JPH11230829A - 顕微分光装置および顕微分光装置による分光データ測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学系の色収差にかかわらず分光データを正
確に測定することができる顕微分光装置および顕微分光
装置による分光データ測定方法を提供することを目的と
する。 【解決手段】 顕微分光装置は、照明光を測定試料１に
導く照明光学系３と、測定試料１において反射された光
を回折格子６に導く結像光学系４と、結像光学系４の対
物レンズ２３を移動させるための移動機構５と、回折格
子６により分光された分光スペクトルを測定するライン
センサ７と、メモリ８と、ピーク値検出回路９と、分光
データ記憶部１０とを有する。メモリ８は、対物レンズ
２３を複数の測定位置に移動させたときの、ラインセン
サ７による各分光スペクトルの測定値を記憶する。ピー
ク値検出回路９は、メモリ８に記憶した測定値からピー
ク値を特定波長ごとに検出する。分光データ記憶部１０
は、検出されたピーク値を分光データとして記憶する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、分光手段によっ
て分光された測定試料の分光スペクトルを測定する顕微
分光装置およびこの顕微分光装置による分光データ測定
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような顕微分光装置は、例えば測定
試料の表面に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚計
や、測定試料の表面の物質を特定するための測定装置等
に使用される。

【０００３】従来、このような顕微分光装置において
は、精密な測定を行う場合、光学系における反射光、迷
光等の影響をさけるため、光源から出射された照明光を
測定試料の測定領域にのみ照射されるように照明光学系
の視野絞りにより制限して、測定試料に照射するととも
に、測定試料の像を結像光学系により分光手段の入射ピ
ンホール上に結像させて、測定試料において反射された
観察光を分光手段により分光した後、分光された光の強
度を波長ごとに測定手段により測定する構成となってい
る。

【０００４】このとき、分光データを正確に測定するた
めには、結像光学系の焦点と測定試料とを一致させる必
要がある。このため、従来の顕微分光装置においては、
例えばモニター用光学系を用いて測定試料の２次元画像
をＣＣＤカメラに取り込み、ＣＣＤカメラのビデオ信号
を画像処理することにより、結像光学系の焦点と測定試
料とを一致させるようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光学系には一般的に色
収差が存在する。このため、上述したようにＣＣＤカメ
ラのビデオ信号を画像処理することにより結像光学系の
焦点と測定試料とを一致させた場合においても、分光手
段で分光された各波長の光ごとに微妙な焦点位置の誤差
が発生していることから、厳密には波長によってはピン
トが外れた状態で光強度を測定していることになる。顕
微分光装置において、このようにピントが外れた状態で
光強度を測定した場合においては、正確な分光データの
測定が不可能となるという問題が生ずる。

【０００６】この発明は上記課題を解決するためになさ
れたものであり、光学系の色収差にかかわらず分光デー
タを正確に測定することができる顕微分光装置および顕
微分光装置による分光データ測定方法を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、照明光を出射する光源と、測定試料において反射さ
れた観察光を分光する分光手段と、前記分光手段により
分光された光の強度を波長ごとに測定する測定手段と、
前記測定試料における測定領域にのみ照明光が照射され
るように、前記光源から出射される照明光を制限する視
野絞りを備えた照明光学系と、前記測定試料の像を前記
分光手段の入射ピンホール上に結像させる結像光学系
と、前記結像光学系を構成するレンズ、前記分光手段ま
たは前記測定試料のいずれかを複数の測定位置に移動さ
せる移動手段と、前記複数の測定位置において、前記測
定手段により測定された測定値を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記測定値のピーク値を波長
ごとに検出するピーク値検出手段とを備え、前記ピーク
値検出手段により検出した複数のピーク値を分光データ
とすることを特徴とする。

【０００８】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、前記移動手段は、前記結像光学系を構
成するレンズ、分光手段または測定試料のいずれかを、
前記結像光学系の焦点深度より小さい距離だけ互いに離
隔した複数の測定位置に移動させている。

【０００９】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２いずれかに記載の発明において、前記ピーク値
検出手段は、前記記憶手段に記憶した前記測定値を補間
した後、当該測定値のピーク値を波長ごとに検出してい
る。

【００１０】請求項４に記載の発明は、光源から出射さ
れた照明光を測定試料の測定領域にのみ照射されるよう
に照明光学系の視野絞りにより制限して測定試料を照明
するとともに、前記測定試料の像を結像光学系により分
光手段の入射ピンホール上に結像させて前記測定試料に
おいて反射された観察光を前記分光手段により分光した
後、分光された光の強度を波長ごとに測定する顕微分光
装置の分光データ測定方法において、前記結像光学系を
構成するレンズ、前記分光手段または前記測定試料のい
ずれかを複数の測定位置に移動させるとともに、各測定
位置において光強度を波長ごとに測定し、この測定値を
記憶手段に記憶する測定行程と、前記測定行程において
前記記憶手段に記憶された前記測定値のピーク値を波長
ごとに検出するピーク値検出行程とを備え、前記ピーク
値検出行程において検出した複数のピーク値を分光デー
タとすることを特徴とする。

【００１１】

【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。図１はこの発明に係る顕微分光
装置の概要図である。

【００１２】この顕微分光装置は、光源２から出射され
た照明光をハーフミラー１３を介してテーブル１２上に
載置された測定試料１に導く照明光学系３と、測定試料
１において反射された光を回折格子６およびモニター用
光学系１１に導く結像光学系４と、結像光学系４におけ
る対物レンズ２３をその光軸方向に移動させるための移
動機構５と、回折格子６により分光された光の強度を特
定波長ごとに測定するラインセンサ７と、メモリ８と、
ピーク値検出回路９と、分光データ記憶部１０とを有す
る。

【００１３】光源２は照明光としての白色光を出射する
ものであり、例えばハロゲンランプから構成される。

【００１４】照明光学系３は、コンデンサレンズ２１、
２２と、開口絞り１７と、視野絞り１８とを有する。な
お、この視野絞り１８は、測定試料１における測定領域
にのみ照明光が照射されるように、光源２から出射され
る照明光を制限するものである。但し、後述する様に、
モニター用光学系１１において測定位置を確認したり、
大まかな焦点合わせを行う場合には、測定領域よりも広
い範囲を照明するため、径の大きい絞りに切換えられ
る。

【００１５】結像光学系４は、測定試料１の像を、分光
手段として機能する回折格子６の入射ピンホール１５上
に結像させるためのものであり、対物レンズ２３と、チ
ューブレンズ２４と、照明光学系３からの照明光を結像
光学系４の光路に重ね合わせるハーフミラー１３とを有
する。なお、上記入射ピンホール１５は、結像光学系４
を通過した光をモニター用光学系１１に向けて反射する
ミラー１４の中央部に形成されている。また、図１にお
ける符号１９は、瞳位置を示している。

【００１６】結像光学系４の対物レンズ２３は、圧電素
子等を有する移動機構５に支持されている。この移動機
構５は、対物レンズ２３を互いに離隔した複数の測定位
置に位置せしめるため、対物レンズ２３をその光軸方向
に移動させるためのものである。

【００１７】回折格子６は、入射ピンホール１５と共役
な測定試料１上の測定領域からの観察光を分光する分光
手段として機能するものであり、例えば、分光スペクト
ルをラインセンサ７上に結像するフラットフィールド型
回折格子から構成される。

【００１８】モニター用光学系１１は、結像光学系４に
よりミラー１４の近傍に結像された測定試料１の拡大像
を、リレーレンズ２５により２次元のＣＣＤカメラ１６
上に結像させるものである。なお、ＣＣＤカメラ１６に
より撮像された測定試料１の拡大像は、測定位置の確認
や大まかな焦点合わせに使用される。

【００１９】メモリ８は、対物レンズ２３を複数の測定
位置に移動させた場合に、各測定位置において、ライン
センサ７によって測定された光強度の測定値を特定波長
ごとに記憶するためのものである。

【００２０】ピーク値検出回路９は、メモリ８に記憶し
た測定値（光強度）のピーク値を特定波長ごとに検出す
るためのものである。

【００２１】分光データ記憶部１０は、ピーク値検出回
路９により検出した測定値のピーク値を分光データとし
て記憶するためのものである。

【００２２】このような構成を有する顕微分光装置にお
いては、光源２から出射された照明光は、照明光学系３
と結像光学系４のハーフミラー１３および対物レンズ２
３を介して測定試料１の測定領域上に照射される。そし
て、測定試料１において反射された観察光は、対物レン
ズ２３、ハーフミラー１３およびチューブレンズ２４を
通過した後、ミラー１４に形成された回折格子６の入射
ピンホール１５上に結像する。この観察光は、回折格子
６により分光されてラインセンサ７上に結像され、その
分光データが測定される。

【００２３】このとき、測定試料１の拡大像を撮像した
ＣＣＤカメラ１６のビデオ信号を画像処理し、このＣＣ
Ｄカメラ１６からの信号に基づいて結像光学系４の対物
レンズ２３を微動させることにより、結像光学系４の焦
点と測定試料１とをほぼ同一の位置に配置することがで
きる。しかしながら、このような方法により結像光学系
４の焦点と測定試料１とを一致させた場合においても、
回折格子６によって分光された光の波長ごとに微妙な焦
点位置の誤差が発生していることから、厳密には波長に
よってはピントが外れた状態で光強度を測定しているこ
とになる。

【００２４】このため、この顕微分光装置においては、
測定試料１が各波長における結像光学系４の焦点位置と
一致した場合には、光強度が最大となることを利用し、
次のような方法により測定試料１の分光データを測定し
ている。

【００２５】即ち、最初に移動機構５により結像光学系
４の対物レンズ２３を所定の位置に配置し、結像光学系
４の焦点位置と測定試料１とをほぼ一致するさせる。こ
のときの対物レンズ２３の位置は、上述したように、測
定試料１の拡大像を撮像したＣＣＤカメラ１６のビデオ
信号を画像処理し、このＣＣＤカメラ１６からの信号に
基づいて移動機構５を駆動することにより決定してもよ
く、また、予め実験等により決定しておいてもよい。

【００２６】次に、移動機構５により対物レンズ２３を
上記の位置からわずかに変位させて最初の測定位置に配
置する。そして、ラインセンサ７により、このときの光
強度を特定波長ごとに測定する。この測定値は、各波長
ごとにメモリ８に記憶される。次に、移動機構５により
対物レンズ２３を微小距離Ｐだけ移動させ、次の測定位
置に配置する。そして、ラインセンサ７により、このと
きの光強度を再度特定波長ごとに測定し、このときの測
定値を再度メモリ８に記憶する。なお、メモり８ａには
波長λａの測定値、メモリ８ｂには波長λｂの測定値、
…メモリ８ｎには波長λｎの測定値が記憶される。

【００２７】このような動作を、必要な回数だけ繰り返
した後、ピーク検出回路９により測定値のピーク値を特
定波長ごとに検出する。

【００２８】図２は、上述した測定行程において測定し
た測定値（光強度）Ｓと対物レンズ２３が配置された測
定位置との関係を示すグラフである。

【００２９】なお、この図においては、その波長がλ
ａ、λｂ、λｃの三種類のもののみを図示しているが、
例えば測定試料１の表面に形成された薄膜の膜厚を測定
する場合等においては、４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲
で１０ｎｍごとに光強度が測定される。また、この図に
おいては、説明の便宜上、その波長がλａの光に対し
て、その測定値がＳ１〜Ｓ１７となる１７回の測定を実
行しているが、この測定回数は、後述するように、結像
光学系４の焦点深度等により決定される。

【００３０】この図に示すように、例えばその波長がλ
ａの光の場合においては、その測定値がＳ１からＳ９ま
で順次増加した後、Ｓ１０で最大となり、Ｓ１０からＳ
１７まで順次減少している。ピーク検出回路９において
は、メモリ８のうち特に波長λａの光に対応して設けら
れたメモリ８ａに記憶されたこれらの測定値Ｓ１〜Ｓ１
７からピーク値を検出する。

【００３１】即ち、ピーク検出回路９においては、メモ
リ８ａに記憶されたこれらの測定値Ｓ１〜Ｓ１７を例え
ば最小２乗法等を用いて補間処理することにより、上述
した測定位置と測定値との関係を示す曲線を求める。そ
して、ピーク検出回路９は、この曲線に基づいて、測定
値Ｓ９とＳ１０との間に存在するピーク値ＳＰを決定す
る。なお、測定値のピーク値ＳＰは、メモリ８ａ〜８ｎ
に記憶された測定値ごとに決定される。

【００３２】上記ピーク値ＳＰは、図１に示す顕微分光
装置において、測定試料１が各波長における結像光学系
４の焦点位置と一致した状態における光強度の測定値と
一致するものである。このため、分光データ記憶部１０
は、各メモリ８ａ〜８ｎに記憶された測定値に基づいて
検出された各波長ごとの測定値のピーク値ＳＰを分光デ
ータとして記憶するとともに、ＣＲＴ等の表示手段に表
示する。

【００３３】なお、上述した移動機構５により対物レン
ズ２３を移動する場合における移動範囲は、結像光学系
４や照明光学系３等の色収差や測定に使用する波長帯に
より決定すればよい。

【００３４】また、上述した移動機構５により対物レン
ズ２３を移動する場合における測定位置間のピッチＰ
は、結像光学系４の焦点深度Ｄ以下となるように決定さ
れる。即ち、光学系の焦点深度Ｄは、ＮＡを開口数とし
た場合、Ｄ＝λ／２［ＮＡ］²で表される。このため、
移動機構５により対物レンズ２３を移動する場合におけ
る測定位置間のピッチＰを、この焦点深度Ｄ以下とする
ことにより、測定値のピーク値ＳＰを正確に検出するこ
とが可能となり、分光データを正確に測定することがで
きる。

【００３５】なお、上述した実施の形態においては、メ
モリ８に記憶された測定値を補間処理することにより測
定値のピーク値ＳＰを決定しているが、実際の測定値の
うちの最大のものをピーク値と判断することも可能であ
る。例えば、図２に示す波長λａの光の場合には、測定
値Ｓ１〜Ｓ１７のうちの最大の測定値Ｓ１０をピーク値
と判断するようにしてもよい。この場合においても、移
動機構５により対物レンズ２３を移動する場合の測定位
置間のピッチＰを結像光学系４の焦点深度Ｄ以下となる
ように設定すれば、分光データを正確に測定することが
可能となる。

【００３６】なお、このような構成を採用する場合にお
いては、メモリ８に全ての測定値を記憶するかわりに、
先の測定値より大きい値となった測定値のみを特定波長
ごとに記憶するようにしてもよい。例えば、図２に示す
波長λａの光の場合には、測定値Ｓ２を得た時にその測
定値Ｓ２より小さい先の測定値Ｓ１を削除し、また、測
定値Ｓ３を得た時にその測定値Ｓ３より小さい先の測定
値Ｓ２を削除するという動作を測定値Ｓ１０まで繰り返
す。そして、測定値Ｓ１１を得た時に、その測定値Ｓ１
１は先の測定値Ｓ１０より小さいことから、先の測定値
Ｓ１０のみを記憶し、以降の測定動作を終了する。この
ような構成とすることにより、必要とされるメモリ８の
領域を最小化することが可能となる。

【００３７】また、上述した実施の形態においては、各
波長における結像光学系４の焦点位置と測定試料１とを
一致させるため、移動機構５により結像光学系４の対物
レンズ２３をその光軸方向に移動させているが、測定試
料１または回折格子６を結像光学系の光軸方向に移動さ
せることにより、結像光学系４の焦点位置と測定試料１
とを一致させるようにしてもよい。

【００３８】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、ピーク
値検出手段により検出した波長ごとの測定値のピーク値
を分光データとすることから、各波長ごとに、結像光学
系の焦点と測定試料とが一致した状態において光強度を
測定することが可能となる。このため、光学系の色収差
にかかわらず分光データを正確に測定することができ
る。

【００３９】請求項２に記載の発明によれば、結像光学
系を構成するレンズ、分光手段または測定試料のいずれ
かを結像光学系の焦点深度より小さい距離だけ互いに離
隔した複数の測定位置に移動させることから、分光デー
タをより正確に測定することが可能となる。

【００４０】請求項３に記載の発明によれば、ピーク値
検出手段が記憶手段に記憶した測定値を補間した後、そ
のピーク値を検出することから、各測定位置間において
ピーク値が生じた場合においても、分光データを正確に
測定することが可能となる。

【００４１】請求項４に記載の発明によれば、ピーク値
検出手段により検出した波長ごとの測定値のピーク値を
分光データとすることから、各波長ごとに、結像光学系
の焦点と測定試料とが一致した状態において光強度を測
定することが可能となる。このため、光学系の色収差に
かかわらず分光データを正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る顕微分光装置の概要図である。

【図２】測定行程において測定した波長ごとの光強度の
測定値Ｓと対物レンズ２３が配置された測定位置との関
係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 測定試料 ２ 光源 ３ 照明光学系 ４ 結像光学系 ５ 移動機構 ６ 回折格子 ７ ラインセンサ ８ メモリ ９ ピーク値検出回路 １０ 分光データ記憶部 １１ モニター用光学系 １３ ハーフミラー １４ ミラー １５ 入射ピンホール １６ ＣＣＤカメラ １８ 視野絞り ２３ 対物レンズ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 照明光を出射する光源と、 測定試料において反射された観察光を分光する分光手段
   と、 前記分光手段により分光された光の強度を波長ごとに測
   定する測定手段と、 前記測定試料における測定領域にのみ照明光が照射され
   るように、前記光源から出射される照明光を制限する視
   野絞りを備えた照明光学系と、 前記測定試料の像を前記分光手段の入射ピンホール上に
   結像させる結像光学系と、 前記結像光学系を構成するレンズ、前記分光手段または
   前記測定試料のいずれかを複数の測定位置に移動させる
   移動手段と、 前記複数の測定位置において、前記測定手段により測定
   された測定値を記憶する記憶手段と、 前記記憶手段に記憶された前記測定値のピーク値を波長
   ごとに検出するピーク値検出手段とを備え、 前記ピーク値検出手段により検出した複数のピーク値を
   分光データとすることを特徴とする顕微分光装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の顕微分光装置におい
   て、 前記移動手段は、前記結像光学系を構成するレンズ、分
   光手段または測定試料のいずれかを、前記結像光学系の
   焦点深度より小さい距離だけ互いに離隔した複数の測定
   位置に移動させる顕微分光装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２いずれかに記載
   の顕微分光装置において、 前記ピーク値検出手段は、前記記憶手段に記憶した前記
   測定値を補間した後、当該測定値のピーク値を波長ごと
   に検出する顕微分光装置。
4. 【請求項４】 光源から出射された照明光を測定試料の
   測定領域にのみ照射されるように照明光学系の視野絞り
   により制限して測定試料を照明するとともに、前記測定
   試料の像を結像光学系により分光手段の入射ピンホール
   上に結像させて前記測定試料において反射された観察光
   を前記分光手段により分光した後、分光された光の強度
   を波長ごとに測定する顕微分光装置の分光データ測定方
   法において、 前記結像光学系を構成するレンズ、前記分光手段または
   前記測定試料のいずれかを複数の測定位置に移動させる
   とともに、各測定位置において光強度を波長ごとに測定
   し、この測定値を記憶手段に記憶する測定行程と、 前記測定行程において前記記憶手段に記憶された前記測
   定値のピーク値を波長ごとに検出するピーク値検出行程
   とを備え、 前記ピーク値検出行程において検出した複数のピーク値
   を分光データとすることを特徴とする顕微分光装置によ
   る分光データ測定方法。