JPH05142462A - 合焦装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、透明薄板標本を観察する際に裏面反
射光を除去でき、反射率の異なる微細パターンが形成さ
れた液晶基板に対して簡単かつ正確に合焦調節できる合
焦装置を提供することを目的とする。 【構成】本発明は、光源２１からの測定用光束を対物レ
ンズ３０の瞳の片側を通して標本３１上に集光し、その
反射光を再び対物レンズ３０の瞳を通過させた後に受光
手段３３上に集光して、その集光スポット位置を検出し
て合焦判定を行う合焦装置において、透明薄板３１の裏
面反射光の集光点付近で当該裏面反射光を遮光する第１
の遮光手段３４，３８を備え、または表面反射光の集光
位置付近で表面反射光のみを通過させる第２の遮光手段
３７，３９を備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡や光学測定機器
等において、透明薄板標本を観察する際の自動合焦に用
いることのできる合焦装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウエハ上のＡｌレジスト酸化膜
等を観察するための光学顕微鏡では、光源からの測定用
光束を対物レンズを介してレジスト酸化膜に集光し、そ
の反射光を再び対物レンズを通した後、受光装置で受光
してそのスポット形成位置から合焦状態を判定して焦点
調節を行う合焦装置を備えたものがある。

【０００３】この種の合焦装置としては、例えば西独特
許公開公報第２１０２９２２号や特開昭５８−２１７９
０９号公報、特開昭６０−４２７２５号公報に開示され
ている。これら従来の合焦装置の基本光学系を図８に示
す。

【０００４】この合焦装置では、測定用光源１から出た
光が、コリメータレンズ２で平行光束にされて、偏光ビ
ームスプリッター３、λ／４板４を通り、ダイクロイッ
クミラー５によって観察光路内に入れられる。そして、
この光束が測定用光束として対物レンズ６の瞳の片側を
通過して標本７に集光する。標本７からの反射光は、対
物レンズ６の他の片側を通り、ダイクロイックミラー５
で反射され、λ／４板５を通って偏光ビームスプリッタ
ー３に入射する。ここで反射した光束が、結像レンズ８
によって受光装置９上に集光する。

【０００５】ここで、対物レンズ６からの測定光スポッ
トが正しく標本７上にない場合、すなわち前ピン状態あ
るいは後ピン状態のときには、その反射光は結像レンズ
８により受光装置９の前後に集光する。この状態を図９
に示す。

【０００６】受光装置９上でのスポット位置はデフォー
カス量に応じて、図１０（ａ）に示すように移動する。
また、同図（ｂ）には、デフォーカス量に応じた各反射
光スポットの光強度を示している。前ピン状態あるいは
後ピン状態のときの、受光装置９上での集光位置は横方
向に移動する。

【０００７】そこで、光束の重心位置を合焦のためのフ
ァンクションとして選び、図１０（ａ）で合焦位置をＸ
ｏとすれば、前ピン、後ピンの重心位置Ｘｎを求めて、
ここからＸｏまでの距離を、標本７の対物ピント面での
前後の移動距離に変換してやり合焦させる。

【０００８】図８に示す装置では、受光装置９で集光ス
ポットの形成位置を検出した位置検出信号を演算制御装
置１０に入力し、そこで上記した合焦演算が実行され
て、そのずれ量に応じて駆動装置１１に駆動指令が出さ
れる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近では液
晶産業の発展に伴い、液晶基板を生産する工程の中で、
ガラス基板上のＩＴＯ，Ａｌ，Ｃｒ等のレジストパター
ン膜を観察する要求が高まっている。

【００１０】標本がガラス基板のようなものである場合
には、図１１に示すように、ガラス基板１４の裏面で測
定用光束の一部が反射して裏面反射光が発生する。この
裏面反射光は、ガラス基板１４の厚さ（正確には屈折率
も考慮する）によって異なる点Ｏｒを発光点としたよう
に振る舞って対物レンズ６に向かう。実際に対物レンズ
６に入射する裏面反射光は、測定光束が存在するあるＮ
Ａまでの光である。

【００１１】なお、同図において、ａは測定用光束の外
側光線、ｂは測定用光線の内側光線、ａｆ，ｂｆは表面
反射光、ａｒ，ｂｒは裏面反射光、Ｏは対物ピント位
置、Ｏｒは対物ピントがあっているときのガラス裏面反
射光の仮想発光点を示している。

【００１２】対物レンズ６に入射した裏面反射光及び表
面反射光は、結像レンズ８により受光装置９上に集光す
る。受光装置９上のスポットは、図１２に示すように、
表面反射光のスポットＳｏと裏面反射光のスポットＳｎ
がそれぞれ形成され、受光装置９上の光量は図１３に示
すようになる。

【００１３】すなわち、受光装置９上の光量は、裏面反
射光のスポット光量と表面反射光のスポット光量とが合
成されたものとなる。これにより、受光装置９上に形成
されたスポットの重心位置は、表面反射光による本来の
重心位置Ｐｏから両スポットを合成した光量の重心位置
Ｐｏｎへずれてしまう。

【００１４】特に、標本が液晶基板の場合には、ガラス
表面に反射率の異なる物質の微細パターンが形成されて
いるため、たとえピントがあっていたとしても、検出さ
れる重心位置はその都度変化し、パターンの反射率が変
わる度にピントがずれるという問題がある。

【００１５】このように、従来の合焦装置は、透明薄板
標本を観察する場合には、裏面反射光が受光装置に取込
まれるため、受光装置上のスポット光の重心位置から合
焦位置を求めたとしても正確な合焦位置を検出できない
不都合がある。また、同一反射率を持つ透明基板であれ
ば、裏面反射を考慮した補正を行うことができるが、液
晶パターンのように反射率の異なる物質の微細パターン
が形成されているような標本では、そのような補正を施
すのは極めて困難である。

【００１６】本発明は以上のような実情に鑑みてなされ
たもので、透明薄板標本を観察する場合に透明薄板標本
の裏面反射光を除去することができ、反射率の異なる微
細パターンが形成された液晶基板のような標本であって
も合焦ずれの発生を防止した正確な合焦調節を実現し得
る合焦装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明に係る合焦装置を、光源からの光束を対
物レンズの瞳の片側を通して標本上に集光し、その標本
で反射した反射光を再び前記対物レンズの瞳を通過させ
た後に受光手段上に集光して、その集光スポット位置を
前記受光手段で検出して合焦判定を行う合焦装置におい
て、少なくとも前記標本として透明薄板が用いられる時
に、前記透明薄板の裏面で反射した裏面反射光の集光点
付近で、当該裏面反射光を遮光する第１の遮光手段を備
えた構成とし、

【００１８】また、第２の発明に係る合焦装置を、光源
からの光束を対物レンズの瞳の片側を通して標本上に集
光し、その標本で反射した反射光を再び前記対物レンズ
の瞳を通過させた後に受光手段上に集光して、その集光
スポット位置を前記受光手段で検出して合焦判定を行う
合焦装置において、少なくとも前記標本として透明薄板
が用いられる時に、前記透明薄板の表面で反射した表面
反射光の集光点付近で、当該表面反射光を通過させ、か
つ前記透明薄板の裏面反射光を遮光する第２の遮光手段
を備えた構成とし、

【００１９】さらに、第３の発明に係る合焦装置を、光
源からの測定用光束を対物レンズの瞳の片側を通して標
本上に集光し、その標本で反射した反射光を再び前記対
物レンズの瞳を通過させた後に受光手段上に集光して、
その集光スポット位置を前記受光手段で検出して合焦判
定を行う合焦装置において、少なくとも前記標本として
透明薄板が用いられる時に、前記透明薄板の裏面での裏
面反射光が対物レンズに入射しないように、前記測定用
光束の光束径及び瞳通過位置を設定する光束調整手段を
備えた構成とした。

【００２０】

【作用】以上のように構成された第１の発明によれば、
透明薄板の裏面で反射した裏面反射光が光路中のある点
で集光し、この集光点付近で裏面反射光が第１の遮光手
段によって遮光される。したがって、受光手段に入射す
る光束から裏面反射光が除去される。

【００２１】また、第２の発明によれば、透明薄板の表
面で反射した表面反射光が光路中のある点で集光し、こ
の集光点付近で第２の遮光手段によって表面反射光のみ
が通過し裏面反射光が遮光される。したがって、受光手
段に入射する光束から裏面反射光が除去される。

【００２２】さらに、第３の発明によれば、対物レンズ
に入射する測定用光束が、透明薄板の裏面反射が対物レ
ンズに入射しないような瞳通過位置及び光束径に光束調
整手段によって調整される。よって、標本の裏面で反射
した裏面反射光のほとんどが対物レンズに入射しなくな
り、裏面反射光が除去されるものとなる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００２４】図１には本発明の第１実施例に係る自動合
焦装置の概略的な光学系が示されている。本実施例の自
動合焦装置は、対物レンズが高倍率と低倍率に切換えら
れる顕微鏡に適用したものである。

【００２５】本実施例は、レーザダイオード等からなる
低倍用光源２１ａ，高倍用光源２１ｂからの測定用光束
が、それぞれコリメータレンズ２２ａ，２２ｂを介して
三角形のプリズム型ミラー２３に互いの光軸をずらして
入射する。プリズム型ミラー２３で反射された光束は偏
光ビームスプリッター２４、集光レンズ２５、変倍レン
ズ２６を通った後にダイクロイックミラー２７によッて
観察光学系に投射される。観察光学系に投射された測定
用光束は、λ／４板２８、中間像結像レンズ２９を介し
て対物レンズ３０に入射し、対物レンズ３０の瞳の片側
を通って透明薄板標本３１上に集光する。

【００２６】なお、高倍用光源２１ｂからの光束は、プ
リズム型ミラー２３により対物レンズ３０の瞳を通過す
る際に、対物レンズの光軸よりの瞳位置を通る。低倍用
光源２１ａからの光束はプリズム型ミラー２３により対
物レンズの光軸から離れた瞳位置を通過する。

【００２７】透明薄板標本３１で反射し、対物レンズ３
０に入射した反射光は、中間像結像レンズ２９、λ／４
板２８を通りダイクロイックミラー２７により反射され
る。そして、この反射光は変倍レンズ２６、集光レンズ
２６を介して偏光ビームスプリッター２４に入射する。
偏光ビームスプリッター２４に入射した反射光は、そこ
で反射され結像レンズ３２により受光手段としてのポジ
ションセンサ３３上に集光する。図２には、顕微鏡の観
察光軸に低倍対物レンズ３０ａ（例えば、５倍，１０
倍）を配置した場合の、表面反射光及び裏面反射光の集
光点を示している。図中実線で示す表面反射光は、中間
像結像レンズ２９の中間像面Ｌ１で集光し、破線で示す
裏面反射光は、中間像面Ｌ１よりも手前の光路上で結像
する。

【００２８】本実施例では、このような低倍時には、透
光性の薄板３４ａに遮光部３４ｂを形成してなる第１の
遮光手段としての遮光部材３４を、裏面反射光結像点に
配置して、遮光部３４ｂで裏面反射光のみを遮光してい
る。

【００２９】または、光を通さない板３５にピンホール
３６を形成してなる第２の遮光手段としてピンホール部
材３７を結像面Ｌに配置して、ピンホール３６により表
面反射光のみを通過させている。

【００３０】また、図３には顕微鏡の観察光軸に高倍対
物レンズ３０ｂ（例えば、５０倍，１００倍）を配置し
たときの、表面反射光および裏面反射光の集光点を示し
ている。

【００３１】図中実線で示す表面反射光は、中間像結像
レンズ２９の中間像面Ｌ２で集光し、破線で示す裏面反
射光は、中間像結像レンズ２９から中間像面Ｌ２よりも
離れた位置で結像する。

【００３２】本実施例では、このような高倍時には、上
記同様に構成される遮光部材３８を裏面反射光結像点に
配置する。または、上記同様に構成されるピンホール部
材３９を中間結像面Ｌ２に配置する。以上のように構成
された本実施例の作用について説明する。

【００３３】先ず、低倍対物レンズ３０ａが用いられる
場合には、低倍用光源２１ａが駆動されて測定用光束
が、対物レンズ３０ａの光軸から離れた瞳位置を通過し
て透明薄板標本３１に集光する。透明薄板標本３１から
の表面反射光及び裏面反射光は、中間結像レンズ２９に
よって図２に示すような状態でそれぞれ集光する。

【００３４】このとき、本実施例では裏面反射光の結像
点に遮光部材３４を配置することにより裏面反射光が遮
光され、表面反射光のみが、結像レンズ３２によりポジ
ションセンサ３３上に集光する。または、ピンホール部
材３７が中間像面Ｌ１に配置されて、そのピンホール３
６を通過する表面反射光のみがポジションセンサ３３上
に集光する。ポジションセンサ３３から出力される位置
検出信号から合焦位置を求める動作はすでに説明したの
でここではその説明を省く。

【００３５】また、高倍対物レンズ３０ｂが用いられる
場合には、高倍用光源２１ｂが駆動されて測定用光束が
プリズム型ミラー２３に入射する。ここで、高倍用光源
２１ｂかせの測定用光束は、プリズム型ミラー２３の頂
部近傍に入射して、対物レンズ３０ｂの光軸より瞳位置
を通過する。透明薄板標本３１からの表面反射光及び裏
面反射光は、中間結像レンズ２９によって図３に示すよ
うな状態でそれぞれ集光する。

【００３６】このとき、本実施例では上記同様に、遮光
部材３８またはピンホール部材３９が、裏面反射光結像
点または中間像面Ｌ２に配置されて、裏面反射光が除去
される。そして、表面反射光のみが、結像レンズ３２に
よりポジションセンサ３３上に集光する。

【００３７】以下、図１における、測定用光束の高さを
低倍用でｈ（Ｌ）＝６ｍｍ，φｄ＝５．５ｍｍ、高倍用
でｈ（Ｈ）＝１．５ｍｍ，φｄ＝５．５ｍｍとし、標本
としてのガラス板の厚さを１．１ｍｍとして、この最
大、最小光線高光線の裏面からと表面からの反射の光線
追跡を行った場合について述べる。

【００３８】この結果は、５×，１０×の対物レンズで
は、図２に示すように表面反射光は中間像面に集光し、
裏面反射光は図４に示すように中間像面ではある高さを
持って通過することがわかった。したがって、上記した
ように中間像面で裏面反射をカットするピンホールを入
れれば良く、具体的には５×で直径０．４ｍｍのピンホ
ール、１０×で直径１．５ｍｍのピンホールによって表
面反射光を減少させることなく裏面反射をカットするこ
とができる。このピンホール径は、表面反射光が中間像
面で作るスポット径よりも十分に大きく合焦可能範囲を
狭めることはない。また、２０×での光線追跡の結果
は、低倍の光線高では、裏面反射光が対物レンズの開口
内に入ってこないでほとんどカットされてしまった。

【００３９】また、５０×，１００×の光線追跡の結果
は、対物レンズの瞳への入射光束が対物光軸を含んでい
ることから僅かに裏面反射が入射する。しかし、その量
は光量的には表面反射光と裏面反射光との比が４００対
１程度になるので裏面反射光による影響はほとんど現れ
ない。

【００４０】このように本実施例によれば、中間像結像
レンズ２９によって、表面反射光及び裏面反射光をそれ
ぞれ集光させて、表面反射光の集光点付近（中間像面）
に表面反射光のみを通過させるピンホール部材３９を設
け、または裏面反射光の結像点に裏面反射光のみを遮光
する遮光部材３７を設けるようにしたので、透明薄板標
本３１を観察する場合に裏面反射光のみを有効に除去す
ることができる。したがって、反射率の異なる微細なパ
ターンが形成された液晶基板のようなものであっても、
裏面反射光の影響を受けることなく、正確な合焦調節を
行うことができる。

【００４１】また、対物レンズ３０の倍率に応じて、低
倍時には測定用光束を対物レンズ３０の瞳中心から周辺
部にずれた位置を通過させ、高倍時には測定用光束を対
物レンズ３０の瞳中心により近い位置を通過させるよう
にしたので、低倍でのＮＡ不足と、高倍での光量不足を
解消することができる。

【００４２】なお、アライメント誤差を考えると、入射
光束は対物光軸から多少離れていることが望ましい。そ
こで、図５に示すように、プリズム型ミラー２３から対
物レンズに至る光路中の対物光軸に相当する位置に遮光
板４１を設けて、高倍用の測定用光束の対物光軸側の一
部を遮光するようにする。次に、図６を参照して第２実
施例について説明する。

【００４３】本実施例は図８に示す合焦装置に本発明を
適用した例である。上記一実施例では、中間像結像レン
ズ２９による表面反射光または裏面反射光の結像位置
に、ピンホール部材または遮光部材を配置する構成とし
たが、本実施例は結像レンズ８の結像点による表面反射
光または裏面反射光の結像位置に、ピンホール部材また
は遮光部材を配置する構成としている。

【００４４】図６（ａ）に示す合焦状態は、表面反射光
が受光装置９の受光面上に集光し、裏面反射光が前ピン
状態となっている。本実施例では、裏面反射光の集光点
に裏面反射光のみを遮光する遮光部材４２を配置する
か、または受光装置９上の表面反射光の集光点に、その
スポット径よりも若干大きな径のピンホールが形成され
たピンホール部材４３を配置して、裏面反射光をカット
する。

【００４５】このような構成によっても、裏面反射光を
カットして表面反射光のみを受光装置９上に集光させる
ことができるので、裏面反射光による焦点ノイズを除去
することができ高精度な自動合焦を実現できる。なお、
図６（ｂ）に示すように、結像レンズ８で結像させた後
に、凸レンズ４４で受光装置９上に集光させるようにし
ても良い。

【００４６】なお、上記第１，第２実施例では、遮光部
材またはピンホール部材によって裏面反射光をカットし
ているが、対物レンズに入射する測定用光束の瞳入射位
置及び光束径を図７に示す状態にすることで、標本の裏
面で反射した裏面反射光のほとんどをポジションセンサ
（ＰＳＤ）３３に入射させないようにすることができ
る。

【００４７】すなわち、図７において測定用光束をａ−
ｂの範囲にすれば、光路中の最小絞り（対物レンズの開
口）が裏面反射光をカットすることになる。同図におい
て、ａは測定用光束の最大光線、ｂは測定用光束の対物
光軸側の最大光線、ａｆｏ，ｂｆｏは表面反射光、ａｒ
ｏ，ｂｒｏは裏面反射光、Ｏは対物ピント位置、Ｏｒは
対物ピントがあっているときのガラス裏面反射光の仮想
発光点を示している。そのような測定光束の瞳入射位置
及び光束径は、対物レンズの瞳の大きさ，ＮＡ，透明薄
板標本の厚さ（仮想発光点位置）から計算で求めること
ができる。

【００４８】また、そのような測定用光束は、光源から
対物レンズに至るまでの光路中に、測定用光束の対物光
軸側を、各対物レンズに応じた量だけ遮光する遮光板を
設けることにより得ることができる。または、光源から
対物レンズに至るまでの光路中に、そのような測定用光
束を実現する開口を設けてやる。このような本実施例に
よれば、遮光部材またはピンホール部材を用いることな
く、裏面反射光を除去することができる。

【００４９】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、透
明薄板標本を観察する場合に透明薄板標本の裏面反射光
を除去することができ、反射率の異なる微細パターンが
形成された液晶基板のような標本であっても簡単かつ正
確に合焦調節できる合焦装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る合焦装置の全体図。

【図２】第１実施例の合焦装置において低倍時の表面反
射光及び裏面反射光の結像位置をそれぞれ示す図。

【図３】第１実施例の合焦装置において高倍時の表面反
射光及び裏面反射光の結像位置をそれぞれ示す図。

【図４】第１実施例の合焦装置においてピンホール部材
挿入位置を示す図。

【図５】第１実施例の合焦装置において測定用光束の対
物光軸よりの光量をカットするための遮光板を設けた状
態を示す図。

【図６】本発明の第２実施例に係る合焦装置の要部の構
成を示す図。

【図７】裏面反射光をカットするための遮光部材及びピ
ンホール部材を設けない実施例の要部を示す図。

【図８】従来よりある合焦装置の構成図。

【図９】結像レンズによる受光装置上での結像状態を示
す図。

【図１０】合焦状態に応じたスポット形成位置及び光強
度をそれぞれ示す図。

【図１１】標本の表面反射光と裏面反射光を説明するた
めの図。

【図１２】裏面反射光が含まれている場合のスポット形
成状態を示す図。

【図１３】図１２に示すスポットの重心位置を示す図。

【符号の説明】

２１ａ，２１ｂ…光源、２２ａ，２２ｂ…コリメータレ
ンズ、２３…プリズム型ミラー、２９…中間像結像レン
ズ、３０…対物レンズ、３１…標本、３２…結像レン
ズ、３３…ポジションセンサ、３４，３８…遮光部材、
３７，３９…ピンホール部材。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの測定用光束を対物レンズの瞳
   の片側を通して標本上に集光し、その標本で反射した反
   射光を再び前記対物レンズの瞳を通過させた後に受光手
   段上に集光して、その集光スポット位置を前記受光手段
   で検出して合焦判定を行う合焦装置において、 少なくとも前記標本として透明薄板が用いられる時に、
   前記透明薄板の裏面で反射した裏面反射光の集光点付近
   で、当該裏面反射光を遮光する第１の遮光手段を備えた
   ことを特徴とする合焦装置。
2. 【請求項２】 光源からの測定用光束を対物レンズの瞳
   の片側を通して標本上に集光し、その標本で反射した反
   射光を再び前記対物レンズの瞳を通過させた後に受光手
   段上に集光して、その集光スポット位置を前記受光手段
   で検出して合焦判定を行う合焦装置において、 少なくとも前記標本として透明薄板が用いられる時に、
   前記透明薄板の表面で反射した表面反射光の集光点付近
   で、当該表面反射光を通過させ、かつ前記透明薄板の裏
   面反射光を遮光する第２の遮光手段を備えたことを特徴
   とする合焦装置。
3. 【請求項３】 光源からの測定用光束を対物レンズの瞳
   の片側を通して標本上に集光し、その標本で反射した反
   射光を再び前記対物レンズの瞳を通過させた後に受光手
   段上に集光して、その集光スポット位置を前記受光手段
   で検出して合焦判定を行う合焦装置において、 少なくとも前記標本として透明薄板が用いられる時に、
   前記透明薄板の裏面での裏面反射光が対物レンズに入射
   しないように前記測定用光束の光束径及び瞳通過位置を
   設定する光束調整手段を備えたことを特徴とする合焦装
   置。