JP2528761B2

JP2528761B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP2528761B2
Application number: JP3360177A
Authority: JP
Inventors: 成章藤原; 徳次芝原
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1996-08-28
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: JPH05180619A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば各種基板におけ
る膜厚測定や回路パターンの線幅測定などに用いる顕微
鏡においてサンプル面に対するピント合わせや、あるい
は光ディスク装置においてディスク面に対する読み取り
／書き込みヘッドのピント合わせを自動的に行わせるた
めに装備する合焦点検出装置のように、基準位置からの
サンプル面の位置ずれ状態を検出する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の位置検出装置として、例
えば本出願人による特開平３−９４１１３号公報に開示
されたものがある。以下、図１０を参照して、この装置
の構成を説明する。この位置検出装置は、集束光を出射
する１つの投光器１を備えている。投光器１から出射さ
れた光線束Ｒは、対物レンズ２を経てサンプル面Ｓに入
射する。投光器１から対物レンズ２に至る光路上に、投
光器１からの光線束Ｒの一部を遮光するための遮光板３
がある。この遮光板３の端縁３ａは、基準位置Ｐと共役
な位置Ｐ’に配置されている。投光器１から出射された
光線束Ｒは、遮光板３の端縁３ａの付近で集光する。

【０００３】遮光板３は、図示しない駆動装置によっ
て、対物レンズ２の光軸に沿って振動可能に構成されて
いる。遮光板３が振動することにより、光線束Ｒは光軸
に対して左右に交互に分離される。すなわち、図１１に
示すように、遮光板３が共役位置Ｐ’から下降するに従
って、光軸ＯＡに対して右側に偏った分離光線束Ｒ₁が
得られる。また、遮光板３が共役位置Ｐ’から上昇する
に従って、光軸ＯＡに対して左側に偏った分離光線束Ｒ
₂が得られる。

【０００４】遮光板３の対物レンズ２側の面（以下、
「裏面」という）は、鏡面等の光を反射する面で構成さ
れている。サンプル面Ｓで反射されて戻ってきた分離光
線束Ｒ₁，Ｒ₂のうち、遮光板３の裏面に入射した光線
束は反射されてフォトダイオードのような光量検出器４
に導かれ、その光量が検出されるようになっている。

【０００５】ここで、サンプル面Ｓが基準位置Ｐにある
場合と、基準位置Ｐにない場合とでは、サンプル面Ｓで
反射された分離光線束Ｒ₁，Ｒ₂が遮光板３の裏面に入
射する光量に違いが生じる。以下、このことを図１２〜
図１４を参照して説明する。なお、各図において、符号
Ｋ₁は図１１に示した分離光線束Ｒ₁のうち基準位置Ｐ
と共役な位置Ｐ’を通過する光線を、Ｋ₂は分離光線束
Ｒ₂のうち基準位置Ｐと共役な位置Ｐ’を通過する光線
をそれぞれ示している。

【０００６】図１２に示すように、サンプル面Ｓが基準
位置Ｐにある場合、サンプル面Ｓからの反射光は、入射
光Ｋ₁，Ｋ₂が入射した共役位置Ｐ’上の点に戻って来
るので、遮光板３の裏面に入射しない。一方、図１３に
示すように、サンプル面Ｓが基準位置Ｐよりも対物レン
ズ２から離れた側にある場合、光線Ｋ₁の反射光は遮光
板３の裏面に入射しないが、光線Ｋ₂は前記裏面に入射
する。また、図１４に示すように、サンプル面Ｓが基準
位置Ｐよりも対物レンズ２に近い側にある場合、光線Ｋ
₁の反射光は遮光板３の裏面に入射するが、光線Ｋ₂は
前記裏面に入射しない。

【０００７】したがって、各分離光線束Ｒ₁，Ｒ₂の反
射光が遮光板３の裏面に入射する光量を、光量検出器４
で測定すると、その検出光量は図１５に曲線Ｅで示した
ように変化する。図１５において、横軸は基準位置Ｐに
対するサンプル面Ｓの位置を示し、その＋方向は基準位
置Ｐよりも対物レンズ２から離れる方向を、−方向は基
準位置Ｐよりも対物レンズ２へ近づく方向をそれぞれ示
している。また、縦軸は光量検出器４の出力値を示して
いる。

【０００８】検出光量Ｅは、サンプル面Ｓが基準位置Ｐ
に一致したとき極小値をとることから、サンプル面Ｓと
基準位置Ｐとの位置関係を検出することができる。具体
的には、基準位置Ｐに対するサンプル面Ｓの位置ずれ状
態を次のようにして検出している。以下、図１６を参照
して説明する。

【０００９】図中、曲線Ｅは、図１５に示した曲線の
内、基準位置Ｐに近い「Ｖ」の字状の曲線部分、すなわ
ち、位置ずれ検出に用いる作動領域を抜き出して示した
ものである。ここで、サンプル面Ｓが基準位置Ｐにある
ときに遮光板３を光軸方向に振動させることは、遮光板
３を共役位置Ｐ’に固定し、サンプル面Ｓを基準位置Ｐ
を中心に振動させることと、光学的に等価である。図１
６中の曲線ａ₁はこの様子を示している。同様に、曲線
ａ₂はサンプル面Ｓが基準位置Ｐよりも対物レンズ２か
ら離れた側で、等価的に振動している状態を示し、曲線
ａ₃はサンプル面Ｓが基準位置Ｐよりも対物レンズ２に
近い側で、等価的に振動している状態を示す。

【００１０】曲線ａ₁，ａ₂，ａ₃のようにサンプル面
Ｓが等価的に振動した場合、光量検出器４の検出光量
は、図１６中の曲線ｂ₁，ｂ₂，ｂ₃のようになる。こ
れらの曲線を比較して判るように、サンプル面Ｓが基準
位置Ｐよりも対物レンズ２から離れた側にある場合と、
対物レンズ２に近い側にある場合とでは、曲線ｂ₁に対
にする位相が曲線ｂ₂，ｂ₃とでは逆になる。したがっ
て、曲線ｂ₁に対する曲線ｂ₂，ｂ₃の位相の変化を調
べることにより、サンプル面Ｓが基準位置Ｐに対してど
ちらの方向に位置ずれを起こしているかを知ることがで
きる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成を有する従来例の場合には、次のような問題が
ある。

【００１２】（１）図１６から明らかなように、上述し
た位置検出装置の位置ずれ状態の測定感度は、曲線Ｅの
傾斜が大きいほど高くなる。このことは、図１２〜図１
４において、光線Ｋ₁，Ｋ₂が光軸に対して交わる角度
が大きい程、すなわち、分離光線束Ｒ₁，Ｒ₂が光軸に
対して良好に分離されている程、感度が高くなることを
意味する。何故なら、光線Ｋ₁，Ｋ₂が光軸に対して交
わる角度が大きくなる程、サンプル面Ｓへの入射角度も
大きくなるので、サンプル面Ｓが基準位置Ｐから離れた
場合に遮光板３の裏面に入射する反射光線束の光量は急
速に増加するからである。

【００１３】このように、サンプル面Ｓの位置ずれ検出
感度の上から、分離光線束Ｒ₁，Ｒ₂が光軸に対して良
好に分離されていることが望ましいが、図１１で示した
ように、従来の位置検出装置は、遮光板３を光軸方向に
振動させて、集束光を分離している関係上、各分離光線
束Ｒ₁，Ｒ₂がそれぞれ光軸付近に光量分布をもつの
で、その分離が十分ではない。そのため、サンプル面Ｓ
の位置ずれ検出精度が低いという問題点がある。

【００１４】（２）また、分離光線束Ｒ₁，Ｒ₂が光軸
に対して良好に分離されていないために、サンプル面Ｓ
に入射する光線の入射角度が浅くなると、次のような不
都合も生じる。以下、図１７を参照する。位置合わせの
サンプルがガラス板のような透明板である場合、入射光
線Ｋはサンプルの表面Ｓ₁および裏面Ｓ₂でそれぞれ反
射される。図のように光線Ｋの入射角度が小さい場合、
各面Ｓ₁，Ｓ₂でそれぞれ反射された光が対物レンズ２
を通過して、遮光板３の裏面に入射することになるた
め、基準位置Ｐに対して何れの面Ｓ₁，Ｓ₂を位置合わ
せするのか確定しなくなり、その結果として位置合わせ
誤差が生じるという問題点もある。このような問題点
は、ガラス板に限らず、透明膜が層状に形成されたサン
プルについても同様である。

【００１５】（３）さらに、従来の位置検出装置は、そ
の検出原理上、発光ダイオードのような面光源が用いら
れている。すなわち、遮光板３によって一部遮られた面
光源の像をサンプル上に投影し、その反射光を検出する
のである。この場合、現状の面光源においては高輝度の
ものがないため、反射率の低いサンプルに対しては、反
射光に関して充分な光量を得ることができず、位置検出
が困難になる。

【００１６】（４）また、薄膜の反射率は、一般的に、
膜厚および照射される光の波長に依存することが知られ
ており、特定の波長に対しては、薄膜の反射率が極めて
低くなることがある。このため、従来の位置検出装置に
発光ダイオードのような単色光を出射する投光器を用
い、かつ薄膜が形成されたサンプルを対象とする場合で
は、反射光に関して充分な光量が得られないことがあ
り、その場合には位置検出が困難になる。

【００１７】（５）さらに、この種の位置検出装置に使
用される顕微鏡の対物レンズの瞳径は、一般的にその倍
率に応じて変化するので、サンプル面への入射光線束の
入射角度が一定であると次のような不都合を生じる。す
なわち、対物レンズの倍率が大きくなると、その瞳径が
小さくなるので、サンプル面への光線束の入射角度があ
まり大きいと、サンプル面からの反射光が当該対物レン
ズの瞳内に入らなくなり、サンプル面の位置ずれ検出が
不能になる。逆に、高倍率の対物レンズに合わせて、サ
ンプル面への光線束の入射角度を小さく設定しておく
と、瞳径の大きい低倍率の対物レンズを使用したときの
サンプル面の位置ずれ検出の精度が悪くなるという不都
合を生じる。

【００１８】本発明は、上述の諸問題を解決するために
なされたもので、その目的は以下のとおりである。（１）基準位置からのサンプル面の位置ずれ状態を精度
良く検出する。

【００１９】（２）ガラス板や、透明膜が層状に形成さ
れたサンプルについても、所望のサンプル面を精度よく
検出する。

【００２０】（３）反射率の低いサンプルに対しても容
易に位置ずれの検出を行なえるようにする。

【００２１】（４）特定波長の光線束に対して反射率が
極めて低い薄膜等で構成されるサンプルについも、位置
ずれ検出を可能にする。

【００２２】（５）対物レンズの倍率、すなわち、対物
レンズの瞳径の大きさに応じた適切な精度でサンプル面
の位置検出を行う。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、次のような構成をとる。すなわ
ち、請求項１に記載の発明は、基準位置からのサンプル
面の位置ずれ状態を検出する位置検出装置であって、前
記基準位置に対して特定の関係でピント面を有する対物
レンズと、前記対物レンズの光軸を含む仮想平面の一方
側に配置され、前記光軸と交差した後、前記対物レンズ
を経て前記サンプル面に入射する第１平行光線束を出射
する第１投光器と、前記仮想平面の他方側に配置され、
前記光軸と交差した後、前記対物レンズを経て前記サン
プル面に入射する第２平行光線束を出射する第２投光器
と、前記第１および第２平行光線束が交差する領域内
で、かつ前記基準位置と共役な位置に端縁が配置され、
前記端縁で前記各投光器から出射された第１および第２
平行光線束の一部を遮る遮光板と、前記遮光板を前記光
軸に沿って振動させる駆動装置と、前記サンプル面で反
射された前記第１および第２平行光線束の内、前記遮光
板の前記対物レンズ側の面に入射する光線束の光量を検
出する光量検出器と、前記光量検出器の出力信号の位相
に基づいて、前記サンプル面の位置ずれ状態を検出する
位相検出器と、を備えたものである。

【００２４】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明における第１の投光器および第２の投光器を、対
物レンズの光軸に沿った平行光線束を出射する投光器
と、前記投光器から出射された平行光線束を、前記対物
レンズに至るまでの光軸上で交差する第１および第２分
岐平行光線束に分岐し、前記第１および第２分岐平行光
線束を前記対物レンズを経て前記サンプル面に出射する
光学要素と、に置き換えたものである。

【００２５】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の発明における第１の投光器および第２の投光器を、そ
れぞれ異なる波長の平行光線束を出射する複数個の投光
器と、前記各投光器からの平行光線束を、前記対物レン
ズに至るまでの光軸上で交差する第１および第２分岐平
行光線束にそれぞれ分岐し、前記各第１および第２分岐
平行光線束を前記対物レンズを経て前記サンプル面に出
射する光学要素と、に置き換えたものである。

【００２６】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
の発明における第１の投光器および第２の投光器を、平
行光線束を出射する複数個の投光器と、前記各投光器か
ら出射された平行光線束を、前記対物レンズに至るまで
の光軸上で、それぞれ異なる交差角度で交差する第１お
よび第２分岐平行光線束にそれぞれ分岐し、前記各第１
および第２分岐平行光線束を前記対物レンズを経て前記
サンプル面に出射する、前記各投光器に対応した複数個
の光学要素と、に置き換えたものである。

【００２７】

【作用】本発明の作用は次のとおりである。請求項１に
記載の発明によれば、第１および第２投光器からそれぞ
れ出射された第１および第２平行光線束の一部が、その
交差領域に設けられた遮光板の端縁によって遮られるこ
とにより、対物レンズの光軸に対して左右に完全に分離
された、すなわち光軸付近に光量分布をもたない平行光
線束が得られる。この平行光線束は対物レンズを経てサ
ンプル面に入射する。サンプル面が基準位置にあると
き、サンプル面で反射された平行光線束は、遮光板の対
物レンズ側の面に最も少なく入射するので、光量検出器
の出力は極小値となる。一方、サンプル面が基準位置か
ら外れるに従って、光量検出器の出力が増加する。サン
プル面に入射する平行光線束は、光軸付近に光量分布を
もたない光線束、換言すればサンプル面への入射角度が
比較的大きい光線束であるので、サンプル面が基準位置
から僅かにずれても、光量検出器の出力は大きく変化す
る。すなわち、サンプル面の位置ずれが高精度に検出さ
れることになる。

【００２８】このとき、遮光板は駆動装置によって光軸
に沿って振動されているので、光量検出器の出力に遮光
板の振動周期に応じた交流成分が重畳する。この交流成
分の位相は、サンプル面が基準位置よりも対物レンズか
ら離れた側にある場合と、対物レンズに近い側にある場
合とで異なる。位相検出手段は、前記交流成分の位相を
検出し、その結果に基づいて、サンプル面が基準位置よ
りも対物レンズから離れた側にずれているか、あるいは
対物レンズに近い側にずれているかを検出する。

【００２９】請求項２に記載の発明によれば、対物レン
ズの光軸上に配置された投光器から出射された平行光線
束は、光学要素によって前記光軸上で交わる２本の分岐
平行光線束に分岐される。以下、請求項１に記載の発明
と同様に、遮光板によって各平行光線の一部が遮蔽され
て、光軸付近に光量分布をもたない平行光線束が対物レ
ンズを経てサンプル面に入射されることにより、サンプ
ル面の位置ずれが高精度に検出される。

【００３０】請求項３に記載の発明によれば、サンプル
面の反射特性に応じて、サンプル面の反射率が高くなる
波長をもった平行光線束を出射する投光器が選択的に使
用されるので、特定波長の光線束に対して反射率が小さ
いサンプル面であっても、高感度に位置ずれが検出され
る。

【００３１】請求項４に記載の発明によれば、対物レン
ズの倍率、すなわち、対物レンズの瞳径の大きさに応じ
て何れかの投光器が選択的に使用される。すなわち、一
般的に対物レンズの倍率が大きくなる程、その瞳径は小
さくなるので、交差角度の小さな平行光線束が得られる
投光器およびそれに対応した光学要素が用いられる。し
たがって、対物レンズの倍率に応じた最適な精度でもっ
てサンプル面の位置ずれが検出される。

【００３２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。＜第１実施例＞本実施例は、請求項１に記載の発明に対
応した実施例である。図１に示すように、本実施例に係
る位置検出装置は、対物レンズ２の光軸ＯＡを含む仮想
平面（図１の紙面に垂直な平面）の一方側に配置された
第１投光器１１と、前記仮想平面の他方側に配置された
第２投光器１２とを備えている。各投光器１１，１２は
平行光線束を出射するもので、例えばレーザ光を出射す
る光源と、前記レーザ光を平行光線束に変換するコリメ
ーターレンズ等で構成されている。

【００３３】各投光器１１，１２から出射された平行光
線束Ｒ₁₁，Ｒ₁₂は、対物レンズ２に至るまでの光軸上で
交差する。その交差領域に遮光板３の端縁３ａが配置さ
れ、平行光線束Ｒ₁₁，Ｒ₁₂の一部を遮蔽するようになっ
ている。遮光板３の端縁３ａは、基準位置Ｐと共役な位
置Ｐ’に配置されている。遮光板３を通過した平行光線
束Ｒ₁₁’，Ｒ₁₂’は対物レンズ２を経てサンプル面Ｓに
入射する。サンプル面Ｓからの各平行光線束Ｒ₁₁’，Ｒ
₁₂’の反射光は、サンプル面Ｓの位置に応じて、遮光板
３の裏面に入射し、この裏面で反射された平行光線束の
光量が光量検出器４によって検出される（図１２〜図１
４参照）。

【００３４】図２は、サンプル面Ｓの位置に応じた光量
検出器４の出力値を示している。図中、曲線Ｅ₁₁は投光
器１１からの平行光線束Ｒ₁₁’の反射光が遮光板３の裏
面に入射する光線束の光量であり、曲線Ｅ₁₂は投光器１
２からの平行光線束Ｒ₁₂’に基づく光量である。したが
って、サンプル面Ｓの位置に応じて、光量検出器４の出
力は上記曲線Ｅ₁₁と曲線Ｅ₁₂とを加え合わせた曲線Ｅ₁₀
のように変化する。

【００３５】すなわち、光量検出器４の出力は、サンプ
ル面Ｓが基準位置Ｐにあるときに極小値をとり、基準位
置Ｐから外れるに従って増加する。図１６において説明
したように、サンプル面Ｓが基準位置Ｐ付近の領域（作
動領域）にあるときの光量検出器４の出力変化の度合
は、この種の位置検出装置の感度にかかわる。本実施例
では、光軸ＯＡに対して、左右に完全に分離された平行
光線束Ｒ₁₁’，Ｒ₁₂’をサンプル面Ｓに入射している。
換言すれば、サンプル面Ｓに対する平行光線束Ｒ₁₁’，
Ｒ₁₂’の入射角度を大きくすることができるので、サン
プル面Ｓが基準位置Ｐから僅かに外れても、光量検出器
４の出力は急激に変化し、サンプル面Ｓの位置ずれを高
精度に検出することができる。

【００３６】また、図３に示すように、サンプルがガラ
ス板のように層状の反射面を備えたものである場合、サ
ンプル面への入射光線Ｋの入射角度が大きくなると、各
反射面Ｓ₁，Ｓ₂からの反射光の光路差Ｌが大きくなる
ので、サンプル面である上部反射面Ｓ₁からの反射光は
対物レンズ２の瞳内に入射するが、下部反射面Ｓ₂から
の反射光のうち対物レンズ２の瞳内に入射する量は減
少、あるいは入射しなくなる。したがって、本来のサン
プル面Ｓ₁からの反射光を主として検出することができ
るので、この種のサンプルの位置ずれ検出を高精度に行
うことができる。

【００３７】さらに、投光器１１，１２として、レーザ
光源を用いることができるので、サンプル面Ｓへの入射
光量を多くすることができ、低反射率のサンプル面であ
っても、容易に位置ずれ検出を行うことができる。

【００３８】次に、図４を参照して、光量検出器４の出
力信号の位相に基づいて、サンプル面Ｓの位置ずれ状態
を検出する位相検出器の構成例を説明する。本実施例装
置に備えられる位相検出器１３は、遮光板３を光軸方向
に振動させる駆動装置１４に一定周期の発振信号を与え
る発振器１５と、光量検出器４の出力きに関して、極小
値を検出した時にパルス信号を出力する信号特徴検出器
１６と、発振器１５からの信号によりスタートし、信号
特徴検出器１６からのパルス信号によりストップするタ
イマ回路１７を含む。タイマ回路１７の出力信号は、サ
ンプルが載置されるステージを光軸方向に駆動するサン
プルステージ駆動回路１８に与えられる。

【００３９】以下、図５を参照して位相検出器１３の動
作を説明する。図中、ｂ₁はサンプル面Ｓが基準位置Ｐ
にあるときの光量検出器４の出力波形であり、ｂ₂はサ
ンプル面Ｓが基準位置Ｐよりも対物レンズ２から離れた
側にあるときの光量検出器４の出力波形であり、ｂ₃は
サンプル面Ｓが基準位置Ｐよりも対物レンズ２に近い側
にあるときの光量検出器４の出力波形である。各波形ｂ
₁，ｂ₂，ｂ₃は、図１６において説明した曲線ｂ₁，
ｂ₂，ｂ₃に対応している。また、図５中のｃは発振器
１５の出力波形を示している。

【００４０】いま、サンプル面Ｓが基準位置Ｐにあると
すると、信号特徴検出器１６は図５中のｄ₁に示すよう
なパルス信号を出力する。その結果、タイマ回路１７
は、図５中のｅ₁に示すように、ＯＮ期間がｔ₁の信号
を出力する。一方、サンプル面Ｓが基準位置Ｐよりも対
物レンズ２から離れた方へ移動するに従って、信号特徴
検出器１６は図５中のｄ₂に示すように、ｄ₁よりも周
期が長く、かつ位相の進んだパルス信号を出力する。そ
の結果、タイマ回路１７は、図５中のｅ₂に示すよう
に、ＯＮ期間がｔ₂（ｔ₂＜ｔ₁）の信号を出力する。
また、サンプル面Ｓが基準位置Ｐよりも対物レンズ２へ
近い方へ移動するに従って、信号特徴検出器１６は図５
中のｄ₃に示すように、ｄ₁よりも周期が長く、かつ位
相の遅れたパルス信号を出力する。その結果、タイマ回
路１７は、図５中のｅ₃に示すように、ＯＮ期間がｔ₃
（ｔ₃＞ｔ₁）の信号を出力する。

【００４１】サンプルステージ駆動回路１８には、サン
プル面Ｓが基準位置Ｐにあるときのタイマ回路１７のＯ
Ｎ期間ｔ₁が、基準時間として予め入力設定されてい
る。サンプルステージ駆動回路１８は、この基準時間ｔ
₁と、タイマ回路１７のＯＮ期間ｔとを比較し、ｔ＜ｔ
₁のとき、サンプル面Ｓが基準位置Ｐよりも対物レンズ
２から離れた側にずれているものと判断し、サンプルス
テージを対物レンズ２に向けて移動させる。一方、ｔ＞
ｔ₁のとき、サンプル面Ｓが基準位置Ｐよりも対物レン
ズ２に近い側にずれているものと判断し、サンプルステ
ージを対物レンズ２から遠ざけるように移動させる。こ
のようにして、サンプル面Ｓが次第に基準位置Ｐに近付
けられていく。

【００４２】なお、位相検出器の構成は、本実施例のよ
うなものに限られず、種々変更実施することができる。
例えば、特開平３−９４１１３号公報に開示されている
ような位相検波器を用いてもよい。

【００４３】＜第２実施例＞本実施例は、請求項２に記
載の発明に対応した実施例である。図６に示すように、
本実施例の特徴は、第１実施例における２つの投光器１
１，１２に替えて、対物レンズ２の光軸ＯＡ上に配置さ
れ、平行光線束を出射する投光器２０と、前記投光器２
０から出射された平行光線束Ｒ₂₀を、前記光軸ＯＡ上で
交わる２本の分岐平行光線束Ｒ₂₁，Ｒ₂₂に分岐する光学
要素としてのプリズム２１を設けたことにある。

【００４４】分岐平行光線束Ｒ₂₁，Ｒ₂₂が交差する領域
に、光軸に沿って振動される遮光板３が設けられ、この
遮光板３の裏面に入射するサンプル面Ｓからの反射光の
光量を光量検出器４で検出し、光量検出器４の出力の位
相を検出することに基づいて、サンプル面Ｓの位置ずれ
を検出することは、第１実施例の場合と同様であるの
で、ここでの説明は省略する。なお、後述する各実施例
においても、この点は同様であるので、その説明は省略
する。

【００４５】本実施例によっても、第１実施例と同様に
光軸ＯＡに対して左右に完全に分離された分岐平行光線
束Ｒ₂₁，Ｒ₂₂をサンプル面Ｓに入射させることができる
ので、サンプル面Ｓの位置ずれを高精度に検出すること
ができる。

【００４６】本実施例によれば、１つの投光器２０によ
って、分離された平行光線束Ｒ₂₁，Ｒ₂₂を得ることがで
きるので、２つの投光器１１，１２を用いた第１実施例
と比較して、装置の構成を簡素化でき、また光学調整を
簡単化することができる。

【００４７】＜第３実施例＞本実施例は、請求項３に記
載の発明に対応した実施例である。図７に示すように、
本実施例の特徴は、それぞれ異なる波長の平行光線束Ｒ
₃₁，Ｒ₃₂を出射する２つの投光器３１，３２を備えたこ
とにある。投光器３１から出射された平行光線束Ｒ
₃₁は、ハーフミラー３３を経てプリズム３４に入射し、
このプリズム３４によって、対物レンズ２に至るまでの
光軸ＯＡ上で交わる２本の平行光線束に分岐される。一
方、投光器３２から出射された平行光線束Ｒ₃₂は、ハー
フミラー３３で反射されてプリズム３４に至り、上記と
同様の２本の平行光線束に分岐される。

【００４８】本実施例によれば、サンプル面Ｓの反射特
性に応じて、投光器３１または３２の何れかが選択的に
使用される。すなわち、サンプル面Ｓが入射平行光線束
の波長に応じてその反射率が異なる場合、反射率が高く
なる方の波長をもった平行光線束を出射する投光器が使
用されるので、特定波長の光線束に対して反射率が小さ
いサンプル面Ｓであっても、高感度に位置ずれが検出さ
れる。

【００４９】なお、本実施例では２つの投光器３１，３
２を選択使用するように構成したが、それぞれ波長の異
なる平行光線束を出射する投光器を３つ以上設けて、サ
ンプル面Ｓの反射特性に最も適した投光器を選択使用す
るように構成してもよい。＜第４実施例＞本実施例は、請求項４に記載の発明に対
応した実施例である。図８に示すように、本実施例の特
徴は、平行光線束Ｒ₄₁，Ｒ₄₂を出射する２つの投光器４
１，４２を備え、各平行光線束Ｒ₄₁，Ｒ₄₂をそれぞれに
対応したプリズム４３，４４によって、対物レンズ２に
至るまでの光軸ＯＡ上で、それぞれ異なる交差角度で交
わる２本の平行光線束に分岐したことにある。平行光線
束Ｒ₄₁は、プリズム４３で分岐された後、ハーフミラー
４５を透過して、光軸ＯＡ上で交差角度θ₁で交わり、
対物レンズ２を経てサンプル面Ｓに入射する。一方、平
行光線束Ｒ₄₂は、プリズム４４で分岐された後、ハーフ
ミラー４５で反射されて、平行光線束Ｒ₄₁と同じ光軸Ｏ
Ａ上の位置で交差角度θ₂で交わり、対物レンズ２を経
てサンプル面Ｓに入射する。本実施例では、θ₁＞θ₂
になるように、プリズム４３，４４の屈折特性が設定さ
れている。

【００５０】本実施例によれば、対物レンズ２の倍率、
すなわち瞳径の大きさに応じて、投光器４１または４２
の何れかが選択的に使用される。対物レンズ２の倍率が
大きい場合、その瞳径は小さくなるので、サンプル面Ｓ
に入射する平行光線束の入射角度があまり大きいと、サ
ンプル面Ｓからの反射光が対物レンズ２の射出瞳に入射
しなくなり、サンプル面Ｓの位置ずれが検出できなくな
る。このような場合は、分岐平行光線束の交差角度の小
さな投光器４２を用いて、サンプル面Ｓへの平行光線束
の入射角度を小さくすることにより、サンプル面Ｓの位
置ずれを検出する。一方、低倍率の対物レンズ２を使用
する場合は、その瞳径が大きいので、サンプル面Ｓの位
置ずれ検出精度を上げるために、分岐平行光線束の交差
角度が大きな投光器４１を用いて、サンプル面Ｓへの平
行光線束の入射角度を大きくする。

【００５１】なお、本実施例では、２つの投光器４１，
４２と、それぞれに対応したプリズム４３，４４を用い
て、分岐平行光線束の交差角度を選択できるようにした
が、３つ以上の投光器と、それぞれに対応したプリズム
を使用することにより、分岐平行光線束の交差角度をさ
らに多く選択設定できるようにしてもよい。

【００５２】＜第５実施例＞本実施例は、上述した各実
施例で用いられる遮光板の変形例である。図９は、本実
施例で使用される遮光板を対物レンズ２の側から見た平
面図である。この遮光板３’はスリット３ｂを備え、こ
のスリット３ｂの一方の辺を端縁３ａとして使用してい
る。端縁３ａに沿って幅の狭い反射ミラー３ｃが取り付
けられており、その他の面は乱反射面、光吸収面などに
なっている。

【００５３】層状の反射面を持ったサンプル（例えば、
薄膜が多層に形成された基板等）の場合、サンプルへの
入射平行光線束は、各反射面で反射されて戻って来るの
で、遮光板３’の裏面に入射する全ての反射光の光量を
検出することは、サンプル面Ｓの位置ずれ検出精度の面
で好ましくない。本実施例によれば、遮光板３’の裏面
に入射した光線束のうち、前記反射ミラー３ｃの領域に
入射した光線束のみが光量検出器４で検出されるので、
反射光線束の分離がし易くなり、サンプル面Ｓの検出精
度が一層向上する。

【００５４】なお、上述の各実施例において、遮光板
３，３’の裏面に反射面を形成し、この反射面によって
反射された光を光量検出器４で検出するように構成した
が、フォトダイオードのような光量検出器を、遮光板の
裏面に付設して、遮光板の裏面に入射する光線束の光量
を直接検出するようにしてもよい。

【００５５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば次のような効果を奏する。（１）請求項１ないし４に記載の発明によれば、光軸に
対して完全に分離された、すなわち、光軸付近に光量分
布をもたない平行光線束をサンプル面に入射することに
よって、サンプル面の位置ずれを検出している。その結
果、サンプル面が基準位置から僅かにずれても、それに
伴って反射光の光路が大きく変位し、光量検出器の出力
変化も大きくなるので、サンプル面の位置ずれを高精度
に検出することができる。

【００５６】（２）請求項１ないし４に記載の発明によ
れば、光軸に対して完全に分離された平行光線束をサン
プル面に入射している。換言すれば、サンプル面に入射
する光線束の入射角度が大きくなるので、ガラス板や、
透明膜が層状に形成されたサンプルの表面で反射された
光線束は対物レンズに入射するが、下層の面で反射され
た光線束は、その光路が大きく変位するために対物レン
ズの瞳内に入射する量が減少する。したがって、サンプ
ル面の表面以外で反射された光線束の影響が減少し、光
量検出器の出力からノイズが減少するので、この種のサ
ンプル面の位置ずれを高精度に検出することができる。

【００５７】（３）請求項１ないし４に記載の発明によ
れば、その構成上、投光器の光源としてレーザ光のよう
な高輝度の光源を用いることができるので、十分な光量
を得ることができ、反射率の低いサンプルに対しても容
易に位置ずれの検出を行うことができる。

【００５８】（４）請求項２に記載の発明によれば、１
つの投光器からの平行光線束を光学要素によって２本の
平行光線束に分岐しているので、２つの投光器を用いる
請求項１に記載に発明に比べて、装置の構成を簡素化で
き、また光学調整を簡単化することができる。

【００５９】（５）請求項３に記載の発明によれば、サ
ンプル面の反射特性に応じた波長をもった平行光線束を
選択して使用できるので、特定波長の光線束に対して反
射率が極めて低い薄膜等で構成されるサンプルについ
も、位置ずれ検出を容易に行うことができる。

【００６０】（６）請求項４に記載の発明によれば、サ
ンプル面を入射する平行光線束の入射角度を変化させる
ことができるので、対物レンズの倍率、すなわち、対物
レンズの瞳径の大きさに応じた適切な精度でサンプル面
の位置ずれ検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る位置検出装置の第１実施例の概略
構成を示した図である。

【図２】サンプル面の位置に応じた光量検出器の出力変
化を示した図である。

【図３】ガラス板のようなサンプルへ光線束を入射させ
た場合の光路図である。

【図４】位相検出器の概略構成を示したブロック図であ
る。

【図５】位相検出処理を説明するための波形図である。

【図６】第２実施例の概略構成を示した図である。

【図７】第３実施例の概略構成を示した図である。

【図８】第４実施例の概略構成を示した図である。

【図９】第５実施例に係る遮光板の構成を示した平面図
である。

【図１０】従来例に係る位置検出装置の概略構成を示し
た図である。

【図１１】従来装置による集束光線束の分離作用を示し
た図である。

【図１２】サンプル面が基準位置にある場合の光路を示
した図である。

【図１３】サンプル面が基準位置よりも対物レンズから
離れた側にある場合の光路を示した図である。

【図１４】サンプル面が基準位置よりも対物レンズに近
い側にある場合の光路を示した図である。

【図１５】従来装置の光量検出器の出力変化を示した図
である。

【図１６】位置ずれ検出処理の説明に供する図である。

【図１７】従来装置によってガラス板のようなサンプル
の位置ずれを検出する場合の問題点を説明するための光
路図である。

【符号の説明】

Ｓ…サンプル面Ｐ…基準位置Ｐ’…基準位置と共役な位置２…対物レンズ３，３’…遮光板３ａ…遮光板の端縁４…光量検出器１１，１２，２０，３１，３２，４１，４２…投光器１３…位相検出器１４…駆動装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭53−87256（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−247203（ＪＰ，Ａ) 特開平３−94113（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−131108（ＪＰ，Ａ) 特公平７−94984（ＪＰ，Ｂ２) 特公平７−94983（ＪＰ，Ｂ２) 特公平８−10140（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基準位置からのサンプル面の位置ずれ状
態を検出する位置検出装置であって、前記基準位置に対して特定の関係でピント面を有する対
物レンズと、前記対物レンズの光軸を含む仮想平面の一方側に配置さ
れ、前記光軸と交差した後、前記対物レンズを経て前記
サンプル面に入射する第１平行光線束を出射する第１投
光器と、前記仮想平面の他方側に配置され、前記光軸と交差した
後、前記対物レンズを経て前記サンプル面に入射する第
２平行光線束を出射する第２投光器と、前記第１および第２平行光線束が交差する領域内で、か
つ前記基準位置と共役な位置に端縁が配置され、前記端
縁で前記各投光器から出射された第１および第２平行光
線束の一部を遮る遮光板と、前記遮光板を前記光軸に沿って振動させる駆動装置と、前記サンプル面で反射された前記第１および第２平行光
線束の内、前記遮光板の前記対物レンズ側の面に入射す
る光線束の光量を検出する光量検出器と、前記光量検出器の出力信号の位相に基づいて、前記サン
プル面の位置ずれ状態を検出する位相検出器と、を備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】基準位置からのサンプル面の位置ずれ状
態を検出する位置検出装置であって、前記基準位置に対して特定の関係でピント面を有する対
物レンズと、前記対物レンズの光軸に沿った平行光線束を出射する投
光器と、前記投光器から出射された平行光線束を、前記対物レン
ズに至るまでの光軸上で交差する第１および第２分岐平
行光線束に分岐し、前記第１および第２分岐平行光線束
を前記対物レンズを経て前記サンプル面に出射する光学
要素と、前記光学要素からの第１および第２分岐平行光線束が交
差する領域内で、かつ前記基準位置と共役な位置に端縁
が配置され、前記端縁で前記第１および第２分岐平行光
線束の一部を遮る遮光板と、前記遮光板を前記光軸に沿って振動させる駆動装置と、前記サンプル面で反射された前記第１および第２分岐平
行光線束の内、前記遮光板の前記対物レンズ側の面に入
射する光線束の光量を検出する光量検出器と、前記光量検出器の出力信号の位相に基づいて、前記サン
プル面の位置ずれ状態を検出する位相検出器と、を備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項３】基準位置からのサンプル面の位置ずれ状
態を検出する位置検出装置であって、前記基準位置に対して特定の関係でピント面を有する対
物レンズと、それぞれ異なる波長の平行光線束を出射する複数個の投
光器と、前記各投光器からの平行光線束を、前記対物レンズに至
るまでの光軸上で交差する第１および第２分岐平行光線
束にそれぞれ分岐し、前記各第１および第２分岐平行光
線束を前記対物レンズを経て前記サンプル面に出射する
光学要素と、前記光学要素からの各第１および第２分岐平行光線束が
交差する領域内で、かつ前記基準位置と共役な位置に端
縁が配置され、前記端縁で前記各第１および第２分岐平
行光線束の一部を遮る遮光板と、前記遮光板を前記光軸に沿って振動させる駆動装置と、前記サンプル面で反射された前記各第１および第２分岐
平行光線束の内、前記遮光板の前記対物レンズ側の面に
入射する光線束の光量を検出する光量検出器と、前記光量検出器の出力信号の位相に基づいて、前記サン
プル面の位置ずれ状態を検出する位相検出器と、を備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項４】基準位置からのサンプル面の位置ずれ状
態を検出する位置検出装置であって、前記基準位置に対して特定の関係でピント面を有する対
物レンズと、平行光線束を出射する複数個の投光器と、前記各投光器から出射された平行光線束を、前記対物レ
ンズに至るまでの光軸上で、それぞれ異なる交差角度で
交差する第１および第２分岐平行光線束にそれぞれ分岐
し、前記各第１および第２分岐平行光線束を前記対物レ
ンズを経て前記サンプル面に出射する、前記各投光器に
対応した複数個の光学要素と、前記各光学要素からの第１および第２分岐平行光線束が
交差する領域内で、かつ前記基準位置と共役な位置に端
縁が配置され、前記端縁で前記各第１および第２分岐平
行光線束の一部を遮る遮光板と、前記遮光板を前記光軸に沿って振動させる駆動装置と、前記サンプル面で反射された前記各第１および第２分岐
平行光線束の内、前記遮光板の前記対物レンズ側の面に
入射する光線束の光量を検出する光量検出器と、前記光量検出器の出力信号の位相を検出に基づいて、前
記サンプル面の位置ずれ状態を検出する位相検出器と、を備えたことを特徴とする位置検出装置。