JP2015225288A - オートフォーカス装置及びオートフォーカス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パターン投影法を用いるものであって、従来に比べて高速で焦点合わせを行うことができるオートフォーカス装置及びオートフォーカス方法を提供する。【解決手段】オートフォーカス装置１は、試料の表面に向けて光を出射させる光源１１と、光源１１と試料Ｓとの間に配置されて試料Ｓの表面に所定のパターン像を投影させるパターン投影板１２と、試料Ｓの表面に投影されたパターン像を撮像する第二撮像部１７と、第二撮像部１７が撮像した画像のコントラストを算出するとともに当該算出されたコントラストに基づいて第二撮像部１７の焦点を試料Ｓの表面に合わせる方向に当該試料Ｓを移動させる制御部５０とを備えており、光源１１からパターン投影板１２及び試料Ｓを経て第二撮像部１７に至る光路において、当該光路と直交する面内で光路長が変化するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、パターン投影法によって焦点合わせを行うオートフォーカス装置及びオートフォーカス方法に関する。

従来、各種の光学式測定装置に用いられるオートフォーカス装置として、パターン投影法によって焦点合わせを行うものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。パターン投影法とは、被測定物の表面に投影したパターン像のコントラストを利用して当該表面上に焦点を合わせる手法であり、一般に、被測定物に対して光学系（カメラ）を光路上で相対的に接離させつつパターン像のコントラストを連続的に測定し、最大のコントラストが得られるカメラの位置を合焦点位置とするものである。

特開２０１０−１２８３３０号公報 特開２００６−１５４６９３号公報

しかしながら、上記従来のパターン投影法では、被測定物に対してカメラを相対的に接離させつつ連続的にコントラストを測定しなければならないために、合焦点位置の検出に時間が掛かってしまう。そのため、フォーカス方向と直交する方向に被測定物を移動させながら測定を行う場合には、被測定物を所定距離だけ移動させてはカメラを接離させて焦点合わせを行う必要があり、被測定物の移動と測定を同時に且つ連続的に行うことが困難であった。
なお、パターン投影法ではなくレーザ反射法を用いるものであれば、より高速に焦点合わせを行うことも可能ではあるが、このレーザ反射法を用いる装置は、構成が大掛かりで高価なものであるため好ましくない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、パターン投影法を用いるものであって、従来に比べて高速で焦点合わせを行うことができるオートフォーカス装置及びオートフォーカス方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
被測定物の表面に向けて光を出射させる光源と、
前記光源と前記被測定物との間に配置され、前記被測定物の表面に所定のパターン像を投影させるパターン投影手段と、
前記被測定物の表面に投影されたパターン像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段が撮像した画像のコントラストを算出する算出手段と、
前記算出手段が算出したコントラストに基づいて、前記撮像手段の焦点を前記被測定物の表面に合わせる方向に当該被測定物を移動させる移動制御手段と、
を備えるオートフォーカス装置であって、
前記光源から前記パターン投影手段及び前記被測定物を経て前記撮像手段に至る光路において、当該光路と直交する面内で光路長が変化するように構成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
前記パターン投影手段は、所定のパターンが形成されたパターン投影板であり、
前記パターン投影板及び前記撮像手段のうちの少なくとも一方が、それぞれの光軸と直交する面に対して傾斜した状態に配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
前記パターン投影手段は、前記光路と直交する面内で動径方向に光路長を変化させるパターン投影レンズであり、
前記光源と前記パターン投影レンズとの間に所定のパターンを有するパターン投影板が配置されているか、又は、前記パターン投影レンズの表面に所定のパターンが形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載のオートフォーカス装置において、
前記被測定物は、前記光源からの光の照射方向と直交する所定の移動方向に移動しており、
前記移動制御手段は、前記撮像手段が撮像した画像に基づいて、前記照射方向及び前記移動方向の何れとも直交する方向における前記被測定物の端部を検出し、当該端部が一定の位置を保つように前記被測定物の向きを調整することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載のオートフォーカス装置において、
前記所定のパターンが、縞状パターン，ランダムパターン又は同心円パターンであることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、
光源と被測定物との間にパターン投影手段を配置しつつ前記光源から前記被測定物の表面に向けて光を出射させ、前記被測定物の表面に所定のパターン像を投影させるパターン投影工程と、
前記被測定物の表面に投影されたパターン像を撮像手段で撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像された画像のコントラストを算出する算出工程と、
前記算出工程で算出されたコントラストに基づいて、前記撮像手段の焦点を前記被測定物の表面に合わせる方向に当該被測定物を移動させる移動制御工程と、
を備えるオートフォーカス方法であって、
前記パターン投影工程では、前記光源から前記パターン投影手段及び前記被測定物を経て前記撮像手段に至る光路において、当該光路と直交する面内で光路長を変化させた状態で、前記被測定物の表面にパターン像を投影させることを特徴とする。

本発明によれば、光源からパターン投影手段及び被測定物を経て撮像手段に至る光路において、当該光路と直交する面内で光路長が変化するように構成されているので、被測定物の表面に投影されたパターン像を撮像手段で撮像した画像は、コントラストの分布を有するものとなる。これにより、予め判明している撮像手段の所定の合焦点位置にコントラストの最大値の部分が位置するように被測定物を移動させることによって、撮像手段の焦点を被測定物の表面上に合わせることができる。つまり、被測定物に対してカメラを相対的に接離させつつ連続的にコントラストを測定する必要があった従来と異なり、撮像手段による一度の撮像によってコントラストの分布を有する画像を得ることができ、このコントラストの分布に基づいて撮像手段の焦点を合わせることができる。したがって、従来に比べ、高速で焦点合わせを行うことができる。

第１の実施形態のオートフォーカス装置を具備する欠陥測定装置の概略構成を示す図である。 第１の実施形態のパターン投影板に形成されたパターンを示す図である。 焦点位置換算データを示す図である。 ９０度散乱法の原理を説明するための概念図である。 図２のパターンが投影された試料の表面を撮像した画像を示す図である。 画像から算出されたコントラストの分布を示す図である。 ランダムパターンを示す図である。 同心円パターンを示す図である。 第１の実施形態の変形例のオートフォーカス装置の構成を示す図である。 第２の実施形態のオートフォーカス装置の構成を示す図である。 第２の実施形態のパターン投影レンズの変形例を示す図である。 第２の実施形態のオートフォーカス装置の動作を説明するための図である。 第２の実施形態の変形例のオートフォーカス装置の構成を示す図である。

以下、この発明を実施するための形態であるオートフォーカス装置及びオートフォーカス方法について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
＜欠陥測定装置１００の概略構成＞
まず、本発明の第１の実施形態であるオートフォーカス装置１を具備する欠陥測定装置１００の概略構成について説明する。図１は、欠陥測定装置１００の概略構成を示す図である。
この図に示すように、欠陥測定装置１００は、後述する９０度散乱法を用い、例えばシリコンウェハなどの試料（被測定物）Ｓの内部欠陥を測定するものである。具体的には、欠陥測定装置１００は、試料Ｓが載置されるＸＹＺステージ６０と、試料Ｓにレーザ光を照射する図示しないレーザ発振器と、試料Ｓの内部欠陥によって散乱された散乱光を撮像するための光学系３０及び第一撮像部４０と、第一撮像部４０の焦点を試料Ｓの表面に合わせるオートフォーカス装置１と、欠陥測定装置１００の各部を統括制御する制御部５０とを備えている。なお、ＸＹＺステージ６０，光学系３０及び制御部５０は、後述するように、オートフォーカス装置１を構成するものでもある。

＜オートフォーカス装置１の構成＞
続いて、オートフォーカス装置１の構成について説明する。
オートフォーカス装置１は、いわゆるパターン投影法を用いて第一撮像部４０の焦点を試料Ｓの表面に合わせるものであり、パターンを投影するための光をＺ方向に沿って試料Ｓの表面（後述する第２の面Ｆ２）へ照射する光源１１を備えている。この光源１１の種類は、パターンを明瞭に投影可能なものであれば特に限定されない。

光源１１から試料ＳまでのＺ方向に沿った入射光軸Ａｘ１上には、パターン投影板１２と、ハーフミラー１３と、コリメータレンズ１４と、ダイクロイックミラー１５と、対物レンズ１６とが、光源１１側からこの順に配置されている。

このうち、パターン投影板１２は、光源１１からの光を部分的に透過させて所定のパターン像を試料Ｓの表面に投影させるものであり、本実施形態では、図２に示すように、ＸＺ平面に平行な複数の直線孔からなる縞状のパターンが形成されている。なお、本実施形態のパターン投影板１２は、パターンが全面に亘っては形成されておらず、Ｙ方向の端部が透明部（図２の上部）となっている。また、図２では、透明部を黒、遮光部を白で示している。
また、図１に示すように、このパターン投影板１２は、入射光軸Ａｘ１と直交する面（ＸＹ平面）に対して傾斜可能に構成されており、本実施形態では、コリメータレンズ１４の結像位置近傍におけるＹ方向に沿った中心軸回りに、所定のチルト角θで傾斜した状態に配置されている。

ハーフミラー１３は、入射光軸Ａｘ１に対して４５度の角度で配置されており、光源１１からの光をＺ方向に沿って透過させる一方で、試料Ｓの表面で反射された光をＹ方向へ反射させる。また、ハーフミラー１３のＹ方向には、当該ハーフミラー１３を介して試料Ｓの表面を撮像する例えばＣＭＯＳカメラなどの第二撮像部１７が配置されている。つまり、本実施形態のオートフォーカス装置１では試料Ｓを対物レンズ１６側から照明する落射照明方式が採られており、試料Ｓからの観察光軸Ａｘ２は、入射光軸Ａｘ１（Ｚ方向）に沿ってハーフミラー１３に至った後に当該ハーフミラー１３からＹ方向に沿って第二撮像部１７に至るものとなっている。また、第二撮像部１７は、その撮像範囲内に試料ＳのＹ方向の端部が含まれるとともに、対物レンズ１６下方の焦点が第一撮像部４０のものとほぼ一致するように設けられている。

ダイクロイックミラー１５は、光の波長によって透過率が異なるミラーであり、青色光を透過させるとともに赤外光を反射させる。このダイクロイックミラー１５は、入射光軸Ａｘ１に対して４５度の角度で配置されており、後述するように、試料Ｓからの散乱光（赤外光）をＹ方向へ反射させる。また、ダイクロイックミラー１５のＹ方向には、結像レンズ３１及び上述の第一撮像部４０が配置されている。なお、このダイクロイックミラー１５，対物レンズ１６及び結像レンズ３１は、欠陥測定装置１００における上述の光学系３０を構成するものでもある。

また、オートフォーカス装置１は、上述のＸＹＺステージ６０及び制御部５０を備えている。
このうち、制御部５０は、入力される指示に応じて所定のプログラムに基づいた処理を実行し、オートフォーカス装置１の各部を統括制御する。具体的には、制御部５０は、所定のプログラムに従って光源１１や第二撮像部１７，ＸＹＺステージ６０の動作を制御したり、各種の演算処理を実行したりする。また、制御部５０は、図示しない入力部や表示部と接続されており、入力部によるユーザ操作を受け付けたり、各種情報を表示部に表示させたりするようになっている。

また、制御部５０は、各種のプログラムやデータを記憶する記憶部５１を有している。この記憶部５１には、焦点合わせを実行するためのデータの１つとして、図３に実線で示す焦点位置換算データ５１０が格納されている。
焦点位置換算データ５１０は、パターン投影板１２上に位置するコリメータレンズ１４の結像位置と、試料Ｓの表面の高さ位置との対応を表わす換算式であり、コリメータレンズ１４及び対物レンズ１６の各焦点距離に依存したものとなっている。言い換えれば、この焦点位置換算データ５１０は、試料Ｓの表面のＺ方向への移動量と、この移動によるコリメータレンズ１４の結像位置のＺ方向への変化量との対応関係を表わすものである。なお、この焦点位置換算データ５１０は、コリメータレンズ１４の結像位置を試料Ｓの表面の高さ位置に換算可能なものであれば、換算式でなくデータテーブルなどであってもよい。

＜欠陥測定装置１００の欠陥測定時の動作＞
続いて、試料Ｓの内部欠陥を測定する際の欠陥測定装置１００の動作について説明する。
欠陥測定装置１００では、後述するオートフォーカス装置１の動作により第一撮像部４０の焦点合わせがリアルタイムに実行されつつ、９０度散乱法による試料Ｓの内部欠陥の測定が行われる。

ここで、９０度散乱法の原理について簡単に説明する。図４は、９０度散乱法の原理を説明するための概念図である。
この図に示すように、９０度散乱法においては、試料Ｓの第１の面Ｆ１にはビーム径が絞られたレーザ光（赤外光）が照射され、試料Ｓの内部欠陥によって散乱されて試料Ｓの第２の面Ｆ２から出た散乱光が結像される。例えば、シリコンウェーハでは、第１の面Ｆ１としてはウェーハ面である（１００）面、第２の面Ｆ２としては劈開面である（１１０）面が選択される。
この９０度散乱法においては、まず、試料Ｓにレーザ光を照射して撮像部の受光面を一定時間露光させ、散乱情報を得る。その後、試料Ｓを−Ｘ方向に移動させ、相対的に試料Ｓに対してレーザ光をＸ方向に沿って１ライン分スキャンさせる。そして、上記と同様に一定時間露光させる。このような動作を繰り返して試料Ｓの所定の領域をスキャンさせる。なお、この間、試料Ｓの第１の面Ｆ１と第２の面Ｆ２は、後述するように、オートフォーカス装置１によって一定の位置に保たれている。
以上のようにして、試料Ｓの内部欠陥に対応した二次元欠陥画像が得られる。そして、この二次元欠陥画像に基づいて内部欠陥の測定が行われる。これが９０度散乱法の原理である。

具体的には、図１に示すように、欠陥測定装置１００では、図示しないレーザ発振器で発生されて所定のビーム径に絞られたレーザ光（赤外光）が、Ｙ方向に沿って試料Ｓの第１の面Ｆ１に照射される。この第１の面Ｆ１に照射されたレーザ光は、大部分が試料Ｓの内部に入射し、内部欠陥で散乱される。そして、この散乱によって生じて第２の面Ｆ２から出た散乱光（赤外光）は、対物レンズ１６で集められ、ダイクロイックミラー１５で反射されて第一撮像部４０に到達し結像される。そして、この第一撮像部４０で光電変換が行われ、この光電変換により第一撮像部４０で生成された電気信号が制御部５０に送られる。すると、制御部５０は、記憶部５１に記憶された欠陥測定用プログラムやデータに従って、この電気信号を処理し、内部欠陥の測定を行う。

＜オートフォーカス装置１の動作＞
続いて、オートフォーカス装置１の動作について説明する。
オートフォーカス装置１では、制御部５０が光源１１を点灯させると、光源１１から入射光軸Ａｘ１に沿って出射された光が、パターン投影板１２、ハーフミラー１３、コリメータレンズ１４、ダイクロイックミラー１５及び対物レンズ１６を介して試料Ｓの表面（第２の面Ｆ２）に照射される。この光は、パターン投影板１２を通過することにより、Ｘ方向に沿った複数の直線からなる縞状のパターン像を試料Ｓの表面に投影する。

次に、制御部５０は、第二撮像部１７を駆動して、試料Ｓの表面に投影された（当該表面で反射した）パターン像を撮像する。
このとき、パターン投影板１２がＸＹ平面に対してＹ方向に沿った中心軸回りに傾斜していることにより、光源１１からパターン投影板１２及び試料Ｓを経て第二撮像部１７に至る光路において、当該光路と直交する面内で光路長が変化している。そのため、パターン像を撮像した画像は、例えば図５に示すように、Ｘ方向にコントラストの分布を有するものとなる。つまり、この画像は、合焦点位置に対応した部分ではコントラストが高く、当該部分から離れるに連れてコントラストが低下するものとなる。

次に、制御部５０は、第二撮像部１７が撮像した画像を解析して、当該画像のＸ方向におけるコントラスト分布を算出する。このコントラスト分布の算出は、例えば、得られた画像の輝度分散を求め、各Ｘ方向位置における輝度の最大値を平均値で除すことにより行われる。

こうして、制御部５０は、図６に示すように、Ｘ方向におけるコントラストの分布を算出する。このコントラスト分布は、試料Ｓの表面の高さ位置が対物レンズ１６の結像位置と一致していた場合には、第二撮像部１７の所定の合焦点位置において最大値を有するものとなる。したがって、コントラストの最大値の位置と合焦点位置とのＸ方向の焦点位置ずれ量ΔＰが、Ｚ方向における第二撮像部１７の焦点のずれを意味する。なお、合焦点位置は、コリメータレンズ１４，対物レンズ１６及び第二撮像部１７の緒元等によって定まるものであり、予め判明している。

次に、制御部５０は、記憶部５１に記憶された焦点位置換算データ５１０に基づいて、算出した焦点位置ずれ量ΔＰをゼロにするための、試料Ｓの表面のＺ方向への移動量を算出する。具体的には、制御部５０は、コリメータレンズ１４及び対物レンズ１６の拡大倍率とパターン投影板１２のチルト角θとから、Ｘ方向の焦点位置ずれ量ΔＰに対応するコリメータレンズ１４の結像位置のＺ方向への変化量を算出した後に、このコリメータレンズ１４の結像位置の変化量に対応する試料Ｓの表面のＺ方向への移動量を、焦点位置換算データ５１０に基づいて算出する。そして、制御部５０は、ＸＹＺステージ６０を駆動して、算出した移動量だけ試料ＳをＺ方向に移動させる。
こうして、第二撮像部１７の焦点が試料Ｓの表面上に合わせられ、これに伴って、第二撮像部１７の焦点とほぼ一致している第一撮像部４０の焦点も、試料Ｓの所定位置（内部の観察位置）に合わせられることとなる。

また、制御部５０は、第二撮像部１７が撮像した画像に基づいて、ＸＹＺステージ６０上での試料Ｓの向きの調整を行う。上述の通り、欠陥測定時には試料Ｓが−Ｘ方向に移動しているため、試料ＳがＸＹＺステージ６０上に斜めに配置されていたり反っていたりすると、Ｘ方向の移動に伴って試料ＳがＹ方向にも移動してしまう。そこで、制御部５０は、第二撮像部１７が撮像した画像から試料ＳのＹ方向の端部位置（図５参照）を検出し、この端部位置が常に一定となるように、ＸＹＺステージ６０を駆動して試料Ｓの向きを調整する。

制御部５０は、これらの制御を欠陥測定装置１００の欠陥測定時に継続的に行う。つまり、欠陥測定装置１００では、試料Ｓの内部欠陥の測定と、オートフォーカス装置１による焦点合わせ及び試料Ｓの向き調整とが同時に行われる。これにより、試料Ｓの移動を伴う場合であっても、第一撮像部４０の焦点合わせ等をリアルタイムに行いつつ、好適に欠陥測定を行うことができる。

＜第１の実施形態の効果＞
以上のように、第１の実施形態によれば、光源１１からパターン投影板１２及び試料Ｓを経て第二撮像部１７に至る光路において、当該光路と直交する面内で光路長が変化するように構成されているので、試料Ｓの表面に投影されたパターン像を第二撮像部１７で撮像した画像は、コントラストの分布を有するものとなる。これにより、予め判明している第二撮像部１７の所定の合焦点位置にコントラストの最大値の部分が位置するように試料Ｓを移動させることによって、第二撮像部１７の焦点を試料Ｓの表面上に合わせ、ひいては第一撮像部４０の焦点を試料Ｓの所定位置に合わせることができる。つまり、被測定物に対してカメラを相対的に接離させつつ連続的にコントラストを測定する必要があった従来と異なり、第二撮像部１７による一度の撮像によってコントラストの分布を有する画像を得ることができ、このコントラストの分布に基づいて第二撮像部１７及び第一撮像部４０の焦点を合わせることができる。したがって、従来に比べ、高速で焦点合わせを行うことができる。
またこれにより、フォーカス方向（Ｚ方向）と直交する方向（Ｘ方向）への試料Ｓの移動と測定とを同時に且つ連続的に行うことができる。

なお、オートフォーカス装置１では、光源１１からパターン投影板１２及び試料Ｓを経て第二撮像部１７に至る光路において、当該光路と直交する面内で光路長が変化するように構成されていればよい。したがって、パターン投影板１２を傾斜させずに、第二撮像部１７をＹ方向に沿った観察光軸Ａｘ２と直交する面に対して傾斜させてもよいし、パターン投影板１２及び第二撮像部１７の両方を傾斜させてもよい。つまり、パターン投影板１２及び第二撮像部１７のうちの少なくとも一方が、それぞれの光軸と直交する面に対して傾斜した状態に配置されていればよい。
但し、パターン投影板１２及び第二撮像部１７の両方を傾斜させる場合、これらを互いに対応した方向に傾斜させる必要があることは勿論である。このようにパターン投影板１２及び第二撮像部１７の両方を傾斜させることにより、試料Ｓの表面の高さ位置に対する感度を上げる（すなわち、図３の換算式の傾きを大きくする）ことができる。

また、パターン投影板１２に形成されるパターンは、縞状のものに限定されず、例えば図７に示すように、不規則なランダムパターンであってもよい。このうち、図７（ａ）は、白黒の２諧調だけのランダムパターンを示しており、図７（ｂ）は、白黒での複数諧調の濃淡を有するランダムパターンを示している。これらのランダムパターンを有するパターン投影板１２は、乱数を発生させて濃淡に変換し、メッシュ上に割り付けることによって作成することができる。
さらに、パターン投影板１２に形成されるパターンは、図８に示すように、複数の同心円線からなる同心円パターンであってもよい。
これらのランダムパターンや同心円パターンを用いることにより、Ｚ方向の焦点合わせだけでなく、試料Ｓの表面の傾きも補正することができる。より詳しくは、ランダムパターンを用いて二次元的にコントラストの変化を検出したり、同心円パターンを用いてコントラストの動径方向の変化を極座標的に検出したりすることによって、試料Ｓの表面の傾きも補正することができる（後述する第２の実施形態参照）。

＜第１の実施形態の変形例＞
続いて、上記第１の実施形態におけるオートフォーカス装置１の変形例であるオートフォーカス装置１Ａについて説明する。図９は、オートフォーカス装置１Ａの構成を示す図である。
上記第１の実施形態のように１枚のパターン投影板１２だけを用いた場合には、焦点合わせが可能なＺ方向の範囲が限られてしまう。そこで、本変形例のオートフォーカス装置１Ａでは、複数のパターン投影板１２を用いることによって、焦点合わせが可能なＺ方向の範囲を拡大させている。

具体的には、図９に示すように、オートフォーカス装置１Ａでは、試料ＳのＺ方向にカラーカメラである第二撮像部１７Ａが配置され、この第二撮像部１７Ａと試料Ｓとの間に、第一ダイクロイックミラー１８Ａ、第二ダイクロイックミラー１８Ｂ、コリメータレンズ１４、対物レンズ１６が配置されている。第一ダイクロイックミラー１８Ａは、赤色光を透過させるとともに青色光を反射させるものであり、その反射方向（Ｙ方向）には、パターン投影板１２Ａと、青色の照明光を発する光源１１Ａとが配置されている。また、第二ダイクロイックミラー１８Ｂは、青色光を透過させるとともに赤色光を反射させるものであり、その反射方向（Ｙ方向）には、パターン投影板１２Ｂと、赤色の照明光を発する光源１１Ｂとが配置されている。パターン投影板１２Ａ及びパターン投影板１２Ｂは、上記第１の実施形態におけるパターン投影板１２と同様に、それぞれ所定のパターンを有するとともに所定のチルト角で傾斜している。また、パターン投影板１２Ａ及びパターン投影板１２Ｂは、互いに光学的等価位置からずらして配置されている。

このような構成により、オートフォーカス装置１Ａでは、例えば図３に実線と破線で示すように、２つのパターン投影板１２Ａ，１２Ｂによる焦点位置換算データ５１０Ａ，５１０Ｂが、試料Ｓの表面の高さ位置（すなわち図３の横軸）の範囲が互いに異なるものとなる。そして、第二撮像部１７Ａで撮像された画像から、パターン投影板１２Ａによる青色光のコントラスト分布と、パターン投影板１２Ｂによる赤色光のコントラスト分布とを個別に算出し、対応する焦点位置換算データ５１０Ａ，５１０Ｂを用いて、焦点を合わせるための試料Ｓの移動量を求めることができる。したがって、１枚のパターン投影板１２だけを用いる場合に比べ、焦点合わせが可能なＺ方向の範囲を拡大させることができる。

［第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態であるオートフォーカス装置２について説明する。

＜オートフォーカス装置２の構成＞
まず、オートフォーカス装置２の構成について説明する。図１０は、オートフォーカス装置２の構成を示す図である。なお、上記第１の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図１０に示すように、オートフォーカス装置２は、上記第１の実施形態におけるパターン投影板１２に代えて、パターン投影板２２及びパターン投影レンズ２９を備えるとともに、あおり機構６１を備えている。

パターン投影板２２は、Ｚ方向と直交するように配置されており、本実施形態では、同心円パターン（図８参照）が形成されたものである。
パターン投影レンズ２９は、パターン投影板２２とハーフミラー１３との間に配置されており、本実施形態では、円錐面を試料Ｓ側に向けたアキシコンレンズである。このパターン投影レンズ２９は、Ｚ方向に沿って見たときに、円錐面側の頂点がパターン投影板２２における同心円パターンの中心と一致するように配置されている。

なお、パターン投影板２２及びパターン投影レンズ２９は、試料Ｓの表面に所定のパターンを投影可能であればよく、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、パターン投影レンズ２９の平面又は円錐面にパターンを形成し、パターン投影板２２を省いてもよい。
また、パターン投影レンズ２９は、アキシコンレンズではなく平凸レンズであってもよい。この場合にも、図１１（ｃ），（ｄ）に示すように、パターン投影レンズ２９の平面又は凸面にパターンを形成し、パターン投影板２２を省いてもよい。
また、パターン投影板２２に形成されるパターンは、同心円パターンでなく、ランダムパターン（図７参照）であってもよい。

あおり機構６１は、ＸＹＺステージ６０を支持するように配置されており、ＸＹＺステージ６０ごと試料Ｓの傾きを調整可能な２軸の傾斜ステージである。このあおり機構６１は、制御部５０と電気的に接続されており、当該制御部５０に駆動制御されるようになっている。

＜オートフォーカス装置２の動作＞
続いて、オートフォーカス装置２の動作について説明する。図１２は、オートフォーカス装置２の動作を説明するための図である。
オートフォーカス装置２では、制御部５０が光源１１を点灯させると、光源１１から入射光軸Ａｘ１に沿って出射された光が、パターン投影板２２、パターン投影レンズ２９、ハーフミラー１３、コリメータレンズ１４及び対物レンズ１６を介して試料Ｓの表面に照射される。この光は、パターン投影板２２及びパターン投影レンズ２９を通過することにより、パターン投影板２２のパターンに対応したパターン像を試料Ｓの表面に投影する。

次に、制御部５０は、第二撮像部１７を駆動して、試料Ｓの表面に投影されたパターン像を撮像する。
このとき、パターン投影レンズ２９が円錐面を有するアキシコンレンズ（又は凸面を有する平凸レンズ）であることにより、光源１１からパターン投影板２２，パターン投影レンズ２９及び試料Ｓを経て第二撮像部１７に至る光路において、当該光路と直交する面内で、光路長が動径方向（中心から周辺に向かう方向）に二次元的に変化している。そのため、パターン像を撮像した画像は、試料Ｓの表面の傾きやＺ方向位置に応じたコントラストの分布を有するものとなる。つまり、この光学系では等光路長面が二次元的に変化するため、この画像は、図１２（ａ）に示すように、合焦点位置に対応した楕円状の高コントラスト領域を有するものとなる。

次に、制御部５０は、上記第１の実施形態と同様に、第二撮像部１７が撮像した画像を解析して当該画像のコントラスト分布を算出し、上述の高コントラスト領域の位置を求める。そして、制御部５０は、図１２（ｂ）に示すように、楕円状の高コントラスト領域が所定の位置を中心とする円状のものになるように、ＸＹＺステージ６０及びあおり機構６１を駆動して試料ＳのＺ方向位置及び傾きを調整する。
こうして、第二撮像部１７の焦点が試料Ｓの表面上に合わせられるとともに、試料Ｓの表面の傾きが補正されることとなる。

＜第２の実施形態の効果＞
以上のように、第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、光源１１から試料Ｓを経て第二撮像部１７に至る光路において光路長が動径方向に二次元的に変化しているので、試料Ｓの表面の画像のコントラスト分布から試料Ｓの表面の傾きを求めて、当該傾きを補正することができる。

＜第２の実施形態の変形例＞
続いて、上記第２の実施形態におけるオートフォーカス装置２の変形例であるオートフォーカス装置２Ａについて説明する。図１３は、オートフォーカス装置２Ａの構成を示す図である。
この図に示すように、オートフォーカス装置２Ａは、上記第１の実施形態の変形例であるオートフォーカス装置１Ａと略同様の構成を有している。より詳しくは、オートフォーカス装置２Ａは、上記第１の実施形態の変形例であるオートフォーカス装置１Ａにおけるパターン投影板１２Ｂに代えて、上記第２の実施形態のものとほぼ同様のパターン投影板２２Ｂ及びパターン投影レンズ２９Ｂを備えるとともに、あおり機構６１を備えており、その他の点についてはオートフォーカス装置１Ａと同様に構成されている。
パターン投影板２２Ｂ及びパターン投影レンズ２９Ｂは、光源１１Ｂと第二ダイクロイックミラー１８Ｂとの間に、Ｙ方向に沿って配置されている。また、パターン投影レンズ２９Ｂは、パターン投影板１２Ａの光学的等価位置からずらして配置されている。パターン投影板２２Ｂ及びパターン投影レンズ２９Ｂは、その他の点については上記第２の実施形態におけるパターン投影板２２及びパターン投影レンズ２９と同様に構成されている。

このような構成により、オートフォーカス装置２Ａでは、上記第２の実施形態と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、上記第１の実施形態の変形例におけるオートフォーカス装置１Ａと同様に、焦点合わせが可能なＺ方向の範囲を拡大させることができる。

なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態やその変形例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記第１の実施形態では、オートフォーカス装置１が欠陥測定装置１００に具備されるものとしたが、本発明に係るオートフォーカス装置は、欠陥測定装置以外の各種の光学式測定装置にも好適に適用することができる。

１，１Ａ，２，２Ａ オートフォーカス装置
１１，１１Ａ，１１Ｂ 光源
１２，１２Ａ，１２Ｂ，２２，２２Ｂ パターン投影板（パターン投影手段）
１３ ハーフミラー
１４ コリメータレンズ
１５，１８Ａ，１８Ｂ ダイクロイックミラー
１６ 対物レンズ
１７，１７Ａ 第二撮像部（撮像手段）
２９，２９Ｂ パターン投影レンズ（パターン投影手段）
５０ 制御部
５１ 記憶部
５１０，５１０Ａ，５１０Ｂ 焦点位置換算データ
６０ ＸＹＺステージ
６１ あおり機構
Ａｘ１ 入射光軸
Ａｘ２ 観察光軸
Ｓ 試料
θ チルト角

Claims (6)

1. 被測定物の表面に向けて光を出射させる光源と、
   前記光源と前記被測定物との間に配置され、前記被測定物の表面に所定のパターン像を投影させるパターン投影手段と、
   前記被測定物の表面に投影されたパターン像を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段が撮像した画像のコントラストを算出する算出手段と、
   前記算出手段が算出したコントラストに基づいて、前記撮像手段の焦点を前記被測定物の表面に合わせる方向に当該被測定物を移動させる移動制御手段と、
   を備えるオートフォーカス装置であって、
   前記光源から前記パターン投影手段及び前記被測定物を経て前記撮像手段に至る光路において、当該光路と直交する面内で光路長が変化するように構成されていることを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 前記パターン投影手段は、所定のパターンが形成されたパターン投影板であり、
   前記パターン投影板及び前記撮像手段のうちの少なくとも一方が、それぞれの光軸と直交する面に対して傾斜した状態に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
3. 前記パターン投影手段は、前記光路と直交する面内で動径方向に光路長を変化させるパターン投影レンズであり、
   前記光源と前記パターン投影レンズとの間に所定のパターンを有するパターン投影板が配置されているか、又は、前記パターン投影レンズの表面に所定のパターンが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
4. 前記被測定物は、前記光源からの光の照射方向と直交する所定の移動方向に移動しており、
   前記移動制御手段は、前記撮像手段が撮像した画像に基づいて、前記照射方向及び前記移動方向の何れとも直交する方向における前記被測定物の端部を検出し、当該端部が一定の位置を保つように前記被測定物の向きを調整することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のオートフォーカス装置。
5. 前記所定のパターンが、縞状パターン，ランダムパターン又は同心円パターンであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のオートフォーカス装置。
6. 光源と被測定物との間にパターン投影手段を配置しつつ前記光源から前記被測定物の表面に向けて光を出射させ、前記被測定物の表面に所定のパターン像を投影させるパターン投影工程と、
   前記被測定物の表面に投影されたパターン像を撮像手段で撮像する撮像工程と、
   前記撮像工程で撮像された画像のコントラストを算出する算出工程と、
   前記算出工程で算出されたコントラストに基づいて、前記撮像手段の焦点を前記被測定物の表面に合わせる方向に当該被測定物を移動させる移動制御工程と、
   を備えるオートフォーカス方法であって、
   前記パターン投影工程では、前記光源から前記パターン投影手段及び前記被測定物を経て前記撮像手段に至る光路において、当該光路と直交する面内で光路長を変化させた状態で、前記被測定物の表面にパターン像を投影させることを特徴とするオートフォーカス方法。