
この電気信号は、検出光処理部３４に送られる。

【００５２】この検出光処理部３４は、検出器３３から
出力された電気信号を逐次入力すると共に、中央制御部
３６から与えられるＸＹ方向の位置情報を取り込み、検
出器３３から得られる光強度に応じた電気信号とＸＹ方
向の位置情報とに基づいて試料１４の画像情報を取得
し、これと共に試料１４の画像情報を画像表示部３５に
表示する。

【００５３】又、中央制御部３６は、対物移動制御部２
９に対して対物レンズ２６の上下方向（Ｚ方向）の位置
情報を与える。この対物移動制御部２９は、試料１４面
上のＸＹ平面上の任意の１点（ＸＹ座標）において、対
物レンズ移動ユニット２８を動作制御して対物レンズ２
６を光軸方向（Ｚ方向）に上下動させる。

【００５４】このとき、検出器３３は、検出ビーム３０
を検出してその光強度に応じた電気信号を出力し、検出
光処理部３４は、検出器３３から出力された電気信号を
逐次入力すると共に、中央制御部３６から与えられる対
物レンズ２６を上下動させるＺ方向の位置情報を取り込
み、検出器３３からの電気信号から得られる光強度とＺ
方向の位置情報とを取得する（ステップＳ１）。

【００５５】膜厚演算部３７は、上記検出光処理部３４
を通して試料１４面上のＸＹ平面上の任意の１点（ＸＹ
座標）における光強度と対物レンズ位置情報Ｚとを受け
てその光強度Ｉ−対物レンズ位置情報Ｚ（Ｉ，Ｚ
_{（ｘ，ｙ）}）を光強度−位置情報記憶部３８に記憶す
る。

【００５６】図６はかかる光強度Ｉ−対物レンズ位置情
報Ｚ（Ｉ_（Ｚ），Ｚ_{（ｘ，ｙ）}）を示す図である。この
光強度Ｉ−対物レンズ位置情報Ｚ（Ｉ_（Ｚ），Ｚ
_{（ｘ，ｙ）}）において、空気層と膜１４ｂとの境界にあ
たる位置Ｚ_１に光強度Ｉに極大値Ｉｐ(z_１)が現われ、
膜１４ｂと基板１４ａとの境界にあたる位置Ｚ_２に光強
度Ｉにもう１つの極大値Ｉｐ(z_２)が現われている。

【００５７】屈折率演算部３９は、光強度Ｉ(z)を対物
レンズ位置情報であるＺ方向に関して比較することによ
り多数の極大値Ｉ_ｐを求め、これら極大値Ｉ_ｐから値の
大きな２つの極大値Ｉ_ｐ(z_１)とＩ_ｐ(z_２)とを選択す
る。これら極大値Ｉ_ｐ(z_１)とＩ_ｐ(z_２)とは、上記の通
り空気層と膜１４ｂとの境界にあたるところＺ_１と、膜
１４ｂと基板１４ａとの境界にあたるところＺ_２である
（ステップＳ２）。

【００５８】これと共に膜厚率演算部３７は、２つの極
大値Ｉ_ｐ(z_１)とＩ_ｐ(z_２)との間隔 ΔＺ＝Ｚ_１−Ｚ_２ …(5) を算出する。

【００５９】屈折率演算部３９は、２つの極大値Ｉ_ｐ(z
_１)とＩ_ｐ(z_２)とに対してそれぞれ所定の割合の値ｅ、
例えば極大値に対してそれぞれ２分の１の割合の光強度
値ｅＩ_ｐ(z_１)とｅＩ_ｐ(z_２)とを求める。なお、半値幅
ｅ＝１／２であって、光強度Ｉとノイズ成分を考慮して
決定される。

【００６０】次に、屈折率演算部３９は、各光強度値ｅ
Ｉ_ｐ(z_１)とｅＩ_ｐ(z_２)とのそれぞれにおける光強度Ｉ
の変化の所定の閾値での幅ｄ_１，ｄ_２を求める。これら
幅ｄ _１，ｄ_２は、各光強度値ｅＩ_ｐ(z_１)とｅＩ_ｐ(z_２)
とにおいて交わる各位置Ｚ_{ｅ Ｉ１}とＺ_ｅＩ２とを求め、
これら位置Ｚ_ｅＩ１、Ｚ_ｅＩ２と上記各位置Ｚ_１、Ｚ _２
とのそれぞれの差から求められる。

【００６１】なお、これら幅ｄ_１，ｄ_２は、対物レンズ
２６が試料１４に対して離れる側（対物レンズ２６と試
料１４との間隔が大きくなる側）において求められる。

【００６２】次に、屈折率演算部３９は、試料１４に形
成された膜１４ｂの屈折率ｎ_２を次式(6)を演算するこ
とにより算出する（ステップＳ３）。

【００６３】 ｎ_２＝ｄ_１／ｄ_２ …(6) 次に、屈折率演算部３９は、試料１４に形成された膜１
４ｂの膜厚ｔを上記算出された膜１４ｂの屈折率ｎ_２を
次式(7)を演算することにより算出する（ステップＳ
４）。

【００６４】 ｔ＝ｎ_２・ΔＺ …(7) このように上記一実施の形態においては、試料１４面上
のＸＹ平面上の任意の１点における光強度と対物レンズ
２６の上下方向（Ｚ方向）の位置情報とを受けて光強度
Ｉ−対物レンズ位置情報Ｚを記憶し、この光強度Ｉ−対
物レンズ位置情報Ｚに基づいて試料１上に形成された膜
の屈折率ｎ_２を算出し、さらに当該屈折率ｎ_２に基づい
て膜の厚さｔを算出するようにしたので、実際に膜厚測
定を行なうために使用する光ビーム２１の波長における
膜１４ｂの屈折率ｎ_２の情報を得なくても、又標準膜厚
サンプルの準備や事前の測定などの大変な手間を必要と
せずに、実際に測定して取得した光強度Ｉ−対物レンズ
位置情報Ｚから試料１４上の膜１４ｂの屈折率ｎ_２を簡
単に、かつ正確に求めることができ、さらにこの屈折率
ｎ_２から膜１４ｂの膜厚ｔを求めることができる。

【００６５】特に、実際に測定して取得した光強度Ｉ−
対物レンズ位置情報Ｚから光強度Ｉの２つの極大値を選
択し、この選択された２つの極大値に対して所定の割合
の値、例えば極大値に対してそれぞれ２分の１の割合の
光強度値を求め、この光強度値における光強度Ｉの変化
の幅｛ｄ’_Ｚ１（３ｄＢ）、ｄ’_Ｚ２（３ｄＢ）｝を求
め、この光強度Ｉの変化の幅に基づいて膜１４ｂの屈折
率ｎ_２を算出するので、たとえレンズ系の収差等により
エラー成分が乗っていてもそのエラー成分をキャンセル
して正確な膜１４ｂの屈折率ｎ_２を求めることができ、
さらに膜厚ｔを求めることができる。

【００６６】次に、本発明の走査型共焦点顕微鏡におけ
る他の特徴点について説明する。

【００６７】第１の本発明は、コンピュータで実行させ
ることによって、光透過性の膜が少なくとも１層形成さ
れた試料に対して光ビームを対物レンズを通して照射
し、この試料からの光を共焦点絞りを介して共焦点画像
の取得を該コンピュータにより行なわせるプログラムで
あって、前記対物レンズと前記試料との間隔を光軸方向
に相対的に可変したときの前記試料からの光の光強度と
前記光軸方向の位置情報との関係を前記光軸方向で異な
る少なくとも２つの位置で求め、この関係から前記光強
度の極大値を選択し、この選択された前記光強度の極大
値に対して所定の割合の値を求め、この所定の割合の値
における前記光強度の変化の幅を求め、この幅に基づい
て前記膜の屈折率を算出することをコンピュータに行わ
れるためのプログラムである。

【００６８】第２の本発明は、上記第１の発明により算
出された前記膜の屈折率に基づいて前記膜の厚さを算出
することをコンピュータに行われるためのプログラムで
ある。

【００６９】第３の本発明は、上記第１の発明のプログ
ラムを記憶したことを特徴とするコンピュータにより読
み取り可能な記憶媒体である。

【００７０】第４の本発明は、上記第２の発明のプログ
ラムを記憶したことを特徴とするコンピュータにより読
み取り可能な記憶媒体である。

【００７１】なお、本発明は、上記一実施の形態に限定
されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない
範囲で種々に変形することが可能である。

【００７２】さらに、上記実施形態には、種々の段階の
発明が含まれており、開示されている複数の構成要件に
おける適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出でき
る。例えば、実施形態に示されている全構成要件から幾
つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとす
る課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で
述べられている効果が得られる場合には、この構成要件
が削除された構成が発明として抽出できる。

【００７３】上記一実施の形態は、次の通り変形しても
よい。

【００７４】例えば、上記一実施の形態では、基板１４
ａ上に１層の膜１４ｂが形成された試料１４について測
定したが、これに限らず、基板１４ａ上に多層膜が形成
されていても、これら膜の屈折率と膜厚とを求めること
ができる。この場合、図７に示すように先ずは上記一実
施の形態と同様に第１層目の膜１４ｂの屈折率ｎ_２及び
膜厚が求められ、次に第１層目の膜１４ｂの屈折率ｎ_２
を用いて第２層目の膜１４ｃの屈折率ｎ_３が求められ、
以下順次同様に１層上の膜の屈折率に基づいて該当する
層の屈折率ｎ_ｍ及び膜厚が求められる。

【００７５】又、上記一実施の形態では、光強度Ｉ−対
物レンズ位置情報Ｚから選択された２つの極大値に対し
てそれぞれ２分の１の割合の光強度値を求め、この光強
度値における光強度Ｉの変化の半値幅を求めているが、
極大値に対して２分の１の割合の光強度に限らず任意の
割合の光強度で、しかも半値幅でなく半値全幅であって
もよい。すなわち、隣接する層の片側のみの屈折率しか
影響を受けないようにするため片側を用いたが、必要な
精度によっては全幅でもよい。

【００７６】又、本発明は、共焦点光学系を用いた光学
機器であれば適用できるものであり、例えばＸＹ光偏向
ユニットを用いない共焦点機構で知られているディスク
スキャン方式と呼ばれている多数のピンホール又はスリ
ットを表面上に形成したディスクを用いた共焦点光学系
にも適用できる。

【００７７】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、標
準膜厚サンプルを用意して事前に測定するなどの手間を
無くして、試料上の膜の少なくとも屈折率を簡単に、か
つ正確に求めることができる共焦点光学系及びこれを用
いた走査型共焦点顕微鏡を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる走査型共焦点顕微鏡の一実施の
形態を示す構成図。

【図２】本発明に係わる走査型共焦点顕微鏡の一実施の
形態における顕微鏡制御システムのブロック図。

【図３】本発明に係わる走査型共焦点顕微鏡の一実施の
形態により試料に形成された膜の屈折率の算出を説明す
るための模式図。

【図４】本発明に係わる走査型共焦点顕微鏡の一実施の
形態で取得される光強度−対物レンズ位置情報の関係を
示す図。

【図５】本発明に係わる走査型共焦点顕微鏡の一実施の
形態における測定フローチャート。

【図６】本発明に係わる走査型共焦点顕微鏡の一実施の
形態における膜の屈折率と膜厚とを測定作用を説明する
ための図。

【図７】本発明に係わる走査型共焦点顕微鏡の一実施の
形態での多層の試料に対する測定作用を説明するための
図。

【図８】従来の走査型共焦点顕微鏡の光学系統図。

【符号の説明】

１４：試料 ２０：レーザ光源 ２２：ビームスプリッタ ２３：ＸＹ光偏向ユニット ２４：瞳投影レンズ ２５：結像レンズ ２６：対物レンズ ２７：光偏向制御部 ２８：対物レンズ移動ユニット ２９：対物移動制御部 ３１：結像レンズ ３２：ピンホール ３３：検出器 ３４：検出光処理部 ３５：画像表示部 ３６：中央制御部 ３７：膜厚演算部 ３８：光強度−位置情報記憶部 ３９：屈折率演算部 ４０：プログラムメモリ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA30 BB17 DD06 FF04 FF23 GG04 HH04 HH08 HH13 JJ03 JJ26 LL36 MM26 QQ04 QQ24 2G059 AA02 BB10 EE02 FF01 GG01 JJ20 JJ22 KK01 MM01 MM09 MM10 2H052 AA08 AC04 AC15 AC34 AD06 AF02 AF25

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光透過性の膜が少なくとも１層形成され
   た試料に対して光ビームを対物レンズを通して照射し、
   この試料からの光を共焦点絞りを介して検出する共焦点
   画像を取得する共焦点光学系において、 前記対物レンズと前記試料との間隔を光軸方向に相対的
   に可変したときの前記反射光の光強度と前記光軸方向の
   位置情報との関係を求める光強度・位置情報取得手段
   と、 この光強度・位置情報取得手段により求められた前記光
   軸方向で異なる少なくとも２つの位置の前記光強度と前
   記光軸方向位置情報との関係に基づいて前記膜の屈折率
   を算出する屈折率演算手段と、を具備したことを特徴と
   する共焦点光学系。
2. 【請求項２】 前記屈折率演算手段により算出された前
   記膜の屈折率に基づいて前記膜の厚さを算出する膜厚演
   算手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の共焦点
   光学系。
3. 【請求項３】 前記屈折率演算手段は、前記光強度と前
   記光軸方向位置情報との関係から前記光強度の極大値を
   選択する手段と、 この選択された前記光強度の極大値に対して所定の割合
   の値を求める手段と、 前記所定の割合の値から選られる前記光軸方向の２つの
   位置の距離を求める手段と、 前記光強度の変化の幅に基づいて前記膜の屈折率を算出
   する手段と、からなることを特徴とする請求項１又は２
   記載の共焦点光学系。
4. 【請求項４】 前記屈折率演算手段は、前記光強度の極
   大値に対して前記所定の割合の値から得られる前記光軸
   方向の２つの位置の距離の前記対物レンズと前記試料と
   の間隔が離れる側の位置と極大値の無位置との距離を求
   める機能を有することを特徴とする請求項３記載の共焦
   点光学系。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のうち少なくとも１項記
   載の共焦点光学系を備え、光透過性の膜が少なくとも１
   層形成された試料に対して光ビームを対物レンズを通し
   て走査し、この光ビームが走査された前記試料からの光
   を共焦点絞りを介して共焦点画像を取得することを特徴
   とする走査型共焦点顕微鏡。