JP2007148084A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検物体にが多種にわたる場合でも正確に焦点検出を行うことができる焦点検出装置を提供する。
【解決手段】 ピンホール７２を透過した光束はその半分が遮光（７４）される。光束の残りの半分Ｌ１は対物レンズ３を透過し、対物レンズの焦点位置にスポット像を形成する。被検物体からの反射光束Ｌ２は対物レンズを介して集光され、焦点位置検出受光光学系８に入射される。焦点位置検出受光光学系８は受光した光を分岐し、一方の光束は第１結像レンズ７８によりスポット像を一次元ラインセンサ７９上に結像させ、結像した位置を検出する瞳半分隠しスリット投影方式による焦点検出を行う。分岐した他方の光束は、共焦点検出方式による焦点検出に用いられる。ここで、受光スリット８２を設け、その長手方向がスポット像の移動方向と一致するように配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、顕微鏡や半導体検査装置等に適用される焦点検出装置に関する。

従来の顕微鏡や半導体検査装置等に適用される焦点検出装置としては、瞳半隠しスリット投影方式と共焦点検出方式が知られている。
瞳半隠しスリット投影方式は、スリット像を送光する送光光学系に遮光板を設けて対物レンズの光軸に対して非対称な光束を形成し、対物レンズを介して前記非対称な光束からスリット像を被検物体に投影し、被検物体からの反射光を対物レンズを介して集光し、前記反射光の結像面付近に配置された検出面上でのスリット像の位置に応じて、被検物体の対物レンズの焦点面からのずれを検出するものである（特許文献１参照）。

また、共焦点検出方式は、ピンホールを介して形成されるスポット像を被検物体に投影し、受光光学系の前記スポット像の共役位置近傍に配置された前記ピンホールを通過した反射光の光量を検出し、その光量が最大になる位置を合焦位置とするものである（特許文献２参照）。また、共焦点検出方式の変形例として、受光光学系を複数の光学系に分岐し、合焦位置に対してそれぞれ前後にずれた位置にピンホールを配置し、それぞれのピンホールを通過する光量を求め、焦点合せのために被検物体の位置を調整するものも存在する。
特開２００４−７０２７６号公報 特開昭６３−３０６４１３号公報

しかし、瞳半分隠しスリット投影方式の焦点検出装置は、被検物体がガラスウェハ等の透明物体である場合、透明物体の表面に合焦させると、透明物体の裏面からの反射光が受光光学系に入るためにスリット像が複数できてしまい、正しい焦点位置検出ができないという問題点がある。
また、共焦点検出方式の焦点検出装置は、被検物体が粗面である場合には、被検物体からの反射光が広がってしまうためにスポット像が結像しなくなり、正しい焦点位置検出ができないという問題点がある。

本発明は、前記した従来技術の問題点に鑑み為されたもので、被検物体が多種にわたる場合でも正確に焦点検出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。

請求項１記載の焦点検出装置は、対物レンズの光軸に対して非対称な光束で対物レンズを介して被検物体にスポット像を投影し、スポット像の反射光束を対物レンズを介して集光し、反射光束の結像面付近に配置された検出面上でのスポット像から、被検物体面の対物レンズの焦点面からのずれを検出する焦点検出装置において、対物レンズを介して集光された反射光束を少なくとも２つの焦点位置検出系に分岐する反射光束分岐手段と、分岐された第１焦点位置検出系は、結像面に形成されたスポット像の位置に基づいて、被検物体面の対物レンズの焦点面からのずれを検出する第１焦点検出手段を備え、分岐された第２焦点位置検出系は、結像面付近にスリットを配置し、スリットを透過した光束の光量に基づいて、被検物体面の対物レンズの焦点面からのずれを検出する第２焦点検出手段を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の焦点検出装置は、請求項１記載の焦点検出装置において、第１焦点位置検出系におけるスポット像の移動する方向と第２焦点位置検出系に配置されたスリットの長手方向とが、光学的に一致する方向であることを特徴とする。
請求項３記載の焦点検出装置は、請求項１記載の焦点検出装置において、第１焦点位置検出系の検出するスポット像の大きさに基づいて、第１焦点検出手段と第２焦点検出手段とを切り換えることを特徴とする。

請求項４記載の焦点検出装置は、対物レンズの光軸に対して非対称な光束で対物レンズを介して被検物体にスポット像を投影し、スポット像の反射光束を対物レンズを介して集光し、反射光束の結像面付近に配置された検出面上でのスポット像に基づいて、被検物体面の対物レンズの焦点面からのずれを検出する焦点検出装置において、検出面上に形成されたスポット像の位置に基づいて、被検物体面の対物レンズの焦点面からのずれを検出し、かつ受光光量の総和に基づいて被検物体面の対物レンズの焦点面からのずれを検出する狭帯幅一次元撮像手段を備え、狭帯幅一次元撮像手段は、検出面上に形成されたスポット像の移動する方向とその長手方向とが一致する方向に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、被検物体が多種にわたる場合でも正確に焦点検出を行うことができる焦点検出装置を提供することができる。

本発明の実施形態は、瞳半分隠しスリット投影方式と共焦点検出方式のそれぞれの長所を生かして組み合わせ、被検物体が多種にわたる場合でも正確に焦点検出を行うものである。
すなわち、ピンホールを透過した光束はその半分が遮光板によって遮光される。遮光板は対物レンズの瞳位置共役面近傍に配置されている。光束の残りの半分は対物レンズを透過し、対物レンズの焦点位置にスポット像（ピンホール像）を形成する。被検物体からの反射光は対物レンズを介して集光され、受光光学系に導かれる。受光光学系では受光した光を分岐し、一方の光束は結像レンズによりスポット像を一次元ラインセンサ上に結像させ、結像した位置を検出する瞳半分隠しスリット投影方式による焦点検出を行う。分岐した他方の光束は、共焦点検出方式による焦点検出に用いられる。しかし、被検物体の位置に応じてスポット像が移動するため、焦点検出に用いるピンホールを焦点位置に配置すると光量の低下が激しく、位置検出ができなくなる。そこで、ピンホールの代わりに受光スリットを設け、受光スリットの長手方向がスポット像の移動方向と一致するように配置する。受光スリットを設けたことにより光量低下を防ぐことができ、スポット像の大きさの変化が検出可能になる。したがって、検出可能な焦点位置ずれ量の範囲は大きくなる。以下、図面を用いて詳細に本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１〜図９は、本発明の第１の実施形態を示す説明図である。

本実施形態においては、瞳半分隠しスリット投影方式と共焦点検出方式を組み合わせるときに光源を共通化して受光光学系で分岐して検出するようにしている。
図１は、第１の実施形態を示す説明図である。被検物体１は、水平方向および鉛直方向に移動可能なステージ２に搭載されている。光源４はハロゲンランプやＬＥＤなどから構成される。光源４からの光束は、照明光学系５と落射照明ミラー５１と対物レンズ３とを介して、照明光を被検物体１に照射する。被検物体１からの反射光は対物レンズ３を介して集光され、観察光学系６を介して、被検物体１の表面像を結像面６１に形成する。被検物体１の表面像は、接眼レンズを用いて目視観察されたり、またはＣＣＤ等の撮像素子に入射されて電気信号に変換され、その後画像処理装置に取り込まれて画像処理され、画像として観察される（撮像素子および画像処理装置等は不図示）。対物レンズ３の上方にはダイクロイックミラー３１が配置され、観察光は透過して観察光学系６へ進み、焦点検出光は後述するように焦点位置検出光学系７へ進む。

焦点位置検出光学系７は、観察光（光源４の光）とは異なる波長の光源（赤外ＬＥＤなど）７１の光でピンホール７２を照明し、ピンホール７２を透過した光をコリメータレンズ７３で集光し、対物レンズ３の瞳共役面近傍に配置された遮光板７４により、対物レンズ３の瞳面上で対物レンズ３の光軸に対し非対称な光束Ｌ１を形成する。図２（ａ）に光束Ｌ１の例を示す。この光束Ｌ１は送光／受光分岐ハーフミラー７５を透過し、リレーレンズ７６でリレーされ、前述のダイクロイックミラー３１で反射され、対物レンズ３を介して対物レンズ３の焦点位置近傍にピンホール７２の像を形成する。被検物体１の表面で反射されて形成される光束Ｌ２は、再び対物レンズ３で集光され、ダイクロイックミラー３１で反射され、焦点位置検出光学系７に再び帰ってくる。図２（ｂ）に光束Ｌ２の例を示す。このように戻ってきた光束Ｌ２は送光／受光分岐ハーフミラー７５で反射され、焦点位置検出受光光学系８に導かれる。

焦点位置検出受光光学系８において、光束Ｌ２は分岐ハーフミラー７７において第１の焦点位置検出系と第２の焦点位置検出系に分岐される。第１の焦点位置検出系は、瞳半分隠しスリット投影方式の焦点位置検出を行うものであり、第１結像レンズ７８によってスポット像が１次元ラインセンサ７９上に形成される。図３（ａ）は、スポット像Ｐが１次元ラインセンサ７９上に形成される状態を示している。１次元ラインセンサ７９は、焦点位置検出光学系７に設けられている遮光板７４により、光束が非対称になる方向、つまり披検物体１の位置ずれに応じてスポットが位置する方向に配列され画素ごとに照射した光の強度に応じた信号を出力する。焦点検出回路（不図示）は、１次元ラインセンサ７９の信号出力の重心と、あらかじめ登録している対物レンズ３の焦点面に被検物体１の表面が合致したときの信号の重心とを比較して、被検物体１の表面が対物レンズ３の焦点面からずれている量および方向を検出する。

第２の焦点位置受光系は、共焦点検出方式の焦点位置検出を行うものである。分岐ハーフミラー７７で分岐された光束Ｌ２は、第２結像レンズ８１によって受光スリット８２の面に結像され、受光スリット８２の背後には光強度を検出する受光センサ８３が配置されている。すなわち、光束Ｌ１が対物レンズ３の焦点位置に結像したとき、光束Ｌ２がスポット像を形成する位置に受光スリット８２が配置されている。このとき、受光スリット８２の長手方向は、焦点位置検出光学系７に設けられている遮光板７４により、光束が非対称になる方位に共役な方向、つまり被検物体１の位置ずれに応じて遮光板７４で非対称となった光束で形成されるスポット像が移動する方向に一致するように配置されている。この例では、受光スリット８２は、図１に示す矢印Ｘ方向から見たとき、図３（ｂ）に示すように、紙面に対して上下方向に配置されている。図３（ｂ）は、スポット像Ｐがスリット８２上に形成される状態を示している。受光センサ８３は、光電変換により共焦点信号を出力し、共焦点信号が最大出力となる位置を検出して合焦位置を求める。

図４は、被検物体１が対物レンズ３の焦点面より離れた状態（後ピン）を示す説明図である。図１と同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。非対称になった光束（Ｌ１）は、対物レンズ３の焦点位置で一度交差してから反射する。したがって、スポット像は瞳上で遮光されている方向に移動して広がった状態で、第１の焦点位置検出系の１次元ラインセンサ７９および第２の焦点位置検出系のスリット８２に到達する。第１の焦点位置検出系では、スポット像の移動量を検出し、第２の焦点位置検出系ではスポット像の移動する方向と直角方向にスポット像が広がり、スリット８２を透過する光量が低下することが検出される。図５（ａ）は、スポット像Ｐが１次元ラインセンサ７９上に形成される状態を示している。図５（ｂ）は、スリット８２上に形成される状態を示している。

図６は、被検物体１が対物レンズ３の焦点面より近づいた状態（前ピン）を示す説明図である。図１と同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。この場合には、非対称になった光束（Ｌ１）は対物レンズ３の焦点位置で交差する方向に進むが、交差する前に被検物体１で反射されてしまうので、スポット像は瞳上で遮光されている方向とは逆の方向に移動して広がる。図７（ａ）は、スポット像Ｐが１次元ラインセンサ７９上に形成される状態を示している。図７（ｂ）は、スポット像Ｐがスリット８２上に形成される状態を示している。

第２の焦点位置検出系では対物レンズ３の焦点位置から被検物体１がどちらの方向にずれても受光する光量が減ってしまうので、どちらの方向にずれているかを検出することができない。しかし、ステージ２を上下に移動させ、第２の焦点位置検出系の受光センサ８３から出力される共焦点信号が最大になる位置が、合焦位置である。
第２の焦点位置検出系でさらに光束を分岐し、受光スリットを二つ配置し、対物レンズ３の焦点位置と被検物体１の表面とが一致した位置（合焦状態）からそれぞれ被検物体側とその反対側にずれた位置に配置するようにし、ずれている方向を検出できるようにしてもよい。

被検物体１の表面が、ほぼ鏡面のように光を反射するような場合には、対物レンズ３の焦点位置からの被検物体１の表面のずれ量をδとし、対物レンズ３を介して焦点位置検出光学系７が被検物体１にスポット像を投影する際の開口数をＡとして、第１の焦点位置検出系でのスポット像Ｐの中心位置の移動量ｄ１は、次の式で示される。

また、第２の焦点位置検出系では、スリット８２を透過して検出される光量ｄ２は、スリット８２が被検物体１に投影されたときの幅をＳとして次の式で示される。

すなわち、焦点ずれ量δが十分小さいときには、ｄ１、ｄ２のどちらも焦点位置検出系が被検物体１にスポット像を投影する際の開口数Ａと焦点ずれ量δの積に比例する値となる。

図８は、被検物体１がガラスウェハなどの透明物体である場合を示す。図１と同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
被検物体１が透明物体の場合には、表面だけでなく裏面でも焦点検出光の反射が起きてしまう。このため、第１の焦点位置検出系では、表面からの反射光に裏面からの反射光が重なりスポット像が形成されるため、スポット像の位置が瞳上で遮光されている方向にずれているように検出されてしまう。図８においては、被検物体１の表面からの反射光束を実線で示し、被検物体１の裏面からの反射光束を点線で示している。図９（ａ）は、スポット像Ｐ１（表面：合焦）とスポット像Ｐ２（裏面：後ピン）が１次元ラインセンサ７９上に形成される状態を示している。

第２の焦点位置検出系では、被検物体１の表面からの反射光によるスポット像Ｐ１に被検物体１の裏面からの反射光によるスポット像Ｐ２が重なって受光スリット８２に形成される。図９（ｂ）は、スポット像Ｐ１（表面：合焦）とスポット像Ｐ２（裏面：後ピン）が受光スリット８２上に形成される状態を示している。
ステージ２を焦点位置より十分離れた状態から上げてくると、まず被検物体１の裏面に焦点が合ってくるので受光センサ８３の受光する光量は増加し、被検物体１の裏面が対物レンズ３の焦点位置近傍に来たときにピークとなる。さらにステージ２を上げると、被検物体１の裏面からの反射光は焦点が外れてくるが、被検物体１の表面からの反射光の焦点が合ってくるので、受光センサ８３の受光する光量は再び増加してくる。被検物体１の表面が対物レンズ３の焦点位置に一致すると、受光センサ８３の受光する光量は再びピークとなる。このため、被検物体１が対物レンズ３に近い側のピークに合致するようにステージ２を移動させることにより、正しく被検物体１の表面に対物レンズ３の焦点位置を合致させて合焦状態にすることができる。

第１の焦点位置検出系と第２の焦点位置検出系の切り換えは、第１の焦点位置検出系のスポット像の大きさを一次元ラインセンサ７９の出力信号をモニタ（不図示）することにより行うことができる。具体的には、第１の焦点位置検出系の１次元ラインセンサ７９の出力信号を所定の閾値を用いてスポット像信号として切り出し、その１次元方向の長さが所定の値、例えば焦点検出光学系のエアリーディスク半径（＝０．６１＊λ／Ａ）の４倍より長い場合には第２の焦点位置検出系に移行する。第２の焦点位置検出系において、二つのピーク（裏面、表面）を検出し、対物レンズ３に被検物体１が近くなる方のピークに合致するようにステージ２を移動させる。また、１次元ラインセンサ７９上のスポット像信号の１次元方向の長さが前記所定の値より小さい場合には、第１の焦点検出光学系が検出する被検物体１のずれ量の情報をもとにステージ２を移動させ、合焦状態にすることができる。

また、被検物体１が粗面である場合には、瞳半分隠しスリット投影方式を優先して行うことにより、被検物体１からの反射光が粗面に起因して広がってしまうような状態でも、正しい焦点位置を検出することができる。
（第２の実施形態）
図１０〜図１２は、本発明の第２の実施形態を示す説明図である。第２の実施形態は、１次元ラインセンサ７９を用いて、瞳半分隠しスリット投影方式と共焦点検出方式を行うものである。装置の構成としては第１の実施例から第２の焦点位置検出系を省略した形となり、図１０に示す構成となる。ここで、第１の実施例と同じ機能をするものは説明を省略する。

図１１に示すように、１次元ラインセンサ７９の幅Ｗおよび画素ピッチは、投影されるスポット像Ｐのサイズより小さくなるように構成されている。このため、図１１に示すように、スポット像Ｐは、１次元ラインセンサ７９から常時はみ出している。
このため、１次元ラインセンサ７９は、第１の実施形態におけるスリット８２に相当する。したがって、１次元ラインセンサ７９の各画素の出力信号の和が受光センサ８３（図１等参照）から出力される共焦点信号に相当する。

さらに、この方式では共焦点信号を形成するときに用いる画素数を限定することにより、ピンホールが配置される通常の共焦点検出方式と同等な信号コントラストを得て、合焦点位置を求めることができる。具体的には、ステージ２を上方または下方に移動しながら１次元ラインセンサ７９の中心付近の複数画素（例えば、１次元ラインセンサ７９が５０００画素で構成されている場合、２４９６番〜２５０５番の１０画素）の合計の出力信号を検出し、合計の出力信号が最大になったとき合焦したと判断する。

瞳半分隠しスリット投影方式としては、第１の実施形態と同様に、焦点検出回路（不図示）が、１次元ラインセンサ７９の出力が最大となる画素位置と、あらかじめ登録している対物レンズ３の焦点面に被検物体１の表面が合致したときの画素位置とを比較し、被検物体１の表面が対物レンズ３の焦点面からずれている量および方向を検出する。
第２の実施形態においても、被検物体１がガラスウェハなどの透明物体である場合、第１の実施形態と同様な処理を行うことで、透明物体の表面に合焦させることが可能である。

以上の説明から明らかなように、第２の実施形態においては、瞳半分隠しスリット投影方式の利点と共焦点検出方式の利点を組み合わせにより、ガラスウェハ等の透明物体の焦点位置を誤検出することがなくなる。また、被検物体１が粗面である場合には、瞳半分隠しスリット投影方式を優先して行うことにより、被検物体１からの反射光が粗面に起因して広がってしまうような状態でも、正しい焦点位置を検出することが可能になる。
（変形例）
図１２は、第１の実施形態と第２の実施形態に共通する変形例を示す図である。第１、第２の実施形態と相違している点は、遮光板７４が設けられていないこと、および光源７１とピンホール７２とコリメータレンズ７３が光軸の下側に設けられていることである。この場合、光束Ｌ１，Ｌ２は、図１３（ａ）（ｂ）に示す形状になる。なお、光源７１が射出する照明光の幅によっては、ピンホール７２は不要になる。
（付記事項）
第１の実施形態では、単一の共焦点検出方式を用いて説明したが、受光スリットを複数使って前ピンと後ピンの差信号を検出し、焦点検出を行うようにしてもよい。

また、第１の実施形態では、分岐ハーフミラー７７によって二つの焦点検出系に光束を分岐したが、分岐する数は二つ以上であってもよい。また、焦点検出系の数も二つに限定されるものではなく、任意の数でよい。
また、第１、第２の実施形態においては、観察系として、対物レンズ３と照明光学系５と観察光学系６を用いた落射明視野観察方式の顕微鏡に適用する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、暗視野照明や位相差観察、微分干渉法などを用いた各種の顕微鏡、半導体検査装置等に適用することができる。

本発明は、顕微鏡や半導体検査装置等に適用される焦点検出の分野において、産業上大いに利用することができる。

第１の実施形態を示す説明図である。 第１の実施形態における光束を示す説明図である。 第１の実施形態における合焦状態のスポット像を示す説明図である。 第１の実施形態における後ピン状態における光束を示す説明図である。 第１の実施形態における後ピン状態のスポット像を示す説明図である。 第１の実施形態における前ピン状態における光束を示す説明図である。 第１の実施形態における前ピン状態のスポット像を示す説明図である。 第１の実施形態において、被検物体が透明物体である場合の光束を示す説明図である。 第１の実施形態において、被検物体が透明物体である場合のスポット像を示す説明図である。 第２の実施形態を示す説明図である。 第２の実施形態におけるスポット像を示す説明図である。 第１、第２の実施形態の変形例を示す説明図である。 第１、第２の実施形態の変形例における光束を示す説明図である。

符号の説明

１…被検物体、２…ステージ、３…対物レンズ、４…光源、７…焦点位置検出光学系、８…焦点位置検出受光光学系、３１…ダイクロイックミラー、７１…光源、７２…ピンホール、７３…コリメータレンズ、７４…遮光板、７５…送光／受光分岐ハーフミラー、７６…リレーレンズ、７７…分岐ハーフミラー、７８…第１結像レンズ、７９…一次元ラインセンサ、８１…第２結像レンズ、８２…受光スリット、８３…受光センサ、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２…スポット像、Ｌ１，Ｌ２…光束。

Claims (4)

1. 対物レンズの光軸に対して非対称な光束で前記対物レンズを介して被検物体にスポット像を投影し、前記スポット像の反射光束を前記対物レンズを介して集光し、前記反射光束の結像面付近に配置された検出面上でのスポット像から、前記被検物体面の前記対物レンズの焦点面からのずれを検出する焦点検出装置において、
   前記対物レンズを介して集光された反射光束を少なくとも２つの焦点位置検出系に分岐する反射光束分岐手段と、
   分岐された第１焦点位置検出系は、結像面に形成されたスポット像の位置に基づいて、前記被検物体面の前記対物レンズの焦点面からのずれを検出する第１焦点検出手段を備え、
   分岐された第２焦点位置検出系は、結像面付近にスリットを配置し、前記スリットを透過した光束の光量に基づいて、前記被検物体面の前記対物レンズの焦点面からのずれを検出する第２焦点検出手段を
   備えたことを特徴とする焦点検出装置。
2. 請求項１記載の焦点検出装置において、
   前記第１焦点位置検出系における前記スポット像の移動する方向と前記第２焦点位置検出系に配置されたスリットの長手方向とが、光学的に一致する方向であることを特徴とする焦点検出装置。
3. 請求項１記載の焦点検出装置において、
   第１焦点位置検出系の検出するスポット像の大きさに基づいて、前記第１焦点検出手段と前記第２焦点検出手段とを切り換えることを特徴とする焦点検出装置。
4. 対物レンズの光軸に対して非対称な光束で前記対物レンズを介して被検物体にスポット像を投影し、前記スポット像の反射光束を前記対物レンズを介して集光し、前記反射光束の結像面付近に配置された検出面上でのスポット像に基づいて、前記被検物体面の前記対物レンズの焦点面からのずれを検出する焦点検出装置において、
   前記検出面上に形成された前記スポット像の位置に基づいて、前記被検物体面の前記対物レンズの焦点面からのずれを検出し、かつ受光光量の総和に基づいて前記被検物体面の前記対物レンズの焦点面からのずれを検出する狭帯幅一次元撮像手段を備え、
   前記狭帯幅一次元撮像手段は、前記検出面上に形成された前記スポット像の移動する方向とその長手方向とが一致する方向に配置されていることを特徴とする焦点検出装置。
   

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