JP4312777B2 - サイドローブが除去された共焦点自己干渉顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、サイドローブが除去された共焦点自己干渉顕微鏡に関し、より詳しくは、既存の共焦点自己干渉顕微鏡で発生する点拡がり関数でのサイドローブを除去し、測定される映像の歪みを減少する共焦点自己干渉顕微鏡に関する。

共焦点顕微鏡（ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）は、試料から対物レンズを介して、映像検出装置に至るビームの経路上にピン穴（ｐｉｎ ｈｏｌｅ）を設け、試料の特定の断面を通過するビームを検出して、試料の平面映像のみならず、深さに対する情報を得ることができ、３次元映像が得られる顕微鏡である。共焦点顕微鏡は、生医学分野の研究のみならず、半導体部品、微細加工物、材料などの構造の研究に広く利用されている（例えば、特許文献１参照）。

共焦点顕微鏡は、微細構造の研究に使用される電子顕微鏡（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）や原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）に比べ、より多いメリットを有する。即ち、電子顕微鏡は、真空状態を維持しなければならないことと、試片の前処理過程が必要であり、全数検査には適していないことなどの不都合を有する。また、原子間力顕微鏡は、試料の表面にダメージを与えることと、測定時間が長いため、さらに全数検査に適していないこと等の不都合を有する。これに対して、共焦点顕微鏡は、非接触で常温大気中で測定が可能であり、実時間測定が可能であるため、このような電子顕微鏡及び原子間力顕微鏡に代替することができるものとして期待された。

特開平３‐９１７０９号公報

ところが、共焦点顕微鏡は、根本的に光を利用するため、光学的回折現象によって分解能の限界が決まるという不都合がある。既存の光学顕微鏡は、分解能の限界が数百ｎｍオーダーであったことを、共焦点注射顕微鏡を用いて、１４０ｎｍのオーダー（例えば、キーエンス（Ｋｅｙｅｎｃｅ）社のＶＫ−９５００）まで低くすることに成功したが、未だ、１００ｎｍ以下の分解能を獲得してはいない。かかる理由から、半導体、フラット・ディスプレイ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ、ＦＰＤ）など検査において、電子顕微鏡及び原子間力顕微鏡が使用されている。

このような共焦点顕微鏡の限界を克服するため、共焦点自己干渉顕微鏡が提案されている。共焦点自己干渉顕微鏡は、反射ビームに対して試料の平面座標に対して干渉パターンを発生させ、顕微鏡の横方向分解能を向上することができる。図１は、既存の共焦点自己干渉顕微鏡の構成を示す。同図に示されているように、既存の共焦点自己干渉顕微鏡５００は、一般の共焦点顕微鏡が有する光源２０、ビーム拡張部２５、ビームスプリッタ３０、集光装置（凸レンズ又は凹面鏡）４０、試片４５、望遠鏡光学系５０、結像レンズ６５、ピン穴開口７０、映像検出装置７５に加えて、偏光板５１１、５１２及び複屈折波長板５１６を有する自己干渉光学系５１０を更に含む。光源２０から放出されたビームは、ビーム拡張部２５で平行光となり、ビームスプリッタ３０で反射される。ビームスプリッタ３０で反射されたビームは、集光装置４０を通過して試片４５上の物体表面に焦点が合わせられて照明を行う。物体の表面から反射又は蛍光されたビームは、集光装置４０で平行光となり、ビームスプリッタ３０を透過した後、望遠鏡光学系５０、自己干渉光学系５１０、結像レンズ６５、針穴開口７０を通過し、映像検出装置７５により測定される。

図２は、既存の共焦点自己干渉顕微鏡５００の自己干渉光学系５１０におけるビームの経路を説明するための概念図である。自己干渉光学系５１０は、互いに垂直な偏光軸を有する２つの偏光板５１１、５１２と、２つの偏光板５１１、５１２の間に位置する１つの複屈折波長板５１６とを有する。偏光板５１１は、複屈折波長板５１６に入射するビームが、正常ビームと異常ビームが１：１となるように、正常ビームの偏光方向（図２で水平方向（両矢印））、又は、異常ビームの偏光方向（図２で垂直方向（二重丸印））から４５゜傾いた偏光軸を有する。偏光板５１１を通過し、水平偏光ビーム（両矢印）と垂直偏光ビーム（二重丸印）とが１：１で構成されたビームは、複屈折波長板５１６において、正常ビームである水平偏光ビーム（図２で点線）と、異常ビームである垂直偏光ビーム（図２で実線）とに分離され、両ビームは、互いに異なる経路を進行し、位相差が生ずることになる。このような位相差は、自己干渉光学系５１０において、入射するビームの入射角により変わる。入射角により変わる位相差により、正常ビームと異常ビームとの間で干渉が生じることになり、このような干渉効果を用いる上記光学系を、自己干渉光学系という。

自己干渉光学系を用いた共焦点顕微鏡の点広がり関数（Ｐｏｉｎｔ Ｓｐｒｅａｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ、ＰＳＦ）は、一般の共焦点顕微鏡の点広がり関数に、自己干渉光学系による干渉効果を乗じた関数である。図３は、試片４５上で共焦点自己干渉顕微鏡の点広がり関数（実線）を示す。同図に示されているように、一般の共焦点顕微鏡の点広がり関数（点線）に干渉効果が乗じられ、共焦点自己干渉顕微鏡の主ビームのサイズが小くなり、分解能が向上することが見られる。図４〜図６は、一般の共焦点顕微鏡の点拡がり関数（図４）、図１による共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数（図５）及び、図１の自己干渉光学系５１０に対して垂直に自己干渉系を更に設けた共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数（図６）を示す。図３及び図４〜図６から見られるように、共焦点自己干渉顕微鏡を用いることで、分解能が向上されることが分かる。

しかし、既存の共焦点自己干渉顕微鏡は、次のような２つの問題点を有している。

その一つは、サイドローブ（ｓｉｄｅ ｌｏｂｅ）による映像の歪み現象である。共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数は、共焦点顕微鏡の点拡がり関数と自己干渉パターンとの積で表れる。共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数の主ビームの幅を減らすためには、自己干渉パターンの空間周波数を増加しなければならないが（又は、周期を減少しなければならないが）、このような場合、サイドローブのサイズが大きくなる。このような現象は、図７（一方向に自己干渉現象がある場合）及び、図８（二方向に自己干渉現象がある場合）から分かる。図７は、図５の場合の共焦点自己干渉顕微鏡よりも分解能を向上した場合であり、図８は、図６の場合の共焦点自己干渉顕微鏡よりも分解能を向上した場合である。図５〜図６と図７及び図８とを比較すると、分解能を向上するほど、サイドローブが大きくなることが分かる。共焦点自己干渉顕微鏡が得る映像は、共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数と対象物体の情報がコンボルージョン（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）されて得られるが、このような共焦点自己干渉顕微鏡のサイドローブは、映像の歪みを引起こす。

もう一つは、複屈折波長板を通過した主ビームの間の出射位置の差による干渉模様の生成である。複屈折波長板を通過して分離された２つのビームの出射位置は、図２から見られるように、互いに異なることになり、位置の差は、ビームの入射角により変わる。このように、２つのビームの入射位置の差によって、光測定器上に干渉模様が生成される。

本発明は、前述した既存の共焦点自己干渉顕微鏡の限界を克服し、主ビームのサイズを減らすことなくサイドローブを除去することを可能にし、数十ｎｍのサイズを有する物体を歪むことなく観察することができる共焦点自己干渉顕微鏡を提供することを目的にする。

前述した目的を達成するために、本発明による共焦点自己干渉顕微鏡は、光源を有する照明装置と、試片と、前記試片の映像を測定する映像検出装置と、凸レンズ又は凹面鏡を有し、前記照明装置からの照明ビームを平面波に変換するビーム拡張装置と、前記ビーム拡張装置からの前記照明ビームを前記試片に誘導し、前記試片からの反射又は蛍光ビームを前記映像検出装置に誘導するビームスプリッタと、前記試片と前記ビームスプリッタとの間に位置し、凸レンズ又は凹面鏡を有し、前記ビームスプリッタを通過した前記照明装置からの前記照明ビームを集光して、前記試片に照射し、前記試片からの前記反射又は蛍光ビームを平面波に変換する集光装置と、
前記ビームスプリッタと上記映像検出装置との間に位置し、前記集光装置及び前記ビームスプリッタを通過した前記試片からの上記反射又は蛍光ビームを偏光する第１の偏光板；前記第１の偏光板を通過したビームを、偏光方向により２つのビームに分離する第１の複屈折波長板；前記第１の複屈折波長板で分離された２つのビームを偏光する第２の偏光板；前記第２の偏光板を通過した２つのビームを、偏光方向により４つのビームに分離する第２の複屈折波長板；前記第２の複屈折波長板で分離された４つのビームを偏光する第３の偏光板；を有する自己干渉光学系と、前記自己干渉光学系と前記映像検出装置との間に位置し、前記自己干渉光学系を通過したビームの通過領域を制限する絞りと、前記絞りと前記映像検出装置との間に位置し、凸レンズ又は凹面鏡を有し、前記絞りを通過したビームを集光する結像レンズと、前記結像レンズと前記映像検出装置との間で、前記結像レンズの焦点面に位置するピン穴開口とを有するとともに、
前記第１及び第２の複屈折波長板の光軸は、同一の平面に存在し、前記第１及び第２の複屈折波長板の光軸は、前記自己干渉光学系の光軸から所定の角度で傾き、前記第１及び第２の複屈折波長板の自己干渉の周期は、互いに異なることを特徴とする。

また、上記自己干渉光学系は、更に、第３の偏光板を通過した４つのビームを、偏光方向により８つのビームに分離する第３の複屈折波長板と、第３の複屈折波長板で分離された８つのビームを偏光する第４の偏光板と、第４の偏光板を通過した８つのビームを、偏光方向により１６個のビームに分離する第４の複屈折波長板と、第４の複屈折波長板で分離された１６個のビームを偏光する第５の偏光板とを含み、上記第３及び第４の複屈折波長板の光軸は、同一の平面に存在し、上記第３及び第４の複屈折波長板の光軸が存在する平面は、上記第１及び第２の複屈折波長板の光軸が存在する平面と垂直であり、上記第３及び第４の複屈折波長板の光軸は、前記自己干渉光学系の光軸から所定の角度で傾き、そして、第３及び第４の複屈折波長板の自己干渉の周期は、互いに異なることを特徴とする。

また、第１、第３及び、第５の偏光板の偏光軸の方向は、第１及び第２の複屈折波長板の光軸方向から４５゜傾き、第２及び第４の偏光板の偏光軸の方向は、第１、第３及び、第５偏光板の偏光軸の方向から垂直であることが望ましい。

また、第１の複屈折波長板及び第３の複屈折波長板の自己干渉の周期は同一であり、第２の複屈折波長板及び第４の複屈折波長板の自己干渉の周期は同一であり、前者の自己干渉の周期は、後者の自己干渉の周期の１／２倍、又は２倍であることが望ましい。

前述した本発明による共焦点自己干渉顕微鏡は、更に、ビームスプリッタと第１の偏光板との間に、２つの凸レンズ又は凹面鏡を有し、反射又は蛍光ビームの経路を伸ばす望遠鏡光学系を含む。

また、本発明による共焦点自己干渉顕微鏡は、更に、ビームスプリッタと集光装置との間に、ガルバノメータを有し、照明ビームの進行角度を変更することができるビーム偏向装置を含む。

そして、本発明による共焦点自己干渉顕微鏡は、更に、第３の偏光板又は第５の偏光板と絞りとの間に、２つの凸レンズ又は凹面鏡を有し、第３の偏光板又は第５の偏光板を通過したビームを、絞りに再結像する中継光学系を含む。

本発明は、１００ｎｍ以上の分解能であった既存の共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数のサイドローブを効率良く除去し、サイドローブによる映像の歪みのない、数十ｎｍの分解能を有する共焦点自己干渉顕微鏡を提供する。

また、本発明による共焦点自己干渉顕微鏡は、数十ｎｍの構造を有する物体を観測することができ、非接触で常温大気中で測定が可能であり、実時間測定が可能であるため、１００ｎｍ以下で既存に使用されていた電子顕微鏡及び原子間力顕微鏡に代替することができる。それで、１００ｎｍ以下の構造を有する物体に対し、より簡易で迅速な観測ができ、観測対象に対する全数検査が可能である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施例を説明する。

図９は、本発明の第１の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡１００の構成を示す。

同図に示されているように、本発明の第１の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡１００は、照明装置２０、ビーム拡張部２５、ビームスプリッタ３０、集光装置４０、試片４５、望遠鏡光学系５０、絞り６０、結像レンズ６５、ピン穴開口７０、映像検出装置７５、偏光板１１１、１１２、１１３及び複屈折波長板１１６、１１７を有する自己干渉光学系１１０から構成される。

照明装置２０は、試片４５を照明するための光源を含む。光源は、多様な波長で光を放出する通常の照明や、特定の波長で光を放出するレーザーなどが使用される。

ビーム拡張部２５は、照明装置２０の点光源から放出される円形波を平面波に変換させ、凸レンズ又は凹面鏡が使用される。

ビーム拡張部２５で平面波に変換された照明ビームは、ビームスプリッタ３０に進行する。ビームスプリッタ３０は、入射したビームの一部は透過し、他の一部は反射させるものであり、キューブ型ビームスプリッタ、半メッキビームスプリッタ、又は色選別ビームスプリッタなどが使用される。ビームスプリッタ３０に入射した照明ビームの一部は透過し、他の一部は反射し、入射した照明ビームは２つのビームに分離され、この中、１つのビームが試片４５を照明するため進行する。

ビームスプリッタ３０により反射された照明ビームは、集光装置４０に進行する。集光装置４０は、集光装置４０に入射した平行波が試片４５に焦点が結ばれるようにするもので、凸レンズ又は凹面鏡が使用される。また、集光装置は、後述する試片４５からの反射又は蛍光ビームを平面波に変換させるために使用される。

照明ビームは、集光装置４０により試片４５に焦点が結び、試片４５を照明する。試片は、照明を受けると、照明ビームを反射するか、又は、照明ビームよりも低い周波数のビームを放出（蛍光）する。

試片４５からの反射又は蛍光ビームは、集光装置４０で平面波に変換され、ビームスプリッタ３０で２つのビームに分離される。この中、１つのビームは更に照明装置２０に進行し、他の１つのビームは、映像検出装置７５に向かって進行する。

映像検出装置７５に向かって進行する反射・蛍光ビームは、望遠鏡光学系５０を通過する。望遠鏡光学系５０は、２つの凸レンズ又は凹面鏡で構成される。望遠鏡光学系５０は、進行するビームの経路を伸ばし、進行するビームの断面を拡大又は縮小するために使用される。このような望遠鏡光学系５０は、設計上の目的により、選択的に追加される。

望遠鏡光学系５０を通過したビームは、自己干渉光学系１１０に進行する。自己干渉光学系１１０は、第１、第２、第３の偏光板１１１、１１２、１１３と、第１及び第２の複屈折波長板１１６、１１７とから構成される。

自己干渉光学系１１０の詳細な構造は、図１０に示す。同図に示されているように、ビームの進行方向はｚ軸として示され、ビームの進行方向に垂直な面は、ｘ−ｙ平面として示される。第１の実施例において、複屈折波長板１１６、１１７の光軸は同一の平面上にあり、この平面は、図１０において、ｘ−ｚ平面として示される。しかし、複屈折波長板１１６、１１７は、互いにｙ軸に沿って回転した程度が異なるか、厚さが異なるため、入射角の変化による干渉模様の周期を異ならせる。又は、複屈折常数が互いに異なる複屈折波長板１１６、１１７を使用することもできる。偏光板１１１、１１２、１１３は、ｘ−ｙ平面上に位置し、偏光軸の方向は、ｘ軸から所定の角度で傾く。望ましくは、複屈折波長板１１６、１１７に、水平偏光ビーム（図１０で、両矢印）と垂直偏光ビーム（図１０で、二重丸印）とが１：１で入射するように、偏光軸の方向はｘ軸から４５゜傾くことが望ましい。第１及び第３の偏光板１１１、１１３の偏光軸が、ｘ軸から＋４５゜傾き、第２の偏光板１１２は、ｘ軸から−４５゜傾いた場合を例として、第１の実施例を説明する。

ｘ−ｚ平面上にあり、入射角が’θ’である（ｚ軸から傾いた角度がθである）ビームに対して考える。ビームは、第１の偏光板１１１を通過し、偏光方向がｘ軸から＋４５゜傾いた（水平偏光と垂直偏光とが１：１である）偏光ビームで進行する。このビームは、第１の複屈折波長板１１６を通過し、水平偏光ビームと垂直偏光ビームとが互いに異なる経路を進行し、２つのビームの間に位相差が生じることになる。位相差は、入射角（θ）に比例し、比例常数を複屈折波長板常数（c_１）という。正常ビームである水平偏光ビーム（ビーム１）の電気場を’E１'とし、異常ビームである垂直偏光ビーム（ビーム２）の電気場を’E２’とするとき、式１が成立する。

上記２つのビーム（ビーム１及びビーム２）は、第２の偏光板１１２を通過し、ｘ軸から−４５゜傾いて、垂直偏光と水平偏光とが同一の状態となる。２つのビーム（ビーム１及びビーム２）は、複屈折波長板常数がc _２'である第２の複屈折波長板１１７に進行し、ビーム（ビーム１）は、２つのビーム（ビーム１ａ及びビーム１ｂ）に、ビーム（ビーム２）は、２つのビーム（ビーム２ａ及びビーム２ｂ）に、各々分離される。この際、各ビームの電気場は、式２を満たす。

これらのビーム（ビーム１ａ及びビーム１ｂ、ビーム２ａ及びビーム２ｂ）は、第３の偏光板１１３を通過し、最後に得られる総電気場は、式３の通りである。

式３において、Ｅ_０（θ）は、一般の共焦点顕微鏡における電気場の分布を意味する。例えば、満たされた円形のビームが進行する場合、Ｅ_０（θ）は、１次ベッセル関数（Ｊ_１（αθ）、αは、常数である）に比例する形態を有する。ｃｏｓ（ｃ_１θ／２）ｅｘｐ（ｉｃ_１θ／２）項は、第１の複屈折波長板１１６による干渉の効果を表す。即ち、Ｅ_０（ｃ_１θ／２）ｅｘｐ（ｉｃ_１θ／２）項は、１つの複屈折波長板を用いた従来技術による共焦点自己干渉顕微鏡の電気場分布を示す。ｃｏｓ（ｃ_２θ／２）ｅｘｐ（ｉｃ_２θ／２）項は、第２の複屈折波長板１１７による干渉の効果を示す。結局、式３の電気場は、一般の共焦点顕微鏡の電気場に、第１の複屈折波長板１１６及び第２の複屈折波長板１１７による干渉が乗じられた数値である。

式３では、ｘ−ｚ平面における入射角に対する効果だけが記述されている。自己干渉光学系１１０のｙ−ｚ平面における入射角（θ'）に対しては、自己干渉光学系１１０の複屈折波長板１１６、１１７は影響しない。それで、入射ビームのｘ軸方向に入射角がθであり、y軸方向に入射角がθ'であるとき、自己干渉光学系１１０を通過したビームの電気場は、式４の通りである。

式４の電気場（Ｅ_tot）から、本発明の第１の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数は、式５の通りである。

このように得られた２つの自己干渉効果は、点拡がり関数で発生するサイドローブを除去することに用いられる。図１１、図１２は、このようなサイドローブの除去効果を示すグラフである。図１１、図１２において、横軸は、入射角（θ）を試片４５上の長さに変換したものであり、縦軸は、光度を示す。図１１は、１つの干渉のみを有する既存の共焦点自己干渉顕微鏡において、干渉の周期が１００ｎｍである場合（図７参照）である。図１１において、主ビーム（中心は、０ｎｍ）の線幅（分解能）は、数十ｎｍのサイズを有するが、主ビームの両側（±１００ｎｍ）にサイドローブが大きく発達されていることが見られる。このような大きなサイドローブによって実際に使用される既存の共焦点自己干渉顕微鏡は、分解能を１００ｎｍ以下に制限することができない。図１２は、本発明の共焦点自己干渉顕微鏡において、干渉の周期が各々、１００ｎｍ及び２００ｎｍである場合である。２００ｎｍ周期の第２の干渉により、主ビームの中心部（０ｎｍ）では、補強干渉が起こって光度が減らないが、サイドローブの中心部（±１００ｎｍ）では、相殺干渉が起こって光度が減ることが見られる。図１２から分かるように、第１の複屈折波長板で生じられたサイドローブを除去するためには、第２の複屈折波長板の複屈折常数が、第１の複屈折波長板の複屈折常数の１／２倍となり、第２の複屈折波長板の干渉の周期は、第１の複屈折波長板の干渉の周期の２倍であることが望ましい。前述したように、本発明による共焦点自己干渉顕微鏡は、サイドローブによる映像の歪みを減らしながら、数十ｎｍの分解能で観測することができる。

自己干渉光学系１１０を通過したビームは、絞り６０を通過する。自己干渉光学系１１０を通過しながら、特に入射角（θ）が大きい場合に、ビームはｘ軸方向に分離され、このような経路の差により、干渉模様が生成される。このような場合に絞り６０は、外角の入射角が大きいビームの通過を制限する役目を果たす。絞り６０の開口面が狭いほど、干渉模様が減って、向上した映像を観測することができるが、映像検出装置７５に進行する光量が減るという不都合があるので、絞り６０の開口を適切に調節する。

絞り６０を通過したビームは、結像レンズ６５に進行し、凸レンズ又は凹面鏡で構成された結像レンズ６５は、入射した平行波を針穴開口７０に焦点を合わせる。針穴開口７０は、狭い開口面に焦点が合わせられたビームのみを通過させる。試片４５のｚ軸方向の深さにより焦点の位置が変わるので、針穴開口７０を通過したビームは、試片４５の同じ深さを有するところで反射／蛍光されたビームであり、針穴開口７０をｚ軸に沿って移動させると、試片の３次元映像を得ることができる。

最後に、映像検出装置７５は、上記試片４５の反射・蛍光映像を検出する。映像検出装置７５は、光電検出器、ＣＣＤなどが使用される。

図１３は、本発明の第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡２００の構成を示す。

図１３において、本発明の第１の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡２００は、照明装置２０、ビーム拡張部２５、ビームスプリッタ３０、集光装置４０、試片４５、望遠鏡光学系５０、絞り６０、結像レンズ６５、ピン穴開口７０、映像検出装置７５、偏光板２１１、２１２、２１３、２１４、２１５及び複屈折波長板２１６、２１７、２１８、２１９を有する自己干渉光学系２１０から構成される。本実施例による共焦点自己干渉顕微鏡２００は、図９に示される第１の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡１００と自己干渉光学系とを除くと、同一である。第１の実施例に重複する構成についての説明は省略し、以下では、自己干渉光学系２１０について詳細に説明する。

自己干渉光学系２１０の第１及び第２の複屈折波長板２１６、２１７と、第１、第２、第３の偏光板２１１、２１２、２１３とは、第１の実施例で記述した自己干渉光学系１１０の第１及び第２の複屈折波長板１１６、１１７と、第１、第２、第３の偏光板１１１、１１２、１１３と同一である。即ち、望ましくは、第１及び第２の複屈折波長板１１６、１１７の光軸は、ｘｚ平面内にあり、第１及び第３の偏光板１１１、１１３の偏光軸の方向は、ｘ軸から+４５゜傾いており、第２の偏光板１１２の偏光軸の方向は、x軸から−４５゜傾いている。それで、自己干渉光学系に、ｚ軸からｘ軸方向に入射角（θ）、ｙ軸方向に入射角（他'）で入射するビームは、第３の偏光板１１３でｙ軸方向には影響を受けず、ｘ軸方向には４つのビーム（図７参照）に分離されて行き、各ビームの電気場は、式２に示されていることになる。

自己干渉光学系２１０の第３及び第４の複屈折波長板２１８、２１９の光軸は、第１及び第２の複屈折波長板２１６、２１７の光軸から垂直方向、即ち、ｙｚ平面内にある。第４の偏光板２１４の偏光軸の方向は、第２の偏光板２１２の偏光軸の方向と同様に、ｘ軸から−４５゜傾いており、第５の偏光板２１５の偏光軸の方向は、第１及び第３の偏光板２１１、２１３の偏光軸の方向と同様に、ｘ軸から＋４５゜傾いている。

第３の偏光板２１３を通過した各ビームは、ｘ軸及びｙ軸方向への入射角（θ、θ'）を有し、第３の複屈折波長板２１８に進行する。第３の複屈折波長板２１８の光軸は、ｙｚ平面内にあるため、第３の複屈折波長板２１８に進行した各ビームは、ｙ軸方向に２つの経路に分離され、ｘ軸方向には影響を受けない。上記分離された２つのビームは、第４の偏光板２１４を通過し、同じ偏光方向を有した後、第４の複屈折波長板２１９に進行する。第４の複屈折波長板２１９の光軸もｙｚ平面内にあるため、第４の複屈折波長板２１９に進行した各々のビームは、ｙ軸方向に２つの経路に分離され、ｘ軸方向には影響を受けない。上記分離されたビームらは、第５の偏光板２１５を通過し、いずれも、同じ偏光方向を有することになる。前述したように、第３の偏光板２１３を通過した各ビームは、ｙ軸方向に４つのビームに分離され、結局、自己干渉光学系２１０に入射角（θ、θ'）で進入したビームは、ｘ軸方向に４つ、ｙ軸方向に４つの総て１６個のビームに分離される。第３の複屈折波長板２１８の複屈折常数をｃ_３'、第４の複屈折波長板２１９の複屈折常数をｃ_４'とするとき、 自己干渉光学系２１０を通過したビームの総電気場は、式６のように示される。

式６から、第１の実施例の自己干渉光学系１１０によると、ｘ軸方向にのみ自己干渉を行うことにより、ｘ軸にのみサイドローブが除去され、分解能が向上したことに対して、第２の実施例の自己干渉光学系２１０によると、ｘ軸方向及びｙ軸方向共に対して自己干渉を行い、ｘ軸及びｙ軸共に対してサイドローブが除去され、分解能が向上することが分かる。ｘ軸及びｙ軸に対し同一の分解能を有するのが望ましいので、第１の複屈折波長板２１６の複屈折常数（ｃ_１）と第３の複屈折波長板２１８の複屈折常数（ｃ_３）とは同一であり、第２の複屈折波長板２１７の複屈折常数（ｃ_２）と第４の複屈折波長板２１９の複屈折常数（ｃ_４）とは同一であることが望ましい。また、第１の実施例で記述したように、第２及び第４の複屈折波長板２１７、２１９の複屈折定数（ｃ_２及びｃ_４）は、第１及び第３の複屈折波長板２１６、２１８の複屈折定数（ｃ_１及びｃ_３）の１／２倍となり、第２及び第４の複屈折波長板２１７、２１９による干渉の周期は、第１及び第３の複屈折波長板２１６、２１８による干渉の周期の２倍となることが望ましい。

このような自己干渉効果は、点拡がり関数で発生するサイドローブを除去することに使用される。図１４、１５は、本発明の第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数の分布を示す。図１４は、既存の共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数の分布を示す（図８参照）。図１４において、複屈折干渉の周期は、ｘ軸方向とｙ軸方向で共に、１００ｎｍであり、主ビーム（ｘ＝０、ｙ＝０）からｘ軸方向、ｙ軸方向、及び対角線方向にサイドローブが発達されていることが見られる。図１５は、本発明の第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数の分布を示す。図１５において、複屈折干渉の周期は、ｘ軸方向とｙ軸方向で、１００ｎｍ及び２００ｎｍである。図１５の点拡がり関数を、図１４の点拡がり関数と比較して見ると、サイドローブが格段に減少したことが見られる。

第１の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡は，ｘ軸方向にのみ、分解能の向上及びサイドローブ除去の効果があり、ｙ軸方向には、一般の共焦点顕微鏡の分解能と同様な１軸共焦点自己干渉顕微鏡である。これに対し、第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡は、ｘ軸及びｙ軸の２軸方向共に対し、分解能の向上及びサイドローブ除去の効果がある。

図１６〜１８及び図１９〜２１は、本発明の第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡により観測される映像が向上することを示す。

図１６は、周期が２００ｎｍ、線幅が１００ｎｍである物体の形状を示す。現在使用されている共焦点自己干渉顕微鏡は、サイドローブの影響のため、１００ｎｍ以下の分解能を有していなく、従って、図１６に示される物体の形状が区別されない。図１７は、サイドローブの影響にも拘わらず、１００ｎｍ以下の分解能を持たせた従来技術の方式の共焦点自己干渉顕微鏡で図１６の物体を観測した結果である。この際、映像は、図１６の物体の形状に、従来技術の方式の共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数がコンボルージョンされた映像として獲得される。上記共焦点自己干渉顕微鏡は、図１６の構造を区別できる分解能を有しているが、従来技術の方式の共焦点自己干渉顕微鏡が有する点拡がり関数のサイドローブの問題点により、図１６の物体の形状が区別されない。図１８は、１００ｎｍ以下の分解能を有する本発明の第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡で図１６の物体を観測した結果である。この際、映像は、図１６の物体の形状に、本発明の第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数がコンボルージョンされた映像として獲得される。本発明の第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡の点拡がり関数は、サイドローブが格段に除去されているので、図１８から、本発明の第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡は、物体の本来形状を歪むことなく、詳しく観測することができることが分かる。

図１９は、半導体回路の表面の本来形状を示す。図１９において、半導体回路の表面の導線の線幅は、約数十ｎｍである。図２０は、従来技術の方式の共焦点自己干渉顕微鏡で半導体回路の表面を観測した結果であり、図２１は、本発明による共焦点自己干渉顕微鏡で半導体回路の表面を観測した結果である。従来技術の方式の共焦点自己干渉顕微鏡では、サイドローブによる歪みのため、半導体回路の表面の明らかな映像を得ることができないが、本発明による共焦点自己干渉顕微鏡では、映像の歪みのない、本来形状に近い映像を得られることが、図２１から分かる。

図２２は、本発明の第３の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡３００の構成を示す。

図２２において、本発明の第３の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡３００は、照明装置２０、ビーム拡張部２５、ビームスプリッタ３０、集光装置４０、試片４５、望遠鏡光学系５０、中継光学系５５、絞り６０、結像レンズ６５、ピン穴開口７０、映像検出装置７５、偏光板１１１、１１２１１３及び複屈折波長板１１６、１１７を有する自己干渉光学系１１０から構成される。本実施例による共焦点自己干渉顕微鏡３００は、第１の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡１００に、自己干渉光学系１１０と絞り６０との間に、中継光学系５５がさらに含めた構造である。第１の実施例に重複する構成についての説明は省略し、以下では、中継光学系５５について説明する。

中継光学系５５は、２つの凸面鏡又は凹レンズで構成される。自己干渉光学系１１０を通過したビーム（平面波）は、前段の凸面鏡又は凹レンズでビームが集中され、焦点の以後に設けられた後段の凸面鏡又は凹レンズで、再度平面波に変換され、絞り６０に進行する。

第１の実施例において、自己干渉光学系１１０を通過したビームのうち、ｘ軸に沿って出射位置が大いに異なるビームを制限するため、絞り６０を使用した。しかし、入射角の変化により出射位置が多く変わることになり、絞り６０を用いる場合、光量の損失が大きくなる。また、角度により絞り６０を通過するビームの領域が異なることになり、分解能の分析が難しく、従って、共焦点自己干渉顕微鏡の設計に困難さがある。

前述した不都合を克服するため、第３の実施例では、中継光学系５５を提供する。２つの凸レンズ又は凹面鏡を用いて、自己干渉光学系１１０を通過したビームが、絞り６０の中心を通過するようにする。中継光学系５５により、絞り６０による光量損失が減少し、入射角に拘ることなく、同じ領域を絞り６０で通過させるようにして、分解能の分析が容易になる。

本実施例において、第１の実施例の構成に、中継光学系５５を追加した構成を説明したが、第２の実施例の構成に中継光学系５５を追加する構成も当然に導出される。

図２３は、本発明の第４の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡４００の構成を示す。

図２３において、本発明の第４の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡４００は、照明装置２０、ビーム拡張部２５、ビームスプリッタ３０、ビーム偏向装置３５、集光装置４０、試片４５、望遠鏡光学系５０、絞り６０、結像レンズ６５、ピン穴開口７０、映像検出装置７５、偏光板１１１、１１２、１１３及び複屈折波長板１１６、１１７を有する自己干渉光学系１１０から構成される。本実施例による共焦点自己干渉顕微鏡４００は、第１の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡１００に、ビームスプリッタ３０と集光装置４０との間に、ビーム偏向装置３５が更に含めた構造である。第１の実施例に重複する構成についての説明は省略し、以下では、ビーム偏向装置３５について説明する。

ビーム偏向装置３５は、少なくとも１つのガルバノメータ（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ）ミラーを含む。ガルバノメータの軸上にミラーを装着し、ガルバノメータへの入力電流又は電圧を調節してミラーの傾斜を調節し、これにより、ビームの経路を変化させる。ガルバノメータミラーを用いる場合、変化された照明ビームの経路により、照明ビームが試片４５に焦点が結ばれる位置を、試片を移動することなく、調整することができる。ガルバノメータミラーは、物体のｘ軸又はｙ軸方向にのみ焦点が結ばれる位置を調整するように、１つが装着されるか、試片の全体表面で焦点が結ぶ位置を調整するように、２つが装着される。

本実施例において、第１の実施例の構成に、ビーム偏向装置３５を追加した構成を説明したが、第２の実施例及び第３の実施例の構成に、ビーム偏向装置３５を追加する構成も、当然に導出される。

本発明の要旨と範囲から逸脱することなく、様々な修正や変形をすることが当業者にとって可能である。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の要旨に属するこのような修正や変形を含む。

本発明にかかる共焦点自己干渉顕微鏡は、生医学分野の研究のみならず、半導体部品、微細加工物、材料などの構造の研究・検査その他に広く利用できる。

既存の共焦点自己干渉顕微鏡の構成図である。 既存の共焦点自己干渉顕微鏡の自己干渉光学系における光経路を示す概念図である。 既存の共焦点自己干渉顕微鏡における点拡がり関数を説明するための概念図である。 一般の共焦点顕微鏡における点拡がり関数（ＰＳＦ）の分布図である。 １軸自己干渉を用いた既存の共焦点自己干渉顕微鏡を用いた既存の共焦点自己干渉顕微鏡における点拡がり関数（ＰＳＦ）の分布図である。 ２軸自己干渉を用いた既存の共焦点自己干渉顕微鏡における点拡がり関数（ＰＳＦ）の分布図である。 図５〜図６における共焦点自己干渉顕微鏡に比べて、自己干渉周波数が高い場合における、１軸自己干渉を用いた既存の共焦点自己干渉顕微鏡における点拡がり関数の分布図である。 図５〜図６における共焦点自己干渉顕微鏡に比べて、自己干渉周波数が高い場合における、２軸自己干渉を用いた既存の共焦点自己干渉顕微鏡における点拡がり関数の分布図である。 本発明の第１の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡の構成図である。 本発明の第１の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡の自己干渉光学系における光経路を示す概念図である。 既存の共焦点自己干渉顕微鏡における点拡がり関数の断面図である。 本発明の第１の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡における点拡がり関数の断面図である。 本発明の第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡の構成図である。 既存の共焦点自己干渉顕微鏡における点拡張関数の分布図である。 本発明の第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡における点拡張関数の分布図である。 周期が２００ｎｍ、線幅が１００ｎｍである物体の形状を示す平面図である。 図１６の物体を既存の共焦点自己干渉顕微鏡で観測した映像を示す平面図である。 図１６の物体を本発明の第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡で観測した映像を示す平面図である。 半導体回路の形状を示す平面図である。 図１９の回路を既存の共焦点自己干渉顕微鏡で観測した映像を示す平面図である。 図１９の回路を本発明の第２の実施例による共焦点自己干渉顕微鏡で観測した映像を示す平面図である。 本発明の第３の実施例の構成図である。 本発明の第４の実施例の構成図である。

符号の説明

２０ 照明装置
２５ ビーム拡張部
３０ ビームスプリッタ
３５ ビーム偏光装置
４０ 集光装置
４５ 試片
５０ 望遠鏡光学系
５５ 中継光学系
６０ 絞り
６５ 結像レンズ
７０ ピン穴開口
７５ 映像検出装置
１００、２００、３００、４００ 共焦点自己干渉顕微鏡
１１０、２１０ 自己干渉光学系
１１１、１１２、１１３ 偏光板
１１６、１１７ 複屈折波長板

Claims (10)

1. 光源を有する照明装置と、
   試片と、
   前記試片の映像を測定する映像検出装置と、
   凸レンズ又は凹面鏡を有し、前記照明装置からの照明ビームを平面波に変換するビーム拡張装置と、
   前記ビーム拡張装置からの前記照明ビームを前記試片に誘導し、前記試片からの反射又は蛍光ビームを前記映像検出装置に誘導するビームスプリッタと、
   前記試片と前記ビームスプリッタとの間に位置し、凸レンズ又は凹面鏡を有し、前記ビームスプリッタを通過した前記照明装置からの前記照明ビームを集光して、前記試片に照射し、前記試片からの前記反射又は蛍光ビームを平面波に変換する集光装置と、
   前記ビームスプリッタと上記映像検出装置との間に位置し、前記集光装置及び前記ビームスプリッタを通過した前記試片からの上記反射又は蛍光ビームを偏光する第１の偏光板；前記第１の偏光板を通過したビームを、偏光方向により２つのビームに分離する第１の複屈折波長板；前記第１の複屈折波長板で分離された２つのビームを偏光する第２の偏光板；前記第２の偏光板を通過した２つのビームを、偏光方向により４つのビームに分離する第２の複屈折波長板；前記第２の複屈折波長板で分離された４つのビームを偏光する第３の偏光板；を有する自己干渉光学系と、
   前記自己干渉光学系と前記映像検出装置との間に位置し、前記自己干渉光学系を通過したビームの通過領域を制限する絞りと、
   前記絞りと前記映像検出装置との間に位置し、凸レンズ又は凹面鏡を有し、前記絞りを通過したビームを集光する結像レンズと、
   前記結像レンズと前記映像検出装置との間で、前記結像レンズの焦点面に位置するピン穴開口とを有するとともに、
   前記第１及び第２の複屈折波長板の光軸は、同一の平面に存在し、前記第１及び第２の複屈折波長板の光軸は、前記自己干渉光学系の光軸から所定の角度で傾き、
   前記第１及び第２の複屈折波長板の自己干渉の周期は、互いに異なることを特徴とする共焦点自己干渉顕微鏡。
2. 前記第１及び第３の偏光板の偏光軸の方向は、前記第１及び第２の複屈折波長板の光軸から４５゜傾き、前記第２の偏光板の偏光軸の方向は、前記第１及び第３の偏光板の偏光軸の方向から垂直であることを特徴とする請求項１に記載の共焦点自己干渉顕微鏡。
3. 前記第１の複屈折波長板の自己干渉の周期は、前記第２の複屈折波長板の自己干渉の周期の１/２倍、又は２倍であることを特徴とする請求項１に記載の共焦点自己干渉顕微鏡。
4. 前記自己干渉光学系は、更に、
   前記第３の偏光板を通過した４つのビームを、偏光方向により８つのビームに分離する第３の複屈折波長板と、
   前記第３の複屈折波長板で分離された８つのビームを偏光する第４の偏光板と、
   前記第４の偏光板を通過した８つのビームを、偏光方向により１６個のビームに分離する第４の複屈折波長板と、
   前記第４の複屈折波長板で分離された１６個のビームを偏光する第５の偏光板とを有するとともに、
   前記第３及び第４の複屈折波長板の光軸は、同一の平面に存在し、前記第３及び第４の複屈折波長板の光軸が存在する平面は、前記第１及び第 ２の複屈折波長板の光軸が存在する平面と垂直であり、前記第３及び第４の複屈折波長板の光軸は、前記自己干渉光学系の光軸から所定の角度で傾き、
   前記第３及び第４の複屈折波長板の自己干渉の周期は、互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の共焦点自己干渉顕微鏡。
5. 前記第１、第３及び、第５の偏光板の偏光軸の方向は、前記第１及び第２の複屈折波長板の光軸から４５゜傾き、前記第２及び第４の偏光板の偏光軸の方向は、前記第１、第３及び、第５の偏光板の偏光軸の方向から垂直であることを特徴とする請求項４に記載の共焦点自己干渉顕微鏡。
6. 前記第１の複屈折波長板の自己干渉の周期と上記第３の複屈折波長板の自己干渉の周期とは、同一であり、前記第２の複屈折波長板の自己干渉の周期と前記第４の複屈折波長板の自己干渉の周期とは、同一であることを特徴とする請求項４に記載の共焦点自己干渉顕微鏡。
7. 前記第１及び第３の複屈折波長板の自己干渉の周期は、前記第２及び第４の複屈折波長板の自己干渉の周期の１/２倍、又は２倍であることを特徴とする請求項６に記載の共焦点自己干渉顕微鏡。
8. 更に、前記ビームスプリッタと前記自己干渉光学系との間に位置し、２つの凸レンズ又は凹面鏡を有し、前記反射又は蛍光ビームを誘導する望遠鏡光学系を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の共焦点自己干渉顕微鏡。
9. 更に、前記ビームスプリッタと前記集光装置との間に位置し、ガルバノメータを有し、前記照明ビームの進行角度を変更するビーム偏向装置を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の共焦点自己干渉顕微鏡。
10. 更に、前記自己干渉光学系と上記絞りとの間に位置し、２つの凸レンズ又は凹面鏡を有し、前記自己干渉光学系を通過したビームを前記絞りに再結像する中継光学系を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の共焦点自己干渉顕微鏡。