JPH09281384A - Autofocusing controller - Google Patents
Autofocusing controllerInfo
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- JPH09281384A JPH09281384A JP9542096A JP9542096A JPH09281384A JP H09281384 A JPH09281384 A JP H09281384A JP 9542096 A JP9542096 A JP 9542096A JP 9542096 A JP9542096 A JP 9542096A JP H09281384 A JPH09281384 A JP H09281384A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ走査顕微鏡な
どの顕微鏡システムに有効なオートフォーカス制御装置
に関するもので、高速で高安定なオートフォーカスを実
現することを目的とする。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an autofocus control device effective for a microscope system such as a laser scanning microscope, and an object thereof is to realize high-speed and highly stable autofocus.
【０００２】[0002]
【従来の技術】レーザ走査顕微鏡を用いて微小パターン
の寸法計測、表面形状計測などを行う場合、被測定物に
フォーカスされたレーザ光を照射することが必要であ
る。そのために、レーザ光のオートフォーカス制御が重
要になってくる。図４（ａ）にレーザ走査顕微鏡におけ
る従来のオートフォーカス制御機構、図４（ｂ）にフォ
ーカス位置と反射レーザ光強度の関係を示す。図４
（ａ）において、４１はレーザ光源、４２は各種のレン
ズ、走査素子などから成る走査光学系、４３は対物レン
ズである。走査光学系４２で走査制御され、対物レンズ
４３により集光されたレーザ光４３１を被測定物４４の
表面に照射し、被測定物４４からの反射光をビームスプ
リッター４２２で反射して集光レンズ４２４で集光し、
受光器４５で検出する。４６は反射光強度判定部で、検
出された反射光強度情報からフォーカス位置が正常か否
かの判定を行う。４７は移動ステージで、反射光強度判
定部４６での判定結果にもとずいて、被測定物４４のフ
ォーカス位置を変化させてベストフォーカス位置への設
定を行う。2. Description of the Related Art When measuring the dimensions of fine patterns and measuring the surface shape using a laser scanning microscope, it is necessary to irradiate an object to be measured with focused laser light. Therefore, autofocus control of laser light becomes important. FIG. 4A shows a conventional autofocus control mechanism in a laser scanning microscope, and FIG. 4B shows the relationship between the focus position and the reflected laser light intensity. FIG.
In (a), 41 is a laser light source, 42 is a scanning optical system including various lenses and scanning elements, and 43 is an objective lens. The laser beam 431, which is controlled by the scanning optical system 42 and focused by the objective lens 43, irradiates the surface of the DUT 44, and the reflected light from the DUT 44 is reflected by the beam splitter 422 to be a focusing lens. Focus at 424,
It is detected by the light receiver 45. A reflected light intensity determination unit 46 determines whether or not the focus position is normal based on the detected reflected light intensity information. A moving stage 47 changes the focus position of the object to be measured 44 and sets it to the best focus position based on the determination result of the reflected light intensity determination unit 46.
【０００３】次にオートフォーカス制御の判定について
説明する。図４（ｂ）の曲線４８はフォーカス位置と反
射光強度の関係を示すもので、反射光強度はベストフォ
ーカス位置４８０で最大になり、ベストフォーカス位置
から離れるにしたがって減少し、フォーカスはずれが大
きくなるとほぼ０になる。このとき、フォーカス位置が
近い方向（＋）とフォーカス位置が遠い方向（―）で
は、ベストフォーカス位置を中心としてほぼ対称的に反
射光強度が減少する。フォーカス位置が４８２の点にあ
ればＣＣＷ方向（近ずく方向）に制御し、フォーカス位
置が４８８の点であればＣＷ方向（遠ざかる方向）に制
御して最大強度位置４８０に設定する。このようなオー
トフォーカス制御においては、フォーカス制御方向を決
定することが重要である。例えば、移動ステージ４７の
初期移動方向がＣＷ方向に設定されているとき、移動前
に反射光を検出したときの位置が４８２の点にある場合
は、一定距離だけＣＷ方向に移動させた位置４８４では
反射光強度が前よりも減少する。そこで、ＣＷ方向は制
御の逆方向であると判定し、制御方向を反転させて、Ｃ
ＣＷ方向に制御を進めてベストフォーカス位置に設定す
る。Next, the determination of the autofocus control will be described. A curve 48 in FIG. 4B shows the relationship between the focus position and the reflected light intensity. The reflected light intensity becomes maximum at the best focus position 480, decreases with distance from the best focus position, and the focus shift increases. It becomes almost 0. At this time, in the direction where the focus position is close (+) and the direction where the focus position is far (-), the reflected light intensity decreases substantially symmetrically with respect to the best focus position. If the focus position is at the point 482, control is performed in the CCW direction (approaching direction), and if the focus position is at 488, control is performed in the CW direction (direction moving away) to set the maximum intensity position 480. In such autofocus control, it is important to determine the focus control direction. For example, when the initial movement direction of the moving stage 47 is set to the CW direction and the position when the reflected light is detected before the movement is at the point 482, the position 484 moved in the CW direction by a certain distance is used. In, the reflected light intensity is reduced than before. Therefore, it is determined that the CW direction is the reverse direction of control, the control direction is reversed, and C
The control is advanced in the CW direction to set the best focus position.
【０００４】他のオートフォーカス制御方法としては、
光ピックアップなどで採用されている多分割型受光素子
を用いる方法もある。これは図４（ａ）の受光器４５に
２分割、あるいは４分割受光素子を用い、分割された各
受光素子間の光強度の差を検出する構成である。図５に
２分割受光素子を用いたときのフォーカス位置と光強度
の差強度の関係を示す。曲線５１に示すごとく、差強度
はベストフォーカス位置５１０で０になり、フォーカス
位置から離れると正負のピークが発生する。フォーカス
位置から大きく離れると差強度は共にほぼ０になる。こ
のような特性の場合、フォーカス制御方向は差強度の正
負の符号で判定する。例えば差強度が正で５２０の点に
ある場合は、フォーカス位置が遠い方向（―方向）にあ
ると判定し、ＣＣＷ方向にフォーカス制御を行ってベス
トフォーカス位置に設定する。As another autofocus control method,
There is also a method of using a multi-division type light receiving element adopted in an optical pickup or the like. This is a configuration in which a two-divided or four-divided light receiving element is used for the light receiver 45 of FIG. FIG. 5 shows the relationship between the focus position and the difference intensity of the light intensity when the two-division light receiving element is used. As shown by the curve 51, the difference intensity becomes 0 at the best focus position 510, and positive and negative peaks are generated when the focus position moves away. When the distance from the focus position is large, the difference intensities are almost zero. In the case of such a characteristic, the focus control direction is determined by the positive and negative signs of the difference intensity. For example, when the difference intensity is positive and is at a point of 520, it is determined that the focus position is in the far direction (-direction), focus control is performed in the CCW direction, and the best focus position is set.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】従来のオートフォーカ
ス制御装置では、反射レーザ光全体の強度変化、あるい
は反射レーザ光のビーム断面形状変化に伴う差強度変化
を一つの受光器で検出する構成である。図４（ｂ）の曲
線４８、及び図５の曲線５１において、被測定物４４の
位置がベストフォーカス位置の近傍にある場合、反射光
強度、あるいは差強度が一定の強度レベル以上であるた
め、フォーカス判定が正しく行われる。しかし、被測定
物４４の位置がベストフォーカス位置から大きく離れて
いる場合、反射光強度、あるいは差強度が一定の強度レ
ベル以下となるため、移動ステージ４７によるフォーカ
ス位置の多少の変化では反射光の強度変化が小さく、フ
ォーカス制御方向を決定することが困難である。このよ
うな場合、被測定物４４を移動ステージ４７により多数
回移動させて反射光強度が増加する方向を決定する必要
があるため、フォーカス制御時間が長くなるという問題
が生じる。In the conventional autofocus control device, one light receiver detects a change in the intensity of the entire reflected laser light or a change in the difference intensity caused by a change in the beam cross-sectional shape of the reflected laser light. . In the curve 48 of FIG. 4B and the curve 51 of FIG. 5, when the position of the DUT 44 is near the best focus position, the reflected light intensity or the difference intensity is equal to or higher than a certain intensity level. Focus determination is performed correctly. However, when the position of the object to be measured 44 is far away from the best focus position, the reflected light intensity or the difference intensity becomes equal to or lower than a certain intensity level. The intensity change is small and it is difficult to determine the focus control direction. In such a case, it is necessary to move the object to be measured 44 many times by the moving stage 47 to determine the direction in which the reflected light intensity increases, which causes a problem that the focus control time becomes long.
【０００６】さらには、フォーカス制御時間短縮のため
に大きな移動ステップでフォーカス制御を行った場合、
反射光強度、あるいは反射光の差強度が大きい領域を一
度の移動で飛び越して逆方向にフォーカス制御を進める
場合もあり、信頼性に欠けるという問題点もある。以上
の従来の問題点は、一つの受光器だけで反射光を検出す
るため、反射光強度という単一の反射光情報しか検出さ
れないためである。したがって、フォーカス位置ずれが
大きい場合、反射光強度以外の反射光情報をも検出し、
ベストフォーカス位置に対して遠い方向、近い方向のい
ずれの方向にずれているかをすみやかに判定して制御方
向を決定し、高速でベストフォーカス位置に設定するこ
とが重要である。Furthermore, when focus control is performed in a large movement step to shorten the focus control time,
There is also a problem in that the reliability is lacking, because there is a case where a region where the reflected light intensity or the difference intensity of reflected light is large is skipped by one movement and the focus control is advanced in the opposite direction. The above-mentioned conventional problem is that since only one light receiver detects reflected light, only a single reflected light information of reflected light intensity is detected. Therefore, when the focus position shift is large, the reflected light information other than the reflected light intensity is also detected,
It is important to quickly determine whether the direction is far from or close to the best focus position, determine the control direction, and set the best focus position at high speed.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明は以下の構成をなす。レーザ光源から発せら
れたレーザ光を対物レンズで集光して被測定物に照射
し、該被測定物からの反射光を検出し、前記対物レンズ
と被測定物の間の距離を変える移動手段を用いてフォー
カス制御を行うオートフォーカス制御装置において、前
記被測定物からの反射光の検出光路を二方向に分割し、
一方の光路を進行する反射光のビーム断面形状を第一の
受光器で検出し、他方の光路を進行する反射光の反射光
強度を第二の受光器で検出し、第一のフォーカス判定部
で前記第一の受光器で検出された反射光のビーム断面形
状から反射光のビームスポット径が小さくなるフォーカ
ス制御方向を決定し、ベストフォーカス位置の近傍まで
粗い移動ステップで前記移動手段で第一のフォーカス制
御を行い、第二のフォーカス判定部で前記第二の受光器
で検出された反射光の強度が増加するフォーカス制御方
向を決定し、ベストフォーカス位置まで細かい移動ステ
ップで前記移動手段で第二のフォーカス制御を行う構成
である。To solve the above-mentioned problems, the present invention has the following arrangement. Moving means for converging laser light emitted from a laser light source with an objective lens and irradiating the object to be measured, detecting reflected light from the object to be measured, and changing a distance between the objective lens and the object to be measured. In an autofocus control device for performing focus control using, the detection optical path of the reflected light from the DUT is divided into two directions,
The beam cross-sectional shape of the reflected light traveling in one optical path is detected by the first light receiver, the reflected light intensity of the reflected light traveling in the other optical path is detected by the second light receiver, and the first focus determination unit Then, the focus control direction in which the beam spot diameter of the reflected light becomes smaller is determined from the beam cross-sectional shape of the reflected light detected by the first light receiver, and the moving means performs the coarse moving step to the vicinity of the best focus position by the moving means. Focus control is performed, the second focus determination unit determines the focus control direction in which the intensity of the reflected light detected by the second photodetector increases, and the moving unit moves in the fine moving step to the best focus position. The second focus control is performed.
【０００８】[0008]
【発明の実施の形態】本発明は、特にフォーカス位置ず
れが大きい場合のフォーカス制御に有効で、フォーカス
制御方向を高速で確実に検出する構成である。レーザ光
を被測定物に照射し、その反射光を検出するとき、反射
光の光路を二方向に分割して二種類の受光器で個別に検
出し、異なる二種類の反射光情報からフォーカス制御を
行う。一方の光路を進行する反射光はスポット像を拡大
してＣＣＤカメラなどの面受光素子から成る第一の受光
器で検出する。また、他方の光路を進行する反射光は集
光してフォトダイオードなどの点受光素子からなる第二
の受光器で検出する。第一の受光器は反射レーザ光のビ
ーム断面形状を検出して２次元画像処理を行い、ビーム
スポット径が小さくなる方向に第一のフォーカス制御を
行う。フォーカスはずれが大きい場合、被測定物の多少
の移動では反射光強度変化が小さいが、ビームスポット
径はフォーカス位置に応じて大きく変化するため、フォ
ーカス制御方向を容易に判定することが可能である。こ
の第一のフォーカス制御はフォーカス方向判定を行うた
めの予備的な制御で、ベストフォーカス近くの位置まで
粗い移動ステップでフォーカス移動を行う。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention is particularly effective for focus control when the focus position shift is large, and has a configuration for reliably detecting the focus control direction at high speed. When irradiating the object to be measured with laser light and detecting the reflected light, the optical path of the reflected light is divided into two directions and detected separately by two types of light receivers, and focus control is performed from two different types of reflected light information. I do. The reflected light traveling on one of the optical paths enlarges the spot image and is detected by the first light receiver composed of a surface light receiving element such as a CCD camera. Further, the reflected light traveling on the other optical path is condensed and detected by the second light receiver composed of a point light receiving element such as a photodiode. The first light receiver detects the beam cross-sectional shape of the reflected laser light, performs two-dimensional image processing, and performs first focus control in the direction in which the beam spot diameter becomes smaller. When the defocus is large, the reflected light intensity change is small with a slight movement of the object to be measured, but the beam spot diameter greatly changes according to the focus position, so that the focus control direction can be easily determined. The first focus control is a preliminary control for determining the focus direction, and the focus is moved to a position near the best focus in coarse movement steps.
【０００９】第二の受光器は反射レーザ光の全体強度を
検出するもので、第一の受光器で判定された制御方向情
報にしたがって反射光強度が最大となる位置まで第二の
フォーカス制御を行う。この第二のフォーカス制御で
は、反射光強度が大きいレベルにあるため、細かい移動
ステップでベストフォーカス位置まで制御する。このよ
うに、異なる特性を有する二種類の反射光情報を検出
し、フォーカスはずれが大きい領域ではビームスポット
形状情報を利用し、フォーカスはずれが小さい領域では
反射光強度情報を利用することで、フォーカス制御方向
を的確に判定する。また、粗い移動でのフォーカスと細
かい移動でのフォーカスを組み合わせることでフォーカ
ス制御時間を短縮する。The second photodetector detects the total intensity of the reflected laser light, and performs the second focus control up to the position where the reflected light intensity is maximum according to the control direction information determined by the first photodetector. To do. In this second focus control, since the reflected light intensity is at a high level, the best focus position is controlled in fine movement steps. In this way, focus control is performed by detecting two types of reflected light information having different characteristics, using the beam spot shape information in a region with a large defocus, and using the reflected light intensity information in a region with a small defocus. Accurately determine the direction. Further, the focus control time is shortened by combining the focus for coarse movement and the focus for fine movement.
【００１０】[0010]
【実施例】以下に図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図１は本発明の実施例の構成ブロック図であ
る。１０はレーザ光源で、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光を
発生する。１１は光学系ブロックで、対物レンズ１１
２、第一のビームスプリッター１１４、及び各種の光学
素子からなり、レーザ光を集光して被測定物１２に照射
する。１３は移動ステージで、被測定物１２を光軸方向
に移動してフォーカス合わせを行う。なお、移動ステー
ジ１３のかわりに対物レンズ１１２をＰＺＴアクチュエ
ータなどで直接移動させてフォーカス合わせを行っても
よい。被測定物１２で反射されたレーザ光は光路を逆進
し、第一のビームスプリッター１１４で反射され、さら
に第二のビームスプリッター１１６で二方向に分割され
る。第二のビームスプリッター１１６で反射されたレー
ザ光は像拡大カメラ系１１８で拡大され、２次元ＣＣＤ
イメージセンサーなどの面受光素子からなる第一の受光
器１４で検出される。また、第二のビームスプリッター
１１６を透過したレーザ光は集光レンズ１２０で集光さ
れ、ＰＩＮフォトダイオードなどの点受光素子からなる
第二の受光器１５で検出される。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration block diagram of an embodiment of the present invention. Reference numeral 10 denotes a laser light source, which generates, for example, He—Ne laser light. Reference numeral 11 denotes an optical system block, which is an objective lens 11
2. The first beam splitter 114 and various optical elements, which collect the laser light and irradiate the DUT 12. A moving stage 13 moves the DUT 12 in the optical axis direction for focusing. Instead of the moving stage 13, the objective lens 112 may be directly moved by a PZT actuator or the like for focusing. The laser light reflected by the DUT 12 travels backward in the optical path, is reflected by the first beam splitter 114, and is further divided into two directions by the second beam splitter 116. The laser light reflected by the second beam splitter 116 is magnified by the image magnifying camera system 118, and the two-dimensional CCD
The light is detected by the first light receiver 14 including a surface light receiving element such as an image sensor. The laser light transmitted through the second beam splitter 116 is condensed by the condenser lens 120 and detected by the second light receiver 15 formed of a point light receiving element such as a PIN photodiode.
【００１１】１６はフレームメモリーで、第一の受光器
１４で検出されたレーザ光強度信号をＡ／Ｄ変換してメ
モリー回路に２次元の画像プロファイルを記憶する。１
７は第一のフォーカス判定部で、フレームメモリー１６
に記憶された２次元画像データの微分処理、２値化処理
などを行って、反射レーザ光のビーム断面形状、特にビ
ームスポット径を算出し、被測定物１２の移動の前後に
おけるそれらのデータの変化からフォーカス制御方向を
決定する。フォーカスがはずれる方向はビームスポット
径が大きくなる方向、フォーカスが合う方向はビームス
ポット径が小さくなる方向であるため、ビームスポット
径が小さくなる方向を決定する。このフォーカス制御を
第一のフォーカス制御と称し、信号１７２により比較的
粗い移動ステップで移動ステージ１３を移動させ、ベス
トフォーカス位置の近くまでフォーカス制御を行う。こ
の第一のフォーカス制御の終了は、ビームスポット径が
ある設定された値以下になることで判定する。また、初
期のフォーカス位置がベストフォーカス近傍にあると判
定した場合は、移動ステージ１３の移動は行わないで、
次のフォーカス制御に移る。A frame memory 16 A / D converts the laser light intensity signal detected by the first light receiver 14 and stores a two-dimensional image profile in the memory circuit. 1
7 is a first focus determination unit, which is a frame memory 16
The two-dimensional image data stored in the memory is subjected to differentiation processing, binarization processing, and the like to calculate the beam cross-sectional shape of the reflected laser light, particularly the beam spot diameter, and to calculate the data before and after the movement of the DUT 12. The focus control direction is determined from the change. The direction out of focus is the direction in which the beam spot diameter increases, and the in-focus direction is the direction in which the beam spot diameter decreases, so the direction in which the beam spot diameter decreases is determined. This focus control is referred to as first focus control. The signal 172 is used to move the moving stage 13 in a relatively coarse moving step to perform the focus control to a position close to the best focus position. The end of the first focus control is determined when the beam spot diameter becomes equal to or smaller than a certain set value. If it is determined that the initial focus position is near the best focus, the moving stage 13 is not moved,
Move to the next focus control.
【００１２】１８は第二のフォーカス判定部で、第二の
受光器１５で検出された反射光強度信号をＡ／Ｄ変換
し、被測定物１２の移動の前後における反射光強度変化
を判定する。フォーカスがはずれる方向は反射光強度が
減少し、フォーカスが合う方向は反射光強度が増加する
方向であるため、第一のフォーカス制御に続いて反射光
強度が増加する方向に制御する。この制御を第二のフォ
ーカス制御と称し、信号１８２を発して細かい移動ステ
ップで移動ステージ１３を制御してベストフォーカス位
置に設定する。なお、第二の受光器１５は２分割あるい
は４分割受光素子を用いてもよく、この場合は各受光素
子間の差強度を検出する。また、本発明の実施例として
反射光検出例を示したが、被測定物１２からの透過光を
検出する場合でも同様である。以上の二種類の反射光情
報からフォーカス制御を行う方法をハイブリッド式オー
トフォーカスと称する。A second focus determination unit 18 A / D converts the reflected light intensity signal detected by the second light receiver 15 to determine the reflected light intensity change before and after the movement of the object 12 to be measured. . Since the reflected light intensity decreases in the out-of-focus direction and the reflected light intensity increases in the in-focus direction, control is performed in the direction in which the reflected light intensity increases following the first focus control. This control is called the second focus control, and the signal 182 is emitted to control the moving stage 13 in fine moving steps to set the best focus position. The second light receiver 15 may use a two-divided or four-divided light receiving element, and in this case, the intensity difference between the light receiving elements is detected. Further, although an example of reflected light detection is shown as an example of the present invention, the same applies to the case of detecting transmitted light from the DUT 12. The method of performing focus control based on the above two types of reflected light information is called hybrid autofocus.
【００１３】図２にフォーカス位置と反射光強度、反射
光ビーム径の関係を示して本発明のフォーカス位置判定
を説明する。実線で示した曲線２１は第一の受光器１４
で検出される反射光のビーム直径の変化、点線で示した
曲線２２は第二の受光器１５で検出される反射光強度の
変化を表したものである。曲線２１では、ビーム形状は
円形で、ベストフォーカス位置（Ｚ＝０）においてビー
ム径が最小になり、フォーカスずれが大きくなるにした
がってビーム径が大きくなる。このとき、ベストフォー
カス近傍ではフォーカス位置変化に対するビーム径の変
化が小さくてブロードに変化するが、逆にフォーカス位
置ずれが大きい場合はビーム径の変化が大きくてほぼリ
ニアーに変化する。曲線２２では、ベストフォーカス位
置において反射光強度が最大となり、フォーカスずれが
大きくなるにしたがって反射光強度が低下する。このと
き、ベストフォーカス近傍ではフォーカス位置変化に対
する反射光強度が２次関数的に大きく変化するが、フォ
ーカス位置ずれが大きい場合は逆に反射光強度の変化が
小さく、ほぼ０になる。FIG. 2 shows the relationship between the focus position, the reflected light intensity, and the reflected light beam diameter to explain the focus position determination of the present invention. The curve 21 shown by the solid line is the first light receiver 14
The change in the beam diameter of the reflected light detected by 1., and the curve 22 shown by the dotted line show the change in the reflected light intensity detected by the second light receiver 15. In the curve 21, the beam shape is circular, the beam diameter is minimum at the best focus position (Z = 0), and the beam diameter increases as the focus shift increases. At this time, in the vicinity of the best focus, the change of the beam diameter with respect to the change of the focus position is small and changes broadly. On the contrary, when the shift of the focus position is large, the change of the beam diameter is large and changes almost linearly. In the curve 22, the reflected light intensity becomes maximum at the best focus position, and the reflected light intensity decreases as the focus shift increases. At this time, in the vicinity of the best focus, the reflected light intensity greatly changes in a quadratic function with respect to the focus position change. However, when the focus position shift is large, the reflected light intensity change is small and becomes almost zero.
【００１４】以上の互いに相反する特性を有する二つの
反射光情報を用いることにより、フォーカス制御方向の
判定が容易になる。移動ステージ１３の初期の移動制御
方向がＣＣＷ方向に設定されていると仮定する。フォー
カスはずれが大きい場合、移動前の位置が２１０の点
で、移動後の位置が２１２の点であれば、ビーム直径が
減少するため、第一のフォーカス判定部１７はＣＣＷ方
向が制御の順方向であると判定し、ＣＣＷ方向へ制御を
継続する。従来方法の反射光強度だけを検出する場合
は、移動の前後における反射光強度変化が小さいため、
ＣＣＷ方向が順方向であるとは明確に判定できない。し
かし、本発明のビーム径の変化を検出することにより、
移動ステージ１３の一度の移動ステップでフォーカス制
御方向を明確に決定できる。By using the above two pieces of reflected light information having mutually contradictory characteristics, it becomes easy to determine the focus control direction. It is assumed that the initial movement control direction of the moving stage 13 is set to the CCW direction. In the case where the defocus is large, if the position before the movement is 210 and the position after the movement is 212, the beam diameter decreases, so the first focus determination unit 17 determines that the CCW direction is the forward control direction. Then, the control is continued in the CCW direction. When only the reflected light intensity of the conventional method is detected, the change in reflected light intensity before and after movement is small,
It cannot be clearly determined that the CCW direction is the forward direction. However, by detecting the change in beam diameter of the present invention,
The focus control direction can be clearly determined by one moving step of the moving stage 13.
【００１５】ＣＣＷ方向へ粗いステップでフォーカス制
御を行ったとき、フォーカス位置が２１４の点を超え、
ビーム径が予め設定された値以下になればベストフォー
カス位置の近傍であると判定する。このときは反射光強
度が一定の強度レベルを超えており、第二の受光器１５
で検出された反射光強度情報をもとにしてＣＣＷ方向へ
第二のフォーカス制御を継続する。２２０の点はＣＣＷ
方向へ微小なステップで移動させた場合の反射光強度
で、以下順次２２２、２２４、２２６の点に移動させ、
移動前後における反射光強度の増減を検出する。２２２
の点から２２４の点への移動は反射光強度が増加するた
め、順方向と判定してＣＣＷ方向へ制御を継続する。２
２４の点から２２６の点への移動は反射光強度が減少す
るため、ベストフォーカス位置を飛び越したと判定し、
逆のＣＷ方向に例えば半ステップの距離だけ反転する。
この位置をベストフォーカス位置と判定してフォーカス
制御を終了する。例えば、対物レンズのＮＡ値が０．５
の場合のレーザ光の焦点深度は１μｍ程度であるため、
粗い移動ステップは５〜１０μｍ、細かい移動ステップ
は０．５〜１μｍに設定すればよい。When focus control is performed in a coarse step in the CCW direction, the focus position exceeds the point 214,
When the beam diameter is equal to or smaller than a preset value, it is determined that the beam is near the best focus position. At this time, the reflected light intensity exceeds a certain intensity level, and the second light receiver 15
The second focus control is continued in the CCW direction based on the reflected light intensity information detected in. 220 points are CCW
The intensity of the reflected light when moved in a small step in the direction, and is sequentially moved to points 222, 224, and 226,
The increase / decrease in the reflected light intensity before and after the movement is detected. 222
Since the intensity of reflected light increases from the point of to the point of 224, the intensity of the reflected light increases, so it is determined to be the forward direction and control is continued in the CCW direction. Two
Since the reflected light intensity decreases when moving from the point 24 to the point 226, it is determined that the best focus position has been skipped,
Invert in the opposite CW direction by a distance of, for example, half a step.
This position is determined to be the best focus position and the focus control ends. For example, the NA value of the objective lens is 0.5
In this case, the depth of focus of the laser beam is about 1 μm,
The coarse moving step may be set to 5 to 10 μm, and the fine moving step may be set to 0.5 to 1 μm.
【００１６】図２で説明したビーム径の変化からフォー
カス制御方向を判定する方法は、移動ステージ１３を一
度移動させる必要がある。これは、反射光の断面形状が
円形の場合、ベストフォーカス位置から遠いか近いかの
判定が直接にはできないためである。次に、本発明の第
二の実施例として、反射光のビーム断面形状から直接に
フォーカス制御方向を決定する方法を説明する。図３の
実線で示した曲線３１はフォーカス位置に対する反射光
ビーム断面のＸ方向の直径、点線で示した曲線３２はＹ
方向の直径を表すもので、Ｘ方向の直径、Ｙ方向の直径
がフォーカス位置によって異なることを示している。す
なわち、反射光のビーム断面形状が楕円である。本例で
は、フォーカス位置が遠い方向（Ｚ＜０）にずれている
場合は縦に細長い楕円、フォーカス位置が近い方向（Ｚ
＞０）にずれている場合は横に細長い楕円となり、ベス
トフォーカス位置の近傍では円形である。反射光のビー
ム断面形状を楕円にするためには、第二のビームスプリ
ッター１１６と像拡大カメラ系１１８の間にシリンドリ
カルレンズを配置し、非点収差現象が生じるようにすれ
ばよい。なお、反射光強度変化は図２の場合と同様であ
る。In the method of determining the focus control direction from the change in the beam diameter described with reference to FIG. 2, the moving stage 13 needs to be moved once. This is because when the cross-sectional shape of the reflected light is circular, it cannot be directly determined whether it is far or near from the best focus position. Next, as a second embodiment of the present invention, a method of directly determining the focus control direction from the beam cross-sectional shape of the reflected light will be described. The curve 31 shown by the solid line in FIG. 3 is the diameter of the cross section of the reflected light beam with respect to the focus position in the X direction, and the curve 32 shown by the dotted line is Y.
It represents the diameter in the direction, and indicates that the diameter in the X direction and the diameter in the Y direction differ depending on the focus position. That is, the beam cross-sectional shape of the reflected light is elliptical. In this example, when the focus position is displaced in the far direction (Z <0), a vertically elongated ellipse is formed, and in the direction in which the focus position is close (Z <0).
When it is deviated to> 0), it becomes a slender ellipse horizontally, and it is circular near the best focus position. In order to make the beam cross-sectional shape of the reflected light into an elliptical shape, a cylindrical lens may be arranged between the second beam splitter 116 and the image enlarging camera system 118 so that an astigmatism phenomenon occurs. The change in reflected light intensity is the same as in the case of FIG.
【００１７】フォーカスはずれが大きくて、初期に点３
００の位置に被測定物１２がある場合、第一のフォーカ
ス判定部１７は反射光画像データからＸ、Ｙ方向のビー
ム径を算出し、Ｘ方向のビーム径がＹ方向のビーム径よ
りも小さいために縦方向の楕円であると判定し、ベスト
フォーカス位置から遠い方向にあることを検出する。し
たがって、ＣＣＷ方向に第一のフォーカス制御を行い、
ビーム断面形状がほぼ円形にちかくなる位置３１０まで
制御を繰り返す。初期に点３２０の位置に被測定物１２
があれば、同様にして横方向の楕円であると判定し、Ｃ
Ｗ方向に第一のフォーカス制御を行う。次は、前述のご
とく、反射光強度データから第二のフォーカス制御を行
い、ベストフォーカス位置に設定する。また、初期に位
置３１０に被測定物１２が存在する場合は、ビーム断面
がほぼ円形であることが検出されるため、ベストフォー
カス位置の近くにあると判定し、第二のフォーカス制御
を実行する。このように、反射光のＸ方向，Ｙ方向のビ
ーム径を比較することにより、被測定物１２の移動を行
わないでも初期のフォーカス制御方向を直ちに決定する
ことが可能である。The focus is out of focus, and the point 3 is initially set.
When the DUT 12 is at the position 00, the first focus determination unit 17 calculates the beam diameters in the X and Y directions from the reflected light image data, and the beam diameter in the X direction is smaller than the beam diameter in the Y direction. Therefore, it is determined to be an ellipse in the vertical direction, and it is detected that the ellipse is far from the best focus position. Therefore, the first focus control is performed in the CCW direction,
The control is repeated until the position 310 where the beam cross-sectional shape tends to be almost circular. The object to be measured 12 is initially placed at the position of the point 320.
If there is, it is similarly determined to be a horizontal ellipse, and C
First focus control is performed in the W direction. Next, as described above, the second focus control is performed from the reflected light intensity data to set the best focus position. Further, when the DUT 12 is present at the position 310 in the initial stage, it is detected that the beam cross section is substantially circular, so it is determined that the beam is near the best focus position, and the second focus control is executed. . In this way, by comparing the beam diameters of the reflected light in the X and Y directions, it is possible to immediately determine the initial focus control direction without moving the DUT 12.
【００１８】図６に本発明によるオートフォーカスのフ
ローチャート図を示す。図３に示した反射光のビーム形
状と反射光強度から判定する場合である。ステップ６０
１は画像処理によるレーザ光の断面ビーム形状検出で、
Ｘ、Ｙ方向のビーム径を検出する。ステップ６０３はビ
ーム形状判定で、縦に長い楕円（Ｘ＜Ｙ）、横に長い楕
円（Ｘ＞Ｙ）、円（Ｘ〜Ｙ）のいずれの形状かを判定す
る。楕円の場合はフォーカスはずれが大きいと判定し、
第一のフォーカス制御を行わせる。円の場合はベストフ
ォーカス位置の近くであると判定し、第一のフォーカス
制御は行わないで第二のフォーカス制御に入る。FIG. 6 shows a flowchart of autofocus according to the present invention. This is a case where the determination is made from the beam shape of the reflected light and the intensity of the reflected light shown in FIG. Step 60
1 is the cross-sectional beam shape detection of laser light by image processing,
The beam diameters in the X and Y directions are detected. Step 603 is a beam shape determination, which determines whether the shape is a vertically long ellipse (X <Y), a horizontally long ellipse (X> Y), or a circle (X to Y). If it is an ellipse, it is determined that the focus is out of focus,
The first focus control is performed. In the case of a circle, it is determined to be near the best focus position, and the second focus control is started without performing the first focus control.
【００１９】ステップ６０５は被測定物１２の移動で、
第一のフォーカス制御を行う場合の移動ステージ１３の
移動方向を設定して被測定物１２を移動する。縦に長い
楕円の場合はＣＣＷ方向に移動し、横に長い楕円の場合
はＣＷ方向に移動する。このときの移動ステップは５μ
ｍほどの比較的大きなステップとし、円形に近いビーム
形状が得られるまで、ステップ６０１、６０３、６０５
を繰り返し実行する。反射光のビームスポット径を比較
して形状を判定する場合は、予め被測定物１２を移動さ
せないでもフォーカス制御方向が決定できる。Step 605 is the movement of the object to be measured 12,
The object to be measured 12 is moved by setting the moving direction of the moving stage 13 when the first focus control is performed. In the case of a vertically long ellipse, it moves in the CCW direction, and in the case of a horizontally long ellipse, it moves in the CW direction. The movement step at this time is 5μ
Steps 601, 603, and 605 are performed until a beam shape close to a circle is obtained by using a relatively large step of about m.
Is repeatedly executed. When the shape is determined by comparing the beam spot diameters of the reflected light, the focus control direction can be determined without moving the DUT 12 in advance.
【００２０】ステップ６０７は第二のフォーカス制御を
行う場合の反射光強度の検出で、円形のビーム形状が得
られた後に行う。ステップ６０９は移動ステージ１３の
移動方向を設定して被測定物１２を移動させる。このと
きの移動ステップは１μｍほどの比較的小さなステップ
とする。移動方向はステップ６０５で決定された方向に
設定すればよいが、ステージ移動を行う前にステップ６
０３で円形ビームが得られた場合は、初期設定として、
例えばＣＣＷ方向に移動する。ステップ６１１は反射光
強度検出で、移動後のフォーカス位置での反射光強度を
検出する。Step 607 is the detection of the reflected light intensity when the second focus control is performed, and is performed after the circular beam shape is obtained. In step 609, the moving direction of the moving stage 13 is set and the measured object 12 is moved. The moving step at this time is a relatively small step of about 1 μm. The moving direction may be set to the direction determined in step 605, but before moving the stage, step 6
If a circular beam is obtained with 03, the initial setting is
For example, it moves in the CCW direction. In step 611, the reflected light intensity is detected, and the reflected light intensity at the focus position after the movement is detected.
【００２１】ステップ６１３は反射光強度増減判定で、
被測定物１２のフォーカス位置の移動前後での反射光強
度の増減を判定するとともに、移動方向の再設定を行
う。移動後の反射光強度が移動前の反射光強度よりも増
加すれば、フォーカス制御は順方向と判定し、ステップ
６１５で再び被測定物１２を移動させ、フォーカス制御
を継続する。また、最初に円形ビームが得られた場合、
初期のＣＣＷ方向への移動で反射光強度が減少したら、
逆方向であると判定し、ＣＷ方向への移動に設定し、フ
ォーカス制御を継続する。フォーカス制御を継続する
と、ベストフォーカス位置を飛び越えた状態が生じ、反
射光強度が増加から減少に転じる。ステップ６１７は移
動ステージ１３の制御方向の反転移動で、ＣＣＷ方向に
１μｍステップで移動していればＣＷ方向に０．５μｍ
反転させ、ベストフォーカス位置であると判定してフォ
ーカス制御を終了する。In step 613, the reflected light intensity increase / decrease is determined.
The increase / decrease of the reflected light intensity before and after the movement of the focus position of the DUT 12 is determined, and the movement direction is reset. If the reflected light intensity after the movement is higher than the reflected light intensity before the movement, it is determined that the focus control is in the forward direction, the object to be measured 12 is moved again in step 615, and the focus control is continued. Also, if you first get a circular beam,
If the reflected light intensity decreases due to the initial movement in the CCW direction,
It is determined to be in the opposite direction, the movement in the CW direction is set, and focus control is continued. When the focus control is continued, a state where the best focus position is jumped over occurs, and the reflected light intensity starts to increase and then decreases. Step 617 is a reversal movement of the control direction of the moving stage 13, and if it is moved in the CCW direction in 1 μm steps, it is 0.5 μm in the CW direction.
The focus control is ended by reversing and determining that the focus position is the best focus position.
【００２２】[0022]
【発明の効果】上記のごとく本発明は被測定物からの反
射光検出光路を二つの光路に分割し、反射光ビーム断面
形状と反射光強度という異なる特性を有する二種類の情
報を、異なる二種類の受光器を用いて検出する構成であ
る。反射光ビーム断面積はフォーカスずれの距離に応じ
て変化する特性を有するため、フォーカスはずれが大き
い場合にフォーカス制御の方向を決定するのに有効であ
る。このフォーカス制御はベストフォーカス位置近くま
での制御を行うもので、粗い移動ステップで行うことで
フォーカス制御の高速化に有効である。さらに、上記の
予備的なフォーカス制御に続いて反射光強度変化を検出
することで、ベストフォーカス位置を少ない移動ステッ
プで正確に決定することが可能になる。したがって、本
発明によるオートフォーカス制御装置は従来の装置に比
べてフォーカス位置判定を正確、高速に行うことが可能
であるため、レーザ走査顕微鏡などを用いたサブミクロ
ンの形状計測に応用したとき、高速、高精度な計測が実
現できる。As described above, according to the present invention, the reflected light detecting optical path from the object to be measured is divided into two optical paths, and two types of information having different characteristics of the reflected light beam cross-sectional shape and the reflected light intensity are distinguished from each other. This is a configuration in which detection is performed using various types of light receivers. Since the cross-sectional area of the reflected light beam has a characteristic that it changes according to the distance of the focus shift, it is effective in determining the direction of focus control when the focus shift is large. This focus control performs control up to near the best focus position, and is effective in speeding up the focus control by performing the coarse movement steps. Further, by detecting the reflected light intensity change following the preliminary focus control described above, it becomes possible to accurately determine the best focus position with a small number of movement steps. Therefore, the autofocus control device according to the present invention can perform the focus position determination more accurately and at higher speed than the conventional device. Therefore, when applied to the submicron shape measurement using a laser scanning microscope, etc. Highly accurate measurement can be realized.
【図１】本発明の実施例の構成を示すブロック図であ
る。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention.
【図２】本発明のフォーカス制御の第一の方法を説明す
る図で、フォーカス位置による反射光強度変化と反射光
ビームスポット径の変化を示す図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the first method of focus control of the present invention, and is a diagram showing changes in reflected light intensity and changes in reflected light beam spot diameter depending on the focus position.
【図３】本発明のフォーカス制御の第二の方法を説明す
る図で、フォーカス位置による反射光ビーム径の変化を
示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a second method of focus control according to the present invention, and is a diagram showing a change in a reflected light beam diameter depending on a focus position.
【図４】従来のフォーカス制御方法を説明する図で、
（ａ）はフォーカス制御装置の構成例で、（ｂ）は反射
光強度の変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a conventional focus control method,
(A) is a structural example of a focus control device, (b) is a figure which shows the change of reflected light intensity.
【図５】従来のフォーカス制御方法を説明する図で、２
分割受光器を用いたときの反射光強度の差強度変化を示
す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a conventional focus control method.
It is a figure which shows the difference intensity change of the reflected light intensity when a division light receiver is used.
【図６】本発明のフォーカス制御の第二の方法を説明す
るフローチャート図である。FIG. 6 is a flowchart illustrating a second method of focus control according to the present invention.
１０ レーザ光源 １２ 被測定物 １３ 移動ステージ １４ 第一の受光器 １５ 第二の受光器 １７ 第一のフォーカス判定部 １８ 第二のフォーカス判定部 10 Laser Light Source 12 Object to be Measured 13 Moving Stage 14 First Light Receiver 15 Second Light Receiver 17 First Focus Judgment Section 18 Second Focus Judgment Section
Claims (1)
物レンズで集光して被測定物に照射し、該被測定物から
の反射光を検出し、前記対物レンズと被測定物の間の距
離を変える移動手段を用いてフォーカス制御を行うオー
トフォーカス制御装置において、前記被測定物からの反
射光の検出光路を二方向に分割し、一方の光路を進行す
る反射光のビーム断面形状を第一の受光器で検出し、他
方の光路を進行する反射光の反射光強度を第二の受光器
で検出し、第一のフォーカス判定部で前記第一の受光器
で検出された反射光のビーム断面形状から反射光のビー
ムスポット径が小さくなるフォーカス制御方向を決定
し、ベストフォーカス位置の近傍まで粗い移動ステップ
で前記移動手段で第一のフォーカス制御を行い、第二の
フォーカス判定部で前記第二の受光器で検出された反射
光の強度が増加するフォーカス制御方向を決定し、ベス
トフォーカス位置まで細かい移動ステップで前記移動手
段で第二のフォーカス制御を行うことを特徴とするオー
トフォーカス制御装置。1. A laser beam emitted from a laser light source is condensed by an objective lens and is irradiated to an object to be measured, and reflected light from the object to be measured is detected, and a space between the objective lens and the object to be measured is detected. In an autofocus control device for performing focus control using a moving means that changes the distance, the detection optical path of the reflected light from the object to be measured is divided into two directions, and the beam cross-sectional shape of the reflected light traveling in one optical path is divided into two parts. Detected by one light receiver, the reflected light intensity of the reflected light traveling the other optical path is detected by the second light receiver, and the reflected light intensity of the reflected light detected by the first light receiver by the first focus determination unit. The focus control direction in which the beam spot diameter of the reflected light becomes smaller is determined from the beam cross-sectional shape, and the first focus control is performed by the moving means in the coarse movement step to the vicinity of the best focus position, and the second focus determination unit performs the first focus control. The autofocus is characterized in that the focus control direction in which the intensity of the reflected light detected by the second light receiver increases is determined, and the second focus control is performed by the moving means in fine moving steps to the best focus position. Control device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9542096A JPH09281384A (en) | 1996-04-17 | 1996-04-17 | Autofocusing controller |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9542096A JPH09281384A (en) | 1996-04-17 | 1996-04-17 | Autofocusing controller |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09281384A true JPH09281384A (en) | 1997-10-31 |
Family
ID=14137209
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9542096A Pending JPH09281384A (en) | 1996-04-17 | 1996-04-17 | Autofocusing controller |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09281384A (en) |
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Legal Events
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| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20051213 |