JPH0331714A - 位置検出装置 - 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、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、あるいは光デイスク装置におい
てディスク面に対するヘッド（読み取り、書き込みのい
ずれか一方または両方）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検出装置のように、基準とする
所定の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。

〈従来の技術〉 特開昭６０−７６０３５号公報に紹介されている合焦ず
れ検出装置を第１の従来例として第２０図に示し、以下
に節単に説明する。

光源２１から照射された光束はハーフミラ−２２で反射
されレンズ２３．２４を介して光デイスク２５上にスポ
ットを形成する。スボ・ントの反射光束はレンズ２４．
２３およびハーフミラ−２２を透過し、ハーフミラ−２
２と二分割センサＤ、Ｄ２との間の位置で結像した後、
二分割センサＤ、Ｄ２に入射する。

合焦時の反射光束の結像点Ｐ１゜を挟んで対称な位置で
かつ光軸から離れた位置にナイフェツジを置く前側遮光
板２６と後側遮光板２７とが設けられている。光ディス
ク２５が合焦位置にあるときは、実線で示すように反射
光束は両遮光板２６．２７による遮光を受けることがな
く、各分割センサＤｌ、Ｄｉに等しい光量が入射し合焦
状態が検出される。このときの結像点Ｐ１゜は両遮光板
２６．２７の丁度中央位置にある。光ディスク２５がレ
ンズ２４から離間すると、破線で示すように結像点Ｐ、
が前側遮光板２６側に接近し、後側遮光板２７によって
光軸よりも上側の光束の一部が遮光され、センサＤ＋へ
の入射光量が減少するため、光ディスク２５がレンズ２
４から離れる方向へ非合焦であると判定され、この検出
信号に基づいてオートフォーカス機構を駆動して合焦状
態となるように制御する。

逆に、光ディスク２５がレンズ２４に接近すると、二点
鎖線で示すように結像点ＰＩ！が後側遮光板２７側に接
近し、前側遮光板２６によって光軸よりも上側の光束の
一部が遮光され、センサＤ２への入射光量が減少するた
め、光ディスク２５がレンズ２４に近づく方向へ非合焦
であると判定され、この検出信号に基づいてオートフォ
ーカス機構を駆動して合焦状態となるように制ｉＴ５す
る。

次に、特開昭５８−６０４３３号公報に紹介されている
合焦検出装置を第２の従来例として第２１図に示し、以
下に節単に説明する。

光ａ３Ｉから照射された光束はビームスプリッタ３２を
透過し、レンズ３３を介して光デイスク３４上にスポッ
トを形成する。スポットの反射光束はレンズ３３を透過
しビームスプリッタ３２で反射されて平面鏡３５の端縁
に向かう、平面鏡３５は反射光路の光軸に対して４５°
傾斜しており、その端縁は合焦時にビームスプリッタ３
２からの光束の収束位置Ｐ１゜。に配置されている。

上記第２の従来例は、その特開昭５８−６０４３３号公
報の記載によると、合焦時には、図示のように反射光束
は第１の二分割センサＤｓ、Ｄｈに等量ずつ人射し、か
つ第２の二分割センサＤ。

Ｄ、に等量ずつ入射すると説明されている。また、光テ
ィスフ３４がレンズ３３から離間すると、第１の一方の
センサＤ、と第２の一方のセンサＤ１の入射光量が増加
して、離れる方向へ非合焦である検出信号を出力する。

逆に、光ディスク３４がレンズ３３に接近すると、第１
の他方のセンサＤ、と第２の他方のセンサＤ、の入射光
量が増加して近づく方向へ非合焦である検出信号を出力
し、これらの検出信号に基づいてオートフォーカス機構
を駆動して合焦状態となるように制御すると説明されて
いる。

〈発明が解決しようとする課題〉 第１の従来例（第２０図）は、両センサＤ、、Ｄ２への
入射光量が一致したときに合焦状態と判定するものであ
るから、もし、サンプル面が例えば白黒のストライブパ
ターンのように、コントラストの大きな面である場合に
は、反射率の高い箇所と低い箇所とでは反射率が異なる
ために、サンプル面が合焦位置にあっても両センサｏ、
　、Ｄ。

への入射光量が一致せず非合焦であると判定されてしま
うおそれがある。

次に、第２の従来例（第２１図）も、二分割センサＤ、
とり、との、およびり、とり、との入射光の比較によっ
て合焦を検出するから、第１の従来技術と同様に、サン
プル面がコントラストを有する面である場合に、合焦検
出を誤るおそれがある。

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、サンプル面のコントラストの影Ｖｔ−受けない位置
検出機構を提供することを目的とする。

〈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、基準とする所定の位置からのサンプル面での
位置ずれ状態を検出する位置検出であって、 （Ａ）ビームスプリッタを経て、対物レンズを経てサン
プル面を照射する第１光源、 （Ｂ）前記ビームスプリッタを経て１．前記対物レンズ
を経てサンプル面を照射する第２光源、（Ｃ）ビームス
プリッタと第１光源との間に配置された第１遮光板、 （Ｄ）サンプル面からの反射光のうち、第１遮光板のサ
ンプル面側の面を照射する光を検出する第１光量検出素
子、 （Ｅ）ビームスプリッタと第２光源との間に配置された
第２遮光板、 （Ｆ）サンプル面からの反射光のうち、第２遮光板のサ
ンプル面側の面を照射する光を検出する第２光量検出素
子と、 からなり、前記基準とする所定の位置との位置関係が各
々明かな位置に設定された第１設定位置と第２設定位置
のうち、第１設定位置と共役に第１遮光板の端縁は配置
され、第２設定位置と共役に第２遮光板の端縁は配置さ
れ、第１光量検出素子および第２光量検出素子の検出信
号から、前記基準とする所定の位置からのサンプル面の
位置ずれ状態を検出することを特徴とする位置検出装置
である。

く作用〉 第１の光源からの光束をサンプル面に導く投射光路に、
第１遮光板は配置されている。第１遮光板の端縁は、第
１設定位置と共役な位置に配置されている。そのため、
サンプル面が第１設定位置にある場合と、第１設定位置
にない場合とで、第１遮光板のサンプル面側の面を照射
するサンプル面からの反射光に、次のような違いが生じ
る。なお、以下の説明にて、第１光源からの光束をサン
プル面に導く投射光路の光軸に対して直交し、第１遮光
板の端縁を通る仮想線において、第１遮光板の端縁を分
岐点として、第１遮光板の側を「遮光板存在域」と称し
、その反対側を「遮光板不在域」と称する。

第１光源からサンプル面へ導かれる光束は、前記仮想線
における遮光板不在域を通過した光線である。そのよう
な光線のサンプル面での反射光は、サンプル面が第１設
定位置にある場合、サンプル面と前記仮想線とが共役で
あるから、再度前記仮想線の遮光板不在域を通過する。

したがって、第１設定位置のサンプル面からの反射光は
、第１遮光板のサンプル面側の面を照射しない。

他方、サンプル面が第１設定位置にない場合、そのよう
な場合でも、第１光源からサンプル面へ導かれる光は、
前記仮想線における遮光板不在域を通過した光であり、
そのような光線のサンプル面での反射光は、サンプル面
と前記仮想線とが共役で無いため、前記仮想線上にて遮
光板不在域より広い範囲を通過する。したがって、第１
設定位置にないサンプル面での反射光は、その一部が遮
光板存在域を通過する。そのため、サンプル面が第１設
定位置に無い場合には、第１遮光板のサンプル面側の面
を照射する光線が存在する。

以上のように、サンプル面が第１設定位置にある場合、
第１遮光板のサンプル面側の面を照射する光量が最少と
なり、サンプル面が第１設定位置に位置しない、すなわ
ちサンプル面と第１遮光板の端縁との共役な関係が外れ
るにともなって、第１遮光板のサンプル面側の面を照射
する光量が増加する。

同様に、サンプル面が第２設定位置にある場合、第２遮
光板のサンプル面側の面を照射する光量が最少となり、
サンプル面が第２設定位置に位置しない、すなわちサン
プル面と第２遮光板の端縁との共役な関係が外れるにと
もなって、第２遮光板のサンプル面側の面を照射する光
量が増加する。

ところで、第１設定位置と、第２設定位置とは、ずらし
であるから、第１光量検出素子の検出光量が最低になる
サンプル面の位！と、第２光量検出素子の検出光量が最
低になるサンプル面の位置とがずれている。

そのため、次の第１表のようになる。なお、第１設定位
置をＰ９、第２設定位置をｐ、、ｐ、からＰ２へ向かう
方向を＋Ｐ力方向Ｐ２からＰｌへ向かう方向を−Ｐ力方
向第１光量検出素子の検出光量と第２光量検出素子の検
出光量とが等しくなるサンプル面の位置をＰｌ−１と称
する。また、第１光量検出素子の出力をＥ１第２光量検
出素子の出力をＥ２とする。また、サンプル面を本発明
にかかる位置検出機構に対して相対的に移動させる（以
下、サンプル面を移動させると称する）にともなって、
第１光量検出素子の検出光量が増加するのをＥｌ　↑、
減少するのをＥ、↓、第２光量検出素子の検出値が増加
するのをＥ２↑、減少するのをＥ２　↓と称する。

（以下、余白） 第１表 つまり、 ■Ｅ、とＥ、とで、増減逆ならばサンプル面はＰ、から
Ｐ８の間にあり、その内、Ｅｌ　＜Ｅｌならばサンプル
面はＰ＋　とＰ、−２の間にあり、巳、〉Ｅ、ならばサ
ンプル面はＰ　ｌ−１とＰ、の間にある。

■また、Ｐ、とＰ、の間で、Ｅ、　　↓であるならばサ
ンプル面の移動方向は−Ｐであり、Ｅ、ｔであるならば
サンプル面の移動方向は＋Ｐである。またｓＥＲ↓であ
るならばサンプル面の移動方向は十Ｐであり、Ｅ８↑で
あるならばサンプル面の移動方向は−Ｐである。

したがって、サンプル面を移動させて、第１光量検出素
子と第２光量検出素子の検出光量増減の一致、不一致を
判別すれば、サンプル面が第１設定位置と第２設定位置
の範囲にあるか否かが検出できる。

また、サンプル面が、第１設定位置と第２設定位置の間
にあるならば、第１光量検出素子と第２光量検出素子の
少なくともどちらかの検出光量の増減の判別から、サン
プル面の移動方向を検出できる。

また、第１設定位置と第２設定位置の間では、第１光量
検出素子と第２光量検出素子のどちらも、検出光量とサ
ンプル面の位置とは対応しているから、第１光量出素子
と第２光量検出素子の少な（ともどちらかの検出光量か
ら、サンプル面の位置を検出できる。

以上のように、２つの光量検出素子の測光量から、第１
および第２設定位置からのサンプル面の位置方向および
位置ずれ量に対応した信号を得ることができ、基準とす
る位置に対するサンプル面の位置ずれ状態を検出できる
。

また、基準とする所定の位置を前後挟むような位置関係
に第１設定位置と第２設定位置を設定すると以下のよう
になる。ただし、前記基準位置に対して第１および第２
設定位置は、各々距離が明かなように設定する。

前記基準位置でのＥｌ　−Ｅｌ　＋に＝Ｏで定義される
定数Ｋを実測してお（、そうしたら、Ｆ　（Ｇ）−Ｅｌ
　−Ｅｘ　＋にの式で定義されるＦ　（Ｃ，）の値を測
定すると、Ｆ　（Ｇ）＝０をもってして、サンプル面心
；前記基準位置にあると判定できる。

Ｆ　（Ｃ；）　＜０ならば、サンプル面は前記基準位置
よりも第１設定位置寄りにあると判定できる。

Ｆ　（Ｇ）＞０ならば、サンプル面は前記基準位置より
も第２設定位置寄りにあると判定できる。

以上のように、サンプル面と位置検出装置との相対的位
置関係が静止のままでも、基準とする所定の位置からの
位置ずれ量および、位置ずれ方向が検出できる。

〈実施例〉 以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

し第１実施例］ 第１図は第１実施例の位置検出装置の概略構成図である
。

第１図において、１はサンプル面、２は対物レンズ、３
−１は後述する波長選択型ハーフミラ−１ｏｔは第１光
源、１０２は第１遮光板、１０３は第１光量検出素子、
２０１は第２光源、２０２は第２遮光板、２０３は第２
光量検出素子である。

なお、後述するように、第１光源１０１、第１遮光板１
０２、第１光量検出素子１０３とで第１位置検出部１０
０を構成し、第２光源２０１、第２遮光板２０２、第２
光量検出素子２０３で第２位置検出部２００を構成する
。

サンプル面１は、位置合わせの対象とする面であり、半
導体ウェハや光ディスク等の表面である。

対物レンズ２は、サンプル面１の像を取り込む手段（図
示せず、例えば各種撮像装置とか観察者の目に該当する
）へサンプル面１の像を結像する光学系である。なお、
サンプル面１の合焦位置とは、この対物レンズ２を介す
るサンプル面ｌの像が、サンプル面ｌの像を取り込む手
段に結像する位置関係となるサンプル面ｌの位置のこと
である。

第１実施例は、本発明を合焦検出装置に適用した実施例
であり、かかる合焦位置Ｐ０が、本発明の構成に言う「
所定の基準とする位置」に該当する。

ハーフミラ−３−１は、対物レンズ２と第１位置検出部
１００の間で、かつ対物レンズ２と第２位置検出部２０
０の間に配置される。すなわち、第１光源１０１から出
射され、ハーフミラ−５−Ｉを透過した光は、対物レン
ズ２を経てサンプル面ｌを照射する。第１光源２０１か
ら出射され、ハーフミラ−３−６に反射された光も、対
物レンズ２を経てサンプル面ｌを照射する。このハーフ
ミラ−３−１は、本発明の構成に言う「ビームスプリッ
タ」に該当する。

第１光源１０１と第２光源２０１は、レーザ、ＬＥＤ、
白熱ランプ、放電管などである。

第１遮光板１０２は、ハーフミラ−３−１と第１光源１
０１の間に配置され、第２遮光板２０２は、ハーフミラ
−３，、と第２光源２０１との間に配置されている。第
１遮光板１０２の端Ｈｌ　０２　ａは後述する第１設定
位ｉｆ　ｐ　ｌ　と共役な位置Ｐｉ’　に配置され、第
２遮光板２０２の端縁２０２ａは後述する第２設定位置
Ｐｇと共役な位置Ｐ２′に配置されている。第１設定位
ｆＰ、は、合焦位置Ｐ。よりこの実施例の位置検出装置
から遠ざかる方向（以下−Ｐ方向と称する）にあり１．
第２設定位ＷＰオは、合焦位置Ｐ０よりこの実施例の位
置検出装置へ近づく方向（以下＋Ｐ力方向称する）にあ
り、第１設定位ｉｆ　ｐ　＋および第２設定位置Ｐオは
、合焦位置Ｐ、との位置関係つまり合焦位置Ｐ。からの
距離が明かな位置に設定されている。

第１光量検出素子１０３と第２光量検出２０３は、後述
するように非合焦位置のサンプル面ｌからの反射光の光
量を検出する素子であり、フォトダイオード、ＣＯＤ、
光電管等のように少なくとも光量さえ検出できる手段で
あればよい。ＣＣＤ等を使用しても支障はない、ただし
、非合焦位置のサンプル面ｌからの反射光のうち、第１
光量検出素子１０３は第１遮光板１０２のサンプル面側
の面を照射する光を検出し、第２光量検出素子２０３は
第２遮光板２０２のサンプル面側の面を照射する光を検
出する。

なお、ハーフミラ−３−１は、波長選択型ハーフミラ−
であり、特定の波長域の光を透過し、それ以外の波長域
の光を反射する機能を有する光学素子である。

したがって、第１光ａｔｏｔから出射して、波長選択型
ハーフミラ−３−５を透過した光束だけが、サンプル面
１で反射後に再度、波長１型ハーフミラ−３−１を透過
することができ、第１光量検出素子１０３の検出対象と
なる。また、第２光＃２０１から出射して、波長選択型
ハーフミラ−３−。

で反射した光束だけが、サンプル面１で反射後に再度、
波長選択型ハーフミラ−３−１で反射されるので、第２
光景検出素子２０３の検出対象となる。

このように、サンプル面ｌでの反射光のうち、第１光量
検出素子１０３は、第１光ｒＸ１０１から出１・１され
た光の反射光を検出し、第２光量検出素子２０３は、第
２光源２０１から出射された光による反射光を検出する
。（以下、このように第１光星検出素子には第１光源か
らの光だけを検出させ、第２光量検出素子は第２光源か
らの光だけを検出させるように対応させることを、第１
位置検出部と第２位置検出部との検出光の分離と称する
）次に、第１の実施例に係る位置検出機構の動作に関し
て説明する。第２図〜７Ｊ％４図は、第１の実施例にお
いて、第１光源１０１から照射されてサンプル面１で反
射した後述する特定の光線を示す同である。ただし、第
２光源２０１、第２遮光板２０２、第２光情検出素子２
０３を図示せず、第２尤どＱ２０１からの照射された光
線も図示しないが、第２尤源２０１からの光線に関し７
ては、後述する。

な十ン、第２図はサンプル面ｌが第１設定位置Ｐ乙こあ
り、第３図はサンプル面ｌが、第１設定位置）１かニ４
−　Ｐ　ｊ７向ｌこずれた位置にあり、第４圓はサンプ
ル面１が第１設定位置Ｐ１から−Ｐ方向へずれた位；〃
にある。なお、第３図と第４図におけるサンプル面ｌに
平行な破線は、第１設定位置ｐ、を図示する仮Ｐ！、線
である。

第２図示のように、サンプル面ｌが第１設定位置Ｐ１に
ある場合、すなわち、サンプル而１．！：第１遮光板１
０２の端縁１０２ａが共役位置にある場合５第１遮光板
１０２の正１縁１０２ａを通り光軸に直交する線分α−
α′１−の任意の点β９を通過する光線は、実線Ｔ、で
示すように、サンプル面ｌで反射された後、再度点β１
を通過することになる。し５たがって、サンプル面１で
反射された光線が第２遮光Ｉ２反１０２のサンプル而１
側の面を照射するためには、第１光源１０！から出射し
た光線が、線分α−α゛と交差する必要がある。しかξ
７１、第２図から明かなように、第１遮光板１．０２に
よって光、路が遮られているため、当該光線は存在しな
い。すなわち、サンプル面１が第１遮光板＋０２の端縁
１０２ａと共役である第１設定位置Ｐ、にある場合、第
１光源Ｊ（）１がら出射した光線の中に、サンプル面ｌ
で反射した後に第１遮光板１０２のサンプル面側の面を
照射する光線は存在しない。

次ニコ、４トンプル而Ｉが第１遮光板の端縁１０２ａと
共役な位’Ｒ−ｐ　１　に無い場合、例えば、第３図か
第１図に示すよ・）に、第１光源１０１から出射し、た
実線ｒ、かＴ、で示す光線が、第１遮光板１０２の端縁
１０２ａ近傍を通」閂した後、クンプル而１で反射し、
そして、第１遮光板１０２のサンプル面側の面を照射す
ることになる。すなわち、サンプル面１が第１ｙＡ光板
１０２の端縁１０２ａと共役な位置に無い場合、第１光
源１０１から出射した光線の中に、サンプル面Ｉで反射
した後に第１遮光板１０２のサンプル面側の面を照射す
る光線が存在Ｖることになる。

以十のように、サンプル面１が第１遮光板１０２の端縁
１０２ａ古共役な位置Ｐ、にある場合、第１遮光板１０
２のサンプル面側の面を照射する光量が最少となり、第
１遮光板１０２の＠縁１０２ａとサンプル面ｌの位置が
共役な関係から外れるにともなって、第１遮光板１０２
のサンプル面側の面を照射する光量が増加する、 同様に、サンプル面１が第２遮光板２０２の端縁２０２
ａと共役な位置１である場合１、第２遮光板２０２のサ
ンプル而１側の面を照射孝−ろ光ｊ＋が最少と、τＣす
、第２遮光板２０？の◇１ｉｉＵ　２０２　ａと１３“
ンブル面１のイ装置がｌｌ！を役な関係から夕（４する
に２−ちな、って、第２遮光板２０２の４）ンプル面１
例の面を照射する光量が増加する。

第５図は、サン−７°ル面１の位置Ｇこ関°する第１光
置検出素子１０３の出力Ｅ１と第２光量検出素子２０３
の出力Ｅ、の特性図である。第５図において、縦軸は各
光量検出素子の出力Ｅ、横軸は光軸上のサンプル面１の
位置、破ｖＡｒ５．　　は第１先頃検出素子１０３の特
性を示し、破ＩＦ、は第２光最検出素Ｔ−２０３の特性
を示す２なお　実線で示十Ｅ　Ｉ”−Ｆ、　２　：よ、
第１光量検出素了１０３の出力Ｆから第２光囃検出素子
２０３の出力口、を引算した値の特性である。第５回−
こ矢印で示す領域１（の区間を見れば、引算値Ｅ、−Ｅ
、とサンプル面１の位置とは一義的な関係にあり、以下
のようにして、引算値Ｅ、−Ｅ、を以てサンプル面１の
位置を検出することができる。さらに領域Ｈ以外の位置
にサンプル面１がある場合においても、引算値Ｅ＋　　
　Ｅｘの正負の極性により第１設定位置Ｐや第２設定位
置Ｐ２に対して、±Ｐどちらの方向にサンプル面１があ
るのかを、検出することができる。

合焦位置を基準とする所定の位置とし、合焦位置を前後
挟むような位置関係に第１設定位置Ｐ１と第２設定位置
Ｐ２を設定する。ただし、合焦位置に対して第１および
第２設定位置Ｐ＋、Ｐｇは、各々距離が明かなように設
定されている。そこで、合焦位置でのＥ、−Ｅｔ＋に＝
０となるような定数Ｋを実測する。

次に、Ｆ　（Ｃ；）　−Ｅ、−Ｅ、　十にの式で定義さ
れるＦ　（Ｇ）の値を測定すると、Ｆ　（Ｇ）＝０の状
況下では、サンプル面１は合焦位置にあると判定できる
。　Ｆ　（（１）　＜Ｑである状況下では、サンプル面
ｌは合焦位置よりも第１設定位置Ｐ、寄りにあると判定
できる。Ｆ　（Ｇ）＞０である状況下では、サンプル面
１は合焦位置よりも第２設定位置Ｐｇ寄りにあると判定
できる。

以上のように、サンプル面ｌと位置検出装置との相対的
位置関係が静止のままでも、合焦位置つまり基準とする
所定の位置からの位置ずれ量および、位置ずれ方向が検
出できる。

〔第２実施例〕 第２実施例は、第１実施例の構成を一部変更した実施例
である。なお、第２の実施例、および第２以降の各実施
例において、前記第１の実施例における構成要素と同一
のものに対しては、説明を省略し、同一の符号を付す。

第６図に、第２実施例の概略構成図を示す。

第１位置検出部と第２位置検出部との検出光の分離を、
第１実施例では、波長選択型ハーフミラ−５−Ｉを使用
することによって達成しているが、第２実施例では、波
長選択機能を有しないハーフミラ−３４を使用し、次の
ようにしている。

第１遮光板１０２とハーフミラ−３，の間に、第１波長
選択フィルタｔ０５−＋を付設し、第２遮光板２０３と
ハーフミラ−３−１の間に、第２波長選ＩＲフィルタ２
０５−１を付設する。なお、波長選択フィルタとは、特
定波長の光を透過させるが、それ以外の波長の光はｉ３
遇させない機能を有するフィルタである。第１波長選択
フィルタ１０５−＋と第２波長選択フィルタ２０５−１
．！：では、透過させる波長域を違えである。

したがって、第１光ａｔＯ１から出射して、第１波長選
択フィルタ１０５−＋を透過した波長域の光束だけが、
サンプル面１で反射後に再度、第１波長選沢フィルタ１
０５．をｉ３過することができ、第１光量検出素子１０
３の検出対象となる。また、第２光源２０１から出射し
て、第２波長選択フィルタ２０５．を透過した波長域の
光束だけが、サンプル面ｌで反射後に再度、第２波長選
択フィルタ２０５．を透過することができ、第２光量検
出素子２０３の検出対象となる。このように、第１位置
検出部と第２位置検出部との検出光の分離ができる。

〔第３実施例〕 第３実施例は、第２実施例の構成を一部変更した実施例
である。第７図に、第３実施例の概略構成図を示す。

第１位置検出部と第２位置検出部との検出光の分離を、
第２実施例では、第１波長選択フィルタ１０５、＋と第
２波長選択フィルタ２０５−＋を使用することによって
達成しているが、第３実施例では、それらに代え、次の
ようにしている。

第１遮光板１０２とハーフミラ−３４の間に、第１偏光
フィルタ１０５−ｚを付設し、第２遮光板２０３とハー
フミラ−３−１の間に、第２偏光フィルタ２０５−ｚを
付設する。なお、偏光フィルタとは、特定の偏光方向の
光を透過させるが、それ以外の偏光方向の光は透過させ
ない機能を有するフィルタである。第１偏光フィルタ１
０５−ｇと第２偏光フィルタ２０５−！とでは、透過さ
せる光の偏光方向を違えである。

したがって、第１光源１０１から出射して、第１偏光フ
イルタ１０５４を透過した偏光方向の光束だけが、サン
プル面１で反射後に再度、第１＠光フイルタ１０５４を
透過することができ、第１光量検出素子１０３の検出対
象となる。また、第２光源２０１から出射して、第２偏
光フイルタ２０５、を透過した波長域の光束だけが、サ
ンプル面１で反射後に再度、第２偏光フイルタ２０５４
を透過することができ、第２光量検出素子２０３の検出
対象となる。このように、第１位置検出部と第２位置検
出部との検出光の分離ができる。

［第４実施例］ 第４実施例は、第１実施例の構成を一部変更した実施例
である。第８図に、第４実施例の概略構成図を示す。

第１位置検出部と第２位置検出部との検出光の分離を、
第１実施例でＬＬ波長選択型ハーフミラ３−１を使用す
ることＧ（Ｊって達成しているが、第２実施例では、そ
れに代え、次のようにしている。

第１実施例における波長選択型ハーフミラ−３、の代わ
りに、偏光ビームスプリッタ３１を配置する。なお、偏
光ビームスプリ７ｉとは、特定の偏光方向の光は透過す
るが、それ以外の偏光方向の光は反射する特性の光学素
子である。

したがって、第１光源＋０１から出射して、偏光ビーム
スプリンタ３４をｌし、た光束だけが、サンプル面１で
反射後に再度、偏光ビームスプリッタ３−３を透過する
ことができ、第１光量検出素子１０３の検出対象となる
。また、第２光源２０１から出射して、偏光ビームスプ
リッタ３−７で反射した光束だけが、サンプル面１で反
射後に再度、偏光ビームスプリッタ３−３で反射される
ので、第２光看検出素子２０３の検出対象となる。この
ように、第１位置検出部と第２位置検出部との検出光の
分離ができる。

Ｃ第５実施例〕 第９図ムこ、第５実施例の概略構成図を示す。

第１位置検出部と第２位置検出部との検出光の分離を、
４前記各実施例では、光学的工法で達成しているが１、
第５実施例では、それに代え、次のＪ：うに電気的手法
でしている。

第２実施例のよらに波長選択機能を有しないハーフミラ
−Ｌ、を使用するが、波長選択フィルタや偏光フィルタ
を使用しない、ただし、第１０図のブロック図のように
、いわゆる同期検波の手法を使用しており、第１光ａＸ
Ｏ＋と第２光源２０１に、第１発振器１０６と第２発振
器２０６によって異なった周波数で譚度変調を施し、第
１検波器１０７によって、第１光量検出素子１０３の出
力を第１光ａ１０１の変調周波数で検波し、また、第２
検波器２０７によって、第２光量検出素子２０３の出力
を第２光ａ２ｏｘの変調周波数で検波して、両光量検出
素子１０３．２０３の出力を分離抽出する。このように
、第１位置検出部と第２位置検出部との検出光の分離が
できる。

〔第６実施例］ 第１１図に、第６実施例の概略構成図を示す。

第１位置検出部と第２位置検出部との検出光の分離を、
第６実権例では、次のように機械的手法でしている。

第１位置検出部と第２位置検出部との検出光の分離を、
第１実施例では、波長選択型ハーフミラ−３−、、を使
用することによって達成しているが、第６実施例では、
それに代え、次のようにしている。

第１実施例における波長選択型・ヘーフミラー３、の代
わりぼ、回転ミラー３４を配置する７なお、回転ミラー
３１は、第１２図示の平面図のように、図中斜線で示す
反射鏡部：３１．と、透明部３−４゜からなる円盤状の
ミラーであイ５、 回転ミラー３６は千−ター１０によって回転し回転ミラ
ー３−４における対物レンズ２の光軸との交点が回転ミ
ラー３．４の透明部３−ａｈであるときには、第１光源
１０１から出射した光束は、回転ミラー３．を透過して
、サンプル面ｌで反射後Ｃご再度、回転ミラー３−４を
透過して、第１光量検出素子１０３の検出対象となる。

この際、第２光源２０１から出射した光束は、回転ミラ
ー３−４に反射されないのでサンプル面１を照射しない
。

一方、回転ミラー３−４における対物レンズ２の光軸と
の交点が回転ミラー３−２の反射鏡部３−４１であると
きには、第２光ｆｉ２０１から出射した光束は、回転ミ
ラー３−４に反射されて、サンプル面１で反射後に再度
、回転ミラー３−４に反射されて、第２光量検出素子２
０３の検出対象となる。この際第１光＃１０１から出射
した光束は、回転ミラー３−４に反射されないのでサン
プル面ｌへ照射されない。

回転ミラー３−４を回転駆動するモーター１０には、角
度センサ１１が付設され、反射鏡部３−１゜と透明部３
−４．のどちらが対物レンズ２の光軸の位置にあるのか
を検出する。第１３図のブロック図に示すように、第１
光量検出素子１０３の出力は第１サンプルホールド回路
１１０に、第２光量検出素子２０３の出力は第２サンプ
ルホールド回路２１０に、角度センサ１１の出力に応じ
て、各々所定のタイミングでホールドされ′ζ、出力さ
れる。このように、第１位置検出部と第２位置検出部と
の検出光の分離ができる。

〔第７実施例〕 第１４図に、第７実施例の概略構成図を示し、第１５回
に第７実施例の概略側面図を示す。

第７実施例においては、前記各実施例と異なり、ハーフ
ミラ−等のビームスプリンタを使用しない。

兼用光ｆｙ３ｏｔと対物レンズ２との間に、第１遮光板
１０２と第２遮光板２０２は配置されている。第１遮光
板１０２と第２遮光板２０２の位置関係は、第１４図の
矢印Ｘ方向から見れば横並びであり、矢印Ｙ方向から見
れば前後に並ぶ状態にある。第１遮光板１０２の端縁１
０２ａは、第１設定位置Ｐ１と共役な位置Ｐ、゛にあり
、第２遮光板２０２の端縁２０２ａは、第２設定位置Ｐ
２と共役な位置Ｐ２゛にあるから、第１遮光板１０２と
第２遮光板２０２とは、光軸方向にずれた位置関係にあ
る。

なお、第１遮光板１０２と対物レンズ２との間には、第
１波長選択フィルタ！　０５−、が付設され、第２遮光
板２０２と対物レンズ２の間に第２波長選択フィルタ２
０５．が付設されている。なお、第１波長選択フィルタ
＋　０５．と第２波長選択フィルタ２０５−、とでは、
透過させる波長域を違えである。

したがって、兼用光Ｒ３０１から出射して、第１波長選
択フィルタ１０５−、を透過した波長域の光束だけが、
サンプル面１で反射後に再度、第１波長選択フィルタ１
０５−１を透過することができるので、第１光量検出素
子１０３の検出対象となる。また、兼用光源３０１から
出射して、第２波長選択フィルタ２０５−１を透過した
波長域の光束だけが、サンプル面１で反射後に再度、第
２波長選択フィルタ２０５．を透過できるので、第２光
量検出素子２０３の検出対象となる。このように、第１
位置検出部と第２位置検出部との検出光の分離ができる
。

なお、上記第１波長選択フィルタ１０５−＋と第２波長
選沢フィルタ２０５．の代わりに、透過させる光の偏光
方向を違えた第１偏光フィルタ１０５−２と第２偏光フ
ィルタ２０５−ｘを使用してもよい。

〔第８実施例〕 第８実施例は、第７実施例の構成を一部変更した実施例
である。第１６図に第８実施例の概略側面図を示す。

第８実施例においては、第１遮光板＋０２の端縁１０２
ａと第２遮光板２０２の端縁２０２ａとが、光軸を間に
して、各々光軸から離れて対向するように配置されてい
る。第１遮光板１０２の端ｉ！　１０２　ａは、第１設
定位ｉｔＰ＋　と共役な位置Ｐ′にあり、第２遮光Ｆｉ
２０２の端縁２０２ａは、第２設定位置Ｐ２と共役な位
置Ｐ２゛にあるから、第１遮光板１０２と第１遮光板２
０２とは、光軸方向にずれた位置関係にある。

なお、第１遮光板１０２と対物レンズ２との間には、第
１波長選択フィルタ１０５−、が付設され、第２遮光板
２０２と対物レンズ２の間に第２波長選択フィルタ２０
５−、が付設されているが、両者は、光軸を間に接して
対向している。なお、第１波長選択フィルタ１０５−１
と第２波長選択フィルタ２０５−１とでは、透過させる
波長域を違えである。

したがって、兼用光源３０１から出射して、第１波長選
沢フィルタ１０５．、、を透過した波長域の光束だけが
、サンプル面１で反射後に再度、第１波長選択フィルタ
１０５−１を透過することができるので、第１光量検出
素子１０３の検出対象となる。また、兼用光源３０１か
ら出射して、第２波長選択フィルタ２０５．を透過した
波長域の光束だけが、サンプル面ｌで反射後に再度、第
２波長選択フィルタ２０５−１を透過できるので、第２
光量検出素子２０３の検出対象となる。このように、第
１位置検出部と第２位置検出部との検出光の分離ができ
る。

なお、上記第１波長選択フィルタｌ　Ｏ５−１（！：第
２波長′５Ａ沢フィルタ２０５−、の代わりに、透過さ
せる光の偏光方向を違えた第１偏光フィルタ１０５−２
と第２偏光フィルタ２０５−、を使用してもよい。

［前記実施例に対する補足説明〕 ■　第１光ａ１Ｏ＋は、集光レンズを備えていてもよい
、また、第１光源１０１から出射された光束が、−Ｂ収
束してから広がるような光束である場合には、その収束
する位置は、第１遮光板１０２の端縁１０２ａの位置で
もよく、そこから対物レンズ２寄りの位置でもよく、あ
るいはそこから第１光源ｌＯ１寄りの位置でもよい、同
様に、第２光ａ２０１も、集光レンズを備えていてもよ
く、また、第２光源２０１から出射された光束が、収束
するような光束である場合に、その収束する位置は、ど
こでも支障はない。

■　第１７図示のように、第１光ｆｆｉ検出素子１０３
を第１遮光板１０２に直接取り付けてもよい。

第１光量検出素子１０３は、何処に、どのように取り付
けようと、第１遮光板１０２のサンプル面１例の面へ入
射するサンプル面１からの反射光を検出できるように配
置されていればよい、なお、第１７図示の場合、第１光
量検出素子１０３が受ける光は、第１遮光＋＆　１０２
のサンプル面１例の面を照射する手前の光であって、第
１遮光！＆１０２を照射していないが、本発明の構成に
言う「第１遮光板のサンプル面側の面を照射する光」と
は、例えば第１７図示のように、第１遮光板１０２のサ
ンプル面１例の面を実際に照射しなくとも、第１遮光板
＋０２のサンプル面１例の面を照射する手前の光も含む
、また同様に、第２光量検出素子２０３も、何処に、ど
のように取り付けようと、第２遮光板２０２のサンプル
面１例の面へ入射するサンプル面ｌからの反射光を検出
できるように配置されていればよい。本発明の構成に言
う「第２遮光板のサンプル面側の面を照射する光」とは
、第２遮光板２０２のサンプル面１例の面を実際に！Ｉ
ｕ・１しなくとも、第２遮光板２０２のサンプル面１側
の面を照射する手前の光も含む。

■　第１ｔ！検出素子１０３を第１遮光板１０２として
兼用させてもよい。すなわち、第１８図に示すように、
透明板１０６の表面に第１光量検出素子１０３を貼り付
け、その裏面で第１光源１０１からの光束を一部遮光す
るとともに、表面でサンプル面ｌからの反射光を検出す
るようにしてもよい、同様に、第２光量検出素子２０３
を第２遮光板２０２として兼用させてもよい。

■　第１遮光板１０２の端縁１０２ａや第２遮光板２０
２の端縁２０２ａの形状は、直線状である必要はなく、
線状でありさえすれば任意の形状を採用することができ
る０例えば、曲線状にしたり、鋸歯のように折れ線状に
したり、第１９図示のようにリング状にしてもよい。

ところで、曲線状や折れ線状（以下、非直線状と総称す
る）にする場合には、次のような効果が期待できる。

本発明に係る位置検出装置は、サンプル面１と各遮光板
の端縁との共役関係からサンプル面１の位置ずれ状態を
検出するため、各遮光板の端縁１０２ａ、２０２ａが直
線状であれば、サンプル面ｌにおける位置ずれ状態検出
の対象は直線状であり、非直線状であれば、位置ずれ状
態検出の対象も非直線状となる。ところで、サンプル面
１が、例えば、フォトマスクのように、コントラストの
大きなパターンを有する場合、パターンの暗部での反射
光は弱いので、サンプル面１における位置ずれ状態検出
の対象は、各光量検出素子１０３゜２０３から出力され
る信号のＳ　／　Ｎ向上のため、パターンの暗部をなる
べくさけるのが望ましい。

そこで、パターンの暗部が直線状である場合に、上記の
ように各遮光板の端縁１０２ａ、２０２ａを非直線状に
しておけば、位置ずれ状態検出の対象となる線状部分の
全長が線状パターンの暗部に合致することを回避できる
。

■　各遮光板の端縁１０２ａ、２０２ａの形状が、直線
状である場合には、サンプル面１が傾斜していても支障
なく前記基準位置からの位置ずれを検出することができ
る効果を期待できる。サンプル面１において、位置ずれ
状態検出の対象となる線状部分が直線状であれば、サン
プル面ｌにおける位置ずれ状態検出の対象が直線状とな
り、斜面に逆られずに、つまり傾斜方向に対し直角な方
向に沿って、位置ずれ状態検出をできるからである。

なお、先に従来技術として紹介した二分割センサを使用
した合焦検出機構のように、二分割センサ間での受光量
のバランスから合焦を検出する手法では、検出の対象域
が、光源からの光の照射域の全域、つまり本発明のよう
に線状ではなく面状であるから、傾斜したサンプル面に
対する位置ずれ状態検出が困難であった。

■　各遮光板の端縁１０２ａ、２０２ａを、対物レンズ
２の光軸に一致させることは、必須ではない。

■　前記各実施例では、各遮光板１０２，２０２を、光
軸と適当な角度で傾斜させて配置しているが、その角度
は、サンプル面２からの反射光を、受けるに都合よい向
きであり、しかも、その反射光を、光量検出素子１０３
，２０３へ効率よく反射するに都合よい向きであればよ
い、また、例えば、前記第１８図示のように光量検出素
子１０３゜２０３を遮光１１０２．２０２として兼用さ
せた場合には、遮光板１０２，２０２を光軸と直交する
ように配置してもよい。

■　サンプル面ｌは、特に鏡面であることを要しない、
サンプル面１において、各光Ｒｔｏｔ２０１からの光に
よって照らされている部分が、各遮光板の端縁１０２ａ
、２０２ａとの共役関係がどのようであるかと言うこと
から、サンプル面１の位置ずれ状態を検出するものであ
るからである。サンプル面１は、例えば、シリコンウェ
ハの表面のようなシリコン酸化膜は勿論のこと、ポリシ
リコン膜面や、金属膜面、レジスト面、塗装面、ガラス
板表面、研磨した金属部その他でもよい。

■　前記実施例は、合焦位置が本発明の構成に言う［基
準とする所定の位置」に相当し、本発明を合焦検出機構
に使用したものであるが、本発明の用途は、合焦検出機
構に限定されるものでは無い。例えば、サンプル面を対
物レンズの光軸に直交する方向へ移動させる手段を付設
する等によって、サンプル面における凹凸状態を測定す
る装置にも使用できる。つまり、サンプル面上のある特
定の１箇所を、本発明の構成に言う「基準とする所定の
位置」とし、サンプル面を光軸に直交する方向へ移動さ
せれば、かかる移動に伴う光軸方向の位置ずれ状態を検
出することによって、前記サンプル面上のその特定箇所
に対する他の箇所の高低が測定されるので、サンプル面
における凹凸状態を測定する装置として使用できる。こ
のように、本発明は、合焦位置に対する位置ずれ状態の
検出に限定せず、何らかの基準とする所定の位置からの
サンプル面の位置ずれ状態の検出に使用できる。

〈発明の効果〉 本発明によれば、次の効果が発揮される。

サンプル面からの反射光の光量からサンプル面の位置ず
れ状態を検出するのであるから、サンプル面がコントラ
ストを有する面であっても、支障なく位置ずれ状態を検
出できる。

また、サンプル面と位置検出装置との相対的位置関係が
静止のままでも、基準とする所定の位置からの位置ずれ
量、および、位置ずれ方向が検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第１９図は本発明の実施例に係り、第１図は
第１実施例の概略構成図、 第２図は第１実施例の第１位置検出部における合焦位置
のサンプル面での反射光の光線を示す図、第３図は第１
実施例の第１位置検出部における後ビン方向への非合焦
位置のサンプル面での反射光の光線を示す図、 第４図は第１実施例の第１位置検出部における前ビン方
向へ非合焦位置のサンプル面での反射光の光線を示す図
、 第５図はサンプル面の位置に関する第１光景検出素子の
出力Ｅｌと第２光量検出素子の出力Ｅ２の特性回、 第６図は第２実施例の概略構成図、 第７図は第３実施例の概略構成図、 第８図は第４実施例の概略構成図、 第９図は第５実施例の概略構成図、 第１０図は第５実施例における第１位置検出部と第２位
置検出部との検出光の分離のための同量検波制御ｎ部の
ブロック図、 第１１図は第６実施例の概略構成図、 第１２図は第６実施例における回転ミラーの平面図、 第１３図は第６実施例における第１光量検出素子と第２
光世検出素子の出力信号をサンプルホールドする制御に
関するブロック図、 第１４図は第７実施例の概略構成斜視図、第１５図は第
７実施例の概略構成側面図、第１６図は第８実施例の概
略構成図、 第１７図は他の実施例として光量検出素子を遮光板に直
接取り付ける概略構成図、 第１８図は他の実施例として光量検出素子を遮光板に兼
用させる概略構成図、 第１９図は他の実施例として遮光板の端縁の形状をリン
グ状にする概略構成図である。 第２０図は第１の従来例の（既略構成図、第２１図は第
２の従来例の概略構成図である。 １・・・・・・サンプル面　　２・・・・・・対物レン
ズ３−１・・・波長選択型ハーフミラ− （ビームスプリンタ） ３、、ｔ・・・ハーフミラ−（ビームスプリンタ）３−
１・・・偏光ビームスプリンタ ３−４・・・回転ミラー　１１・・・・・・角度センサ
１００・・・・・・第１位置検出部 １０１・・・・・・第１光源 ！０２・・・・・・第１遮光板 １０２ａ・・・第１遮光板の端縁 １０３・・・・・・第１光量検出素子 １０５−＋・・・第１波長選択フィルタ１０５−２・・
・第１偏光フイルタ １０６・・・・・・第１発振器 １０７・・・・・第１検波器 ２００・・・・・・第２位置検出部 ２０１・・・・・・第２光源 ２０２・・・・・・第２遮光板 ２０２ａ・・・第２遮光板の端縁 ２０３・・・・・・第２光量検出素子 ２０５−１・・・第２波長選択フィルタ２０５−、・・
・第２偏光フイルタ ２０６・・・・・・第２発振器 ２０７・・・・・・第２検波器 ３０１・・・・・・兼用光源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基準とする所定の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、（Ａ）ビーム
   スプリッタを経て、対物レンズを経てサンプル面を照射
   する第１光源、 （Ｂ）前記ビームスプリッタを経て、前記対物レンズを
   経てサンプル面を照射する第２光源、（Ｃ）ビームスプ
   リッタと第１光源との間に配置された第１遮光板、 （Ｄ）サンプル面からの反射光のうち、第１遮光板のサ
   ンプル面側の面を照射する光を検出する第１光量検出素
   子、 （Ｅ）ビームスプリッタと第２光源との間に配置された
   第２遮光板、 （Ｆ）サンプル面からの反射光のうち、第２遮光板のサ
   ンプル面側の面を照射する光を検出する第２光量検出素
   子と、 からなり、前記基準とする所定の位置との位置関係が各
   々明かな位置に設定された第１設定位置と第２設定位置
   のうち、第１設定位置と共役に前記第１遮光板の端縁は
   配置され、第２設定位置と共役に前記第２遮光板の端縁
   は配置され、前記第１光量検出素子および前記第２光量
   検出素子の検出信号から、前記基準とする所定の位置か
   らのサンプル面の位置ずれ状態を検出することを特徴と
   する位置検出装置。