WO2006038439A1 - 焦点位置制御機構付き観察装置 - Google Patents

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WO2006038439A1
WO2006038439A1 PCT/JP2005/016843 JP2005016843W WO2006038439A1 WO 2006038439 A1 WO2006038439 A1 WO 2006038439A1 JP 2005016843 W JP2005016843 W JP 2005016843W WO 2006038439 A1 WO2006038439 A1 WO 2006038439A1
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WO
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subject
light
control mechanism
optical system
position control
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PCT/JP2005/016843
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English (en)
French (fr)
Inventor
Shunsuke Kurata
Haruyuki Tsuji
Original Assignee
Olympus Corporation
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/24—Base structure
    • G02B21/241—Devices for focusing
    • G02B21/245—Devices for focusing using auxiliary sources, detectors
    • G02B21/247—Differential detectors

Definitions

  • the present invention relates to an observation apparatus with a focal position control mechanism.
  • observation apparatuses such as microscopes that can observe a minute sample as an object and record an observation image as a video image have led to an inspection process in an industrial field including research in a biological field.
  • the focus is usually adjusted by adjusting the focus of the observation sample by operating the focusing handle.
  • the focal depth is shallow and the focusing range is narrow as in the case of a high-magnification objective lens, considerable skill is required for quick focusing operation.
  • This operability has bad effects, fatigue of workers, reduced production efficiency, and bad effects. Especially in routine operations such as the inspection process, it is very important to perform this operation quickly to shorten the inspection time.
  • AF devices in the industrial field not only improve operability and throughput, but also, for example, for a specimen having a step such as a multi-layered semiconductor wafer, between each layer of defects and patterns. Detecting and measuring line widths without omissions, or measuring minute steps on a subject with high accuracy, there is a need for any application, and AF devices with performance suitable for these inspections and measurements have been proposed. Yes.
  • AF device in the industrial field light such as an infrared laser is projected onto the subject to detect the reflected light state for reasons such as compatibility with the subject and shortening of the AF time.
  • the so-called active AF method which performs focusing operation, is often used.
  • a method called a knife edge method is known. The in-focus position is described in detail in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-296469.
  • the spot light projected onto the subject is a single minute light beam (hereinafter referred to as a single spot method). Therefore, light is scattered at the edge portion near the step of the subject as shown in FIG. 8B, and the amount of signal light that should be returned is insufficient, and the AF operation becomes unstable. Furthermore, as shown in FIG. 8C, when observing a subject having a plurality of steps in the same field of view, only the step at the position where the spot light is projected is in focus, and other step portions are extremely blurred. It is inefficient for line and line width measurement by recognizing the pattern image in the field of view!
  • the collimator lens is vibrated by a voice coil motor to vibrate the spot light on the wafer to form a line-like light projection and generate a position detection signal to improve performance (for example, see JP-A-2001-82926;).
  • the projection light is made into a slit shape as shown in FIG. 9A by inserting a cylindrical lens in the laser beam, and the return light at the edge portion near the step of the subject as shown in FIG. 9B.
  • a diffraction grating to widen the range of projection light to the subject (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-296469).
  • a plurality of spot-shaped projection methods are referred to as a multi-spot method.
  • an object of the present invention is to provide an observation apparatus with a focus position control mechanism that can achieve an average focus on a subject having a plurality of steps and achieves focusing stability.
  • the present invention employs the following means in order to solve the above problems.
  • An observation apparatus with a focal position control mechanism includes an observation optical system having an imaging element that irradiates a subject with illumination light through one of a plurality of interchangeable objective lenses and observes light of the subject force.
  • a light projecting unit that irradiates the subject with visible light through the objective lens of the observation optical system, and an image surface of the optical image of the visible light reflected by the subject, and the image of the optical image.
  • a focus detection optical system that detects a relative distance between the object lens and the subject, and a photoelectric conversion unit that outputs a signal corresponding to an in-plane position; and an output signal from the focus detection optical system.
  • An object position adjusting unit that adjusts the in-focus position of the object and a diaphragm unit that adjusts the projection range of the visible light are provided.
  • This observation device with a focal position control mechanism can block the visible light radiated to the portion where the imaging range force protrudes even in the real field of view by the diaphragm means, and the observation is performed when adjusting the distance.
  • the subject can be aligned by limiting the incidence of invisible light outside the imaging range necessary for the incident to the photoelectric conversion unit within the imaging range.
  • the observation apparatus with a focus position control mechanism is the observation apparatus with the focus position control mechanism, wherein the focus detection optical system includes the intermediate imaging position of the visible light, A diaphragm means is arranged at the intermediate image forming position.
  • a projection means having a diaphragm diameter corresponding to the imaging range is arranged at the intermediate imaging position, so that the projection range of invisible light is more preferably limited to the imaging range. Can be flooded.
  • the observation apparatus with a focal position control mechanism provides the focal position control mechanism.
  • the diaphragm means is disposed between the subject and the objective lens.
  • the observation apparatus with a focus position control mechanism is the observation apparatus with the focus position control mechanism, wherein the focus detection optical system forms an image of the non-visible light on the photoelectric conversion unit.
  • the diaphragm means is disposed between the imaging lens and the photoelectric conversion unit.
  • the projection range of the visible light is more preferably limited to the imaging range by disposing the aperture unit having an aperture diameter corresponding to the imaging range at the above-described position. Can be projected.
  • the observation apparatus with a focal position control mechanism is the observation apparatus with the focal position control mechanism, wherein the diaphragm means has a plurality of different diaphragm diameters that can be selected. It is characterized by having.
  • This observation apparatus with a focal position control mechanism can select the optimum aperture diameter for the imaging element and imaging range.
  • the observation apparatus with a focal position control mechanism is the observation apparatus with the focal position control mechanism, wherein the aperture means includes a variable aperture capable of adjusting an aperture diameter.
  • This observation apparatus with a focal position control mechanism can be selected while adjusting on the spot without having to set a plurality of aperture diameters that are optimal for the imaging range of the imaging device in advance.
  • the observation apparatus with a focus position control mechanism is the observation apparatus with the focus position control mechanism, wherein the aperture diameter of the aperture stop means is set based on an output signal from the subject position adjustment means.
  • a control unit for adjustment is provided.
  • This observation apparatus with a focus position control mechanism can automatically adjust the optimum aperture diameter for the imaging range, and can make a suitable adjustment in a short time.
  • the present invention it is possible to improve the focusing performance by improving the focusing stability within the imaging range of the subject. Defect extraction must be performed accurately, especially for pattern defect observation. This makes it possible to easily compare the defect with the reference image during defect classification and improve the defect classification accuracy.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a microscope AF device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a view showing a subject with a step to be observed in the AF apparatus for a microscope according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a diagram showing the state of spot light irradiated to a subject with a step in the case of the single spot projection method.
  • FIG. 2C is a diagram showing the state of spot light irradiated to a subject with a step in the case of the multi-spot projection method.
  • FIG. 3A is a diagram showing a subject with unevenness with different heights to be observed in the microscope AF device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B In the case of the single spot projection method for a subject with unevenness of different heights to be observed, the state of the spot light irradiated on the subject and the photo detector at that time It is a figure which shows the state of spotlight.
  • FIG. 3C In the case of the multi-spot projection method for a subject with unevenness of different heights to be observed, the state of the spot light irradiated on the subject and the spot light on the photodetector at that time It is a figure which shows the state of.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between an optical field of view and an imaging range when observing an object having a step in the AF device for a microscope according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of an AF apparatus for a microscope according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of an AF apparatus for a microscope according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view showing a configuration of an AF apparatus for a microscope according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A In the single-spot projection method, light is projected onto the flat surface of the convex part on the subject with irregularities. It is a figure which shows the mode of the spot light in case the spot is irradiated.
  • FIG. 8B is a diagram showing the state of the spot light when the light spot is irradiated on the edge portion of the convex portion on the subject having irregularities in the single spot projection method.
  • FIG. 8C is a diagram showing a state of spot light in the case of irradiating a subject with unevenness having different heights in the single spot projection method.
  • FIG. 9A is a diagram showing the state of spot light when a light spot is irradiated on the flat surface of a convex portion on a subject with irregularities in the slit-shaped multi-spot projection method.
  • FIG. 9B is a diagram showing the state of spot light in the slit-shaped multi-spot projection method when a light spot is irradiated on the edge portion of the convex portion on the subject with irregularities.
  • FIG. 9C is a diagram showing the state of spot light when the slit-shaped multi-spot projection method is used to irradiate an object having unevenness with different heights.
  • FIG. 10 is an explanatory view showing another example of the fixed aperture of the microscope AF device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is an explanatory view showing another example of the variable aperture of the AF device for a microscope according to the second embodiment of the present invention.
  • Microscope AF device observation device with focal position control mechanism
  • the microscope AF device (observation device with a focus position control mechanism) 1 irradiates illumination light onto the subject 3 through one of a plurality of replaceable objective lenses 2 as shown in FIG.
  • the observation optical system 6 having a CCD (imaging device) 5 for observing the reflected light from the subject 3, and the infrared laser beam (invisible light) to the subject 3 through the objective lens 2 of the observation optical system 6
  • a focus detection optical system 10 for detecting the relative distance between the objective lens 2 and the subject 3 and a subject position adjusting means 1 for adjusting the in-focus position of the subject 3 based on an output signal from the focus detection optical system 10 1 and the aperture means 12 for adjusting the laser beam projection range within the imaging range of the CCD 5, and the operation unit 13
  • a control unit (control unit) 14 that adjusts the aperture diameter of the aperture means 12 based on the output signal is provided.
  • the CCD 5 is connected to an image generating device 60, and the image generating device 60 is connected to an image monitor 61.
  • the focus detection optical system 10 further includes a polarization beam splitter 15 that separates the optical path between the light emitted from the light projecting unit 7 and the reflected light from the subject 3, and the direction of the emitted light in the direction of the subject 3. And deflects the reflected light from the subject 3 in the direction of the polarizing beam splitter 15, and once collects the laser light between the polarizing beam splitter 15 and the polarizing beam splitter 15 and the dichroic mirror 16 for the objective.
  • a polarization beam splitter 15 that separates the optical path between the light emitted from the light projecting unit 7 and the reflected light from the subject 3, and the direction of the emitted light in the direction of the subject 3. And deflects the reflected light from the subject 3 in the direction of the polarizing beam splitter 15, and once collects the laser light between the polarizing beam splitter 15 and the polarizing beam splitter 15 and the dichroic mirror 16 for the objective.
  • An imaging lens 21 that is arranged between the photodetector 8 and forms an image of the laser beam on the photodetector 8, and a knife edge that is arranged between the light projecting unit 7 and the polarization beam splitter 15 to make the laser beam semicircular.
  • a 22 is arranged between the photodetector 8 and forms an image of the laser beam on the photodetector 8 and a knife edge that is arranged between the light projecting unit 7 and the polarization beam splitter 15 to make the laser beam semicircular.
  • the light projecting unit 7 includes a reference light source 23 that emits laser light, a laser driving unit 25 that drives the light source, a collimator lens 26 that converts illumination light into parallel light, and the pupil and conjugate position of the objective lens 2.
  • a diffraction grating 27 for converting parallel light into a plurality of spot lights arranged in a line on a line.
  • the photodetector 8 is connected to the control unit 14 via an amplifier 28 that amplifies the output signal photoelectrically converted by the photodetector 8 and an AZD conversion 30 that AZD converts the signal amplified by the amplifier 28.
  • the diffraction grating 27 may be disposed between the knife edge 22 and the polarization beam splitter 15 as long as the diffraction grating 27 is disposed at a position where the reflected light beam from the subject 3 does not pass.
  • the photodetector 8 can output each region force signal by dividing the image plane of the light image of the reflected light from the subject 3 into an A region and a B region.
  • the A region and the B region are arranged above and below corresponding to the position at which the edge image of the knife edge 22 is projected onto the photodetector 8.
  • the control unit 14 performs arithmetic processing of these signals and adjusts the focus position.
  • the subject position adjusting means 11 includes a support base 31 on which the subject 3 is placed, an electric revolver 32 that has the objective lens 2 and is rotatable to replace the objective lens 2, and a support base 31.
  • a focusing motor 33 that drives up and down, a focusing motor drive unit 35 that drives and controls the motor, an encoder 36 that detects the rotation speed of the focusing motor 33, and a rotation direction and rotation connected to the encoder 36.
  • a pulse counter 37 for detecting the quantity.
  • the support base 31 is movable in the vertical direction with respect to the electric revolver 32.
  • the electric revolver 32 is used for rotating the revolver that rotates the revolver main body 38 so that the revolver body 38 having a mounting hole to which a plurality of objective lenses 2 can be attached and the arbitrary objective lens 2 is inserted into the optical path.
  • Revolver motor drive unit 40 that electrically drives motor 39 and revolver rotation motor 39, and repo hole position for detecting which mounting hole position of revolver body 38 is equipped with objective lens 2 And a detection unit 41.
  • the aperture means 12 has a plurality of selectable fixed apertures 42 having different aperture diameters arranged on the circumference, and the desired fixed aperture 42 is intermediately imaged between the pair of lenses 17 and 18.
  • a fixed diaphragm rotating plate 43 that can be moved to a position, a rotating plate motor 45 that rotationally drives the fixed diaphragm rotating plate 43, and a rotating plate drive unit 46 that drives the motor.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2001-296469 discloses a method of projecting laser light according to the multi-spot method by the focus detection optical system 10 and adjustment of the in-focus position of the subject 3 by the subject position adjusting means 11. Etc. can be performed in the same manner as described in
  • the spot light on the subject 3 is single. For this reason, most of the reflected light from the spot light becomes scattered light at the step C in the figure and does not return to the photodetector 8, making AF operation impossible.
  • the step shown in FIG. 3A as shown in FIG. 3B, only the position of the spot light projected on the subject 3 is in focus, and particularly when using the high-magnification objective lens 2, The subject images at other steps are greatly blurred. Therefore, even if the width between D and E in the figure can be measured, the width between F and G in the figure cannot be measured.
  • the optical field 47 generally has a substantially circular shape
  • the imaging range 48 has a rectangular shape
  • the multi-point spot light L is within the optical field 47.
  • the photodetector 8 also receives signals from a plurality of spot lights outside the imaging range 48, signal processing for focusing may be performed under the influence of this portion, and imaging that is actually visible is possible. Images within range 48 may not be in focus sufficiently.
  • the electrical signal of the image captured by the CCD 5 is displayed on the monitor by the image generator 60. It is converted into a signal that can be displayed and displayed on the image monitor 61. The observer can check whether he is in focus.
  • a spot light switching switch (not shown) arranged in the operation unit 13 is operated, an instruction is issued from the control unit 14 to the rotary plate drive unit 46 to drive the rotary plate motor 45, and a fixed iris
  • the rotating plate 43 is rotated, and the fixed stop 42 is selected so that the laser spot light projected onto the subject 3 is disposed within the imaging range 48, and is disposed at the intermediate imaging position described above.
  • a plurality of laser spot lights are irradiated and reflected only within the imaging range 48, so that the photodetector 8 has a pattern step or reflection at a position outside the imaging range 48.
  • the reflected light is received only within the imaging range 48 that is not affected by the rate, and the focal position is adjusted based on this.
  • the control unit detects a signal from the repo hole position detection unit 41, determines the objective lens 2 to be used from this signal, and determines the fixed aperture 42 corresponding to the imaging range of the imaging camera to be used. By selecting, a signal is sent from the control unit to the rotary plate drive unit 46, and the rotary drive unit 46 rotates the rotary plate motor 45 to automatically set the optimum fixed aperture 42. A little.
  • control unit may have an image composition function, and the image signal converted by the image generation device 60 and the optical field image created in a pseudo manner may be synthesized and displayed.
  • the current aperture status can be displayed so that the observer can manually select the aperture.
  • the spot of the laser beam according to the size of the imaging range 48 is provided by disposing the aperture means 12 having an aperture diameter corresponding to the imaging range 48 at the intermediate imaging position.
  • the projection length can be limited within the imaging range 48.
  • control unit 14 can automatically adjust the pinhole 42 optimum for the imaging range 48 to the intermediate image forming position, and can make a suitable adjustment in a short time.
  • the shape of the fixed stop 42 may be configured to shield the outside of the imaging range and the inside of the imaging range in accordance with the purpose. In this case, focus weighting can be performed on the center portion and the peripheral portion of the imaging range. Alternatively, the transmittance may be continuously changed by shielding the outside of the imaging range and directing the force from the center to the periphery!
  • the diaphragm means 51 of the microscope AF device 50 has a diaphragm diameter such as a feather diaphragm used in a camera or the like.
  • the variable aperture 52 that can be adjusted, the variable aperture motor 53 that drives the variable aperture 52, and the variable aperture drive unit 55 that drives the variable aperture 52 are provided.
  • the control unit 56 can adjust the aperture diameter of the variable aperture 52 based on the output signal from the subject position adjusting means 11. Also, CCD5 and later are omitted.
  • the control unit 56 detects a signal from the repo hole position detection unit 41 when performing focusing. At this time, the objective lens 2 having a magnification determined in advance for each mounting hole of the revolver body 38 is attached. Therefore, the objective lens 2 currently used is identified by the signal from the repo hole position detector 41.
  • the control unit 56 calculates the aperture diameter that falls within the imaging range of the imaging device corresponding to the magnification of the objective lens 2. Alternatively, it may have a memory containing a table of aperture diameters corresponding to the magnification. Then, an instruction is sent from the control unit 56 to the variable aperture drive unit 55 to drive the variable aperture motor 53, and the spot projection length projected onto the subject 3 is substantially the same as the diagonal length of the imaging range 48.
  • the aperture diameter of the variable aperture 52 is changed so that
  • L-shaped members as shown in FIG. 11 may be moved diagonally by driving means (not shown) as a variable diaphragm.
  • the two members may be moved to any position within the imaging range while maintaining the relative positions of the two members.
  • the same effect as the first embodiment can be obtained, but it is not necessary to set a plurality of optimum aperture diameters in advance in the imaging range 48.
  • the light projection length of the spot can be adjusted arbitrarily, and the focusing operation can be performed more suitably.
  • the difference between the third embodiment and the second embodiment is the AF for microscope according to this embodiment.
  • the variable aperture 52 of the apparatus 60 is arranged at a position Y between the subject 3 and the objective lens 2.
  • variable diaphragm 52 is arranged at a position where the light beam of the laser beam converges, by varying the diaphragm diameter of the variable diaphragm 52, the second embodiment and the second embodiment can be used.
  • the spot projection length of the laser light can be more preferably limited to the imaging range 48.
  • variable aperture 52 of the microscope AF device 70 is arranged at a position between the imaging lens 21 and the photodetector 8. This is the point.
  • variable aperture 52 is arranged at the position where the light beam of the laser beam converges, as in the second and third embodiments.
  • the aperture diameter of 52 By varying the aperture diameter of 52, the same effect as in the second and third embodiments can be obtained.
  • the subject position adjusting means 11 that adjusts the distance between the subject and the objective lens drives the support base 31 up and down with respect to the electric revolver 32.
  • the revolver may be driven up and down.
  • the present invention is not affected by the step of the pattern outside the range and the reflectivity when focused, and thus the laser beam is projected only within the range desired to be focused. Since it can be focused, it can be applied to a subject with multiple steps.

Abstract

　本発明による顕微鏡用ＡＦ装置１は、複数の交換可能な対物レンズ２の一つを通して照明光を被検体３に照射し、被検体３からの反射光を観察するＣＣＤ（撮像素子）５を有する観察光学系６と、観察光学系６の対物レンズ２を通して被検体３にレーザ光（可視外光）を照射する投光部７と、被検体３で反射したレーザ光の光像の像面に配され、光像の像面内位置に応じた信号を出力するフォトディテクタ（光電変換部）８とを有して対物レンズ２と被検体３との相対距離を検出する焦点検出光学系１０と、焦点検出光学系１０からの出力信号に基づき被検体３の合焦位置を調整する被検体位置調整手段１１と、ＣＣＤ５の撮像範囲内にレーザ光の投光範囲を調整する絞り手段１２とを備えている。

Description

明 細 書
焦点位置制御機構付き観察装置
技術分野
[0001] 本発明は、焦点位置制御機構付き観察装置に関する。
本願 ίま、 2004年 9月 16日【こ日本国お!/、て出願された特願 2004— 269669号【こ 基づく優先権を主張し、その内容をここに援用する。
背景技術
[0002] 現在、被検体である微細な試料を観察したり、観察像をビデオ画像として記録する ことのできる顕微鏡等の観察装置は、生物分野の研究をはじめ、工業分野の検査ェ 程に至るまで幅広く利用されている。このような顕微鏡を使用する場合、通常、焦準 ハンドル操作により観察試料の焦点調節を行 、ピント合わせ作業を行う。ところが、 高倍率対物レンズのように焦点深度が浅く合焦範囲が狭 、場合には、素早 、ピント 合わせ操作のためにはかなりの熟練を要する。
この操作性が悪 ヽと作業者の疲労、生産効率の低下と!/ヽつた悪影響を及ぼすこと になる。特に検査工程などのルーチン作業では、この操作を素早く行って検査時間 を短縮することが非常に重要となる。
[0003] そこで、このようなピント合わせ操作を自動的に行うことのできる顕微鏡用の焦点位 置制御機構 (オートフォーカス： AF)付きの装置が種々提案され、し力もそれらの改 善を目的とした提案も数多くされている。
特に、工業分野における AF装置では、操作性やスループットの向上のみならず、 例えば、多層形成された半導体ウェハーのような段差のある被検体に対して、それぞ れの層の欠陥やパターン間の線幅を漏れなく検出、測定したり、被検体上の微小な 段差を高精度で測定するといつた用途へのニーズがあり、これらの検査 '測定に適し た性能を有する AF装置が提案されている。このような工業分野の AF装置では、被 検体への対応性、 AF時間の短縮等の理由から、赤外光レーザ等の光を被検体に投 射し、反射した光の状態を検出して合焦操作を行う、いわゆるアクティブ型 AF方式 が多く採用されている。 アクティブ型 AF方式の例として、ナイフエッジ法と呼ばれる方式が知られている。ま た、合焦位置については、特開 2001— 296469号公報に詳細な説明がなされてい る。
[0004] ところが、このような一般的なアクティブ方式の AF装置では、図 8Aに示すように、 被検体に投影するスポット光が単一の微小な光束である（以降、シングルスポット方 式と称する。）ため、図 8Bに示すような被検体の段差付近のエッジ部分では光が散 乱してしま 、、本来戻るべき信号光の光量が不足してしま 、AF動作が不安定となる 。さらに、図 8Cに示すように、複数の段差を有する被検体を同一の視野内で観察す る際、スポット光の投影された位置の段差のみにピントが合って他の段差部分が極端 にぼけてしま!/、、視野内のパターン像を認識して行 、線幅測定等には効率が悪 、。
[0005] このような問題に対して、最近では、被検体へ投影するレーザ光をスリット状にする こと〖こよって、被検体に対する投射光のサイズを広げ、エッジ部分での不安定動作、 段差を持つ被検体に対する AF性能の向上を図るものが提案されている（例えば、特 開平 10— 161195号公報参照。 ) o
また、ボイスコイルモータでコリメーターレンズを振動させることによって、ウェハ上の スポット光を振動させてライン状の投光とし、位置検出信号を生成して性能向上を図 るものが提案されている（例えば、特開 2001— 82926号公報参照。；)。
[0006] このような方式では、レーザ光束中にシリンドリカルレンズを挿入することによって投 射光を図 9Aのようなスリット形状とし、図 9Bのような被検体の段差付近のエッジ部分 での戻り光の確率を上げ、或いは、図 9Cのような段差では複数の段差の平均に相当 する位置にピントを合わせている。さらに、回折格子を用いて被検体に対する投射光 の範囲を広げるものが提案されている（例えば、特開 2001— 296469号公報参照。 )。 （以降、複数のスポット状の投光方式をマルチスポット方式と称する。 ) 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] しかしながら、上記従来の焦点位置制御機構付き観察装置では、被検体から反射 したスポット投光信号の全てを演算処理するため、撮像範囲外など焦点を合わせた V、範囲外におけるパターンの段差や反射率の影響を受けてしま 、、本当にピントを 合わせたい範囲内の合焦位置がずれてしまう場合が多く見られる。したがって、欠陥 検査する装置の場合には、欠陥を正確に把握することが困難となってしまう。
[0008] 本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、合焦したい範囲外のパターンの 段差や反射率の影響を受けないように、合焦したい範囲内のみにレーザ光を投射す ることにより、複数の段差を持つ被検体に対する平均的なピント合わせが可能で、合 焦安定性を実現した焦点位置制御機構付き観察装置を提供することを目的とする。 課題を解決するための手段
[0009] 本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る焦点位置制御機構付き観察装置は、複数の交換可能な対物レンズ の一つを通して照明光を被検体に照射し、該被検体力もの光を観察する撮像素子を 有する観察光学系と、該観察光学系の前記対物レンズを通して前記被検体に可視 外光を照射する投光部と、前記被検体で反射した前記可視外光の光像の像面に配 され、前記光像の像面内位置に応じた信号を出力する光電変換部とを有して前記対 物レンズと前記被検体との相対距離を検出する焦点検出光学系と、前記焦点検出 光学系からの出力信号に基づき前記被検体の合焦位置を調整する被検体位置調 整手段と、前記可視外光の投光範囲を調整する絞り手段とを備えていることを特徴と する。
[0010] この焦点位置制御機構付き観察装置は、実視野内であっても撮像範囲力 突出す る部分に照射される可視外光を絞り手段によって遮断することができ、距離調整の際 、観察に必要な撮像範囲外の可視外光の光電変換部への入射を撮像範囲内に限 定して被検体の位置合わせを行うことができる。
[0011] また、本発明に係る焦点位置制御機構付き観察装置は、前記焦点位置制御機構 付き観察装置であって、前記焦点検出光学系が、前記可視外光の中間結像位置を 備え、前記絞り手段が、前記中間結像位置に配されていることを特徴とする。
この焦点位置制御機構付き観察装置は、撮像範囲に対応する絞り径を有する絞り 手段を中間結像位置に配することによって、可視外光の投光範囲をより好適に撮像 範囲内に限定して投光させることができる。
[0012] また、本発明に係る焦点位置制御機構付き観察装置は、前記焦点位置制御機構 付き観察装置であって、前記絞り手段が、前記被検体と前記対物レンズとの間に配さ れていることを特徴とする。
また、本発明に係る焦点位置制御機構付き観察装置は、前記焦点位置制御機構 付き観察装置であって、前記焦点検出光学系が、前記可視外光を前記光電変換部 に結像させる結像レンズを備え、前記絞り手段が、前記結像レンズと前記光電変換 部との間に配されていることを特徴とする。
[0013] この焦点位置制御機構付き観察装置は、撮像範囲に対応する絞り径を有する絞り 手段を上述した位置に配することによって、可視外光の投光範囲をより好適に撮像 範囲内に限定して投光させることができる。
[0014] また、本発明に係る焦点位置制御機構付き観察装置は、前記焦点位置制御機構 付き観察装置であって、前記絞り手段が、互いに異なる絞り径を有して選択可能な 複数の固定絞りを備えていることを特徴とする。
この焦点位置制御機構付き観察装置は、撮像素子や撮像範囲に最適な絞り径を 選択することができる。
[0015] また、本発明に係る焦点位置制御機構付き観察装置は、前記焦点位置制御機構 付き観察装置であって、前記絞り手段が、絞り径を調整可能な可変絞りを備えている ことを特徴とする。
この焦点位置制御機構付き観察装置は、撮像素子の撮像範囲に最適な絞り径を 予め予め複数設定しておく必要がなぐその場で調整しながら選択することができる
[0016] また、本発明に係る焦点位置制御機構付き観察装置は、前記焦点位置制御機構 付き観察装置であって、前記被検体位置調整手段からの出力信号に基づき前記絞 り手段の絞り径を調整する制御部を備えていることを特徴とする。
この焦点位置制御機構付き観察装置は、撮像範囲に最適な絞り径を自動で調整 することができ、短時間で好適な調整を行うことができる。
発明の効果
[0017] 本発明によれば、被検体の撮像範囲内の合焦安定性を高めて観察性能を向上さ せることができる。特にパターン欠陥観察等においては、欠陥抽出を正確に行うこと 力 Sでき、欠陥分類の際、欠陥と参照画像との比較を容易にでき、欠陥分類精度向上 を図ることができる。
図面の簡単な説明
[図 1]本発明の第 1の実施形態に係る顕微鏡用 AF装置の構成を示す概略図である
[図 2A]本発明の第 1の実施形態に係る顕微鏡用 AF装置において、観察の対象とな る段差がある被検体を示す図である。
[図 2B]段差がある被検体に対して、シングルスポット投光方式の場合に照射されるス ポット光の様子を示す図である。
[図 2C]段差がある被検体に対して、マルチスポット投光方式の場合に照射されるスポ ット光の様子を示す図である。
[図 3A]本発明の第 1の実施形態に係る顕微鏡用 AF装置において、観察の対象とな る高さの異なる凹凸がある被検体を示す図である。
[図 3B]観察の対象となる高さの異なる凹凸がある被検体に対して、シングルスポット 投光方式の場合、被検体上に照射されるスポット光の様子とその際のフォトディテク タ上のスポット光の状態を示す図である。
[図 3C]観察の対象となる高さの異なる凹凸がある被検体に対して、マルチスポット投 光方式の場合、被検体上に照射されるスポット光の様子とその際のフォトディテクタ 上のスポット光の状態を示す図である。
[図 4]本発明の第 1の実施形態に係る顕微鏡用 AF装置において、段差のある被検 体を観察する場合の光学視野と撮像範囲との関係を示す説明図である。
[図 5]本発明の第 2の実施形態に係る顕微鏡用 AF装置の構成を示す概略図である
[図 6]本発明の第 3の実施形態に係る顕微鏡用 AF装置の構成を示す概略図である
[図 7]本発明の第 4の実施形態に係る顕微鏡用 AF装置の構成を示す概略図である
[図 8A]シングルスポット投光方式において、凹凸がある被検体上の凸部の平面に光 スポットが照射されている場合におけるスポット光の様子を示す図である。
[図 8B]シングルスポット投光方式にぉ 、て、凹凸がある被検体上の凸部のエッジ部 に光スポットが照射されている場合におけるスポット光の様子を示す図である。
[図 8C]シングルスポット投光方式において、高さの異なる凹凸がある被検体上に照 射される場合におけるスポット光の様子を示す図である。
[図 9A]スリット状のマルチスポット投光方式において、凹凸がある被検体上の凸部の 平面に光スポットが照射されている場合におけるスポット光の様子を示す図である。
[図 9B]スリット状のマルチスポット投光方式において、凹凸がある被検体上の凸部の エッジ部に光スポットが照射されている場合におけるスポット光の様子を示す図であ る。
[図 9C]スリット状のマルチスポット投光方式において、高さの異なる凹凸がある被検 体上に照射される場合におけるスポット光の様子を示す図である。
[図 10]本発明の第 1の実施形態に係る顕微鏡用 AF装置の固定絞りの他の例を示す 説明図である。
[図 11]本発明の第 2の実施形態に係る顕微鏡用 AF装置の可変絞りの他の例を示す 説明図である。
符号の説明
1、 50 :顕微鏡用 AF装置 (焦点位置制御機構付き観察装置）
2 :対物レンズ
3 :被検体
5 : CCD (撮像素子）
6 :観察光学系
7 :投光部
8：フォトディテクタ（光電変換部）
10 :焦点検出光学系
11 :被検体位置検出手段
12、 51 :絞り手段
14、 56 :コントロール部（制御部） 42 :固定絞り
52 :可変絞り
発明を実施するための最良の形態
[0020] 本発明に係る第 1の実施形態について、図 1から図 4を参照して説明する。
本実施形態に係る顕微鏡用 AF装置 (焦点位置制御機構付き観察装置） 1は、図 1 に示すように、複数の交換可能な対物レンズ 2の一つを通して照明光を被検体 3に照 射し、被検体 3からの反射光を観察する CCD (撮像素子) 5を有する観察光学系 6と、 観察光学系 6の対物レンズ 2を通して被検体 3に赤外波長のレーザ光（可視外光）を 照射する投光部 7と、被検体 3で反射したレーザ光の光像の像面に配され、光像の 像面内位置に応じた信号を出力するフォトディテクタ (光電変換部） 8とを有して対物 レンズ 2と被検体 3との相対距離を検出する焦点検出光学系 10と、焦点検出光学系 10からの出力信号に基づき被検体 3の合焦位置を調整する被検体位置調整手段 1 1と、 CCD5の撮像範囲内にレーザ光の投光範囲を調整する絞り手段 12と、操作部 13からの出力信号に基づき絞り手段 12の絞り径を調整するコントロール部（制御部） 14とを備えている。
また、 CCD5は画像生成装置 60に接続され、この画像生成装置 60は画像モニタ 一 61に接続されている。
[0021] 焦点検出光学系 10はさらに、投光部 7からの出射光と被検体 3からの反射光との光 路を分離する偏光ビームスプリッタ 15と、出射光の方向を被検体 3の方向に偏向させ るとともに被検体 3からの反射光を偏光ビームスプリッタ 15の方向に偏向させるダイク 口イツクミラー 16と、偏光ビームスプリッタ 15とダイクロイツクミラー 16との間でレーザ 光を一旦集光して対物レンズ 2の焦点位置と共役な位置 Xに中間結像させる一対の レンズ 17、 18と、被検体 3の偏光特性を抑えるためにレーザ光を円偏光させる 1Z4 波長板 20と、偏光ビームスプリッタ 15とフォトディテクタ 8との間に配されて、レーザ光 をフォトディテクタ 8に結像させる結像レンズ 21と、投光部 7と偏光ビームスプリッタ 15 との間に配されてレーザ光を半円状にするナイフエッジ 22とを備えている。
[0022] 投光部 7は、レーザ光を射出する基準光源 23と、これを駆動するレーザ駆動部 25 と、照明光を平行光に変換するコリメータレンズ 26と、対物レンズ 2の瞳と共役位置に 配され平行光を線上に並んで多点化された複数のスポット光に変換する回折格子 2 7とを備えている。また、フォトディテクタ 8は、フォトディテクタ 8で光電変換された出力 信号を増幅する増幅器 28と、増幅器 28で増幅された信号を AZD変換する AZD 変翻 30とを介してコントロール部 14に接続されている。
なお、回折格子 27は、被検体 3からの反射光の光束が通らない位置に配されてい ればよぐナイフエッジ 22と偏光ビームスプリッタ 15との間でも構わない。
[0023] フォトディテクタ 8は、被検体 3からの反射光の光像の像面を A領域と B領域とに略 2 分して、各領域力 信号を出力可能とされている。本実施形態では、図 1に示すよう に、ナイフエッジ 22のエッジの像がフォトディテクタ 8に投影される位置に対応して上 下に A領域と B領域とが配されて 、る。
コントロール部 14では、これらの信号の演算処理を行い、ピント位置を調整する。
[0024] 被検体位置調整手段 11は、被検体 3を載置する支持台 31と、対物レンズ 2を有し て対物レンズ 2を交換するために回転可能な電動レボルバ 32と、支持台 31を上下駆 動する焦準用モータ 33と、これを駆動制御する焦準用モータ駆動部 35と、焦準用モ ータ 33の回転数を検出するエンコーダ 36と、エンコーダ 36に接続されてさらに回転 方向と回転量を検出するパルスカウンタ 37とを備えている。
支持台 31は、電動レボルバ 32に対して上下方向に移動可能とされて 、る。
[0025] 電動レボルバ 32は、複数の対物レンズ 2を取付可能な取付穴を有するレボルバ本 体 38と、任意の対物レンズ 2を光路中に挿入させるためにレボルバ本体 38を回転さ せるレボルバ回転用モータ 39と、レボルバ回転用モータ 39の電気的な駆動を行うレ ボルバ用モータ駆動部 40と、レボルバ本体 38のどの取付穴位置に対物レンズ 2が 装着されているかを検出するためのレポ穴位置検出部 41とを備えている。
[0026] 絞り手段 12は、互いに異なる絞り径を有して選択可能な複数の固定絞り 42を円周 上に配して、所望の固定絞り 42を一対のレンズ 17、 18間における中間結像位置に 移動可能な固定絞り回転板 43と、固定絞り回転板 43を回転駆動させる回転板用モ ータ 45と、これを駆動する回転板駆動部 46とを備えている。
[0027] 次に、本実施形態に係る顕微鏡用 AF装置 1の操作方法及び作用'効果について 、特に、段差部分を有する被検体 3の段差付近に対する AF合焦動作の場合を説明 する。
なお、焦点検出光学系 10によるマルチスポット方式に係るレーザ光の投射方法、 及び、被検体位置調整手段 11による被検体 3の合焦位置の調整については、例え ば、特開 2001— 296469号公報等に記載の方法と同様の方法にて行うことができる
[0028] 図 2Aに示す段差を観察する場合、シングルスポット方式によれば、図 2Bに示すよ うに、被検体 3へのスポット光が単一となる。そのため、図中 Cの段差でスポット光の反 射光の大半が散乱光となってフォトディテクタ 8に戻らず、 AF動作が不可能となる。 また、図 3Aに示す段差を観察する場合、図 3Bに示すように、被検体 3に投影され るスポット光の位置のみにピントが合い、特に高倍率の対物レンズ 2を使用する場合 には、他の段差の被検体画像は大きくぼけてしまう。そのため、図中 D— E間の幅を 測定することができても、図中 F— G間の幅の測定は不可能となってしまう。
[0029] 一方、マルチスポット方式の場合、図 2Cに示すように、複数のスポット光が被検体 3 に投影されるため、例えば、図中 Hに示す一列に並んだ複数のスポット光の大半が 散乱して受光側に戻らなくても、図中 I、 Jに示すスポット光の反射光が受光側まで戻 ることができ、十分な検出信号を確保することができる。
[0030] また、図 3Cに示すように、異なる段差に投影された複数のスポット光がそれぞれ独 立してフォトディテクタ 8に結像するため、各々の段差の平均に相当する高さ位置に ピントを合わせることができる。したがって、視野内の段差は若干ぼけていてもシング ルスポット方式の場合に比べて極端にぼける箇所がなぐ図中の D—E間、 F—G間 のパターン幅の測定を行うことができる。
[0031] ただし、図 4に示すように、一般的に光学視野 47は略円形となるのに対して、撮像 範囲 48は四角形状となり、多点化されたスポット光 Lは光学視野 47内において撮像 範囲 48の対角線方向に配される。したがって、撮像範囲 48外の複数のスポット光か らの信号もフォトディテクタ 8が受光するため、この部分の影響を受けて合焦のための 信号処理がなされることがあり、実際に視認可能な撮像範囲 48内の画像が十分合 焦しない場合がある。
ここで、 CCD5で撮像された画像の電気信号が画像生成装置 60でモニターに表 示できる信号に変換され、画像モニター 61に表示される。観察者は合焦しているか どうか確認できる。
[0032] その際、操作部 13内に配された図示しないスポット光切り替えスィッチを操作して、 コントロール部 14から回転板駆動部 46に指示を出して回転板用モータ 45を駆動し、 固定絞り回転板 43を回転させて、被検体 3に投影されるレーザスポット光が撮像範囲 48内に配されるような固定絞り 42を選択して上述した中間結像位置に配する。
この結果、光学視野 47内であっても撮像範囲 48内にのみ複数のレーザスポット光 が照射され、これを反射するので、フォトディテクタ 8は、撮像範囲 48外となる位置に おけるパターンの段差や反射率の影響を受けない撮像範囲 48内のみの反射光を受 光し、これに基づき焦点位置が調整される。
[0033] なお、レポ穴位置検出部 41からの信号をコントロール部が検出し、この信号から使 用される対物レンズ 2を判断して、使用される撮像カメラの撮像範囲に対応する固定 絞り 42を選択することによって、コントロール部から回転板駆動部 46へ信号を送出し 、回転駆動部 46が回転板用モータ 45を回転させて自動的に最適な固定絞り 42をセ ッ卜するようにしてちょい。
また、コントロール部が画像合成機能を備え、画像生成装置 60で変換された画像 信号と擬似的に作成した光学視野画像を合成して表示してもよい。更に、現在の絞り の状態を表示できるようにして、観察者が絞りを手動で選択できるようにしてもょ 、。
[0034] この顕微鏡用 AF装置 1によれば、撮像範囲 48に対応する絞り径を有する絞り手段 12を中間結像位置に配することによって、撮像範囲 48の大きさに応じてレーザ光の スポット投光長さを撮像範囲 48内に限定することができる。
また、コントロール部 14によって、撮像範囲 48に最適なピンホール 42を自動で中 間結像位置に調整することができ、短時間で好適な調整を行うことができる。
[0035] なお、固定絞り 42の形状は、図 10に示すように、目的に合わせて撮像範囲外と撮 像範囲内部分とを遮蔽したものとしてもよい。この場合、撮像範囲の中心部と周辺部 とに合焦の重み付けを行うことができる。また、撮像範囲外を遮蔽して、中心部から周 辺部に向力つて透過率を連続的に変化させるようにしてもよ!、。
[0036] 次に、第 2の実施形態について図 5を参照しながら説明する。 なお、上述した第 1の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説 明を省略する。
第 2の実施形態と第 1の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る顕微鏡用 AF 装置 50の絞り手段 51が、例えば、カメラ等に使用される羽絞りのような、絞り径を調 整可能な可変絞り 52と、可変絞り 52を駆動させる可変絞り用モータ 53と、これを駆 動する可変絞り駆動部 55とを備えているとした点である。
また、コントロール部 56が、被検体位置調整手段 11からの出力信号に基づき可変 絞り 52の絞り径を調整可能とされている。また、 CCD5以降を省略している。
[0037] この顕微鏡用 AF装置 50では、コントロール部 56は合焦を行うにあたり、レポ穴位 置検出部 41からの信号を検出する。この際、予めレボルバ本体 38の取付穴毎に決 められた倍率の対物レンズ 2が装着されている。そのため、レポ穴位置検出部 41から の信号によって現在使用する対物レンズ 2を識別する。コントロール部 56では、対物 レンズ 2の倍率に対応して撮像装置の撮像範囲内となる絞り径を算出する。又は、倍 率に対応した絞り径のテーブルが入ったメモリーを有していてもよい。そして、コント口 ール部 56から可変絞り駆動部 55に指示を出して可変絞り用モータ 53を駆動し、被 検体 3に投影されるスポット投光長さを撮像範囲 48の対角線長さと略同一の長さとな るように可変絞り 52の絞り径を変化させる。
[0038] なお、可変絞りとして図 11に示すような L字状の部材を互いに対角方向に不図示 の駆動手段によって移動させてもよい。また、 2つの部材の相対位置を保った状態で 撮像範囲内の任意の位置に移動させてもよい。
[0039] この顕微鏡用 AF装置 50によれば、第 1の実施形態と同様の作用'効果を得ること ができるが、撮像範囲 48に最適な絞り径を予め複数設定しておく必要がなぐマル チスポットの投光長さを任意に調整することができ、より好適に合焦操作を行うことが できる。
[0040] 次に、第 3の実施形態について図 6を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明 を省略する。
第 3の実施形態と第 2の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る顕微鏡用 AF 装置 60の可変絞り 52が、被検体 3と対物レンズ 2との間の位置 Yに配されているとし た点である。
[0041] この顕微鏡用 AF装置 60によれば、レーザ光の光束が収束する位置に可変絞り 52 が配されているので、可変絞り 52の絞り径を可変することによって、第 2の実施形態と 同様に、レーザ光のスポット投光長さをより好適に撮像範囲 48内に限定することがで きる。
[0042] 次に、第 4の実施形態について図 7を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明 を省略する。
第 4の実施形態と第 2の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る顕微鏡用 AF 装置 70の可変絞り 52が、結像レンズ 21とフォトディテクタ 8との間の位置 Ζに配され ているとした点である。
[0043] この顕微鏡用 AF装置 70によれば、上記第 2の実施形態及び第 3の実施形態と同 様にレーザ光の光束が収束する位置に可変絞り 52が配されているので、可変絞り 5 2の絞り径を可変することによって、上記第 2の実施形態及び第 3の実施形態と同様 の効果を得ることができる。
[0044] なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなぐ本発明の 趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、被検体と対物レンズ間の距離を調整する被検体位置 調整手段 11が、支持台 31を電動レボルバ 32に対して上下駆動させるものとして 、る 力 支持台に対して電動レボルバを上下駆動させるものとしても構わない。
また、上記実施形態ではマルチスポット方式について記載している力 特許文献 1 、 2に示すようなスリット状やライン状の投光方式であっても、像の共役な位置に絞り 手段を配することによって、同様の効果を得ることができることはもちろんである。 産業上の利用可能性
[0045] 本発明は、合焦した 、範囲外のパターンの段差や反射率の影響を受けな!/、ように して、合焦したい範囲内のみにレーザ光を投射することにより平均的なピント合わせ が可能であるため、複数の段差を持つ被検体に対して適用することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 複数の交換可能な対物レンズの一つを通して照明光を被検体に照射し、該被検体 からの光を観察する撮像素子を有する観察光学系と、
該観察光学系の前記対物レンズを通して前記被検体に可視外光を照射する投光 部と、前記被検体で反射した前記可視外光の光像の像面に配され、前記光像の像 面内位置に応じた信号を出力する光電変換部とを有して前記対物レンズと前記被検 体との相対距離を検出する焦点検出光学系と、
前記焦点検出光学系からの出力信号に基づき前記被検体の合焦位置を調整する 被検体位置調整手段と、
前記可視外光の投光範囲を調整する絞り手段とを備えていることを特徴とする焦点 位置制御機構付き観察装置。
[2] 前記焦点検出光学系が、前記可視外光の中間結像位置を備え、
前記絞り手段が、前記中間結像位置に配されていることを特徴とする請求項 1に記 載の焦点位置制御機構付き観察装置。
[3] 前記絞り手段が、前記被検体と前記対物レンズとの間に配されていることを特徴と する請求項 1に記載の焦点位置制御機構付き観察装置。
[4] 前記焦点検出光学系が、前記可視外光を前記光電変換部に結像させる結像レン ズを備え、
前記絞り手段が、前記結像レンズと前記光電変換部との間に配されていることを特 徴とする請求項 1に記載の焦点位置制御機構付き観察装置。
[5] 前記絞り手段が、互いに異なる絞り径を有して選択可能な複数の固定絞りを備えて いることを特徴とする請求項 2に記載の焦点位置制御機構付き観察装置。
[6] 前記絞り手段が、絞り径を調整可能な可変絞りを備えていることを特徴とする請求 項 3又は 4に記載の焦点位置制御機構付き観察装置。
[7] 前記被検体位置調整手段からの出力信号に基づき前記絞り手段の絞り径を調整 する制御部を備えていることを特徴とする請求項 1から 4の何れか一つ、又は、請求 項 6に記載の焦点位置制御機構付き観察装置。
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