JPH055827A - 自動焦点制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【目的】デジタル制御による焦点絶対位置の決定処理
を、試料や検査・測定の対象パターンでの必要性に応じ
た必要な精度で行なう。 【構成】対物レンズ３もしくはステージをモーターＭで
駆動して被測定面を自動合焦させるもので、前ピン信号
を出力する前ピン検出部１３と、後ピン信号を出力する
後ピン検出部１４と、合焦ピン信号を出力する合焦ピン
検出部１５とをそれぞれ設け、前ピン信号と後ピン信号
との差に相当する差動信号を合焦ピン信号により自動ゲ
イン制御し、サーボ駆動回路３１により自動ゲイン制御
された制御信号によりモーターＭをサーボ駆動し、合焦
位置と現在位置との差を示すフォーカスオフセットをあ
らわす合焦信号をＤ／Ａコンバータ５１から出力してサ
ーボ駆動回路３１の入力に重畳させて厳密な自動焦点調
節を行なうものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対物レンズもしくはス
テージをモーターで駆動し、焦点調節のために被測定面
からの反射光を結像する結像光学系を設け、ステージ上
の該被測定面に該対物レンズを自動合焦させる自動焦点
制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光学顕微鏡、ウェハ等のＩＣパタ
ーンの検査あるいは測定装置等において、操作性や精度
の向上のために種々の方法で自動焦点制御が行なわれて
おり、中でも、スピードと精度とが重要な要素となって
きている。これに対し、本出願人は、特開昭６２−９０
９号公報で開示されているように、レーザ光を用い、受
光系を高速化のため、アナログ処理を行なう２つのビー
ム（焦点の前側と後側）と、項精度化のためデジタル処
理を行なう１つのビームとに分け、信号を検出する方式
を提案した。かかる方式は、自動焦点のスピードと精度
とを同時に満足できる方式として画期的なものであっ
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近来、ＩＣの微細化と
高集積化の要求に伴ない、装置に対する焦点位置のより
厳密な定義が必要とされるようになってきている。前記
従来技術は、処理のうちに高速で合焦した０点位置に追
い込むことができるアナログサーボ制御を含んでいる。
このときの０点位置すなわち焦点の絶対位置は、試料面
と共役な位置でのデジタル信号を検出し、山登り法と呼
ばれる方法で、最大値となる点を探すことによって決め
られている。

【０００４】しかしながら、このような絶対値としての
焦点位置を厳密に決定することは、時間がかかるうえ、
制御上も複雑で、試料によって０点位置が異なることが
あるため、どのくらいの頻度で、また、どのくらいの精
度で、この処理を行なうのがよいかという問題が生じて
きた。対象となる試料によっては、焦点の精度が、測定
や検査の精度に無視できない影響を及ぼす場合と、そう
でない場合とがあり、これに対して処理スピードも考慮
した柔軟な制御が要望されている。

【０００５】従来例としてあげた特開昭６２−９０９号
公報では、ＤＣモータＭをパルス的に駆動することによ
り合焦位置付近での厳密な合焦制御を行なっていた。し
かしながらモータのパルス駆動の為、合焦位置はパルス
を発生するエンコーダ等の分解能で決ってしまい、更に
厳密な合焦位置駆動は不可能であり、また、パルス駆動
のためのデジタル信号は、非常に狭い範囲でのみ信号が
鋭くでる為に、光学的誤差や電気的ノイズの影響を受け
やすく、その為信号の最大点に非常に近い値が１箇所以
上表れたり最大点の箇所が毎回同じにはならない為に再
現性に問題があることがわかった。

【０００６】本発明は、このような要望に応えるもの
で、デジタル制御による焦点絶対位置の決定処理を、試
料や検査・測定の対象パターンでの必要性に応じた必要
な精度で行なうことにより上記問題を解決する自動合焦
制御装置を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めの本発明の要旨とするところは、対物レンズ（３）も
しくはステージをモーター（Ｍ）で駆動し、焦点調節の
ために被測定面（２）からの反射光を結像する結像光学
系を設け、ステージ上の該被測定面（２）に該対物レン
ズ（３）を自動合焦させる自動焦点制御装置において、
前記対物レンズ（３）および結像光学系に関して前記被
測定面（２）が結像すべき位置より前方で該反射光の結
像位置を検出して前ピン信号を出力する前ピン検出部
（１３）と、該結像すべき位置より後方で該反射光の結
像位置を検出して後ピン信号を出力する後ピン検出部
（１４）と、該結像すべき位置で該反射光の結像位置を
検出して合焦ピン信号を出力する合焦ピン検出部（１
５）とをそれぞれ設け、前記前ピン信号と前記後ピン信
号との差に相当する差動信号を前記合焦ピン信号により
自動ゲイン制御し、該自動ゲイン制御された制御信号に
より前記モーター（Ｍ）をサーボ駆動して合焦制御を行
なうサーボ駆動回路（３１）と、該サーボ駆動回路（３
１）の入力に重畳する合焦信号が該サーボ駆動回路（３
１）に入力するよう接続し、合焦位置から遠く外れてい
る場合はレベル０の合焦信号を出力し、厳密な合焦が可
能であるときは合焦位置と現在位置との差を示すフォー
カスオフセットをあらわす合焦信号を出力するＤ／Ａコ
ンバータ（５１）と、を設けたことを特徴とする自動焦
点制御装置に存する。

【０００８】

【作用】自動焦点制御は、対物レンズ（３）もしくは試
料をセットしたステージはモーター（Ｍ）で駆動され、
被測定面（２）からの反射光は結像光学系を介して所定
の位置に結像する。自動焦点制御はこの所定の位置への
結像の具合を検出しながら迅速に結像すべき位置に試料
を結像させるものである。

【０００９】前ピン検出部（１３）は、対物レンズ
（３）および結像光学系に関して被測定面（２）が結像
すべき位置より前方で反射光の結像位置を検出して前ピ
ン信号を出力し、同様に後ピン検出部（１４）は結像す
べき位置より後方で反射光の結像位置を検出して後ピン
信号を出力する サーボ駆動回路（３１）では、前ピン信号と後ピン信号
との差に相当する差動信号は制御信号としてモーター
（Ｍ）をサーボ駆動して合焦制御を行なう。該制御信号
は合焦ピン信号により自動ゲイン制御され、適切かつ迅
速にモーター（Ｍ）をサーボ駆動して合焦状態に追い込
む。

【００１０】Ｄ／Ａコンバータ（５１）は、合焦位置か
ら遠く外れている場合はレベル０の合焦信号を出力し、
合焦信号はサーボ駆動回路（３１）の入力に重畳するが
レベルが０であるので意味がなく、合焦は実質的に前記
自動ゲイン制御された制御信号で進められる。厳密な合
焦が可能であるときは合焦位置と現在位置との差を示す
フォーカスオフセットをあらわす合焦信号がＤ／Ａコン
バータ（５１）から出力し、該合焦信号が前記自動ゲイ
ン制御された制御信号に重畳することにより速やかに厳
密な合焦制御がなされる。

【００１１】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の各実施例を説
明する。図１から図５は本発明の第１実施例を示してお
り、図３は自動焦点制御装置の概略的な光学系の配置図
である。

【００１２】図３に示す自動焦点制御装置１は、ステー
ジ（図示省略）上の被測定面２（例えばステージ上に配
置された観察されるべき物体の表面）に対物レンズ３を
自動合焦させるもので、レーザ光源４からのレーザ光束
は、ビームエキスパンダー５によりその光束が拡大され
た後、ハーフミラー６で反射され、さらにハーフミラー
７を透過して対物レンズ３に入射し、対物レンズ３によ
り集光されて被測定面２に結像されるように構成されて
いる。

【００１３】被測定面２で反射され、かつハーフミラー
７で反射された反射光の光路中には一定の周期で振動す
る振動ミラー８および固定のハーフミラー９が配置され
ている。ハーフミラー９の反射光路中には結像レンズ１
０が、ハーフミラー９の透過光路中にはミラー１１を介
して結像レンズ１２がそれぞれ設けられている。

【００１４】結像レンズ１０の後方には、対物レンズ３
および結像レンズ１０に関して被測定面２と共役な位置
たる結像すべき位置より前方（物体側）で結像レンズ１
０による結像位置（反射光の結像位置）を検出して前ピ
ン信号を出力する前ピン検出部１３と、被測定面２と共
役な位置より後方（像側）で結像レンズ１０による結像
位置を検出して後ピン信号を出力する後ピン検出部１４
とが配置されている。結像レンズ１２の後方には、被測
定面２と共役な位置で結像レンズ１０による結像位置を
検出して合焦ピン信号を出力する合焦ピン検出部１５が
配置されている。

【００１５】前ピン検出部１３は、被測定面２と共役な
位置たる結像すべき位置より前方に、光軸に沿って所定
の間隔で配列されたｎ個の検出部で構成されている。す
なわち、前ピン検出部１３は、結像レンズ１０の後方に
設けられたハーフミラー１６の反射光路中において所定
の間隔で配列されたｎ個のハーフミラーＭ１１〜Ｍ１ｎ
と、各ハーフミラーＭ１１〜Ｍ１ｎの反射光路中に配置
されたｎ個のアパーチャーＡ１１〜Ａ１ｎと、各アパー
チャーＡ１１〜Ａ１ｎの後方に配置されたｎ個の光電検
出器Ｄ１１〜Ｄ１ｎとから構成されている。ここでは、
各光電検出器Ｄ１１〜Ｄ１ｎとしてフォトディテクター
が使用されているが、ｎ個のフォトディテクターを用い
る代りにフォトダイオードアレイのようなリニアセンサ
ーを用いても良い。

【００１６】各アパーチャーＡ１１〜Ａ１ｎのうち、ア
パーチャーＡ１ｎが被測定面２と共役な位置に最も近く
なっている。

【００１７】後ピン検出部１４は、被測定面２と共役な
位置に対して前ピン検出部１３のｎ個の検出部とほぼ等
距離の位置にそれぞれ配列されたｎ個の検出部で構成さ
れている。すなわち、後ピン検出部１４は、ハーフミラ
ー１６の透過光路中に設けられたミラー１７の反射光路
中において所定の間隔で配列されたｎ個のハーフミラー
Ｍ２１〜Ｍ２ｎと、各ハーフミラーＭ２１〜Ｍ２ｎの反
射光路中に配置されたｎ個のアパーチャーＡ２１〜Ａ２
ｎと、各アパーチャーＡ２１〜Ａ２ｎの後方に配置され
た光電検出器Ｄ２１〜Ｄ２ｎとから構成されている。

【００１８】ここで、各光電検出器Ｄ２１〜Ｄ２ｎとし
てフォトディテクターが使用されているが、前ピン検出
部１３の場合と同様にｎ個のフォトディテクターを用い
る代りにフォトダイオードアレイのようなリニアセンサ
ーを用いても良い。各アパーチャーＡ２１〜Ａ２ｎのう
ち、アパーチャーＡ２１が被測定面２と共役な位置に最
も近くなっている。

【００１９】なお、前ピン検出部１３および後ピン検出
部１４の各検出部は１個（ｎ＝１）ずつでも良い。この
場合のダイナミックレンジ、すなわち１個ずつの前ピン
検出部と後ピン検出部とにより対物レンズ３の結像位置
を検知できるサーボエリアは、図５で示すＳ１である。
また、前ピン検出部１３および後ピン検出部１４の各検
出部をそれぞれｎ個とした場合のサーボエリアは、図５
で示すＳｎであり、サーボエリアＳｎはｎの値が大きく
なれば広くなる。

【００２０】合焦ピン検出部１５は、被測定面２と共役
な位置に設けられたアパーチャーＡと、その後方に配置
された光電検出器Ｄとから構成されている。ここで、光
電検出器Ｄとしてフォトディテクターが使用されてい
る。

【００２１】なお、対物レンズ３の焦点距離をｆ、結像
レンズ１０の焦点距離をｆ１、結像レンズ１２の焦点距
離をｆ２とすると、各焦点距離の関係は、 ｆ２／ｆ１≒２〜３、 ｆ１／ｆ≒１０〜２０となっている。

【００２２】このように各焦点距離の関係を定めたこと
により、前ピン検出部１３および後ピン検出部１４の位
置調整が容易となり、前ピン検出部１３あるいは後ピン
検出部１４が本来あるべき位置から若干ズレてしまって
も、このズレが合焦精度に大きな影響を与えないような
構成に成っている。

【００２３】図２は、対物レンズ３が合焦した時におけ
る上記各光電検出器からの出力信号波形を示しており、
各出力信号波形は振動ミラー８の振動周期で変調された
信号となっている。

【００２４】図２（ａ）は前ピン検出部１３の第１番目
の光電検出器Ｄ１１からの前ピン信号波形を、図２
（ｂ）は前ピン検出部１３の第ｎ番目の光電検出器Ｄ１
ｎからの前ピン信号波形を示しており、中間の前ピン信
号波形は省略されている。図２（ｃ）は光電検出器Ｄか
らの合焦ピン信号波形を示している。図２（ｄ）は後ピ
ン検出部１４の第１番目の光電検出器Ｄ２１からの後ピ
ン信号波形を、図２（ｅ）は後ピン検出部１４の第ｎ番
目の光電検出器Ｄ２ｎからの後ピン信号波形をそれぞれ
示しており、中間の後ピン信号波形は省略されている。

【００２５】次に、図２に示す各信号を信号処理し、対
物レンズ３を駆動するＤＣモータＭを制御する制御回路
について図１を参照して説明する。

【００２６】図１に示すように、制御回路はサーボ駆動
回路３１と合焦ピン制御回路３２とから構成されてい
る。サーボ駆動回路３１では、作動アンプ４８、Ｄ／Ａ
コンバータ５１および、Ｄ／Ａコンバータ５１とＭＰＵ
４１との結線、サーボアンプ３７からの出力よりＡ／Ｄ
コンバータ４３との結線が前記特開昭６２−９０９号公
報の従来技術に付加した主なものである。

【００２７】サーボ駆動回路３１は、図２（ａ），
（ｂ）に示すような前ピン信号と図２（ｄ），（ｅ）に
示すような後ピン信号との差に相当する差動信号を求
め、該差動信号とＤ／Ａコンバータ５１の出力との加算
信号を発生させ、該作動信号の値がＤ／Ａコンバータ５
１の出力と等しくなるなる個所にＤＣモータＭをサーボ
駆動して図５に示す合焦位置付近５０までの粗い合焦制
御を行なう回路である。

【００２８】合焦ピン制御回路３２は、図２（ｃ）に示
す差動信号をモニターする回路であり、該合焦ピン信号
によりＤＣモータＭをパルス駆動して図５の合焦位置付
近５０での合焦制御を行なうことが可能な回路である。

【００２９】サーボ駆動回路３１の入力部には、前ピン
検出部１３の各光電検出器Ｄ１１〜Ｄ１ｎに対応してｎ
個設けられ、各光電検出器Ｄ１１〜Ｄ１ｎからの各前ピ
ン信号を振動ミラー８による変調周波数成分で同調検波
するＡＣ検波器Ｆ１１〜Ｆ１ｎと、後ピン検出部１４の
各光電検出器Ｄ２１〜Ｄ２ｎに対応してｎ個設けられ、
各光電検出器Ｄ２１〜Ｄ２ｎからの各後ピン信号を振動
ミラー８による変調周波数成分で同調検波するＡＣ検波
器Ｆ２１〜Ｆ２ｎとが設けられている。

【００３０】各ＡＣ検波器Ｆ１１〜Ｆ１ｎの出力端子
は、ＡＣ検波器Ｆ１１〜Ｆ１ｎにより同調検波されたｎ
個の前ピン信号を合計したトータル前ピン信号を出力す
るアナログ加算器３３の入力端子に接続されている。

【００３１】各ＡＣ検波器Ｆ２１〜Ｆ２ｎの出力端子
は、ＡＣ検波器Ｆ２１〜Ｆ２ｎにより同調検波されたｎ
個の後ピン信号を合計したトータル後ピン信号を出力す
るアナログ加算器３４の入力端子に接続されている。尚
ｎ＝１の場合は３３、３４のアナログ加算器は不要であ
る。

【００３２】アナログ加算器３３、３４には、トータル
前ピン信号、トータル後ピン信号のＡＣ成分の実効値を
出力する自乗検波器３５、３６がそれぞれ接続されてい
る。自乗検波器３５、３６は、ＡＣ成分の最大値と最小
値の差を検出するピークホールド回路でもよい。

【００３３】自乗検波器３５及び３６の出力端子は差動
アンプ４８に接続されており、差動アンプの出力には自
乗検波器３５及び３６の出力の差が出力される。差動ア
ンプ４８の出力は割算器４９の分子に接続されており、
かつ割算器４９の分母は被測定面２からの反射光強度を
読みとるモニター信号出力回路４０の出力に接続されて
いる。

【００３４】したがって、割算器４９は、合焦精度が被
測定面２のパターン像のコントラストに依存しないよう
に差動アンプ４８からの差動信号をモニター信号で割算
し、自動ゲイン制御（ＡＧＣ）を行なうと同時にＡ／Ｄ
コンバータ４３の入力レベルに適合させるべく強度調整
するようになっている。

【００３５】割算器４９の出力は加算器５０の入力端子
の一方に接続され、加算器５０のもう一方の入力端子に
はＤ／Ａコンバータ５１の出力が接続されている。加算
器５０の出力端子にはサーボアンプ３７の入力端子が接
続され、かつサーボアンプ３７の出力端子はスイッチＳ
Ｗを介してＤＣモータＭに接続されており、サーボアン
プ３７は、割算器４９の出力信号である自乗検波器３５
から送られるトータル前ピン信号と自乗検波器３６から
送られるトータル後ピン信号との差に相当する差動信号
をモニター信号出力回路４０の出力によりＡＧＣを行な
った信号と、Ｄ／Ａコンバータ５１の出力との和の信号
をスイッチＳＷを介してＤＣモータＭに出力し、その信
号によりＤＣモータＭをサーボ駆動させるように成って
いる。

【００３６】また、サーボアンプ３７の出力信号は、Ａ
／Ｄコンバータ４３を介してマイクロプロセッサー４１
のメモリー部（ＲＡＭ）４４に接続されており、サーボ
アンプ３７の出力信号はＡ／Ｄコンバータ４３によりデ
ジタル化されてメモリー部４４にとりこむことが可能に
なっている。

【００３７】Ｄ／Ａコンバータ５１の出力が０の場合の
サーボアンプ３７からの信号は、図５に示すように、対
物レンズ３による結像位置がサーボエリアＳ１あるいは
Ｓｎ外にあるとき、あるいは合焦位置付近５０までの合
焦制御が成されたときにほぼ０となる。また、Ｄ／Ａコ
ンバータ５１よりの出力を０以外とする事により、対物
レンズ３のサーボ位置を変更する事が可能であり、例え
ば合焦ピン信号が最大となる位置におけるＤ／Ａコンバ
ータ５１の出力が０の場合のサーボアンプ３７からの信
号の値をＤ／Ａコンバータ５１より出力することによ
り、厳密な合焦位置に対物レンズ３をサーボ駆動するこ
とが可能である。

【００３８】合焦ピン制御回路３２の入力部には、合焦
ピン検出部１５の光電検出器Ｄからの合焦ピン信号を振
動ミラー８による変調周波数成分で同調検波するＡＣ検
波器Ｆが設けられている。ＡＣ検波器Ｆには、ＡＣ検波
器Ｆからの合焦ピン信号のＡＣ成分の実効値を出力する
自乗検波器３８が接続されている。自乗検波器３８はＡ
Ｃ成分の最大値と最小値の差を検出するピークホールド
回路でもよい。

【００３９】この自乗検波器３８は割算器３９の分子に
接続されており、かつ割算器３９の分母は被測定面２か
らの反射光強度を読みとるモニター信号出力回路４０の
出力に接続されている。したがって、割算器３９は、合
焦精度が被測定面２のパターン像のコントラストに依存
しないように自乗検波器３８からの合焦ピン信号をモニ
ター信号で割算し、自動ゲイン制御（ＡＧＣ）を行なう
と同時にＡ／Ｄコンバータ４３の入力レベルに適合させ
るべく強度調整するように成っている。

【００４０】割算器３９の出力は、振動ミラー８の振動
周期に同期したマイクロプロセッサー（ＭＰＵ）４１か
らのタイミング信号によりサンプルホールドするサンプ
ルホールド回路４２に接続されている。

【００４１】サンプルホールド回路４２はＡ／Ｄコンバ
ータ４３を介してマイクロプロセッサー４１のメモリー
部（ＲＡＭ）４４に接続されており、サンプルホールド
回路４２からのアナログ信号はＡ／Ｄコンバータ４３に
よりデジタル化されてメモリー部４４にとりこまれるよ
うに成っている。このメモリー部４４からは図４に示す
ようなデジタル信号が得られる。

【００４２】マイクロプロセッサー４１とサーボアンプ
３７との間には、サーボ駆動回路３１によるサーボ駆動
の終了を検知し（サーボアンプ３７からの差動信号がほ
ぼ０になったことを検知し）、検知時に『１』の信号を
マイクロプロセッサー４１に送るウィンドウコンパレー
タ４５が接続されている。ウィンドウコンパレータ４５
は、サーボ駆動が終了してサーボアンプ３７からの差動
信号が図５に示すようにウィンドウコンパレータ４５の
動作範囲（０Ｖ付近の範囲）５１内となった時に『１』
の信号をマイクロプロセッサー４１に送る。

【００４３】マイクロプロセッサー４１は、ウィンドウ
コンパレータ４５から『１』の信号を受けた際に図４に
示すようなメモリー部４４からのデジタル信号により、
サーボ駆動の終了時における現在値Ｐ１から合焦位置で
ある最大値Ｐ０までの微少駆動量Δを算出し、微少駆動
量ΔによりＤ／Ａコンバータ４６を介してＤＣモータＭ
をパルス的に駆動し、これにより図５に示す合焦位置付
近５０での厳密な合焦制御を行なう機能を有している。

【００４４】また、マイクロプロセッサー４１がＤＣモ
ータＭをパルス的に駆動するために、ＤＣモータＭには
ロータリーエンコーダ４７が装着されており、マイクロ
プロセッサー４１はロータリーエンコーダ４７の出力を
読み取りながらＤＣモータＭを制御するように成ってい
る。

【００４５】さらに、マイクロプロセッサー４１は、対
物レンズ３による結像位置がサーボエリアＳ１あるいは
Ｓｎ内に入るまで不図示の駆動径路によりＤＣモータＭ
を駆動して対物レンズ３を連続的に定速駆動させる信号
サーチ駆動機能を有しており、かつ結像位置がサーボエ
リアＳ１あるいはＳｎ内に入ったときにスイッチＳＷを
閉成するようになっている。

【００４６】次に、上記構成を有する自動焦点制御装置
１の動作を説明する。

【００４７】図３に示すように、レーザ光源４からのレ
ーザ光束は、ビームエキスパンダー５によりその光束が
拡大される。この拡大された光束は、ハーフミラー６で
反射され、さらにハーフミラー７を透過して対物レンズ
３に入射し、対物レンズ３により集光されて被測定面２
に結像される。

【００４８】被測定面２からの反射光は、対物レンズ３
を透過した後ハーフミラー７で反射され、さらに反射光
は一定の周期で振動する振動ミラー８で反射される。反
射光の一方はハーフミラー９で反射され、その他方はハ
ーフミラー９を透過する。

【００４９】ハーフミラー９からの反射光は結像レンズ
１０により結像される。結像レンズ１０による結像光束
は、ハーフミラー１６を介して前ピン検出部１３に導か
れると共にハーフミラー１６、ハーフミラー１７を介し
て後ピン検出部１４に導かれる。

【００５０】ハーフミラー１６で反射された結像光束
は、各ハーフミラーＭ１１〜Ｍ１ｎで反射されて各アパ
ーチャーＡ１１〜Ａ１ｎに達する。同様に、ハーフミラ
ー１７で反射された結像光束は、各ハーフミラーＭ２１
〜Ｍ２ｎで反射されて各アパーチャーＡ２１〜Ａ２ｎに
達する。

【００５１】被測定面２からの反射光が対物レンズ３お
よび結像レンズ１０により、対物レンズ３および結像レ
ンズ１０に関して被測定面２と共役な位置の前後に配置
されたアパーチャーＡ１１〜Ａ１ｎおよびＡ２１〜Ａ２
ｎのどこに結像されているかにより、その結像位置に応
じた図２（ａ），（ｂ）に示すような前ピン信号が光電
検出器Ｄ１１〜１ｎから、図２（ｄ），（ｅ）に示すよ
うな後ピン信号が光電検出器Ｄ２１〜２ｎからそれぞれ
出力される。

【００５２】ハーフミラー９の透過光はハーフミラー１
１で反射された後に結像レンズ１２により結像される。
結像レンズ１２による結像光束は、対物レンズ３および
結像レンズ１０に関して被測定面２と共役な位置に配置
された合焦ピン検出部１５のアパーチャーＡに到達し、
結像レンズ１２による結像位置に応じた図２（ｃ）に示
すような合焦ピン信号が光電検出器Ｄから出力される。

【００５３】各光電検出器Ｄ１１〜１ｎからの前ピン信
号はＡＣ検波器Ｆ１１〜Ｆ１ｎに、各光電検出器Ｄ２１
〜２ｎからの後ピン信号はＡＣ検波器Ｆ２１〜Ｆ２ｎに
それぞれ送られる。各ＡＣ検波器Ｆ１１〜Ｆ１ｎおよび
Ｆ２１〜Ｆ２ｎからは、振動ミラー８による変調周波数
成分で同調検波されたｎ個の前ピン信号およびｎ個の後
ピン信号がそれぞれ出力される。

【００５４】ｎ個の前ピン信号およびｎ個の後ピン信号
は、アナログ加算器３３および３４でそれぞれ合計さ
れ、トータル前ピン信号がアナログ加算器３３から、ト
ータル後ピン信号がアナログ加算器３４から出力され
る。

【００５５】トータル前ピン信号のＡＣ成分の実効値が
自乗検波器３５から差動アンプ４８の一方の入力端子
に、トータル後ピン信号のＡＣ成分の実行値が自乗検波
器３６から差動アンプ４８の他方の入力端子にそれぞれ
出力される。差動アンプ４８の出力が割算器４９の分子
に、被測定面２からの反射光強度を読みとるモニター信
号出力回路４０の出力割算器４９の分母にそれぞれ入力
される。

【００５６】割算器４９の出力が加算器５０の一方の入
力端子に、Ｄ／Ａコンバータ５１の出力が加算器５０の
他方の入力端子にそれぞれ入力される。加算器５０の出
力がサーボアンプ３７の入力端子に入力され、サーボア
ンプ３７からは図５に示すような両実効値の差にＡＧＣ
をかけた信号にＤ／Ａコンバータ５１の出力を加算した
値に相当する信号が出力される。また、サーボアンプ３
７の出力信号は、Ａ／Ｄコンバータ４３によりデジタル
化されてメモリー部４４にとりこむことが可能である。

【００５７】Ｄ／Ａコンバータ５１の出力が０の場合、
サーボアンプ３７からの出力信号は、図５に示すよう
に、対物レンズ３および結像レンズ１０による結像位置
がサアーボエリアＳ１あるいはＳｎの外にあるとき、あ
るいは結像位置が合焦位置付近５０にあるときにほぼ０
となっている（５１で示す範囲内にある）。

【００５８】ウィンドウコンパレータ４５は、サーボア
ンプ３７からの出力信号がほぼ０となっているときには
『１』の信号を、それ以外の場合には『０』の信号をそ
れぞれ出力し、ウィンドウコンパレータ４５からの出力
信号をマイクロプロセッサー４１が読み取る。

【００５９】一方、光電検出器Ｄからの合焦ピン信号
は、ＡＣ検波器Ｆに送られ、ＡＣ検波器Ｆにより振動ミ
ラー８による変調周波数成分で同調検波され、同調検波
された合焦ピン信号のＡＣ成分の実効値が自乗検波器３
８から出力される。実効値は、反射光強度に応じたモニ
ター信号出力回路４０からのモニター信号で割算器３９
により割算される。

【００６０】割算器３９からの出力信号は、振動ミラー
８の振動周期に同期したマイクロプロセッサー（ＭＰ
Ｕ）４１からのタイミング信号によりサンプルホールド
され、サンプルホールド回路４２からのアナログ信号は
Ａ／Ｄコンバータ４３によりデジタル化されてメモリー
部４４にとりこまれる。このメモリー部４４からは図４
に示すような合焦ピン制御のためのデジタル信号が得ら
れる。

【００６１】この合焦ピン制御について、さきに従来例
としてあげた特開昭６２−９０９号公報では、前記のよ
うにＤＣモータＭをパルス的に駆動し、これにより図５
に示す合焦位置付近５０での厳密な合焦制御を行なって
いた。しかしながらモータのパルス駆動の為、合焦位置
はパルスを発生するエンコーダ等の分解能で決ってしま
い、更に厳密な合焦位置駆動は不可能であった。

【００６２】また、図４に示す信号は、非常に狭い範囲
でのみ信号が鋭くでる為に、光学的誤差や電気的ノイズ
の影響を受けやすく、その為信号の最大点に非常に近い
値が１箇所以上表れたり最大点の箇所が毎回同じにはな
らない為に再現性に問題があった。

【００６３】そこで、第１の実施例について今回行なっ
た合焦位置決め動作について図６〜図９に示すフローチ
ャートを参照して説明する。

【００６４】ステップ１（図面では丸囲数字、以下同
じ）について、 本装置は測定の際の対物レンズ３の位置と図４に示すデ
ジタル信号（合焦ピン信号）が最大となる対物レンズ３
の位置の距離（フォーカスオフセット）を本装置の操作
部で指定を行なった後に合焦位置決め動作及び測定を行
なう。

【００６５】本装置の操作部で指定できるフォーカスオ
フセットは−ＦMAX〜＋ＦMAX であり（＋−は対物レン
ズ３を駆動する方向を示す）、設定はＦstep毎に行なう
ことができる。

【００６６】合焦点位置決め動作が電源投入後２回目以
降の場合で、指定されたフォーカスオフセットＦに対す
る図１のＤ／Ａコンバータ５１の電圧値ＳF が既に求め
られている場合はＤ／Ａコンバータ５１の電圧値をＳF
とする。

【００６７】上記以外の場合はＤ／Ａコンバータ５１の
電圧値は０とする。

【００６８】ステップ２について 差動処理フラグとは、マイクロプロセッサー４１がウィ
ンドコンパレータ４５の出力を読み取り、結像レンズ１
０による結像位置が図５に示すサーボエリアＳ１あるい
はＳｎ内にあるか否かを識別するものである。

【００６９】ステップ３について 差動処理フラグのステップ２においては、マイクロプロ
セッサー４１がウィンドコンパレータ４５から『０』の
信号を読み取ったときには、マイクロプロセッサー４１
は結像位置がサーボエリアＳ１あるいはＳｎ内にあると
判断し、スイッチＳＷをオンにしてサーボ駆動回路３１
によるサーボ駆動を可能にし、ステップ４に移る。

【００７０】また、マイクロプロセッサー４１がウィン
ドコンパレータ４５から『１』の信号を読み取ったとき
には、マイクロプロセッサー４１は、結像位置がサーボ
エリアＳ１あるいはＳｎの外にあたるためにウィンドコ
ンパレータ４５が『１』の信号を出力しているのか、あ
るいは結像位置が図５に示す合焦位置付近５０にあたる
ためにウィンドコンパレータ４５が『１』の信号を出力
しているのかをマイクロプロセッサー４１は判断できな
いのでスイッチＳＷをオフにしてサーボ駆動を禁止した
ままステップ５に移る。

【００７１】この状態で、対物レンズ３は合焦ピン信号
が最大となる対物レンズ３の位置のごく近傍に位置決め
されている。

【００７２】ステップ４について スイッチＳＷがオンになっているので、サーボアンプ３
７の出力信号がスイッチＳＷを介してＤＣモータＭに伝
達され、出力信号によりＤＣモータＭがサーボ駆動され
る。このサーボ駆動は高速度で実行され、図５に示す合
焦位置付近５０までの合焦制御が成されたときに該出力
信号はほぼ０となり、サーボ駆動が終了する。このと
き、ウィンドコンパレータ４５の出力信号は『０』から
『１』に変化し、該『１』の信号をマイクロプロセッサ
ー４１が読み取ることによりステップ３からステップ５
を介してステップ７に移る。

【００７３】ステップ５について マイクロプロセッサー４１は、メモリー部４４から図４
に示すデジタル信号（合焦ピン信号）を読み取り、マイ
クロプロセッサー４１は、デジタル信号が小さい場合に
は、結像位置がサーボエリアＳ１あるいはＳｎの外にあ
ると判断し、ステップ６に移る。

【００７４】デジタル信号が大きい場合には、結像位置
が図５における合焦位置付近５０にあると判断する。こ
こで、電源投入後１回目の合焦位置決め動作の場合はス
テップ７に移り、電源投入後２回目以降の合焦位置決め
動作でステップ１で指定されたフォーカスオフセットＦ
に対する図１のＤ／Ａコンバータ５１の電圧値ＳF が求
められていない場合はステップ１０に移り、電源投入後
２回目以降の合焦位置決め動作でステップ１で指定され
たフォーカスオフセットＦに対するＤ／Ａコンバータ５
１の電圧値ＳF が既に求められている場合は合焦位置決
め動作を終了する。

【００７５】ステップ６について 前記信号サーチ駆動が行なわれる。すなわち、マイクロ
プロセッサー４１は、結像位置がサーボエリアＳ１ある
いはＳｎ内に入るまで不図示の駆動径路によりＤＣモー
タＭを駆動して対物レンズ３を連続的に低速駆動させな
がらフラグを読み、フラグが立った所で（結像位置がサ
ーボエリアＳ１あるいはＳｎ内に入った所で）ステップ
３に移り、ＤＣモータＭを停止させると共にスイッチＳ
Ｗをオンにする。

【００７６】ステップ７について 対物レンズ３をモータのパルス駆動により上下どちらか
の方向にＦMAX だけ動かす。また、ｕ＝０とする。

【００７７】ステップ８について 測定をおこない、測定値をＬｕとする。図５に示すよう
な作動信号の電圧値Ｓｕをモニタし、ＬｕとＳｕをメモ
リに記憶する。その後、ｕに１を加算する。その後、Ｄ
ＣモータＭをパルス駆動し対物レンズ３をステップ７と
反対側にＦstep動かす。

【００７８】ステップ９について ステップ８の動作をｕ＝ｖとなるまで繰り返し、図１０
に示すグラフをメモリ上に作成する。尚、ステップ８の
動作に因る駆動量の合計は、２ＦMAX となるようｖを設
定する。図１０において、各フォーカスオフセット毎の
測定値における接線の傾きを計算し図１１の表をメモリ
上に作成する。

【００７９】図１１の表において、各フォーカスオフセ
ットに対する傾きの大きい場合は測定時の対物レンズ３
の位置合わせ精度に対する測定値の変動が大きい（対物
レンズ３の位置が少しでも変動すると測定値が変化す
る）ことを示し、傾きが小さい場合は測定時の対物レン
ズ３の位置合わせ精度に対する測定値の変動が小さい
（対物レンズ３の位置が多少変動しても測定値の変動が
無い）ことを示す。

【００８０】図１１において、定数ｆ、ｃ、ｗ、とはフ
ォーカス変動に対する測定値変動の規模対する定数であ
り、その値は傾きの大きさにより例えば図１２に示す表
のようにあらかじめきまっており、その表は本装置内部
の固定記憶装置（ハードディスク等）よりメモリ上にロ
ードされる。

【００８１】ｆ、ｃ、ｗ、共上記傾きが大きいほど大き
い値である。また、定数Ｂは定数ｆにより定まる定数で
ある。その後、図１のＤ／Ａコンバータの出力電圧が０
のまま対物レンズ３のアナログサーボを行なう。

【００８２】ステップ１０について 指定されたフォーカスオフセットＦに対する測定値変動
の規模に対する定数ｆ≠０の場合ステップ１１〜１５の
動作を行なう。ｆ＝０の場合は、対物レンズ３をモータ
のパルス駆動により指定されたフォーカスオフセットＦ
だけ駆動し、その時の図５に示す作動信号の電圧値をＳ
F とし、ＳF を図１のＤ／Ａコンバータ５１にセット
し、対物レンズ３のサーボ駆動を行ない合焦位置決め動
作を終了する。

【００８３】さらに、ｆ＝０の場合は、図１０及び図１
１でわかる通り、フォーカス変動に対する測定値変動が
少ないフォーカスオフセットが設定されていることを示
し、合焦ピン信号に因る合焦ピン制御を行なわなくても
正確な測定値が得られる。

【００８４】ステップ１１について 対物レンズ３をモータのパルス駆動により上下どちらか
の方向に動かす。本装置で可能なパルス駆動に因る最小
駆動量をΔＤとすると、対物レンズ３の動かす距離は
（ｆ＋ｃ）×ΔＤとする。また、ｍ＝０とする。

【００８５】ステップ１２について 図４に示すようなデジタル信号（合焦ピン信号）の電圧
値Ｆｍ及び図５に示す作動信号の電圧値Ｓｍをモニタ
し、メモリに記憶する。その後、ｍに１を加算する。次
にＤＣモータＭをパルス駆動し対物レンズ３をステップ
１１と反対側にΔＤ動かす。

【００８６】ステップ１３について ステップ１２の動作をｍ＝ｎとなるまで繰り返し、図１
３に示す表をメモリ上に作成する。ｎ＝２×（ｆ＋ｃ）
＋１であり、ステップ１２による対物レンズ３の総駆動
量は２×（ｆ＋ｃ）×ΔＤとなる。この様にしてメモリ
上にストアされた合焦ピン信号Ｆｍ全てに関して次の平
滑化微分演算を行なう。

【００８７】 ここで求めた演算結果Ｄｍと図５に示す作動信号の電圧
値Ｓｍの対物レンズ３の位置によるグラフを図１４に示
す。ステップ１２で示した式に因る平滑化微分を行なう
事により、単調増加又は単調減少のグラフを得る事が出
来る。この事は、ノイズ等の影響がなくなっている事を
示す。このＤｍ＝０となる対物レンズ３の位置で合焦ピ
ン信号が最大となる。

【００８８】Ｄｍ＝０となる対物レンズ３の位置におけ
る差動電圧値Ｓ(Dm=0)を求め、メモリにストアする。な
お、図１０および図１１でわかる通りｆ、ｃ、共フォー
カス変動に対する測定値変動が大きいフォーカスオフセ
ットを設定するほど大きい値であり、広い範囲での平滑
化微分を行ないノイズ等の影響をより低減させている。

【００８９】ステップ１４について Ｓ(Dm=0)を図１のＤ／Ａコンバータ５１にセットし、対
物レンズ３のサーボ駆動を行なう。その後対物レンズ３
をモータのパルス駆動により指定されたフォーカスオフ
セットＦだけ駆動し、その時の図５に示す作動信号の電
圧値をＳF とする。

【００９０】ステップ１５について ステップ１４の動作を図１１に示すｗ回行ない、ＳF の
平均値を求め新たにＳF としてメモリにストアする。な
お、図１０及び図１１でわかる通りｗはフォーカス変動
に対する測定値変動が大きいフォーカスオフセットを設
定するほど大きい値であり、ＳF を求める際の平均化回
数を多くしてモータのパルス駆動による駆動量のバラツ
キを低減させている。

【００９１】その後ＳF を図１のＤ／Ａコンバータ５１
にセットし、対物レンズ３のサーボ駆動を行ない合焦位
置決め動作を終了する。

【００９２】２回目以降の合焦位置決め動作検出におい
て、フォーカスオフセットが変らない場合及び以前ＳF
を求めたフォーカスオフセットが設定されている場合
は、時間短縮の為既に示した通り、既に求められている
フォーカスオフセットにおける電圧値ＳF の電圧値を図
１のＤ／Ａコンバータ５１に加圧し、対物レンズ３をサ
ーボ駆動するだけで合焦位置決め動作は終了する。

【００９３】次に、今回行なった合焦ピン制御の第２の
実施例について図１５〜１８に示すフローチャートを参
照して説明する。本実施例は、第１実施例のうちステッ
プ１１〜１３以外は同一である。本実施例においては、
第１実施例ステップ１１〜１３で行なう合焦ピン信号最
大値の箇所を求める際、対物レンズ３をパルス駆動に因
らずアナログサーボを連続して行なうことにより求め
る。この方式はパルス駆動方式に比べ動作時間がかかる
が、パルス駆動方式による最小駆動量未満の駆動が可能
な為により高精度なフォーカス位置決め動作が可能であ
る。

【００９４】ステップ１〜１０に関しては第１実施例に
記載されている為、ここでは説明を省略する。

【００９５】ステップ１１について 図１のＤ／Ａコンバータ５１より電圧Ｓ_O を発生させ、
対物レンズ３をサーボ駆動する。Ｓ_O ＝（ｆ＋ｃ）×Δ
Ｓとする。電圧−Ｓ_O をＤ／Ａコンバータ５１より発生
させて対物レンズ３をサーボ駆動した時と電圧Ｓ_O をＤ
／Ａコンバータ５１より発生させて対物レンズ３をサー
ボ駆動した時は駆動方向が逆で同じ駆動距離となる。ま
た、ｍ＝０とする。

【００９６】ステップ１２について 図４に示すようなデジタル信号（合焦ピン信号）の電圧
値Ｆｍをモニタし、さらに図１のＤ／Ａコンバータ５１
より発生させた電圧Ｓｍと共にメモリに記憶する。その
後、ｍに１を加算する。次にＤ／Ａコンバータ５１より
発生する電圧をＳｍ−ΔＳとして対物レンズ３をサーボ
駆動する。

【００９７】ステップ１３について ステップ１２の動作をｍ＝ｎとなるまで繰り返し、図１
９に示す表をメモリ上に作成する。ｎ＝２×（ｆ＋ｃ）
＋１であり、ステップ１２によるＤ／Ａコンバータ５１
より発生させる電圧の総変化量は２×（ｆ＋ｃ）×ΔＳ
となる。この様にしてメモリ上にストアされた合焦ピン
信号Ｆｍ全てに関して次の平滑化微分演算を行なう。

【００９８】 ここで求めた演算結果Ｄｍと図１のＤ／Ａコンバータ
５１よりの発生電圧値Ｓｍの対物レンズ３の位置による
グラフを図２０に示す。ステップ１２で示した式に因る
平滑化微分を行なう事により、単調増加又は単調減少の
グラフを得る事が出来る。この事は、ノイズ等の影響が
なくなっている事を示す。このＤｍ＝０となる対物レン
ズ３の位置で合焦ピン信号が最大となる。

【００９９】Ｄｍ＝０となる対物レンズ３の位置におけ
る差動電圧値Ｓ(Dm=0)を求め、メモリにストアする。な
お、図１０及び図１１でわかる通りｆ、ｃ、共フォーカ
ス変動に対する測定値変動が大きいフォーカスオフセッ
トを設定するほど大きい値であり、広い範囲での平滑化
微分を行ないノイズ等の影響をより低減させている。

【０１００】ステップ１４、１５に関しては第１実施例
に記憶されている為、ここでは説明を省略する。

【０１０１】第１実施例と同じく、２回目以降の合焦位
置決め動作検出において、フォーカスオフセットが変ら
ない場合及び以前ＳF を求めたフォーカスオフセットが
設定されている場合は、時間短縮の為既に示した通り、
既に求められているフォーカスオフセットにおける電圧
値ＳF の電圧値を図１のＤ／Ａコンバータ５１に加圧
し、対物レンズ３をサーボ駆動するだけで合焦位置決め
動作は終了する。

【０１０２】なお、従来からあるＤ／Ａコンバータ４６
の系は、その特徴を生かせる場合、Ｄ／Ａコンバータ５
１による厳密な焦点調節に併用することができるのはい
うまでもない。

【０１０３】

【発明の効果】本発明に係る自動焦点制御装置によれ
ば、焦点の制御位置を決定するに当たり、極めて高精度
な制御から、精度より高速成を重視した制御までを行な
うことができるようになるとともに、あらかじめ被検物
の焦点に対する感度曲線を作成しておき、検査時には設
定された焦点位置での感度を求め、その値から最適な焦
点の絶対位置決定を選択するというプロセスを用いる事
により、高精度で時間的にも無駄がない自動焦点制御が
実行でき、ひいては効率的な検査・測定を実行する事が
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る自動焦点制御装置を
示す制御回路のブロック図である。光学系の配置図であ
る。

【図２】本発明の第１実施例に係る自動焦点制御装置の
各所の波形図であって、（ａ），（ｂ）は前ピン信号の
波形図、（ｃ）は合焦ピン信号の波形図、（ｄ），
（ｅ）は後ピン信号の波形図である。

【図３】本発明の第１実施例に係る自動焦点制御装置の
光学系の配置図である。

【図４】本発明の第１実施例におけるデジタル信号の波
形図である。

【図５】本発明の第１実施例における差動信号の波形図
である。

【図６】本発明の第１実施例の動作説明のための部分フ
ローチャートである。

【図７】本発明の第１実施例の動作説明のための部分フ
ローチャートである。

【図８】本発明の第１実施例の動作説明のための部分フ
ローチャートである。

【図９】本発明の第１実施例の動作説明のための部分フ
ローチャートである。

【図１０】本発明の第１実施例における対物レンズの位
置の測定値のグラフである。

【図１１】本発明の第１実施例における対物レンズの位
置と測定値変化・差動信号・定数を示す説明図である。

【図１２】本発明の第１実施例における測定値変化に対
する定数を示す説明図である。

【図１３】本発明の第１実施例における対物レンズの位
置と合焦信号・差動信号・平滑化微分値を示す説明図で
ある。

【図１４】本発明の第１実施例における対物レンズの位
置と差動信号・平滑化微分値のグラフである。

【図１５】本発明の第２実施例を示しており、動作説明
のための部分フローチャートである。

【図１６】本発明の第２実施例の動作説明のための部分
フローチャートである。

【図１７】本発明の第２実施例の動作説明のための部分
フローチャートである。

【図１８】本発明の第２実施例の動作説明のための部分
フローチャートである。

【図１９】本発明の第２実施例における対物レンズの位
置と合焦信号・差動信号・平滑化微分値を示す説明図で
ある。

【図２０】本発明の第２実施例における対物レンズの位
置と差動信号・平滑化微分値のグラフである。

【符号の説明】

１…自動焦点制御装置 ２…被測定面 ３…対物レンズ３ Ｍ…モーター １０，１２…結像レンズ（結像光学系） １３…前ピン検出部 １４…後ピン検出部 １５…合焦ピン検出部 ３１…サーボ駆動回路 ３２…合焦ピン制御回路 Ｄ１１〜Ｄ１ｎ…前ピン検出部の複数の検出部 Ｄ２１〜Ｄ２ｎ…後ピン検出部の複数の検出部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】対物レンズもしくはステージをモーターで
   駆動し、焦点調節のために被測定面からの反射光を結像
   する結像光学系を設け、ステージ上の該被測定面に該対
   物レンズを自動合焦させる自動焦点制御装置において、
   前記対物レンズおよび結像光学系に関して前記被測定面
   が結像すべき位置より前方で該反射光の結像位置を検出
   して前ピン信号を出力する前ピン検出部と、該結像すべ
   き位置より後方で該反射光の結像位置を検出して後ピン
   信号を出力する後ピン検出部と、該結像すべき位置で該
   反射光の結像位置を検出して合焦ピン信号を出力する合
   焦ピン検出部とをそれぞれ設け、前記前ピン信号と前記
   後ピン信号との差に相当する差動信号を前記合焦ピン信
   号により自動ゲイン制御し、該自動ゲイン制御された制
   御信号により前記モーターをサーボ駆動して合焦制御を
   行なうサーボ駆動回路と、該サーボ駆動回路の入力に重
   畳する合焦信号が該サーボ駆動回路に入力するよう接続
   し、合焦位置から遠く外れている場合はレベル０の合焦
   信号を出力し、厳密な合焦が可能であるときは合焦位置
   と現在位置との差を示すフォーカスオフセットをあらわ
   す合焦信号を出力するＤ／Ａコンバータと、を設けたこ
   とを特徴とする自動焦点制御装置。