JP2006343596A - 共焦点型検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 検査対象の検査をより正確に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受光部４０と；検査対象２と受光部４０との間の光路中に配置された第１の臨界角プリズム１００とを備え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より正確に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）の分解能が十分でないことがあり、より正確な検査を実行することのできる共焦点型検査装置が望まれていた。

そこで本発明は、検査対象の検査をより正確に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受光部４０と；検査対象２と受光部４０との間の光路中に配置された第１の臨界角プリズム１００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、受光部は、結像光学系を介した光を受光する。第１の臨界角プリズムは、検査対象と受光部との間の光路中に配置され、例えば、対物光学系の焦点のずれによる光の発散、又は収束に対して、光量分布に変化をもたらし、受光部での受光量の変化量を大きくすることができるので、検査対象の検査をより正確に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、受光部４０への光を絞る絞り部４１を備えるように構成してもよい。

このように構成すると、絞り部は、例えば、対物光学系の焦点のずれによる光の発散、又は収束に対して受光部への光を絞るので、検査対象の検査をより正確に行うことができる。

また請求項３に記載のように、請求項１又は請求項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の臨界角プリズム１００は、対物光学系５と結像光学系６との間の光路中に配置されるように構成してもよい。

このように構成すると、例えば、第１の臨界角プリズムは、第１の臨界角プリズムに対して臨界角よりも小さい角度で入射した光の一部を排除するので、結像光学系に入射する光の光量分布に変化を与えることができる。

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、結像光学系６よりも焦点距離の短い第１の補助光学系１１０を備え；第１の臨界角プリズム１００は、絞り部４１と受光部４０との間の光路中に配置され、第１の補助光学系１１０は、絞り部４１と第１の臨界角プリズム１００との間の光路中に配置されるように構成してもよい。

このように構成すると、結像光学系よりも焦点距離の短い第１の補助光学系は、第１の臨界角プリズムに入射する光の角度倍率を向上させるので、第１の臨界角プリズムに臨界角に対して角度を有して入射した光の受光部での受光量の変化量をより大きくすることができる。したがって、検査の精度がより向上する。

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８に示すように、結像光学系６の焦点位置を焦点とし、当該結像光学系６よりも焦点距離の短い第１の補助光学系１１０と；第１の補助光学系１１０と受光部４０との間の光路中に配置される第２の補助光学系１２０とを備え；第１の臨界角プリズム１００は、第１の補助光学系１１０と第２の補助光学系１２０との間の光路中に配置され、絞り部４１は、第２の補助光学系１２０と受光部４０との間の光路中の、当該第２の補助光学系１２０の焦点位置に配置されるように構成してもよい。

このように構成すると、結像光学系よりも焦点距離の短い第１の補助光学系は、第１の臨界角プリズムに入射する光の角度倍率を向上させるので、第１の臨界角プリズムに臨界角に対して角度を有して入射した光の受光部での受光量の変化量をより大きくすることができる。さらに、絞り部４１は、第２の補助光学系と受光部との間の第２の補助光学系の焦点位置に配設されるので、例えば、回折光の影響等を低減することができる。したがって、検査の精度がより向上する。

また請求項６に記載のように、請求項１又は請求項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の臨界角プリズム１００の入射光と射出光を含む面と、入射光と射出光を含む面が平行な第２の臨界角プリズム１３０を備えるように構成してもよい。

このように構成すると、例えば、第１の臨界角プリズムは、第１の臨界角プリズムに対して臨界角よりも小さい角度で入射した光の一部を排除し、さらに、第２の臨界角プリズムは、第１の臨界角プリズムで反射した光の一部を排除するので、第１の臨界角プリズムの臨界角に対して角度を有して入射した光の大部分を排除することができ、受光部での受光量の変化量をより大きくすることができる。したがって、検査の精度がより向上する。

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受光部と、検査対象と受光部との間の光路中に配置された第１の臨界角プリズムとを備えるように構成されるので、検査対象の検査をより正確に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受光部４０と、検査対象２と受光部４０との間の光路中に配置された第１の臨界角プリズム１００とを備える。さらに、共焦点走査顕微鏡１は、受光部４０への光を絞る絞り部としてのピンホール４１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、受光部４０は、結像レンズ６により結像され、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ビームスプリッタ３１と、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とを備えている。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、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。

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。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、ビームスプリッタ３１で反射される方向には、調整レンズ８（凸レンズ）、第１の臨界角プリズム１００がこの順で配設されている。

ここで、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、調整レンズ８、第１の臨界角プリズム１００方向とに分離するハーフミラーを用いることができる。なお、ビームスプリッタ３１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方向と調整レンズ８、第１の臨界角プリズム１００方向とに分離するものであれば何でもよい。例えば、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調整レンズ８、第１の臨界角プリズム１００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、ビームスプリッタ３１は、ハーフミラーである場合で説明する。

調整レンズ８は、後述する第１の臨界角プリズム１００と対物レンズ５との間の光路中、本実施の形態では、ビームスプリッタ３１と第１の臨界角プリズム１００との間に配設される。ここで、検査対象２に投光され、検査対象２から結像レンズ６等を介してビームスプリッタ３１に戻ってくる輝点光１０ａは、合焦点位置においても、例えば、照射光学系の調整結果として、極微小に平行光からずれていることがある。そこで、調整レンズ８は、検査対象２から結像レンズ６等を介して戻ってくる輝点光１０ａが、合焦点位置において、ほぼ完全な平行光束となるように構成する。

第１の臨界角プリズム１００は、対物レンズ５と結像レンズ６との間の光路中、本実施の形態では、調整レンズ８と後述する結像レンズ６との間に配置される。言い換えれば、第１の臨界角プリズム１００は、ビームスプリッタ３１によって分離された光の光路中に配置される。

ここで、第１の臨界角プリズム１００は、第１の光学面１００ａと、第２の光学面１００ｂと、第３の光学面１００ｃとを有しており、合焦点位置において、調整レンズ８を通過したほぼ完全な平行光が、第１の光学面１００ａに入射するように配設される。すなわち、第１の臨界角プリズム１００は、第１の光学面１００ａが調整レンズ８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１００ａは調整レンズ８を通過したほぼ完全な平行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１００ａから第１の臨界角プリズム１００に入射する光は、第２の光学面１００ｂで、第１の光学面１００ａ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１００ｂは、第１の光学面１００ａから入射する平行光束が、第２の光学面１００ｂ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。すなわち、第２の光学面１００ｂは、第１の光学面１００ａ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２の光学面１００ｂで反射した光は、第３の光学面１００ｃを介して出射される。第２の光学面１００ｂで反射した光が第３の光学面１００ｃを介して出射される方向には、結像レンズ６、ピンホール４１、受光部４０がこの順で配設されている。言い換えれば、第３の光学面１００ｃは、結像レンズ６と対向するように形成される。典型的には、第１の光学面１００ａと第３の光学面１００ｃとは直角をなす。第２の光学面１００ｂが、第１の光学面１００ａ、第３の光学面１００ｃに対して４５°をなすときは、第１の臨界角プリズム１００の屈折率を√２≒１．４１４にすれば、第１の光学面１００ａに垂直に入射した光は、第２の光学面１００ｂにちょうど臨界角で入射し、第３の光学面１００ｃ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１００ｂへの入射角は、屈折率で調整するほか、第１の臨界角プリズム１００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１００ｂ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、第１の臨界角プリズム１００からの出射光が少なくなってしまう。

結像レンズ６は、ピンホール４１と第１の臨界角プリズム１００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。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。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。受光部４０は、結像レンズ６を通過した光の光軸方向（ｚ軸方向）に対して、受光面が垂直に交わるように配設される。ピンホール４１は、受光部４０への光を絞るものであり、可変焦点レンズ３と受光部４０との間、ここでは結像レンズ６と受光部４０との間に配置されている。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。

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。

上述した受光部４０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、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８３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８４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。

画像生成部８３は、上述したように、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、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、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。

記憶部９０では、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、受光部４０が受光する光量が一番大きくなる。画像生成部８３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８３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８４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、可変焦点レンズ３により、およその検査対象２の表面と一致する位置に焦点を調節する。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。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、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、ビームスプリッタ３１で受光部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、調整レンズ８、第１の臨界角プリズム１００、結像レンズ６を介してピンホール４１に結像され、このピンホール４１を透過した光は受光部４０で受光される。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。なお、本実施の形態では、第１の臨界角プリズム１００を用いることで、ｚ軸方向で合焦面２ａと一致しない部分に輝点光１０ａが投影された場合のピンホール４１を透過する光量変化を著しく増大させることができる。詳細については図５で説明する。

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。

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の第１の臨界角プリズム１００の作用について説明する模式図である。本図は、図１に示したｘ軸方向矢視図である。すなわち、図５では、紙面に対して垂直方向がｘ軸方向となる。

図５（ａ）は、第１の臨界角プリズム１００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、第１の臨界角プリズム１００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。

第１の臨界角プリズム１００に第１の光学面１００ａを介して平行光が入射すると、入射光は第２の光学面１００ｂで全反射して、第３の光学面１００ｃを介して出射される。第３の光学面１００ｃから出射された出射光は、結像レンズ６を介してピンホール４１上で結像し、ピンホール４１を透過し、受光部４０によって受光される。ここでは、第１の光学面１００ａに入射する平行光は、第２の光学面１００ｂで全反射することから、受光部４０での受光量は、例えば、第１の臨界角プリズム１００を配置さなかった場合と比較してほぼ等しい。なお、第１の臨界角プリズム１００に平行光が入射すると、受光部４０にほぼ正円の像を形成する。

図５（ｂ）は、第１の臨界角プリズム１００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、第１の臨界角プリズム１００に収束光が入射する。

第１の臨界角プリズム１００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１００ｃ側の光は、第２の光学面１００ｂ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１００ｂ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１００ｃとは反対側の光は、第２の光学面１００ｂ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、光軸を境とする第１の臨界角プリズム１００中の光量にアンバランスが生じる。上述したように、合焦面２ａに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のに加え、ここでは、第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも小さい角度で入射した光の一部が第２の光学面１００ｂを透過することで、第１の臨界角プリズム１００に平行光が入射した場合と比較して、受光部４０での受光量は著しく減少する。なお、第１の臨界角プリズム１００に収束光が入射すると、受光部４０の受光面に形成される像は、光軸を境界として、調整レンズ８側（第１の光学面１００ａが位置する側）に形成される円弧状の像が、調整レンズ８とは反対側（第１の光学面１００ａが位置する側の反対側）に形成される円弧状の像よりも小さくなるように、扁平した形状に形成される。

図５（ｃ）は、第１の臨界角プリズム１００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、第１の臨界角プリズム１００に拡散光が入射する。

第１の臨界角プリズム１００に拡散光が入射すると、図５（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１００ｃとは反対側の光は、第２の光学面１００ｂ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１００ｂ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１００ｃ側の光は、第２の光学面１００ｂ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５（ｂ）で示した場合と同様に、光軸を境とする第１の臨界角プリズム１００中の光量にアンバランスが生じる。上述したように、合焦面２ａに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のに加え、ここでも、第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも小さい角度で入射した光の一部が第２の光学面１００ｂを透過することで、第１の臨界角プリズム１００に平行光が入射した場合と比較して、受光部４０での受光量は著しく減少する。なお、第１の臨界角プリズム１００に収束光が入射すると、受光部４０の受光面に形成される像は、図５（ｂ）で示した場合と同様に、光軸を境界として、調整レンズ８側（第１の光学面１００ａが位置する側）に形成される円弧状の像が、調整レンズ８とは反対側（第１の光学面１００ａが位置する側の反対側）に形成される円弧状の像よりも小さくなるように、扁平した形状に形成される。

図６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の受光部４０での受光量と検査対象２のｚ軸方向の位置との関係の一例を示した線図である。上述したように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、受光部４０が受光する光量が一番大きくなることから、画像生成部８３（図１参照）は、記憶部９０に記憶させた最大光量の位置情報を検出して、対応した検査対象２のプロファイルデータを生成する。上述したように、第１の臨界角プリズム１００に収束光又は拡散光が入射した際に、合焦面２ａに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を透過する光量が大きく減少するのに加え、第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも小さい角度で入射した光の一部が第２の光学面１００ｂを透過することで、受光部４０での受光量が著しく減少する。このため、本図に示すように、検査対象２の光軸方向（ｚ軸方向）位置に対する受光部４０の受光量の変化量が大きくなる。すなわち、受光部４０の受光量のピーク（最大値ｍａｘ）を頂点とする曲線の傾斜が急になる。したがって、検査対象２に対する光軸方向（ｚ軸方向）の分解能を向上させることができる。図中実線は、第１の臨界角プリズム１００を用いた場合、図中一点鎖線は、第１の臨界角プリズム１００を用いなかった場合を示している。

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、調整レンズ８と結像レンズ６との間に配設された第１の臨界角プリズム１００に収束光又は拡散光が入射した際に、合焦面２ａに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を透過する光量が大きく減少するのに加え、第１の臨界角プリズム１００の第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも小さい角度で入射した光の一部が第２の光学面１００ｂを透過することで、受光部４０での受光量が著しく減少する。すなわち、検査対象２の光軸方向（ｚ軸方向）位置に対する受光部４０の受光量の変化量が大きくなる。したがって、検査対象２に対する光軸方向（ｚ軸方向）の分解能を向上させることができるので、検査対象の検査をより正確に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、第１の臨界角プリズム１００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。

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、上述した第１の臨界角プリズム１００が配設される位置が異なる点と、第１の補助光学系としての第１の補助レンズ１１０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’は、結像光学系としての結像レンズ６よりも焦点距離の短い第１の補助光学系としての第１の補助レンズ１１０を備え、第１の臨界角プリズム１００は、絞り部としてのピンホール４１と受光部４０との間の光路中に配置されるように構成される。第１の補助レンズ１１０は、ピンホール４１と第１の臨界角プリズム１００との間の光路中に配置される。すなわち、検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａが、ビームスプリッタ３１で反射される方向には、調整レンズ８（凸レンズ）、結像レンズ６、ピンホール４１、第１の補助レンズ１１０、第１の臨界角プリズム１００がこの順で配設されている。

検査対象２の表面が合焦面２ａとなっている状態である際に、結像レンズ６よりも焦点距離の短い第１の補助レンズ１１０は、焦点位置が結像レンズ６の焦点位置、すなわちピンホール４１のホール位置と一致するように配設される。第１の臨界角プリズム１００は、第１の補助レンズ１１０を介した光が、第１の光学面１００ａに入射するように配設される。すなわち、第１の臨界角プリズム１００は、第１の光学面１００ａが第１の補助レンズ１１０と対向するように配設される。第１の光学面１００ａから第１の臨界角プリズム１００に入射する光は、第２の光学面１００ｂで、第１の光学面１００ａに入射する光の光軸と交差する方向に反射される。第２の光学面１００ｂで反射した光は、第３の光学面１００ｃを介して出射される。第２の光学面１００ｂで反射した光が第３の光学面１００ｃを介して出射される方向には、受光部４０が配設されている。すなわち、第３の光学面１００ｃは、受光部４０と対向するように形成される。

検査対象２の表面が合焦面２ａとなっている状態である際、検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａは、調整レンズ８でほぼ完全な平行光に調整された後、結像レンズ６を介してピンホール４１上で結像し、ピンホール４１を透過する。ピンホール４１を透過した光は、当該第１の補助レンズ１１０を介して、ほぼ完全な平行光として第１の臨界角プリズム１００に入射する。ここで、第１の補助レンズ１１０は、結像レンズ６よりも焦点距離が短いので、第１の臨界角プリズム１００に入射する光の角度倍率が向上する。

例えば、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図１参照）側に検査対象２の凸部が位置し、第１の臨界角プリズム１００に収束光が入射した際、あるいは、合焦面２ａよりも対物レンズ５（図１参照）とは反対側に検査対象２の凹部が位置し、第１の臨界角プリズム１００に拡散光が入射した際には、第１の補助レンズ１１０の作用により第１の臨界角プリズム１００に入射する光の角度倍率が向上するので、第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも小さい角度で入射した光の一部が、より確実に第２の光学面１００ｂを透過する。すなわち、受光部４０での受光量がより明確に減少し、感度が向上する。

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、ピンホール４１と受光部４０との間に配設された第１の臨界角プリズム１００に収束光又は拡散光が入射した際に、合焦面２ａに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を透過する光量が大きく減少するのに加え、第１の臨界角プリズム１００の第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも小さい角度で入射した光の一部が第２の光学面１００ｂを透過することで、受光部４０での受光量が著しく減少する。すなわち、検査対象２の光軸方向（ｚ軸方向）位置に対する受光部４０の受光量の変化量が大きくなる。したがって、検査対象２に対する光軸方向（ｚ軸方向）の分解能を向上させることができるので、検査対象の検査をより正確に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。

さらに、第２の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’によれば、ピンホール４１と第１の臨界角プリズム１００との間に配設され、結像レンズ６よりも焦点距離の短い第１の補助レンズ１１０により、第１の臨界角プリズム１００に入射する光の角度倍率が向上するので、第１の臨界角プリズム１００に収束光又は拡散光が入射した際の受光部４０での受光量がより明確に減少し、感度が向上する。さらに、単純な構成の光学系により、ほとんど完全な平行光束となった状態の光を検出することになるので、合焦時においても有する収差の影響を軽減することができる。

図８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、第２の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’と同様に、上述した第１の臨界角プリズム１００が配設される位置が異なる点と、第１の補助光学系としての第１の補助レンズ１１０を備える点で異なる。また、第３の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’’が、第２の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’と異なる点は、ピンホール４１が配設される位置が異なる点と、第２の補助光学系として第２の補助レンズ１２０を備える点である。ここでは、第１の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１、第２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。

共焦点走査顕微鏡１’’は、結像光学系としての結像レンズ６の焦点位置を焦点とし、結像レンズ６よりも焦点距離の短い第１の補助光学系としての第１の補助レンズ１１０と、第１の補助レンズ１１０と受光部４０との間の光路中に配置される第２の補助光学系としての第２の補助レンズ１２０とを備える。第１の臨界角プリズム１００は、第１の補助レンズ１１０と第２の補助レンズ１２０との間の光路中に配置され、絞り部としてのピンホール４１は、第２の補助レンズ１２０と受光部４０との間の光路中の、第２の補助レンズ１２０の焦点位置に配置される。すなわち、検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａが、ビームスプリッタ３１で反射される方向には、調整レンズ８（凸レンズ）、結像レンズ６、第１の補助レンズ１１０、第１の臨界角プリズム１００がこの順で配設されている。

検査対象２の表面が合焦面２ａとなっている状態である際に、結像レンズ６よりも焦点距離の短い第１の補助レンズ１１０は、焦点位置が結像レンズ６の焦点位置と一致するように配設される。第１の臨界角プリズム１００は、第１の補助レンズ１１０を介した光が、第１の光学面１００ａに入射するように配設される。すなわち、第１の臨界角プリズム１００は、第１の光学面１００ａが第１の補助レンズ１１０と対向するように配設される。第１の光学面１００ａから第１の臨界角プリズム１００に入射する光は、第２の光学面１００ｂで、第１の光学面１００ａに入射する光の光軸と交差する方向に反射される。第２の光学面１００ｂで反射した光は、第３の光学面１００ｃを介して出射される。第２の光学面１００ｂで反射した光が第３の光学面１００ｃを介して出射される方向には、第２の補助レンズ１２０、ピンホール４１、受光部４０がこの順で配設されている。すなわち、第３の光学面１００ｃは、第２の補助レンズ１２０と対向するように形成される。

検査対象２の表面が合焦面２ａとなっている状態である際、検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａは、調整レンズ８でほぼ完全な平行光に調整された後、結像レンズ６を介して第１の補助レンズ１１０に入射し、ほぼ完全な平行光として第１の臨界角プリズム１００に入射する。ここで、第１の補助レンズ１１０は、結像レンズ６よりも焦点距離が短いので、第２の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’と同様に、第１の臨界角プリズム１００に入射する光の角度倍率が向上する。

第２の光学面１００ｂで反射し、第３の光学面１００ｃを介して出射される光は、第２の補助レンズ１２０に入射する。ここでは、第２の補助レンズ１２０は、第１の補助レンズ１１０と同様に、焦点距離が結像レンズ６の焦点距離よりも短くなるように構成される。ピンホール４１は、第２の補助レンズ１２０の焦点位置に配設される。

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、結像レンズ６と受光部４０との間に配設された第１の臨界角プリズム１００に収束光又は拡散光が入射した際に、合焦面２ａに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を透過する光量が大きく減少するのに加え、第１の臨界角プリズム１００の第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも小さい角度で入射した光の一部が第２の光学面１００ｂを透過することで、受光部４０での受光量が著しく減少する。すなわち、検査対象２の光軸方向（ｚ軸方向）位置に対する受光部４０の受光量の変化量が大きくなる。したがって、検査対象２に対する光軸方向（ｚ軸方向）の分解能を向上させることができるので、検査対象の検査をより正確に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。

さらに、第３の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’’によれば、結像レンズ６と第１の臨界角プリズム１００との間に配設され、結像レンズ６よりも焦点距離の短い第１の補助レンズ１１０により、第１の臨界角プリズム１００に入射する光の角度倍率が向上するので、第１の臨界角プリズム１００に収束光又は拡散光が入射した際の受光部４０での受光量がより明確に減少し、感度が向上する。さらに、ほとんど完全な平行光束となった状態の光を検出することになるので、合焦時においても有する収差の影響を軽減することができる。

また、第３の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’’によれば、検査対象２の表面が合焦面２ａとなっている状態である際に、例えば、第２の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’と比較して、ピンホール４１の回折光の影響を取り除くことができるので、第２の補助レンズ１２０に、ほとんど完全な平行光を入射させることができる。すなわち、極めて理想的な（純粋な）共焦点光学系を構築することができる。また、第２の補助レンズ１２０の焦点距離を、第１の補助レンズ１１０の焦点距離と同等にすることで、拡大倍率は、例えば、第１の補助レンズ１１０、第２の補助レンズ１２０を用いなかった場合とほぼ等しく、結像レンズ６とほぼ同等の光学系となるが、角度倍率が高くなることで、第１の臨界角プリズム１００に収束光又は拡散光が入射した際の受光部４０での受光量がより明確に減少し、感度を向上させることができる。

図９は、本発明の第４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４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、第２の臨界角プリズム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。

共焦点走査顕微鏡１’’’は、第１の臨界角プリズム１００の入射光と射出光を含む面と、入射光と射出光を含む面が平行な第２の臨界角プリズム１３０を備える。ここでは、第２の臨界角プリズム１３０は、第１の臨界角プリズム１００、第２の臨界角プリズム１３０の入射光と射出光を含む面が一致するように配設される。また、第２の臨界角プリズム１３０は、第１の臨界角プリズム１００と同様に、第１の光学面１３０ａと、第２の光学面１３０ｂと、第３の光学面１３０ｃとを有している。

第２の臨界角プリズム１３０は、第１の臨界角プリズム１００を通過し、第３の光学面１００ｃから出射される光が、第２の臨界角プリズム１３０の第１の光学面１３０ａに入射するように配設される。第２の臨界角プリズム１３０は、第１の光学面１３０ａが第１の臨界角プリズム１００の第３の光学面１００ｃと対向して密着するように配設される。第１の光学面１３０ａから第２の臨界角プリズム１３０に入射する光は、第２の光学面１３０ｂで、第１の光学面１３０ａ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１３０ｂは、第１の臨界角プリズム１００と同様に、第１の光学面１３０ａから入射する平行光束が、第２の光学面１３０ｂ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。すなわち、第２の光学面１３０ｂは、第１の光学面１３０ａ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２の光学面１３０ｂで反射した光は、第３の光学面１３０ｃを介して出射される。第２の光学面１３０ｂで反射した光が第３の光学面１００ｃを介して出射される方向には、結像レンズ６、ピンホール４１、受光部４０がこの順で配設されている。言い換えれば、第３の光学面１３０ｃは、結像レンズ６と対向するように形成される。

第１の臨界角プリズム１００に収束光あるいは拡散光が入射すると、第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも小さい角度で入射する光は、一部が第２の光学面１００ｂを透過する。一方、第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも大きい角度で入射する光は、第２の光学面１００ｂで全反射する。さらに、第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも大きい角度で入射し、第２の光学面１００ｂで全反射した光は、第２の臨界角プリズム１３０の第１の光学面１３０ａに入射し、第２の光学面１３０ｂに対して臨界角よりも小さい角度で入射することになる。したがって、第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも大きい角度で入射し、第２の光学面１００ｂで全反射した光は、一部が第２の光学面１３０ｂを透過する。すなわち、検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａは、第１の臨界角プリズム１００、第２の臨界角プリズム１３０を通過することで、ほぼ平行光以外の光が排除されることになる。この結果、輝点光１０ａが合焦面２ａに一致しない部分に投影された場合（第１の臨界角プリズム１００に拡散光又は収束光が入射した場合）は、輝点光１０ａが合焦面２ａと一致する部分に投影された場合（第１の臨界角プリズム１００に平行光が入射した場合）と比較して、受光部４０での受光量は極端に減少する。

以上で説明した本発明の第４の実施の形態に係る共焦点走査顕微鏡１’’’によれば、調整レンズ８と結像レンズ６との間に配設された第１の臨界角プリズム１００、第２の臨界角プリズム１３０に収束光又は拡散光が入射した際に、合焦面２ａに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を透過する光量が大きく減少するのに加え、第１の臨界角プリズム１００の第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも小さい角度で入射した光の一部が第２の光学面１００ｂを透過し、さらに、第２の光学面１００ｂに対して臨界角よりも大きい角度で入射した光も第２の臨界角プリズム１３０の第２の光学面１３０ｂで一部が透過することで、受光部４０での受光量が極端に減少する。すなわち、検査対象２の光軸方向（ｚ軸方向）位置に対する受光部４０の受光量の変化量が大きくなる。したがって、検査対象２に対する光軸方向（ｚ軸方向）の分解能を向上させることができるので、検査対象の検査をより正確に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。

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’’、１’’’では、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’’、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。例えば、第４の実施の形態で上述したように、第１の臨界角プリズム１００、第２の臨界角プリズム１３０を用いた場合、平行光が入射した際の第２の光学面１００ｂ、第２の光学面１３０ｂと光軸の角度を臨界角にごく近く（ごくわずかに大きく）することで、合焦面２ａに一致しない部分に投影された輝点光１０ａからの光はほぼ完全に遮光される。したがって、第１の臨界角プリズム１００、第２の臨界角プリズム１３０を用いることで、これを絞り部とし、ピンホール４１を省略した構成としてもよい。また、以上の説明では、共焦点走査顕微鏡１、１’、１’’、１’’’は、１個又は２個の臨界角プリズムを用いるものとして説明したが、３個以上の臨界角プリズムを組み合わせて用いてもよい。これにより、臨界角プリズムに入射する光の角度変化に対する受光部４０の受光量の変化量をさらに大きくすることができる。すなわち、検査対象２に対する光軸方向（ｚ軸方向）の分解能を向上させることができるので、検査対象の検査をより正確に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。

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第１の臨界角プリズムの作用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の受光部での受光量と検査対象のｚ軸方向の位置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４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。

符号の説明

１、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
８ 調整レンズ
１０ 投光部
１０ａ 輝点光
２０ 二次元走査ミラー
３１ ビームスプリッタ
３４ コリメータレンズ
４０ 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 画像生成部
８４ 表示制御部
９０ 記憶部
１００ 第１の臨界角プリズム
１１０ 第１の補助レンズ
１２０ 第２の補助レンズ
１３０ 第１の臨界角プリズム

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受光部と；
   前記検査対象と前記受光部との間の光路中に配置された第１の臨界角プリズムとを備える；
   共焦点型検査装置。
2. 前記受光部への光を絞る絞り部を備える、
   請求項１に記載の共焦点型検査装置。
3. 前記第１の臨界角プリズムは、前記対物光学系と前記結像光学系との間の光路中に配置される、
   請求項１又は請求項２に記載の共焦点型検査装置。
4. 前記結像光学系よりも焦点距離の短い第１の補助光学系を備え；
   前記第１の臨界角プリズムは、前記絞り部と前記受光部との間の光路中に配置され、
   前記第１の補助光学系は、前記絞り部と前記第１の臨界角プリズムとの間の光路中に配置される、
   請求項２に記載の共焦点型検査装置。
5. 前記結像光学系の焦点位置を焦点とし、当該結像光学系よりも焦点距離の短い第１の補助光学系と；
   前記第１の補助光学系と前記受光部との間の光路中に配置される第２の補助光学系とを備え；
   前記第１の臨界角プリズムは、前記第１の補助光学系と前記第２の補助光学系との間の光路中に配置され、
   前記絞り部は、前記第２の補助光学系と前記受光部との間の光路中の、当該第２の補助光学系の焦点位置に配置される、
   請求項２に記載の共焦点型検査装置。
6. 前記第１の臨界角プリズムの入射光と射出光を含む面と、入射光と射出光を含む面が平行な第２の臨界角プリズムを備える、
   請求項１又は請求項２に記載の共焦点型検査装置。
   

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