JPH0157328B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は顕微鏡による高集積LS1等の微細パタ
ーンの拡大観察装置等の光学系拡大観察装置の自
動焦点合せ装置に関するものである。

高集積LS1、バブルメモリ、撮像管面板等は２
〜3μｍの微細パターンを有するため、これらの
部品の外観検査には高倍率の顕微鏡が使用され
る。高倍率の顕微鏡の焦点深度は1μｍ以下であ
り、精密な自動焦点合せが要求される。

従来より用いられている微細パターンの光学系
拡大観察装置の焦点合せの原理を第１図に基づい
て説明する。

第１図においては、観察系を省略してあるが、
第１図における観察系を強いて述べるならば対物
レンズ６を通して試料表面４又は５に可視光を投
射しその反射光を受入れる観察系（所要の半透鏡
等を必要とする。）があると承知しておけばよい。

この例においては、焦点合せの為にレーザ光１
が導入される。レーザ光１は凹レンズ２により拡
げられ、半透鏡３で反射し、対物レンズ６で集光
させられ、合焦点時の試料表面４に微小スポツト
を形成する。この面からの反射光７は、再び対物
レンズ６を通り、半透鏡３を透過し点１４に集光
する。点１４の位置（従つて試料表面４の位置。）
を検出する為に、ピンホール９を有するピンホー
ル板８及び光電素子１０が設けられている。ピン
ホール板８は上下方向（Ｘ方向１１）に振動する
ようにしてある。従つて、第１図に示すように試
料表面４からの反射光がピンホール板８のピンホ
ール９内に集光している（焦光点が１４である）
時には、第２図Ａに示すように、ピンホール板８
が反射光の集点位置１８を中心として上下（ｘ軸
方向）に振動していることにより、光電素子１０
の出力をｘ軸について、点１８を中心とした山形
波形１７となる。

第１図に示すように、試料表面が４の位置より
Ｚ（13）だけ変位し５の位置になつた場合は、そ
の反射光は１２となり点１５に集光する。従つ
て、ピンホール板８を点１５の位置まで移動する
とき（その位置を第２図で１９で示す。）は、光
電素子１０の出力はｘ軸について点１９を中心に
した山形波形となる。第２図における縦軸１６の
Ｖ値は光電素子の出力を示している。

従つて、ピンホール板８が１８の位置にて振動
しているとき、試料表面が４の位置にあるとき
は、前述のように（第２図Ａに示すように。）ｘ
−Ｖ座標で、１８の位置を中心とする光電素子１
０の出力が山形（第２図Ｂでで示す。）となる
が、試料表面が焦点位置に一致していないとき
は、第２図Ｂに示すように，，′，′のよ
うな中心が１８の位置よりずれた出力波形が得ら
れる。が第２図Ａにおける点１９を中心とする
山形波形に相当する。即ち、，は試料表面が
合焦点位置より次第に遠ざかつた場合の光電素子
１０の出力波形を、′，′は近づいた場合のも
のを示している。よつて、１８の位置にて光電素
子１０の出力Ｖ１６が最大になるように、試料面
を移動させることにより、試料面を対物レンズ６
の焦点位置に合せることができる。

以上の原理を用いる従来の装置を第３図に基づ
いて説明する。拡大観察系は太矢印経路であり、
これの部材は図示してない。レーザ光として半導
体レーザ光が用いられ、半導体レーザ光発生器を
符号２０で示す。発生器２０からのレーザ光は凸
レンズ２１で集光され、凹レンズ２２で拡大さ
れ、偏光ビームスプリツタ２３、４分の１波長板
２４を通り、反射鏡２５で反射され、対物レンズ
２６で集光され、試料２７上にレーザスポツト２
８を形成する。試料２７からの反射光は、再度対
物レンズ２６で集められ、反射鏡２１、４分の１
波長板２４を通り、偏光ビームスプリツタ２３で
直角に曲げられ、凹レンズ２９、ビームスプリツ
タ３０を通り、集光レンズ３１で集光されてレー
ザスポツトを形成する。ピンホール３２を有する
板を振動させて、ピンホール３２を通過する光を
光電素子３３で検出する。

ｘ軸３４にピンホールの振動変位ｘをとり、縦
軸３５に光電素子３３の出力をとつて表示すると
３６の如き電気信号になるので、ピンホールの振
動中心に光電素子３３の最大出力値がくるように
試料２７を上下することにより焦点合せを行つて
いる。

このような観察装置においては、光学系の焦点
を合せて試料を観察する必要があると共に、常に
焦点を自動的に合せておいて試料の観察部位をか
えて、即ち試料を横移動させて観察することが必
要である。自動焦点合せを行いながら試料２７を
移動する方向を第３図で符号３７（第１図で符号
２０）で示してある。試料２７を方向３７に移動
すると、当然のことながら試料２７上のパターン
３８も移動する。パターン３８の反射率は場所に
よつて異なるので、試料２７の移動に伴なつて反
射光の強さも変化する。ピンホール３２がｘ軸方
向に振動している間に反射光の強さが変化する
と、光電素子３３の出力は符号３９で示すような
波形となり波形の中心位置を求めることはできな
い。焦点位置合せを行うためには、試料２７面か
ら反射する反射光の強さが一定であることが必要
である。

本発明者等はこの反射光の強さを一定にする方
法を既に提案し、特願昭55−140610号として特許
出願している。該方法としては、第３図の反射光
光路にビームスリツタ３０を設け、試料からの反
射光の一部を分岐し、集光レンズ４０で集光し、
光電素子４１で検出し、この値を制御回路４２を
介して半導体レーザ発生装置２０にフイードバツ
クして、光電素子４１の出力が常に一定になるよ
うに半導体レーザ発生装置２０を制御している。
これにより、ピンホール３２移動中に試料２７の
反射率が変化しても、反射光の強さは常に一定と
なるので、光電素子３３の出力波形は符号３６の
ようになり、中心位置を求め、これをピンホール
３２の振動中心にもつてくることができる。

しかしながら、該方法には次のような欠点があ
る。即ち、第４図に示すように、半導体レーザ発
生器２０からの射出光４３により、対物レンズ２
６よりの反射光４４と、試料表面よりの反射光４
５が生ずる。光電素子４１には反射光４４と４５
の一部である４６と４７が両方共に入射する。即
ち、上記方法では、半導体レーザ発生器２０は、
反射光４４と４５の和が一定になるように制御さ
れている。一方、自動焦点合せに使用する反射光
は４５だけであり、ピンホール３２を通過し光電
素子３３に到着する反射光も反射光４５の一部で
ある４８だけである。従つて、試料の反射率が変
化しても、試料からの反射光４５の強さが常に一
定になるように制御しなくてはならない。然る
に、上記した制御方式では反射光４５の強さを一
定に保つことはできず、第３図における符号３６
のような山形波形を得ることはできない。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、試料からの反射光を一定に保つことによ
り、反射率の異なるパターンが混在するような試
料の場合でも正しく自動焦点合せを行うことがで
きる光学系拡大観察装置の自動焦点合せ装置を提
供するにある。

本発明による光学系拡大観察装置の自動焦点合
せ装置は、光学系拡大観察装置の観察光路の対物
レンズの上方から該光路にレーザ光を導入し、試
料面からの反射光を該光路より分岐して取出し、
該反射光を光電素子にて検出し、その出力に基づ
いて試料面を該対物レンズの焦点位置に自動的に
移動させると共に、反射光の一部を反射光光路よ
り分岐して取出し、その出力を検出する第２の光
電素子及びレーザ光の出力を検知する手段を設
け、該レーザ光出力検知手段よりの出力に予め計
算された係数を乗じて増幅又は減衰して、試料面
からの反射光と共に前記の第２の光電素子に入力
される其他の反射光入力値に換算し、この換算出
力を第２の光電素子の出力より差引き、第２の光
電素子よりの出力を試料面からの反射光成分のみ
とし、この減算出力をレーザ光発生装置の制御手
段に入力し、この減算出力が一定になるようにレ
ーザ光の出力を制御するようにしてあることを特
徴とする装置である。

本発明の装置における好ましい一態様において
は前記レーザ光が半導体レーザ光である。

本発明の装置における前記のレーザ光出力検知
手段の実施態様として次の３つがあげられる。

(1) 前記観察光路へのレーザ光の入射光路よりレ
ーザ光を分岐して取出し、該分岐レーザ光を検
出する第３の光電素子。

(2) 半導体レーザ光発生装置の前記レーザ光と反
対側より発生するレーザ光を検出する第３の光
電素子。

(3) 半導体レーザ光発生装置への印加電圧そのも
のを増幅又は減衰する手段へ導入する回路。

前述のように、第４図において、光電素子４１
には対物レンズ２６よりの反射光４４の一部の４
６と、試料表面よりの反射光４５の一部の４７が
入射するので、その出力から対物レンズよりの反
射光の一部の４６による光電素子４１の出力を差
引き、残りの部分、即ち試料面よりの反射光の一
部の４７による光電素子４１の出力、が一定にな
るように半導体レーザ光の出力を制御すれば良
い。

ここで、４６による光電素子４１の出力の求め
方を説明する。４６は反射光４４の一部であるの
で、反射光４４を求めればよい。一方反射光４４
はレーザ射出光の強さ４３に比例するので、結局
４３を求めれば、対物レンズ２６の反射光４４の
一部４６を求めることができ、その結果、試料反
射光の一部４７を求めることが出来る。

次に、本発明の具体的実施例を第５図に基づい
て説明する。前述のように、本発明の装置の主要
な特徴は、試料面からの反射光の強さが一定にな
るようにレーザ光の出力を制御するところにある
ので、その他の為の構成は、第１，３図等に示し
た従来の装置と何等変ることはない。この実施例
においては、第３図に示した従来の装置に本発明
の特徴とする構成を付加したものを示してある。
従つて第３図と同一個所の重ねての説明は省略す
る。

半導体レーザ光発生装置２０からの射出光４３
は、偏光ビームスプリツタ２３により一部反射さ
せられ、その反射光４９は第３の光電素子５０に
入力される。光電素子５０よりの出力をVaとす
る。

一方、第２の光電素子４１は対物レンズ反射光
の一部４６と試料反射光の一部４７を検出してお
り、各々の出力をVb，Vcとする。光電素子４１
から実際に得られる出力はVb＋Vcである。

光電素子５０よりの出力を増幅器５１に入力
し、増幅器５１の増幅度をVb／Vaとすれば、増
幅器５１の出力Vdは次のようにVbとなる。

Vd＝Vb／Va×Va＝Vb この増幅器５１よりの出力Vd＝Vbと、第２の
光電素子４１よりの出力Vb＋Vcは差動増幅器５
２に入力されるので、その出力はVcとなる。Vc
と一定電圧値Veを差動増幅器５３に入力し、そ
の出力により半導体レーザ光発生器２０の入力を
制御する。これによりVcが常に一定Veになるよ
うに、従つて、試料面よりの反射光４５の強さが
常に一定になるように、半導体レーザ光発生器２
０の入力が制御される。これにより始めて、対物
レンズからの反射に影響されずに、試料からの反
射光４５を一定にすることができる。

上述の実施例では、レーザ光出力検知手段とし
て、レーザ射出光４３の一部をビームスプリツタ
２３で反射させてから光電素子５０で検出してい
るが、半導体レーザの場合は、発生器２０の後方
にもレーザ光が放出されるので、この光を検出す
る光電素子を設け、ここからの出力を使用しても
同じ効果が得られる。

更に、レーザ光出力を検出する為に、レーザ射
出光４３の一部を光電素子で検出しなくとも、半
導体レーザの場合には、印加電圧とレーザ射出光
強度がほぼ比例するので、印加電圧を用いてレー
ザ光出力検知に代えてもよい。即ち、第６図にお
いて、半導体レーザ発生器２０への印加電圧を
Vfとすると、半導体レーザ発生器はこれに比例
したレーザ光４３を射出し、対物レンズ２６の表
面でこれに比例した反射光４４が生じ、光電素子
４１に、反射光４４に比例した光４６が到達す
る。光電素子４１には試料よりの反射光４５に比
例した光４７も到達する。光電素子４１よりは光
４６，４７に対応するVb＋Vcの出力を生ずる。
VfとVbは比例するので、比例定数をｋとすれ
ば、 Vb＝kVf となる。

そこで第６図に示すようにVfを倍率ｋの増幅
器５４に通し出力Vgを得れば、Vg＝kVfである
のでVg＝Vbになつている。これを第５図で説明
したと同じ方法を用いて差動増幅器５２に通せ
ば、差動増幅器５２からの出力はVcになり、Vc
と一定電圧値Veを差動増幅器５３に入力し、そ
の出力により半導体レーザ発生器２０の入力が制
御される。即ち、Vcが一定になるように制御さ
れ、試料からの反射光４５を一定にすることがで
きる。

以上の実施例ではレーザ光源として半導体レー
ザを用いた場合について説明したが、第７図に示
すように、レーザ光源として、例えばHe−Neレ
ーザ発振器５５の如く一定出力５６のレーザ発振
器を使用した場合には、レーザ出力光路の途中
に、レーザ光の強度を高速に変化させることの出
来る変調器５７、例えばAO変調器（音響型光変
調器）、EO変調器（電子型光変調器）、を挿入す
れば、これに制御信号５９を加えることにより、
半導体レーザと全く同様に強度の変化した光５８
を得ることができる。

従来は反射率の極めて小さい試料では、試料か
らの反射光より対物レンズからの反射率の方が大
になり、光学的に焦点位置を自動検出することが
できなかつた。本発明の装置により、試料の反射
率が0.1％以下のものでも光学式自動焦点合せが
可能となつた。

今後、超微細パターンの高解像度検出のため
に、試料と対物レンズを油中に浸す場合が多くな
るが、この場合には試料からの反射光が極度に低
下する。この場合には本発明の装置によらなけれ
ば、自動焦点合せは不可能に近いため、本発明の
装置の重要性は益々大になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光学系拡大観察装置の自動焦点合せ装
置の原理説明図、第２図Ａ，Ｂは試料面からの反
射光を入力する光電素子の出力波形図、第３図は
従来の自動焦点合せ装置の一例の構成図、第４図
は第３図の装置の問題点の説明図、第５図及び第
６図は本発明の自動焦点合せ装置のそれぞれ異な
る実施例の構成図、第７図は本発明の装置の他の
実施例の部分ブロツク図である。 １……レーザ光、２……凹レンズ、３……半透
鏡、４，５……試料面、６，２６……対物レン
ズ、９，３２……ピンホール、１０，３３……光
電素子、２０……レーザ発生器、２３……偏光ビ
ームスプリツタ、２５……反射鏡、３０……ビー
ムスプリツタ、４１……第２の光電素子、５０…
…第３の光電素子、５１，５４……増幅器、５
２，５３……差動増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光学系拡大観察装置の観察光路の対物レンズ
   の上方から該光路にレーザ光を導入し、試料面か
   らの反射光を該光路より分岐して取出し、該反射
   光を光電素子にて検出し、その出力に基づいて試
   料面を該対物レンズの焦点位置に自動的に移動さ
   せると共に、反射光の一部を反射光光路より分岐
   して取出し、その出力を検出する第２の光電素子
   及びレーザ光の出力を検知する手段を設け、該レ
   ーザ光出力検知手段よりの出力に予め計算された
   係数を乗じて増幅又は減衰して、試料面からの反
   射光と共に前記の第２の光電素子に入力される其
   他の反射光入力値に換算し、この換算出力を第２
   の光電素子の出力より差引き、第２の光電素子よ
   りの出力を試料面からの反射光成分のみとし、こ
   の減算出力をレーザ光発生装置の制御手段に入力
   し、該減算出力が一定になるようにレーザ光の出
   力を制御するようにしてあることを特徴とする光
   学系拡大観察装置の自動焦点合せ装置。 ２ 前記レーザ光が半導体レーザ光である特許請
   求の範囲第１項の装置。 ３ 前記レーザ光出力検知手段が、前記観察光路
   へのレーザ光の入射光路よりレーザ光を分岐して
   取出し、該分岐レーザ光を検出する第３の光電素
   子である特許請求の範囲第１項又は第２項の装
   置。 ４ 前記レーザ光出力検知手段が、レーザ光発生
   装置の前記レーザ光と反対側より発生するレーザ
   光を検出する第３の光電素子である特許請求の範
   囲第２項の装置。 ５ 前記レーザ光出力検知手段が、半導体レーザ
   光発生装置への印加電圧そのものを増幅又は減衰
   する手段へ導入する回路である特許請求の範囲第
   ２項の装置。