JP3294246B2 - 共焦点顕微鏡 - Google Patents

共焦点顕微鏡

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JP3294246B2
JP3294246B2 JP02531893A JP2531893A JP3294246B2 JP 3294246 B2 JP3294246 B2 JP 3294246B2 JP 02531893 A JP02531893 A JP 02531893A JP 2531893 A JP2531893 A JP 2531893A JP 3294246 B2 JP3294246 B2 JP 3294246B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光軸方向の分解能を向
上した共焦点顕微鏡に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、加工技術の向上と共にミクロな3
次元構造の計測へのニーズが高まってきている。また、
バイオテクノロジの分野でも分子の持つ3次元構造が注
目されてきた。これらに応えるものとして、干渉顕微鏡
や共焦点顕微鏡などがある。
【0003】まず、白色光源を用いた干渉顕微鏡は、例
えば、対物レンズ内にミラウ干渉計が組み込まれてい
る。ここに光源からの白色光を照射すると、試料の表面
反射により干渉縞が発生する。これをディテクタアレイ
(カメラ)で受光する。この干渉縞が試料の表面形状に
対応しているため、演算により試料表面の3次元形状を
測定できる。また、ミラウ干渉計をPZTで動かし、光
の波長(約500nm)を越えたnmレベルの光軸方向
の精度を持つ。
【0004】次に、共焦点顕微鏡では、ピンポイントで
照明するために、レーザ光または非レーザ光とピンホー
ルの組み合わせを用いる。これによって測定点以外から
の散乱光を防いでいる。また、測定点以外からの光をカ
ットするために、受光器の前に空間フィルタとしてピン
ホールを設置している。測定点と同一面内にあるノイズ
光はピンホールの横に結像する。したがって、ピンホー
ルに受光されない。理論的に面内(XY)方向は通常の
光学顕微鏡に比べて1.4倍の解像度を持つ。また、光
軸方向にずれた点の光は、対物レンズによって、ピンホ
ールの前で広がる。したがって、受光される光は激減さ
れる。このように共焦点顕微鏡では、3次元空間中の1
点だけを測定できる。これによって、光軸方向に分解能
を持つことも知られている。これは、光軸上で焦点の合
った時のみ光量が増大し、ピントの外れた点では光量が
ほぼゼロとなるものであり、この時の半値全幅は約0.
5μmである。この時、2次元走査を行えば、3次元空
間中の0.5μmのスライス像を測定できることにな
る。また、焦点位置で光量がピークになるため、半導体
など表面を持つ試料では、光量が最大の光軸位置が試料
の表面と考えられる。したがって、複数枚のスライス像
の中で光軸方向に最大光量を与える位置を画素ごとにピ
ークサーチすることで3次元の表面形状がわかる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ここで、半導体プロセ
スのパターンの微細化に伴い、レジスト厚などを測定す
るには以下のような条件が必要である。 (1)光軸方向(Z)精度:nmレベルの測定精度およ
び分解能。 (2)光軸方向(Z)スパン:パターンの高さとして、
数μm以上のストローク。 (3)面内(XY)方向も高分解能が必要である。
【0006】しかしながら、従来の共焦点顕微鏡では、
光軸方向の精度を得ることは困難である。また、干渉顕
微鏡では、光軸方向の分解能は十分であるが、面内方向
は従来の光学顕微鏡と同等であり、かつ光軸方向のスパ
ンがλ/4(λ=600nmとして150nm)程度し
か得られない。
【0007】本発明は、上記従来技術の課題を踏まえて
成されたものであり、簡単な構成で、光軸方向にnmレ
ベルのZ分解能と数μm以上のスパンが得られ、かつ面
内方向には共焦点レベルの面内分解能を持つ共焦点顕微
鏡を提供することを目的としたものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成は、ピンホール基板を回転させ、このピ
ンホール基板を通過した照射光を対物レンズを介して試
料に対して走査する共焦点用光スキャナを用いた共焦点
顕微鏡において、前記ピンホール基板と対物レンズとの
間に、前記対物レンズが前記試料に合焦の場合に前記試
料への照射光と前記試料からの反射光により干渉を生じ
干渉計を備えた構成としたことを特徴とする。また、
前記干渉計は、前記対物レンズの平行光部分に挿入され
たビームスプリッタと反射ミラーで構成したマイケルソ
ン形干渉計、または前記対物レンズの平行光部分に挿入
された平板ミラー若しくはウェッジミラーで構成したフ
ィゾー形干渉計、または前記対物レンズの共焦点側の光
路に挿入されたビームスプリッタと第2の対物レンズお
よび反射ミラーで構成したリニック形干渉計としたこと
を特徴とする。また、前記試料と対物レンズ間の距離を
変えて得られる光軸方向の一連のデータから、最大光量
の光軸方向の位置を試料の表面とする演算を行う手段を
備えた構成としたことを特徴とする。また、最大光量の
位置の前後数点のデータからフィルタまたは回帰計算に
より、真の最大光量位置を求める演算を行う手段を備え
た構成としたことを特徴とする。
【0009】
【作用】本発明によれば、共焦点系に干渉計を組み合わ
せるという簡単な構成により、共焦点顕微鏡および干渉
顕微鏡の両方の利点を兼ね備えた構成としている。
【0010】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
1は本発明の共焦点顕微鏡の第1の実施例を示す構成図
である。図1において、1は共焦点用光スキャナであ
り、この共焦点用光スキャナ1は、例えば、ガラス基板
の片面に形成された複数のフレネルレンズが、焦点位置
を一画面分づつ半径方向に順次ずらされて形成された集
光ディスク111と、基板に形成された複数のピンホ−
ルが、半径方向に順次ずらされて形成されたピンホ−ル
ディスク112と、集光ディスク111とピンホ−ルデ
ィスク112をフレネルレンズの焦点位置にそれぞれピ
ンホ−ルが配置されるように連結するドラム113から
成るピンホ−ル基板11と、集光ディスク111とピン
ホ−ルディスク112の間に設置されたビ−ムスプリッ
タ12と、ピンホ−ル基板11を一定速度で回転するモ
−タ13で構成される。2はチューブレンズであり、ピ
ンホ−ルからの出射光を平行光にする。3はビームスプ
リッタであり、入射光を参照ミラー4への光と対物レン
ズ5を介して試料6への光に分離する。7は共焦点用光
スキャナ1の側方に、ピンホ−ルの像をカメラ8上に結
像できる位置と焦点距離に設置された集光レンズであ
る。
【0011】このような構成において、図示しないレ−
ザ光源からの出射光(レ−ザ光だけでなく白色光などで
も良い)は、共焦点用光スキャナ1に入射される。共焦
点用光スキャナ1に入射された光は、ピンホ−ル基板1
1の集光ディスク111上に形成されたフレネルレンズ
により集光され、ビ−ムスプリッタ12を透過して、ピ
ンホ−ルディスク112上に形成されたピンホ−ルに集
光する。ピンホ−ルを通った光は、チューブレンズ2に
より平行光にされ、ビームスプリッタ3に入射され、分
岐される。一方は参照ミラー4に入射され、反射された
後、ビームスプリッタ3に戻る。他方は無限系対物レン
ズ5により、試料6上に照射される。試料6からの戻り
光は、再び無限系対物レンズ5を介して、ビームスプリ
ッタ3に入射され、参照ミラー4からの光と重ね合わさ
れ、チューブレンズ2,ピンホ−ルデイスク112を通
って、ビ−ムスプリッタ12で反射され、集光レンズ7
を介して、カメラ8に試料6の像が結像される。この実
施例では、ピンホ−ル基板11がモ−タ13により一定
速度で回転しており、ピンホ−ル基板11の回転によ
り、ピンホ−ルの像が試料6上を走査している。また、
ピンホ−ルディスク112上のピンホ−ルと試料6上の
光スポット(ピンホ−ルの像)が共焦点関係にあり、図
示しないレ−ザ光源からの入射光と試料6からの戻り光
共に、ピンホ−ルを通過するため、共焦点効果による高
い分解能を得られると共に、試料6からの戻り光は、集
光ディスク111を通過しないため、ピンホ−ルの径に
よって得られる共焦点の分解能を保持でき、戻り光は全
光量を受光することができる。なお、上記実施例におい
て、カメラ8は接眼レンズを付けて肉眼による観察も可
能である。
【0012】ここで、参照ミラー4の反射率が試料6の
反射率より低い場合は、通常の共焦点系として動作す
る。また、参照ミラー4と試料6からの戻り光量が近
く、かつ試料6からの戻り光が平行光の場合は、干渉が
生じる。対物レンズ5からの戻り光が平行光となるの
は、対物レンズ5が試料6に合焦の場合のみである。つ
まり、この系では試料6にピントが合った時のみ干渉が
生じる。この時の光量を図2に示す。(a)図は共焦点
のみの場合で、光量のピークが試料6の表面と対応して
いる。(b)図は干渉計のみの場合で、ピッチλ/4の
綺麗な波形をしているが、レーザの可干渉距離が長いた
め、表面位置はわからない。(c)図は本発明によるも
ので、(a)図と(b)図を組み合わせた形になる。こ
の場合、(a)図と同じように、光量のピークが試料6
の表面と対応しており、かつ先端がより微細になってい
る。したがって、光軸方向の分解能が(a)図より向上
する。
【0013】また、試料の3次元形状などの3次元デー
タを得るためには、まずZステージなどで、試料6と対
物レンズ5間の距離を変えながら、スキャナを動作さ
せ、複数の画像を得る。次に、この複数の画像の画素ご
とに光軸方向のピークサーチを行えば、最大光量位置が
その画素の表面位置を表すことになる。したがって、Z
ステージのスキャン間隔の情報と最大光量位置が何枚目
の画像から得られたか、という結果から表面の凸凹の高
さを画素ごとに決めることができる。
【0014】なお、上記実施例において、干渉形はマイ
ケルソン形だけでなく、フィゾー形やリニック形でも可
能であり、同様の効果を得られる。また、マイケルソン
形やフィゾー形において、参照ミラーとして平板ミラー
を使用する場合、くさび形の断面を持ったウェッジタイ
プの方がミラーの内部干渉を減少できる。
【0015】また、上記実施例においては、ビームスプ
リッタ12−ビームスプリッタ3を用いて、直線偏光で
干渉させていたが、偏光ビームスプリッタ−λ/4板−
ビームスプリッタ3を用いた構成として、円偏光で干渉
させる構成としても良い。
【0016】また、上記実施例において、表面位置を決
めるには、単純な光軸方向のピークサーチだけでなく、
その近傍の数点のデータから回帰計算をすれば、より正
確な表面位置を計算できる。なお、回帰としてはn次回
帰やsin回帰が有効である。また、測定データ中にノ
イズが重なると、ピーク位置に誤差が含まれることにな
る。この場合も、ピークサーチだけでなく、デジタルフ
ィルタによるローパスフィルタ演算を行うことにより、
精度を向上できる。
【0017】
【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに、本発明によれば、共焦点系に干渉計を組み合わせ
るという簡単な構成で、別途干渉の状態を調整すること
なくXYZの3次元とも高分解能な共焦点顕微鏡を実現
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の共焦点顕微鏡の一実施例を示す構成図
である。
【図2】光軸位置と光量の関係を示す図である。
【符号の説明】
1 共焦点用光スキャナ 3 ビームスプリッタ 4 参照ミラー 5 対物レンズ 6 試料

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ピンホール基板を回転させ、このピンホー
    ル基板を通過した照射光を対物レンズを介して試料に対
    して走査する共焦点用光スキャナを用いた共焦点顕微鏡
    において、 前記ピンホール基板と対物レンズとの間に、前記対物レ
    ンズが前記試料に合焦の場合に前記試料への照射光と前
    記試料からの反射光により干渉を生じる干渉計を備えた
    構成としたことを特徴とする共焦点顕微鏡。
  2. 【請求項2】請求項1記載の共焦点顕微鏡において、 前記干渉計は、前記対物レンズの平行光部分に挿入され
    たビームスプリッタと反射ミラーで構成したマイケルソ
    ン形干渉計、または前記対物レンズの平行光部分に挿入
    された平板ミラー若しくはウェッジミラーで構成したフ
    ィゾー形干渉計、または前記対物レンズの共焦点側の光
    路に挿入されたビームスプリッタと第2の対物レンズお
    よび反射ミラーで構成したリニック形干渉計としたこと
    を特徴とする共焦点顕微鏡。
  3. 【請求項3】請求項1記載の共焦点顕微鏡において、 前記試料と対物レンズ間の距離を変えて得られる光軸方
    向の一連のデータから、最大光量の光軸方向の位置を試
    料の表面とする演算を行う手段を備えた構成としたこと
    を特徴とする共焦点顕微鏡。
  4. 【請求項4】請求項3記載の共焦点顕微鏡において、 最大光量の位置の前後数点のデータからフィルタまたは
    回帰計算により、真の最大光量位置を求める演算を行う
    手段を備えた構成としたことを特徴とする共焦点顕微
    鏡。
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WO2003107064A1 (ja) * 2002-06-01 2003-12-24 オリンパス光学工業株式会社 共焦点顕微鏡及び、この共焦点顕微鏡による測定方法
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