(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
深紫外レーザ光を出射する光源と、
前記深紫外レーザ光の強度を制限する制限手段と、
前記深紫外レーザが照射された試料からの光を受光する検出手段と、
前記深紫外レーザ光の強度に対する前記試料の損傷の度合に係るマップを格納する記憶手段と、
外部から試料損傷制限値が入力されたとき、前記マップに基づき前記制限手段を制御する制御手段と
を備えていることを特徴とするレーザ顕微鏡。
【請求項２】
深紫外レーザ光を出射する光源と、
前記深紫外レーザ光の強度を制限する制限手段と、
前記深紫外レーザ光が照射された試料からの光を受光する検出手段と、
前記検出手段の前方に配置され、前記試料からの光を制限するピンホールを備えた開口手段と、
前記深紫外レーザ光の強度に対する前記試料の損傷の度合に係るマップを格納する記憶手段と、
外部から試料損傷制限値が入力されたとき、前記マップに基づき前記制御手段を制御する制御手段と
を備えていることを特徴とする共焦点型レーザ走査顕微鏡。
【請求項３】
外部からピンホール調整信号が入力されたとき、前記制御手段は前記ピンホールの大きさを制御することを特徴とする請求項２に記載の共焦点型レーザ走査顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はレーザ顕微鏡及び共焦点型レーザ走査顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細構造を観察する場合、顕微鏡の限界解像力は、δを解像力、λを使用波長、ＮＡを対物レンズの開口数としたとき一般にδ＝λ／２ＮＡで表される。この式より解像力δを向上する方法は使用波長λを短くするか、対物レンズの開口数ＮＡを大きくするか、又は使用波長λを短くすると同時に対物レンズの開口数ＮＡを大きくするかであることがわかる。
【０００３】
細胞等の生体試料が観察対象の場合には、使用波長を紫外域以下（３００ｎｍ以下）にまで短くすると、試料中に起きる光化学反応等によって試料そのものが損傷してしまうので、液浸系の対物レンズを用いることにより解像力を向上させている。
【０００４】
主に無機物の材料、特に集積回路が観察対象の場合には、試料に対する損傷が少ないので、生体試料とは逆に使用波長を短くして解像力を向上させている。
【０００５】
液浸系の対物レンズを使用すると油が試料に付着し、金属配線が酸化して集積回路が短絡する等の不具合を引き起こしてしまうので、液浸系の対物レンズの使用は好ましくない。
【０００６】
しかし、使用波長を短くすると言っても、Ｘ線や電子線の波長領域を使う顕微鏡では装置の構造や操作が複雑になってしまい、使い勝手が良くないので使用波長は限られる。
【０００７】
一方、近年、半導体分野において、ＩＣ等の集積回路に代表される微細構造物は小型化の一途をたどっている。微細周期構造（半導体プロセスではライン＆スペースと呼ばれる）では、繰返し周期が０．２５μｍを下回ると従来の光学顕微鏡で試料の周期構造をコントラスト良く解像することが理論的に難しい。
【０００８】
それに対して、深紫外連続発振レーザを光源として用い、０．９程度の高開口数の対物レンズを用いて０．１０μｍの解像力を得ることができる。深紫外連続発振レーザとして、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの４倍高調波である２６６ｎｍの光を、ＢＢＯ結晶を用いて連続発振させるレーザがある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、無機物は深紫外光による試料の損傷が生体試料に比べて少ないとはいえ試料の損傷は起こる。例えば、試料が半導体ウエハ上のレジストパターンであり、しかも、製造時にレジストに露光する波長と観察時に照射する光の波長とが近い場合、露光総量が大きい場合には損傷してしまうという問題がある。
【００１０】
特に、共焦点型レーザ走査顕微鏡の場合には、試料表面の微小範囲にレーザ光が収束するので単位面積当たりに試料が受けるエネルギーが大きくなり、一括照明型（ケーラー照明）に比較し損傷の度合が大きくなるという問題がある。
【００１１】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は、深紫外光による試料の損傷を最小限に抑えるレーザ顕微鏡及び共焦点型レーザ走査顕微鏡を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため請求項１記載の発明は、深紫外レーザ光を出射する光源と、前記深紫外レーザ光の強度を制限する制限手段と、前記深紫外レーザが照射された試料からの光を受光する検出手段と、前記深紫外レーザ光の強度に対する前記試料の損傷の度合に係るマップを格納する記憶手段と、外部から試料損傷制限値が入力されたとき、前記マップに基づき前記制限手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
上述のように、深紫外レーザ光の強度に対する試料の損傷の度合に係るマップを格納する記憶手段と、外部から試料損傷制限値が入力されたとき、マップに基づき制限手段を制御する制御手段とを備えているので、制御手段は試料に照射するレーザ光の強度を制限する。
【００１４】
請求項２記載の発明は、深紫外レーザ光を出射する光源と、前記深紫外レーザ光の強度を制限する制限手段と、前記深紫外レーザ光が照射された試料からの光を受光する検出手段と、前記検出手段の前方に配置され、前記試料からの光を制限するピンホールを備えた開口手段と、前記深紫外レーザ光の強度に対する前記試料の損傷の度合に係るマップを格納する記憶手段と、外部から試料損傷制限値が入力されたとき、前記マップに基づき前記制御手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
上述のように、共焦点型レーザ走査顕微鏡において、制御手段は試料に照射するレーザ光の強度を制限する。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の共焦点型レーザ走査顕微鏡において、外部からピンホール調整信号が入力されたとき、前記制御手段は前記ピンホールの大きさを制御することを特徴とする。
【００１７】
上述のように、ピンホールの大きさを制御できるので、観察に必要な光量を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１はこの発明の第１の実施形態に係る共焦点型レーザ走査顕微鏡を示すブロック図、図２は試料の損傷度合、レーザ光の強度、ピンホールの大きさ及び画像の明るさの関係を示すマップである。
【００２０】
この共焦点型レーザ走査顕微鏡はレーザ光発振装置（光源）１と、反射板２と、反射板３と、顕微鏡本体４と、画像処理装置５と、ディスプレイ６と、コンピュータ（制御手段）７と、除振台９とで構成されている。
【００２１】
レーザ光発振装置１は深紫外域のレーザ光を出射する。
【００２２】
顕微鏡本体４は減光フィルタ切り換えユニット１１と、ビームエキスパンダ１４と、ビームスプリッタ１５と、二次元スキャナユニット１６と、リレーレンズ１７と、第一対物レンズ１８と、第一集光レンズ１９と、ピンホール切り換えユニット２０と、光電子増倍管２１とを有する。
【００２３】
減光フィルタ切り換えユニット１１は複数の減光能力の異なる減光フィルタ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有し、減光フィルタ１１ａ，１１ｂ，１１ｃの内一つ（図１の場合、１１ｂ）を光路上に配置して、レーザ光８の強度を制限する。
【００２４】
ビームエキスパンダ１４はレンズ１４ａとレンズ１４ｂとを有し、レーザ光８を第一対物レンズ１８の瞳面を満たす大きさに拡大する。
【００２５】
ビームスプリッタ１５はビームエキスパンダ１４を通過したレーザ光８を反射し、試料１０から反射するレーザ光８を透過する。
【００２６】
二次元スキャナユニット１６は反射板１６ａ，１６ｂとを有し、レーザ光８を一定速度で二次元的（ＸＹ方向）に走査する。
【００２７】
リレーレンズ１７はレンズ１７ａとレンズ１７ｂとを有し、レーザ光８を伝達する。
【００２８】
第一対物レンズ１８はレーザ光８を集光し、試料１０の表面においてスポット光１０ａを形成する。
【００２９】
第一集光レンズ１９は焦点の合う像のみピンホールを通過させ、光電子増倍管２１に捉えさせる。
【００３０】
ピンホール切り換えユニット２０は大きさの異なる複数のピンホール２０ａ，２０ｂ，２０ｃを有する。ピンホール２０ａ，２０ｂ，２０ｃの内一つ（図１の場合、２０ｂ）を光路上に配置することができる。ピンホール２０において焦点の合わない光はピンホール２０によってほとんど遮られるので、焦点の合う像のみが鮮明に観察できる（これをセクショニング機能と言う）。ピンホール２０ａ，２０ｂ，２０ｃはその大きさより狭い幅の光束のみを通過させるので、像の明るさも同時に調節する。
【００３１】
除振台９の上にはレーザ光発振装置１と反射板２と反射板３と顕微鏡本体４とが載置されている。
【００３２】
除振台９はレーザ光発振装置１から発生する振動を抑えて顕微鏡本体４に伝わらないようにして光のぶれを防ぐ。また、除振台９は顕微鏡本体４の外部から加わる振動を抑えて光のぶれを防ぐ。
【００３３】
ピンホール切り換えユニット２０の後には光電子増倍管２１が配置されている。光電子増倍管２１は光を検出し、順次電気信号に変換する。
【００３４】
光電子増倍管２１には画像処理装置５が接続されている。画像処理装置５は電気信号を一時記憶し、信号が一定量になると映像化可能な電気信号として出力する。
【００３５】
画像処理装置５にはディスプレイ６が接続されている。ディスプレイ６は電気信号を画像に変換する。
【００３６】
コンピュータ７はメモリ（記憶手段）７ａを有し、減光フィルタ切り換えユニット１１と、ピンホール切り換えユニット２０と、光電子増倍管２１と、画像処理装置５とに接続されている。
【００３７】
コンピュータ７は、操作者が設定する試料損傷制限値に基づき、許容される試料１０の損傷度合に対する照射可能なレーザ光８の強度をマップから判断して、減光フィルタ切り換えユニット１１を駆動させ、減光フィルタ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを移動し、ピンホール２０ａ，２０ｂ，２０ｃの内一つを選択して光路上に配置させる。
【００３８】
また、操作者がピンホールの大きさＡ，Ｂ，Ｃを設定すると、コンピュータ７は設定に応じて、ピンホール切り換えユニット２０を駆動させ、ピンホール２０ａ，２０ｂ，２０ｃを移動し，ピンホール２０ａ，２０ｂ，２０ｃの内一つを選択して光路上に配置させる。
【００３９】
更にコンピュータ７は、画素の平均輝度がマップ上の画像の明るさからはずれている場合に光電子増倍管２１の感度を補正し、ディスプレイ６の画像の明るさを調節させる。
【００４０】
メモリ７ａは、図２に示すように予め試料の損傷度合、照射可能なレーザ光８の強度、ピンホールの大きさＡ，Ｂ，Ｃ及び画像の明るさの関係を示すマップを記憶している。
【００４１】
縦軸は試料１０の損傷度合を示す軸５０と画像の明るさを示す軸５１，５２，５３である。画像の明るさを示す軸５１，５２，５３は、それぞれピンホール２０ａ，２０ｂ，２０ｃに対応する。ピンホール２０ａ，２０ｂ，２０ｃの大きさはそれぞれＡ，Ｂ，Ｃである。
【００４２】
試料１０の損傷度合を示す軸５０の目盛りは、試料１０の例として集積回路を使用した場合、集積回路上に塗布されているレジスト線の幅の減り具合を示し、レジスト線の幅がレーザ光８の照射前後で変わらないとき０％とし、レジスト線が完全に消滅したとき１００％とする。
【００４３】
画像の明るさを示す軸５１，５２，５３の目盛は画面の平均輝度のデジタル量を示す。
【００４４】
横軸はレーザ光８の強度を示す軸５４である。この軸の目盛りはレーザ光８の最大出力を１００％とし、レーザ光８が試料１０に当たっていない状態を０％とする。
【００４５】
特性曲線５５は試料１０の損傷度合、レーザ光８の強度及び画像の明るさとの関係からレジストの種類ごとに実験により予め求められている。
【００４６】
次に、共焦点型レーザ走査顕微鏡の作動を示す。
【００４７】
レーザ光発振装置１から出射したレーザ光８は反射板２，３において誘導され、顕微鏡本体４内へ入る。
【００４８】
レーザ光８は減光フィルタ切り換えユニット１１内の光路上に位置決めされている減光フィルタ１１ｂにて適正な光量に調整された後に、ビームエキスパンダ１４にて対物レンズ１８の瞳径を満たすように拡大され、ビームスプリッタ１５にて反射された後、二次元スキャナユニット１６に互いに直角な方向に走査されつつ、リレーレンズ１７を経て、対物レンズ１８にて試料１０上に微小スポット光１０ａとして結像される。試料１０上を二次元走査された微小スポット光１０ａの反射光は、対物レンズ１８、リレーレンズ１７、二次元スキャナユニット１６と逆戻りし、再び静止光ビームとなって、ビームスプリッタ１５を透過する。その後、第一集光レンズ１９によってピンホール切り換えユニット２０内の光路上に位置決めされているピンホール２０ｂを通りぬけた光のみが光電子増倍管２１にて光電変換され、画像処理装置５にて画像信号に処理されて、ディスプレイ６に映し出される。
【００４９】
次に図１，２に基づいてコンピュータ７の操作順序を説明する。
【００５０】
まず、操作者は試料損傷制限値を設定する（例えばＹを設定する）。このとき、試料損傷制限値Ｙに基づく試料１０の損傷度合はＹ％となる。図２に示すように特性曲線５５において試料１０の損傷度合に対応するレーザ光８の強度はＸ％となる。そこで、コンピュータ７は減光フィルタ切り換えユニット１１を駆動し、レーザ光８の強度がＸ％以下になるように減光フィルタ１１ａ，１１ｂ，１１ｃから一つを選択し、光路上に移動させる。
【００５１】
次に、操作者はピンホール２０ａ，２０ｂ，２０ｃの大きさＡ，Ｂ，Ｃの内一つを設定する（例えば、Ｂを選択する）。そこで、コンピュータ７はピンホール切り換えユニット２０を駆動し、ピンホール２０ｂを光路上に移動させる。このとき、ピンホールの大きさがＢとなるので、画像の明るさは軸５２上のＺとなる。
【００５２】
この後、コンピュータ７は画像が暗い場合には光電子増倍管２１の感度を補正させる。光電子増倍管２１は画像の明るさがＺとなるように出力電圧を調整する。
【００５３】
この実施形態によれば、深紫外域のレーザ光８を光源とする共焦点型レーザ走査顕微鏡において適切な明るさで鮮明な画像を見ることができ、損傷を軽減することができる。
【００５４】
図３はこの発明の第２の実施形態に係るレーザ顕微鏡を示すブロック図、図４は試料の損傷度合、レーザ光の強度及び画像の明るさの関係を示すマップである。この実施形態では、第１実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００５５】
この実施形態では、レーザ顕微鏡の例として一括照明（ケーラー）型顕微鏡について説明する。
【００５６】
この実施形態では、反射板２と反射板３に換えて光ファイバ１０２を設けた。第一対物レンズ１８に換えて第二対物レンズ１１８を設けた。第一集光レンズ１９に換えて第二集光レンズ１１９を設けた。光電子増倍管２１に換えてＣＣＤカメラ１２１を設けた。コンピュータ７に換えてコンピュータ（制御手段）１０７を設けた。ビームエキスパンダ１４とビームスプリッタ１５との間に集光レンズ１２２を設けた。除振台９に換えて除振台１０９を設けた。
【００５７】
この一括照明（ケーラー）型顕微鏡はレーザ光発振装置（光源）１と、光ファイバ１０２と、顕微鏡本体１０４と、画像処理装置５と、ディスプレイ６と、コンピュータ（制御手段）１０７と、除振台１０９とで構成されている。
【００５８】
顕微鏡本体１０４は減光フィルタ切り換えユニット１１と、ビームエキスパンダ１４と、集光レンズ１２２と、ビームスプリッタ１５と、第二対物レンズ１１８と、第二集光レンズ１１９と、ＣＣＤカメラ１２１とを有する。
【００５９】
光ファイバ１０２の材質は石英等で、光ファイバ１０２はレーザ光発振装置１から顕微鏡本体１０４内へレーザ光８を導く。
【００６０】
第二対物レンズ１１８は試料１０に均一に照射するようにレーザ光８を集光する。
【００６１】
第二集光レンズ１１９はＣＣＤカメラ１２１に試料１０の像を捉えられるように集光する。
【００６２】
ＣＣＤカメラ１２１は捉えた光を電気信号に変換する。
【００６３】
ＣＣＤカメラ１２１には画像処理装置５が接続され、画像処理装置５にはディスプレイ６が接続されている。
【００６４】
除振台１０９の上には顕微鏡本体１０４が載置されている。除振台１０９は顕微鏡本体１０４の外部から与えられる振動を抑え、光のぶれを防ぐ。
【００６５】
コンピュータ１０７はメモリ（記憶手段）１０７ａを有し、減光フィルタ切り換えユニット１１と、ＣＣＤカメラ１２１と、画像処理装置５とに接続されている。
【００６６】
コンピュータ１０７は操作者が設定する試料損傷制限値に基づき照射可能なレーザ光８の強度をマップから判断して、減光フィルタ切り換えユニット１１を駆動させ、減光フィルタ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを移動し、減光フィルタ１１ａ，１１ｂ，１１ｃの内一つを選択して光路上に配置する。
【００６７】
更にコンピュータ７は画素の平均輝度がマップ上の画像の明るさからはずれている場合に、ＣＣＤカメラ１２１の蓄積時間を調整し、画像の明るさがＺとなるようにする。
【００６８】
メモリ１０７ａは、図４に示すように予め試料の損傷の度合に対する照射可能なレーザ光８の強度及び画像の明るさの関係を示すマップを記憶している。
【００６９】
縦軸は試料１０の損傷度合を示す軸１５０と画像の明るさを示す軸１５１である。
【００７０】
横軸はレーザ光８の強度を示す軸１５４である。
【００７１】
特性曲線１５５は試料１０の損傷度合、レーザ光８の強度及び画像の明るさとの関係からレジストの種類ごとに実験により予め求められている。
【００７２】
次に、一括照明（ケーラー）型顕微鏡の作動を示す。
【００７３】
レーザ光発振装置１から出射したレーザ光８は光ファイバ１０２において誘導され、顕微鏡本体１０４内へ入る。
【００７４】
レーザ光８は減光フィルタ切り換えユニット１１内の光路上に位置決めされている減光フィルタ１１ｂにて適正な光量に調整された後、ビームエキスパンダ１４にて第二対物レンズ１１８の瞳径を満たすように拡大され、集光レンズ１２２により集光され、ビームスプリッタ１５にて反射された後、第二対物レンズ１１８にて試料１０上に均一照射される。試料１０からの反射光は第二対物レンズ１１８を逆戻りし、ビームスプリッタ１５を透過し、第二集光レンズ１１９によってＣＣＤカメラ１２１上に結像され、光電変換された後、画像処理装置５にて画像信号に処理されてディスプレイ６に映し出される。
【００７５】
次に図３，４に基づいてコンピュータの操作順序を示す。
【００７６】
まず、操作者は試料損傷制限値を設定する（例えばｙを設定する）。このとき、試料損傷制限ｙに基づく試料の損傷度合はｙ％となる。図４に示すように特性曲線５５において試料の損傷度合ｙ％に対応するレーザ光８の強度はｘ％となる。
【００７７】
そこで、コンピュータ７は減光フィルタ切り換えユニット１１を駆動し、レーザ光８の強度がｘ％以下になるように減光フィルタ１１ａ，１１ｂ，１１ｃの内から一つを選択し、光路上に移動させる。
【００７８】
この後、コンピュータ７は画像が暗い場合にはＣＣＤカメラ１２１の感度を補正させる。ＣＣＤカメラ１２１画像の明るさがＺとなるように蓄積時間を調整する。
【００７９】
この実施形態によれば、深紫外域のレーザ光８を光源とする一括照明（ケーラー照明）型顕微鏡において適切な明るさの画像を見ることができ、試料の損傷を軽減することができる。
【００８０】
なお、上記各実施形態では減光フィルタ切り換えユニット１１内に減光能力の異なる減光フィルタが１１ａ，１１ｂ，１１ｃの三種類有する場合について述べたが、複数ならばいくつの減光フィルタを有することも可能である。
【００８１】
また、複数個の個別減光フィルタの代わりに、１枚の円盤内の減光度合いが連続的に変化している減光フィルタを回転させて、同様の効果を得ることもできる。
【００８２】
また、上記第１の実施形態では二次元スキャナユニット１６の走査速度が一定の場合について述べたが、複数の固有の走査速度毎に求められている特性曲線に基づいたマップを予めメモリ７ａ，１０７ａ内に記憶しておき、異なる走査速度に対応できる。
【００８３】
更に、上記第１の実施形態では大きさの異なるピンホールとして２０ａ，２０ｂ，２０ｃの三種類をピンホール切り換えユニット２０に有する場合について述べたが、三種類に限らず複数ならばいくつのピンホールを有することも可能である。
【００８４】
また、上記第１の実施形態では、操作者が設定値を入力するとコンピュータ７がレーザ光８の強度の調節、ピンホール２０ａ，２０ｂ，２０ｃの選択及び画像の明るさの調節を行わせたが、操作者がマニュアル操作によりレーザ光８の強度、ピンホール２０ａ，２０ｂ，２０ｃの選択及び画像の明るさを微調整することも可能である。
【００８５】
上記第２の実施形態では、操作者が設定値を入力するとコンピュータ１０７がレーザ光８強度の調節及び画像の明るさの調節を行わせたが、操作者がマニュアル操作によりレーザ光８の強度及び画像の明るさを微調整することも可能である。
【００８６】
また、上記第２の実施形態では、レーザ光発振装置１から顕微鏡本体１０４にレーザ光８を導く手段として光ファイバ１０２を使用した場合について述べたが、光ファイババンドルを使用してもよい。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明のレーザ顕微鏡によれば、レーザ光の照射による試料の損傷を抑える。
【００８８】
請求項２の発明の共焦点型レーザ走査顕微鏡によれば、請求項１の発明と同様な効果がある。
【００８９】
請求項３の発明の共焦点型レーザ走査顕微鏡によれば、鮮明な像によって試料を観察できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の第１の実施形態に係る共焦点型レーザ走査顕微鏡装置を示すブロック図である。
【図２】図２はマップの一例を示す図である。
【図３】図３はこの発明の第２の実施形態に係るレーザ顕微鏡を示すブロック図である。
【図４】図４はマップの一例を示す図である。
【符号の説明】
１  レーザ光発振装置（光源）
４  顕微鏡本体
７，１０７  コンピュータ（制御手段）
７ａ，１０７ａ  メモリ（記憶手段）
８  レーザ光
１１  減光フィルタ切り換えユニット（制限手段）
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ  ピンホール
【図１】
0004281033.tif 000002
【図２】
0004281033.tif 000003
【図３】
0004281033.tif 000004
【図４】
0004281033.tif 000005