JP4281033B2 - レーザ顕微鏡及び共焦点型レーザ走査顕微鏡 - Google Patents
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Description
【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0.25μm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と、前記深紫外レーザが照射された試料からの光を受光する検出手段と、前記深紫外レーザ光の強度に対する前記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と、前記深紫外レーザ光が照射された試料からの光を受光する検出手段と、前記検出手段の前方に配置され、前記試料からの光を制限するピンホールを備えた開口手段と、前記深紫外レーザ光の強度に対する前記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、外部からピンホール調整信号が入力されたとき、前記制御手段は前記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19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,11c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18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16a,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20a,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20a,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100%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11b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,20b,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20b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15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121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104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121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104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11b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,20b,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)
- 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と、
前記深紫外レーザが照射された試料からの光を受光する検出手段と、
前記深紫外レーザ光の強度に対する前記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。 - 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と、
前記深紫外レーザ光が照射された試料からの光を受光する検出手段と、
前記検出手段の前方に配置され、前記試料からの光を制限するピンホールを備えた開口手段と、
前記深紫外レーザ光の強度に対する前記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。 - 外部からピンホール調整信号が入力されたとき、前記制御手段は前記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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