JPH0321913A

JPH0321913A - 走査型顕微鏡装置

Info

Publication number: JPH0321913A
Application number: JP15786589A
Authority: JP
Inventors: Satoru Osawa; 哲大沢
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1989-06-19
Filing date: 1989-06-19
Publication date: 1991-01-30
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: JP2724502B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、走査型顕微鏡装置に関する。

（従来の技術）従来から、解像力の高い顕微鏡装置として、微小なスポ
ット状に収束した光束を２次元的に偏向して試料を高速
に走査し、試料からの反射光または透過光を電気信号に
変換して試料の画像をｉ！ｉる走査型顕微鏡装置が実用
化されている。

第２０図は、このような従来の走査型顕微鏡装置の一例
の構戊を示すもので、光源例えばレーザ光源１からの光
ビーム２は、リレーレンズ３、／＼一フミラー４を経て
、振動ミラーＸ５および振動ミラーＹ６により　２次元
方向に偏向され、対物レンズ７によって集光されて試料
８に照射される。

また、試利８からの反射光９は、対物レンズ７、振動ミ
ラーＹ６、振動ミラーＸ５、ハーフミラー４と、照射ビ
ームと同じ経路を逆にたどり、アバーチャ−１０を通っ
て検出器例えばフォトマルチブライヤ−１１に入射する
。そして、このフォトマルチプライヤ−１１によって光
電変換された電気信号を処理して試料の画像を得るよう
構成されている。

上記構成の従来の走査型顕微鏡装置では、図中点線で示
すように、レンズの収差等により発生した迷光（不所望
部位からの反射光等）は、アバーチャ−１０により阻止
されフォトマルチブライヤ−１１に入射しないよう構成
されている。すなわち、試料８の所望部位（光ビーム２
照射部位）からの反射光のみがフォトマルチプライヤ−
１１により検出されるいわゆるビンホール効果が実現さ
れており、迷光の影響を受けない解像力の高い画像を得
ることができる。

しかしながら、このような従来の走査型顕微鏡装置では
、光ビームの走査および検出に時間を要し、例えば２５
ＧＸ　　２５０画素のモニタに画面を表示するためには
、１画面６５秒程度要するという問題がある。また、画
素間の位置精度は、２次元の偏向装置の精度によるが、
偏向装置の偏向角度の精度を高く維持することが困難な
ため、モニタに表示される画像に歪みが生じるという問
題もあった。

そこで、例えば特開昭８１−８０２１５号公報では、高
速な光ビームの走査および検出を可能とするため、光ビ
ームの走査に偏向素子として例えば音響光学偏向素子を
用い、光電変換手段として１次元イメージセンサを用い
た装置が提案されている。すなわち、この装置では、１
次元イメージセンサ上の信号を一括して検出できるため
、前述した装置に較べて大幅な高速性の向上を実現する
ことができる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上述した従来の１次元イメージセンサを
用いた装置では、モニタ上に表示される２次元の画像の
うち１次元方向のビンホール効果しか実現されない。す
なわち、１次元イメージセンサ上で隣接する光電変換素
子間には、迷先の影響による解像力の低下が生じるとい
う問題がある。

また、１次元イメージセンサ上の充電変換素子の位置が
一定であるため、モニタ上に表示される２次元の画像の
うち１次元方向の画像歪みは、これらの光電変換素子の
位置により補正されるが、これと直交する方向について
は、偏向手段の偏向角度の精度によっており、依然とし
て画像歪みを有するという問題もある。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので
、迷光の影響による解像力の低下および画像歪みが少な
く、かつ高速な表示を行うことのできる走査型顕微鏡装
置を提供しようとするものである。

［発明の横或〕（課題を解決するための手段）すなわち本発明は、試料に光ビームを走査照射し、受光
手段により前記試料からの反射光あるいは透過光を電気
信号に変換し、この電気信号を処理して前記試料の画像
を得る走査型顕微鏡装置において、前記光ビームを予め
設定した試料の領域に選択的に走査照射するとともに、
この光ビームの照射位置に対応する前記受光素子からの
信号のみを抽出することにより間欠的な画像情報を得、
これらの走査を複数回行うことによって得た複数の間欠
的な画像情報を合或することによって前記試料の画像を
得るように構成したことを特徴とする。

（作　用）本発明の走査型顕微鏡装置では、先ビームを予め設定し
た試料の領域に選択的に走査照射する。

そして、受光手段、例えば１次元イメージセンサあるい
は２次元イメージセンサの多数の光電変換素子のうち、
この光ビームの照射位置に対応する受光素子からの信号
のみを抽出することにより間欠的な画像情報を得、これ
らの走査を複数回行うことによって得た複数の間欠的な
画像情報を合成することによって試料の画像を得る。

したがって、例えば隣接する受光素子に影響を与えるよ
うな迷光が発生していたとしても、この迷光の影響を受
けることなく、解像力が高く、画像歪みの少ない画像表
示を高速で行うことができる。

（実施例）以下本発明の走査型顕微鏡装置を図面を参照して実施例
について説明する。

まず、１次元イメージセンサを用いた実施例について説
明する。

第１図に示すように、この実施例の走査型顕微鏡装置で
は、光源例えばレーザ光源２１からの光ビーム２２は、
コリメートレンズ２３経て例えばＸ方向に光ビーム２２
を高速走査する手段としてのＡＯＤ２４に入射し、この
ＡＯＤ２４からリレーレンズ２５、ハーフミラー２６を
経て例えばＸ方向に光ビーム２２を走査する手段として
の振動ミラー２７に至り、この振動ミラー２７から対物
レンズ２８を通り試料２９に走査、照射される。

そして、試料２つからの反射光３０は、対物レンズ２８
、振動ミラー２７、ハーフミラー２６を経て、多数の光
電変換素子を一列に配列してなる１次元イメージセンサ
３１に入射するよう構成されている。

この１次元イメージセンサ３１によって光Ｍ’Ｒ換され
た画像信号は、画像信号処理部３２に人力され、次のよ
うにして試料２つの画像が得られる。

すなわち、第２図（Ａ）に斜線領域として示すように、
試料２つに対する光ビーム２２の走査は、１次元イメー
ジセンサ３１の光電変換素子列に対応する方向（Ｘ方向
）に対しては高速な走査が可能なＡＯＤ２４によって行
い、この方向と直交する方向（Ｙ方向）に対しては振動
ミラー２７によって行う。

そして、まず、第２図（Ｂ）に示すように、ＡＯＤ２４
による光ビーム２２の走査照射を例えば充電変換素子列
の　１つおきに対応するよう所定間隔を設けてステップ
ワイズに行い、この光ビーム２２の走査領域に対して得
られる１次元イメージセンサ３１の画像信号のうち、例
えば光ビーム２２の照射部位に対応する光電変換素子列
の１つおきの信号（図中斜線で示す）のみを選択して取
り込み、間欠的な画像情報３１ａを得る。すなわち、こ
の時図中斜線を付していない領域に対応する１次元イメ
ージセンサ３１の光電変換素子からは迷先に相当する信
号が発生するが、これらの信号は用いずに、光ビーム２
２の照射部位に対応する信号のみを選択する。

次に、第２図（Ｃ）に示すように、同じＹ方向位置にお
いて、上記操作において信号を取り込まなかった領域（
第２図（Ｂ）において斜線を付していない領域）に対応
する部位に対するＡＯＤ２４による光ビーム２２の走査
照射および信号の取り込みを行い、これらの領域に対応
する間欠的な画像情報３１ｂを得る。

この後、第２図（Ｄ）に示すように、上記Ｘ方向に対す
るＡＯＤ２４による２回の光ビーム２２の走査照射によ
って得た１次元イメージセンサ３１の光電変換素子列の
１つおきの信号、すなわち間欠的な画像情報３１ａ，３
ｌｂを合威し、所定Ｙ方向位置におけるＸ方向の１次元
画像情報３１Ｃを得る。

そして、振動ミラー２７により所定間隔でＹ方向位置を
移動させながら上記操作を繰り返すことにより、試料２
９の２次元画像情報を得る。

したがって、この実施例の走査型顕Ｗ１ｖｔ装置では、
１次元イメージセンサ３１の隣接する光電変換素子間に
おける迷光によるクロストークの発生を防止することが
でき、鯉像力が高く、画像歪みの少ない画像表示を行う
ことができる（ただし振動ミラー２７による掃引方向に
は振動ミラー２７の走査精度に起因する画像歪みは残る
）。また、１次元画像情報３１ｃを得るために同じＹ方
向位置におけるＡＯＤ２４による　２回の光ビーム２２
の走査照射を行わなければならないが、ＡＯＤ２４は、
高速な走査を行うことができるので、充分高速な表示を
行うことができる。さらに、ＡＯＤ２４を１つ用いるだ
けであるので、従来の走査型顕微鏡装置に較べて製造コ
ストの上昇を最小限に押えることができる。

なお、上記実施例では、１次元イメージセンサ３１の光
電変換素子をｉつおきに対応する如く光ビーム２２の走
査照射および信号の取り込みを行う場合について説明し
たが、例えば第３図（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、１次
元イメージセンサ３１の光電変換素子２つおきに対応す
る如く先ビーム２２の走査照射行い、対応する２つおき
の画像情報３１ｅ，３１　ｆ，３１ｇを合威して１次元
画像情報３１ｈを得るように構成することも、あるいは
３つおき以上とすることもできる。この場合、２つおき
あるいは３つおき等と間隔を設けるはど迷光の影響を受
ける可能性は減少するが、光学系の条件等により必要以
上に間隔を設けても実質的に解像力を向上させることは
できず、逆に画像表示に時間を要するようになる。この
ため、上述したく光ビーム２２の走査照射および信号の
取り込みを行う間隔は、光学系の条件等により適宜選択
する必要がある。

ところで、上記実施例の走査型顕微鏡装置では、第４図
のグラフに実線で示すように、ＡＯＤ２４の偏向角をス
テップ状に変化させ、これに対応して光ビーム２２の走
査照射を選択的にステソブ状に行わせるように意図した
ものであるが、実際高速に走査した場合には、図中点線
で示すようにＡＯＤ２４の偏向角がステップ状には変化
せず、このため実質的には連続的に掃引した場合と同様
になり、光ビーム２２の選択的な照射を行えなくなる可
能性がある。

そこで、第５図に示すようにＡＯＤ２４に較べてさらに
高速なＯＮ／ＯＦＦ動作を行うことのできる素子例えば
光ビームを強度変調するＡＯＭを組み合せて、例えば第
６図のグラフに示すような離散的かつステップ状の偏向
角の制御を行うことができる。すなわち、この場合、例
えば第７図に示すように、ＡＯＤ２４の前にＡＯＭ３３
を介挿し、ＡＯＤ２４の偏向角の変化に同期させる如＜
ＡＯＭ３３をＯＮ／ＯＦＦさせる。このように構或すれ
ば光ビーム２２の選択的な照射を確実に行うことができ
る。また、ＡＯＤ２４は、その偏向角により光ビーム透
過効率が変わるという特性を有する。したがって、この
ＡＯＤ２４の偏向角毎に、その偏向角におけるビーム透
過効率に応じてＡＯＭ３３の強度変調を制御することに
より試料２９の全走査領域において均一な光強度で光ビ
ーム２２の照射を行うよう構成することもできる。

なお、これらの実施例の走査型顕ＷＩ鏡装置では、試料
２９からの反射光により画像を得るように構成したが、
例えば第８図に示す走査型顕微鏡装置あるいは第９図に
示す走査型顕微鏡装置のように透過光を検出するよう構
成することもできる。

すなわち、第８図に示す走査型顕微鏡装置では、レーザ
光源２１からの光ビーム２２を１次元イメージセンサ３
１の充電変換素子配列方向と直角な方向（前述したＹ方
向）へ走査する振動ミラー２７および対物レンズ２８に
対応して、試料２９の裏面側に振動ミラー２７ａおよび
対物レンズ２８ａが設けられている。そして、振動ミラ
ー２７に同期させて振動ミラー２７ａを駆動することに
より、１次元イメージセンサ３１に試料２９を透過した
光ビーム２２が入射するよう構成し、この透過光により
前述した実施例と同様にして画像を得る。

一方、第９図に示す走査型顕微鏡装置では、レーザ光源
２１からの光ビーム２２を前述したＹ方向へ走査する手
段として両面を鏡面とされた振動ミラー２７ｂを用い、
試料２つを透過し、対物レンズ２８ａを通過した光ビー
ム２２を固定ミラー４０ａ，４０ｂ，４０ｃで振動ミラ
ー２７ｂの裏面側へ導き、振動ミラー２７ｂの裏面側で
反射させて１次元イメージセンサ３１に入射させるよう
構成されている。

さらに、例えば第１０図に示す走査型顕微鏡装置のよう
に、複数例えば２つのレーザ光源２１ａ、２ｌｂ，ＡＯ
Ｍ２３ａ，２３ｂＳＡＯＤ２４ａ，２４ｂ１およびハー
フミラー２６ａ，２６ｂを用いて画像をカラー化するこ
ともできる。この場合ＡＯＭ２３ａ，２３ｂで１／−ザ
光源２１ａ，２１ｂのどちらか一方を選択し、光ビーム
２　２　ａ　％　２２ｂのうちどららか一方を時分割で
照射する。なお、この場合、第１１図に示すように複数
の光ビーム２２ａ１２２ｂに対して１つのＡＯＤ２４を
共用して用いることも可能であるが、ＡＯＤ２４の光ビ
ーム偏向角は、光ビームの波長によって変わるので、こ
の偏向角のずれの補正を行う必要がある。

次に２次元イメージセンサを用いた実施例について説明
する。

第１２図に示すように、この実施例の走査型顕微鏡装置
では、光源例えばレーザ光源１２１からの先ビーム１２
２は、コリメートレンズ１２３を経て例えばＸ方向に光
ビーム１２２を高速走査する手段としてのＡＯＤ１　２
４　ａに入射し、この八〇Ｄ　１　２４　ａからリレー
レンズ１２５ａを経て例えばＹ方向に光ビーム１２２を
高速走査する手段としてのＡＯＤ１２−４ｂに入射する
。そして、光ビーム１２２は、このＡＯＤ　１　２４　
ｂからリレーレンズ１２５ｂ，ハーフミラー１２６、対
物レンズ１２８を通り試料１２９に走査、照射されるよ
う構成されている。一方、試料１２９からの反射光１３
０は、対物レンズ１２８、ハーフミラー１２６を経て、
多数の光電変換素子を２次元に配列してなる２次元イメ
ージセンサ１３１に入射するよう構戊されている。

そして、上記２次元イメージセンサ１３１によって光電
変換された画像信号は、画像信号処理部１３２に入力さ
れ、次のようにして試料１２９の画像が得られる。

すなわち、ＡＯＤ１２４ａ，１２４ｂのＸおよびＹ方向
への偏向角の制御はレーザ走査制御部１４０によって行
われるが、試料１２９に対する光ビーム１２２の走査照
射は、例えば第１３図乃至第１５図に斜線領域として示
すように、ＸおよびＹ方向へ所定間隔を設けて選択的、
離散的に行われる。そして、前述の１次元イメージセン
サ３１を用いた場合と同様に、画像信号処理部１３２は
、人力された２次元イメージセンサ１３１からの画像信
号のうち光ビーム１２２の照射部位に対応する光電変換
素子からの信号のみを選択して取り込み、，第１３図乃
至第１５図に斜線領域として示すような間欠的な画像情
報１２９ａ乃至１２９Ｃを得る。そして、同様な光ビー
ム１２２の選択的な走査照射および照射部位に対応する
信号の選択的な取り込みを斜線領域以外の部位について
行い、これらを合成して試料１２９の画像を得、表示装
置例えばＣＲＴ１５０に表示する。

したがって、この実施例の走査型顕微鏡装置では、２次
元イメージセンサ１３１の隣接する光電変換素子間にお
ける迷光によるクロストークの発生を防止することがで
き、解像力が高く、画像歪みの少ない画像表示を行うこ
とができる。また、１画面の画像情報を得るために複数
回の光ビーム１２２の走査照射を行わなければならない
が、ＡＯＤ１２４ａ，１２４ｂは、高速な走査を行うこ
とができるので、充分高速な表示を行うことができる。

このように２次元イメージセンサ１３１を用いた走査型
顕微鏡装置においても、前述の実施例と同様により確実
な先ビーム１２２の選択的な照射を行うため、第１６図
に示すように、ＡＯＤ　１　２４ａの前にＡＯＭ１３３
およびリレーレンズ１２５ｃを配置し、ＡＯＭ１３３を
ＯＮ／ＯＦＦするよう構成することもできる。

なお、前述したようにＡＯＤ　１　２４　ａ，　１　２
４ｂは偏向角によって透過効率が変化する特性を有する
。そこで、第１６図に示す走査型顕微鏡装置では、ハー
フミラー１２６ａにょリレーザ光源１２１からの光ビー
ム１２２の一部をパワーモニタ１６０に導出し、その強
度を測定してＡ　Ｏ　Ｍ　１　３３の強度変調を１１１
御することにより試料１２９の全走査領域において均一
な光強度で光ビーム１２２の照射を行うよう構成されて
いる。この場合、光ビーム１２２の強度のモニタを、走
査毎に行い、この測定信号をフィードバックしてＡＯＭ
１３Ｂの強度変調を制御することも、予め偏光角度によ
る光ビーム１２２の強度をモニタし、メモリーしておき
ＡＯＭ１３Ｂの強度変調を制御することもできる。

なお、このように先ビーム１２２をＡＯＭ１３３と２個
のＡＯＤ１２４ａ，１２４ｂを用いて２次元的に走査し
選択的に照射する走査型顕微鏡装置において、レーザ走
査制御部１４０および画像処理部１３２は、例えば第１
７図に示すように構成することができる。

すなわち、レーザ走査制御部１４０において、光ビーム
１２２を試料１２９に選択的に正確に照射するためには
、ＡＯＤ１２４ａ，１２４ｂにスイーブジエネレータ等
により連続的な信号を与えるのではなく、ディジタル値
による離散的な制御が必要である。

このためレーザ掃引力ウンタ１４１によって得られる値
をそれぞれＤ−Ａ変換器１４２ａ，１４２ｂによって直
交する　２軸のＡＯＤ　１　２４　ａ，　１２４ｂに対
する偏向角に応じた指示電圧値に変換する。そして、こ
れらの指示電圧値をＶ−Ｆ変換器１４３ａ，１４３ｂに
よって周波数に変換し、ＡＯＤ１　２４　ａ，１　２４
　ｂを制御する。この際ＡＯＤ１２４ａ，１２４ｂの偏
向角がリニアになるよう補正回路１４４ａ，１４４ｂに
よって指示電圧値を補正する。なお、レーザ掃引方向は
２次元イメージセンサ１３１にインタライン転送型を使
用すれば光電変換素子の引き抜き方向には依存しない。

光ビーム］２２の選択的照射は、レーザ掃引力ウンタ１
４１の値をコンパレータ１４５によって光ビーム１２２
を照射する位置か否かを判断することによって行う。ま
た、この時ＡＯＭ１３３のＶ−Ｆ変換器１４３ｃに対し
て、捕正回路１４４Ｃにより捕正を行い、ＡＯＤ１２４
ａ，１２４ｂの偏向角による透過率の違いを補正して、
試料１２９上での光ビーム１２２の照射強度が一様にな
るようにする。

また、画像処理部１３２は、シーケンス制御回路１７０
からの信号に基づいてレーザ走査制御部１４０と同期し
て動作する。ただし、インターライン型ＣＣＤ素子を用
いた場合、垂直プランキング期間に全画素いっせいに垂
直ＣＣＤに転送するため、レーザ走査制御部１４０が帰
引しているデータに対してｌフレーム期間遅れたデータ
を入カすることになる。

２次元イメージセンサ１３１からの出力は、アンブ１７
１によってＡ−Ｄ変換器１７２の入カレベル整形された
後、Ａ−Ｄ変換されフレーム●メモリ１７３のデータと
なる。このデータは、フレーム・メモリ・アドレス・カ
ウンタ１７４で示されるアドレスのフレーム・メモリ１
７３に書き込まれる。この際、レーザを照射しなかった
データは、フレーム・メモリ・アドレス・カウンタ１７
４の値をインクリメントするだけでフレーム●メモリ１
７３には書き込まない。

このようにして、照射位置を変えながら数回試料１２９
を走査照射して得られた１画像分の画像情報は、表示回
路１７５によって読み出され、ＣＲＴ１５０に表示され
る。

上述したように２次元イメージセンサ１３１を用いた走
査型顕微鏡装置においても、例えば第１８図に示すよう
に、複数例えば３つのレーザ光源１２１ａ〜１２１ｃ，
３つのコリメータレンズ１２３ａ　〜１．２３ｃ，　　
３つのＡ　Ｏ　Ｍ　１　３　３　ａ　〜１　３３Ｃ１　
３つのリレーレンズ１２５ｄ〜１２５ｆ，３つのハーフ
ミラー１２６ｂ〜１２６ｄ等を用いて波長の異なる３つ
の光ビーム１２２ａ〜１２２Ｃを照射するよう構成し、
前述の１次元イメージセンサ３１を用いた走査型顕微鏡
装置と同様に画像のカラー化を行うことができる。

また、このように画像をカラー化する場合は、例えば第
１９図に示すように、ハーフミラー１２６ｅ，１２６ｆ
によって光を分離し、３つの２次元イメージセンサ１３
１ａ〜１３１ｃによって試料１２９からの反射光を検出
するよう構成することもできる。

なお、この発明はレーザ光を半導体ウェハに照射して発
生する光起電力を測定する光ブローバや光アニール等に
適用してもよい。

［発明の効果］以上説明したように、本発明の走査型顕微鏡装置によれ
ば、迷光の影響による解像力の低下および画像歪みが少
なく、かつ高速な表示を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１次元イメージセンサを用いた実施例
の走査型顕微鏡装置の措成を示す図、第２図および第３
図は第１図の走査型顕微鏡装置の動作を説明するための
図、第４図はＡＯＤの偏向角と時間の関係を示すグラフ
、第５図はＡＯＭのＯＮノＯＦＦ動作を説明するための
グラフ、第６図はＡＯＤとＡＯＭとを組み合せた場合の
偏向角と時間の関係を示すグラフ、第７図〜ｉｌｌ図は
１次元イメージセンナを用いた他の実施例の走査型顕微
鏡装置の構或を示す図、第１２図は２次元イメージセン
サを用いた実施例の走査型顕微鏡装置の構成を示す因、
第１３図〜第１５図は第１２図に示す走査型顕微鏡装置
の動作を説明するための図、第１６図は２次元イメージ
センサを用いた他の実施例の走査型顕微鏡装置の構成を
示す図、第１７図は第１６図に示す走査型顕微鏡装置の
要部構成を示す図、第１８図〜第１９図は２次元イメー
ジセンサを用いた他の実施例の走査型顕微鏡装置の横戊
を示す図、第２０図は従来の走査型顕微鏡装置の構戊を
示す図である。２１・・・・・・レーザ光源、２２・・・・・・光ビー
ム、２３・・・・・・コリメートレンズ、２４・・・・
・・ＡＯＤ，２５・・・・・・リレーレンズ、２６・・
・・・・ハーフミラー　２７・・・・・・振動ミラー　
２８・・・・・・対物レンズ、２つ・・・・・・試料、
３０・・・・・・反射光、３１・・・・・・１次元イメ
ージセンサ、３２・・・・・・画像処理部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）試料に光ビームを走査照射し、受光手段により前
記試料からの反射光あるいは透過光を電気信号に変換し
、この電気信号を処理して前記試料の画像を得る走査型
顕微鏡装置において、前記光ビームを予め設定した試料の領域に選択的に走査
照射するとともに、この光ビームの照射位置に対応する
前記受光素子からの信号のみを抽出することにより間欠
的な画像情報を得、これらの走査を複数回行うことによ
って得た複数の間欠的な画像情報を合成することによっ
て前記試料の画像を得るように構成したことを特徴とす
る走査型顕微鏡装置。
（２）試料からの反射光あるいは透過光を電気信号に変
換する受光手段が、１次元イメージセンサであることを
特徴とする請求項１記載の走査型顕微鏡装置。
（３）試料からの反射光あるいは透過光を電気信号に変
換する受光手段が、２次元イメージセンサであることを
特徴とする請求項１記載の走査型顕微鏡装置。