JPH02190808A - 顕微鏡の自動焦点装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は顕微鏡の自動焦点装置に関し、特に半導体ウェ
ハ面を観察するための顕微鏡に用いるのに適する顕微鏡
の自動焦点装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の顕微鏡の自動焦点装置のうち、特に半導体ウェハ
面を観察するための従来の顕微鏡の自動焦点装置は、放
射線状にかつ円環状（リング状）に形成した縞パターン
マスクと、この縞パターンを光源からの光によって投影
し、対物レンズによって試料の上面に結像させる光学系
と、上記縞パターンの反射光が対物レンズによって結像
する反射光の光軸方向の前と後に位置をずらして配設し
た２個のセンサと、この２個のセンサに対してリング状
に配設した光電エレメントとを備えて構成されている（
特公昭６２−８９０１０号公報参照）。

第８図はこのような従来の顕微鏡の自動焦点装置の一例
を示す斜視図である。

第８図に示す顕微鏡の自動焦点装置は、試料５５に対し
て位置決めを行う対物レンズ５４と、続パターン５３を
有する縞パターンマスク５２と、光源５１と、ハーフミ
ラ−５６および５７および５８と、投影された縞パター
ンを検出するための第一および第二のイメージセンサ５
９および６０と、イメージセンサ５９および６０に設け
、られている光電エレメント６１と、試料観察用の第三
のイメージセンサ６２と、焦点ずれを演算するための演
算回路５３と、試料台６６を有する微動ステージ６５と
、微動ステージ６５を駆動する駆動回路６４とを備えて
いる。

縞パターンマスク５２は、放射状にかつリング状に配列
して形成した多数の縞パターン５３を有している。また
投影された縞パターンを検出するための第一および第二
のイメージセンサ５９および６０は、リング状に配列し
た光電エレメント６１を有している。イメージセンサ５
９および６０は、対物レンズ５４からの反射光の光軸方
向の前と後とに位置をずらせて配設しである。

第９図はイメージセンサ５９および６０に縞パターン５
２の像を結像したときの光電エレメント６２の位置関係
を示す平面図である。

第９図に示すように、光電エレメント６１上に縞パター
ン５３が結像してその明部７０と暗部７１とによって明
暗情報を得る。この明暗情報は焦点ずれを演算するため
の演算回路６３に入力し、ここでイメージセンサ５９お
よび６０の位置関係から合焦点位置とのずれを求め、そ
の結果を駆動口ｉ￥８６４に出力して微動ステージ６５
を駆動して焦点合せを行っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したように、従来の顕微鏡の自動焦点装置は、縞パ
ターンマスクに設けた縞パターンを放射線状にかつリン
グ状に形成し、これに対してイメージセンサに光電エレ
メントをリング状に配列しているため、光電エレメント
における縞パターンの像の明暗の割合が二つのイメージ
センサで異なるため、明暗の正しい比較が困難であると
いう欠点を有している。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の顕微鏡の自動焦点装置は、試料に対して位置決
めをする対物レンズと、前記試料を前記対物レンズを通
して観察するための観察光学系と、前記対物レンズが合
焦点位置にあるときに同心円状の複数個の円環パターン
を有する環パターンを前記試料上に結像させるパターン
投影光学系と、前記観察光学系と前記投影光学系とを切
換える１組のシャッタおよび半透明鏡と、前記対物レン
ズからの反射光を２分割する第二の半透明鏡と、前記第
二の半透明鏡で２分割した前記対物レンズからの反射光
のそれぞれを結像する光学的に等距離に配設した２組の
結像系と、前記対物レンズの前ピン位置での前記結像系
の一方の結像系の結像位置に設けた前記パターン投影光
学系の前記環パターンよりも太い幅の複数個の円環パタ
ーンを有する前ピン用パターンマスクと、前記前ピン用
パターンマスクの透過光を受光する第一の光電変換器と
、前記対物レンズの後ピン位置での前記結像系の他方の
結像系の結像位置に設けた前記前ピン用パターンマスク
と同じ円環パターンを有する後ピン用マスクと、前記後
ピン用パターンマスクの透過光を受光する第二の光電変
換器と、前記第一の光電変換器と前記第二の光電変換器
の出力を入力してその差を求める差分器と、前記差分器
からの出力信号によって前記試料を前記対物レンズの合
焦点位置に位置決めのために駆動する駆動回路とを備え
ている。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。

第１図は本発明の一実施例を示す正面図である。

第１図に示す実施例は、試料１に対して位置決めを行う
対物レンズ２と、照明光学系３によって試料１を照明し
て対物レンズ２を通して観察するための結像レンズ８を
有するイメージセンサ９と、同心円状の複数個の環状の
パターンを有する投影パターン１１と、投影パターン１
１を対物レンズ２を通して試料１の上に結像させるパタ
ーン投影光学系４と、照明光学系３とパターン投影光学
系４とを切換えるための一組シャッター６および７なら
びにハーフミラ−５と、対物レンズ２からの光学距離が
等しい位置に設けた結像レンズ１３および１６と、結像
レンズ１３および１６に対して対物レンズ２からの反射
光を分配するハーフミラ−１２と、投影パターン１１の
環状パターンの幅よりも太い幅のパターンマスクを有す
る前ピン用パターンマスク１４および後ピン用パターン
マスク１７と、前ピン用パターンマスク１４からの光量
を測定するための光電変換器１５と、後ピン用パターン
マスク１７がらの光量を測定するための光電変換器１８
と、光電変換器１５および１８の出力の差を計算する差
分器１つと、差分器１つからの出力信号によって試料１
を対物レンズ２に対する合焦点位置に位置決めするＺ軸
２１を駆動する駆動回路２０とを備えている。

このように構成した自動焦点装置は、シャッタ６を閉じ
ることによって照明光学系３の光路を閉じ、シャッタ７
を開けてパターン投影光学系４を開くと、投影パターン
１１が対物レンズ２を通して試料１の上に結像される。

第２図は投影パターン１１を示す平面図である。

第２図に示すように、投影パターン１１は、同心円状の
複数個の環状パターンく環パターン）１１ａ〜ｌｉｄで
形成されている。

第１図において、投影パターン１１の試料１上の像から
の戻りの反射光は、ハーフミラ−１２によって２分割さ
れて結像レンズ１３および１６によって結像する。結像
レンズ１３と対物レンズ２および結像レンズ１６と対物
レンズ２の各光路長（鏡筒長）は等しくなっている。結
像レンズ１３の光路を前ピン用としてこれに対して前ピ
ン用パターンマスク１４と光電変換器１５とを配設し、
結像レンズ１６の光路を後ピン用としてこれに対して後
ピン用パターンマスク１７と光電変換器１８とを配設し
である。

第３図は第１図の実施例において前ピン状態および合焦
点状態および後ピン状態を示す位置関係図である。

第３図において、対物レンズ２から合焦点位置（焦点距
離ｆｉ＞にある像は、対物レンズから距１’ｔＩ　ｇ　
Ｊの合焦点結像位置３０に像を結ぶ。（ｆ＞＞ｆ、）の
関係にある対物レンズ２からの距離ｆ、の前ピン位置３
３にある像は、対物レンズ２からの距離ｇｎの前ピン結
像位置３１に像を結ぶ。

（ｆ＞＜ｆｒ）の関係にある対物レンズ２がらの距離ｆ
、の後ピン位置３５にある像は、対物レンズ２からの距
ｆａｇ　ｒの後ピン結像位置３２に像を結ぶ、このとき
、（ｇｎ＞ｇｒ　＞ｇｒ　）の関係にあり、同一の像が
前ピン位置３３と合焦点位置３４と後ピン位置３５にあ
っても、前ピン結像位置３１と合焦点結像位置３０と後
ピン結像位置３２における結像の大きさは変化する。

前ピン用パターンマスク１４は前ピン結像位置３１に配
置してあり、後ピン用パターンマスク１７は後ピン結像
位置３２に配置しである。従って投影パターン１１は、
前ピン結像位置３１と後ピン結像位置３２とでは拡大ま
たは縮少されている。

前ピン用パターンマスク１４および後ピン用パターンマ
スク１７は、この拡大または縮少率を考慮して投影パタ
ーン１１よりも環パターンの幅を広くしである。

第４図は拡大されたときの結像パターン３６と環パター
ンマスク３７との関係を複数個の同心円状の環パターン
よりなる投影パターン１１の代表パターンを例にとって
示したものである。

第５図は縮少されたときの結像パターン３８と環パター
ンマスク３７との関係を投影パターン１１の代表パター
ンを例にとって示したものである。

第６図は、前ピン用パターンマスク１４からの光を入力
した光電変換器１５からの出力（光電出力）ａと、後ピ
ン用パターンマスク１７からの光を入力した光電変換器
１８からの出力（光電出力）ｂとを示す特性図である。

第６図に示すように、光電出力ａおよびｂは、合焦点結
像位置３０に投影パターン１１の結像と等しいマスクパ
ターンを置いた場合と比べて、結像位置付近がフラット
部をもつようななだらかな曲線となる。しかし、結像位
置を中心として距畷が増減すると単調に減少する出力と
なる０合焦点位置３４において光電出力ａおよびｂが交
わるように前ピン用パターンマスク１４と後ピン用パタ
ーンマスク１７を配置すると、差分器１つからの出力信
号がＯとなる点が対物レンズ２に対する試料１の合焦点
位置である。第７図は、このときの差分器１９からの出
力信号（差分出力）Ｃの波形を示す特性図である。

駆動回路２０は、差分出力Ｃが０となるようにＺ軸２１
を上下方向に駆動し、対物レンズ２に対して試料１を自
動的に焦点合せを行う。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の顕微鏡の自動焦点装置は
、同心円状の複数個の環パターンマスクを有する投影パ
ターンの像を受光部において拡大または縮少率を考慮し
たパターン幅の広いパターンマスクで受けることにより
、前ピン状態または後ピン状態の受光で同じ明暗を示す
出力曲線が得られるため、前ピン状態と後ピン状態との
正しい比較ができるという効果がある。また、同心円状
の複数の環パターンマスクを視野内に配設することによ
り、視野内での平均的な位置への焦点合せをすることが
できるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す正面図、第２図は第１
図の実施例における投影パターンを示す平面図、第３図
は第１図の実施例において前ピン状態および合焦点状態
および後ピン状態を示す位置関係図、第４図は第１図の
実施例において拡大時の結像パターンとマスクパターン
との関係を示す平面図、第５図は第１図の実施例におい
て縮少時の結像パターンとマスクパターンとの関係を示
す平面図、第６図は第１図の実施例における光電変換器
の出力を示す特性図、第７図は第１図の実施例における
差分器の出力を示す特性図、第８図は従来の顕微鏡の自
動焦点装置の一例を示す斜視図、第９図は第８図の例の
縞パターンの像と光電エレメントとの位置関係を示す平
面図である。 １・５５・・・試料、２・５４・・・対物レンズ、３・
・・照明光学系、４・・・パターン投影光学系、５・１
２・５６・５７・５８・・・ハーフミラ−１６・７・・
・シャッタ、８・１３・１６・・・結像レンズ、９・５
９・６０・６２・・・イメージセンサ、１０・・・光源
、１１・・・投影パターン、１４・・・前ピン用マスク
パターン、１５・１８・・・光電変換器、１７・・・後
ピン用マスクパターン、１つ・・・差分器、２０・６つ
・・・駆動回路、２１・・・Ｚ軸、３０・・・合焦点結
像位置、３１・・・前ピン結像位置、３２・・・後ピン
結像位置、３３・・・前ピン位置、３４・・・合焦点位
置、３５・・・後ピン位置、３６・３８・・・結像環パ
ターン、３７・・・環パターンマスク、５１・・・光源
、５２・・・縞パターンマスク、５３・・・縞パターン
、６１・・・光電エレメント、６３・・・（焦点ずれ）
演算回路、６５・・・微動ステージ、６６・・・試料台
、７０・・・（投影縞パターンの）明部、７１・・・暗
部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 試料に対して位置決めをする対物レンズと、前記試料を
   前記対物レンズを通して観察するための観察光学系と、
   前記対物レンズが合焦点位置にあるときに同心円状の複
   数個の円環パターンを有する環パターンを前記試料上に
   結像させるパターン投影光学系と、前記観察光学系と前
   記投影光学系とを切換える１組のシャッタおよび半透明
   鏡と、前記対物レンズからの反射光を２分割する第二の
   半透明鏡と、前記第二の半透明鏡で２分割した前記対物
   レンズからの反射光のそれぞれを結像する光学的に等距
   離に配設した２組の結像系と、前記対物レンズの前ピン
   位置での前記結像系の一方の結像系の結像位置に設けた
   前記パターン投影光学系の前記環パターンよりも太い幅
   の複数個の円環パターンを有する前ピン用パターンマス
   クと、前記前ピン用パターンマスクの透過光を受光する
   第一の光電変換器と、前記対物レンズの後ピン位置での
   前記結像系の他方の結像系の結像位置に設けた前記前ピ
   ン用パターンマスクと同じ円環パターンを有する後ピン
   用マスクと、前記後ピン用パターンマスクの透過光を受
   光する第二の光電変換器と、前記第一の光電変換器と前
   記第二の光電変換器の出力を入力してその差を求める差
   分器と、前記差分器からの出力信号によって前記試料を
   前記対物レンズの合焦点位置に位置決めのために駆動す
   る駆動回路とを備えることを特徴とする顕微鏡の自動焦
   点装置。