JPH08160307A

JPH08160307A - 共焦点光学系における光軸のズレ補正装置およびズレ防止装置

Info

Publication number: JPH08160307A
Application number: JP32941494A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Okamoto; 陽一岡本; Tomoyuki Miki; 智之三木; Takeshi Moriwaki; 武森脇
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1994-12-02
Publication date: 1996-06-21

Abstract

(57)【要約】【目的】共焦点光学系において、光軸のズレを補正す
る。【構成】一次元イメージセンサ１９の直前の光路に、
凸型のシリンドリカルレンズ３を挿入することで、レー
ザ光Ｌを偏向させて、光軸のズレを補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は試料の深度の測定機能を
備えたレーザ顕微鏡または変位計などの共焦点光学系に
おける光軸のズレ補正装置およびズレ防止装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、試料（対象物）の外観を観察
するための観察用光学系と、レーザ光の反射光の強度
（光量）を測定して、試料の深度に関する情報を検出す
る共焦点光学系とを備えたレーザ顕微鏡が知られている
（たとえば、特開平１−１２３１０２号、同−２７７８
１２号公報参照）。この種の顕微鏡は、試料の拡大像だ
けでなく、試料の深度も含めた三次元的なデータが得ら
れ、半導体集積回路のような微細な構造を知る上で有用
である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記共焦点光学系で
は、イメージセンサの受光素子やピンホールのように微
小な点にレーザ光を結像させる必要がある。その一方
で、所定の光路長を確保するためや、レーザ光を走査す
るために、各種のミラーが使用されている。ここで、図
８（ａ），（ｂ）のように、ミラー１００とマウント１
０１とは別体で、かつ、ミラー１００はガラス系の材質
からなり、一方、ミラー１００のマウント１０１は金属
製であることから、温度変化に伴い、一時的ないし経時
的に熱膨張率の差に起因する歪みが生じる。かかる歪み
が生じると、光軸にズレが生じ、そのため、レーザ光の
結像点が位置ズレする。従来、こうした問題に対し、接
着剤の種類を選別するなどの工夫をしているが、光軸の
ズレを十分に防止し得ず、したがって、製品の信頼性の
低下を招いていた。

【０００４】本発明は上記従来の課題に鑑みてなされた
もので、その目的は、共焦点光学系において、光軸のズ
レを補正ないし防止する共焦点光学系における光軸のズ
レ補正装置およびズレ防止装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために、本出願の第１発明は、共焦点光学系にお
けるレーザ光を集光させるイメージセンサの直前の光路
に凸型のシリンドリカルレンズを挿入している。この凸
型のシリンドリカルレンズは、レーザ光の走査方向に直
交する方向にレーザ光を偏向させて、レーザ光の入射位
置を補正する。

【０００６】つぎに、第１発明の原理を図５を用いて説
明する。図５（ａ）に示すように、レーザ光Ｌ１の光軸
が上下方向Ａにズレた状態で凸型のシリンドリカルレン
ズ３にレーザ光Ｌ１が入射すると、凸型のシリンドリカ
ルレンズ３は、走査方向に直交する方向にレーザ光Ｌ１
を偏向させる。したがって、レーザ光Ｌ１は光軸上に配
設された一次元イメージセンサ１９の所定の受光素子に
入射する。

【０００７】第２発明は、共焦点光学系において、レー
ザ光を反射させるミラー部と、このミラー部を支持する
マウント部とを、熱膨張率が同等ないし同一の金属で形
成している。

【０００８】第２発明によれば、ミラー部とマウント部
が同等ないし同一の熱膨張率の金属で形成されているか
ら、温度変化が生じても、歪みの生じるおそれがなく、
したがって、光軸に一時的ないし経時的なズレが生じる
おそれがない。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面にしたがって説
明する。図１ないし図５は、本発明の第１実施例を示
す。図１において、レーザ顕微鏡は、共焦点光学系１と
観察用光学系２とを備えている。

【００１０】まず、共焦点光学系１について説明する。
共焦点光学系１は、試料ｗの深度（深さ，膜厚）に関す
る情報を検出するもので、たとえば赤色のレーザ光Ｌ１
を出射するＨｅ−Ｎｅレーザ１０を光源としている。こ
のレーザ１０の光軸上には、ビームエキスパンダ１１、
ガルバノミラー１２およびｆθレンズ１３が設けられて
いる。レーザ光Ｌ１はｆθレンズ１３により点光源とな
り、この点光源となったレーザ光Ｌ１の光軸上には、ビ
ームスプリッタ１４、１／４波長板１５、第１のハーフ
ミラー１６、結像レンズ１７および対物レンズ１８が、
順次配設されている。上記対物レンズ１８は、レボルバ
（図示せず）により切換が可能で、複数種類の倍率を選
択できるようになっている。

【００１１】対物レンズ１８の焦点位置の付近には、対
物レンズ１８に対して上下動する試料ステージ３０が配
設されており、対物レンズ１８はレーザ光Ｌ１を試料ｗ
の表面に集光させる。レーザ光Ｌ１は試料ｗで反射さ
れ、対物レンズ１８、結像レンズ１７を透過する。この
結像レンズ１７の焦点位置の近傍には、たとえばＣＣＤ
ラインセンサのような一次元イメージセンサ１９が配設
されており、結像レンズ１７を透過したレーザ光Ｌ１
は、第１のハーフミラー１６およびビームスプリッタ１
４で反射されて、一次元イメージセンサ１９の表面に集
光する。前述のガルバノミラー１２は、図示しない駆動
装置により回転駆動され、レーザ光Ｌ１を偏向させるこ
とで、試料ｗへの集光位置を紙面に直角な方向Ｙに一次
元的に走査する。この走査方向Ｙに対応する方向に一次
元イメージセンサ１９の長手方向Ｙが設定されている。

【００１２】上記ビームスプリッタ１４と一次元イメー
ジセンサ１９との間には、凹型のシリンドリカルレンズ
４および凸型のシリンドリカルレンズ３が配設されてい
る。図５（ａ）に示すように、凸型のシリンドリカルレ
ンズ３は、共焦点光学系における一次元イメージセンサ
１９の直前の光路に挿入されていることで、レーザ光Ｌ
１の走査方向Ｙに直交する方向Ａに、レーザ光Ｌ１を偏
向させて、レーザ光Ｌ１の一次元イメージセンサ１９へ
の入射位置を補正するものである。

【００１３】上記両シリンドリカルレンズ３，４は、互
いに対向しており、その長手方向Ｙが、一次元イメージ
センサ１９の長手方向Ｙに対して平行に設定されてい
る。図５（ｂ）に示すように、本実施例では、一次元イ
メージセンサ１９が両シリンドリカルレンズ３，４の光
軸Ｌ上であって、かつ、凸型のシリンドリカルレンズ３
の焦点位置に配設されている。したがって、図５（ａ）
のように、レーザ光Ｌ１が本来の光軸Ｌからズレて、凸
型のシリンドリカルレンズ３に入射しても、凸型のシリ
ンドリカルレンズ３によって、レーザ光Ｌ１が矢印Ａ方
向に屈折して、一次元イメージセンサ１９の受光素子上
に結像し得る。

【００１４】つぎに、図１の観察用光学系２について説
明する。観察用光学系２は、試料ｗの外観を拡大して観
察するためのもので、たとえば白色光Ｌ２を出射するラ
ンプ２０を光源（観察用光源）としている。ランプ２０
の光軸上には、集光レンズ２１および第２のハーフミラ
ー２３が配設されており、第２のハーフミラー２３にお
いて観察用光学系２の光軸と共焦点光学系１の光軸とが
合致するように、観察用光学系２が配設されている。

【００１５】上記第２のハーフミラー２３は対物レンズ
１８の光軸上にあり、白色光Ｌ２は試料ｗの表面の所定
の領域に集光されて照射される。試料ｗで反射された白
色光Ｌ２１は、対物レンズ１８、結像レンズ１７および
第１のハーフミラー１６を通過して、ＣＣＤカメラ２４
に入射する。ＣＣＤカメラ２４で撮像された画像は、画
像信号ｅとして図２のスーパーインポーザ３１を介して
モニタ３２に出力されて表示される。

【００１６】つぎに、図１の共焦点光学系１の駆動回路
等について説明する。同期回路４０は、ステージ制御回
路４１、ガルバノ駆動回路４２およびＣＣＤ駆動回路４
３に同期信号を出力する。ＣＣＤ駆動回路４３は同期信
号を受けた後、一次元イメージセンサ１９の各素子に蓄
積された電荷を読出し用クロックパルスに基づいて読み
出し、図２のゲイン制御回路４４およびＡ／Ｄコンバー
タ４５を介して、光量信号ａをマイコン５０に出力す
る。マイコン５０は、ＣＰＵ５１およびメモリ６０を備
えており、後述するように、一次元イメージセンサ１９
の受光光量および試料ステージ３０の高さに基づいて試
料ｗの深度（高さ）に関する情報を求める。なお、５２
はキーボードである。

【００１７】上記メモリ６０は、図３（ａ）に示すピー
ク光量記憶部６１およびピーク位置記憶部６２を備えて
いる。上記各記憶部６１，６２は、それぞれ、一次元イ
メージセンサ１９の素子の数に対応した記憶素子６１₀
〜６１_nおよび６２₀〜６２_nを有している。

【００１８】つぎに、深さ測定の原理を簡単に説明す
る。図１の共焦点光学系１において、前述の一次元イメ
ージセンサ１９は、焦点位置に配設されており、一方、
一次元イメージセンサ１９の各素子は極めて微小である
から、レーザ光Ｌ１が試料ｗ上で焦点を結ぶと、その反
射光Ｌ１が一次元イメージセンサ１９上で結像し、一次
元イメージセンサ１９の１つの受光素子における受光光
量が著しく大きくなり、逆に、レーザ光Ｌ１が試料ｗ上
で拡がっていると、その反射光Ｌ１も一次元イメージセ
ンサ１９上で拡がるので、当該素子の受光光量が著しく
小さくなる。したがって、試料ステージ３０を上下方向
つまりＺ軸方向に上下させると、その受光光量Ｉは、図
３（ｂ）のように変化して、ピントの合ったＺ軸の位置
で、つまりピーク位置Ｚｐにおいて最大となる。このピ
ーク位置Ｚｐを一次元イメージセンサ１９の各素子につ
いて求めることにより、図３（ｃ）のように、紙面に垂
直な方向Ｙ（図１）についての深さの情報、つまり、断
面形状を求めることができる。

【００１９】つぎに、深さの測定方法について説明す
る。図４において、まず、ステップＳ１でガルバノミラ
ー１２を駆動させて、レーザ光Ｌ１を走査し、ステップ
Ｓ２で、一次元イメージセンサ１９において受光した光
量およびＺ軸の位置をメモリ６０の各記憶部６１，６２
に記憶させる。つづいて、ステップＳ３で試料ステージ
３０を１段階上昇させた後、ステップＳ４に進み、再
び、レーザ光Ｌ１を走査して、ステップＳ５に進む。ス
テップＳ５では、今回測定した光量がピーク光量記憶部
６１の各記憶素子６１_iに記憶されている光量よりも大
きいか否かを各素子についてＣＰＵ５１が判断し、大き
ければステップＳ６に進んで、測定光量とＺ軸の位置を
書き換える。一方、小さければステップＳ７に進む。ス
テップＳ７では、試料ステージ３０が所定の上昇端まで
上昇したか否かを判断し、上昇端でなければステップＳ
３に戻り、一方、上昇端であれば測定を終了する。

【００２０】こうして、図３（ａ）の両記憶部６１およ
び６２には、それぞれ、ピークの光量Ｉ_iとピーク位置
Ｚｐ_iが記憶される。この後、ピーク位置Ｚｐ_iの情報
は図２のイメージＲＡＭに転送され、マイコン５０はイ
メージ（図３（ｃ））をスーパーインポーザ３１に出力
する。スーパーインポーザ３１は、ＣＣＤカメラ２４の
画像と上記断面情報を重ね合わせ、モニタ３２に出力す
る。これにより、オペレータは試料ｗの拡大画像と共に
一つの断面における断面情報を知ることができる。

【００２１】上記構成において、図５の一次元イメージ
センサ１９の幅は、一般に数μｍ程度であるから、レー
ザ光Ｌ１が光軸Ｌから多少ズレただけで、測定ができな
くなる。これに対し、本レーザ顕微鏡は、前述のよう
に、凸型のシリンドリカルレンズ３により光軸のズレを
補正し得るので、製品の信頼性が向上する。

【００２２】また、このレーザ顕微鏡は、図１のレーザ
光Ｌ１を、たとえば１つのガルバノミラー１２により一
次元的にのみ走査するので、２枚のガルバノミラーでレ
ーザ光Ｌ１を二次元的に走査したり、試料ステージ３０
をＸ，Ｙ方向（二次元的）に駆動させて走査する従来の
顕微鏡に比べ、機械的構造が簡単になる。特に、二次元
的に走査するものに比べ、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に同期させる
必要がなく、Ｙ，Ｚ方向にのみ同期させればよいので、
顕微鏡の電気的な構造が著しく簡単になるから、大幅な
コストダウンを図ることができる。

【００２３】ところで、上記実施例では、凹型のシリン
ドリカルレンズ４と一次元イメージセンサ１９との間に
凸型のシリンドリカルレンズ３を挿入しているが、凸型
のシリンドリカルレンズ３と凹型のシリンドリカルレン
ズ４とは配置を入れ換えてもよい。また、以下に説明す
る図６の変形例のように、凹型のシリンドリカルレンズ
４を設けなくてもよい。

【００２４】図６の変形例では、凹型のシリンドリカル
レンズ４を設けていない代わりに、図６（ｂ）に明示す
るように、一次元イメージセンサ１９を凸型のシリンド
リカルレンズ３の光軸Ｌに対して、つまり、共焦点光学
系の焦点位置に対して、ΔＡだけ位置ズレして配設して
いる。以下、このように位置ズレして配設した理由を説
明する。

【００２５】図６（ａ）のレーザ光Ｌ１は、凸型のシリ
ンドリカルレンズ３を通過する際に、矢印Ａ方向に屈折
して、光軸Ｌに向かって偏向すると共に、矢印Ａ方向に
集束する。一方、矢印Ａ方向および走査方向Ｙについて
も、図１の結像レンズ１７により集束しているので、図
６（ａ）のレーザ光Ｌ１は、Ｌａのように横長に結像し
た後、Ｌｂのように縦長に結像する。したがって、試料
表面のＺ軸方向（図１）の変化に対して、２回結像する
ことになる。そこで、横長に結像したスポットＬａが一
次元イメージセンサ１９上に照射されないように、一次
元イメージセンサ１９を凸型のシリンドリカルレンズ３
の光軸ＬからΔＡだけ位置ズレして配置している。一
方、縦長に結像したスポットＬｂは、この図に示すよう
に、凸型のシリンドリカルレンズ３への入射位置が、凸
型のシリンドリカルレンズ３の中心線Ｃに対してズレる
と、矢印Ａ方向に結像位置もズレるが、スポットＬｂが
縦長であることから、スポットＬｂの一部が一次元イメ
ージセンサ１９の受光素子上に結像する。したがって、
レーザ光Ｌ１は、一次元イメージセンサ１９上で１回だ
け結像するから、深さの測定を行うことができる。

【００２６】なお、上記実施例では、イメージセンサと
して一次元イメージセンサ１９を用いた例を示したが、
ＣＣＤ固体撮像素子のような二次元イメージセンサを用
いた場合も、本発明を適用し得る。

【００２７】図７（ａ），（ｂ）は第２実施例を示す。
図７（ａ）において、ガルバノミラー装置１２Ａは、レ
ーザ光を反射させるミラー部１２ａと、このミラー部１
２ａを支持するマウント部１２ｂとが、一体に形成され
ている。上記ミラー部１２ａは鏡面仕上げがなされてお
り、一方、上記マウント部１２ｂには、ミラー部１２ａ
を回転駆動する駆動軸１２ｃが連結されている。上記ミ
ラー部１２ａ，マウント部１２ｂおよび駆動軸１２ｃ
は、たとえば、ステンレス製で、熱膨張率が同等ないし
同一の金属で形成されている。

【００２８】したがって、熱膨張率の相違による温度変
化に伴う一時的ないし経時的な歪みが、ガルバノミラー
装置１２Ａに生じないので、光軸にズレが生じるのを防
止し得る。

【００２９】ところで、ガルバノミラー装置１２Ａを構
成する金属としては、加工性の観点からアルミや鉄を用
いてもよい。なお、鉄を用いた場合は、適宣、メッキを
施す。

【００３０】また、本第２実施例はガルバノミラーだけ
けでなく、たとえば図７（ｂ）の固定したミラー１２Ｂ
やポリゴンミラーについても同様に適用することができ
る。なお、固定ミラー１２Ｂは、たとえば、図１のレー
ザ１０とビームエキスパンダ１１との間やビームエキス
パンダ１１とガルバノミラー１２との間に挿入される。

【００３１】また、図７（ａ），（ｂ）のミラー部１２
ａとマウント部１２ｂとは必ずしも一体で形成する必要
はなく、図８のように、別体としてもよく、さらには、
同一の金属とする必要もなく、熱膨張率が同一または同
等の金属で形成すればよい。たとえば、ミラー部１２ａ
を加工性の良い鉄やアルミで形成し、マウント部１２ｂ
および駆動部１２ｃをステンレスで形成してもよい。

【００３２】また、上記第２実施例にかかる第２発明
を、前述の第１実施例にかかる第１発明と共に採用すれ
ば、光軸のズレるおそれが極めて少なくなり、より製品
の信頼性が向上する。

【００３３】なお、上記各実施例では、図１のガルバノ
ミラー１２を駆動してレーザ光Ｌ１を走査したが、本発
明では、ポリゴンミラーを用いてもよい。また、深さ測
定モードにおいて、試料ステージ３０は、１段階ずつ上
昇させたが、１段階ずつ下降させてもよい。また、本発
明は、レーザ顕微鏡だけでなく、対象物までの距離に関
する情報を検出する共焦点光学系を備えたレーザ変位計
などの検出装置についても適用し得る。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本出願の第１発明
によれば、共焦点光学系において、レーザ光の走査方向
に直交する方向にレーザ光を偏向させて、レーザ光のイ
メージセンサへの入射位置を補正する凸型のシリンドリ
カルレンズを、イメージセンサの直前の光路に挿入した
ので、共焦点光学系に光軸のズレが生じても、凸型のシ
リンドリカルレンズでレーザ光が偏向するから、光軸の
ズレを補正することができる。したがって、製品の信頼
性が向上する。

【００３５】また、第２発明によれば、共焦点光学系に
おいて、ミラー部とマウント部とを熱膨張率が同一ない
し同等の金属で形成したから、熱膨張率の相違による歪
みが生じないので、一時的ないし経時的に光軸がズレる
おそれがない。したがって、製品の信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる光学顕微鏡の光学
系を示す概略構成図である。

【図２】同測定回路等を示す概略構成図である。

【図３】深さ測定の原理を説明するための概念図であ
る。

【図４】測定方法を示すフローチャートである。

【図５】第１実施例の要部を示す斜視図および側面図で
ある。

【図６】変形例の要部を示す斜視図および側面図であ
る。

【図７】第２実施例を示すミラーの斜視図である。

【図８】従来のミラーを示す斜視図である。

【符号の説明】

１：共焦点光学系１２：ガルバノミラー１２ａ：ミラー部１２ｂ：マウント部１２ｃ：駆動軸１８：対物レンズ１９：一次元イメージセンサ３：凸型のシリンドリカルレンズ４：凹型のシリンドリカルレンズＬ１：レーザ光Ｌ：光軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を対物レンズにより対象物の表
面に集光すると共に、その反射光をイメージセンサの受
光素子に集光して受光させて、上記受光素子が受光した
反射光の強度に基づいて対象物までの距離に関する情報
を検出する共焦点光学系において、レーザ光の走査方向に直交する方向にレーザ光を偏向さ
せてレーザ光の上記イメージセンサへの入射位置を補正
する凸型のシリンドリカルレンズを上記イメージセンサ
の直前の光路に挿入したことを特徴とする共焦点光学系
における光軸のズレ補正装置。
【請求項２】請求項１において、上記イメージセンサ
は、レーザ光の走査方向に長手方向が設定された一次元
イメージセンサからなり、この一次元イメージセンサの
長手方向に対応して、上記凸型のシリンドリカルレンズ
の長手方向が設定されている共焦点光学系における光軸
のズレ補正装置。
【請求項３】請求項２において、凹型のシリンドリカ
ルレンズを上記凸型のシリンドリカルレンズに対向して
配設した共焦点光学系における光軸のズレ補正装置。
【請求項４】請求項３において、上記一次元イメージ
センサは、凸型のシリンドリカルレンズの光軸上に配設
されている共焦点光学系における光軸のズレ補正装置。
【請求項５】請求項２において、上記一次元イメージ
センサが凸型のシリンドリカルレンズの光軸に対して位
置ズレして配設されている共焦点光学系における光軸の
ズレ補正装置。
【請求項６】レーザ光を対物レンズにより対象物の表
面に集光すると共に、その反射光を光検出器表面に集光
して受光させて、上記光検出器が受光した反射光の強度
に基づいて対象物までの距離に関する情報を検出する共
焦点光学系において、上記レーザ光を反射させるミラー部と、このミラー部を
支持するマウント部とが同等ないし同一の熱膨張率を有
する金属で形成されていることを特徴とする共焦点光学
系における光軸のズレ防止装置。
【請求項７】請求項６において、上記ミラー部とマウ
ント部とが同一の金属で一体形成されている共焦点光学
系における光軸のズレ防止装置。
【請求項８】請求項７において、上記マウント部に連
結され、このマウント部を介して上記ミラー部を駆動す
る駆動軸と、上記ミラー部とが、同等ないし同一の熱膨
張率を有する金属で形成されている共焦点光学系におけ
る光軸のズレ防止装置。