JP2006343595A - 共焦点型検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 検査対象の検査を効率よく行うことのできる共焦点型検査装置を提供する。
【解決手段】 検査対象２に対向して配置された対物光学系５と；対物光学系５を介して検査対象２に輝点光１０ａを投光する投光部１０と；輝点光１０ａで検査対象２を二次元に走査する二次元走査系２０と；対物光学系５を介して検査対象２から戻ってくる投光された輝点光１０ａを結像する結像光学系６と；結像光学系６を介した光を受光する第１の受光部４０と；第１の受光部４０への光を絞る絞り部４１と；検査対象２から第１の受光部４０までの光路中に配置された光分岐手段３２と；光分岐手段３２で分離された光路中に配置され、検査対象２の対物光学系５の焦点からの光軸方向の位置ズレを対物光学系５の焦点の前後に渡って検出するフォーカス検出光学系１１０とを備えるように構成される共焦点型検査装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、共焦点型検査装置に関し、特に検査対象の検査を効率よく行うことのできる共焦点型検査装置に関するものである。

従来から、検査対象の三次元形状を検査する装置として、共焦点型検査装置があった。このような共焦点型検査装置としては、例えば、検査対象に微小な輝点光を結像し、さらにその輝点光を合焦面で平面的に、言い換えれば合焦面をｘｙ平面とすると、そのｘとｙそれぞれの方向に走査し、そして、検査対象から（反射して）戻ってくる輝点光を受光素子で受光するものがあった。さらに、このような共焦点型検査装置は、焦点深度が浅く設定されているので、合焦面と検査対象の表面の部位が一致したことを検知することで、検査対象の凹凸を検査できるものであった。なお、検査対象上の部位で合焦したこと（合焦面と一致したこと）は、受光素子で受光する輝点光の強度が上がることを利用して検出していた。さらに、検査対象に対する光軸方向（ｚ軸方向）に所定のピッチで焦点を移動させて、検査対象の凹凸の情報を積層していくことで、検査対象の凹凸を正確に検査できる、言い換えれば三次元形状を検査できるものがあった（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−１０７０９７号公報 （第４−７頁、第１−４図）

しかしながら以上のような従来の装置によれば、例えば、検査対象に対する光軸方向（ｚ軸方向）に所定のピッチで焦点を移動させて、検査対象の凹凸の情報を積層していく際に、効率的に検査を行うための焦点の移動の範囲が、検査対象に応じて異なることにもかかわらず、当該範囲に応じた検査ができないことや時間がかかり過ぎることがあり、検査対象の検査を効率的に行うことができないことがあった。

そこで本発明は、検査対象の検査を効率よく行うことのできる共焦点型検査装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による共焦点型検査装置は、例えば図１に示すように、検査対象２に対向して配置された対物光学系５と；対物光学系５を介して検査対象２に輝点光１０ａを投光する投光部１０と；輝点光１０ａで検査対象２を二次元に走査する二次元走査系２０と；対物光学系５を介して検査対象２から戻ってくる投光された輝点光１０ａを結像する結像光学系６と；結像光学系６を介した光を受光する第１の受光部４０と；第１の受光部４０への光を絞る絞り部４１と；検査対象２から第１の受光部４０までの光路中に配置された光分岐手段３２と；光分岐手段３２で分離された光路中に配置され、検査対象２の対物光学系５の焦点からの光軸方向の位置ズレを対物光学系５の焦点の前後に渡って検出するフォーカス検出光学系１１０とを備えるように構成される。

このように構成すると、投光部は、検査対象に対向して配置された対物光学系を介して検査対象に輝点光を投光し、二次元走査系は、輝点光で検査対象を二次元に走査する。結像光学系は、対物光学系を介して検査対象から戻ってくる投光された輝点光を結像し、第１の受光部は、結像光学系を介し、絞り部によって絞りのかけられた光を受光する。フォーカス検出光学系は、光分岐手段で分離された光に応じて、検査対象の対物光学系の焦点からの光軸方向の位置ズレを対物光学系の焦点の前後に渡って検出するので、例えば、フォーカス検出光学系によって検出された検査対象の対物光学系の焦点からの光軸方向の位置ズレに応じて検査対象を検査することができる。したがって、検査対象の検査を効率よく行うことのできる共焦点型検査装置を提供することができる。

また請求項２に記載のように、請求項１に記載の共焦点型検査装置では、例えば図１に示すように、フォーカス検出光学系１１０は、分離された光路の光を集光する第１の集光光学系１１１と；第１の集光光学系１１１を介した光を受光する複数の受光素子１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄを含んで構成される第２の受光部１１４とを有し；フォーカス検出光学系１１０は、複数の受光素子１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄが受光する各光量に基づいて、光軸方向の位置ズレを検出するように構成してもよい。

このように構成すると、第１の集光光学系は、分離された光路の光を集光し、第２の受光部は、第１の集光光学系を介した光を受光する。さらに、第２の受光部は、第１の集光光学系を介した光を受光する複数の受光素子を含んで構成されるので、フォーカス検出光学系は、複数の受光素子が受光する各光量に基づいて光軸方向の位置ズレを検出することができる。

また請求項３に記載のように、請求項２に記載の共焦点型検査装置では、例えば図１に示すように、第１の集光光学系１１１は、分離された光路の光軸に交差する平面内の２方向に対して屈折力の異なる円柱レンズ１１３を含んで構成され；第２の受光部１１４は、第１の集光光学系１１１を介した光の２方向への変形を検出するように構成してもよい。

このように構成すると、第１の集光光学系は、円柱レンズを含んで構成されるので、例えば、検査対象の対物光学系の焦点からの光軸方向の位置ズレに対して、光分岐手段により分離された光に非点収差を発生させ、光の形状を光軸に交差する平面内の２方向に対して変形させることができる。第２の受光部は当該変形を検出することで、検査対象の対物光学系の焦点からの光軸方向の位置ズレを正確に検出することができる。さらに、第１の集光光学系は、円柱レンズを含んで構成されることで、単純な構成とすることができ、また、光分岐手段によって分離された光路の光の一部を遮断する等により光量ロスを生じることもない。

また請求項４に記載のように、請求項２に記載の共焦点型検査装置では、例えば図７に示すように、第１の集光光学系１２１は、分離された光路中に、エッジがほぼ光軸に一致するように配置されたナイフエッジ１２３とを有し；第２の受光部１２４は、エッジに直交する方向に配置された少なくとも２つの受光素子１２４ａ、１２４ｂを含んで構成してもよい。

このように構成すると、ナイフエッジは、光分岐手段によって分離された光束の一部を遮断する。第２の受光部は、エッジに直交する方向に配置された少なくとも２つの受光素子を含むので、各受光素子が受光する各光量に基づいて、光軸方向の位置ズレを検出することができる。さらに、第１の集光光学系は、ナイフエッジ１２３を含んで構成されるので、比較的簡易な構成で、安価なフォーカス検出光学系１２０とすることができる。

また請求項５に記載のように、請求項２に記載の共焦点型検査装置では、例えば図９に示すように、第１の集光光学系１３１は、分離された光路中に配置された臨界角プリズム１３２とを有し；第２の受光部１３４は、分離された光が臨界角プリズム１３２へ発散方向に入射したか収束方向に入射したかを検出するように構成してもよい。

このように構成すると、臨界角プリズムは、入射した光の全部又は一部を第２の受光部に向けて出射する。第２の受光部は、複数の受光素子が受光する各光量に基づいて、光分岐手段によって分離された光が臨界角プリズムへ発散方向に入射したか収束方向に入射したかを検出する。従って、当該検出結果に応じて光軸方向の位置ズレを検出することができる。さらに、第１の集光光学系は、臨界角プリズムを含んで構成することで、共焦点型検査装置の内部構成に応じて光分岐手段により分離された光の光路方向を適宜変更することができるので、よりコンパクトな共焦点型検査装置とすることができる。

また請求項６に記載のように、請求項１に記載の共焦点型検査装置では、例えば図１１（ａ）に示すように、フォーカス検出光学系２１０は、分離された光路の光を集光する第２の集光光学系２１１と；第２の集光光学系２１１を介した光を受光するラインセンサ２１４ａ、２１４ｂを含んで構成される第３の受光部２１４とを有し；フォーカス検出光学系２１０は、ラインセンサ２１４ａ、２１４ｂが検出する光の偏りに基づいて、光軸方向の位置ズレを検出する構成してもよい。

このように構成すると、第２の集光光学系は、分離された光路の光を集光し、第３の受光部は、第２の集光光学系を介した光を受光する。さらに、第３の受光部は、第２の集光光学系を介した光を受光するラインセンサを含んで構成されるので、フォーカス検出光学系は、ラインセンサが検出する光の偏りに基づいて、光軸方向の位置ズレを検出することができる。また、ラインセンサを含んで構成される第３の受光部を用いることで、焦点型検査装置の構成をより簡単な構成とすることができる。

以上のように本発明によれば、検査対象に対向して配置された対物光学系と、対物光学系を介して検査対象に輝点光を投光する投光部と、輝点光で検査対象を二次元に走査する二次元走査系と、対物光学系を介して検査対象から戻ってくる投光された輝点光を結像する結像光学系と、結像光学系を介した光を受光する第１の受光部と、第１の受光部への光を絞る絞り部と、検査対象から第１の受光部までの光路中に配置された光分岐手段と、光分岐手段で分離された光路中に配置され、検査対象の対物光学系の焦点からの光軸方向の位置ズレを対物光学系の焦点の前後に渡って検出するフォーカス検出光学系とを備えるように構成されるので、検査対象の検査を効率よく行うことのできる共焦点型検査装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る共焦点型検査装置としての共焦点走査顕微鏡１の光学系概要例を示す図である。本図では、検査対象２の表面の一部のみを示している。共焦点走査顕微鏡１は、検査対象２に対向して配置された対物光学系としての対物レンズ５と、対物レンズ５を介して検査対象２に輝点光１０ａを投光する投光部１０と、輝点光１０ａで検査対象２を二次元に走査する二次元走査系として二次元走査ミラー２０と、対物レンズ５を介して検査対象２から戻ってくる前記投光された輝点光１０ａを結像する結像光学系としての結像レンズ６と、結像レンズ６を介した光を受光する第１の受光部４０と、第１の受光部４０への光を絞る絞り部としてのピンホール４１とを備える。典型的には、二次元走査ミラー２０は、投光部１０より投光される光を反射して、二次元に走査するように構成され、第１の受光部４０は、結像レンズ６により結像され、第１の受光部４０への光を絞るピンホール４１で絞られた光を受光するように構成される。

さらに、共焦点走査顕微鏡１は、投光部１０と二次元走査ミラー２０との間に配置された第１のビームスプリッタ３１と、検査対象２から第１の受光部４０までの光路中、本実施の形態では、第１のビームスプリッタ３１と結像レンズ６との間の光路中に配置された光分岐手段としての第２のビームスプリッタ３２と、第２のビームスプリッタ３２で分離された光路中に配置され、検査対象２の対物レンズ５の焦点からの光軸方向の位置ズレを対物レンズ５の焦点の前後に渡って検出するフォーカス検出光学系１１０とを備える。

また、共焦点走査顕微鏡１は、対物レンズ５と結像レンズ６の共焦点を調節する共焦点調節機構３を備えている。さらに共焦点調節機構３は、可変焦点レンズである。以下共焦点調節機構３は可変焦点レンズで説明する。可変焦点レンズ３を用いることで、光学系を単純化することができる。また共焦点の調節を高精度で行なえる。なお、可変焦点レンズ３については、図３で後述する。以下、上記構成について詳述する。

なおここでは、ｘｙ軸を、検査対象２上に置くように、直交座標系ｘｙｚがとられている。またここでは、ｚ軸は対物レンズ５の光軸と平行である。すなわち、光軸方向をｚ軸方向とし、ｘ軸−ｙ軸平面は、ｚ軸に直交する平面とする。

投光部１０は、対物レンズ５を介して検査対象２に輝点光１０ａを投光するものである。投光部１０は、典型的にはＬＤ（半導体レーザーダイオード）であるが、ＬＥＤ（発光ダイオード）であってもよい。以下ＬＤの場合で説明する。なお輝点光１０ａの形状は楕円形を含む略円形である（図示では円形）。また、投光部１０により投光される光は、典型的にはコヒーレント光である

投光部１０により光が投光される方向には、投光部１０からの光を平行光線にする光源光学系としてのコリメータレンズ（凸レンズ）３４、第１のビームスプリッタ３１、可変焦点レンズ３、二次元走査ミラー２０がこの順で配置されている。

二次元走査ミラー２０は、投光部１０より投光される光を反射して、輝点光１０ａで検査対象２を二次元に走査するものである。二次元に走査するとは、例えば２方向に走査することであり、ここでは、ｘ軸方向、ｙ軸方向にそれぞれ走査する。二次元走査ミラー２０で反射された光は、対物レンズ５を介して検査対象２に輝点光１０ａとして投光される。

対物レンズ５は、その光軸をｚ軸と平行方向に向けて、検査対象２に対向して配置されている。対物レンズ５は、図示では説明のために単レンズとして示してあるが、典型的には、複数枚多群で構成される組み合わせレンズである。本実施の形態では固定的に取り付けられている。対物レンズ５と二次元走査ミラー２０との間には、対物レンズ５側からレンズ３５、レンズ３６が配置されている。

ここで、上述した二次元走査ミラー２０は、対物レンズ５と第１のビームスプリッタ３１との間に配置されている。また二次元走査ミラー２０は、ＬＤ１０より投光される光を反射するミラー部２１を有している。二次元走査ミラー２０は、ミラー部２１を、第１の回動軸２２ａと、第１の回動軸２２ａと垂直な第２の回動軸２２ｂとの２軸で回動することで、輝点光１０ａを二次元に走査できるように構成されている。ここでは二次元走査ミラー２０は、ミラー部２１を、第１の回動軸２２ａ回りに回動させることで輝点光１０ａで検査対象２上をｘ軸方向に走査でき、第２の回動軸２２ｂ回りに回動させることで輝点光１０ａで検査対象２上をｙ軸方向に走査できる。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１の二次元走査ミラーについて説明する模式的平面図である。二次元走査ミラー２０は、例えば本図に示すような半導体共振ミラーを用いるとよい。半導体共振ミラーとは、例えば、シリコン基板上貼り合せたミラー部２１と、ミラー部２１の周囲あるいは裏面にコイルパターンが形成されたベース部２４とを含んで構成されている。ミラー部２１は、トーションバー（ねじれ軸）２３により支持され、トーションバー２３ａ、２３ｂをそれぞれ回転軸２２ａ、２２ｂとして所定の角度範囲内で振動できるように構成されている。半導体共振ミラーは、特定方向に磁界をかけながらコイルパターンに電流を流すことで、ローレンツ力により回転トルクが生じ、トーションバー２３ａ、２３ｂの復元力に釣り合う位置まで振動させることがでる。これにより、入射光の反射方向を平面内で自在にコントロールすることができる。半導体共振ミラーは、ポリゴンミラーやガルバノミラーに比べて、二次元方向の走査が可能なだけでなく、小型で軽量であり、さらに高速走査が可能である。また消費電力も少なく長寿命である。なお、二次元走査系は、以上で説明した二次元走査ミラー２０に代えて、複数の一次元走査ミラー（ガルバノミラーやレゾナントミラー）をリレーレンズで結合させた従来方式のものを用いてもよい。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１の可変焦点レンズ３について説明する模式的断面図である。本図を参照して、可変焦点レンズ３について説明する。可変焦点レンズ３は、例えば人間の眼球で水晶体の厚さを変化させて焦点調節を行っているのと同じ原理に基づいたものである。このような可変焦点レンズ３の構成の概略は、例えば次の通りである。可変焦点レンズ３は、可撓性に富む一対の透明板状体３ａと、透明板状体３ａの間に充填された変形可能な透明体３ｂと、透明板状体３ａの両端に取り付けられ、透明板状体３ａと透明体３ｂの形状を変化させるアクチュエータ３ｃを含んで構成される。

可変焦点レンズ３は、アクチュエータ３ｃにより、透明板状体３ａと透明体３ｂの形状を変化させることで、一対の透明板状体３ａを通過する光の屈折率を変化させることができる。即ち焦点を変化させることができる。なおこの透明体３ｂは、外部環境媒体（例えば空気）と異なる屈折率を持っている。透明体３ｂは、水などの液体やゼリー状の物質の流動体で、透明板状体３ａが変形するとその変形に伴い形状が変化することができる。可変焦点レンズ３は、駆動信号を入力することによりその焦点を変化するものである。可変焦点レンズ３は、例えば、駆動信号の電圧により、その焦点距離を変化させるものである。このような可変焦点レンズ３は、小型軽量であり、さらに高速動作で焦点調節が可能である。

図１に戻って説明する。可変焦点レンズ３は、典型的には、二次元走査ミラー２０と第１のビームスプリッタ３１との間に配置される。なお、可変焦点レンズ３は、比較的焦点距離の短いレンズを配置する必要がある箇所に配置することが好ましい。このようにすると、可変焦点レンズ３による共焦点の調整幅を大きく取りやすい。また、可変焦点レンズ３は、例えばレンズ３５とレンズ３６と対物レンズ５のうち、少なくともいずれか１つと置換えてもよい。なおこの場合には、二次元走査ミラー２０と第１のビームスプリッタ３１との間に配置された可変焦点レンズ３を固定のレンズと置換えてもよいし、二次元走査ミラー２０と第１のビームスプリッタ３１との間に配置された可変焦点レンズ３をそのまま配置した状態でもよい。後者の場合、共焦点走査顕微鏡１は、可変焦点レンズ３を少なくとも２つ備えることになる。このように、可変焦点レンズ３を複数配置することで、より高精度に共焦点を調節できる。即ち検査対象２を詳細に検査できる。また上記では、可変焦点レンズ３は、レンズ３５とレンズ３６と対物レンズ５のうち、少なくともいずれか１つと置換える場合で説明したが、例えば上記各レンズと組み合わせてもよい。

なおここでは、可変焦点レンズ３を用いる場合で説明するが、これに限られず、可変焦点レンズ３の代わりとして、例えば可変焦点レンズ３と同様な位置に配置された結像レンズと、前記結像レンズをその光軸方向に移動させる共焦点調節機構としてのレンズ移動手段とを有するものであってもよい。または、共焦点調節機構は、前記結像レンズ又は対物レンズ５を光軸方向に移動させる機構であってもよい。さらにこのような共焦点調節機構と、可変焦点レンズ３とを組み合わせて用いてもよい。この場合には、前記共焦点調節機構により大まかに共焦点を調節し、さらに可変焦点レンズ３で高精度で共焦点を調節するとよい。このようにすることで、高速で高精度な共焦点走査顕微鏡１とすることができる。なお、前記共焦点調節機構は、対物レンズ５を光軸方向に移動させる機構とすると効果的に共焦点の調節を行なえる。この場合には前記共焦点調節機構は粗動のみに用い、詳細な焦点調節は可変焦点レンズ３で行なうので、このため、対物レンズ５を移動させる機構であっても、前記共焦点調節機構を比較的単純な構成とすることができる。なお、この共焦点調整機構は、従来と同様に、対物レンズ５を光軸方向に移動させるステッピングモータのみによる駆動でも良いし、ピエゾ素子を用いたものであっても良い。また、検査対象２を乗せたステージ（ここでは、図示しない）を光軸方向に移動させても良い。

第１のビームスプリッタ３１は、可変焦点レンズ３とコリメータレンズ３４との間に配設されている。第１のビームスプリッタ３１は、検査対象２に投光され、検査対象２から二次元走査ミラー２０等を介して戻ってくる輝点光１０ａが、ほぼ直角に反射されるように挿入配置してある。検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａが、第１のビームスプリッタ３１で反射される方向には、第２のビームスプリッタ３２、結像レンズ６、ピンホール４１、第１の受光部４０がこの順で配設されている。

第２のビームスプリッタ３２は、第１のビームスプリッタ３１と結像レンズ６の間に配設されている。第２のビームスプリッタ３２は、検査対象２に投光され、検査対象２から二次元走査ミラー２０、第１のビームスプリッタ３１等を介して戻ってくる輝点光１０ａが、ほぼ直角に反射されるように挿入配置してある。検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａが、第２のビームスプリッタ３２で反射される方向には、第２のビームスプリッタ３２で分離された光路中に配置され、検査対象２の対物レンズ５の焦点からの光軸方向の位置ズレを対物レンズ５の焦点の前後に渡って検出するフォーカス検出光学系１１０が配設されている。

ここで、第１のビームスプリッタ３１は、検査対象２から戻る光を投光部１０方向と第１の受光部４０方向とに分離するハーフミラー、第２のビームスプリッタ３２は、検査対象２から戻る光を結像レンズ６方向とフォーカス検出光学系１１０とに分離するハーフミラーを用いることができる。なお、第１のビームスプリッタ３１、第２のビームスプリッタ３２は、ハーフミラーに限られず検査対象２から戻る光を投光部１０方向と第１の受光部４０方向とに分離するもの、あるいは、検査対象２から戻る光を結像レンズ６方向とフォーカス検出光学系１１０とに分離するものであれば何でもよい。例えば、第１のビームスプリッタ３１は、投光部１０と検査対象２との間に配置された四分の一波長板（不図示）と、四分の一波長板と投光部１０との間に配置され、検査対象２から戻る光のうち所定の偏光方向の光を透過させ前記所定の偏光方向と交差する偏光方向の光を第１の受光部４０方向に偏向する、偏光ビームスプリッタ（不図示）によって構成してもよい。ここでは、第１のビームスプリッタ３１、第２のビームスプリッタ３２は、ハーフミラーである場合で説明する。

フォーカス検出光学系１１０は、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光路の光を集光する第１の集光光学系１１１と、第１の集光光学系１１１を介した光を受光する複数の受光素子を含んで構成される第２の受光部１１４とを有するように構成される。フォーカス検出光学系１１０は、前記複数の受光素子が受光する各光量に基づいて、検査対象２の対物レンズ５の焦点からの光軸方向の位置ズレを検出するように構成される。

第１の実施の形態では、第１の集光光学系１１１は、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光路の光軸に交差する平面内の２方向に対して屈折力の異なる円柱レンズ１１３を含んで構成され、ここでは、さらに、第２のビームスプリッタ３２と円柱レンズ１１３との間に配設される集光レンズ（凸レンズ）１１２を含んで構成される。言い換えれば、検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａが、第２のビームスプリッタ３２によって分離される方向には、集光レンズ１１２、円柱レンズ１１３、第２の受光部１１４がこの順で配設されている。

第１の実施の形態では、第２の受光部１１４は、４つの受光素子１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄを備えており、第１の集光光学系１１１を介した光の前記２方向への変形を検出するように構成される。ここで、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光路の光軸に交差する平面内の２方向は、当該分離された光の光軸方向（ｚ軸方向）に直交するｘ軸−ｙ軸平面内の２方向、すなわち、ｘ軸方向（ここでは、円柱の高さ方向）、ｙ軸方向（ここでは、円柱の幅方向）である。円柱レンズ１１３は、ｘ軸方向の屈折率はゼロであり、ｘに直角なｙ軸方向に正の屈折率を有する。すなわち、円柱レンズ１１３は、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光路の光軸に交差する平面内の２方向、ここでは、ｘ軸方向とｙ軸方向に対して屈折力が異なる。なお、ｘ軸方向の屈折率はゼロに限らず、ｙ軸方向の屈折率より小さければよい。
フォーカス検出光学系１１０の詳細については、図５で説明する。

結像レンズ６は、ピンホール４１と第２のビームスプリッタ３２との間に配置され、ピンホール４１に検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａを結像するものである。第１の受光部４０は、典型的にはフォトディテクタといった受光素子である。第１の受光部４０は、可変焦点レンズ３により結像される光の強度を計測するものである。ピンホール４１は、第１の受光部４０への光を絞るものであり、可変焦点レンズ３と第１の受光部４０との間、ここでは結像レンズ６と第１の受光部４０との間に配置されている。第１の受光部４０の前にこのようなピンホール４１を設置することで、迷光等が入らない、言い換えれば焦点光以外の光を除去できるので、検査対象２からの余分な散乱光やボケを排除し、三次元空間内の１点を正確に検査できる。また、高い分解能を実現できる。

なお第１の受光部４０は、別の例として、点状の光の結像に比べて画素の大きさが小さいものを用いてもよい。この場合には、受光素子の広がりそのものが絞りとなる。即ちこの場合には第１の受光部４０が絞り部でもある。

共焦点走査顕微鏡１は、可変焦点レンズ３に出力する駆動信号に対応する共焦点の移動距離を予め測定し、前記測定の結果に基づいて共焦点の調節を行なうように構成するとよい。具体的には、例えば駆動信号の電圧と、共焦点の移動距離を対応させてテーブルを生成しておくとよい。なお、テーブルは、電圧又は共焦点の移動距離が一定間隔になるように生成する。ここでは、共焦点の移動距離が一定間隔になるように生成した。可変焦点レンズ３は、電圧と焦点距離の変化（言い換えれば共焦点の移動距離）が線形でなく、一定間隔で共焦点の移動距離が一定間隔になるように制御することが難しい。このように、予め駆動信号の電圧に対応する共焦点の移動距離を予め測定して、テーブルを生成しておくことで、共焦点の調節が容易に行なえる。このため、検査の高速化が可能なだけでなく、検査の自動化が可能になる。テーブルは、後述する記憶部９０に記憶しておくとよい。また、共焦点の移動距離を共焦点の位置（例えば対物レンズ５からの距離）としてもよい。即ち、駆動信号の電圧と、共焦点の位置を対応させてテーブルを生成してもよい。
図４に生成したテーブルの例を示す。

図５は、本発明の第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１のフォーカス検出光学系１１０について説明する模式図である。本図を参照してフォーカス検出光学系１１０を詳細に説明する。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１に示したｘ軸方向矢視図である。すなわち、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、紙面に対して垂直方向がｘ軸方向となる。図５（ａ’）、（ｂ’）、（ｃ’）は、第２の受光部１１４のｚ軸方向（光軸方向）に垂直な面の正面図であり、受光面を図示している。また、（ａ’）は（ａ）に、（ｂ’）は（ｂ）に、（ｃ’）は（ｃ）に対応した図である。

第２の受光部１１４の４つの受光素子１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、上述した第１の受光部４０と同様に、フォトディテクタといった受光素子である。言い換えれば、第２の受光部１１４は、４分割フォトディテクタである。第２の受光部１１４は、全体として略矩形状に形成され、第２の受光部１１４の受光面の中心に対して、受光素子１１４ａと受光素子１１４ｃとが、受光素子１１４ｂと受光素子１１４ｄとが各々点対称となるように等分割されている。各受光素子１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、略矩形状、ここでは正方形状をしている。

第２の受光部１１４は、受光面の中心が第２のビームスプリッタ３２によって分離された光の光軸上に位置するように配設される。さらに、第２の受光部１１４は、上述した円柱レンズ１１３の第２のビームスプリッタ３２によって分離された光路の光軸に交差する平面内の２方向、すなわち、ｘ軸方向又はｙ軸方向に対して、第２の受光部１１４を４等分する分割線が４５°程度傾きを有するように配設される。すなわち、第２の受光部１１４は、受光素子１１４ａと受光素子１１４ｃとがｙ軸方向に、受光素子１１４ｂと受光素子１１４ｄとがｘ軸方向に沿って並ぶように配設される。また、第２の受光部１１４は、第２の受光部１１４を４等分する分割線の交点が光軸と略一致するように配設される。これにより、第２の受光部１１４は、後述するように、受光する光が扁平していた際に、受光素子１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄが受光する各光量に基づいて、検査対象２の対物レンズ５の焦点からの光軸方向（ｚ軸方向）の位置ズレによって生じる、フォーカス検出光学系１１０を介した光の形状のｘ軸方向又はｙ軸方向への変形量を検出することができる。

図５（ａ）、（ａ’）は、集光レンズ１１２に平行光が入射した際の図である。投光部１０（図１参照）から発せられた光が、およそ検査対象２（図１参照）の表面と一致する位置に焦点を結んでいる状態、さらに言えば、検査対象２（図１参照）の表面が焦点の合った面（合焦面２ａ）となっている状態である際に、集光レンズ１１２に平行光が入射する。投光部１０から発せられた光は、対物レンズ５に入射し、合焦面２ａで収束している。即ち結像している。合焦面２ａで収束した光は、合焦面２ａに輝点光１０ａとして結象される。

集光レンズ１１２は、焦点距離が円柱レンズ１１３の焦点距離よりも十分長いものを用いる。平行光が集光レンズ１１２に入射すると焦点Ｆ２に収束するものとする。本図に示すように、集光レンズ１１２と焦点Ｆ２との間に、円柱レンズ１１３を光軸に対して垂直にして配置すると、円柱レンズ１１３から出てきた光線が、焦点Ｆ２に収束する前に、当該円柱レンズ１１３により、屈折率が大きいｙ軸方向に収束される。したがって、焦点Ｆ２よりも円柱レンズ１１３側の位置に、円柱レンズ１１３の縁に平行な方向、ここではｘ軸方向に１つの焦線Ｆ１を形成する。

集光レンズ１１２の焦点Ｆ２の位置には、円柱レンズ１１３の作用を受けなければ一点に収束すべき光線が、ここでは、円柱レンズ１１３の作用を受けて、ｙ軸方向に広げられるため、焦点の代わりにここにも焦線Ｆ２が形成される。焦線Ｆ２は、焦線Ｆ１に対して直角となるように形成される。

ここで、焦線Ｆ１と焦線Ｆ２との間に紙を挿入して、光線の集まり方が変わっていく有り様を見てみる。焦線Ｆ１のすぐ背後（円柱レンズ１１３とは反対側）ではｘ軸方向に長い楕円形の像が形成され、ここから挿入された紙を徐々に焦線Ｆ２側に移動させていくと、ほぼ正円の像となる位置が１箇所存在する。さらに、焦線Ｆ２側に移動させていくと、ｙ軸方向に長い楕円形の像が形成され、最終的には焦線Ｆ２となることが分かる。

第２の受光部１１４は、集光レンズ１１２に平行光が入射した際に、焦線Ｆ１と焦線Ｆ２との間であって、像がほぼ正円となる位置に設置される。図５（ａ’）は、このときの第２の受光部１１４の受光面を示した図である。ここで、受光素子１１４ａが受光する光の光量をＡ、受光素子１１４ｂが受光する光の光量をＢ、受光素子１１４ｃが受光する光の光量をＣ、受光素子１１４ｄが受光する光の光量をＤとすると、第１の集光光学系１１１を介した光のｘ軸方向、ｙ軸方向への変形度として焦点ズレ信号Ｈを、次式（１）で示す数式で求めることができる。

Ｈ＝（（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ））／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ） ・・・（１）

図５（ａ’）で示す場合、第２の受光部１１４の受光面の像はほぼ正円となるため、光量Ａ、光量Ｂ、光量Ｃ、光量Ｄはほぼ等しくなり、焦点ズレ信号Ｈ＝０となる。言い換えれば、焦点ズレ信号Ｈ＝０の場合、集光レンズ１１２に平行光が入射し、第１の集光光学系１１１を介した光は、変形しない（ほぼ正円の像を結ぶ）。

図５（ｂ）、（ｂ’）は、集光レンズ１１２に収束光が入射した際の図である。例えば、検査対象２（図１参照）の表面に凸部が存在し、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図１参照）側に当該凸部が位置する場合に、投光部１０（図１参照）から発せられた光が、当該凸部に拡散した輝点光１０ａとして投射される状態、すなわち、凸部の対物レンズ５とは反対側に焦点を結んでいる状態である際に、集光レンズ１１２に収束光が入射する。

集光レンズ１１２に収束光が入射すると、図５（ａ）の集光レンズ１１２に平行光が入射した際に比較して、焦線Ｆ１、焦線Ｆ２ともに、円柱レンズ１１３側に近づく。したがって、第２の受光部１１４の受光面に形成される像は、ｙ軸方向に長い楕円形に形成される。図５（ｂ’）は、このときの第２の受光部１１４の受光面を示した図である。

図５（ｂ’）に示すように、第２の受光部１１４の受光面の像は、ｙ軸方向に長い楕円形となるため、光量Ａ、光量Ｃが、光量Ｂ、光量Ｄよりも多くなる。したがって、上述した（１）より、焦点ズレ信号Ｈ＞０となる。言い換えれば、焦点ズレ信号Ｈ＞０となった場合は、集光レンズ１１２に収束光が入射し、第２の受光部１１４の受光面の像は、ｙ軸方向に長い楕円形に変形している。すなわち、焦点ズレ信号Ｈ＞０の場合、検査対象２（図１参照）の表面が、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図１参照）側に位置しているということができる。

図５（ｃ）、（ｃ’）は、集光レンズ１１２に拡散光が入射した際の図である。例えば、検査対象２（図１参照）の表面に凹部が存在し、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図１参照）とは反対側に当該凹部が位置する場合に、投光部１０（図１参照）から発せられた光が、当該凹部に拡散した輝点光１０ａとして投射される状態、すなわち、凹部の対物レンズ５側に焦点を結んでいる状態である際に、集光レンズ１１２に拡散光が入射する。

集光レンズ１１２に拡散光が入射すると、図５（ａ）の集光レンズ１１２に平行光が入射した際に比較して、焦線Ｆ１、焦線Ｆ２ともに、円柱レンズ１１３から遠ざかる。したがって、第２の受光部１１４の受光面に形成される像は、ｘ軸方向に長い楕円形に形成される。図５（ｃ’）は、このときの第２の受光部１１４の受光面を示した図である。

図５（ｃ’）に示すように、第２の受光部１１４の受光面の像は、ｘ軸方向に長い楕円形となるため、光量Ｂ、光量Ｄが、光量Ａ、光量Ｃよりも多くなる。したがって、上述した（１）より、焦点ズレ信号Ｈ＜０となる。言い換えれば、焦点ズレ信号Ｈ＜０となった場合は、集光レンズ１１２に拡散光が入射し、第２の受光部１１４の受光面の像は、ｘ軸方向に長い楕円形に変形している。すなわち、焦点ズレ信号Ｈ＜０の場合、検査対象２（図１参照）の表面が、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図１参照）とは反対側に位置しているということができる。

上記で説明した検査対象２（図１参照）の表面の凸部、凹部は、検査対象２（図１参照）の表面の対物レンズ５（図１参照）の焦点、すなわち、合焦面２ａからのｚ軸方向（光軸方向）の位置ズレΔｚと言い換えることができる。位置ズレΔｚは、予め決まっている共焦点走査顕微鏡１の光学系の配置等と、上述した焦点ズレ信号Ｈの値に基づいて一義的に取得することができる。なお、ここで、位置ズレΔｚが、投光部１０の出力、検査対象２の反射率等に依存しないのは、上述した式（１）により、光量規格を行っているためである。
図６に本発明の第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１での焦点ズレ信号Ｈとｚ軸方向（光軸方向）の位置ズレΔｚとの関係の一例を示した線図を示す。

再び図１に戻って説明を続ける。共焦点走査顕微鏡１は、演算装置７０を備えている。演算装置７０は、共焦点走査顕微鏡１全体を制御するものである。また演算装置７０は、典型的にはパソコン等のコンピュータである。

演算装置７０は、制御プログラムを実行することによって共焦点走査顕微鏡１を制御する制御部８０（例えば、ＣＰＵ）を有している。さらに制御部８０には、記憶部９０が接続されている。記憶部９０は、必要に応じてワークメモリとして使用する第１の記憶部（不図示）と、各種のプログラムや制御データなどを記憶して保存しておく第２の記憶部（不図示）とを含んで構成される。

上述した第１の受光部４０及び第２の受光部１１４は、Ａ／Ｄ変換器７１を介して制御部８０に接続されている。さらに、可変焦点レンズ３、二次元走査ミラー２０も制御部８０に接続されている。制御部８０には、各種の画像や情報を表示する表示部７２が接続されている。また、制御部８０には、使用者が共焦点走査顕微鏡１を操作するための入力装置７３が接続されている。入力装置７３はマウスやキーボードを備えている。

制御部８０は、共焦点調節機構としての可変焦点レンズ３を駆動して、共焦点の調節を行う共焦点調節部８１と、二次元走査ミラー２０を駆動して、輝点光１０ａによるｘ軸方向及びｙ軸方向の走査を制御する二次元走査制御部８２と、第２の受光部１１４の出力に基づいて、検査対象２の表面の凹凸に関する情報を生成する凹凸情報生成部８３と、第１の受光部４０の出力に基づいて、画像データを生成する画像生成部８４と、表示部７２による各種の画像や情報の表示を制御する表示制御部８５とを含んで構成される。

共焦点調節部８１は、可変焦点レンズ３に駆動信号を送信してアクチュエータ３ｃ（図３参照）を駆動して、対物レンズ５と結像レンズ６の共焦点を調節するように可変焦点レンズ３を制御する。すなわち、共焦点調節部８１は、例えば図４で上述したテーブルに基づいて、合焦面２ａをｚ軸方向に移動させる（例えば図示の合焦面２ａ’の位置）ように構成される。二次元走査制御部８２は、二次元走査ミラー２０に駆動信号を送信してトーションバー２３ａ、２３ｂを駆動して、輝点光１０ａで検査対象２をｘ軸方向、ｙ軸方向に走査するように二次元走査ミラー２０を制御する。

凹凸情報生成部８３は、第２の受光部の４つの受光素子１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄの出力を取得し、上述した（１）式を用いて、焦点ズレ信号Ｈを算出するように構成される。さらに、凹凸情報生成部８３は、焦点ズレ信号Ｈに応じて一義的に得られる、検査対象２の表面の合焦面２ａからのｚ軸方向（光軸方向）の位置ズレΔｚを取得する。具体的には、検査対象２の検査の初期段階で、検査対象２の表面のｘ軸−ｙ軸平面上の任意の位置における任意のある合焦面位置を基準として、ｚ軸方向に一定間隔で合焦面を移動させながら、Δｚに対応する焦点ズレ信号Ｈの値を測定して、図６に示したような線図（いわゆるフォーカスエラーカーブ）を生成し、記憶部９０に記憶しておく。なお、上述したように、焦点ズレ信号Ｈは、式（１）により光量規格を行っているため、位置ズレΔｚは、投光部１０の出力、検査対象２の反射率等に依存しない。したがって、位置ズレΔｚと焦点ズレ信号Ｈとの関係は、予め決まっている共焦点走査顕微鏡１の光学系の配置等によって一義的に定まるので、図６に示したような線図（いわゆるフォーカスエラーカーブ）は、設計段階で前もって決定して、記憶部９０に記憶しておいてもよい。

さらに、任意のある合焦面位置で、二次元走査制御部８２による二次元走査ミラー２０（図１参照）の制御によって、輝点光１０ａでｘ軸方向及びｙ軸方向に、検査対象２を走査する。凹凸情報生成部８３は、当該合焦面２ａにおける第２の受光部１１４が受光する各光量に基づいて、焦点ズレ信号Ｈを算出する。さらに、焦点ズレ信号Ｈと記憶部９０に記憶しておいたフォーカスエラーカーブ（図６参照）に基づいて、位置ズレΔｚを算出して、検査対象２の表面の、任意のある合焦面２ａからのｚ軸方向（光軸方向）の位置ズレΔｚを示す凹凸情報としてのフォーカスエラーカーブを生成する。凹凸情報生成部８３は、生成した凹凸情報としてのフォーカスエラーカーブに基づいて、検査対象２の凹凸に関するプロファイルデータ、例えば、任意のある合焦面２ａからの相対的な位置ズレΔｚをマッピングした画像を生成して、記憶部９０に記憶する。

ここで、フォーカス検出光学系１１０から取得されるデータ、すなわち、第２の受光部１１４の出力に基づいて生成される検査対象２の凹凸に関するプロファイルデータは、輝点光１０ａが任意のある合焦面２ではない位置、すなわち、凸部又は凹部に投影される際には、輝点光１０ａは拡散するので、分解能は高くはないが、おおよその検査対象２の表面の状態を把握するには十分である。また、次に説明する画像生成部８４によって生成される共焦点系から取得されるデータ、すなわち、第１の受光部４０の出力に基づいて生成する画像データは、ｚ軸方向に一定間隔で合焦面を移動させながら、ｘ軸方向及びｙ軸方向の検査対象２の走査を繰り返し行い、検査対象２の表面の凹凸の情報を積層させて生成することから、例えば、画像合成に数分の時間が必要である。これに対して、第２の受光部１１４の出力に基づいて生成される検査対象２の凹凸に関するプロファイルデータは、例えば数秒程度の極めて短い時間で取得することができる。

本実施の形態では、表示制御部８５は、次に説明する画像生成部８４が第１の受光部４０の出力に基づいて画像データを生成する前に、記憶部９０に記憶された検査対象２の凹凸に関するプロファイルデータ、例えば、任意のある合焦面２ａからの相対的な位置ズレΔｚをマッピングした画像をプレビュー画像として読み出し、表示部７２に画像表示するように構成される。これにより、使用者は、おおよその検査対象２の表面の状態を把握することができる。したがって、使用者は、精査すべきｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の任意の範囲を知ることができる。よって検査の効率が向上する。

さらに、本実施の形態では、使用者の操作に応じて入力装置７３から二次元走査制御部８２に制御信号を送信するように構成されている。使用者は、例えば、表示部７２に表示されるプレビュー画像を確認することにより、使用者がより精査したいと考える検査対象２のｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の任意の範囲を、入力装置７３により選択することができる。二次元走査制御部８２は、使用者の操作に応じた検査対象２のｘ軸方向、ｙ軸方向の任意の範囲内で輝点光１０ａでの走査を行うように二次元走査ミラー２０を制御する。これにより、輝点光１０ａによる検査対象２の二次元走査の範囲を必要最小限にすることができ、画像生成部８４による第１の受光部４０の出力に基づいた画像データの生成に要する時間を短くすることができる。

凹凸情報生成部８３は、生成した凹凸情報としてのフォーカスエラーカーブに基づいて、検査対象２の表面のｘ軸−ｙ軸平面上の任意の位置での合焦点位置、すなわち、焦点ズレ信号Ｈ＝０となるｚ軸方向の位置を検出するように構成される。凹凸情報生成部８３は、ｘ軸−ｙ軸平面上の任意の位置での合焦点位置を共焦点調節部８１に送信するように構成される。共焦点調節部８１は、送信されるｘ軸−ｙ軸平面上の任意の位置での合焦点位置に、対物レンズ５の焦点が一致するように、可変焦点レンズ３を制御する。これにより、共焦点走査顕微鏡１による検査対象２の検査の初期設定の段階における、使用者が対物レンズ５の焦点をおよそ検査対象２の表面と一致する位置に調節する作業を省略することができる。すなわち、自動的に、対物レンズ５の焦点、言い換えれば、合焦面２ａを、ｘ軸−ｙ軸平面上の任意の位置で、およそ検査対象２の表面と一致するｚ軸方向位置に調節することができる。

凹凸情報生成部８３は、さらに、生成した検査対象２の凹凸情報としてのフォーカスエラーカーブ（図６参照）と焦点ズレ信号の最大値Ｈ_ｍａｘ、最小値Ｈ_ｍｉｎに基づいて、合焦面２ａからのｚ軸方向（光軸方向）の位置ズレの最大値Δｚ_ｍａｘ、最小値Δｚ_ｍｉｎを算出するように構成される（図６参照）。また、凹凸情報生成部８３は、合焦面２ａからのｚ軸方向（光軸方向）の位置ズレの最大値Δｚ_ｍａｘ、最小値Δｚ_ｍｉｎを共焦点調節部８１に送信するように構成される。共焦点調節部８１は、使用者がより精査したいと考える検査対象２のｚ軸方向の範囲の入力がない場合には、任意のある合焦面２ａに対して位置ズレの最大値Δｚ_ｍａｘと最小値Δｚ_ｍｉｎの間の範囲で、合焦面の位置を一定間隔で移動させるように、可変焦点レンズ３を制御する。これにより、ｚ軸方向にやみくもに走査することなく、検査対象２の表面の凹凸に応じて、共焦点の調節を行うことができる。なお、このとき、一定間隔で合焦面の位置を移動させる範囲は、最大値Δｚ_ｍａｘ、最小値Δｚ_ｍｉｎに対してある程度のマージンを持たせておいてもよい。

画像生成部８４は、上述したように、第１の受光部４０の出力に基づいて、画像データを生成するように構成される。ここで、この共焦点走査顕微鏡１では、対物レンズ５の輝点光１０ａをｙ軸方向、ｘ軸方向に移動させて検査対象２の表面を走査して、第１の受光部４０による光量検出値を制御部８０を介して記憶部９０に記憶させる。さらに、合焦面をｚ軸方向に所定移動させた後、ｙ軸方向、ｘ軸方向に検査対象２の表面を走査して、第１の受光部４０による光量検出値を制御部８０を介して記憶部９０に記憶させる。これを上述した使用者がより精査したいと考えるｚ軸方向の範囲、又は、任意のある合焦面２ａに対する位置ズレの最大値Δｚ_ｍａｘと最小値Δｚ_ｍｉｎの間の範囲で実行する。

記憶部９０では、第１の受光部４０による光量検出値を各ｚ軸方向位置に対して全て記憶し、後でそれぞれを比較し、最大光量を与えるｚ軸方向位置を、その最大光量の値と共にｘ軸方向、ｙ軸方向に対応させて記憶してもよいし、ｚ軸方向に移動させつつ各ｚ軸方向位置における光量を、ｚ軸方向に移動させる前後で比較し、大きい方の光量を与えるｚ軸方向位置を次々に記憶することにより、最終的に最大光量を与えるｚ軸方向位置を記憶するようにしてもよい。

本発明の実施の形態による共焦点走査顕微鏡１では、検査対象２の表面が合焦点位置にある際に、第１の受光部４０が受光する光量が一番大きくなる。画像生成部８４は、記憶部９０に記憶させた最大光量の位置情報を検出し、対応した検査対象２のプロファイルデータ、例えば、共焦点画像の画像データや、検査対象２の三次元の立体像を表現している画像データを生成する。画像生成部８４は、生成した画像データを記憶部９０に送信して記憶させる。表示制御部８５は、画像データを読み出し、表示部７２に画像表示する。

続けて図１を参照して、共焦点走査顕微鏡１の動作について説明する。具体的には、まず、投光部１０を発光させて、フォーカス検出光学系１１０によって、任意のある合焦面に対する検査対象２の表面のｚ軸方向の位置ズレを検出する。次に、上述したようにフォーカスエラーカーブを生成し、検査対象２のｘ軸−ｙ軸平面上の任意の位置での表面に、対物レンズ５の焦点が一致するように、可変焦点レンズ３を自動調節する。言い換えれば、焦点の合った面、すなわち合焦面２ａを調節する。

このとき、本実施の形態では、表示制御部８５は、凹凸情報生成部８３によって生成され、記憶部９０に記憶された検査対象２の凹凸に関するプロファイルデータ、例えば、任意のある合焦面２ａからの相対的な位置ズレΔｚをマッピングした画像をプレビュー画像として読み出し、表示部７２に画像表示する。さらに、使用者の操作に応じて入力装置７３から二次元走査制御部８２に制御信号を送信し、例えば、使用者がより精査したと考える検査対象２のｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の任意の範囲を選択する。

図示されるように、投光部１０により発せられた直線偏光の光は、第１のビームスプリッタ３１を透過し、可変焦点レンズ３へ入射する。そして、二次元走査ミラー２０で反射され（偏向され）、対物レンズ５に入射し、合焦面２ａで収束する。即ち結像する。合焦面２ａで収束した光は、合焦面２ａに輝点光１０ａとして結象される。

そして、検査対象２で反射した光は、対物レンズ５から戻り、可変焦点レンズ３に入射したのち、第１のビームスプリッタ３１で第１の受光部４０方向に偏向される（図示では９０度偏向）。そして偏向された光はピンホール４１に結像され、このピンホール４１を透過した光は第１の受光部４０で受光される。第１の受光部４０は、受光した光の強度を検出する。

ここで、共焦点走査顕微鏡１は、共焦点光学系であるため、検査対象２に凹凸が存在すると、この凹凸のうち、ｚ軸方向で合焦面２ａと一致した部分に投影された輝点光１０ａはピンホール４１上で結像し、ピンホール４１を透過する。一致しない部分に投影された輝点光１０ａはピンホール４１面上でボケるため、ピンホール４１を透過する光量は大きく減少する。これを利用して、検査対象２のｚ軸方向のうねり等の凹凸が検査できる。

さらにこの状態で、二次元走査ミラー２０により、輝点光１０ａでｘ軸方向及びｙ軸方向に、使用者が選択した任意の範囲で検査対象２を走査することで、検査対象２のｚ軸方向の凹凸が二次元的（平面的）に検査できる。

さらに共焦点走査顕微鏡１は、上述のような検査対象２の凹凸の二次元的な検査が完了すると、可変焦点レンズ３により、合焦面２ａをｚ軸方向へ移動させて（例えば図示の合焦面２ａ’の位置に移動させて）、同様な検査を行なう。このような検査をｚ軸の座標を変えて、上述した使用者がより精査したいと考えるｚ軸方向の範囲、又は、任意のある合焦面２ａに対する位置ズレの最大値Δｚ_ｍａｘと最小値Δｚ_ｍｉｎの間の範囲で繰り返し行なう。これにより、ｚ軸の各座標で検査した、各合焦面２ａでの検査対象２の凹凸の二次元的な検査結果を積層していくことで、詳細な検査対象２のｚ軸方向の凹凸の検査、例えば凹凸の深浅とその値まで検査できる。言い換えれば検査対象２の三次元形状を検査できる。

以上で説明した本発明の第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１によれば、フォーカス検出光学系１１０は、第２のビームスプリッタ３２で分離された光路中に配置され、検査対象２の対物レンズ５の焦点、すなわち、合焦面からの光軸方向（ｚ軸方向）の位置ズレΔｚを対物レンズ５の焦点の前後に渡って検出するので、検査対象２の検査を効率よく行うことができる。

さらに、フォーカス検出光学系１１０は、集光レンズ１１２と円柱レンズ１１３とを含んで構成され、第２のビームスプリッタ３２により分離された光路の光を集光する第１の集光光学系１１１と、第１の集光光学系１１１を介した光を受光する複数の受光素子１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄを含んで構成される第２の受光部１１４とを備えるので、各受光素子が受光する光量に応じて、第２の受光部１１４が受光する光の焦点ズレ信号Ｈを算出し、該焦点ズレ信号Ｈに基づいて前記光軸方向（ｚ軸方向）の位置ズレΔｚを検出することができる。すなわち、第１の集光光学系１１１は、検査対象２の対物レンズ５の焦点からの光軸方向の位置ズレΔｚに対して、非点収差を発生させ、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光路の光の形状を、光軸に交差する平面内の２方向に対して変形させ、第２の受光部は当該変形を検出することで、検査対象の対物光学系の焦点からの光軸方向の位置ズレを正確に検出することができる。さらに、フォーカス検出光学系１１０により検査対象２の光軸方向のおおまかな位置ズレΔｚ（凹凸）を把握できるので、例えば、最大値Δｚ_ｍａｘと最小値Δｚ_ｍｉｎとの間で精査すべき範囲を絞り込むことができ、測定効率が向上する。また、第１の集光光学系は、集光レンズ１１２と円柱レンズ１１３の簡単なレンズ群で構成されることで、単純な構成とすることができ、また、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光路の光の一部を遮断する等により光量ロスを生じることもない。したがって、検査対象２の合焦面からの光軸方向（ｚ軸方向）の位置ズレΔｚをより正確に検出することができる。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る共焦点型検査装置としての共焦点走査顕微鏡１’の光学系概要例を示す図である。本図を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’について説明する。共焦点走査顕微鏡１’は、基本的に第１の実施の形態で説明した共焦点走査顕微鏡１（図１参照）と共通であるが、フォーカス検出光学系１１０（図１参照）の代わりにフォーカス検出光学系１２０を備える点で異なる。ここでは、第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１と共通する構成の説明についてはなるべく省略する。

本発明の第２の実施の形態に係る共焦点型検査装置としての共焦点走査顕微鏡１’のフォーカス検出光学系１２０は、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光路の光を集光する第１の集光光学系１２１と、第１の集光光学系１２１介した光を受光する複数の受光素子を含んで構成される第２の受光部１２４とを有しするように構成される。フォーカス検出光学系１２０は、前記複数の受光素子が受光する各光量に基づいて、検査対象２の対物レンズ５の焦点からの光軸方向の位置ズレを検出するように構成される。

第２の実施の形態では、第１の集光光学系１２１は、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光路中に、エッジがほぼ光軸に一致するように配置されたナイフエッジ１２３を含んで構成され、ここでは、さらに、第２のビームスプリッタ３２とナイフエッジ１２３との間に配設される集光レンズ（凸レンズ）１２２を含んで構成される。言い換えれば、検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａが、第２のビームスプリッタ３２によって分離される方向には、集光レンズ１２２、ナイフエッジ１２３、第２の受光部１２４がこの順で配設されている。

ナイフエッジ１２３は、エッジの方向が第２のビームスプリッタ３２によって分離された光の光軸方向と略直交するように配設される。第２の受光部１２４は、光軸とエッジがほぼ一致する位置にあるナイフエッジ１２３のエッジと、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光の光軸方向（ｚ軸方向）に直交するｙ軸方向（ここでは、紙面に向かって上下方向）に配置された２つの受光素子１２４ａ、１２４ｂを備えている。ここでは、ナイフエッジ１２３は、エッジがｘ軸方向（ここでは、紙面に向かって左奥から右手前方向）に沿うように配置される。したがって、２つの受光素子１２４ａ、１２４ｂは、エッジに直交する方向、ここでは、ｙ軸方向に沿って配置する。第２の受光部１２４は、第１の集光光学系１２１を介した光のｙ軸方向への光の偏り、言い換えれば光の変形を検出するように構成される。

図８は、本発明の第２の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１のフォーカス検出光学系１２０について説明する模式図である。本図を参照してフォーカス検出光学系１２０を詳細に説明する。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図７に示したｘ軸方向矢視図である。すなわち、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、紙面に対して垂直方向がｘ軸方向となる。図８（ａ’）、（ｂ’）、（ｃ’）は、第２の受光部１２４のｚ軸方向（光軸方向）に垂直な面の正面図であり、受光面を図示している。また、（ａ’）は（ａ）に、（ｂ’）は（ｂ）に、（ｃ’）は（ｃ）に対応した図である。

第２の受光部１２４の２つの受光素子１２４ａ、１２４ｂは、上述した第１の受光部４０と同様に、フォトディテクタといった受光素子である。言い換えれば、第２の受光部１２４は、２分割フォトディテクタである。第２の受光部１２４は、全体として略矩形状に形成され、第２の受光部１２４の受光面の中心に対して、受光素子１２４ａと受光素子１２４ｂが線対称となるように等分割されている。

第２の受光部１２４は、受光面の中心が第２のビームスプリッタ３２によって分離された光の光軸上に位置するように配設される。さらに、第２の受光部１２４は、第２の受光部１２４を２等分する分割線の方向が上述したナイフエッジ１２３のエッジの方向、ｘ軸方向とほぼ一致するように配設される。すなわち、第２の受光部１２４は、受光素子１２４ａと受光素子１２４ｂとがｚ軸方向に沿って並ぶように配設される。また、第２の受光部１２４は、第２の受光部１２４を２等分する分割線が光軸と略直交するように配設される。これにより、第２の受光部１２４は、受光する光が扁平していた際に、受光素子１２４ａ、１２４ｂが受光する各光量に基づいて、ｙ軸方向への光の偏りを検出することができる。

図８（ａ）、（ａ’）は、集光レンズ１２２に平行光が入射した際の図である。投光部１０（図７参照）から発せられた光が、およそ検査対象２（図７参照）の表面と一致する位置に焦点を結んでいる状態、さらに言えば、検査対象２（図７参照）の表面が焦点の合った面（合焦面２ａ）となっている状態である際に、集光レンズ１２２に平行光が入射する。投光部１０から発せられた光は、対物レンズ５に入射し、合焦面２ａで収束している。即ち結像している。合焦面２ａで収束した光は、合焦面２ａに輝点光１０ａとして結象される。

集光レンズ１２２は、平行光が入射すると焦点Ｆ３に収束するものとする。本実施の形態では、第２の受光部１２４は、集光レンズ１２２に平行光が入射した際に、受光面上に焦点Ｆ３が位置するように配置する。言い換えれば、第２の受光部１２４は、集光レンズ１２２の焦点距離の位置にある。本図に示すように、集光レンズ１２２と焦点Ｆ３との間に、上述したようにナイフエッジ１２３を挿入配置すると、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光は、集光レンズ１２２により焦点Ｆ３の位置に収束されるが、ここでは、ナイフエッジ１２３によって光束の半分がカットされた後、第２の受光部１２４の受光面上にて集光する。図８（ａ’）は、このときの第２の受光部１２４の受光面を示した図である。すなわち、集光レンズ１２２に平行光が入射すると、ナイフエッジ１２３によって半分にカットされた光は、第２の受光部１２４の２分割線上にて焦点を結ぶ。

ここで、受光素子１２４ａが受光する光の光量をＡ’、受光素子１２４ｂが受光する光の光量をＢ’とすると、第１の集光光学系１２１を介した光のｙ軸方向への偏り度、光の変形度として焦点ズレ信号Ｈ’を、次式（２）で示す数式で求めることができる。

Ｈ’＝（Ａ’−Ｂ ’）／（Ａ’＋Ｂ ’） ・・・（２）

図８（ａ’）で示す場合、集光レンズ１２２に平行光が入射すると、ナイフエッジ１２３によって半分にカットされた光は、第２の受光部１２４の２分割線上にて焦点を結ぶので、光量Ａ’、光量Ｂ’は、ほぼ等しく０（ゼロ）となり、焦点ズレ信号Ｈ’＝０となる。言い換えれば、焦点ズレ信号Ｈ’＝０の場合、集光レンズ１２２に平行光が入射し、第１の集光光学系１２１を介した光の大きさは、変形しない。

図８（ｂ）、（ｂ’）は、集光レンズ１２２に収束光が入射した際の図である。例えば、検査対象２（図７参照）の表面に凸部が存在し、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図７参照）側に当該凸部が位置する場合に、投光部１０（図７参照）から発せられた光が、当該凸部に拡散した輝点光１０ａとして投射される状態、すなわち、凸部の対物レンズ５とは反対側に焦点を結んでいる状態である際に、集光レンズ１２２に収束光が入射する。

集光レンズ１２２に収束光が入射すると、図８（ａ）の集光レンズ１２２に平行光が入射した際に比較して、焦点Ｆ３がナイフエッジ１２３側に近づく。したがって、ナイフエッジ１２３によって半分にカットされた光は、第２の受光部１２４の２分割線を境界として、ナイフエッジ１２３が配設されている側の受光素子、ここでは、受光素子１２４ｂにのみに照射される。図８（ｂ’）は、このときの第２の受光部１２４の受光面を示した図である。受光素子１２４ｂの受光面に形成される像は、２分割線を境界として、ナイフエッジ１２３が配設されている側が曲線になっている略半円形に形成される。

図８（ｂ’）に示すように、第２の受光部１２４の受光面の像は、受光素子１２４ｂにのみ形成されるため、光量Ａ’がほぼ０（ゼロ）となり、光量Ｂ’が多くなる。したがって、上述した（２）より、焦点ズレ信号Ｈ’＜０となる。言い換えれば、焦点ズレ信号Ｈ’＜０となった場合は、集光レンズ１２２に収束光が入射し、第２の受光部１２４の受光面の像は、受光素子１２４ｂの受光面にのみ像が形成されるように変形している。すなわち、焦点ズレ信号Ｈ’＜０の場合、検査対象２（図７参照）の表面が、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図７参照）側に位置しているということができる。

図８（ｃ）、（ｃ’）は、集光レンズ１２２に拡散光が入射した際の図である。例えば、検査対象２（図７参照）の表面に凹部が存在し、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図７参照）とは反対側に当該凹部が位置する場合に、投光部１０（図１参照）から発せられた光が、当該凹部に拡散した輝点光１０ａとして投射される状態、すなわち、凹部の対物レンズ５側に焦点を結んでいる状態である際に、集光レンズ１２２に拡散光が入射する。

集光レンズ１２２に拡散光が入射すると、図８（ａ）の集光レンズ１２２に平行光が入射した際に比較して、焦点Ｆ３がナイフエッジ１２３から遠ざかる。したがって、ナイフエッジ１２３によって半分にカットされた光は、第２の受光部１２４の２分割線を境界として、ナイフエッジ１２３が配設されている側とは反対側の受光素子、ここでは、受光素子１２４ａにのみに照射される。図８（ｃ’）は、このときの第２の受光部１２４の受光面を示した図である。受光素子１２４ａの受光面に形成される像は、２分割線を境界として、ナイフエッジ１２３が配設されている側とは反対側が曲線になっている略半円形に形成される。

図８（ｃ’）に示すように、第２の受光部１２４の受光面の像は、受光素子１２４ａにのみ形成されるため、光量Ｂ’がほぼ０（ゼロ）となり、光量Ａ’が多くなる。したがって、上述した（２）より、焦点ズレ信号Ｈ’＞０となる。言い換えれば、焦点ズレ信号Ｈ’＞０となった場合は、集光レンズ１２２に拡散光が入射し、第２の受光部１２４の受光面の像は、受光素子１２４ａの受光面にのみ像が形成されるように変形している。すなわち、焦点ズレ信号Ｈ’＞０の場合、検査対象２（図７参照）の表面が、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図７参照）とは反対側に位置しているということができる

上記で説明した検査対象２（図７参照）の表面の凸部、凹部は、検査対象２（図７参照）の表面の対物レンズ５（図７参照）の焦点、すなわち、合焦面２ａからのｚ軸方向（光軸方向）の位置ズレΔｚと言い換えることができる。位置ズレΔｚは、予め決まっている共焦点走査顕微鏡１の光学系の配置等と、上述した焦点ズレ信号Ｈ’の値に基づいて一義的に取得することができる。なお、ここで、位置ズレΔｚが、投光部１０の出力、検査対象２の反射率等に依存しないのは、上述した式（２）により、光量規格を行っているためである。したがって、第１の実施の形態で説明した図６と同様に、焦点ズレ信号Ｈ’とｚ軸方向（光軸方向）の位置ズレΔｚとの関係の一例を示す線図を得ることができる。

以上で説明した本発明の第２の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’によれば、フォーカス検出光学系１２０は、第２のビームスプリッタ３２で分離された光路中に配置され、検査対象２の対物レンズ５の焦点、すなわち、合焦面からの光軸方向（ｚ軸方向）の位置ズレΔｚを対物レンズ５の焦点の前後に渡って検出するので、検査対象２の検査を効率よく行うことができる。

さらに、フォーカス検出光学系１２０は、集光レンズ１２２とナイフエッジ１２３とを含んで構成され、第２のビームスプリッタ３２により分離された光路の光を集光する第１の集光光学系１２１と、第１の集光光学系１２１を介した光を受光する複数の受光素子１２４ａ、１２４ｂを含んで構成される第２の受光部１２４とを備えるので、各受光素子が受光する光量に応じて、第２の受光部１２４が受光する光の焦点ズレ信号Ｈ’を算出し、該焦点ズレ信号Ｈ’に基づいて前記光軸方向（ｚ軸方向）の位置ズレΔｚを検出することができる。フォーカス検出光学系１２０により検査対象２の光軸方向のおおまかな位置ズレΔｚ（凹凸）を把握できるので、例えば、最大値Δｚ_ｍａｘと最小値Δｚ_ｍｉｎとの間で精査すべき範囲を絞り込むことができ、測定効率が向上する。また、第１の集光光学系１２１を集光レンズ１２２とナイフエッジ１２３とを含んで構成することで、比較的簡易な構成で、安価なフォーカス検出光学系１２０とすることができる。

図９は、本発明の第３の実施の形態に係る共焦点型検査装置としての共焦点走査顕微鏡１’’の光学系概要例を示す図である。本図を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’’について説明する。共焦点走査顕微鏡１’’は、基本的に第１の実施の形態で説明した共焦点走査顕微鏡１（図１参照）と共通であるが、フォーカス検出光学系１１０（図１参照）の代わりにフォーカス検出光学系１３０を備える点で異なる。ここでは、第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１と共通する構成の説明についてはなるべく省略する。

本発明の第３の実施の形態に係る共焦点型検査装置としての共焦点走査顕微鏡１’’のフォーカス検出光学系１３０は、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光路の光を集光する第１の集光光学系１３１と、第１の集光光学系１３１介した光を受光する複数の受光素子を含んで構成される第２の受光部１３４とを有しするように構成される。フォーカス検出光学系１３０は、前記複数の受光素子が受光する各光量に基づいて、検査対象２の対物レンズ５の焦点からの光軸方向の位置ズレを検出するように構成される。

第３の実施の形態では、第１の集光光学系１３１は、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光路中に配置された臨界角プリズム１３２を含んで構成される。臨界角プリズム１３２は、第２のビームスプリッタ３２と第２の受光部１３４との間に配設される。言い換えれば、検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａが、第２のビームスプリッタ３２によって分離される方向には、臨界角プリズム１３２が配設されている。第２の受光部１３４は、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光が前記臨界角プリズム１３２へ発散方向に入射したか収束方向に入射したかを検出するように構成される。

ここで、臨界角プリズム１３２は、第１の光学面１３２ａと、第２の光学面１３２ｂと、第３の光学面１３２ｃとを有しており、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光は、第１の光学面１３２ａに入射するように配設される。すなわち、臨界角プリズム１３２は、第１の光学面１３２ａが第２のビームスプリッタ３２と対向するように配設される。本実施の形態では、第１の光学面１３２ａは第２のビームスプリッタ３２によって分離された光の光軸とほぼ垂直に交わるように形成されている。第１の光学面１３２ａから臨界角プリズム１３２に入射する光は、第２の光学面１３２ｂで、第１の光学面１３２ａに入射する光の光軸と交差する方向に反射される。

ここで、第２の光学面１３２ｂは、第１の光学面１３２ａから入射する平行光束が、第２の光学面１３２ｂに対してちょうど臨界角で入射するように形成される。但し、本実施の形態では、ごくわずか臨界角よりも大きい角度で入射するものとしている（図１０参照）。すなわち、第２の光学面１３２ｂは、第１の光学面１３２ａに平行光が入射した際に、入射光が全反射するように形成される。第３の光学面１３２ｃは、第２の受光部１３４と対向するように形成され、第２の光学面１３２ｂで反射した光は、第３の光学面１３２ｃを介して出射される。典型的には、第１の光学面１３２ａと第３の光学面１３２ｃとは直角をなす。第２の光学面１３２ｂが、第１の光学面１３２ａ、第３の光学面１３２ｃに対して４５°をなすときは、臨界角プリズム１３２の屈折率を√２≒１．４１４にすれば、第１の光学面１３２ａに垂直に入射した光は、第２の光学面１３２ｂにちょうど臨界角で入射し、第３の光学面１３２ｃからこれに垂直に射出することになる。ここで、屈折率を例えば１．４３とすれば、約１°だけ臨界角よりも大きい角度で入射するシステムとなる。なお、第２の光学面１３２ｂへの入射角は、屈折率で調整するほか、臨界角プリズム１３２のｘ軸回りの角度設定で調整してもよい。また、第２の光学面１３２ｂへの入射角がちょうど臨界角又はわずかに大きくないと、ちょうど対物レンズ５の焦点が合ったときに、臨界角プリズム１３２からの出射光が少なくなってしまう。

第２の受光部１３４は、臨界角プリズム１３２の入射光と出射光を含む面に沿って配置された２つの受光素子１３４ａ、１３４ｂを備えている。ここでは、臨界角プリズム１３２での入射光と出射光を含む面に沿った方向は、ｙ軸方向（紙面に向かって右奥から左手前方向）である。すなわち、第２の受光部１３４によって受光される光の光軸方向（ｚ軸方向）に対するｙ軸方向に沿って配置された２つの受光素子１２４ａ、１２４ｂを備えている。第２の受光部１３４は、第１の集光光学系１３１を介した光のｙ軸方向への変形を検出するように構成される。

図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’’のフォーカス検出光学系１３０について説明する模式図である。本図を参照してフォーカス検出光学系１３０を詳細に説明する。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図９に示したｘ軸方向矢視図である。すなわち、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、紙面に対して垂直方向がｘ軸方向となる。図１０（ａ’）、（ｂ’）、（ｃ’）は、第２の受光部１３４のｚ軸方向（光軸方向）に垂直な面の正面図であり、受光面を図示している。また、（ａ’）は（ａ）に、（ｂ’）は（ｂ）に、（ｃ’）は（ｃ）に対応した図である。

第２の受光部１３４の２つの受光素子１３４ａ、１３４ｂは、上述した第１の受光部４０と同様に、フォトディテクタといった受光素子である。言い換えれば、第２の受光部１３４は、２分割フォトディテクタである。第２の受光部１３４は、全体として略矩形状に形成され、第２の受光部１３４の受光面の中心に対して、受光素子１３４ａと受光素子１３４ｂが線対称となるように等分割されている。

第２の受光部１３４は、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光が、第１の光学面１３２ａに平行光として入射した際に、受光面の中心が第２の光学面１３２ｂで反射した光の光軸上に位置するように配設される。さらに、第２の受光部１３４は、第２の受光部１３４を２等分する分割線の方向が、上述した臨界角プリズム１３２に入射する光の光軸の方向と略垂直な方向とほぼ一致するように配設される。すなわち、第２の受光部１３４は、受光素子１３４ａと受光素子１３４ｂとがｙ軸方向に沿って並ぶように配設される。また、第２の受光部１３４は、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光が、第１の光学面１３２ａに平行光として入射した際に、第２の受光部１３４を２等分する分割線が、第２の光学面１３２ｂで反射した光の光軸と略直交するように配設される。これにより、第２の受光部１２４は、受光する光が扁平していた際に、受光素子１２４ａ、１２４ｂが受光する各光量に基づいて、第２のビームスプリッタ３２によって分離された光のｙ軸方向への変形を検出することができる。

図１０（ａ）、（ａ’）は、臨界角プリズム１３２に平行光が入射した際の図である。投光部１０（図９参照）から発せられた光が、およそ検査対象２（図９参照）の表面と一致する位置に焦点を結んでいる状態、さらに言えば、検査対象２（図９参照）の表面が焦点の合った面（合焦面２ａ）となっている状態である際に、臨界角プリズム１３２に平行光が入射する。投光部１０から発せられた光は、対物レンズ５に入射し、合焦面２ａで収束している。即ち結像している。合焦面２ａで収束した光は、合焦面２ａに輝点光１０ａとして結象される。

臨界角プリズム１３２に第１の光学面１３２ａを介して平行光が入射すると、入射光は第２の光学面１３２ｂで全反射して、第３の光学面１３２ｃを介して出射される。第３の光学面１３２ｃから出射された出射光は、第２の受光部１３４に入射し、受光素子１３４ａと受光素子１３４ｂに等しい強度で検出される。図１０（ａ’）は、このときの第２の受光部１３４の受光面を示した図である。すなわち、臨界角プリズム１３２に平行光が入射すると、第２の受光部１３４にほぼ正円の像を形成する。

ここで、受光素子１３４ａが受光する光の光量をＡ’’、受光素子１３４ｂが受光する光の光量をＢ’’とすると、第１の集光光学系１３１を介した光のｙ軸方向への変形度として焦点ズレ信号Ｈ’’を、次式（３）で示す数式で求めることができる。

Ｈ’’＝（Ａ’’−Ｂ ’’）／（Ａ’’＋Ｂ ’’） ・・・（３）

図１０（ａ’）で示す場合、臨界角プリズム１３２に平行光が入射すると、第２の光学面１３２ｂで全反射した光は、２分割線上に中心が位置するほぼ正円の像が第２の受光部１３４の受光面に形成されるので、光量Ａ’’、光量Ｂ’’は、ほぼ等しくなり、焦点ズレ信号Ｈ’’＝０となる。言い換えれば、焦点ズレ信号Ｈ’’＝０の場合、臨界角プリズム１３２に平行光が入射し、第１の集光光学系１３１を介した光は、変形しない。

図１０（ｂ）、（ｂ’）は、臨界角プリズム１３２に収束光が入射した際の図である。例えば、検査対象２（図９参照）の表面に凸部が存在し、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図９参照）側に当該凸部が位置する場合に、投光部１０（図９参照）から発せられた光が、当該凸部に拡散した輝点光１０ａとして投射される状態、すなわち、凸部の対物レンズ５とは反対側に焦点を結んでいる状態である際に、臨界角プリズム１３２に収束光が入射する。

臨界角プリズム１３２に収束光が入射すると、入射光の光軸を境界として光軸よりも第３の光学面１３２ｃ側の光は、第２の光学面１３２ｂに対して臨界角よりも小さい角度で入射するので、一部が第２の光学面１３２ｂを透過する。一方、入射光の光軸を境界として光軸よりも第３の光学面１３２ｃとは反対側の光は、第２の光学面１３２ｂに対して臨界角よりも大きい角度で入射するので全反射する。

この結果、光軸を境とする臨界角プリズム１３２中の光量にアンバランスが生じる。したがって、受光素子１３４ａが受光する光の光量をＡ’’と、受光素子１３４ｂが受光する光の光量をＢ’’との間に出力差が生じる。図１０（ｂ’）は、このときの第２の受光部１３４の受光面を示した図である。第２の受光部１３４の受光面に形成される像は、２分割線を境界として、受光素子１３４ａに形成される円弧状の像が、受光素子１３４ｂに形成される円弧状の像よりも小さくなるように形成される。

図１０（ｂ’）に示すように、第２の受光部１３４の受光面の像は、受光素子１３４ａに形成される円弧状の像が、受光素子１３４ｂに形成される円弧状の像よりも小さくなるように形成されるため、光量Ａ’’が光量Ｂ’’よりも少なくなる。したがって、上述した（３）より、焦点ズレ信号Ｈ’’＜０となる。言い換えれば、焦点ズレ信号Ｈ’’＜０となった場合は、臨界角プリズム１３２に収束光が入射し、第２の受光部１３４の受光面の像は、受光素子１３４ａに形成される円弧状の像が、受光素子１３４ｂに形成される円弧状の像よりも小さくなるように変形している。すなわち、焦点ズレ信号Ｈ’’＜０の場合、検査対象２（図９参照）の表面が、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図９参照）側に位置しているということができる。

図１０（ｃ）、（ｃ’）は、臨界角プリズム１３２に拡散光が入射した際の図である。例えば、検査対象２（図９参照）の表面に凹部が存在し、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図９参照）とは反対側に当該凹部が位置する場合に、投光部１０（図９参照）から発せられた光が、当該凹部に拡散した輝点光１０ａとして投射される状態、すなわち、凹部の対物レンズ５側に焦点を結んでいる状態である際に、臨界角プリズム１３２に拡散光が入射する。

臨界角プリズム１３２に拡散光が入射すると、図１０（ｂ）、（ｂ’）で示した収束光が入射する場合とは逆に、入射光の光軸を境界として光軸よりも第３の光学面１３２ｃとは反対側の光は、第２の光学面１３２ｂに対して臨界角よりも小さい角度で入射するので、一部が第２の光学面１３２ｂを透過する。一方、入射光の光軸を境界として光軸よりも第３の光学面１３２ｃ側の光は、第２の光学面１３２ｂに対して臨界角よりも大きい角度で入射するので全反射する。

この結果、図１０（ｂ）、（ｂ’）で示した場合と同様に、光軸を境とする臨界角プリズム１３２中の光量にアンバランスが生じる。したがって、受光素子１３４ａが受光する光の光量をＡ’’と、受光素子１３４ｂが受光する光の光量をＢ’’との間に出力差が生じる。図１０（ｃ’）は、このときの第２の受光部１３４の受光面を示した図である。ここでは図１０（ｂ）、（ｂ’）で示した場合とは逆に、第２の受光部１３４の受光面に形成される像は、２分割線を境界として、受光素子１３４ａに形成される円弧状の像が、受光素子１３４ｂに形成される円弧状の像よりも大きくなるように形成される。

図１０（ｃ’）に示すように、第２の受光部１３４の受光面の像は、受光素子１３４ａに形成される円弧状の像が、受光素子１３４ｂに形成される円弧状の像よりも大きくなるように形成されるため、光量Ａ’’が光量Ｂ’’よりも多くなる。したがって、上述した（３）より、焦点ズレ信号Ｈ’’＞０となる。言い換えれば、焦点ズレ信号Ｈ’’＞０となった場合は、臨界角プリズム１３２に拡散光が入射し、第２の受光部１３４の受光面の像は、受光素子１３４ａに形成される円弧状の像が、受光素子１３４ｂに形成される円弧状の像よりも大きくなるように変形している。すなわち、焦点ズレ信号Ｈ’’＞０の場合、検査対象２（図９参照）の表面が、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図９参照）とは反対側に位置しているということができる。

上記で説明した検査対象２（図９参照）の表面の凸部、凹部は、検査対象２（図９参照）の表面の対物レンズ５（図９参照）の焦点、すなわち、合焦面２ａからのｚ軸方向（光軸方向）の位置ズレΔｚと言い換えることができる。位置ズレΔｚは、予め決まっている共焦点走査顕微鏡１の光学系の配置等と、上述した焦点ズレ信号Ｈ’の値に基づいて一義的に取得することができる。なお、ここで、位置ズレΔｚが、投光部１０の出力、検査対象２の反射率等に依存しないのは、上述した式（３）により、光量規格を行っているためである。したがって、第１の実施の形態で説明した図６と同様に、焦点ズレ信号Ｈ’’とｚ軸方向（光軸方向）の位置ズレΔｚとの関係の一例を示す線図を得ることができる。

以上で説明した本発明の第３の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’’によれば、フォーカス検出光学系１３０は、第２のビームスプリッタ３２で分離された光路中に配置され、検査対象２の対物レンズ５の焦点、すなわち、合焦面からの光軸方向（ｚ軸方向）の位置ズレΔｚを対物レンズ５の焦点の前後に渡って検出するので、検査対象２の検査を効率よく行うことができる。

さらに、フォーカス検出光学系１３０は、臨界角プリズム１３２を含んで構成され、第２のビームスプリッタ３２により分離された光路の光を集光する第１の集光光学系１３１と、第１の集光光学系１３１を介した光を受光する複数の受光素子１３４ａ、１３４ｂを含んで構成される第２の受光部１３４とを備えるので、各受光素子が受光する光量に応じて、第２の受光部１３４が受光する光の焦点ズレ信号Ｈ’’を算出し、該焦点ズレ信号Ｈ’’に基づいて前記光軸方向（ｚ軸方向）の位置ズレΔｚを検出することができる。フォーカス検出光学系１３０により検査対象２の光軸方向のおおまかな位置ズレΔｚ（凹凸）を把握できるので、例えば、最大値Δｚ_ｍａｘと最小値Δｚ_ｍｉｎとの間で精査すべき範囲を絞り込むことができ、測定効率が向上する。また、第１の集光光学系１３１を臨界角プリズム１３２を含んで構成することで、例えば、集光レンズ１１２（図１参照）、１２２（図７参照）等を備えない構成とすることができるので、比較的簡易な構成とすることができる。また、臨界角プリズム１３２を用いることで、位置ズレΔｚを検出するのに加え、共焦点走査顕微鏡１’’の内部構成に応じて第２のビームスプリッタ３２により分離された光の光路方向を適宜偏変更することができるので、よりコンパクトな共焦点走査顕微鏡１’’とすることができる。また、臨界角プリズム１３２を用いることで、収差を含んだ光の光量を減ずることができ、検査対象２からの戻り光の質を向上させることができるので、より解像度を高めることができる。

なお、本発明の実施の形態に係る共焦点型検査装置は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上で説明した共焦点走査顕微鏡１、１’、１’’では、各々フォーカス検出光学系１１０、１２０、１３０を構成する受光部として複数に分割され、略矩形に形成される第２の受光部１１４、１２４、１３４を用いるものとして説明したが、これに代えて、検出素子（不図示）を一次元に直列状に複数配列したラインセンサを含んで構成される第３の受光部を用いてもよい。以下に説明するようにラインセンサを含んで構成される第３の受光部を用いることで、焦点型検査装置の構成をより簡単な構成とすることができる。

図１１は、本発明の第１、第２、第３の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１、１’、１’’の変形例を示す図である。図１１（ａ）、（ａ’）は、第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１の変形例のフォーカス検出光学系２１０を、図１１（ｂ）、（ｂ’）は、第２の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’の変形例のフォーカス検出光学系２２０を、図１１（ｃ）、（ｃ’）は、第３の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’’の変形例のフォーカス検出光学系２３０を示す図である。

すなわち、第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１では、図１１（ａ）に示すように、フォーカス検出光学系２１０は、第２のビームスプリッタ３２（図１等参照）によって分離された光路の光を集光する第２の集光光学系２１１と、第２の集光光学系２１１を介した光を受光するラインセンサ２１４ａ、２１４ｂを含んで構成される第３の受光部２１４とを含んで構成してもよい。

ここでは、第２の集光光学系２１１は、上述した第１の集光光学系１１１と同様な構成であり、集光レンズ１１２と円柱レンズ１１３を含んで構成される。第３の受光部２１４は、２つのラインセンサ２１４ａ、２１４ｂを含んで構成される。第３の受光部２１４は、図１１（ａ’）に示すように、ラインセンサ２１４ａの長手方向がｙ軸方向、ラインセンサ２１４ｂの長手方向がｘ軸方向になるように構成される。ラインセンサ２１４ａとラインセンサ２１４ｂとは、ほぼ中心付近で略直交するように配設され、第３の受光部２１４は、当該直交する部分が第２の集光光学系２１１を通過する光の光軸とほぼ一致するように配設される。この場合、フォーカス検出光学系２１０は、一次元に直列状に配列された複数の検出素子（不図示）の各出力に応じて各ラインセンサ２１４ａ、２１４ｂが検出する光の偏りに基づいて、光軸方向の位置ズレΔｚを検出するように構成すればよい。

同様に、第２の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’では、図１１（ｂ）に示すように、フォーカス検出光学系２２０は、第２のビームスプリッタ３２（図１等参照）によって分離された光路の光を集光する第２の集光光学系２２１と、第２の集光光学系２２１を介した光を受光するラインセンサ２２４ａを含んで構成される第３の受光部２２４とを含んで構成してもよい。

ここでは、第２の集光光学系２２１は、上述した第１の集光光学系１２１と同様な構成であり、集光レンズ１２２とナイフエッジ１２３を含んで構成される。第３の受光部２２４は、図１１（ｂ’）に示すように、ラインセンサ２２４ａの長手方向がｙ軸方向になるように構成される。第３の受光部２２４は、ラインセンサ２２４ａのほぼ中心付近が第２の集光光学系２２１を通過する光の光軸とほぼ一致するように配設される。

さらに同様に、第３の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’’では、図１１（ｃ）に示すように、フォーカス検出光学系２３０は、第２のビームスプリッタ３２（図１等参照）によって分離された光路の光を集光する第２の集光光学系２３１と、第２の集光光学系２３１を介した光を受光するラインセンサ２３４ａを含んで構成される第３の受光部２３４とを含んで構成してもよい。

ここでは、第２の集光光学系２３１は、上述した第１の集光光学系１３１と同様な構成であり、臨界角プリズム１３２を含んで構成される。第３の受光部２３４は、図１１（ｃ’）に示すように、ラインセンサ２３４ａの長手方向がｙ軸方向になるように構成される。第３の受光部２３４は、ラインセンサ２３４ａのほぼ中心付近が第２の集光光学系２３１を通過する光の光軸とほぼ一致するように配設される。

また、以上では、実施の形態として、上記の共焦点走査顕微鏡１、１’、１’’である場合で説明したが、これに限られず、別の態様が考えられる。一部構成を並び替えてもよい（例えば可変焦点レンズの配置等）。

以上の説明では、共焦点走査顕微鏡１、１’、１’’は、典型的には結像光学系としての結像レンズ６の共焦点位置に配置されたピンホール４１を備えるが、これに限らず、検査対象２の対物光学系としての対物レンズ５の焦点からの位置ズレΔｚに応じて、光を排除するような構成を備えるものを広く含む。また、ラインセンサは、上述した構成に限らず、受光する光の偏りを検出するものであればなんでもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡の光学系概要例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡の二次元走査ミラーについて説明する模式的平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡の可変焦点レンズ３について説明する模式的断面図である。 本発明の実施の形態で用いる駆動信号の電圧に対応した共焦点の移動距離を表すテーブルの例を示す線図である。 本発明の第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡のフォーカス検出光学系について説明する模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡での焦点ズレ信号Ｈと位置ズレΔｚとの関係の一例を示した線図である。 本発明の第２の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡の光学系概要例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡のフォーカス検出光学系について説明する模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡の光学系概要例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡のフォーカス検出光学系について説明する模式図である。 本発明の第１、第２、第３の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡の変形例を示す図である。

符号の説明

１、１’、１’’ 共焦点走査顕微鏡
２ 検査対象
２ａ、２ａ’ 合焦面
３ 可変焦点レンズ
５ 対物レンズ
６ 結像レンズ
１０ 投光部
１０ａ 輝点光
２０ 二次元走査ミラー
３１、３２ ビームスプリッタ
３４ コリメータレンズ
４０ 第１の受光部
４１ ピンホール
７０ 演算装置
７１ Ａ／Ｄ変換器
７２ 表示部
７３ 入力装置
８０ 制御部
８１ 共焦点調節部
８２ 二次元走査制御部
８３ 凹凸情報生成部
８４ 画像生成部
８５ 表示制御部
９０ 記憶部
１１０、１２０、１３０、２１０、２２０、２３０ フォーカス検出光学系
１１１、１２１、１３１ 第１の集光光学系
１１２、１２２ 集光レンズ
１１３ 円柱レンズ
１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ、１２４ａ、１２４ｂ、１３４ａ、１３４ｂ 受光素子
１１４、１２４、１３４ 第２の受光部
１２３ ナイフエッジ
１３２ａ 第１の光学面
１３２ｂ 第２の光学面
１３２ｃ 第３の光学面
１３２ 臨界角プリズム
２１１、２２１、２３１ 第２の集光光学系
２１４ａ、２１４ｂ、２２４ａ、２３４ａ ラインセンサ
２１４、２２４、２３４ 第３の受光部
Ｈ、Ｈ’、Ｈ’’ 焦点ズレ信号
Δｚ 位置ズレ

Claims (6)

1. 検査対象に対向して配置された対物光学系と；
   前記対物光学系を介して前記検査対象に輝点光を投光する投光部と；
   前記輝点光で前記検査対象を二次元に走査する二次元走査系と；
   前記対物光学系を介して前記検査対象から戻ってくる前記投光された輝点光を結像する結像光学系と；
   前記結像光学系を介した光を受光する第１の受光部と；
   前記第１の受光部への光を絞る絞り部と；
   前記検査対象から前記第１の受光部までの光路中に配置された光分岐手段と；
   前記光分岐手段で分離された光路中に配置され、前記検査対象の前記対物光学系の焦点からの光軸方向の位置ズレを前記対物光学系の焦点の前後に渡って検出するフォーカス検出光学系とを備える；
   共焦点型検査装置。
2. 前記フォーカス検出光学系は、前記分離された光路の光を集光する第１の集光光学系と；
   前記第１の集光光学系を介した光を受光する複数の受光素子を含んで構成される第２の受光部とを有し；
   前記フォーカス検出光学系は、前記複数の受光素子が受光する各光量に基づいて、前記光軸方向の位置ズレを検出する、
   請求項１に記載の共焦点型検査装置。
3. 前記第１の集光光学系は、前記分離された光路の光軸に交差する平面内の２方向に対して屈折力の異なる円柱レンズを含んで構成され；
   前記第２の受光部は、前記第１の集光光学系を介した光の前記２方向への変形を検出するように構成される；
   請求項２に記載の共焦点型検査装置。
4. 前記第１の集光光学系は、前記分離された光路中に、エッジがほぼ光軸に一致するように配置されたナイフエッジとを有し；
   前記第２の受光部は、前記エッジに直交する方向に配置された少なくとも２つの受光素子を含んで構成される；
   請求項２に記載の共焦点型検査装置。
5. 前記第１の集光光学系は、前記分離された光路中に配置された臨界角プリズムとを有し；
   前記第２の受光部は、前記分離された光が前記臨界角プリズムへ発散方向に入射したか収束方向に入射したかを検出するように構成される；
   請求項２に記載の共焦点型検査装置。
6. 前記フォーカス検出光学系は、前記分離された光路の光を集光する第２の集光光学系と；
   前記第２の集光光学系を介した光を受光するラインセンサを含んで構成される第３の受光部とを有し；
   前記フォーカス検出光学系は、前記ラインセンサが検出する光の偏りに基づいて、前記光軸方向の位置ズレを検出する、
   請求項１に記載の共焦点型検査装置。
   

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