JPS61121022A - 走査型顕微鏡撮像装置 - Google Patents

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） 本発明は撮像装置、特に観察光光量を実質的に増加させ
て光電出力信号のＳ／Ｎ比を向上させると共に、観察光
を用いて直接試料の焦点情報を検出できるように構成し
た顕微鏡ｍ像装置に関するものである。

（従来の技術） 従来、光学式走査型顕微１撮像装置が実用化されている
。この顕微１ｔＩｌｌ像装置は、微小スポット状に収束
した光束を２個の偏向器で２次元的に偏向して試料面を
高速で走査し、試料からの反射光又は透過光を７オトマ
ル等の受光素子で検出し、試料からの光学情報を電気信
号として得るように構成されている。従って、微小スポ
ット状に収束した光ビームで試料を走査する構成として
いるから迷光の発生を防止できる利点があるばかりでな
く、試料からの光学情報を電気信号として得るように構
成しているから、像の明るさやコントラスト等を電気的
に調整できると共にモニタ上で試料を観察でき、巾広い
用途を具えている。

また、撮像装置としては固体ＩＩ像素子を用いた二次元
固体撮像装置が開発され、種々の用途に用いられるよう
になってきた。この場合には試料を一杯に照明し、試料
の像を二次元固体’Ｉｎ＆装置に投影している。

一部、このような顕微鏡撮像装置では、試料の焦点情報
を自動的に検出して常に合焦状態で試料を観察できるこ
とが要求されている。しかし、従来の顕微鏡撮像装置で
は観察光の光量が少ないため観察光を用いて直接焦点検
出できず、観察用照明光源とは別に焦点検出用光源を用
いて試料からの反射光を用いて焦点検出したり、圧搾空
気を試料に吹き付けて焦点検出を行なったり、超音波を
試料面に照射し、その反射波を受けて焦点を検出する方
法等が用いられている。

（発明が解決しようとする問題点） 上述したように光学式走査型顕微ＭＩｌ像装置は多くの
利点を具えているが、試料面を光ビームで高速走査する
ため、受光素子として感度の高いフォトマルを用いなけ
ればならず、装置が大型化し且つ高価になる欠点がある
。また、偏向素子により光ビームを一定の走査速度で試
料を走査することは極めて困難であり、走査速度にムラ
が生ずる場合がある。このような場合に受光素子として
フォトマルを用いると画像に歪みが発生してしまい試料
像を正確に再現できない不都合が生じていた。

一方、固体撮像素子は感度が低いので強力な光源が必要
となり、同様に装置が大型化する欠点がある。更に、二
次元固体撮像装置は高解像度のものが得られ難く、例え
ば欠陥検査装置のような用途に対しては解像度が不足す
る欠点がある。更に、従来の顕微ｗｉｎ像装置では、試
料から発して受光素子に入射する光量が少ないため、直
接観察光を用いて焦点検出することができず、正確な焦
点検出が行なえない欠点があった。特に半導体のＩＣパ
ータンやレチクロパターンの欠陥検査を行なう場合には
、試料表面上には、多数のパターンの凹凸が形成されて
いるため、走査用光ビームを正確に合焦状態に維持して
試料の凹凸に沿って正確に走査しなければならず、正確
な焦点検出装置を具えることが強く要請されている。

（問題点を解決するための手段） 本発明の目的は上述した欠点を除去し、試料から発した
観察光の光量を実質的に増大させＳ／Ｎ比の小さい光電
出力信号を形成すると共に、試料から発したｉＱ寮光を
直接利用して焦点検出できる顕微ｍ撮像装置を提供する
ものである。

本発明による顕微ａｍ像装置は、光ビームを放射する光
源と、この光源から発する光ビームを所定の走査周波数
で主走査方向及びこれと直交する副走査方向に偏向させ
て、試料上に照射する偏向手段と、試料からの光束を集
光する対物レンズと、複数の素子が前記主走査方向に一
次元的に配列され対物レンズから発する光束を受光して
所定の読出し周波数で光電出力信号を出力するリニアイ
メージセンサと、前記リニアイメージセンサに入射する
光束の一部を受光して試料の焦点情報を検出する合焦検
出装置とを具えることを特徴とするものである。

（作　　用） 本発明は、スポット状に収束した光ビームを試料上で主
走査方向及び副走査方向に走査する２個の偏向器と、受
光素子としてリニアイメージセンサを用い、試料上での
主走査方向の走査周波数をイメージセンサの読出し周波
数のほぼ整数倍に設定し、試料の同一画素から発した光
束をイメージセンサで複数回受光させ、イメージセンサ
の電荷蓄積効果を利用して試料から発した観察光の光量
を実質的に増加させＳ／Ｎ比の高い光電出力信号を得る
と共に、更に、観察光の実質的光量増加を利用し、観察
光をリニアイメージに入射させるとともに観察光の一部
を合焦検出装置に入射させて観察光を直接利用して合焦
検出するように構成している。

（実施例） 第１図は本発明による撮像装置の一例の構成を示す線図
である。本例では試料からの反射光像と透過光像を共に
撮像できるように構成している。

レーザ光ｍ１から発した光ビームはエクスパンダ２によ
りその光束が拡げられてから直角プリズム３及び４によ
りそれぞれ直角方向に反射され、第１の偏向素子である
音響光学素子５に入射する。

この音響光学素子５は光ビームを高速振動させるもので
あり、光ビームは高速振動して試料面をＸ方向（主走査
方向〉に走査周波数ｆｔで高速走査する。音響光学素子
５により偏向された光ビームは、集束レンズ６により集
束され、リレーレンズ７、直角プリズム８．９及び１０
を経てビームスプリッタ１１に入射する。このビームス
プリッタ１１はハーフミラ−面１１ａを有しており、入
射した光ビームはこのハーフミラ−面１１ａを透過して
結像レンズ１２に入射する。この結像レンズ１２は試料
に向かう光ビームに対してはリレーレンズとして作用し
、試料から発した光ビームに対しては結像レンズとして
作用する。結像レンズ１２を出射した光ビームは第２の
偏向素子である振動ミラー１３に入射し、試料面のＸ方
向と直交するＹ方向（副走査方向）に偏向される。この
振動ミラー１３は、試料の反射光像を撮像する場合と透
過光像をｍ徴する場合とではその位置が９０°切り換わ
るように構成し、反射光像を撮像する場合にはａの位置
にあり、透過光像を撮像する場合にはｂの位置に位置す
るものとする。また、この撮動ミラー１３は、その表面
及び裏面共に全反射面を形成した構成とする。まず、試
料の反射光像を撮像する場合について説明する。位置ａ
にある振動ミラー１３で反射された光ビームは、直角プ
リズム１４．１５及び１６でそれぞれ直角方向に反射さ
れ、リレーレンズ１７を経て再び直角プリズム１８で反
射してから対物レンズ１９により微小スポット状に収束
され試料２０に入射する。

試料２０に入射する微小スポット状に収束した光ビーム
は、第１の偏向素子及び、第２の偏向素子により試料面
のＸ及びＹ方向にそれぞれ所定の周期で偏向されている
から、試料２０は微小スポット状光ビームによりＸ方向
（主走査方向）及びＹ方向（副走査方向）に所定の走査
周波数で走査されることになる。試料２０で反射された
反射光は対物レンズ１９により集光され、再び直角プリ
ズム１８．リレーレンズ１７．直角プリズム１６．１５
及び１４を経て振動ミラー４３に入射する。そして、こ
の振動ミラー１３で直角方向に反射され、結像レンズ１
２を経てビームスプリッタ１１のハーフミラ−面１１ａ
で直角方向に反射され、直角プリズム２１を経て光路切
換え装置２２に入射する。この光路切換え装置２２は直
角プリズムを光軸に対して９０’の角度だけ回転して光
路を切り換える構成とする。すなわち、直角プリズムの
反射面２２ａを入射光軸に対して４５°の角度をなす位
置に配置し、反射光像を撮像する場合にはその反射面２
２ａをａの位置に位置させ透過光像を搬像する場合には
ｂの位置に位置させる。

この切換えは駆動装置（図示せず）により直角プリズム
を光軸を中心にして９０°の角度回転させることにより
行ない、この切換え操作は振動ミラー１３の切換え動作
と連動して行なう。光路切換え装置２２に入射した光ビ
ームは直角方向に反射してからビームスプリッタ２３に
入射する。このビームスプリッタ２３は、ハーフミラ−
を光軸に対して４５″の角度傾けて配置した構成とし、
反射光は合焦検出装置２４に入射し透過光は微小スポッ
ト状に収束されてリニアイメージセンサ２５に入射する
。このリニアイメージセンサ２５は結像レンズ１２の結
像位置に配置され、試料２０からの反射光を主走査方向
の１ライン毎に受光するように各素子を試料面のＸ方向
（第１図の紙面に垂直な方向）と対応する方向に一次元
的に配列し、試料２０からの反射光を各素子により受光
して光電変換を行ない、読出し周波数ｆ２で各素子に生
じた電荷量を１ライン毎に読み出す構成とする。

次に、試料の透過光像を撮像する場合について説明する
。レーザ光源１から振動ミラー１３までの構成は反射光
像を撮像する場合と共用しているため説明を省略する。

透過光像を撮像する場合、まず振動ミラー１３及び光路
切換え装置２２をｂの位置に切り換える。結像レンズ１
２を透過して振動ミラー１３に入射した光ビームは、直
角方向に反射されペンタプリズム２６に入射し、このペ
ンタプリズム２６の２個の反射面２６ａ及び２６ｂで反
射されて直角方向に曲げられ、直角プリズム２７．リレ
ーレンズ２８、直角プリズム２９及び３０を経てコンデ
ンサレンズ３１により微小スポット状に収束され試料２
０の裏面に入射し、試料２０をＸ方向及びＹ方向に走査
する。本例ではペンタプリズム２６を用いて反射回数を
調整し反射の場合と透過の場合とで左右に逆向きの像が
形成されないように構成する。試料２０を透過した光ビ
ームは、対物レンズ１９により集光され、反射光像を撮
像する光路を経て振動ミラー１３に入射する。振動ミラ
ー１３はその裏面にも全反射面が形成されているから、
入−した透過光は裏面側の全反射面で直角方向に反射さ
れ、結像レンズ３２を透過し、直角プリズム３３及び３
４を経て光路切換え装置２２２に入射する。光路切換え
装置２２はその反射面２２ａがｂの位置にあるから、透
過光は直角方向に反射しリニアイメージセンサ２５に入
射する。

この場合にも結像レンズ３２の結像点にリニアイメージ
センサ２５が位置するように構成する。

次に合焦検出装置１２４の構成について説明する。

ビームスプリッタ２３で反射した観察光は凸レンズ４０
に入射する。この凸レンズ４０は、試料から発した観察
光をリニアイメージセンサ２５と共役の位置に結像させ
るものである。凸レンズ４０を出射した観察光はスリッ
ト板４１を通過しハーフミラ−４２に入射し、透過光は
第１の光検出器４３に入射し、反射光は第２の光検出器
４４に入射する。これらの光検出器は、第１の光検出器
４３を凸レンズ４０の結像点の前方に配置し、第２の光
検出器４４を結像点４の後方に配置する。このように構
成すれば、各光検出器４３及び４４に入射する観察光は
非合焦状態に応じて光量分布が相違するから光検出器４
３及び４４の受光面積を入射ビーム径より小さくなるよ
うに規制して光検出器からの光電出力を比較することに
より容易に合焦検出を行なうことができる。

第３図は合焦検出装置の制御回路の一例の構成を示す回
路図である。第１及び第２の光検出器４３及び４４を作
動増幅器４５に接続し、第１光検出器４３と第２光検出
器４４との受光量の差を検出してフォーカシングエラー
信号を作る。そして、このフォーカシングエラー信号を
スイッチ４６を経てサーボループ内の対物レンズ駆動回
路（図示せず）に供給し、対物レンズ１９をａ又はｂ方
向に偏移させて自動的に対物レンズ１９を合焦位置に偏
移させる。

また、本例では対物レンズ１９が合焦位置から大きくず
れて対物レンズの駆動制御ができなくなる不都合を回避
るための制御回路も設ける。すなわち。

第１及び第２の光検出器４３及び４４を加算器４７に接
続し、光検出器の光電出力の和信号を作り比較器４８の
反転出力端子に入力させ、基準電圧■と比較し、この出
力をスイッチ４６の制御端子に供給する。

対物レンズ１９が合焦位置から大きくずれると、各光検
出器に入射する光量が著しく低下するから、基準となる
同値と対応する基準電圧Ｖを比較器４８に入力させこの
同値より和信号が小さい場合には比較器４８の出力によ
りスイッチ４６をオフする。そして、スイッチ４６の共
通端子４６ａがボリューム４９と接続するように切り換
える。このボリューム４９は、電源（図示せず）に接続
され、対物レンズ１９が基準設定位置に位置するように
駆゛動出力をサーボループに供給する。そして、観察す
べき試料に応じて適切な位置にボリュームを設定する。

このように構成すれば、観察すべき試料を交換した場合
や、反射光像と透過光像を切り換える場合でも、誤動作
することなく対物レンズを駆動制御できる。

第３図は、リニアイメージセンサ２５上に投影されるビ
ームスポットとリニアイメージセンサを構成する各素子
との関係を示す平面図である。試料２０からの反射光は
イメージセンサ２５上で微小スポット状に投影されるが
、本例では投影されるビームスポット５０の径を各素子
２５ａ〜２５ｎの受光面より若干大きいスポット径とな
るように構成する。

投影されたビームスポット５０は、素子２５ａ〜２５ｎ
の配列方向であるＸ方向に偏向されるから、試料２０か
らの反射光は各素子２５ａ〜２５ｎにより順次−次元的
に受光され充電出力信号に変換される。このように構成
すれば、試料２００画素とリニアイメージセンサ２５を
構成する各受光素子とは常に１対１で対応する関係にな
るので、音響光学素子５による主走査方向の走査速度に
ムラが生じても常に各素子の受光量が変化するにすぎず
、従来の搬像装置とは異なり走査速度ムラによる画像歪
みの発　　生を有効に防止することができる。また、本
例のように試料２０からの反射光をイメージセンサ２５
の各素子の受光面より大きいスポット径として入射させ
る構成とすれば、イメージセンサ２５に対する入射光の
位置誤差を生じた場合や外乱振動に対して安定になる。

特にズームで搬影する場合には光ビームのスポット径が
変動し易すいため、ズーム撮影機能を具える搬像装置に
有効である。

第４図は、リニアイメージセンサの読出し周波数と各素
子に蓄積される電荷量との関係を示すグラフである。リ
ニアイメージセンサ２５は電荷蓄積能力を具えているか
ら、飽和電荷硲に至るまでは受光光量に応じた電荷量が
発生し、発生した電荷量を順次蓄積することができる。

第４図Ａは、リニアイメージセンサの読出し周波数ｆ２
が光ビームの主走査方向の走査周波数「１と等しい場合
、すなわち、光ビームで１回試料を走査する毎に素子に
蓄積された電荷量を読出す構成とした場合の蓄積電荷口
を示し、同図Ｂはｆｚ＝ｒＩ／２の場合、すなわち光ビ
ームで２回試料を走査してから素子にＳ積された電荷量
を読出す構成とした場合の蓄積電荷量を示し、同図Ｃは
ｒ２−ｒ＋／３の場合、すなわち光ビームで３回試料を
走査してから素子に蓄積された電荷量を読出す構成とし
た場合の蓄積電荷量を示している。

゛　　本発明ではこのイメージセンサの電荷蓄積効果を
利用し、主走査方向に光ビームを偏向するＩ！光学素子
５による走査周波数Ｃ１をリニアイメージセンサ２３の
読出し周波数［２のほぼ整数倍に設定し、試料２０から
の反射光をイメージセンサ２５で複数回受光するように
構成する。このように構成すれば、主走査方向の周波数
ｆｌをイメージセンサ２５の読出し周波数「２と等しく
設定する場合に比べ大きい光電出力信号を得ることがで
き、光電出力信号のＳ／Ｎ比が向上する。

このように本発明では、試料から発した観察光の光量を
実質的に増加することができるので、イメージセンサ２
５に入射する観察光の一部を分岐させて合焦検出装置に
入射させても光電出力信号が低減してＳ／Ｎ比が劣化す
ることがない。

第４図ではイメージセンサ２５の読出し周波数を変える
ようにしたが、これを一定とし、音響光学素子５による
走査周波数を変えるようにしても同様の効果が得られる
ことは勿論である。

次に解像度について説明する。第５図Ａは従来の光学式
走査型顕微鏡搬像装置による試料上の走査状態を模式的
に示す縮図であり、第５図Ｂは本発明による顕微鏡眼像
装置による試料上の走査状態を模式的に示す線図である
。従来の光学式走査型顕微鏡装置では、出力の小さい光
源を用いる場合には走査速度を遅くして走査線密度を小
さく設定せざるを得ず、このため走査線間に存在する光
学情報が欠落する不都合が生じていた。一方、本発明の
ように光ビームの主走査方向の走査周波数ｆ、をイメー
ジセンサ２５の読出し周波数ｆ２のほぼ整数倍となるよ
うに設定すれば、主走査速度を速くし走査線密度を高く
してもほぼ同等の大きざの光電主力信号を得ることがで
きる。この結果、光電出力信号のＳ′／Ｎ比が劣化した
り、光ビームの走査速度を遅くすることな（走査線密度
を等価的に高く設定でき、より正確に試料の光学情報を
再現することができる。特に、従来の光学式走査型顕微
鏡によりホトマスクやレチクルパターンのパターン欠陥
検査を行なう場合には、微小な欠陥が走査線間に存在し
てしまい欠陥を見逃すことが応々にしてあったので、本
発明のように走査線密度を等価的に高く設定できること
は、パターン欠陥検査装置にきわめて有効である。

次に、シェーデングの発生防止について説明する。通常
偏向した光ビームが対物レンズに入射する場合、第５図
に示すようにレンズによるシエーデング作用を受け、対
物レンズの周辺部に入射した光ビームの透過光ｍが中心
部に入射した光ビー゛ムの透過光量よりも減少してしま
う。

この結果、画像上中心部は明るく再現され、周辺部が暗
くなる不都合が生じてしまう。このような場合、ホトマ
ルで光電出力信号を作る従来の撮像装置では、偏向手段
による走査速度を機械的に変えて補正しようとすると画
像に歪みを生じてしまう。また、電気的に補正しようと
しても偏向手段による走査速度にムラがあるので一義的
に補正することは極めて困難である。これに対して本発
明では試料の画像とリニアイメージセンサを構成する各
素子とを１＝１に対応させているので、偏向手段による
走査速度を機械的に変化させて光ビームが対物レンズの
中心部に入射するときは走査速度が早くなるように設定
し、周辺部に入射するときは走査速度が遅くなるように
設定すれば、レンズによるシェーデングを機械的手段に
より補正することができ、また電気的にも対物レンズに
よるシェーデング特性を考慮して光電出力信号を増巾す
れば容易に補正することができる。

本発明は上述した実施例に限定されるものではなく幾多
の変更や変形が可能である。例えば上述した実施例では
反射光像及び透過光像を共に撮像できる構成としたが、
反射光像又は透過光像のどちらか一方だけを撮像する場
合にも適用できる。

また、合焦検出装置は上述した実施例に限定されるもの
ではなく他の合焦検出装置も適用できる。

例えばシリンドリカルレンズと、焦線間に配置され４分
割した光検出器を用いて各光検出素子から出力された、
光電出力信号を用いて合焦検出を行なう合焦検出装置も
使用できる。更に、上述した実施例では偏向手段による
主走査方向の走査周波数ｆ、をイメージセンサの読出し
周波数ｆ２の整数倍としたが、必ずも整数倍に一致させ
る必要はなく、例えばイメージセンサの読出し周波数に
対する倍率が大きい場合には整数倍とならなくても画像
上に不都合を生ずることはない。更に、偏向手段として
ポリゴンミラー等の他の任意の偏向手段を用いることも
できる。

（発明の効果） 上述した本発明の効果を要約すると以下の通りである。

（１）スポット状に収束した光ビームで試料を走査し、
リニアイメージセンサの電荷蓄積効果を利用して試料か
らの反射光又は透過光を複数回受光する構成としている
ので、Ｓ／Ｎ比の高い光電出力信号を得ることができる
と共に、走査用光源の小型化を図ることができる。

（２）受光素子としてリニアイメージセンサを用いてい
るので、試料上の画素と受光素子とが常に１対１に正確
に対応し、偏向手段により光ビームの走査速度にムラが
生じても歪みのない試料像を得ることができる。

（３）レンズやミラーによるシエーデングが生じても試
料と受光素子とを正確に対応させているので、電気的手
段又は機械的手段により容易に補正でき、画面全面に亘
って均一の明るさの試料像を得ることができる。

（４）光ビームによる主走査方向の走査周波数をイメー
ジセンサの読出し周波数のほぼ整数倍となるように設定
しているので、光ビームの走査速度を遅くすることなく
等価的な走査線密度を高くすることができ、試料の光学
情報を正確に再現できるようになり、試料の光学情報の
欠落を回避できる。特に、リニアイメージセンサは１０
００画素以上のものを得ることができるので、高解像度
の光電出力信号を容易に実現する′ことができる。

（５）合焦検出装置をリニアイメージセンサと試料との
間に配置し、リニアイメージセンサに入射する観察光の
一部を分岐させて合焦検出装置に入射させ直接観察光を
用いて焦点検出する構成としているから、正確な焦点検
出を行なうことができる。特に観察光の光量を実質的に
増加するように構成しているから十分な光量を得ること
ができ、観察像の光量が低減する不都合を生ずることは
ない。

（６）光源ととしてレーザ光源を用いれば、試料表面の
凹凸により位相差が生じ、干渉作用による明暗により試
料表面の凹凸を鮮明に映出することができる。

（７）生体試料を観察する場合、レーザ光は生体中に含
まれる微量の螢光成分を励起でき、一方リニアイメージ
センサは螢光領域にも感度を有しているので、螢光フィ
ルタを用いることなく生体像を正確に再現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による顕微鏡撮像装置の一例の構成を示
す線図、 第２図は本発明による合焦検出装置の回路構成の一例の
構成を示す回路図、 第３図はリニアイメージセンサ上に投影されるビームス
ポットと素子との関係を示す平面図、第４図へ〜Ｃはリ
ニアイメージセンサの読出し周波数と蓄積電荷量との関
係を示すグラフ、第５図Ａは従来の光学式走査型顕微鏡
搬像装置の試料上における走査線の状態を模式的に示す
線図、 同図８は本発明による顕微ｔｌｌｌｉ像装置の試料上の
走査線の状態を模式的に示す線図、 第６図は対物レンズによるシェーデング作用を示すグラ
フである。 １・・・レーザ光源　　　２・・・エクスパンダ３、　
４．　８．　９．１０．１４．１５゜１６、１８．２１
．２７．２９．３０．３３．３４・・・直角プリズム５
・・・音響光学素子　　６・・・集束レンズ７、１７．
２８・・・リレーレンズ １１、２３・・・ビームスプリッタ １２、３２・・・結像レンズ　１３・・・振動ミラー１
９・・・対物レンズ　　　２０・・・試料２２・・・光
路切換え装置　２４・・・合焦検出装置２５・・・リニ
アイメージセンサ 、２６・・・ペンタプリズム　３１・・・コンデンサレ
ンズ４０・・・凸レンズ　　　　４１・・・スリット板
４２・・・ハーフミラ−４３，４４・・・光検出器４５
・・・差動増巾器　　　４６・・・スイッチ４７・・・
加算器　　　　　４８・・・比較器４９・・・ボリュー
ム 特許出願人　　　日本自動制御株式会社第２図 第３図 ２５（ＩＪニアイメ−Ｖ上ンサノ 第４１−１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、光ビームを放射する光源と、この光源から発する光
   ビームを所定の走査周波数で主走査方向及びこれと直交
   する副走査方向に偏向させて、試料上に照射する偏向手
   段と、試料からの光束を集光する対物レンズと、複数の
   素子が前記主走査方向に一次元的に配列され対物レンズ
   から発する光束を受光して所定の読出し周波数で光電出
   力信号を出力するリニアイメージセンサと、前記リニア
   イメージセンサに入射する光束の一部を受光して試料の
   焦点情報を検出する合焦検出装置とを具えることを特徴
   とする顕微鏡撮像装置。