JPH0794984B2

JPH0794984B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH0794984B2
Application number: JP1166463A
Authority: JP
Inventors: 徳次芝原; 成章藤原
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1989-06-28
Filing date: 1989-06-28
Publication date: 1995-10-11
Anticipated expiration: 2010-10-11
Also published as: JPH0331714A

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、あるいは光ディスク装置におい
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、以下に簡単に
説明する。

光源21から照射された光束はハーフミラー22で反射され
レンズ23、24を介して光ディスク25上にスポットを形成
する。スポットの反射光束はレンズ24、23およびハーフ
ミラー22を通過し、ハーフミラー22と二分割センサD₁、
D₂との間の位置で結像した後、二分割センサD₁、D₂に入
射する。

合焦時の反射光束の結像点P₁₀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エッ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なく、各分割セン
サD₁、D₂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P₁₀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P₁₁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D₁への入射光量が減少するため、光ディス
ク25がレンズ24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P₁₂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御する。

次に、特開昭58−60433号公報に紹介されている合焦検
出機構を第２の従来例として第21図に示し、以下に簡単
に説明する。

光源31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を介して光ディスク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32からの光束の収束位
置P₁₀₀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D₅、D₆に等量ずつ入射し、かつ第２の二
分割センサD₇、D₈に等量ずつ入射すると説明されてい
る。また、光ディスク34がレンズ33から離間すると、第
１の一方のセンサD₅と第２の一方のセンサD₈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D₆と第２の他方のセンサD₇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D₁、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プパター
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D₁、D₂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D₅とD₆
との、およびD₇とD₈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響を受けない位置検
出装置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、基準とする基準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
プル面を照射し、かつ、前記対物レンズの光軸を通過す
る光束を発する第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し、かつ、前記対物レンズの光軸
を通過する光束を発する第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、
前記第１光源からサンプル面へ照射する光束の一部を遮
光する第１遮光板、（Ｄ）前記第１遮光板で遮光されずにサンプル面に照射
され、サンプル面で反射された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、
前記第２光源からサンプル面へ照射する光束の一部を遮
光する第２遮光板、（Ｆ）前記第２遮光板で遮光されずにサンプル面に照射
され、サンプル面で反射された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。

＜作用＞第１光源から照射され、対物レンズの光軸を通過してサ
ンプル面に導かれる光束の投射光路上であって、その照
射光束の一部を遮光するように第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。
すなわち、前記仮想線の遮光板存在域を通過する反射光
となるべき第１光源からの照射光束は、前記仮想線にお
ける遮光板存在域を通過しサンプル面に照射される光線
であるが、この光線は第１遮光板で遮光されるので、係
る光線に対するサンプル面からの反射光は存在しない。
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線が最少と
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
する光線が増加する。

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
てあるから、第１光量検出素子の検出光量が最低になる
サンプル面の位置と、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P₁、第２設定位置をP₂、P₁からP₂へ向かう方向を＋
Ｐ方向、P₂からP₁へ向かう方向を−Ｐ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P_1-2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装置
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E₁↑、減少するのをE₁↓、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。

つまり、 E₁とE₂とで、増減逆ならばサンプル面はP₁からP₂の間
にあり、その内、E₁＜E₂ならばサンプル面はP₁とP_1-2の
間にあり、E₁＞E₂ならばサンプル面はP_1-2とP₂の間にあ
る。

また、P₁とP₂の間で、E₁↓であるならばサンプル面の
移動方向は−Ｐであり、E₁↑であるならばサンプル面の
移動方向は＋Ｐである。また、E₂↓であるならばサンプ
ル面の移動方向は＋Ｐであり、E₂↑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
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E₁−E₂＋Ｋ＝０で定義される定数Ｋを
実測しておく。そうしたら、Ｆ（Ｇ）＝E₁−E₂＋Ｋの式
で定義されるＦ（Ｇ）の値を測定すると、Ｆ（Ｇ）＝０
をもってして、サンプル面は前記基準位置にあると判定
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。

［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ー、101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102、
第１光量検出素子103とで第１位置検出部100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
導体ウエ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１の像が、サンプル面１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１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「基準位置」に該当する。

ハーフミラー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200の間に
配置される。すなわち、第１光源101から出射され、ハ
ーフミラー3_-1を透過した光は、対物レンズ２を経てサ
ンプル面１を照射する。第２光源201から出射され、ハ
ーフミラー3_-1に反射された光も、対物レンズ２を経て
サンプル面１を照射する。このハーフミラー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、ハーフミラー3_-1と第１光源101の間
に配置され、第２遮光板202は、ハーフミラー3_-1と第２
光源201との間に配置されている。第１遮光板102の端縁
102aは後述する第１設定位置P₁と共役な位置P₁′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P₂と共役な位置P₂′に配置されている。第１設定位置
P₁は、合焦位置P₀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、第２設定
位置P₂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方向と称する）にあり、第１設定
位置P₁および第２設置位置P₂は、合焦位置P₀との位置関
係つまり合焦位置P₀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光量検出素子203は、後述す
るように非合焦位置のサンプル面１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、CCD、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１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、ハーフミラー3_-1は、波長選択型ハーフミラーで
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光源101から出射して、波長選択型ハ
ーフミラー3_-1を透過した光束だけが、サンプル面１で
反射後に再度、波長選択型ハーフミラー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光源201から出射して、波長選択型ハーフミ
ラー3_-1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ー3_-1で反射されるの
で、第２光量検出素子203の検出対象となる。

このように、サンプル面１での反射光のうち、第１光量
検出素子103は、第１光源101から出射された光の反射光
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光量検出素子には第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装置の動作に関して
説明する。第２図〜第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図である。ただし、第２光源20
1、第２遮光板202、第２光量検出素子203を図示せず、
第２光源201からの照射された光線も図示しないが、第
２光源201からの光線に関しては、後述する。

なお、第２図はサンプル面１が第１設定位置P₁にあり、
第３図はサンプル面１が、第１設定位置P₁から＋Ｐ方向
にずれた位置にあり、第４図はサンプル面１が第１設定
位置P₁から−Ｐ方向にずれた位置にある。なお、第３図
と第４図におけるサンプル面１に平行な破線は、第１設
定位置P₁を図示する仮想線である。

第２図示のように、サンプル面１が第１設定位置P₁にあ
る場合、すなわち、サンプル面１と第１遮光板102の端
縁102aが共役位置にある場合、第１遮光板102の端縁102
aを通り光軸に直交する線分α−α′上の任意の点β_１
を通過する光線は、実線γ_１で示すように、サンプル面
１で反射された後、再度点β_１を通過することになる。
したがって、サンプル面１で反射された光線が第１遮光
板102のサンプル面１側の面を照射するためには、第１
光源101から出射した光線が、線分α−α′のうち、第
１遮光板102の端縁102aよりも図のα側の線分と交差す
る必要がある。しかし、第２図から明かなように、第１
遮光板102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10
2の端縁102aと共役である第１設定位置P₁にある場合、
第１光源101から出射した光線の中に、サンプル面１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。

次に、サンプル面１が第１遮光板の端縁102aと共役な位
置P₁に無い場合、例えば、第３図か第４図に示すよう
に、第１光源101から出射した実線γ_２かγ_３で示す光
線が、第１遮光板102の端縁102a近傍を通過した後、サ
ンプル面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１遮光板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
１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することになる。

以上のように、サンプル面１が第１遮光板102の端縁102
aと共役な位置P₁にある場合、第１遮光板102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
の端縁102aとサンプル面１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202aと共
役な位置にある場合、第２遮光板202のサンプル面１側
の面を照射する光量が最少となり、第２遮光板202の端
縁202aとサンプル面１の位置が共役な関係から外れるに
ともなって、第２遮光板202のサンプル面１側の面の照
射する光量が増加する。

第５図は、サンプル面１の位置に関する第１光量検出素
子103の出力E₁と第２光量検出素子203の出力E₂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、破線E₁は第１
光量検出素子103の特性を示し、破線E₂は第２光量検出
素子203の特性を示す。なお、実線で示すE₁−E₂は、第
１光量検出素子103の出力E₁から第２光量検出素子203の
出力E₂を引算した値の特性である。第５図に矢印で示す
領域Ｈの区間を見れば、引算値E₁−E₂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E₁−E₂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E₁−E₂の正負の極性により第１設
定位置P₁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P₁,P
₂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E₁−E₂＋Ｋ＝０となるような定数Ｋを
実測する。

次に、Ｆ（Ｇ）＝E₁−E₂＋Ｋ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（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１設
定位置P₁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P₂寄りにあると判定できる。

以上のように、サンプル面１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ー3_-1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ー3_-2を使用し、次のよ
うにしている。

第１遮光板102とハーフミラー3_-2の間に、第１波長選択
フィルタ105_-1を付設し、第２遮光板203とハーフミラー
3_-2の間に、第２波長選択フィルタ205_-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、それ以降の波長の光は透過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_-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て
ある。

したがって、第１光源101から出射して、第１波長選択
フィルタ105_-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１波長選択フィルタ105_-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光源201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_-1
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_-1と第２波
長選択フィルタ205_-1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とハーフミラー3_-2の間に、第１偏光フィ
ルタ105_-2を付設し、第２遮光板203とハーフミラー3_-2
の間に、第２偏光フィルタ205_-2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105_-2と第２偏光フィ
ルタ205_-2とでは、透過させる光の偏光方向を違えてあ
る。

したがって、第１光源101から出射して、第１偏光フィ
ルタ105_-2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偏光フィルタ105_-2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偏光フィル
タ205_-2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偏光フィルタ205_-2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実施例では、波長選択型ハーフミラー3_-1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、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ー3_-1の代わ
り、偏光ビームスプリッタ3_-2を配置する。なお、偏光
ビームスプリッタとは、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101から出射して、偏光ビームス
プリッタ3_-3を透過した光束だけが、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
_-3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_-2で反射されるので、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。

〔第５実施例〕第９図に、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、
前記各実施例では、光学的手法で達成しているが、第５
実施例では、それに代え、次のように電気的手法でして
いる。

第２実施例のように波長選択機能を有しないハーフミラ
ー3_-2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光源101
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輝度変調を施し、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光源101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光源201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実施例では、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ー3_-1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ハーフミラー3_-1の代わ
りに、回転ミラー3_-4を配置する。なお、回転ミラー3_-4
は、第12図示の平面図のように、図中斜線で示す反射鏡
部3_-4aと、透明部3_-4bからなる円盤状のミラーである。

回転ミラー3_-4はモーター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_-4b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_-4を透過して、サンプル面
１で反射後に再度、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。その際、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_-4の反射鏡部3_-4aであるときには、
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203の検出対象とな
る。この際第１光源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１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_-4aと透明部3_-4b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
ールドされて、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図に第
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
ミラー等のビームスプリッタを使用しない。

兼用光源301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102aは、第１設定位置P₁
と共役な位置P₁′にあり、第２遮光板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105_-1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205_-1が付設さ
れている。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
てある。

したがって、兼用光源301から出射して、第１波長選択
フィルタ105_-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_-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_-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105_-1と第２波長選択
フィルタ205_-1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_-2
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102の端縁102a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の端縁102aは、第１設定位置P₁と共役な位置P₁′
にあり、第２遮光板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105_-1が付設され、第２遮光板202と対
物レンズ２の間にに第２波長選択フィルタ205_-1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てあ
る。

［前記実施例に対する補足説明］第１光源101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、一旦収束し
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101寄りの位置でもよい。同様に、第２光
源201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光量検出素子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10
2のサンプル面１側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遮光板102のサンプル面１側の面を照射する手
前の光であって、第１遮光板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側の面を実際に照射しなくとも、
第１遮光板102のサンプル面１側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と、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側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。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側の面を実際に照
射しなくとも、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１光量検出素子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10
6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１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202の端縁20
2a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。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１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１
における位置ずれ状態検出の対象が直線状となり、斜面
に逆らわずに、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
光板102,202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１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、各光源101,201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、シリコンウエハの表面の
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
磨した金属面その他でもよい。

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ピン方
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ピン方
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光量検出素子の
出力E1と第２光量検出素子の出力E2の特性図、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期検波制御部のブロ
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
量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の従来例の概略構成図、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ー（ビームスプリッタ） 3_-2……ハーフミラー（ビームスプリッタ） 3_-3……偏光ビームスプリッタ 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 102……第１遮光板 102a……第１遮光板の端縁 103……第１光量検出素子 105_-1……第１波長選択フィルタ 105_-2……第１偏光フィルタ 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_-2……第２偏光フィルタ 206……第２発振器 207……第２検波器 301……兼用光源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基準とする基準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
プル面を照射し、かつ、前記対物レンズの光軸を通過す
る光束を発する第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し、かつ、前記対物レンズの光軸
を通過する光束を発する第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、
前記第１光源からサンプル面へ照射する光束の一部を遮
光する第１遮光板、（Ｄ）前記第１遮光板で遮光されずにサンプル面に照射
され、サンプル面で反射された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、
前記第２光源からサンプル面へ照射する光束の一部を遮
光する第２遮光板、（Ｆ）前記第２遮光板で遮光されずにサンプル面に照射
され、サンプル面で反射された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。