「表面も内部もワンショット」光波動場三次元顕微鏡

大塚電子は2024年4月11日、従来の顕微鏡を超える性能と、全く新しい観察・測定法を実現する光波動場三次元顕微鏡「MINUK」（図1）を国内外で販売を開始しました。本製品は独自開発の光波センシングデバイスを用いて、フィルムやガラス基板などの透明材料表面のナノメートル（nm）形状、あるいはその内部の屈折率・密度変化を三次元的に取得し、高速かつ鮮明に可視化します。このような精密な計測が可能でありながら、その取り扱いは従来のマイクロスコープと同等レベルに簡便で、高度な防振設備や真空装置なども不要であり、まさに「測定する人も場所も選ばない」製品となっています。

この新しい製品は、弊社の若手エンジニアのアイディアから始まりました。これまでにない光計測技術の研究を行っていたこのエンジニアは、“この技術を実用化して世に役立てたい”という熱意をもって、本技術の製品化のためのプロジェクトを主導し、開発者の一員として実用化を目指しました。

しかしながら、この技術を「原理的に使える」というレベルから「実用的に誰でも使える」というレベルまで引き上げるには、多くの障壁があったのも事実です。本製品は、若手エンジニアの情熱とプロジェクトメンバーの経験や技術が合わさって、数多の障壁を乗り越えながら、約5年間の開発期間を経て販売開始までたどり着いたと言えます。

3.1 光波動場イメージング

同社の開発した「光波動場イメージング」はその名のとおり「光の波動の場（三次元空間分布）」に基づいて測定対象を画像化・視覚化する手法で、それは波動光学と計算科学の高度な融合によって実現されたものです。その根本にある発想は、「不正確な測定結果」を修正するための複雑な機構や補正を一度すべて捨ててシンプルにすることです。今日では、光の波動を表す値の一つである「位相」を用いる測定手法がいくつか存在しています。しかしながら、従来法ではこれを記録するための記録光学系の限界や制約のために、光の波動そのものを「正しく」記録するには至っていないのが現状です。本技術の特徴は、拡大像の記録と補正という発想ではなく、波動の場をありのままに正しく記録するアプローチにあります。正しく記録されているならば、複雑な機構や補正処理はもはや必要ありません。この新しいアプローチによって、従来の測定法では困難あるいは不可能だった新たな測定方法が実現されました。その代表的なものとして、三次元空間の歪みのない記録と像生成が可能な「デジタルリフォーカシング」、波面形状の変化を用いた試料形状や透明体の可視化手法である「OPD イメージング」が挙げられます。

3.2 デジタルリフォーカシング

一般的なイメージング装置は対象物、結像光学系、イメージセンサの三つで構成されます。結像光学系はイメージングの要になる存在ですが、それはある一つのフォーカス面を前提に補正・設計されており、物理的なスキャンなしに複数のフォーカス面を見ることは難しいです。一方、スキャンを避けるために被写界深度を深くすることで全体にフォーカスを合わせようとすると、原理的制約で細部が見えません。また、結像素子に内在する理想的な特性からのずれ（収差）もまた、悩ましい問題です。これらの課題を根本から解決するために、本技術は物理的な結像光学系に代わり、コンピュータが「理想的な結像光学系」をシミュレーションします。この理想的な結像光学系は、独自開発の「波面センサ」からのデータを境界条件とし、波動方程式に基づいて三次元空間の任意の面へフォーカスされた像を生成します。これにより、記録時にフォーカスを合わせなくても、記録した後で無段階にフォーカス調整しながらじっくり観察できます。

3.3 OPDイメージング

光波動場イメージングで得られる測定値は、光波の振幅と位相の三次元分布です。この光振幅と位相は、物質の透過率や屈折率に起因して変化するため、見方を変えると本技術は試料の透過率や屈折率の三次元分布を取得できる手法とも言えます。例えば、図2のようにある厚さと屈折率を持つ透明な形状を光波が通過したとき、そこには光路差（Optical Path Difference; OPD）が生じます。この光路差は光波の位相からnmの分解能で求められ、これを用いて高さや厚さの方向にnmの分解能の形状計測が行えます。また、厚さが既知であれば高精度な屈折率測定も可能です。ところで、従来の光波の位相を用いる測定法にはフォーカスという概念がないことが多くあります。それは図2から明らかなように、光波の位相変化は通過する全光路の積分であって、特定の面という概念がないためです。一方、光波動場イメージングにおいては、光波の振幅・位相情報と、複数の条件で記録された光波データに基づいて、特定面へのフォーカス選択性を持たせています。その結果、例えば試料内部にある透明粒子の位置を特定したり、フォーカス面外の散乱ノイズを抑制することができます。このような処理は、正確な光波の記録手法と、高速演算システムの両輪によって実現されたものです。

MINUK の製品構成は、nm の高さを測る精密測定機器とは思えないほどにシンプルです。本体とPC の他には特に用意するものはなく、一般的な事務机の上に設置し、コンセントから給電するだけで使用できます。光波動場イメージングは従来の「振動の補正」というアプローチではなく、原理的に光波の情報を瞬時記録可能な技術であるため、従来の方法に比べて格段に振動や外乱に強いです。これは、振動や外乱は厳禁とされてきた、光位相計測の常識を覆すものです。MINUK はその扱いの簡便さも大きな特徴です。一般的なデジタルマイクロスコープのように、試料の像を見ながらリアルタイムに観察を行うことができます。このリアルタイム観察は、明るさだけを見る通常の観察画像（明視野像）のみならず、OPD イメージングに基づいて透明体を可視化した画像（OPD 像）でも可能です。さらに、デジタルマイクロスコープにはない利点として、機械的なフォーカス機構がないため、レンズが接触して試料や測定機器を破損させる恐れがなく、熟練者でなくても安全に扱えることが挙げられます。また、全フォーカス範囲のデータ取得が数秒で完了するため、うねりがありフォーカス面が定まりにくい試料や、長時間の観察に適さない不安定な試料であっても、データを取得した後でじっくりと観察・測定ができることも利点です。

MINUK が得意とする測定対象として、フィルムやガラスなどの透明材料が挙げられます。最も要求の高いアプリケーションとして、「ラインスキャン膜厚計」などが多く採用されている、フィルムの品質保証における異常解析が挙げられます。フィルム製造においては原反メーカー、塗工メーカー、パターニングメーカー、貼り合わせメーカーがそれぞれの役割を担って最終のフィルム製品ができ上がります。そのため最終製品で不具合が見つかった際に、どの工程でどの位置にどのような欠陥が発生したかがトレースしにくいです。MINUK はフィルム内部の異物の存在やその位置などが見えるため、不具合の原因究明・対策の検討において、時間と費用の掛かる組成分析に回す前のスクリーニング機能を担うことができます。上述のとおりMINUK は、OPD イメージングに基づいて、目視では見えない透明フィルム表面にある浅い傷や形状などの可視化および定量化が可能です。この定量化においては、高さ方向に対してnm オーダーの形状情報を取得できます。図3 は透明フィルム表面に生じた傷をMINUK で実際に測定した結果であり、グラフのA は約200 nm、B は約100 nm の高さを示します。なお、MINUK は試料の透過光に基づく測定であるため、多層膜構造や反射防止コートがあっても界面に影響されることなく表面の情報を測定できます。また、MINUK は透明フィルムの表面や裏面だけでなく、フィルム内部の目視では見えないボイドの観察ができます。ボイドの深さ位置は、デジタルリフォーカシングにより任意の深さにフォーカスを合わせて、特定できます。さらにOPD による定量化ができるため、観察対象がボイドなのか、材料由来なのかを予測して、工程の異常箇所を特定する手助けにもなり得ます。

6.1 半導体製造プロセス

半導体製造プロセスでは微細化プロセスと三次元積層プロセスが進んでいます。そのためには、基板となるウェーハを均一に作り、その上に何層も積層していくデバイスがきちんと作られているかを測定・評価することが必要になります。半導体製造プロセスでは600に及ぶ工程があります。例えば、300工程目で不具合が発見された場合、それよりもずっと以前のプロセスで何らかの欠陥が生まれ、以降のプロセスで蓄積されNG品に至るという経緯を辿ることが多いです。そのため、可能な限り早い段階のプロセスで欠陥の原因を発見したいと考えています。数nmプロセスの半導体でもnmレベルの観察・測定だけが求められるわけではなく、300 mmウェーハでは、ウェーハ全体の大きなうねりや、10〜20 mm程度の中間サイズのうねり、数nm程度のラフネスなど、さまざまな形状の測定・評価が要求されます。一見ミクロで見るときれいに見えてもマクロで見るとうねっているというケースがあり、ミクロなサイズ領域と中間的なサイズ領域とマクロのサイズ領域のすべてで平滑に仕上がっているかどうかを確認することは難しいです。そうした評価システムはこれまで存在しなかったので、MINUKの利用価値は高いと考えられます。nmレベルのラフネスであれば原子間力顕微鏡（AFM）や走査電子顕微鏡（SEM）などが利用できますが、中間サイズのラフネスに対応した評価装置は少なく、間接的で定性的な測定評価方法がとられているケースも少なくありません。MINUKは視野が広く分解能が高いため、300 mmウェーハという大きな対象物の小さな領域から大きな領域まで（微細なラフネスからWARPまで）の全体的な形状を観察できるという点に期待が寄せられています。一方で、SiC、GaN、Ga2 O3、ダイヤモンドなどの化合物半導体の開発では、結晶化させて大径基板を作るという製造プロセスの難しさがあり、結晶性の異常や異物混入などの問題から均一な製品が製造できないという課題を抱えています。これに対し、MINUKは三次元形状の内部のどこに結晶性の異常があるのか、異物が混入しているかを観察できます。現状こうした内部の結晶構造や異物の位置などの非接触、非破壊、非侵襲観察はMINUKが有効です。今まで観察できていなかった内部の結晶構造や異物の位置などのファクターが、半導体の特性にどう影響するかといった現象解明などに寄与できるものと考えています。

6.2 ライフサイエンス分野

細胞などの生命体の観察は一般的に染色や蛍光によるイメージングを行うことが多くあります。しかしこれらの手法では、生命体を生きたまま長時間リアルタイムで観察する場合、試薬による毒性や褪色など多くの課題があります。MINUK では、非染色かつ蛍光を使用しないラベルフリーOPD イメージングにより細胞の形態や内部構造を可視化でき、生きたままの細胞を長時間モニタリングすることが可能となります。今後、多くの生命現象の解明や細胞を扱う産業応用分野で活躍の場を拡げていきます。

6.3 化学分野

化学メーカーでは、異なる溶液を混合し温度や圧力を変化させながら生成物を作るプロセスが日常的に行われています。しかし、化学反応の進行や相分離の様子をリアルタイムで詳細に観察することは、従来の光学顕微鏡では困難な場合が多いです。例えば、水中の油滴（oil-in-water）や油中の水滴（water-in-oil）のエマルジョン状態は、界面の屈折率差によって可視化できますが、油に洗剤を混ぜた際の液面の波打ちや広がりなど、屈折率が近い液体同士では境界線が識別しにくくなります。MINUK は屈折率のわずかな変化を可視化できるため、通常の顕微鏡では見えづらい液体の界面や反応の進行過程をリアルタイムで観察できます。これにより混合プロセスの評価や、目的とする生成物の析出過程の詳細な解析が可能となり、さまざまな化学反応プロセスへの応用が期待されます。

2024 年に販売を開始したMINUKの「光波動場三次元顕微鏡」という名称は大塚電子の造語で、冒頭に述べた長年の研究を製品開発につなげた若手エンジニアがネーミングしたものです。多くの顧客のさまざまな研究開発・品質管理分野などにおいて“うれしさ”を見出せる・貢献できるアプリケーションを開拓し提案していくことで、大塚電子の生み出した「光波動場三次元顕微鏡」の名を幅広く周知させたいと考えています。上述のとおり、MINUK はフィルムやガラスのほか、透過性がある半導体材料や化学分野、ライフサイエンス分野でも観察・測定の対象としています。同社では今後、さまざまなニーズやウォンツを顧客からいただいて、製品をブラッシュアップしていくことで、顧客の多様な潜在的ニーズに応えていきたい考えです。

※本記事は『メカニカル・サーフェス・テック』2025年2月号の掲載内容を一部編集したものです。

（『メカニカル・サーフェス・テック』2025年2月号に掲載）