JP2010243815A - 焦点検出機構及び焦点検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料像を撮像した画像信号を用いて焦点検出を行うと共に一層高精度な焦点位置検出を行うことができる焦点検出機構を実現する。
【解決手段】試料に向けて放出する照明光源１と、試料の画像信号を出力する第１の光検出手段２３を含む撮像光学系と、試料と対物レンズの焦点との間の距離を変化させる相対距離変化手段９と、照明光源の駆動する制御手段３２と、前記対物レンズ又は試料ステージの光軸方向の位置を検出する位置検出手段１１と、照明光の光量をモニタする第２の光検出手段４と、合焦点位置情報を出力する信号処理装置４０とを具え、信号処理装置４０は、試料画像のコントラストを算出する手段４４と、算出されたコントラストをモニタ信号を用いて正規化する手段４５と、正規化されたコントラストと前記位置信号との一連の関係に基づいて、コントラストが最大となる対物レンズ又は試料ステージの位置を検出する手段４６とを具える。
【選択図】図２

Description

本発明は、試料の画像信号から撮像光学系の焦点位置を検出する焦点検出機構に関するものである。

半導体デバイスやフォトマスクの製造工程には、各種光学式検査装置や測定装置が用いられ、製造工程中に形成されたパターン等が規格通りに形成されているか否か検査されている。例えば、位相シフトマスクの製造工程においては、干渉光学系が搭載された検査装置により、ガラス基板上に形成されたマスクパターンの位相シフト量が測定されている。また、フォトマスクの検査を行うマスク検査装置においては、透明基板上に形成されたフォトマスクの透過像や反射像を撮像し、撮像された画像に基づいてマスク検査が行われている。一方、半導体デバイスの微細化に対応するため、各種検査装置には、高ＮＡ（大きい開口数）を有する光学素子が用いられている。高ＮＡのレンズ系を用いた光学装置では、その焦点深度は一層浅くなるため、対物レンズが合焦点位置から僅かに変位するだけ不鮮明な画像が撮像されてしまう。このため、高精度の焦点検出装置の開発が強く要請されている。

従来の光学式検査装置や測定装置では、検査光学系や測定光学系とは別に焦点検出装置を設け、対物レンズや試料ステージの位置が調整されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のステッパ装置では、レチクルの画像を半導体ウェハ上に投影する投影光学系とは別に、投影光学系の結像面に対するウェハ表面の変位量を検出する焦点検出装置が用いられている。この焦点検出装置では、投影光学系の側方に焦点検出ビームを照射する照射光学系と、投影光学系をはさんで反対側に受光光学系を配置し、照射光学系から光軸に対して斜めに焦点検出ビームを投射し、ウェハ表面からの反射光を受光光学系により検出している。
特開平９−２２３６５７号公報

投影光学系や検査光学系とは別にオートフォーカス用の光学装置を設けたのでは、検査装置又は測定装置の製造コストが高価になる欠点がある。しかも、投影レンズ系や対物レンズ系の周囲には多くの素子や部材が配置されるため、空間的な利用効率の観点より望ましくないものである。このような不都合を解消するため、試料画像を撮像する撮像光学系からの出力信号を利用して焦点検出を行えば、製造コストが安価になると共に空間的な利用効率も向上する。

さらに、半導体デバイスの微細化に伴い、高ＮＡの光学素子が用いられ、光学素子の焦点深度が浅くなるため、撮像光学系の焦点を検出する精度として一層高い検出精度が要求されている。例えば、フォトマスクの検査に用いられるマスク検査装置や位相シフト量を測定する測定装置では、焦点検出の精度として、数１０ｎｍ程度の高い焦点検出精度が要求されている。

さらに、検査光の波長も短波長化し、検査用の光源或いは投影用の光源としてパルス発振するレーザ装置が用いられる場合も多い。しかし、光源としてパルス発振レーザを用いる場合、連続発振するレーザやランプの技術をそのまま利用することができないものである。特に、照明光源としてパルス発振するレーザ光源を用いる場合、パルス毎の発光光量が変動するため、光源変動に起因する誤差を除去する必要がある。

本発明の目的は、試料像を撮像した画像信号を用いて焦点検出を行うことができる焦点検出機構を実現することにある。
本発明の別の目的は、一層高精度な焦点位置検出を行うことができる焦点検出機構を実現することにある。
さらに、本発明の別の目的は、パルス発振するレーザを用いて試料像を撮像する光学装置において好適な焦点検出機構を提供することにある。

本発明による焦点検出機構は、試料を支持する試料ステージと、試料に向けてパルス状の照明光を所定の周期で繰り返し放出する照明光源を含む照明光学系と、試料から出射した光を受光する対物レンズ及び対物レンズから出射した光を受光して画像信号を出力する第１の光検出手段を含む撮像光学系と、試料と対物レンズの焦点との間の相対距離を変化させる相対距離変化手段と、前記照明光源を制御する制御手段と、前記第１の光検出手段から出力される画像信号を受け取って合焦点位置情報を出力する信号処理装置と具え、前記第１の光検出手段から出力される画像信号に基づいて試料の光学特性を出力する光学装置に用いられる焦点検出機構であって、
前記光学装置は、さらに、前記対物レンズ又は試料ステージの光軸方向の位置を検出し、位置信号として出力する位置検出手段と、前記照明光源から放出されるパルス状照明光の一部を受光し、照明光源から放出される照明光の光量をモニタしてモニタ信号を出力する第２の光検出手段とを有し、
前記信号処理装置は、前記画像信号又は正規化された画像信号から試料画像の焦点状態を示す焦点信号を算出する焦点信号演算手段と、前記モニタ信号を用いて前記画像信号又は前記焦点信号を正規化する正規化手段と、正規化された焦点信号と前記位置信号との一連の関係に基づいて、焦点状態が最良となる対物レンズ又は試料ステージの位置を検出するピーク位置検出手段とを具え、
焦点検出に際し、前記相対距離変化手段は、試料と対物レンズとの間の相対距離を連続的に変化させ、前記第１の光検出手段は、試料からの光を受光する露光期間中に試料から出射した光を１回又は複数回受光することを特徴とする。

本発明による焦点検出機構は、試料画像を撮像する撮像装置から出力される画像信号を用いて試料画像の焦点状態を示す焦点信号に基づいて焦点検出を行っているので、別途オートフォーカス装置を設ける必要がなく、光学装置の製造コストが大幅に安価になる。しかしながら、照明光源としてパルス光を発生するレーザ光源を用いる場合、レーザ光源から放出されるパルス光の光量が各パルス光毎に変動する不具合がある。レーザ光源の発光光量がパルスごとに変動すると、撮像される試料画像のコントラスト等の焦点信号も変動し、レーザ光源の発光光量の変動が焦点検出の誤差要因となってしまう。この課題を解決するため、本発明では、光源から放出される照明光の一部を第２光検出手段により検出し、モニタ信号として出力する。そして、信号処理装置において、画像信号又は焦点信号をモニタ信号を用いて正規化する。正規化された焦点信号を用いることにより、光源変動に起因する誤差が除外され、高精度な焦点検出を行うことが可能になる。

しかしながら、照明光源から放出されるパルス状の照明光の光量のバラツキが比較的大きい場合、モニタ信号を用いる正規化処理だけでは、十分に対応できず、焦点検出に誤差が含まれる場合がある。すなわち、照明光源から出射したパルス光の一部を受光する光学素子としてフォトダイオードを用いる場合、フォトダイオードから出力されるモニタ信号が誤差成分を含むため、光源の出力変動が大きい場合、モニタ信号による正規化処理に限界がある。そこで、第１の光検出手段であるＣＣＤカメラの露光期間中に、照明光源が規定回数の発光動作を行うように光源を制御する。これによって、露光時間あたりのパルス数が少なく、パルス数の変動が光量バラツキに大きく影響を与える場合であっても、その影響を抑制することが可能になる。この結果、モニタ信号による正規化処理と露光時間あたりのパルス数の均一化との相乗効果により、一層高精度な焦点検出を行うことが可能になる。

本発明による焦点検出機構の好適実施例は、制御手段は、前記照明光源の発光タイミング、第１の光検出手段から出力される画像信号の取り込みタイミング、前記第２の光検出手段から出力されるモニタ信号の取り込みタイミング、及び位置検出手段から出力される位置信号の取り込みタイミングを制御し、前記モニタ信号及び位置信号は、画像信号の読出しタイミングと同期して取り込まれることを特徴とする。

本発明による焦点検出機構の別の好適実施例は、第１の光検出手段から出力される画像信号、前記第２の光検出手段から出力されるモニタ信号及び位置検出手段から出力される位置信号を多重化する多重化手段を有し、前記画像信号、モニタ信号及び位置信号を多重化して信号処理装置に送ることを特徴とする。本例では、焦点検出処理に用いられる画像信号、モニタ信号及び位置信号を多重化して信号処理装置に送るので、各種信号処理を一括して行うことができ、高速で信号処理を行うことが可能になる。

本発明による焦点検出機構の好適実施例は、前記画像信号、モニタ信号及び位置信号は、前記制御手段及び当該制御手段により制御される第１のカメラリンクインタフェースが搭載されている制御装置（信号処理基板）に供給され、
前記信号処理装置は、第２のカメラリンクインタフェースを含むコンピュータシステムに実装され、
前記制御装置とコンピュータシステムとはカメラリンクケーブルにより相互接続され、
前記第１のカメラリンクインタフェースは、前記画像信号、モニタ信号及び位置信号を含むカメラリンクデータ信号を形成し、
当該カメラリンクデータ信号はカメラリンクケーブルを介して前記コンピュータシステムに伝送され、
前記第２のカメラリンクインタフェースは、受け取ったカメラリンクデータ信号から画像信号、モニタ信号及び位置信号をそれぞれ形成することを特徴とする。

本発明では、対物レンズ又は試料ステージを光軸方向に時間的に連続して移動させ、画像信号、モニタ信号及び位置信号を周期的に同期して取り込み、取り込まれた画像信号、モニタ信号及び位置信号を含むカメラリンクデータがコンピュータに周期的に送信されるので、コンピュータにおいて各種処理を一括して実行することが可能になる。この結果、一層高速で焦点検出を行うことが可能になる。

本発明による焦点検出方法は、試料を支持する試料ステージと、試料に向けてパルス状の照明光を所定の周期で繰り返し放出する照明光源を含む照明光学系と、試料から出射した光を受光する対物レンズ及び対物レンズから出射した光を受光して試料の画像信号を出力する第１の光検出手段を含む撮像光学系と、試料と対物レンズの焦点との間の相対距離を変化させる相対距離変化手段と、前記照明光源を制御する制御手段と、前記対物レンズ又は試料ステージの光軸方向の位置を検出し、位置信号として出力する位置検出手段と、前記照明光源から放出されるパルス状照明光の一部を受光し、照明光源から放出される照明光の光量をモニタしてモニタ信号を出力する第２の光検出手段と、前記画像信号、モニタ信号及び位置信号を受け取って合焦点位置情報を出力する信号処理装置とを具え、前記第１の光検出手段から出力される画像信号に基づいて試料の光学特性を出力する光学装置に用いられる焦点検出方法であって、
試料と対物レンズとの間の相対距離を連続的に変化させながら照明光源から所定の周期でパルス状の照明光を繰り返し放出する工程と、
前記第１の光検出手段により、試料からの光を受光する露光期間中に試料から出射した光を１回又は複数回受光して、焦点状態の異なる一連の試料画像を撮像する工程と、
第１の光検出手段から出力される画像信号の読出しタイミングと同期して、前記第２の光検出手段から出力されるモニタ信号及び位置検出手段から出力される位置信号の取り込む工程と、
前記画像信号又は正規化された画像信号を用いて試料画像の焦点状態を示す焦点信号を算出する工程と、
前記モニタ信号を用いて前記画像信号又は焦点信号を正規化する工程と、
正規化された焦点信号と前記位置信号との一連の関係に基づいて、焦点状態が最良となる対物レンズ又は試料ステージの位置を検出するピーク位置検出工程とを具えることを特徴とする。

本発明においては、試料画像の焦点状態に基づいて焦点検出を行っているので、別途焦点検出装置を設ける必要がなく、光学装置の製造コストが安価になる。
さらに、本発明では、光源から放出される照明光をモニタし、モニタ信号を用いて焦点信号を正規化しているので、パルス光源特有の光源変動に起因する誤差が除外され、一層高精度な焦点検出を行うことが可能になる。さらに、ＣＣＤカメラの露光期間中に、照明光源が規定回の発光動作を行うように光源を制御する。これによって、露光時間あたりのパルス数が少なく、パルス数の変動が光量ばらつきに大きく変動を与える場合であってもその影響を抑制することが可能になる。この結果、モニタ信号による正規化処理と露光時間あたりのパルス数の均一化との相乗効果により、一層高精度な焦点検出を行うことが可能になる。
さらにカメラリンクを利用して、画像信号、モニタ信号及び位置信号を含むカメラリンクデータ信号を形成してコンピュータに送信しているので、高速処理も可能になる。

本発明による焦点検出機構が搭載された位相シフト量測定装置の一例を示す図である。 信号処理のプロセスを示す図である。 本発明による焦点検出方法のアルゴリズムを示すフローチャートである。 トリガ信号、ＣＣＤカメラの読出し制御信号、モニタ信号の取り込み読出し制御、位置信号の取り込み制御、及びカメラリンクデータの形成タイミングを示す信号線図である。

図１は本発明による焦点検出機構を具える光学装置の一例を示す線図である。本例では、位相シフトマスクの位相シフト量を測定する位相シフト量測定装置に適用した焦点検出機構について説明する。照明光源１として波長が１９３ｎｍのパルス状の紫外光を放出するArFレーザを用いる。パルス状の照明光を放出する光源として、KrFレーザやＦ_２レーザを用いることができる。照明光源１は、後述するコンピュータシステムから供給される制御信号と制御装置２から供給されるトリガ信号とに基づいて駆動され、所定の周期でパルス状の照明光を放出する。照明光源１から出射した照明光は、ハーフミラー３に入射し、一部の照明光は反射し、残りの照明光は透過する。透過光は、フォトダイオード４に入射し、その出力信号は光源１から出射した照明光の強度をモニタするモニタ信号として制御装置２に供給される。尚、モニタ信号検出手段として、フォトマル等の各種光検出手段を用いることができる。

ハーフミラー３で反射した照明光は、集光レンズ５介して測定対象物である位相シフトマスク６に入射する。位相シフトマスクとして、ハーフトーン型の位相シフトマスク、レベンソン型の位相シフトマスク、トライトーンマスク等が対象となる。位相シフトマスク６は、試料ステージ７上に支持する。試料ステージ７は、３次元方向に移動可能なＸＹＺステージとする。位相シフトマスク６を透過した透過光は、対物レンズ８により集光する。対物レンズ７の焦点は、位相シフトマスク６の表面上に合わされる。一方、対物レンズの焦点が合焦位置から変位すると、正確な画像信号や干渉信号が得られず、結果として位相差や透過率測定の測定精度が低下する不具合が発生する。このため、対物レンズの焦点位置を正確に合焦点位置に設定する必要があり、高い検出精度のもとで焦点検出を行う必要がある。

対物レンズ８は、その光軸方向にそって変位可能に装着されると共に駆動モータ９が連結される。モータ９は、駆動回路１０から供給される駆動信号により駆動され、対物レンズ８はモータの駆動に応じて光軸方向に変位する。対物レンズの焦点と試料表面との間の相対距離は、モータ９を駆動することにより調整される。さらに、対物レンズ８には、対物レンズの光軸方向の位置を検出する位置検出手段として機能するＺ軸スケール１１が装着され、Ｚ軸スケール１１から出力される位置信号は制御装置２に供給される。

対物レンズ８から出射した透過光は、リレーレンズ１２を介して横ずらし干渉画像を形成するシャーリング干渉光学系１３に入射する。本例では、シャーリング干渉光学系としてマッハツェンダ光学系を用いる。マッハツェンダ光学系は、第１のハーフミラー１４を有し、入射した透過光を２分割する。ハーフミラー１４を透過した第１の透過光は第１の光学楔の組１５により所定量だけ横ずらしされ、全反射ミラー１６で反射し、ビーム合成素子として機能する第２のハーフミラー１７に入射する。ハーフミラー１４で反射した第２の透過光は、全反射ミラー１８で反射し、第２の光学楔の組１９に入射する。第２の光学楔の組１９は、固定配置された第１の光学楔１９ａと光軸と直交する方向に移動可能に配置された第２の光学楔１９ｂとを有する。第２の光学楔１９ｂには、モータ２０が連結され、モータ２０は、制御装置２から供給される駆動信号により駆動される駆動回路２１が接続される。第２の光学楔１９ｂは、モータ２０により光軸と直交する方向に連続的に移動して、入射した第２の透過光に対して例えば２πにわたって位相変調を行う。位相変調された第２の透過光は第２のハーフミラー１７に入射する。

ハーフミラー１７に入射した第１の透過光と第２の透過光は、当該ハーフミラーにより合成され、所定量だけ横ずらしされた干渉光が発生する。この干渉光は、結像レンズ２２を介して２次元撮像装置であるＣＣＤカメラ２３に入射する。ＣＣＤカメラ２３は、位相シフトマスク６の干渉画像を撮像し、画像信号を出力する。この画像信号は、増幅器２４により増幅され、カメラリンクを２５を介して制御装置２に供給される。本例では、ＣＣＤカメラから出力される画像信号から試料像の先鋭度を検出し、試料像の先鋭度に基づいて撮像光学系の焦点状態を検出する。

次に、焦点検出の信号処理のプロセスについて説明する。図２は信号処理のプロセスを示す図である。本例では、制御装置４は信号処理基板３０として構成する。また、各種演算処理はコンピュータ４０において実行され、信号処理基板３０とコンピュータ４０とはカメラリンクケーブル５０を介して相互接続する。コンピュータとして、種々のコンピュータシステムを用いることができ、例えばパーソナルコンピュータを用いことができる。

信号処理基板３０は、第１のカメラリンクインタフェース３１及び第１の制御手段（CPU）３２を有する。第１の制御手段３２は、ＣＣＤカメラ２３から出力される画像信号、フォトダイオードから出力されるモニタ信号及びＺ軸スケールから出力される位置信号の取り込みを制御する。

コンピュータシステム４０は、第２のカメラリンクインタフェース４１及び制御アプリケーション４２を有する。制御手段アプリケーション４２は、位相シフト量演算手段４３、コントラスト演算手段４４、正規化手段４５及びピーク位置検出手段４６を含む。さらに、制御アプリケーション４２は、上記処理手段を制御すると共に信号処理基板３０に実装されている第１の制御手段との間で制御信号の送受信を行う。また、２つのモータ駆動回路１０及び２１に制御信号を供給し、対物レンズ８を駆動制御すると共に第２の光学楔の組１９を制御する。

図４は、レーザ光源１の駆動を制御するトリガ信号、ＣＣＤカメラに発生した電荷を読み出す読出し制御信号、モニタ信号及び位置信号の取り込み制御信号、並びにカメラリンクデータ信号の形成タイミングを示す信号線図である。本発明では、ＣＣＤカメラの駆動制御信号をベースにしてモニタ信号及び位置信号の取り込み制御を行う。また、照明光源１は、ＣＣＤカメラの露光期間中に同一回数の発光動作を行うように制御される。このように、露光期間中に複数回発光動作を行うことにより、光源変動が平均化され、光源変動に起因する誤差が低減される。

初めに、照明光源１の駆動制御について説明する。信号処理基板３０に実装されている第１の制御手段３２から発振器３３に所定の周波数の制御信号を供給する。発振器３３は、所定の周波数のトリガ信号を繰り返し発生し、発生したパルス信号をレーザ光源１に供給する。発光動作前に、コンピュータ４０に実装されている第２の制御手段４２からレーザ光源１に上記パルス信号と同一周波数の制御信号を供給する。この制御信号により、レーザ光源１はレディー状態となり、第１の制御手段から供給されるトリガ信号に基づいて所定の周期で繰り返し発光動作を行う。

次に、画像信号、モニタ信号及び位置信号の取り込みについて説明する。第１の制御手段３２は、レーザ光源を制御するトリガ信号の周波数の例えば１／４の周波数の同期信号を形成し、カメラリンクインタフェース３１に供給する。カメラリンクインタフェース３１は、同期信号と同一周波数の読出し制御信号を形成し、当該読出し制御信号をカメラリンク２５を介してＣＣＤカメラ２３に供給し、ＣＣＤカメラに蓄積された電荷を画像信号として読み出す。また、カメラリンクインタフェース３１は、ＣＣＤカメラからの画像信号の取り込みと同期して、位置検出器１１により検出される位置信号を伝送ラインを介して取り込む。さらに、モニタ信号を形成するフォトダイオード４からの出力は、電流／電圧変換器３４により電圧信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器３５によりデジタル信号に変換され、積算手段３６に供給される。カメラリンクインタフェース３１は、ＣＣＤカメラからの画像信号の取り込みと同期して積算手段３６の出力を取り込み、モニタ信号を形成する。従って、レーザ光源の発光周期の４倍の周期で、画像信号、モニタ信号及び位置信号が同期して第１のカメラリンクインタフェースに取り込まれる。

第１のカメラリンクインタフェース３１は、多重化手段としての機能を有し、画像信号にモニタ信号及び位置信号を挿入し、画像信号、モニタ信号及び位置信号を含むカメラリンクデータ信号を形成する。そして、カメラリンクケーブル５０を介してコンピュータ４０に送信する。従って、画像信号、モニタ信号及び位置信号が同時にコンピュータに送信される。

カメラリンクデータ信号は、カメラリンクケーブル５０を介してコンピュータに実装されている第２のカメラリンクインタフェース４１に供給される。尚、カメラリンクインタフェース４１の前段にフレームバッファを接続してカメラリンクデータ信号を一時的に格納することも可能である。第２のカメラリンクインタフェース４１は、多重分離手段としての機能を有し、カメラリンクデータ信号から画像信号、モニタ信号及び位置信号を分離する。分離された画像信号及びモニタ信号は、位相シフト量演算手段４３に供給されて、モニタ信号により正規化された画像信号を用いて位相シフト量が算出される。

位相シフト量演算手段４３は、例えばＣＣＤカメラにより撮像される２組の横ずらし干渉画像について２πにわたって位相変調を行うことにより得られる２組の画像間の位相差を演算し、演算された位相差を位相シフト量として算出する。

また、画像信号は、コントラスト演算手段４４にも供給されてコントラスト値が演算される。本発明では、試料画像の焦点状態に基づいて焦点検出を行う。試料画像の焦点状態を検出する手法の種々の方法を用いることができ、本例では、試料画像の先鋭度に基づいて焦点状態を検出し、試料の焦点状態を示す焦点信号を発生する。試料画像の先鋭度を示す情報として、１フレームの画像中の最大輝度値と最小輝度値との輝度差を示すコントラスト値を用いることができ、或いはパターン画像のエッジ部の輝度変化の微分値を用いることも可能である。本例では、試料画像の先鋭度を示す情報としてコントラスト値を用い、コントラスト値を焦点信号としてコントラスト演算手段４４から出力する。コントラスト演算手段は、１つのフレーム中の画素の最大輝度値と最小輝度値との差を演算し、焦点信号として出力する。尚、特定の画素について、特異的な輝度値が検出された場合、閾値を超える特異的な輝度値を除外して、コントラスト値を求めても良い。

得られた焦点信号は、正規化手段４５に供給される。正規化手段４５には、モニタ信号も供給される。正規化手段４５は、コントラスト値をモニタ信号の値により除算して正規化する。正規化することにより、コントラスト値は、レーザ光源の発光光量の変動に起因する誤差要因が除去されたコントラスト値が出力される。

尚、モニタ信号を用いて画像信号について正規化処理を行い、正規化された画像信号をコントラスト演算手段に供給し、正規化された画像信号に基づいてコントラスト値を形成し、焦点信号として出力することも可能である。

正規化されたコントラスト値を示す焦点信号は、ピーク位置検出手段４６に供給する。ピーク位置検出手段４６には、位置信号も供給される。ピーク位置検出手段４６は、一連の位置情報と正規化されたコントラスト値とに基づいてコントラスト値がピークとなる対物レンズの位置を検出する。尚、ピーク位置の検出方法として、本例では、曲線近似を行ってピーク位置を特定する。曲線近似の例として、例えば２次曲線近似を用いることができる。このように、ピーク位置検出手段において、一連の対物レンズの位置とコントラスト値との関係を求め、曲線近似法を適用してコントラストがピークとなる対物レンズの位置を特定する。

求められたピーク位置情報は、第２の制御手段４２に供給され、第２の制御手段から駆動回路１０に制御信号を供給して対物レンズを合焦位置に設定する。そして、位相シフト量の測定が行われる。

次に、本発明による焦点検出プロセスのアルゴリズムについて説明する。図３は、本発明による焦点検出アルゴリズムの一例を示すフローチャートである。ステップ１において、対物レンズを基準位置まで移動させる。基準位置として、例えば対物レンズの上側端又は下側端を用いる。

ステップ２において、対物レンズの光軸方向の連続移動を開始する。移動方向として、下から上に向けて又は上から下に向けて移動させることができる。

続いて、ステップ３において、レーザ光源（照明光源）が、ＣＣＤカメラの露光時間中に規定回数の発光動作を行うように所定の周期で繰り返し発光させる。

ＣＣＤカメラの露光時間に同期して画像信号、モニタ信号及び位置信号を取り込む（ステップ４）

ステップ５において、取り込んだ各信号についてカメラリンクデータを形成する。すなわち、画像信号にモニタ信号及び位置信号を挿入してカメラリンクデータを形成する。続いて、ステップ６において、形成されたカメラリンクデータをコンピュータに送信する。必要に応じて、コンピュータにおいて、カメラリンクデータを一時記憶手段に記憶する（ステップ７）

ステップ８において、カメラリンクデータについて多重分離処理を行い、画像信号、モニタ信号及び位置信号を取り出す。

取り出された画像信号についてコントラスト値を演算する（ステップ９）。続いて、コントラスト値についてモニタ信号を用いて正規化処理を行う（ステップ１０）。さらに、対物レンズの位置と正規化されたコントラスト値との組を形成する（ステップ１１）。

レーザ光源の発光動作毎に上記ステップ４〜１０の工程を繰り返し、一連のコントラスト値と対物レンズ位置との組を形成する（ステップ１１）。

ＣＣＤカメラの露光時間に同期して上記ステップＳ３〜Ｓ５を繰り返し、コンピュータに送信されたカメラリンクデータについてステップＳ８〜Ｓ１１を繰り返す（ステップ１２）。

次に、ステップ１３において、一連の対物レンズの位置とコントラスト値との組を形成する。

一連の対物レンズの位置とコントラスト値との組について２次曲線近似を行い、対物レンズのピーク位置を検出し、焦点位置の検出操作は終了する（ステップ１４）。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、位相シフト量を測定する位相シフト量測定装置を例にして説明したが、対物レンズの焦点を検出して合焦位置に設定する必要がある全ての光学式の検査装置や測定装置に適用することが可能である。さらに、透過型の検査装置や測定装置だけでなく、反射型の検査装置等にも適用される。例えば、検査すべき試料の上方から対物レンズを介して試料に向けて照明ビームを投射し、対物レンズにより試料からの反射光を受光し、各種撮像装置により試料像を撮像する装置にも勿論適用される。

さらに、上述した実施例では、対物レンズの焦点と試料との間の相対距離を変化させる方法として対物レンズを光軸方向に沿って移動させたが、試料ステージを対物レンズの光軸方向に移動させることにより対物レンズの焦点と試料との間の距離を変化させる方式にも適用される。この場合、試料ステージの光軸方向の位置を検出して位置信号を生成する。

さらに、上述した実施例では、対物レンズの光軸方向の位置を検出して位置信号を形成したが、対物レンズと試料又は試料ステージとの間の距離を検出し、検出された距離を位置信号の代わりに用いることも可能である。また、対物レンズの焦点と試料表面との間の相対距離は、試料ステージを対物レンズの光軸方向に移動させることにより調整することが可能である。

さらに、上述した実施例では、レーザ光源の発光光量をモニタする手段としてフォトダイオードを用いたが、フォトダイオード以外の各種光検出手段を用いることができる。

１ 照明光源
２ 制御装置
３ ハーフミラー
４ フォトダイオード
５，集光レンズ
６ 位相シフトマスク
７ 試料ステージ
８ 対物レンズ
９，２０ モータ
１０，２１ 駆動回路
１１ Ｚ軸スケール
１２ リレーレンズ
１３ シャーリング干渉光学系
１４，１７ ハーフミラー
１５，１９ 光学楔の組
１６，１８ 全反射ミラー
２３ ＣＣＤカメラ
３０ 信号処理基板
４０ コンピュータ
５０ カメラリンクケーブル

Claims (13)

1. 試料を支持する試料ステージと、試料に向けてパルス状の照明光を所定の周期で繰り返し放出する照明光源を含む照明光学系と、試料から出射した光を受光する対物レンズ及び対物レンズから出射した光を受光して画像信号を出力する第１の光検出手段を含む撮像光学系と、試料と対物レンズの焦点との間の相対距離を変化させる相対距離変化手段と、前記照明光源を制御する制御手段と、前記第１の光検出手段から出力される画像信号を受け取って合焦点位置情報を出力する信号処理装置と具え、前記第１の光検出手段から出力される画像信号に基づいて試料の光学特性を出力する光学装置に用いられる焦点検出機構であって、
   前記光学装置は、さらに、前記対物レンズ又は試料ステージの光軸方向の位置を検出し、位置信号として出力する位置検出手段と、前記照明光源から放出されるパルス状照明光の一部を受光し、照明光源から放出される照明光の光量をモニタしてモニタ信号を出力する第２の光検出手段とを有し、
   前記信号処理装置は、前記画像信号又は正規化された画像信号から試料画像の焦点状態を示す焦点信号を算出する焦点信号演算手段と、前記モニタ信号を用いて前記画像信号又は前記焦点信号を正規化する正規化手段と、正規化された焦点信号と前記位置信号との一連の関係に基づいて、焦点状態が最良となる対物レンズ又は試料ステージの位置を検出するピーク位置検出手段とを具え、
   焦点検出に際し、前記相対距離変化手段は、試料と対物レンズとの間の相対距離を連続的に変化させ、前記第１の光検出手段は、試料からの光を受光する露光期間中に試料から出射した光を１回又は複数回受光することを特徴とする焦点検出機構。
2. 請求項１に記載の焦点検出機構において、前記制御手段は、前記第１の光検出手段の露光期間中に前記照明光源が規定回数だけ発光するように照明光源の発光タイミングを制御すると共に、第１の光検出手段から出力される画像信号の読出しタイミング、前記第２の光検出手段から出力されるモニタ信号の取り込みタイミング、及び位置検出手段から出力される位置信号の取り込みタイミングを制御し、前記モニタ信号及び位置信号は、画像信号の読出しタイミングと同期して取り込まれることを特徴とする焦点検出機構。
3. 請求項１又は２に記載の焦点検出機構において、前記試料画像の焦点状態を示す焦点信号として、試料画像の先鋭度を示す信号を用い、前記ピーク位置検出手段は、先鋭度が最大となる対物レンズ又は試料ステージの位置を合焦点位置情報として出力することを特徴とする焦点検出機構。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の焦点検出機構において、前記第１の光検出手段は２次元撮像装置により構成され、前記第２の光検出手段はフォトダイオードにより構成され、前記正規化手段は、前記焦点信号演算手段から出力される焦点信号又は２次元撮像装置から出力される画像信号をフォトダイオードから出力されるモニタ信号を用いて除算することにより、焦点信号又は画像信号を正規化することを特徴とする焦点検出機構。
5. 請求項４に記載の焦点検出機構において、前記フォトダイオードの出力信号は周期的に読み出され、積算手段により積算され、積算された信号をモニタ信号として信号処理装置に出力することを特徴とする焦点検出機構。
6. 請求項３に記載の焦点検出機構において、前記ピーク位置検出手段は、試料画像の先鋭度と位置信号との一連データについて曲線近似を行うことによりピーク位置を検出することを特徴とする焦点検出機構。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の焦点検出機構において、前記第１の光検出手段から出力される画像信号、前記第２の光検出手段から出力されるモニタ信号及び位置検出手段から出力される位置信号を多重化する多重化手段を有し、前記画像信号、モニタ信号及び位置信号を多重化して信号処理装置に送ることを特徴とする焦点検出機構。
8. 請求項７に記載の焦点検出機構において、前記画像信号、モニタ信号及び位置信号は、前記制御手段及び当該制御手段により制御される第１のカメラリンクインタフェースが搭載されている制御装置にそれぞれ供給され、
   前記信号処理装置は、第２のカメラリンクインタフェースを含むコンピュータシステムに実装され、
   前記制御装置とコンピュータシステムとはカメラリンクケーブルにより相互接続され、
   前記第１のカメラリンクインタフェースは、前記画像信号、モニタ信号及び位置信号を含むカメラリンクデータ信号を形成し、
   当該カメラリンクデータ信号はカメラリンクケーブルを介して前記コンピュータシステムに伝送され、
   前記第２のカメラリンクインタフェースは、受け取ったカメラリンクデータ信号から画像信号、モニタ信号及び位置信号をそれぞれ形成することを特徴とする。
9. 請求項１から８までのいずれか１項に記載の焦点検出機構において、前記試料として位相シフトマスクを用い、前記信号処理装置は、前記画像信号から位相シフトマスクの位相シフト量を算出する手段を有することを特徴とする焦点検出機構。
10. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の焦点検出機構において、前記照明光源としてパルス状の照明光を放出するＡｒＦレーザ、ＫｒＦレーザ、又はＦ_２レーザを用いることを特徴とする焦点検出機構。
11. 試料を支持する試料ステージと、試料に向けてパルス状の照明光を所定の周期で繰り返し放出する照明光源を含む照明光学系と、試料から出射した光を受光する対物レンズ及び対物レンズから出射した光を受光して試料の画像信号を出力する第１の光検出手段を含む撮像光学系と、試料と対物レンズの焦点との間の相対距離を変化させる相対距離変化手段と、前記照明光源を制御する制御手段と、前記対物レンズ又は試料ステージの光軸方向の位置を検出し、位置信号として出力する位置検出手段と、前記照明光源から放出されるパルス状照明光の一部を受光し、照明光源から放出される照明光の光量をモニタしてモニタ信号を出力する第２の光検出手段と、前記画像信号、モニタ信号及び位置信号を受け取って合焦点位置情報を出力する信号処理装置とを具え、前記第１の光検出手段から出力される画像信号に基づいて試料の光学特性を出力する光学装置に用いられる焦点検出方法であって、
    試料と対物レンズとの間の相対距離を連続的に変化させながら照明光源から所定の周期でパルス状の照明光を繰り返し放出する工程と、
    前記第１の光検出手段により、試料からの光を受光する露光期間中に試料から出射した光を１回又は複数回受光して、焦点状態の異なる一連の試料画像を撮像する工程と、
    第１の光検出手段から出力される画像信号の読出しタイミングと同期して、前記第２の光検出手段から出力されるモニタ信号及び位置検出手段から出力される位置信号の取り込む工程と、
    前記画像信号又は正規化された画像信号を用いて試料画像の焦点状態を示す焦点信号を算出する工程と、
    前記モニタ信号を用いて前記画像信号又は焦点信号を正規化する工程と、
    正規化された焦点信号と前記位置信号との一連の関係に基づいて、焦点状態が最良となる対物レンズ又は試料ステージの位置を検出するピーク位置検出工程とを具えることを特徴とする焦点検出方法。
12. 請求項１１に記載の焦点検出方法において、さらに、前記画像信号、モニタ信号及び位置信号を多重化する工程を含み、多重化された画像信号、モニタ信号及び位置信号を前記信号処理装置に送ることを特徴とする焦点検出方法。
13. 請求項１２に記載の焦点検出方法において、前記画像信号、モニタ信号及び位置信号は、第１のカメラリンクインタフェースが搭載されている制御装置にそれぞれ供給され、前記信号処理装置は、第２のカメラリンクインタフェースを含むコンピュータシステムに実装され、前記制御装置とコンピュータシステムとはカメラリンクケーブルにより相互接続され、当該焦点検出方法は、さらに、
    前記第１のカメラリンクインタフェースにより、前記画像信号、モニタ信号及び位置信号を含むカメラリンクデータ信号を形成する工程と、
    カメラリンクデータ信号をカメラリンクケーブルを介して前記コンピュータシステムに伝送する工程と、
    前記第２のカメラリンクインタフェースにより、受け取ったカメラリンクデータ信号から画像信号、モニタ信号及び位置信号をそれぞれ形成する工程とを含むことを特徴とする焦点検出方法。

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