JP3779357B2 - 共焦点走査光学顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業状の利用分野】
本発明は共焦点光学系を有する走査光学顕微鏡の内、共焦点光学系に干渉計を組み合わせたタイプの共焦点走査光学顕微鏡に関するものである。
【０００２】
さらに言えば、光源の出力光を試料照射前に試料照射光と参照光に分岐する機構を有する送光光学系を持ち、試料からの反射光または試料透過光と、該参照光とを合波干渉し、干渉光を共役焦点位置に配置した光検出器へ導く受光光学系を持つ共焦点走査光学顕微鏡に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
この種の顕微鏡は主に以下に示す２つのタイプに大別される。
１）試料からの反射光を測定に用いるもの
２）試料を透過した光を測定に用いるもの
１）は主に試料表面の形状を測定するもので、２）は主として試料内部における屈折率等の光学定数の分布を測定する場合に用いられる
【０００４】
従来法の装置の主な構成要素は、コヒーレント光源、共焦点光学系、試料照射光と参照光を分岐または合波するためのビームスプリッタ／コンバイナ、共役焦点位置に配置した光検出器、試料上で照射光ビームの焦点を２次元的に走査するビーム走査機構、試料からの反射または透過光と参照光の光路差を調整する機構、及びこれらを統合的に制御しデータを取得する制御機構及び、取得データを処理するコンピュータ等からなる。
【０００５】
従来法の内、１）の試料からの反射光を測定に用いる装置は、以下に示す構造と原理により試料表面の３次元的形状を測定する。
【０００６】
コヒーレント光源からの出力光を参照光と試料照射光に分岐し、該試料照射光は試料上のピンスポットに集光する。このピンスポットは、ビーム走査機構により試料上を２次元的に走査される。
【０００７】
試料上の前記ピンスポットからの反射光と、前記参照光を合波干渉させ、試料上のピンスポットの共役焦点位置に配置した光検出器で干渉光の強度を測定する。
【０００８】
制御部は前記光検出器による干渉光の強度が常に極大値をとるよう、試料からの反射光と参照光の光路差を調整する機構を用いて光路差の補償を行う。同時にこの補償量またはこれに関連するデータを、ピンスポットの位置と共に記録する。
【０００９】
上記構成により記録された光路差の補償量は、試料照射光の反射位置の光軸方向への変位すなわち試料表面の凹凸に比例する。したがってこれを元に試料表面の３次元像が再現できる。
【００１０】
従来法の内、２）の試料を透過した光を測定に用いるタイプの装置は、上述した試料反射光を用いるタイプの装置と比べ、試料の透過光を参照光と合波干渉させるところが異なる。この２）のタイプの装置で記録された参照光と試料透過光の光路差の補償量は、試料の屈折率の変化による、試料透過光の光路長の変化に対応している。したがってこれを元に試料の屈折率分布を再現することができる。
【００１１】
参照光、試料照射光、試料反射光または試料透過光の光路中に配置して、光路長の調整を行う機構としては、以下の方法が提案されている。
ａ）反射鏡を機械的に移動させて参照光または試料光の光路を可変する方法
ｂ）参照光または試料光の光路中に電気光学結晶等の屈折率可変光学媒体を挿入して光路差を可変する方法
【００１２】
以下図面を用いてもう少し詳しく従来法の説明を行う。
【００１３】
図３に従来法の内、参照光の光路長を可動ミラーによって変化させ、試料からの反射光と参照光とを合波干渉させる方式を模式的に示した。
【００１４】
レーザー３０１から発したコヒーレント光はビームエキスパンダ３０２とレンズ３０３で平行ビームとされビームスプリッタ／コンバイナ３０４に入射する。ここで参照光と試料照射光に分岐され、参照光は移動ステージ３０６で光軸方向に移動可能なミラー３０５を往復する。一方試料照射光はレンズ３０９により試料台３１０上の試料上のピンスポットに集光される。
【００１５】
試料上のピンスポットからの反射光は再度レンズ３０９を通ってビームスプリッタ／コンバイナ３０４上で参照光と合波干渉する。この干渉光はレンズ３０７で集光され光検出器３０８に入射する。
【００１６】
制御部３１２は２軸方向に移動可能な移動ステージ３１１を制御して、試料を乗せた試料台３１０を試料照射光に垂直な平面内で移動させ、試料照射光のピンスポットを試料上で２次元的に走査する。この時、光検出器３０８の出力が常に極大値を取るよう（つまり試料反射光と参照光の位相差が０となるよう）に移動ステージ３０６を制御してミラー３０５を移動する。同時に制御部３１２は試料台３１０の位置とミラー３０５の位置または移動量をデータとして取得し保持する。
【００１７】
このミラー３０５の位置または移動量は試料表面での試料照射光の反射位置、すなわち照射光のビームスポットがある位置での試料の高さに関する情報を有する。こうして試料上の各点で得たデータから、コンピュータを用いて試料の３次元像を再構成する。
【００１８】
図４に従来法の内、参照光の光路長を電気光学素子によって変化させ、試料からの透過光と合波干渉させる方式を模式的に示した。
【００１９】
レーザー４０１から発したコヒーレント光はビームエキスパンダ４０２とレンズ４０３で平行ビームとされビームスプリッタ４０４に入射し、ここで参照光と試料照射光に分岐される。試料照射光はレンズ４０８により試料上にのピンスポットに集光される。試料からの透過光はレンズ４１１により平行ビームとされ、ミラー４１２で反射されてコンバイナ４０７へ入射する。
【００２０】
ビームスプリッタ４０４で分岐された参照光はミラー４０５で反射され電気光学素子４０６を透過し、コンバイナ４０７で試料透過光と合波干渉する。これをレンズ４１３を通して光検出器４１４に導く。
【００２１】
制御部４１５は２軸方向に移動可能な移動ステージ４０９を制御して試料を乗せた試料台４１０を平面内で移動させ試料上で試料照射光のピンスポットを２次元的に走査する。この時、制御部４１５は光検出器４１４の出力が常に極大値を取るように（つまり試料透過光と参照光の位相差が０になるよう）電気光学素子４０６の屈折率を制御する。同時に制御部４１５は、この電気光学素子４０６の制御電圧または電気光学素子４０６の屈折率及び、移動ステージ４０９の位置をデータとして取得し保持する。
【００２２】
この電気光学素子４０６の制御電圧または電気光学素子４０６の屈折率は、試料の屈折率の違いにより生じる光路差すなわち試料の屈折率に対応し、簡単な計算で試料の屈折率が求められる。
【００２３】
照射光を試料上で２次元的に走査し、各点での試料の屈折率を得ることで、試料の屈折率分布が求められる。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
従来法のうち、電気光学素子を用いて光路差を調整する方法では、一般に電気光学素子が光学異方性を持つため、光源が直線偏向であることが必要で、光源の利用効率が低下する欠点を持つ。また試料の透過光を測定に用いる方式の場合、光学異方性を持つ試料を測定する際に問題が生じる。さらに１次の電気光学定数は小さく、電気光学結晶を用いた素子で生成可能な光路差はせいぜい１〜２波長程度しかない。つまり、一般に共焦点走査光学顕微鏡で用いられている共焦点光学系は５〜６波長分の焦点深度を持つにもかかわらず、１〜２波長程度の凹凸しか測定できない。
【００２５】
光路差を移動ミラーにより調整する方法では、ミラーの移動に用いるピエゾ素子がヒステリシス特性を持つため、ミラーの位置を精密に測定するためのシステムがピエゾ素子の制御駆動系と別に必要となる。
【００２６】
【問題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため本発明においては、波長可変の光源を用いた。波長可変の光源としては、多重量子井戸レーザダイオード等を用いると良い。
【００２７】
上記可変波長の光源を用い、試料からの反射光または試料透過光と、参照光との合波位置での位相差が常に一定となるよう光源の波長を調節する制御系を用いることで、光源の出力波長の変位から試料表面の凹凸または試料の屈折率変化等が測定できる。
【００２８】
【作用】
まず本発明の原理を以下に簡単に示す。（ここでは主に、試料の反射光を用いるタイプについて述べる）
【００２９】
本発明では、従来法と同様に光源の出力光を試料照射前に試料照射光と参照光に分岐し、該試料照射光は試料上のピンスポットに集光する。該ピンスポットはビーム走査機構により、試料上を２次元的に走査される。試料上の前記ピンスポットからの反射光と前記参照光を合波干渉させ、試料上のピンスポットの共役焦点位置に配置した光検出器で干渉光の強度を測定する。
【００３０】
ここで本発明においては、試料照射光のピンスポットを試料上２次元的に走査するに際して、上記光検出器の出力が常に極値を取るよう（つまり試料反射光と参照光の位相差が０またはπを保つよう）光源の波長を制御する。
【００３１】
以下の説明は主として、上記光検出器の出力が常に極大値を取る（つまり試料反射光と参照光の位相差が０となる）場合について述べる。
【００３２】
参照光と試料からの反射光の合波位置での位相差が０となる条件は、試料照射光と参照光を分岐した位置から試料表面で反射してビームスプリッタ／コンバイナに到る試料光の光路と参照光の光路との光路差ｄ、光源の波長λに対して、
ｄ＝ｎλ（ｎは０でない正の整数）
の関係が成立することである。
【００３３】
ここで試料表面の凹凸により光路差ｄが微小量変化してｄ→ｄ’となった時、前記条件（試料反射光と参照光の位相差が０）を保存するよう波長を調整しλ→λ’とする。この時ｄ’＝ｎλ’が成り立っていることからｄ−ｄ’＝ｎ（λ−λ’）でλとλ’が既知であれば光路差の変化ｄ−ｄ’すなわち試料表面の凹凸量（または屈折率の変化）が求められる。
【００３４】
試料照射光のピンスポットを試料表面上で２次元的に走査するに際して、各位置での光源の波長またはこれに関する量を記録することで、試料表面の凹凸または試料各点の屈折率分布等が求められる。
【００３５】
この時、ｄ’＝（ｎ−１）λ’またはｄ’＝（ｎ＋１）λ’とならないように波長を制御する必要があるが、これは光路差が微小に変化し光検出器の出力が減少した時、この光検出器の出力が極大値を取る方向に波長をずらすよう波長制御を行えば良く、このような制御は各分野で広く行われているものである。
【００３６】
試料の反射光と参照光の位相をロックさせる位置は、位相差０でなくても一定値であれば良いが、一般的には位相差０またはπの位置が一番制御しやすいと考えられる。位相差πの位置でロックするには、干渉光の強度を検出する光検出器の出力が常に極小値となるよう波長を制御すれば良い。
【００３７】
また、光源の最大波長可変量をΔλとすると、測定可能な最大の光路差Δｄとの関係は、Δｄ＝ｎ・Δλで与えられるから、ｎの値を調節可能としておけば、測定可能な最大の光路差（つまり測定可能な凹凸量の範囲）が調節可能となり、最適なｎの値を選択することで精度の高い測定が可能となる。
【００３８】
試料透過光を用いるタイプについては、上記試料からの反射光を用いるタイプと原理的には全く同様で、反射光の代りに試料透過光を用い、該試料透過光と参照光とを合波干渉させる。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００４０】
図１に示した本発明の一実施例は、試料表面からの反射光と参照光を合波干渉するタイプのものである。
【００４１】
波長可変レーザー１０１から出力されるコヒーレント光はビームエキスパンダ１０３とレンズ１０４で平行ビームとされビームスプリッタ／コンバイナ１０５に入射する。
【００４２】
ビームスプリッタ／コンバイナ１０５で二つのビームに分岐したビームの一方は参照光としてミラー１０６を往復する。他方のビームは試料照射光として、レンズ１０７により試料台１０８上に置いた試料上のピンスポットに集光される。試料上の該ピンスポットからの反射光は再度レンズ１０７を通してビームスプリッタ／コンバイナ１０５に戻り参照光と合波干渉する。
【００４３】
この干渉光はレンズ１１０を通して光検出器１１１に集光する。光検出器１１１に集光された干渉光の強度は、参照光と試料からの反射光との位相差に関する情報を有する。
【００４４】
制御部１１２は２軸方向に移動可能な移動ステージ１０９を制御して試料台１０８を試料照射光の光軸に垂直な平面内で移動させ、試料照射光の前記ピンスポットを試料上で２次元的に走査する。
【００４５】
この時、試料表面の凹凸により試料からの反射光と参照光の光路差が変化し、参照光と試料反射光の位相差が変化する。これにより光検出器１１１に集光された干渉光の強度が変化する。制御部１１２は光検出器１１１の出力からこの変化を検出し、波長制御部１０２を介して波長可変レーザ１０１の波長を制御し、位相差が０となる状態を保つ。
【００４６】
また制御部１１２は、２軸方向に移動可能な移動ステージ１０９の位置（試料上の試料照射光のピンスポットの位置に対応する）に関する情報と、そこでの波長可変レーザー１０１の出力波長、または波長制御情報等の出力波長に関する情報を取得保存する。
【００４７】
波長可変レーザ１０１の出力波長に関しては、レーザの出力光の波長を直接測定する装置を付加し、測定する方法を用いても良い。
【００４８】
コンピュータを用いて、これらの情報から各点での試料の凹凸が再現され、試料の立体像を得ることができる。
【００４９】
図２に示した本発明の別の実施例は、試料の透過光を測定に用いるタイプのものである。
【００５０】
波長可変レーザー２０１から出力されるコヒーレント光はビームエキスパンダ２０３とレンズ２０４で平行光とされ、ビームスプリッタ２０５で参照光と試料照射光に分岐される。
【００５１】
ビームスプリッタ２０５を透過した試料照射光はレンズ２０８で試料台２１０上の試料上のピンスポットに集光される。試料透過光は、レンズ２１１で平行光とされ、ミラー２１２で反射されコンバイナ２０７に入射する。
【００５２】
一方ビームスプリッタ２０５で反射された参照光はミラー２０６で反射されコンバイナ２０７に入射し、前記試料透過光と合波干渉し干渉光はレンズ２１３で集光され光検出器２１４に導かれる。
【００５３】
制御部２１５は２軸方向に移動可能な移動ステージ２０９を操作して試料台２１０を試料照射光の光軸に垂直な平面内で２次元的に移動させ、試料上で試料照射光のピンスポットを２次元的に走査する。
【００５４】
試料の屈折率の分布に変化があると、試料透過光と参照光の光路差が変化し、参照光と試料透過光の位相差が変化する。これにより光検出器２１４に集光された干渉光の強度が変化する。制御部２１５は光検出器２１４の出力からこの変化を検出し、波長制御部２０２を介して波長可変レーザ２０１の波長を制御し、位相差が０となる状態を保つ。
【００５５】
この時、制御部２１５は移動ステージ２０９の位置（試料上の照射光ビームスポットの位置）に関する情報と、波長可変レーザー２０１の出力波長または波長制御情報等出力波長に関する情報を取得保存する。
【００５６】
図１に示した実施例と同様に、波長可変レーザー２０１の出力波長については、レーザ出力光の波長を直接測定する装置を付加し、測定する方法を用いても良い。
【００５７】
コンピュータにより、これらの情報から試料各点での屈折率分布を再現することができる。
【００５８】
可変波長レーザとしては多重量子井戸レーザダイオード、特にパルス駆動型の多重量子井戸レーザダイオードを用いることができる。このパルス駆動多重量子井戸レーザダイオードでは、駆動パルスのデューティー比を制御することで、 ０．８％程度の範囲でリニヤで連続的な波長可変特性が得られる。
【００５９】
光路差ｄ、波長λの間の関係式ｄ＝ｎλ（ｎは０でない正の整数）のｎを適当な値例えば５００にとれば、光路差の最大変化量Δｄと波長の最大変化量Δλの間の関係式Δｄ＝ｎΔλから、Δλ＝０．００８λとして、Δｄ＝４．０λとなる。つまり波長λの４．０倍の光路差の変化までロックできることになる。したがって、図１に示した実施例では４．０λの凹凸まで測定できる。
【００６０】
このｎは図１に示した実施例では、ミラー１０６とビームスプリッタ／コンバイナ１０５との間隔または試料照射光の光軸方向についての試料台１０８の位置により決定される。このためミラー１０６の位置または試料台１０８の位置を光軸方向に調整可能としておけば、ｎの値を自由に選ぶことができる。
【００６１】
また図２に示した実施例では、ミラー２０６とコンバイナ２０７の組を一体にレンズ２１３の光軸に平行に移動可能としておけば、ｎの値を自由に選ぶことができる。
【００６２】
このように、光路差の変化量つまり試料の凹凸量または屈折率の変化量の見積もり値から、最適なｎの値を選ぶことができる。これにより試料全体にわたって、垂直方向の解像度の高い測定が可能になる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明した構成を持つため、以下に示す特長を有する。
【００６４】
基本的には試料の凹凸量または屈折率測定に際して機械的可動部分を持たず、また試料照射光の偏光特性に制限を加えない。このため、広い測定対象に対して利用可能である。
【００６５】
試料表面の凹凸量または試料屈折率の変化量の測定範囲が広く、またこれらの量の測定可能範囲と分解能を、測定に最も的した値に調整できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の模式図
【図２】本発明の別の実施例の模式図
【図３】従来法の模式図
【図４】別の従来法の模式図
【符号の説明】
１０１、２０１ 波長可変レーザー
１０３、２０３ ビームエキスパンダ
１０４、１０７、１１０ レンズ
２０４、２０８、２１１、２１３ レンズ
１０８、２１０ 試料台
１０５ ビームスプリッタ／コンバイナ
２０５ ビームスプリッタ
２０６、２０７、２１２ ミラー
１１１、２１４ 光検出器

Claims (1)

1. 共焦点光学系を有する走査光学顕微鏡の内、光源の出力光を試料照射前に試料照射光と参照光に分岐する機構を有する送光光学系と、試料からの反射光または試料透過光と前記参照光とを合波干渉して干渉光を光検出器に導く受光光学系を有し、光源の出力光の波長が可変な共焦点走査光学顕微鏡であって、試料からの反射光または試料透過光と、参照光との合波位置における位相差が、常に一定となるよう光源の出力光の波長を調節する制御系を有する共焦点走査光学顕微鏡

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