JPH06268928A

JPH06268928A - 撮像方法およびそれに使用する撮像装置

Info

Publication number: JPH06268928A
Application number: JP5049274A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Nakagiri; 伸行中桐; Hiroyuki Kondo; 洋行近藤; Yoshihiko Suzuki; 美彦鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】高分解能で像を撮像する方法および装置を提
供する。【構成】半導体からなる撮像媒体１と媒体１の表面を
走査する探針３との間に所定の電圧を印加し、この媒体
に所望の情報を有する光７を照射する。この状態で探針
３を媒体１における光７の照射領域内で走査し、探針の
媒体における位置を示す位置情報と該位置で測定された
探針と媒体との間で検出される電流値とを対応させるこ
とで、媒体に対する電流値の分布状態を表示する。そし
て、この分布状態を光７が有する情報として表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の集光度を測定する
装置やＸ線顕微鏡等に用いられる高い空間分解能を必要
とする撮像方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、撮像と同時に得られた画像をＣＲ
Ｔ等に表示する場合、撮像素子としてＣＣＤが広く用い
られていた。ＣＣＤは受光した光の強度に応じた電気信
号を出力する素子の集合体からなり、各素子から出力さ
れた信号の大きさと該素子のＣＣＤの受光面上での位置
を対応させることで、受光した光に含まれる情報（画像
等）を表示していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】撮像時の受光面内のお
ける分解能（空間分解能）を向上させるために、撮像光
として可視光よりも波長の短いＸ線を用いる場合があ
る。そのような例としてはＸ線顕微鏡が知られている
が、Ｘ線縮小投影露光装置においても実際に露光を行な
う前に投影光を直接観察する場合がある。こうしたＸ線
顕微鏡やＸ線縮小投影露光装置などのＸ線光学機器に
は、光学素子としてゾーンプレート、ウォルターミラ
ー、シュバルツシルドミラー等が使用されており、これ
らの光学素子は近年の微細精密光学技術の向上によって
空間分解能が 0.1μｍを切るところまで来ている。ま
た、Ｘ線源の一種であるレーザプラズマＸ線源では、タ
ーゲットに照射するレーザ光のターゲット上での集光径
を知ることが必要であった。

【０００４】ところが、ＣＣＤを構成する個々の素子
は、その大きさが５〜10μｍであり、ＣＣＤの空間分解
能も５〜10μｍ程度である。従って、光束が数μｍ程度
に絞られた光がＣＣＤの受光面に入射しても、ＣＣＤの
１個ないし数個の素子でしかこの光が受光されない。従
って、この場合、光の受光位置は分かってもその光の照
射領域における強度分布まで観察することはできなかっ
た。その結果、前記Ｘ線顕微鏡のようにＸ線を用いて分
解能を向上させようとしても、結局撮像素子であるＣＣ
Ｄの分解能の制約を受けてしまう。そのため、例えば、
前記レーザプラズマＸ線源におけるレーザ光の集光径を
測定する場合、このレーザ光を測定可能な大きさまでレ
ンズで拡大するか、あるいはニュートンフィルタで強度
を低下させてから写真フィルムに直接焼き付け、現像後
に拡大観察するという方法を用いていた。しかし、レン
ズで拡大する方法では拡大倍率の見積りが測定精度を決
めるため、精度を上げるためには煩雑な光学的手順を必
要と時間がかかるという問題が生じていた。また、写真
フィルムに焼き付ける方法においても、現像の処理等を
要するため時間がかかるという問題が生じていた。

【０００５】ＣＣＤよりも高い解像度を有する撮像素子
として高解像度写真フィルムが知られている。しかし、
このフィルムは感度が低いために露光時間を長くとる必
要があった。前記Ｘ線用の光学素子は、空間分解能は高
いが開口は小さいため、放射光やレーザプラズマＸ線源
というような強いＸ線源を用いた場合でも照射時間や露
光時間を長くしないと必要な強度を得ることかできなか
った。そのため、例えば、Ｘ線顕微鏡においては試料に
長時間Ｘ線を照射したことで損傷が起きたり、動く生物
試料に対しては像が得られないという問題が生じてい
た。さらに、フィルムでは現像処理を要するため目的の
像をその場ですぐに観察することができない欠点があ
る。

【０００６】また、ＣＣＤでは前記空間分解能がＣＣＤ
各素子の大きさで決まるため、分解能は一定のままであ
った。そのため、目的に応じて分解能を変えたい場合
は、前記光学素子における拡大率（倍率）を変えること
で対応していたため作業が面倒であった。また、Ｘ線顕
微鏡は、Ｘ線の大気（特に窒素）による減衰を防ぐため
に光路を所定の真空度に維持しているので、ＣＣＤや光
学素子を交換する際は真空度を再度設定しなければなら
ず、時間と手間がかかっていた。

【０００７】本発明は、このような問題を解決すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的のために、本発
明では、半導体からなる撮像媒体と該媒体の表面を走査
する探針との間に所定の電圧を印加する過程、前記撮像
媒体に所望の情報を有する光を照射する過程、前記探針
を撮像媒体における前記光の照射領域内で走査し、該探
針の撮像媒体に対する任意の位置で該探針と撮像媒体と
の間に流れる電流値を測定する過程、および前記探針の
位置を示す位置情報と該位置において測定された電流値
とを対応させて前記媒体に対する電流値の分布状態を求
めることで前記光が有する情報を表示する過程、からな
る撮像方法を提供する（請求項１）。

【０００９】そして、このために、半導体からなる撮像
媒体の表面を走査する探針、該探針を前記撮像媒体の表
面に接触させた状態で該媒体上を走査させる移動手段、
前記探針と撮像媒体との間に電圧を印加する電圧印加手
段、前記探針と撮像媒体との間で検出される電流値を測
定する電流測定手段、前記探針の撮像媒体上での位置と
該位置において前記電流測定手段で測定された電流値と
を対応させて、前記撮像媒体に対する電流値の分布状態
を表示する表示手段とで撮像装置を構成した（請求項
２）。

【００１０】

【作用】本発明は、撮像媒体と探針との間に流れる電流
を測定することでこの撮像媒体に照射されている光の強
度分布を求め、これにより光に含まれる情報（画像）を
表示するものである。図２は、本発明の撮像原理を説明
するための概略図である。以下、図２を用いて本発明の
作用を説明する。

【００１１】ｐ型半導体からなる撮像媒体２２は、その
表面が大気によって自然に酸化するので酸化膜２２ａが
形成されている。この撮像媒体２２の酸化膜２２ａ表面
に探針２１を接触させて、電源２４により探針２１と撮
像媒体２２との間に探針２１が正、撮像媒体２２が負と
なるように電圧を印加すると、撮像媒体２２の探針２１
近傍には空乏層２５が形成される。この状態で、撮像媒
体２２に対して探針２１と接触している面とは反対側の
面から、空乏層２５が形成された領域に光（可視光から
Ｘ線領域までの波長が使用できる）２６を照射すると、
空乏層２５内部では撮像媒体２２を形成する物質中の電
子が前記光を吸収して撮像媒体２２の伝導帯に励起され
る。そして、励起された電子は、探針２１と撮像媒体２
２の間に形成された電場により酸化膜２２ａをトンネル
現象によって通り抜けて探針２１に流れ込む。つまり、
撮像媒体２２の空乏層２５が形成された領域に光２６が
照射されることで、探針２１と撮像媒体２２との間に電
流が流れることになる。探針２１と撮像媒体２２との間
に流れる電流の大きさは照射された光の強度に比例し、
強度が大きい程多くの電流が流れる。従って、探針２１
と撮像媒体２２との間に流れる電流を電流測定手段（電
流計）２６で測定すれば、その結果をもとに照射された
光の強度を求めることができる。また、空乏層２５が形
成されていない部分に光２６が照射されて電子が励起さ
れても、この電子はすぐにｐ型半導体からなる媒体２２
内のホール（正孔）と結合するため探針２１と撮像媒体
２２との間に電流（トンネル電流）が流れることはな
い。つまり、探針２１との接触部近傍の空乏層２５が形
成された領域についてだけ、照射された光の強度を測定
することができる。この空乏層２５は探針２１が撮像媒
体２２表面を面方向に移動すると探針２１に追随して移
動する。従って、撮像媒体２２の光が照射された領域で
探針２１を媒体２２と接触させながら走査し、探針２１
の走査位置とその位置における前記電流の大きさを測定
すれば、撮像媒体２２に照射された光２６の強度分布が
求まる。この照射された光の強度分布は該光に含まれる
情報（画像）に依存しているので、得られた強度分布を
撮像結果とすることができる。従って、写真フィルムの
ように現像処理を行なうことなく、その場で目的の像を
観察することが可能となる。例えば、Ｘ線顕微鏡におい
ては、試料を透過したＸ線を撮像媒体２２に照射する
と、このＸ線は試料を透過した部分により強度が異な
る。従って、照射されたＸ線の強度分布を求めてこれを
表示することで試料の画像を得ることができる。

【００１２】撮像媒体に空乏層が形成される領域（広
さ）は、探針先端部の半径の大きさ（先端の鋭さ）に依
存する。つまり、探針先端部の半径が大きい場合は前記
領域が広くなり、小さい場合は狭くなる。探針先端部の
半径は0.01〜0.1 μｍとすることが可能であり、この場
合、空乏層が形成される領域（広さ）は約0.02〜0.5 μ
ｍとなる。そのため、探針先端の半径に応じて電流を測
定する測定点の間隔を前記空乏層が形成される領域に対
応して設定すれば、前記空間分解能が１μｍ以下という
高精度で光の強度分布を求めることが可能となる。そし
て、分解能を高くしたい時は探針の先端部の半径を小さ
く（鋭く）して空乏層が形成される領域を小さくし、走
査の際にこの探針と撮像媒体間に流れる電流の測定点の
間隔を狭くすればよい。この場合、高精度での撮像が可
能となる。一方、これと逆に分解能が低くても構わない
時は、探針の先端部の半径を大きくして空乏層が形成さ
れる領域を大きくし、測定点間の間隔を広くすればよ
い。この場合は撮像速度を速めることが可能となる。こ
のように、先端部の半径が異なる探針を適宜選択して使
用することで、「撮像媒体に照射された光」が含む画像
に対する空間分解能を変えることができる。撮像媒体の
キャリア濃度を変えることでも空乏層が形成される領域
を変えることができる。すなわち、キャリア濃度が高い
場合は空乏層が形成される領域は小さくなり、キャリア
濃度が低い場合は大きくなる。また、探針と撮像媒体と
の間に印加する電圧の大きさによっても空乏層の形成さ
れる領域は変化する。この場合、電圧を大きくすると領
域も大きくなり、電圧を小さくすると領域も小さくな
る。このように、本発明では、探針の先端部の半径また
は撮像媒体のキャリア濃度あるいは探針と撮像媒体との
間に印加する電圧の大きさを変えることで撮像時の空間
分解能を調節することが可能である。

【００１３】撮像媒体表面で撮像結果が得られる領域
（光の強度分布が求まる領域）は、探針を撮像媒体表面
を走査する領域により決まる。そのため、探針の走査領
域を適宜設定することで任意の部分の撮像結果を観測す
ることが可能である。つまり、光が照射された領域内の
適当な範囲を選択してその範囲における光の強度分布を
求めればよい。

【００１４】探針の走査中は、この探針を常に軽く撮像
媒体表面に接触させておくと精度よく電流を測定するこ
とができ、前記光の強度分布の精度も向上する。そのた
めには、探針の支持にバネを用いるとよい。この場合、
走査によって探針と撮像媒体との接触部が摩耗しないよ
うに、前記バネのバネ定数はできるだけ小さくすること
が望ましい。このような探針の支持方法として、原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ）等で使用されている、探針とこれを
支持する支持部（レバー）とが一体化されたマイクロカ
ンチレバーを用いることができる。このレバーは、半導
体製造技術であるフォトリソグラフィ技術により製造す
ることが可能である。これにより、探針の走査中常に微
弱な力で探針を撮像媒体表面に接触させておくことがで
きる。

【００１５】なお、本発明で使用する撮像媒体は、消去
過程を行わずに何回でも使用することができる。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示す撮像装置の
概略構成図である。この撮像装置は、撮像媒体１を載置
するホルダ（図示せず）と板バネ状のカンチレバー２、
このレバー２の先端に設置された導電性を有する探針
３、撮像媒体１と探針３との間に電圧を印加する電圧印
加手段４、媒体１と探針３との間に流れる電流の大きさ
を測定する電流測定手段５、探針３をＸＹＺ方向に移動
させるＰＺＴアクチュエータ６、ＰＺＴアクチュエータ
６を所定の方向に駆動制御すると共に撮像媒体１上での
探針３の位置（測定箇所）とその位置での電流測定手段
５による測定結果とを対応させて撮像媒体１に照射され
た光７の強度分布を求める処理手段８、および処理手段
８で得られた強度分布を光７に含まれる画像として表示
するＣＲＴ９とを備えている。

【００１７】撮像媒体１は、比抵抗が 0.01 〜 100Ωcm
のｐ形シリコン半導体からなり、エッチングにより光７
の受光面（撮像領域）１ａの面積が９mm²、厚さが３μ
ｍとなるように作製した。この撮像媒体１は、表面の滑
らかな方が探針３側となるように前記ホルダに載置され
る。カンチレバー２とその先端に設けられた探針３は、
リソグラフィイ技術を用いて作製した。レバー２は、長
さ 300μｍ、バネ定数が 0.1Ｎ／ｍとなるようにした。
また、探針３はその先端の半径が0.01〜 0.1μｍとなる
ように作製した。レバー２はレバー支持部（図示せず）
を介してＰＺＴ（ピエゾ素子）アクチュエータ６に取り
付けてある。このアクチュエータ６は、例えば、チュー
ブスキャナ型と呼ばれる図３に示すような構成とするこ
とができる。このチューブスキャナ型のアクチュエータ
は、円筒状の圧電セラミックスの外周面にＸ方向走査用
の圧電素子に対する電極３１ａ、３１ｂおよびＹ方向走
査用の圧電素子に対する電極３２ａ、３２ｂが、それぞ
れＸ方向同士、Ｙ方向同士で対向するように設けられて
いる。また、圧電セラミックスの内周面には、これら各
電極３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂに対する共通電極
３３が設けられている。そして、Ｘ、Ｙ方向に走査する
時は、それぞれの方向の電極と共通電極３３との間に電
圧を印加すればよい。また、Ｚ方向に移動させる時は、
Ｘ、Ｙ両方向の圧電素子を用い互いに向かい合う電極に
正か負のどちらか一方の電圧をＸ、Ｙ双方の電極と共通
電極３３と間に印加することで、素子をＺ方向に伸縮さ
せればよい。本実施例では、このようなＰＺＴアクチュ
エータ６により、撮像媒体１に光７が照射された領域１
ａで探針３を任意の範囲で走査させることができる。

【００１８】また、本実施例の撮像装置には、レバー２
の曲がり具合（探針３の変位）を測定する探針変位測定
系を設けてある。この探針変位測定系は、探針３を一定
圧力で撮像媒体１表面に接触させる時に使用する。この
探針変位測定系は、カンチレバー２の探針３の近傍に設
けられた反射面２ａに測定光１０を照射する光源（図示
せず）、反射面２ａで反射した測定光１０を検出するた
めの光検出手段１１、およびこの光検出手段１１の出力
からカンチレバー２のたわみ量を検出してこのたわみ量
が所定量となるよう（光検出手段１１の出力がある値と
なるよう）に処理手段８を介してＰＺＴアクチュエータ
６をＺ方向に駆動させるＺ方向制御手段１２により構成
されている。この探針変位測定系は、サブナノメートル
の分解能を有することが望ましい。このような測定系と
しては、本実施例で用いたレバー２の反射面２ａに測定
光１０を照射する構成の他に、反射面２ａへの照射光と
その反射光とを干渉させて探針３の変位を測定する構成
や、レバー２の背面にＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）
の探針を配置してこのＳＴＭの探針とレバー２との間に
流れるトンネル電流を測定して変位を測定する構成等を
用いることができる。なお、このような探針変位測定系
は、撮像中、常に探針３を一定の力で媒体１表面に接触
させておくことができるならば設けなくてもよい。

【００１９】ここで、本実施例の撮像装置を用いた撮像
過程について説明する。まず、撮像媒体１を表面の滑ら
かな方が探針３側となるように前記ホルダに載置する。
そして、探針３を撮像媒体１の表面に接触させておく。
その際、アクチュエータ６を駆動してカンチレバー２を
Ｚ方向に移動させると共に前記探針変位測定系を用いて
探針３が撮像媒体１に接触したことを検出し、さらに接
触した位置から５μｍ撮像媒体１側（Ｚ方向）にカンチ
レバー２を移動させた。この時、探針３と媒体１の間に
働く力は約 0.5μＮ（マイクロニュートン）となった。
そして、この状態で探針３を媒体１上で走査させると、
探針３はドリフト等の影響をほとんど受けず、撮像媒体
１から離れることはなかった。このことを確認した後、
探針変位測定系の光源を消して測定光１０の照射を止
め、この測定光１０が撮像時にノイズとして影響を与え
ないようにした。

【００２０】次に、情報（画像）を含んだ光７を、探針
３と接触する面の反対側から撮像媒体１に照射する。こ
の光７は、例えば、Ｘ線顕微鏡においては、試料を透過
して結像用光学系により集光されたものである。そし
て、光７を照射させたまま電圧印加手段４により探針３
と媒体１との間に１〜３Ｖの電圧を印加すると共に、処
理手段８によりアクチュエータ６を駆動してカンチレバ
ー２を移動させることで、このレバー２の先端に設置さ
れた探針３を媒体１上で走査させる。探針３が走査する
範囲は処理手段８により設定される。そして、ＰＺＴア
クチュエータ６はこの設定に基づいて探針３が所定の範
囲内で走査されるようにカンチレバー２を移動させる。
本実施例では前記探針変位測定系を用いてレバー２のた
わみ量が一定となるように制御されており、探針３は常
に一定圧力で媒体１上を走査する。電流測定手段５は、
あらかじめ設定された測定位置における探針３と媒体１
との間を流れる電流を測定し、その結果を処理手段８に
出力する。処理手段８は、電流測定手段５から入力した
電流値と、この値が測定された媒体１における探針３の
位置から媒体１に照射されている光７の強度分布を求
め、この結果をＣＲＴ９に出力する。ＣＲＴ９は、処理
手段８から送られた光の強度分布を光７が含む情報（画
像）として表示する。本実施例の場合、探針３の先端の
半径は0.01〜0.1μｍとしてあり、この探針３と媒体１
との間に１〜３Ｖの電圧を印加してある。この時、媒体
１に形成される空乏層の領域（広さ）は約0.02〜0.5 μ
ｍとなる。そして、処理手段８により、探針３と媒体１
との間に流れる電流を測定する測定点の間隔を前記空乏
層が形成される領域に対応して設定することで、光の強
度分布を１μｍ以下の空間分解能で求めることができ
た。

【００２１】なお、探針３を走査する移動速度および走
査範囲は、移動手段であるＰＺＴアクチュエータ６用駆
動電源（図示せず）に入力する走査信号（３角波）の周
波数と振幅を変えることで設定した。また、この走査信
号に所定の電圧をバイアス電圧として印加することによ
り、光７が照射された領域内における所望の範囲を撮像
することも可能である。

【００２２】このように、本実施例で用いた撮像装置は
分解能が高いため、例えば、Ｘ線顕微鏡の撮像装置とし
て用いた場合はＸ線の分解能を損なうことなく撮像する
ことができる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、照射さ
れた光の領域が数ミクロン程度と小さい場合でも、この
照射領域内の光の強度分布を精度よく観察できる。その
ため、分解能が高い撮像手段を提供することが可能とな
る。また、本発明では、写真フィルムのように現像処理
を行なう必要がないため、その場で目的の像を観察する
ことが可能である。

【００２４】さらに、本発明をＸ線顕微鏡の撮像装置と
して用いると、このＸ線光学系に用いる光学素子の倍率
を低く設定することができる。そのため、Ｘ線光学系の
長さを短くすることができ、顕微鏡全体の小型化が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の一実施例である撮像装置の構成を
示す概略図である。

【図２】は、本発明の撮像方法の原理を説明するための
もので、撮像媒体と探針との接触部を拡大した概略図で
ある。

【図３】は、移動手段として用いたチューブスキャナ型
のアクチュエータの構成を示す斜視図である。

【主要部分の符号の説明】

１撮像媒体２カンチレバー３探針４電圧印加手段５電流測定手段（電気量測定手段）６ＰＺＴアクチュエータ（移動手段）７光（可視光あるいはＸ線）８処理手段９ＣＲＴ（表示手段）１０測定光１１光検出手段１２Ｚ方向制御手段２１探針２２撮像媒体２４電圧印加手段２５空乏層２６光２７電圧印加手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体からなる撮像媒体と該媒体の表面
を走査する探針との間に所定の電圧を印加する過程、前記撮像媒体に所望の情報を有する光を照射する過程、前記探針を撮像媒体における前記光の照射領域内で走査
し、該探針の撮像媒体に対する任意の位置で該探針と撮
像媒体との間に流れる電流値を測定する過程、および前
記探針の位置を示す位置情報と該位置において測定され
た電流値とを対応させて前記媒体に対する電流値の分布
状態を求めることで前記光が有する情報を表示する過程
からなることを特徴とする撮像方法。
【請求項２】半導体からなる撮像媒体の表面を走査す
る探針、該探針を前記撮像媒体の表面に接触させた状態で該媒体
上を走査させる移動手段、前記探針と撮像媒体との間に電圧を印加する電圧印加手
段、前記探針と撮像媒体との間で検出される電流値を測定す
る電流測定手段、前記探針の撮像媒体上での位置と該位置において前記電
流測定手段で測定された電流値とを対応させて、前記撮
像媒体に対する電流値の分布状態を表示する表示手段と
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項３】請求項１記載の撮像方法において、前記
探針の先端の半径を変えることで前記情報を表示する際
の分解能を調整することを特徴とする撮像方法。
【請求項４】請求項１記載の撮像方法において、前記
撮像媒体である半導体のキャリア濃度を変えることで前
記情報を表示する際の分解能を調整することを特徴とす
る撮像方法。