JP2006317428A

JP2006317428A - 面位置検出装置

Info

Publication number: JP2006317428A
Application number: JP2006025534A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Naganuma; 義広長沼
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2006-11-24

Abstract

【課題】裏面反射があるような対象物であっても、精度良く面位置を検出する。
【解決手段】光源１１からの光を被検物に照射する投光光学系１３、１４、３と、投光光学系に設けられ、光源からの光束の一部を遮蔽し、被検物からの光を反射する第１光路分割部材１２と、第１光路分割部材で反射された被検物からの光を２つの光路に分割する第２光路分割部材１５と、複数の受光部を有し、第２光路分割部材により分割された一方の光を受光する第１受光手段１６と、第１受光手段により検出された複数の受光部で受光された光量を基に、被検物の面位置を検出する第１位置検出部１７、７と、第２光路分割部材により分割された他方の光の光路中に設けられたピンホール１８を透過した光を受光する第２受光手段１９と、第２受光手段により受光された光量を基に被検物の面位置を検出する第２位置検出部２０、７と、投光光学系と被検物との相対位置を変更する移動手段とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、面位置検出装置に関し、さらに詳細には、測定機における高さ測定、表面形状測定及び顕微鏡や測定機のオートフォーカス制御に使用され、被検物の面の位置を検出する面位置検出装置に関する。

被検物表面に対して光学系を一定の相対的距離に非接触で位置決めする目的で、例えば顕微鏡の鏡筒をピント位置に位置決めするオートフォーカス装置や、その駆動量から段差や形状を求める測定機等では、ナイフエッジ方式を用いたものが知られている。例えば、特開平１１−７２３１１号公報の従来技術の欄には、ナイフエッジ方式の詳細な説明がある。

被検物面と光学系との相対的距離の変化によって補助光の受光位置が偏位し、これを光電変換素子で検出して、電気的に信号処理をすることにより、一定の位置（焦点位置）を検出する。その光電変換素子には、２つの領域に狭いギャップで分割したフォトダイオード（２分割センサ）を用いたものがある。Ａ領域の信号とＢ領域の信号の差信号Ａ−Ｂをとり、この信号が０になる一定の位置（例えば焦点位置）を検出する。または、０となる位置を目標に被検物面と光学系とを相対駆動することにより、位置決めする。また、光電変換素子としてＰＳＤ（半導***置検出素子）、ＣＣＤラインセンサ等、光量差ではなく光点像の位置そのものを検出する素子を用いたものもある。
特開平１１−７２３１１号公報

上記のようなナイフエッジ方式では、焦点深度よりもはるかに広い引込範囲とすることが可能で、検出する信号がボケの方向が分かるゼロクロス信号のため、追従動作可能であるという利点を有する。

しかしナイフエッジ方式では次のような問題点があった。ナイフエッジ方式の利点である引き込み範囲の広さは、一方では透明体の裏面反射や、二次光源化してスポットが滲む乳白色体では、誤検出につながる場合があった。例えば、ガラス基板等では表面からの反射光と裏面からの反射光の両方をセンサが受光してしまい、両者の光量の加重平均の位置でゼロクロスする場合がある。乳白色体では、被検物が二次光源化して光点が滲んで広がるため、本来の表面からの反射光だけでなく、この滲んだ光点の影響を加えた位置を検出する場合がある。

本発明は、裏面反射があるような対象物であっても、精度良く面位置を検出できる面位置検出装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の面位置検出装置は、
光源からの光を被検物に照射する投光光学系と、
前記投光光学系に設けられ、前記光源からの光束の一部を遮蔽し、前記被検物からの光を反射する第１光路分割部材と、
前記第１光路分割部材で反射された被検物からの光を２つの光路に分割する第２光路分割部材と、
複数の受光部を有し、前記第２光路分割部材により分割された一方の光を受光する第１受光手段と、
前記第１受光手段により検出された前記複数の受光部で受光された光量を基に、前記被検物の面位置を検出する第１位置検出部と、
前記第２光路分割部材により分割された他方の光の光路中に設けられたピンホールあるいはスリットと、
前記ピンホールあるいはスリットを透過した光を受光する第２受光手段と、
前記第２受光手段により受光された光量を基に前記被検物の面位置を検出する第２位置検出部と、
前記投光光学系と前記被検物との相対位置を変更する移動手段と
を有することを特徴とする。

本発明によれば、表面と裏面の両方からの反射光が受光される場合でも、精度良く面位置検出することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の面位置検出装置の構成を示す図である。面位置検出装置１は、センサユニット２、対物レンズ３、撮像装置４、被検物を載置するステージ５、センサユニット２の移動量を検出するエンコーダ６、制御部７を有している。センサユニット２、対物レンズ３、撮像装置４は不図示の駆動機構を介して支柱８に取り付けられており、エンコーダ６で検出した移動量から被検物との相対位置を求めることが出来る。

図２はセンサユニット２の構成を示す図である。図２の破線の内部がセンサユニット２である。レーザダイオード１１から射出された光束はナイフエッジ１２により円形の光束の半分を遮蔽され、半円状の断面を持つ光束が補助レンズ１３、ダイクロイックミラー１４を経て対物レンズ３の紙面左半分を通り、被検物Ｏ面に照射される。対物レンズ３を通った光束は、対物レンズ３の焦点位置に光点像を形成する。図２においては、被検物Ｏ面と対物レンズ３の焦点位置が一致している場合を示している。被検物Ｏで反射した光は、対物レンズ３の紙面右半分を通り、ダイクロイックミラー１４で反射され、補助レンズ１３を通り、ナイフエッジミラー１２のミラー面で反射され、ハーフミラー１５へと導かれる。ハーフミラー１５を透過した光は、二分割された受光素子ａ、ｂで構成される二分割センサ１６上に光点像を形成する。また、ハーフミラー１５で反射された光は、ピンホール１８の面上に光点像を形成し、受光素子１９で受光される。図２において、レーザダイオード１１と被検物Ｏと二分割センサ１６とピンホール１８とは共役な位置に配置されている。被検物Ｏとセンサユニット２との相対位置が対物レンズ３の光軸方向に変化して被検物Ｏの面位置が対物レンズ３の焦点位置からずれると、二分割センサ１６上での光点像がぼけるので、受光素子ｂで受光される光量が大きくなる。また、被検物Ｏの面位置が対物レンズ３の焦点位置からずれると、光点像がピンホール１８の面上からずれるので、ピンホールを通過する光量が小さくなる。このような変化を利用して、センサユニット２の位置に対する被検物Ｏの面位置を検出することができる。

本実施形態の面位置検出装置では、不図示の移動機構によりセンサユニット２を対物レンズ３の光軸方向に移動させながら、ハーフミラー１５を透過した光を受光素子ａ、ｂで受光される。レーザダイオード１１は変調駆動され、受光素子ａ、ｂはこれに同期して復調し、受光信号を得る。ここで、二分割センサ１６の受光素子ａの領域からの出力信号レベルをＡ、受光素子ｂ側の領域からの出力信号レベルをＢとする。２つの受光素子からの出力信号は、第１位置検出部１７に入力される。第１位置検出部１７では、２つの受光素子ａ、ｂからの出力信号レベルの差から差信号レベルＳ（後述）を求め、ナイフエッジ法により合焦位置を検出する。また、第１位置検出部１７は、２つの出力信号レベルの和から受光光量信号レベル（Ａ＋Ｂ）を求める。第１位置検出部１７で求められた（Ａ−Ｂ）、（Ａ＋Ｂ）の値は、制御部７に出力される。制御部７は、受光光量信号レベル（Ａ＋Ｂ）が略一定になるように、レーザダイオード１１の発光光量をフィードバック制御する。

次に、受光素子ａ、ｂを用いたナイフエッジ方式の動作を説明する。制御部７では、以下の式により差信号レベルＳを求める。
Ｓ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）
センサユニット２を対物レンズ３の光軸方向（Ｚ方向）に移動させる。Ｚ方向の移動量に対する差信号レベルＳの変化は図３に示すようになる。Ｚ方向位置の変化に伴って、差信号レベルＳは負からゼロを通り正の値になる。このとき、ゼロを通るＺ方向位置（ゼロクロス位置）と合焦位置とを一致させておく。センサユニット２をＺ方向に一定速で駆動して、
Ｓ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＝０
Ａ＋Ｂ＞Ｔ
の条件（すなわち、（Ａ＋Ｂ）が所定レベルより大きく、かつ差信号レベルＳがゼロになるとき）で制御部７は、その瞬間のセンサユニット２の高さ位置（Ｚ方向位置）を、エンコーダ６からの位置情報を読み取る。そして、高さ測定を行なう。または、その高さ位置を目標値としてセンサユニット２を位置決め駆動することにより、合焦動作を行なう。または、差信号レベルＳそのものの０を目標としてフィードバック駆動することにより、合焦動作を行なう、あるいはその停止位置として高さ位置を測定する。

さらに、ナイフエッジ方式では、差信号レベルＳの０を目標としたフィードバック駆動を連続的に行い、被検物を高さ方向（Ｚ方向）に直行する方向にスキャンすることで、追従駆動（コンティニュアスＡＦ）や、連続的な断面形状測定を行うことができる。

次にピンホールを用いた位置検出（擬似共焦点方式）について説明する。ナイフエッジ方式と同様に、レーザダイオード１１は変調駆動され、受光素子１９はこれに同期して復調し、受光信号を得る。受光素子１９からの出力信号は、第２位置検出部２０に入力される。第２位置検出部２０で得られる受光素子１９からの出力信号レベルをＣとする。この信号レベルＣの値は、制御部７に出力される。制御部７は、前述のように、受光光量信号レベル（Ａ＋Ｂ）が略一定になるように、レーザダイオード１１の発光光量をフィードバック制御する。

次に、受光素子１９を用いた、擬似共焦点方式の動作を説明する。
制御部７では、以下の式により、信号レベルＣを求める。
Ｉ＝Ｃ／（Ａ＋Ｂ）
センサユニット２を対物レンズ３の光軸方向（Ｚ方向）に移動させる。そして、制御部７は、Ｉの値がピークになるＺ方向位置を検出する。すなわち、Ｉがピークになった時点のエンコーダ６からの位置情報を読み取ることにより、センサユニット２の高さ方向位置を検出する。例えば、被検物が液晶用のガラス基板である場合、受光素子１９からの光量信号レベルＣは、Ｚ方向位置の変化に伴い、図４に示すように、２つのピークが検出される。これは、ガラス基板の表面からの反射光によるピークｐ１と、裏面からの反射光によるピークｐ２とが分離されて検出されるからである。

本実施形態では、受光素子１９で受光される光量に応じた信号レベルＣの値を、受光素子ａ、ｂで受光される光量に応じた和信号（Ａ＋Ｂ）で規格化しているため、被検物の面での反射率の不均一さや光量の揺らぎがあった場合でも、精度良く光量ピークを検出できる。

このように、本実施形態の面位置検出装置では、汎用性の高いナイフエッジ方式によるオートフォーカス、高さ測定、追従動作、連続倣い測定が可能であると共に、被検物が透明体や乳白色体である場合でも、操作者が擬似共焦点方式を選択することにより精度良い面検出が可能となる。

また、ナイフエッジ方式と擬似共焦点方式の両方の面検出方式を備えているため、１つの面位置を検出するシングルＡＦ時は、動作はナイフエッジのゼロクロス信号、高さ検出は共焦点のピーク信号を用いることを基本とし、倣いＡＦ時はナイフエッジを用いるような使い分けも可能である。

例えば、シングルＡＦ（高さ測定）時は両方式の検出結果を両方とも読み取り、その平均値を高さ測定値（または合焦位置／および合焦位置）としてオートフォーカス駆動してもよい。または、平均値に替えて、高さ位置の最も高い値（表面反射）を採用するか或は低い値（裏面反射）を採用するか等、被検物や検出ポイントに応じて条件付けを与えることにより、目的の面位置を確実に検出することも可能である。

（第２の実施形態）
本実施形態は、センサユニット２を被検物に対して近づける方向に移動させながらシングルＡＦ（高さ測定）をする時に適用するものである。ナイフエッジ方式の引き込み範囲内で、ナイフエッジ方式により１点の合焦位置が検出され、擬似共焦点方式により合焦位置が２点以上検出された時には、ナイフエッジ方式で検出された１点をエラーと判断し、擬似共焦点の第１点目が被検物の表面で、第２点目が裏面と判断する。また、擬似共焦点方式の２つの点から被検物の厚さを求めることも可能である。このような、検出された点の判断は、被検物の種類により、制御部に複数の判定プログラムを用意し、選択することにより行われる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、図２に示したセンサユニット２のピンホール１８の代わりにスリットを設けたものである。一般的にピンホールにビームウェストを通す調整は難しい。本方式は本来の共焦点とは異なり、光点はボケるだけではなく、焦点の前後で位置がシフトしながら広がっていく。そのため、ピンホールに替えて、光点シフト方向に直交したスリットを用いても、ピーク信号が得られる。外乱光の影響等はピンホールに劣るが、合焦位置との共役調整は、１方向のシフトだけで済むため、非常に簡単となる利点がある。

なお、受光素子ａ、ｂ、ピンホール（またはスリット）１８、光源のレーザダイオード１１は正確に位置調整がなされていることが望ましい。各受光素子の位置を機械的に微調整する機構を有すると共に、制御部に補正値を用意しておき、ナイフエッジ方式と擬似共焦点方式のオフセットを補正することも可能である。例えば、被検体を基準位置に配置し、これを撮像装置４で撮像したコントラストを基に検出した値と、ナイフエッジ方式で検出した値と、擬似共焦点方式で検出した値とから、各方式で検出した際の補正値を制御部に保持し、測定データを補正する。

第１実施形態の面位置検出装置の構成図である。第１実施形態の面位置検出装置のセンサユニットの構成図である。ナイフエッジ方式における位置検出信号を示す図である。擬似共焦点方式における位置検出信号を示す図である。

符号の説明

１：面位置検出装置、２：センサユニット、３：対物レンズ、４：撮像装置、５：ステージ、６：エンコーダ、７：制御部、８：支柱、１１：レーザダイオード、１２：ナイフエッジミラー、１３：補助レンズ、１４：ダイクロイックミラー、１５：ハーフミラー、１６：二分割センサ（受光素子ａ、ｂ）、１７：第１位置検出部、１８：ピンホール、１９：受光素子、２０：第２位置検出部。

Claims

光源からの光を被検物に照射する投光光学系と、
前記投光光学系に設けられ、前記光源からの光束の一部を遮蔽し、前記被検物からの光を反射する第１光路分割部材と、
前記第１光路分割部材で反射された被検物からの光を２つの光路に分割する第２光路分割部材と、
複数の受光部を有し、前記第２光路分割部材により分割された一方の光を受光する第１受光手段と、
前記第１受光手段により検出された前記複数の受光部で受光された光量を基に、前記被検物の面位置を検出する第１位置検出部と、
前記第２光路分割部材により分割された他方の光の光路中に設けられたピンホールあるいはスリットと、
前記ピンホールあるいはスリットを透過した光を受光する第２受光手段と、
前記第２受光手段により受光された光量を基に前記被検物の面位置を検出する第２位置検出部と、
前記投光光学系と前記被検物との相対位置を変更する移動手段と
を有することを特徴とする面位置検出装置。
請求項１に記載の面位置検出装置において、
前記第１位置検出部により得られた前記被検物の位置と、前記第２検出部により得られた前記被検物の面位置のいずれかを選択する選択手段を有することを特徴とする面位置検出装置。
請求項１または２に記載の面位置検出装置において、
前記第１受光手段の前記複数の受光部で受光されたそれぞれの光量の和信号を求め、前記和信号を基に前記光源の発光量を制御する光量制御信号を出力し、前記第１受光手段によって受光された光量および前記第２受光手段によって受光された光量を前記和信号により規格化する演算部を備えたことを特徴とする面位置検出装置。