JPS6231815A - 焦点位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はＬＳＩウニ八面へ自動的に焦点合せを行なう自
動焦点装置に好適な焦点位置検出装置に関するものであ
る。

〔発明の背景〕

パターン投影方式の焦点位置検出装置として試料面観察
光学系の合焦位置に対し、その前及び後へ結像面がずれ
るように、２個の投影パターンマスクをずらせて取付け
、両投形パターンが重ならないように試料面上の異なる
場所へ投影し、その投影された両パターンのコントラス
トから焦点ずれ方向を判別する装置例が、特願昭５６−
１６８６１９号に示されている。

第８図はその基本構成であり、２つのパターンマスク５
ｇ　、　５ｂが照明光学系光軸にそって前後にずらせて
、また第９図忙示すように１光軸と直角平面上に並べて
配置される。このマスクのパターンはハーフミラ−４（
第８図）結像レンズ５を介して、試料６に投影される。

試料面に投影されたパターンはレンズ５．ハーフミラ−
４，７を介してイメージセンサ９の受光面上に結像する
。該イメージセンサ９は、第１０図に示すように光電素
子９１がアレイ状に配列されたもので、該光電素子で投
影パターンの明部、暗部のレベルを検出するため、光電
素子と投啄パターンピッチは対応させである。

該イメージセンサ９の検出信号の例を第１１図に示す。

左側がマスク５ｚの投影パターン、右側が５ｈの投影パ
ターンの検出出力である。ここでコントラストＣα、Ｃ
ｂは、投影パターンの結像面が一致していないため、試
料の光軸方向の位置によって第１２図のよ５に変化する
。なお第１２＠の（？Ｎα、Ｃｐｔｂは正規化コントラ
ストであり第１１図に示す検出信号の明暗差Ｃａ、Ｃｂ
を平均レベルＡαＡＡで正規化している。正規化する理
由は、試料面の反射率のばらつきが、コントラスト検出
結果に影響を及ぼすのを防ぐためである。なお第８図に
示すコントラスト検出回路５０によりこの信号処理を行
なっている。また試料観察光学系（第８図）Ｋおげろ、
観察画像検出用イメージセンサ８に対する合焦位置は、
第１２図における両正規化コントラストの等しくなる点
Ｚｏに設定する。これにより両正規化コントラストの比
較により、焦点ずれ方向を判別することができる。

この装置の問題点は、２つの投影パターンを１個のイメ
ージセンサで検出するため、イメージセンサの入射窓ガ
ラス内面及びチップ表面での反射光による相互干渉が生
ずることである。

第１５因はイメージセンサ９断１図であり、入射窓ガラ
ス９５を透過した光がセンサチップ９４０表面で反射し
、更にガラス９５の下面で再び反射しセンサチップ９４
を照射する様子を示す。なおチップ表面９４での反射は
、光電素子列周辺の金メッキされた部分で強く発生する
う この現象の影響が大きく現れるのは、第１４図に示すよ
うに、試料面のパターンによる反射率の差が原因で、２
つの投影パターンの明るさが大幅に相違する場合である
。すなわち反射率の低い部分に対しては、明るい方から
僅かな反射光が侵入しても、それＫよるオフセットｖｏ
は前記の正規化演算を大きく狂わせる。すなわちオフセ
ラ）　Ｖｏにより平均レベルが持ち上げられた結果、第
１５図に示すように正規化コントラストが、正しい値ｃ
ｓｈからＣＮｂ１に変ってしまい、両コントラスト特性
曲綜の交点が移動し誤差−を生ずる。

なお両投形パターンの明るさが等しい場合には、前記乱
反射によるオフセット量と両方に等しくなり、その影響
は打消される。

他の問題点として、マスク５ａと５ｈの位置がずれてい
るため、イメージセンサ９の受光面上での両パターン寸
法が異なり、光電素子トッテとの関係が、両パターンが
同一でなくなり、コントラスト検出特性に差が生ずる。

詳しくは第６図により後で説明する。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記の問題点による焦点位置検出誤差
の発生を防ぎ、高精度な焦点位置検出装置を提供するこ
とＫある。

〔発明の概要〕

本発明は、従来１個のイメージセンサによって２つの投
影パターンを検出する方式で生じた不要反射による干渉
を除去するため、第１図に示すように、投影パターンマ
スク５　ヲ１　ｍノミとし、２個のイメージセンサ９と
１１を光軸方向にずらせて配置している。この方式では
、２個のイメージセンサ９，１１は、試料面上に投影さ
れたただ１つのパターンを共通に検出する。その結果、
２つの検出系が干渉することを防止できると共和、試料
上の同一場所の投影パターンを検出するため試料面反射
率の影響も同一となり、結果的にはその効果が相殺され
て高精度化が可能となる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。第１図は本発明の基本
構成を示したもので、光源１はマスク５のパターンを試
料６に投影すると共Ｋ。

試料６を観察するための光源でもある。試料６を観察す
るためのイメージセンサ８は、マスク５のパターン結像
面に焦点を合せである。

投影パターンを検出するイメージセンサ９．１１は、マ
スク３０投影パターン結像面をはさんで光軸にそって前
後にずれた位置に合焦面がくるよ５に取付ける。すなわ
ち第２図に示すようにマスク５のパターン結像面であり
同時忙イメージセンサ８の合焦面である１４を中心圧し
て、レンズ５に近い方にイメージセンサ−１の合焦１ｆ
ｆｉ１ａをレンズ５から離れる方にイメージセンサ゛９
の合焦面１６を位置するように配置する。また、イメー
ジセンサ９と１１は試料面の同一場所の投影パターンを
検出するように取付ける。

イメージセンサ９と１１の出力はコントラスト検出回路
４０α、４０ｂへ接続されろ。

コントラスト検出回Ｑ　ａｏａ、ａｏｂでは、投影パタ
ーン検出信号の明部と暗部の差としてコントラストを求
め、これを正規化する。

ただし、試料面のパターンにより、場所によって反射率
が異なるので、第５図に示すように検出パターンの明パ
ターン部のレベルトシテ、暗パターン部を挾む両側の明
パターンレベルＨ４Ｈｉ＋Ｊの平均値Ｈｉを用いて計算
する。

Ｈｉ　＝１臼り凹虹 従ってコントラストＣｉは Ｃｉ　　＝　Ｈｉ　　−Ｄｉ 更に正規化演算を次式で行なう。

Ｈｉ　　−Ｄｉ ＣＮｉ：　重子〇ｉ この演算をアナ京グ演算回路で行なう場合の。

回路構成を第４図に示す。

アンプ４１で適当なレベル増幅したパターン検出信号か
ら、Ｓつのサンプルホールド４２，４５．４４カ明レベ
ルＨｉ、明レベルＨｉ＋１．　暗１／　ヘＡ’　Ｄｊ　
＠保持する。明レベルＨ４とＨ６−＋ｓ　を保持したサ
ンプルホールド４２．４５の出力は等しい抵抗値の抵抗
４５，４６の直列回路に接続し、その中点から平均値を
出力する。この平均値出力はバッファを通し℃減算器４
８と加算器４９に接続する。

また、サンプルホールド４４の出力である暗レベル信号
阪も減算器４８と加算器４９に入力する。

減算器４Ｂと加算器４９の出力は割算器５０へ入力し正
規化演算を行なう。

他の実施例を第５図に示す。この実施例ではイメージセ
ンサ１１に結像する投影パターン像の倍率を調節するた
めのレンズ１２が設けられている。このレンズがない場
合は、レンズ５からイメージセンサ９及び１１までの距
離が異なるため、両イメージセンサに結像する投影パタ
ーン像の倍率が異なっている。その結果、第６図に示す
よう、２つのイメージセンサの検出する場所が一致しな
くなる。図において光電素子Ｐａは両センサ共パターン
暗レベルを検出するが、イメージセンサ１１のＰ％Ｉ工
暗じベル部を検出していない。このような状態では正し
くコントラストを１検出できないこととなる。

即ち投影された光パターンのコントラストを２つの検出
系が正しく機出し、その値を比較することが正しい焦点
位置検出を可能とする。そのため２つのイメージセンサ
受光面に結像するパターン倍率は等しいことが好ましい
。前記レンズ１２はそのために倍率を合せることが目的
である。

従来技術の問題点として述べたように、パターン検出で
のテンプル点の不適当により；ントラストな上しく検出
できた（なるという問題に対しては、他の手段として、
イメージセンサの光電素子寸法、すなわち画素寸法を小
さくする方法がある。第７図は画素寸法を小さくして検
出したパターン検出波形である。この場合、画素寸法が
小さいので、光パターンのピークと画素位置が太き（ず
れることはない。

〔発明の効果〕

木兄明廻よれば、合焦面の異なる２つの検出系が互いに
干渉することなくコントラスト検出を行ない、かつ、試
料面上の同一場所に投影されたパターンを共通に検出す
るので、試料面の反射率が大幅に変動しても雨検出系が
等しく影響を受けることＫより効果が相殺され、焦点合
せ目標位置である雨検出系コントラストの等しくなる点
は変化せず、焦点位置検出を高精度に行なうことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図及び第５図
は当該実施例のコントラスト検出の説明図、第４図は当
該実施例中の論理判定回路を示す図、第５図は検出系の
倍率が異なるときの本発明の別の実施例を示す図、第６
図は検出。 系の倍率が異なるときに生じる不都合を説明する図、第
７図は画素サイズが小さい場合のパターン検出波形図、
第８図は従来の焦点位置検出装置の構成図、第９図は第
８図中のパターンマスクの配置を説明する図、第１０図
は従来のイメージセンサと結像パターンを示す図、第１
１図及び８１１２図はコントラスト信号の説明図、＠１
５図ないし第１５図はセンナ内の光干渉とその効果の説
明国である。 １・・・光源、２，５．１２・・・レンズ、５・・・パ
ターンマスク、４，７．１０・・・ハーフミラ−１６・
・・試料（クエハ）、８，９．１１・・・イメージセン
サ、５０．４０・・・コントラスト検出回路、４１・・
・アンプ、４２，４５，４４・・・サンプルホールド、
４５．４６・・・抵抗器、４７・・・バッファアンプ、
４８・・・減昇器、４９・・・加算器、５０・・・割算
器。 代理人弁理士　小　川　勝　男・ １、２０ 第　１　区 第２０　　　　第３０ 馬　４団 第　８　口 第　１１　旧 躬　１２国 見　Ｉ３　詔

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、明部と暗部を周期的に組合せた光パターンを、ハー
   フミラー、レンズを介して被測定物体に投影結像せしめ
   る第１の光学系と、前記被測定物体からの反射光パター
   ンを前記レンズ、ハーフミラーを介して、複数の光電素
   子より成るアレイ状イメージセンサに結像せしめる第２
   の光学系と、アレイ状イメージセンサにより光電変換し
   た出力信号から光パターンに対応した明暗情報を得、該
   明暗差により前記被測定物体の焦点位置を検出するため
   のコントラスト検出回路とを備えて成る焦点位置検出装
   置であって、前記アレイ状イメージセンサ及びコントラ
   スト検出回路を２組備え、各イメージセンサを、前記第
   １の光学系の合焦位置にある被測定物体からの反射光パ
   ターンを、前記第２の光学系で検出したときの結像面に
   対して光軸上で前及び後へずらせて取付け、かつ両イメ
   ージセンサが、被測定物体の同一個所のコントラストを
   検出するように、イメージセンサ視野を設定し、該視野
   で検出したコントラストを比較して焦点ずれ方向を判別
   するようにした焦点位置検出装置。 ２、前記２個のイメージセンサに結像する検出パターン
   寸法を等しくするための倍率調節用レンズを、少なくと
   も片方のイメージセンサに対して備えたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の焦点位置検出装置。 ３、周期的明暗パターンのコントラストを明暗レベル差
   として検出するとき、暗（明）部に対する明（暗）レベ
   ルとして、当該暗（明）部を挾む両隣接明（暗）部の平
   均値を用いて算出することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項及び第２項に記載の焦点位置検出装置。