JPS62121417A - 液浸対物レンズ装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、′／ＶＬ浸対物レンズ装置に係り、液体媒体
の流動を防止するのに好適な液浸対物レンズ装置に関す
るものである。

〔発明の背景〕

顕微鏡観察によりＩＣパターンや磁気ヘッド等の微細な
寸法形状を０１μｍ　オーダの高精度で測定する場合、
乾燥系対物レンズよりも液浸対物レンズの方が解像力が
良いため有利となるが、液浸対物レンズでは、対物レン
ズと被観察試料（以下単に試料という）との間に油膜な
ど液体媒体を介在させることが必要になる。

従来の液浸対物レンズ装置による観察について第９図お
よび第１０図を診照して説明する。

第９図は、従来の液浸対物レンズ装置の断面図、第１０
図は、第９図の装置による試料の端部観察状態を示す説
明図である。

従来の液浸対物レンズ装置では、第９図に示すように、
対物レンズ４の先端に油などの液体媒体２ｔ−塗布して
試料１を観察するようになっている。

液体媒体２の屈折率を３４とすると、対物レンズの性能
を表わす開口数ＮＡは次式で与えられる。

ＮＡ＝ル　自ｔｔルθ　　　　・・・・・・・・・・−
・ｆｉｌＡ　　　　　　　Ｉ ただし、θ１は光軸上の物点Ｏから対物レンズ４に入射
する角度の最大値である。

ところで、顕微鏡の分解能εは、使用する光の波長をλ
として、 ｔ＝ｆ、” ＮＡ　　　　（Ｋ：定数）・川・・四・・（２）で与え
られる。

液浸対物レンズでは、液体媒体２の屈折率か＾が、乾燥
系対物レンズにおける突気の屈折率ル。

＃１にくらべて大きく、ａ、）ｒＬ、となるので、対物
レンズの分解能εは液浸系の方が乾燥系よシも優れてい
る。そこで、サブミクロン・オーダの微細な寸法形状を
顕微鏡観察する場合、液浸対物レンズの方が高精度な汲
察が可能となる。

例えば、上式でＫ　＃　０．６　、λ＝　ｏ、ｓａμｍ
とし、１００×対物レンズにおける」請θ、＝０．９３
とすると、市販されている顕微鏡用の油の屈折率−＝１
．５であるから、ε：　Ｑ、２５μｍの分解能が油浸対
物レンズにおいて得られるが、乾燥系対物レンズでは、
ε：１３７μｍとなる。

試料上の観察点が試料の平面内にある場合は、液浸対物
レンズを使う上で問題は生じないが、第１０図に示すご
とく、試料１の周辺部や端部を観察する場合は、液体媒
体２の油膜が流出してしまい、液浸観察が不可能となる
。ここで１００×対物レンズの場合、−例として、作動
距離ｄ＝　０．２３　Ｍ程度である。

なお、上記の顕微鏡の分解能や対物レンズの種類等に関
しては、例えば、筒井他２名、応用工学概論、金属出版
（昭和舗年２月）、Ｐ、８７に記載されている。

〔発明の目的〕

本発明は、前述の従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、試料端部や周辺部を顕微鏡観最する場合
でも、対物レンズ先端と試料との間に介在する液体媒体
が流出することなく、高分解能の観察を可能にする液浸
対物レンズ装置の提供を、その目的としている。

〔発明の概要〕

本発明に係るｇ浸対物レンズ装置の構成は、対物レンズ
先端と被観察試料との間に、少なくとも液体の媒体を介
在させる液浸対物レンズ装置において、前記対物レンズ
先端と前記被観察試料との間に介在させる媒体を、複数
の異質の媒体で層状に積層したものである。

なお、付記すると、対物レンズ先端と被観察試料との間
に介在させる媒体は、液体媒体中に、透明な固体により
形成された中間媒体を介入させ層状に積層するものとし
、前記液体媒体は油とし、少なくとも中間媒体と被観察
試料との間に表面張力を発生する油膜を形成せしめたも
のである。

すなわち、本発明では、液浸対物レンズの作動距離を見
かけ上小さくし、試料上の油膜厚さを減少させることに
より油膜の流出を防止している。

また、使用する液体媒体の油の粘度を大きくすることに
よシ油膜の流動を防止している。その結果、試料の端部
や周辺部についても、液浸対物レンズによシ高精度な観
察を可能にしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の各実施例を第１図ないし第８図を参照し
て説明する。

まず、第１図は、本発明の一実施例に係る液浸対物レン
ズ装置による試料端部観察状況を示す構成図、第２図は
、本発明の他の実施例に係る液浸対物レンズ装置による
開口数の改善を示す構成図である。

なお、各図において、第９図と同一符号のものは従来技
術と同等部分を示しており、対物レンズ４は外形を示し
ているが、その内容は第９図に示したレンズ構成と同じ
ものである。

第１図において、２−１．２−２は、対物レンズ４先端
と被観察試料（以下単に試料という）１との間に介在さ
せる液体媒体に係る油による油膜を示す。３は、液体媒
体中の中間媒体を構成する薄い平板状の透明な板ガラス
である。

このようＫ、本実施例では、油膜２−１．板ガラス６、
油膜２−２が層状に積層して媒体を形成している。

その装置の構成の仕方と作用を説明する。

まず、板ガラス３を油膜２−２によシ対物レンズ４に付
着させておく。一方、試料１の表面に油膜２−１を滴下
しておき、前記対物レンズ４を合焦点位置まで近づける
と、油膜２−１は中間媒体である透明ガラス３に付着す
る。このとき、油膜２−１の厚さは十分に薄くなってい
るので、油膜の表面張力により第１図のように油膜が保
持され、試料１の端部から流出することを防止できる。

したがって、従来の油浸観察では、油が流出して観察で
きなかった試料１の端部２点近傍を油浸観察することが
可能である。

一例として、対物レンズ４の作動距離を０．２３襲とし
、板ガラス３をＱ、Ｑ９ｍの板厚にすると、油膜２−１
．２−２は、各々０．０７　ｍ程度の薄さとなる。また
、対物レンズ４先端の油膜と接する直径は、例えば５Ｍ
で、板ガラス３の直径はこれより多少大きめに作ること
ができる。

油膜２−１．２−２の屈折率は異なる値をもつように別
々の油を用いることもできるが、一般的には同一の油を
用いて同じ屈折率とすることができ、例えば屈折率ル、
＝１５である。また、板ガラス６の屈折率は通常は上記
油の屈折率と同一になるような材質を選ぶことができる
が、別の屈折率とすることもできる。

油１［２−１，２−２および板ガラス５の屈折率をみな
同一のζ＝１．５とした場合には、光学的には、第９図
に示した従来の油浸対物レンズ装置と全く同じになり、
だだ板ガラス５が油膜の形状を保持しているという点の
みが異なる。

油膜と板ガラスの屈折率を異ならせた他の実施例が第２
図に示すものである。

第２図の液浸対物レンズ装置では、油膜２−１の屈折率
を相対的に大きく、例えばｎ　Ａ　＝１６とし、板ガラ
ス６′の屈折率を小さく、例えばル＝ｔ４５とする。

このように、屈折率を調整することによシ、対物レンズ
４に対する最大入射角は、第９図に示したと同じθ１に
しながら、試料１表面の光軸上の観察点Ｏから対物レン
ズ４に向う光の光軸となす最大角度θ、を、θ、〉θ１
と大きくすることにより、先に＋１１式で示した開口数
ＨＡを従来よシ大きくでき、対物レンズの分解能を従来
よシ向上させることができる。

なお、前述の第１．２図の液浸対物レンズ装置において
、板ガラス３．３′を対物レンズ４の先端に吸着または
吸着可能にすることＫよシ、油膜２−２は省くことがで
きる。

また、板ガラス３を、試料１の上に密着してのせること
を可能にすることによシ、油膜２−１を省くことができ
る。

さらに、特殊な例として、油膜２−１に、例えば粘性の
高い油を用いることができれば、板ガラス３を用いるこ
となく、油膜２−２を油膜２−１の上に直接積層するこ
とが可能である。

このとき、対物レンズ４の作動距離をｄとして、油膜２
−２の厚さは０〜ｄの間で可変であり、これに対応して
油膜２−１の厚さはｄ〜０の間で可変である。

また、さらに特殊な例として、第２図に示した層状に積
層された複数の媒体、すなわち油膜２−１．２−２、板
ガラス３′の各層のうちの一層を、空気層または真窒層
（屈折率ル＝１）とすることも可能である。

例えば、試料１に接する油膜２−１に相当する層に、屈
折率の非常に高い物質（例えばかミ２）を使い、板ガラ
ス３′に相当する層を空気層として、各層の厚さを調整
すれば、対物レンズに対する最大入射角θ、を従来と等
しくすることが可能である。

なお、第１図に示すように、試料１の表面に透明な保護
膜１−１が形成されていて、この保護膜１−１を通して
素子１−２の表面、例えばｑ点を観察するような場合も
ある。

このような場合は、保護膜１−１の膜厚を十分厚く形成
することによシ油膜部の厚さを薄くして油膜の流出を防
止することができ、板ガラス３を用いずに油浸観察を行
うことも可能である。

ところで、第１図に示すように、試料１の端部、周辺部
を観察する液浸対物レンズ装置の構成では、試料１を対
物レンズ４から遠ざけた場合、板ガラス３は、油膜の接
触面積の大きい対物レンズ４側に付着するので都合がよ
い。

しかるに、試料１の端部、周辺部を観察する第１図の場
合と違って、試料１の中央平面部を観察する第２図の例
では、板ガラス３の上下面の油膜接触面積はほぼ等しい
ので、試料１を対物レンズ４から遠ざけた場合、板ガラ
ス６が、対物レンズ４と試料１とのどちら側に付着して
残るかは一層に決まらず、試料の場所を変えて観察を継
続するのに作業性が悪くなる。

そこで、これを改善した液浸対物レンズ装置が第３図に
示すものである。

第３図は、本発明のさらに他の実施例に係る液浸対物レ
ンズ装置の構成図であシ、図中、第１図と同一符号のも
のは、同等部分であるから、その説明を省略する。

第３図に示す実施例は、液体媒体に係る油膜２−１．２
−２間Ｋ、中間媒体に係る透明な板ガラス３が介入され
ておシ、この板ガラス３はリング６に固定されている。

このリング６は、対物レンズ４の外周面に、上下方向に
特定範囲を摺動できるように装備されている。５は、リ
ング６が対物レンズ４から抜けるのを防止するストッパ
である。

リング６の内側は油膜２−２で満たされておシ、リング
６の上下動によシ板ガラス３と対物レンズ４先端との間
の油膜が途切れることがないように構成されている。

このように、中間媒体に係る板ガラス６を対物レンズ４
側に拘束することにより、第１．２図に示したような油
浸観察の作業性が著しく向上する。

次に、本発明のさらに他の実施例を第４図を参照して説
明する。

第４図は、本発明のさらに他の実施例に係る液浸対物レ
ンズ装置の構成図で、図中、第２図と同一符号のものは
同等部分であるから、その説明を省略する。

前述の第１図ないし第３図の装置では、中間媒体は平面
状の板ガラスを用いたものであるが、第４図の例は、油
膜中の中間媒体に、球面状または非平面状の板ガラス５
Ａを用いたものである。

本実施例によれば、先の実施例と同様の効果が期待され
るほか、中間媒体の介入によって生じる球面収差を改善
することも可能である。

次に、液浸対物レンズ装置による観察の具体例を第５図
ないし第８図を参照して説明する。

第５図は、第１図の装置による油浸観察例を拡大して示
す説明図、第５図は、その顕微鏡観察像、第７図は、第
５図のＬ　−Ｌ／面上の輝度信号線図、第８図は、ＴＶ
モニタ付き顕微鏡装置の構成図である。

第５図に示す油浸観察では、試料１は、表面に透明の保
護膜１−１が形成されたもので、素子１−２端部のパタ
ーン寸法形状を観察するものである。

素子１−２は、特定の点α、端部す１段差部Ｃで示され
る形状を有している。

素子１−２上の端部近傍の特定の点αに矢印のように入
射して反射した元は、保護膜１−１の端面ＭＮ上で全反
射し、矢印のように対物レンズ４に戻るため鏡像α′を
形成する。

このように、保護膜１−１の端面ＫＮで全反射させるた
めには、保護膜１−１の屈折率を油膜２−１の屈折率よ
り大きくしなければいけない。例えば、油膜２−１の屈
折率−を１５とし、保護膜１−１の屈折率町を１６３と
すれば、上記のように全反射するための臨界角は６７’
となる。

このような油浸観察を行うＴＶモニタ付顕微鏡装置の構
成を第８図に示す。

第８図において、１は試料、４は、顕微鏡の対物レンズ
で、液浸対物レンズ装置を構成している。７は、顕微鏡
の鏡筒、８は、顕微鏡に搭載したＴＶカメラ、９は信号
処理回路、１ｏは、モニタ用のディスプレイ装置である
。

第５図に示すように、液浸対物レンズ装置で観察したと
きの、顕微鏡像は第５図に示すようになり、実線の実像
パターンに対応して、破線の鏡像パターンが観察される
。

いま、第８図に示したように、液浸対物レンズ装置を備
えた顕微鏡にＴＶカメラ８を搭載し、顕微鏡画儂をディ
スプレイ装置ｌＯ上に撮し出すと、第５図のＬ　−Ｌ’
断面上の輝度信号は、第７図に示すようになり、実像と
鏡像の境界上のｂ点と、パターン段差部Ｃ点は暗いため
同図のように落ち込んだ波形形状となる。

したがってｂ　−ｃ間の距離りを、乾燥系対物レンズで
は観察することのできなかった０、１μ篤オーダの微細
な寸法まで、高精度に測定することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、試料端部や周辺部
を顕微鏡観察する場合でも、対物レンズ先端と試料との
間に介在する液体媒体が流出することなく、高分解能の
観察を可能にする液浸対物レンズ装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る液浸対物レンズ装置
による試料端部観測状況を示す構成図、第２図は、本発
明の他の実施例に係る液浸対物レンズ装置による開口数
の改善を示す構成図、第３図は、本発明のさらに他の実
施例に係る液浸対物レンズ装置の構成図、第４図は、本
発明のさらに他の実施例に係るｇ、浸対物レンズ装置の
構成図、第５図は、第１図の装置による油浸観察例を拡
大して示す説明図、第５図は、その顕微鏡観察保、第７
図は、第５図のＬ　−Ｌ’圃面上輝度信号線図、第８図
は、ＴＶモニタ付き題微鏡装置の構成図、第９図は、従
来の液浸対物レンズ装置の断面図、第１０図は、第９図
の装置による試料の端部観察状態を示す説明図である。 １・・・試料　　　　　　　２−１．２−２・・・油膜
４ｆ理人＃押＋　　／１）Ｉｌｌ　　Ｒ胴線　１　図 第３　図 Ｍ４　図 ８５図 第５図 第　７　図 第８図 第　９　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対物レンズ先端と被観察試料との間に、少なくとも
   液体の媒体を介在させる液浸対物レンズ装置において、
   前記対物レンズ先端と前記被観察試料との間に介在させ
   る媒体を、複数の異質の媒体で層状に積層したことを特
   徴とする液浸対物レンズ装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、対物レ
   ンズ先端と被観察試料との間に介在させる媒体を、屈折
   率の異なる複数の媒体で層状に積層したものである液浸
   対物レンズ装置。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項記載のもののい
   ずれかにおいて、対物レンズ先端と被観察試料との間に
   介在させる媒体は、液体媒体中に、透明な固体により形
   成された中間媒体を介入させ層状に積層するものとし、
   前記液体媒体は油とし、少なくとも中間媒体と被観察諸
   料との間に表面張力を発生する油膜を形成せしめたもの
   である液浸対物レンズ装置。 ４、特許請求の範囲第３項記載のものにおいて、液体媒
   体中の中間媒体を透明な平面状の板ガラスとしたもので
   ある液浸対物レンズ装置。 ５、特許請求の範囲第５項記載のものにおいて、液体媒
   体中の中間媒体を透明な非平面状の板ガラスとしたもの
   である液浸対物レンズ装置。 ６、特許請求の範囲第３項記載のものにおいて、液体媒
   体中の中間媒体を透明な板ガラスとし、この板ガラスを
   リングに固定し、このリングを対物レンズ先端部の外周
   に、特定範囲を摺動可能に装備したものである涎浸対物
   レンズ装置。