(57)【要約】【課題】簡便かつ確実に焦点を調整することができる光学顕微鏡、焦点位置調整方法、及びそれを用いたパターン基板の製造方法を提供する。【解決手段】。  本実施の形態にかかる光学顕微鏡は、光源１１と、光軸３８からずれて配置された第１遮光部３１と、光軸３８までの距離よりが短くなるように配置された第２遮光部３２と、第１遮光部３１を試料面よりも前側に結像するとともに、第２遮光部３２を試料面よりも後側に結像する照明光学系２０と、第１遮光部３１に対応する領域から対物レンズ１７を介して入射した光を受光する周辺部用焦点位置センサ２５と、第２遮光部３２に対応する領域から対物レンズ１７を介して入射した光を受光する中心部用焦点位置センサ２４と、第１検出像と第２検出像とのコントラストに応じて、焦点位置を調整するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料から対物レンズを介して受光した光を用いて観察を行う光学顕微鏡であって、
前記試料を照明するための光を出射する光源と、
前記試料から前記対物レンズを介して入射した光を受光する観察用検出器と、
前記光源からの光を遮光する遮光パターンが設けられ、光軸からずれて配置された第１遮光部と、
前記光源からの光を遮光する遮光パターンが設けられ、前記光軸までの距離が前記第１遮光部から前記光軸までの距離よりも短くなるように配置された第２遮光部と、
前記第１遮光部の像を前記試料の観察面よりも前側に結像するとともに、前記第２遮光部の像を前記試料の観察面よりも後側に結像する光学系と、
前記試料の前記第１遮光部に対応する領域から前記対物レンズを介して入射した光を受光する第１焦点調整用検出器と、
記試料の前記第２遮光部に対応する領域から前記対物レンズを介して入射した光を受光する第２焦点調整用検出器と、
前記第１焦点調整用検出器で検出された像に基づく第１コントラスト値と、前記第２焦点調整用検出器で検出された像に基づく第２コントラスト値とに応じて、焦点位置を調整する焦点調整手段とを備える光学顕微鏡。
【請求項２】
前記第１遮光部、及び第２遮光部には、遮光パターンが同心円状に繰り返し形成されている請求項１に記載の光学顕微鏡。
【請求項３】
試料から対物レンズを介して入射した光を観察用検出器で受光して観察を行う光学顕微鏡における焦点位置調整方法であって、
光源から前記試料を照明するための光を出射するステップと、
遮光パターンが設けられ、光軸からずれて配置された第１遮光部に前記光源からの光を入射させるステップと、
遮光パターンが設けられ、前記光軸までの距離が前記第１遮光部から前記光軸までの距離よりも短くなるように配置された第２遮光部に、前記光源からの光を入射させるステップと、
前記第１遮光部の像を前記試料の観察面よりも前側に結像するとともに、前記第２遮光部の像を前記試料の観察面よりも後側に結像するステップと、
前記試料の前記第１遮光部に対応する領域から前記対物レンズを介して入射した光を第１焦点調整用検出器で受光するステップと、
前記試料の前記第２遮光部に対応する領域から前記対物レンズを介して入射した光を第２焦点調整用検出器で受光するステップと、
前記第１焦点調整用検出器で検出された像に基づく第１コントラスト値、及び前記第２焦点調整用検出器で検出された像に基づく第２コントラスト値を算出するステップと、
前記第１コントラスト値と、第２コントラスト値とに基づいて、焦点位置を調整するステップとを備える焦点位置調整方法。
【請求項４】
前記第１遮光部、及び第２遮光部には、遮光パターンが同心円状に繰り返し形成されている請求項３に記載の焦点位置調整方法。
【請求項５】
請求項３、又は４に記載の焦点調整方法によって、焦点位置が合焦点位置になるように調整しながら、前記試料であるパターン基板の像を撮像するステップと、
前記撮像するステップで撮像された前記パターン基板の像に基づいて、検査を行うステップとを備えるパターン基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料を観察する光学顕微鏡、光学顕微鏡の焦点位置調整方法、及びそれを用いたパターン基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学顕微鏡や露光装置では、焦点合わせを行う必要がある。このため、光てこ方式などによって、焦点合わせ（ＡＦ：オートフォーカス）を行っている（特許文献１）。例えば、特許文献１の顕微鏡装置では、対物レンズの片側から試料に光を入射させている。そして、試料面で反射した反射光を光検出器で検出する。従って、試料面の位置が合焦点位置からずれると、光検出器での反射光の入射位置が変化する。すなわち、光検出器での反射光の入射位置に基づいて、焦点合わせを行うことができる。
【０００３】
しかしながら、光てこ方式では、直接、像の結像を見ているわけではない。そのため、像の合焦点位置と、ＡＦ側の合焦点位置にずれが生じてしまうおそれがある。従って、合焦点位置のずれを補正する必要がある。また、角度検出のため、試料表面が傾いている場合、正確に焦点合わせができなくなってしまうおそれがある。すなわち、対物レンズの光軸に対する試料表面の角度に応じて、焦点位置がずれてしまう。
【０００４】
また、縞パターンガラス板を用いてＡＦを行う検査方法が開示されている（特許文献２）。この方法では、２つの縞パターンの合焦点位置が撮像素子アレイの合焦点に対して、上がりすぎ、及び下がりすぎに設定されている。そして、それぞれの縞パターンに対応する箇所での、撮像素子アレイの検出信号が等しくなる箇所が合焦点位置としている。
【特許文献１】特開２００７−４７４４７号公報
【特許文献２】特開平７−２７０１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２の方法では、合合焦点位置を見つけることが困難になってしまうという問題点がある。例えば、合焦点位置から大きくずれてしまうと、２つの縞パターンの像がぼやけてしまう。この場合、焦点位置が変わっても、両者の差信号がほとんど変化しなくなってしまう。そのため、合焦点位置のサーチ範囲が限られ、合焦点位置を見つけることが困難になってしまう。このように、従来のＡＦ方法では、簡便かつ確実に焦点合わせを行うことが困難であるという問題点がある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、簡便かつ確実に焦点を調整することができる光学顕微鏡、焦点位置調整方法、及びそれを用いたパターン基板の製造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】
【０００７】
本発明の第１の態様にかかる光学顕微鏡は、試料から対物レンズを介して受光した光を用いて観察を行う光学顕微鏡であって、前記試料を照明するための光を出射する光源と、前記試料から前記対物レンズを介して入射した光を受光する観察用検出器と、前記光源からの光を遮光する遮光パターンが設けられ、光軸からずれて配置された第１遮光部と、前記光源からの光を遮光する遮光パターンが設けられ、前記光軸までの距離が前記第１遮光部から前記光軸までの距離よりも短くなるように配置された第２遮光部と、前記第１遮光部の像を前記試料の観察面よりも前側に結像するとともに、前記第２遮光部の像を前記試料の観察面よりも後側に結像する光学系と、前記試料の前記第１遮光部に対応する領域から前記対物レンズを介して入射した光を受光する第１焦点調整用検出器と、記試料の前記第２遮光部に対応する領域から前記対物レンズを介して入射した光を受光する第２焦点調整用検出器と、前記第１焦点調整用検出器で検出された像に基づく第１コントラスト値と、前記第２焦点調整用検出器で検出された像に基づく第２コントラスト値とに応じて、焦点位置を調整する焦点調整手段とを備えるものである。これにより、簡便かつ確実に焦点を調整することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記第１遮光部、及び第２遮光部には、遮光パターンが同心円状に繰り返し形成されているものである。これにより、試料にパターンが形成されている場合でも、簡便かつ確実に焦点を調整することができる。
【０００９】
本発明の第３の態様にかかる焦点位置調整方法は、試料から対物レンズを介して入射した光を観察用検出器で受光して観察を行う光学顕微鏡における焦点位置調整方法であって、光源から前記試料を照明するための光を出射するステップと、遮光パターンが設けられ、光軸からずれて配置された第１遮光部に前記光源からの光を入射させるステップと、遮光パターンが設けられ、前記光軸までの距離が前記第１遮光部から前記光軸までの距離よりも短くなるように配置された第２遮光部に、前記光源からの光を入射させるステップと、前記第１遮光部の像を前記試料の観察面よりも前側に結像するとともに、前記第２遮光部の像を前記試料の観察面よりも後側に結像するステップと、前記試料の前記第１遮光部に対応する領域から前記対物レンズを介して入射した光を第１焦点調整用検出器で受光するステップと、前記試料の前記第２遮光部に対応する領域から前記対物レンズを介して入射した光を第２焦点調整用検出器で受光するステップと、前記第１焦点調整用検出器で検出された像に基づく第１コントラスト値、及び前記第２焦点調整用検出器で検出された像に基づく第２コントラスト値を算出するステップと、前記第１コントラスト値と、第２コントラスト値とに基づいて、焦点位置を調整するステップとを備えるものである。これにより、簡便かつ確実に焦点を調整することができる。
【００１０】
本発明の第４の態様にかかる光学顕微鏡は、前記第１遮光部、及び第２遮光部に、遮光パターンが同心円状に繰り返し形成されているものである。これにより、試料にパターンが形成されている場合でも、簡便かつ確実に焦点を調整することができる。
【００１１】
本発明の第５の態様にかかるパターン基板の製造方法は、請求項３、又は４に記載の焦点調整方法によって、焦点位置が合焦点位置になるように調整しながら、前記試料であるパターン基板の像を撮像するステップと、前記撮像するステップで撮像された前記パターン基板の像に基づいて、検査を行うステップとを備えるものである。これにより、パターン基板の生産性を向上することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡便かつ確実に焦点を調整することができる光学顕微鏡、焦点位置調整方法、及びそれを用いたパターン基板の製造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】
【００１３】
本実施の形態にかかる顕微鏡では、試料を拡大して観察している。そして、観察結果に基づいて、試料の検査を行う。典型的な試料としては、例えば、フォトマスクなどである。さらに、顕微鏡は、焦点合わせ機能（ＡＦ機能）を有している。従って、合焦点位置での観察が可能になる。具体的には、焦点位置検出用のセンサが２つ設けられている。そして、それぞれのセンサの検出信号のコントラストを求める。２つのコントラストの差分に基づいて焦点位置を検出している。検出された焦点位置が合焦点位置になるように、フィードバック制御を行っている。
【００１４】
本実施の形態にかかる光学顕微鏡について図１を用いて説明する。また、本実施の形態にかかる光学顕微鏡は、例えば、試料を拡大して観察して、検査を行う検査装置として用いられる。試料としては、例えば、液晶表示装置に製造工程に用いられるフォトマスクなどが挙げられる。図１は、本実施の形態にかかる顕微鏡１００の光学系の構成を示す図である。なお、光の伝播方向をＺ方向とし、それと垂直な垂直な方向をＸ方向、及びＹ方向とする。
【００１５】
顕微鏡１００は、照明光学系２０、観察光学系２１、観察用センサ２３、中心部用焦点位置センサ２４、周辺部用焦点位置センサ２５、ステージ２８、及び処理装置２９を有している。照明光学系２０は、光源１１、パターン基板１３、パターン基板１４、レンズ１５、ハーフミラー１６、及び対物レンズ１７を有している。また、観察される試料２７がステージ２８の上に載置されている。照明光学系２０は、ケーラ照明を行う。観察光学系２１は、ハーフミラー１６、対物レンズ１７、及びレンズ１８を有している。観察光学系２１は、照明された試料２７の像を観察用センサ２３の受光面に結像する。顕微鏡１００は、後述するように焦点合わせを行うＡＦ機能を有している。
【００１６】
ここでは、顕微鏡１００の照明光学系２０が落射照明を行っている。このため、対物レンズ１７、及びハーフミラー１６が観察光学系２１、及び照明光学系２０にそれぞれ含まれている。すなわち、ハーフミラー１６、及び対物レンズ１７は、照明光学系２０、及び観察光学系２１に対して、共通の光学要素となる。具体的には、照明光の光路と試料で反射した反射光の光路とは、試料２７からハーフミラー１６までで共通している。なお、図１では、顕微鏡１００の光軸３８の方向をＺ方向としている。
【００１７】
光源１１は、例えば、ランプ光源であり、照明光を出射する。例えば、光源１１に設けられているフィラメントに電流を供給することによって、発光する。照明光は、光軸３８に沿って伝播していく。そして、光源１１から出射した照明光は、レンズ１２に入射する。レンズ１２は、入射した光を屈折する。レンズ１２は、例えば、ｆ＝４０ｍｍの球面凸レンズである。そして、レンズ１２は、光源１１のフィラメントから４０ｍｍ離れている。従って、光源１１の像がほぼ無限遠になる。光源１１からの光の発散角が小さくなる。これにより、効率よく、照明光を伝播することができる。また、レンズ１２によって、Ｚ方向と垂直な平面（ＸＹ平面）の光強度分布が均一になる。
【００１８】
レンズ１２によって屈折された照明光は、パターン付き基板１３、及びパターン付き基板１４に順次に入射する。パターン付き基板１３、及びパターン付き基板１４がＺ方向において離間配置されている。パターン付き基板１３とパターン付き基板１４とは、例えば、２ｍｍ程度離れている。パターン付き基板１３、及びパターン付き基板１４には、遮光パターンが形成されている。例えば、透明なガラス基板の上に、遮光膜であるクロムが形成されている。このクロムのパターンが遮光パターンとなり、光源１１からの光を遮光する。従って、パターン付き基板１３に入射した光の一部が遮光される。パターン付き基板１３を透過した光がパターン付き基板１４に入射する。そして、パターン付き基板１４に入射した光の一部は遮光される。ここでは、均一な照明光がパターン付き基板１３の全体に入射している。従って、パターン付き基板１３の遮光パターン以外の箇所において、照明光がパターン付き基板１４全体に均一に入射する。なお、パターン付き基板１３、１４の構成に付いては後述する。
【００１９】
パターン付き基板１４を透過した照明光は、レンズ１５に入射する。レンズ１５は、入射した照明光を屈折して、集光する。レンズ１５は、結像レンズであり、光源１１の像を結像する。具体的には、レンズ１５は、対物レンズ１７の瞳の位置に、光源１１の像を結像する。レンズ１５で屈折された照明光は、ハーフミラー１６に入射する。ハーフミラー１６は、例えば、光軸に対して４５°傾いて配置されている。ハーフミラー１６は、入射した光の約半分を反射して、残りの半分を透過する。従って、レンズ１５からハーフミラー１６に入射した光の一部は、試料２７の方向に反射される。光軸３８はハーフミラー１６によって９０°折り曲げられる。
【００２０】
ハーフミラー１６で反射された照明光は、対物レンズ１７に入射する。対物レンズ１７は、鏡筒内に配置された複数のレンズを有している。上記のように対物レンズ１７の瞳に、光源１１の像が結像されている。例えば、レンズ１５がｆ＝１００ｍｍの球面凸レンズである。そして、レンズ１５から対物レンズ１７の瞳までの光路長が１００ｍｍになっている。対物レンズ１７は、照明光を屈折する。ここで、試料２７の観察面を試料面とする。試料面は試料２７の表面となる。試料面は、ＸＹ平面に略平行になる。試料面は、パターン付き基板１３、及びパターン付き基板１４を通過した光によって、照明されている。従って、パターン付き基板１３、１４の遮光パターンが投影されている。
【００２１】
ここで、試料２７は、ステージ２８に載置されている。ステージ２８は、例えば、ＸＹＺステージである。従って、ＹＹ方向にステージ２８を駆動することによって、試料２７の任意の位置を観察することができる。また、ステージ２８をＺ方向に駆動することによって、焦点位置を調整することができる。具体的には、ステージ２８を駆動して、対物レンズ１７と試料２７との距離を変化させる。これにより、焦点位置が変化する。従って、ステージ２８を適切に調整することで、焦点合わせを行うことができる。なお、試料２７を移動させる構成ではなく、対物レンズ１７をＺ方向に移動させるようにしてもよい。
【００２２】
試料２７で反射した反射光は、ハーフミラー１６まで照明光と共通の光路を伝播していく。すなわち、反射光は対物レンズ１７で屈折されて、ハーフミラー１６に入射する。
対物レンズ１７で屈折された反射光は、略平行な光束になる。そして、反射光の一部は、ハーフミラー１６を透過して、レンズ１８に入射する。レンズ１８は、例えば、ｆ＝１００ｍｍの結像レンズである。レンズ１８は、試料２７の像を観察用センサ２３の受光面に結像する。すなわち、合焦点位置の場合、試料面が観察用センサ２３の受光面と共役な結像関係になっている。観察光学系２１は、試料面の像を観察用センサ２３の受光面に結像する。このように、観察光学系２１は、試料２７の像を受光面に拡大して結像する結像光学系となる。例えば、試料２７は、２０倍程度拡大して観察される。観察用センサ２３は、例えば、２次元ＣＣＤカメラなどの２次元撮像素子である。従って、観察用センサ２３で撮像された像をモニタなどに表示させることによって、試料２７を拡大して観察することができる。観察用センサ２３の中心は、光軸３８と一致する。
【００２３】
さらに、観察用センサ２３の近傍には、中心部用焦点位置センサ２４、周辺部用焦点位置センサ２５が設けられている。観察用センサ２３、中心部用焦点位置センサ２４、周辺部用焦点位置センサ２５での検出結果は、処理装置２９に入力される。処理装置２９は、中心部用焦点位置センサ２４、周辺部用焦点位置センサ２５からの検出結果に基づいて、焦点位置を検出する。中心部用焦点位置センサ２４、及び周辺部用焦点位置センサ２５は、焦点調整用の光検出器である。
【００２４】
観察用センサ２３、中心部用焦点位置センサ２４、及び周辺部用焦点位置センサ２５の受光面は同じ平面上に配置されている。すなわち、観察用センサ２３、中心部用焦点位置センサ２４の受光面、及び周辺部用焦点位置センサ２５の受光面は同一ＸＹ平面に配置される。この平面を共通受光面とする。すなわち、観察光学系２１の結像面に３つのセンサの受光面が配置される。さらに、ＸＹ平面において、観察用センサ２３、中心部用焦点位置センサ２４、及び周辺部用焦点位置センサ２５は、ずれて配置されている。従って、対物レンズ１７の視野において、観察用センサ２３、中心部用焦点位置センサ２４、及び周辺部用焦点位置センサ２５は、異なる位置からの反射光を検出する。それぞれのセンサは、受光した反射光に応じた検出信号を出力する。
【００２５】
ステージ２８は、処理装置２９に接続されている。処理装置２９は、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置であり、各センサからの検出信号に対して所定の演算処理を行なう。すなわち、処理装置２９は、ＣＰＵやメモリ等の記憶領域を備えるコンピュータである。例えば、処理装置２９は、演算処理部であるＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶領域であるＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインターフェースなどを有し、焦点合わせを行うために必要な処理を実行する。例えば、ＲＯＭには、演算処理するための演算処理プログラムや、各種の設定データ等が記憶されている。そして、ＣＰＵは、このＲＯＭに記憶されている演算処理プログラムを読み出し、ＲＡＭに展開する。そして、設定データや、各センサ等からの出力に応じてプログラムを実行する。さらに、処理装置２９は、検出結果を表示させるためのモニター等を有している。これにより、試料２７の拡大像が表示画面上に表示される。処理装置２９については、後述する。
【００２６】
また、処理装置２９は、ステージ２８の駆動を制御する。例えば、中心部用焦点位置センサ２４、及び周辺部用焦点位置センサ２５からの検出信号に対して、所定の処理を行う。これにより、焦点位置が検出される。そして、焦点位置が試料面と一致するように、ステージ２８を駆動する。これにより、ステージ２８がＺ方向に駆動して、試料面と対物レンズ１７との距離が変化する。これにより、焦点位置が調整される。すなわち、合焦点位置にするために、処理装置２９がステージ２８を適切な位置に移動させる。
【００２７】
次に、パターン付き基板１３、１４の構成について図２、及び図３を用いて説明する。図２（ａ）は、パターン付き基板１３の構成を示した正面図であり、図２（ｂ）は、パターン付き基板１３の構成を示した正面図である。図３は、パターン付き基板１３に設けられた第１遮光部３１の構成を示す拡大図である。
【００２８】
図２（ａ）に示すように、パターン付き基板１３は、透明基板３３を有している。透明基板３３は、例えば、厚さ３ｍｍのガラス基板である。透明基板３３の上には、第１遮光部３１が形成されている。ここで、第１遮光部３１には、図３に示すように、同心円状に複数の遮光パターン３６が形成されている。大きさの異なるリング状の遮光パターン３６が繰り返し形成されている。ここでは、３つの輪状の遮光パターン３６が等間隔に形成されている。もちろん、遮光パターン３６の数は、これに限られるものではない。それぞれの遮光パターン３６の間には光を透過する透過パターン３７が配置されている。すなわち、遮光パターン３６の間には、透明基板３３のみが存在する。従って、半径方向では、透過パターン３７と遮光パターン３６が交互に形成されている。また、最も大きい遮光パターン３６の外側も光を透過する透過パターンとなる。よって、遮光パターン３６以外は光を透過する。
【００２９】
遮光パターン３６は、例えば、透明基板３３の一方の面に設けられたクロム膜である。遮光パターン３６は入射光を遮光する。すなわち、パターン付き基板１３に入射した照明光は、遮光パターン３６で遮光される。一方、遮光パターン３６の間の透過パターン３７に入射した照明光は、パターン付き基板１３を透過する。もちろん、遮光パターン３６の外側に入射した照明光もパターン付き基板１３を透過する。従って、パターン付き基板１３を通過した光のプロファイルは、遮光パターン３６の形状が反映されている。
【００３０】
パターン付き基板１４もパターン付き基板１３と同様の構成を有している。すなわち、パターン付き基板１４は透明基板３４を有している。透明基板３４上には、遮光部３２が形成されている。この第２遮光部３２は、図３で示したように、同心円状に配置された輪状の遮光パターン３６を有している。第２遮光部３２の形状は、第１遮光部３１と同様の形状であるため、説明を省略する。パターン付き基板１４を通過した光のプロファイルは、第２遮光部３２の遮光パターン３６の形状が反映されている。このように、パターン付き基板１３、１４には、同心円状のスリットパターンが複数形成される。
【００３１】
ここで、ＸＹ平面において、第１遮光部３１と第２遮光部３２とは、異なる位置に配置されている。例えば、図２に示すように、パターン付き基板１３、１４の中心が、光軸３８と一致するように配置されているとする。すると、第１遮光部３１の中心は、光軸３８からＹ方向にずれて配置されている。従って、第１遮光部３１に設けられたリング状の遮光パターン３６の中心は、Ｙ軸に配置される。また、第２遮光部３２の中心は、光軸３８からＸ方向にずれて配置されている。従って、第２遮光部３２に設けられたリング状の遮光パターン３６の中心は、Ｘ軸に配置される。また、ＸＹ平面において、第１遮光部３１と第２遮光部３２とは重なっていない。さらに、第２遮光部３２から光軸３８までの距離が、第１遮光部３１から光軸３８までの距離よりも短くなっている。すなわち、第２遮光部３２は、第１遮光部３１よりも光軸に近くなっている。よって、第２遮光部３２は第１遮光部３１よりも、光軸３８の近傍に配置されている。
【００３２】
このように、光源１１からの照明光の一部は、パターン付き基板１３、１４で遮光される。そして、照明光は、レンズ１５、及び対物レンズ１７で屈折されて、試料２７に入射する。レンズ１５、及び対物レンズ１７は、遮光パターン３６の像を結像する。
【００３３】
ここで、対物レンズ１７の視野における様子を図４を用いて説明する。図４は、対物レンズ１７の視野４０を示す平面図である。ここで対物レンズの視野４０は、円形になっている。そして、その中心に配置された矩形が、観察用センサ２３の受光範囲４５となる。すなわち、光軸３８を含む位置に、観察用センサ２３の受光範囲４５が設定されている。この受光範囲４５内の試料２７の像が観察用センサ２３によって、撮像される。すなわち、受光範囲４５が観察者によって観察される観察領域となる。従って、視野４０の一部が受光範囲４５となって、観察される。
【００３４】
さらに、受光範囲４５の外側には、第１投影パターン４１、第２投影パターン４２が形成されている。第１遮光部３１の遮光パターン３６、及び透過パターン３７が試料面に投影されることによって、第１投影パターン４１が形成される。また、第２遮光部３２の遮光パターン３６、及び透過パターン３７が試料面に投影されることによって、第２投影パターン４２が形成される。従って、第１投影パターン４１では、遮光パターン３６に応じた明暗が生じている。第２投影パターン４２では、遮光パターン３６に応じた明暗が生じている。そして、これらの明暗が同心円状に配置される。上記のように、第１遮光部３１、及び第２遮光部３２はＸＹ平面において、異なる位置に設けられている。従って、第１投影パターン４１、及び第２投影パターン４２も、試料面において、異なる位置に形成される。
【００３５】
具体的には、第１投影パターン４１は、光軸３８からＹ方向にずれている。すなわち、第１投影パターン４１の中心は、Ｙ軸上に配置されている。このように、試料面において、第１投影パターン４１は、ＸＹ平面における第１遮光部３１に位置に応じた位置に配置されている。また、第２投影パターン４２は、光軸３８からＸ方向にずれている。すなわち、第２投影パターン４２の中心は、Ｙ軸上に配置されている。このように、試料面において、第２投影パターン４２は、ＸＹ平面における第２遮光部３２に位置に応じた位置に配置されている。パターン付き基板１３、１４を介して照明しているため、対物レンズ１７の視野の一部では、縞状に照明される。
【００３６】
周辺部用焦点位置センサ２５は観察用センサ２３からＹ方向にずれている。第１投影パターン４１を含む領域からの反射光を周辺部用焦点位置センサ２５で検出する。すなわち、試料２７の第１遮光部３１を介して照明された領域からの反射光が周辺部用焦点位置センサ２５で検出される。また、中心部用焦点位置センサ２４は観察用センサ２３からＸ方向にずれている。第２投影パターン４２を含む領域からの反射光を中心部用焦点位置センサ２４で検出する。すなわち、試料２７の第２遮光部３２を介して照明された領域からの反射光が中心部用焦点位置センサ２４で検出される。試料２７からの反射光は対物レンズ１７を介して中心部用焦点位置センサ２４、又は周辺部用焦点位置センサ２５で検出される。このように、試料２７の第１遮光部３１に対応する領域からの反射光は、周辺部用焦点位置センサ２５で検出される。また、試料２７の第２遮光部３２に対応する領域からの反射光は、中心部用焦点位置センサ２４で検出される。
【００３７】
中心部用焦点位置センサ２４、及び周辺部用焦点位置センサ２５としては、例えば、ＣＣＤラインセンサを用いることができる。中心部用焦点位置センサ２４、及び周辺部用焦点位置センサ２５の受光画素は、例えば、Ｘ方向、又はＹ方向に沿って配列されている。そして、ライン状の受光画素が投影パターンの像を横切るように配置されている。従って、受光画素列では、投影パターンに応じた明暗が繰り返される。例えば、遮光パターン３６と透過パターン３７の境界の両側が、明部、及び暗部の受光画素に対応する。すなわち、境界の片側が明部の受光画素に対応し、反対側が暗部の受光画素に対応する。従って、検出された像には、遮光パターン３６に応じたコントラストが存在する。暗部の受光画素では、受光量が低くなり、明部の受光画素では、受光量が高くなる。なお、中心部用焦点位置センサ２４、及び周辺部用焦点位置センサ２５は、ラインセンサに限らず、エリアセンサであってもよい。
【００３８】
試料面において、第１投影パターン４１と第２投影パターン４２とは、異なる位置に配置されている。すなわち、第１投影パターン４１と第２投影パターン４２とは重なっていない。さらに、第２投影パターン４２から光軸３８までの距離が、第１投影パターン４１から光軸３８までの距離よりも短くなっている。すなわち、第２投影パターン４２は、第１投影パターン４１よりも光軸３８に近くなっている。よって、第２投影パターン４２は第１投影パターン４１よりも、光軸３８の近傍に配置されている。すなわち、第２投影パターン４２は、視野４０の中心側に配置されている。
【００３９】
また、第１投影パターン４１、及び第２投影パターン４２は、受光範囲４５の外側に形成されている。従って、第１投影パターン４１は、受光範囲４５と重なっていない。同様に、第２投影パターン４２は、受光範囲４５と重なっていない。従って、受光範囲４５は、均一に照明されている。すなわち、遮光パターン３６の影響を受けずに観察することができる。
【００４０】
パターン付き基板１３、及びパターン付き基板１４は、Ｚ方向にずれて配置されている。従って、第１遮光部３１の遮光パターン３６の結像位置と、第２遮光部３２の遮光パターン３６の結像位置は、異なっている。なお、特に記載のない場合、結像位置は、Ｚ方向における位置を示している。レンズ１５による第１の遮光部３１の結像位置は、試料面の前側になる。なお、前側とは、光源１１から観察用センサ２３に向かって伝播する光路の光源１１側が前側となる。従って、光源１１からの照明光、及び試料面で反射した反射光は、光軸３８に沿って、前側から後側に伝播していく。第１遮光部３１の結像点は、試料面よりも、光源１１側に配置される。このように、第１遮光部３１は、試料面よりも前側で結像する。換言すると、試料面における第１遮光部３１の像は、ぼやけている。従って、試料２７の第１遮光部３１に対応する領域では、ぼやけた第１投影パターン４１によって照明されている。
【００４１】
一方、レンズ１５による第２遮光部３２の結像位置は、試料面よりも後側になる。なお、後側とは、光軸３８に沿って光源１１から観察用センサ２３に向かって伝播する光路の観察用センサ２３側が後側となる。すなわち、第２遮光部３２の結像点は、試料面よりも観察用センサ２３側に配置される。第２遮光部３２の遮光パターン３６は、試料面よりもステージ２８側に結像される。このように、第２遮光部３２は、試料面の後側で結像する。換言すると、試料面における第２遮光部３２の像は、ぼやけている。このように、試料２７の第２遮光部３２に対応する領域では、第２投影パターン４２がぼやけている状態で照明されている。
【００４２】
従って、試料面が合焦点位置から前側（観察センサ側）に一定距離ずれていると、第１遮光部３１の遮光パターン３６が試料面に結像する。この場合、試料２７の第１遮光部３１に対応する領域では、照明光の明暗がはっきりと表れる。第１投影パターン４１のコントラストが高くなる。反対に、試料面が合焦点位置から後側に一定距離ずれていると、第２遮光部３２の遮光パターン３６が試料面に結像する。この場合、試料２７の第２遮光部３２に対応する領域では、照明光の明暗がはっきりと表れる。第２投影パターン４２のコントラストが高くなる。
【００４３】
なお、パターン付き基板１３とパターン付き基板１４の間の面における像が、試料面で結像される。すなわち、合焦点位置では、試料面は、パターン付き基板１３、及びパターン付き基板１４の間の面と共役な結像関係になっている。第１遮光部３１の結像位置と、第２遮光部３２の結像位置は、例えば、試料面からそれぞれ５〜１０μｍ程度離れている。そして、第１遮光部３１の結像位置と、第２遮光部３２との結像位置の間に、試料面が配置される。
【００４４】
合焦点位置では、試料面と共通受光面が共役な結像関係になる。このため、対物レンズ１７、及びレンズ１８によって、第１投影パターン４１、及び第２投影パターン４２が共通受光面で結像する。合焦点位置の場合、上記のように、第１遮光部３１、及び第２遮光部３２の遮光パターン３６は、試料面からずれた位置で、結像している。すなわち、視野４０の中心における試料面の像が共通受光面で結像している場合、試料面における第１投影パターン４１、及び第２投影パターン４２は、ぼやけている。従って、合焦点位置である場合、試料面上でぼやけていた第１投影パターン４１が周辺部用焦点位置センサ２５の受光面で結像する。また、合焦点位置である場合、試料面上でぼやけた第２投影パターン４２が中心部用焦点位置センサ２４の受光面で結像する。
【００４５】
ここで、周辺部用焦点位置センサ２５の受光面における第１投影パターン４１の像を第１検出像とする。また、中心部用焦点位置センサ２４の受光面における第２投影パターン４２の像を第２検出像とする。第１検出像、及び第２検出像が、遮光パターン３６に応じた像となる。さらに、合焦点位置では、第１検出像、及び第２検出像が、遮光パターン３６よりも、ぼやけている。すなわち、ぼやけている第１投影パターン４１、及び第２投影パターン４２が共通受光面で結像している。このため、第１検出像、及び第２検出像は、遮光パターン３６がぼやけた像になる。
【００４６】
上記の説明では、合焦点位置では、観察光学系２１の結像面が、共通受光面で一致する説明した。しかしながら、通常、対物レンズ１７には像面湾曲が存在する。従って、ＸＹ面における位置によって、試料面の結像位置がずれる。この像面湾曲による結像面は、図５に示すように湾曲する。図５は、対物レンズ１７の像面湾曲を示す図である。図５は、縦軸が光軸３８からの距離ｒを示し、横軸がＺ方向の位置を示している。すなわち、図５は、光軸からの距離ｒによる、試料面の結像位置の変化を示している。なお、像面湾曲は通常、数μｍ程度である。
【００４７】
図５に示すように、視野の中心と周辺とで、観察光学系２１の結像位置に差が生じている。拡大観察を行なう場合、光軸３８からの距離ｒが大きくなるほど、結像位置が前側になり、試料２７に近くなる。従って、結像面は、厳密には、平面にならずに湾曲面となる。合焦点位置では、視野の中心における試料面の結像点が、共通受光面に一致する。従って、視野の中心からずれた位置における試料面の結像点は、共通受光面の前側になる。
【００４８】
なお、上記のように、観察用センサ２３の受光範囲４５は、対物レンズ１７の視野の一部である。すなわち、対物レンズ１７の視野のうち、光軸３８を含む一部の領域のみを観察用センサ２３で観察している。例えば、視野がφ２０ｍｍとすると、受光範囲４５は１辺が１〜２ｍｍの矩形となる。従って、受光範囲４５の像が略平面に結像され、像面湾曲がほとんどない状態での観察が可能になる。このため、適切な観察が可能になる。
【００４９】
ここで、レンズ１５、及び対物レンズ１７による遮光パターン３６の結像位置は、試料面からずれている。そのため、レンズ１８の後側における第１遮光部３１の結像位置は、図５中のＣになる。Ｃは、視野の最も外側における試料面の結像位置（合焦位置）よりも、前側に配置される。すなわち、Ｃは、図５の像面湾曲カーブよりも前側に配置されている。また、レンズ１８の後側における第２遮光部３２の結像位置（合焦位置）は、図５中のＡになっている。そして、試料面の像中心の結像位置（合焦位置）はＢになっている。すなわち、光軸３８上における試料面の結像位置Ｂは、ＡとＣの間に配置されている。ＡＦ機能によって、光軸３８上における試料面の合焦位置が、共通受光面になっている。すなわち、視野４０の中心における試料面の結像点が、観察用センサ２３の受光面となる。従って、合焦点位置では、共通受光面がＢに一致する。この場合、第１遮光部３１の遮光パターン３６の結像位置は共通受光面の前側に配置さている。第２遮光部３２の遮光パターン３６の結像位置は共通受光面の後側に配置されている。
【００５０】
周辺部用焦点位置センサ２５、及び中心部用焦点位置センサ２４の受光面は、観察用センサ２３の受光面と同一平面（共通受光面）上に配置されている。周辺部用焦点位置センサ２５は第１投影パターン４１によって照明された領域からの反射光を受光する。そのため、周辺部用焦点位置センサ２５は第１投影パターン４１に応じた明暗が生じる。さらには、第１検出像には、第１遮光部３１の遮光パターン３６に応じた明暗が存在する。また、中心部用焦点位置センサ２４は第２投影パターン４２によって照明された領域からの反射光を受光する。そのため、中心部用焦点位置センサ２４には第２投影パターン４２に応じた明暗が生じる。さらには、第２検出像には、第２遮光部３２の遮光パターン３６に応じた明暗が存在する。第１検出像、及び第２検出像の受光画素には、明部、及び暗部が繰り返し配列されている。
【００５１】
周辺部用焦点位置センサ２５は、第１投影パターン４１で照明された領域の反射光を検出している。中心部用焦点位置センサ２４は、第２投影パターン４２で照明された領域の反射光を検出している。それぞれの投影パターンのうち透過パターン３７に対応する箇所が明部となり、遮光パターン３６に対応する箇所が暗部となる。そして、それぞれの焦点位置センサが、暗部、及び明部を含むように配置されている。すなわち、焦点位置センサは、明部に対応する受光画素、及び暗部に対応する受光画素を有している。明部に対応する受光画素では、受光量が高くなり、暗部に対応する受光画素では、受光量が低くなる。Ｚ方向におけるステージ２８の位置を変えると、受光量が変化する。
【００５２】
上記のように、第１検出像、及び第２検出像は、遮光パターン３６のピッチに応じて明暗が繰り返される。Ｚ方向におけるステージ２８の位置を変えると、第１検出像、及び第２検出像のコントラストが変化する。すなわち、Ｚ方向の位置によって、明部、及び暗部の受光画素における受光量が変化する。なお、焦点位置センサの分解能は、投影パターンの縞よりも十分に高くなっている。
【００５３】
周辺部用焦点位置センサ２５、及び中心部用焦点位置センサ２４での検出結果に基づいて、焦点合わせを行う方法について説明する。そのため、まず、周辺部用焦点位置センサ２５、及び中心部用焦点位置センサ２４からの検出信号について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、周辺部用焦点位置センサ２５の検出信号（以下、第１検出信号とする）を示す図である。図６（ｂ）は、中心部用焦点位置センサ２４の検出信号（以下、第２検出信号とする）を示す図である。図６（ａ）、及び図６（ｂ）では、上から順に、図５中のＡ、Ｂ、Ｃの位置における検出信号がそれぞれ示されている。なお、図６（ａ）、及び図６（ｂ）では、横方向が焦点位置センサ上の位置に対応し、縦方向が信号強度（受光量）に対応している。すなわち、図６（ａ）、及び図６（ｂ）には、各画素での受光量がグラフとして示されている。ここでは、Ｃ、Ｂ、Ａの順に焦点位置を変化させた時の検出信号の変化について説明する。
【００５４】
まず、Ｃの位置における第１検出信号、及び第２検出信号について説明する。ステージ２８を対物レンズ１７に近づけると、Ｃの位置になる。Ｃの位置では、第１遮光部３１が試料面で結像している。従って、第１検出像がはっきりと表れる。すなわち、Ｃの位置では、第１投影パターン４１の結像位置が共通受光面からずれるが、第１遮光部３１の結像位置は、試料面に一致する。合焦点位置から前側にずれた場合、第１検出像のコントラストが高くなるよう、光学系を配置する。これにより、周辺部用焦点位置センサ２５には、第１遮光部３１に対応する明暗がはっきりと表れる。最も受光量の高い受光画素と、最も低い受光量の受光画素との信号強度の差が大きくなる。この場合、図６（ａ）のＣに示すように、第１検出信号の振幅が大きくなる。Ｃの位置で、第１検出像のコントラストが最も高くなる。
【００５５】
反対に、Ｃの位置では、第２検出像がぼやける。すなわち、第２遮光部３２の結像位置が、試料面から大きくずれる。さらに、第２投影パターン４２の結像位置が共通受光面からずれる。このため、第２検出像はぼやけ、第２検出像のコントラストが低くなる。中心部用焦点位置センサ２４には、第２遮光部３２に対応する明暗がはっきりと表れない。最も受光量の高い受光画素と、最も低い受光量の受光画素との信号強度の差が小さくなる。この場合、図６（ｂ）のＣに示すように第２検出信号の振幅が小さくなる。よって、第１検出信号でのコントラストは、第２検出信号でのコントラストよりも大きくなっている。
【００５６】
そして、ステージ２８を対物レンズ１７から少し遠ざける。これにより、図５中のＢの位置になり、試料２７が合焦点位置に配置される。このとき、第１検出像は、Ｃの位置よりも、ぼやける。すなわち、第１投影パターン４１の結像位置が共通受光面に一致するが、第１遮光部３１の結像位置は、試料面からずれる。このため、第１検出像のコントラストが低下する。従って、Ｂでは、最も受光量の高い受光画素と、最も低い受光量の受光画素との信号強度の差が小さくなる。
【００５７】
反対に、Ｂの位置では、第２検出像がＣの位置よりも、はっきりと表れる。すなわち、第２投影パターン４２の結像位置が共通受光面に一致し、さらに、Ｃの位置よりも、第２遮光部３２の結像位置は、試料面に近づく。換言すると、ＣからＢに移動すると、試料面と共通受光面が共役に配置されるだけでなく、第２投影パターン４２のぼやけが低減される。このため、第２検出像のコントラストが高くなる。従って、Ｂでは、最も受光量の高い受光画素と、最も低い受光量の受光画素との信号強度の差が大きくなる。換言すると、第１検出像、及び第２検出像が同程度にぼやける。このため、第１検出信号と第２検出信号の振幅が近づいて、コントラストが同程度になる（図６参照）。
【００５８】
Ｂの位置から、ステージ２８をさらに対物レンズ１７から遠ざける。すると、図５中のＡの位置になり、試料面が合焦点位置からずれる。従って、第１検出像は、さらにぼやける。すなわち、第１投影パターン４１の結像位置が共通受光面からずれ、さらに、Ｂの位置よりも、第１遮光部３１の結像位置は、試料面からずれる。換言すると、ＢからＡに移動すると、試料面と共通受光面が共役な位置からずれるだけでなく、第１投影パターン４１がさらにぼやける。第１検出像がぼやけ、第１検出像のコントラストがさらに低くなる。Ａでは、最も受光量の高い受光画素と、最も低い受光量の受光画素との信号強度の差が小さくなる。この場合、図６（ａ）のＡに示すように第２検出信号の振幅が小さくなる。
【００５９】
反対に、Ａの位置では、第２検出像は、Ｂの位置よりも、さらに、はっきりと表れる。Ａの位置では、第２投影パターン４２の結像位置が共通受光面からずれるが、第２遮光部３２の結像位置は、試料面に一致する。合焦点位置から後側にずれた場合、第２検出像のコントラストが高くなるよう、光学系を配置する。これにより、中心部用焦点位置センサ２４には、第２遮光部３２に対応する明暗がはっきりと表れる。従って、Ａでは、最も受光量の高い受光画素と、最も低い受光量の受光画素との信号強度の差が大きくなる。この場合、図６（ｂ）のＡに示すように第２検出信号の振幅が大きくなる。また、Ｃの位置で、第１検出像のコントラストが最も高くなる。
【００６０】
Ａの位置では、第２検出信号でのコントラストは、第１検出信号でのコントラストよりも大きくなる。すなわち、Ａの位置と、Ｃの位置とでは、第１検出信号のコントラスト、及び第２検出信号のコントラストの大きさが逆転する。
【００６１】
次に、第２検出像のコントラストと、第１検出像とのコントラストとの差分について、図７を用いて説明する。ここで、第１検出像のコントラストを第１コントラスト値とし、第２検出像のコントラストを第２コントラスト値とする。そして、第２コントラスト値から第１コントラスト値を引いた値を差分値Ｉｄとする。図７は、Ｚ方向の位置による差分値Ｉｄの変化を示す図である。図７では、横軸がＺ方向の位置を示し、縦軸が差分値Ｉｄを示している。従って、横軸は、共通受光面と、試料面との距離に対応している。
【００６２】
差分値Ｉｄは、Ａの位置で最大になっている。Ａの位置では、第１検出像がぼやけ、第２検出像がはっきりと表れる。Ａの位置で、第２コントラスト値が大きくなり、第１コントラスト値が小さくなる。よって、差分値Ｉｄは、Ａの位置で最大になっている。そして、ＡからＣの位置に向かうにつれて、差分値Ｉｄが小さくなっていく。そして、Ｃの位置では、第２検出像がぼやけ、第１検出像がはっきりと表れる。Ｃの位置で、第２コントラスト値が小さくなり、第１コントラスト値が大きくなる。従って、Ｃの位置で、差分値Ｉｄは最小となる。このように、差分値Ｉｄは、Ａの位置で極大となり、Ｃで極小となる。このように、ＡからＣに向かうにつれて、差分値Ｉｄは、単調減少する。
【００６３】
従って、差分値Ｉｄが予め設定された設定値になるように、ステージ２８を駆動する。これにより、常時、合焦点位置で観察することができる。具体的には、Ｂの位置からＣの位置にずれた場合、差分値Ｉｄが大きくなっていく。したがって、差分値Ｉｄが減る方向に、ステージ２８を移動する。これにより、ステージ２８がＢの位置に戻る。反対に、Ｂの位置からＣの位置にずれた場合、差分値が小さくなる。したがって、差分値Ｉｄが増える方向に、ステージ２８を移動する。これにより、ステージ２８がＢの位置に戻る。また、ＡＣ間では、差分値が単調減少する。このため、容易に差分値を設定値と一致させることができる。よって、安定して合焦点位置を見つけることができる。このように、差分値に基づいてステージ２８をフィードバック制御することによって、簡便に焦点合わせを行うことができる。
【００６４】
本実施の形態では、第１遮光部３１から光軸３８までの距離が、第２遮光部３２から光軸３８までの距離よりも広くなっている。加えて、第１遮光部３１が試料面の前側に結像され、第２遮光部３２が試料面の後側に結像されている。これにより、焦点位置の検出範囲を広くすることができる。すなわち、Ｃの位置をＢの位置から大きく離したとしても、Ｃの位置では、第１検出像のぼやけが小さい。このため、Ｃ近傍において、Ｚ方向に位置に対する第１コントラスト値の変化量を大きくすることができる。これにより、Ｃの位置をＢから大きくずらすことができる。換言すると、図７に示すＡＣ間の距離を広くすることができ、合焦点位置のサーチ範囲が広くなる。これにより、合焦点位置からずれた場合でも、確実に焦点位置を調整することができる。簡便かつ確実に焦点位置を調整することができる。
【００６５】
また、像面湾曲による結像位置と、レンズ１８による第１遮光部３１の結像位置とが、共通受光面よりも前側になっている。従って、第１遮光部３１の結像位置と中心像（視野の中心位置の像）の結像位置との差よりも、第１遮光部３１の結像位置の周辺像（視野の中心から離れた位置での像）の結像位置との差が小さくなる。これにより、合焦点位置における第１検出像のぼやけが小さくなる。すなわち、第１遮光部３１を光軸３８に近づけてしまうと、像面湾曲によって、合焦点位置近傍における第１検出像のぼやけが大きくなる。従って、合焦点位置からのずれに応じた第１検出信号の波形変化が大きくなる。換言すると、合焦点位置からのずれが小さい場合でも、第１コントラスト値の変化を大きくすることができる。すなわち、Ｚ方向に位置に対する第１コントラスト値の変化量を大きくすることができる。
【００６６】
一方、レンズ１５による第２遮光部３２の像は、試料面よりも後側で結像する。従って、レンズ１８による第２遮光部３２の像は、共通受光面よりも後側で結像する。また、像面湾曲によって、周辺像の結像位置は、共通受光面より前側にずれている。しかしながら、第２投影パターン４２、及び第２遮光部３２は、光軸３８の近傍に配置されている。従って、第２検出像には、像面湾曲による影響がほとんどない。すなわち、像面湾曲があったとしても、レンズ１８による第２遮光部３２の結像位置は、ほとんど前側にずれない。このため、合焦点位置での第２検出像のぼやけを低減することができる。従って、合焦点位置近傍であっても、Ｚ方向に位置に対する第２コントラスト値の変化量が小さくならない。
【００６７】
このように、焦点位置近傍では、第１コントラスト値の変化量が大きくなる。従って、Ｚ方向の位置に対する差分値Ｉｄの変化量が大きくなる。換言すると、合焦点位置近傍では、図７の差分値Ｉｄの傾きが大きくなる。これにより、安定して、焦点位置を調整することができる。簡便かつ確実に焦点位置を調整することができる。なお、第１検出像、及び第２検出像は、視野の一部の領域の像であるため、第１検出像、及び第２検出像自体には、像面湾曲による影響がほとんどない。
【００６８】
さらに、パターン付き基板１３、１４には、同心円状の遮光パターン３６を繰り返し形成している。これにより、試料２７に薄膜パターンが形成されている場合でも、確実に焦点を調整することができる。すなわち、試料２７上のパターンがいずれの方向に形成されいる場合でも、確実に明暗が形成される。すなわち、焦点位置センサには、明部に対応する受光画素と、暗部に対応する受光画素とが存在する。これにより、安定して合焦点位置を見つけることができる。なお、遮光パターン３６は、円形に限らず、同心円状の楕円形でもよい。さらに、パターン付き基板１３、１４を用いることによって、試料２７に全くパターンが形成されていない領域であっても焦点位置を検出することができる。すなわち、試料２７の像にコントラストがないような場合でも、焦点位置を調整することができる。また、焦点調整用の光を光軸に沿って入射させるため、試料面が傾いているときでも確実に焦点を調整することができる。
【００６９】
また、本実施の形態では、パターン付き基板１３、１４を用いて、試料面に投影パターンを形成している。そして、合焦点位置の時、第１投影パターン４１、及び第２投影パターン４２が焦点位置センサの受光面に結像する。これにより、合焦点位置近傍における、第１検出像、及び第２検出像のぼやけが低減される。合焦点位置近傍では、焦点位置のずれに応じた差分値Ｉｄの変化を大きくなる。このため、合焦点位置近傍でのコントラスト変化が大きくなり、安定して合焦点位置を見つけることができる。すなわち、観察光学系２１の合焦点位置に、焦点位置センサの受光面が配置されている。合焦点位置では、試料面と共通受光面が共役な位置に配置されている。そして、合焦点位置からずれると、第１投影パターン４１、及び第２投影パターン４２の像が結像位置からずれていく。このため、合焦点位置近傍では、第１検出像、及び第２検出像のコントラストが高くなっている。そして、合焦点位置からずれると、第１検出像、及び第２検出像のコントラストが大きく変化する。これにより、合焦点位置からのずれに応じたコントラストの変化を大きくすることができる。これにより、合焦点位置近辺での差分値Ｉｄの変化が大きくなる。すなわち、図７に示す差分値Ｉｄの傾きが大きくなる。このことによって、合焦点位置の近傍では、合焦点位置を簡単にサーチすることができる。これにより、安定して合焦点位置を見つけることができる。さらに、本実施の形態では、Ｚ方向に変位すると、遮光パターン３６の結像位置が試料面に対して変化する。これにより、より安定して合焦点位置をサーチすることができる。
【００７０】
上記の処理を行うための処理装置２９の構成に付いて図８を用いて説明する。図８は、処理装置２９の構成を示すブロック図である。処理装置２９は、第１コントラスト算出部５１、第２コントラスト算出部５２、差分値算出部５３、ステージ駆動部５４、及び観察部５５を有している。
【００７１】
第１コントラスト算出部は、第１検出信号に基づいて、第１検出像のコントラスト（第１コントラスト値）を算出する。例えば、第１検出信号の極大値と極小値の差を第１コントラスト値とする。すなわち、極大値から極小値を引くことによって、第１コントラスト値が算出される。明部に対応する受光画素と暗部に対応する受光画素との受光量の差が第１コントラスト値となる。最も受光量の高い受光画素と、最も受光量の低い受光画素との信号強度の差が第１コントラスト値に対応する。さらに、極大値、及び極小値がそれぞれ複数ある場合、極大値と極小値の差を足し合わせて第１コントラスト値としてもよい。例えば、図６に示すように、極大値、及び極小値が３つある場合、極大値と極小値の差が３つ算出される。そして、３つの差の値を足し合わせることによって、第１コントラスト値が算出される。あるいは、極大値と極小値との比を第１コントラスト値としてもよい。この場合、極大値を極小値で割ることによって、第１コントラスト値が算出される。
【００７２】
第２コントラスト算出部５２は、第２検出信号に基づいて、第２検出像のコントラスト（第２コントラスト値）を算出する。第２コントラスト値は、第１コントラスト値と同様の演算によって、算出される。差分値算出部５３は、第１コントラスト値、及び第２コントラスト値に基づいて、差分値Ｉｄを算出する。具体的には、第２コントラスト値と第１コントラスト値の差が差分値Ｉｄとなる。もちろん、第１コントラスト値から第２コントラスト値を引いた値を差分値Ｉｄとしてもよい。
【００７３】
ステージ駆動部５４は、差分値算出部５３で算出された差分値Ｉｄに基づいて、ステージ２８を駆動する。すなわち、差分値Ｉｄに基づいて、対物レンズ１７と試料２７の距離を変えることによって、焦点位置を調整する。この場合、目標となる位置に応じて設定された設定値に差分値Ｉｄが追従するように、ステージ２８を駆動する。例えば、合焦点位置での差分値の値を予め設定値として記憶する。そして、差分値をこの設定値に近づけるようにステージ２８と対物レンズ１７の距離を変える。これにより、焦点位置が合焦点位置になるように調整することができる。もちろん、合焦点位置からずれた位置になるように、制御してもよい。この場合、設定値を変えるだけ、焦点位置を調整することができる。
【００７４】
観察部５５は、観察を行うための処理を行う。例えば、観察部５５は、観察用センサ２３からの測定信号をメモリなどに記憶させる。さらに、観察部５５は、その測定結果を表示画面上に表示させる。これによって、焦点位置を調整しながら、観察することができる。常時、合焦点位置で観察を行うことができる。従って、観察を行う前に、焦点合わせのためのサーチを行う必要がなくなる。簡便に観察を行うことができる。試料全体を観察する場合でも、撮像時間を短縮することができる。
【００７５】
さらに、上記の顕微鏡１００をパターン基板の検査装置として利用することも可能である。例えば、観察用センサ２３で撮像された試料２７の像に基づいて、検査を行う。具体的には、合焦点位置になるように調整しながら、ＸＹ方向にステージ２８を駆動する。これにより、試料２７の全体に対して、合焦点位置での像を撮像することができる。観察用センサ２３で撮像された像と正常なパターンの像を比較して、検査を行う。これにより、試料２７に欠陥があるないかが判定される。さらには、正常なパターンが形成されているか否かが判定される。従って、検査を簡便に行うことができる。また、焦点調整を行うための時間が不要であるため、検査時間を短縮することができる。例えば、フォトマスク等のパターン基板に上記の検査を行う。これにより、パターン基板の生産性を向上することができる。また、試料２７としては、半導体装置、液晶表示装置に用いられるウエハや基板であってもよい。
【００７６】
上記のように、観察用センサ２３、中心部用焦点位置センサ２４、周辺部用焦点位置センサ２５の受光面が同一平面に配置されている。従って、各センサまでの光学系を共通化することができる。これにより、確実に焦点を調整することができる。すなわち、光学系の違いによる焦点位置のずれが低減される。そのため、正確に合焦点位置に合わせることができる。
【００７７】
なお、観察光学系２１は、上記の構成に限られるものではない。また、第１遮光部３１、及び第２遮光部３２を同じ透明基板上に形成してもよい。この場合、透明基板の一方の面に第１遮光部３１を形成し、他方の面に第２遮光部３２を形成することができる。さらに、差分値を追従させるための設定値を、センサ全体の受光量で補正してもよい。これにより、試料面での反射率が変化した場合でも、確実に焦点を調整することができる。
【００７８】
このように、本実施の形態にかかる焦点位置調整方法は、試料から対物レンズを介して入射した光を観察用検出器で受光して観察を行う光学顕微鏡における焦点位置調整方法である。そして、光源から試料を照明するための光を出射するステップと、遮光パターンが設けられ、光軸からずれて配置された第１遮光部に光源１１からの光を入射させるステップと、遮光パターンが設けられ、光軸までの距離が第１遮光部から光軸までの距離よりも短くなるように配置された第２遮光部に光源からの光を入射させるステップと、第１遮光部３１を試料の観察面よりも前側に結像するとともに、第２遮光部を試料の観察面よりも後側に結像するステップと、試料の第１遮光部に対応する領域から対物レンズを介して入射した光を第１焦点調整用検出器で受光するステップと、試料の第２遮光部に対応する領域から対物レンズを介して入射した光を第２焦点調整用検出器で受光するステップと、第１焦点調整用検出器で検出された像に基づく第１コントラスト値、及び第２焦点調整用検出器で検出された像に基づく第２コントラスト値を算出するステップと、第１コントラスト値と、第２コントラスト値とに基づいて、焦点位置を調整するステップとを有している。これにより、簡便かつ確実に焦点位置を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる顕微鏡に用いられるパターン付き基板の構成を示す正面図である。
【図３】パターン付き基板に設けられた第１遮光部の構成を示す拡大図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる顕微鏡の視野を示す図である。
【図５】対物レンズの像面湾曲を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態にかかる顕微鏡に用いられる焦点位置センサの検出信号を示す図である
【図７】検出信号の差分値を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかる顕微鏡に用いられる処理装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８０】
１００  顕微鏡、１１  光源、１２  レンズ、１３  パターン付き基板、
１４  パターン付き基板、１５  レンズ、１６  ハーフミラー、１７  対物レンズ、
１８  レンズ、２０  照明光学系、２１  観察光学系、２３  観察用センサ、
２４  中心部用焦点位置センサ、２５  周辺部用焦点位置センサ、
２７  試料、２８  ステージ、２９  処理装置、
３１  第１遮光部、３２  第２遮光部、３３  透明基板、３４  透明基板、
３６  遮光パターン、３７  透過パターン、３８  光軸、
４０  視野、４１  第１投影パターン、４２  第２投影パターン、４５  受光範囲、
５１  第１コントラスト算出部、５２  第２コントラスト算出部、
５３  差分値算出部、５４  ステージ駆動部、５５  観察部、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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