(57)【要約】【課題】  簡易な構成で焦点位置を調整することができる光学顕微鏡を提供すること。【解決手段】  本発明にかかる光学顕微鏡は観察用光源３０と、光を集光して試料に入射させる対物レンズ１８と、対物レンズ１８の瞳の片側半分の領域に入射する光を出射する光源１１と、観察用光源３０からの光を反射し、光源１１からの光を透過して試料１９に導くビームスプリッタ１４と、観察用光源３０から対物レンズ１８を介して試料１９に入射した光のうち試料１９で反射された第１の反射光と第２の光源から対物レンズ１８の瞳の片側半分の領域を介して試料１９に入射した光のうち試料１９で反射し、対物レンズ１８の瞳の反対側の片側半分の領域を通過した第２の反射光とを検出する光検出器２２とを備え、光検出器２２で検出された第２の反射光に基づいて焦点位置を調整し、第１の反射光に基づいて観察するものである。【選択図】図１
2006163122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を観察するための照明光を出射する第１の光源と、
前記第１の光源からの光を集光して試料に入射させる対物レンズと、
前記対物レンズの瞳の片側半分の領域に入射する光を出射する第２の光源と、
前記第１の光源及び前記第２の光源の光を混合させ、前記試料に導くビームスプリッタと、
前記第１の光源から前記対物レンズを介して前記試料に入射した光のうち当該試料で反射された第１の反射光と前記第２の光源から前記対物レンズの瞳の片側半分の領域を介して前記試料に入射した光のうち当該試料で反射し、前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した第２の反射光とを検出する２次元光検出器とを備え、
前記２次元光検出器で検出された前記第２の反射光に基づいて、焦点位置を調整し、かつ、前記第２次元光検出器で検出された第１の反射光に基づいて前記試料を観察する光学顕微鏡。
【請求項２】
前記試料を載置し、当該載置された試料を移動させる駆動ステージをさらに備え、
前記駆動ステージにより、前記試料を特定の位置に移動させている間、前記第２の反射光に基づいて焦点合わせを行い、
前記試料が特定の位置に移動した後、前記２次元光検出器で検出された前記第１の反射光により前記試料を観察する請求項１記載の光学顕微鏡。
【請求項３】
前記第２の光源から前記ビームスプリッタに入射した光のうち前記試料に導かれる光の割合が、前記第１の光源から前記ビームスプリッタに入射した光のうち前記試料に導かれる光の割合よりも低くなるよう、前記ビームスプリッタの透過率及び反射率が設定されている請求項１又は２に記載の光学顕微鏡。
【請求項４】
前記第２の光源がレーザ光源である請求項３に記載の光学顕微鏡。
【請求項５】
前記第２の光源からの光をライン状の光にして前記試料に照射させるシリンドリカルレンズをさらに備え、
前記ライン状の光を前記試料に設けられているパターンに対して傾けて照射する請求項１乃至４のいずれかに記載の光学顕微鏡。
【請求項６】
前記２次元光検出器が一定時間の間、受光した光を積算して信号を出力する積算型光検出器である請求項１乃至５のいずれかに記載の光学顕微鏡。
【請求項７】
第１の光源からの光を対物レンズにより集光して試料に照射し、前記試料からの第１の反射光を２次元光検出器で検出して観察を行う光学顕微鏡における自動焦点合わせ方法であって、
第２の光源からの光を前記対物レンズの瞳の片側半分の領域に入射させるステップと、
前記対物レンズの瞳の片側半分の領域に入射した光を前記試料に入射させるステップと、
前記試料に入射した前記第２の光源からの光のうち、前記試料で反射した第２の反射光を前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域に入射させるステップと、
前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した前記第２の反射光を前記２次元検出器で検出するステップと、
前記２次元検出器で検出された前記第２の反射光に基づいて焦点合わせを行うオートフォーカス方法。
【請求項８】
前記第２の光源からの光をライン状の光にして前記試料に入射させ、
前記ライン状の光を前記試料に設けられているパターンの方向に対して傾けて照射する請求項７記載のオートフォーカス方法。
【請求項９】
第１の光源からの光を対物レンズにより集光して試料に照射し、前記試料からの反射光を２次元光検出器で検出して観察を行う観察方法であって、
第２の光源からの光を前記対物レンズの瞳の片側半分の領域に入射させるステップと、
前記対物レンズの瞳の片側半分の領域に入射した光を前記試料に入射させるステップと、
前記試料に入射した前記第２の光源からの光のうち、前記試料で反射した光を前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域に入射させるステップと、
前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した前記第２の反射光を前記２次元検出器で検出するステップと、
前記２次元検出器で検出された光に基づいて前記試料と前記対物レンズとの距離を変化させて焦点合わせを行うステップと、
前記自動焦点合わせが行われた状態で、前記第２の光源の動作を停止するステップと、
前記第１の光源で前記試料を照明するステップと、
前記２次元光検出器で前記試料で反射した反射光を検出して当該試料の観察を行うステップとを有する観察方法。
【請求項１０】
前記試料と前記第２の光源から前記試料に入射される光との相対位置を移動させながら前記２次元光検出器で検出された前記第２の反射光に基づいて焦点合わせを行い
前記相対位置の移動を停止した状態で、前記第２の光源の動作を停止させ、前記第１の反射光を前記２次元光検出器により検出して観察を行う請求項９に記載の観察方法。
【請求項１１】
前記試料は欠陥位置が特定されている試料であり、
前記焦点合わせを行うステップでは、前記欠陥位置に前記第２の光源からの光が照射されるよう前記相対位置を移動させながら焦点合わせを行い、
前記観察を行うステップでは、前記欠陥位置の観察を行う請求項１０に記載の観察方法。
【請求項１２】
前記試料が基板上にパターンが形成されたパターン基板であり、
前記第２の光源からの光をライン状の光にして前記試料に入射させ、
前記ライン状の光を前記パターンが設けられている方向に対して傾けて前記試料に照射する請求項９乃至１１のいずれかに記載の観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学顕微鏡及びオートフォーカス方法ならびにそれを用いた観察方法に関し、特に詳しくはオートフォーカス機能を備えた光学顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学顕微鏡では観察する対象物に自動的に焦点を合わせるためのオートフォーカス機能（自動焦点合わせ機能）が用いられている。このオートフォーカス機能には、例えば、光てこ方式や非点収差方式によるものが知られている。
【０００３】
例えば、光てこ方式では対物レンズの瞳の片側半分の領域に光を照射する。対象物で反射された反射光は対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過する。そして、対物レンズを通過した反射光を２分割フォトダイオード等により検出する。このとき、対象物が合焦点位置となっている状態で、反射光が２分割フォトダイオードの中心に入射するように配置する。したがって、対象物が対物レンズの焦点位置からずれた場合は、反射光の位置が２分割フォトダイオードの中心からずれる。この反射光の位置ずれに基づく、２分割フォトダイオードの出力の差が焦点位置のずれ量を示すものとなる。よって、２分割フォトダイオードの出力を同じにするよう、フィードバック制御することで、焦点を合わせることができる（例えば、特許文献１参照）。また、光源からの光をシリンドリカルレンズに入射させ、ライン状のスポットを対象物に照射するものもある（例えば、特許文献２参照）。さらに、開口絞りの位置を調整するものもある（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２５４６５０号公報
【特許文献２】特開平１０−１６１１９５号公報
【特許文献３】特開２００３−２９１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光てこ方式を用いたＡＦ機能を光学顕微鏡に用いる場合、オートフォーカス機能専用の光源及び検出器（例えば、２分割フォトダイオード）を用いる必要があった。すなわち、観察用の光学系とオートフォーカス用の光学系を別々に設ける必要があった。
【０００６】
この問題を解決するための方法が特許文献３に記載されている。特許文献３に開示された光学式顕微鏡では、ケーラ照明光学系の開口絞りと視野絞りを制御することで、自動焦点合わせを実行している。すなわち、焦点合わせを行うときは、開口絞りを移動させ、光線の下半分の領域を遮光している。一方、顕微観察を行うときは、開口絞りの開口の中心が光軸と一致するようにしている。これにより、観察系及びオートフォーカス系の光源及び検出器を共通化できる。すなわち、１つの光源と１つの検出器でオートフォーカス機能付きの光学顕微鏡を構成することができる。
【０００７】
しかしながら、上述の光学顕微鏡では、オートフォーカス時と顕微観察時で開口絞りを移動させている。このため、開口絞りを移動させるときの機械的振動で、対物レンズの焦点が試料表面からずれてしまうことがあった。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で焦点位置を調整することができる光学顕微鏡並びに簡便に焦点位置を調節することができるオートフォーカス方法及びそれを用いた観察方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様にかかる光学顕微鏡は、試料を観察するための照明光を出射する第１の光源と、前記第１の光源からの光を集光して試料に入射させる対物レンズと、前記対物レンズの瞳の片側半分の領域に入射する光を出射する第２の光源と、前記第１の光源及び前記第２の光源からの光を混合させ、前記試料に導くビームスプリッタと、前記第１の光源から前記対物レンズを介して前記試料に入射した光のうち当該試料で反射された第１の反射光と前記第２の光源から前記対物レンズの瞳の片側半分の領域を介して前記試料に入射した光のうち当該試料で反射し、前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した第２の反射光とを検出する２次元光検出器とを備え、前記２次元光検出器で検出された前記第２の反射光に基づいて、焦点位置を調整し、かつ、前記第２次元光検出器で検出された第１の反射光に基づいて前記試料を観察するものである。簡易な構成で焦点位置を調整することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記試料を載置し、当該載置された試料を移動させる駆動ステージをさらに備え、前記駆動ステージにより、前記試料を特定の位置に移動させている間、前記第２の反射光に基づいて焦点合わせを行い、前記試料が特定の位置に移動した後、前記２次元光検出器で検出された前記第１の反射光により前記試料を観察するものである。これにより、光学顕微鏡の実質的な処理速度を向上することができる。
【００１１】
本発明の第３の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記第２の光源から前記ビームスプリッタに入射した光のうち前記試料に導かれる光の割合が、前記第１の光源から前記ビームスプリッタに入射した光のうち前記試料に導かれる光の割合よりも低くなるよう、前記ビームスプリッタの透過率及び反射率が設定されているものである。これにより、照明光に利用効率を向上することができる。
【００１２】
本発明の第４の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記第２の光源がレーザ光源であるものである。
【００１３】
本発明の第５の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記第２の光源からの光をライン状の光にして前記試料に照射させるシリンドリカルレンズをさらに備え、前記ライン状の光を前記試料に設けられているパターンと傾けて照射するものである。これにより、正確に焦点を合わせることができる。
【００１４】
本発明の第６の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記２次元光検出器が一定時間の間、受光した光を積算して信号を出力する積算型光検出器であるものである。これにより、正確に焦点を合わせることができる。
【００１５】
本発明の第７の態様にかかるオートフォーカス方法は、第１の光源からの光を対物レンズにより集光して試料に照射し、前記試料からの第１の反射光を２次元光検出器で検出して観察を行う光学顕微鏡における自動焦点合わせ方法であって、第２の光源からの光を前記対物レンズの瞳の片側半分の領域に入射させるステップと、前記対物レンズの瞳の片側半分の領域に入射した光を前記試料に入射させるステップと、前記試料に入射した前記第２の光源からの光のうち、前記試料で反射した第２の反射光を前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域に入射させるステップと、前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した前記第２の反射光を前記２次元検出器で検出するステップと、前記２次元検出器で検出された前記第２の反射光に基づいて焦点合わせを行うものである。これにより、簡便に自動焦点合わせを行うことができる。
【００１６】
本発明の第８の態様にかかるオートフォーカス方法は、上述のオートフォーカス方法において、前記第２の光源からの光をライン状の光にして前記試料に入射させ、前記ライン状の光を前記試料に設けられているパターンの方向に対して傾けて照射するものである。これにより、正確に焦点を合わせることができる。
【００１７】
本発明の第９の態様にかかる観察方法は、第１の光源からの光を対物レンズにより集光して試料に照射し、前記試料からの反射光を２次元光検出器で検出して観察を行う観察方法であって、第２の光源からの光を前記対物レンズの瞳の片側半分の領域に入射させるステップと、前記対物レンズの瞳の片側半分の領域に入射した光を前記試料に入射させるステップと、前記試料に入射した前記第２の光源からの光のうち、前記試料で反射した光を前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域に入射させるステップと、前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した前記第２の反射光を前記２次元検出器で検出するステップと、前記２次元検出器で検出された光に基づいて前記試料と前記対物レンズとの距離を変化させて焦点合わせを行うステップと、前記自動焦点合わせが行われた状態で、前記第２の光源の動作を停止するステップと、前記第１の光源で前記試料を照明するステップと、前記２次元光検出器で前記試料で反射した反射光を検出して当該試料の観察を行うステップとを有するものである。これにより、簡便に自動焦点合わせを行った状態で観察を行うことができる。
【００１８】
本発明の第１０の態様にかかる観察方法は、上述の観察方法において、前記試料と前記第２の光源から前記試料に入射される光との相対位置を移動させながら前記２次元光検出器で検出された前記第２の反射光に基づいて焦点合わせを行い、前記相対位置の移動を停止した状態で、前記第２の光源の動作を停止させ、前記第１の反射光を前記２次元光検出器により検出して観察を行うものである。これにより、観察に要する時間を短くすることができる。
【００１９】
本発明の第１１の態様にかかる観察方法は、上述の観察方法において、前記試料は欠陥位置が特定されている試料であり、前記焦点合わせを行うステップでは、前記欠陥位置に前記第２の光源からの光が照射されるよう前記相対位置を移動させながら焦点合わせを行い、前記観察を行うステップでは、前記欠陥位置の観察を行うものである。これにより、欠陥の観察に要する時間を短くすることができる。
【００２０】
本発明の第１２の態様にかかる観察方法は、上述の観察方法において、前記試料が基板上にパターンが形成されたパターン基板であり、前記第２の光源からの光をライン状の光にして前記試料に入射させ、前記ライン状の光を前記パターンが設けられている方向に対して傾けて前記試料に照射するものである。これにより、正確に焦点を合わせることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、簡易な構成で焦点位置を調整することができる光学顕微鏡並びに簡便に焦点位置を調節することができるオートフォーカス方法及びそれを用いた観察方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。
【００２３】
本発明に係る光学顕微鏡の構成について図１を用いて説明する。図１（ｂ）は、本発明にかかる光学顕微鏡１の構成を示す図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）を側面から見た図である。なお、試料に平行な方向をＸＹ方向とし、垂直な方向をＺ方向とする。本発明にかかる光学顕微鏡１では、試料を観察する観察光学系とともに、試料のＺ方向の位置を調整して焦点合わせを行うオートフォーカス光学系が備えられている。本実施の形態にかかる光学顕微鏡１は落射照明の明視野顕微鏡である。本発明にかかる光学顕微鏡１では、観察光学系を用いて試料を観察する観察モードとオートフォーカス光学系を用いて焦点位置を調整するオートフォーカスモードとを切り換えることができる。
【００２４】
１１は光源、１２はレンズ、１３はシリンドリカルレンズ、１４はビームスプリッタ、１５はレンズ、１６はビームスプリッタ、１７はレンズ、１８対物レンズ、１９は試料、２０はステージ、２１は処理装置、２２は光検出器、３０は観察用光源、３１はバンドルファイバである。また、４０は光源１１から光検出器２２の受光面に入射した光ビームである。
【００２５】
まず、試料１９を観察するための観察光学系について説明する。観察光学系は観察用光源３０と、バンドルファイバ３１と、ビームスプリッタ１４と、レンズ１５と、ビームスプリッタ１６と、レンズ１７と、対物レンズ１８と、光検出器２２とを備えている。観察光学系はケーラ照明光学系を構成している。
【００２６】
観察用光源３０は例えば、ランプ光源などの光源であり、試料１９を照明するための照明光を出射する。観察用光源３０からの照明光はバンドルファイバ３１の一端に入射する。バンドルファイバ３１は複数の光ファイバが束ねられて構成されている。観察用光源３０からバンドルファイバ３１の一端に入射した照明光は、他端から出射される。すなわち、バンドルファイバ３１は観察用光源３０側が入射端となり、ビームスプリッタ１４側が出射端となっている。バンドルファイバ３１は、例えば、出射端で、断面が円形状となるように束ねられている。光ファイバから出射する照明光は各光ファイバのＮＡ（開口数）で決定される出射角以下で出射される。バンドルファイバ３１に入射した照明光はそれぞれのファイバからある拡がりを持って出射端から出射する。バンドルファイバ３１の出射端は瞳面に配置される。バンドルファイバ３１を用いることにより、観察用光源３０を試料１９から離して配置することができる。すなわち、バンドルファイバ３１を長くすることにより、観察用光源３０とその他の光学系との距離を離すことができる。さらに、このようなバンドルファイバ３１を屈曲して配置することにより、観察用光源３０からの光を簡易な構成で試料１９に導くことができる。この場合、観察用光源３０をその他の光学系から隔てた空間に配置することも可能である。したがって、観察用光源３０から観察光学系の外からの迷光が試料１９に入射されるのを防ぐことができる。
【００２７】
バンドルファイバ３１から出射され、ビームスプリッタ１４に入射した照明光の一部は試料１９の方向に反射される。ビームスプリッタ１４で反射された照明光はレンズ１５で屈折され、ビームスプリッタ１６に入射する。ビームスプリッタ１６に入射した照明光のうちの一部はビームスプリッタ１６を透過し、レンズ１７に入射する。レンズ１７に入射した照明光は屈折され、対物レンズ１８に入射する。対物レンズ１８に入射した照明光はＮＡに応じたスポット径に集光され、試料１９に入射する。これにより、試料１９を照明することができる。このとき、後に説明するオートフォーカス光学系により、試料１０の表面に対物レンズ１８の焦点が合わせられた状態で観察用光源３０からの照明が行われる。試料１９に入射した照明光のうち、試料で反射した反射光は対物レンズ１８及びレンズ１７で屈折され、ビームスプリッタ１６に入射する。
【００２８】
ビームスプリッタ１６に入射した反射光のうちの一部は光検出器２２に入射する。光検出器は受光素子がアレイ状に設けられた２次元光検出器である。したがって、光検出器２２にアレイ状の設けられた受光素子の各々が光を検出するための画素となる。光検出器２２としては、例えば、ＣＣＤカメラを用いることができる。光検出器２２は試料で反射された反射光がその受光面で結像するよう配置されている。したがって、光検出器２２により試料１９を撮像することができる。この光検出器２２は検出した光の輝度に基づく信号を処理装置２１に出力する。処理装置２１は通常のパーソナルコンピュータ等であり、所定の処理を行う中央処理装置（ＣＰＵ）及び処理結果や信号波形を記憶するメモリやハードディスク等の記憶装置を備えている。また、２１は光検出器２２での検出結果を画面上に表示する表示装置及びマウスやキーボードなどの所定の処理を実行させるための入力装置を備えている。この表示装置に光検出器２２で撮像された試料１９の像を表示させて観察を行う。処理装置２１は、さらに、後述するオートフォーカス機能を実現するため、オートフォーカスサーボ回路を備えている。この、オートフォーカスサーボ回路により、光検出器２２での出力に応じてステージ２０をＺ方向に移動させて焦点を調整することができる。これについては後述する。なお、処理装置２１は物理的に単一の処理装置である必要はなく、複数の装置から構成されてもよい。
【００２９】
試料１９を載置するステージ２０はＸＹＺステージであり、処理装置２１の出力信号に基づいてＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆動する。これにより、試料１９の任意の位置に観察用光源３０からの照明光を入射させることができる。すなわち、ステージ２０を駆動して、試料１９をＸＹ方向に移動させることにより、試料１９の全体を観察することができる。また、Ｚ方向に移動させることにより、対物レンズ１８と試料１９との距離を変化させることができる。よって、焦点合わせを行うことができる。なお、バンドルファイバ３１からの照明光の光軸は対物レンズ１８、レンズ１７及びレンズ１５の中心と一致している。すなわち、観察光学系の光軸は対物レンズ１８、レンズ１７及びレンズ１５の中心と一致している。
【００３０】
次に、オートフォーカス光学系について説明する。本発明の光学顕微鏡１は光てこ方式のオートフォーカス光学系を構成している。オートフォーカス光学系は光源１１と、レンズ１２と、シリンドリカルレンズ１３と、ビームスプリッタ１４と、レンズ１５と、ビームスプリッタ１６とレンズ１７と、対物レンズ１８と、光検出器２２とを備えている。観察光学系とオートフォーカス光学系とで検出器を共通化している。したがって、オートフォーカス機能付き光学顕微鏡に設けられている検出器は１つのみである。ここでは、オートフォーカス機能により試料１９の表面に焦点を合わせている。
【００３１】
光源１１はレーザダイオードなどの点光源であり、観察光学系の光軸からずれて配置される。すなわち、光学顕微鏡１では、光源１１の光軸がバンドルファイバ３１からの照明光の光軸と一致していない。光源１１から出射された光ビームは、レンズ１２に入射する。レンズ１２は光源１１からの光をコリメートし、光源１１からのビームを所定のビーム径に調整する。レンズ１２を出射した光ビームはＸＹ方向ともに平行な光束となっている。そして、所定のビーム径の光ビームはシリンドリカルレンズ１３によってライン状の光に変換される。すなわち、光ビームはＸ方向においてシリンドリカルレンズ１３から屈折されて出射され、Ｙ方向においてそのまま出射される。そして、ライン状の光ビームはビームスプリッタ１４に入射する。ビームスプリッタ１４とシリンドリカルレンズ１３の間のシリンドリカルレンズ１３から出射した光がＸ方向において集束する位置が瞳面となる。ビームスプリッタ１４に入射した光ビームのうちの一部はビームスプリッタ１４を透過して、レンズ１５に入射する。
【００３２】
レンズ１５は光ビームを屈折させて、ビームスプリッタ１６の方向に出射する。ここで、光ビームはレンズ１５により、Ｘ方向において平行になり、Ｙ方向において集光される。ビームスプリッタ１６に入射した光ビームの一部はビームスプリッタ１６を透過して、レンズ１７に入射する。レンズ１７は入射した光ビームを屈折させて、対物レンズ１８の方向に出射させる。ここで、光ビームはレンズ１７により、Ｘ方向において集光され、Ｙ方向において平行になる。よって、レンズ１７と対物レンズ１８の間の瞳の位置Ａでは、光源１１からの入射光は、Ｘ方向において集束しており、Ｙ方向において平行である。対物レンズ１８に入射した光ビームは屈折され、試料１９に入射する。光ビームは試料１９の表面において、Ｘ方向に沿ったライン状の光となって照射される。
【００３３】
ここで、光源１１の光軸は照明光の光軸からずれている。したがって、光源１１からの光ビームの光軸はレンズ１２、シリンドリカルレンズ１３の中心とは一致しているが、レンズ１５、レンズ１７及び対物レンズ１８の中心からずれている。光源１１からの光ビームはレンズ１５、レンズ１７及び対物レンズ１８の片側半分の領域を通過する。具体的には、図１（ｂ）において光源からの光ビームはレンズ１５の右側、レンズ１７の左側及び対物レンズ１８の左側を通過する。このように光てこ方式のオートフォーカス機能を実現するため、光源１１は対物レンズ１８の瞳の片側半分の領域に光ビームが入射するよう、レンズ１２の中心からずれて配置されている。
【００３４】
この対物レンズ１８の瞳の片側半分の領域に入射した光ビームは試料１９で反射される。そして、試料１９で正反射された光ビームは対物レンズ１８の瞳の反対側の片側半分の領域に入射する。すなわち、光源１１から対物レンズ１８に入射した光ビームと、試料１９で正反射した反射光とは、対物レンズ１８の中心線を境として異なる領域を通過する。具体的には、図１（ｂ）において、光源１１から対物レンズ１８に入射した光ビームは対物レンズ１８の左側半分の領域を、試料１９で反射した反射光は対物レンズ１８の右側半分の領域を通過する。ここで、試料１９と対物レンズ１８との距離が変わると、試料１９の表面において光ビームが入射する位置が変化する。よって、対物レンズ１８において反射光が入射する位置が変化する。この位置の変化に基づいて、焦点合わせを行うことができる。
【００３５】
対物レンズ１８の右側半分の領域を通過した反射光はレンズ１７の右側半分を透過して、ビームスプリッタ１６に入射する。ビームスプリッタ１６は入射した反射光の一部を光検出器２２の方向に反射する。反射光は光検出器２２の受光面でライン状となっている。光検出器２２はアレイ状に配置された受光素子を備えているため、このライン状の光は光検出器２２の受光面の一部の領域で検出される。
【００３６】
次に、瞳の位置Ａにおける入射光及び反射光について図２を用いて説明する。図２は瞳の位置Ａにおける光ビームの断面形状を模式的に示す図である。図２では、光源１１から試料１９に入射する入射光及び試料１９で正反射した反射光を投影して示している。図２における５０は瞳の位置Ａでの視野を示している。また、図２において瞳の位置Ａでの視野５０の左半分の領域を第１の領域５０ａとし、右半分の領域を第２の領域５０ｂとする。
【００３７】
Ｙ方向に沿ったライン状の入射光５１は第１の領域５０ａに入射する。ここでライン状の入射光５１はそのスポットが第１の領域５０ａと第２の領域５０ｂとの境界線（図２における点線）に対して垂直な方向となっている。すなわち、ライン状の入射光５１は境界線（図２における点線）と垂直になる。この入射光５１が試料２２に入射すると、試料表面で正反射する。正反射した反射光５２は入射光５１と視野の中心点に対して対称な位置に入射する。従って、試料表面で正反射した反射光５２は第２の領域５０ｂの方向にのみ反射される。よって、正常な箇所では反射光５２は第１の領域５０ａに入射せず、第２の領域５０ｂにのみ入射する。ここで、反射光５２は入射光と同様にＹ方向に沿ったライン状の光ビームとなっている。第２の領域５０ｂに入射された反射光５２は屈折され、ビームスプリッタ１６に入射する。そして、ビームスプリッタ１６で反射され、光検出器２２に入射する。対物レンズ１８と試料１９との間の距離が変化した場合、その距離の変化に応じて、反射光５２の位置は図２に示す矢印の方向（Ｙ方向）に変位する。
【００３８】
次に、光検出器２２の受光面の位置Ｂにおける反射光について図３を用いて説明する。図３は光検出器２２の受光面での光ビームの形状を模式的に示す図である。図３に示すように、受光面２２ａにはライン状の光ビーム４０が入射している。このライン状の光ビーム４０の位置は対物レンズ１８と試料１９との距離に応じて、図３の矢印の方向に変化する。例えば、受光面２２ａにおける光ビームの位置は、合焦点位置から対物レンズ１８と試料１９との距離が離れると図３の右方向に移動し、対物レンズ１８と試料１９との距離が近づくと左方向に移動する。
【００３９】
ここで、合焦点位置における受光面２２ａでの光ビームの位置を処理装置２１に記憶させておく。そして、この位置よりも実際に検出された光ビームの位置がずれていた場合、合焦点位置となるようにフィードバック制御を行う。すなわち、光検出器２２からの信号に基づいて処理装置２１が、ステージ２０を駆動させ、試料１９をＺ方向に移動させる。これにより、対物レンズ１８と試料１９との距離が変化し、合焦点位置となる。もちろん、試料１９ではなく、アクチュエータ等により対物レンズ１８を移動させてもよい。
【００４０】
例えば、合焦点位置にある場合、図１（ｂ）に示すよう光源１１からの光ビームはＹ方向において、観察用光源３０の光軸の位置に集光されて、試料１９に照射される。しかしながら、対物レンズ１８と試料１９とが合焦点位置から離れた位置にある場合、光源１１から光ビームは観察用光源３０の光軸の位置から右側にずれて試料１９に入射する。一方、対物レンズ１８と試料１９とが合焦点位置から近づいた位置にある場合、光源１１から光ビームは観察用光源３０の光軸の位置から左側にずれて試料１９に入射する。このように試料１９上で異なる位置に入射した光ビームは合焦点位置での光ビームの光路とは異なる光路でオートフォーカス光学系を伝播していく。したがって、光検出器２２の受光面２２ａに入射する反射光は、合焦点位置からのずれに応じて、異なる位置に入射する。光検出器２２で受光面２２ａにおける光ビーム４０の位置ずれを検出することにより、合焦点位置からのずれを求めることができる。そして、受光面２２ａにおいて光ビームが所定の位置になるように、ステージ２０をＺ方向に駆動する。これにより、焦点位置を調整することができる。
【００４１】
ここで、受光面における光ビームの位置は、例えば、光ビームのピーク位置あるいは重心位置により決定することができる。具体的には、ライン状の光ビームは例えば、図３（ｂ）に示すようなプロファイルをしている。このうち、ピークとなる画素の位置を光ビームの位置としてもよく、あるいは、重心の位置を光ビームの位置としてよい。例えば、図３（ｂ）に示すように受光面２２ａにおける光ビーム４０のピークあるいは重心が位置Ｃにあるとする。処理装置２１にはこの位置Ｃを記憶させておく。そして、オートフォーカスを行うオートフォーカスモードの時に、受光面２２ａにおける光ビーム４０のピークあるいは重心が位置Ｃからずれている時、位置Ｃに移動するように試料１９と対物レンズ１８の高さを変化させる。そして、光ビームの位置が位置Ｃになるまでフィードバック制御を行う。これにより合焦点位置に移動することができる。
【００４２】
このように本発明にかかる光学顕微鏡１では、オートフォーカス光学系と観察光学系の光検出器を共通化している。これにより、簡易な構成でオートフォーカス機能付き光学顕微鏡を実現することができる。なお、上述の説明ではシリンドリカルレンズ１３を用いて、ライン状の光ビームを試料１９に照射したが、これに限るものではない。すなわち、シリンドリカルレンズ１３を用いずにスポット状の光ビームを試料に照射して焦点を調整してもよい。また、観察光学系とオートフォーカス光学系とで、異なる光源を用いているため、それぞれに適した光源を用いることができる。
【００４３】
また、観察用光源３０からビームスプリッタ１４を通過した光ビームが試料１９に照射され、光源１１からビームスプリッタ１４で反射された光ビームが試料１９に照射されるよう光学系を配置してもよい。すなわち、図１において、光源１１、レンズ１２及びシリンドリカルレンズ１３の配置と観察用光源３０及びバンドルファイバ３１の配置を換えることにより、バンドルファイバ３１から出射された光はビームスプリッタ１４を通過して試料に入射し、光源１１から出射した光はビームスプリッタ１４で反射して試料に入射する。通常、オートフォーカス機能無しの光学顕微鏡はこのような構成をしている。したがって、光源１１及びビームスプリッタ１４などの少ない光学部品を追加するのみで、既存の光学顕微鏡にオートフォーカス機能を追加することができる。このように本発明では、ビームスプリッタ１４により観察用光源３０と光源１１からの光を混合させ、試料１９に導いている。すなわち、観察用光源３０と光源１１との両方をＯＮした状態では、一方の光はビームスプリッタ１４を透過し、他方の光はビームスプリッタ１４で反射する。これにより、観察用光源３０及び光源１１からの光を混合させることができる。
【００４４】
ここで、光源１１からの光の輝度に応じてビームスプリッタ１４の反射率及び透過率を調整することができる。例えば、光源１１にレーザダイオードなどの高輝度光源を用いた場合、光源１１から出射された光のうち、試料１９に入射する光の割合を低くすることができる。したがって、ビームスプリッタ１４の反射率を高くすることできる。すなわち、光源１１からの光の光量は光検出器２２で検出され、自動焦点合わせをすることができる程度であればよい。よって、ビームスプリッタ１４の反射率及び透過率を適当な値に設定する。これにより、観察用光源３０からの光の利用効率を向上することができる。例えば、図１（ｂ）に示す構成ではビームスプリッタ１４の透過率を１％とし、反射率を９９％とすることができる。よって、観察用光源３０から光の利用効率を向上することができる。
このように光源１１からビームスプリッタ１４に入射した光のうち試料１９に導かれる光の割合が、観察用光源３０からビームスプリッタ１４に入射した光のうち試料１９に導かれる光の割合よりも低くなるよう、ビームスプリッタ１４の透過率及び反射率を設定することができる。これにより、照明光を効率よく利用するこができる。
【００４５】
なお、本発明では試料の観察を行う観察モードのときは、光源１１の電源をＯＦＦし、観察用光源３０からの光のみを試料に照射する。一方、自動焦点合わせを行うオートフォーカスモードのときは、観察用光源３０からの光を遮光し、光源１１からの光のみを試料に照射する。すなわち、オートフォーカスモードから観察モードに切り換えるときは、光源１１の動作を電気的に停止させた後、観察用光源３０により試料１９の顕微観察を行う。一方、観察モードからオートフォーカスモードに切り換えるときは、観察用光源３０からの光を遮光した後、光源１１をＯＮして焦点を合わせる。本発明にかかる光学顕微鏡では、光源１１及び観察用光源３０の電源のＯＮ／ＯＦＦを切り換えることにより、モード切替を行うことができる。よって、機械的な振動を生じることなく、オートフォーカスモードから観察モードに切り換えることができる。これにより、観察時に、合焦点位置からずれるのを防ぐことができる。観察用光源３０からの光を遮光するか照射するかの切換は観察用光源３０の電気的なＯＦＦに限らず、機械的なシャッターを用いてもよい。ここでは、バンドルファイバ３１を用いているため、観察用光源３０は対物レンズ１８や試料１９とは離れた位置に配置することができる。したがって、観察用光源３０とバンドルファイバ３１の間にシャッターを設け、このシャッターを機械的に移動させても、対物レンズ１８と試料１９との間の距離に対する影響はほとんどない。
【００４６】
本発明にかかるオートフォーカス機能付き光学顕微鏡１は欠陥レビューステーション等の、次に観察すべき座標が分かっている場合に好適である。これについて説明する。まず、試料に対して欠陥検査を行い、試料上の欠陥位置を特定する。なお、試料１９上の欠陥位置は他の検査装置で特定してもよい。この場合、他の検査装置で検査して、欠陥位置を特定し、その試料を光学顕微鏡１のステージ２０上に載置する。そして、ステージ２０を駆動して観察すべき欠陥位置まで試料１９を移動させる。試料１９が移動している間、オートフォーカスのフィードバック制御を絶えず実行する。これにより、試料１９が欠陥位置に移動したときには、合焦点位置となっている。そして、移動が完了したら、光源１１をＯＦＦし、観察用光源３０で照明する。そして、次の欠陥位置を観察する場合も、これを繰り返す。これにより、実質的には焦点合わせのための時間を別途設ける必要がなくなる。よって移動完了すると、即座に観察を行うことができる。よって、装置の実質的な処理速度を向上することができる。
【００４７】
図１に示す光学顕微鏡１では、より正確に焦点を合わせるため、シリンドリカルレンズ１３を用いてライン状の光で試料を照明している。例えば、試料１９がパターン基板である場合、パターンのある部分とない部分とで反射率が異なる。すなわち、パターン基板では、反射率の異なる領域が形成されている。例えば、ガラス基板上に金属パターンが形成されている場合、金属パターンが形成されている箇所では反射率が高くなる。一方、金属パターンが形成されておらず、ガラスが露出している箇所では反射率が低くなる。よって、パターンのエッジに光が照射されると、反射光の強度分布がパターンの影響を受けたものとなる。したがって、反射率が高いほうに光ビームの重心が片寄って受光面２２ａに入射する。よって、この位置に基づいてオートフォーカスを実行すると、試料１９の位置が合焦点位置からずれた位置に収束してしまう。
【００４８】
これを避けるため、ライン状の光ビームを試料１９のパターンと傾けて試料１９に照射する。例えば図４に示すように金属パターン６１が直交する方向とその間の方向の３方向に設けられている場合について考える。この場合、ライン状の光ビーム６２の方向はそれらのいずれの方向から傾いたものとする。すなわちライン状の光ビーム６２の方向と、金属パターン６１が設けられている方向とを一致させない。これにより、正確に焦点合わせを行うことができる。液晶ディスプレイに用いられるパターン基板のように、基板の特定の角度にパターンの方向がある場合、その方向を避けるようにライン状の光ビームの方向を設定する。この設定は光源１１から出射側にシリンドリカルレンズ１３４を挿入することにより容易に行うことができる。また、パターンが設けられている方向が複数ある場合、光ビームをいずれの方向からも傾けて照射する。
【００４９】
一方、シリンドリカルレンズ１３を用いずにスポット照明を行う場合であっても、試料が連続的に移動しているときは、特定のパターンのエッジ上に常に光ビームが照明されない。すなわち、スポット状の光ビームと試料１９との相対位置が絶えず変化しているため、光ビームがある時間でパターンエッジ上に照射されている場合であっても、時間が経過すれば、光ビームはパターンエッジ以外に照射される。したがって、一定時間以上の時間における平均（積算）を見れば、パターンエッジの影響を無視することができる。これは、光検出器２２にＣＣＤカメラなどのような、一定の時間に受光した光を積算して出力する積算型検出器を用いればよい。オートフォーカスモードとした状態で、ステージをある程度以上の速度で移動していれば、実質的にパターンの影響を受けなくすることができる。ステージの移動中のみオートフォーカスモードとする方式を用いることにより、処理速度の向上だけではなく、パターンの影響を低減することができる。このとき、パターンが設けられている方向と傾いた方向に試料１９を移動させることが好ましい。また、このような積算型検出器を用いることにより、パターンに基づく凹凸が試料にある場合でも、その平均的な高さに焦点を合わせることができる。
【００５０】
このように本発明にかかる光学顕微鏡１では、簡易な構成で焦点位置を合わせることができる。よって、正確に試料を観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】本発明の光学顕微鏡において、瞳の位置Ａにおける光ビームの形状を模式的に示す図である。
【図３】本発明にかかる光学顕微鏡において光検出器の受光面での光ビームの形状を模式的に示す図である。
【図４】本発明にかかる光学顕微鏡において、試料上における光ビームの形状を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  光学顕微鏡、１１  光源、１２  レンズ、１３  シリンドリカルレンズ、
１４  ビームスプリッタ、１５  レンズ、１６  ビームスプリッタ、１７  レンズ、
１８  対物レンズ、１９  試料、２０  ステージ、２１  処理装置、２２  光検出器
４０  光ビーム、５０  視野、５０ａ  第１の領域、５０ｂ  第２の領域、
５１  入射光、５２  反射光、６１  金属パターン、６２  光ビーム
【図１】
2006163122.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006163122.tif 000005
【図４】
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