JP2002023061A - 顕微鏡の暗視野照明装置および暗視野照明方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分な明るさを有し且つ明るさのムラが良好
に抑制された暗視野照明を行うことのできる装置および
暗視野照明方法を提供すること。 【解決手段】 顕微鏡の暗視野照明装置に、観察される
物体を照明する照明光を供給するための光源と、光源か
らの光束を環状の断面を有するほぼ平行な光束に整形す
るための整形光学系と、環状の断面を有するほぼ平行な
光束を複数の発散光束に変換するための発散光学素子
と、発散光束を集光して物体面上で重ね合わせるための
集光光学素子と、を配置して構成する。発散光学素子と
して、回折光学素子又はマイクロレンズアレイを用いる
のが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は暗視野照明装置およ
び暗視野照明方法に関し、特に顕微鏡において観察すべ
き物体に対する落射型の暗視野照明に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程では、半導体ウエハや液
晶基板などに付着したホコリやキズなどを検査するため
に、暗視野照明を用いた顕微鏡観察がよく利用される。
暗視野照明を用いた顕微鏡観察では、観察すべき物体か
らの反射光や透過光を直接観察するのではなく、物体か
らの散乱光を観察する。明視野照明よりも暗視野照明の
方が解像力が高く、良好なコントラストで観察を行うこ
とができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の暗視野照明装置
では、物体をほぼクリティカル照明するように光学配置
がなされているので、照明光束が物体面上で結像するこ
とがないように照明光を拡散させている。具体的には、
環状の凹面反射鏡を介して物体へ照明光束を導く場合、
凹面反射鏡よりも光源側に拡散板を配置して照明光を拡
散させる。この場合、拡散板で拡散された光の一部は照
明に寄与することがなく、光量の損失が発生する。

【０００４】一方、環状のコンデンサーレンズを介して
物体へ照明光束を導く場合、コンデンサーレンズの入射
面に拡散膜を形成し、この拡散膜の作用により照明光を
拡散させる方法がある。この場合は、特に低倍の顕微鏡
対物レンズを使用する際に拡散膜で拡散された光束が視
野外を照明することがないように、フレアー防止のため
の固定絞りをコンデンサーレンズと物体との間の光路中
に配置している。その結果、コンデンサーレンズを介し
た光の一部が固定絞りで遮られて照明に寄与することな
く失われるとともに、固定絞りの配置により作動距離が
短くなって操作性が損なわれる。このように、従来の暗
視野照明装置では、拡散板に起因する光量損失または固
定絞りに起因する光量損失のために、物体上の照野にお
いて十分な明るさを得られないという不都合があった。

【０００５】また、従来の暗視野照明装置では、いわゆ
るケーラー照明の光学配置となっていないので、特に低
倍の顕微鏡対物レンズを使用する場合には、観察する広
い視野内において明るさのムラがあるという不都合があ
った。

【０００６】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、十分な明るさを有し且つ明るさのムラが良好
に抑制された暗視野照明を行うことのできる暗視野照明
装置および暗視野照明方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の顕微鏡の暗視野照明装置は、照明光を供給
するための光源と、光源からの光束を環状の断面を有す
るほぼ平行な光束に整形するための整形光学系と、環状
の断面を有するほぼ平行な光束を複数の発散光束に変換
するための発散光学素子と、発散光束を集光して物体面
上で重ね合わせるための集光光学素子と、を備えて構成
される。

【０００８】本発明の好ましい態様によれば、上記の発
散光学素子は、回折光学素子又はマイクロレンズアレイ
であり、全体的に円環状をなしている（請求項２）。ま
た、本発明の好ましい態様によれば、本発明の暗視野照
明装置は、顕微鏡の対物レンズの開口数よりも大きな開
口数の光束で物体を照明し、上記の発散光学素子は、対
物レンズの胴付面よりも物体側に位置決めされている
（請求項３）。また、上記の発散光学素子は、顕微鏡の
結像光路中に選択的に挿入される複数の対物レンズ各々
に対して一体的に取り付けられていることが望ましい
（請求項４）。

【０００９】さらに、本発明の好ましい態様によれば、
上記の集光光学素子は、環状のレンズ成分を有し、該レ
ンズ成分の光源側の面および物体側の面のうち少なくと
も一方の面は非球面状に形成されている（請求項５）。
また、上記の集光光学素子は、環状の凹面鏡を有し、該
凹面鏡の反射面は非球面形状に形成されている（請求項
６）。

【００１０】さらに、本発明の別の局面によれば、光源
からの照明光束を環状の断面を有するほぼ平行な光束に
整形し、環状の断面を有するほぼ平行な光束を複数の発
散光束に変換し、複数の発散光束を集光して物体面上で
重ね合わせることを特徴とする暗視野照明方法を提供す
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明では、光源からの照明光束
が環状の断面を有するほぼ平行な光束に整形された後、
回折光学素子又はマイクロレンズアレイに入射して任意
の発散角を持った多数の発散光束に変換され、これらが
集光光学素子により物体面上で重なり合う。

【００１２】このように、本発明では、集光光学素子を
介したほぼ平行な光束あるいは適当な発散角（または、
収れん角）を有する光束が、ケーラー照明あるいはそれ
に近い照明状態で物体面を重畳的に照明する。その結
果、物体面上には、明るさのムラが良好に制御された照
野が形成される。また、本発明では、ケーラー照明ある
いはそれに近い照明状態で物体面を照明するため、従来
技術における拡散板などを用いて光束を拡散する必要が
ない。従って、回折光学素子又はマイクロレンズアレイ
に入射した光束は、実質的に光量を損失することなく、
集光光学素子を介して物体面へ導かれる。その結果、物
体面上には、十分な明るさを有する照野が形成される。

【００１３】本発明の暗視野照明装置に用いられる回折
光学素子、マイクロレンズアレイは、いずれも一体的に
円環状に配置された複数のレンズエレメントからなる。
回折光学素子又はマイクロレンズアレイの環状の入射面
に入射したほぼ平行な光束は、その射出面の近傍（すな
わち後側焦点面の近傍）において環状に並んだ複数の光
源像を形成する。これらの複数の光源像からの光束は、
集光光学素子により集光された後、物体面上で重なり合
う。

【００１４】なお、本発明では、回折光学素子又はマイ
クロレンズアレイは、集光光学素子の前側焦点面となる
ように配置されていることが好ましい。この場合、複数
の光源像からの光束を平行光束に変換して物体面をケー
ラー照明することにより、照野内での明るさのムラをさ
らに良好に抑えることができる。

【００１５】回折光学素子またはマイクロレンズアレイ
を製作する場合、フォトリソグラフィーなどにより、マ
スクパターンを転写し、エッチング加工を行う。一度マ
スクパターンを製作してしまえば、それを繰り返し使用
することができる。本発明の暗視野照明装置に用いられ
る回折光学素子又はマイクロレンズアレイは、結像光学
系等に用いられる回折光学素子又はマイクロレンズアレ
イに比べて、要求されるアライメント精度などは低いの
で、製造上のコストは安価である。

【００１６】本発明の暗視野照明装置に用いられる回折
光学素子は、その回折効率が４レベル以上が望ましい。
回折効率が４レベル以上であれば、８０パーセント以上
の高い回折効率が得られるので、光量損失を低減する効
果が大きい。なお、回折効率を高いレベルとすると、そ
の分だけ多くのマスクパターンを用意しなければなら
ず、各マスクパターンを位置決めしてパターニングする
工程が増えるので、過剰に高レベルとするのは望ましく
ない。この点は、同様の製作法で製造されるマイクロレ
ンズアレイの場合でも同じである。

【００１７】回折光学素子又はマイクロレンズアレイ
は、いずれも微小なレンズの集合体であり、規則的に繰
り返す凹凸パターンを有している。従って、拡散板に比
べて、これらは、多数の発散角が一定になるようにコン
トロールでき、表面での乱反射や散乱も小さくできる。
また、回折光学素子又はマイクロレンズアレイは、フォ
トリソグラフィーなどにより製造され、微小な繰り返し
凹凸パターンが得られるので、照野の明るさの均一性は
向上する。

【００１８】また、顕微鏡では倍率の異なる複数の対物
レンズ鏡筒が回転自在のリボルバに装着され、このリボ
ルバの回転により所望の倍率の対物レンズが結像光路中
に選択的に挿入される。この場合、各対物レンズの倍率
に応じてその開口数および視野が実質的に異なるため、
各対物レンズの開口数よりも大きな開口数の光束でその
視野に応じた大きさの照野を良好に形成するには、対物
レンズ毎に発散光学素子（回折光学素子又はマイクロレ
ンズアレイ）および集光光学素子を設けることが必要と
なる。そのためには、発散光学素子および集光光学素子
は、対物レンズ鏡筒の胴付面（対物レンズ鏡筒をリボル
バに取り付ける際に基準となる面）よりも物体側に配置
されていることが好ましい。

【００１９】この構成により、顕微鏡の結像光路中に選
択的に位置決めされる複数の対物レンズの各々に対し
て、１組の発散光学素子及び集光光学系を一体的に取り
付けることができ、対物レンズの切り換えに際して検鏡
者に余分な操作を強いることなく良好な操作性を確保す
ることができる。仮に、発散光学素子および集光光学素
子を顕微鏡鏡基内に配置すると、良好な照明自体が不可
能になり易いだけでなく、対物レンズの切り換え毎に検
鏡者に余分な操作を強いることになり、操作性が悪くな
る。

【００２０】また、集光光学系に収差がある程度残存し
ていると、複数の光源像からの光束を平行光束に変換す
ることができなくなり、その結果物体面上において明る
さにある程度ムラのある照野が形成されてしまう。した
がって、集光光学系として環状のレンズ成分を用いる場
合、このレンズ成分の少なくとも一方の面に非球面を導
入することにより集光光学系ができるだけ無収差になる
ように構成することが好ましい。あるいは、レンズ成分
のような屈折系に代えて、原理的に無収差の集光光学系
として環状の放物凹面反射鏡を用いることにより、照野
内での明るさのムラをさらに良好に抑えることが好まし
い。

【００２１】以下、本発明の暗視野照明装置について、
図面を参照しながら具体的に説明する。図１は、本発明
の実施形態にかかる暗視野照明装置の全体構成を概略的
に示す図である。また、図２は、図１のマイクロレンズ
アレイの光学的作用を説明するための部分拡大図であ
る。以下、回折光学素子とマイクロレンズアレイは、実
質的に同じ光学的作用をもつので、マイクロレンズアレ
イで代表させて説明する。

【００２２】本実施形態の暗視野照明装置は、図１に示
すように、照明光を供給するための光源１を備えてい
る。光源１としては、例えばハロゲンランプが用いられ
る。光源１からの光は、コレクタレンズ２を介してほぼ
平行な光束となった後、集光レンズ３を介して光源像４
を開口絞り５の近傍に形成する。開口絞り５から射出し
た照明光は、フィールドレンズ６を介してほぼ平行な光
束となった後、リング絞り７に入射する。リング絞り７
は、光軸を中心とした円環状の開口部を有する。

【００２３】リング絞り７の開口部を通過した円環状の
断面を有するほぼ平行な光束は、中空反射ミラー８に入
射する。中空反射ミラー８は、中央に形成された全体的
に円形状の開口部８ｂと、その外側に形成された全体的
に円環状の反射部８ａとから構成されている。

【００２４】中空反射ミラー８の反射部８ａで反射され
た円環状の断面を有するほぼ平行な光束は、マイクロレ
ンズアレイ９に入射する。マイクロレンズアレイ９は、
図２に示すように、多数のレンズエレメント９ａを全体
的に円環状に配置することによって構成されている。従
って、マイクロレンズアレイ９の入射面および射出面
は、入射する光束の断面に対応した円環状となってい
る。各レンズエレメント９ａは、光源側に凸面を向けた
入射面と、物体側に凸面を向けた射出面とを有する正単
レンズである。また、各レンズエレメント９ａは、その
前側（光源側）焦点面と入射面とがほぼ一致し且つ後側
焦点面と射出面とがほぼ一致するように形成されてい
る。

【００２５】従って、マイクロレンズアレイ９に入射し
た円環状の断面を有するほぼ平行な光束は、多数のレン
ズエレメント９ａにより拡散される。換言すると、マイ
クロレンズアレイ９は、円環状の断面を有するほぼ平行
な入射光束に基づいて、その射出面の近傍において円環
状に並んだ多数の光源像を形成する。マイクロレンズア
レイ９により円環状に並んで形成された多数の光源像か
らの光束は、円環状のコンデンサーレンズ１０により集
光された後、物体面１１ａ上の所定領域で重ね合わされ
る。

【００２６】図２に示すように、マイクロレンズアレイ
９の射出面とコンデンサーレンズ１０の前側焦点面とが
ほぼ一致するように配置されている。また、図１に示す
ように、コンデンサーレンズ１０の後側焦点面と物体面
１１ａとがほぼ一致するように配置されている。従っ
て、マイクロレンズアレイ９により形成された多数の光
源像からの光束は、コンデンサーレンズ１０によりほぼ
平行な光束に変換された後、物体面１１ａの所定領域を
重畳的に照明する。

【００２７】このように、図１の暗視野照明装置では、
マイクロレンズアレイ９の射出面と光源１（ひいては光
源像４および開口絞り５）とが光学的にほぼ共役になっ
ている。

【００２８】顕微鏡の対物レンズは、円環状のマイクロ
レンズアレイ９の中空部分と、円環状のコンデンサーレ
ンズ１０の中空部分を貫通するように配置されている。
すなわち、顕微鏡の対物レンズ鏡筒の中には、対物レン
ズの他に、その開口数及び視野に応じた１組のマイクロ
レンズアレイ９およびコンデンサーレンズ１０が一体的
に取り付けられている。従って、暗視野照明された物体
面１１ａからの反射光は、対物レンズに入射することな
く、物体面１１ａからの散乱光だけが対物レンズによっ
て結像され暗視野像を形成する。この暗視野像は、例え
ば接眼レンズ（不図示）により観察される。

【００２９】再び図１を参照すると、対物レンズ鏡筒１
２の中に、対物レンズ（不図示）、中空反射ミラー８、
マイクロレンズアレイ９およびコンデンサーレンズ１０
が収納されている。マイクロレンズアレイ９およびコン
デンサーレンズ１０は、対物レンズ鏡筒１２の胴付面１
２ａよりも物体側に位置決め固定されている。従って、
対物レンズの切り替えに際して、検鏡者は、どのような
マイクロレンズアレイ９を選ぶべきかということに注意
を払う必要はない。

【００３０】以上のように、本実施形態の暗視野照明装
置では、マイクロレンズアレイ９により形成された多数
の光源像からの光束は、コンデンサーレンズ１０により
ほぼ平行な光束に変換された後、物体面１１ａの同一領
域を重畳的にケーラー照明する。その結果、物体面１１
ａ上には、明るさのムラが良好に抑制された照野が形成
される。また、物体面をケーラー照明するので従来技術
における拡散板などを用いて光束を拡散する必要がない
ため、マイクロレンズアレイ９に入射した光束は、実質
的に光量損失することなくコンデンサーレンズ１０を介
して物体面１１ａへ導かれる。その結果、物体面１１ａ
上には、十分な明るさを有する照野が形成される。

【００３１】また、上述の実施形態では、マイクロレン
ズアレイ９により形成された多数の光源像からの光束を
集光して物体面１１ａ上で重ね合わせるための集光光学
系として、円環状のコンデンサーレンズ１０を用いてい
る。この場合、コンデンサーレンズ１０に収差がある程
度残存していると、多数の光源像からの光束を平行光束
に変換することができなくなり、その結果、物体面１１
ａ上に若干ムラのある照野が形成される。

【００３２】この若干残存している明るさのムラをさら
に良好に抑えるには、コンデンサーレンズ１０の光源側
の面および物体側の面のうちの少なくとも一方の面に非
球面を導入する。また、コンデンサーレンズ１０のよう
な屈折系に代えて、原理的に無収差の集光光学系である
円環状の放物凹面反射鏡を用いる。このようにすれば照
野内での明るさのムラをより一層良好に抑えることがで
きる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
発散光学素子により生成された複数のほぼ平行な光束が
物体面を重畳的にほぼケーラー照明するので、物体面上
には明るさのムラが良好に抑制された照野が形成され
る。また、本発明では、物体面をほぼケーラー照明する
ので、従来の拡散板を用いて光束を拡散する必要がない
ため、実質的に光量損失することなく物体面上には十分
な明るさを有する照野が形成される。

【００３４】また、本発明によれば、発散光学素子とし
て、全体的に円環状をなす回折光学素子又はマイクロレ
ンズアレイを用いるので、暗視野照明装置をコンパクト
にできる。さらに、多数の発散角が一定になるようにコ
ントロールでき、表面での乱反射や散乱も小さくでき、
また、照野の明るさの均一性は向上する。

【００３５】また、本発明によれば、発散光学素子を対
物レンズの胴付面よりも物体側に配置するので、対物レ
ンズの切り替え操作が容易にできる。さらに、対物レン
ズ各々に発散光学素子を取り付けられるので、対物レン
ズの視野に適切な照野が自動的に得られ、観察の操作性
が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態にかかる暗視野照明装置の全
体構成を概略的に示す図である。

【図２】図１のマイクロレンズアレイの光学的作用を説
明する部分拡大図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ コレクタレンズ ３ 集光レンズ ４ 光源像 ５ 開口絞り ６ フィールドレンズ ７ リング絞り ８ 中空反射ミラー ９ マイクロレンズアレイ（回折光学素子） １０ コンデンサーレンズ １１ 物体 １１ａ 物体面 １２ 対物レンズ鏡筒 １２ａ 胴付面

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察される物体を照明する照明光を供給
   するための光源と、前記光源からの光束を環状の断面を
   有するほぼ平行な光束に整形するための整形光学系と、
   前記環状の断面を有するほぼ平行な光束を複数の発散光
   束に変換するための発散光学素子と、前記発散光束を集
   光して物体面上で重ね合わせるための集光光学素子と、
   を備えていることを特徴とする顕微鏡の暗視野照明装
   置。
2. 【請求項２】 前記発散光学素子は、回折光学素子又は
   マイクロレンズアレイであり、全体的に円環状をなして
   いることを特徴とする請求項１記載の顕微鏡の暗視野照
   明装置。
3. 【請求項３】 顕微鏡の対物レンズの開口数よりも大き
   な開口数の光束で前記物体を照明し、前記発散光学素子
   は、前記対物レンズの胴付面よりも物体側に位置決めさ
   れていることを特徴とする請求項１又は２記載の顕微鏡
   の暗視野照明装置。
4. 【請求項４】 前記発散光学素子は、前記顕微鏡の結像
   光路中に選択的に挿入される複数の対物レンズ各々に対
   して一体的に取り付けられていることを特徴とする請求
   項１から３のいずれか１項に記載の顕微鏡の暗視野照明
   装置。
5. 【請求項５】 前記集光光学素子は、環状のレンズ成分
   を有し、該レンズ成分の光源側の面および物体側の面の
   うち少なくとも一方の面は非球面状に形成されているこ
   とを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の
   顕微鏡の暗視野照明装置。
6. 【請求項６】 前記集光光学素子は、環状の凹面鏡を有
   し、該凹面鏡の反射面は非球面形状に形成されているこ
   とを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の
   顕微鏡の暗視野照明装置。
7. 【請求項７】 光源からの照明光束を環状の断面を有す
   るほぼ平行な光束に整形し、前記環状の断面を有するほ
   ぼ平行な光束を複数の発散光束に変換し、前記複数の発
   散光束を集光して、物体面上で重ね合わせることを特徴
   とする顕微鏡の暗視野照明方法。