JPH05322561A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、被測定表面の形状に影響されること
なく、高精度且つ確実に合焦制御を行うことができる焦
点検出装置を提供する。 【構成】焦点検出装置に配置された被検体３７の被測定
表面３９上の照射面積が所定の大きさを有するように、
レーザービームを出射するレーザー射手段２７と、被測
定表面から反射した反射光を２方向に振り分けて夫々結
像させるビームスプリッタ４１と、結像位置Ｓ、Ｐに対
して前側及び後側に夫々配置された第１及び第２の絞り
４３、４７と、これら第１及び第２の絞りを介して導光
される反射光を受光して、その受光量に対応した信号を
出力する第１及び第２の受光素子４５、４９と、これら
第１及び第２の受光素子から出力された信号に対して所
定の演算を施して、被測定表面３９の変位に対する変位
信号を出力する信号処理系５１とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、ＩＣ基板や材
料等の加工面に対して光学的に焦点を合わせを行う焦点
検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の装置として、例えば、特
公平４−２５７１１号公報（以下、従来例と称する）に
開示された装置が知られている。

【０００３】図８に示すように、半導体レーザ１から出
射されたレーザービームは、偏光ビームスプリッタ５に
照射される。偏光ビームスプリッタ５で反射された光
は、１／４波長板７を介して結像レンズ１３で平行ビー
ムに変換され、対物レンズ９を介して被測定表面１１
（例えば、ＩＣ基板表面あるいは材料の加工表面等）に
集光される。この被測定表面１１で反射された反射光
は、再び、対物レンズ９、結像レンズ１３及び１／４波
長板７を介して偏光ビームスプリッタ５に照射される。

【０００４】このとき照射された反射光は、１／４波長
板７を透過した際、その偏光方向が９０°ずらされてい
る。この結果、反射光は、偏光ビームスプリッタ５を透
過して、ビームスプリッタ１５によって２方向に振り分
けられる。その一方の反射光は、合焦点より前に置かれ
た第１の絞り１７を介して第１の受光素子１９に照射さ
れ、他方の反射光は、合焦点より後に置かれた第２の絞
り２１を介して第２の受光素子２３に照射される。

【０００５】第１及び第２の受光素子１９、２３は、夫
々、受光した反射光の光量に対応した電気信号を処理系
２５に出力する機能を有する。処理系２５は、入力され
た各信号に対して所定の演算を施して、被測定表面１１
の変位に対応した変位信号を出力する機能を有する。

【０００６】今、第１及び第２の受光素子１９、２３か
ら、図９に示すような特性を有する電気信号が出力され
たとすると、処理系２５によって、図１０に示すような
特性を有する変位信号が出力される。そして、この変位
信号を基に被測定表面１１に対する変位測定が行われ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来例の装置では、被
測定表面１１に集光させる際の集光スポット径は、理論
上回折限界まで絞られ、実際に非常に微小（即ち、照射
面積が微小）となる。このため、例えば、図６（ａ）に
示すような粗さや規則構造等微細構造をもつ被測定表面
１１にレーザービームを集光させた場合、表面の凹凸に
より乱反射や回折した反射光は、その大部分（図中斜線
Ａで示す部分）が対物レンズ９（図８参照）の開口から
外れた方向に散逸してしまうことがある。かかる場合、
第１及び第２の受光素子１９、２３に受光される光量は
著しく低下し、焦点合わせ即ち合焦制御に、Ｓ／Ｎの低
下を原因とする誤差を生じるおそれがある。更に、被測
定表面１１の図中矢印ΔＺ方向の移動に伴い、集光スポ
ット内での乱反射率も大きく変化するため、第１及び第
２の受光素子１９、２３（図８参照）の受光量も大きく
変動する。

【０００８】この様子を図７（ａ）に示す。被測定表面
がミラー面の場合に第１及び第２の受光素子１９、２３
から出力される信号の電圧変化（図中符号Ｂ、Ｃで示
す）と、粗さをもつ加工面の場合の電圧変化（図中符号
Ｄ、Ｅで示す）とを比較すると、加工面の場合の焦点位
置を検出する信号レベルが低下していることが分かる。

【０００９】図７（ｂ）には、加工面に係る電圧変化
（図７（ａ）中、符号Ｄ、Ｅ参照）に対応した電気信号
が処理系２５（図８参照）で演算された場合の変位信号
特性が示されており、図７（ｃ）には、ミラー面に係る
電圧変化（図７（ａ）中、符号Ｂ、Ｃ参照）に対応した
電気信号が処理系２５（図８参照）で演算された場合の
変位信号特性が示されている。

【００１０】具体的には、図７（ｂ）に示すように、点
線が、（Ｄ−Ｅ）／（Ｄ＋Ｅ）の演算結果から得られた
変位信号特性を示し、実線が、Ｄ−Ｅの演算結果から得
られた変位信号特性を示す。同様に、図７（ｃ）に示す
ように、点線が、（Ｂ−Ｃ）／（Ｂ＋Ｃ）の演算結果か
ら得られた変位信号特性を示し、実線が、Ｂ−Ｃの演算
結果から得られた変位信号特性を示す。

【００１１】図７（ｂ）、（ｃ）を比較すると明らかな
ように、加工面に係る変位信号特性（図７（ｂ）参照）
は、ミラー面の場合（図７（ｃ）参照）に比べて、零レ
ベル付近の信号に乱れが生じており、このため信号のＳ
／Ｎ比が低下している。従って、従来例の装置では、被
測定表面の形状によっては、高精度な合焦制御ができな
くなるという欠点がある。

【００１２】更に、図６（ｂ）に示すように、被測定表
面１１の微細構造による乱反射及び回折により反射光の
強度分布に照射領域内の構造に応じた強い明暗の分布が
生じる。この結果、第１及び第２の絞り１７、２１（図
８参照）のわずかなズレによっても第１及び第２の受光
素子１９、２３（図８参照）間に受光される光に差が生
じ、合焦制御に誤差が生じるおそれがある。

【００１３】本発明は、このような弊害を除去するため
になされ、その目的は、被測定表面の形状に影響される
ことなく、高精度且つ確実に合焦制御を行うことができ
る焦点検出装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の焦点検出装置は、焦点検出系に配置
された被検体の被測定表面上の照射面積が所定の大きさ
を有するように、照明光を出射する光出射手段と、前記
被測定表面から反射した反射光を２方向に振り分けて夫
々結像させる結像光学系と、この結像光学系によって結
像された結像位置に対して前側及び後側に夫々配置され
た第１及び第２の絞り手段と、これら第１及び第２の絞
り手段を介して導光される反射光を受光して、受光量に
対応した信号を出力する第１及び第２の受光素子と、

【００１５】これら第１及び第２の受光素子から出力さ
れた前記信号に対して所定の演算を施して、前記被測定
表面の変位に対する変位信号を出力する信号処理系とを
備えている。

【００１６】

【作用】光出射手段から出射された照明光は、所定の大
きさの照射面積を有した状態で、焦点検出系を介して被
検体の被測定表面上に照射される。被測定表面から反射
した反射光は、結像光学系を介して２方向に振り分けら
れ夫々結像される。これら結像位置に対して前側及び後
側に夫々配置された第１及び第２の絞り手段を介して第
１及び第２の受光素子に夫々受光された反射光は、その
光量に対応した信号に変換され信号処理系に出力され
る。信号処理系は、入力した各信号に対して所定の演算
を施して、被測定表面の変位に対する変位信号を出力す
る。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係る焦点検出装置
について図１を参照して説明した後、本発明の変形例に
ついて図２より図５を参照して説明する。

【００１８】本実施例の焦点検出装置は、合焦状態にお
いて、被測定表面に集光したときのレーザービームの集
光スポットが所定の大きさの照射面積を有するように、
レーザービームを出射する光出射手段即ちレーザー出射
手段２７を備えて構成されている。

【００１９】図１（ａ）に示すように、レーザー出射手
段２７から出射されたレーザービームは、偏光ビームス
プリッタ２９で反射された後、１／４波長板３１、結像
レンズ３３及び対物レンズ３５を介して被検体３７の被
測定表面３９に集光される。この被測定表面３９から反
射した反射光は、再び、対物レンズ３５及び結像レンズ
３３を介して１／４波長板３１に照射される。

【００２０】この１／４波長板３１は、照射された光の
偏光方向を９０°回転させる特性を有している。このた
め、１／４波長板３１に照射された反射光は、その偏光
方向が、最初の偏光方向に対して９０°ずらされた状態
で偏光ビームスプリッタ２９に照射される。従って、反
射光は、偏光ビームスプリッタ２９を透過して、ビーム
スプリッタ４１に照射される。

【００２１】ビームスプリッタ４１に照射された反射光
は、２方向に振り分けられ、その一方の反射光は、第１
の絞り４３を介して第１の受光素子４５に照射され、他
方の反射光は、第２の絞り４７を介して第２の受光素子
４９に照射される。

【００２２】第１の絞り４３は、結像レンズ３３及びビ
ームスプリッタ４１を介して結像される反射光の結像位
置Ｓよりも前側であって、ビームスプリッタ４１に対面
して配置されている。一方、第２の絞り４７は、結像レ
ンズ３３及びビームスプリッタ４１を介して結像される
反射光の結像位置Ｐよりも後側であって、結像位置Ｐを
挟んだ状態で且つビームスプリッタ４１に対面して配置
されている。第１及び第２の受光素子４５、４９は、夫
々、受光した光量に対応した電気信号を信号処理系５１
に出力する機能を有する。

【００２３】信号処理系５１は、入力された各信号に対
して所定の演算（具体的には、各信号の差演算）を施し
て、被測定表面３９の表面形状に対応した変位信号を出
力する機能を有する。そして、このとき出力された変位
信号を基に、被検体３７の被測定表面３９に対する合焦
制御が行われる。

【００２４】本実施例に適用されたレーザー出射手段２
７は、半導体レーザ５３から出射されたレーザービーム
を集光レンズ５５を介して導光する光ファイバ５７を備
えている。このため、半導体レーザ５３から出射された
レーザービームは、集光レンズ５５を介して光ファイバ
５７内を導光された後、光ファイバ５７の端面５７ａか
ら偏光ビームスプリッタ２９に照射される。

【００２５】光ファイバ５７の端面５７ａからは、面光
源化したレーザービームを出射させることができるた
め、図１（ｂ）に示すように、合焦状態において、被検
体３７の被測定表面３９には、この被測定表面３９の粗
さに対して大きな照射面積を有する集光スポットを形成
することができる。

【００２６】このとき、図１（ｂ）に示すように、被測
定表面３９からは、この被測定表面３９の凹凸形状によ
り乱反射が生じるため、対物レンズ３５（図１（ａ）参
照）の開口角内に戻る反射光の量は低下する。

【００２７】しかし、本実施例の装置によって形成され
る集光スポットは、被測定表面３９の凹凸の粗さよりも
大きな照射面積を有しているため、かかる表面の粗さ又
は微細構造による乱反射及び反射ビーム分布を平均化さ
せることができる。この結果、第１及び第２の受光素子
４５、４９で受光される光量の変化を小さくすることが
できると共に、被検体３７の図中矢印ΔＺ方向の移動に
伴う光量変動を小さくすることができる。従って、Ｓ／
Ｎ比の高い変位信号を検出することができ、結果、高精
度な合焦制御を行うことができる。

【００２８】なお、本発明は、上述した一実施例の構成
に限定されることはなく、請求の範囲内で種々変更する
ことが可能である。以下、本発明の変形例に係る焦点検
出装置について説明する。なお、後述する変形例の説明
に際し、上述した一実施例と同一の構成には同一符号を
付してその説明を省略する。

【００２９】図２に示すように、第１の変形例に係る焦
点検出装置に適用されたレーザー出射手段２７には、光
ファイバ端面５７ａ（図１参照）の代わりに第２の集光
レンズ６１が適用されている。

【００３０】この第２の集光レンズ６１から出射された
レーザービームは、その結像位置Ｑで、上述した光ファ
イバ端面５７ａと相似の端面像を形成する。この結果、
被検体３７の被測定表面３９には、この被測定表面３９
の粗さに対して大きな照射面積を有し、且つ、面光源化
したレーザービームを集光させることができる。従っ
て、被測定表面３９の粗さ又は微細構造による乱反射及
び反射ビーム分布を平均化させることができる。更に、
集光レンズ６１及びファイバ端面５７ａの位置関係を変
えることにより、結像位置Ｑにおける端面像の大きさを
変化させることができる。このため、被測定表面３９の
粗さ又は微細構造による乱反射及び反射ビーム分布の平
均化レベルを可変することができる。なお、面光源化し
たレーザービームを集光させる手段として、図４に示す
ようにレーザー出射手段２７を構成することも可能であ
る。

【００３１】図４に示すレーザー出射手段２７には、集
光レンズ５５を介して集光されるレーザービームの光路
中に拡散板６９が配置されている。この拡散板６９に照
射されたレーザービームは、拡散ビームとなって第２の
集光レンズ６１を照射し、集光レンズ６１で集光され結
像位置Ｑに結像した後、ビームスプリッタ４１（図２参
照）に照射される。この結果、被検体３７の被測定表面
３９には、この被測定表面３９の粗さに対して大きな照
射面積を有し、且つ、面光源化した拡散ビームを集光さ
せることができる（図２参照）。

【００３２】また、半導体レーザ５３、集光レンズ５５
を図中矢印Ｔ方向に移動させて、拡散板６９上の照明領
域を適当に調節することによって、被測定表面３９に対
する拡散ビームの照射面積を任意に設定することができ
る。このため、被測定表面３９の粗さ又は微細構造によ
る乱反射及び反射ビーム分布の平均化レベルを任意に設
定することができる。

【００３３】また、図３に示すように、第２の変形例に
係る焦点検出装置に適用されたレーザー出射手段２７
は、集光レンズ５５の結像位置Ｑを図中矢印Ｙ方向に揺
動（一次元的あるいは二次元的に揺動）させるように、
半導体レーザ５３から出射されたレーザービームを平行
光束に規制するコリメータレンズ６３と、このコリメー
タレンズ６３で平行光束に規制されたレーザービームを
所定方向に偏向させる音響光学偏向器（ＡＯＤ）６５と
を備えている。

【００３４】ＡＯＤ６５及び集光レンズ５５を介して結
像位置Ｑを揺動させることによって、被検体３７の被測
定表面３９に集光されるレーザービームの集光スポット
も、図中矢印Ｘ方向に揺動（一次元的あるいは二次元的
に揺動）する。しかも、本変形例に適用されたＡＯＤ６
５の偏向角度は任意に設定することができるため、被測
定表面３９上の集光スポットの揺動範囲を適当に設定す
ることが可能となる。このため、例えば、集光スポット
径が小さい（即ち、照射面積が小さい）場合でも、ＡＯ
Ｄ６５を適宜調節することによって、集光スポットを被
測定表面３９上に所定範囲だけ揺動させることができ
る。

【００３５】また、集光スポットの揺動に伴い第１及び
第２の受光素子１９、２３に集光する反射光も、これら
第１及び第２の受光素子１９、２３の受光面（図示しな
い）に対して一次元的あるいは二次元的に揺動して照明
される。

【００３６】このことは、被測定表面３９上に面光源化
したレーザービームを集光させた場合に等しい。この結
果、被測定表面３９の粗さ又は微細構造による乱反射及
び反射ビーム分布を平均化させることができる。しか
も、ＡＯＤ６５を適当に調節することによって、被測定
表面３９上の集光スポットの揺動範囲即ち照射面積を任
意に設定することができる。このため、被測定表面３９
の粗さ又は微細構造による乱反射及び反射ビーム分布の
平均化レベルを任意に設定することができる。なお、集
光スポットを被測定表面３９上に所定範囲だけ揺動させ
る手段としては、図５に示すようにレーザー出射手段２
７を構成することも可能である。図５に示すように、レ
ーザー出射手段２７は、ＡＯＤ６５（図３参照）の代わ
りにミラー６７を備えている。

【００３７】ミラー６７は、コリメータレンズ６３で平
行光束に規制されたレーザービームの光軸上に整合して
設けられた軸６７ａを中心に図中矢印Ｒ方向に回動自在
に配置されている。ミラー６７の角度を制御手段（図示
しない）によって、適宜制御することによって、所定角
度でレーザービームを集光レンズ５５方向に反射させる
ことができる。この結果、結像位置Ｑを図中矢印Ｙ方向
に揺動させることができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明の焦点検出装置によって形成され
る集光スポットは、被測定表面の凹凸の粗さよりも大き
な照射面積を有しているため、かかる表面の粗さ又は微
細構造による乱反射及び反射光分布を平均化させること
ができる。この結果、合焦時の第１及び第２の受光素子
で受光される光量の変化を小さくすることができると共
に、更に、被検体の移動に伴う光量変動を小さくするこ
とができる。従って、Ｓ／Ｎ比の高い変位信号を検出す
ることができ、結果、高精度また確実な合焦制御を行う
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の一実施例に係る焦点検出装
置の構成を示す図、（ｂ）は、被測定表面にレーザービ
ームが集光された状態を示す図。

【図２】本発明の第１の変形例に係る焦点検出装置の構
成を示す図。

【図３】本発明の第２の変形例に係る焦点検出装置の構
成を示す図。

【図４】図２に示されたレーザー出射手段の変形例を示
す図。

【図５】図３に示されたレーザー出射手段の変形例を示
す図。

【図６】従来の装置で被測定表面にレーザービームを集
光させた状態を示す図であって、（ａ）は、微細構造あ
るいは粗雑な被測定表面にレーザービームを集光させた
状態を示す図、（ｂ）は、被測定表面の粗さにより反射
光強度分布に強い明暗が生じることを示す図。

【図７】（ａ）は、被測定表面がミラー面の場合と加工
面の場合、従来の装置で出力される電圧変化を示す図、
（ｂ）は、加工面に係る変位信号特性を示す図、（ｃ）
は、ミラー面に係る変位信号特性を示す図。

【図８】従来の焦点検出装置の構成を示す図。

【図９】図８に示す装置に適用された第１及び第２の受
光素子から出力された信号特性を示す図。

【図１０】図９に示す装置に適用された処理系から出力
された変位信号特性を示す図。

【符号の説明】

２７…レーザー出射手段、３７…被検体、３９…被測定
表面、４１…ビームスプリッタ、４３…第１の絞り、４
５…第１の受光素子、４７…第２の絞り、４９…第２の
受光素子、５１…信号処理系、Ｓ，Ｐ…結像位置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焦点検出系に配置された被検体の被測定
   表面上の照射面積が所定の大きさを有するように、照明
   光を出射する光出射手段と、 前記被測定表面から反射した反射光を２方向に振り分け
   て夫々結像させる結像光学系と、 この結像光学系によって結像された結像位置に対して前
   側及び後側に夫々配置された第１及び第２の絞り手段
   と、 これら第１及び第２の絞り手段を介して導光される反射
   光を受光して、受光量に対応した信号を出力する第１及
   び第２の受光素子と、 これら第１及び第２の受光素子から出力された前記信号
   に対して所定の演算を施して、前記被測定表面の変位に
   対する変位信号を出力する信号処理系と、を備えている
   ことを特徴とする焦点検出装置。