JPH04171415A

JPH04171415A - 長焦点深度高分解能照射光学系

Info

Publication number: JPH04171415A
Application number: JP2298298A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kawada; 聡河田; Rieko Arimoto; 有本　理恵子
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-11-02
Filing date: 1990-11-02
Publication date: 1992-06-18

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】（産業上の利用分野〕本発明は、焦点深度か深く且つスポット径の小さいビー
ムを形成することのできる照射光学系に関し、特にレー
ザ走査顕微鏡や、レーザビームによる微粒子の顕微トラ
ッピング、あるいは光りソグラフィ、光デイスクメモリ
等の走査光学システムに供される照射光学系に関する。

〔従来の技術〕

光学顕微鏡の利用において古くから解決できない問題の
一つは、分解能と焦点深度の間のトレード・オフ関係で
ある。即ち、対物レンズか高倍率、高分解能になるはと
、焦点深度か浅くなり、そのため凹凸が大きく厚みのあ
る試料ははけて観察しにくくなる。これは、フォトリソ
グラフィなと半導体製造、検査技術に光か導入されるよ
うになっても解決せず、その解決はますます重要な問題
となりつつある。深い焦点深度と高い分解能は光学計測
や光学加工の基であるといえる。

この問題を解決する可能性を有しているのか輪帯開口（
スリット）である。輪帯開口か円形開口より高分解能て
長焦点深度であることは古くから知られていることであ
り、例えば１９５３年にＰｒｏｃ、　Ｐｈｙｓ、　Ｓｏ
ｃ、　Ｖｏｌ、Ｂ６６、　ｐｐ、　１４５−１４９にお
いてＬｉｎｆｏｏｔとｗｏｌｆによって既に述へられて
いる。最近になって１９８７年Ｐｈｙｓｉｃａ］　Ｒｅ
ｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、５ｇ　Ｎｏ、］５
．　ｐｐ、　＋４９９−１５０］においてＤｕｒｎｊｎ
らかガウスベッセルビームの非回折性について論じてい
るか、これも無限に大きいレンズを介せば輪帯光源によ
る回折波によるものであることが知られている。

第７図に輪帯スリットを用いた従来の照射光学系を示す
。

平面波か輪帯、スリット１０１に入射することによって
回折か発生し、その時の回折角θは、入射光の波長λと
スリットの開口幅ｄとによってθ＝２λ／ｄて与えられ
る。回折光はレンズ１０２の右方て互いに干渉しあう。

図において斜線で示した部分か干渉領域となる。このと
き、光軸上では全ての方向から来る光の位相が干渉領域
内で常に一致する。そのため位相の強め合いが起こり、
光軸上では明るくなる。一方、光軸から外れた位置は位
相の相殺によって暗くなる。この結果、光軸方向に長く
且つ細いスポットか形成される。

〔発明か解決しようとする課題〕

上述の従来技術は全て原理の提案、基礎実験の発表でし
かなく、実用的に使われた例はなかった。

その理由として、第１に輪帯スリットによる回折角か不
十分であること、第２に輪帯スリットの幅を十分に細く
すると回折角は得られるか、光かほとんと速断されて、
実用的な明るさか得られないこと、等か考えられる。

本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもの
で、従来の光学系では凡そ実現できなかった、極めて細
く且つ光軸方向に長く、しかも実用的な明るさを持った
ビームスポットを形成可能な照射光学系を提供すること
を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明の照射光学系では、
従来の輪帯スリットの代わりにアキシコン光学素子（４
；３４）か使用される。アキシコン光学素子は、円錐面
と平面とを備えたアキシコン・プリズム（４）、または
アキシコン・ゾーンプレート（３４）のような同等の作
用をもたらす光学素子を含み、レーザ等の光源（１）か
らのコヒーレントな平行光束中に配置される。

〔作用〕

アキシコン光学素子の平面側から垂直に入射した平行光
束は他方の面より射出される。射出する光束は全て同一
の角度で光軸と交差するか、射出光束の光軸からの距離
に比例して光軸との交差位置は遠くなる。そのためアキ
シコン光学素子の後方に、光軸に沿った干渉領域か形成
される。この干渉領域内では、光軸上において全ての方
向から来る光の位相か常に一致し、位相の強め合いか起
こる。それに対し、光軸外においては位相の相殺か生じ
る。その結果、光軸方向に長くて細い光スポットか形成
される。

本発明によれば、従来の輪帯スリットを用いた場合のレ
ンズの後方に形成される波面と同しものを、アキシコン
光学素子に平面波を入射させることによって作ることか
できる。しかも光源から供給される光束を遮断すること
なく、効率よく光スポットの形成に供することかできる
ので、極めて明るい光スポットを得ることか可能になる
。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示した実施例を用いて詳細に説明
する。

第１図は本発明に係わる照射光学系の一実施例を示し、
レーザ光源１、ビームエキスパンダを構成する凹レンズ
２および凸レンズ３、アキシコン・プリズム４とを備え
ている。アキシコン・プリズム４の入射面４ａは光軸に
垂直な平面で構成され、射出面４ｂは光軸を回転軸とし
た円錐面によって構成されている。

レーザ光源１から射出したコヒーレントな平行光束は、
ビームエキスパンダによって拡大され、アキシコン・プ
リズム４に入射する。アキシコン・プリズム４を射出し
た光束は、全て光軸と交差する方向に向かい、図のハツ
チングを付して示した部分に干渉領域５か形成される。

この干渉領域において、光軸上では全ての方向から来る
光束の位相か常に一致するため、位相の強め合いか起こ
って極めて明るくなり、光軸から外れた位置では位相か
ずれるため暗くなる。その結果、干渉領域内では光軸方
向に長く細い光スポットか形成される。従ってこの干渉
領域内に配置された試料面Ｓを光軸と垂直な面内方向に
走査すれば、微小な長焦点深度の光スポットによる試料
の走査が可能になる。

第２図に示すように、アキシコン・プリズム４の後方に
リレーレンズ１１を配置することによって、第１図の干
渉領域５の光軸方向の長さ（焦点深度）を拡大すること
か可能である。即ち、リレーレンズ１１を射出した光束
は再び光軸まわりに集光し、干渉領域１２を形成する。

この場合干渉領域の長さはレンズ１１の焦点距離によっ
て決定される。

第３図にリレーレンズを２枚配置した実施例を示す。

アキシコン・プリズム４を射出した光束は第１のリレー
レンズ２１によって第２焦点面（フーリエ面）上に集光
される。第２のリレーレンズ２２は第１のリレーしンズ
２１の第２焦点面と一致する第１焦点面を有し、そのた
めレンズ２２の後方に第２の干渉領域２３か形成される
。

２枚のリレーレンズの間のフーリエ面には輪帯の像か形
成され、そのリング幅はアキシコン・プリズムの大きさ
によって決まる。プリズムの径が大きければリング幅は
狭くなり、リレーレンズ２２の後方の干渉領域２３にお
ける焦点深度が深くなる。たたし、フーリエ面の輪帯像
の位置に、細い輪帯のスリット２４を設けることによっ
て、アキシコン・プリズムの径が比較的小さくても、干
渉領域２３における焦点深度を深くすることができる。

また、この光学系のフーリエ面においては、輪帯部分に
光か集中しているので、細いスリット２４を配置しても
従来の光学系に比へて光のロスは遥かに小さい。

干渉領域２３に形成されるスポットのプロファイルの測
定結果を第４図に示す。

スポットを直接ＣＣＤラインセンサ上に集光させ、画像
解析装置を用いて作成したもので、第４図（ａ）、　（
ｂ）、　（Ｃ）はそれぞれ、第３図中の位置Ａ、　　Ｂ
。

Ｃでの光強度プロファイルを表している。実測の結果、
第３図の光学系によって得られる焦点深度は１４０ｍｍ
であり、中心と周辺との強度比はおおよそ２００：ｌて
あった。

第５図は本発明の照射光学系を共焦点型レーザ走査顕微
鏡に用いた実施例を示し、図では像共役関係か実線で、
瞳共役関係か破線でそれぞれ示されている。

アキシコン・プリズム４の円錐面を射出した光束は、第
１のリレーレンズ系４１．４２に入射する。リレーレン
ズ系４１．４２は、第３図のレンズ２１．２２と同様の
作用をなす。したかってレンズ４１の後方にはフーリエ
面か形成され、そこに輪帯スリット４４か設けられ、リ
レーレンズ４２によって第１の干渉領域か形成される（
図では主光線の結像面４３として表しである）。

第２のリレーレンズ系４５．４６は結像面４７の近傍に
第２の干渉領域を形成し、第３のリレーレンズ系４８．
４９は結像面５０の近傍に第３の干渉領域を形成する。

そして、レンズ５１と対物レンズ５２とを有する第４の
リレーレンズ系は、試料面５３の近傍に第４の干渉領域
を形成する。

リレーレンズ４５．４６の間の瞳共役位置とリレーレン
ズ４８．４９の間の瞳共役位置には、ガルバノミラ−、
ポリゴンミラー等の走査装置６１゜６２かそれぞれ設け
られ、試料面５３のスポットによるＸ−Ｙ走査か成され
る。

試料面のスポット走査に基づく試料からの反射または散
乱光、あるいは蛍光は、リレーレンズ系５２〜４２を逆
進した後にビームスプリッタ６３を透過し、レンズ６４
によってピンホール６５上に結像する。レーザ走査蛍光
顛微鏡の場合には、ビームスプリッタ６３としてグイク
ロイックミラーが用いられる。ピンホール６５の後方に
設けられたフォトディテクタ６６の出力と、スポットに
よるＸ−Ｙ走査とを対応つけることによって、試料の形
状検出か可能になる。

なお、上述の各実施例におけるアキシコン・プリズムは
、同等の作用をもたらす別の光学素子に置き換えること
かできる。第６図に示すアキシコン・ゾーンプレート３
４はその一例である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係わる照射光学系によれば
、従来の光学系では凡そ実現できなかった極めて細く、
光軸方向に長いビームスポットを形成することが可能に
なる。この長深度高分解能照射系とビーム走査系とを組
み合わせることによって、走査型顕微鏡、光りソグラフ
ィ、光デイスクメモリー等の、光学計測や光学加工にお
ける分解能と焦点深度の間のトレード・オフ関係という
問題を解消することかできる。

従来の光学系では干渉領域はスリットによる回折角によ
って決まり、必要な回折角を得るためにはスリットを非
常に細くしなければならなかった。

それに対し、本発明の照射光学系の焦点深度を決める干
渉領域はアキシコン光学素子の直径と円錐の頂角とによ
って決定される。従って、入射光の利用効率と干渉領域
とのトレード・オフの問題も生じないため、十分に長い
干渉領域を高効率で実現することか可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例による照射光学系の光路図
、第２図は本発明の第２実施例による照射光学系の光路図
、第３図は本発明の第３実施例による照射光学系の光路図
、第４図は干渉領域の各位置におけるスポットの光強度分
布を示すグラフ図、第５図はアキシコン・ゾーンプレートの正面および側面
図、第６図は従来の照射光学系の光路図である。〔主要部分の符号の説明〕ｌ・・・レーザ光源４・・・アキシコン・プリズム３４・・・アキシコン・ゾーンプレート６１、．６２・
・・走査手段６５．６６・・・検出手段

Claims

【特許請求の範囲】

（１）コヒーレントな光束を供給する光源と、該コヒー
レント光束を光軸方向に集光して該光軸上に高強度の光
スポットを作るために設けられたアキシコン光学素子と
を有することを特徴とする照射光学系。
（２）前記アキシコン光学素子は、円錐面と平面とを備
えたアキシコン・プリズムであることを特徴とする請求
範囲第１項に記載の照射光学系。
（３）前記アキシコン光学素子は、アキシコン・ゾーン
プレートであることを特徴とする請求範囲第１項に記載
の照射光学系。
（４）コヒーレントな光束を供給する光源と、該コヒー
レント光束を光軸方向に集光して該光軸上に高強度の光
スポットを作るために設けられたアキシコン光学素子と
、前記光スポットを物体上で走査するための走査手段と
、前記物体からの光情報を検出するための検出手段とを
有することを特徴とする走査光学システム。