JP5051699B2 - レーザ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、光の解像限界を超えた光学像を得るレーザ顕微鏡に関する。

現在の半導体の製造においては、可視光の波長以下のデザインルール（例えば、９０ｎｍ）が主流となっている。

一方、半導体デバイスの観察手段である光学顕微鏡の解像度には限界があり、これより微細なパターンを観察することは困難である。

例えば、波長４０８ｎｍの半導体レーザとＮＡ０．９５の対物レンズを用いた共焦点レーザ顕微鏡を用いたとしてもその解像度は２４０ｎｍ程度であり、これ以下のピッチで配置された細線パターンの観察は困難である。

このように光学的手段では観察が困難な場合には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や近接場プローブ顕微鏡（ＳＮＯＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）など、光以外の媒体を利用する手段もあるが、光学顕微鏡と比較した場合において、真空中での観察であることの煩わしさや、観察範囲が狭いこと、試料を数ｃｍ程度まで小さくする必要があるなどそれぞれの手段において特有の問題がある。

上述した解像度の問題を有する背景に対し、関連した参考文献を以下に開示する。

特許文献１では、連続発振レーザからのコヒーレント光を音響光学変調器１４で強度変調して疑似パルス化し、音響光学変調器への電圧印加開始から、少なくともｔ＝０．６５×Ｄ／ｖ−（Ｌ２−Ｌ１）／ｃの後に、第１の光源手段（１１，１３，１５）から第１のパルス光（ポンプ光パルス）を出射させることで、安価な構成で、Ｓ／Ｎおよび空間分解能の高い実用性に優れ、簡単かつ安価な構成で、常に安定して超解像効果を発現できる超解像顕微鏡が開示されている。

特許文献２では、コリメートされたレーザビームを出射する第１のレーザ１と、該レーザビームを光軸を含む少なくとも一つの断面で見たとき二つの光束に分割する光束分割手段２と、分割された光束の交点近傍、又は該分割された光束の交点近傍を光学系で投影した位置、又は該光束分割手段による光束の分割位置に配置されたスキャナ４を有し、実際的な２次元でのビーム照射及びビームスキャンを成し得る複数のビーム照射によって超解像を得るレーザ走査型顕微鏡が開示されている。
特開２００５−２６６７０５号公報 特開平１０−２９３２５６号公報

しかしながら、レンズを組み合わせて構成される顕微鏡のように、試料の反射率や透過率の空間分布を光を媒体に用いた光学的手段を用いて観察する場合には、その解像度に原理的な限界が存在する。この解像度に原理的な限界が存在することは、レーザ顕微鏡においても同様である。

ここで、観察対象である試料が、照射した光を吸収して発熱し、そのときに生じる熱分布の変化に応じて反射率もしくは透過率が時間変化を示すような場合においては必ずしもこの理論限界は適用できないことが分かった。

本発明は、上記課題を解決するために、上述したような光応答性の試料に対して、解像限界を超えた観察が可能なレーザ顕微鏡を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、発光波長の異なる２つのレーザ光源から放射される第１の波長のレーザ光と、第２の波長のレーザ光とを光応答性試料の同位置に集光するように照射する光照射手段と、前記第１の波長のレーザ光を強度変調する光強度変調手段と、前記集光したレーザ光を走査する走査手段と、前記光応答性試料からの反射光もしくは透過光のうち、前記第２の波長のレーザ光のみを選択的に検出し、検出された信号から前記第１の波長のレーザ光のパルスの周期と同期して変動する成分のみを得る光信号検出手段とを有するレーザ顕微鏡であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ顕微鏡において、前記光照射手段は、偏光ビームスプリッタと、波長板とを含み、前記波長板を回転させて、前記第１の波長のレーザ光と、前記第２の波長のレーザ光との強度比の調整を行うことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のレーザ顕微鏡において、前記第１の波長のレーザ光と、前記第２の波長のレーザ光との向きが光軸を中心に直交となるように前記レーザ光源と、２つのレンズとが配置され、直交位置に前記偏光ビームスプリッタが配置されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のレーザ顕微鏡において、前記走査手段は、試料を載せるステージを走査、または、ミラーを用いてレーザ光の集光位置を走査し、前記光信号検出手段は、ロックインアンプと、前記ステージの制御、前記ロックインアンプの出力を行うコンピュータとで検出を行うことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ顕微鏡において、前記光信号検出手段は、フォトダイオードまたは光電子増倍管を含むことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のレーザ顕微鏡において、前記光照射手段は、開口数０．９５の対物レンズを含むことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のレーザ顕微鏡において、前記光応答性試料は、光応答性の性質を有していない試料の表面にレーザ光を吸収して発熱する光吸収発熱層と、透明誘電体層とを積層させた試料であることを特徴とする。

本発明によれば、光応答性の試料に対して、解像限界を超えた観察が可能なレーザ顕微鏡を提供することを可能とする。

まず、顕微鏡の解像度、解像顕微鏡に用いる試料の原理について説明する。

顕微鏡の解像限界は、光が波の性質を持つために生じる理論限界である。
しかし、観察対象である試料が、照射した光を吸収して発熱し、そのときに生じる熱分布の時間変化に応じて反射率もしくは透過率が時間変化を示す（以下、このような光照射にともなう性質を有する試料を光応答性の試料と呼ぶ）ような場合においては、この理論限界を超えた観察が可能であることが分かった。

つまり、このような反射率もしくは透過率の時間変化は、光を吸収した後の熱拡散を介して生じる時間軸の情報であるため、上記した光の解像限界とは独立である。

従って、解像限界より短い距離であっても反射率もしくは透過率の時間変化の差異を検出することによって、この情報にもとづく画像を得ることが可能となる。

試料で発生する反射率や透過率の時間変化の起源としては、屈折率や消衰係数などの光学定数の温度変化や、熱膨張による形状の変化、或いはこれらの複合効果などが考えられる。

材料や形状が解像限界以下の領域で変化（分布）している場合には、どの場所に光を照射するかによって光の吸収分布や熱拡散の様子が異なるために、反射率や透過率の時間変化の違いが解像限界を超えて検出される。

以上の内容を、図１に示した具体例を用いて説明する。
図１は、光応答性を示さない周期ラインパターンの試料に対しての断面図である。

図１は、周期ラインパターンの形状を有した基板（ガラスやプラスチック製）に光を吸収して熱を発生する光吸収発熱層と透明誘電体材料層とが積層された構成となっている。

光吸収発熱層に用いる材料としては、例えば、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＺｎＴｅ、ＧｅＳｂＴｅ、ＡｇＩｎＳｂＴｅなどの半導体や相変化材料等に分類される材料を用いることができる。

一方、透明誘電体材料層の材料としては、ＺｎＯ、ＺｎＳ−ＳｉＯ₂、ＳｉＯ₂などを用いることができる。

ラインの周期は、試料に照射するレーザ光の波長と集光に用いる対物レンズで決まる解像限界より十分小さいとする。

ここでは、波長を４０５ｎｍのレーザ光をＮＡ（開口数）を０．９５の対物レンズを用いて集光して照射する場合を想定する。

ここで、照射レーザ光の波長は、光吸収発熱層が吸収を持つように選定さているものとする。

この波長の場合、レーリーの解像限界の値は約２６０ｎｍとなるので、ラインの周期はこれより小さな値として２００ｎｍとなっているものとする。

この周期は、前述した共焦点レーザ顕微鏡の解像限界以下でもある。この条件のもと、集光したレーザ光を試料表面に照射すると、光吸収発熱層からの熱拡散に応じてレーザ光を照射し始めてからの反射光強度が時間変化する。

そして、この反射光強度の時間変化は、集光スポットの中心がラインの中心（図１の位置ａ）にあるときと溝の中心（図１の位置ｂ）にあるときで異なったものが得られる。

なぜなら、照射位置によって光の吸収分布が異なることと、集光スポット中心から見た形状が異なるために熱拡散の様子に違いが現れることにより、材料の温度変化と熱膨張を介して、その違いが反射率または透過率の時間変化に現れるからである。

例えば反射光を検出したとして、レーザ光を照射したときの反射光強度の時間変化は、図２に示すように照射位置によって異なった波形として観測される。
図２は、照射強度と、照射時間との関係を示す図である。
（ａ）は、照射光強度の時間変化の一例を示す図である。
（ｂ）は、ａの位置での照射光強度の時間変化の一例を示す図である。
（ｃ）は、ｂの位置での照射光強度の時間変化の一例を示す図である。

従って、この応答波形を区別して検出できれば、ラインの周期が解像限界を以下であったとしても、ラインと溝を区別することが可能となる。

図２では分かりやすくするために反射率の変化を誇張して描いたが、実際に生じる反射率の変化は大きくても数％程度、通常は１％以下である。また、熱拡散を介しているために、反射率の変化は、光を照射したタイミングより遅れて生じる。

従って、このような信号を効率よく検出しなければ目的とする解像限界を超えた像を得ることはできない。

通常の光学顕微鏡はもちろんのこと、走査型レーザ顕微鏡を用いたとしても、このような時間応答の信号を検出して解像限界を超えた像を得ることはできない。

このような事情は、試料を透過するレーザ光を検出する場合でも同様である。

以下、以上に説明した原理に基づいて、解像限界を超えた像を得ることを可能とする具体的な装置、装置に用いる試料について実施例を用いて詳細に説明する。
以下に説明する実施例は、趣旨を逸脱しない範囲内において、また、当業者にとって容易に発想できる範囲内において、構成、動作、作用を変形実施可能とする。

本発明に係るレーザ顕微鏡について実施を行う第１の実施例について説明する。

（構成例１）
本実施例に係るレーザ顕微鏡の第１の構成について図３、図４を用いて説明する。
図３は、本実施例に係るレーザ顕微鏡の構成の第１の例を示す図である。
図４は、本実施例に係るレーザ顕微鏡の第１の構成において、照射強度と、照射時間との関係を示す図である。
（ａ）は、第１の波長のレーザ光の照射光強度の時間変化の一例を示す図である。
（ｂ）は、ａの位置での照射光強度の時間変化の一例を示す図である。
（ｃ）は、ｂの位置での照射光強度の時間変化の一例を示す図である。

まず、２つの異なる波長のレーザ光を試料に集光照射する光照射手段の構成について説明する。

光源としては、発振波長の異なる２つの半導体レーザを用いている。

それぞれの半導体レーザから放射されるレーザ光の波長は、例えば、第１の半導体レーザから放射される第１の波長のレーザ光の波長が４０５ｎｍ、第２の半導体レーザから放射される第２の波長のレーザ光の波長が４１５ｎｍのように設定されているとする。

第１と第２の波長の設定は逆であっても構わない。

これら２つの半導体レーザから放射されるレーザ光は、コリメートレンズ２４を用いて平行光に変換した後、三角プリズム２６を用いて光軸を一致させた１本のレーザ光束へと合成される。

このレーザ光の偏光は、次に入射される偏光ビームスプリッタ１９において最も反射率が高くなる、つまり、最も効率よく対物レンズ２１側へと導くことができるように設定されている。

図３の構成の場合では、第１の波長のレーザ光４１および第２の波長のレーザ光４２ともに、その電界成分の振動方向が図の紙面に垂直な方向となるように半導体レーザの向きが調整されている。

偏光ビームスプリッタ１９で反射されたレーザ光は、１／４波長板２０を透過した後、対物レンズ２１で集光して試料に照射されるようになっている。

１／４波長板２０としては、本実施例のように近接した２つの波長の光源を用いている場合には、最適中心波長が２つの波長の間に設定されていれば問題ない。

本実施例の場合では、１／４波長板２０の最適中心波長が４０５から４１５ｎｍの範囲内であれば顕微鏡の動作として支障はない。

本実施例のように２つの光源の波長が近接していない場合には、試料からの反射率または透過率の変化をなるべく効率よく検出するために、１／４波長板２０の中心波長は、第２のレーザ光の波長４２に近いものを選択するのが望ましい。

対物レンズ２１については、なるべく微細な光学像を得るためにＮＡ（開口数）の値は大きなものを使用することが望ましい。例えば、ＮＡ０．９５の対物レンズが望ましい。

２つのレーザ光の波長が本実施例のように近接していない場合には、２つのレーザ光の集光位置が同じになるようにするために、色収差の補正が施された対物レンズを使用することが望ましい。

次に光信号検出手段について説明する。試料で反射したレーザ光は再び対物レンズ２１と１／４波長板２０を透過する。

このとき、レーザ光の偏光は、対物レンズ側へ向かうレーザ光と直交した偏光に変換されているため、偏光ビームスプリッタ１９では反射されずに光検出器１６側へと透過する。

因みに、２つの波長が近接していない場合で、さらに上記したように１／４波長板２０の中心波長が第２のレーザ光の波長４２に近いものが選択されている場合には、第２の波長のレーザ光４２については上記したようにその殆どは偏光ビームスプリッタを透過するが、第１の波長のレーザ光４１については光源側への反射光を生じる。

偏光ビームスプリッタ１９を透過した２つの波長のレーザ光は、次のフィルタ１８において第２の波長のレーザ光４２だけがこれを透過し、光検出器１６においてその強度が検出されるようになっている。

フィルタ１８としては、本実施例の場合、第１の波長と第２の波長が近接しているので、透過波長帯域を狭くすることが可能な干渉フィルタを使用するのが望ましい。

干渉フィルタとは、光の干渉（多重反射）の効果を利用したものであり、誘電体多層膜と金属膜を組み合わせたものなどがある。

光検出器１６としては、フォトダイオードや光電子増倍管などを用いることができる。

フォトダイオードを用いた構成の方が簡便ではあるが、第２の波長のレーザ光の照射による試料へのダメージが生じる場合には、光電子増倍管を用いる構成が望ましい。

つまり、光電子増倍管を用いることによって、試料へ照射するレーザ光の強度を弱くすることができるので、レーザ光照射によるダメージを低減することができる。

光検出器において得られた光強度信号は、第１の波長のレーザ光と同期した成分を検出するためのロックインアンプ１２に入力される。

図３では、光検出器１６とロックインアンプ１２は直接接続されている構成となっているが、光検出器１６の種類によっては、この間に電流電圧変換器やアンプ等が配置されることもある。

ロックインアンプ１２による同期検波に使うリファレンス信号には、第１の波長のレーザ光を強度変調させるための波形発生器１３の出力信号を用いている。

第１の半導体レーザ３１は、この波形発生器１３で生成される周期パルス信号に従って、半導体レーザ駆動回路１４を介して強度変調されている（光強度変調手段）。

本実施例では、第１の波長のレーザ光４１は所定の周期でパルス変調されているとする。

パルスの条件や強度については、試料ごとに最適値を調整する必要があるが、例えば、相変化材料（例えばＡｇＩｎＳｂＴｅ）を光吸収発熱層に、ＺｎＳ−ＳｉＯ₂を透明誘電体層に用いた図１に例示したような周期ラインパターンの試料では、ピーク強度１〜２ｍＷ、パルス幅５０〜２００ｎｓｅｃ、パルスの周期５〜１００μｓｅｃ程度の値に設定する。第２の波長のレーザ光４２については、一定強度の連続光（ＣＷ）としている。

第２の波長のレーザ光４２の強度についても試料ごとに最適条件に調整する必要がある。

その条件の一つとしては、第１の波長のレーザ光４１で生じさせるべき反射率の過渡応答（図４を用いて後述する）が生じないようにする必要がある。

従って、通常、第１の波長のレーザ光４１より十分弱い強度に調整される。およそのオーダーとしては、０．０１〜０．１ｍＷ程度に設定される。

図１に例示したような光応答性の試料に対して、上記したようなパルス強度変調された第１の波長のレーザ光が照射されると、例えば、図４に例示するような、第１の波長のレーザ光パルスに連動した第２の波長のレーザ光４２の反射強度の過渡応答信号が光検出器において検出される。

第１の波長のレーザ光４１は、周期パルス光であるので、図４に例示した波形が周期的に観測される。

従って、光検出器からの信号を第１の波長のレーザ光４１のパルスの周期で同期検波すると、この周期に同期した第２の波長のレーザ光４２の反射強度の変化分、つまり、図４に示した周期的な反射強度の変化量に対応した信号強度がロックインアンプ１２から出力される。

このように、本実施例の構成では、反射強度を検出するのではなく、反射強度の変化量だけを検出するようになっている。

以上のようにして得られる信号の空間分布を得るためには、試料を載せるステージを走査させるか、もしくはガルバノミラーなどを用いてレーザ光の集光位置を走査するなどの走査手段を用いればよい。

図３では、ＸＹステージ２３上に配置された試料を２次元的に走査して空間分布を得るようにしている。走査している間、パルス強度変調された第１の波長のレーザ光４１と、一定強度の第２の波長のレーザ光４２は、試料表面の同じ位置に集光して照射されるようになっている。

ＸＹステージ２３を走査させながら、各位置におけるロックインアンプ１２の出力をマッピングすると、上記した反射強度の変化量の空間分布が得られ、これが本実施例の装置で得られる顕微鏡画像となる。

ロックインアンプ１２の出力信号を画像情報にするためには、ステージの座標等のデータとロックインアンプ１２の出力を組み合わせる必要がある。

図３の構成では、コンピュータ１０を用いることによって、ＸＹステージ２３の制御とロックインアンプ１２からの信号の取り込みを同期させて行うことでこれを実現するようにしている。

本実施例に係るレーザ顕微鏡によれば、光応答性の試料に対して、従来の顕微鏡では困難では観察が困難であった光学的な解像限界を超えた観察が可能となる。
特に、複雑な信号処理などを必要とせず、リアルタイムで観察対象の画像データを得ることができるようなレーザ顕微鏡を実現する。
光応答性の試料に対して、光学的な解像限界を超えた観察を可能とするレーザ顕微鏡を提供する。特に、複雑な信号処理などを必要とせず、リアルタイムで観察対象の画像データを得ることができるようなレーザ顕微鏡を実現する。

（構成例２）
本実施例に係るレーザ顕微鏡の第２の構成について図５を用いて説明する。
図５は、本実施例に係るレーザ顕微鏡の構成の第２の例を示す図である。

本実施例では、図３において、三角プリズム２６を用いて２つのビームを重ねていた光学系の構成を、図５のように第１の偏光ビームスプリッタ５１を用いて合成させた。

第１の半導体レーザ３１から放射されるレーザ光の偏光は第１の偏光ビームスプリッタ５１で反射する偏光方向に、第２の半導体レーザ３２から放射されるレーザ光の偏光は、第１の偏光ビームスプリッタ５１を透過する偏光方向に一致するように調整されている。

このように調整されている場合、第１の偏光ビームスプリッタ５１で合成された２つの波長のレーザ光は互いに直交する直線偏光となる。

本実施例では、合成された２つの波長のレーザビームが第２の偏光ビームスプリッタ５２に入射される前に、１／２波長板３０を用いて偏光を回転させることによって、偏光ビームスプリッタ２で反射される第１の波長のレーザ光４１と第２の波長のレーザ光４２の強度の比を調整できるような構成となっている。

このような調整機構は、連続光である第２の波長のレーザ光照射によって試料がダメージを受け易い場合に有効である。

つまり、第２の半導体レーザの発振閾値以下にしないと試料がダメージを受けるような場合、１／２波長板３０を回転させて、第２の波長のレーザ光が第２の偏光ビームスプリッタ５２において対物レンズ２１側へ反射する割合を低下させることによって、発振閾値以上、つまり対物レンズ２１で回折限界まで集光可能なレーザ光の状態で第２の半導体レーザ３２を駆動することができるようになる。

このとき、第１の波長のレーザ光４１が対物レンズ２１側に反射される割合が増加するので、もとの強度まで低下させるなどの調整が合わせて必要となる。その他の構成および動作については実施例１と同様である。

（構成例３）
本実施例に係るレーザ顕微鏡の第３の構成について図６を用いて説明する。
図６は、本実施例に係るレーザ顕微鏡の構成の第３の例を示す図である。
本実施例は、試料を透過する光を検出して顕微鏡画像を得るための構成を示したものである。

２つの半導体レーザから放射されるレーザ光は、図５に示した構成例と同様な手段で、光軸を一致させた一つのビームに合成される。

偏光ビームスプリッタ１９から出射されるレーザ光の向きが図５の場合と異なるので、従って、第１の半導体レーザ３１および第２の半導体レーザ３２から放射される偏光の向きも、図５の場合と異なり、光軸を中心に直交する方向となるように設定されている。

２つのレーザ光の波長の設定については実施例１および２と同じものが使用できる。偏光ビームスプリッタ１９から出た光は対物レンズ２１で集光して試料に照射される。

構成例１と同様に、対物レンズ２１のＮＡの大きい方が解像度は高くなる。試料を走査するためのＸＹステージ２３は、試料の下側に穴の開いた構成となっていて、試料からの透過光を検出できるようになっている。

光検出器１６で検出するレーザ光は、実施例１と同様に第２の波長のレーザ光４２であり、この波長のレーザ光だけを選択するためのフィルタについても実施例１と同様のものが使用できる。これ以外の構成および半導体レーザやＸＹステージ２３を駆動させて画像データを取得する動作についても構成例１と同様である。

次に本発明に係るレーザ顕微鏡を用いて実施を行う第２の実施例について説明する。

（構成例４）
本実施例に係るレーザ顕微鏡の第４の構成について図７、図８を用いて説明する。
図７は、本実施例に係るレーザ顕微鏡の構成の第４の例を示す図である。
図８は、本実施例に係るレーザ顕微鏡の構成の第４の例において、照射強度と、照射時間との関係を示す図である。
（ａ）は、照射光強度の時間変化の一例を示す図である。
（ｂ）は、ａの位置での反射光強度の時間変化の一例を示す図である。
（ｃ）は、ｂの位置での反射光強度の時間変化の一例を示す図である。

まず、光照射手段について説明する。

半導体レーザ駆動回路１４から放射されたレーザ光はコリメートレンズ２４によって平行光に変換されて偏光ビームスプリッタ１９へ入射される。

半導体レーザの発光波長は、観察対象である光応答性の試料が吸収を示す波長から選定される。

例えば、図１の形状で光吸収発熱層にＧｅが用いられた構成では、波長４０５ｎｍのレーザ光を用いることができる。

偏光方向については、図７の場合では偏光ビームスプリッタ１９で反射される状態、つまり図７の紙面に垂直な方向に電界が振動している状態に設定される。

偏光ビームスプリッタ１９で反射されたレーザ光は、１／４波長板３０で円偏光に変換された後、対物レンズ２１で集光して試料表面に照射される。

対物レンズ２１については、先の実施例同様、ＮＡ＝０．９５のような大きなＮＡの値を有したレンズを使用することが望ましい。

試料に照射するレーザ光は、実施例１における第１の波長のレーザ光と同様に、波形発生器１３と半導体レーザ駆動回路１４で構成される光強度変調手段を用いて、所定のパルス幅と周期でパルス変調される。

次に光信号検出手段について説明する。試料で反射された光は、再び対物レンズ２１と１／４波長板３０をと通り偏光ビームスプリッタ１９へ入射される。このとき１／４波長板３０において、円偏光から電界の振動方向が、光軸に垂直で図７の紙面に平行な方向に変換されるので、偏光ビームスプリッタ１９において反射されることなくこれを透過して、その光強度が光検出器１６で検出されるようになっている。

光検出器１６については、実施例１と同様に、フォトダイオードや光電子増倍管などを用いることができる。

光検出器１６からの電気信号はオシロスコープ１５へ入力され、ここで、パルス変調されたレーザ光が光応答性の試料による反射率の変化によって時間変化する波形を検出するようになっている。

例えば、図１に例示した試料に対して矩形のパルス光を照射したときの反射光強度の変化が図８に示すような波形（図８の中段と下段に示した図）であったとすると、オシロスコープにはこのような過渡応答波形が記録されるようになっている。

波形取得のタイミング（トリガ）は、半導体レーザを変調するための波形発生器１３から得るようにしている。

オシロスコープ１５で取得される波形データは、逐次コンピュータ１０に転送されるようになっている。

そして、コンピュータ１０におけるソフト的な信号処理（データ処理）を用いて、図８に示すように、パルス照射の開始時刻ｔ₀からΔｔ₁だけ遅れた時刻ｔ₁における信号強度を抽出するようにしている。

この信号処理によって、図１の位置ａと位置ｂにおける信号強度の差を得ることができる。
Δｔ₁を変える、つまり、強度信号を抽出する時刻ｔ₁を変えると、図１の試料におけるラインと溝の信号の差は変化する。

従って、全てのデータを取得した後で、この値を変えながら最もコントラストが得られる画像に調整することも可能である。

試料に対してレーザ光を照射位置を走査する手段としては、実施例１と同様に、試料を走査する方法とビームを走査する方法の両方を用いることができる。

図７では、ＸＹステージ２３を用いて試料を走査する方法を示している。コンピュータを用いて、このＸＹステージ２３の位置制御とレーザ光の照射、およびオシロスコープ１５からの波形データの取得を同期させて行い、その後、上記した信号処理（ソフト的なデータ処理）を行うことによって、試料に対する画像データが取得される。

（構成例５）
図９は、本実施例に係るレーザ顕微鏡の構成の第５の例において、照射強度と、照射時間との関係を示す図である。
（ａ）は、照射光強度の時間変化の一例を示す図である。
（ｂ）は、ａの位置での照射光強度の時間変化の一例を示す図である。
（ｃ）は、ｂの位置での照射光強度の時間変化の一例を示す図である。
本実施例は、コンピュータ１０の内部において行われるソフト的な信号処理（データ処理）の手段として、実施例１と異なる手段を用いたものである。

その他の構成については、実施例４と同様である。従って、信号処理の部分についてのみ説明する。反射強度の過渡応答信号の例を図９に示す。

これは、構成例４の図８に示した波形と同じである。構成例４の場合には、時刻ｔ₁における信号強度を抽出する信号処理を行うが、本実施例の場合には、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂までの間の信号強度を積分した値をその位置での信号強度とするようにしている。この処理以外、つまりこのデータを用いて画像を形成する動作等については実施例４と同様である。

本実施例に係るレーザ顕微鏡によれば、光応答性の試料に対して、従来の顕微鏡では困難では観察が困難であった光学的な解像限界を超えた観察が可能となる。

特に、反射率または透過率の過渡応答信号の場所による違いが、照射するレーザ光のパルスの間隔を比較して非常に短い時間の間だけ生じるような場合には、実施例１に係るレーザ顕微鏡の構成では観察が困難であっても、本実施例に係るレーザ顕微鏡の構成によれば、良好な画像データを得ることができる。

光応答性の試料に対して、光学的な解像限界を超えた観察を可能とするレーザ顕微鏡を提供する。特に、得られる信号が微弱であって、実施例１に係るレーザ顕微鏡の構成では観察が困難であるような試料において良好な画像データを得ることができるようなレーザ顕微鏡を実現する。

以上、光応答性の試料を用いて解像限界を超えた観察を可能にする顕微鏡の構成・動作について説明した。
以下に、上述した顕微鏡で観察するための光応答性の試料について説明する。

次に実施例１、２に係るレーザ顕微鏡において、用いる試料について説明する。
本実施例に係るレーザ顕微鏡に用いる試料の第１の例について図１０を用いて説明する。
図１０は、本実施例に係るレーザ顕微鏡に用いる試料の第１の構成を示す図である。
（ａ）および（ｂ）は、光応答性の試料の断面図である。

本実施例では、図１に示した光応答性を示さない周期ラインパターンの構成が、図１０（ａ）のように石英の平坦基板７上に金属８（例えば銀やアルミなど）の周期ラインパターンが設けられた構成となっている場合の例である。

ラインのサイズについては図１と同じ構成を用いることができる。このような試料は、光を殆ど吸収しないことと、プラスチック基板などと比較して熱伝導が大きいことから、上記した顕微鏡で検出できるような光応答性の性質は現れない。

光応答性を示さないこの試料に光吸収発熱層２と透明誘電体層１を積層させて光応答性の試料としたものが図１０（ｂ）である。

光吸収発熱層２の材料および透明誘電体層１の材料としては、図１で説明した場合と同じものを用いることができる。

各層の厚みとしては、例えば、顕微鏡に使用するレーザ光の波長を４０５ｎｍ付近、光吸収発熱層２をゲルマニウム、透明誘電体層１を酸化亜鉛とした場合、光吸収層の厚みを１５ｎｍ、透明誘電体層１の厚みを４０ｎｍ程度にすることで、上記したレーザ顕微鏡を用いて解像限界を超えた観察が可能となる。

次に実施例１、２に係るレーザ顕微鏡において、用いる試料について説明する。
本実施例に係るレーザ顕微鏡に用いる試料の第２の例について図１１を用いて説明する。
図１１は、本実施例に係るレーザ顕微鏡に用いる試料の第２の構成を示す図である。
図１１（ａ）は、金属材料による周期ラインのパターンが石英の基板に埋め込まれている構成である。
図１１（ｂ）は、光応答性を示さない試料に光吸収発熱層２と透明誘電体層１を積層させて光応答性の試料を構成した例である。
図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）の構成に透明誘電体層１をもう１層加えた構成である。

本実施例は、実施例３において図１０（ａ）に相当する、光応答性を示さない試料の構成が図１１（ａ）に示したように、金属材料８による周期ラインのパターンが石英基板７に埋め込まれている構成としている。
金属材料８およびラインの形状などについては、実施例３と同じとする。
このような光応答性を示さない試料に光吸収発熱層２と透明誘電体層１を積層させて光応答性の試料を構成した例が図１１（ｂ）である。光吸収発熱層２および透明誘電体層１の材料や厚みについては実施例３と同じものを用いることができる。

実施例３と異なり、光吸収発熱層２や透明誘電体層１は、平坦で形状を持たないが、金属８のラインパターンが存在することによって、レーザ光を照射した場合の光強度分布や熱拡散の様子がライン上とライン間で異なるために、上記したような顕微鏡の構成を用いることで解像限界を超えた像を観察することができる。

また、図１１（ｃ）では、図１１（ｂ）の構成に透明誘電体層１をもう１層加えた構成とした。光吸収発熱層２の上側と下側に配置した透明誘電体の材料は、同一であっても異なっていてもよい。

例えば、上側が硫化亜鉛と二酸化珪素の混合材料（ＺｎＳ−ＳｉＯ₂）で下側が酸化亜鉛（ＺｎＯ）であってもよい。

各層の厚みは、例えば、光吸収発熱層２に相変化材料であるＡｇＩｎＳｂＴｅを用いたとして、ＺｎＳ−ＳｉＯ₂を４５ｎｍ、ＡｇＩｎＳｂＴｅを２０ｎｍ、ＺｎＯを１０ｎｍといった構成を用いることができる。このような３層の構成は、光応答性を示さない試料（本実施例では図１１（ａ））の熱拡散が非常に早くてレーザ光を照射しても反射率や透過率に変化が現れないような場合、あるいは非常に小さい場合に有効である。

つまり、光応答性の試料よりも熱伝導の低い透明誘電体層を、光応答性を示さないもとの試料と光吸収発熱層との間に挟むことによって、光吸収発熱層で発生した熱が光応答性を示さない試料に伝わって熱の拡散を低減させるために、レーザ光照射によって効率よく局所的に加熱することが可能となる。

従って、例えば、図１１（ｂ）の構成で観察できなかった像であっても、図１１（ｃ）の構成とすることで観察できるようになる。

光応答性を示さない試料であっても、この試料の表面に光吸収発熱層と誘電体層とを積層して試料を再構成することよって、前述したレーザ顕微鏡による解像限界を超える観察が可能となる。

光応答性を示さない周期ラインパターンの試料に対しての断面図である。 図１の構成において、レーザ光の照射強度と、照射時間との関係を示す図である。（ａ）は、照射光強度の時間変化の一例を示す図であり、（ｂ）は、ａの位置での照射光強度の時間変化の一例を示す図であり、（ｂ）は、ｂの位置での照射光強度の時間変化の一例を示す図である。 本発明に係るレーザ顕微鏡の構成の第１の例を示す図である。 本発明に係るレーザ顕微鏡の第１の構成において、照射強度と、照射時間との関係を示す図である。（ａ）は、第１の波長のレーザ光の照射光強度の時間変化の一例を示す図であり、（ｂ）は、ａの位置での照射光強度の時間変化の一例を示す図であり、（ｃ）は、ｂの位置での照射光強度の時間変化の一例を示す図である。 本発明に係るレーザ顕微鏡の構成の第２の例を示す図である。 本発明に係るレーザ顕微鏡の構成の第３の例を示す図である。 本発明に係るレーザ顕微鏡の構成の第４の例を示す図である。 本発明に係るレーザ顕微鏡の第４の構成において、照射強度と、照射時間との関係を示す図である。（ａ）は、照射光強度の時間変化の一例を示す図であり、（ｂ）は、ａの位置での反射光強度の時間変化の一例を示す図であり、（ｃ）は、ｂの位置での反射光強度の時間変化の一例を示す図である。 本発明に係るレーザ顕微鏡の第５の構成において、照射強度と、照射時間との関係を示す図である。（ａ）は、照射光強度の時間変化の一例を示す図であり、（ｂ）は、ａの位置での照射光強度の時間変化の一例を示す図であり、（ｃ）は、ｂの位置での照射光強度の時間変化の一例を示す図である。 本発明に係るレーザ顕微鏡に用いる試料の第１の構成を示す図である。（ａ）および（ｂ）は、光応答性の試料の断面図を示す。 本発明に係るレーザ顕微鏡に用いる試料の第２の構成を示す図である。（ａ）は、金属材料による周期ラインのパターンが石英の基板に埋め込まれている構成である。（ｂ）は、光応答性を示さない試料に光吸収発熱層２と透明誘電体層１を積層させて光応答性の試料を構成した例である。（ｃ）は、（ｂ）の構成に透明誘電体層１をもう１層加えた構成である。

符号の説明

１ 透明誘電体層
２ 光吸収発熱層
３ 基板
４ 対物レンズ
１０ コンピュータ
１１ ステージコントローラ
１２ ロックインアンプ
１３ 波形発生器
１４ 半導体レーザ駆動回路
１５ オシロスコープ
１６ 光検出器
１７ 集光レンズ
１８ フィルタ
１９ 偏光ビームスプリッタ
２０ １／４波長板
２１ 対物レンズ
２２ サンプル
２３ ＸＹステージ
２４ コリメートレンズ
２６ 三角プリズム
３０ １／２波長板
３１ 第１の半導体レーザ
３２ 第２の半導体レーザ
４１ 第１の波長のレーザ
４２ 第２の波長のレーザ
５１ 偏光ビームスプリッタ１
５２ 偏光ビームスプリッタ２

Claims (7)

1. 発光波長の異なる２つのレーザ光源から放射される第１の波長のレーザ光と、第２の波長のレーザ光とを光応答性試料の同位置に集光するように照射する光照射手段と、
   前記第１の波長のレーザ光を強度変調する光強度変調手段と、
   前記集光したレーザ光を走査する走査手段と、
   前記光応答性試料からの反射光もしくは透過光のうち、前記第２の波長のレーザ光のみを選択的に検出し、検出された信号から前記第１の波長のレーザ光のパルスの周期と同期して変動する成分のみを得る光信号検出手段とを有することを特徴とするレーザ顕微鏡。
2. 前記光照射手段は、偏光ビームスプリッタと、波長板とを含み、
   前記波長板を回転させ、前記第１の波長のレーザ光と、前記第２の波長のレーザ光との強度比の調整を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
3. 前記第１の波長のレーザ光と、前記第２の波長のレーザ光との向きが光軸を中心に直交となるように前記レーザ光源と、２つのレンズとが配置され、
   直交位置に前記偏光ビームスプリッタが配置されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ顕微鏡。
4. 前記走査手段は、試料を載せるステージを走査、または、ミラーを用いてレーザ光の集光位置を走査し、
   前記光信号検出手段は、
   ロックインアンプと、前記ステージの制御、前記ロックインアンプの出力を行うコンピュータとで検出を行うことを特徴とする請求項３に記載のレーザ顕微鏡。
5. 前記光信号検出手段は、フォトダイオードまたは光電子増倍管を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ顕微鏡。
6. 前記光照射手段は、開口数０．９５の対物レンズを含むことを特徴とする請求項５に記載のレーザ顕微鏡。
7. 前記光応答性試料は、
   光応答性の性質を有していない試料の表面にレーザ光を吸収して発熱する光吸収発熱層と、透明誘電体層とを積層させた試料であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ顕微鏡。

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