JP2003121727A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検体の形状に影響されることなく、高精度
且つ確実に合焦制御を行うことができる焦点検出装置を
提供する。 【解決手段】 被測定表面６に対し照明光学系を介して
集光スポットを照射するとともに、被測定表面６から反
射した反射光を２方向に振り分けて結像させ、このうち
一方の結像位置より前に配置された第１の絞り８を介し
て導光される反射光を第１の受光素子９で受光するとと
もに、他方の結像位置より後に配置された第２の絞り１
０を介して導光される反射光を第２の受光素子１１で受
光し、これらの出力により被測定表面６の合焦を検出す
る焦点検出装置であって、照明光学系の光路上に開口径
を変更可能にした可変絞り１４を配置し、この可変絞り
１４の絞り径に応じて被測定表面６上の集光スポットの
照射面積を変更可能にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料に対し光学的
に焦点合わせを行う焦点検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ＩＣ基板や材料の加工面などの
被測定表面を顕微鏡を使って観察するような場合、これ
らの被測定表面を精度よく観察するには、被測定表面に
正確に顕微鏡の焦点を合わせる必要があり、このため、
光学的に焦点を合わせる焦点検出装置が用いられてい
る。

【０００３】従来、この種の装置として、特開平４−２
５７１１号公報に開示される装置が知られている。図４
は、このような装置を示すもので、半導体レーザー１か
ら出射されたレーザビームは、偏光ビームスプリッタ２
に照射され、この偏光ビームスプリッタ２で反射された
光は、１／４波長板３を介して結像レンズ４に入射し平
行ビームに変換され、対物レンズ５を介して被測定表面
（ＩＣ基板や材料の加工面）６に集光される。

【０００４】この被測定表面６を反射した光は、再び、
対物レンズ５、結像レンズ４、１／４波長板３を介して
偏光ビームスプリッタ２に照射される。この場合、反射
光は、１／４波長板３を透過する際、その偏光方向が９
０°ずれるので、反射光は、偏光ビームスプリッタ２を
透過してビームスプリッタ７に入射され、ここで２方向
に振り分けられる。

【０００５】このうち一方の反射光は、合焦点より前に
置かれた第１の絞り８を介して第１の受光素子９により
受光され、他方の反射光は、合焦点より後に置かれた第
２の絞り１０を介して第２の受光素子１１により受光さ
れる。これら第１および第２の受光素子９、１１は、そ
れぞれ受光した反射光の光量に応じた電気信号を出力す
るもので、これら電気信号を信号処理系１２に出力し、
信号処理系１２は、入力された各信号に対して所定の演
算を実行し、被測定表面６の変位に対応した変位信号を
出力する。

【０００６】この場合、第１および第２の受光素子９、
１１より、図５に示すような特性を有する電気信号ａ、
ｂが出力されたとすると、信号処理系１２により図６に
示すような特性を有する変位信号ｃが出力され、この変
位信号ｃに基づいて被測定表面６に対する変位測定が行
われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
装置では、被測定表面６に集光させる際の集光スポット
の径は、論理上回折限界まで絞られ、極めて微小（照射
面積が微小）となる。このため、例えば図７(ａ)に示す
ように加工表面の粗さによる凹凸やＩＣ基板面のような
微細構造の凹凸を有する被測定表面６にレーザービーム
を集光させた場合、これら表面の凹凸により乱反射や回
折した反射光の大部分(図中の斜線Ａで示す部分)が対物
レンズ５の開口から外れて散逸してしまうことがある。
このような場合、第１および第２の受光素子９、１１に
より受光される光量は著しく低下し、焦点合わせ、つま
り合焦制御にＳ／Ｎの低下を原因とする誤差が生じるお
それがある。また、被測定表面６のΔＺ方向の変位に伴
い、集光スポット内での乱反射率も大きく変化するた
め、第１および第２の受光素子９、１１の受光量も大き
く変動する。

【０００８】この様子を図８（ａ）に示している。つま
り、図中符号Ｂ、Ｃは、被測定表面６がミラー面の場合
の第１および第２の受光素子９、１１から出力される信
号の電圧変化、符号Ｄ、Ｅは、粗さを持つ加工面の場合
の第１および第２の受光素子９、１１から出力される信
号の電圧変化で、これら電圧変化を比較すると、粗さを
持つ加工面の焦点位置を検出するための信号レベルが大
幅に低下していることが分かる。また、図８（ｂ）は、
粗さを持つ加工面の電圧変化に対応した電気信号を信号
処理系１２で演算して得られた変位信号特性で、具体的
には、図示点線Ｆは、（Ｄ−Ｅ）／（Ｄ＋Ｅ）の演算結
果から得られた変位信号特性、図示実線Ｆ’は、Ｄ−Ｅ
の演算結果から得られた変位信号特性を示している。さ
らに、図８（ｃ）は、ミラー面の電圧変化に対応した電
気信号を信号処理系１２で演算して得られた変位信号特
性で、具体的には、図示点線Ｇは、（Ｂ−Ｃ）／（Ｂ＋
Ｃ）の演算結果から得られた変位信号特性、図示実線
Ｇ’は、Ｂ−Ｃの演算結果から得られた変位信号特性を
示している。

【０００９】この結果、これら図８（ｂ）（ｃ）から明
らかなように、粗さを持つ加工面の変位信号特性は、ミ
ラー面の場合の変位信号特性と比べて、零レベル付近の
信号に乱れが生じ、信号のＳ／Ｎ比が低下してしまう。
このことから、従来の装置では、被測定表面の形状によ
っては、高精度な合焦制御ができないという問題があっ
た。

【００１０】また、被測定表面６での乱反射および回折
により反射光の強度分布は、照射領域内の形状に応じて
差を生じる。つまり図７（ｄ）は、被測定表面６をＺ方
向の基準位置Ｚ＝０に位置させた場合、同図（ｂ）は、
被測定表面６を基準位置Ｚ＝０からΔＺだけ変位させた
場合、同図（ｃ）は、これらの中間に被測定表面６を位
置させた場合のそれぞれの被測定表面６からの反射光の
強度分布を示すもので、被測定表面６のＺ方向の変位に
伴い著しい差を生じる。このことから、第１および第２
の絞り８、１０の位置のわずかなズレによっても第１お
よび第２の受光素子９、１１で受光される光量に差が生
じ、合焦制御に誤差が生じるおそれがあった。

【００１１】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、被検体の形状に影響されることなく、高精度且つ確
実に合焦制御を行うことができる焦点検出装置を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
被検体に対し照明光学系を介して集光スポットを照射す
るとともに、前記被検体から反射した反射光を２方向に
振り分けて結像させ、このうち一方の結像位置より前に
配置された絞り手段を介して導光される反射光を第１の
受光手段で受光するとともに、他方の結像位置より後に
配置された絞り手段を介して導光される反射光を第２の
受光手段で受光し、これら第１および第２の受光手段の
出力により前記被検体面の合焦を検出する焦点検出装置
において、前記照明光学系の光路上に配置され、且つ開
口径を変更可能にした絞り手段を有し、前記絞り手段の
開口径に応じて前記被検体上の集光スポットの照射面積
を変更可能にしたことを特徴としている。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記照明光学系は、光源からの光を平行光
に変換するコリメータレンズと、該コリメータレンズか
らの平行光を集光する集光レンズを有し、前記絞り手段
は、前記コリメータレンズと前記集光レンズの間の平行
光の光路上で、且つ前記集光レンズの瞳位置に配置され
ることを特徴としている。

【００１４】請求項３記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記照明光学系は、光源からの光を平行光
に変換する結像レンズと、該結像レンズからの平行光を
前記被検体上に集光する対物レンズを有し、前記絞り手
段は、前記結像レンズと前記対物レンズの間の平行光の
光路上で、且つ前記対物レンズの瞳位置に配置されるこ
とを特徴としている。

【００１５】この結果、本発明によれば、被検体上に集
光される集光スポットの照射面積を被検体表面の凹凸の
粗さや対物レンズに合わせて設定できるので、かかる被
検体表面の粗さまたは微細構造による乱反射や反射光分
布を平均化させることができ、この結果として、合焦時
の焦点検出系で受光される光量の変化を小さくすること
ができるとともに、被検体の移動に伴う光量変動も小さ
く抑えることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従い説明する。

【００１７】(第１の実施の形態)図１は、本発明が適用
される焦点検出装置の概略構成を示すもので、図４と同
一部分には、同符号を付している。

【００１８】この場合、半導体レーザー１と偏光ビーム
スプリッタ２の間の光路上に半導体レーザー１からのレ
ーザビームを平行光に変換するコリメータレンズ１３、
このコリメータレンズ１３からの平行光を集光する集光
レンズ１５を有する照明光学系が配置され、また、コリ
メータレンズ１３と集光レンズ１５の間の平行光の光路
で、且つ集光レンズ１５の瞳位置には、絞り径を可変可
能にした絞り手段としての可変絞り１４が配置されてい
る。

【００１９】可変絞り１４は、合焦状態において、被検
体である被測定表面６に集光したときのレーザービーム
の集光スポットの照射面積を任意の大きさに変更するた
めのものである。

【００２０】このような構成において、半導体レーザー
１から出射されたレーザビームは、コリメータレンズ１
３で平行光となり、可変絞り１４を通って集光レンズ１
５で集光され偏光ビームスプリッタ２に照射される。

【００２１】偏光ビームスプリッタ２で反射された光
は、１／４波長板３を介して結像レンズ４に入射し平行
光に変換され、対物レンズ５を介して被測定表面６に集
光される。また、この被測定表面６を反射した光は、再
び、対物レンズ５、結像レンズ４、１／４波長板３を介
して偏光ビームスプリッタ２に照射される。この場合、
反射光は、１／４波長板３を透過する際、その偏光方向
が９０°ずれるので、反射光は、偏光ビームスプリッタ
２を透過してビームスプリッタ７に入射され、ここで２
方向に振り分けられる。

【００２２】このうち一方の反射光は、結像レンズ４お
よびビームスプリッタ７を介して結像される反射光の結
像位置よりも前に置かれた第１の絞り８を介して第１の
受光素子９により受光され、他方の反射光は、結像レン
ズ４およびビームスプリッタ７を介して結像される反射
光の結像位置よりも後に置かれた第２の絞り１０を介し
て第２の受光素子１１により受光される。

【００２３】これら第１および第２の受光素子９、１１
は、それぞれ受光した反射光の光量に応じた電気信号を
出力するもので、これら電気信号を信号処理系１２に出
力する。信号処理系１２では、入力されたそれぞれの信
号に対して上述した演算を実行し、被測定表面６の表面
形状に対応した変位信号を出力し、このとき出力された
変位信号に基づいて被測定表面６に対する合焦制御が行
われる。

【００２４】この場合、可変絞り１４は、コリメータレ
ンズ１３からの平行光の光路上の集光レンズ１５の瞳位
置に配置され、半導体レーザー１から出射されてコリメ
ータレンズ１３で平行光となったビーム径を絞るように
なっている。これにより、可変絞り１４によりビーム径
が調整されたレーザービームが集光レンズ１５で集光さ
れ、偏光ビームスプリッタ２に照射されるようになる。
つまり、可変絞り１４により、焦点検出光学系へ投光さ
れるレーザービームのビーム径、つまり光束径が調整で
きるようになる。

【００２５】この場合、集光スポット径は、下記の式よ
り算出できる。

【００２６】１．２２×λ／ＮＡ ここで、λ：レーザービームの波長、ＮＡ：開口角 これにより、例えば、２０×の対物レンズの開口角は一
般的に０．４程度であるので、この開口角で、波長０．
７８のレーザービームを照射すると、 １．２２×（０．７８／０．４）＝２．３８μｍ となり、また、可変絞り１４により、開口角を０．１ま
で絞るには、 １．２２×（０．７８／０．１）＝９．５１６μｍ となる。

【００２７】従って、このようにすれば、従来では、図
２に示すように表面に凹凸を有する被測定表面６に対し
て合焦状態にある場合、被測定表面６の凹凸によって乱
反射１６が生じ、対物レンズ５の開口角内に戻る反射光
量が低下しまうという恐れがあったが、可変絞り１４に
より、レーザービームのビーム径を調整することで、同
図に示すように被測定表面６上に集光される集光スポッ
ト１７の照射面積を表面の凹凸の粗さに合わせて設定す
ることができるので、かかる被測定表面６上での粗さま
たは微細構造による乱反射や反射光分布を平均化させる
ことができる。この結果、合焦時の焦点検出系で受光さ
れる光量の変化を小さくすることができるとともに、被
測定表面６のΔＺ方向の変位に伴う光量変動も小さく抑
えることができるので、Ｓ／Ｎ比の高い変位信号を検出
でき、高精度で確実な合焦制御を行うことができる。

【００２８】この場合、可変絞り１４により光量を絞っ
ているため、反射光量が少なくなる場合があるが、この
ような場合は、可変絞り１４と連動して半導体レーザー
１の光量を上げるようにすれば良い。こうすれば、第１
および第２の受光素子９、１１で受光される光量の変化
を小さくすることができるとともに、被測定表面６の△
Ｚ方向の移動に伴なう光量変動も小さく抑えることがで
きる。

【００２９】(第２の実施の形態)次に、第２の実施の形
態を説明する。

【００３０】図３は、本発明の第２の実施の形態の概略
構成を示すもので、図４と同一部分には、同符号を付し
ている。

【００３１】この場合、照明光学系の一部を構成する結
像レンズ４と対物レンズ５の平行光の光路上で、対物レ
ンズ５の瞳位置に可変絞り２１が配置されている。

【００３２】このような構成において、半導体レーザー
１から出射されたレーザビームは、コリメータレンズ１
３で平行光となり偏光ビームスプリッタ２に照射され
る。また、偏光ビームスプリッタ２で反射された光は、
１／４波長板３を介して結像レンズ４に入射し平行光に
変換され、可変絞り２１を通り対物レンズ５を介して被
測定表面６に集光される。

【００３３】この場合も、可変絞り２１により結像レン
ズ４で平行光となったビーム径を絞るようにできるの
で、可変絞り２１によりビーム径が調整されたレーザー
ビームが対物レンズ５を介して被測定表面６に照射され
るようになる。つまり、可変絞り２１により、焦点検出
光学系へ投光されるレーザービームのビーム径、つまり
光束径が調整できるようになる。

【００３４】従って、このようにしても、対物レンズ５
の瞳位置に配置された可変絞り１４によりレーザービー
ムのビーム径を調整できるので、被測定表面６に対して
最適な照射面積を有する集光スポットを照射するように
でき、これによりＳ／Ｎ比の高い変位信号を検出でき、
高精度な合焦制御を行うことができる。

【００３５】なお、上述した実施の形態では、開口手段
として一貫して可変絞り１４について述べたが、例え
ば、ターレットに径の異なる複数のピンホールを設け、
ターレットを回転(自動でも良い)させることで、所望す
る径のピンホールを光路上に切換えるようにしてもよ
く、同様にして、スライダー上に径の異なる複数のピン
ホールを設け、スライダーを移動させることで、所望す
る径のピンホールを光路上に切換えるようにしてもよ
い。また、これらの場合、光路上に切換えたピンホール
の径を外部から確認できるような手段を設ければ、さら
に精度の高い合焦制御が可能になる。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、被検
体の形状に影響されることなく、高精度且つ確実に合焦
制御を行うことができる焦点検出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す
図。

【図２】第１の実施の形態を説明するための図。

【図３】本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す
図。

【図４】従来の焦点検出装置の一例の概略構成を示す
図。

【図５】従来の焦点検出装置を説明するための図。

【図６】従来の焦点検出装置を説明するための図。

【図７】従来の焦点検出装置を説明するための図。

【図８】従来の焦点検出装置を説明するための図。

【符号の説明】

１…半導体レーザー ２…偏光ビームスプリッタ ３…１／４波長板 ４…結像レンズ ５…対物レンズ ６…被測定表面 ７…ビームスプリッタ ８…第１の絞り ９…第１の受光素子 １０…第２の絞り １１…第２の受光素子 １２…信号処理系 １３…コリメータレンズ １４…可変絞り １５…集光レンズ １６…乱反射 １７…集光スポット ２１…可変絞り

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体に対し照明光学系を介して集光ス
   ポットを照射するとともに、前記被検体から反射した反
   射光を２方向に振り分けて結像させ、このうち一方の結
   像位置より前に配置された絞り手段を介して導光される
   反射光を第１の受光手段で受光するとともに、他方の結
   像位置より後に配置された絞り手段を介して導光される
   反射光を第２の受光手段で受光し、これら第１および第
   ２の受光手段の出力により前記被検体面の合焦を検出す
   る焦点検出装置において、 前記照明光学系の光路上に配置され、且つ開口径を変更
   可能にした絞り手段を有し、 前記絞り手段の開口径に応じて前記被検体上の集光スポ
   ットの照射面積を変更可能にしたことを特徴とする焦点
   検出装置。
2. 【請求項２】 前記照明光学系は、光源からの光を平行
   光に変換するコリメータレンズと、該コリメータレンズ
   からの平行光を集光する集光レンズを有し、 前記絞り手段は、前記コリメータレンズと前記集光レン
   ズの間の平行光の光路上で、且つ前記集光レンズの瞳位
   置に配置されることを特徴とする請求項１記載の焦点検
   出装置。
3. 【請求項３】 前記照明光学系は、光源からの光を平行
   光に変換する結像レンズと、該結像レンズからの平行光
   を前記被検体上に集光する対物レンズを有し、 前記絞り手段は、前記結像レンズと前記対物レンズの間
   の平行光の光路上で、且つ前記対物レンズの瞳位置に配
   置されることを特徴とする請求項１記載の焦点検出装
   置。