JP2003029129A

JP2003029129A - 合焦位置検出装置

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Publication number: JP2003029129A
Application number: JP2001210162A
Authority: JP
Inventors: Masaya Okazaki; 賢哉岡咲
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】反射率が低い測定対象物に対しても精度よく合
焦位置を検出する合焦位置検出装置を提供する。【解決手段】光学系２１のレーザビーム３２は測定対象
面３７に照射されて反射し、光分割装置２２で３方向に
振分けられ、光検出系２３に入射して、反射光３８ａの
集光点Ｑよりも前側での受光は信号Ａ、反射光３８ｂの
集光点Ｑよりも後側での受光は信号Ｂ、反射光３８ｃの
集光点Ｑでの受光は信号Ｃとして夫々信号処理系２４に
入力され、Ｄ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）、Ｓ＝（Ａ＋
Ｂ）、Ｅ＝（Ａ＋Ｂ）／Ｃが演算されて夫々制御系２５
に入力される。コントローラ７１は領域信号Ｅにより合
焦検出有効領域Ｕｋを検出した後、変位信号Ｄにより第
１の合焦領域Ａｒを検出し、合成信号Ｓにより判断した
測定対象面３７の反射率の強弱に基づいて、合焦点近傍
の合焦動作の「繰り返し時間」又は「繰り返し回数」を
設定して最終合焦動作を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣ基板や材料等
の加工面を測定するために測定対象面に光学的に焦点合
せを自動的に行う測定顕微鏡等における合焦位置検出装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この方面の従来技術として
は、例えば特開平８−３０４０１９号公報に開示された
焦点検出装置が知られている。図１０(a) は、その従来
の焦点検出装置の概略の構成を示す図であり、同図(b)
はその２つの光検出器（受光素子）から出力される信号
の特性を示す図であり、同図(c) はその２つの出力信号
から演算される変位信号の特性を示す図である。同図
(a) に示す焦点検出装置において、半導体レーザ光源１
から出射されたレーザビーム２は、偏光ビームスプリッ
タ３から反射した後、１／４波長板４及び結像レンズ
５、対物レンズ６を介して、被測定表面７（例えば、Ｉ
Ｃ基板表面又は材料の加工表面等）に集光される。

【０００３】被測定表面７から反射した反射光８は、対
物レンズ６、結像レンズ５、及び１／４波長板４から偏
光ビームスプリッタ３を透過して、ビームスプリッタ９
によって２方向に振り分けられる。上記一方の反射光８
は、ビームスプリッタ９から反射した後、集光点Ｑより
も後側に配置された第１の絞り１１を介して第１の受光
素子１２に照射される。また、他方の反射光８は、ビー
ムスプリッタ９を透過した後、集光点Ｑよりも前側に配
置された第２の絞り１３を介して第２の受光素子１４に
照射される。

【０００４】第１の受光素子１２からは受光した光量に
対応した同図(b) に示す特性を有する電気信号Ａが、信
号処理系１５に出力され、第２の受光素子１４からは同
じく同図(b) に示す特性を有する電気信号Ｂが信号処理
系１５に出力される。尚、同図(b) は、横軸に対物レン
ズ６と被測定表面７との相対距離（以下、距離Ｚとい
う）を示し、合焦位置を原点「０」としている。つま
り、対物レンズ６と被測定表面７が合焦位置よりも近接
していれば距離Ｚはマイナスで表わされ、合焦位置より
も離れていれば距離Ｚはプラスで表わされる。また、同
図は縦軸に上記の電気信号Ａ及びＢをそれらの電圧Ｖで
示している。

【０００５】信号処理系１５は、これらの電気信号Ａ及
びＢに対して、Ｄ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算を行
ない、この演算結果として、信号処理系１５からは、同
図(c) に示す特性を有する変位信号Ｄが出力される。
尚、同図(c) も、横軸には合焦位置を原点「０」として
距離Ｚを示しており、縦軸に変位信号Ｄの電圧Ｖを示し
ている。

【０００６】この変位信号Ｄは、本来、合焦時には同図
(c) に示すように縦軸方向のレベルがゼロ、すなわち、
Ｄ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＝０、になるべき特性を有
している。したがって、この「Ｄ＝０」となる位置に距
離Ｚを調整するようにして、被測定表面７に対する合焦
位置を求めれば良いことになる。ところが、この変位信
号Ｄはノイズ成分を含んでいる。

【０００７】図１１は、図１０(c) の特性図の破線丸ｄ
で囲んだ合焦点近傍を拡大して示す図である。図１０
(c) に示した変位信号Ｄは、実際には図１１に示すよう
にノイズ幅Ｎｚを持った上範囲Ｄｕと下範囲Ｄｄで示す
領域に分布した形で検出される。つまり変位信号Ｄは、
このように合焦点近傍においてノイズ幅Ｎｚ分の広がり
をもって検出されるものであるから、合焦位置で変位信
号Ｄが「０」となることは期待できない。実際にも合焦
位置で変位信号Ｄが「０」になることはない。

【０００８】そこで、この変位信号Ｄのバラツキ（上範
囲Ｄｕ、下範囲Ｄｄ）に対して、図１１に示すように、
上限しきい値Ｔｕ及び下限しきい値Ｔｄを設定し、この
上限しきい値Ｔｕと下限しきい値Ｔｄで挟まれる図には
ハッチングで示す合焦近傍領域の距離Ｚの範囲Ｆｃを合
焦領域とし、変位信号Ｄがこの合焦近傍領域の範囲Ｆｃ
内にあるとき、そこが距離Ｚの合焦位置であると決定す
るものである。

【０００９】しかしながら、図の矢印Ａで示すように距
離Ｚをマイナス位置から合焦近傍領域の範囲Ｆｃ方向へ
移動させながら、受光素子１２及び１４による光量検出
のサンプリングを行っても、そのサンプリングの標本Ｓ
ｐが上記の合焦近傍領域内で得られないと、合焦の検出
ができないという問題が起きる。これは、測定対象が例
えばガラスのように反射率が低い場合に起きる問題であ
り、この場合、合焦動作が際限なく繰り返される虞が発
生する。また、このような測定対象面の反射率や表面状
態によって、上記従来の焦点検出装置では合焦精度の低
下や擬合焦が発生していた。

【００１０】そこで、この問題に対し、本発明と同一出
願人になる特開平８−３０４０１９号公報には、焦点位
置の前後に配した上記２つの受光素子の他に、焦点位置
に第３の受光素子を配し、この第３の受光素子の出力Ｃ
により、合焦位置近傍の有効な領域を示すものとなる領
域信号Ｅ＝（Ａ＋Ｂ）／Ｃを生成するようにしている。
ここでは、この信号Ｅが或るしきい値以上となるときを
もって変位信号Ｄの有効な領域と決定するものであり、
これによって擬合焦の問題を回避している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の方法
は、例えばガラスなどの反射率の低い測定対象物の場合
は領域信号Ｅ＝（Ａ＋Ｂ）／Ｃを利用することで擬合焦
の問題は回避できるとしても、変位信号Ｄ＝（Ａ−Ｂ）
／（Ａ＋Ｂ）に含まれるノイズ幅Ｎｚのレベルはそのま
まであって変るものではないため、合焦近傍領域の範囲
Ｆｃの広がりが大きく、合焦精度が悪化するという問題
までは解消されないことが判明した。

【００１２】図１２(a) は信号・雑音比（Ｓ／Ｎ）が良
い場合の変位信号Ｄの合焦位置近傍の拡大図を示してお
り、同図(b) はＳ／Ｎが悪い場合の変位信号Ｄの合焦位
置近傍の拡大図を示している。同図(a),(b) を比較して
明らかなように、Ｓ／Ｎが良い場合に比較して、Ｓ／Ｎ
が悪い場合は、合焦領域とされる範囲Ｆｃが本来の正し
い合焦位置である原点「０」に対して前後に大きく広が
っている。このような大きな広がりの中で、その前又は
後の領域端部で検出された標本Ｓｐ（図１１参照）に基
づいて合焦位置が決定されると、合焦精度が低下する。

【００１３】本発明は、上記の技術の更なる改良を目的
とし、例えばガラスなどのように反射率が低い測定対象
物に対しても合焦精度が悪化しない検出方法を上記特開
平８−３０４０１９号出願とは異なる方法で実現した合
焦位置検出装置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】以下に、本発明に係わる
合焦位置検出装置の構成を述べる。先ず、請求項１記載
の発明の合焦位置検出装置は、測定光を測定対象面に照
射して該測定対象面からの反射光を集光する光学系と、
該光学系により集光された上記反射光の光強度をそれぞ
れ集光位置に対して異なる位置で検出する複数の光検出
手段と、該複数の光検出手段により出力される複数種類
の光検出信号に基づいて合焦位置を検出する合焦位置検
出装置であって、第１の合焦判定条件に基づいて第１の
合焦領域を検出する第１合焦領域検出手段と、上記第１
合焦領域検出手段により上記第１の合焦領域が検出され
た後、第２の合焦判定条件に基づいて最終合焦領域を検
出する最終合焦領域検出手段と、を備えて構成される。

【００１５】上記第２の合焦判定条件は、例えば請求項
２記載のように、上記測定対象面からの反射光の光強度
に基づいて第２判定条件設定手段により設定されるよう
に構成される。そして、上記第２の合焦判定条件は、例
えば請求項３記載のように、上記最終合焦領域への絞り
込み動作を繰り返すときの繰り返し経過時間であるよう
に構成され、また、例えば請求項４記載のように、上記
最終合焦領域への絞り込み動作を繰り返すときの繰り返
し回数であるように構成される。

【００１６】次に、請求項５記載の発明の合焦位置検出
装置は、測定光を被測定表面に照射して該被測定表面か
らの反射光を３分割して集光する光学系と、該光学系に
より集光される上記反射光の集光位置の前側に配置され
た第１の光検出手段と、上記反射光の集光位置の後側に
配置された第２の光検出手段と、上記反射光の集光位置
に配置された第３の光検出手段と、を備えて、上記第
１、第２及び第３の光検出手段から出力される各光検出
信号に基づいて上記測定対象面の合焦位置を検出する合
焦位置検出装置であって、上記第１の光検出手段から出
力される信号をＡとし、上記第２の光検出手段から出力
される信号をＢとし、上記第３の光検出手段から出力さ
れる信号をＣとして、変位信号Ｄ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋
Ｂ）を演算する第１の演算手段と、合成信号Ｓ＝Ａ＋Ｂ
を演算する第２の演算手段と、領域信号Ｅ＝（Ａ＋Ｂ）
／Ｃを演算する第３の演算手段と、上記第３の演算手段
により演算された領域信号Ｅに基づいて大枠の合焦範囲
を検出した後、上記第１の演算手段により演算された変
位信号Ｄに基づいて上記大枠の合焦範囲よりも狭い範囲
の第１の合焦領域を検出し、上記第２の演算手段により
演算された合成信号Ｓに基づいて最終合焦判定条件を設
定した後、該最終合焦判定条件に基づいて上記第１の合
焦領域内にある最終合焦領域を検出する制御装置と、を
備えて構成される。

【００１７】このように、本発明の合焦位置検出装置に
おける合焦判定では、変位信号が合焦領域に入った後
も、そこで直ちに合焦であるとの決定を行わず本発明に
特有の複数の合焦判定条件に基づいて合焦位置を絞り込
む動作を続行して、合焦判定条件を満たした時点で合焦
であると判断する。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。図１は、一実施の形態におけ
る合焦位置検出装置の構成を模式的に示す図である。同
図に示すように、この合焦位置検出装置は、測定光を測
定対象面（被測定表面）に照射し、この測定対象面から
の反射光を集光する光学系２１と、この光学系２１によ
って集光された反射光を３分割する光分割装置２２と、
この光分割装置２２によって３分割された反射光を夫々
受光して光検出信号を出力する光検出系２３と、この光
検出系２３から出力された信号に所定の演算を施して出
力する信号処理系２４と、この信号処理系２４から出力
された信号から合焦検出のための合焦動作を制御する制
御系２５とを備えている。

【００１９】上記の光学系２１は、半導体レーザ光源３
１からレーザビーム３２を出射し、このレーザビーム３
２を偏光ビームスプリッタ３３で下方に反射させ、更に
１／４波長板３４、結像レンズ３５、対物レンズ３６を
介して、測定対象面３７に集光させる。そして、その測
定対象面３７から反射した反射光３８を、対物レンズ３
６及び結像レンズ３５を介して集光し、この集光した反
射光３８を１／４波長板３４を介し、偏光ビームスプリ
ッタ３３を通過させて、光分割装置２２に出射する。

【００２０】光分割装置２２は、第１のビームスプリッ
タ４１と、第２のビームスプリッタ４２を備え、光学系
２１から入射する測定対象面３７からの反射光３８を、
第１のビームスプリッタ４１によって図の右と上の２方
向に振り分け、その上に振り分けられて第１のビームス
プリッタ４１を透過した反射光３８を、更に第２のビー
ムスプリッタ４２によって図の右と上の２方向に振り分
ける。そして、これら全部で３方向に振り分けた反射光
３８（３８ａ、３８ｂ、３８ｃ）をそれぞれ光検出系２
３に出射する。

【００２１】光検出系２３は、第１の絞り５１と第１の
受光素子５２からなる第１の受光部と、第２の絞り５３
と第２の受光素子５４からなる第２の受光部と、第３の
受光素子５５のみからなる第３の受光部を備えている。
上記第２のビームスプリッタ４２により上に通過して振
り分けられて光検出系２３に入射してくる反射光３８ａ
は、第１の受光部において、第１の絞り５１を介し、反
射光３８ａの集光点Ｑよりも前側に配置されている第１
の受光素子５２に入射される。この第１の受光素子５２
は、受光した光量を電気信号に変換した光検出信号Ａを
信号処理系２４に出力する。

【００２２】また、上記第２のビームスプリッタ４２に
より右に反射されて振り分けられて光検出系２３に入射
してくる反射光３８ｂは、第２の受光部において、第２
の絞り５３を介し、反射光３８ｂの集光点Ｑよりも後側
に配置されている第２の受光素子５４に入射される。こ
の第２の受光素子５４は、受光した光量を電気信号に変
換した光検出信号Ｂを信号処理系２４に出力する。

【００２３】そして、上記第１のビームスプリッタ４１
により右に反射されて振り分けられて光検出系２３に入
射してくる反射光３８ｃは、第３の受光部において、反
射光３８ｃの集光点Ｑに配置されている第３の受光素子
５５に入射される。この第３の受光素子５５は、受光し
た光量を電気信号に変換した光検出信号Ｃを信号処理系
２４に出力する。

【００２４】信号処理系２４は、上記光検出系２３から
入力する各光検出信号を用いて所定の演算を行う減算器
６１、加算器６２、２個の除算器６３及び６４を備えて
いる。減算器６１と加算器６２には、光検出系２３の第
１の受光素子５２から光検出信号Ａがそれぞれ入力し、
第２の受光素子５４から光検出信号Ｂがそれぞれ入力す
る。また、除算器６３には、光検出系２３の受光素子５
から光検出信号Ｃが入力する。

【００２５】減算器６１は、「Ａ−Ｂ」を演算してその
演算結果を除算器６４に出力する。加算器６２は、「Ｓ
＝Ａ＋Ｂ」を演算してその演算結果である合成信号Ｓを
２つの除算器６３及び６４並びに制御系２５に出力す
る。除算器６３は「Ｅ＝（Ａ＋Ｂ）／Ｃ」を演算してそ
の演算結果である領域信号Ｅを制御系２５に出力し、除
算器６４は「Ｄ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）」を演算して
その演算結果である変位信号Ｄを制御系２５に出力す
る。

【００２６】制御系２５は、コントローラ７１とモータ
Ｍ７２とで構成されている。コントローラ７１には、信
号処理系２４から上記の変位信号Ｄ、合成信号Ｓ、及び
領域信号Ｅが入力する。コントローラ７１は、これらの
信号に基づいて詳しくは後述する処理を行い、モータＭ
７２の順逆の回転を制御して、対物レンズ３６と測定対
象面３７との相対距離（以下、距離Ｚ、又は変位Ｚとも
いう）を合焦位置に設定する。これにより、合焦位置が
自動的に決定される。

【００２７】図２(a) は、距離Ｚの変位に対応して光検
出系２３の第１の受光素子５２から出力される光検出信
号Ａと第２の受光素子５４から出力される光検出信号Ｂ
の特性を示す図であり、同図(b) は、光検出系２３の第
３の受光素子５５から出力される光検出信号Ｃの特性を
示す図である。

【００２８】同図(a) に示すように、光検出信号Ａは合
焦点よりも変位Ｚが広がる方に偏って分布して、つまり
変位Ｚの原点「０」よりもプラス側にサンプリングのピ
ーク値が存在して、その左右の分布は急峻に減衰してい
る。また、光検出信号Ｂは合焦点よりも距離Ｚが狭まる
方に偏って分布して、つまり変位Ｚの原点「０」よりも
マイナス側にサンプリングのピーク値が存在して、その
左右の分布は急峻に減衰している。これに対して、光検
出信号Ｃは、同図(b) に示すように、合焦点を中心に距
離Ｚが広がる方にも狭まるほうにも一定範囲の広いピー
ク値を示し、その左右の分布は緩やかに減衰している。

【００２９】図３(a),(b) は、距離Ｚの変位に対応して
信号処理系２４の除算器６４から出力される変位信号Ｄ
（Ｄ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ））の特性を示す図であ
り、同図(a) はサンプル（測定対象面３７、以下同様）
の反射率が高い場合の出力状態を示しており、同図(b)
は、サンプルの反射率が低い場合を示している。同図
(a) に示すサンプルの反射率が高い場合は、ホワイトノ
イズの占める割合が低くなるため特性曲線Ｄは滑らかな
（細い線の）曲線となるが、サンプルの反射率が低い場
合は、ホワイトノイズの占める割合が強くなるため、同
図(b) に示すように、特性曲線Ｄ′は滑らかな曲線とは
ならず、細かい波動を含んだ（ノイズ幅の大きい）曲線
となっている。同図(a),(b) いずれの場合も、プラスピ
ーク点ＶP+とマイナスピーク点Ｖp-をもっている。

【００３０】図４は、距離Ｚの変位に対応して信号処理
系２４の加算器６２から出力される合成信号Ｓ（Ｓ＝Ａ
＋Ｂ）の特性を示す図である。同図にはサンプルの反射
率が高い場合と低い場合の両方をそれぞれ示しており、
サンプルの反射率が高い場合の特性曲線Ｓは全体として
出力が高く、サンプルの反射率が低い場合の特性曲線
Ｓ′は全体として出力が低くなっている。

【００３１】図５(a),(b) は、距離Ｚの変位に対応して
信号処理系２４の除算器６３から出力される領域信号Ｅ
（Ｅ＝（Ａ＋Ｂ）／Ｃ）の特性を示す図であり、同図
(a) はサンプルの反射率が高い場合の特性曲線Ｅを示
し、滑らかな曲線で表わされている。同図(b) はサンプ
ルの反射率が低い場合の特性曲線Ｅ′を示し、図２(b)
の変位信号の特性曲線Ｄ′の場合と同様の理由で、滑ら
かではないノイズ幅の大きい曲線となっている。

【００３２】いずれにしても、図２(a) に示した光検出
信号Ａ及びＢだけでは合焦点近傍の落ち込みが大きいた
め、原点「０」の合焦点近傍を探るための指針となる信
号にはなりにくいが、その光検出信号Ａ及びＢの合成で
あるＡ＋Ｂを図２(b) に示す光検出信号Ｃで除すことに
より、反射光量の強弱に拘わりなく常に同レベルの信号
出力で、且つ、やや中央が低くなってはいるがほぼ正規
分布に近い特性を有する領域信号Ｅ（Ｅ、Ｅ′）が得ら
れる。この領域信号Ｅは原点「０」の合焦点を分布の中
心とする正規分布となるので、本例では、詳しくは後述
するが、この領域信号Ｅを合焦点を検出するための最初
の有効領域を探る指針としている。

【００３３】図６は、制御系２５のコントローラ７１が
上記のような各信号（合成信号Ｓ、変位信号Ｄ、領域信
号Ｅ）を用いて行う合焦位置検出の処理を説明するフロ
ーチャートである。図７は、上記の合焦位置検出の処理
において合焦位置の補足範囲の設定を説明する図であ
る。

【００３４】図８は、上記の合焦位置の補足範囲に入っ
た後に行われる第１の合焦判定処理のための領域と、そ
の後の絞り込み領域を説明する図である。図９(a),(b)
は、絞り込み領域に絞り込みを行う際の反射率の程度に
基づく判断によって行われる２種類の動作を説明する図
である。以下、これらの図６乃至図９(a),(b) を用いて
合焦位置検出の処理を説明する。

【００３５】先ず、図６において、合焦位置検出の開始
を指示する入力がなされると、以下の処理が開始される
（ステップＳ１）。処理の最初は上方サーチで始まる
（ステップＳ２）。この処理は、一旦、距離Ｚが最大に
なるようにモータＭ７２を制御した後、その最大位置か
ら距離Ｚを徐々に小さくして、補足範囲内すなわち合焦
近傍の位置を補足可能な有効領域に入ったか否か判別す
る（ステップＳ３）。

【００３６】この処理では、図７に示す領域信号Ｅの出
力が参照される。前述したように、この領域信号Ｅは原
点「０」の合焦点を分布の中心としたほぼ正規分布とな
るので、やや低い分布となる中央の値も含むようなしき
い値Ｔを設定することにより、領域信号Ｅの値がしきい
値Ｔ以上となる変位Ｚの変位領域（有効領域Ｕｋ）を、
合焦点を検出するための最初の近傍領域を探る指針とす
るものである。そして、上記の上方サーチでは変位Ｚを
プラス側からマイナス側へ移動させていく。

【００３７】尚、この領域信号Ｅは、これも前述したよ
うに、他の信号と同様にノイズ幅Ｎｚを有する信号であ
り、巨視的にみれば、サンプルの反射率が高いときは図
５(a) に示したように滑らかな線で分布する特性を描
き、反射率が低いときは図５(b) に示したように幅のあ
る線で分布する特性を持っている。そして、微視的にみ
れば、大小の差はあるものの、図７に示すようにそのと
きどきの反射率に対応するノイズ幅Ｎｚをもって分布す
る特性をもっている。しかし、いかに大きなノイズで
も、これらは平均に分布するホワイトノイズであるの
で、図７のように設けたしきい値Ｔによって最初の有効
領域Ｕｋを探る指針とする程度においては一向に支障は
ない。

【００３８】そして、上記ステップＳ３の判別で、変位
Ｚが合焦位置の補足範囲内、すなわち領域信号Ｅの出力
がしきい値Ｔ以上、つまり変位Ｚが有効領域Ｕｋ内にあ
る、ことを示していれば（Ｓ３がＹ）、続く処理をステ
ップＳ９の本発明の合焦動作に移るが、領域信号Ｅの出
力がしきい値Ｔ未満であれば（Ｓ３がＮ）続いて、上方
サーチが完了しているか否かを判別し（ステップＳ
４）、上方サーチが完了していなければ（Ｓ４がＮ）、
ステップＳ２に戻って上方サーチを続行する、というこ
とを繰り返す。

【００３９】そして、領域信号Ｅの出力がしきい値Ｔ未
満のまま、上方サーチが完了した場合は（Ｓ４がＹ）、
次に、下方サーチを開始する（ステップＳ５）。この処
理は、一旦、変位Ｚが最小になるようにモータＭ７２を
制御した後、その最小位置から変位Ｚを徐々に大きくし
ながら領域信号Ｅの出力を参照する処理である。

【００４０】この処理では、領域信号Ｅの出力がしきい
値Ｔ以上、すなわち補足範囲内に入ったか否かを判別し
（ステップＳ６）、領域信号Ｅの出力がしきい値Ｔ未満
であれば（Ｓ６がＮ）、続いて、下方サーチが完了して
いるか否かを判別する（ステップＳ７）。そして、下方
サーチが完了していなければ（Ｓ７がＮ）、ステップＳ
５に戻って下方サーチを続行する、ということを繰り返
し、領域信号Ｅの出力がしきい値Ｔ以上、すなわち補足
範囲内に入ったときは（Ｓ６がＹ）、ステップＳ９の合
焦動作に移行する。

【００４１】尚、領域信号Ｅの出力がしきい値Ｔ未満の
まま、下方サーチが完了した場合は（Ｓ７がＹ）、サー
チエラーと判断してこの合焦位置検出処理を終了する
（ステップＳ８）。このサーチエラーの終了では、表示
装置に「サーチエラーです」等の報知表示を行うか、エ
ラー警告灯を点滅させて、操作者に合焦位置の検出にエ
ラーが生じたことを報知するようにすることが好まし
い。

【００４２】上記ステップＳ９の合焦動作の処理では、
先ず、図８に示す変位信号Ｄ（Ｄ、Ｄ′）の出力が参照
される。この場合も、変位信号Ｄは、巨視的にみればサ
ンプルの反射率が高いときは図３(a) に示したように滑
らかな分布であり、サンプルの反射率が低いときは図３
(b) に示してようにノイズ幅の大きい分布となるが、微
視的にみれば、いずれの場合も図８に示すように一定の
ノイズ幅Ｎｚを有する分布を示す信号である。

【００４３】この処理では、図３に示した変位信号Ｄ又
はＤ′の合焦点近傍の信号分布が利用される。この図８
に示す信号特性図は、図３に示した変位信号Ｄ又はＤ′
の特性図の合焦点近傍の拡大図である。またこの処理
は、上記のように変位Ｚが合焦位置の補足範囲に入った
後に、変位信号Ｄが「０」近傍である合焦領域を探すた
めに行われる第１の合焦判定処理である。

【００４４】ここでは、第１の合焦判定条件として、図
８に示すように、変位信号Ｄ（又はＤ′、以下同様）に
上限しきい値Ｔｕと下限しきい値Ｔｄを設ける。これに
より、第１の合焦条件を満たす変位Ｚの範囲、すなわち
最初の合焦領域Ａｒが設定される。

【００４５】この合焦動作では、変位信号Ｄの値がプラ
スで且つ上限しきい値Ｔｕより大きければ、変位信号Ｄ
の値が上限しきい値Ｔｕ以下となるまで距離Ｚをマイナ
ス方向へ移動させる。逆に、変位信号Ｄの値がマイナス
で且つ下限しきい値Ｔｄより小さければ、変位信号Ｄの
値が下限しきい値Ｔｄ以上となるまで距離Ｚをプラス方
向へ移動させる。そして、変位信号Ｄが上限しきい値Ｔ
ｕ以下、又は下限しきい値Ｔｄ以上、となったか否かを
判別する（ステップＳ１０）。

【００４６】図８において、距離Ｚをマイナス方向へ移
動させている場合、変位信号Ｄの値が上記最初の合焦領
域Ａｒのプラス側の外側の範囲Ａr+の範囲に入ったとき
は、その値がノイズ幅Ｎｚのバラツキの中で上の値であ
るときマイナス方向への移動が継続される（Ｓ１０が
Ｎ）可能性があり、バラツキの中で下の値であるときは
第１の合焦条件を満たす範囲Ａｒに入ったと判断される
（Ｓ１０がＹ）可能性がある。

【００４７】また、距離Ｚをプラス方向へ移動させてい
る場合、変位信号Ｄの値が範囲Ａｒのマイナス側の外側
の範囲Ａr-の範囲に入ったときは、その値がノイズ幅Ｎ
ｚのバラツキの中で下の値であるときプラス方向への移
動が継続される（Ｓ１０がＮ）可能性があり、バラツキ
の中で上の値であるときは第１の合焦条件を満たす範囲
Ａｒに入ったと判断される（Ｓ１０がＹ）可能性があ
る。

【００４８】いずれの場合も、第１の合焦条件を満たす
範囲Ａｒに入ったと判断したときは（Ｓ１０がＹ）、コ
ントローラ７１は真の合焦位置に、より近接するため
の、第２の合焦条件（以下、絞り込み条件）を設定する
（ステップＳ１１）。この絞り込み条件の設定では、上
記第１の合焦判定条件で設定された第１の合焦領域の範
囲Ａｒよりも狭い範囲、すなわち図８に示す合焦点近傍
の範囲Ａr0が、目標とする最終合焦範囲つまり「検出す
べき合焦位置」とされる。

【００４９】そして、この最終合焦範囲Ａr0を検出する
ための絞り込み条件が予め設けられている。この絞り込
み条件には次の２通りの方式が考えられる。一つは絞り
込み動作をある一定時間継続する「絞り込み時間」によ
る絞り込み条件であり、これはサンプリングした変位信
号Ｄが第１の合焦領域の範囲Ａｒに入ってからの経過時
間を設定して、この設定された時間内で合焦動作を繰り
返し行うものである。そして、設定した時間が経過した
とき、合焦位置が検出されたと判断する。

【００５０】他の一つは、絞り込み動作をある一定回数
行う「絞り込み回数」による絞り込み条件であり、この
場合は、先ず、絞り込む合焦領域つまり絞り込み範囲を
より狭い範囲に設定する。つまり上限と下限のしきい値
を、より厳しい絞り込み値に設定する。そのうえでサン
プリングした変位信号Ｄが上記の絞り込み範囲内となる
回数が所定の回数となるまで行って、その計測した回数
が予め定めた規定値に達したとき合焦位置が検出された
と判断する。

【００５１】図９(a) は上記の絞り込み時間による絞り
込み条件で合焦動作を行う場合の動作概念図であり、同
図(b) は上記の絞り込み回数による絞り込み条件で合焦
動作を行う場合の動作概念図である。同図(a),(b) は、
いずれも、変位信号Ｄが、上述した第１の合焦条件を満
たす範囲Ａｒにマイナス側から入った場合について説明
しているが、プラス側から入った場合も、以下に述べる
動作の図の矢印が逆（説明のプラスとマイナスが逆）に
なるだけで原理は同一である。

【００５２】先ず、同図(a) の絞り込み時間による合焦
動作を説明すると、変位信号Ｄが最初の合焦領域Ａｒ
に入る。合焦動作を継続する、つまり変位信号Ｄがマ
イナスであるので変位Ｚをプラス方向へ移動させる。
行きすぎたら（変位信号Ｄがプラスになったら）、
「０」とすべく戻る（変位Ｚをマイナス方向へ移動させ
る）。合焦動作継続時間が終了したとき、そのときの
位置を合焦位置とする。

【００５３】次に、同図(b) の絞り込み回数による合焦
動作を説明すると、変位信号Ｄが最初の合焦領域Ａｒ
に入る。上記同様に合焦動作を継続する。行きすぎ
たら戻ることを繰り返す、この間変位信号Ｄが絞り込み
範囲内となる回数を計数する。その計数値が規定値に
達したとき、そのときの位置を合焦位置とする。

【００５４】このように、最初の合焦領域の検出で、そ
れを合焦位置と決めてしまうのではなく、時間または回
数を条件として更に合焦動作を繰り返すので、合焦位置
が合焦点に可及的に近接していくようになる。尚、上記
実施の形態では、絞り込み条件を単に予め設定されてい
る「絞り込み時間」又は「絞り込み回数」としている
が、絞り込み条件はこれに限ることなく、測定対象面の
反射率の状況に応じて変更するようにしてもよい。これ
を変形例として以下に説明する。

【００５５】先ず、変位信号Ｄが最初の合焦領域Ａｒに
入るまでは、上記の場合と同様である。次に、この変形
例では、この変位信号Ｄが最初の合焦領域Ａｒに入った
時点で、コントローラ７１が、その時点の合成信号Ｓの
値を参照して、最適な条件を設定する。

【００５６】この設定では、絞り込み時間については、
合成信号Ｓの値が図４の合成信号Ｓのように大きい場合
は、合焦継続時間を短くし、合成信号Ｓの値が図４の合
成信号Ｓ′のように小さい場合は、合焦継続時間を多く
するようにする。また、絞り込み回数については、合成
信号Ｓの値が図４の合成信号Ｓのように大きい場合は、
絞り込み回数を少なくし、合成信号Ｓが図４の合成信号
Ｓ′のように小さい場合は、絞り込み回数を多くするよ
うにする。

【００５７】このように絞り込み条件を、反射率の高低
に応じて強弱に変動する合成信号Ｓの値によって、可変
的に設定することにより、反射率の高いときには高速に
合焦位置の検出ができ、反射率の低い場合でも、高速性
は犠牲になるものの精度のよい合焦位置の検出が可能と
なる。

【００５８】上述したように、本発明の実施態様によれ
ば、合焦領域に入った後も合焦検出動作を所定の条件で
継続して行うだけでなく、このように合焦領域に入って
からの合焦検出動作の続行に際して、検査対象面の反射
率を合焦領域に入った時点での加算信号から判断するの
で、合焦検出動作の最適な継続時間や絞り込み回数を設
定でき、これにより、合焦検出時間を全体として短縮す
ることができて作業能率が向上する。

【００５９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、合焦領域に入った後も合焦検出動作を所定の条件
で継続して行うので、検査対象面の反射率の高低に拘わ
りなく真の合焦位置に可及的に近似させることができ、
これにより、合焦再現性の良好な合焦位置検出装置を提
供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施の形態における合焦位置検出装置の構成
を模式的に示す図である。

【図２】(a) は距離Ｚの変位に対応して第１の受光素子
から出力される光検出信号Ａと第２の受光素子から出力
される光検出信号Ｂの特性図、(b) は第３の受光素子か
ら出力される光検出信号の特性図である。

【図３】(a),(b) はそれぞれ距離Ｚの変位に対応して信
号処理系の除算器から出力される変位信号Ｄの特性図で
ある。

【図４】距離Ｚの変位に対応して信号処理系の加算器か
ら出力される合成信号Ｓの特性図である。

【図５】(a),(b) はそれぞれ距離Ｚの変位に対応して信
号処理系の除算器から出力される有効領域信号Ｅの特性
図である。

【図６】制御系のコントローラによって行われる合焦位
置検出の処理を説明するフローチャートである。

【図７】合焦位置検出の処理において合焦位置の補足範
囲の設定を説明する図である。

【図８】合焦位置の補足範囲に入った後に行われる第１
の合焦判定処理のための領域とその後の絞り込み領域を
説明する図である。

【図９】(a),(b) は絞り込み領域に絞り込みを行う際の
反射率の程度による判断で行われる２種類の動作を説明
する図である。

【図１０】(a) は従来の焦点検出装置の概略の構成を示
す図、(b) はその２つの光検出器から出力される信号の
特性を示す図、(c) はその２つの出力信号から演算され
る変位信号の特性を示す図である。

【図１１】図１０(c) の特性図の破線丸ｄで囲んだ合焦
点近傍を拡大して示す図である。

【図１２】(a) は信号・雑音比（Ｓ／Ｎ）が良い場合の
変位信号の合焦位置近傍の拡大図、(b) はＳ／Ｎが悪い
場合の変位信号の合焦位置近傍の拡大図である。

【符号の説明】

１半導体レーザ光源２レーザビーム３偏光ビームスプリッタ４１／４波長板５結像レンズ６対物レンズ７被測定表面８反射光９ビームスプリッタ１１第１の絞り１２受光素子１３第２の絞り１４第２の受光素子１５信号処理系Ａ、Ｂ光量検出電気信号Ｑ集光点Ｚ対物レンズと被測定表面との相対距離Ｖ変位信号電圧Ｎｚノイズ幅Ｄｕ、Ｄｄ変位信号のバラツキ幅Ｔｕ、Ｔｄ変位信号のしきい値Ｆｃ合焦近傍領域の範囲Ｓｐ変位信号の標本２１光学系２２光分割装置２３光検出系２４信号処理系２５制御系Ｃ光量検出電気信号Ｄ、Ｄ′ 変位信号Ｓ、Ｓ′ 合成信号Ｅ、Ｅ′ 領域信号Ｔ有効領域しきい値Ｕｋ有効領域Ａｒ最初の合焦領域Ａr0 最終合焦領域ｔｕ上限絞り込みしきい値ｔｄ下限絞り込みしきい値

フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA02 AA06 AA09 AA20 BB22 CC17 FF01 FF10 FF41 GG06 HH04 JJ01 JJ05 JJ07 JJ15 LL04 LL36 LL37 LL46 MM07 NN20 PP02 PP24 QQ05 QQ06 QQ08 QQ25 QQ26 QQ27 QQ28 QQ51 2F112 AB05 BA06 BA07 CA07 DA09 DA28 DA32 FA01 FA09 FA45 2H051 AA11 BA54 BA70 CB02 CB29 CC03 CE21 DB02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定光を測定対象面に照射して該測定対
象面からの反射光を集光する光学系と、該光学系により
集光された前記反射光の光強度をそれぞれ集光位置に対
して異なる位置で検出する複数の光検出手段と、該複数
の光検出手段により出力される複数種類の光検出信号に
基づいて合焦位置を検出する合焦位置検出装置であっ
て、第１の合焦判定条件に基づいて第１の合焦領域を検出す
る第１合焦領域検出手段と、前記第１合焦領域検出手段により前記第１の合焦領域が
検出された後、第２の合焦判定条件に基づいて最終合焦
領域を検出する最終合焦領域検出手段と、を備えたことを特徴とする合焦位置検出装置。
【請求項２】前記第２の合焦判定条件は、前記測定対
象面からの反射光の光強度に基づいて第２判定条件設定
手段により設定されることを特徴とする請求項１記載の
合焦位置検出装置。
【請求項３】前記第２の合焦判定条件は、前記最終合
焦領域への絞り込み動作を繰り返すときの繰り返し経過
時間であることを特徴とする請求項１または２記載の合
焦位置検出装置。
【請求項４】前記第２の合焦判定条件は、前記最終合
焦領域への絞り込み動作を繰り返すときの繰り返し回数
であることを特徴とする請求項１または２記載の合焦位
置検出装置。
【請求項５】測定光を被測定表面に照射して該被測定
表面からの反射光を３分割して集光する光学系と、該光
学系により集光される前記反射光の集光位置の前側に配
置された第１の光検出手段と、前記反射光の集光位置の
後側に配置された第２の光検出手段と、前記反射光の集
光位置に配置された第３の光検出手段と、を備えて、前
記第１、第２及び第３の光検出手段から出力される各光
検出信号に基づいて前記測定対象面の合焦位置を検出す
る合焦位置検出装置であって、前記第１の光検出手段から出力される信号をＡとし、前
記第２の光検出手段から出力される信号をＢとし、前記
第３の光検出手段から出力される信号をＣとして、変位信号Ｄ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）を演算する第１の
演算手段と、合成信号Ｓ＝Ａ＋Ｂを演算する第２の演算手段と、領域信号Ｅ＝（Ａ＋Ｂ）／Ｃを演算する第３の演算手段
と、前記第３の演算手段により演算された領域信号Ｅに基づ
いて大枠の合焦範囲を検出した後、前記第１の演算手段
により演算された変位信号Ｄに基づいて前記大枠の合焦
範囲よりも狭い範囲の第１の合焦領域を検出し、前記第
２の演算手段により演算された合成信号Ｓに基づいて最
終合焦判定条件を設定した後、該最終合焦判定条件に基
づいて前記第１の合焦領域内にある最終合焦領域を検出
する制御装置と、を備えたことを特徴とする合焦位置検出装置。