JP2003315666A - 投影光学装置における合焦機能 - Google Patents

投影光学装置における合焦機能

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JP2003315666A
JP2003315666A JP2002124249A JP2002124249A JP2003315666A JP 2003315666 A JP2003315666 A JP 2003315666A JP 2002124249 A JP2002124249 A JP 2002124249A JP 2002124249 A JP2002124249 A JP 2002124249A JP 2003315666 A JP2003315666 A JP 2003315666A
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Masayuki Maruo
雅之 丸尾
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の課題は、光学顕微鏡を用いて焦点面
を求める際にわずかずつ試料若しくは光学部材の機械的
移動を行いながら画像を取得して最適な位置を探索する
ことなく、得られた1画像から即座に合焦位置を割り出
すことが出来る手法を提示することにある。 【解決手段】 本発明に係るオートフォーカスの手法
は、光学顕微鏡における試料面を照明する落射照明系に
試料面付近にて光学軸方向に分布して結像する模様のレ
チクルを配置することにより、この模様のどの部分が試
料面上に映し出されたかを瞬時の観察画面上の位置から
割り出し、即座に投影光学装置の合焦位置を判定するも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、観察光学系と照明
光学系とを備えた光学顕微鏡等の投影光学装置における
オートフォーカス方法及びそれを採用したシステムに関
する。
【0002】
【従来の技術】被検査体の像をスクリーン上に拡大投影
して観察する光学顕微鏡や試料面のパターン形状計測や
寸法測定に用いられる測定顕微鏡では、試料面高さに光
学系の焦点を合わせる所謂フォーカシングが重要であ
る。この種顕微鏡装置にはこのフォーカシングを自動的
に実行するオートフォーカス機能を備えたものが数多く
提供されている。一般的なものとしては結像面に撮像装
置を配置して投影された像の鮮明度を画像信号から比較
判断し、所謂山登り制御を実行させるものなどがある。
しかしこれは被検査体の面に何らかのパターンが存在し
たり、表面が凹凸形状であったりしないと像の鮮明度の
判別が困難である。そこで、被検査体の面が無地で滑ら
かな形状のものでもフォーカシング動作を行なえる手法
として、被検査体の面にマーク像を投影させ、その像の
状態を顕微鏡画像で判断しようというものも提示されて
いる。
【0003】特開昭63−91947号公報には光学顕
微鏡が内蔵されたX線マイクロアナライザーに関する発
明が開示されているが、その明細書には図5に示される
ように光学顕微鏡が撮像光学系と光照射系を有し、該光
照射系には光源を備えた光照射部8とクロスマーク9の
レチクルを配置し、光学反射対物レンズ12の前方焦点位
置に光源の像を結ばせ、クロスマーク9の像を試料5の
表面の近傍に結ばせる。クロスマーク9の像が試料5の
表面に正確に結像されるように試料5を光学軸方向に移
動させてフォーカシングを行なうことが示されている。
その際の像の観察は接眼レンズ13を介した肉眼または撮
像装置15で行なうとされている。この手法は凹凸の少な
い試料に対しても焦点合わせが確実に出来る効果を備え
ているが、試料を光学軸方向に移動させながら最適画像
の位置を探すものであるため、時間がかかってしまうと
いう問題があった。また、これを自動で行なうという点
についても記載がない。また、特開平11−20172
0号公報には形状測定器として用いる測定顕微鏡または
投影機のフォーカス検出方法及びその装置について開示
されている。図6に示されるように投影レンズ1の被測
定物側には上面に被測定物Wを固定できる測定ステージ
2が投影レンズ1の光学軸上に位置される。この測定ス
テージ2は、精密な測長スケール3により上下方向の移
動距離を検出でき、この測長スケール3の上下方向の移
動量は測長カウンタ4に入力され、この測長カウンタ4
の算出出力により表示器5に同移動量が表示される。ま
た、前記投影レンズ1の側方には光学軸を水平方向に向
けた照明光源9が配置され、この照明光源9の照明光を
集光するコンデンサレンズ10の出力側光学軸上には、
光透過部11aをもつレチクル11が配置され、同レチ
クル11の透過光が照明レンズ12及びハーフミラー1
3を介して投影レンズ1に入射される。前記照明レンズ
12の近傍には、光学軸から変位した光透過窓14aを
形成された光束マスク14が配置されるから、レチクル
11の光透過部11aの画像は図中に斜線で示した光路
を通って被測定物Wの表面に投影され、投影レンズ1の
働きによりハーフミラー13を介してスクリーン6上に
投影される。被測定物Wの拡大画像を投影される前記ス
クリーン6の中心には、光学軸に中心部を一致させたエ
ッジ検出素子7が位置され、このエッジ検出素子7によ
り被測定物Wの表面に投影されたレチクル11の光透過
部11aのフォーカス状態が監視される。この投影機の
フォーカス検出装置において、被測定物Wの表面の任意
位置がジャストフォーカス状態にあるときは、レチクル
11の光透過部11aのスクリーン6上での結像位置は
中央位置にあり、後ピン状態、前ピン状態では図6の右
下の添図に示すように、光学軸を示すクロス線に対して
左右に変位する。したがって、測長スケール3により移
動距離を測定しながら、測定ステージ2を上下方向に移
動させて光透過部11aのスクリーン6上での結像位置
が中央にきたことをエッジ検出素子7により検知し、そ
の際の測定ステージ2位置がジャストフォーカスとな
る。この手法も試料を光学軸方向に移動させながらジャ
ストフォーカス位置を探すものであるため、先の例と同
様に時間がかかってしまうという問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、光学
顕微鏡を用いて焦点面を求める際にわずかずつ試料若し
くは光学部材の機械的移動を行いながら画像を取得して
最適な位置を探索することなく、得られた1画像から即
座に合焦位置を割り出すことが出来る手法を提示するこ
とにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明に係るオートフォ
ーカスの手法は、光学顕微鏡における試料面を照明する
落射照明系に試料面付近にて光学軸方向に分布して結像
する模様のレチクルを配置することにより、この模様の
どの部分が試料面上に映し出されたかを瞬時の観察画面
上の位置から割り出し、即座に投影光学装置の合焦位置
を判定するものである。また、観察光学系と照明光学系
とを備えた投影光学装置において、試料面付近の光学軸
方向に分布して結像する模様のレチクルを、試料面を照
明する落射照明系に配置し、この模様が映し出された試
料観察画面上の位置を検出する手段と、該検出手段の位
置情報に基いて試料ステージを合焦位置に駆動する手段
とを備えるようにして具体的なオートフォーカスシステ
ムを構築した。更に変形形態として、試料面付近に結像
する模様のレチクルを、試料面を照明する落射照明系に
光学軸と直交する方向に配置すると共に、試料面を光学
軸に対して所定角で傾斜配置し、映し出された試料観察
画面上の模様の位置から合焦位置を判定する投影光学系
における合焦方法を提示した。
【0006】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を詳
細に説明する。本発明は被検査体の面にマーク像を投影
させ、その像の状態を顕微鏡画像で判断する方式の合焦
方式において、試料若しくは光学部材の機械的移動をわ
ずかずつ行いながら最適な焦点位置を探索する方法では
時間がかかってしまうことから、瞬時の画像から合焦位
置を検知出来るようにすることを考えた。そのためには
瞬時の画像において焦点位置の異なる情報が盛り込まれ
ている必要があるが、瞬時の画像であるから、試料もレ
ンズ等の光学部材も所定位置に停止している状態を想定
しなければならない。そのような条件の基での瞬時画像
において合焦位置の異なる情報を盛り込むために、マー
クを投影させる試料面を光学軸に対して傾斜させ、傾斜
方向のいずれの位置でマークの像が鮮明になっているか
を判定する方式と、落射照明系にマークを異なる位置に
複数配置し、いずれの位置のマークが鮮明であるかを判
定する方式とで実現できることに想到した。後者の方式
にはマークを異なる位置に複数配置する代わりにマーク
を光学軸に直交する面では無く傾斜させた面において軸
方向のマーク位置を分布させるようにしてもよい。この
ような構成を採用することで対物レンズに対する投影面
となる試料面の異なる位置、或いは対物レンズに対する
マークの異なる位置を一つの画像中に作ることができ
る。
【0007】本発明(後者方式)の動作原理は、図1に
おいて示すようにレンズ4と投影面(試料面5)が固定
された状態でマークの位置が異なればその結像位置は軸
方向で変ってくることに基いており、マーク位置が軸方
向に分布する状態をつくり、どの位置にあるマークが試
料面5上で鮮明に結像しているか判定する。図ではマー
ク位置を81、82、83と3個所に配置して示してあるが、
中間位置にあるマーク82が丁度試料面5に結像する合焦
状態で、マーク81は試料面の後方に結像する所謂後ピン
状態81’、マーク83は試料面の前方に結像する所謂前ピ
ン状態83’として例示してある。合焦位置を正確に検知
する為には多数のマークを軸方向に分布配置させなけれ
ばならないが、互いの干渉を避けるため、光学軸周りに
位置を変えて配置する必要があり、実際にこの構成を実
現することは厄介である。そこで、1枚のレチクル上で
一方向に延在するパターンのマークを書きこみ、該パタ
ーンの延在する方向が光学軸に対して傾斜した状態、す
なわち該レチクルを光学軸と非直交の関係で配置させる
ことに想到した。この構成を採ることで前記パターンの
一端側から他端側までの各部位は光学軸上の位置を連続
的に変えた状態を実現している。照明光学系におけるそ
のマークの像は試料面上に投影されるが、該パターンの
いずれかの部分が試料面上に結像し鮮明な像となり、そ
の前後部分は焦点が外れるに従って像がボケて行きその
先で消えてしまう投影像ができる。この投影像を顕微鏡
等の光学系で観察し、鮮明な像となっているパターン位
置を割り出せば、レンズの焦点距離、パターン位置とい
った既知の値から合焦位置、すなわち対物レンズに対す
る試料面の位置を検知することができる。これらの処理
は、1回の画像取得のみで行うことができるため、焦点
位置を素早く求めることができる。焦点位置を検出後
は、一度の試料または光学系の駆動制御で焦点の合った
画像を取得することができる。本発明はこのような手法
であるから、従来のように画像取得を繰返しながら合焦
位置を探索する手法に比べ、高速なオートフォーカス動
作を得ることができる。なお、本発明のフォーカス機能
はレチクル上のマークが位置する範囲内に合焦位置が無
ければ原理上動作しない。また、試料面が大きく合焦位
置から外れていては観察画像から結像位置の判断も出来
ない。このシステムは被検体が半導体ウエハであったと
きにはその反り等に基づく高さ変化はマップ情報として
既知であり、それに基く大まかな位置調整がとられてい
ることを前提としたオートフォーカス技術である。
【0008】
【実施例1】以下に、この発明の実施例を図面に基づい
て説明する。図2において、試料5の表面は対物レンズ
4と接眼レンズ2の光学系によりCCDカメラ1で観察
することができる。これが観察用光学系である。CCD
カメラ1で得られる画像のフォーカスは、試料5と対物
レンズ4間の距離を調整することで合わせることができ
る構造である。試料表面には、落射照明光源6の光を、
コンデンサレンズ7により平行な光束にし、ハーフミラ
ー3で方向を変えて対物レンズ4を通して試料5を照ら
すことで必要な明かりを与える。こちらが照明用光学系
である。このような構造の光学系をもった装置におい
て、照明用光学系のコンデンサレンズ7とハーフミラー
3の間に、試料5の表面に結像する模様を入れたフォー
カス用レチクル8を、光学軸に対し斜めに入れた構造と
する。このレチクル8にはマスクパターンとして図4の
Aに示すように一方向に延びる帯状の模様85をつけてお
き、該レチクル8が光学軸に直交しないようにOLE_LINK
1斜めに傾斜させてOLE_LINK1配置されている。したがっ
て、帯状の模様は一端から他端まで各部位が連続して光
学軸上の位置を変えている。すなわち図3に示すように
レチクル8の模様85は各部位毎に対物レンズ4までの距
離を異にしているので、この帯状の模様が対物レンズ4
を介して試料5の表面に投影されると、そのいずれかの
部位が試料5の表面上に結像され、その前後で前ピン後
ピン状態となって徐々に焦点がボケながら像が大きくな
って消える糸巻き状の像86が映る。その際の画像は図4
のBに示すようなものとなる。点線は本来の模様の形87
である。それをCCDカメラ1で撮像し焦点の合った中
心位置を画面情報から割り出すのであるが、帯状の模様
が光遮蔽によって黒く映るとすれば、画像情報において
最も輝度信号の低い所が合焦位置ということになる。こ
の実施例では撮像画面の垂直方向に模様が延在している
ので、その模様の内どの垂直部位で焦点が合っているか
を、最も輝度信号の低い部分の位置を垂直同期信号で読
取ることで検知することができる。このデータから試料
の高さを検出することができ、検出した試料高さを元
に、対物レンズと試料の距離を再調整すれば、観察系の
焦点合わせを実施することができる。なお、試料5に結
像する模様の焦点位置と観察用光学系の焦点位置の関係
はあらかじめ校正して記憶しておくものとする。
【0009】
【実施例2】先の実施例は試料面付近の光学軸方向に分
布して結像する模様のレチクルを、試料面を照明する落
射照明系に配置すると共に、映し出された試料観察画面
上の模様の位置から合焦位置を判定する方法に基くもの
であるが、この実施例は試料面付近に結像する模様のレ
チクルを、試料面を照明する落射照明系に光学軸と直交
する方向に配置すると共に、試料面を光学軸に対して所
定角で傾斜配置し、映し出された試料観察画面上の模様
の位置から合焦位置を判定する合焦方法に基く。先の実
施例と同様な構造の光学系をもった装置において、照明
用光学系のコンデンサレンズ7とハーフミラー3の間
に、試料5の表面に結像する模様を入れたフォーカス用
レチクル8を、先の例と異なり光学軸に直交する通常の
向きで入れた構造とする。このレチクル8にはマスクパ
ターンとして図4のAに示すように一方向に延びる帯状
の模様85をつけておく点は先の例と同様であるが、試料
5の表面は光学軸に直交しないように試料ステージのチ
ルト機構を用いて所定角に傾斜させておく。このような
状態とすると、帯状の模様85は一端から他端まで各部位
は同じ光学軸上に位置に結像することになるが、この際
の投影面となる試料5の表面は光学軸に対して傾斜面と
なっている為、連続して光学軸上の位置を変えている。
したがって、この帯状の模様が対物レンズ4を介して試
料5の表面に投影されると、試料5の面の内合焦位置に
ある部分でだけ結像され、その前後で前ピン後ピン状態
となって徐々に焦点がボケながら像が大きくなって消え
る糸巻き状の像86が映る。その際の画像も図4のBに示
すようなものとなる。それをCCDカメラ1で撮像し焦
点の合った中心位置を画面情報から割り出すのである
が、この点は先の実施例と同様の手法で検知することが
できる。この場合は該検知データが直接試料面の合焦位
置を示しているので、試料面の傾斜を戻し検出した試料
高さに、対物レンズと試料の距離を調整すれば、観察系
の焦点合わせを実施することができる。
【0010】
【発明の効果】本発明の合焦方法は、試料面付近の光学
軸方向に分布して結像する模様のレチクルを、試料面を
照明する落射照明系に配置すると共に、映し出された試
料観察画面上の模様の位置から合焦位置を判定するか、
試料面付近に結像する模様のレチクルを、試料面を照明
する落射照明系に光学軸と直交する方向に配置すると共
に、試料面を光学軸に対して所定角で傾斜配置し、映し
出された試料観察画面上の模様の位置から合焦位置を判
定する合焦方法を採用したので、瞬時の観察画像から即
座に合焦位置情報を得ることができ、応答性に優れたフ
ォーカシングを実現出来る。また、本発明は観察光学系
と照明光学系とを備えた投影光学装置において、試料面
付近の光学軸方向に分布して結像する模様のレチクル
を、試料面を照明する落射照明系に配置し、この模様が
映し出された試料観察画面上の位置を検出する手段と、
該検出手段の位置情報に基いて試料ステージを合焦位置
に駆動する手段とを備えたことにより、応答性に優れた
オートフォーカスシステムを提供できた。
【0011】本発明において試料面付近の光学軸方向に
分布して結像するレチクルの模様は、平面において一方
向に延在する帯状パターンであって、該平面レチクルは
光学軸方向とは非直交の位置関係に配置するだけの単純
な構造で、光学軸と直交する平面においてその位置を変
えると共に、該模様は光学軸方向にも位置を変えて分布
させる構成を実現でき、しかもその結像状態を割り出す
像が糸巻き形状となることにより、その位置検出を確実
かつ容易に行なうことができる。模様が映し出された試
料観察画面上の位置を検出する手段は、この種光学顕微
鏡などの投影光学装置画が、観察光学系に備えている撮
像装置において像輝度情報の極値を示す走査位置から割
り出すことによって容易に実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の作動原理を説明する図である。
【図2】本発明の1実施例の基本構成を示す図である。
【図3】本発明の1実施例における作動状態を説明する
図である。
【図4】Aは落射照明系に配置するレチクルのマスクパ
ターンを示す図であり、Bは試料面におけるそのパター
ンの投影状態の観察画像である。
【図5】検査体の面にマーク像を投影させ、その像の状
態によってフォーカシングを行なう従来技術の例を示す
図である。
【図6】検査体の面にマーク像を投影させ、その像の状
態によってフォーカシングを行なう他の従来技術例を示
す図である。
【符号の説明】
1 CCDカメラ 6 照明光源 2 接眼レンズ 7 コンデンサレンズ 3 ハーフミラー 8 レチクル 4 対物レンズ 81,82,83,85 マーク 5 試料 85 投影マーク像
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G02B 7/11 J

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料面付近の光学軸方向に分布して結像
    する模様のレチクルを、試料面を照明する落射照明系に
    配置すると共に、映し出された試料観察画面上の模様の
    位置から合焦位置を判定する投影光学装置における合焦
    方法。
  2. 【請求項2】 観察光学系と照明光学系とを備えた投影
    光学装置において、試料面付近の光学軸方向に分布して
    結像する模様のレチクルを、試料面を照明する落射照明
    系に配置し、この模様が映し出された試料観察画面上の
    位置を検出する手段と、該検出手段の位置情報に基いて
    試料ステージを合焦位置に駆動する手段とを備えたオー
    トフォーカスシステム。
  3. 【請求項3】 試料面付近の光学軸方向に分布して結像
    するレチクルの模様は、光学軸と直交する平面において
    その位置を変えると共に、該模様は光学軸方向にも位置
    を変えて分布させたものである請求項2に記載の投影光
    学系におけるオートフォーカスシステム。
  4. 【請求項4】 試料面付近の光学軸方向に分布して結像
    するレチクルの模様は、平面において一方向に延在する
    帯状パターンであって、該平面レチクルは光学軸方向と
    は非直交の位置関係に配置したものである請求項2に記
    載の投影光学系におけるオートフォーカスシステム。
  5. 【請求項5】 模様が映し出された試料観察画面上の位
    置を検出する手段は画像輝度情報の極値を示す走査位置
    から割り出すものである請求項2乃至4のいずれかに記
    載の投影光学系におけるオートフォーカスシステム。
  6. 【請求項6】 試料面付近に結像する模様のレチクル
    を、試料面を照明する落射照明系に光学軸と直交する方
    向に配置すると共に、試料面を光学軸に対して所定角で
    傾斜配置し、映し出された試料観察画面上の模様の位置
    から合焦位置を判定する投影光学系における合焦方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011203281A (ja) * 2004-06-21 2011-10-13 Olympus Corp 顕微鏡システム
CN114321840A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 广州市浩洋电子股份有限公司 一种舞台灯的光学对焦方法以及舞台灯光学系统

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