(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に向けて紫外線領域の波長の測定光束を照射して前記被測定物を照明する照明光学系と、
前記被測定物に対向して配置される対物光学系と該対物光学系の後方に配置された結像光学系とを有しかつ前記被測定物から到来する測定光束を結像させる測定用受光光学系と、
前記被測定物に向けて合焦検出光束を投影して該被測定物からの反射光束を光電検出器に導きかつ該光電検出器の出力信号に基づき前記被測定物の合焦位置を検出する合焦検出光学系とを有する光学測定装置において、
前記合焦検出光束と前記測定光束とは異なる波長領域の光であり、
前記対物光学系を境に前記被測定物と反対側に中心軸が前記対物光学系の光軸と合致する穴明きレンズが配設され、
前記対物光学系は、前記被測定物からの測定光束を平行光束として前記穴明きレンズに向けて射出しかつ前記被測定物からの前記測定光束が前記対物光学系を通過する通過領域の外側に前記合焦検出光束を前記対物光学系を介して収束させて前記被測定物に導く収差特性を有し、
前記穴明きレンズは、前記対物光学系から出射された平行光束をそのまま平行光束として通過させて前記光電検出器に導く開口部と前記合焦検出光束を前記対物光学系に導く通過領域とを有することを特徴とする光学測定装置。
【請求項２】
前記穴明きレンズの通過領域が円環状領域であることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
【請求項３】
前記穴明きレンズの通過領域が前記中心軸に関して対称な二つの合焦検出光束の通過領域であり、前記合焦検出光束は前記一方の通過領域から前記被測定物に導かれ、かつ、前記被測定物により反射された合焦検出光束は前記他方の通過領域を介して前記合焦検出光学系に導かれることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
【請求項４】
前記合焦検出系には、前記穴明きレンズと略共役な位置に配置した絞りを有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線領域の波長の測定光束を用いて照明される被測定物を自動合焦する合焦検出光学系を有する光学測定装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光学測定装置、例えば、半導体マスク等の被測定物を結像させ、肉眼観察、又は、光電検出により被測定物の寸法、欠陥等を測定検査する光学測定装置が知られている。
【０００３】
この種の光学測定装置では、被測定物に向けて測定光束を照射して被測定物を照明する照明光学系と、その被測定物に対向して配置される対物光学系とこの対物光学系の後方に配置された結像光学系とを有しかつ被測定物から到来する測定光束を結像させる測定用受光光学系とを備えているが、その結像光学系のピント合わせを行う必要があり、このため、この従来の光学測定装置では、被測定物の光軸方向上の位置を光電的に検出してその被測定物に自動的にピント合わせを行う合焦検出光学系が設けられている。
【０００４】
この合焦検出光学系に用いる合焦検出光束には、測定光束に用いる光の波長とは異なる波長の光を用いて合焦検出光学系に測定光束が混入しないような工夫を施す必要があると共に、合焦検出光学系の一部を測定用受光光学系の一部である対物光学系と兼用させて、光学測定装置の光学系全体としてのコンパクト化、構成の簡易化を図ることが要望されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近時、この種の光学測定装置では、測定精度の向上をより一層図るために、測定光束に用いる光の波長を短波長にする試みが為され、紫外線領域の波長の光を測定光束に用いて、被測定物の測定、検査が行われている。
【０００６】
しかしながら、この紫外線領域の波長の光を測定光束として用いることができるようにするために対物光学系を構成する対物レンズ群の光学レンズ設計を行うと、紫外線領域とは異なる波長領域での色収差が大きくなって、測定用受光光学系を構成する各光学素子と合焦検出光学系を構成する各光学素子とが干渉を起こして測定光束の合焦検出光学系への混入を避けがたく、このため、対物光学系の共用化を図りにくく、合焦検出光学系と測定用受光光学系とを別々に設けなければならず、光学測定装置全体としてのコンパクト化を図り難いという問題点がある。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、測定光束として紫外線領域の波長の光を用いてその測定精度の向上を図ることにすると共に、合焦検出光学系を構成する各光学素子と測定用受光光学系を構成する各光学素子との一部を兼用させる構成として光学系全体としてのコンパクト化を図った場合であっても、測定光束の合焦検出光学系への混入を避けつつ被測定物に対する自動合焦を行うことのできる光学測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の光学測定装置は、被測定物に向けて紫外線領域の波長の測定光束を照射して前記被測定物を照明する照明光学系と、前記被測定物に対向して配置される対物光学系と該対物光学系の後方に配置された結像光学系とを有しかつ前記被測定物から到来する測定光束を結像させる測定用受光光学系と、前記被測定物に向けて合焦検出光束を投影して該被測定物からの反射光束を光電検出器に導きかつ該光電検出器の出力信号に基づき前記被測定物の合焦位置を検出する合焦検出光学系とを有する光学測定装置において、
前記合焦検出光束と前記測定光束とは異なる波長領域の光であり、前記対物光学系を境に前記被測定物と反対側に中心軸が前記対物光学系の光軸と合致する穴明きレンズが配設され、前記対物光学系は、前記被測定物からの測定光束を平行光束として前記穴明きレンズに向けて射出しかつ前記被測定物からの前記測定光束が前記対物光学系を通過する通過領域の外側に前記合焦検出光束を前記対物光学系を介して収束させて前記被測定物に導く収差特性を有し、前記穴明きレンズは、前記対物光学系から出射された平行光束をそのまま平行光束として通過させて前記光電検出器に導く開口部と前記合焦検出光束を前記対物光学系に導く通過領域とを有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の光学測定装置は、前記穴明きレンズの通過領域が円環状領域であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の光学測定装置は、前記穴明きレンズの通過領域が前記中心軸に関して対称な二つの合焦検出光束の通過領域であり、前記合焦検出光束は前記一方の通過領域から前記被測定物に導かれ、かつ、前記被測定物により反射された合焦検出光束は前記他方の通過領域を介して前記合焦検出光学系に導かれることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の光学測定装置は、前記合焦検出系には、前記穴明きレンズと略共役な位置に配置した絞りを有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の光学測定装置の実施例１の光学図である。
【００１３】
その図１において、１は照明光学系、２は測定用受光光学系、３は合焦検出光学系である。照明光学系１は透過照明系１Ａと反射照明系１Ｂとからなっている。透過照明系１Ａは照明光源４、集光レンズ５、反射ミラー６、リレーレンズ７、反射ミラー８、投光レンズ９から構成され、投光レンズ９は被測定物１０の被検面１０ａに背後から臨んでいる。反射照明系１Ｂは集光レンズ１１、反射ミラー１２、リレーレンズ１３、ハーフミラー１４から構成されている。照明光源４は、紫外線領域の波長の光を測定光束として出射し、波長３００ｎｍ以下の光を測定光束として用いるのが望ましく、ここでは、２０７．０ｎｍの波長の光を出射するものとされている。光源４と集光レンズ５との間、光源４と集光レンズ１１との間には、シャッター部材４ａ、１１ａが設けられ、透過照明系１Ａを使用するときにはシャッター１１ａが反射照明系１Ｂの光路に挿入され、反射照明系１Ｂを使用するときには透過照明系１Ａの光路にシャッター４ａが挿入されるようになっている。
【００１４】
測定用受光光学系２は対物光学系からなる対物レンズ１５、穴明きレンズ１６、ダイクロイックミラー１７、ハーフミラー１４、結像光学系１８、受像素子（二次元光電検出器）１９から構成されている。対物レンズ１５は被測定物１０の被検面１０ａに対向されて配設され、被測定面１０に正面から臨んでいる。穴明きレンズ１６は対物レンズ１５を境に被測定物１０とは反対側に配設されている。その穴明きレンズ１６は図２に示すように開口部としての穴部１６ａを有し、符号Ｏ１はその中心軸である。その穴明きレンズ１６の中心軸Ｏ１は測定用受光光学系２の光軸Ｏ２、すなわち、対物レンズ１５の光軸と一致している。
【００１５】
ダイクロイックミラー１７は紫外線領域の波長の光を透過し、この紫外線領域以外の波長の光を反射する機能を有し、ここでは、波長４００ｎｍ以上の光を反射する機能を有する。結像光学系１８は穴明きレンズ１６、ダイクロイックミラー１７、ハーフミラー１４を挟んで対物レンズ１５の後方に設けられている。
【００１６】
合焦検出光学系３は投光系３Ａと受光系３Ｂとから構成されている。投光系３Ａは光源２０、投光レンズ系２１、投光系絞り２２、反射ミラー２３、ビームエキスパンダー光学系２４から構成されている。受光系３Ｂは受光系絞り２５、反射ミラー２６、結像レンズ系２７、光電検出器２８から構成されている。
【００１７】
光源２０は測定光束の波長領域の光とは異なる波長４００ｎｍ以上の波長領域の可視光、又は赤外光を合焦検出光束として出射するもので、ここでは、波長６７０ｎｍの可視光束を出射するものとされている。
【００１８】
投光系絞り２２は穴明きレンズ１６の近傍位置とほぼ共役位置に設けられ、その投光系絞り２２の像は測定用受光光学系３の光軸Ｏ２に関してその一側領域でかつ穴明きレンズ１６の近傍位置に形成されるものとなっている。受光系絞り２５は測定用受光光学系３の光軸Ｏ２を挟んで一側領域と対称位置にある他側領域と共役である。
【００１９】
透過照明系１Ａは集光レンズ５、反射ミラー６、リレーレンズ７、反射ミラー８、投光レンズ９を介して被測定物１０の被検面１０ａを背後から照明する。反射照明系１Ｂは集光レンズ１１、反射ミラー１２、リレーレンズ１３、ハーフミラー１４、ダイクロイックミラー１７、穴明きレンズ１６の穴部１６ａ、対物レンズ１５を介して被測定物１０の被検面１０ａを正面から照明する。
【００２０】
対物レンズ１５は図３に示すように波長３００ｎｍ以下の波長領域で光学レンズ設計されており、被測定物１０の被検面１０ａから到来する測定光束Ｐ１が対物レンズ１５を通じて平行光束Ｐ２として後方の穴明きレンズ１６に導かれるようになっている。
【００２１】
穴明きレンズ１６の穴部１６ａの直径は平行光束Ｐ２の光路径よりも若干大きく形成され、平行光束Ｐ２はその穴明きレンズ１６に干渉されることなく、言い換えるとケラレることなく測定光束の通過領域としての穴部１６ａを通過してダイクロイックミラー１７に導かれるものとなっている。
【００２２】
その平行光束Ｐ２はダイクロイックミラー１７、ハーフミラー１４を通過した後、結像光学系１８に導かれ、この結像光学系１８により被検面１０ａの像が受像素子１９に結像される。その受像素子１９の出力は図示を略す画像処理回路に入力されて画像処理された後、テレビモニタの画面上に表示される。これにより、被検物体１０の寸法測定、欠陥等が測定される。
【００２３】
合焦検出光束Ｐ３は投光レンズ系２１、投光系絞り２２を介してビームエキスパンダー光学系２４に導かれ、その合焦検出光束の径が拡大された後、平行光束としてダイクロイックミラー１７に導かれ、このダイクロイックミラー１７により反射されて穴明きレンズ１６に導かれる。その投光系絞り２２は測定用受光光学系２の光軸Ｏ２に関してその一側領域でかつ穴明きレンズ１６の近傍位置と共役であるので、図２に示すように、穴明きレンズ１６の中心軸Ｏ１に関して一側の通過領域１６ｂを介して対物レンズ１５に導かれる。対物レンズ１５は波長２０７．０ｎｍの波長領域の光に対して光学レンズ設計されており、従って、合焦検出光束Ｐ３は色収差の影響で図４に示すように穴明きレンズ１６の通過領域１６ｂを通って対物レンズ１５に導かれ、対物レンズ１５により被測定物１０の被検面１０ａの光軸Ｏ２上に入射して収束され、光源２０の点光源像が被検面１０ａに形成される。
【００２４】
その被測定物１０の被検面１０ａで反射された合焦検出光束Ｐ３は光軸Ｏ２に関して被測定物１０の被検面１０ａに入射して収束する合焦検出光束Ｐ３の光路とは対称位置にある光路を通って図２に示す穴明きレンズ１６の他側の通過領域１６ｃに導かれてこれを通過する。
【００２５】
その通過領域１６ｃを通過した合焦検出光束Ｐ３はダイクロイックミラー１７により反射され、ビームエキスパンダー光学系２４に導かれてその合焦検出光束Ｐ３の径が縮小されて受光系絞り２５に導かれ、この受光系絞り２５を通過した後、結像レンズ系２７に導かれて、光電検出器２８に結像される。
【００２６】
その通過領域１６ｃと受光系絞り２５とは共役関係にあるので、合焦検出光学系３に迷光が混入することは確実に防止される。
【００２７】
被検面１０が基準位置Ｒ１にあるとき、その光電検出器２８の中央位置Ｏ４に光束の重心位置が位置するように合焦検出光束Ｐ３が収束され、被検面１０が基準位置Ｒ１から矢印Ａ１−Ａ２方向にずれると、光電検出器２８上での中央位置Ｏ４から合焦検出光束Ｐ３の重心位置が矢印Ｂ１−Ｂ１方向にずれることになり、その中央位置Ｏ４からのズレ量を演算して、被検面１０ａが基準位置Ｒ１に位置するようにフィードバックをかけることにより、ピント合わせが行われる。
【００２８】
（実施例２）
図５は本発明に係わる光学測定装置の実施例２の光学系を示す図である。照明光学系１、受光用測定光学系２の構成は実施例１と同一であるので符号のみを付して、その詳細な説明は省略し、合焦検出光学系３の構成についてのみ説明することとする。
【００２９】
ここでは、投光系３Ａは光源３０、投光レンズ系３１、投光系輪帯状絞り３２、ハーフミラー３３、ビームエキスパンダー光学系３４から構成され、受光系３Ｂは受光系輪帯状絞り３５、反射ミラー３６、結像レンズ系３７、ビームスプリッタ３８、反射ミラー３９、光電検出器４０、４１から構成されている。投光系輪帯状絞り３２は穴明きレンズ１６の近傍位置と光学的に共役である。受光系輪帯状絞り５は投光系輪帯状絞り３２と光学的に共役であり、従って、穴明きレンズ１６の近傍位置とも光学的に共役である。
【００３０】
光電検出器４０、４１は結像レンズ系３７の合焦位置Ｑの前後に配設されて、光電検出器４０は合焦位置Ｑの前側ピント位置を検出する役割を果たし、光電検出器４１は合焦位置Ｑの後側ピント位置を検出する役割を果たし、前側ピント位置光電検出器４０の受光出力と後側ピント位置光電検出器４１の受光出力とが等しいときに、被検面１０ａが基準位置Ｒ１に位置するように設定され、前側ピント位置光電検出器４０の受光出力と後側ピント位置光電検出器４１の受光出力とが異なるときには、その差分出力が小さくなる方向に被測定物１０が移動されるように制御するようになっている。
【００３１】
この実施例２では、図６に示すように、合焦検出光束Ｐ３は穴明きレンズ１６の環状領域１６ｄの全域を通過して対物レンズ１５に導かれ、この対物レンズ１５を通じて被検面１０ａに収束され、被検面１０ａにより反射された合焦検出光束Ｐ３は発散光束としてその対物レンズ１５を介して穴明きレンズ１６の環状領域１６ｄを通過して再び合焦検出光学系３に導かれることになる。
【００３２】
なお、上述の実施例では、測定光束の波長としては２０７．０ｎｍの波長の光束を使用し、合焦検出用光束の波長としては６７０ｎｍの光束を使用しているが、その波長に限定されず、測定光束の波長を３００ｎｍ以下で、合焦検出用光束の波長を４００ｎｍ以上にすれば、その波長の違いによる色収差は充分大きく発生し、測定光束に干渉しない位置に穴明きレンズを配置することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、紫外線領域の波長を測定光束として用いて、紫外線領域の波長で対物レンズを設計すると、紫外線領域の光の波長とは異なる波長領域の光の色収差が発生することに鑑み、この紫外線領域の光の波長とは異なる波長領域の光の色収差を積極的に利用したもので、被測定物により反射された測定光束と合焦検出光束とがその対物レンズの有する色収差により対物レンズの後方で分離され、対物レンズの後方では被測定物により反射された測定光束の通過領域と被測定物により反射された合焦検出光束の通過領域とが確実に分離されることとなり、従って、その対物レンズの後方にその合焦検出光束の穴明きレンズを設けることにより、合焦検出光学系と測定用受光光学系との一部を兼用させる構成として光学系全体としてのコンパクト化を図った場合であっても、測定光束の合焦検出光学系への混入を避けつつ被測定物に対する自動合焦を行うことができるという効果を奏する。また、本願における穴明きレンズは、１つのレンズで合焦検出光学系の投光系及び受光系に使用することができるため光学部品及びその保持部材を簡易にすることができると共に、穴明きレンズの中心軸を、対物光学系の光軸と同軸になるように配置するだけで良く、組み立て調整も容易であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の光学測定装置の一例を示す光学図である。
【図２】  図１に示す穴明きレンズの平面図である。
【図３】  対物光学系の一例を示す説明図であって、被測定物により反射された測定光束の光線を示す光線説明図である。
【図４】  対物光学系の一例を示す説明図であって、被測定物により反射された合焦検出用光束の光線を示す光線説明図である。
【図５】  本発明の光学測定装置の他の例を示す光学図である。
【図６】  図５に示す穴明きレンズを通過する合焦検出光束の通過領域の説明図である。
【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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