JPS5836322B2 - 可変焦点顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は複数の異なる平面の像を同時に且つ鮮明に、或
いは複数の異なる平面の像を岡別に任意の位置を特定し
て観察することのできる可変焦点顕微鏡に関する。

対物レンズに対して距離の異なる複数の平面にある像を
同時に且つ鮮明に観察できる顕微鏡や、上記複数の平面
にある像を涸別に任意の位置を特定して観察できる顕微
鏡の出現が各種分野において嘱望されている。

例えば半導体分野での所謂マスクアライナ用、核物理学
における原子核乾板観察用、また結晶欠陥の分布測定観
察用としてその要望が高い。

即ちマスクアライナ装置にあっては、半導体ウエハに、
接触によって傷がつかない程度に近接させてマスクを配
し、同マスクのパターンと前記ウエハに既設されたパタ
ーンとの高精度の位置合せを要する。

しかも上記パターンが超微細化するほど精度良く合せな
ければならない。

これが為に像平面の位置が異なる半導体ウエ・・の像と
マスクの像とを同時に且つ鮮明に観察する必要が生じる
。

また原子核乾板に記録された粒子飛跡を観察する場合に
も、上記乾板の乳剤の厚さが２５μｍ〜１００μｍ程度
であり、従って飛跡を高倍で観察することが困難であっ
た。

更には結晶欠陥の分布を観察するにも同様な問題があり
、これらを良好に観察するには深い被写界深度の対物レ
ンズを必要とした。

ところが従来の顕微鏡では解像度を高めるに従って被写
界深度が浅くなり、故に鮮明な像観察を行うことができ
なかった。

また被写界深度は、対物レンズの開口角、焦点距離、倍
率等によって光学的に規定されてしまう為、高倍で高解
像力なる条件を満たして被写界深度を深めることができ
なかった。

そこで従来、対物レンズと物体面との間に多数分割され
た屈折率の異なる多重焦点板を介挿することか試みられ
た。

しかしながら、この種の方式では対物レンズの開口角を
著しく狭め、しかもその開口が円とならない為にその解
像力を甚しく悪化させた。

また上記多重焦点板を振動させるにも、その制御が困難
であり、機械的安定度も悪くて高解像力を保つことがで
きなかった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、顕微鏡の対物レンズの被写界深
度を変更することなく、簡易な構成とその制御によって
異なる平面に存する観察物体を同時に解像度良く、或い
は上記観察物体を涸別に任意の位置を特定して観察する
ことのできる可変焦点顕微鏡を実現し、提供することに
ある。

即ち本発明はその原理を結晶光学に基礎をおき、新規な
手段により実現され、提供されるものである，以下、本
発明の詳細を図面を参照して説明する。

等軸結晶を除く結晶は、その透過光の振動方向によって
異なる屈折率を有する。

そしてその屈折率の変化によって一軸性、二軸性の二種
類に分類される。

本発明は上記結晶の光特性を有効利用したもので、原理
的には上記いずれの種類の結晶であってもその差は殆ん
どない。

従って以下、一軸性結晶を例に説明を進める。

一軸性結晶は一般的に次のような特徴的な性質を有して
いる。

（１）結晶の軸方向に振動する光に対して、同結晶は屈
折率εを示し、正号結晶では最犬の屈折率、負号結晶で
は最小の屈折率となる。

（ｉｉ） 結晶の軸方向と直角な方向に振動する光に
対して、同結晶は屈折率ωを示し、正号結晶では最小の
屈折率、負号結晶では最大の屈折率となる。

（１；ｒ） 上記（１）、（１１）以外の方向に振動
する光に対しては、その屈折率はεとωとの間の値をと
る。

（ｉＶ） 光が結晶の軸方向に進むとき、同結晶はω
＝εなる一つの屈折率を示す。

従って、今観察に使用する光を直線偏光し、その偏光方
向を変化させるものとすると、上記偏光方向と結晶の軸
方向との関係によって結晶はωとεとの間に値をもつ一
つの屈折率を示すことになる。

尚、結晶は、使用光波長域にて犬なる吸収を示さないも
のであることは勿論のことである。

本発明は上記光学的性質を有する結晶を多重焦点素子と
して用い、且つ同結晶の光軸を顕微鏡の光学軸と垂直に
挿入して、観察光を偏光、及びその偏光方向を変化させ
て上記結晶を介して観察するようにしている。

★★ 図は本発明に係る
町変焦点顕微鏡の一実施例を示す概略構成図で、図中１
は顕微鏡本体を構成する鏡胴であり、その下端部には対
物レンズ２が取着されている。

この対物レンズ２の近傍には後述する観察平面との間に
ｔなる厚みを有した一軸性結晶板３が設けられている。

この結晶板３の光軸は、前記対物レンズ２の光学中心軸
、即ち図中一点鎖線で示す装置中心軸４に対して垂直に
設定されている。

一方、前記対物レンズ２０図中下方位置にはランプから
なる光源５が配置され、同光源５から発せられた光は集
光レンズ６を介して偏光板７に照射されている。

この偏光板７はその振動方向を前記中心軸４の軸方向に
対して垂直な方向に定められたもので、例えば図示しな
い偏光板回転装置によって、偏向方向を図中矢印Ａに示
す方向から紙面に垂直（紙面の表裏）の方向に亘って町
変設定されるようになっている。

そして前記一軸性結晶板３は、偏光板７による矢印Ａ方
向への偏光光に対して屈折率εを示し、紙面表裏の方向
への偏光光に対して屈折率ωを示すようになっている。

このような構造を有する顕微鏡によれば、対物レンズ２
自体の焦点位置、つまり像平面を図中８ａで示す位置と
すれば、屈折率εを呈する一軸性結晶板３を介して得ら
れる像千面８ｂは、前記位置８ａより だけ対物レンズ２に近接した位置となる。

また結晶板３が屈折率ωを呈するとき、像平面８ｃの位
置は、位置８ａより だげ対物レンズ２に近づいて形成される。

そして、ω〉εなる結晶板３を用いていることにより、
上記位置関係は ′ となる。

従って、例えば像平面８ｂ，８ｃにあるマスクと半導体
ウエハの面を観察するに、照明光の偏光方向を偏光板７
の位置制御によって矢印Ａ方向、及び紙面と垂直な方向
に切換えることで、対物レンズ２の位置を移動させるこ
となく行い得る。

そして、上記偏光板７の位置制御を、例えば１０Ｈｚ以
上の速さで切換えるものとすると、観察者の残像効果と
相乗して、前記像平面８ｂ，８ｃの像、つまりウエ・へ
と半導体ウエ・・面の像を同時に観察することが可能と
なる。

また、前記偏光板７を光学中心軸４を回転中心として回
転させるとすると、結晶板３の屈折率はεからωへ、そ
してωからεへの順次繰り返して連続的に変化する。

従って、前記した像平面８ｂ ，８ｃ間の範囲において
、焦点位置が連続的に変化することになる。

故に、例えば３ ０ ０ ｒｐｍ以上で偏光板Ｉを回転
させると、観察者の残像効果と相乗して、前記像平面８
ｂから８０に亘る範囲、全てに焦点が合致した像を観察
することが可能となる。

かくして本発明に係る顕微鏡によれば、対物レンズ２へ
の全入射光を使用して観察する為、光量の損失、ならび
に解像度の低下を招くことがない。

しかも対物レンズ２自体の被写界深度を深くする必要が
ないので光学的に無理な設計を行う必要がない。

また、偏光板７を所定の角度に設定すれば、その偏光方
向により定まる結晶板３の屈折率によって前記角度に対
応した像平面を特定することができ、対物レンズ２の焦
点合せを行うことなしに観察平面を解像度良く観察する
ことが可能となる。

しかも偏光板７を回転させれば、上記したように位置８
ｂから８０に至る広範囲に焦点を合わせることができ、
つまり被写界深度を十分深く設定することができる。

またこの場合、偏光板７のみを回転、または振動させれ
ばよいので、従来提唱された手段のように、光学系全体
に振動を与えるようなことはない。

故に振動に依存する解像力の低★貴下が生じることも全
くない。

また、本実施例によれば、顕微鏡本体として既存の顕微
鏡を用い、この顕微鏡には何ら手を加えることなく、前
記結晶板３及び偏光板γ等を付加するのみの構或で実現
できる。

このため、製造が容易で製造コストも安くすることがで
きる。

しかも、この構成では偏光板７を交換することにより〔
ｄω一ｄε〕を容易に変えることができ、さらに偏光板
７を取り外すことにより自然光による観ノ 察も可能で
ある。

さて、本発明の実施にあたり、上記説明では結晶板３を
固定し、偏光板７を回転、若しくは振動させて偏光方向
を可変するものとした。

この場合、光学系に振動を与えることがないと云う利点
を有ｉ するが、機器構成の都合や仕様に応じて、上記
関係を逆に定めてもよいことは勿論のことである。

即ち、偏光板７を固定して、結晶板３を回転、若しくは
振動させるようにしても、同様な効果を得ることができ
る。

ノ また本発明に於いて使用される結晶（多重焦点素
子）には、等方性でない結晶、つまり一軸性、若しくは
二軸性結晶が採用される。

しかしながら、見かけ上の被写界深度を深《するには、
ｄωとｄεとの差を犬ならしめるω−ε一△ｎの大きな
テ 結晶を用いる方が好都合である。

一方、〔ｄωω 一ε ｄε〕は前記したようにｔ×〔 〕で示されω ε るから、ωとεとの積は小さい方が望ましい。

そして収差、分散等の光学的性質を考慮すると、ω、冫
εはそれぞれ大ならざる方が有利であると云える。

これらの点を鑑みて、次表に好ましい結晶例を示す。

以上、本発明に係る可変焦点顕微鏡を実施例に基づき説
明したが、本発明は上記実施例にのみ限定されるもので
はない。

例えば光源を対物レンズ２の後方位置に設けて、上記光
源と偏光板７とを離してもよく、また、光源からの光を
観察面に対して落射照明するようにしてもよい。

また偏光板に代えて、ニコルプリズムやウオラヌトンプ
リズム等の偏光プリズムを用いるようにしてもよい。

更には当然のことではあるが、赤外線領域で使用される
顕微鏡にあっては、偏光板や偏光プリズムが上記の赤外
線領域にて十分偏光動作し得るものであることが必要で
ある。

また、偏光板７と結晶板３との位置関係は相対的に定め
ればよいものであり、従っていずれの素子の回転角度を
制御してもよいことは前述した通りである。

このように本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々
変形して実施することができる。

かくして本発明によれば上記した種々格別の効果利点を
奏し、例えば露光におけるマスク合せ装置、特に真空系
やガス雰囲気系内で使用されるものに対して著しい効果
を発揮する。

しかも、観察される像に対する前記偏光方向の角度を検
出するようにすれば、試料の位置を非接触に、例えば１
μｍ以下と云う精度で極めて良好に測定できる。

故に微細距離測計としても機能し、その利点ははかり知
れない。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示す概略構成図である。 １・−・・・・鏡胴、２・・・・・・対物レンズ、３・
・・・・・一軸性結晶板、５・・・・・・光源、６・・
・・・・集光レンズ、７・一・・・−偏光板、ｇａ ，
８ｂ ， ｇ ｃ−−−−−−像平面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 顕微鏡本体の対物レンズと観察物体面との間に配設
   され光の偏光方向によって屈折率を異にする多重焦点素
   子と、この多重焦点素子と上記観察物体面との間に配設
   され該観察物体面を観察する光を直線偏光せしめる偏光
   板と、上記多重焦点素子及び偏光板の一方を回転し該多
   重焦点素子に対する入射光の偏光方向を可変する手段と
   を具備し、前記対物レンズからの距離を異にする複数の
   物体面を同時、若しくは岡別に観察するようにしたこと
   を特徴とする可変焦点顕微鏡。 ２ 前記多重焦点素子は、一軸性結晶からなるものであ
   る特許請求の範囲第１項記載の可変焦点顕微鏡。