JPH0843017A - 走査型光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】複雑な回路構成を用いることなしに正確な高さ
測定を行なうことができる走査型光学顕微鏡を提供す
る。 【構成】光源から出た光を試料に集光する対物レンズ
と、試料からの光を検出する光検出器と、この光検出器
の前であってかつ対物レンズと共役な位置に配置された
ピンホールと、試料に集光した光をＸ方向及びＹ方向に
２次元走査する２次元走査機構と、対物レンズの焦点位
置と試料の位置を相対的にＺ方向に移動させるＺ移動回
路と、Ａ点からＸ方向へ走査を開始し、この走査が終了
した後、再びＸ方向へ走査するときは、Ａ点からＹ及び
Ｚ方向に所定の距離だけ変位したＢ点から走査を開始す
べく走査機構及び移動機構を制御するコンピュータとを
具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型光学顕微鏡に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】走査型光学顕微鏡の１つに共焦点顕微鏡
がある。共焦点顕微鏡は点状光源によって観察試料を点
状に照明し、照明された試料からの透過光または反射光
を再び点状に結像させて、ピンホール開口を有する検出
器で像の濃度情報を得る顕微鏡である。図４はその概略
図であって、点光源４０から出た光はハーフミラー４１
を通過して、収差の良く補正された対物レンズ４２によ
って試料４３上に点として結像され試料４３を照明す
る。試料４３で反射した光は再び対物レンズ４２を通っ
てハーフミラー４１で反射され集光する。集光位置には
ピンホール４４が配置され、ここを通った光は光検出器
４５で検出される。そして試料４３を、テレビのラスタ
ー走査と同じように２次元走査することによって、試料
４３の２次元画像が得られる。

【０００３】ところで点線の光は、対物レンズ４２の集
光位置からずれた位置Ａからの光を示している。この光
はピンホール４４上では集光しない。したがって、ピン
ホール４４を通過できず光検出器４５には到達しない。
すなわちこのような光学系では、対物レンズ４２の集光
位置すなわち合焦位置のみの画像を得ることが可能にな
る。

【０００４】次に、図５のように高さの異なる試料５０
を、従来の光学顕微鏡で観察する場合を考える。各面の
高さが異なるので例えばＡ面に合焦した場合はＢ面やＣ
面はぼけてしまう。したがって、Ａ、Ｂ、Ｃの全部の面
に合焦した画像を得ることは不可能であった。しかしな
がら、共焦点光学系を持つ顕微鏡の場合、Ａ面にピント
を合わせた画像を保存し、同じようにして得られたＢ
面、Ｃ面の画像を足し合わせることにより全面に合焦し
た画像が容易に得られる。実際には各画素について、明
るさの最大値を保持させればよい。

【０００５】この光学的特性を利用して試料の表面形状
を測定することができる。この場合、試料を載せたステ
ージを光軸方向に移動させながら各画素について最大強
度になるときのステージの移動量をメモリに記憶させ
る。また、最大強度を検出するために現在のステージ位
置での光強度と、ひとつ前のステージ位置での強度とを
比較する。ここで、現在のステージ位置での光強度がひ
とつ前のステージ位置での強度よりも大きい場合、現在
のステージ位置での光強度とステージの移動量がそれぞ
れメモリに記憶される。そうでない場合は、ひとつ前の
ステージ位置での強度とステージの移動量が引き続き記
憶される。以上のような方法で、試料を光軸方向に移動
させながら反射光の最大ピークを検出することで試料の
高さ情報が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】次に上記した方法によ
って、試料６０として例えば図６のように反射率の高い
物質６１の上に透明でしかも反射率が物質６１よりも低
い物質６２がのっているような試料の高さ情報を得る場
合を考えてみる。このような試料６０を光軸方向に、対
物レンズ６３の方向に移動させながら、反射強度を測定
していくと図７のようになる。まず最初に物質６２の表
面が対物レンズ６３の合焦位置に近づくにつれて反射強
度が徐々に大きくなる。そして合焦位置に一致したとき
に最大となりその後反射強度は徐々に小さくなる。ここ
で第一回目のピーク７０が発生する。さらに試料６０を
移動させ続けると、今度は物質６１が対物レンズ６３の
合焦位置に近づき再び、反射強度が徐々に大きくなる。
結果として物質６２の時と同じように２回目のピーク７
１が発生する。ここで１回目のピーク７０と２回目のピ
ーク７１の違いは、物質６１と６２の反射率の違いによ
ってピークの強度に差があるということである。当然反
射率の高い物質６１のピーク７１の方がピーク７０より
強い。このような方法で従来通りのピーク検出を行う
と、最大強度であるピーク７１が最終的に保存されるの
で、本来検出すべきピーク７０がピーク７１のために検
出できなくなってしまう。

【０００７】このように従来の走査型光学顕微鏡はピー
ク検出回路やＺ移動量メモリ等の複雑な回路構成を有し
ているにもかかわらず、試料によっては測定したい部分
のピークが検出できないため、正確な高さ測定ができな
いという問題があった。

【０００８】本発明の走査型光学顕微鏡はこのような課
題に着目してなされたものであり、その目的とするとこ
ろは、複雑な回路構成を用いることなしに正確な高さ測
定を行なうことができる走査型光学顕微鏡を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達
成するために、第１の発明に係る走査型光学顕微鏡は、
光源から出た光を試料に集光する対物レンズと、試料か
らの光を検出する光検出器と、この光検出器の前であっ
てかつ前記対物レンズと共役な位置に配置された微小開
口と、前記試料に集光した光を第１の方向及び第２の方
向に２次元走査する走査機構と、前記対物レンズの焦点
位置と試料の位置を相対的に第３の方向に移動させる移
動機構と、第１の位置から第１の方向へ走査を開始し、
この走査が終了した後、再び第１の方向へ走査するとき
は、前記第１の位置から第２及び第３の方向に所定の距
離だけ変位した第２の位置から走査を開始すべく前記走
査機構及び移動機構を制御する制御手段とを具備する。

【００１０】また、第２の発明に係る走査型光学顕微鏡
は、第１の発明に係る走査型光学顕微鏡において、前記
試料を走査して得られるデータの保存領域を、走査開始
位置が変わるごとに変更するようにする。

【００１１】また、第３の発明に係る走査型光学顕微鏡
は、第１または第２の発明に係る走査型光学顕微鏡にお
いて、前記第１の方向がＸ方向であり、第２方向がＹ方
向であり、第３方向がＺ方向である。

【００１２】

【実施例】以下に図面を参照して本発明の一実施例を詳
細に説明する。図１は一実施例の共焦点走査型光学顕微
鏡の構成を示す図である。同図において、レーザ１から
出たレーザ光はハーフミラー２を通過し対物レンズ４を
通過してステージ６上の試料５に微小なスポットに集光
する。スポットは、２次元走査機構３によってＴＶのラ
スター走査と同じように、試料５上をＸ、Ｙ方向に移動
していく。試料５から反射した光は入射した光路を逆に
戻り、ハーフミラー２で反射されてピンホール（微小開
口）７を通り光検出器８に入射する。光検出器８は試料
の反射光を電気信号に変換する。電気信号は信号処理ユ
ニット９で信号処理が施された後、画像処理ユニット１
２の画像メモリに画像データとして保存される。画像メ
モリは、例えば５１２画素×５１２画素×８ビット（２
５６階調）が用意されており、反射光の電気信号の値が
保存される。

【００１３】ステージ６の光軸方向（Ｚ方向）への移動
は、コンピュータ（制御手段）１３から命令がＺ移動回
路１１に出される。ステージ６の１回の移動ごとにコン
ピュータ１３から命令が出される。測定範囲の設定及び
各測定範囲でのステージ６の移動量の設定、画像の表示
及びシステムの制御は使用者がコンピュータ１３のモニ
タ１４で行う。また、コンピュータ１３からは２次元走
査のための命令が２次元駆動回路１０に出される。２次
元駆動回路１０とＺ移動回路１１はコンピュータ１３で
制御されているため、ＸＹＺ方向についてあらゆる組合
せの駆動ができる。

【００１４】以下に本実施例に係る高さ測定方法を図２
及び図３を参照して説明する。本実施例では図２に示す
ように、まず、第１の位置（Ａ点）から第１の方向（Ｘ
方向）へ走査を開始し、この走査が終了した後、再び第
１の方向（Ｘ方向）へ走査するときは第１の位置（Ａ
点）から第２の方向（Ｙ方向）及び第３の方向（Ｚ方
向）に所定の距離だけ変位した第２の位置（Ｂ点）から
走査を開始すべく２次元駆動回路１０及びＺ移動回路１
１を制御する。

【００１５】すなわち、図２において、試料２０は基板
２１の上に物質２２がありその上を物質２３が覆ってい
るものである。走査の開始点は、物質２３のやや上方の
Ａ点からはじまる。レーザビームはＡ点からＸ方向に予
め設定された範囲を移動していく。Ｘ方向の走査が終わ
ると、レーザビームは次の走査開始位置Ｂへ移動する。
この走査開始位置ＢはＡ点からＹ方向に少しずれた位置
へ移動するとともに、Ｚ方向についてもＡ点から物質２
３に近づいた位置になっている。ここで、Ｙ方向への移
動は２次元走査機構３で行われ、Ｚ方向への移動はＺ移
動回路１１がステージ６を駆動することによって行われ
る。

【００１６】図３（ａ）は上記動作が連続して行われた
時の様子を示している。図３（ｂ）はその時の情報を画
像化したものである。Ａ点ではレーザビームの集光位置
にレーザビームを反射するものが何もないため、Ｘ方向
への走査中は光検出器８の出力はほぼゼロである。従っ
て図３（ｂ）のように画像化した場合、一本の暗線とな
って表示される。次の走査開始位置Ｂ点においても同じ
である。ここで本実施例では、走査開始位置が変わるご
とに、画像情報を記憶する領域も変えていくため、Ｂ点
からの走査によって発生した画像情報が前回のＡ点から
の走査によって得られる画像情報に上書きされることは
ない。Ｄ点及びＦ点についても同様の結果となる。

【００１７】ステージ６の移動を続けて行うと、レーザ
ビームの走査開始点はＣ点となる。この時、レーザビー
ムは物質２３の表面で反射する。したがって光検出器８
にレーザビームが入射し所定の画像信号が発生する。し
たがってこの場合は、図３（ｂ）のように画像中に輝線
が描画される。同様にレーザビームがＥ点になったとき
も物質２２の表面で反射する。従ってこの場合も画像中
に輝線が描画される。Ｃ点とＥ点での輝線の明るさは、
物質２２、物質２３の反射率で決まる。例えば物質２２
の反射率が物質２３の反射率よりも高い場合、Ｅ点の輝
線の方がＣ点の輝線より明るく表示される。図３（ｃ）
は、図３（ｂ）のＹ方向の輝度データを表す。前述のよ
うに、Ｅ点の方がＣ点より明るくなっている。

【００１８】以上上記した実施例によれば、２次元走査
に同期してＺ駆動を行って試料の輝度情報を保存してい
く過程で、１ライン（Ｘ走査）ごとの画像データを異な
るメモリ領域に保存するようにしたのでピークを検出す
る回路やＺ方向の移動量を記憶するメモリ等の複雑な構
成を用いることなく、すべてのピークを検出する事がで
きる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、複雑な回路構成を用い
ることなしに正確な高さ測定を行なうことができるよう
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る共焦点走査型光学顕微
鏡の構成を示す図である。

【図２】本実施例の高さ測定方法を説明するための図で
ある。

【図３】本実施例の高さ測定方法によって得られるデー
タを画像化したときのようすを示す図である。

【図４】従来の共焦点走査型光学顕微鏡の構成を示す図
である。

【図５】不均一な高さを有する試料を示す図である。

【図６】試料の表面形状を測定する従来の方法の問題点
を説明するための図である。

【図７】反射率の異なる２層構成の試料を測定したとき
に得られる２つのピークを示す図である。

【符号の説明】

１…レーザ、２…ハーフミラー、３…２次元走査機構、
４…対物レンズ、５…試料、６…ステージ、７…ピンホ
ール、８…光検出器、９…信号処理ユニット、１０…２
次元駆動回路、１１…Ｚ移動回路、１２…画像処理ユニ
ット、１３…コンピュータ、１４…モニタ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から出た光を試料に集光する対物レ
   ンズと、 試料からの光を検出する光検出器と、 この光検出器の前であってかつ前記対物レンズと共役な
   位置に配置された微小開口と、 前記試料に集光した光を第１の方向及び第２の方向に２
   次元走査する走査機構と、 前記対物レンズの焦点位置と試料の位置を相対的に第３
   の方向に移動させる移動機構と、 第１の位置から第１の方向へ走査を開始し、この走査が
   終了した後、再び第１の方向へ走査するときは、前記第
   １の位置から第２及び第３の方向に所定の距離だけ変位
   した第２の位置から走査を開始すべく前記走査機構及び
   移動機構を制御する制御手段と、 を具備したことを特徴とする走査型光学顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記試料を走査して得られるデータの保
   存領域を、走査開始位置が変わるごとに変更することを
   特徴とする請求項１記載の走査型光学顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記第１の方向がＸ方向であり、第２方
   向がＹ方向であり、第３方向がＺ方向であることを特徴
   とする請求項１または２記載の走査型光学顕微鏡。