JPH11218682A

JPH11218682A - レーザ走査顕微鏡

Info

Publication number: JPH11218682A
Application number: JP1761698A
Authority: JP
Inventors: Yoji Nishiyama; 陽二西山; Takashi Fuse; 貴史布施; Yoshitaka Oshima; 美隆大嶋; Fumiyuki Takahashi; 文之高橋; Hiroyuki Tsukahara; 博之塚原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 1999-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＳＩチップなどの微細な製品の表面形状の計
測や観察などを行う場合に使用するレーザ走査顕微鏡に
関し、レーザ光の試料に対する入射光軸方向の結像位置
と試料との距離を変えるにあたり、光学系又は試料の機
械的移動を不要とし、試料の表面形状の計測の高速化を
図る。【解決手段】レーザ光２３を偏向する手段として音響光
学偏光子２４を設け、音響光学偏光子２４に周波数が低
から高に線形的に時間変化する駆動信号を印加し、１次
回折光２７の偏向角を小から大に線形的に時間変化さ
せ、１次回折光２７の試料２０に対する入射光軸方向の
結像位置を一定として１次回折光２７で試料２０の表面
を走査し、試料２０の表面を走査するごとに駆動信号の
周波数の時間変化率を変化させて走査を繰り返す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＳＩチップなど
の微細な製品の表面形状の計測や観察などを行う場合に
使用するレーザ走査顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１９は従来のレーザ走査顕微鏡の一例
の要部の概念図である。図１９中、１は試料、２はレー
ザ光源、３はレーザ光源２から出力されたレーザ光、４
はハーフミラーである。

【０００３】また、５はハーフミラーを通過したレーザ
光３を偏向する可動ミラーからなる偏向素子、６は偏向
素子５により偏向されたレーザ光３をスポット状に絞り
込んで試料１の表面に垂直に照射する複数のレンズから
なる走査光学系である。

【０００４】また、７はハーフミラー４で反射された試
料１からの戻り光８を集光させるための複数のレンズか
らなる受光光学系、９はピンホール１０を有するピンホ
ール板、１１はピンホール１０を通過した戻り光を受光
する受光素子である。

【０００５】このように構成された従来のレーザ走査顕
微鏡においては、レーザ光源２から出力されたレーザ光
３は、ハーフミラー４、偏向素子５及び走査光学系６を
介して試料１の表面に照射され、試料１の表面からの戻
り光８は、走査光学系６及び偏向素子５を戻り、ハーフ
ミラー４で反射してピンホール板９に達し、ピンホール
１０を通過した戻り光のみが受光素子１１で受光される
ことになる。

【０００６】ここに、ピンホール板９は、試料１の表面
のレーザスポットの像が結像される位置に配置されてお
り、この結果、ピンホール板９は、試料１の表面にピン
トのずれがなくスポット状に照射されたレーザ光３の戻
り光８についてはピンホール１０を通過させることにな
るが、試料１の表面にピントがずれてスポット状に照射
されたレーザ光３の戻り光８については、殆ど通過させ
ないことになる。

【０００７】即ち、試料１の表面にピントのずれがなく
スポット状に照射されたレーザ光３の戻り光８は、受光
素子１１に受光されることになるが、試料１の表面にピ
ントがずれてスポット状に照射されたレーザ光３の戻り
光８は、受光素子１１に殆ど受光されないことになるの
で、レーザ光３で試料１の表面を走査する場合には、試
料１の表面の一定の高さ部分の像のみを得ることができ
る。

【０００８】そこで、たとえば、試料１をレーザ光３に
よる走査方向と直交する方向に移動させるごとに、光学
系の一部又は全部あるいは試料１を機械的に入射光軸方
向に繰り返して移動し、試料１に対する入射光軸方向の
レーザ光３の結像位置と試料１との距離を変えるように
して、レーザ光３で試料１の表面を走査し、受光素子１
１によって戻り光８を観測することにより、試料１の表
面形状を計測することができることになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、図１９に
示す従来のレーザ走査顕微鏡においては、レーザ光３の
試料１に対する入射光軸方向の結像位置と試料１との距
離を変えるにあたり、光学系の一部又は全部あるいは試
料１を機械的に繰り返して移動する必要があり、試料１
の表面形状を計測するために多くの時間を必要としてし
まうという問題点があった。

【００１０】本発明は、かかる点に鑑み、レーザ光の試
料に対する入射光軸方向の結像位置と試料との距離を変
えるにあたり、光学系又は試料の機械的移動を不要と
し、試料の表面形状の計測の高速化を図ることができる
ようにしたレーザ走査顕微鏡を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明中、第１の発明
（請求項１記載のレーザ走査顕微鏡）は、レーザ光源
と、レーザ光源から出力されるレーザ光を偏向する偏向
手段と、偏向手段から出力されるレーザ光を試料の表面
上にスポット状に絞り込む光学系とを備えるレーザ走査
顕微鏡において、偏向手段として、レーザ光源から出力
されるレーザ光が入射される音響光学偏向子と、周波数
が時間変化する駆動信号を音響光学偏向子に与えると共
に、駆動信号の周波数の時間変化率を変化させることが
できる音響光学偏向子駆動手段とを備えている、という
ものである。

【００１２】本発明中、第１の発明によれば、音響光学
偏向子に対して、周波数が時間変化する駆動信号を与え
ることができるので、音響光学偏向子に入射されるレー
ザ光を回折させて偏向し、音響光学偏向子から回折され
て偏向されるレーザ光で試料の表面を走査することがで
きる。

【００１３】そして、また、音響光学偏向子に対して与
える周波数が時間変化する駆動信号の周波数の時間変化
率を変化させることができるので、走査ごとに、駆動信
号の周波数の時間変化率を変化させる場合には、走査ご
とに、レーザ光の試料に対する入射光軸方向の結像位置
を変化させてレーザ光で試料の表面を走査することがで
きる。

【００１４】したがって、走査ごとに、レーザ光の試料
に対する入射光軸方向の結像位置を変化させてレーザ光
で試料の表面を走査し、試料からの戻り光のスポットの
状態を観測することで、試料の表面形状を計測すること
ができる。

【００１５】本発明中、第２の発明（請求項２記載のレ
ーザ走査顕微鏡）は、第１の発明において、試料の表面
からの戻り光が形成するスポットの光強度から試料の表
面に形成されているレーザスポットの径を計測するレー
ザスポット径計測手段を備えている、というものであ
る。

【００１６】本発明中、第３の発明（請求項３記載のレ
ーザ走査顕微鏡）は、第２の発明において、レーザスポ
ット径計測手段は、シャッタを備え、戻り光のスポット
が受光面に結像される画像センサと、戻り光のスポット
の中心が画像センサの画素の受光部の中心を通過する瞬
間、シャッタが開状態となるように、シャッタを制御す
るシャッタ制御手段とを備えて構成されている、という
ものである。

【００１７】本発明中、第４の発明（請求項４記載のレ
ーザ走査顕微鏡）は、第２の発明において、レーザスポ
ット径計測手段は、戻り光のスポットがフィルタ面に結
像される二次元フィルタと、二次元フィルタを通過した
戻り光が入射される光センサと、戻り光のスポットの中
心が二次元フィルタの画素のフィルタ部の中心を通過す
る瞬間、当該画素が開状態となるように二次元フィルタ
を制御する二次元フィルタ制御手段とを備えて構成され
ている、というものである。

【００１８】本発明中、第５の発明（請求項５記載のレ
ーザ走査顕微鏡）は、第１の発明において、試料の表面
からの戻り光が形成するスポットの光密度から試料の表
面におけるレーザスポットの径を計測するレーザスポッ
ト径計測手段を備えている、というものである。

【００１９】本発明中、第６の発明（請求項６記載のレ
ーザ走査顕微鏡）は、第５の発明において、レーザスポ
ット径計測手段は、戻り光のスポットが受光面に結像さ
れるフォトダイオードを備え、入射光量が同一の場合の
フォトダイオードの光密度対出力電流特性を利用するよ
うに構成されている、というものである。

【００２０】本発明中、第７の発明（請求項７記載のレ
ーザ走査顕微鏡）は、第１、第２、第３、第４、第５又
は第６の発明において、音響光学偏向子駆動手段は、駆
動信号を発生させるための電圧制御発振器を備え、電圧
制御発振器には、入力電圧対周波数特性が有する歪み特
性と逆特性の歪み特性を有する入力電圧が与えられる、
というものである。

【００２１】本発明中、第７の発明によれば、電圧制御
発振器から周波数が線形的に時間変化する駆動信号を出
力させることができるので、レーザ光の試料に対する入
射光軸方向の結像位置の一定化及び走査速度の一定化を
図り、走査歪みをなくすことができる。

【００２２】本発明中、第８の発明（請求項８記載のレ
ーザ走査顕微鏡）は、第１、第２、第３、第４、第５又
は第６の発明において、各時刻における試料表面のレー
ザスポットの位置を予め計測して取得したレーザスポッ
ト位置データを使用して試料の表面形状の計測データを
補正する補正手段を備えている、というものである。

【００２３】本発明中、第８の発明によれば、各時刻に
おける試料表面のレーザスポットの位置を予め計測して
取得したレーザスポット位置データを使用して試料の表
面形状の計測データを補正することができるので、試料
の表面形状の計測の精度を高めることができる。

【００２４】本発明中、第９の発明（請求項９記載のレ
ーザ走査顕微鏡）は、第１、第２、第３、第４、第５、
第６、第７又は第８の発明において、音響光学偏向子と
して、レーザ光源から出力されるレーザ光を第１の方向
に偏向する第１の音響光学偏向子と、超音波の伝搬方向
を前記第１の方向と直交する方向とされ、第１の音響光
学偏向子から出力される１次回折光が入射される第２の
音響光学偏向子とを備えている、というものである。

【００２５】本発明中、第９の発明によれば、試料の表
面に形成するレーザスポットの形状を円にすることがで
きるので、試料の表面からの戻り光が形成するスポット
の状態の観測を容易に行うことができる。

【００２６】本発明中、第１０の発明（請求項１０記載
のレーザ走査顕微鏡）は、第９の発明において、音響光
学偏向子駆動手段は、第２の音響光学偏向子から出力さ
れる１次回折光が試料の表面のみを走査するように第
１、第２の音響光学偏向子を駆動する、というものであ
る。

【００２７】本発明中、第１０の発明によれば、不必要
な走査を行わないようにすることができるので、試料の
表面形状の計測の更なる高速化を図ることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図１８を参照して、
本発明の第１実施形態〜第４実施形態について、本発明
を落射型レーザ走査顕微鏡に適用した場合を例にして説
明する。

【００２９】第１実施形態・・図１〜図１２図１は本発明の第１実施形態の要部の概念図であり、図
１中、２０は試料、２１は試料２０を水平に保持する可
動ステージ、２２は平行光とされたレーザ光を発生する
レーザ光源、２３はレーザ光源２２から出力されたレー
ザ光である。

【００３０】また、２４はレーザ光源２２から出力され
たレーザ光２３を偏向する偏向手段をなす音響光学偏向
子（ＡＯＤ）、２５は音響光学偏向子２４に駆動信号を
印加する音響光学偏向子駆動手段をなす電圧制御発振器
（ＶＣＯ）である。

【００３１】また、２６は音響光学偏向子２４から出力
される１次回折光２７をスポット状に絞り込んで試料２
０の表面に垂直に照射する走査光学系であり、２８、２
９、３０は凸レンズである。

【００３２】なお、凸レンズ２８、２９、３０の焦点距
離をそれぞれｆ₁、ｆ₂、ｆ₃とすると、音響光学偏向子
２４と凸レンズ２８との間隔はｆ₁、凸レンズ２８と凸
レンズ２９との間隔はｆ₁＋ｆ₂、凸レンズ２９と凸レン
ズ３０との間隔はｆ₂＋ｆ₃とされている。

【００３３】また、３１は試料２０からの戻り光３２を
反射するために凸レンズ２８と凸レンズ２９との間に配
置されたハーフミラー、３３はハーフミラー３１で反射
された戻り光３２を集光して試料２０の表面に形成され
たレーザスポットの大きさを再現するための受光光学系
である。

【００３４】また、３４は試料２０の表面に形成された
レーザスポットの径の大きさを戻り光３２のレーザスポ
ットの径の大きさから計測するレーザスポット径計測手
段をなす画像センサであるシャッタを備えたＣＣＤセン
サである。

【００３５】また、３５は電圧制御発振器２５から出力
する駆動信号の周波数制御や、ＣＣＤセンサ３４のシャ
ッタ制御などを行うと共に、電圧制御発振器２５に与え
る制御電圧の値から１次回折光２７の走査位置を判断
し、この１次回折光２７の走査位置とＣＣＤセンサ３４
の出力信号とから試料２０の表面形状を演算する制御・
演算手段、３６は制御・演算手段３５が演算した試料２
０の表面形状を表示する表示手段である。

【００３６】図２は音響光学偏向子２４の概念図であ
り、この音響光学偏向子２４は、二酸化テルル等からな
る音響光学媒体４０の一端及び他端にそれぞれ圧電素子
４１及び吸音材４２を接着し、圧電素子４１に電圧制御
発振器２５からの駆動信号を印加して圧電素子４１を超
音波振動させ、圧電素子４１により発生する超音波４３
が音響光学媒体４０を一端から他端に向かって伝搬する
ように構成されている。なお、４４は０次回折光を示し
ている。

【００３７】ここに、音響光学媒体４０に対する入射レ
ーザ光２３の波長をλ、音響光学媒体４０内の超音波の
周波数をｆ、音響光学媒体４０内の音速をｖとすると、
入射レーザ光２３をブラッグ角αで入射させた場合、１
次回折光２７の回折角θは、数１に示すようになる。

【００３８】

【数１】

【００３９】したがって、圧電素子４１に対して、例え
ば、図３に示すように周波数が低から高に線形的に時間
変化する駆動信号を印加すると、１次回折光２７の偏向
角θを小から大に線形的に時間変化させ、図２上、１次
回折光２７を左側から右側に連続的に偏向させ、走査光
学系２６と相まって、１次回折光２７の試料２０に対す
る入射光軸方向の結像位置を一定として１次回折光２７
で試料２０の表面を走査することができることになる。

【００４０】なお、電圧制御発振器２５の入力電圧対周
波数特性が図４（Ａ）に示すように線形的である場合に
は、電圧制御発振器２５に対して図４（Ｂ）に示すよう
に次間変化に対して線形的に変化する入力電圧を印加す
る場合には、電圧制御発振器２５から入力電圧の時間変
化に対して周波数が線形的に変化する駆動信号を出力さ
せることができ、１次回折光２７の試料２０に対する入
射光軸方向の結像位置の一定化及び走査速度の一定化を
図り、走査歪みをなくし、試料２０の表面形状の計測の
精度を高めることができる。

【００４１】これに対して、電圧制御発振器２５の入力
電圧対周波数特性が図５（Ａ）に示すように非線形的で
ある場合には、電圧制御発振器２５に対して図５（Ｂ）
に示すように、電圧制御発振器２５の入力電圧対周波数
特性が有する歪み特性と逆特性の歪み特性を有する制御
電圧を印加する場合には、電圧制御発振器２５から入力
電圧の時間変化に対して周波数が線形的に変化する駆動
信号を出力させることができ、１次回折光２７の試料２
０に対する入射光軸方向の結像位置の一定化及び走査速
度の一定化を図り、走査歪みをなくし、試料２０の表面
形状の計測の精度を高めることができる。

【００４２】また、電圧制御発振器２５の入力電圧対周
波数特性を計測することなく、各時刻における試料２０
における表面のレーザスポット位置を予め計測してレー
ザスポット位置データを取得しておき、このレーザスポ
ット位置データを使用して、試料２０の表面形状の計測
データを制御・演算手段３５で補正する場合にも、試料
２０の表面形状の計測の精度を高めることができる。

【００４３】図６は圧電素子４１に対して図３に示すよ
うに周波数が低から高に線形的に変化する駆動信号を印
加した場合に発生する音響光学偏向子２４の円筒凹レン
ズ効果を説明するための図である。

【００４４】即ち、圧電素子４１に対して図３に示すよ
うに周波数が低から高に線形的に時間変化する駆動信号
を印加し、圧電素子４１により発生させる超音波４３の
周波数ｆを低から高に連続的に時間変化させる場合に
は、音響光学媒体４０内の超音波４３の周波数ｆは、圧
電素子４１に近い位置では、より最近の周波数である高
い周波数、圧電素子４１から遠い位置では、より以前に
発生した周波数である低い周波数となる。

【００４５】したがって、入射レーザ光２３の光束の両
端では僅かに回折角が異なることになるので、１次回折
光２７は、僅かな広がり（θ〜θ＋ｄθ）を持った光束
となり、音響光学偏向子２４は、円筒凹レンズ効果、即
ち、１次回折光２７の偏向方向に曲率を持った円筒凹レ
ンズを挿入したときと同じ作用を示すことになる。

【００４６】なお、圧電素子４１に対して周波数が高か
ら低に線形的に時間変化する駆動信号を印加し、圧電素
子４１により発生させる超音波４３の周波数ｆを高から
低に連続的に変化させる場合には、音響光学偏向子２４
は、円筒凸レンズ効果、即ち、１次回折光２７の偏向方
向に曲率を持った円筒凸レンズを挿入したときと同じ作
用を示すことになる。

【００４７】なお、本発明の第１実施形態では、音響光
学偏向子２４の円筒凹レンズ効果を利用する場合を例に
して説明しているが、音響光学偏向子２４の円筒凸レン
ズ効果を利用するようにしても良い。

【００４８】図７は音響光学偏向子２４の円筒凹レンズ
効果を利用すると、１次回折光２７の試料２０に対する
入射光軸方向の結像位置を一定として１次回折光２７で
試料２０の表面を走査することができることを説明する
ための図である。

【００４９】図７中、２７Ａは音響光学媒体４０内の超
音波４３の周波数ｆの時間変化率（ｄｆ／ｄｔ）を０と
し、走査を停止した場合の１次回折光、２７Ｂは音響光
学媒体４０内の超音波４３の周波数ｆの時間変化率（ｄ
ｆ／ｄｔ）を正の一定値として走査した場合の１次回折
光を示している。

【００５０】即ち、円筒凹レンズ効果による円筒凹レン
ズの焦点距離Ｆは、数２に示すようになるので、音響光
学媒体４０内の超音波４３の周波数ｆの時間変化率（ｄ
ｆ／ｄｔ）を正の一定値として、圧電素子４１により発
生させる超音波４３の周波数ｆを低から高に連続的に変
化させて１次回折光２７を偏向させると、１次回折光２
７の試料２０に対する入射光軸方向の結像位置は、１次
回折光２７の走査を停止した場合の結像位置から数３で
求めることができる距離Ｚだけ離れることになる。

【００５１】

【数２】

【００５２】

【数３】

【００５３】したがって、音響光学媒体４０内の超音波
４３の周波数ｆの時間変化率（ｄｆ／ｄｔ）を正の一定
値として、圧電素子４１により発生させる超音波４３の
周波数ｆを低から高に連続的に変化させて１次回折光２
７を偏向させると、１次回折光２７の試料２０に対する
入射光軸方向の結像位置を一定として１次回折光２７で
試料２０の表面を走査することができることになる。

【００５４】図８及び図９は、音響光学媒体４０内の超
音波４３の周波数ｆの時間変化率（ｄｆ／ｄｔ）を変化
させると、１次回折光２７の試料２０に対する入射光軸
方向の結像位置を変化させて、１次回折光２７で試料２
０の表面を走査することができることを説明するための
図である。

【００５５】ここに、例えば、図８（Ａ）に示すよう
に、音響光学媒体４０内の超音波４３の周波数ｆの時間
変化率（ｄｆ／ｄｔ）をβ（＞０）とする場合には、１
次回折光２７の試料２０に対する入射光軸方向の結像位
置を、図９（Ａ）に示すように、１次回折光２７の走査
を停止した場合の結像位置から数４に示す距離Ｚ₁だけ
下方向に移動させることができる。

【００５６】

【数４】

【００５７】これに対して、図８（Ｂ）に示すように、
音響光学媒体４０内の超音波４３の周波数ｆの時間変化
率（ｄｆ／ｄｔ）を２βとする場合には、１次回折光２
７の試料２０に対する入射光軸方向の結像位置を、図９
（Ｂ）に示すように、１次回折光２７の走査を停止した
場合の結像位置から数５に示す距離Ｚ₂＝２×Ｚ₁だけ下
方向に移動させることができる。

【００５８】

【数５】

【００５９】したがって、例えば、試料２０を１次回折
光２７による走査方向と直交する方向に移動させながら
試料２０の表面の全面を１次回折光２７で繰り返して走
査し、試料２０の表面の全面を走査するごとに、音響光
学媒体４０内の超音波４３の周波数ｆの時間変化率（ｄ
ｆ／ｄｔ）を変化させる場合には、１次回折光２７の入
射光軸方向の結像位置を変化させて、１次回折光２７で
試料２０の表面の全面を繰り返して走査することができ
る。

【００６０】図１０は１次回折光２７の試料２０に対す
る入射光軸方向の結像位置と、試料２０の表面における
１次回折光２７のスポット形状と、試料２０の表面にお
ける１次回折光２７の光強度分布との関係を示す図であ
る。

【００６１】ここに、例えば、図１０（Ａ１）に示すよ
うに、１次回折光２７の試料２０に対する入射光軸方向
の結像位置が試料２０の表面に近い場合には、試料２０
の表面における１次回折光２７のスポット形状は、図１
０（Ａ２）に示すように、走査方向の径を小さくするも
のとなり、この結果、試料２０の表面における１次回折
光２７の光強度分布は、図１０（Ａ３）に示すように、
光強度が分散されないような光強度分布となる。

【００６２】これに対して、図１０（Ｂ１）に示すよう
に、１次回折光２７の試料２０に対する入射光軸方向の
結像位置が試料２０の表面から離れている場合には、試
料２０の表面における１次回折光２７のスポット形状
は、図１０（Ｂ２）に示すように、走査方向の径を大き
くするものとなり、したがって、試料２０の表面におけ
る１次回折光２７の光強度分布は、図１０（Ｂ３）に示
すように、光強度が分散されるような光強度分布とな
る。

【００６３】図１１は受光光学系３３の構成を示す概略
図である。受光光学系３３において、４５、４６はハー
フミラー３１で反射された試料２０からの戻り光３２を
集光するための凸レンズであり、これら凸レンズ４５、
４６は、試料２０の表面に形成されるレーザスポットの
大きさをＣＣＤカメラ３４の受光面に再現できるように
配置されている。

【００６４】したがって、１次回折光２７で試料２０の
表面を走査すると、受光光学系３３で集光される戻り光
３２のスポットは、試料２０の表面に形成される１次回
折光２７のスポットの大きさとなって、ＣＣＤセンサ３
４の受光面を走査することになる。

【００６５】図１２はＣＣＤセンサ３４のシャッタの制
御方法を説明するための図であり、図１２（Ａ）はＣＣ
Ｄセンサ３４の受光面の画素列の一部を示しており、４
８−１、４８−２、４８−３は画素、４９−１、４９−
２、４９−３は受光部、５０−１、５０−２、５０−３
は遮光部である。

【００６６】また、図１２（Ｂ）及び図１２（Ｃ）は、
戻り光３２のスポット５１、５２のＣＣＤセンサ３４の
画素列での動きを示す図であり、スポット５１は、１次
回折光２７が試料２０の表面にピントのずれがなくスポ
ット状に結像している場合の戻り光３２のスポットを示
し、スポット５２は、１次回折光２７が試料２０の表面
にピントがずれて結像している場合の戻り光３２のスポ
ットを示している。

【００６７】なお、本発明の第１実施形態においては、
１次回折光２７が試料２０の表面にピントのずれがなく
スポット状に結像している場合のスポットの走査方向の
径が受光部４９−１、４９−２、４９−３の走査方向の
辺の長さと同一となるように光学系が設定されている。

【００６８】また、図１２（Ｄ）はＣＣＤセンサ３４の
シャッタを制御するシャッタ制御信号を示しており、Ｃ
ＣＤセンサ３４のシャッタは、シャッタ制御信号がＨレ
ベルの場合には開状態とされ、Ｌレベルの場合には閉状
態とされる。

【００６９】即ち、ＣＣＤセンサ３４は、戻り光３２の
スポット５１、５２の中心がＣＣＤセンサ３４の画素４
８−１、４８−２、４８−３の受光部４９−１、４９−
２、４９−３の中心を通過する瞬間、シャッタが開状態
となり、それ以外の期間は、シャッタが閉状態となるよ
うにし、受光部４９−１、４９−２、４９−３における
電荷の蓄積が間欠的に行われるように制御される。

【００７０】このようにする場合、１次回折光２７が試
料２０の表面にピントのずれがなくスポット状に結像し
ている場合には、光強度が分散していない走査方向の径
を最小とするレーザスポット５１の一部分がシャッタを
介して受光部４９−１、４９−２、４９−３に照射さ
れ、受光部４９−１、４９−２、４９−３には相対的に
多くの電荷が蓄積されることになる。

【００７１】これに対して、１次回折光２７が試料２０
の表面にピントがずれて結像している場合には、光強度
が分散している走査方向の径の大きなレーザスポット５
２の一部分がシャッタを介してＣＣＤセンサ３４の受光
部４９−１、４９−２、４９−３に照射され、受光部４
９−１、４９−２、４９−３には相対的に少ない電荷が
蓄積されることになる。

【００７２】したがって、ＣＣＤセンサ３４において
は、試料２０の表面に形成されている１次回折光２７の
スポットの径の大きさを電気信号として取り出すことが
できることになる。

【００７３】このように、本発明の第１実施形態におい
ては、レーザ光源２２から平行光とされたレーザ光２３
が出力され、音響光学偏向子２４に対してブラッグ角α
で入射されると共に、制御・演算手段３５により制御さ
れる電圧制御発振器２５から音響光学偏向子２４の圧電
素子４１に対して、周波数が低から高に線形的に時間変
化する駆動信号が印加される。

【００７４】この結果、音響光学偏向子２４から出力さ
れる１次回折光２７は、一方向に連続的に偏向されるこ
とになるので、走査光学系２６と相まって、１次回折光
２７の試料２０に対する入射光軸方向の結像位置を一定
として１次回折光２７で試料２０の表面を走査すること
ができる。

【００７５】そして、試料２０の表面からの戻り光３２
は、１次回折光２７と光軸を同一としてハーフミラー３
１で反射され、受光光学系３３を介して、ＣＣＤセンサ
３４の受光面に結像され、ＣＣＤセンサ３４において、
試料２０の表面の１次回折光２７のスポットの径の大き
さが電気信号として取り出され、制御・演算手段３５に
伝送される。

【００７６】制御・演算手段３５においては、電圧制御
発振器２５に印加している入力電圧の値から１次回折光
２７の走査位置が判断され、この１次回折光２７の走査
位置とＣＣＤセンサ３４の出力信号とから試料２０の表
面形状が演算される。

【００７７】したがって、試料２０を１次回折光２７の
偏向方向と直交する方向に移動させながら試料２０の表
面の全面を１次回折光２７で繰り返して走査し、試料２
０の表面の全面を走査するごとに音響光学媒体４０内の
超音波４３の周波数ｆの時間変化率（ｄｆ／ｄｔ）を変
化させる場合には、１次回折光２７の試料２０に対する
入射光軸方向の結像位置を変化させながら１次回折光２
７で試料２０の表面を走査することができ、表示手段３
６に試料２０の表面形状を表示させることができる。

【００７８】なお、本発明の第１実施形態においては、
表示手段３６における試料２０の表面形状の表示は、戻
り光３２のスポットの径が最小となり、戻り光３２の光
強度が最大となる場合の１次回折光２７の結像点の高さ
を表示することにより行われる。

【００７９】このように、本発明の第１実施形態によれ
ば、１次回折光２７の試料２０に対する入射光軸方向の
結像位置と試料２０との距離を変えるにあたり、光学系
又は試料２０の機械的移動が不要となり、試料２０の表
面形状の計測の高速化を図ることができる。

【００８０】第２実施形態・・図１３、図１４図１３は本発明の第２実施形態の要部の概念図であり、
本発明の第２実施形態は、本発明の第１実施形態が備え
るＣＣＤセンサ３４の代わりに、戻り光３２が受光面に
結像される平板状のフォトダイオード５２を備え、その
他については、本発明の第１実施形態と同様に構成した
ものである。

【００８１】図１４は入射光量が同一の場合におけるフ
ォトダイオード５２の光密度対出力電流特性を示す図で
あり、フォトダイオード５２は、入射光量が同一の場
合、スポットの径が小さくなり光密度が一定値以上にな
ると、スポットの光密度が大きくなるほど、出力電流は
減少することになる。

【００８２】ここに、フォトダイオード５２の表面に最
もピントの合ったスポットが結像したとき、フォトダイ
オード５２の出力電流は最小となるので、試料２０の表
面の１次回折光２７のスポットの径の大きさを電気信号
として取り出し、制御・演算手段３５に伝送することが
できることになる。

【００８３】したがって、本発明の第２実施形態におい
ても、本発明の第１実施形態と同様に、音響光学偏向子
２４により１次回折光２７の試料２０に対する入射光軸
方向の結像位置を変化させながら１次回折光２７で試料
２０の表面を走査し、表示手段３６に試料２０の表面の
形状を表示させることができるので、１次回折光２７の
試料２０に対する入射光軸方向の結像位置と試料２０と
の距離を変えるにあたり、光学系又は試料２０の機械的
移動が不要となり、試料２０の表面形状の計測の高速化
を図ることができる。

【００８４】なお、本発明の第２実施形態においては、
表示手段３６における試料２０の表面形状の表示は、戻
り光３２のスポットの径が最小となり、戻り光３２のス
ポットの光密度が最小となる場合の１次回折光２７の結
像点の高さを表示することにより行われる。

【００８５】第３実施形態・・図１５図１５は本発明の第３実施形態の要部の概念図であり、
本発明の第３実施形態は、本発明の第１実施形態が備え
るＣＣＤセンサ３４の代わりに、戻り光３２がフィルタ
面に結像される二次元フィルタ５４と、二次元フィルタ
５４を通過した戻り光が入射されるフォトダイオード５
５とを備え、制御・演算手段３５において、二次元フィ
ルタ５４の制御を行わせるようにし、その他について
は、本発明の第１実施形態と同様に構成したものであ
る。

【００８６】ここに、二次元フィルタ５４は、戻り光３
２のスポットの中心が画素のフィルタ部の中心を通過す
る瞬間、当該画素が開状態となるように制御・演算手段
３５により制御される。

【００８７】なお、本発明の第３実施形態においては、
１次回折光２７が試料２０の表面にピントのずれがなく
スポット状に結像している場合のスポットの走査方向の
径が二次元フィルタ５４の画素のフィルタ部の走査方向
の辺の長さと同一となるように光学系が設定されてい
る。

【００８８】したがって、試料２０の表面にピントのず
れがなくスポット状に照射された１次回折光２７の戻り
光３２については、光強度の強い光が二次元フィルタ５
４を通過してフォトダイオード５５に受光され、試料２
０の表面にピントがずれて照射された１次回折光２７の
戻り光３２については、光強度の弱い光が二次元フィル
タ５４を通過してフォトダイオード５４に受光されるこ
とになる。

【００８９】ここに、二次元フィルタ５４の表面に最も
ピントの合ったスポットが形成されたとき、フォトダイ
オード５５の出力電流は最大となるので、試料２０の表
面の１次回折光２７のスポットの径の大きさを電気信号
として取り出し、制御・演算手段３５に伝送することが
できる。

【００９０】したがって、本発明の第３実施形態におい
ても、本発明の第１実施形態と同様に、音響光学偏向子
２４により１次回折光２７の試料２０に対する入射光軸
方向の結像位置を変化させながら１次回折光２７で試料
２０の表面を走査し、表示手段３６に試料２０の表面の
形状を表示させることができるので、１次回折光２７の
試料２０に対する入射光軸方向の結像位置と試料２０と
の距離を変えるにあたり、光学系又は試料２０の機械的
移動が不要となり、試料２０の表面形状の計測の高速化
を図ることができる。

【００９１】なお、本発明の第３実施形態においては、
表示手段３６における試料２０の表面形状の表示は、戻
り光３２のスポット径が最小となり、戻り光３２の光強
度が最大となる１次回折光２７の結像点の高さを表示す
ることにより行われる。

【００９２】第４実施形態・・図１６〜図１８図１６は本発明の第４実施形態の要部の概念図である。
本発明の第４実施形態は、レーザ光源２２と音響光学偏
向子２４との間に、音響光学偏向子５７と、音響光学偏
向子５７から出力される１次回折光５８を音響光学偏向
子２４に入射させるための走査光学系５９とを設けると
共に、音響光学偏向子５７に与える駆動信号を発生する
電圧制御発振器６０を設け、制御・演算手段３５に電圧
制御発振器６０の制御を行わせるようにし、その他につ
いては、本発明の第１実施形態と同様に構成したもので
ある。

【００９３】ここに、音響光学偏向子５７は、超音波を
水平面上、Ｘ軸方向に伝搬するものであり、音響光学偏
向子２４は、超音波を水平面上、Ｙ軸方向に伝搬するも
のであり、音響光学偏向子２４から出力される１次回折
光２７は、図１７に示すように試料２０の表面のみを対
角線状に走査するように制御される。なお、矢印付き直
線６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃは、１次回折光２７のスポッ
トの走査軌跡の一部を示している。

【００９４】図１８は１次回折光２７を図１７に示すよ
うに試料２０の表面のみを対角線状に走査させるために
必要な電圧制御発振器６０、２５の制御方法を説明する
ための図であり、図１８（Ａ）は電圧制御発振器６０か
ら出力させる駆動信号Ｓ６０を示し、図１８（Ｂ）は電
圧制御発振器２５から出力させる駆動信号Ｓ２５を示し
ている。

【００９５】図１８中、６４Ａ、６５Ａは駆動信号Ｓ６
０、Ｓ２５中、１次回折光２７を図１７に矢印付き直線
６３Ａで示すように走査するために必要な部分、６４
Ｂ、６５Ｂは駆動信号Ｓ６０、Ｓ２５中、１次回折光２
７を図１７に矢印付き直線６３Ｂで示すように走査する
ために必要な部分、６４Ｃ、６５Ｃは駆動信号Ｓ６０、
Ｓ２５中、１次回折光２７を図１７に矢印付き直線６３
Ｃで示すように走査するために必要な部分を示してい
る。

【００９６】即ち、電圧制御発振器６０は、駆動信号Ｓ
６０として、周波数の時間変化率を一定とし、周波数が
高から低になるような単位駆動信号を繰り返して出力す
るものとし、まず、高い側の周波数を最大周波数に固定
し、低い側の周波数が一走査ごとに小さくなるような単
位駆動信号を繰り返して出力し、低い側の周波数が最小
周波数となった場合には、低い側の周波数を最小周波数
に固定し、高い側の周波数が一走査ごとに高くなるよう
な単位駆動信号を繰り返して出力するように制御され
る。

【００９７】これに対して、電圧制御発振器２５は、駆
動信号Ｓ２５として、周波数の時間変化率を一定とし、
周波数が低から高になるような単位駆動信号を繰り返し
て出力するものとし、まず、低い側の周波数を最小周波
数に固定し、高い側の周波数が一走査ごとに大きくなる
ような単位駆動信号を繰り返して出力し、高い側の周波
数が最大周波数となった場合には、高い側の周波数を最
大周波数に固定し、低い側の周波数が一走査ごとに低く
なるような単位駆動信号を繰り返して出力するように制
御される。

【００９８】このように構成された本発明の第４実施形
態においては、レーザ光源２２から平行光とされたレー
ザ光２３が出力され、音響光学偏向子２４に対してブラ
ッグ角αで入射されると共に、制御・演算手段３５によ
り制御される電圧制御発振器６０、２５から音響光学偏
向子５７、２４に対して、図１８に示す周波数が高から
低に線形的に時間変化する駆動信号Ｓ６０、Ｓ２５が印
加される。

【００９９】この結果、音響光学偏向子５７から出力さ
れる１次回折光５８はＸ軸方向に偏向され、音響光学偏
向子２４から出力される１次回折光２７は、試料２０の
表面に形成されるスポットの形状が円となり、試料２０
の表面のみを対角線状に走査することになる。

【０１００】そして、試料２０の表面からの戻り光３２
は、ハーフミラー３１で反射され、受光光学系３３を介
して、ＣＣＤセンサ３４の受光面に結像され、ＣＣＤセ
ンサ３４において、試料２０の表面の１次回折光２７の
スポットの径の大きさが電気信号として取り出され、制
御・演算手段３５に伝送される。

【０１０１】制御・演算手段３５においては、電圧制御
発振器２５に印加している入力電圧の値から１次回折光
２７の走査位置が判断され、この１次回折光２７の走査
位置とＣＣＤセンサ３４の出力信号とから試料２０の表
面形状が演算される。

【０１０２】したがって、試料２０を１次回折光２７の
偏向方向と直交する方向に移動させながら試料２０の表
面の全面を１次回折光２７で繰り返して走査し、試料２
０の表面の全面を走査するごとに音響光学媒体４０内の
超音波４３の周波数ｆの時間変化率（ｄｆ／ｄｔ）を変
化させる場合には、１次回折光２７の試料２０に対する
入射光軸方向の結像位置を変化させて１次回折光２７で
試料２０の表面の全面を走査することができ、表示手段
３６に試料２０の表面の形状を表示させることができ
る。

【０１０３】なお、本発明の第４実施形態においては、
表示手段３６における試料２０の表面形状の表示は、戻
り光３２のスポット径が最小となり、戻り光３２の光強
度が最大となる１次回折光２７の結像点の高さを表示す
ることにより行われる。

【０１０４】このように、本発明の第４実施形態によれ
ば、１次回折光２７の試料２０に対する入射光軸方向の
結像位置と試料２０との距離を変えるにあたり、光学系
又は試料２０の機械的移動が不要となり、試料２０の表
面形状の計測の高速化を図ることができる。

【０１０５】また、１次回折光２７のスポットの形状を
円とすることができるので、試料２０の表面からの戻り
光３２のスポットの径の観測を容易に行うことができ、
試料２０の表面形状の計測の容易化を図ることができ
る。

【０１０６】なお、本発明の第４実施形態においては、
スポット径計測手段としてＣＣＤセンサ３４を使用する
場合について説明したが、この代わりに、本発明の第２
実施形態が備えるフォトダイオード５２や、本発明の第
３実施形態が備える二次元フィルタ５４及びフォトダイ
オード５５を備えるように構成しても良い。

【０１０７】また、本発明の第１実施形態〜第４実施形
態においては、本発明を落射型レーザ走査顕微鏡に適用
し、入射光軸と反射光軸とが同軸となるようにした場合
について説明したが、本発明は、１次回折光２７、６２
を試料２０に対して斜め上方から照射するようにし、入
射光軸と反射光軸とが同軸とならないように構成するレ
ーザ走査顕微鏡にも適用することができる。

【０１０８】

【発明の効果】本発明中、第１、第２、第３、第４、第
５又は第６の発明（請求項１、２、３、４、５又は６記
載のレーザ走査顕微鏡）によれば、偏向手段として、レ
ーザ光源から出力されるレーザ光が入射される音響光学
偏向子と、周波数が時間変化する駆動信号を音響光学偏
向子に与えると共に、駆動信号の周波数の時間変化率を
変化させることができる音響光学偏向子駆動手段とを備
えるとしたことにより、レーザ光の試料に対する入射光
軸方向の結像位置と試料との距離を変えるにあたり、光
学系又は試料の機械的移動を不要とすることができるの
で、試料の表面形状の計測の高速化を図ることができ
る。

【０１０９】本発明中、第７の発明（請求項７記載のレ
ーザ走査顕微鏡）によれば、第１、第２、第３、第４、
第５又は第６の発明と同様の効果を得ることができると
共に、レーザ光の試料に対する入射光軸方向の結像位置
の一定化及び走査速度の一定化を図り、走査歪みをなく
すことができるので、試料の表面形状の計測の精度を高
めることができる。

【０１１０】本発明中、第８の発明（請求項８記載のレ
ーザ走査顕微鏡）によれば、第１、第２、第３、第４、
第５又は第６の発明と同様の効果を得ることができると
共に、各時刻における試料表面のレーザスポットの位置
を予め計測して取得したレーザスポット位置データを使
用して試料の表面形状の計測データを補正することがで
きるので、試料の表面形状の計測の精度を高めることが
できる。

【０１１１】本発明中、第９の発明（請求項９記載のレ
ーザ走査顕微鏡）によれば、第１、第２、第３、第４、
第５、第６、第７又は第８の発明と同様の効果を得るこ
とができると共に、試料の表面に形成するレーザスポッ
トの形状を円にすることができるので、試料の表面形状
の計測の容易化を図ることができる。

【０１１２】本発明中、第１０の発明（請求項１０記載
のレーザ走査顕微鏡）によれば、第９の発明と同様の効
果を得ることができると共に、不必要な走査を行わない
ようにすることができるので、試料の表面形状の計測の
更なる高速化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の要部の概念図である。

【図２】本発明の第１実施形態が備える音響光学偏向子
の概念図である。

【図３】本発明の第１実施形態が備える音響光学偏向子
の圧電素子に印加する駆動信号を示すタイムチャートで
ある。

【図４】本発明の第１実施形態が備える電圧制御発振器
の制御方法を説明するための図である。

【図５】本発明の第１実施形態が備える電圧制御発振器
の制御方法を説明するための図である。

【図６】本発明の第１実施形態が備える音響光学偏向子
の円筒凹レンズ効果を説明するための図である。

【図７】音響光学偏向子の円筒凹レンズ効果を利用する
と、１次回折光の試料に対する入射光軸方向の結像位置
を一定として１次回折光で試料の表面を走査することが
できることを説明するための図である。

【図８】音響光学偏向子の音響光学媒体内の超音波の周
波数の時間変化率を変化させると、１次回折光の試料に
対する入射光軸方向の結像位置を変化させて、１次回折
光で試料の表面を走査することができることを説明する
ための図である。

【図９】音響光学偏向子の音響光学媒体内の超音波の周
波数の時間変化率を変化させると、１次回折光の試料に
対する入射光軸方向の結像位置を変化させて、１次回折
光で試料の表面を走査することができることを説明する
ための図である。

【図１０】１次回折光の試料に対する入射光軸方向の結
像位置と、試料の表面における１次回折光のスポット形
状と、試料の表面における１次回折光の光強度分布との
関係を示す図である。

【図１１】本発明の第１実施形態が備える受光光学系の
構成を示す概略図である。

【図１２】本発明の第１実施形態が備えるＣＣＤセンサ
のシャッタの制御方法を説明するための図である。

【図１３】本発明の第２実施形態の要部の概念図であ
る。

【図１４】入射光量が同一の場合におけるフォトダイオ
ードの光密度対出力電流特性を示す図である。

【図１５】本発明の第３実施形態の要部の概念図であ
る。

【図１６】本発明の第４実施形態の要部の概念図であ
る。

【図１７】本発明の第４実施形態における走査方法を説
明するための図である。

【図１８】本発明の第４実施形態が備える電圧制御発振
器の制御方法を説明するための図である。

【図１９】従来のレーザ走査顕微鏡の一例の要部の概念
図である。

【符号の説明】

２４音響光学偏向子２５電圧制御発振器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大嶋美隆神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者高橋文之神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者塚原博之神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源と、前記レーザ光源から出力さ
れるレーザ光を偏向する偏向手段と、前記偏向手段から
出力されるレーザ光を試料の表面上にスポット状に絞り
込む光学系とを備えるレーザ走査顕微鏡において、前記偏向手段として、前記レーザ光源から出力されるレ
ーザ光が入射される音響光学偏向子と、周波数が時間変
化する駆動信号を前記音響光学偏向子に与えると共に、
前記駆動信号の周波数の時間変化率を変化させることが
できる音響光学偏向子駆動手段とを備えていることを特
徴とするレーザ走査顕微鏡。
【請求項２】前記試料の表面からの戻り光が形成するス
ポットの光強度から前記試料の表面に形成されているレ
ーザスポットの径を計測するレーザスポット径計測手段
を備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザ走
査顕微鏡。
【請求項３】前記レーザスポット径計測手段は、シャッ
タを備え、前記戻り光のスポットが受光面に結像される
画像センサと、前記戻り光のスポットの中心が前記画像
センサの画素の受光部の中心を通過する瞬間、前記シャ
ッタが開状態となるように、前記シャッタを制御するシ
ャッタ制御手段とを備えて構成されていることを特徴と
する請求項２記載のレーザ走査顕微鏡。
【請求項４】前記レーザスポット径計測手段は、前記戻
り光のスポットがフィルタ面に結像される二次元フィル
タと、前記二次元フィルタを通過した戻り光が入射され
る光センサと、前記戻り光のスポットの中心が前記二次
元フィルタの画素のフィルタ部の中心を通過する瞬間、
当該画素が開状態となるように前記二次元フィルタを制
御する二次元フィルタ制御手段とを備えて構成されてい
ることを特徴とする請求項２記載のレーザ走査顕微鏡。
【請求項５】前記試料の表面からの戻り光が形成するス
ポットの光密度から前記試料の表面におけるレーザスポ
ットの径を計測するレーザスポット径計測手段を備えて
いることを特徴とする請求項１記載のレーザ走査顕微
鏡。
【請求項６】前記レーザスポット径計測手段は、前記戻
り光のスポットが受光面に結像されるフォトダイオード
を備え、入射光量が同一の場合の前記フォトダイオード
の光密度対出力電流特性を利用するように構成されてい
ることを特徴とする請求項５記載のレーザ走査顕微鏡。
【請求項７】前記音響光学偏向子駆動手段は、前記駆動
信号を発生させるための電圧制御発振器を備え、前記電
圧制御発振器には、入力電圧対周波数特性が有する歪み
特性と逆特性の歪み特性を有する入力電圧が与えられる
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載
のレーザ走査顕微鏡。
【請求項８】各時刻における前記試料表面のレーザスポ
ットの位置を予め計測して取得したレーザスポット位置
データを使用して前記試料の表面形状の計測データを補
正する補正手段を備えていることを特徴とする請求項
１、２、３、４、５又は６記載のレーザ走査顕微鏡。
【請求項９】前記音響光学偏向子として、前記レーザ光
源から出力されるレーザ光を第１の方向に偏向する第１
の音響光学偏向子と、超音波の伝搬方向を前記第１の方
向と直交する方向とされ、前記第１の音響光学偏向子か
ら出力される１次回折光が入射される第２の音響光学偏
向子とを備えていることを特徴とする請求項１、２、
３、４、５、６、７又は８記載のレーザ走査顕微鏡。
【請求項１０】前記音響光学偏向子駆動手段は、前記第
２の音響光学偏向子から出力される１次回折光が前記試
料の表面のみを走査するように前記第１、第２の音響光
学偏向子を駆動することを特徴とする請求項９記載のレ
ーザ走査顕微鏡。