JPH1062682A - 焦点検出装置及び焦点制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、試料の画像のＳ／Ｎを低下させるこ
となくパターンの無い試料でも簡単に焦点状態を検出す
る。 【解決手段】観察用光を横格子板２７及び縦格子板２８
に通過させて孔開きミラー２０で反射させて半導体ガラ
スマスク１に照射し、この半導体ガラスマスク１からの
反射像を再び孔開きミラー２０で反射させて画像取込み
用センサ３１に入射し、このときの横格子縞のコントラ
ストと縦格子縞のコントラストとに基づいて画像取込み
用センサ１１に対する半導体ガラスマスク１のマスク像
の焦点状態を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体ウエ
ハ又はマスクガラス等の試料の画像を取り込むときの焦
点合わせを行うに適用される焦点検出装置及び焦点制御
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような試料に対する焦点合わせの技
術としては、例えば特公昭６２−１９６８５号公報及び
特公平２−１３８７７号公報がある。このうち特公昭６
２−１９６８５号公報は、物体表面の微細の凹凸を測定
するもので、微細な周期性パターン、例えばグレーティ
ング等の射影物体を光源で照明し、その透過光もしくは
反射光を被測定物体上に射影光学系を用いて結像し、こ
のときに表面が滑らかで光沢を有する物体に対しても物
体表面にコントラストのある微細な周期性パターンが結
像され、もし所望の位置に物体がない場合にはコントラ
ストの悪いぼけた微細パターンが投影されることを利用
したことが記載されている。

【０００３】又、特公平２−１３８７７号公報は、被写
体と撮像素子の受光面との光路長を微動し、撮像素子よ
り得た高周波成分の信号の振幅が最大になるようにレン
ズの焦点整合装置を駆動することが記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
技術では、微細な周期性パターンの射影物体の透過光も
しくは反射光を被測定物体上に結像し、このときの微細
な周期性パターンのコントラストから合焦点に合わせて
いるが、被測定物体をセンサにより観察するときには、
この観察画像に微細な周期性パターンの画像もセンサに
入ってしまう、つまりスーパーインポーズされた画像と
なってしまい、被測定物体に対する画像のＳ／Ｎが低く
なり観察が困難となる。

【０００５】又、後者の技術は、被写体と撮像素子の受
光面との光路長を微動したときに撮像素子より得た高周
波成分の信号の振幅が最大になるようにしているが、例
えば半導体ウエハのように部分的にパターンの無いとこ
ろが存在する被写体に対しては適用できない。

【０００６】そこで本発明は、試料の画像のＳ／Ｎを低
下させることなくパターンの無い試料でも簡単に焦点状
態を検出できる焦点検出装置を提供することを目的とす
る。又、本発明は、試料の画像のＳ／Ｎを低下させるこ
となくパターンの無い試料でも簡単に合焦点に制御でき
る焦点制御装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１によれば、試料
の像を結像光学系を通してセンサに結像するときの焦点
を検出する焦点検出装置において、結像光学系の光路上
に配置され、結像光学系の光路に当たる部分に孔が形成
された孔開きミラーと、観察用光を少なくとも１つの格
子板を通過させ、この格子板を通過した観察光を孔開き
ミラーで反射させて試料に照射したときの試料からの反
射像を再び孔開きミラーで反射させて反射像を観察し、
かつ格子板の観察用光の光軸方向における各配置位置で
観察される格子像のコントラストに基づいてセンサに対
する試料像の焦点状態を検出する反射照明手段と、を備
えた焦点検出装置である。

【０００８】このような焦点検出装置であれば、観察用
光を少なくとも１つの格子板を通過させ、この格子板を
通過した観察光を孔開きミラーで反射させて試料に照射
する。そして、試料からの反射像を再び孔開きミラーで
反射させて反射像を観察する際、格子板の各配置位置で
観察される格子像のコントラストに基づいてセンサに対
する試料像の焦点状態を検出する。

【０００９】従って、試料の像は、結像光学系を通して
センサに結像するとき、孔開きミラーの孔部分を通過す
ることになり、試料の画像のＳ／Ｎを低下させることな
くパターンの無い試料でも簡単に焦点状態を検出でき
る。

【００１０】請求項２によれば、請求項１記載の焦点検
出装置において、反射照明手段は、観察用光を照射する
観察用光源と、この観察用光源の光軸上に配置された少
なくとも１つの格子板と、この格子板を通過した観察用
光を集光して孔開きミラーを介して試料に照射し、かつ
孔開きミラーで反射してくる試料からの反射像を集光す
る集光レンズと、この集光レンズの結像位置に配置され
た反射像観察カメラと、格子板の観察用光の光軸方向に
おける配置位置を変更したとき、反射像観察カメラで観
察される格子像のコントラストに基づいてセンサに対す
る試料像の焦点状態を検出する合焦検出手段と、を備え
ている。

【００１１】請求項３によれば、請求項１又は２記載の
焦点検出装置において、反射照明手段は、観察用光の光
軸上の異なる位置に縦格子板と横格子板とを配置し、こ
れら縦格子板及び横格子板により観察される各格子像の
コントランストが略同一となる試料位置を合焦とする。

【００１２】請求項４によれば、請求項１又は２記載の
焦点検出装置において、反射照明手段は、観察用光の光
軸上に少なくとも１つの格子板を配置し、かつこの格子
板を２つの所定位置に交互に配置し、これら位置により
観察される格子板による格子像の各コントランストが略
同一となる試料位置を合焦とする。

【００１３】請求項５によれば、請求項１又は２記載の
焦点検出装置において、反射照明手段は、観察用光の光
軸上に少なくとも１つの格子板を配置し、かつこの格子
板を観察用光の光軸上に移動させ、このときに観察され
る格子板による格子像のコントランストが最も高くなる
ところを試料位置を合焦とする。

【００１４】請求項６によれば、試料の像を結像光学系
を通してセンサに結像するときの焦点を合焦に制御する
焦点制御装置において、結像光学系の光路上に配置さ
れ、結像光学系の光路に当たる部分に孔が形成された孔
開きミラーと、観察用光を少なくとも１つの格子板を通
過させ、この格子板を通過した観察光を孔開きミラーで
反射させて試料に照射したときの試料からの反射像を再
び孔開きミラーで反射させて反射像を観察し、かつ格子
板の観察用光の光軸方向における各配置位置で観察され
る格子像のコントラストに基づいてセンサに対する試料
像の焦点状態を検出する反射照明手段と、この反射照明
手段により検出された合焦位置に試料を移動して合わせ
る焦点制御手段と、を備えた焦点制御装置である。

【００１５】このような焦点制御装置であれば、観察用
光を少なくとも１つの格子板を通過させ、この格子板を
通過した観察光を孔開きミラーで反射させて試料に照射
する。そして、試料からの反射像を再び孔開きミラーで
反射させて反射像を観察する際、格子板の各配置位置で
観察される格子像のコントラストに基づいてセンサに対
する試料像の焦点状態を検出し、この検出された合焦位
置に試料を移動して合わせる。

【００１６】従って、試料の像は、結像光学系を通して
センサに結像するとき、孔開きミラーの孔部分を通過す
ることになり、試料の画像のＳ／Ｎを低下させることな
くパターンの無い試料でも簡単に合焦点に制御できる。

【００１７】請求項７によれば、請求項６記載の焦点制
御装置において、反射照明手段は、観察用光を照射する
観察用光源と、この観察用光源の光軸上に配置された少
なくとも１つの格子板と、この格子板を通過した観察用
光を集光して孔開きミラーを介して試料に照射し、かつ
孔開きミラーで反射してくる試料からの反射像を集光す
る集光レンズと、この集光レンズの結像位置に配置され
た反射像観察カメラと、格子板の観察用光の光軸方向に
おける配置位置を変更したとき、反射像観察カメラで観
察される格子像のコントラストに基づいてセンサに対す
る試料像の合焦を検出する合焦検出手段と、を備えてい
る。

【００１８】請求項８によれば、請求項６又は７記載の
焦点制御装置において、反射照明手段は、観察用光の光
軸上の異なる位置に縦格子板と横格子板とを配置し、こ
れら縦格子板及び横格子板により観察される各格子像の
コントランストが略同一となる試料位置を合焦とする。

【００１９】請求項９によれば、請求項６又は７記載の
焦点制御装置において、反射照明手段は、観察用光の光
軸上に少なくとも１つの格子板を配置し、かつこの格子
板を２つの所定位置に交互に配置し、これら位置により
観察される格子板による格子像の各コントランストが略
同一となる試料位置を合焦とする。

【００２０】請求項１０によれば、請求項６又は７記載
の焦点制御装置において、反射照明手段は、観察用光の
光軸上に少なくとも１つの格子板を配置し、かつこの格
子板を観察用光の光軸上に移動させ、このときに観察さ
れる格子板による格子像のコントランストが最も高くな
るところを試料位置を合焦とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】 (1) 以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参
照して説明する。図１は半導体検査装置に適用した焦点
検出及び焦点制御の機能を有する焦点制御装置の構成図
である。

【００２２】試料である半導体ガラスマスク１の一面
側、例えば半導体ガラスマスク１の下方には、検査照明
光学系２が配置されている。この検査照明光学系２は、
半導体ガラスマスク１を照明するもので、検査用光源３
を備え、この検査用光源３の光路上に各光学レンズ４〜
７及び各絞り８、９を配置した構成となっている。

【００２３】又、半導体ガラスマスク１の他面側、例え
ば半導体ガラスマスク１の上方には、結像光学系１０が
配置されている。この結像光学系１０は、半導体ガラス
マスク１の像を画像取込み用センサ１１に結像させるも
ので、対物レンズ１２及び結像レンズ１３を同一光軸上
に配置した構成となっている。

【００２４】画像取込み用センサ１１は、入射した半導
体ガラスマスク１の像を画像信号に変換出力する機能を
有している。検査装置１４は、画像取込み用センサ１１
から出力された画像信号を入力し、この画像信号から半
導体ガラスマスク１の表面等を検査する機能を有してい
る。

【００２５】一方、結像光学系１０の光路上には、孔開
きミラー２０が配置されている。この孔開きミラー２０
は、結像光学系１０の光軸に対して例えば角度４５°だ
け傾けて配置され、かつ結像光学系１０の光路に当たる
部分に光通過孔２１が形成されている。

【００２６】この孔開きミラー２０の反射光路方向に
は、反射照明手段２２が配置されている。この反射照明
手段２２は、結像光学系１０を通した半導体ガラスマス
ク１の画像取込み用センサ１１に対する焦点状態を検出
する機能を有している。

【００２７】この反射照明手段２２は、焦点状態を観察
するための観察用光を出力する観察用光源２３を備えて
いる。この観察用光源２３から出力される観察用光の光
路上には、２つの光学レンズ２４、２５が配置され、観
察用光源２３から放射された観察用光が平行光に変換さ
れる。

【００２８】これら光学レンズ２４、２５を通した光軸
上には、視野絞り２６が配置され、この視野絞り２６の
前後に横格子板２７、縦格子板２８がそれぞれ配置され
ている。すなわち、視野絞り２６の観察用光源２３側に
は横格子板２７が配置され、視野絞り２６の半導体ガラ
スマスク１側には縦格子板２８がそれぞれ配置されてい
る。

【００２９】横格子板２７は、図２(a) に示すように横
方向に半面だけ格子が形成されたものであり、縦格子板
２８は、同図(b) に示すように横格子に対して垂直方向
に半面だけ格子が形成されたものである。

【００３０】これら横格子板２７及び縦格子板２８を通
した光軸上には、ハーフミラー２９及び集光レンズ３０
が配置されている。従って、横格子板２７の横格子縞
は、集光レンズ３０及び対物レンズ１２の光路ａを通っ
てＡ位置で結像し、又、縦格子板２８の縦格子縞は、集
光レンズ３０及び対物レンズ１２の光路ｂを通ってＣ位
置で結像するものとなっている。

【００３１】又、ハーフミラー２９の分岐方向には、反
射像観察カメラ３１が配置されている。この反射像観察
カメラ３１は、横格子板２７及び縦格子板２８を通過し
た観察用光が各集光レンズ３０、１２及び孔開きミラー
２０を介して半導体ガラスマスク１に照射され、再び孔
開きミラー２０及び各集光レンズ１２、３０を介して戻
ってくる観察用光、すなわち横格子板２７の横格子縞及
び縦格子板２８の縦格子縞を撮像し、これら横格子縞及
び縦格子縞の画像信号を出力する機能を有している。

【００３２】合焦検出装置３２は、反射像観察カメラ３
１から出力される画像信号を入力し、この画像信号によ
る横格子板２７の横格子縞のコントラスト及び縦格子板
２８の縦格子縞のコントラストに基づいて結像光学系１
０による画像取込み用センサ１１に対する半導体ガラス
マスク１の焦点状態を検出する機能を有するもので、コ
ントラスト抽出部３３、フォーカスずれ算出部３４及び
フォーカス調整部３４の各機能を有している。

【００３３】コントラスト抽出部３３は、反射像観察カ
メラ３１から出力される画像信号から横格子板２７の横
格子縞のコントラスト及び縦格子板２８の縦格子縞のコ
ントラストを抽出する機能を有している。

【００３４】フォーカスずれ算出部３４は、コントラス
ト抽出部３３により抽出された横格子縞のコントラスト
と縦格子縞のコントラストとを比較し、これら横格子縞
のコントラストと縦格子縞のコントラストとが図３(b)
に示すように略同一であれば、半導体ガラスマスク１は
合焦点（Ｂ位置）の位置に配置されていると判断し、か
つ同図(a) に示すように横格子縞のコントラストが縦格
子縞のコントラストよりも高ければ、半導体ガラスマス
ク１はＡ位置側に配置されていると判断し、同図(c) に
示すように縦格子縞のコントラストが横格子縞のコント
ラストよりも高ければ、半導体ガラスマスク１はＣ位置
側に配置されていると判断する機能を有している。

【００３５】すなわち、半導体ガラスマスク１の表面が
Ａ位置にあれば、横格子板２７に焦点が合い横格子縞の
コントラストが高くなり、又、半導体ガラスマスク１の
表面がＣ位置にあれば、縦格子板２８に焦点が合い縦格
子縞のコントラストが高くなる。

【００３６】このフォーカスずれ算出部３４は、横格子
縞のコントラストと縦格子縞のコントラストとのコント
ラスト差から半導体ガラスマスク１の合焦点位置からの
ずれ量を算出する機能を有している。

【００３７】フォーカス調整部３４は、フォーカスずれ
算出部３４により算出された半導体ガラスマスク１の合
焦点位置からのずれ量を受け、このずれ量に対応する駆
動制御信号を試料駆動機構３６に送出する機能を有して
いる。

【００３８】この試料駆動機構３６は、フォーカス調整
部３４からの駆動制御信号を受け、この駆動制御信号に
従って半導体ガラスマスク１の位置を結像光学系１０の
光軸方向に沿ってＡ側又はＣ側に移動する機能を有して
いる。

【００３９】なお、合焦検出装置３２は、反射像観察カ
メラ３１から出力される画像信号をモニタテレビジョン
３７に送り、このモニタテレビジョン３７に横格子板２
７の横格子縞、縦格子板２８の縦格子縞を映し出す機能
を有している。

【００４０】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。半導体ガラスマスク１は、検査照明光学
系２により照明され、かつ半導体ガラスマスク１の像
は、結像光学系１０の対物レンズ１２及び結像レンズ１
３を通して画像取込み用センサ１１に結像される。

【００４１】このとき、結像光学系１０の半導体ガラス
マスク１の像は、孔開きミラー２０の光通過孔２１を通
過して画像取込み用センサ１１に至る。一方、観察用光
源２３から放射された観察用光は、各光学レンズ２４、
２５により平行光に変換されて横格子板２７、視野絞り
２６、縦格子板２８を透過し、さらにハーフミラー２
９、集光レンズ３０を通して孔開きミラー２０で反射
し、対物レンズ１２を通して半導体ガラスマスク１に照
射される。

【００４２】このとき、横格子板２７の格子縞は光路ａ
を通ってＡ位置で結像し、縦格子板２８の格子縞は光路
ｃを通ってＣ位置で結像する。半導体ガラスマスク１で
反射した観察用光、つまり横格子板２７の格子縞及び縦
格子板２８の格子縞は、それぞれ再び光路ａ、ｂを戻っ
てハーフミラー２９に到達し、このハーフミラー２９で
反射して反射像観察カメラ３１に入射する。

【００４３】この反射像観察カメラ３１は、入射した横
格子板２７の格子縞及び縦格子板２８の格子縞を撮像
し、これら横格子縞及び縦格子縞の画像信号を出力す
る。合焦検出装置３２は、反射像観察カメラ３１から出
力される画像信号を入力し、この画像信号をコントラス
ト抽出部３３に渡すとともにモニタテレビジョン３７に
渡す。

【００４４】このモニタテレビジョン３７には、結像光
学系１０を通して画像取込み用センサ１１に結像される
半導体ガラスマスク１の焦点状態に応じた横格子板２７
の横格子縞及び縦格子板２８の縦格子縞のコントラス
ト、すなわち図３(a) 〜(c) に示すいずれかの焦点状態
に応じた横格子板２７の横格子縞及び縦格子板２８の縦
格子縞が映し出される。

【００４５】なお、点線部分はコントラントが悪い部分
を表し、実線部分はコントラントがよい部分を示す。
又、併せてこれらの場合の画像信号も示す。一方、コン
トラスト抽出部３３は、反射像観察カメラ３１から出力
される画像信号から図４に示す格子縞の画像データ３８
を作成し、この画像データ３８から横格子板２７の横格
子縞のコントラスト及び縦格子板２８の縦格子縞のコン
トラストを抽出する。

【００４６】このコントラスト抽出は、例えば図４に示
すように格子縞の画像データ３８に対し、互いに直交す
る各走査ラインＳａ、Ｓｂ上を走査し、この走査ライン
Ｓａから横格子縞のコントラストを抽出し、走査ライン
Ｓｂから縦格子縞のコントラストを抽出する。

【００４７】次にフォーカスずれ算出部３４は、コント
ラスト抽出部３３により抽出された横格子縞のコントラ
ストと縦格子縞のコントラストとを比較する。この比較
の結果、横格子縞のコントラストと縦格子縞のコントラ
ストとが図３(b) に示すように略同一であれば、フォー
カスずれ算出部３４は、半導体ガラスマスク１は合焦点
（Ｂ位置）の位置に配置されていると判断する。

【００４８】又、フォーカスずれ算出部３４は、同図
(a) に示すように横格子縞のコントラストが縦格子縞の
コントラストよりも高ければ、半導体ガラスマスク１は
Ａ位置側に配置されていると判断し、同図(c) に示すよ
うに縦格子縞のコントラストが横格子縞のコントラスト
よりも高ければ、半導体ガラスマスク１はＣ位置側に配
置されていると判断する。

【００４９】そして、このフォーカスずれ算出部３４
は、横格子縞のコントラストと縦格子縞のコントラスト
とのコントラスト差から半導体ガラスマスク１の合焦点
位置からのずれ量を算出する。

【００５０】次にフォーカス調整部３４は、フォーカス
ずれ算出部３４により算出された半導体ガラスマスク１
の合焦点位置からのずれ量を受け、このずれ量に対応す
る駆動制御信号を試料駆動機構３６に送出する。

【００５１】この試料駆動機構３６は、フォーカス調整
部３４からの駆動制御信号を受け、この駆動制御信号に
従って半導体ガラスマスク１の位置をＡ側又はＣ側に移
動する。

【００５２】この結果、横格子縞のコントラストと縦格
子縞のコントラストとが図３(b) に示すように略同一と
なるＢ位置に半導体ガラスマスク１が配置され、合焦点
の状態で、半導体ガラスマスク１のマスク像が画像取込
み用センサ１１に入射する。

【００５３】この画像取込み用センサ１１は、入射した
半導体ガラスマスク１のマスク像を画像信号に変換出力
する。検査装置１４は、画像取込み用センサ１１から出
力された画像信号を入力し、この画像信号から半導体ガ
ラスマスク１の表面等を検査する。

【００５４】このように上記第１の実施の形態において
は、観察用光を横格子板２７及び縦格子板２８に通過さ
せて孔開きミラー２０で反射させて半導体ガラスマスク
１に照射し、この半導体ガラスマスク１からの反射像を
再び孔開きミラー２０で反射させて画像取込み用センサ
３１に入射し、このときの横格子縞のコントラストと縦
格子縞のコントラストとに基づいて画像取込み用センサ
１１に対する半導体ガラスマスク１のマスク像の焦点状
態を検出するので、半導体ガラスマスク１のマスク像は
孔開きミラー２０の孔部分を通過することになり、半導
体ガラスマスク１のマスク像に横格子板２７及び縦格子
板２８の格子縞をスーパーインポーズして半導体ガラス
マスク１のマスク像のＳ／Ｎを低下させることなく、か
つパターンの無い試料でも簡単に焦点状態を検出し、そ
のうえ検出した焦点状態に応じて半導体ガラスマスク１
を移動させて合焦点状態に制御できる。

【００５５】又、反射照明手段２２に横格子板２７及び
縦格子板２８を配置するだけであり、装置の構成が簡単
である。 (2) 次に本発明の第２の実施の形態について説明する。

【００５６】この第２の実施の形態は、上記第１の実施
の形態において横格子板２７と縦格子板２８とを同時に
配置しているが、これら格子板２７、２８をそれぞれ時
間的に交互に配置するものである。

【００５７】すなわち、反射照明手段２２の光路上に、
横格子板２７のみを配置すれば、反射像観察カメラ３１
は、この横格子板２７による横格子縞を撮像し、その横
格子縞の画像信号を出力する。

【００５８】又、反射照明手段２２に縦格子板２８のみ
を配置すれば、反射像観察カメラ３１は、この縦格子板
２８による縦格子縞を撮像し、その縦格子縞の画像信号
を出力する。

【００５９】従って、コントラスト抽出部３３は、横格
子縞の画像信号を入力して横格子縞の画像データを作成
し、又、縦格子縞の画像信号を入力して縦格子縞の画像
データを作成し、これら横格子縞と縦格子縞との各画像
データに対してそれぞれ走査を行って横格子縞のコント
ラストと縦格子縞のコントラストとを抽出する。

【００６０】次にフォーカスずれ算出部３４は、コント
ラスト抽出部３３により抽出された横格子縞のコントラ
ストと縦格子縞のコントラストとを比較し、この比較の
結果から上記同様に焦点状態の判断し、半導体ガラスマ
スク１の合焦点位置からのずれ量を算出し、次にフォー
カス調整部３５は、このずれ量に対応する駆動制御信号
を試料駆動機構３６に送出するものとなる。

【００６１】このように上記第２の実施の形態において
は、反射照明手段２２の光路上に、横格子板２７と縦格
子板２８とをそれぞれ交互に配置しても、上記第１の実
施の形態と同様に、半導体ガラスマスク１のマスク像は
孔開きミラー２０の孔部分を通過することになり、半導
体ガラスマスク１のマスク像に横格子板２７及び縦格子
板２８の格子縞をスーパーインポーズして半導体ガラス
マスク１のマスク像のＳ／Ｎを低下させることなく、か
つパターンの無い試料でも簡単に焦点状態を検出し、そ
のうえ検出した焦点状態に応じて半導体ガラスマスク１
を移動させて合焦点状態に制御でき、さらに反射照明手
段２２に横格子板２７及び縦格子板２８を配置するだけ
で装置の構成を簡単にできる。 (3) 次に本発明の第３の実施の形態について説明する。
なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい
説明は省略する。

【００６２】図５は半導体検査装置に適用した焦点検出
及び焦点制御の機能を有する焦点制御装置の構成図であ
る。反射照明手段２２には、観察用光の光軸上に１つの
格子板、例えば横格子板２７を配置し、かつこの横格子
板２７を視野絞り２６の前後に交互に配置し、これら位
置により観察される横格子板２７による横格子像の各コ
ントランストが略同一となる半導体ガラスウエハ１の位
置を合焦点とするものとなっている。

【００６３】なお、横格子板２７に代えて縦格子板２８
を視野絞り２６の前後に交互に配置してもよい。次に上
記の如く構成された装置の作用について説明する。

【００６４】検査照明光学系２により照明さた半導体ガ
ラスマスク１の像は、結像光学系１０を通して画像取込
み用センサ１１に結像される。このとき、半導体ガラス
マスク１の像は、孔開きミラー２０の光通過孔２１を通
過して画像取込み用センサ１１に至る。

【００６５】一方、反射照明手段２２において、横格子
板２７は、視野絞り２６の観察用光源２３側に配置され
ている。この状態に、観察用光源２３から放射された観
察用光は、各光学レンズ２４、２５により平行光に変換
されて横格子板２７、視野絞り２６を透過し、さらにハ
ーフミラー２９、集光レンズ３０を通して孔開きミラー
２０で反射し、対物レンズ１２を通して半導体ガラスマ
スク１に照射される。

【００６６】この半導体ガラスマスク１で反射した観察
用光、つまり横格子板２７の横格子縞は、再び孔開きミ
ラー２０で反射してハーフミラー２９に到達し、このハ
ーフミラー２９で反射して反射像観察カメラ３１に入射
する。

【００６７】この反射像観察カメラ３１は、入射した横
格子板２７の格子縞を撮像し、その横格子縞の画像信号
を出力する。次に反射照明手段２２において、横格子板
２７は、視野絞り２６の半導体ガラスウンハ１側に配置
される。

【００６８】この状態に、観察用光源２３から放射され
た観察用光は、上記同様に、各光学レンズ２４、２５か
ら視野絞り２６、横格子板２７を透過し、さらにハーフ
ミラー２９、集光レンズ３０を通して孔開きミラー２０
で反射し、対物レンズ１２を通して半導体ガラスマスク
１に照射される。

【００６９】この半導体ガラスマスク１で反射した横格
子板２７の横格子縞は、再び孔開きミラー２０で反射し
てハーフミラー２９に到達し、このハーフミラー２９で
反射して反射像観察カメラ３１に入射する。

【００７０】この反射像観察カメラ３１は、入射した横
格子板２７の格子縞を撮像し、その横格子縞の画像信号
を出力する。合焦検出装置３２のコントラスト抽出部３
３は、反射像観察カメラ３１から出力される画像信号か
ら各横格子縞の画像データ、すなわち、図６(a) に示す
横格子板２７が視野絞り２６の観察用光源２３側に配置
されたときの横格子縞の画像データ４０、同図(b) に示
す横格子板２７が視野絞り２６の半導体ガラスウエハ１
側に配置されたときの横格子縞の画像データ４１を作成
し、これら画像データ４０、４１からそれぞれ横格子縞
のコントラストを抽出する。

【００７１】次にフォーカスずれ算出部３４は、コント
ラスト抽出部３３により抽出された横格子縞の各コント
ラストを比較し、これら横格子縞のコントラストが略同
一であれば、半導体ガラスマスク１は合焦点（Ｂ位置）
の位置に配置されていると判断する。

【００７２】又、フォーカスずれ算出部３４は、観察用
光源２３側に横格子板２７を配置したときの横格子縞の
コントラストが半導体ガラスウエハ１側に横格子板２７
を配置したときの横格子縞のコントラストよりも高けれ
ば、半導体ガラスマスク１はＡ位置側に配置されている
と判断し、又、半導体ガラスウエハ１側に横格子板２７
を配置したときの横格子縞のコントラストが観察用光源
２３側に横格子板２７を配置したときの横格子縞のコン
トラストよりも高ければ、半導体ガラスマスク１はＣ位
置側に配置されていると判断する。

【００７３】そして、このフォーカスずれ算出部３４
は、これら横格子縞のコントラストのコントラスト差か
ら半導体ガラスマスク１の合焦点位置に対するずれ量を
算出する。

【００７４】次にフォーカス調整部３５は、フォーカス
ずれ算出部３４により算出された半導体ガラスマスク１
の合焦点位置からのずれ量を受け、このずれ量に対応す
る駆動制御信号を試料駆動機構３６に送出する。

【００７５】この試料駆動機構３６は、フォーカス調整
部３４からの駆動制御信号を受け、この駆動制御信号に
従って半導体ガラスマスク１の位置をＡ側又はＣ側に移
動する。

【００７６】この結果、半導体ガラスマスク１はＢ位置
に配置され、合焦点の状態で、半導体ガラスマスク１の
マスク像が画像取込み用センサ１１に入射する。この画
像取込み用センサ１１は、入射した半導体ガラスマスク
１のマスク像を画像信号に変換出力する。

【００７７】検査装置１４は、画像取込み用センサ１１
から出力された画像信号を入力し、この画像信号から半
導体ガラスマスク１の表面等を検査する。このように上
記第３の実施の形態においては、孔開きミラー２０を配
置し、かつ反射照明手段２２に横格子板２７を視野絞り
２６の前後に交互に配置し、これら位置により観察され
る横格子板２７による横格子像の各コントランストが略
同一となる位置を半導体ガラスウエハ１に対する合焦点
とするので、上記第１の実施の形態と同様に、半導体ガ
ラスマスク１のマスク像に横格子板２７及び縦格子板２
８の格子縞をスーパーインポーズして半導体ガラスマス
ク１のマスク像のＳ／Ｎを低下させることなく、かつパ
ターンの無い試料でも簡単に焦点状態を検出し、そのう
え検出した焦点状態に応じて半導体ガラスマスク１を移
動させて合焦点状態に制御でき、さらに反射照明手段２
２に横格子板２７及び縦格子板２８を配置するだけで装
置の構成を簡単にできる。 (4) 次に本発明の第４の実施の形態について説明する。
なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい
説明は省略する。

【００７８】図７は半導体検査装置に適用した焦点検出
及び焦点制御の機能を有する焦点制御装置の構成図であ
る。反射照明手段２２には、観察用光の光軸上に少なく
とも１つの格子板、例えば横格子板２７が配置されてい
る。

【００７９】この横格子板２７は、観察用光の光軸上に
対して平行につまり矢印（イ）方向に所定の速度で連続
的に移動自在となっている。一方、合焦点検出装置５０
は、反射像観察カメラ３１から出力される画像信号を入
力し、横格子板２７の位置に対する横格子縞のコントラ
ストを求め、この横格子縞のコントランストが最も高く
なるところ（ピーク値）を半導体ガラスウエハ１に対す
る合焦点として検出する機能を有するもので、コントラ
スト抽出部５１、合焦点検出部５２及びフォーカス調整
部５３の各機能を有している。

【００８０】コントラスト抽出部５１は、反射像観察カ
メラ３１から出力される画像信号から、図８に示す観察
用光の光軸に対する横格子板２７の位置に応じたコント
ラストを求める機能を有している。

【００８１】フォーカスずれ算出部５２は、コントラス
ト抽出部３３により抽出された横格子板２７の位置に応
じたコントラストを受け、このコントラストのピークに
対応する横格子板２７の位置を合焦点として検出し、か
つこの合焦点位置Ｋａと横格子板２７の本来の結像位置
Ａとの差からずれ量を算出する機能を有している。

【００８２】フォーカス調整部５３は、フォーカスずれ
算出部５２により算出された半導体ガラスマスク１の合
焦点位置からのずれ量を受け、このずれ量に対応する駆
動制御信号を試料駆動機構３６に送出する機能を有して
いる。

【００８３】この試料駆動機構３６は、フォーカス調整
部３４からの駆動制御信号を受け、この駆動制御信号に
従って半導体ガラスマスク１の位置をＡ側又はＣ側に移
動する機能を有している。

【００８４】なお、合焦検出装置５０は、反射像観察カ
メラ３１から出力される画像信号をモニタテレビジョン
３７に送り、このモニタテレビジョン３７に横格子板２
７の横格子縞を映し出す機能を有している。

【００８５】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。検査照明光学系２により照明さた半導体
ガラスマスク１の像は、結像光学系１０を通して画像取
込み用センサ１１に結像される。このとき、半導体ガラ
スマスク１の像は、孔開きミラー２０の光通過孔２１を
通過して画像取込み用センサ１１に至る。

【００８６】一方、反射照明手段２２において、横格子
板２７は、例えば矢印（イ）方向つまり半導体ガラスウ
エハ１側から観察用光源２３側に向かって所定の速度で
移動する。

【００８７】このとき、観察用光源２３から放射された
観察用光は、各光学レンズ２４、２５により平行光に変
換されて移動する横格子板２７を透過し、さらにハーフ
ミラー２９、集光レンズ３０を通して孔開きミラー２０
で反射し、対物レンズ１２を通して半導体ガラスマスク
１に照射される。

【００８８】この半導体ガラスマスク１で反射した横格
子板２７の横格子縞は、再び孔開きミラー２０で反射し
てハーフミラー２９に到達し、このハーフミラー２９で
反射して反射像観察カメラ３１に入射する。

【００８９】この反射像観察カメラ３１は、入射した横
格子板２７の横格子縞を撮像し、その横格子縞の画像信
号を出力する。合焦検出装置５０のコントラスト抽出部
５１は、反射像観察カメラ３１から出力される画像信号
を入力し、この画像信号から図８に示す観察用光の光軸
に対する横格子板２７の位置に応じたコントラストを求
める。

【００９０】次にフォーカスずれ算出部５２は、コント
ラスト抽出部５１により抽出された横格子板２７の位置
に応じたコントラストを受け、このコントラストのピー
クに対応する横格子板２７の位置を合焦点位置Ｋａとし
て検出し、かつこの合焦点位置Ｋａと横格子板２７の本
来の結像位置Ａとの差からずれ量を算出する。

【００９１】次にフォーカス調整部５３は、フォーカス
ずれ算出部５２により算出された半導体ガラスマスク１
の合焦点位置Ｋａのずれ量を受け、このずれ量に対応す
る駆動制御信号を試料駆動機構３６に送出する。

【００９２】この試料駆動機構３６は、フォーカス調整
部３４からの駆動制御信号を受け、この駆動制御信号に
従って半導体ガラスマスク１の位置をＡ側又はＣ側に移
動する。

【００９３】この結果、半導体ガラスマスク１はＢ位置
に配置され、合焦点の状態で、半導体ガラスマスク１の
マスク像が画像取込み用センサ１１に入射する。この画
像取込み用センサ１１は、入射した半導体ガラスマスク
１のマスク像を画像信号に変換出力する。

【００９４】検査装置１４は、画像取込み用センサ１１
から出力された画像信号を入力し、この画像信号から半
導体ガラスマスク１の表面等を検査する。このように上
記第４の実施の形態においては、孔開きミラー２０を配
置し、かつ観察用光の光軸上に横格子板２７を所定の速
度で連続的に移動させ、このときに観察される横格子縞
のコントランストが最も高くなるところを半導体ガラス
マスク１に対する合焦点位置として検出し、半導体ガラ
スマスク１の位置を制御するようにしたので、上記第１
の実施の形態と同様に、半導体ガラスマスク１のマスク
像に横格子板２７及び縦格子板２８の格子縞をスーパー
インポーズして半導体ガラスマスク１のマスク像のＳ／
Ｎを低下させることなく、かつパターンの無い試料でも
簡単に焦点状態を検出し、そのうえ検出した焦点状態に
応じて半導体ガラスマスク１を移動させて合焦点状態に
制御でき、さらに反射照明手段２２に横格子板２７及び
縦格子板２８を配置するだけで装置の構成を簡単にでき
る。 (5) 次に本発明の第５の実施の形態について説明する。
なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい
説明は省略する。

【００９５】図９は半導体検査装置に適用した焦点検出
及び焦点制御の機能を有する焦点制御装置の構成図であ
る。この焦点制御装置の反射照明手段２２には、視野絞
り２６の前後に第１の格子板６０、第２の格子板６１が
配置されている。

【００９６】このうち第１の格子板６０は、図１０(a)
(b)に示すように、例えば上部に横格子６０ａを形成す
るとともに下部に縦格子６０ｂを形成したものであり、
又、第２の格子板６１は、例えば上部に縦格子６１ａを
形成するとともに下部に横格子６１ｂを形成したものと
なっている。

【００９７】一方、合焦検出装置のコントラスト抽出部
６２は、反射像観察カメラ３１から出力される画像信号
から図１１に示す第１及び第２の格子板６０、６１によ
る格子縞の画像データ６３を作成し、この画像データ６
３における所定部分、例えば図１１に示す各走査ライン
Ｓｃ、Ｓｄで走査し、これら走査ラインＳｃ、Ｓｄから
横格子縞と縦格子縞との各コントラストを抽出する機能
を有している。

【００９８】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。半導体ガラスマスク１は、検査照明光学
系２により照明され、かつ半導体ガラスマスク１の像
は、結像光学系１０の対物レンズ１２及び結像レンズ１
３を通して画像取込み用センサ１１に結像される。

【００９９】このとき、結像光学系１０の半導体ガラス
マスク１の像は、孔開きミラー２０の光通過孔２１を通
過して画像取込み用センサ１１に至る。一方、観察用光
は、各光学レンズ２４、２５により平行光に変換されて
第１の格子板６０、視野絞り２６、第２の格子板６１を
透過し、さらに孔開きミラー２０で反射し、対物レンズ
１２を通して半導体ガラスマスク１に照射される。

【０１００】半導体ガラスマスク１で反射した第１及び
第２の格子板６０、６１の各格子縞は、それぞれ再び孔
開きミラー２０で反射し、ハーフミラー２９で反射して
反射像観察カメラ３１に入射する。

【０１０１】この反射像観察カメラ３１は、第１及び第
２の格子板６０、６１の各格子縞を撮像し、その画像信
号を出力する。合焦検出装置３２は、反射像観察カメラ
３１から出力される画像信号を入力し、この画像信号を
コントラスト抽出部３３に渡すとともにモニタテレビジ
ョン３７に渡す。

【０１０２】コントラスト抽出部６２は、反射像観察カ
メラ３１から出力される画像信号から図１１に示す画像
データ６３を作成し、この画像データ６３に対して各走
査ラインＳｃ、Ｓｄで走査し、横格子縞のコントラスト
と縦格子縞のコントラストとを抽出する。

【０１０３】次にフォーカスずれ算出部３４は、コント
ラスト抽出部３３により抽出された横格子縞のコントラ
ストと縦格子縞のコントラストとを比較し、これら横格
子縞のコントラストと縦格子縞のコントラストとが略同
一であれば、半導体ガラスマスク１は合焦点（Ｂ位置）
の位置に配置されていると判断する。

【０１０４】又、フォーカスずれ算出部３４は、横格子
縞のコントラストが縦格子縞のコントラストよりも高け
れば、半導体ガラスマスク１はＡ位置側に配置されてい
ると判断し、又、縦格子縞のコントラストが横格子縞の
コントラストよりも高ければ、半導体ガラスマスク１は
Ｃ位置側に配置されていると判断する。

【０１０５】そして、このフォーカスずれ算出部３４
は、横格子縞のコントラストと縦格子縞のコントラスト
とのコントラスト差から半導体ガラスマスク１の合焦点
位置からのずれ量を算出する。

【０１０６】次にフォーカス調整部３５は、フォーカス
ずれ算出部３４により算出された半導体ガラスマスク１
の合焦点位置からのずれ量を受け、このずれ量に対応す
る駆動制御信号を試料駆動機構３６に送出する。

【０１０７】この試料駆動機構３６は、フォーカス調整
部３４からの駆動制御信号を受け、この駆動制御信号に
従って半導体ガラスマスク１の位置をＡ側又はＣ側に移
動する。

【０１０８】この結果、横格子縞のコントラストと縦格
子縞のコントラストとが図３(b) に示すように略同一と
なるＢ位置に半導体ガラスマスク１が配置され、合焦点
の状態で、半導体ガラスマスク１のマスク像が画像取込
み用センサ１１に入射する。

【０１０９】このように上記第５の実施の形態において
は、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することは
言うまでもない。なお、本発明は、上記第１〜第５の実
施の形態に限定されるものでなく次の通り変形してもよ
い。

【０１１０】例えば、第１及び第２の格子板６０、６１
では、それぞれ横格子と縦格子とを２分して形成した
が、これら横格子と縦格子とを２分以上の複数に分割し
て形成してもよい。

【０１１１】そして、上記第１及び第２の実施の形態で
は、横格子板２７と縦格子板２８との両方を用いている
が、どちらか一方のみを用いても縞間隔が異なるなどし
ていれば得られる画像も異なるので何等差支えない。

【０１１２】

【発明の効果】以上詳記したように本発明の請求項１〜
５によれば、試料の画像のＳ／Ｎを低下させることなく
パターンの無い試料でも簡単に焦点状態を検出できる焦
点検出装置を提供できる。

【０１１３】又、本発明の請求項６〜１０によれば、試
料の画像のＳ／Ｎを低下させることなくパターンの無い
試料でも簡単に合焦点に制御できる焦点制御装置を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる焦点制御装置の第１の実施の形
態を示す構成図。

【図２】横格子板及び縦格子板の構成図。

【図３】焦点状態に応じた横格子縞及び縦格子縞のコン
トラストを示す図。

【図４】格子縞の画像データに対する走査ラインを示す
図。

【図５】本発明に係わる焦点制御装置の第３の実施の形
態を示す構成図。

【図６】横格子板の各配置位置に対する横格子縞のコン
トラストを示す図。

【図７】本発明に係わる焦点制御装置の第４の実施の形
態を示す構成図。

【図８】観察用光の光軸に対する横格子板の位置に応じ
たコントラストを示す図。

【図９】本発明に係わる焦点制御装置の第５の実施の形
態を示す構成図。

【図１０】第１及び第２の格子板の構成図。

【図１１】格子縞の画像データに対する走査ラインを示
す図。

【符号の説明】

１…半導体ガラスマスク、 ２…検査照明光学系、 １０…結像光学系、 １１…画像取込み用センサ、 １２…対物レンズ、 １３…結像レンズ、 １４…検査装置、 ２０…孔開きミラー、 ２２…反射照明手段、 ２３…観察用光源、 ２６…視野絞り、 ２７…横格子板、 ２８…縦格子板、 ２９…ハーフミラー、 ３０…集光レンズ、 ３１…反射像観察カメラ、 ３２，５０…合焦検出装置、 ３３，５１…コントラスト抽出部、 ３４，５２…フォーカスずれ算出部、 ３５，５３…フォーカス調整部、 ３６…試料駆動部。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の像を結像光学系を通してセンサに
   結像するときの焦点を検出する焦点検出装置において、 前記結像光学系の光路上に配置され、前記結像光学系の
   光路に当たる部分に孔が形成された孔開きミラーと、 観察用光を少なくとも１つの格子板に通過させ、この格
   子板を通過した前記観察光を前記孔開きミラーで反射さ
   せて前記試料に照射したときの前記試料からの反射像を
   再び前記孔開きミラーで反射させて前記反射像を観察
   し、かつ前記格子板の前記観察用光の光軸方向における
   各配置位置で観察される前記格子像のコントラストに基
   づいて前記センサに対する前記試料像の焦点状態を検出
   する反射照明手段と、を具備したことを特徴とする焦点
   検出装置。
2. 【請求項２】 前記反射照明手段は、観察用光を照射す
   る観察用光源と、 この観察用光源の光軸上に配置された少なくとも１つの
   格子板と、 この格子板を通過した前記観察用光を集光して前記孔開
   きミラーを介して前記試料に照射し、かつ前記孔開きミ
   ラーで反射してくる前記試料からの反射像を集光する集
   光レンズと、 この集光レンズの結像位置に配置された反射像観察カメ
   ラと、 前記格子板の前記観察用光の光軸方向における配置位置
   を変更したとき、前記反射像観察カメラで観察される前
   記格子像のコントラストに基づいて前記センサに対する
   前記試料像の焦点状態を検出する合焦検出手段と、を備
   えたことを特徴とする請求項１記載の焦点検出装置。
3. 【請求項３】 前記反射照明手段は、前記観察用光の光
   軸上の異なる位置に縦格子板と横格子板とを配置し、こ
   れら縦格子板及び横格子板により観察される各格子像の
   コントランストが略同一となる前記試料位置を合焦とす
   ることを特徴とする請求項１又は２記載の焦点検出装
   置。
4. 【請求項４】 前記反射照明手段は、前記観察用光の光
   軸上に少なくとも１つの格子板を配置し、かつこの格子
   板を２つの所定位置に交互に配置し、これら位置により
   観察される前記格子板による格子像の各コントランスト
   が略同一となる前記試料位置を合焦とすることを特徴と
   する請求項１又は２記載の焦点検出装置。
5. 【請求項５】 前記反射照明手段は、前記観察用光の光
   軸上に少なくとも１つの格子板を配置し、かつこの格子
   板を前記観察用光の光軸上に移動させ、このときに観察
   される前記格子板による格子像のコントランストが最も
   高くなるところを前記試料位置を合焦とすることを特徴
   とする請求項１又は２記載の焦点検出装置。
6. 【請求項６】 試料の像を結像光学系を通してセンサに
   結像するときの焦点を合焦に制御する焦点制御装置にお
   いて、 前記結像光学系の光路上に配置され、前記結像光学系の
   光路に当たる部分に孔が形成された孔開きミラーと、 観察用光を少なくとも１つの格子板を通過させ、この格
   子板を通過した前記観察光を前記孔開きミラーで反射さ
   せて前記試料に照射したときの前記試料からの反射像を
   再び前記孔開きミラーで反射させて前記反射像を観察
   し、かつ前記格子板の前記観察用光の光軸方向における
   各配置位置で観察される前記格子像のコントラストに基
   づいて前記センサに対する前記試料像の焦点状態を検出
   する反射照明手段と、 この反射照明手段により検出された合焦位置に前記試料
   を移動して合わせる焦点制御手段と、を具備したことを
   特徴とする焦点制御装置。
7. 【請求項７】 前記反射照明手段は、観察用光を照射す
   る観察用光源と、 この観察用光源の光軸上に配置された少なくとも１つの
   格子板と、 この格子板を通過した前記観察用光を集光して前記孔開
   きミラーを介して前記試料に照射し、かつ前記孔開きミ
   ラーで反射してくる前記試料からの反射像を集光する集
   光レンズと、 この集光レンズの結像位置に配置された反射像観察カメ
   ラと、 前記格子板の前記観察用光の光軸方向における配置位置
   を変更したとき、前記反射像観察カメラで観察される前
   記格子像のコントラストに基づいて前記センサに対する
   前記試料像の焦点状態を検出する合焦検出手段と、を備
   えたことを特徴とする請求項６記載の焦点制御装置。
8. 【請求項８】 前記反射照明手段は、前記観察用光の光
   軸上の異なる位置に縦格子板と横格子板とを配置し、こ
   れら縦格子板及び横格子板により観察される各格子像の
   コントランストが略同一となる前記試料位置を合焦とす
   ることを特徴とする請求項６又は７記載の焦点制御装
   置。
9. 【請求項９】 前記反射照明手段は、前記観察用光の光
   軸上に少なくとも１つの格子板を配置し、かつこの格子
   板を２つの所定位置に交互に配置し、これら位置により
   観察される前記格子板による格子像の各コントランスト
   が略同一となる前記試料位置を合焦とすることを特徴と
   する請求項６又は７記載の焦点制御装置。
10. 【請求項１０】 前記反射照明手段は、前記観察用光の
    光軸上に少なくとも１つの格子板を配置し、かつこの格
    子板を前記観察用光の光軸上に移動させ、このときに観
    察される前記格子板による格子像のコントランストが最
    も高くなるところを前記試料位置を合焦とすることを特
    徴とする請求項６又は７記載の焦点制御装置。