JP4773077B2 - オートフォーカス装置及びオートフォーカス方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物に対するフォーカスを自動制御するオートフォーカス装置及びオートフォーカス方法に関し、詳しくは、対物レンズの光軸方向で結像位置が異なる同一形状の三つの投影パターンにて、その被測定物上における投影画像の大小関係が所定の関係となるように制御して、構成が簡単であり且つ高速のオートフォーカスを実現しようとするオートフォーカス装置及びオートフォーカス方法に係るものである。

従来のオートフォーカス装置は、検査用の第１の撮像カメラの前後に等距離だけオフセットした第２及び第３の撮像カメラを設け、該第２及び第３の撮像カメラからの被測定物の像のビデオ信号をフォーカス制御装置でそれぞれの明るさに関するデータの分散を求め、被測定物が最適フォーカス位置からずれたとき、第２及び第３からの分散が等しい値となる方向に対物レンズを駆動することによって、そのフォーカス位置が第１の撮像カメラの最適フォーカス位置となるように自動制御するものとなっている（例えば、特許文献１参照）。

また、他のオートフォーカス装置は、被測定物の測定面に光を集光させる対物レンズと、この対物レンズから出射された光に基づく被測定物の像を観察可能な観察光学系と、この観察光学系で得られた被測定物の像のコントラストに基づいて上記対物レンズをその光軸方向へ変位させる駆動機構とを備え、さらに被測定物の測定面に所定のパターンを投影するパターン投影手段を設けて、該パターン投影手段により上記被測定物の測定面に所定パターンを投影することにより、そのパターンのコントラストから被測定物の測定面に光が集光するように対物レンズを光軸方向へ変位させてフォーカスの自動制御するものとなっている（例えば、特許文献２参照）

しかし、このような従来のオートフォーカス装置においては、前者は、被測定物の像を撮像してその明るさに関するデータの分散からフォーカスを制御するものであったので、被測定物が移動中には被測定物の像を撮像することができず、移動中の被測定物の測定面に対してオートフォーカスさせることができなかった。また、撮像カメラを三つ必要とするものであったので、装置が複雑化し高価なものとなる虞があった。

さらに、後者は、被測定物の測定面に投影された唯一つのパターンの投影画像に基づいてフォーカスの自動制御をするものとなっていたので、フォーカスがずれている場合には、対物レンズを変位させる方向が直ぐに定まらず、オートフォーカスの制御速度が遅くなる虞があった。特に、サーチ範囲が広い場合に、被測定物の測定面が傾いていたり、大きくうねっているときには、最初の観測位置においてフォーカスを合わせても次の観測位置ではフォーカスが大きくずれてしまうことがあり、オートフォーカスの制御速度がより遅くなる虞があった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、構成が簡単であり且つ高速のオートフォーカスを実現しようとす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ことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるオートフォーカス装置は、被測定物の測定面に平行な面内を該被測定物に対して相対移動可能に設けられ、対物レンズを介して前記被測定物の観察位置の被検査パターンの像を撮像する一つの撮像カメラを有する撮像光学系と、該撮像光学系を前記対物レンズの光軸方向に変位させる駆動機構と、前記撮像光学系で撮像された前記被検査パターンの像に基づいて前記駆動機構を駆動制御する制御手段とを備えたオートフォーカス装置であって、前記撮像光学系と一体的に前記被測定物に対して相対移動可能に設けられ、前記対物レンズの光軸方向の異なる位置に配置されて同方向の結像位置が異なる同一形状の三つの投影パターンを前記被測定物の測定面に前記対物レンズを介して投影する投影光学系を備え、前記撮像光学系が相対移動して前記被測定物の観察位置が一の観察位置から他の観察位置まで移り変わる間の移動中に、前記投影光学系により前記被測定物に投影され前記撮像光学系で取得された前記三つの投影パターンの各投影画像の大小を前記制御手段により比較しながら、該三つの投影画像のうち、前記対物レンズの光軸方向の真中に位置する前記投影パターンに対応した投影画像の大きさが他の投影画像の大きさに比べて小さくなるように前記撮像光学系及び前記投影光学系の、前記対物レンズの光軸方向への変位を制御するものである。

このような構成により、被測定物の観察位置が一の観察位置から他の観察位置まで移り変わる間の移動中に、対物レンズの光軸方向の異なる位置に配置されて同方向の結像位置が異なる同一形状の三つの投影パターンを投影光学系により対物レンズを介して被測定物の測定面に投影し、一つの撮像カメラを有する撮像光学系により上記対物レンズを介して、被測定面に投影された上記三つの投影パターンの投影画像を取得し、制御手段により上記三つの投影パターンの投影画像の大小を比較しながら、該三つの投影画像のうち、対物レンズの光軸方向の真中に位置する投影パターンに対応した投影画像の大きさが他の投影画像の大きさに比べて小さくなるように駆動機構を駆動制御し、駆動機構により撮像光学系及び投影光学系を対物レンズの光軸方向に変位させる。

また、前記投影パターンは、同一の光軸上で異なる位置に配設された三枚のマスクにそれぞれ形成されたものである。これにより、同一の光軸上で異なる位置に配設された三枚のマスクで対物レンズの光軸方向で異なる位置に投影パターンを結像する。

さらに、前記各投影パターンは、前記三枚のマスクにて互いに横方向にずれた位置に形成されたものである。これにより、各投影パターを互いに横方向にずれた位置に形成した三枚のマスクで、各投影パターンを被測定物の測定面に投影する。

また、前記各投影パターンは、前記三枚のマスクにて互いに円周方向にずれた位置に形成されたものである。これにより、各投影パターを互いに円周方向にずれた位置に形成した三枚のマスクで、各投影パターンを被測定物の測定面に投影する。

さらに、前記制御手段による前記三つの投影パターンの投影画像の大小比較は、各投影画像の面積の大小を比較し、または前記各投影画像の周囲長の長短を比較するものである。これにより、制御手段で三つの投影パターンの投影画像の面積の大小を比較し、または各画像の周囲長の長短を比較して、上記三つの投影パターンの投影画像の大小を比較する。

また、本発明によるオートフォーカス方法は、被測定物の測定面に平行な面内を該被測定物に対して相対移動可能に設けられ一つの撮像カメラを有する撮像光学系により対物レンズを介して前記被測定物の観察位置の被検査パターンの像を撮像し、該撮像光学系で撮像された前記被検査パターンの像に基づいて前記撮像光学系を前記対物レンズの光軸方向に変位させ、フォーカスを自動制御するオートフォーカス方法であって、前記撮像光学系が相対移動して前記被測定物の観察位置が一の観察位置から他の観察位置まで移り変わる間の移動中に、前記撮像光学系と一体的に前記被測定物に対して相対移動可能に設けられた投影光学系により前記対物レンズの光軸方向の異なる位置に配置されて同方向の結像位置が異なる同一形状の三つの投影パターンを前記被測定物の測定面に前記対物レンズを介して投影するステップと、前記被測定物の測定面に投影された前記三つの投影パターンの各投影画像を取得するステップと、該取得された前記三つの投影パターンの投影画像の大小を比較するステップと、該三つの投影画像のうち、前記対物レンズの光軸方向の真中に位置する前記投影パターンに対応した投影画像の大きさが他の投影画像の大きさに比べて小さくなるように撮像光学系を前記投影光学系と一体的に前記対物レンズの光軸方向に変位させるステップと、を実行するものである。

このような方法により、被測定物の観察位置が一の観察位置から他の観察位置まで移り変わる間の移動中に、投影光学系により対物レンズの光軸方向の異なる位置に配置されて同方向の結像位置が異なる同一形状の三つの投影パターンを被測定物の測定面に上記対物レンズを介して投影し、上記被測定物の測定面に投影された上記三つの投影パターンの投影画像を一つの撮像カメラを有する撮像光学系により取得し、該取得された上記三つの投影パターンの投影画像のうち、対物レンズの光軸方向の真中に位置する投影パターンに対応した投影画像の大きさが他の投影画像の大きさに比べて小さくなるように撮像光学系及び投影光学系を上記対物レンズの光軸方向に変位させる。

また、前記三つの投影パターンの投影画像の大小を比較するステップは、各投影画像の面積の大小を比較することにより、または前記各投影画像の周囲長の長短を比較することにより実行するものである。これにより、三つの投影パターンの投影画像により、その面積の大小を比較する、またはその周囲長の長短を比較する。

請求項１又は６に係る発明によれば、対物レンズの光軸方向の異なる位置に配置されて同方向の結像位置が異なる同一形状の三つの投影パターンにて、その被測定物上における投影画像のうち、対物レンズの光軸方向の真中に位置する投影パターンに対応した投影画像の大きさが他の投影画像の大きさに比べて小さくなるように自動制御するものとしたことにより、フォーカスがずれている場合にも上記三つの投影画像の大小関係から撮像光学系の変位方向を容易に定めることができる。したがって、オートフォーカスの制御を高速に実行することができる。また、一つ撮像カメラを有する撮像光学系で被測定物の像を撮像するものとしたことにより、撮像光学系の構成を簡単にすることができる。さらに、撮像光学系と被測定物との相対移動中に発生する被測定物の測定面の相対変動に撮像光学系を追従させてフォーカスずれを抑制することができる。したがって、サーチ範囲が広くてもオートフォーカスをより高速に実行することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、各投影パターンを同一の光軸上で異なる位置に配設された三枚のマスクにそれぞれ形成したことにより、投影光学系を単一の光軸で構成した場合にも、被測定物の測定面上で三つの投影パターンに異なる結像状態を生じさせることができる。したがって、投影光学系の構成を簡単にすることができる。

さらに、請求項３又は４に係る発明によれば、各投影パターンが三枚のマスクにて互いに横方向にずれた位置に、または円周方向にずれた位置に形成されたものとしたことにより、三つの投影パターンの大小比較を同時に行うことができ、オートフォーカスをより高速に行うことができる。

また、請求項５又は７に係る発明によれば、制御手段による三つの投影パターンの投影画像の大小比較が各投影画像の面積の大小を比較することにより、または各投影画像の周囲長の長短を比較することにより実行されるものとしたことにより、三つの投影パターンの投影画像の大小関係を容易に判定することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるオートフォーカス装置の実施形態を示す概念図である。このオートフォーカス装置は、被測定物に対するフォーカスを自動制御するものであり、特に、被測定物の移動に伴う測定面の変位に追従してフォーカスの自動制御を可能としている。そして、このオートフォーカス装置は、撮像光学系１と、投影光学系２と、照明光学系３と、駆動機構４と、制御手段５とを備えている。

上記撮像光学系１は、例えば検査装置のＸＹステージ６上方に設けられて、ＸＹステージ６に載置された被測定物７の像を撮像するものであり、上記被測定物７の測定面７ａに対向して配設され、該測定面７ａに光を集光させる対物レンズ８と、該対物レンズ８を介して取得される上記被測定物７の画像を光電変換して出力する撮像カメラ９とを備え、上記対物レンズ８と撮像カメラ９との間に対物レンズ８側から撮像光学系１の光路と後述する照明光学系３の光路とを分離する第１のハーフミラー１０と、撮像光学系１の光路と後述する投影光学系２の光路とを分離する第２のハーフミラー１１と、撮像光学系１の光路を撮像カメラ９側に折り曲げるミラー１２とを有している。そして、撮像光学系１は、上記対物レンズ８の光軸方向（Ｚ方向）に変位可能にされた光学系支持部材１３に設けられている。

また、上記光学系支持部材１３には、投影光学系２が設けられている。この投影光学系２は、上記対物レンズ８の光軸方向で結像位置が異なる同一形状の三つの投影パターンを上記被測定物７の測定面７ａに上記対物レンズ８を介して投影するものであり、上記第２のハーフミラー１１から対物レンズ８を通って上記被測定物７に至る光路を撮像光学系１の光路と共通とし、上記第２のハーフミラー１１によって撮像光学系１の光路と分離されて被測定物７の上方に真直ぐ伸びる光路上の異なる位置に上記投影パターンをそれぞれ形成した第１、第２及び第３のマスク１４ａ，１４ｂ，１４ｃを配設している。この場合、第１及び第３のマスク１４ａ，１４ｃは、第２のマスク１４ｂを中心に同一の光軸上でその前後に等距離だけオフセットさせて配設される。さらに、この第１〜第３のマスク１４ａ〜１４ｃに形成された投影パターンを上記各マスクの裏面から照明するパターン投影用光源１５を備えている。

上記第１〜第３のマスク１４ａ〜１４ｃには、上記投影パターンが光軸方向で重ならないように互いに横方向にずれた位置に形成されている。具体的には、例えば図２に示すように、第１のマスク１４ａは、長方形の透明基板１６の長手方向に三分割して得られた左側領域に不透明膜１７を形成し、その略中央に透過する円形の第１の投影パターン１８ａを形成している。また、第２のマスク１４ｂは、透明基板１６の中央領域に形成した不透明膜１７の略中央に第１の投影パターン１８ａと同一形状の第２の投影パターン１８ｂを形成している。さらに、第３のマスク１４ｃは、透明基板１６の右側領域に形成した不透明膜１７の略中央に第１及び第２の投影パターン１８ａ，１８ｂと同一形状の第３の投影パターン１８ｃを形成している。そして、上記第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃは、その投影画像が被測定物７の測定面７ａ上で横一列状に並ぶようにされている。または、図３に示すように円形の透明基板１６を円周方向に三分割して形成した各領域に第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃを形成し、該三つの投影パターンの投影画像が被測定物７の測定面７ａ上で光軸を中心とする円周上に並ぶようにしてもよい。

この場合、図４に示すように被測定物７の側定面７ａがフォーカスの目標位置７ａ１にあるときには、真中に配設した第２のマスク１４ｂの投影画像Ｉｂが像Ｉｂ１として結像し、第１の投影パターン１８ａ及び第３の投影パターン１８ｃの投影画像Ｉａ，Ｉｃの像Ｉａ１及びＩｃ１はアンフォーカスの状態になる。したがって、目標位置７ａ１における各投影パターンの投影画像Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの大小関係は、像Ｉａ１＞Ｉｂ１＜Ｉｃ１の関係となる。また、被測定物７の測定面７ａが目標位置７ａ１よりも上がって位置７ａ２にあるときには、最上部に配設された第１のマスク１４ａの投影画像Ｉａが像Ｉａ２として結像し、第２の投影パターン１８ｂ及び第３の投影パターン１８ｃの投影画像Ｉｂ，Ｉｃの像Ｉｂ２及びＩｃ２はアンフォーカスの状態になる。したがって、位置７ａ２における各投影パターンの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小関係は、像Ｉａ２＜Ｉｂ２＜Ｉｃ２の関係となる。さらに、被測定物７の測定面７ａが目標位置７ａ１よりも下がって位置７ａ３にあるときには、最下部に配設された第３のマスク１４ｃの投影画像Ｉｃが像Ｉｃ３として結像し、第１の投影パターン１８ａ及び第２の投影パターン１８ｂの投影画像Ｉａ，Ｉｂの像Ｉａ３及びＩｂ３はアンフォーカスの状態になる。したがって、位置７ａ３における各投影パターンの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小関係は、像Ｉａ３＞Ｉｂ３＞Ｉｃ３の関係となる。

このように、上記三つの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小関係がどのような関係にあるかを評価すれば、被測定物７の測定面７ａが目標位置７ａ１に対して上下のいずれの方向にあるかを容易に判定することができる。この場合、上記三つの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小関係がＩａ＞Ｉｂ＜Ｉｃの関係となるように駆動機構４を駆動制御して光学系支持部材１３を変位させれば、撮像光学系１を被測定物７の測定面７ａの変位に追従させて目標位置７ａ１にオートフォーカスさせることが可能となる。なお、上記三つの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小関係の他、輝度差も考慮してフォーカス方向を決定してもよい。

ここで、被測定物７の測定面７ａの位置において、第１の投影パターン１８ａの結像位置７ａ２と第３の投影パターン１８ｃの結像位置７ａ３とのオフセット量δを例えば約5μmに設定すると、第１のマスク１４ａと第３のマスク１４ｃのオフセット量Δは、例えば20倍の対物レンズ８の場合には、約2.5mmとなる。また、例えば50倍の対物レンズ８の場合には、約16mmとなる。したがって、結像位置のオフセット量δに比べて各マスクの配設精度は粗くてもよく、製造が容易になる。なお、実際の結像位置のオフセット量δは、被測定物７の移動速度、被測定物７を載置するステージ６（図１参照）の平面度又は被測定物７の測定面７ａの平面度、撮像カメラ９の処理速度に依存するが、上記オフセット量δは、例えば被測定物７の移動速度が150mm/sec、ステージ６の平面度が2μm、撮像カメラ９の処理速度が1/60secを想定した場合の例である。

さらに、上記光学系支持部材１３には、被測定物７の垂直上方に伸び、途中から右側に折れ曲がった光路からなる照明光学系３が設けられている。この照明光学系３は、被測定物７に形成された被検査パターンを照明して撮像カメラ９で撮像可能にするためのものであり、上記第１のハーフミラー１０から対物レンズ８を通って上記被測定物７に至る光路を撮像光学系１の光路と共通とし、上記第１のハーフミラー１０により撮像光学系１の光路と分離された光路の端部に観察用光源１９を備えている。そして、上記第１のハーフミラー１０と観察用光源１９との間の光路上には、光路を折り曲げるプリズム２０が設けられている。なお、観察用光源１９は、コントロールＰＣ２５に接続されて制御されるようになっている。

さらにまた、上記光学系支持部材１３の側面には、駆動機構４が設けられている。この駆動機構４は、光学系支持部材１３を対物レンズ８の光軸方向（Ｚ方向）に変位させるものであり、光学系支持部材１３を移動可能に設けられた移動機構部２１と、該移動機構部２１を駆動するモータ２２とからなる。なお、このモータ２２はモータドライバ２３により駆動されるようになっている。

そして、上記撮像カメラ９と、パターン投影用光源１５と、モータ２２のモータドライバ２３に接続して制御手段５が設けられている。この制御手段５は、撮像光学系１で取得された上記第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小を比較し、該三つの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小関係が所定の関係となるように上記駆動機構４のモータ２２を駆動制御するものであり、撮像カメラ９で取得された三つの投影画像Ｉａ〜Ｉｃに基づいて駆動機構４の駆動を制御するオートフォーカスユニット（以下、「ＡＦユニット」と記載する）２４と、該ＡＦユニット２４に対して各種命令を発するコントロールＰＣ２５とを含んで構成されている。

ここで、上記ＡＦユニット２４は、撮像カメラ９で取得したアナログの画像情報をデジタルに変換して出力するＡ／Ｄ変換器２６と、デジタル変換された上記画像情報を画像処理して上記第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小比較を可能にするデータを出力する画像処理部２７と、該画像処理部２７から出力されるデータに基づいて第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃの投影画像の大小を比較し、該三つの投影画像の大小関係が所定の関係となるように上記モータ２２を駆動制御する制御信号を出力する制御部２８と、該制御信号に基づいてモータドライバ２３を制御するモータコントローラ２９と、制御部２８を介して入力する上記コントロールＰＣ２５の命令に従ってパターン投影用光源１５をオン・オフ制御するライトコントローラ３０とを備えている。

次に、このように構成されたオートフォーカス装置の動作及びオートフォーカス方法を、図５のフローチャートを参照して説明する。
先ず、ステップＳ１の初期状態においては、ＸＹステージ６が任意の位置（スタート位置）で静止している。また、常時点灯中の観察用光源１９から発射された光は、図１に示す照明光学系３のプリズム２０で反射されたのち、第１のハーフミラー１０で反射されて対物レンズ８を通じてＸＹステージ６上に載置された被測定物７の測定面７ａを照射している。さらに、光学系支持部材１３は、最上部に上昇した状態にある。このような初期状態において、上記コントロールＰＣ２５からの命令により上記スタート位置の被検査パターンに対して公知のコントラスト方式のオートフォーカスが実行される。

具体的には、コントロールＰＣ２５の命令に基づいて、ＡＦユニット２４の制御部２８が起動し、この制御部２８からモータコントローラ２９に対して光学系支持部材１３を下降させる制御信号が出力される。モータコントローラ２９は、該制御信号に制御されてモータドライバ２３に光学系支持部材１３を下降させる駆動信号を出力する。そして、モータドライバ２３は、この駆動信号に基づいて駆動機構４のモータ２２を駆動し、光学系支持部材１３を下降させる。

このとき、被測定物７の測定面７ａに形成された被検査パターンを照射する照明光は、該被検査パターンで反射されて対物レンズ８を通して撮像光学系１に取り込まれる。そして、対物レンズ８を通過した被検査パターンの反射光は、第１のハーフミラー１０を透過したのち、第２のハーフミラー１１で反射される。さらに、被検査パターンの反射光は、ミラー１２で反射されて撮像カメラ９に到達し、該撮像カメラ９の撮像面に被検査パターンを結像する。

撮像カメラ９で取得された被検査パターンの象は、Ａ／Ｄ変換器２６によりデジタル変換されて画像処理部２７に入力する。画像処理部２７においては、取得画像に基づいて画像のコントラストを評価する。そして、その評価結果に基づいて制御部２８は、コントラストが最大となるようにモータコントローラ２９を制御して、最適フォーカス位置まで光学系支持部材１３を下降させて停止させる。

次に、ステップＳ２において、制御部２８は、コントロールＰＣ２５の命令に従って、ＡＦユニット２４のライトコントローラ３０を起動し、パターン投影用光源１５を点灯させる。

さらに、ステップＳ３において、コントロールＰＣ２５の命令により、本発明のオートフォーカス装置がコントラスト方式から追従方式のオートフォーカスモードに切換わる。

ステップＳ４においては、コントロールＰＣ２５の命令に従って、ＸＹステージ６が被測定物７を次の観察位置まで移動する。同時に、この移動中に本発明による追従方式のオートフォーカスが実行される。

以下、図６のフローチャートを参照して、追従方式のオートフォーカス動作を説明する。
先ず、ステップＳ４−１において、光軸方向で異なる位置に配設された第１〜第３のマスク１４ａ〜１４ｃがパターン投影用光源１５により背面から照射され、第１〜第３のマスク１４ａ〜１４ｃのそれぞれに形成された第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃが対物レンズ８を通して被測定物７の測定面７ａに投影される。被測定物７の測定面７ａに投影された上記第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃの投影画像Ｉａ〜Ｉｃは、撮像光学系１により取り込まれ撮像カメラ９の撮像面に結像する。この撮像カメラ９の撮像面に結像した第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃの投影画像Ｉａ〜Ｉｃは、Ａ／Ｄ変換器２６でデジタル変換されて画像処理部２７に送られる。画像処理部２７では、上記第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃの投影画像Ｉａ〜Ｉｃを画像処理して三つの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小比較を可能にするデータ、例えば三つの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの面積を演算したデータを出力する。制御部２８は、画像処理部２７から入力したデータに基づいて上記三つの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小を比較する。

ステップＳ４−２においては、制御部２８は、上記第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小関係がＩａ≧Ｉｂ＞Ｉｃの関係となっているか否かを判定する。ここで、三つの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小関係がＩａ≧Ｉｂ＞Ｉｃの関係である場合には、図４に示すように、被測定物７の測定面７ａが目標位置７ａ１よりも位置７ａ３側に下がって対物レンズ８よりも離れた状態にあることを示しており、この場合には、“ＹＥＳ”判定となってステップＳ４−３に進む。

ステップＳ４−３においては、制御部２８は、モータコントローラ２９に対して光学系支持部材１３を下げるように指示する制御信号を出力する。この制御信号を受けてモータコントローラ２９は、モータドライバ２３を駆動してモータ２２を動かし、光学系支持部材１３を下降させて被測定物７と対物レンズ８とを接近させる。そして、ステップＳ４−１に戻る。
一方、ステップＳ４−２において、“ＮＯ”判定となった場合には、ステップＳ４−４に進む。

ステップＳ４−４においては、制御部２８は、上記第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小関係がＩａ＜Ｉｂ≦Ｉｃの関係となっているか否かを判定する。ここで、三つの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小関係がＩａ＜Ｉｂ≦Ｉｃの関係である場合には、図４に示すように、被測定物７の測定面７ａが目標位置７ａ１よりも位置７ａ２側に上がって対物レンズ８に近づいた状態であることを示しており、この場合には、“ＹＥＳ”判定となってステップＳ４−５に進む。

ステップＳ４−５においては、制御部２８は、モータコントローラ２９に対して光学系支持部材１３を上げるように指示する制御信号を出力する。この制御信号を受けてモータコントローラ２９は、モータドライバ２３を駆動してモータ２２を動かし、光学系支持部材１３を上昇させて被測定物７と対物レンズ８とを離す。そして、ステップＳ４−１に戻る。

ステップＳ４−４において、“ＮＯ”判定となった場合には、ステップＳ４−６に進む。
ステップＳ４−６においては、制御部２８は、コントロールＰＣ２５から追従方式オートフォーカスの終了命令があったか否かを判定する。ここで、“ＮＯ”判定となった場合、即ち、次の観察位置へのステージ６の移動が続いている場合には、ステップＳ４−１に戻って、ステップＳ４−１〜Ｓ４−６を繰り返し実行し、追従方式のオートフォーカスを継続する。一方、ステップＳ４−６において、“ＹＥＳ”判定となった場合には、図５に示すステップＳ５に進む。

ステップＳ５においては、コントロールＰＣ２５による追従方式のオートフォーカスの終了命令とほぼ同時に、コントロールＰＣ２５の命令に従ってステージ６の移動が停止される。このとき、撮像光学系１の対物レンズ８が被測定物７の新たな観察位置に位置づけられた状態になる。

ステップＳ６においては、制御部２８は、コントロールＰＣ２５から入力したパターン投影用光源１５の消灯命令に従ってライトコントローラ３０を起動して、パターン投影用光源１５を消灯させる。これにより、撮像光学系１の撮像カメラ９には、被測定物７の新たな観察位置に対応する被検査パターンの像が取得可能となる。

ステップＳ７においては、上記新たな観察位置の被検査パターンの像に対してステップＳ１と同様のコントラスト方式のオートフォーカスが実行される。そして、取得した画像に基づいて上記第２の観察位置の被検査パターンに対する欠陥検査、又は欠陥修理等が行われる。

ステップＳ８においては、コントロールＰＣ２５が全観察位置のパターン検査を終了したか否かを判定する。ここで、“ＮＯ”判定となった場合には、ステップＳ２に戻って、ステップＳ２〜Ｓ８が繰り返し実行される。一方、ステップＳ８において、“ＹＥＳ”判定となった場合には、上記一連の動作を終了する。

なお、上記実施形態においては、被測定物７側をＸＹ方向に移動する場合について説明したが、これに限られず、撮像光学系１及び投影光学系２側が一体的に移動するものであってもよし、被測定物７側と撮像光学系１及び投影光学系２側の両者を移動するものであってもよい。また、三つの投影パターン１８ａ〜１８ｃの投影画像Ｉａ〜Ｉｃの大小比較は、各投影画像Ｉａ〜Ｉｃの面積の大小を比較するものに限られず、上記各投影画像Ｉａ〜Ｉｃの周囲長の長短を比較するものであってもよい。さらに、上記三つの投影パターン１８ａ〜１８ｃは、面積が同一であるならば、形状が異なっていてもよい。

さらに、上記実施形態においては、上記第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃが第１〜第３のマスク１４ａ〜１４ｃにて光軸方向で重ならないように互いに横方向にずれた位置に形成されたものとしたが、これに限られず、上記第１〜第３のマスク１４ａ〜１４ｃにて同一の光軸方向で重なった位置に形成されたものであってもよい。この場合、対向して設けた偏向板の間に透過型の液晶パネルで形成した第１〜第３のマスク１４ａ〜１４ｃを配設すれば、例えば静止状態の被測定物７に対しては、第１〜第３のマスク１４ａ〜１４ｃに相当する液晶パネルを順次切換えて第１〜第３の投影パターン１８ａ〜１８ｃを投影し、撮像光学系１で取得して各投影パターンの投影画像Ｉａ〜Ｉｃをそれぞれ記憶し、記憶した上記投影画像Ｉａ〜Ｉｃを読み出して大小を比較し、その大小関係が所定の関係となるように撮像光学系１を対物レンズ８の光軸方向に変位させることにより、フォーカスの自動制御を可能にすることができる。これにより、静止状態の被測定物７に対してフォーカス方向が直ぐに定まり、オートフォーカスを高速に実行することができる。なお、この場合に適用される液晶パネルは、例えば対向基板に形成した透明電極の中央部を投影パターンの形状に除去することにより作製することができる。

本発明によるオートフォーカス装置の実施形態を示す概念図である。 上記オートフォーカス装置に使用される投影パターンを形成した三つのマスクの構成例を示す説明図である。 上記三つのマスクの他の構成例を示す説明図である。 上記三つのマスクに形成された各投影パターンの結像位置及び各結像位置における各投影パターンの投影画像の大小関係を示す模式図である。 本発明によるオートフォーカス装置の動作及びオートフォーカス方法を説明するフローチャートである。 図５のオートフォーカス動作において、特に、追従方式オートフォーカス動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１…撮像光学系
２…投影光学系
４…駆動機構
５…制御手段
７…被測定物
７ａ…測定面
８…対物レンズ
９…撮像カメラ
１４ａ〜１４ｃ…第１〜第３のマスク
１８ａ〜１８ｃ…第１〜第３の投影パターン
Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ…投影画像

Claims (7)

1. 被測定物の測定面に平行な面内を該被測定物に対して相対移動可能に設けられ、対物レンズを介して前記被測定物の観察位置の被検査パターンの像を撮像する一つの撮像カメラを有する撮像光学系と、該撮像光学系を前記対物レンズの光軸方向に変位させる駆動機構と、前記撮像光学系で撮像された前記被検査パターンの像に基づいて前記駆動機構を駆動制御する制御手段とを備えたオートフォーカス装置であって、
   前記撮像光学系と一体的に前記被測定物に対して相対移動可能に設けられ、前記対物レンズの光軸方向の異なる位置に配置されて同方向の結像位置が異なる同一形状の三つの投影パターンを前記被測定物の測定面に前記対物レンズを介して投影する投影光学系を備え、
   前記撮像光学系が相対移動して前記被測定物の観察位置が一の観察位置から他の観察位置まで移り変わる間の移動中に、前記投影光学系により前記被測定物に投影され前記撮像光学系で取得された前記三つの投影パターンの各投影画像の大小を前記制御手段により比較しながら、該三つの投影画像のうち、前記対物レンズの光軸方向の真中に位置する前記投影パターンに対応した投影画像の大きさが他の投影画像の大きさに比べて小さくなるように前記撮像光学系及び前記投影光学系の、前記対物レンズの光軸方向への変位を制御することを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 前記各投影パターンは、同一の光軸上で異なる位置に配設された三枚のマスクにそれぞれ形成されたものであることを特徴とする請求項１記載のオートフォーカス装置。
3. 前記各投影パターンは、前記三枚のマスクにて互いに横方向にずれた位置に形成されたことを特徴とする請求項２記載のオートフォーカス装置。
4. 前記各投影パターンは、前記三枚のマスクにて互いに円周方向にずれた位置に形成されたことを特徴とする請求項２記載のオートフォーカス装置。
5. 前記制御手段による前記三つの投影パターンの投影画像の大小比較は、各投影画像の面積の大小を比較し、または前記各投影画像の周囲長の長短を比較するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
6. 被測定物の測定面に平行な面内を該被測定物に対して相対移動可能に設けられ一つの撮像カメラを有する撮像光学系により対物レンズを介して前記被測定物の観察位置の被検査パターンの像を撮像し、該撮像光学系で撮像された前記被検査パターンの像に基づいて前記撮像光学系を前記対物レンズの光軸方向に変位させ、フォーカスを自動制御するオートフォーカス方法であって、
   前記撮像光学系が相対移動して前記被測定物の観察位置が一の観察位置から他の観察位置まで移り変わる間の移動中に、前記撮像光学系と一体的に前記被測定物に対して相対移動可能に設けられた投影光学系により前記対物レンズの光軸方向の異なる位置に配置されて同方向の結像位置が異なる同一形状の三つの投影パターンを前記被測定物の測定面に前記対物レンズを介して投影するステップと、
   前記被測定物の測定面に投影された前記三つの投影パターンの各投影画像を取得するステップと、
   該取得された前記三つの投影パターンの投影画像の大小を比較するステップと、
   該三つの投影画像のうち、前記対物レンズの光軸方向の真中に位置する前記投影パターンに対応した投影画像の大きさが他の投影画像の大きさに比べて小さくなるように撮像光学系を前記投影光学系と一体的に前記対物レンズの光軸方向に変位させるステップと、
   を実行することを特徴とするオートフォーカス方法。
7. 前記三つの投影パターンの投影画像の大小を比較するステップは、各投影画像の面積の大小を比較することにより、または前記各投影画像の周囲長の長短を比較することにより実行することを特徴とする請求項６記載のオートフォーカス方法。

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