Vol.３2 No.4，２０１３

122
センターニュース

分析機器解説シリーズ（122）◆走査型レーザー顕微鏡の技術と応用 …………………………………………… P1（株）島津製作所

分析計測事業部

グローバルマーケティング部
グローバルアプリケーション開発センター

中島
藤井秀郎
岳直

分析機器解説シリーズ（122）

走査型レーザー顕微鏡の技術と応用（株）島津製作所

分析計測事業部

グローバルマーケティング部
グローバルアプリケーション開発センター

1

はじめに半導体の高集積化、電子部品の小型実装化、MEMSデバイ

中島
藤井秀郎
岳直

鏡に比べ優れた観察・測定能力を有している。本稿では3D測定レーザー顕微鏡OLS4100を例に、LSMの技術とその応用について紹介する。図1にOLS4100の装置外観を示す。

スの超微細加工、微細な機能性素材の開発など、技術の進歩に伴い、三次元計測には高精度・高分解能が要求されてきている。これらの要求に応えるために、様々な三次元形状測定装置が提案されているが、その中でも特に、大気中で簡単に使用できる装置として、走査型レーザー顕微鏡（LSM：LaserScanning Microscope）の利用が拡がってきている。
LSMは、100倍〜17,000倍以上の観察倍率、0.12μmの水平方向の分解能など、可視光を使用する従来の光学顕微

2

LSM の技術

２−１．LSMの原理
図2にLSMの原理図を示す。レーザー光源から出射した光は、対物レンズにより試料上にレーザースポットとして照射される。試料表面で反射された光は同じ光路を戻り、共焦点ピンホールを通過して光検出器で検出される。
この光路中に二次元スキャナを配置して、試料表面にレーザースポットを二次元走査している。このとき、焦点位置以&'#()*!"#$%

外からの反射光は前述の共焦点ピンホールでカットされ、焦点位置のみの情報が得られる。さらに、二次元走査しながら対物レンズを高さ方向（Z方向）に移動することで、試料のある高さをスライスした画像を連続取得し、各画素での最大輝度値を画像化することで、視野全体に焦点の合った、コントラストの高い、クリアな輝度像（LSM像）が得られる。また、最大輝度が得られた高さ情報から三次元画像（3D像）

図１

3D 測定レーザー顕微鏡 OLS4100 本体を構築する。

（1）

分析機器解説シリーズ（122）!"#"$%

は約1/10に短縮できる。

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図2

Z position

LSM 原理図

図4

I − Z 曲線２−４．デュアルコンフォーカル

２−２．専用光学系
通常の光学顕微鏡の光学系は可視光（380〜810nm程

従来のLSMでは、反射率に差のある試料を測定した場度）に合わせて設計されている。OLS4100では405nm

合、暗部で正常な測定結果が得られない場合があった。これの短波長レーザーを使用している。通常の光学系に405nm

は、暗部では十分な反射光量が得られず、信号のノイズがレ ー ザ ー を 使 用 す る と 、光 学 収 差 な ど の 影 響 に よ り 、3D像に影響を及ぼすためである。

405nmレーザーの性能を生かすことができない。このた

OLS4100ではピンホールの径が異なる、つまり反射光め、OLS4100では405nm専用に設計された光学系を採の検出感度の異なる二つの共焦点光学系を備えている。この用し、分解能や正確性の要求に応えている。さらに、高NA二つの共焦点光学系を利用することで、面内に反射率に差の（Numerical Aperture、開口数)の専用対物レンズを採用すある試料でも一度の走査で鮮明な画像を得ることができるることにより、今まで測ることができなかった急峻な角度を（図5）。

持つ試料でも、測定可能となってきている（図3）。

図5
図385 度の斜面の観察

２−３．CFO（Calculated Focus Operation）サーチ

２−５．マルチレイヤー機能
LSMで3D像を測定する際、最大輝度のZ位置を表面とし従来のLSMは、高さ（Z）方向に高分解能な3D像を取得て認識する。このため、反射率の高い基板上にある透明膜をするには、対物レンズを高さ方向に細かいピッチで移動させ観察することはできない。これを解決する手段として、複数る必要があり、測定時間が長くなってしまうという問題を抱のレイヤー（層）の反射光量のピークを認識し、それぞれのえていた。

層を焦点位置として採用することができるマルチレイヤー機

OLS4100では、最大輝度Z位置を特定するアルゴリズム能がある。この機能により、透明体の表面観察や、透明体の（CFOサーチ）を採用し、短時間で高分解能な3D像を構築

各層の粗さ測定、さらに面膜厚の測定も可能となる（図6）。

することが可能になった。 CFOサーチは、図4の輝度-Z位置曲線（I−Z曲線）に示すように、広いピッチでZ移動させても、輝度が最大になるZ位置周辺の複数点が抽出できれば、その近似曲線から輝度が頂点となるZ位置を算出できる。Z移動
ピッチは対物レンズ毎に最適値が自動設定されるため、必要以上に時間をかけずに、頂点となるZ位置が算出される。
CFOサーチで測定した場合、従来のピークサーチ方式と比較して、高さ測定の繰返し性が約30％向上し、測定時間（2）面内に輝度差のある試料の LSM 像

分析機器解説シリーズ（122）は複数の測定においてどれだけ変動が少ないのかを意味する。信頼性のあるデータを提供するため、標準試料とのトレーサビリティを確保し、正確性と繰り返し性を保証することが重要である。
２−８．粗さ測定
図 6 マルチレイヤー機能による 3D 像
上：ポリイミド膜、下：金属面

LSMは非接触で測定が行えるため、従来の触針式粗さ計
では測定できなかった柔らかい試料や粘着性のある試料でも表面粗さが測定可能である。

２−６．微分干渉（DIC）観察

JISに準拠した粗さ測定方法は、測定する粗さに対して評価

微分干渉観察は、通常の反射光では検出できない微小長さが指定されている。例えば、Ra＝1μmのとき、評価長さな凹凸やうねり形状を可視化する観察方法である。DIC4mmとなっている。従来のLSMで4mmの評価長さを取るに（Diﬀerential Interference Contrast）プリズムを用いては、複数の画像データを張り合わせ、より広い面積の画像を照明光を二つの光線に分離して試料に照射する。試料より反取得する必要があった。OLS4100ではラインの貼り合わせ射した二つの光線の差を取ると、明暗のコントラストが発生により、短時間で長寸法の粗さ測定が可能となっている。

し、微小な凹凸を立体的に観察することができる（図7）。
画像処理により擬似的に微分干渉像を得る手法もあるが、画質に秀で、ライブ画像で観察できるという点でDICプリズ
ムを用いた微分干渉観察が優れている。

3

３． LSMの応用例
LSM の応用例
表１にLSMとSEM（走査電子顕微鏡）、SPM（走査型プローブ顕微鏡）、触針式粗さ計との比較を示す。LSMは金属、セラミック、樹脂、食品などのさまざまな試料の高分解能観察が前処理を行なうことなく簡単にできる。さらに、SEMでは得ることができない三次元計測が行なえることはLSMの大きな特長である。ここでは、半導体、金属、非金属、繊維、樹脂などさまざまな材料における応用例を紹介する。
表1

LSM と他の手法の比較

LSM

SEMSPM

触針式粗さ計前処理不要

○×○

○

非接触○○

△×

大気中観察

○×○

○

高分解能観察

○

◎◎×

三次元計測

○×○

△

３−１. さまざまな材料のLSM観察
３−１−１. シリコン結晶面の欠陥の観察
図8にレーザー微分干渉によるシリコン結晶面に生じたナ
図７ ポリマーフィルムの LSM 像
上：レーザー像、下：レーザー微分干渉像

２−７．正確性、繰り返し性、トレーサビリティ
LSMは顕微鏡としてだけではなく、線幅や段差、粗さなノメートルレベルの欠陥の観察例を示す。図8（A）は通常のLSM像である。欠陥が微小なために通常のLSM像では捉えられていない。図8（B）はレーザー微分干渉観察像である。このレーザー微分干渉観察で明瞭に微小欠陥を捉えている。参考に、同じ欠陥部の原子間力顕微鏡（AFM）によるどを測定する測定機としても使用されるため、LSMに対す像を図9に示す。図8（B）のレーザー微分干渉観察が数ナる正確性と繰り返し性の要求が強くなってきている。ここノメートルの形状を捉えていることがわかる。

で、正確性とは真の値にどれだけ近いのかを、繰り返し性と（3）分析機器解説シリーズ（122）
（A）

（A）

図 8（A） シリコン結晶面の欠陥観察
LSM 像
視野 64 × 48 um

（B）

!"

（B）

図 8（B） シリコン結晶面の欠陥観察
レーザー微分干渉像
視野 64 × 48 um

図 10

カーボンペーパーの観察
視野 1.8mm □（A）LSM 像、（B）3D 像

体的に絡みあっているために接触式の粗さ計では測定が難しい。また非導電性であるためにSEMでは導電化処理（蒸着）なしでは観察が難しい。この様に他の手法では観察・測定が困難な紙繊維であるが、非接触な手法であるLSMでは簡単に高分解能で形状観察ができている。

図9

シリコン結晶面の欠陥の AFM 観察
視野 15um □（ナノサーチ顕微鏡 SFT − 4500 使用）

３−１−２. 燃料電池基材用カーボンペーパーの観察
図10に燃料電池の電極基材であるカーボンペーパーのLSM像と3D像を示す。LSM像から炭素繊維が面内方向に配向していることがわかる。さらに、LSM像と3D像から炭素繊維同士の固着している様子が明瞭に観察できている。
３−１−３. 紙繊維の高分解能観察
図11に紙繊維の3D像を示す。一般的に紙は繊維同士が立（4）

図 1１ 紙繊維の 3D 像
視野 256um □３−１−４. 食品の観察
図12に天然ナタデココ入りのゼリーの内部のLSM像を示す。ゼリー内部のナタデココ繊維の分布が画像化されている。ゼリーを大気中で観察した場合、光はゼリー表面のみで反射してしまい、内部の観察はできない。水中に入れたゼ分析機器解説シリーズ（122）
リーは光学的にほぼ透明になる。この水中で透明になる性質を利用し、水中で内部の観察を行っている。なお、水中での観察には水浸対物レンズを用いている。

図 13

算術平均粗さSa の算出式と概念図す。表3に表面粗さを示す。3D像からコロナ処理による表面形状の変化は明らかである。この形状変化を表面粗さで数値化した場合、一般的によく使われている算術平均粗さSa
図 12

ゼリーの水中での LSM 像

３−２. 表面粗さ解析
表2に国際規格（ISO25178）の三次元表面性状パラメー

では処理前後での数値の差は小さい。しかし、スキューネス
SskとクルトシスSkuに特徴的な差が出ている。Sskは歪度（わいど）を意味し、以下に示した平均面を中心とした山部と谷部の対称性を現したパラメータである。

タ（表面粗さパラメータ）の一覧を示す。図13に代表的な表

Ssk=0：平均線に対して対称（正規分布）

面粗さパラメータである算術平均粗さSaの算出式と概念図

Ssk>0：平均線に対して下側に偏っているを示す。粗さ計における二次元の線粗さパラメータとは異なSsk<0：平均線に対して上側に偏っている

り、表面粗さパラメータは三次元で計算される。例えば、表Skuは表面の尖度、すなわち高さ分布の尖り度を現している。

面肌の異方性などは二次元的なパラメータでは数値化できな

Sku=3：正規分布

いが、三次元での表面粗さパラメータにより評価できる。

Sku>3：尖り度が高い高さ分布

さらに、樹脂などの柔らかい試料でもLSMは非接触な方法であるために非破壊で粗さ解析ができる。
表2

Sq
Ssk
Sku
Sp
Sv
Sz
Sa
Sk
Spk
Svk
SMr1
SMr2
Sxp
Vvv
Vvc
Vmp
Vmc
SalStr三次元表面性状パラメータ（ISO25178）

二乗平均平方根
スキューネス（偏り度）
クル卜シス（尖度）
最大ピーク（頂上）高さ
最大ピット（窪底）深さ
最大表面凸凹高さ（Sp+Sv）
算術平均
コア部のレベル差
突出山部高さ突出谷部深さ突出山部とコア部を分離する負荷面積率
突出谷部とコア部を分離する負荷面積率
負荷面積率97.5%から50%
谷部の空隙容積（負荷面積率80%）
コア部の空隙容積（負荷面積率10%から80%）
山部の実体体積（負荷面積率10%）
コア部の実体体積（負荷面積率10%から80%）
最短の自己相関長さ
表面性状のアスペクト比

３−２−１. PET樹脂フィルムの3D観察と表面粗さ解析
図14にPET樹脂フィルムのコロナ処理前後の3D像を示Sku<3：表面凹凸の高さ分布がつぶれているような形状
SskとSkuからコロナ処理により表面形状は上に偏った尖り形状が増していることが3D像と表面粗さパラメータから明確化されている。

（A）

（B）
図 14

PET フィルムの 3D 像
視野 580um □（A）未処理 （B）コロナ処理後（5）

分析機器解説シリーズ（122）
表3

PET 樹脂フィルムの表面粗さ

Sq[µm]Ssk

Sku

Sp[µm]

Sv[µm]

Sz[µm]

Sa[µm]

未 処 理

0.043

1.677

7.681

0.436

0.106

0.542

0.031

コロナ処理

0.057

3.859

35.387

1.395

0.339

1.7340.037

３−２−２. 塗膜の表面形状の異方性
人間の目は極めて敏感に傷やうねり、光沢性の違いを検出できるものの、その数値化は困難である。目視による質感が異なった２つの塗膜（塗膜Aと塗膜B）の3D像を図15に示す。質感の違いは表面形状の違いによると予測されたが、図15の3D像は２つの塗膜の形状の違いが現れている。表4に表面粗さを示す。算術平均粗さSaと最大高さSzではわずかな違いしかないが、スキューネスSskと横方向の構造に関係する最短の自己相関長さSal、および表面性状のアスペクト塗膜Ａ比Strに違いがある。Strは表面の異方性、等方性の強さを示すパラメータであり、0から1の値をとる。通常Str>0.5で強い等方性を示し、Str<0.3で強い異方性を示す。２つの塗膜では、Sskは塗膜Aが塗膜Bと比べて負の大きい値であることから塗膜Aが塗膜Bよりも下に高さ分布が偏っていることがわかる。さらにStrから２つの塗膜ともに小さい値を示すことから異方性を持っていることがわかる。とくに、塗膜AはStr＜0.3であることから強い異方性を持つことが示されている。異方性を持った２つの塗膜において、相対的にSalが小さい塗膜Aは短い周期の形状が支配的であり、逆に相対的にSalが大きい塗膜Bは長波長成分が支配的な表面肌であることが示されている。
表４Sq[µm]

Ssk

塗膜Ｂ
図 15

質感が異なる 2 つの塗膜の 3D 像
視野 1.8mm □質感が異なる２つの塗膜の表面粗さ

Sa[µm]

Sz[µm]

Sal[µm]

Str

塗膜

A

1.461-0.362

1.148

13.597180.2230.197

塗膜

B1.274-0.129

1.005

10.503337.475

0.391

３−３. 形状解析
図16に太陽電池用の多結晶シリコン基板上の銀電極の3D像と形状評価を示す。3D像はカラー像を利用したリアルな表示を行なっている。太陽電池では変換効率を高めるために細線化（高いアスペクト比）した電極形成、すなわち、電極をより細く、より高く形成することが求められている。ここでの形状評価は電極の平均プロファイルから、電極の平均幅と平均高さ、さらには電極の平均断面積を計測している。
３−４. 透明体の観察と計測
３−４−１. 透明塗膜/アルミニウム箔のマルチレイヤー観察
光沢性能や断熱性向上などがなされた透明塗膜/アルミニ
ウム箔は重要な素材である。図17に透明塗膜/アルミニウム
箔の構造を示す。アルミニウム箔は圧延工程により光沢面と艶消し面を持っている。図18にマルチレイヤー機能により観察した3D像を示す。マルチレイヤー機能により、下地の（6）図 16

太陽電池用多結晶シリコン基板上の銀電極の 3D 像と形状評価

分析機器解説シリーズ（122）
アルミニウム箔の光沢面と艶消し面での形状の違いを捉えている。さらに下地面の上に施された塗膜表面の形状の違いを試料がレーザーに対して透明性を持つ場合、その性質を利用して内部の観察が可能となる。

捉えている。
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図 17

３−４−２. 透明膜の断面観察と膜厚測定

透明塗膜 / アルミニウム箔の構造

図19にガラス基板上の透明レジスト膜試料の（A）断面観察像と（B）反射ピークを示す。レジスト膜の膜厚は190nmである。（A）断面観察は深さ方向のレーザー反射強度を示し、レジスト膜表面とガラス基板との界面が観察されている。透明膜の膜厚は（B）反射ピークを用いて得られる。透明膜の膜厚dfilmの算出は（B）反射ピークの深さ方向の距離ｄLSMを計測し、膜の屈折率nfilmにより式（１）を用いて算出できる。

d film = n film ⋅ d LSM（Ａ）下地アルミニウム光沢面（Ｂ）透明塗膜
図 18

図 19

光沢面

（Ｃ）下地…式（１）

アルミニウム艶消し面（Ｄ）透明塗膜

艶消し面

透明塗膜 / アルミニウム箔のマルチレイヤー機能による 3D 像
視野 256um □透明レジスト膜 / ガラス基板上の（A）断面観察と（B）膜厚計測（7）分析機器解説シリーズ（122）
積、面積率、形状（針状、丸さ）の度合いなどがある。

３−５. 粒子解析
図20に微粒子のLSM像を示す。図21に粒子解析を示す。粒子解析は粒子解析ソフトウェアを用いてLSM像、または粒子の高さ像から粒子を抽出し、各粒子の特徴量を計算することができる。さらに、計算した特徴量の統計値を求め、ヒストグラムや相関図などのグラフ表示をすることができる。図21は、図20のLSM像を二値化処理後に粒子を抽出し（A）、絶対最大径、円相当半径、平均半径のそれぞれの特徴量と統計値を求め（B）、ヒストグラム表示を得た結果（C）である。粒子の特徴量には、絶対最大径、円相当半径、平均半径以外にも、フィレ径、平均高さ、表面積、体図 20

微粒子の LSM 像

（Ｃ）

（Ａ）

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500

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1s

Ave

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Ave!"#$375

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0.0

2.5

5.0

7.5

10.0

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（B）

統計値
平均
標 準 偏 差長 さ 平 均面 積 平 均体 積 平 均合計
最大値
最小値
最大値をとる粒子
最小値をとる粒子
範囲
粒子数

絶対最大径〔um〕
3.198
3.458
6.937
11.82
15.72
3694
26.70
0.884
697
1
25.82
1155

穴を含んだときの円相当半径〔um〕
1.496
1.254
2.547
4.076
5.432
1727
9.740
0.611
184
1
9.129
1155

平均半径〔um〕
1.777
1.088
2.444
3.684
5.134
2052
9.504
0.830
184
165
8.674
1155

図 21 粒子解析（A）粒子抽出画像、（B）粒子統計リスト、(C) 平均半径のヒストグラム

４．むすび

4

参考資料

むすび

１）渡部秀夫：レーザ顕微鏡による非接触３次元計測 光ア

LSMに関して、その技術といくつかの応用例を紹介した。本装置を用いると、大気中でミリメートルからサブミクロンまでの寸法測定、段差測定、粗さ測定が迅速に行える。
LSMは、多方面の分野から注目されており、「ものを拡大して見る」という基本的な科学、工学的手段を飛躍させる

ライアンスVol.15、No.11
２）オリンパス（株）ホームページ 「レーザー顕微鏡の基本原理」
http://www.olympus-ims.com/ja/knowledge/
metrology/lext̲principles/

技術として、さらに発展を続けていくことであろう。

九州大学中央分析センターニュース第122号 平成25年10月25日発行
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ホームページアドレス（8）

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