KR100317895B1 - 2분할 센서에 의한 대물 렌즈의 초점 검출 방법 - Google Patents

Abstract

전자 현미경, 광학적 검사 장치, 레이저 가공 장치 등에서 사용되는 대물 렌즈의 초점이 검사될 대상물의 표면에 위치하는지를 검사하기 위한 대물 렌즈용 초점 검출 장치가 개시된다. 이 초점 위치 검출 장치는, 적어도 상기 대물 렌즈를 통해, 대물 렌즈의 광축과 일치하지 않는 위치로부터 검사될 대상물의 표면으로 초점 검출용 광빔을 입사시키기 위한 수단과, 2개의 2분할 센서를 포함하되, 대상물의 표면에서 반사된 광빔이 대물 렌즈를 다시 통과하여 상기 2분할 센서 상에 적어도 집광 렌즈에 의해 집광된다. 상기 2개의 2분할 센서는, 대물 렌즈의 초점이 대상물의 표면 상에 위치할 때 반사된 광빔이 집광 렌즈에 의해 집광되는 위치의 전방 및 후방에 광학적으로 동일한 기울기로 배치된다.

Description

2분할 센서에 의한 대물 렌즈의 초점 검출 방법{DETECTION OF FOCAL POINT OF OBJECTIVE LENS BY MEANS OF A TWO-SPLIT SENSOR}

본 발명은, 전자 현미경, 광학적 검사 장치, 레이저 가공 장치 등에서, 대물 렌즈의 초점이 검사될 대상물의 표면에 위치하는지를 검출하기 위해 사용되는 초점 검출 장치에 관한 것이다.

지금까지, 초점 검출용 광빔이 광학 시스템 내의 대물 렌즈의 광축과 일치하지 않는 위치로부터 대물 렌즈로 입사하는, 소위 '스큐 방식(skew method)'을 이용한 초점 검출 장치가 제안되어 왔다. 이 방법에서는, 2분할 센서가 집광 렌즈의 초점에 배치되며, 2분할 센서를 구성하는 2개의 수광 소자에서 발생된 2개의 출력 신호들 간의 차이로부터 초점 신호가 얻어진다.

도 1을 참조하여, 스큐 방식을 이용하는 종래의 초점 검출 장치 내의 광학 시스템이 설명될 것이다. 도면에 도시된 바와 같이, 대물 렌즈(1)와 집광 렌즈(5)는 광축을 공유한다. 반투명 거울(3) (또는 편광 거울)이 대물 렌즈(1)와 집광 렌즈(5) 사이에 배치되고, 2분할 센서(6)가 집광 렌즈(5)의 초점에 배치된다.

초점 검출용 광빔(2)이 대물 렌즈(1)의 광축(1a)과 일치하지 않는 위치로부터 반투명 거울(3) (또는 편광 거울)로 입사한다. 반투명 거울(3)에서 반사된 광빔(3)이 대물 렌즈(1)를 통과하여, 검사될 대상물의 표면(4) 상에 집광된다. 그 다음, 대상물의 표면(4)에서 반사된 광빔(2)이 다시 대물 렌즈(1)에 입사하고 반투명 거울(3)을 통과하여 집광 렌즈(5)에 의해 2분할 센서(6) 상에 집광된다.

도 2a 내지 도 2c는, 2분할 센서(6) 상에서의 광빔의 집광 상태를 도시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 2분할 센서(6)로 복귀하는 빔(7)의 위치가 2분할 센서(6)의 수광 소자(6a) 측으로 편향된다는 것은, 대상물의 표면(4)이 대물 렌즈(1)의 초점으로부터 더 멀리 배치되었음을 의미한다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 2분할 센서(6)로 복귀하는 빔(7)이 수광 소자(6a)와 수광 소자(6b) 양자에 동등하게 위치한다는 것은, 대상물의 표면(4)이 대물 렌즈(1)의 초점 상에 배치되었음을 의미한다.

또한, 도 2c에 도시한 바와 같이, 2분할 센서로 복귀하는 빔(7)이 2분할 센서의 수광 소자(6b) 측으로 편향된다 것은, 대상물의 표면(4)이 대물 렌즈(1)의 초점보다 대물 렌즈(1)에 가깝게 배치되었음을 의미한다.

따라서, 2분할 센서(6)의 수광 소자들(6a, 6b) 간의 출력 차이 계산에 의해, 대물 렌즈(1)의 초점에 대한 대상물 표면(4)의 위치를 검출하는 것이 가능하다.

그러므로, 수광 소자(6a 및 6b)로부터의 출력 신호를 비교하기 위해 신호 처리 회로(8)가 제공된다.a및b가 각각 수광 소자(6a 및 6b)로부터의 출력 신호를 나타낼 때, 신호 처리 회로(8)는 F = a - b를 수행한다.

도 3은 대상물의 표면(4)이 대물 렌즈(1)의 광축 방향을 따라 이동할 때 신호 처리 회로(8)로부터의 출력 신호 F의 변동을 나타내는 그래프이다. 도 3의 그래프에서, 횡축은 대물 렌즈(1)의 초점에 대한 대물 렌즈(1)의 위치를 나타낸다. 원점으로부터의 위치가 음의 방향으로 커질수록, 대상물의 표면(4)은 대물 렌즈(1)의 초점으로부터 멀어진다. 반면, 원점으로부터의 위치가 양의 방향으로 커질수록, 대상물의 표면(4)은 대물 렌즈(1)의 초점보다 대물 렌즈(1)에 가까워진다. 도 3의 곡선(9)은, 복귀빔(7)의 광량이 복귀빔의 광축에 대해 균일하게 분포된 때의 초점 신호인 차동 신호 F를 나타낸다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 대물 렌즈(1)의 초점이 대상물의 표면(4)으로부터 이탈할 때, 대물 렌즈(1)는 초점 신호 F의 값이 0이 되도록 광축 방향을 따라 이동하며, 따라서 대물 렌즈(1)의 초점이 대상물의 표면(4)과 항상 일치하게 된다.

상기의 종래 장치는, 2분할 센서(6)로 복귀하는 빔의 광량 분포가 광축에 대해 실질적으로 균일한 경우에는 특별한 문제를 야기하지 않는다. 그러나, 반도체 마스크와 같이 유리 기판 상에 크롬으로 형성되어 있는 배선 패턴으로 인해 대상물 표면의 반사율이 국부적으로 크게 상이한 경우, 또는 레지스트로 코팅되고 노광된 후 현상된 반도체 웨이퍼와 같이 요철로 인해 대상물 표면의 반사율이 크게 상이한 경우, 2분할 센서로 복귀하는 빔의 광량 분포는 균일하지 못하다. 결과적으로, 원하는 초점 신호를 얻을 수 없어서, 대물 렌즈의 초점이 대상물의 표면 상에서 조절될 때 오작동을 유발한다.

본 발명의 목적은 검사될 대상물의 표면 상의 국부적인 반사율 차이에 무관하게 항상 양호한 초점 신호를 얻을 수 있는 초점 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 한 양상에 따르면, 초점 검출용 광빔은 대물 렌즈를 통해 대물 렌즈의 광축과 일치하지 않는 위치로부터 대상물의 표면으로 입사한다. 대상물의 표면에서 반사된 광빔은 대물 렌즈를 통과한 후, 적어도 집광 렌즈에 의해 2분할 센서에 집광된다. 2분할 센서는, 대물 렌즈의 초점이 대상물의 표면 상에 위치할 때 대상물의 표면에서 반사된 광빔이 집광 렌즈에 의해 집광되는 위치의 전방 및 후방에 배치된다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 대상물의 표면에서 반사된 광빔은 대물 렌즈를 다시 통과한 후, 분기 수단에 의해 2 방향으로 분기된다. 하나의 분기된 광빔은 제1 집광 렌즈에 의해 제1의 2분할 센서 상에 집광된다. 다른 분기된 광빔은 제2 집광 렌즈에 의해 제2의 2분할 센서 상에 집광된다. 제1의 2분할 센서는, 대물 렌즈의 초점이 대상물의 표면 상에 위치할 때 분기된 광빔 중 하나가 제1 집광 렌즈에 의해 집광되는 위치의 전방에 배치된다. 반면에, 제2의 2분할 센서는, 대물 렌즈의 초점이 대상물의 표면 상에 위치할 때 분기된 광빔 중 다른 하나가 제2 집광 렌즈에 의해 집광되는 위치의 후방에 배치된다.

제1 및 제2의 2분할 센서 각각은 2개의 수광부를 포함한다. 2개의 수광부 간의 경계선은, 대상물이 대물 렌즈의 광축 방향을 따라 이동할 때 2분할 센서 상에서 광빔의 이동 방향에 대해 약 45°의 각도를 이루는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 초점 검출 장치는 출력 신호 F = (a1 - a2) - (b2 - b1)을 생성하는 신호 처리 회로를 포함할 수 있으며, 여기에서 a1 및 a2는 제1의 2분할 센서의 2개의 수광부로부터의 출력 신호를 나타내고, b1은 출력 신호 a1을 발생시키는 수광부와 광학적으로 동등한 위치에 있는 제2의 2분할 센서의 출력 신호를 나타내며, b2는 출력 신호 a2를 발생시키는 수광부와 광학적으로 동등한 위치에 있는 제2의 2분할 센서의 출력 신호를 나타낸다.

본 발명은, 대상물 표면 상의 요철로 인한 국부적 차이에 무관하게, 신호 처리 회로로부터 발생되는 만족스러운 초점 신호를 얻을 수 있게 한다. 결과적으로, 대물 렌즈의 초점은, 초점 신호가 초점이 맞은 상태의 값과 일치하도록 대물 렌즈가 이동할 때 대상물 표면 상의 조건과 무관하게, 대물 렌즈의 초점이 항상 대상물의 표면 상에 위치할 수 있게 한다.

전술한 것과 그 이외의 본 발명의 목적, 특징 및 이점이 본 발명의 예들을 도시하는 첨부 도면을 참조로 더 명확해질 것이다.

도 1은 스큐 방식을 이용하는 종래의 초점 검출 장치의 광학 시스템을 개략적으로 도시하는 도면.

도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 초점 검출 장치 내의 2분할 센서 상의 집광 상태를 도시하는 도면.

도 3은 대상물의 표면이 대물 렌즈의 광축 방향을 따라 이동할 때 도 2a 내지 도 2c에 도시된 신호 처리 회로에서 발생되는 신호의 변동을 도시하는 그래프.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 초점 검출 장치의 광학 시스템을 개략적으로 도시하는 도면.

도 5는 도 4에 도시된 초점 검출 장치에서 대물 렌즈의 초점이 대상물의 표면에서 이탈할 때 초점 검출 장치용 광빔의 복귀빔이 집광 렌즈에 의해 집광되는 방식을 도시하는 도면.

도 6a 및 도 6b는, 도 4에 도시된 초점 검출 장치에서 대상물의 표면이 대물 렌즈의 광축을 따라 이동할 때 2분할 센서 상에서의 초점 검출용 광빔의 복귀빔의 이동을 도시하는 도면.

도 7은 도 4, 5, 6a 및 6b에 도시된 2분할 센서로부터 발생된 출력 신호를 처리하기 위한 신호 처리 회로를 도시하는 도면.

도 8a 내지 도 8c는, 도 7에 도시된 신호 처리 회로에서 발생된 출력 신호 내의 변동을 나타내는 그래프.

도 9a, 도 9b, 도 10a, 도 10b, 도 11a 및 도 11b는 대상물 표면의 반사율이 국부적으로 상이한 경우, 도 4에 도시된 초점 검출 장치 내의 2분할 센서 상의 초점 검출 장치용 광빔의 복귀빔 상태를 개략적으로 도시하는 도면.

도 12a, 도 12b, 도 13a, 도 13b, 도 14a 및 도 14b는 대상물 표면의 반사율이 국부적으로 상이한 경우, 도 4에 도시된 초점 검출 장치 내의 2분할 센서 상의 초점 검출 장치용 광빔의 복귀빔 상태를 개략적으로 도시하는 도면.

도 15a 내지 도 15c는 대상물 표면의 반사율이 국부적으로 상이한 경우, 도 7에 도시된 신호 처리 회로에서 발생되는 출력 신호를 도시하는 그래프.

도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초점 검출 장치의 광학 시스템을 개략적으로 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 기호의 설명>

1, 11, 85 : 대물 렌즈

11a : 광축

12, 86 : 대상물의 표면

13, 80 : 초점 검출용 광빔

14, 87 : 빔 분할기

15, 88, 89 : 집광 렌즈

16, 17, 90, 91 : 2분할 센서

21, 22, 23 : 광빔

41 : 복귀빔

43, 44, 45, 92 : 신호 처리 장치

81 : 편광빔 분할기

82 : 1/4 파장판

83 : 릴레이 렌즈

도 4에는, 본 발명의 한 실시예에 따른 초점 검출 장치 내의 광학 시스템이 도시되어 있다. 이 광학 시스템은 대상물의 표면(12) 상에 대물 렌즈의 초점을 위치시킴으로써, 광학 측정을 수행하거나 또는 처리를 수행하기 위한 장치의 일부로서 사용된다. 대물 렌즈(11)와 집광 렌즈(15)는 광축을 공유한다. 빔 분할기(반투명 거울)(14)가 대물 렌즈(11)와 집광 렌즈(15) 사이에 설치된다. 빔 분할기(14) 대신 편광 거울이 사용될 수 있다. 대물 렌즈(11)의 초점을 검출하기 위한 광빔(13)이 대물 렌즈(11)의 광축(11a)과 일치하지 않는 위치로부터 빔 분할기(14)를 통해 대물 렌즈(11)로 입사한다. 초점 검출에 사용되는 광빔(13)은 대상물의 표면(12) 부근에서 집광된다. 그 다음, 대상물의 표면(12)에서 반사된 광빔(13)(복귀빔)은 다시 대물 렌즈(11)에 입사한 뒤, 빔 분할기(14)를 통과한다. 빔 분할기(14)를 통과한 복귀빔은 집광 렌즈(15)에 의해 집광된다. 대물 렌즈(11)의 초점이 대상물의 표면(12) 상에 위치할 때 복귀빔이 집광 렌즈(15)에 의해 집광되는 집광 위치의 전방 및 후방에, 제1 및 제2의 2분할 센서(16, 17)가 배치된다. 이러한 2분할 센서들(16, 17)은 집광 위치(18)에서 동일한 거리만큼 떨어져 배치되는 것이 바람직하다.

도 5는 대물 렌즈(11)의 초점이 대상물의 표면(12) 상에 위치하지 않을 때, 초점 검출용 광빔(13)의 복귀빔이 집광 렌즈(15)에 의해 집광되는 방식을 도시하고 있다. 도 5에서 실선으로 표시된 광빔(21)은, 대물 렌즈(11)의 초점이 대상물의 표면(12) 상에 위치하는 경우의 복귀빔을 나타낸다. 이 경우에서, 복귀빔은 집광 렌즈(15)에 의해 위치(18)에 집광된다. 도 5에 도시된 광빔(5)은, 도 4에 도시된 대상물의 표면(12)이 대물 렌즈(11)의 초점보다 먼 곳에 배치된 경우의 복귀빔을 나타낸다. 도 5에 도시된 광빔(23)은, 도 4의 도시된 대상물의 표면(12)이 대물 렌즈(11)의 초점에서 대물 렌즈(11) 측으로 이동된 경우의 복귀빔을 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 광빔(22, 23)은 집광 렌즈(15)에 의해 광빔(21)이 집광되는 집광 위치(18) 부근에서 서로 교차하지 않는다. 또한, 각각의 광빔(21, 22, 23)은, 집광 렌즈(15)의 집광 위치 부근에서 렌즈의 집광 기능에 의해 180°회전되어 상하 좌우 위치가 반전된다.

도 5에 도시된 광빔(21, 22, 23)에 대해, 초점 검출용 광빔의 복귀빔은 대물 렌즈(11)의 초점이 대상물의 표면(12)에서 이탈한 정도에 따라 이동된다. 도 6a 및 도 6b는, 각각 대상물의 표면(12)이 대물 렌즈(11)의 광축 방향을 따라 대물 렌즈(11) 측으로 이동하는 경우 2분할 센서 상의 복귀빔의 이동을 도시하고 있다. 대상물의 표면(12)이 대물 렌즈(11)의 광축 방향을 따라 대물 렌즈(11) 측으로 이동하는 경우, 각각의 2분할 센서(16, 17) 상에 집광되는 복귀빔(11)은 도 6a 및 도 6b의 화살표 방향으로 이동된다. 이동 방향은 각각 2분할 센서(16, 17) 각각을 구성하는 두 개의 수광부 간의 경계선에 대해 약 45°의 각도를 이룬다. 즉, 2분할 센서(16, 17)는, 이들 두 개의 2분할 센서(16, 17)를 구성하는 두 개의 수광부간의 경계선이 복귀빔(41)의 이동 방향에 대해 약 45°의 각도를 이루도록 광학적으로 동일한 방향으로 배치된다. 2분할 센서(16, 17)를 구성하는 2개의 수광부(A1, A2)(또는 B1, B2)는 그들 사이의 경계선에 대해 대칭으로 형성된다. 또한 2분할 센서(16)의 수광부(A1)와 다른 2분할 센서(17)의 수광부(B1)는 광학적으로 등가인 위치에 배치되어 있다. 유사하게, 수광부(A2)와 수광부(B2)도 광학적으로 등가인 위치에 배치되어 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 대물 렌즈(11)의 초점이 대상물의 표면(12) 상에 위치하는 경우, 각각의 2분할 센서(16, 17) 내의 2개의 수광부들 사이의 경계선의 중심은 광빔(21)의 중심선 상에 위치함에 유의한다.

도 7은, 도 4 내지 도 6에 도시된 2분할 센서(16, 17)로부터의 출력 신호를 처리하기 위한 신호 처리 회로를 도시한다. 도 7에 도시된 신호 처리 회로는 차동 증폭 회로(43, 44, 45)를 포함한다. 차동 증폭 회로(43)는, 2분할 센서(16)의 수광 소자(A1)로부터의 출력 신호(a1)를 비반전 단자에서 수신하고, 2분할 센서(16)의 수광부(A2)로부터의 출력 신호(a2)를 반전 단자에서 수신하여, 출력 신호 Fa = a1 - a2를 생성한다. 유사하게, b1 및 b2가 각각 2분할 센서들(16, 17)의 수광부(B1, B2)로부터의 출력 신호라고 하면, 차동 증폭 회로(44)는 출력 신호 Fb = b1 - b2를 생성한다. 최종적으로, 차동 증폭 회로(45)는 출력 신호 F = Fa - Fb = (a1 - a2) - (b2 - b1)을 생성한다.

전술한 바와 같이, 2분할 센서(16, 17)는, 대물 렌즈(11)의 초점이 대상물의 표면(12) 상에 위치할 때 초점 검출용 광빔의 복귀빔이 집광 렌즈(15)에 의해 집광되는 집광 위치(18)의 전방 및 후방에 광학적으로 동일한 기울기로 배치된다. 도 8a 내지 도 8c는, 대상물의 표면(12)이 대물 렌즈(11)의 광축 방향을 따라 이동할 때 차동 증폭 회로(43, 44, 45) 출력 신호의 변동을 도시하고 있다. 도 8a 내지 도 8c의 그래프에서, 횡축은 대물 렌즈(11)의 초점 위치에 대한 대물 렌즈(11)의 위치를 나타낸다. 원점으로부터의 위치가 음의 방향으로 커질수록, 대상물의 표면(12)은 대물 렌즈(11)의 초점으로부터 멀어진다. 반면, 원점으로부터의 위치가 양의 방향으로 커질수록, 대상물의 표면(12)은 대물 렌즈(11)의 초점보다 대물 렌즈(11)에 근접하게 된다.

도 8a의 곡선(51)은 도 7에 도시된 수광부(A1)로부터의 출력 신호(a1)를 나타낸다. 도 8a의 곡선(52)은 수광부(A2)로부터의 출력 신호(a2)를 나타낸다. 곡선(53)은 2개의 수광부(A1, A2)로부터의 출력 신호의 차동 신호(a1 - a2), 즉 전술한 출력 신호 Fa을 나타낸다. 유사하게, 도 8b의 곡선(54)은 도 7에 도시된 수광부(B1)로부터의 출력 신호(b1)를 나타내고, 도 8b의 곡선(55)은 수광부(B2)로부터의 출력 신호(b2)를 나타내며, 곡선(56)은 2개의 수광부(B1, B2)로부터의 출력 신호의 차동 신호(b2 - b1), 즉 전술한 출력 신호 Fb를 나타낸다. 도 8c에서, 곡선(61)은 차동 증폭 회로(43, 44)로부터의 출력 신호들(Fa, Fb) 간의 차동을 나타내며 초점 신호를 형성하는 차동 신호(F)를 나타낸다. 도 8c에 도시된 바와 같이, 대물 렌즈(11)의 초점이 대상물의 표면(12)에서 이탈하는 경우, 초점 신호가 초점이 맞은 상태에서의 값 (본 실시예에서는 0) 을 가지도록 대물 렌즈(11)가 광축 방향으로 이동함으로써, 대물 렌즈(11)의 초점은 계속적으로 대상물의 표면(12) 상에 위치할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서, 제1 및 제2의 2분할 센서(16, 17)는 동일한 광학적 기울기로 배치된다. 이것은, 유리 기판 상에 형성된 크롬 패턴 -예를 들어 반도체 소자의 제조 공정 중 사용되는 마스크 패턴- 으로 인해 대상물 표면(12)의 반사율이 국부적으로 상이한 경우, 또는 대상물 상에 형성되어 있는 요철 -예를 들어 레지스트로 코팅된 뒤 패턴을 따라 선택적으로 노광된 웨이퍼-로 인해 표면(12) 반사율이 국부적으로 상이한 경우에도, 만족스런 초점 신호를 얻을 수 있게 한다.

다음으로, 대상물 표면의 반사율이 국부적으로 상이한 경우에서, 2분할 센서 상의 초점 검출 및 검출될 초점 신호의 양상이 설명된다.

도 9a, 도 10a 및 도 11a는, 요철의 위치 또는 존재로 인해 대상물 표면이 상이한 반사율을 갖기 때문에, 복귀빔(61)의 2분할 센서(16) 상에 수직 패턴을 형성하는 경우를 도시한다. 이러한 경우에서, 도 9b, 도 10b 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 도 9a, 도 10a 및 도 11a에 도시된 복귀빔(61) 패턴으로부터 180°반전된 패턴이 2분할 센서(16) 상에 형성된다. 또한, 도 12a, 도 13a 및 도 14a는 각각 복귀빔(61)이 2분할 센서(16) 상에 수평 패턴을 형성하는 경우를 도시하고 있다. 이 경우, 도 12b, 도 13b 및 도 14b에 도시된 바와 같이, 도 12a, 도 13a 및 도 14a에 도시된 복귀빔(61)의 패턴으로부터 180°반전된 패턴이 2분할 센서(17) 상에 형성된다.

각각의 2분할 센서(16, 17)로의 복귀빔이 도 10a 및 도 10b에 도시된 상태인 경우, 도 15a 내지 도 15c에 도시된 차동 증폭 회로(43, 44, 45)로부터의 출력 신호가 획득된다. 도 15a 내지 도 15c 각각에 도시된 그래프의 횡축은 도 8a 내지 도 8c와 관련하여 설명한 내용과 동일하다.

도 15a에서, 곡선(71)은 수광부(A1)로부터의 출력 신호(a1)를 나타내고, 곡선(72)은 수광부(A2)로부터의 출력 신호(a2)를 나타내며, 곡선(73)은 도 15b의 차동 증폭 회로(43)로부터의 출력 신호 Fa = (a1 - a2) 를 나타낸다. 유사하게, 곡선(74, 75)은 도 7에 도시된 수광부(B1, B2)로부터의 출력 신호(b1, b2)를 각각 나타내며, 곡선(76)은 도 7에 도시된 신호 처리 회로(44)로부터의 출력 신호 Fb = b2 - b1를 나타낸다. 차동 신호 F는 도 10a 및 도 10b에 도시된 상태 하에서 초점 신호를 형성한다. 이러한 방식으로, 대상물 표면(12) 상의 존재 또는 위치로 인해 표면(12) 반사율이 국부적으로 상이한 경우에도, 만족스런 초점 신호를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 실시예가 아래에 설명될 것이다.

상기 구성의 초점 검출 장치에서, 제1 및 제2 의 2분할 센서(16, 17)는, 대물 렌즈(11)의 초점이 대상물의 표면(12) 상에 위치할 때 초점 검출용 광빔(13)의 복귀빔이 집광 렌즈(15)에 의해 집광되는 집광 위치(18)의 전방 및 후방에 설치되어 있다. 이 때, 제1 및 제2의 2분할 센서(16, 17)가 대물 렌즈(11)의 광축 방향으로 설치되면, 초점 검출용 광빔(13)의 복귀빔이 집광 위치(18)의 전방에 배치된 제1의 2분할 센서(16)에 의해 차단되어, 복귀빔이 집광 위치(18)의 후방에 배치된 제2의 2분할 센서(17) 상에 집광되지 못하게 된다. 그러나, 도 4 및 도 5에서는 설명을 간단히 하기 위해, 이러한 2분할 센서(16, 17)가 대물 렌즈(11)의 광축 방향으로 나란하게 배열되어 있다. 따라서, 본 발명을 구현하는 데 적절한 제1 및 제2의 2분할 센서의 바람직한 배열이 도 16을 참조로 설명될 것이다.

도 16에 도시된 초점 검출 장치에서, 대상물의 표면(86)으로 향하는 초점 검출용 광빔(80)은 편광된다. 광빔은 초점 검출을 필요로 하는 광학 시스템의 광축(94)과 일치하는 것이 아니라 그에 평행하며, 편광빔 분할기(81)를 통해 전송된다. 편광빔 분할기(81)를 통과한 광빔은 1/4 파장판(82)을 통해 전송되고, 선편광된 광은 원편광된 광으로 변환된다. 그 다음, 원편광된 광은 릴레이 렌즈(83)를 통과한다. 릴레이 렌즈(83)는 2 그룹의 렌즈로 구성되며, 한번에 광을 집광하여 초점 조절 및 광빔의 폭이 필요한 대로 변경될 수 있게 한다. 릴레이 렌즈(83)를 통과한 광빔은 색선별 거울(84)을 통해 전송된 후, 대물 렌즈(85)를 통해 대상물의 표면(86) 부근에서 집광된다.

그 다음, 대상물의 표면(86)에서 반사된 광빔(복귀빔)은 다시 대물 렌즈(85)로 입사한 뒤, 색선별 거울(84), 릴레이 렌즈(83) 및 1/4 파장판(82)을 차례로 통과한다. 복귀빔은, 광빔(80)이 편광빔 분할기(81)에 입사할 때 초기 편광 방향과 90°만큼 차이나도록 1/4 파장판(82)에 의해 선편광된 광으로 변환된다. 결과적으로, 1/4 파장판(82)을 통과한 복귀빔은 복귀빔이 다음으로 입사하게 되는 편광빔 분할기(81)에서 효과적으로 반사된다.

편광빔 분할기(81)에서 반사된 복귀빔은 빔 분할기(87)에 의해 두 방향으로 분기된다. 하나의 분기된 복귀빔은 집광 렌즈(88)에 의해 집광되고, 다른 분기된 복귀빔은 다른 집광 렌즈(89)에 의해 집광된다. 집광 렌즈(88)를 통과한 복귀빔은 2분할 센서(90)로 입사한다. 2분할 센서(90)는, 대물 렌즈(85)의 초점이 대상물의 표면(86) 상에 위치할 때 집광 렌즈(88)에 의해 복귀빔이 집광되는 위치의 전방에 설치된다. 반면, 집광 렌즈(89)를 통과한 복귀빔은 2분할 센서(91)로 입사한다. 2분할 센서(91)는, 대물 렌즈(85)의 초점이 대상물의 표면(86) 상에 위치할 때 복귀빔이 집광 렌즈에 의해 집광되는 위치의 후방에 설치된다. 이러한 2분할 센서(90, 91)로부터 획득된 신호들은, 도 7에 도시된 신호 처리 회로에 관하여 전술한 것과 같은 방식으로, 신호 처리 회로(92)에서 처리된다.

도 16에 도시된 장치를 이용하여, 대상물의 표면(86)이 대물 렌즈(85)의 광축 방향으로 이동할 때, 도 8c 또는 도 15c에 도시된 바와 같이 만족스런 초점 신호를 얻을 수 있다. 초점 신호에 기초하여, 대물 렌즈(85)는 렌즈 구동 장치(93)에 의해 이동하여, 대물 렌즈(85)의 초점이 대상물의 표면(86) 상에 위치하게 한다. 즉, 렌즈 구동 회로(93)는, 신호 처리 회로(92)로부터 획득된 초점 신호 F가 초점이 맞은 상태의 값 (즉, 본 실시예에서는 0)을 가지도록 대물 렌즈(85)를 이동시킴으로써, 대물 렌즈의 초점이 항상 대상물의 표면(86) 상에 위치하게 한다. 렌즈 구동 회로(93)는 예를 들어 압전 소자로도 사용될 수 있다.

초점 신호를 획득하기 위한 신호 처리가 도 7을 참조로 설명되었다. 그러나, Fa = (a1 - a2) / (a1 + a2), Fb = (b2 - b1) / (b1 + b2), F = Fa - Fb와 같이 전체 수신 광량을 정규화함으로써, 검출 정확도는 더욱 향상될 수 있다.

도 16에 도시된 초점 검출 장치가 전자 현미경, 광학적 검사 장치, 레이저 가공 장치 등에 응용되는 경우, 검사 및 처리 등을 위한 광빔은 색선별 거울(44)을 통해 대물 렌즈(85)에 입사할 수 있다는 것을 알아야 한다.

본 발명의 바람직한 실시예들이 특정 용어들을 이용하여 설명되었지만, 이러한 설명은 단지 예시를 위한 것이며, 첨부된 청구항들의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 변화 및 변경이 이뤄질 수 있다는 것을 알아야 할 것이다.

본 발명에 따르면, 검사될 대상물의 표면 상의 국부적인 반사율 차이에 무관하게 항상 양호한 초점 신호가 얻어진다는 효과가 나타난다.

Claims (10)

1. 초점 검출 장치에 있어서,

   대물 렌즈;

   적어도 상기 대물 렌즈를 통해, 상기 대물 렌즈의 광축과 일치하지 않는 위치로부터 검사될 대상물의 표면으로, 초점 검출용 광빔을 입사시키기 위한 수단;

   상기 대상물의 표면에서 반사되어 상기 대물 렌즈를 다시 통과한 상기 광빔을 집광시키기 위한 집광 렌즈; 및

   상기 대물 렌즈의 초점이 상기 대상물의 표면 상에 위치할 때 상기 반사된 광빔이 상기 집광 렌즈에 의해 집광되는 위치의 전방 및 후방에, 광학적으로 동일한 기울기로 배치되는 2개의 2분할 센서(two-split sensor)

   를 포함하는 초점 검출 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 2개의 2분할 센서는 각각 2개의 수광부를 포함하고, 상기 2분할 센서의 2개의 수광부들 간의 경계선은, 상기 대상물의 표면이 상기 대물 렌즈의 광축 방향에 평행하게 이동할 때 상기 2분할 센서 상에서 상기 광빔이 이동하는 방향에 대해 약 45°의 각도를 이루는 초점 검출 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 2개의 2분할 센서 각각을 구성하는 상기 2개의 수광부는 상기 경계선에 대해 대칭 형상인 초점 검출 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 2분할 센서 중 한 2분할 센서를 구성하는 2개의 수광부 각각으로부터의 출력 신호 a1, a2의 차동 신호 a1 - a2를 출력 신호로서 생성하기 위한 제1 차동 증폭기,

   상기 2분할 센서 중 나머지 2분할 센서를 구성하는 2개의 수광부 각각으로부터의 출력 신호 b1, b2의 차동 신호 b2 - b1를 출력 신호로서 생성하기 위한 제2 차동 증폭기, 및

   출력 신호 F = (a1 - a2) - (b2 - b1)을 생성하기 위한 제3 차동 증폭기

   를 포함하는 신호 처리 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초점 검출 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 출력 신호 F에 기초하여, 상기 대물 렌즈의 초점이 상기 대상물의 표면 상에 위치할 수 있도록, 상기 대물 렌즈를 이동시키기 위한 렌즈 구동기를 더 포함하는 초점 검출 장치.
6. 초점 검출 장치에 있어서,

   대물 렌즈;

   적어도 상기 대물 렌즈를 통해, 상기 대물 렌즈의 광축과 일치하지 않는 위치로부터 검사될 대상물의 표면으로, 초점 검출용 광빔을 입사시키기 위한 수단;

   상기 대상물의 표면에서 반사되어 상기 대물 렌즈를 다시 통과한 상기 광빔을 두 방향으로 분기시키기 위한 분기 수단(branching means);

   상기 분기 수단에 의해 분기된 하나의 광빔을 집광시키기 위한 제1 집광 렌즈;

   상기 분기 수단에 의해 분기된 다른 광빔을 집광시키기 위한 제2 집광 렌즈;

   상기 대물 렌즈의 초점이 상기 대상물의 표면 상에 위치할 때 상기 분기 수단에 의해 분기된 상기 하나의 광빔이 상기 제1 집광 렌즈에 의해 집광되는 위치의 전방에 배치되는 제1의 2분할 센서; 및

   상기 대물 렌즈의 초점이 상기 대상물의 표면 상에 위치할 때 상기 분기 수단에 의해 분기된 상기 다른 광빔이 상기 제2 집광 렌즈에 의해 집광되는 위치의 후방에 배치되는 제2의 2분할 센서

   를 포함하는 초점 검출 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2의 2분할 센서 각각은 2개의 수광부를 포함하며, 상기 2분할 센서의 상기 2개의 수광부들 간의 경계선은, 상기 대상물의 표면이 상기 대물 렌즈의 광축 방향에 평행하게 이동할 때 상기 2분할 센서 상에서 상기 광빔이 이동하는 방향에 대해 약 45°의 각도를 이루는 초점 검출 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2의 2분할 센서 각각을 구성하는 상기 2개의 수광부는 상기 경계선에 대해 대칭 형상인 초점 검출 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 2분할 센서 중 한 2분할 센서를 구성하는 2개의 수광부 각각으로부터의 출력 신호 a1, a2의 차동 신호 a1 - a2를 출력 신호로서 생성하기 위한 제1 차동 증폭기,

   상기 2분할 센서 중 나머지 2분할 센서를 구성하는 2개의 수광부 각각으로부터의 출력 신호 b1, b2의 차동 신호 b2 - b1를 출력 신호로서 생성하기 위한 제2 차동 증폭기, 및

   출력 신호 F = (a1 - a2) - (b2 - b1)을 생성하기 위한 제3 차동 증폭기

   를 포함하는 신호 처리 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초점 검출 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 출력 신호 F에 기초하여, 상기 대물 렌즈의 초점이 상기 대상물의 표면 상에 위치할 수 있도록, 상기 대물 렌즈를 이동시키기 위한 렌즈 구동기를 더 포함하는 초점 검출 장치.