DE102006025505B4

DE102006025505B4 - Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop ohne Nebenmaxima

Info

Publication number: DE102006025505B4
Application number: DE102006025505A
Authority: DE
Inventors: Dae Gab Daejeon Gweon; Dong Kyun Daejeon Kang
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: KR20070034260A; DE102006025505A1; KR100743591B1; JP2007086735A; JP4312777B2; US7324273B2; US20070070496A1

Abstract

Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop mit: einer Beleuchtungseinheit mit einer Lichtquelle; einer Probe; einer Bilddetektionseinheit zum Messen einer Abbildung der Probe; einer Strahlaufweitungseinheit mit einer konvexen Linse oder einem konkaven Spiegel zum Umwandeln des von der Beleuchtungseinheit eintreffenden Beleuchtungsstrahls in eine ebene Welle; einem Strahlteiler, der den von der Strahlaufweitungseinheit eintreffenden Beleuchtungsstrahl zur Probe lenkt und reflektiertes Licht oder Fluoreszenzlicht von der Probe zur Bilddetektionseinheit lenkt; einem Kondensor, der zwischen der Probe und dem Strahlteiler angeordnet ist, zum Sammeln des von der Beleuchtungseinheit durch den Strahlteiler eintreffenden Beleuchtungsstrahls, zum Richten des gesammelten Lichts auf die Probe und zum Umwandeln des reflektierten Lichts oder Fluoreszenzlichts von der Probe in eine ebene Welle, wobei der Kondensor eine konvexe Linse oder einen konkaven Spiegel umfasst; einem optischen Selbstinterferenz-System, das zwischen dem Strahlteiler und der Bilddetektionseinheit angeordnet ist und einen ersten Polarisator zum Polarisieren des von der Probe reflektierten Lichts...

Description

Hintergrund der Erfindung
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop, bei dem Nebenmaxima entfernt wurden, und spezieller ein konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop, bei dem die Verzerrung von Bildern reduziert werden kann, indem Nebenmaxima aus einer Punktverbreiterungsfunktion, die bei einem bestehenden konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop auftritt, eliminiert werden.
Hintergrund des Standes der Technik
Ein konfokales Mikroskop ist ein Mikroskop, bei dem eine Lochblende auf einem Lichtweg von einer Probe durch die Objektivlinse zum Bilddetektor angeordnet ist. Das Mikroskop kann Strahlen detektieren, die durch einen speziellen Querschnitt der Probe hindurchtreten und Informationen über eine Tiefe der Probe sowie ein ebenes Bild davon erhalten, wodurch es möglich wird, ein 3D-Bild zu erhalten. Das konfokale Mikroskop wurde weit verbreitet verwendet, um Strukturen zu untersuchen, etwa Halbleiterteile, mikroskopisch bearbeitete Güter und Materialien sowie Strukturen im biomedizinischen Bereich.
Das konfokale Mikroskop besitzt gegenüber einem Elektronenmikroskop oder einem Rasterkraftmikroskop, das bei der Untersuchung einer mikroskopischen Struktur verwendet wird, viele Vorteile. D. h., das Elektronenmikroskop besitzt Nachteile dahingehend, dass es den Vakuumzustand erhalten muss, dass es eine Vorbearbeitung einer Probe erfordert, dass es nicht für eine Gesamtbetrachtung geeignet ist usw. Außerdem besitzt auch das Rasterkraftmikroskop Nachteile, weil es die Oberfläche der Probe beschädigen kann, eine lange Testzeit erfordert, nicht für eine Gesamtbetrachtung geeignet ist und dergleichen.
Im Gegensatz hierzu kann das konfokale Mikroskop eine Messung bei normaler Temperatur Atmosphäre auf berührungslose Weise durchführen und ermöglicht eine Echtzeit-Messung. Dementsprechend wurde erwartet, dass das konfokale Mikroskop das Elektronenmikroskop und das Rasterkraftmikroskop ersetzen würde.
Das konfokale Mikroskop besitzt jedoch den Nachteil, dass die Auflösungsgrenze durch das optische Beugungsphänomen bestimmt wird, da es im Grunde Licht verwendet. Beim existierenden optischen Mikroskop konnte erfolgreich die Auflösungsgrenze gesenkt werden, die Hunderte von nm betrug, und zwar auf ein Niveau von 140 nm (beispielsweise VK-9500 von Keyence Corporation), indem ein konfokales Scan-Mikroskop verwendet wurde. Bislang konnte ein optisches Mikroskop jedoch keine Auflösung von 100 nm oder weniger erreichen. Aus diesem Grund werden Elektronenmikroskope und Rasterkraftmikroskope verwendet, um Halbleiter, Flachbildschirme usw. zu testen.
Um die Einschränkungen des konfokalen Mikroskops zu überwinden, wurde ein konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop vorgeschlagen. Das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop kann Interferenzmuster zu ebenen Koordinaten einer Probe bezüglich reflektierter Strahlen erzeugen, wodurch lateral die Auflösung des Mikroskops verbessert wird.
Derartige Selbstinterferenz-Mikroskope und optische Systeme zum Einsatz in derartigen Mikroskopen sind beispielsweise aus der JP 03091709 A , der KR 1020050050735 A , der US 5,764,363 A und der US 2001/0040723 A1 bekannt.
1 zeigt den Aufbau des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops nach dem Stand der Technik.
Wie in 1 dargestellt ist, umfasst das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop 500 nach dem Stand der Technik ein allgemeines konfokales Mikroskop sowie ein Selbstinterferenz-System 510 mit Polarisatoren 511, 512 und eine doppelbrechende Wellenplatte 516. Das allgemeine konfokale Mikroskop umfasst eine Lichtquelle 20, einen Strahlaufweiter 25, einen Strahlteiler 30, einen Kondensor (eine konvexe Linse oder einen konkaven Spiegel) 40, eine Probe 45, ein optisches Teleskopsystem 50, eine Fokussierlinse 65, eine Lochblende-Apertur 70 und einen Bilddetektor 75.
Das Licht, das von der Oberfläche des Objekts reflektiert wird oder als Fluoreszenzlicht davon abgestrahlt wird, wird im Kondensor 40 zu einem parallelen Lichtbündel. Das Licht tritt durch den Strahlteiler 30 und wird anschließend hinter dem optischen Teleskopsystem 50, dem optischen Selbstinterferenz-System 510, der Fokussierlinse 65 und der Lochblende-Apertur 70 vom Bilddetektor 75 gemessen.
2 ist eine konzeptionelle Darstellung eines optischen Wegs im optischen Selbstinterferenz-System 510 des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops 500 nach dem Stand der Technik.
Das optische Selbstinterferenz-System 510 umfasst zwei Polarisatoren 511, 512 mit Polarisationswinkeln, die senkrecht zueinander sind, und eine doppelbrechende Wellenplatte 516, die zwischen den beiden Polarisatoren 511, 512 angeordnet ist. Der Polarisator 511 besitzt einen Polarisationswinkel von 45°, der zu einer Polarisationsrichtung (einer horizontalen Richtung (↔) in 2) eines gewöhnlichen Lichts oder einer Polarisationsrichtung (einer vertikalen Richtung (⊗) in 2) eines außergewöhnlichen Lichts geneigt ist, so dass das auf die doppelbrechende Wellenplatte 516 einfallende Licht ordentliches Licht und außerordentliches Licht im Verhältnis 1:1 besitzt.
Das Licht, bei dem horizontal polarisiertes Licht (↔) und vertikal polarisiertes Licht (⊗) aufgrund des Polarisators 511 im Verhältnis 1:1 vorliegen, wird in horizontal polarisiertes Licht (d. h. das gewöhnliche Licht) (eine gestrichelte Linie in 2) und vertikal polarisiertes Licht (d. h. das außergewöhnliche Licht) (eine durchgezogene Linie in 2) in der doppelbrechenden Wellenplatte 516 geteilt. Die beiden Lichtstrahlen wandern entlang unterschiedlicher Pfade, wodurch ein Phasenunterschied erzeugt wird. Der Phasenunterschied variiert abhängig vom Einfallswinkel des Lichts auf das optische Selbstinterferenz-System 510.
Interferenz wird zwischen dem gewöhnlichen Licht und dem außergewöhnlichen Licht aufgrund des Phasenunterschieds erzeugt, der abhängig vom Einfallswinkel variiert. Ein optisches System, das dieses Interferenzphänomen verwendet, wird ”optisches Selbstinterferenz-System” genannt.
Eine Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Mikroskops, die das optische Selbstinterferenz-System verwendet, ist eine Funktion, bei der die Punktverbreiterungsfunktion des allgemeinen konfokalen Mikroskops mit dem Interferenzphänomen, das durch das optische Selbstinterferenz-System hervorgerufen wird, multipliziert wird.
3 zeigt die Punktverbreiterungsfunktion (eine durchgezogene Linie) im konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop hinsichtlich einer Probe 45.
Aus 3 ist ersichtlich, dass die Größe eines Hauptstrahls des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops klein wird und die Auflösung dementsprechend verbessert wird, weil die Punktverbreiterungsfunktion (eine gestrichelte Linie) des allgemeinen konfokalen Mikroskops mit dem Interferenzphänomen multipliziert wird.
4a zeigt die Punktverbreiterungsfunktion des allgemeinen konfokalen Mikroskops. 4b zeigt die Punktverbreiterungsfunktion des in 1 dargestellten konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops. 4c zeigt die Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops, bei dem außerdem ein Selbstinterferenz-System vertikal zum optischen Selbstinterferenz-System 510 aus 1 angeordnet ist.
Aus 3 sowie 4a bis 4c ist ersichtlich, dass die Auflösung bei Verwendung des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops verbessert wird.
Ein konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach dem Stand der Technik besitzt jedoch die folgenden beiden Probleme.
Zum einen wird das Phänomen der Bildverzerrung aufgrund von Nebenmaxima erzeugt.
Die Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops wird durch Multiplikation der Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Mikroskops und des Selbstinterferenzmusters erhalten. Um die Breite des Hauptstrahls der Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops zu verringern, muss die räumliche Frequenz des Selbstinterferenzmusters erhöht werden (oder die räumliche Periode verringert werden). In diesem Fall wird die Stärke von Nebenmaxima erhöht. Dieses Phänomen kann aus 5a (ein Beispiel, bei dem das Selbstinterferenz-Phänomen in einer Richtung erzeugt wird) und 5b (ein Beispiel, bei dem das Selbstinterferenz-Phänomen in zwei Richtungen erzeugt wird) entnommen werden.
5a zeigt ein Beispiel, bei dem die Auflösung im Vergleich zum konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop aus 4b verbessert wurde. 5b zeigt ein Beispiel, bei dem die Auflösung im Vergleich zum konfokalen Selbstinterferenz Mikroskop aus 4c verbessert wurde. Durch Vergleich von 4a bis 4c und 5a und 5b kann entnommen werden, dass mit steigender Auflösung auch die Nebenmaxima größer werden.
Beim konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop kann ein Bild durch Faltung der Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops und Informationen über ein Objekt erhalten werden. Die Nebenmaxima des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops rufen eine Verzerrung von Bildern hervor.
Zum zweiten wird ein Interferenzmuster erzeugt, das vom Unterschied des Ausgangsortes zwischen Hauptstrahlen abhängt, die durch die doppelbrechende Wellenplatte hindurchgetreten sind.
Ausgangsorte der beiden Strahlen, die durch die doppelbrechende Wellenplatte geteilt wurden, unterscheiden sich voneinander, wie aus 2 ersichtlich ist. Der Unterschied zwischen den Orten wird gemäß einem Einfallswinkel des Strahls verändert. Ein Interferenzmuster tritt in der Strahlmesseinheit abhängig vom Unterschied im Ausgangsort zwischen den beiden Strahlen auf.
Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend wurde die vorliegende Erfindung in Anbetracht der oben genannten Probleme gemacht, die beim Stand der Technik auftreten, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop zu schaffen, bei dem Nebenmaxima eliminiert werden, während die Größe eines Hauptstrahls verringert wird, wobei ein Objekt mit einer Größe von einigen Dutzend nm ohne Verzerrung betrachtet werden kann, indem die Beschränkungen der oben erwähnten existierenden konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskope überwunden werden.
Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, umfasst ein konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungseinheit mit einer Lichtquelle; eine Probe; eine Bilddetektionseinheit zum Vermessen eines Bildes der Probe; eine Strahlaufweitungseinheit mit einer konvexen Linse oder einem konkaven Spiegel zum Umwandeln des Beleuchtungsstrahls von der Beleuchtungseinheit in eine ebene Welle; einen Strahlteiler, der den Beleuchtungsstrahl von der Strahlaufweitungseinheit zur Probe lenkt und von der Probe reflektiertes Licht oder durch sie abgestrahltes Fluoreszenzlicht zur Bilddetektionseinheit leitet; einen Kondensor, der zwischen der Probe und dem Strahlteiler angeordnet ist, zum Sammeln des von der Beleuchtungseinheit durch den Strahlteiler getretenen Beleuchtungsstrahls, zum Bestrahlen der Probe mit dem gesammelten Licht und zum Umwandeln des von der Probe reflektierten Lichts oder abgestrahlten Fluoreszenzlichts in eine ebene Welle, wobei der Kondensor eine konvexe Linse oder einen konkaven Spiegel umfasst; ein optisches Selbstinterferenz-System, das zwischen dem Strahlteiler und der Bilddetektionseinheit angeordnet ist und einen ersten Polarisator zum Polarisieren des von der Probe durch den Kondensor und den Strahlteiler reflektierten Lichts bzw. von der Probe stammenden Fluoreszenzlichts aufweist, außerdem eine erste doppelbrechende Wellenplatte zum Trennen des vom ersten Polarisator eintreffenden Lichts in zwei Strahlen entlang einer Polarisationsrichtung, einen zweiten Polarisator zum Polarisieren der beiden von der ersten doppelbrechendn Wellenplatte eintreffenden Strahlen, eine zweite doppelbrechende Wellenplatte zum Trennen der beiden vom zweiten Polarisator eintreffenden Strahlen in vier Strahlen entlang der Polarisationsrichtung, und einen dritten Polarisator zum Polarisieren der von der zweiten doppelbrechenden Wellenplatte eintreffenden vier Strahlen; eine Blende, die zwischen dem optischen Selbstinterferenz-System und der Bilddetektionseinheit angeordnet ist, zum Begrenzen eines Durchtrittsbereichs der Strahlen, die durch das optische Selbstinterferenz-System hindurchgetreten sind; eine Fokussierlinse, die zwischen der Blende und der Bilddetektionseinheit angeordnet ist, zum Fokussieren der von der Blende eintreffenden Strahlen, wobei die Fokussierlinse eine konvexe Linse oder einen konkaven Spiegel umfasst; und eine Lochblende-Apertur, die in einer Brennebene der Fokussierlinse zwischen der Fokussierlinse und der Bilddetektionseinheit angeordnet ist. Optische Achsen der ersten und zweiten doppelbrechenden Wellenplatte liegen in derselben Ebene und sind von einer optischen Achse des gesamten optischen Systems unter einem vorbestimmten Winkel geneigt, und Selbstinterferenz-Raumperioden der ersten und zweiten doppelbrechenden Wellenplatte sind zueinander verschieden.
Außerdem weist das optische Selbstinterferenz-System eine dritte doppelbrechende Wellenplatte zum Trennen der vom dritten Polarisator eintreffenden vier Strahlen in acht Strahlen entlang der Polarisationsrichtung auf, außerdem einen vierten Polarisator zum Polarisieren der von der dritten doppelbrechenden Wellenplatte eintreffenden acht Strahlen, eine vierte doppelbrechenden Wellenplatte zum Trennen der vom vierten Polarisator eintreffenden acht Strahlen in sechzehn Strahlen entlang der Polarisationsrichtung, und einen fünften Polarisator zum Polarisieren der von der vierten doppelbrechenden Wellenplatte eintreffenden sechzehn Strahlen. Optische Achsen der dritten und vierten doppelbrechenden Wellenplatte liegen auf derselben Ebene, die senkrecht zu den optischen Achsen der ersten und zweiten doppelbrechenden Wellenplatte ist, wobei die optischen Achsen der dritten und vierten doppelbrechenden Wellenplatte zur optischen Achse des gesamten optischen Systems unter einem vorbestimmten Winkel geneigt sind und Selbstinterferenz-Raumperioden der dritten und vierten doppelbrechenden Wellenplatte zueinander verschieden sind.
Außerdem können die Polarisationsrichtungen des ersten, dritten und fünften Polarisators zu den optischen Achsen der ersten und zweiten doppelbrechenden Wellenplatte unter einem Winkel von 45 Grad geneigt sein, und die Polarisationsrichtungen des zweiten und vierten Polarisators können senkrecht zur Polarisationsrichtung des ersten, zweiten und dritten Polarisators sein.
Außerdem kann die Selbstinterferenz-Raumperiode der ersten doppelbrechende Wellenplatte identisch zur Selbstinterferenz-Raumperiode der dritten doppelbrechenden Wellenplatte sein, und die Selbstinterferenz-Raumperiode der zweiten doppelbrechenden Wellenplatte kann identisch zur Selbstinterferenz-Raumperiode der vierten doppelbrechenden Wellenplatte sein.
Das oben erwähnte konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung außerdem ein optisches Teleskopsystem aufweisen, das zwischen dem Strahlteiler und dem ersten Polarisator angeordnet ist und einen Pfad des reflektierten Lichts oder Fluoreszenzlichts ausdehnt, wobei das optische Teleskopsystem zwei konvexe Linsen oder konkave Spiegel umfasst.
Außerdem kann das oben erwähnte konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weiterhin eine Strahlablenkungseinheit umfassen, die zwischen dem Strahlteiler und dem Kondensor angeordnet ist und einen Ausbreitungswinkel des Beleuchtungsstrahls verändert, wobei die Strahlablenkungseinheit ein Galvanometer umfasst.
Außerdem kann das oben erwähnte konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung außerdem ein optisches Relaissystem umfassen, das zwischen dem dritten oder fünften Polarisator und der Blende angeordnet ist und den vom dritten oder fünften Polarisator eintreffenden Strahl neu auf die Blende fokussiert, wobei das optische Relaissystem zwei konvexe Linsen oder konkave Spiegel umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung können aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen vollständig verstanden werden.
1 zeigt den Aufbau eines konfokalen Selbstinterferenz Mikroskops nach dem Stand der Technik;
2 ist eine konzeptionelle Ansicht, die einen optischen Pfad in einem optischen Selbstinterferenz-System des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops nach dem Stand der Technik darstellt;
3 ist eine konzeptionelle Ansicht, die die Punktverbreiterungsfunktion im konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop nach dem Stand der Technik darstellt;
4a zeigt die Verteilung der Punktverbreiterungsfunktion in einem allgemeinen konfokalen Mikroskop, 4b zeigt die Verteilung der Punktverbreiterungsfunktion in einem existierenden konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop, das eine einachsige Selbstinterferenz anwendet, und 4c zeigt die Verteilung der Punktverbreiterungsfunktion in einem existierenden konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop, das eine zweiachsige Selbstinterferenz anwendet;
5a und 5b zeigen die Verteilungen der Punktverbreiterungsfunktionen im existierenden konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop, das eine einachsige Selbstinterferenz bzw. eine zweiachsige Selbstinterferenz anwendet, wenn eine Selbstinterferenz-Frequenz höher ist als bei den konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskopen aus 4b und 4c;
6 zeigt den Aufbau eines konfokalen Selbstinterferenz Mikroskops gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine konzeptionelle Ansicht, die einen optischen Weg in einem optischen Selbstinterferenz-System des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
8a ist eine Querschnittsansicht der Punktverbreiterungsfunktion eines existierenden konfokalen Selbstinterferenz Mikroskops, und 8b ist eine Querschnittsansicht der Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt den Aufbau eines konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10a zeigt die Verteilung der Punktverbreiterungsfunktion eines existierenden konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops, und 10b zeigt die Verteilung der Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 11a ist eine Draufsicht auf ein Bild eines Objekts mit einer räumlichen Periode von 200 nm und einer Linienbreite von 100 nm, 11b ist eine Draufsicht auf ein Bild des Objekts, das unter Verwendung eines existierenden konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops beobachtet wurde, und 11c ist eine Draufsicht auf ein Bild des Objekts, das unter Verwendung des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beobachtet wurde;
12a ist eine Draufsicht auf ein Bild einer Halbleiterschaltung, 12b ist eine Draufsicht auf ein Bild der Halbleiterschaltung, das unter Verwendung eines existierenden konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops beobachtet wurde, und 12c ist eine Draufsicht auf ein Bild der Halbleiterschaltung, das unter Verwendung des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beobachtet wurde;
13 zeigt den Aufbau eines konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
14 zeigt den Aufbau eines konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nun im Detail in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
6 zeigt den Aufbau eines konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 6 dargestellt ist, umfasst das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungseinheit 20, einen Strahlaufweiter 25, einen Strahlteiler 30, einen Kondensor 40, eine Probe 45, ein optisches Teleskopsystem 50, eine Blende 60, eine Fokussierlinse 65, eine Lochblende-Apertur 70, einen Bilddetektor 75 und ein optisches Selbstinterferenz-System 110. Das optische Selbstinterferenz-System 110 umfasst Polarisatoren 111, 112 und 113 sowie doppelbrechende Wellenplatten 116, 117.
Die Beleuchtungseinheit 20 umfasst eine Lichtquelle zum Bestrahlen der Probe 45. Die Lichtquelle kann eine allgemeine Lichtquelle sein, die Licht einer Vielzahl von Wellenlängen emittiert, ein Laser, der Licht einer speziellen Wellenlänge emittiert, oder dergleichen.
Der Strahlaufweiter 25 dient dazu, eine kreisförmige Welle, die von einer Punktlichtquelle der Beleuchtungseinheit 20 ausgesendet wird, in eine ebene Welle umzuwandeln. Eine konvexe Linse oder ein konkaver Spiegel kann als Strahlaufweiter 25 verwendet werden.
Der Beleuchtungsstrahl, der im Strahlaufweiter 25 in eine ebene Welle umgewandelt wurde, gelangt zum Strahlteiler 30. Der Strahlteiler 30 dient dazu, einen Teil des eintreffenden Lichts hindurchzulassen und den verbleibenden Teil des eintreffenden Lichts zu reflektieren. Ein kubischer Strahlteiler, ein halb beschichteter Strahlteiler, ein dichroitischer Strahlteiler oder dergleichen kann als Strahlteiler 30 verwendet werden.
Der Anteil des Beleuchtungsstrahls, der auf den Strahlteiler 30 fällt, wird teilweise hindurchgelassen, und der Rest des Beleuchtungsstrahls wird reflektiert. Der eintreffende Beleuchtungsstrahl wird demnach in zwei Strahlen unterteilt. Einer der beiden Strahlen läuft in eine Richtung weiter, um die Probe 45 zu bestrahlen.
Der Beleuchtungsstrahl, der vom Strahlteiler 30 reflektiert wird, gelangt zum Kondensor 40. Der Kondensor 40 bewirkt, dass die parallele Welle, die auf den Kondensor 40 trifft, auf die Probe 45 fokussiert wird. Eine konvexe Linse oder ein konkaver Spiegel kann als Kondensor 40 verwendet werden. Außerdem wird der Kondensor 40 auch verwendet, um reflektiertes Licht oder Fluoreszenzlicht von der Probe 45 in eine ebene Welle umzuwandeln.
Der Beleuchtungsstrahl wird auf die Probe 45 mittels des Kondensors 40 fokussiert und beleuchtet die Probe 45. Wenn die Probe 45 mit dem Beleuchtungsstrahl beleuchtet wird, kann sie den Beleuchtungsstrahl reflektieren oder Fluoreszenzlicht einer Frequenz emittieren, die niedriger ist als die des Beleuchtungsstrahls.
Das reflektierte Licht oder das Fluoreszenzlicht von der Probe 45 wird im Kondensor 40 in eine ebene Welle umgewandelt und anschließend im Strahlteiler 30 in zwei Strahlen aufgeteilt. Einer der beiden Strahlen läuft wieder zur Beleuchtungseinheit 20, und der andere der beiden Strahlen läuft in Richtung des Bilddetektors 75.
Das reflektierte Licht bzw. Fluoreszenzlicht, das in Richtung des Bilddetektors 75 läuft, kann durch das optische Teleskopsystem 50 verlaufen. Das optische Teleskopsystem 50 umfasst zwei konvexe Linsen oder konkave Spiegel. Das optische Teleskopsystem 50 wird verwendet, um einen Lichtpfad auszudehnen und den Querschnitt eines voranschreitenden Strahls zu vergrößern oder zu verringern. Das optische Teleskopsystem 50 kann selektiv hinzugefügt werden, wenn es hilfreich ist.
Der Strahl, der durch das optische Teleskopsystem 50 getreten ist, läuft zum optischen Selbstinterferenz-System 110. Das optische Selbstinterferenz-System 110 umfasst den ersten, zweiten und dritten Polarisator 111, 112 und 113, sowie die erste und zweite doppelbrechenden Wellenplatte 116, 117. Eine detaillierte Struktur des optischen Selbstinterferenz-Systems 110 ist in 7 dargestellt.
Wie in 7 dargestellt ist, ist die Verlaufsrichtung des Strahls durch die z-Achse angegeben. Eine Ebene, die senkrecht zur Verlaufsrichtung des Strahls ist, wird durch die xy-Ebene angegeben. In der ersten Ausführungsform liegen die optischen Achsen der doppelbrechenden Wellenplatten 116, 117 auf derselben Ebene. Die Ebene ist in 7 durch die xz-Ebene angegeben.
Weil die doppelbrechenden Wellenplatten 116 und 117 eine unterschiedlichen Drehung entlang der y-Achse besitzen oder eine verschiedene Dicke haben können, besitzen sie jedoch unterschiedliche räumlichen Perioden von Interferenzmustern abhängig von der Veränderung im Einfallswinkel. Alternativ können doppelbrechende Wellenplatten 116 und 117 mit verschiedenen Doppelbrechungskonstanten verwendet werden.
Die Polarisatoren 111, 112 und 113 sind auf der xy-Ebene angeordnet und besitzen eine Polarisationsrichtung, die zur x-Achse um einen Winkel geneigt ist. Die Polarisationsrichtung kann vorzugsweise gegenüber der x-Achse um einen Winkel von 45 Grad geneigt sein, so dass das horizontal polarisierte Licht (↔ in 7) und das vertikal polarisierte Licht (⊗ in 7) auf den doppelbrechenden Wellenplatten 116 und 117 in einem 1:1-Verhältnis eintreffen.
Im Folgenden wird die erste Ausführungsform unter der Annahme beschrieben, dass der erste und dritte Polarisator 111 und 113 gegenüber der x-Achse um einen Winkel von +45 Grad geneigt sind, und dass der zweite Polarisator 112 gegenüber der x-Achse um einen Winkel von –45 Grad geneigt ist.
Ein Strahl, dessen Eintrittswinkel ”θ” ist (ein Winkel, der gegenüber der z-Achse geneigt ist, ist θ) und der gleichzeitig in der xz-Ebene liegt, wird unten beschrieben. Der Strahl dringt durch den ersten Polarisator 111 und läuft anschließend als polarisiertes Licht weiter, dessen Polarisationswinkel gegenüber der x-Achse um einen Winkel von +45 Grad geneigt ist (horizontal polarisiertes Licht und vertikal polarisiertes Licht liegen 1:1 vor). Der Strahl dringt durch die erste doppelbrechende Wellenplatte 116. Das horizontal polarisierte Licht und das vertikal polarisierte Licht wandern entlang unterschiedlicher Pfade und erzeugen somit den Phasenunterschied zwischen den beiden Strahlen.
Der Phasenunterschied ist proportional zum Einfallswinkel (θ). Wenn man eine proportionale Konstante als doppelbrechende Wellenplattenkonstante (c₁) annimmt, ein elektrisches Feld des horizontal polarisierten Lichts (d. h. ordentliches Licht) (Strahl 1) ”E₁” ist und ein elektrisches Feld des vertikal polarisierten Lichts (d. h. außerordentliches Licht) (Strahl 2) ”E₂” ist, kann die folgende Gleichung 1 gelten.
Gleichung 1

E₁ = E₀
E₂ = E₀ exp(ic₁θ)

Die beiden Strahlen (Strahl 1 und Strahl 2) treten durch den zweiten Polarisator 112 und werden gegenüber der x-Achse um einen Winkel von –45 Grad geneigt, so dass das vertikal polarisierte Licht und das horizontal polarisierte Licht in denselben Zustand gelangen. Die beiden Strahlen (Strahl 1 und Strahl 2) laufen weiter zur zweiten doppelbrechenden Wellenplatte 117 mit einer doppelbrechenden Wellenplattenkonstante von ”c₂”. Der eine Strahl (Strahl 1) wird in zwei Strahlen (Strahl 1a und Strahl 1b) aufgeteilt, und der andere Strahl (Strahl 2) wird in zwei Strahlen (Strahl 2a und Strahl 2b) aufgeteilt. Zu diesem Zeitpunkt kann ein elektrisches Feld eines jeden Strahls durch die folgende Gleichung 2 ausgedrückt werden.
Gleichung 2

E_1a = E₀
E_1b = E₀exp(ic₂θ)
E_2a = E₀exp(ic₁θ)
E_2b = E₀exp(ic₁θ)exp(i_c2θ)

Diese Strahlen (Strahl 1a, Strahl 1b, Strahl 2a und Strahl 2b) treten durch den dritten Polarisator 113, und die Gesamtheit elektrischer Felder, die letztendlich erhalten wird, kann durch die folgende Gleichung 3 ausgedrückt werden.
Gleichung 3

E_tot = E_1a + E_1b + E_2a + E_2b = E₀[1 + exp(ic₁θ)][1 + exp(ic₂θ)]

In Gleichung 3 bezeichnet E₀(θ) die Verteilung eines elektrischen Felds in einem allgemeinen konfokalen Mikroskop. In dem Fall, bei dem ein ausgefüllter kreisförmiger Strahl sich ausbreitet, kann E₀(θ) beispielsweise eine Form besitzen, die proportional zur Bessel-Funktion erster Ordnung J₁(αθ) mit einer Konstanten α ist. Der Term
bezeichnet die Auswirkung von Interferenz, die durch die erste doppelbrechende Wellenplatte 116 hervorgerufen wird.
Mit anderen Worten bezeichnet der Term
die Verteilung des elektrischen Feldes eines konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops nach dem Stand der Technik unter Verwendung einer doppelbrechenden Wellenplatte. Der Term
bezeichnet die Auswirkung von Interferenz, die durch die zweite doppelbrechende Wellenplatte 117 hervorgerufen wird.
Als Ergebnis ist das elektrische Feld aus Gleichung 3 ein Wert, bei dem das elektrische Feld des allgemeinen konfokalen Mikroskops mit der Interferenz multipliziert ist, die durch die erste doppelbrechende Wellenplatte 116 und die zweite doppelbrechende Wellenplatte 117 hervorgerufen wird.
In Gleichung 3 wurde lediglich die Auswirkung hinsichtlich des Einfallswinkels in der xz-Ebene beschrieben. In der yz-Ebene des optischen Selbstinterferenz-Systems 110 besitzen die doppelbrechenden Wellenplatten 116 und 117 des optischen Selbstinterferenz-Systems 110 keine Auswirkung auf den Einfallswinkel (θ').
Wenn der Einfallswinkel in Richtung der x-Achse des einfallenden Lichts θ ist und der Einfallswinkel in Richtung der y-Achse des einfallenden Lichts θ' ist, kann deshalb ein elektrisches Feld eines Strahls, der durch das optische Selbstinterferenz-System 110 getreten ist, durch die folgende Gleichung 4 ausgedrückt werden. Gleichung 4
Aus dem elektrischen Feld (E_tot) von Gleichung 4 kann die Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch die folgende Gleichung 5 ausgedrückt werden.
Gleichung 5

I(θ,θ') ∝ |E_tot(θ,θ')|²

Die beiden Selbstinterferenz-Phänomene, die wie oben erläutert erzeugt werden, können verwendet werden, um Nebenmaxima zu eliminieren, die in der Punktverbreiterungsfunktion auftreten.
8a und 8b sind Graphen, die die Auswirkungen des Entfernens der Nebenmaxima zeigen. In 8a und 8b gibt die Querachse den Einfallswinkel (θ) an, der auf die Länge auf der Probe 45 umgewandelt wurde. Die Längsachse gibt die Lichtintensität an.
8a zeigt ein Beispiel, bei dem eine räumliche Interferenz-Periode in einem konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop nach dem Stand der Technik mit lediglich einer Interferenz (siehe 5a) 100 nm beträgt. Aus 8a ist ersichtlich, dass die Breite (die Auflösung) des Hauptstrahls (Mittelpunkt ist 0 nm) die Größe von mehreren Dutzend nm besitzt, aber beträchtliche Nebenmaxima an beiden Seiten (±100 nm) des Hauptstrahls entwickelt wurden. Aufgrund der großen Nebenmaxima kann ein konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach dem Stand der Technik keine Auflösung von 100 nm oder weniger besitzen.
8b zeigt ein Beispiel, bei dem die räumlichen Interferenz-Perioden im konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 100 nm bzw. 200 nm betragen. Aus 8b ist ersichtlich, dass eine konstruktive Interferenz am Mittelpunkt (0 nm) des Hauptstrahls aufgrund der zweiten Interferenz der räumlichen Periode 200 nm erzeugt wird, so dass die Lichtintensität nicht verringert wird, und dass eine destruktive Interferenz am Mittelpunkt (±100 nm) der Nebenmaxima erzeugt wird, so dass die Lichtintensität verringert wird.
Wie aus 8b ersichtlich ist, ist es zur Entfernung der in der ersten doppelbrechenden Wellenplatte auftretenden Nebenmaxima erforderlich, dass die Doppelbrechungskonstante der zweiten doppelbrechenden Wellenplatte 1/2 der Doppelbrechungskonstante der ersten doppelbrechenden Wellenplatte ist, und dass die räumliche Interferenz-Periode der zweiten doppelbrechenden Wellenplatte das Doppelte der räumlichen Interferenz-Periode der ersten doppelbrechenden Wellenplatte ist.
Wie oben beschrieben kann das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Objekt mit der Auflösung von mehreren Dutzend von nm beobachten, während die Verzerrung von Bildern aufgrund der Nebenmaxima reduziert wird.
Der Strahl, der durch das optische Selbstinterferenz-System 110 hindurchgetreten ist, läuft durch die Blende 60 weiter. In dem Fall, bei dem der Einfallswinkel (θ) sehr groß ist, während der Strahl durch das optische Selbstinterferenz-System 110 tritt, wird der Strahl in Richtung der x-Achse in zwei Strahlen aufgeteilt und kann aufgrund des Unterschieds im Weg das Interferenzmuster erzeugen.
In diesem Fall dient die Blende 60 dazu, den Durchtritt eines Strahls mit großem Einfallswinkel zu begrenzen. Wenn die Aperturoberfläche der Blende 60 eng wird, kann ein verbessertes Bild beobachtet werden, weil das Interferenzmuster reduziert wird. Es besteht jedoch der Nachteil darin, dass die Lichtmenge, die zum Bilddetektor 75 gelangt, reduziert wird. Deshalb ist es notwendig, die Apertur der Blende 60 richtig zu kontrollieren.
Der Strahl, der durch die Blende 60 hindurchgetreten ist, läuft zur Fokussierlinse 65 weiter, die die konvexe Linse oder den konkaven Spiegel umfasst. Die Fokussierlinse 65 fokussiert die eintreffende parallele Welle auf die Lochblende-Apertur 70.
Die Lochblende-Apertur 70 ermöglicht es lediglich den Strahlen, die auf die enge Aperturfläche fokussiert sind, durch sie hindurchzutreten. Die Anordnung des Brennpunkts wird abhängig von der Tiefe in Richtung der z-Achse der Probe 45 verändert. Deshalb ist der Strahl, der durch die Lochblende-Apertur 70 hindurchgetreten ist, ein Strahl, der an einer Stelle reflektiert oder zu Fluoreszenzlicht wurde, die dieselbe Tiefe wie die Probe 45 besitzt. Wenn die Lochblende-Apertur 70 entlang der z-Achse bewegt wird, kann ein 3D-Bild der Probe erhalten werden.
Schließlich detektiert der Bilddetektor 75 das reflektierte Bild bzw. Fluoreszenzbild der Probe 45. Ein photoelektrischer Detektor, eine CCD usw. können als Bilddetektor 75 verwendet werden.
Zweite Ausführungsform
9 zeigt den Aufbau eines konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 9 dargestellt ist, umfasst das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop 200 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungseinheit 20, einen Strahlaufweiter 25, einen Strahlteiler 30, einen Kondensor 40, eine Probe 45, ein optisches Teleskopsystem 50, eine Blende 60, eine Fokussierlinse 65, eine Lochblende-Apertur 70, einen Bilddetektor 75 und ein optisches Selbstinterferenz-System 210. Das optische Selbstinterferenz-System 210 umfasst Polarisatoren 211, 212, 213, 214 und 215 sowie doppelbrechende Wellenplatten 216, 217, 218 und 219.
Das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist identisch zum konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop 100 aus 6 gemäß der ersten Ausführungsform, abgesehen vom Aufbau des optischen Selbstinterferenz-Systems 210. Die Beschreibung redundanter Elemente im Vergleich zur ersten Ausführungsform wird weggelassen, und lediglich das optische Selbstinterferenz-System 210 wird unten detailliert beschrieben.
Die erste und die zweite doppelbrechende Wellenplatte 216 und 217 sowie der erste, zweite und dritte Polarisator 211, 212 und 213 des optischen Selbstinterferenz-Systems 210 sind identisch zur ersten und zweiten doppelbrechenden Wellenplatte 116 und 117 und zum ersten, zweiten und dritten Polarisator 111, 112 und 113 des optischen Selbstinterferenz-Systems 110 gemäß der ersten Ausführungsform.
Mit anderen Worten liegen die optischen Achsen der ersten und der zweiten doppelbrechenden Wellenplatte 216 und 217 in der xz-Ebene. Polarisationsrichtungen des ersten und dritten Polarisators 211, 213 sind gegenüber der x-Achse um einen Winkel von +45 Grad geneigt. Eine Polarisationsrichtung des zweiten Polarisators 212 ist gegenüber der x-Achse um einen Winkel von –45 Grad geneigt.
Deshalb werden Strahlen, die aus Richtung der z-Achse zur Richtung der x-Achse unter dem Einfallswinkel (θ) und aus Richtung der z-Achse zur Richtung der y-Achse unter einem Einfallswinkel (θ') auf das optische Selbstinterferenz-System treffen, in Richtung der y-Achse nicht im dritten Polarisator 213 beeinflusst, aber werden entsprechend in Richtung der x-Achse in vier Strahlen (siehe 7) aufgeteilt. Ein elektrisches Feld eines jeden Strahls kann durch Gleichung 2 ausgedrückt werden.
Optische Achsen der dritten und vierten doppelbrechenden Wellenplatte 218, 219 des optischen Selbstinterferenz-Systems 210 sind senkrecht zu denen der ersten und zweiten doppelbrechenden Wellenplatte 216, 217, d. h. in der yz-Ebene. Eine Polarisationsrichtung des vierten Polarisators 214 ist gegenüber der x-Achse um einen Winkel von –45 Grad ebenso wie die Polarisationsrichtung des zweiten Polarisators 212 geneigt. Eine Polarisationsrichtung des fünften Polarisators 215 ist gegenüber der x-Achse um einen Winkel von +45 Grad auf dieselbe Weise wie die Polarisationsrichtungen des ersten und dritten Polarisators 211, 213 geneigt.
Strahlen, die durch den dritten Polarisator 213 hindurchgetreten sind, laufen unter Einfallswinkeln (θ, θ') in Richtung der x-Achse bzw. der y-Achse zur dritten doppelbrechenden Wellenplatte 218 weiter. Da die optische Achse der dritten doppelbrechenden Wellenplatte 218 in der yz-Ebene liegt, wird jeder Strahl, der auf die dritte doppelbrechenden Wellenplatte 218 trifft, in Richtung der y-Achse in zwei Wege aufgeteilt, aber wird in Richtung der x-Achse nicht beeinflusst.
Die beiden geteilten Strahlen treten durch den vierten Polarisator 214 und besitzen dieselbe Polarisationsrichtung. Die beiden Strahlen laufen anschließend zur vierten doppelbrechenden Wellenplatte 219 weiter. Da die optische Achse der vierten doppelbrechenden Wellenplatte 219 ebenfalls in der yz-Ebene liegt, wird jeder Strahl, der auf die vierte doppelbrechenden Wellenplatte 219 trifft, in Richtung der y-Achse in zwei Wege aufgeteilt, aber wird in Richtung der x-Achse nicht beeinflusst.
Die beiden aufgeteilten Strahlen treten durch den fünften Polarisator 215 und besitzen demgemäß dieselbe Polarisationsrichtung. Wie oben beschrieben wurde, wird jeder Strahl, der durch den dritten Polarisator 213 hindurchgetreten ist, in Richtung der y-Achse in vier Strahlen geteilt.
Daraus folgt, dass die Strahlen, die unter den Einfallswinkeln (θ, θ') auf das optische Selbstinterferenz-System 210 treffen, in Richtung der x-Achse und in Richtung der y-Achse jeweils in vier Strahlen aufgeteilt werden, so dass insgesamt sechzehn Strahlen vorliegen.
Unter der Annahme, dass eine Doppelbrechungskonstante der dritten doppelbrechenden Wellenplatte 218 ”c₃” ist und eine Doppelbrechungskonstante der vierten doppelbrechenden Wellenplatte 219 ”c₄” ist, kann ein gesamtes elektrisches Feld der Strahlen, die durch das optische Selbstinterferenz-System 210 getreten sind, durch die nachfolgende Gleichung 6 ausgedrückt werden. Gleichung 6
Aus Gleichung 6 ist ersichtlich, dass durch Selbstinterferenz sowohl in Richtung der x-Achse als auch in Richtung der y-Achse im optischen Selbstinterferenz-System 210 gemäß der zweiten Ausführungsform in x-Richtung und y-Richtung Nebenmaxima entfernt werden können und die Auflösung verbessert werden kann, wenn man es mit dem optischen Selbstinterferenz-System 110 gemäß der ersten Ausführungsform vergleicht, bei dem aufgrund von Selbstinterferenz lediglich in x-Richtung auch lediglich in Richtung der x-Achse Nebenmaxima entfernt werden können und die Auflösung verbessert werden kann.
Es ist bevorzugt, dass die Auflösung in x-Richtung und in y-Richtung identisch ist. Deshalb ist es bevorzugt, dass die Doppelbrechungskonstante (c₁) der ersten doppelbrechenden Wellenplatte 216 und die Doppelbrechungskonstante (c₃) der dritten doppelbrechenden Wellenplatte 218 identisch sind, und dass die Doppelbrechungskonstante (c₂) der zweiten doppelbrechenden Wellenplatte 217 und die Doppelbrechungskonstante (c₄) der vierten doppelbrechenden Wellenplatte 219 identisch sind.
Außerdem sind, wie oben hinsichtlich der ersten Ausführungsform erwähnt, die Doppelbrechungskonstanten (c₂ und c₄) der zweiten und vierten doppelbrechenden Wellenplatte 217 und 219 halb so groß wie die Doppelbrechungskonstanten (c₁ und c₃) der ersten und dritten doppelbrechenden Wellenplatte 216 und 218. Es ist daher bevorzugt, dass die räumlichen Interferenz-Perioden der zweiten und vierten doppelbrechenden Wellenplatte 217 und 219 doppelt so groß sind wie die räumlichen Interferenz-Perioden der ersten und dritten doppelbrechenden Wellenplatte 216 und 218.
Das Selbstinterferenz-Phänomen kann verwendet werden, um Nebenmaxima zu entfernen, die in der Punktverbreiterungsfunktion auftreten.
10a und 10b zeigen die Verteilung der Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10a zeigt die Verteilung der Punktverbreiterungsfunktion des existierenden konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops (siehe 5b). Aus 10a ist ersichtlich, dass die räumliche Doppelbrechungs-Interferenz-Periode sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung 100 nm ist und dass Nebenmaxima in x-Richtung, y-Richtung und diagonaler Richtung zum Hauptstrahl (x = 0, y = 0) ausgebildet sind.
10b zeigt die Verteilung der Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Aus 10b ist ersichtlich, dass die räumlichen Doppelbrechungs-Interferenz-Perioden sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung 100 nm und 200 nm sind. Es ist auch ersichtlich, dass die Nebenmaxima in der Punktverbreiterungsfunktion aus 10b im Vergleich zur Punktverbreiterungsfunktion aus 10a deutlich reduziert sind.
Das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop der ersten Ausführungsform ist ein einachsiges konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop, welches den Vorteil liefert, dass es die Auflösung in x-Richtung verbessern kann und in dieser Richtung Nebenmaxima entfernen kann, aber es besitzt in Richtung der y-Achse dieselbe Auflösung wie ein herkömmliches konfokales Mikroskop.
Im Gegensatz hierzu besitzt das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop gemäß der zweiten Ausführungsform den Vorteil, dass es sowohl in Richtung der x-Achse als auch der y-Achse die Auflösung verbessern kann und Nebenmaxima entfernen kann.
11a bis 11c und 12a bis 12c zeigen, dass ein Bild eines Objekts, das beobachtet wird, aufgrund des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbessert wird.
11a zeigt ein Bild eines Objekts mit einer räumlichen Periode von 200 nm und einer Linienbreite von 100 nm. Das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop, das bislang verwendet wurde, besitzt durch den Einfluss von Nebenmaxima keine Auflösung von 100 nm oder weniger. Deshalb würde das Bild des Objekts, das in 11a dargestellt ist, nicht aufgelöst werden können.
11b zeigt die Ergebnisse der Beobachtung des Objekts aus 11a unter Verwendung des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops nach dem Verfahren des Standes der Technik, das trotz des Einflusses von Nebenmaxima eine Auflösung von 100 nm oder weniger besitzt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Bild erhalten, bei dem die Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops nach dem Stand der Technik in das Bild des Objekts, wie es in 11a dargestellt ist, gefaltet ist.
Das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop besitzt eine Auflösung, die dazu geeignet ist, die Struktur aus 11a zu unterscheiden, aber kann das Bild des Objekts, wie es in 11a dargestellt ist, aufgrund von Problemen wie den Nebenmaxima der Punktverbreiterungsfunktion, wie sie im konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop nach dem Stand der Technik vorliegen, nicht unterscheiden.
11c zeigt die Ergebnisse der Beobachtung des Objekts aus 11a unter Verwendung des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops mit einer Auflösung von 100 nm oder weniger gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier wird ein Bild erhalten, bei dem die Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in das Bild des Objekts, wie es in 11a dargestellt ist, gefaltet wird.
Nebenmaxima wurden in beträchtlichem Umfang von der Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entfernt. Deshalb ist aus 11c ersichtlich, dass das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Objekt genau beobachten kann, ohne dass das ursprüngliche Bild verzerrt wird.
12a zeigt ein ursprüngliches Bild einer Oberfläche einer Halbleiterschaltung. In 12a beträgt eine Linienbreite einer Linie auf der Oberfläche der Halbleiterschaltung mehrere Dutzend nm. 12b zeigt die Ergebnisse der Beobachtung der Oberfläche der Halbleiterschaltung unter Verwendung des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops nach dem Stand der Technik. 12c zeigt die Ergebnisse der Beobachtung der Oberfläche der Halbleiterschaltung unter Verwendung des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Aus 12 ist ersichtlich, dass ein deutliches Bild der Oberfläche der Halbleiterschaltung aufgrund der Verzerrung von Nebenmaxima nicht erhalten werden kann, wenn das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop nach dem Stand der Technik verwendet wird, während bei Verwendung des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Bild erhalten werden kann, das nahe am ursprünglichen Bild liegt und nicht verzerrt ist.
Dritte Ausführungsform
13 zeigt den Aufbau eines konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops 300 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 13 dargestellt ist, umfasst das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop 300 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungseinheit 20, einen Strahlaufweiter 25, einen Strahlteiler 30, einen Kondensor 40, eine Probe 45, ein optisches Teleskopsystem 50, ein optisches Relaissystem 55, eine Blende 60, eine Fokussierlinse 65, eine Lochblende-Apertur 70, einen Bilddetektor 75 und ein optisches Selbstinterferenz-System 110. Das optische Selbstinterferenz-System 110 umfasst Polarisatoren 111, 112 und 113 sowie doppelbrechende Wellenplatten 116, 117.
Das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist identisch zum konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop 100 gemäß der ersten Ausführungsform, außer dass das optische Relaissystem 55 zusätzlich zwischen dem optischen Selbstinterferenz-System 110 und der Blende 60 angeordnet ist. Die Beschreibung von redundanten Elementen im Vergleich zur ersten Ausführungsform wird weggelassen, und lediglich das optische Relaissystem 55 wird unten beschrieben.
Das optische Relaissystem 55 umfasst zwei konvexe Spiegel oder konkave Linsen. Ein Strahl (eine ebene Welle), der durch das optische Selbstinterferenz-System 110 getreten ist, wird durch den vorderen konvexen Spiegel oder die konkave Linse fokussiert und anschließend mittels des hinteren konvexen Spiegels oder der konkaven Linse in eine ebene Welle umgewandelt. Der Strahl der ebenen Welle läuft zur Blende 60 weiter.
In der ersten Ausführungsform wird die Blende 60 verwendet, um Strahlen mit deutlich unterschiedlichen Ausgangspositionen entlang der x-Achse nach Durchtritt durch das optische Selbstinterferenz-System 110 zu begrenzen. Wenn die Blende 60 verwendet wird, wird allerdings Licht in großen Mengen verloren, weil die Ausgangsposition gemäß einer Veränderung im Einfallswinkel stark verändert wird.
Weil außerdem ein Bereich der Blende 60, durch den der Strahl hindurchtritt, abhängig von einem Winkel verändert wird, ist es schwierig, die Auflösung zu analysieren. Deshalb kann es Schwierigkeiten bei der Gestaltung des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops geben.
Um die oben erwähnten Nachteile zu überwinden, wird in der dritten Ausführungsform das optische Relaissystem 55 verwendet. Die beiden konvexen Linsen oder konkaven Spiegel werden verwendet, um zu bewirken, dass der Strahl, der durch das optische Selbstinterferenz-System 110 getreten ist, durch den Mittelpunkt der Blende 60 tritt. Das optische Relaissystem 55 dient dazu, die verlorene Lichtmenge zu reduzieren und bewirkt, dass der Strahl unabhängig von einem Einfallswinkel durch denselben Bereich der Blende 60 tritt. Dies vereinfacht das Analysieren der Auflösung.
Es wurde beschrieben, dass in der vorliegenden Ausführungsform das optische Relaissystem 55 zum Aufbau der ersten Ausführungsform hinzugefügt wurde. Es sei jedoch bemerkt, dass das optische Relaissystem 55 auch zum Aufbau der zweiten Ausführungsform hinzugefügt werden kann.
Vierte Ausführungsform
14 zeigt den Aufbau eines konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops 400 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 14 dargestellt ist, umfasst das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop 400 gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungseinheit 20, einen Strahlaufweiter 25, einen Strahlteiler 30, eine Strahlablenkungseinheit 35, einen Kondensor 40, eine Probe 45, ein optisches Teleskopsystem 50, eine Blende 60, eine Fokussierlinse 65, eine Lochblende-Apertur 70, einen Bilddetektor 75 und ein optisches Selbstinterferenz-System 110. Das optische Selbstinterferenz-System 110 umfasst Polarisatoren 111, 112 und 113 sowie doppelbrechende Wellenplatten 116, 117.
Das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop 400 gemäß der vorliegenden Ausführungsform entspricht dem konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskop 100 der ersten Ausführungsform, außer dass die Strahlablenkungseinheit 35 zusätzlich zwischen dem Strahlteiler 30 und dem Kondensor 40 enthalten ist. Die Beschreibung von redundanten Elementen im Vergleich zur ersten Ausführungsform wird weggelassen, und lediglich die Strahlablenkungseinheit 35 wird unten beschrieben.
Die Strahlablenkungseinheit 35 umfasst wenigstens einen Galvanometer-Spiegel. Der Spiegel ist auf der Achse des Galvanometers angeordnet. Die Neigung des Spiegels wird durch Einstellung eines Strom- oder Spannungseingangs in das Galvanometer gesteuert, wodurch ein Lichtweg verändert wird. Wenn der Galvanometer-Spiegel verwendet wird, kann eine Position, bei der der Beleuchtungsstrahl auf ein Objekt auf der Probe 45 fokussiert ist, durch den Pfad eines veränderten Beleuchtungsstrahls gesteuert werden, ohne das Objekt zu bewegen.
Hier kann ein Galvanometer-Spiegel so montiert sein, dass eine Position, auf die fokussiert wird, lediglich in x-Richtung oder y-Richtung des Objekt eingestellt werden kann, oder es können zwei Galvanometer-Spiegel montiert werden, so dass eine Position, auf die fokussiert wird, über die gesamte Oberfläche des Objekt eingestellt werden kann.
Es wurde beschrieben, dass in der vorliegenden Ausführungsform die Strahlablenkungseinheit 35 zum Aufbau der ersten Ausführungsform hinzugefügt wird. Es soll jedoch klar sein, dass die Strahlablenkungseinheit 35 auch zum Aufbau der zweiten oder dritten Ausführungsform hinzugefügt werden kann.
Die vorliegende Erfindung liefert ein konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop mit einer Auflösung von mehreren Dutzend von nm ohne eine Verzerrung von Bildern, die durch Nebenmaxima hervorgerufen wird, indem die Nebenmaxima der Punktverbreiterungsfunktion des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops nach dem Stand der Technik effektiv entfernt werden. Es ist daher möglich, die Auflösung von 100 nm oder mehr des konfokalen Selbstinterferenz-Mikroskops nach dem Stand der Technik deutlich zu verbessern.
Außerdem kann das konfokale Selbstinterferenz-Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Objekt mit einer Struktur von mehreren Dutzend von nm beobachten und das Objekt unter normaler Temperatur Atmosphäre in Echtzeit berührungslos messen. Deshalb können die Elektronenmikroskope und die Rasterkraftmikroskope, die für eine Auflösung von 100 nm oder weniger verwendet wurden, ersetzt werden. Außerdem kann ein Objekt mit einer Struktur von 100 nm oder weniger einfacher und schneller beobachtet werden, und eine gesamte Untersuchung einer Probe ist möglich.
Auch wenn die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die speziellen dargestellten Ausführungsformen beschrieben wurde, soll sie nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt sein, sondern soll durch die beigefügten Ansprüche definiert sein. Es ist selbstverständlich, dass ein Fachmann die Ausführungsformen verändern oder modifizieren kann, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop mit: einer Beleuchtungseinheit mit einer Lichtquelle; einer Probe; einer Bilddetektionseinheit zum Messen einer Abbildung der Probe; einer Strahlaufweitungseinheit mit einer konvexen Linse oder einem konkaven Spiegel zum Umwandeln des von der Beleuchtungseinheit eintreffenden Beleuchtungsstrahls in eine ebene Welle; einem Strahlteiler, der den von der Strahlaufweitungseinheit eintreffenden Beleuchtungsstrahl zur Probe lenkt und reflektiertes Licht oder Fluoreszenzlicht von der Probe zur Bilddetektionseinheit lenkt; einem Kondensor, der zwischen der Probe und dem Strahlteiler angeordnet ist, zum Sammeln des von der Beleuchtungseinheit durch den Strahlteiler eintreffenden Beleuchtungsstrahls, zum Richten des gesammelten Lichts auf die Probe und zum Umwandeln des reflektierten Lichts oder Fluoreszenzlichts von der Probe in eine ebene Welle, wobei der Kondensor eine konvexe Linse oder einen konkaven Spiegel umfasst; einem optischen Selbstinterferenz-System, das zwischen dem Strahlteiler und der Bilddetektionseinheit angeordnet ist und einen ersten Polarisator zum Polarisieren des von der Probe reflektierten Lichts oder Fluoreszenzlichts, das durch den Kondensor und den Strahlteiler eintrifft, umfasst, außerdem eine erste doppelbrechende Wellenplatte zum Trennen des vom ersten Polarisator eintreffenden Lichts in zwei Strahlen entlang einer Polarisationsrichtung, einen zweiten Polarisator zum Polarisieren der beiden von der ersten doppelbrechenden Wellenplatte eintreffenden Strahlen, eine zweite doppelbrechende Wellenplatte zum Trennen der beiden vom zweiten Polarisator eintreffenden Strahlen in vier Strahlen entlang einer Polarisationsrichtung, und einen dritten Polarisator zum Polarisieren der von der zweiten doppelbrechenden Wellenplatte eintreffenden vier Strahlen umfasst; einer Blende, die zwischen dem optischen Selbstinterferenz-System und der Bilddetektionseinheit angeordnet ist, zum Begrenzen eines Durchgangsbereichs der Strahlen, die durch das optische Selbstinterferenz-System hindurchgetreten sind; einer Fokussierlinse, die zwischen der Blende und der Bilddetektionseinheit angeordnet ist, zum Fokussieren der von der Blende eintreffenden Strahlen, wobei die Fokussierlinse eine konvexe Linse oder einen konkaven Spiegel umfasst; und einer Lochblende-Apertur, die auf einer Brennebene der Fokussierlinse zwischen der Fokussierlinse und der Bilddetektionseinheit angeordnet ist, wobei optische Achsen der ersten und zweiten doppelbrechenden Wellenplatte auf derselben Ebene existieren, optische Achsen der ersten und zweiten doppelbrechenden Wellenplatte gegenüber einer optischen Achse des gesamten optischen Systems unter einem vorbestimmten Winkel geneigt sind, und räumliche Selbstinterferenz-Perioden der ersten und zweiten doppelbrechenden Wellenplatte zueinander verschieden sind.
Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach Anspruch 1, wobei die Polarisationsrichtungen des ersten und dritten Polarisators gegenüber den optischen Achsen der ersten und zweiten doppelbrechenden Wellenplatte unter einem Winkel von 45 Grad geneigt sind, und wobei eine Polarisationsrichtung des zweiten Polarisators senkrecht zur Polarisationsrichtung des ersten und dritten Polarisators ist.
Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach Anspruch 1, wobei die räumliche Selbstinterferenz-Periode der ersten doppelbrechenden Wellenplatte halb so groß ist oder doppelt so groß ist wie die räumliche Selbstinterferenz-Periode der zweiten doppelbrechenden Wellenplatte
Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach Anspruch 1, wobei das optische Selbstinterferenz-System außerdem aufweist: eine dritte doppelbrechenden Wellenplatte zum Trennen der vom dritten Polarisator eintreffenden vier Strahlen in acht Strahlen entlang der Polarisationsrichtung; einen vierten Polarisator zum Polarisieren der von der dritten doppelbrechenden Wellenplatte eintreffenden acht Strahlen; eine vierte doppelbrechende Wellenplatte zum Trennen der vom vierten Polarisator eintreffenden acht Strahlen in sechzehn Strahlen entlang der Polarisationsrichtung; und einen fünften Polarisator zum Polarisieren der von der vierten doppelbrechenden Wellenplatte eintreffenden sechzehn Strahlen, wobei optische Achsen der dritten und vierten doppelbrechenden Wellenplatte auf derselben Ebene existieren, diese Ebene senkrecht zu den optischen Achsen der ersten und zweiten doppelbrechenden Wellenplatte ist, die optischen Achsen der dritten und vierten doppelbrechenden Wellenplatte gegenüber der optischen Achse des gesamten optischen Systems unter einem vorbestimmten Winkel geneigt sind, und räumliche Selbstinterferenz-Perioden der dritten und vierten doppelbrechenden Wellenplatte zueinander verschieden sind.
Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach Anspruch 4, wobei die Polarisationsrichtung des ersten, dritten und fünften Polarisators gegenüber der optischen Achse der ersten und zweiten doppelbrechenden Wellenplatte unter einem Winkel von 45 Grad geneigt ist, und wobei die Polarisationsrichtung des zweiten und vierten Polarisators senkrecht zur Polarisationsrichtung des ersten, dritten und fünften Polarisators ist.
Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach Anspruch 4, wobei die räumliche Selbstinterferenz-Periode der ersten doppelbrechenden Wellenplatte identisch zur räumlichen Selbstinterferenz-Periode der dritten doppelbrechenden Wellenplatte ist, und wobei die räumliche Selbstinterferenz-Periode der zweiten doppelbrechenden Wellenplatte identisch zur räumlichen Selbstinterferenz-Periode der vierten doppelbrechenden Wellenplatte ist.
Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach Anspruch 6, wobei die räumliche Selbstinterferenz-Periode der ersten und dritten doppelbrechenden Wellenplatte halb so groß oder doppelt so groß wie die räumliche Selbstinterferenz-Periode der zweiten und vierten doppelbrechenden Wellenplatte ist.
Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach Anspruch 1, des Weiteren mit einem optischen Teleskopsystem, das zwischen dem Strahlteiler und dem optischen Selbstinterferenz-System angeordnet ist, zum Leiten des reflektierten Lichts oder Fluoreszenzlichts, wobei das optische Teleskopsystem zwei konvexe Linsen oder konkave Spiegel umfasst.
Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach Anspruch 8, des Weiteren mit einer Strahlablenkungseinheit, die zwischen dem Strahlteiler und dem Kondensor angeordnet ist, zum Verändern eines Fortpflanzungswinkels des Beleuchtungsstrahls, wobei die Strahlablenkungseinheit ein Galvanometer umfasst.
Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach Anspruch 9, des Weiteren mit einem optischen Relaissystem, das zwischen dem optischen Selbstinterferenz-System und der Blende angeordnet ist, zum erneuten Fokussieren des vom optischen Selbstinterferenz-System eintreffenden Strahls auf die Blende, wobei das optische Relaissystem zwei konvexe Linsen oder konkave Spiegel umfasst.
Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach Anspruch 1, des Weiteren mit einer Strahlablenkungseinheit, die zwischen dem Strahlteiler und dem Kondensor angeordnet ist, zum Ändern eines Fortpflanzungswinkels des Beleuchtungsstrahls, wobei die Strahlablenkungseinheit ein Galvanometer umfasst.
Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach Anspruch 11, des Weiteren mit einem optischen Relaissystem, das zwischen dem optischen Selbstinterferenz-System und der Blende angeordnet ist, zum erneuten Fokussieren des vom optischen Selbstinterferenz-System eintreffenden Strahls auf die Blende, wobei das optische Relaissystem zwei konvexe Linsen oder konkave Spiegel umfasst.
Konfokales Selbstinterferenz-Mikroskop nach Anspruch 1, des Weiteren mit einem optischen Relaissystem, das zwischen dem optischen Selbstinterferenz-System und der Blende angeordnet ist, zum erneuten Fokussieren des vom optischen Selbstinterferenz-System eintreffenden Strahls auf die Blende, wobei das optische Relaissystem zwei konvexe Linsen oder konkave Spiegel umfasst.