JPH06100711B2 - Automatic focusing device - Google Patents

Automatic focusing device

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JPH06100711B2
JPH06100711B2 JP10926586A JP10926586A JPH06100711B2 JP H06100711 B2 JPH06100711 B2 JP H06100711B2 JP 10926586 A JP10926586 A JP 10926586A JP 10926586 A JP10926586 A JP 10926586A JP H06100711 B2 JPH06100711 B2 JP H06100711B2
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circuit
light
sample
automatic focusing
lens
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則行 宮原
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自動合焦装置に関する。The present invention relates to an automatic focusing device.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年の半導体産業の進展に伴い、ウエハ等の検査のため
に応答性がよく、精度の高い合焦装置を備えた検査装置
の需要が高まってきている。例えば、特開昭58−217909
号公報に記載の光投射型自動合焦装置では、第6図に示
した如く、対物レンズ2の瞳の片側の半断面を通して赤
外レーザ光を試料に照射し、試料面1にレーザ光スポッ
ト像3を形成し、対物レンズ2の瞳の反対側の半断面を
通して試料面1からの反射レーザ光を差動ダイオード
D1,D2から成る受光素子で検出している。受光素子面上
に形成されるスポット像3は、試料面1の光軸方向の変
位に応じて受光素子面上を第7図で示した矢印のように
移動し、この移動を差動ダイオードD1,D2が受ける光量
差から検出している。尚、Mは測定光線路、Mbは測定光
線束、Mrは返送された測定光線束、4はスリット絞りで
ある。ところで、試料面1に形成されるスポット像3の
大きさは、対物レンズ2の倍率によっても異なるが、通
常数μmから数十μmの直径を有する。こうした有限の
大きさを持ったスポット像3が試料の微小な凹凸や段差
部(第8図(c)),傾斜部(第9図(c))等の端に
丁度来た時には、第8図(b)及び第9図(b)に示し
たように、スポット像3は試料面の形状により一部変形
した状態で受光素子上に結像される。この時の受光素子
上の光量分布は夫々第8図(a)及び第9図(a)のよ
うになる。尚、(c)図と(b)図の空間的対応関係
は、試料面1と差動ダイオードD1,D2間に光学系が挿入
されているため、実際にはこの逆になるが、わかり易く
するために、第8図及び第9図では見かけ上スポット像
((b)図)と試料面((c)図)を対応させて描いて
ある。(b)図において差動ダイオードD1,D2間のギャ
ップ5の幅が、図中一点鎖線で示したように合焦状態で
のスポット像3の直径と概略同じに設定されていた(第
7図)とすると、(a)図における差動ダイオードD2
の光は該ダイオードD2には検知されず、差動ダイオード
D1側のボケ像による光のみが該ダイオードD1により検出
される。この状態は、実際には試料面1の高面側には合
焦しているにも拘らず、差動ダイオードD1,D2の信号を
検知する限りにおいては、試料面1が合焦平面よりもず
っと下に位置しているように認知されるから、図示しな
い制御系は試料面1の低面側を合焦平面上へ移動させる
べく動作する。ところが、(特に第8図の場合は明確に
わかると思うが)低面側が合焦された状態では、差動ダ
イオードD1,D2とボケ像との相対位置関係が上記状態と
入れ替わっただけでそれ以外は同じ状態となるため、今
度は試料面1の高面側へ再び合焦しようとする。こうし
て、試料面1の段差部の境界ではサーボ系は発振状態と
なり、合焦動作が不可能となる。こうした試料面1に於
ける段差状部分は、生ウエハ等の平坦な鏡面状試料の場
合には外周部の端部にのみしか存在しないが、パターン
の形成されたウエハや一般の金属標本等では断続的にこ
うした段差部を観察することになり、実用上非常に問題
となる。これを防ぐために、段差部での反射光量の単な
る減少を検知して合焦動作を一時停止する方法が可能で
あるが、合焦動作の引き込み可能範囲が狹くなる欠点が
あり、結果として対象となる試料の適用範囲が狹くなっ
てしまう。又、この方法を採っても、反射率の高い段差
部の場合には反射光量がさほど減少しないことがあり、
その結果段差部が検知されなかったりして動作が不正確
になってしまい、根本的な解決とはならない。
With the recent development of the semiconductor industry, there is an increasing demand for an inspection device equipped with a highly accurate focusing device for inspecting a wafer or the like. For example, JP-A-58-217909
In the light projection type automatic focusing device described in Japanese Patent Publication No. JP-A-2004-115, as shown in FIG. 6, the sample is irradiated with infrared laser light through a half cross section on one side of the pupil of the objective lens 2, and the laser light spot is spotted on the sample surface 1. The image 3 is formed, and the reflected laser light from the sample surface 1 is passed through the half section of the objective lens 2 on the opposite side of the pupil to the differential diode.
Detection is performed by the light receiving element consisting of D 1 and D 2 . The spot image 3 formed on the light receiving element surface moves on the light receiving element surface as shown by the arrow in FIG. 7 according to the displacement of the sample surface 1 in the optical axis direction. It is detected from the difference in the amount of light received by 1 and D 2 . In addition, M is a measuring light beam path, Mb is a measuring light beam bundle, Mr is a returned measuring light beam bundle, and 4 is a slit diaphragm. By the way, the size of the spot image 3 formed on the sample surface 1 usually has a diameter of several μm to several tens μm, although it varies depending on the magnification of the objective lens 2. When the spot image 3 having such a finite size has just come to the end of the minute unevenness of the sample, the step portion (FIG. 8 (c)), the inclined portion (FIG. 9 (c)), etc. As shown in FIGS. 9B and 9B, the spot image 3 is formed on the light receiving element in a state of being partially deformed by the shape of the sample surface. The light amount distributions on the light receiving element at this time are as shown in FIGS. 8 (a) and 9 (a), respectively. Incidentally, the spatial correspondence between the diagrams (c) and (b) is actually the opposite because the optical system is inserted between the sample surface 1 and the differential diodes D 1 and D 2 . For easy understanding, in FIGS. 8 and 9, the apparent spot image (FIG. (B)) and the sample surface (FIG. (C)) are drawn in correspondence with each other. In the figure (b), the width of the gap 5 between the differential diodes D 1 and D 2 is set to be substantially the same as the diameter of the spot image 3 in the focused state as shown by the alternate long and short dash line in the figure ( When Figure 7), the light of the differential diode D 2 side in (a) view is not detected in the diode D 2, a differential diode
Only the light due to the blurred image on the D 1 side is detected by the diode D 1 . Although this state is actually focused on the high side of the sample surface 1, as long as the signals of the differential diodes D 1 and D 2 are detected, the sample surface 1 is a focused plane. Since it is recognized that the lower surface side of the sample surface 1 is moved to the focusing plane, the control system (not shown) is recognized as being positioned far below. However (as you can see clearly in the case of FIG. 8 in particular), when the lower surface side is in focus, the relative positional relationship between the differential diodes D 1 and D 2 and the blurred image is simply changed from the above state. Since the other conditions are the same, the focus is again on the high side of the sample surface 1. In this way, the servo system is oscillated at the boundary of the stepped portion of the sample surface 1 and the focusing operation becomes impossible. In the case of a flat mirror-like sample such as a raw wafer, such a step-like portion on the sample surface 1 exists only at the end portion of the outer peripheral portion, but in a wafer on which a pattern is formed or a general metal sample, etc. Such stepped portions are intermittently observed, which is a very problematic problem in practical use. In order to prevent this, it is possible to temporarily stop the focusing operation by detecting a mere decrease in the amount of reflected light at the step, but there is a drawback that the retractable range of the focusing operation becomes narrow, and as a result, the target The application range of the sample becomes narrow. Even if this method is adopted, the amount of reflected light may not be so much reduced in the case of a step portion having a high reflectance,
As a result, the step is not detected and the operation becomes inaccurate, which is not a fundamental solution.

又、受光素子として、特開昭58−7112号公報や特開昭60
−42725号公報に記載されているような半導体位置検出
素子(PSD)を採用したとしても、サーボ系の発振は防
げるかもしれないが、段差部での合焦精度の低下は免れ
得ず、微小段差が連続して存在するような試料では大き
な問題となる。
Further, as a light receiving element, Japanese Patent Laid-Open Nos. 58-7112 and 60
Even if a semiconductor position detection element (PSD) such as that described in −42725 publication is adopted, oscillation of the servo system may be prevented, but a decrease in focusing accuracy at the stepped portion is unavoidable, and This is a serious problem for a sample having continuous steps.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

本発明は、上記問題点に鑑み、多数の段差部を有する試
料に対しても高精度な合焦が可能であると共に、広い合
焦動作引き込み可能範囲も確保し得る自動合焦装置を提
供することを目的とする。
In view of the above problems, the present invention provides an automatic focusing device capable of performing highly accurate focusing even on a sample having a large number of step portions and ensuring a wide range in which a focusing operation can be drawn. The purpose is to

〔問題点を解決するための手段及び作用〕[Means and Actions for Solving Problems]

試料面に測定用光束を投射し、その反射光を検出して自
動的に合焦動作を行う自動合焦装置において、試料面の
段差部の高面と低面における上記測定用光束の結像状態
の違いから段差部であることを検出し、該段差部におけ
る自動合焦動作を一時停止するようにして、自動合焦動
作時の段差部による不都合な影響を除去するようにした
ものである。
In an automatic focusing device that projects a measurement light beam on the sample surface and detects the reflected light to automatically perform the focusing operation, the measurement light beam is imaged on the high and low surfaces of the step portion of the sample surface. The stepped portion is detected from the difference in the states, and the automatic focusing operation at the stepped portion is temporarily stopped to eliminate the adverse effect of the stepped portion during the automatic focusing operation. .

〔実施例〕〔Example〕

以下、図示した一実施例に基づき本発明を詳細に説明す
れば、第1図は一実施例の光学系を示しており、この合
焦の基本原理は特開昭60−42725号公報に記載の焦点検
出装置と同じである。11は対物レンズ、12は鏡筒レン
ズ、13はダイクロイックミラー、14は縮小レンズ、15は
赤外光スポット投射用レンズ、16はビームスプリッタ、
17は検出用レンズ、18はPSD(受光素子)、19はプリズ
ム、20,21は微小レンズ、22,23はレーザーダイオード等
の赤外光発光素子であって、これらが、焦点検出光学系
を構成している。発光素子22及び23から交互に発光され
る赤外光は、微小レンズ20,21を通り、プリズム19で反
射され、ビームスプリッタ16を通り投射レンズ15により
像面A上に投射される。更に、縮小レンズ14,ダイクロ
イックミラー13,鏡筒レンズ12,対物レンズ11を通り試料
B上に投射される。試料Bで反射された赤外光は再び対
物レンズ11,鏡筒レンズ12,ダイクロイックミラー13,縮
小レンズ14,投射レンズ15を通り、ビームスプリッタ16
で反射されて検出レンズ17によりPSD18上にスポットを
生じる。そして、非合焦の場合はPSD18上の発光素子22
及び23のスポット像は夫々異なった位置に形成されるた
め発光素子22及び23の点滅によってスポット像が交互に
移動し、合焦時の場合は受光素子22及び23のスポット像
が両者とも同じ位置に形成されるため両者の点滅によっ
てもスポット像の移動が生じず、その結果スポット像の
移動が生じないように試料面Bを移動することにより合
焦操作を行うようになっている。又、点滅に伴うスポッ
ト像の相対的位置関係及び移動量から前ピン,後ピンの
判定及びデフォーカス量の測定が可能となっている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiment. FIG. 1 shows an optical system according to the embodiment, and the basic principle of focusing is described in JP-A-60-42725. It is the same as the focus detection device. 11 is an objective lens, 12 is a lens barrel lens, 13 is a dichroic mirror, 14 is a reduction lens, 15 is an infrared light spot projection lens, 16 is a beam splitter,
Reference numeral 17 is a detection lens, 18 is a PSD (light receiving element), 19 is a prism, 20 and 21 are microlenses, and 22 and 23 are infrared light emitting elements such as laser diodes. These are focus detection optical systems. I am configuring. The infrared light emitted alternately from the light emitting elements 22 and 23 passes through the minute lenses 20 and 21, is reflected by the prism 19, passes through the beam splitter 16, and is projected onto the image plane A by the projection lens 15. Further, it is projected onto the sample B through the reduction lens 14, the dichroic mirror 13, the lens barrel lens 12, and the objective lens 11. The infrared light reflected by the sample B passes through the objective lens 11, the lens barrel lens 12, the dichroic mirror 13, the reduction lens 14 and the projection lens 15 again, and the beam splitter 16
Is reflected by the detection lens 17 to form a spot on the PSD 18. Then, when out of focus, the light emitting element 22 on the PSD 18
Since the spot images of 23 and 23 are formed at different positions, the spot images of the light-emitting elements 22 and 23 are alternately moved by blinking, and when focused, the spot images of the light-receiving elements 22 and 23 are both at the same position. The spot image does not move even when both of them blink, and the focusing operation is performed by moving the sample surface B so that the spot image does not move as a result. Further, it is possible to determine the front focus and the rear focus and measure the defocus amount from the relative positional relationship and the movement amount of the spot image accompanying the blinking.

24はハーフミラー面を有するプリズム、25は赤外光カッ
トフィルター、26は接眼レンズ、27はフィルム面であっ
て、これらが対物レンズ11,鏡筒レンズ12と共に観察・
撮影光学系を構成している。28はハーフミラー、29はコ
ンデンサーレンズ、30は照明光源であって、これらが対
物レンズ11,鏡筒レンズ12と共に照明光学系を構成して
いる。
24 is a prism having a half mirror surface, 25 is an infrared light cut filter, 26 is an eyepiece lens, 27 is a film surface, and these are observed together with the objective lens 11 and the lens barrel lens 12.
It constitutes the photographic optical system. 28 is a half mirror, 29 is a condenser lens, and 30 is an illumination light source, and these constitute an illumination optical system together with the objective lens 11 and the lens barrel lens 12.

31はラック32を有していて光軸方向(上下方向)に移動
可能なステージ、33は回転軸にラック32と噛合するピニ
オン34が固着されていてステージ31を駆動するモータで
ある。
Reference numeral 31 is a stage having a rack 32 and movable in the optical axis direction (vertical direction), and 33 is a motor for driving a stage 31 having a pinion 34 meshing with the rack 32 fixed to a rotating shaft.

上記自動合焦光学系では、対物レンズ11又は鏡筒レンズ
12によって形成される像面Aと対物レンズ11又は鏡筒レ
ンズ12との間に縮小レンズ14を配置しているので、対物
レンズ11を一般的に色収差の異なる他の対物レンズに交
換しても、赤外像の像面Aからズレ量は極めて小さなも
のにすることができる。従って、更に残された赤外光像
のズレは、特願昭60−271133号に記した如き焦点検出回
路に含まれる補正回路によって充分に補正でき、対物レ
ンズ11の交換に際しても完全に合焦状態を保つことが可
能となる。
In the automatic focusing optical system, the objective lens 11 or the lens barrel lens
Since the reduction lens 14 is arranged between the image plane A formed by 12 and the objective lens 11 or the lens barrel lens 12, even if the objective lens 11 is replaced with another objective lens which generally has different chromatic aberration. The amount of deviation from the image plane A of the infrared image can be made extremely small. Therefore, the residual deviation of the infrared light image can be sufficiently corrected by the correction circuit included in the focus detection circuit as described in Japanese Patent Application No. 60-271133, and the objective lens 11 can be completely focused even when it is replaced. It is possible to maintain the state.

第2図は上記実施例の自動合焦回路を示しており、35,3
6は電流‐電圧変換回路、37は加算器、38は割算器、39
はサンプルホールド回路、40はバンドパスフィルタ、41
は同期整流回路、42はローパスフィルタ、43はサーボア
ンプ、44はパワーアンプ、45はタコジェネレータ,ロー
タリー・エンコーダ等のモータ33に連動した回転検出
系、46は回転検出系45の信号変換回路、47はスイッチ回
路、48,49はサンプルホールド回路、50は加算回路、51,
55はレベル弁別器、52はロジック回路、53,56は基準電
圧設定回路、54は対物レンズ倍率検出回路である。
FIG. 2 shows the automatic focusing circuit of the above-mentioned embodiment.
6 is a current-voltage conversion circuit, 37 is an adder, 38 is a divider, 39
Is a sample hold circuit, 40 is a bandpass filter, 41
Is a synchronous rectification circuit, 42 is a low-pass filter, 43 is a servo amplifier, 44 is a power amplifier, 45 is a rotation detection system linked to the motor 33 such as a tachogenerator and a rotary encoder, 46 is a signal conversion circuit of the rotation detection system 45, 47 is a switch circuit, 48 and 49 are sample and hold circuits, 50 is an adder circuit, 51 and
55 is a level discriminator, 52 is a logic circuit, 53 and 56 are reference voltage setting circuits, and 54 is an objective lens magnification detection circuit.

電流‐電圧変換回路35,36と加算器37と割算器38とで構
成される回路部分は、発光素子22及び23が交互に発光す
ることによりPSD18上に形成される赤外スポット像の位
置を検出する例えば特開昭60−42725号公報に記載され
た信号処理回路と同一である。この回路部分の出力を発
光素子22及び23の発光タイミングに合せてサンプルホー
ルド回路39によりサンプルホールドした出力信号は非合
焦時には第3図(a)の如くになる。この時の振幅が合
焦からのズレに相当する。この出力信号をバンドパスフ
ィルタ40,同期整流回路41で処理した信号は、夫々第3
図(b),(c)の如くになり、更にこれをローパスフ
ィルタ42にかければ第3図(d)の如き直流信号が得ら
れる。第3図(d)中FEで示した直流成分がデフォーカ
ス量に相当し、合焦時にはFE=0となってGNDレベルと
一致し、又上記と逆方向に非合焦が発生した時には第3
図(d)中FE′で示した如くマイナスの直流信号が発生
する。この信号をもとにサーボアンプ43,パワーアンプ4
4によりモータ33を駆動してステージ31を駆動すること
によりデフォーカス量FEを0に収束させるべくして合焦
動作を行う。この時、モータ33の回転状態を回転検出系
45にて検出し、信号変換回路46にて信号変換し、サーボ
アンプ43へフィードバックさせることでサーボ系にダン
ピング作用を持たせ、合焦精度,安定性を向上させるこ
とは通常良く行われることである。
The circuit portion composed of the current-voltage conversion circuits 35 and 36, the adder 37, and the divider 38 is the position of the infrared spot image formed on the PSD 18 when the light emitting elements 22 and 23 emit light alternately. The signal processing circuit is the same as the signal processing circuit disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-42725. The output signal of which the output of this circuit portion is sampled and held by the sample and hold circuit 39 in accordance with the light emission timings of the light emitting elements 22 and 23 is as shown in FIG. The amplitude at this time corresponds to the deviation from the focus. The signal obtained by processing the output signal by the bandpass filter 40 and the synchronous rectification circuit 41 is the third signal, respectively.
As shown in FIGS. 3B and 3C, and by applying this to the low-pass filter 42, a DC signal as shown in FIG. 3D is obtained. The direct current component indicated by FE in FIG. 3 (d) corresponds to the defocus amount, FE = 0 at the time of focusing, matching the GND level, and when defocusing occurs in the opposite direction to the above, Three
A negative DC signal is generated as indicated by FE 'in FIG. Servo amplifier 43, power amplifier 4 based on this signal
The motor 33 is driven by 4 and the stage 31 is driven to focus the defocus amount FE to 0. At this time, the rotation state of the motor 33 is changed to the rotation detection system.
It is common to detect the signal at 45, convert the signal at the signal conversion circuit 46, and feed it back to the servo amplifier 43 to give the servo system a damping effect to improve the focusing accuracy and stability. is there.

かくして合焦動作が行なわれ、PSD18上の発光素子22,23
による赤外スポット像は第4図(a)の如く、1点に収
束し、そのときのサンプルホールド回路39の出力は第5
図(a)に示した如くGNDレベルと一致する。以上は、
発光素子22,23と受光素子18及び像面A,試料面Bが完全
に共役な位置関係に配置されている場合であるが、これ
らの位置関係を、例えば投影レンズ15を若干移動して配
設するなどして、微小量だけずらしてやると、合焦状態
において、第4図(b)のように、発光素子22,23の赤
外スポット像は、各々異なる位置に結像するようにな
り、この時のサンプルホールド回路39の出力として第5
図(b)の如き信号出力を得る。尚、第4図では、点滅
により交互に結像する赤外スポット像を斜線の方向を変
えて、一緒に描いてあるが、実際には、ある瞬間には何
れか一方のみが結像しているのは云うまでもない。ここ
で、試料面Bが通常の平面である場合には、PSD18上の
赤外スポット像の対称性に対応して、第5図(b)に示
した如く各々の赤外スポットに関するデフォーカス量Δ
F1,ΔF2は等しい大きさになる。ところが、試料面Bに
段差部があり、そこへスポットが当たると、PSD18上に
結像される赤外スポット像は従来技術の場合と同様第4
図(c)の如く、一方即ち合焦平面と一致する方が点像
で他方即ち合焦平面からずれた方はボケ像となり、それ
に対応してサンプルホールド回路39の出力信号も、第5
図(c)に示した如くGNDレベルに対して非対称即ち|
ΔF3|≠|ΔF4|である出力信号となって現われる。この
(c)図の信号をサンプルホールド回路48,49によって
発光素子22,23の点灯タイミングで各々サンプルホール
ドすると、第5図(d)のように、直流成分ΔF3,ΔF4
をもったDCレベル信号に各々変換される。これらを加算
回路50で加算すると、ΔF3,ΔF4は通常異符号同志にな
るので、現実的には両者の信号の差に相当するDCレベル
信号|ΔF3|−|ΔF4|が出力される。これを第5図
(e)に示した。この出力はレベル弁別器51において基
準電圧設定回路53により設定された上限閾値(UTP)及
び下限閾値(LTP)と比較され、両者の範囲内におさま
っているか否かを示す出力をロジック回路52へ出力す
る。ロジック回路52は、その結果に応じてスイッチ回路
47をON・OFFし、必要に応じて焦準部駆動モータ33を停
止させるべく動作する。尚、基準電圧設定回路53は、例
えば倍率検出回路54の出力に応じて対物レンズ倍率に対
応した基準電圧を発生するように構成されている。又、
加算器37の出力はPSD18の総受光量即ち試料面Bの反射
率に対応する信号であるが、この信号は基準電圧設定回
路56で閾値を設定されたレベル弁別器55に入力され、信
号レベルが閾値以上か否かが判別される。その結果に応
じてロジック回路52は、モータ33をスイッチ回路47を介
してON・OFFする。基準電圧設定回路56も基準電圧設定
回路53と同様に、対物レンズ倍率に応じた基準電圧を発
生するべく対物レンズ倍率検出回路54の出力が入力され
ている。
Thus, the focusing operation is performed, and the light emitting elements 22 and 23 on the PSD 18 are
As shown in FIG. 4 (a), the infrared spot image due to is converged to one point, and the output of the sample hold circuit 39 at that time is the fifth point.
It matches the GND level as shown in FIG. The above is
This is a case where the light emitting elements 22 and 23, the light receiving element 18, the image plane A, and the sample plane B are arranged in a completely conjugate positional relationship. The positional relationship is arranged by, for example, slightly moving the projection lens 15. If they are displaced by a very small amount, such as by installing them, the infrared spot images of the light emitting elements 22 and 23 will be imaged at different positions in the focused state, as shown in FIG. 4 (b). , The fifth as the output of the sample hold circuit 39 at this time
A signal output as shown in FIG. In FIG. 4, the infrared spot images that are alternately formed by blinking are drawn together by changing the direction of the diagonal lines, but in reality, only one of them forms an image at a certain moment. It goes without saying that there is. Here, when the sample surface B is a normal plane, the defocus amount for each infrared spot is shown as shown in FIG. 5 (b) corresponding to the symmetry of the infrared spot image on the PSD 18. Δ
F1 and ΔF2 have the same size. However, when there is a step on the sample surface B and the spot hits it, the infrared spot image formed on the PSD 18 is the same as in the case of the prior art.
As shown in FIG. 7C, one, that is, the one that coincides with the in-focus plane is a point image, and the other, that is, the one that deviates from the in-focus plane is a blurred image. Correspondingly, the output signal of the sample hold circuit 39 is also the fifth image.
As shown in Figure (c), it is asymmetrical with respect to GND level.
Appears as an output signal with ΔF3 | ≠ | ΔF4 |. When the signals in FIG. 7C are sampled and held by the sample and hold circuits 48 and 49 at the lighting timings of the light emitting elements 22 and 23, DC components ΔF3 and ΔF4 are obtained as shown in FIG. 5D.
Are converted into DC level signals each having a. When these are added by the adder circuit 50, since ΔF3 and ΔF4 usually have different signs, the DC level signal | ΔF3 | − | ΔF4 | corresponding to the difference between the two signals is actually output. This is shown in FIG. 5 (e). This output is compared with the upper limit threshold (UTP) and the lower limit threshold (LTP) set by the reference voltage setting circuit 53 in the level discriminator 51, and the output indicating whether or not it is within the range of both is output to the logic circuit 52. Output. The logic circuit 52 is a switch circuit according to the result.
47 is turned on and off, and the focusing section drive motor 33 is operated to stop as required. The reference voltage setting circuit 53 is configured to generate a reference voltage corresponding to the objective lens magnification in accordance with the output of the magnification detection circuit 54, for example. or,
The output of the adder 37 is a signal corresponding to the total amount of received light of the PSD 18, that is, the reflectance of the sample surface B. This signal is input to the level discriminator 55 whose threshold is set by the reference voltage setting circuit 56, and the signal level is Is determined to be equal to or greater than a threshold value. According to the result, the logic circuit 52 turns on / off the motor 33 via the switch circuit 47. Similarly to the reference voltage setting circuit 53, the reference voltage setting circuit 56 also receives the output of the objective lens magnification detection circuit 54 to generate a reference voltage according to the objective lens magnification.

本発明による自動合焦装置は以上のように構成されてい
るから、赤外スポットが試料面Bの段差部に当たった時
には、通常の平面の時には殆ど零になる加算回路50の出
力|ΔF3|−|ΔF4|のDCレベル信号が第5図(e)のよ
うに零以外の値をとるようになる、段差量が大きくな
り、基準電圧設定回路53で決められる基準値を越える即
ち|ΔF3|−|ΔF4|のレベルがUTPLTP間からはみ出す
と、ロジック回路52によりモータ33は停止され自動合焦
動作が一時停止される。赤外スポット段差部以外の所へ
来ると、|ΔF3|−|ΔF4|のレベルは殆ど零に戻るか
ら、再びモータ33が駆動され、自動合焦動作が再開され
る。
Since the automatic focusing device according to the present invention is constructed as described above, when the infrared spot hits the stepped portion of the sample surface B, the output | ΔF3 | The DC level signal of − | ΔF4 | becomes a value other than zero as shown in FIG. 5 (e), the step difference becomes large and exceeds the reference value determined by the reference voltage setting circuit 53, that is, | ΔF3 | When the level of − | ΔF4 | exceeds the range between UTPLTP, the motor 33 is stopped by the logic circuit 52 and the automatic focusing operation is temporarily stopped. When the position other than the infrared spot step portion is reached, the level of | ΔF3 | − | ΔF4 | returns to almost zero, so the motor 33 is driven again and the automatic focusing operation is restarted.

又、同時にレベル弁別器55において、加算器37の出力か
ら試料面Bの反射率が基準値以上か否か判別し、反射率
が低い時にはロジック回路52はモータ33を停止させ、自
動合焦動作を一時停止させるべく動作する。尚、本発明
装置では、二つの赤外スポットが微小量ずれて試料面B
上に位置するので、図では特に明確には描いてないが、
各々のスポットについての反射率を夫々検知して、両者
共に基準値以上である場合にのみ自動合焦動作が可能に
なるように回路を構成し、一方のスポットが試料面Bか
らはずれたり、反射率の低いゴミ等にかかった場合に自
動合焦動作が一時停止するようにしておく必要がある。
At the same time, in the level discriminator 55, it is judged from the output of the adder 37 whether the reflectance of the sample surface B is the reference value or more. When the reflectance is low, the logic circuit 52 stops the motor 33 and the automatic focusing operation is performed. To pause. In the apparatus of the present invention, the two infrared spots are deviated by a minute amount and
Since it is located above, it is not drawn clearly in the figure,
The circuit is configured to detect the reflectance of each spot and enable the automatic focusing operation only when both are above the reference value. It is necessary to suspend the automatic focusing operation when dust with a low rate is encountered.

本発明装置は上述の如く作用し、試料面B上の段差部に
赤外スポットが当たっても、自動合焦動作が一時停止す
るだけで直前の合焦位置を保ち、赤外スポットが段差部
からはずれると再び自動合焦動作を再開するので、段差
部の多数存在する試料を観察する場合でも従来のような
サーボ系の発振,誤動作等の心配がなく、高精度な合焦
が可能である。又、反射光量の減少によって段差部を検
知しているわけではないので、反射率の高い段差に対応
するために自動合焦の引き込み可能範囲を狹くする必要
がなく、広い引き込み可能範囲を確保できるという大き
な利点がある。
The apparatus of the present invention operates as described above, and even if the infrared spot hits the stepped portion on the sample surface B, the focus position immediately before is maintained only by temporarily stopping the automatic focusing operation, and the infrared spot is the stepped portion. Since the automatic focusing operation is resumed again when it is out of the range, high-precision focusing is possible even when observing a sample with a large number of stepped portions without worrying about the oscillation and malfunction of the servo system as in the past. . Also, since the stepped portion is not detected due to the decrease in the amount of reflected light, it is not necessary to narrow the retractable range of automatic focusing to cope with the step with high reflectance, and secure a wide retractable range. There is a big advantage of being able to do it.

尚、上記実施例では、投射光束を二つにしているが、三
つ以上にしても基本的構成は変わらない。
Although the number of projected light beams is two in the above embodiment, the basic configuration does not change even if the number of light beams is three or more.

また、複数の測定用光束を合成する手段として三角柱プ
リズムを用いたが三角柱ミラー等の他の手段を用いるこ
ともできる。
Further, although the triangular prism is used as the means for synthesizing a plurality of measuring light beams, other means such as a triangular mirror can be used.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

上述の如く、本発明による自動合焦装置は、多数の段差
部を有する試料に対しても高精度な合焦が可能であると
共に、広い合焦動作引き込み可能範囲も確保し得、従っ
て多様な試料を対象にし得るという実用上重要な利点を
有している。
As described above, the automatic focusing device according to the present invention is capable of performing highly accurate focusing even on a sample having a large number of step portions, and can secure a wide range in which the focusing operation can be pulled in. It has an important practical advantage of being able to target a sample.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明による自動合焦装置の一実施例の光学系
を示す図、第2図は上記実施例の自動合焦回路を示す
図、第3図は上記自動合焦回路のサンプルホールド回路
39からローパスフィルター43までの信号波形の変化を示
す図、第4図は上記実施例のPSD18上の赤外スポット像
を示す図、第5図は上記自動合焦回路のローパスフィル
ター43から加算回路50までの信号波形の変化を示す図、
第6図は従来例の光学系を示す図、第7図は上記従来例
の受光素子上のスポット像を示す図、第8図及び第9図
は夫々上記従来例において試料面の段差部及び傾斜部に
対応した時の受光素子上の光量分布,スポット像の結像
状態,試料断面を示す図である。 11……対物レンズ、12……鏡筒レンズ、13……ダイクロ
イックミラー、14……縮小レンズ、15……赤外光スポッ
ト投射用レンズ、16……ビームスプリッタ、17……検出
用レンズ、18……PSD、19……プリズム、20,21……縮小
レンズ、22,23……赤外光発光素子、24……プリズム、2
5……赤外光カットフィルター、26……接眼レンズ、27
……フィルム面、28……ハーフミラー、29……コリメー
ターレンズ、30……照明光源、31……ステージ、32……
ラック、33……モータ、34……ピニオン、35、36……電
流‐電圧変換回路、37……加算器、38……割算器、39…
…サンプルホールド回路、40……バンドパスフィルタ
ー、41……同期整流回路、42……ローパスフィルター、
43……サーボアンプ、44……パワーアンプ、45……回転
検出系、46……信号変換回路、47……スイッチ回路、4
8,49……サンプルホールド回路、50……加算回路、51,5
5……レベル弁別器、52……ロジック回路、53,56……基
準電圧設定回路、54……対物レンズ倍率検出回路。
FIG. 1 is a diagram showing an optical system of an embodiment of an automatic focusing device according to the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an automatic focusing circuit of the above embodiment, and FIG. 3 is a sample hold of the automatic focusing circuit. circuit
FIG. 4 is a diagram showing changes in the signal waveform from 39 to the low pass filter 43, FIG. 4 is a diagram showing an infrared spot image on the PSD 18 of the above embodiment, and FIG. 5 is a diagram showing the low pass filter 43 to the adder circuit of the automatic focusing circuit. Diagram showing changes in signal waveform up to 50,
FIG. 6 is a diagram showing an optical system of a conventional example, FIG. 7 is a diagram showing a spot image on a light receiving element of the conventional example, and FIGS. 8 and 9 are stepped portions of a sample surface in the conventional example, respectively. It is a figure which shows the light amount distribution on a light-receiving element at the time of respond | corresponding to an inclined part, the imaging state of a spot image, and a sample cross section. 11 …… Objective lens, 12 …… Body lens, 13 …… Dichroic mirror, 14 …… Reduction lens, 15 …… Infrared light spot projection lens, 16 …… Beam splitter, 17 …… Detection lens, 18 …… PSD, 19 …… Prism, 20,21 …… Reduction lens, 22,23 …… Infrared light emitting element, 24 …… Prism, 2
5 …… Infrared ray cut filter, 26 …… Eyepiece, 27
…… Film surface, 28 …… Half mirror, 29 …… Collimator lens, 30 …… Illumination light source, 31 …… Stage, 32 ……
Rack, 33 ... Motor, 34 ... Pinion, 35, 36 ... Current-voltage conversion circuit, 37 ... Adder, 38 ... Divider, 39 ...
… Sample hold circuit, 40 …… Band pass filter, 41 …… Synchronous rectification circuit, 42 …… Low pass filter,
43 …… Servo amplifier, 44 …… Power amplifier, 45 …… Rotation detection system, 46 …… Signal conversion circuit, 47 …… Switch circuit, 4
8,49 …… Sample and hold circuit, 50 …… Adding circuit, 51,5
5: Level discriminator, 52: Logic circuit, 53, 56: Reference voltage setting circuit, 54: Objective lens magnification detection circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】試料面に測定用光束を投射し、その反射光
を検出して自動的に合焦動作を行う自動合焦装置におい
て、上記測定光束を複数有し、試料面の段差部の高面と
底面における上記各測定用光束の結像状態の違いから段
差部であることを検出し、該段差部における自動合焦動
作を一時停止するようにしたことを特徴とする自動合焦
装置。
1. An automatic focusing device for projecting a measuring light beam on a sample surface and detecting the reflected light beam to automatically perform a focusing operation, wherein a plurality of measuring light beams are provided and a step portion of a sample surface is provided. An automatic focusing device, characterized in that it is detected as a step portion from the difference in the image formation state of each of the measuring light beams on the high surface and the bottom surface, and the automatic focusing operation at the step portion is temporarily stopped. .
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