JP3019835B2 - 焦点検出装置 - Google Patents
焦点検出装置Info
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Description
的検査装置、レーザ加工装置などの対物レンズの焦点位
置を常に被検物体面に合わせるための焦点検出装置に関
する。
レンズの光軸と一致しない位置から入射させるいわゆる
スキュー方式の焦点検出装置は、2分割センサーを集光
レンズの焦点位置に設置することで、その2分割受光素
子の出力信号の差によりフォーカス信号を得ている。
点検出装置の光学系を示す模式図である。この図に示す
ように、対物レンズ101の光軸101aと軸はずれの
位置から入射する焦点検出のための光束102は、半透
明ミラー103(あるいは偏光ミラー)を介して対物レ
ンズ101に入射する。対物レンズ101に入射した光
束102は被検物体面104付近で焦点を結び被検物体
面104で反射され再び対物レンズ101に入射し、次
に半透明ミラー103を透過し、集光レンズ105によ
り2分割受光素子106面上に焦点を結ぶ。
ける集光状態を図11に示す。図11(a)に示すよう
に2分割受光素子106面上への戻り光107が2分割
受光素子106のセンサー106A側に偏っているとき
は、被検物体面104が対物レンズ101の焦点位置よ
り遠くに離れた場合である。
106面上への戻り光107が2分割受光素子106の
センサー106A及び106Bの両方に均等に位置する
ときは、被検物体面104が対物レンズ101の焦点に
ある場合である。
受光素子106面上への戻り光107が2分割受光素子
106のセンサー106B側に偏っているときは、被検
物体面104が対物レンズ101の焦点位置よりレンズ
101側に近づいた場合である。
サー106Aとセンサー106Bからの出力の差分をと
れば、対物レンズ101の焦点位置に対して被検物体面
104がどこにあるかを検出することができる。
素子106のセンサー106Aと106Bからの出力信
号を比較する信号処理回路108を設け、片方のセンサ
ー106Aから出力信号をa、もう一方のセンサー10
6Bからの出力信号をbとすると、信号処理回路108
では F=a−b の信号処理が行われる。
軸方向に移動したとき、図11に示した信号処理回路1
08から出力される信号Fは、図12のようになってい
る。図12のグラフにおける横軸は、対物レンズ101
の焦点位置と被検物体面104が一致したときを基準0
として、(−)側にいくほど対物レンズ101の焦点位
置から被検物体面104が対物レンズ101より遠くに
離れた位置にあり、(+)側にいくほど対物レンズ10
1の焦点位置から被検物体104が対物レンズ101側
に近づいた位置にある事を示している。図12において
曲線109は図11におけるそれぞれの差信号FaとF
bの差信号Fであり、これは戻り光107の光量分布が
ほぼ点対称であるときのフォーカス信号である。図12
から分かるように、対物レンズ101の焦点位置が被検
物体面104よりずれている場合、フォーカス信号Fの
値が0になるように対物レンズ101を光軸方向に移動
することで、対物レンズ101の焦点位置を常に被検物
体面104に合わせることができる。
出装置では2分割受光素子面上への戻り光の光量分布が
ほぼ点対称であるときは大きな問題は生じない。しか
し、半導体マスクのようにガラス基板上にクロム等で配
線パターンが描かれているために反射率が場所によって
大きく異なる物体面や、レジストが塗布され露光、現像
されたウエハのように凹凸のために反射率の異なる物体
面に対しては、2分割受光素子面上への戻り光の光量分
布が点対称でなくなるため、所望のフォーカス信号を得
ることができず、焦点合わせにおいて誤動作をおこす。
出装置の有する問題点に鑑み、被検物体面の場所による
反射率の差に依存することなく、常に良好なフォーカス
信号を得ることができ、精度良い焦点検出装置を提供す
ることにある。
に、本発明の焦点検出装置は、焦点検出用光束を対物レ
ンズの該対物レンズの光軸と一致しない位置に通して被
検物体面に入射し、該被検物体面で反射され再び前記対
物レンズを通った光束を2分割受光素子上に集光レンズ
で集光させる光学系を備えた焦点検出装置において、前
記2分割受光素子が、前記対物レンズの焦点位置が前記
被検物体面に合っている場合において前記焦点検出用光
束が前記集光レンズで集光される位置の前と後にそれぞ
れ、光学的に同じ傾きをもって配置されていることを特
徴とする。具体的には、焦点検出用光束を対物レンズの
該対物レンズの光軸と一致しない位置に通して被検物体
面に入射させる手段と、前記被検物体面で反射されて再
び前記対物レンズを通った光束を2方向に分岐するビー
ムスプリッタと、前記ビームスプリッタで分岐された一
方の光束を集光する第1の集光レンズと、前記ビームス
プリッタで分岐されたもう一方の光束を集光する第2の
集光レンズと、前記被検物体面に前記対物レンズの焦点
位置が合っている場合において前記ビームスプリッタに
よる一方の光束が前記第1の集光レンズで集光される位
置の前側に設置された第1の2分割受光素子と、前記被
検物体面に前記対物レンズの焦点位置が合っている場合
において前記ビームスプリッタによるもう一方の光束が
前記第2の集光レンズで集光される位置の後側に、前記
第1の2分割受光素子と光学的に同じ傾きで設置された
第2の2分割受光素子と、を備えたものである。
素子を成す2つのセンサーからの出力信号をそれぞれa
1,a2とし、もう一方の2分割受光素子を成す2つの
センサーのうち前記のa1を出力するセンサーと光学的
に等価な位置にあるセンサーからの出力信号をb1、前
記のa2を出力するセンサーと光学的に等価な位置にあ
るセンサーからの出力信号をb2とするとき、F=(a
1―a2)―(b2―b1)の信号を出力する信号処理
回路をさらに備えている。
ンズの焦点位置が被検物体面に合っているとき、被検物
体面で反射された焦点検出用光束が集光レンズで集光さ
れる位置の前と後にそれぞれ2分割受光素子を互いに光
学的に同じ傾きで配置したことにより、上記の信号処理
回路より出力されるフォーカス信号は、被検物体面上の
場所や凹凸による反射率の差に影響されることなく、常
に良好なものとなる。よって、得られたフォーカス信号
が合焦点時の値になるように対物レンズを追従させると
き、被検物体面の状態に依らず、対物レンズの焦点位置
を常に被検物体面に合わせることができる。
て図面を参照して説明する。
の一実施形態を示す模式図である。この図で示す焦点検
出装置の光学系の対物レンズ11は、被検物体面12に
焦点を合わせて光学測定あるいは加工などを行う装置の
一部である。この対物レンズ11の焦点位置を検出する
ための光束(以下、焦点検出用光束という)13はビー
ムスプリッタ(半透明ミラー)14あるいは偏光ミラー
を介して対物レンズ11の光軸11aと軸はずれの位置
から入射している。焦点検出用光束13は被検物体面1
2付近で焦点を結び、被検物体面12で反射されて再び
対物レンズ11に入射し、次にビームスプリッター14
を透過する。ビームスプリッター14を透過した戻り光
は集光レンズ15により焦点を結んでいる。そして、対
物レンズ11の焦点位置が被検物体面12に合っている
ときの前記戻り光の集光レンズ15による焦点位置18
の前と後には、2分割受光素子16と17が配置されて
いる。このとき、焦点位置18より前後に等しい距離で
2分割受光素子16と17が配置されていることが望ま
しい。
焦点位置がずれた場合の、焦点検知用光束13の戻り光
が集光レンズ15で焦点を結ぶ様子を図2に示す。この
図において、実線で示される光束21は対物レンズ11
の焦点位置が被検物体面12に合っているときの戻り光
であり、集光レンズ15により位置18に焦点を結ぶ。
光束22は、図1において対物レンズ11の焦点位置か
ら被検物体面12が対物レンズ11より遠くに離れてい
るときの戻り光である。光束23は図1において対物レ
ンズ11の焦点位置から被検物体12が対物レンズ11
側に近づいたときの戻り光である。図2に示すように光
束21の集光レンズ15による焦点位置18付近では光
束22,23の中心線は互いに交差することはない。ま
た、光束21、22、23の各々の集光レンズ15によ
る焦点位置18の前後では光束はレンズの集光作用によ
り180度回転しており、上下左右が逆になっている。
に焦点検出用光束の戻り光は、被検物体面12に対する
対物レンズ11の焦点位置のずれに応じて動く。図3
は、被検物体面12を対物レンズ11に向けて光軸方向
に動かしたときの、焦点検出用光束の戻り光の2分割受
光素子面上での動きを示したものである。このように被
検物体面12を対物レンズ11に向けて光軸方向に動か
したとき、図3(A)、(B)に示すように2分割受光
素子16、17の各々に集光する戻り光41はセンサー
面で矢印42のように動き、この動く方向は2分割受光
素子16、17の各々を構成する2つのセンサーの境界
線に対して約45度になっている。言い換えれば、2分
割受光素子16、17の各々を構成する2つのセンサー
の境界線が戻り光41の動く方向に対して約45度にな
るように、2つの2分割受光素子16、17は光学的に
同一方向に配置されている。2分割受光素子16(又は
17)を構成する2つのセンサーA1とA2(又はB1
とB2)は境界線に対して対称な形状からなっている。
また、一方の2分割受光素子16のセンサーA1と他方
の2分割受光素子17のセンサーB1とは光学的に等価
な位置にあり、同様にセンサーA2とセンサーB2も光
学的に等価な位置にある。
おける2つのセンサーの境界線の中心は、図1及び図2
で示すように対物レンズ11の焦点位置が被検物体面1
2に合っているときの光束21の中心線上にある。
素子16、17からの出力信号の信号処理回路を示した
ものである。
出力信号をa1、センサーA2からの出力信号をa2、
2分割受光素子17のセンサーB1からの出力信号をb
1、センサーB2からの出力信号をb2とするとき、信
号処理回路43ではFa=a1−a2、信号処理回路4
4ではFb=b2―b1、信号処理回路45ではF=F
a−Fb=(a1−a2)−(b2−b1)の信号処理
が行われるようになっている。
レンズ11の焦点位置が被検物体面12上にあるとき、
焦点検出用光束13が集光レンズ15で集光する位置1
8の前後に2つの2分割受光素子16,17を光学的に
同じ傾きで配置したことである。このような構成におい
て被検物体面12を対物レンズ11の光軸方向に移動し
たとき、図4に示した各信号処理回路43、44、45
から出力される信号は、図5のようになっている。な
お、図5のグラフにおける横軸は、対物レンズ11の焦
点位置と被検物体面12が一致したときを基準0とし
て、(−)側にいくほど対物レンズ11の焦点位置から
被検物体面12が対物レンズ11より遠くに離れた位置
にあり、(+)側にいくほど対物レンズ11の焦点位置
から被検物体12が対物レンズ11側に近づいた位置に
ある事を示している。
けるセンサーA1からの出力信号a1、曲線52はセン
サーA2からの出力信号a2である。曲線53は2つの
センサーA1、A2からの出力信号の差信号a1−a2
であり、すでに説明した出力信号Faに等しい出力信号
を示したものである。同様に図5(b)において曲線5
4は図4におけるセンサーB1からの出力信号b1、曲
線55はセンサーB2からの出力信号b2である。曲線
56はb2−b1の出力信号Fbを示したものである。
さらに図5(c)において曲線61は図4におけるそれ
ぞれの差信号FaとFbの差信号Fであり、これがフォ
ーカス信号である。図5(c)から分かるように、対物
レンズ11の焦点位置が被検物体面12よりずれている
場合、フォーカス信号Fが合焦点時の値(本例では0)
になるように対物レンズ11を光軸方向に移動すること
で、対物レンズ11の焦点位置を常に被検物体面12に
合わせることができる。
たように2つの2分割受光素子16,17を光学的に同
じ傾きで配置したことにより、被検物体面12が、たと
えば半導体製造用のマスクパターンのようにガラス基板
上にクロムのパターンが描画されているために場所によ
って反射率が異なる場合や、レジストが塗布されパター
ン露光されているウエハのように凹凸のために反射率が
異なる場合に対しても、以下に説明するように良好なフ
ォーカス信号が得られる。
なる場合の、焦点検出用光束の戻り光の受光素子面上で
の様子を模式的に示したものである。図6の(1−
A)、(2−A)、(3−A)は被検物体面が場所や凹
凸によって反射率が異なるために2分割受光素子16上
での戻り光61が縦のパターンになっているときの様子
を示している。このとき、2分割受光素子17上では図
6の(1−B)、(2−B)、(3−B)に示すよう
に、図6の(1−A)、(2−A)、(3−A)で示し
た戻り光61のパターンとは180度反転した情報が得
られている。また、図7の(1−A)、(2−A)、
(3−A)は2分割受光素子16上での戻り光61が横
のパターンになっているときの様子を示し、図7の(1
−B)、(2−B)、(3−B)に示す2分割受光素子
17上では、図7の(1−A)、(2−A)、(3−
A)で示した戻り光61のパターンとは180度反転し
た情報が得られている。
戻り光が例えば図6の(2−A)及び(2−B)の状態
のとき、図4における各信号処理回路43、44、45
から出力される信号は図8のようになっている。なお、
図8のグラフにおける横軸の説明は上述したとおりであ
る。
けるセンサーA1からの出力信号a1、曲線72はセン
サーA2からの出力信号a2である。曲線73はa1−
a2の出力信号Faを示したものである。同様に図8
(b)において曲線74は図4におけるセンサーB1か
らの出力信号b1、曲線75はセンサーB2からの出力
信号b2である。曲線76はb2−b1の出力信号Fb
を示したものである。さらに図8(c)において曲線7
7は図4におけるそれぞれの差信号FaとFbの差信号
Fであり、これが、図6の(2−A)及び(2−B)の
状態のときのフォーカス信号である。このように、被検
物体面が場所や凹凸によって反射率が異なる場合でも、
良好なフォーカス信号が得られる。
点検出装置では、対物レンズ11の焦点位置が被検物体
面12上にあるとき、焦点検出用光束13の戻り光が集
光レンズ15で集光される焦点位置18の前後に2つの
2分割受光素子16,17を配置している。このとき、
これらの2分割受光素子16,17を対物レンズ11の
光軸方向に配置すると、後側の2分割受光素子17上に
は焦点検出用光束13の戻り光が前側の2分割受光素子
16で遮られ集光しない。しかし図1及び図2では、説
明の便宜上、あえて2分割受光素子16,17が対物レ
ンズ11の光軸方向に並んで配置されている状態を示し
た。そこで以下では、本発明を実現化するにあたって上
記のような不具合が生じない構成について図9を用いて
説明する。
の他の実施形態を示す模式図である。この図で示す焦点
検出装置では、被検物体面86に向かう焦点検出用光束
80が偏光している。この焦点検出用光束80は焦点検
出が必要な光学系の光軸94と一致しないがほぼ並行で
あり、偏光ビームスプリッタ81を透過している。偏光
ビームスプリッタ81を透過した光束は1/4波長板8
2を通り直線偏光が円偏光に変えられ、リレーレンズ8
3を通過している。リレーレンズ83は2群構成になっ
ており一度集光するようになっているが、焦点検出系の
調整と光束80の幅を必要に応じて変えることが可能に
なっている。リレーレンズ83を通過した光束はダイク
ロイックミラー84を通過し対物レンズ85により被検
物体86の表面付近に集光し、被検物体面86で反射し
再び対物レンズ85に入射されている。
ックミラー84、リレーレンズ83を通り再び1/4波
長板82を通過している。このとき1/4波長板82の
作用により戻り光は、偏光ビームスプリッタ81に入射
させた当初の偏光方向より90度異なる直線偏光とな
る。そのため、1/4波長板82を通過した戻り光は、
次に入射する偏光ビームスプリッタ81で効率よく反射
されている。偏光ビームスプリッタ81で反射された戻
り光は、本発明の分岐手段としてのビームスプリッタ8
7で2方向に分岐されている。分岐された一方の戻り光
は集光レンズ88で集光され、もう一方の戻り光は集光
レンズ89で集光されている。集光レンズ88を通った
戻り光は、対物レンズ85の焦点位置が被検物体面86
に合っているときの戻り光の集光レンズ88による集光
位置より前側に設置された2分割受光素子90に入射し
ている。一方、集光レンズ89を通った戻り光は、対物
レンズ85の焦点位置が被検物体面86に合っていると
きの戻り光の集光レンズ89による集光位置より後側に
設置された2分割受光素子91に入射している。受光素
子90、91の各々により得られた信号は信号処理回路
92で、図4で説明した信号処理が行なわれている。
6を対物レンズ85の光軸方向に移動したとき、図5あ
るいは図8で説明したような良好なフォーカス信号が得
られる。このフォーカス信号に基づき、対物レンズ85
はレンズ駆動装置93によって常に物体86の表面に焦
点を結ぶようになっている。つまり、信号処理回路92
から得られるフォーカス信号Fが合焦点時の値(本例で
は0)になるように対物レンズ85をレンズ駆動装置9
3で追従させることにより、対物レンズ85の焦点位置
を常に被検物体面86に合わせることができる。レンズ
駆動装置93は例えばピエゾ素子が用いられる。
は図4で説明したが、さらに精度を向上させるために Fa=(a1−a2)/(a1+a2)、Fb=(b2
―b1)/(b1+b2)、F=Fa−Fb として、全体の受光光量で正規化することにより、より
検出精度を向上させることができる。
鏡、光学的検査装置、レーザ加工装置等に適用する場合
は、図9において検査あるいは加工等のための光束をダ
イクロイックミラー84を介して対物レンズ85に入射
すればよい。
方式の焦点検出装置において、対物レンズの焦点位置が
被検物体面上にあるとき、焦点検出用光束の戻り光の集
光レンズによる集光位置の前後に2つの2分割受光素子
をそれぞれ光学的に同じ傾きで配置した。この事によ
り、半導体マスクのようにガラス基板上にクロム等で配
線パターンが描かれているために反射率が場所によって
大きく異なる物体面や、レジストが塗布され露光、現像
されたウエハのように凹凸のために反射率の異なる物体
面に対しても良好なフォーカス信号を得ることができ
る。その結果、そのフォーカス信号を基に対物レンズを
追従させることにより、常に、対物レンズの焦点位置を
被検物体面に合わせることができる。
態を示す模式図である。
に対して対物レンズの焦点位置がずれた場合の、焦点検
知用光束の戻り光が集光レンズで焦点を結ぶ様子を示し
た図である。
面を対物レンズに向けて光軸方向に動かしたときの焦点
検知用光束の戻り光の2分割受光素子面上での動きを示
した図である。
力信号の信号処理回路を示した図である。
号の様子を示した図である。
面での反射率が異なる場合の、焦点検出用光束の戻り光
の受光素子面上での様子を模式的に示した図である。
面での反射率が異なる場合の、焦点検出用光束の戻り光
の受光素子面上での様子を模式的に示した図である。
示した各信号処理回路から出力される信号の様子を示し
た図である。
形態を示す模式図である。
光学系を示す模式図である。
子面上における集光状態を示す図である。
たとき、図11に示した信号処理回路から出力される信
号の様子を示す図である。
るときの集光レンズの焦点位置 21,22,23 光束 41 戻り光 42 被検物体面が対物レンズに向けて光軸方向にず
れるときの戻り光の動く方向 43,44,45、92 信号処理回路 51,52,53,54,55,56,61、71,7
2,73,74,75,76,77 曲線 81 偏光ビームスプリッタ 82 1/4波長板 83 リレーレンズ 84 ダイクロイックミラー 93 レンズ駆動装置 94 光軸 A1、A2、B1、B2 センサー
Claims (5)
- 【請求項1】 焦点検出用光束を対物レンズの該対物レ
ンズの光軸と一致しない位置に通して被検物体面に入射
し、該被検物体面で反射され再び前記対物レンズを通っ
た光束を2分割受光素子上に集光レンズで集光させる光
学系を備えた焦点検出装置において、前記2分割受光素
子が、前記対物レンズの焦点位置が前記被検物体面に合
っている場合において前記焦点検出用光束が前記集光レ
ンズで集光される位置の前と後にそれぞれ、光学的に同
じ傾きをもって配置されていることを特徴とする焦点検
出装置。 - 【請求項2】 焦点検出用光束を対物レンズの該対物レ
ンズの光軸と一致しない位置に通して被検物体面に入射
させる手段と、 前記被検物体面で反射されて再び前記対物レンズを通っ
た光束を2方向に分岐するビームスプリッタと、 前記ビームスプリッタで分岐された一方の光束を集光す
る第1の集光レンズと、 前記ビームスプリッタで分岐されたもう一方の光束を集
光する第2の集光レンズと、 前記被検物体面に前記対物レンズの焦点位置が合ってい
る場合において前記ビームスプリッタによる一方の光束
が前記第1の集光レンズで集光される位置の前側に設置
された第1の2分割受光素子と、 前記被検物体面に前記対物レンズの焦点位置が合ってい
る場合において前記ビームスプリッタによるもう一方の
光束が前記第2の集光レンズで集光される位置の後側
に、前記第1の2分割受光素子と光学的に同じ傾きで設
置された第2の2分割受光素子と、を備えた焦点検出装
置。 - 【請求項3】 一方の2分割受光素子を成す2つのセン
サーからの出力信号をそれぞれa1,a2とし、もう一
方の2分割受光素子を成す2つのセンサーのうち前記の
a1を出力するセンサーと光学的に等価な位置にあるセ
ンサーからの出力信号をb1、前記のa2を出力するセ
ンサーと光学的に等価な位置にあるセンサーからの出力
信号をb2とするとき、F=(a1−a2)−(b2−
b1)の信号を出力する信号処理回路をさらに備えた請
求項1又は2に記載の焦点検出装置。 - 【請求項4】 前記各2分割受光素子をそれぞれ構成す
る2つのセンサーは境界線に対して対称な形状からなる
請求項3に記載の焦点検出装置。 - 【請求項5】 前記信号処理回路からの出力信号を基
に、前記対物レンズの焦点位置が前記被検物体面に合う
ように前記対物レンズを追従させるレンズ駆動装置をさ
らに備えた請求項3に記載の焦点検出装置。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10112171A JP3019835B2 (ja) | 1998-04-22 | 1998-04-22 | 焦点検出装置 |
US09/294,375 US6111647A (en) | 1998-04-22 | 1999-04-20 | Detection of focal point of objective lens by means of a two-split sensor |
EP99107915A EP0953859B1 (en) | 1998-04-22 | 1999-04-21 | Detection of focal point by means ot two split sensors at different positions along the optical axis |
DE69933730T DE69933730T2 (de) | 1998-04-22 | 1999-04-21 | Fokusdetektion mittels zweier Spaltsensoren an verschiedenen Stellen entlang der optischen Achse |
KR1019990014129A KR100317895B1 (ko) | 1998-04-22 | 1999-04-21 | 2분할 센서에 의한 대물 렌즈의 초점 검출 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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