(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を被測定面に照射させると共に、前記被測定面からの反射光を集光させる光学系と、
この光学系によって集光する前記反射光を２分割する第１の光分割手段と、
前記第１の光分割手段で分割された一方の前記反射光をさらに２分割する第２の光分割手段と、
前記第２の光分割手段で分割された前記反射光の集光位置の前側に配置される第１の光検出手段と、
前記第２の光分割手段で分割された前記反射光の集光位置の後側に配置される第２の光検出手段と、
前記第１の光分割手段で分割された他方の前記反射光の集光位置に配置される第３の光検出手段と、
前記第１の光検出手段からの信号と前記第２の光検出手段からの信号とを加算する加算器を備え、前記被測定面に対する前記光学系の合焦動作のための変位信号を算出する信号処理系と、
前記信号処理系の前記加算器からの信号と前記第３の光検出手段からの信号を基に、前記被測定面と前記光学系の焦点位置との間の距離に対応した信号を算出する演算手段と、
を有することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
測定光を被測定面に照射させると共に、前記被測定面からの反射光を集光させる光学系と、
この光学系によって集光する前記反射光を２分割する第１の光分割手段と、
前記第１の光分割手段で分割された一方の前記反射光をさらに２分割する第２の光分割手段と、
前記第２の光分割手段で分割された前記反射光の集光位置の前側に配置され、信号Ａを出力する第１の光検出手段と、
前記第２の光分割手段で分割された前記反射光の集光位置の後側に配置され、信号Ｂを出力する第２の光検出手段と、
前記第１の光分割手段で分割された他方の前記反射光の集光位置に配置され、信号Ｃを出力する第３の光検出手段と、
前記第１の光検出手段からの信号Ａと前記第２の光検出手段からの信号Ｂとを減算し、減算信号（Ａ−Ｂ）を出力する減算器と、
前記第１の光検出手段からの信号Ａと前記第２の光検出手段からの信号Ｂとを加算し、加算信号（Ａ＋Ｂ）を出力する加算器と、
前記減算器からの減算信号（Ａ−Ｂ）を前記加算器からの加算信号（Ａ＋Ｂ）で除算し、第１の除算信号｛（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）｝を出力する第１の除算器と、
前記加算器からの加算信号（Ａ＋Ｂ）を前記第３の光検出手段からの信号Ｃで除算し、第２の除算信号｛（Ａ＋Ｂ）／Ｃ｝を出力する第２の除算器と、
を有し、
前記第１の除算器からの第１の除算信号｛（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）｝と、前記第２の除算器からの第２の除算信号｛（Ａ＋Ｂ）／Ｃ｝と、に基づいて前記被測定面に前記光学系の焦点を合わせるための動作を行う、
ことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項３】
前記第２の除算器からの前記第２の除算信号｛（Ａ＋Ｂ）／Ｃ｝により、前記光学系の焦点位置に対する前記被測定面の位置を検出することを特徴とする請求項２に記載の焦点
検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば、ＩＣ基板や材料等の加工面に対して光学的に焦点を合わせを行う焦点検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の装置として、例えば、特開平４−２５７１１号公報（以下、従来技術と称する）に開示された装置が知られている。図３（ａ）に示すように、従来技術の装置において、半導体レーザ１から出射されたレーザービームは、偏光ビームスプリッタ３から反射した後、１／４波長板５及び結像レンズ７、対物レンズ９を介して、被測定表面１１（例えば、ＩＣ基板表面又は材料の加工表面等）に集光される。
【０００３】
被測定表面１１から反射した反射光は、対物レンズ９、結像レンズ７及び１／４波長板５から偏光ビームスプリッタ３を透過して、ビームスプリッタ１３によって２方向に振り分けられる。
【０００４】
その一方の反射光は、ビームスプリッタ１３を透過した後、集光点Ｑよりも前側に配置された第１の絞り１５を介して第１の受光素子１７に照射され、その他方の反射光は、ビームスプリッタ１３から反射した後、集光点Ｑよりも後側に配置された第２の絞り１９を介して第２の受光素子２１に照射される。
【０００５】
第１及び第２の受光素子１７，２１は、夫々、受光した光量に対応した電気信号Ａ，Ｂを信号処理系２３に出力する機能を有しており、信号処理系２３は、入力した各信号に対して所定の演算を施して、被測定表面１１の変位に対応した変位信号を出力する機能を有する。
【０００６】
具体的には、いま、第１及び第２の受光素子１７，２１から、図３（ｂ）に示すような特性を有する電気信号Ａ，Ｂが出力された場合、信号処理系２３は、これら電気信号Ａ，Ｂに対して（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）なる演算を実行する。この結果、信号処理系２３からは、図３（ｃ）に示すような特性を有する変位信号  （即ち、合焦時に信号レベルが０（ゼロ）になる変位信号）が出力される。そして、この変位信号が０となる、即ち、
（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＝０
を満たす位置に被測定面１１が来るように、被測定面１１自体若しくは、焦点検出装置を移動させて、被測定表面１１に対する合焦動作が行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
実際の合焦動作において、被測定面１１（図３（ａ）参照）が対物レンズ９の焦点位置から離れた被測定面位置Ｆ２に位置付けられている場合には、被測定面１１に対する合焦動作を高速制御し、一方、被測定面１１が焦点位置に接近した被測定面位置Ｆ１に位置付けられている場合には、被測定面１１に対する合焦動作を、より正確な合焦制御を行うために、低速制御することが好ましい。
【０００８】
しかしながら、図３（ｃ）に示すように、従来技術に適用された信号処理系２３（図３（ａ）参照）からは、２箇所の被測定面位置Ｆ１，Ｆ２に対して同一レベルの変位信号Ｖ１が出力されることになる。
【０００９】
この場合、変位信号Ｖ１が焦点位置（信号レベルが０（ゼロ）になる点）に近接した被測定面位置Ｆ１を呈示しているのか、あるいは、焦点位置から離れた被測定面位置Ｆ２を呈示しているのかを判別することが困難になってしまう。
【００１０】
この結果、被測定面１１に対する合焦速度を高速制御すべきか、あるいは、低速制御すべきかの判別ができなくなるため、合焦動作を高精度且つ効率的に実行することが困難になってしまうといった問題が発生する。
【００１１】
このためには、図４（ａ）に点線で示すように、第１及び第２の受光素子１７，２１から出力される電気信号Ａ，Ｂ（図３（ａ）参照）を加算した信号（Ａ＋Ｂ）を用いることが有効である。
【００１２】
この場合、信号（Ａ＋Ｂ）は、合焦位置から離れるに従って、信号レベルがほぼ単調に減衰する特性を有している。従って、信号（Ａ＋Ｂ）のレベル判定によって合焦点からの距離を検出することができる。
【００１３】
しかし、信号（Ａ＋Ｂ）は、被測定面１１の反射率や表面状態の変化に対し、その形が不安定である。
具体的には、被測定面１１の表面状態が平坦且つ鏡面形状であっても、被測定面１１の有する反射率特性によって、図４（ａ）に示すように、信号（Ａ＋Ｂ）は、図中点線で示す信号レベルから図中実線で示す信号レベルへ低下してしまう。また、被測定面１１の表面状態が粗さや規則構造等を有している場合には、表面状態に応じた乱反射や回折等によって、被測定面１１からの反射光の散逸が発生する結果、図４（ｂ）に示すように、信号（Ａ＋Ｂ）は、図中点線で示す信号レベルからレベル低下が起こるだけでなく、図中実線で示すように、特に、その焦点位置近傍の信号レベルが急峻に低下してしまう場合がある。
【００１４】
このような信号（Ａ＋Ｂ）の変化は、信号（Ａ＋Ｂ）のレベル判定による位置検出に基づく前述の合焦動作制御において、距離検出の精度を低下させるだけでなく、誤った距離の検出が行われる場合がある。
【００１５】
この結果、高精度で且つ効率的な合焦動作を実現することが困難になってしまうといった問題が発生する。
本発明は、このような課題を解決するためになされており、その目的は、被測定面の反射率や表面状態に影響されることなく、合焦位置に対する被測定面位置を高精度に判別可能な信号が得られ、高精度で且つ効率的な合焦動作を実現することが可能な焦点検出装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の焦点検出装置は：測定光を被測定面に照射させると共に、前記被測定面からの反射光を集光させる光学系と；この光学系によって集光する前記反射光を２分割する第１の光分割手段と；前記第１の光分割手段で分割された一方の前記反射光をさらに２分割する第２の光分割手段と；前記第２の光分割手段で分割された前記反射光の集光位置の前側に配置される第１の光検出手段と；前記第２の光分割手段で分割された前記反射光の集光位置の後側に配置される第２の光検出手段と；前記第１の光分割手段で分割された他方の前記反射光の集光位置に配置される第３の光検出手段と；前記第１の光検出手段からの信号と前記第２の光検出手段からの信号とを加算する加算器を備え、前記被測定面に対する前記光学系の合焦動作のための変位信号を算出する信号処理系と；前記信号処理系の前記加算器からの信号と前記第３の光検出手段からの信号を基に、前記被測定面と前記光学系の焦点位置との間の距離に対応した信号を算出する演算手段と；を有することを特徴としている。
【００１７】
このような目的を達成するために、本発明のもう１つの焦点検出装置は：測定光を被測定面に照射させると共に、前記被測定面からの反射光を集光させる光学系と；この光学系によって集光する前記反射光を２分割する第１の光分割手段と；前記第１の光分割手段で分割された一方の前記反射光をさらに２分割する第２の光分割手段と；前記第２の光分割手段で分割された前記反射光の集光位置の前側に配置され、信号Ａを出力する第１の光検出手段と；前記第２の光分割手段で分割された前記反射光の集光位置の後側に配置され、信号Ｂを出力する第２の光検出手段と；前記第１の光分割手段で分割された他方の前記反射光の集光位置に配置され、信号Ｃを出力する第３の光検出手段と；前記第１の光検出手段からの信号Ａと前記第２の光検出手段からの信号Ｂとを減算し、減算信号（Ａ−Ｂ）を出力する減算器と；前記第１の光検出手段からの信号Ａと前記第２の光検出手段からの信号Ｂとを加算し、加算信号（Ａ＋Ｂ）を出力する加算器と；前記減算器からの減算信号（Ａ−Ｂ）を前記加算器からの加算信号（Ａ＋Ｂ）で除算し、第１の除算信号｛（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）｝を出力する第１の除算器と；前記加算器からの加算信号（Ａ＋Ｂ）を前記第３の光検出手段からの信号Ｃで除算し、第２の除算信号｛（Ａ＋Ｂ）／Ｃ｝を出力する第２の除算器と；を有し、前記第１の除算器からの第１の除算信号｛（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）｝と、前記第２の除算器からの第２の除算信号｛（Ａ＋Ｂ）／Ｃ｝と、に基づいて前記被測定面に前記光学系の焦点を合わせるための動作を行う、ことを特徴としている。
【００１８】
上述した本発明のもう１つの焦点検出装置は、前記第２の除算器からの前記第２の除算信号｛（Ａ＋Ｂ）／Ｃ｝により、前記光学系の焦点位置に対する前記被測定面の位置を検出することが出来る。
【００２０】
【作用】
前述した如く構成されたことを特徴とする本発明の焦点検出装置においては、信号処理系において、前記第１の光検出手段からの信号と前記第２の光検出手段からの信号とが加算器により加算され、前記被測定面に対する前記光学系の合焦動作のための変位信号が算出され、さらに、前記信号処理系の前記加算器からの信号と前記第３の光検出手段からの信号を基に前記被測定面と前記光学系の焦点位置との間の距離に対応した信号が演算手段により算出される。この結果、被測定面の反射率や表面状態に影響されることなく、光学系の合焦位置に対する被測定面位置を高精度に判別可能な信号が得られ、高精度で且つ効率的な合焦動作を実現することが可能になる。
【００２１】
前述した如く構成されたことを特徴とする本発明のもう１つの焦点検出装置においては、前記第１の光検出手段からの信号Ａと前記第２の光検出手段からの信号Ｂとが減算器により減算されて減算信号は減算信号（Ａ−Ｂ）を出力し、また、前記第１の光検出手段からの信号Ａと前記第２の光検出手段からの信号Ｂとが加算器により加算されて加算器は加算信号（Ａ＋Ｂ）を出力する。さらに、前記減算器からの減算信号（Ａ−Ｂ）が第１の除算器において前記加算器からの加算信号（Ａ＋Ｂ）により除算され第１の除算器は第１の除算信号｛（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）｝を出力し、また、前記加算器からの加算信号（Ａ＋Ｂ）が第２の除算器において前記第３の光検出手段からの信号Ｃにより除算され第２の除算器は第２の除算信号｛（Ａ＋Ｂ）／Ｃ｝を出力する。そして、前記第１の除算器からの第１の除算信号｛（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）｝と、前記第２の除算器からの第２の除算信号｛（Ａ＋Ｂ）／Ｃ｝と、に基づいて前記被測定面に前記光学系の焦点を合わせるための動作が行なわれる。この結果、被測定面の反射率や表面状態に影響されることなく、光学系の合焦位置に対する被測定面位置を高精度に判別可能な信号が得られ、高精度で且つ効率的な合焦動作を実現することが可能になる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の一実施例に係る焦点検出装置について、図１及び図２を参照して説明する。
図１に示すように、本実施例の焦点検出装置は、測定光を被測定面２５に照射させると共に、被測定面２５からの反射光を集光させる光学系と、この光学系によって集光する反射光を３分割する光分割手段と、この光分割手段によって３分割された反射光を夫々受光する第１ないし第３の光検出手段と、第１及び第２の光検出手段から出力された信号に所定の演算を施す信号処理系２７と、被測定面２５の合焦位置からの距離に対応した信号を算出するように、第３の光検出手段及び信号処理系２７から出力された信号に所定の演算を施す演算手段とを備えている。
【００２３】
上記光学系において、半導体レーザ２９から出射されたレーザービームは、偏光ビームスプリッタ３１から反射した後、１／４波長板３３及び結像レンズ３５、対物レンズ３７を介して、被測定表面２５（例えば、ＩＣ基板表面又は材料の加工表面等）に集光される。
【００２４】
被測定表面２５から反射した反射光は、対物レンズ３７、結像レンズ３５及び１／４波長板３３から偏光ビームスプリッタ３１を経た後、上記光分割手段において、第１のビームスプリッタ３９によって２方向に振り分けられる。
【００２５】
その一方の反射光は、第１のビームスプリッタ３９から反射した後、集光点Ｑに受光面が位置付けられた第３の光検出手段に照射され、その他方の反射光は、第１のビームスプリッタ３９を透過した後、第２のビームスプリッタ４１によって２方向に振り分けられる。
【００２６】
その一方の反射光は、第２のビームスプリッタ４１から反射した後、集光点Ｑよりも後側に配置された第２の光検出手段に照射され、その他方の反射光は、第２のビームスプリッタ４１を透過した後、集光点Ｑよりも前側に配置された第１の光検出手段に照射される。
【００２７】
ところで、第１の光検出手段は、第１の絞り４３と第１の受光素子４５とを備えており、第２のビームスプリッタ４１を透過した反射光は、第１の絞り４３を介して第１の受光素子４５に照射される。一方、第２の光検出手段は、第２の絞り４７と第２の受光素子４９とを備えており、第２のビームスプリッタ４１から反射した反射光は、第２の絞り４７を介して第２の受光素子４９に照射される。また、第３の光検出手段は、第３の受光素子５１を備えており、第１のビームスプリッタ３９から反射した反射光は、直接第３の受光素子５１に照射される。
【００２８】
第１ないし第３の受光素子４５，４９，５１は、夫々、受光した光量に対応した電気信号を出力する機能を有しており、第１及び第２の受光素子４５，４９から出力された電気信号Ａ，Ｂは、信号処理系２７に入力され、第３の受光素子５１から出力された電気信号Ｃは、上記演算手段に入力される。
【００２９】
信号処理系２７は、第１及び第２の受光素子４５，４９から出力された電気信号Ａ，Ｂに減算処理を施して減算信号（Ａ−Ｂ）を出力する減算器５３と、電気信号Ａ，Ｂに加算処理を施して加算信号（Ａ＋Ｂ）を出力する加算器５５と、減算器５３及び加算器５５から出力された減算信号（Ａ−Ｂ）及び加算信号（Ａ＋Ｂ）に除算処理を施して変位信号（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）を出力する第１の除算器５７とを備えている。
【００３０】
演算手段は、第３の受光素子５１から出力された電気信号Ｃと信号処理系２７の加算器５５から出力された加算信号（Ａ＋Ｂ）に除算処理を施して除算信号  （Ａ＋Ｂ）／Ｃを出力する第２の除算器５９を備えている。
【００３１】
ここで、図２（ａ）には、被測定面２５（図１参照）の変位に対応して信号処理系２７の加算器５５から出力された加算信号（Ａ＋Ｂ）の特性を示し、図２  （ｂ）には、被測定面２５の変位に対応して第３の受光素子５１から出力された電気信号Ｃの特性を示す。なお、同図（ａ），（ｂ）には、被測定面２５の表面状態が不規則な粗面形状を成している場合に表れる特性が示されている。
【００３２】
この場合、加算器５５から出力される加算信号（Ａ＋Ｂ）の乱れ、即ち合焦位置付近の信号レベルの低下（図２（ａ）参照）は、第３の受光素子５１から出力される電気信号Ｃにも、同様に表れる（図２（ｂ）参照）。
【００３３】
このような乱れが生じた加算信号（Ａ＋Ｂ）及び電気信号Ｃは、第２の除算器５９に入力され、ここで（Ａ＋Ｂ）／Ｃなる除算処理が施される。
この結果、第２の除算器５９から出力された除算信号（Ａ＋Ｂ）／Ｃは、図２（ｃ）に示すように、合焦位置から離れるに従って、信号レベルが単調に減衰する特性となる。また、信号レベルは、正規化されており、反射光量が低下して、（Ａ＋Ｂ）／Ｃ信号は信号レベルを含めてほぼ同じになる。この特性は、被測定面２５の表面状態が平坦且つ鏡面形状を成している場合も同様となる。
【００３４】
このような除算信号（Ａ＋Ｂ）／Ｃによれば、ある被測定面位置に対して信号レベルが一義的に決定されるため、焦点位置と被測定面１１との間の距離を一義的に検出することが可能となる。
【００３５】
このように本実施例によれば、被測定面の反射率及び表面状態に影響されることなく、焦点位置に対する被測定面位置を高精度に判別可能であり、高精度で且つ効率的な合焦動作を実現することが可能な焦点検出装置を提供することが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、被測定面の表面状態に影響されることなく、焦点位置に対する被測定面位置を高精度に判別可能であり、高精度で且つ効率的な合焦動作を実現することが可能な焦点検出装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る焦点検出装置の構成を概略的に示す図。
【図２】（ａ）は、信号処理系の加算器から出力された加算信号特性を示す図、（ｂ）は、第３の受光素子から出力された電気信号特性を示す図、（ｃ）は、第２の除算器から出力された除算信号特性を示す図。
【図３】（ａ）は、従来の焦点検出装置の構成を概略的に示す図、（ｂ）は、第１及び第２の受光素子から出力された信号特性を示す図、（ｃ）は、信号処理系から出力された変位信号特性を示す図。
【図４】（ａ）は、被測定面の反射率特性によって変位信号が変動する状態を示す図、（ｂ）は、被測定面の表面状態に応じて変位信号が変動する状態を示す図。
【符号の説明】
２５…被測定面、２７…信号処理系、３９…第１のビームスプリッタ、４１…第２のビームスプリッタ、４５…第１の受光素子、４９…第２の受光素子、５１…第３の受光素子、５９…除算器。
【図１】
0003704373.tif 000002
【図２】
0003704373.tif 000003
【図３】
0003704373.tif 000004
【図４】
0003704373.tif 000005