JPS6298212A - 位置検知方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）技術分野 本発明は、光学的に被検物体の位置を検知する方法、特
にＪｌｌｌｌ光用光束検物体面上での投影状１ホを被検
物体からの反射光束の状態変化としてセンサで検知し、
被検物体の位置を検知する装置に好適な測定方法に関す
る。

（２）従来技術 従来、光学的に被検物体の位置を検知する装置として、
代表的なものには、カメラに於る測距装置や、光ディス
クのオートフォーカス機能を利用して位置検知を行なう
装置等が知られている。又、本件出願人による特願昭５
９−２４２４９０！ｆＰにも高精度に被検物体の位置を
検知するに適した装置が開示しである。

以下、特願昭５９−２４２４９０で示す装置を光学的位
置検知装置の一例として説明する。

ＷＳ１図は特願昭５９−２４２４９０に於る光学的位置
検知装置の概略図を示す１図中、１はレーザ光源、２は
コリメータレンズ、３は第１の円錐形ミラー、４は第２
の円錐形ミラー、５は焦点距離可変レンズ、６は偏光ビ
ームスプリンター、７は電波長板　、８は集光レンズ、
９は被測定物（反射率＞Ｏ）、１０は投影状態検知手段
、１１は処理装置である。

レーザ光源１から出射したレーザ光は、コリメータレン
ズ２により平光光束となって第１の円錐形ミラー３、第
２の円錐形ミラー４を介して中心部分が暗い円環状光束
（以下、リングビームと記す）となる。このリングビー
ムは焦点距１２＃可変レンズ５、偏光ビームスプリッタ
−６を通り、直線偏光を円偏光に変換された後集光レン
ズ８を介して被測定物９上に投射される。被測定物９の
上面で反射されたリングビームは、集光レンズ８を通り
電波長板７により円偏向を入射時と直交する直線偏光に
変換され、偏光ビームスプリッタ６で反射して偏向され
投影状態検知手段ｌＯに投射される。

第２図は投影状態検知手段１０の受光面を示しており、
円環状のリングセンサ１２，１３により同心円を形成し
ている。

投影状態検知手段１０に投射されるリングビームは、リ
ングビームの集光位置と被測定物９との位置関係に応じ
てそのビーム径を変化させる為、リングビームの集光位
置が被測定物９の上面と一致する時にリングセンサ１２
と１３の各々から得られる出力が等しくなる様、ビーム
径及びリングセンサ１２，１３の径を設定しておけば、
被測定物９の位置に応じた投影状態の変化をリングセン
サー２．１３の出力差によって検出する弱が出来る。尚
、第３図に示す如く被測定物９の位置と投影状態を示す
合焦信号（通常リングセンサー２．１３の出力差をその
出力和で規格化したもの）とは所定の測定範囲に於て良
好な線型関係を保っている。

従って、上述のリングビームを用いる方式に限らず、こ
の種の装置を用いて測定を行なう場合、予め被測定物の
略々の位置を知っておくか、被測定物自体を所定の測定
範囲内に配若する必要か有り、測定時間を短縮できず、
自動化も困難であった。又、測定時に最も検出感度のう 良いリングビームの集光位置が解すない為、事実上、最
良の状態で測定できず、測定精度も十分に信頼できるも
のではなかった。

（３）発明の概要 本発明の目的は、従来の欠点に鑑み、測定の自動化及び
高速化を成し得る位置検知方法を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る位置検知方法は
、測定用光束を被測定物に投射し１該被測定物からの反
射光の状態を検知することにより被測定物の位置を検知
する方法であって、 測定用光束の集光位置を変化させる段階と、夫々の集光
位置の内、少なくとも２つの集光位置に於る反射光の光
検知面に投射される光量を検出する段階と、該光検知面
に投射される光１が最大となる集光位置を判別する段階
と、該集光位置での光検知面に於る反射光の投影状態か
ら被測定物の位置を検知する段階とを含むことを特徴と
する。

尚、ここで言う集光位置とは、光学系の焦点距離で決ま
る測定用光束の結像位置、又は軸外光束の光軸と交わる
位置を示す。

（４）実施例 第４図は本発明に係る位置検知方法の一例を示す為の説
明図であり、従来技術の項で述べたリングビームとリン
グセンサの組み合わせによる測定方法を例に挙げている
１、図中、第１ｆＮと同じ部材には同番号を符す。尚、
１４は集光レンズ８により集光されたリングビームＰ１
゜ｐ２　、ｐ３は光学系のパワーを変化させた時のリン
グビーム１４の各集光位置、Ａｌ　、Ａ２　。

Ａ３は各集光位置Ｐ１．Ｐ２．Ｐ３に於る測定範囲を示
す。

第１図に示す如き装置に於ては、前述の様にリングビー
ム１４の所定の集光位置に対応して、位置と合焦信号が
良好な線型関係にある。

従って、焦点距離可変レンズ等を用い集光位置をＰＬ　
、ｐ２　、ｐ３−−−一と変化させ、前記測定範囲をＡ
　ｌ　、　Ａ２　、　Ａ３−−−−とシフトする恵によ
り、被測定物９の位置を検出し得る測定範囲を有する集
光位置へりングビーム１４を集光させる事が出来る。

例えば、第２図で示す如きリングセンサ１２゜１３から
の出力を各々Ｄｌ、Ｄ２とすると、合焦信号は差信号Ｄ
２−Ｄ１を強度信号Ｄ２＋Ｄ１で規格化した値Ｆ、即ち
、 で表わす事が出来、この合焦信号Ｆを用いれば、第３図
に示す合焦信号Ｆと被ＩＩ’ＩＩＩ定物の線形性と、光
学系（集光レンズ８）からリングビーム１４の集光位置
までの距離とから、容易に被測定物の位置が検知出来る
。

尚、本発明では反射光の状態に応じてセンサに達する反
射光量が変化する様、例えば合焦時にリングセンサ１３
，１４に投射される反射光る。従って、非合焦時に反射
光束の一部がセンサで検知されない為、強度信号Ｄ２＋
Ｄ１の値が小さくなる。

第５図及び第６図は上記状態をグラフで示したもので、
１５は強度信号、１６は合焦信号Ｆを表わしている。第
５図は測定用光束の集光位置を固定した場合の、被測定
物の位置に対する強度信号１５と合焦信号１６の夫々の
関係を示し、第６図は測定用光束の集光位置を順次変え
てい〈場合のこの関係を示している。第５図、第６図か
ら解る様に測定用光束が被測定物に集光される（合焦）
場合、又は線形関係を保つ範囲内に被測定物がある場合
に於て、強度信号のピークが存在する。従って、各集光
位置の内強度信号が最大となる位置を検出し、この集光
位置で得られる合焦信号Ｆを用いて被測定物の位置を検
知すれば、位置検知の自動化、高速化が図られるのであ
る。

以上の説明ではリングビームを用いた方法を例に挙げた
が、本発明に係る位置検知方法は、光ディスクのオート
フォーカス等に用いられる、ナイフェツジ法や軸外光束
を用いた方法、臨界角法等を位置検知に利用した場合に
も適用出来る。即ち、被測定物の位はに依存した合焦信
号を得ることが出来几該合焦信号に従って光検知面に投
射される反射光量の変化が生じる装置には全て適用可能
である。

又、光検知面をＣＣＤ等の撮像素子やピンフォトダイオ
ード等の２次元アレイで構成しても良く、この場合、光
検知面に投射される反射光束の光検知面上に於る位置や
状態を読み取り、信号処理により合焦信号又はこれに類
似１−だ被測定物の位：４に依存する（８号を得れば良
い。

第７図は本発明に係る位置検知方法のフローチャートの
一例を示す。この方法を適用する装置として第１図、第
２図に示した装置を取りあげて説明する。

ここでは、焦へ距箸町変レンズ５により距離Ｎのステッ
プで集光位置を変化させるものとし、リングセンサの内
側と外側の出力をそれぞれＤｉ、Ｄ２とし、強度信号Ｇ
＝ＤＩ＋０２で表わすものとする。

まず鼓も集光レンズ８に近い焦点距離にリングビームを
集光させて強度信号Ｇを検出する。

そして、集光位置が集光レンズ８より最も遠い位置にな
るまで焦点距離可変レンズ５により焦点距離を＋Ｎづつ
順次増加しつつ、その都度強度信号Ｇの値をメモリーに
記憶しておく。

次に、記憶した夫々の集光位置の内で強度信号Ｇか最大
になる集光位置を最適集光位置とし、この位置に於る合
焦信号Ｆと集光位置から得られる測定値を被測定物（面
）の位置とする。

又、距離Ｎ毎の集光位置変化に従い連続してイ）られる
各測定範囲に重複部分があり、その重複部分に被測定面
が存在する場合、各々の測定範囲を有する集光位置のど
ちらに於る合焦信号Ｆを用いて被測定面までの距離を検
出しても構わない。

以上の如き方法を用いた測定は、例えば第１図に示され
る装置に於る処理装置１１等に組み込まれたマイコンに
より自動的に制御される為、高速処理が可能で測定結果
はすぐに得る事が出来る。

尚、ここでは合焦信号として規格化した値を使用してい
るが、単に差信号Ｄ２−Ｄ　ｌを合焦信号として用いて
も良く、差信号としてＤｌ−Ｄ２の値を用いても当然構
わない。但し差信号としてＤｌ−Ｄ２の値を用いる場合
、被測定物と合焦信号との線型関係は、第３図に示すも
のとは逆に左上がりの直線となり、又被測定物の前後に
於る合焦信号の変化の仕方も逆になる。

図に示す様にリングビーム１４の集光位置を集光レンズ
８側から順次変化させる場合、被測定物９で反射された
リングビーム１４は、集光位置がＰＩ、Ｐ２の如く集光
レンズ８と被測定物９の間にある時は、ビーム径が拡げ
られて集光レンズ８へ入射し、集光レンズ８により収斂
光となる為、リングセンサ１２，１３へは合焦時より径
が小さくなり投射される。従って、合焦信号Ｆの値は（
１）式よりＦ＜Ｏとなる。次に集光位置がＰ３の如く被
測定物９の集光レンズ８とは逆側にある時は、ビーム径
が小さくなって集光レンズ８へ入射し、集光レンズ８に
より発散光となる為、リングセンサ１２，１３へぼ合焦
時より径が大きくなり投射される。従つて、合焦信号Ｆ
の値は（１）式よりＦ＞Ｏとなる。即ち、リングビーム
１４の集光位置を順次変化させて合焦信号Ｆの極性を判
別していけば、被測定物９を介して集光レンズ８側とそ
の反対側の最も被測定物９に近接した２つの集光位置の
間で極性が変化する為、該２つの集光位ξの少なくとも
一方が測定に於る最適集光位置となる。

この２つの集光位置の一方を選択するのに各々の強度信
号Ｇの大きい方を最適集光位置とする。２つの集光位置
を見つける方法として、集光位置を集光レンズに近い方
から遠い方へ順次変化させる方法がある。又、もう一方
の方法として集光位置を任意な所からスタートさせる方
法かある。

上述の２通りの方法に関して以下説明する。

第８図（Ａ）は測定用光束を集光レンズに最も近い位置
から順次集光位置を変える時のフローチャート、第８図
ＣＢ）は測定用光束を任意の位置に集光させてスタート
する時のフローチャートを示す。尚、第８図（Ａ）に示
す方法と第８図（Ｂ）に示す方法との違いは、最初に集
光した位置が被測定物の集光レンズ側か又は集光レンズ
とは反対側かを判別するところである為、以下、第８図
（Ｂ）に沿って、位置検知の一例を説明する。

最初に装置を始動させ、任意の集光位置に於るリングセ
ンサ１２，１３での合焦信号Ｆを検出する。ここで、Ｆ
の極性を検出し現在のリングビームの集光位置が、被測
定面から見て集光レンズ８側にあるのか、又は反対側に
あるのかを判別する。

合焦信号Ｆ＞Ｏの時は、リングビームの集光位置か被Ｊ
ｌｌ定面から見て集光レンズ８と反対側にある為、現在
位置から−Ｎづつ集光位置を変化させ、徐々に集光レン
ズ８に近づける。この時各集光位首°毎に合焦信号Ｆの
極性を判別する。Ｆ＞Ｏであればこの判別を繰り返し、
ＦくＯになった時の集光位置に於るリングセンサの強度
信号Ｇ、及び極性の変わる手前の強度信号Ｇの大小を比
較し、大きい方の集光位置に於る合焦信号Ｆより被測定
物の位置を求める。

又、合焦信号Ｆ＜Ｏの時は、リングビームの集光位置が
集光レンズ側にある為、現在位置から＋Ｎづつ集光位置
を変化させ、徐々に集光レンズ８に近つける。この時、
各集光位置毎に合焦信号Ｆの極性を判別する。Ｆ＜Ｏで
あればこの判別を繰り返し、Ｆ＞０になった時の集光位
す 置に於るリングセン各の強度信号Ｇの大小を比較し、大
きい方の集光位置に於る合焦信号Ｆより被測定物の位置
を求める。

以上説明した方法によれば、各集光位置毎に強度信号Ｇ
を記憶する必要が無く、唯一２点に於る強度信号Ｇの大
小比較で済み且つ又合焦信号Ｆの極性検知により確実に
被測定物の位置（存在）を捕えることが出来る。

又、集光位置の変化量は各集光位置を中心にして定まる
測定範囲が連続しているのが好ましく、当然隣接する測
定範囲の一部が重複しても構わない。

又、上記実施例では被測定物の位置を測定する方法に関
して述へたが、例えば半導体装置に於るマスクとウェハ
ーの間隔を測定するギャップ測定装置等に応用可能で、
この場合、マスク及びウェハー各々の位置を測定しその
差を取る事で両名の間隔を測定出来る。

又、本発明を適用して測定可能な被測定物は、測定用光
束の少なくとも１部を反射する必要があり、望ましくは
平面を有するものが良い。

更に、上記実施例で示した方法は本検知方法の一例であ
り、他の変形例や応用例は欽多く存在する。例えば順次
集光レンズ側から集光して各集光位置に於る強度信号Ｇ
を毎回１つ前の集光位置に於る強度信号Ｇ′と比較して
、大小関係を検出してＧ’＜Ｇ（又はＧＡＧ’）となっ
た時の、Ｇ’　（又はＧ）が得られた集光位置の合焦信
号Ｆ′を用いることも出来る。

以上述べた実施例は、被測定面に対して略々垂直に測定
用光束を投射する装置を対象とじていたが１例えば、軸
外から測定用光束を対物レンズを介して斜め入射させ、
被測定物の位置（対物レンズの光軸方向）により、該被
測定物からの反射光の対物レンズを通過する位置の変化
に従う光検知面上の投影状態を検知する様な装置であっ
ても本発明が適用出来る。この場合、連続的に測定用光
束の被測定物に対する入射角を変化させて測定すれば良
い。この測定用光束の入射角を変化させるには例えば対
物レンズのパワーを電気的に変える等が挙げられる。

即ち、可変焦点距離レンズをここでも使用すると好適で
ある。ここでも被測定物の位置と合焦信号又は位置信号
とがある検知範囲内で略々線形関係を保つ必要がある。

換言すれば、この種の線形関係を有する様構成し且つ被
測定物の位置に従い光検知面で捕えられる反射光量が変
化する様な位置検知装置に本発明は適用可能なのである
。

（５）発明の詳細 な説明した様に、本発明に係る位置検知方法は自動的に
Ｍｉｌｌ定時の最適集光位置又は入射角を検出する事が
可能で、且つ高速に最適集光位置又は入射角を検出し被
測定面の位置を測定し得る測定方法である。

又、位置検知に限らず、間隔測定等の応用が多く存在す
る検知方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は光学的位置検知装置の一例を示す図。第２図は
リング状センサを示す図、第３法の基本原理、脱明図。 第７図、第８図（Ａ）。 （Ｂ）は本発明に係る位置検知方法の一例を示すフロー
チャート図。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定用光束を被測定物に投射し、該被測定物から
   の反射光の状態を検知することにより被測定物の位置を
   検知する方法であって、 測定用光束の集光位置を変化させる段階と、夫々の集光
   位置の内、少なくとも２つの集光位置に於る反射光の、
   光検知面に投射される光量を検出する段階と、該光検知
   面に投射される光量が最大となる集光位置を判別する段
   階と、該集光位置での光検知面に於る反射光の投影状態
   から被測定物の位置を検知する段階とを含む位置検知方
   法。
2. （２）該光検知面を２つの領域で構成し、該２つの領域
   の夫々で得られる出力の和を強度信号とし且つ該２つの
   領域で得られる出力の差又はこの差を強度信号で規格化
   した値を位置検知の為の位置信号として、該強度信号の
   最大なる時の位置信号に基づき被測定面の位置を検知す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の位
   置検知方法。
3. （３）該位置信号の極性を判別し、該極性が変化する前
   後の強度信号を比較し、該強度信号の大きい方の位置信
   号に基づき被検知面の位置を検知することを特徴とする
   特許請求の範囲第（２）項記載の位置検知方法。
4. （４）該検知面の独立な２つの領域が内側と外側の円環
   状センサから成り、該測定用光束が円環状光束から成る
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記載の位置
   検知方法。