JP2828563B2

JP2828563B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP2828563B2
Application number: JP12353693A
Authority: JP
Inventors: 成章藤原; 徳次芝原
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 1998-11-25
Anticipated expiration: 2013-11-25
Also published as: JPH06307862A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基準位置からのサンプ
ル面の位置ずれ状態を検出する装置に係り、特に、ガラ
ス基板や透明な薄膜が層状に形成された基板など複数の
反射面を有するサンプルの位置ずれ状態を検出する位置
検出装置に関する。

【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１３を参照して、この装
置の構成を説明する。

【０００３】この位置検出装置は、集束光を出射する投
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。

【０００４】この遮光板３は、図示しない駆動装置によ
って、対物レンズ２の光軸ＯＡに沿って振動可能に構成
されている。また、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光
線束の内、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、遮光板３を共役位置Ｐ’に固定し
た状態で、共役位置Ｐ’を通過してサンプル面Ｓに入射
する光線と、その光線がサンプル面Ｓで反射された反射
光の光路を調べると、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、遮光板３の裏面
に入射する反射光の光量に違いが生じる。以下、このこ
とを図１４ないし図１６を参照して説明する。なお、各
図において、符号Ｋ₁は、共役位置Ｐ’を対物レンズ２
の光軸ＯＡに対して傾斜して通過し、光軸ＯＡよりも右
側領域に入射する光線を、Ｋ₂は、共役位置Ｐ’を光軸
ＯＡに対して傾斜して通過し、光軸ＯＡよりも左側領域
に入射する光線をそれぞれ示している。

【０００６】図１４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’上の点に戻ってく
るので、遮光板３の裏面に入射しない。一方、図１５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の反射光は前記裏
面に入射する。また、図１６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Ｋ₁の反射光は遮光板３の裏面に入射するが、
光線Ｋ₂の反射光は前記裏面に入射しない。

【０００７】従って、共役位置Ｐ’を通過し、光軸ＯＡ
を中心とした対物レンズ２の左右領域に入射する光線束
Ｒの反射光束が遮光板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１７の曲線Ｅ
で示したように変化する。図１７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、遮光板３を光軸ＯＡに沿って振動させることによ
り、図１８に示すような出力信号を得て、その出力信号
の位相を調べて、基準位置Ｐに対するサンプル面Ｓの位
置ずれ状態を検出する。以下、図１８を参照して説明す
る。

【０００９】図中、曲線Ｅは、図１７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
８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の出力信号
は、図１８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
する位相が曲線ｂ₂と曲線ｂ₃とで逆である。従って、
曲線ｂ₁に対する曲線ｂ₂と曲線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、位置検出対象とな
るサンプルが、ガラス基板や透明な薄膜が層状に形成さ
れた基板等のように複数の反射面を有する場合に、サン
プル面Ｓが基準位置Ｐに位置したことを正確に検出でき
ないという問題がある。これを、図１９を参照して説明
する。

【００１２】図に示すように、表面Ｓ₁が基準位置Ｐに
位置している場合でも、基準位置Ｐよりも対物レンズ２
から離れた側にあるガラス基板の下面Ｓ₂からの反射光
が、光量検出器４で検出され、その下面Ｓ₂からの反射
光による検出光量が分離できない場合には、それが誤差
となって、サンプル面Ｓ（ガラス基板の表面Ｓ₁）が基
準位置Ｐに位置していることを正確に検出できない。

【００１３】また、ガラス基板の下面Ｓ₂をサンプル面
Ｓとした場合にも、下面Ｓ₂より対物レンズ２に近い側
にある表面Ｓ₁からの反射光により、検出誤差を招くこ
とになる。

【００１４】さらに、薄膜が層状に形成された基板をサ
ンプルとし、複数の反射面のいずれかの反射面をサンプ
ル面Ｓとした場合にも、サンプル面Ｓとした反射面が基
準位置Ｐに位置しても、基準位置Ｐに位置しない他の反
射面からの反射光により、検出誤差を招き、サンプル面
Ｓが基準位置Ｐに位置していることを正確に検出できな
い。

【００１５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、複数の反射面を有するサンプルの特定
のサンプル面が、基準位置に位置したことを正確に検出
できる位置検出装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【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、本発明は、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
基準位置と共役な位置を通過し、前記対物レンズの光軸
に対して傾斜して、前記対物レンズを経て前記サンプル
面に入射する平行光線束を出射する投光器と、前記基準
位置と共役な位置に端縁が配置され、前記端縁で前記投
光器から出射された前記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
号の特性に基づいて、前記サンプル面の位置ずれ状態を
検出する位置ずれ検出器と、を備えたものである。

【００１７】

【作用】本発明の作用は次のとおりである。投光器から
出射された平行光線束は、基準位置と共役な位置におい
て、遮光板の端縁でその一部が遮光され、対物レンズの
光軸に対して傾斜して、光軸を中心とした対物レンズの
左右いずれかの領域に入射した後、サンプル面に入射す
る。サンプル面に入射した平行光線束は、サンプル面で
反射され再び対物レンズを経て、サンプル面の位置に応
じて遮光板の裏面に入射し、光量が検出される。

【００１８】遮光板の端縁を基準位置と共役な位置に固
定した場合、サンプル面の位置に応じて以下のように光
量が検出される。投光器からの平行光線束が、光軸を中
心とした対物レンズの左右いずれの領域に入射するかに
より、サンプル面が基準位置から対物レンズよりも離れ
た側にある状態か、サンプル面が基準位置から対物レン
ズに近い側にある状態かのいずれかにおいて光量検出器
で光量が検出され、サンプル面が基準位置にあるとき、
検出光量は極小となる。また、サンプル面が基準位置か
ら対物レンズよりも離れた側にある状態で光量が検出さ
れる構成では、サンプル面が基準位置から対物レンズに
近い側にある状態では光量が検出されず極小値のままで
あり、サンプル面が基準位置から対物レンズに近い側に
ある状態で光量が検出される構成では、サンプル面が基
準位置から対物レンズよりも離れる側にある状態では光
量が検出されず極小値のままである。

【００１９】このような光量変化のもと、遮光板を光軸
に沿って振動させると、サンプル面が基準位置にある状
態、基準位置から対物レンズよりも離れた側にある状
態、基準位置から対物レンズに近い側にある状態で、そ
れぞれ出力信号の特性が異なる。その出力信号の特性に
基づいて、サンプル面の位置ずれ状態を検出する。

【００２０】このように構成することにより、例えば、
サンプルをガラス基板にし、その表面をサンプル面とし
た場合、基準位置近辺におけるサンプル面の位置ずれ状
態、特に、サンプル面が基準位置にあることを正確に検
出することができる。すなわち、基準位置から対物レン
ズよりも離れた側にある反射面からの反射光の光量を検
出しないように、投光器からの平行光線束の対物レンズ
への入射領域（左右いずれかの領域）を設定してやれ
ば、ガラス基板の下面が基準位置にある状態から、対物
レンズよりも離れる方向にある状態においては、下面か
らの反射光の光量は検出されない。従って、サンプル面
（表面）が基準位置にある状態では、下面は基準位置か
ら対物レンズよりも離れた側にあり、下面からの反射光
の影響を受けないので、サンプル面が基準位置にある状
態を正確に検出できる。

【００２１】なお、サンプル面をガラス基板の下面に設
定した場合には、平行光線束の対物レンズへの入射領域
を上述と反対側にすることにより、表面からの反射光の
光量の影響を排除して、サンプル面（下面）が基準位置
にある状態を正確に検出できる。

【００２２】また、複数の薄膜を層状に形成したサンプ
ルについても、最上位置の反射面、または、最下位置の
反射面をサンプル面とすれば、平行光線束の対物レンズ
への入射領域を調整することにより、それぞれのサンプ
ル面が基準位置にある状態を正確に検出できる。

【００２３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。図１は、本発明の第一実施例に係る位置検出装
置の概略構成を示す図である。なお、図１３と同一符号
で示す部分は、従来例と同一構成であるので、ここでの
詳述は省略する。

【００２４】図１に示すように、本実施例では、対物レ
ンズ２の光軸ＯＡに対して左側領域に投光器１１が配置
されている。この投光器１１は平行光線束を出射するも
ので、例えば、レーザー光を出射する半導体レーザー
と、前記レーザー光を平行光線束に変換するコリメータ
レンズ等で構成されている。

【００２５】投光器１１から光軸ＯＡに対して傾斜して
出射された平行光線束Ｒ₁₁は、対物レンズ２に至るまで
に、光軸ＯＡと交差する。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’は、対物レンズ２の光軸ＯＡよりも右
側領域に入射し、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で反射した平行光線束Ｒ₁₁’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。なお、遮光板３は、振
動装置１３（図３参照）により、光軸ＯＡに沿って振動
可能に構成されている。

【００２６】このような構成の装置において、遮光板３
を共役位置Ｐ’に固定したときの、サンプル面Ｓの位置
に応じた光量検出器４の検出光量は、図２に示す曲線Ｅ
_-のようになる。これは、従来例の図１４ないし図１６
で光線Ｋ₁のみをサンプル面Ｓに照射したのと同じであ
るので、サンプル面Ｓが基準位置Ｐから対物レンズ２よ
りも離れた側にあるときには、サンプル面Ｓからの反射
光が検出されないからである。このような光量変化のも
と、サンプル面Ｓの基準位置Ｐに対する位置ずれを、遮
光板３を振動させ、そのときの光量検出器４の出力信号
の特性に基づいて検出する。

【００２７】この位置ずれ検出器の構成例を、図３を参
照して説明する。本実施例装置に備えられた位置ずれ検
出器１２は、遮光板３を光軸ＯＡ方向に沿って振動させ
る駆動装置１３に一定周期の発振信号を与える発振器１
４と、光量検出器４の出力信号を一回微分し、その微分
信号が所定のしきい値εを越えた時にパルス信号を出力
する信号特徴検出器１５と、発振器１４からの信号（例
えば、遮光板３の振動の最上位置から最下位置に向けて
降下を開始するタイミング信号）によりスタートし、信
号特徴検出器１５からのパルス信号によりストップする
タイマ回路１６を含む。タイマ回路１６の出力信号は、
サンプルが載置され、ステージを光軸ＯＡ方向に駆動す
るためのサンプルステージ駆動回路１７に与えられる。

【００２８】なお、本実施例の位置ずれ検出装置１２
は、複数の反射面を有するサンプルの特定のサンプル面
Ｓが基準位置Ｐに位置していることを正確に検出すると
いう本発明の目的に照らして、基準位置Ｐ近辺における
サンプル面Ｓの位置ずれ状態を精度よく検出し、サンプ
ル面Ｓが基準位置Ｐに位置していることを正確に検出す
ることを目的に構成されている。従って、本実施例の作
動領域Ａ（図２参照）は、基準位置Ｐ近辺に限定してい
る。

【００２９】次に、遮光板３を光軸ＯＡに沿って振動さ
せたときの光量検出器４からの出力信号の変化を、図４
を参照して説明する。図中、曲線Ｅ_-は、図２に示した
曲線Ｅ_-の内、作動領域Ａの部分を抜き出して示してい
る。また、曲線ａ₁は、従来例の図１８で説明した曲線
ａ₁と同様に、サンプル面Ｓが基準位置Ｐに位置してい
るときに遮光板３を振動させたのと等価的に、遮光板３
を共役位置Ｐに固定して、サンプル面Ｓを基準位置Ｐを
中心に振動させた状態を示しており、また、曲線ａ
₂は、サンプル面Ｓが基準位置Ｐから対物レンズ２より
も離れた側にあるときに等価的に振動させ、その振動の
一部が基準位置Ｐを越えて、基準位置Ｐから対物レンズ
２に近い側にかかる場合の振動を示し、さらに、曲線ａ
₃は、サンプル面Ｓが基準位置Ｐから対物レンズ２に近
い側にあるときに等価的に振動させ、その振動の一部が
基準位置Ｐを越えて、基準位置Ｐから対物レンズ２より
も離れる側にかかる場合の振動を示している。

【００３０】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、サンプル面Ｓが、等価的に
基準位置Ｐから対物レンズ２よりも離れる側に位置して
いる間は、検出光量が極小値のまま変化しないので、光
量検出器４の出力信号は、図４中のｂ₁、ｂ₂、ｂ₃に
示すように変化する特性を有する。なお、図中の時間ｔ
_A〜ｔ_Gは全て同じ時間を示す。

【００３１】上述のような特性を有する信号ｂ₁、
ｂ₂、ｂ₃に対する位置検出器１２の動作を図５を参照
して説明する。図中、各信号ｂ₁、ｂ₂、ｂ₃は、図４
において説明した信号ｂ₁、ｂ₂、ｂ₃にそれぞれ対応
している。また、図５中のｃは発振器１４の出力波形を
示し、ｃの「Ｈｉ」は、振動装置１３が遮光板３を振動
の最下位置から最上位置に上昇させている状態を、「Ｌ
ｏ」は、最上位置から最下位置に降下させている状態を
それぞれ示す。

【００３２】いま、サンプル面Ｓが基準位置Ｐにあると
すると、光量検出器４からの出力信号ｂ₁から、信号特
徴検出器１５による１回微分により、図５中のｄ₁のよ
うな信号が得られ、信号特徴検出器１５では、その信号
ｄ₁がしきい値εを越えたときに、図５中のｅ₁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１
６は、図５中のｆ₁に示すように発振器１４からの「Ｈ
ｉ」から「Ｌｏ」に切り替わるタイミング信号により
「ＯＮ」にされたタイマが「ＯＦＦ」にされ、「ＯＮ」
期間がｔ₁の信号を出力する。

【００３３】一方、サンプル面Ｓが基準位置よりも対物
レンズ２から離れた側にあれば、信号特徴検出器１５
は、１回微分の結果、ｂ₂からｄ₂のような信号を得
て、しきい値εと比較して図５中のｅ₂に示すようにパ
ルス信号を出力する。その結果、タイマ回路１６は、図
５中のｆ₂に示すように、「ＯＮ」期間がｔ₂（ｔ₂＞
ｔ₁）の信号を出力する。

【００３４】また、サンプル面Ｓが基準位置よりも対物
レンズ２へ近い側にあれば、信号特徴検出器１５は、１
回微分の結果、ｂ₃からｄ₃のような信号を得て、しき
い値εと比較して図５中のｅ₃に示すようにパルス信号
を出力する。その結果、タイマ回路１６は、図５中のｆ
₃に示すように、「ＯＮ」期間がｔ₃（ｔ₃＜ｔ₁）の
信号を出力する。

【００３５】サンプルステージ駆動回路１７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１６の
「ＯＮ」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１７は、この基準時
間ｔ₁と、タイマ回路１６の「ＯＮ」期間ｔとを比較
し、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から離れた側にずれていると判断し、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がしだいに基準位置
Ｐに近づけられ、ｔ＝ｔ₁のときに、サンプル面Ｓが基
準位置Ｐに位置していると判断し、サンプルステージの
移動を停止する。

【００３６】本実施例における作動範囲Ａの「＋」側の
境界は、サンプル面Ｓの等価的な振動の一部が基準位置
Ｐを越えて、「−」側（基準位置Ｐから対物レンズ２に
近い側）にかかり、出力信号ｂ₂にピークが得られるよ
うな振動を行なえる位置である。この境界位置よりも
「＋」側にサンプル面Ｓがあれば、遮光板３の振動に対
する光量検出器４の出力信号がフラットになり、信号特
徴検出器１５からのパルス信号が発生しないので、位置
ずれ状態を確認することができない。一方、「−」側に
ついては、曲線Ｅが増加している範囲であれば、「＋」
側のように特に制限されないが、上述の作動範囲Ａで
は、基準位置Ｐに対する「＋」側の作動領域と「−」側
の作動領域とを同じに設定した場合を示している。

【００３７】なお、上述の実施例の信号特徴検出器１５
において、光量検出器４からの出力信号を微分するの
は、図６に示すように、光量検出器４からの出力信号の
立ち上がりをきわだたせ、しきい値εとの比較を精度良
く行うためである。このとき、しきい値εの値は、光量
検出器４の出力信号ｂを１回微分した信号ｄの立ち上が
りｈ以内であればよいが、Ｓ／Ｎの面からみて、立ち上
がりｈに変動が生じても立ち上がりがしきい値εを越え
た位置を検出できるようにするために、ｈの中間（ｈ／
２）程度に設定するのが好ましい。また、サンプル面の
反射率の違いにより、ｈの値がサンプルごとに変動する
と、ｈがしきい値εよりも小さいサンプルでは、位置ず
れ状態の検出が行えないことになる。そこで、光量検出
器４の出力信号を３回微分した信号ｇ₃の「０」のタイ
ミングＰＰを検出するようにすれば、しきい値εの値に
影響を受けずに、検出したいタイミングＰＰ（信号特徴
検出器１５から出力するパルス信号の出力タイミング）
を正確に検出ことができる。なお、信号ｇ₂は、光量検
出器４の出力信号を２回微分した信号を示す。

【００３８】ところで、上述のような構成の装置におい
て、ガラス基板をサンプルとし、その表面をサンプル面
Ｓとした場合（図１９参照）には、ガラス基板の下面Ｓ
₂が基準位置Ｐから対物レンズ２よりも離れた側にある
とき、下面Ｓ₂からの反射光は光量検出器４で検出され
ない。すなわち、基準位置Ｐ近辺における上述の作動範
囲Ａにおいて、反射面が２面ある場合でも、サンプル面
でない反射面（下面Ｓ ₂）の影響を受けず、上述した各
検出信号ｂ₁〜ｂ₃等は反射面が１面のサンプルの場合
と同様に検出できるので、サンプル面Ｓの位置ずれを精
度よく検出することができる。特に、サンプル面Ｓが基
準位置Ｐにあるときには、下面Ｓ₂が基準位置Ｐから対
物レンズ２よりも離れた側にあり、下面Ｓ₂からの検出
光量がないので、サンプル面Ｓが基準位置Ｐにあること
を正確に検出することができる。

【００３９】なお、この実施例装置によれば、図７に示
すような透明な薄膜が層状に形成された基板をサンプル
とし、その最上位置の反射面Ｓ₃をサンプル面Ｓと設定
した場合においても、ガラス基板の表面をサンプル面Ｓ
とした場合と同様に、サンプル面Ｓ以外の反射面Ｓ₄、
Ｓ₅からの影響を受けずに、基準位置Ｐ近辺におけるサ
ンプル面Ｓの位置ずれ状態を精度よく検出するとができ
る。

【００４０】次に、本発明の第二実施例装置の構成を図
８に示して説明する。この第二実施例装置では、上述の
第一実施例装置において、平行光線束が対物レンズ２の
光軸ＯＡよりも右側領域に入射するのとは反対に、平行
光線束が対物レンズ２の光軸ＯＡよりも左側領域に入射
するように構成したことを特徴とする。このような構成
の装置において、遮光板３を共役位置Ｐ’に固定したと
きの、サンプル面Ｓの位置に応じた光量検出器４の検出
光量は、図９に示す曲線Ｅ₊のようになる。これは、従
来例の図１４ないし図１６で光線Ｋ₂のみをサンプル面
Ｓに照射したのと同じであるので、サンプル面Ｓが基準
位置Ｐから対物レンズ２に近い側にあるときには、サン
プル面Ｓからの反射光が検出されないからである。

【００４１】このような光量変化のもと、遮光板３を振
動させ、上述した第一実施例装置で説明した位置ずれ検
出器１２を用いれば、サンプル面Ｓの基準位置Ｐに対す
る位置ずれを検出することができる。

【００４２】ただし、本実施例装置では、タイマ回路１
６からの出力信号に基づく、サンプルステージ駆動回路
１７の判断は、第一実施例装置と逆となる。すなわち、
サンプルステージ駆動回路１７に設定されている、サン
プル面Ｓが基準位置Ｐにあるときのタイマ回路１６から
の出力信号と同じ「ＯＮ」期間（ｔ₁）に対して、サン
プル面Ｓが基準位置Ｐから対物レンズ２よりも離れた側
にあるときに、タイマ回路１６から出力される「ＯＮ」
期間ｔ₂は、第一実施例と逆（ｔ₂＜ｔ₁）となり、一
方、サンプル面Ｓが基準位置Ｐから対物レンズ２に近い
側にあるときに、タイマ回路１６から出力される「Ｏ
Ｎ」期間ｔ₃は、第一実施例と逆（ｔ₃＞ｔ₁）とな
る。従って、サンプルステージ駆動回路１７では、ｔ₁
よりも短い「ＯＮ」期間がタイマ回路１６から与えられ
れば、サンプル面Ｓが基準位置Ｐから対物レンズ２より
も離れた側にあると判断し、ｔ₁よりも長い「ＯＮ」期
間がタイマ回路１６から与えられれば、サンプル面Ｓが
基準位置Ｐから対物レンズ２に近い側にあると判断し
て、サンプルステージを駆動させる。

【００４３】この第二実施例によれば、ガラス基板をサ
ンプルとし、その下面をサンプル面Ｓとした場合（図１
９参照）には、ガラス基板の表面Ｓ₁が基準位置Ｐから
対物レンズ２に近い側にあるとき、表面Ｓ₁からの反射
光は光量検出器４で検出されない。すなわち、基準位置
Ｐ近辺における上述の作動範囲Ａにおいて、反射面が２
面ある場合でも、サンプル面でない反射面（表面Ｓ₁）
の影響を受けずにサンプル面Ｓの位置ずれを精度よく検
出することができる。特に、サンプル面Ｓが基準位置Ｐ
にあるときには、表面Ｓ₁が基準位置Ｐから対物レンズ
２に近い側にあり、表面Ｓ₁からの検出光量がないの
で、サンプル面Ｓが基準位置Ｐにあることを正確に検出
することができる。

【００４４】なお、この実施例装置によれば、図７に示
すような透明な薄膜が層状に形成された基板をサンプル
とし、その最下位置の反射面Ｓ₅をサンプル面Ｓと設定
した場合においても、ガラス基板の下面をサンプル面Ｓ
とした場合と同様に、サンプル面Ｓ以外の反射面Ｓ₃、
Ｓ₄からの影響を受けずに、基準位置Ｐ近辺におけるサ
ンプル面Ｓの位置ずれ状態を精度よく検出するとができ
る。

【００４５】次に、本発明における第三実施例装置の構
成を図１０に示して説明する。本実施例装置では、光軸
ＯＡを中心として対物レンズ２の左右の領域にそれぞれ
に入射するための２個の投光器１１₁、１１₂（構成は
投光器１１と同じ）を配置するとともに、後述するよう
に各投光器１１₁、１１₂からの平行光線束の出射の
「ＯＮ」、「ＯＦＦ」を各別に切り替えられるように構
成されている。

【００４６】このような構成の装置において、投光器１
１₁のみから平行光線束を出射し、遮光板３を共役位置
Ｐ’に固定したときの、サンプル面Ｓの位置に応じた光
量検出器４の検出光量は、上述した第一実施例で得た曲
線Ｅ_-（図２参照）と同じになり、一方、投光器１１₂
のみから平行光線束を出射した場合には、上述した第二
実施例で得た曲線Ｅ₊（図９参照）と同じになる。

【００４７】また、各投光器１１₁、１１₂からそれぞ
れ平行光線束を出射した場合には、上述した図２、図９
に示す曲線Ｅ_-、Ｅ₊を重ね合わせた、図１１に示す曲
線Ｅが得られる。この曲線Ｅは、従来例の図１７に示す
曲線Ｅと同じ特性である。

【００４８】本実施例における位置ずれ検出器の構成
は、図１２に示すように、上述した第一、第二実施例装
置に備えた位置ずれ検出器１２と、例えば、従来例（特
開平３−９４１１３号公報）に開示されている位相検出
器２０（±１発生器２２と乗算器２３で構成されてい
る）とを備え、制御部２１により、その切り替えを行う
ように構成されている。但し、振動装置１３に一定周期
の発振信号を与える発振器１４は、位置ずれ検出器１２
と位相検出器２０とで共用する構成であり、各検出器１
２、２０からの出力値は、一旦、制御部２１が受け取
り、制御部２１は受け取った情報に基づいて、サンプル
ステージ駆動回路１７を駆動する構成である。

【００４９】なお、この制御部２１は、上述した各投光
器１１₁、１１₂の「ＯＮ」、「ＯＦＦ」の切り替えも
行なうように構成されている。

【００５０】本実施例装置によれば、まず、各投光器１
１₁、１１₂からそれぞれ平行光線束を出射するよう
に、各投光器１１₁、１１₂を「ＯＮ」にし、遮光板３
を光軸ＯＡに沿って振動させ、位相検出器２０により、
サンプル面Ｓの位置が基準位置Ｐから対物レンズ２に近
い側にずれているか、対物レンズ２よりも離れた側にず
れているかを検出する。制御部２１は、位相検出器２０
からの情報に基づいてサンプルステージを駆動させて、
サンプル面Ｓを基準位置Ｐに近づける。そして、サンプ
ル面Ｓが基準位置Ｐ近辺の作動領域Ａ内に入れば、投光
器１１₁、１１₂のいずれかのみを「ＯＮ」にし、位置
ずれ検出を位相検出器２０から位置ずれ検出器１２に切
り替える。

【００５１】これにより、例えば、ガラス基板の表面や
下面等をサンプル面Ｓとした場合、サンプル面Ｓが作動
領域Ａから外れた位置にあるときにも、その位置ずれ状
態が検出でき、サンプル面Ｓが作動領域Ａ内に入れば、
その位置ずれ状態を精度よく、正確に検出することがで
きる。

【００５２】なお、ガラス基板の表面をサンプル面Ｓと
した場合には、サンプル面Ｓが作動領域Ａ内に入ったと
きに、投光器１１₁のみを「ＯＮ」にし、ガラス基板の
下面をサンプル面Ｓとした場合には、サンプル面Ｓが作
動領域Ａ内に入ったときに、投光器１１₂のみを「Ｏ
Ｎ」にする。

【００５３】また、この装置において図７に示す透明の
薄膜が層状に形成された基板の反射面Ｓ₃または、Ｓ₅
をサンプル面Ｓとして場合にも同様に適用できることは
いうまでもない。

【００５４】

【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、サンプル面に照射する平行光線束は、光軸を
中心とした対物レンズの左右いずれかの領域に入射する
構成であり、サンプル面（反射面）が基準位置から対物
レンズよりも離れる側にある状態か、基準位置から対物
レンズに近い側にある状態のいずれかの場合のみ、光量
検出器で光量が検出される。従って、例えば、ガラス基
板にように複数の反射面を有するサンプルの特定の反射
面（ガラス基板の表面）をサンプル面とした場合に、投
光器からの平行光線束が、基準位置から対物レンズより
も離れた側にある反射面からの反射光を光量検出器で検
出しないように設定することにより、サンプル面が基準
位置にあるときに、ガラス基板の他の反射面である下面
は、基準位置から対物レンズよりも離れた側にあり、下
面からの光量が検出されないので、サンプル面（表面）
が基準位置にあることを正確に検出できる。

【００５５】また、サンプル面をガラス基板の下面に設
定した場合には、平行光線束の対物レンズへの入射領域
を上述と反対側にすることにより、表面からの反射光の
光量の影響を排除して、サンプル面（下面）が基準位置
にある状態を正確に検出できる。

【００５６】また、複数の薄膜を層状に形成したサンプ
ルについても、最上位置の反射面、または、最下位置の
反射面をサンプル面とすれば、平行光線束の対物レンズ
への入射領域を調整することにより、それぞれのサンプ
ル面が基準位置にある状態を正確に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例に係る位置検出装置の概略
構成を示す図である。

【図２】第一実施例装置において遮光板を共役位置に固
定したときのサンプル面の位置に応じた検出光量を示す
図である。

【図３】第一実施例装置の位置ずれ検出器の構成を示す
図である。

【図４】第一実施例装置において遮光板を振動させたと
きの光量検出器からの出力信号を示す図である。

【図５】位置ずれ検出器による位置ずれ状態の検出動作
を説明するための図である。

【図６】信号特徴検出器の精度について説明するための
図である。

【図７】透明な薄膜が層状に形成された基板の構成を示
す図である。

【図８】本発明の第二実施例装置の概略構成を示す図で
ある。

【図９】第二実施例装置において遮光板を共役位置に固
定したときのサンプル面の位置に応じた検出光量を示す
図である。

【図１０】本発明の第三実施例装置の概略構成を示す図
である。

【図１１】第三実施例装置において遮光板を共役位置に
固定したときのサンプル面の位置に応じた検出光量を示
す図である。

【図１２】第三実施例装置の位置ずれ検出器の構成を示
す図である。

【図１３】従来例に係る位置検出装置の概略構成を示す
図である。

【図１４】サンプル面が基準位置にある状態における入
射光と反射光の光路を示す図である。

【図１５】サンプル面が基準位置から対物レンズより離
れた側にある状態における入射光と反射光の光路を示す
図である。

【図１６】サンプル面が基準位置から対物レンズに近い
側にある状態における入射光と反射光の光路を示す図で
ある。

【図１７】従来装置において遮光板を共役位置に固定し
たときのサンプル面の位置に応じた検出光量を示す図で
ある。

【図１８】従来装置において遮光板を振動させたときの
光量検出器からの出力信号を示す図である。

【図１９】従来例の問題点を説明するためのである。

【符号の説明】

２ … 対物レンズ３ … 遮光板３ａ … 遮光板の端縁４ … 光量検出器１１、１１₁、１１₂ … 投光器１２ … 位置ずれ検出器１３ … 振動装置Ｐ … 基準位置Ｐ’ … 基準位置と共役な位置Ｓ … サンプル面ＯＡ … 光軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01C 3/00 - 3/32 G01B 11/00 - 11/30 G02B 7/32 G11B 7/09 - 7/10

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、前記基準位置と共役な位置を通過し、前記対物レンズの
光軸に対して傾斜して、前記対物レンズを経て前記サン
プル面に入射する平行光線束を出射する投光器と、前記基準位置と共役な位置に端縁が配置され、前記端縁
で前記投光器から出射された前記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特性に基づいて、前記サン
プル面の位置ずれ状態を検出する位置ずれ検出器と、を備えたことを特徴とする位置検出装置。