(57)【要約】【課題】標本を追尾する追尾制御を解除することなく合焦高さを自動的に変更することができること。【解決手段】合焦装置１００は、表面に段差を有する標本Ｓと対物レンズ３ａとの相対距離を変化させる焦準手段と、標本Ｓ上に投射されたスポット光のスポット像を結像面ＩＰ上に結像する色収差補正レンズ９と、色収差補正レンズ９を移動させる光学素子移動手段と、前記スポット像を受光して検出するスポット像検出手段と、段差の所定高さ内に設定された複数の被観察面ごとに色収差補正レンズ９の配設位置を対応づけて記憶する補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂと、被観察面に対応付けられた配設位置に色収差補正レンズ９を移動させるとともに、スポット像検出手段の検出結果に基づいて、標本Ｓと対物レンズ３ａとの相対距離を変化させ、被観察面を対物レンズ３ａの焦点面に合焦させる制御を、複数の被観察面ごとに順次行うコントロール部２５と、を備える。【選択図】        図１
2007193030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に段差を有する標本と対物レンズとの相対距離を変化させる焦準手段と、
前記標本上に投射されたスポット光のスポット像を所定の結像面上に結像する結像光学素子と、
前記結像光学素子を該結像光学素子の光軸方向に移動させる光学素子移動手段と、
前記スポット像を受光して検出するスポット像検出手段と、
前記段差の所定高さ内に設定された複数の被観察面ごとに、前記結像光学素子の配設位置を対応づけて記憶する記憶テーブルと、
前記光学素子移動手段によって、前記被観察面に対応付けられた前記配設位置に前記結像光学素子を移動させるとともに、前記スポット像検出手段の検出結果に基づいて、前記焦準手段によって前記相対距離を変化させ、前記被観察面を前記対物レンズの焦点面に合焦させる制御を、前記複数の被観察面ごとに順次行う合焦制御手段と、
を備えたことを特徴とする合焦装置。
【請求項２】
前記記憶テーブルは、交換可能な複数の前記対物レンズごとに、前記複数の被観察面の各々に前記結像光学素子の配設位置を対応付けて記憶することを特徴とする請求項１に記載の合焦装置。
【請求項３】
前記複数の対物レンズを切り換えるレンズ切換機構を備え、
前記合焦制御手段は、前記レンズ切換機構に前記対物レンズを切り換えさせるとともに、切り換えられた対物レンズに対応付けて前記記憶テーブルに記憶された各配設位置に前記結像光学素子を順次移動させる制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の合焦装置。
【請求項４】
前記記憶テーブルは、前記標本の表面に成膜される透明膜によって生じる合焦誤差を補正する前記配設位置を、前記複数の被観察面ごとに対応付けて記憶することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の合焦装置。
【請求項５】
前記記憶テーブルは、前記合焦誤差を補正する配設位置として、前記透明膜が未成膜の前記標本に対する前記配設位置と、前記合焦誤差を補正するための配設位置補正量とを個別に記憶することを特徴とする請求項４に記載の合焦装置。
【請求項６】
前記記憶テーブルは、前記標本に成膜し得る複数の透明膜ごとに、前記合焦誤差を補正する配設位置を前記複数の被観察面の各々に対応付けて記憶することを特徴とする請求項４または５に記載の合焦装置。
【請求項７】
前記記憶テーブルは、複数の前記標本が有する各段差の所定高さごとに、この各所定高さ内に設定された前記複数の被観察面の各々に、前記結像光学素子の配設位置を対応付けて記憶することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の合焦装置。
【請求項８】
前記記憶テーブルは、前記対物レンズの色収差特性に基づいて生じる色収差を補正する前記配設位置を、前記複数の被観察面ごとに対応付けて記憶することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の合焦装置。
【請求項９】
前記記憶テーブルは、前記複数の被観察面として前記所定高さ内に設定された上端面、下端面および平均高さ面ごとに、前記結像光学素子の配設位置を対応付けて記憶することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の合焦装置。
【請求項１０】
前記スポット像検出手段は、前記結像面上に直線状に結像される前記スポット像を光学的にリレーするリレー光学系と、該リレー光学系によってリレーされた前記スポット像を受光する受光手段とを備え、該受光手段からの出力値に基づいて、前記スポット像のスポット面積の総和が極小であるか否かを検出し、
前記合焦制御手段は、前記スポット像検出手段の検出結果に基づいて、前記スポット像のスポット面積の総和が極小となるように前記相対距離を変化させる制御を行うことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の合焦装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一つに記載の合焦装置を備えたことを特徴とする顕微鏡。
【請求項１２】
表面に段差を有する標本上に投射されたスポット光のスポット像を所定の結像面上に結像して検出するとともに、前記段差の所定高さ内に設定された複数の被観察面ごとに、前記スポット像を結像する結像光学素子の配設位置を対応づけて記憶する合焦装置に、前記被観察面を対物レンズの焦点面に合焦させるための合焦処理プログラムであって、
前記合焦装置に、
前記被観察面に対応付けられた前記配設位置に前記結像光学素子を移動させるとともに、前記スポット像の検出結果に基づいて、該スポット像のスポット面積の総和が極小となるように前記標本と前記対物レンズとの相対距離を変化させ、前記被観察面を前記対物レンズの焦点面に合焦させる制御を、前記複数の被観察面ごとに順次行う合焦制御手順を実行させることを特徴とする合焦処理プログラム。
【請求項１３】
前記合焦装置は、交換可能な複数の前記対物レンズごとに、前記複数の被観察面の各々に前記結像光学素子の配設位置を対応付けて記憶し、
前記合焦制御手順は、前記複数の対物レンズを切り換えさせるとともに、切り換えられた対物レンズに対応付けて記憶された各配設位置に前記結像光学素子を順次移動させる制御を行うことを特徴とする請求項１２に記載の合焦処理プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に段差を有する標本を対物レンズの焦点面に合焦させる合焦装置、顕微鏡および合焦処理プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、微細な回路パターンが形成されたウェハの自動検査工程などでは、観察画像を自動的に撮像して記録できる顕微鏡が利用されている。かかる顕微鏡では、ウェハ等の標本を対物レンズの焦点面に自動的に合焦させる合焦装置を搭載し、これによって観察画像の焦点合わせ（ピント合わせ）が行われている。近年、このように自動的に焦点合わせを行う合焦装置に関し、その操作性、機能性等をより向上させる技術が多数提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
特許文献１に記載された合焦装置は、図１８に示すように、レーザーダイオード等の赤外光発光素子１２２，１２３、微小レンズ１２０，１２１、プリズム１１９、ビームスプリッタ１１６、赤外光スポット投射用レンズ１１５、縮小レンズ１１４、検出用レンズ１１７および受光素子としてのＰＳＤ１１８を用いて構成されている。
【０００４】
赤外光発光素子１２２，１２３から発光される赤外光は、それぞれ微小レンズ１２０，１２１を透過し、プリズム１１９で反射され、ビームスプリッタ１１６を透過し、投射用レンズ１１５によって結像面ＩＰ上に投射される。さらに、この投射された各赤外光は、縮小レンズ１１４、ダイクロイックミラー１１３、プリズム１２４、λ／４板１６２、鏡筒レンズ１１２および対物レンズ１１１を介して、標本Ｓ上に光スポットとして投射される。その後、標本Ｓ上で反射された各赤外光は、互いの光路を逆にたどり、ビームスプリッタ１１６で反射され、検出用レンズ１１７によってＰＳＤ１１８の受光面上に集光されて、光スポット像として結像される。
【０００５】
ここで、赤外光発光素子１２２，１２３から発光される各赤外光は、ＰＳＤ１１８によって同時に受光されないように所定の時間差で交互に射出される。また、この各赤外光は、対物レンズ１１１の軸外を通って標本Ｓ上に斜めに投射されている。このため、各赤外光は、標本Ｓの表面が対物レンズ１１１の焦点面に合焦していない場合、ＰＳＤ１１８の受光面上の異なる位置に各々光スポット像を形成し、ＰＳＤ１１８は、受光面上の光スポット像が各赤外光の射出切り換えに応じて移動することを検知する。また、標本Ｓの表面が対物レンズ１１１の焦点面に合焦している場合には、各赤外光は、ＰＳＤ１１８の受光面上の同一位置に各々光スポット像を形成し、ＰＳＤ１１８は、受光面上の光スポット像が移動することを検知し得ない。
【０００６】
すなわち、特許文献１に記載の合焦装置は、ＰＳＤ１１８によって光スポット像の移動が検知できなくなる位置に標本Ｓを移動させることで、標本Ｓを対物レンズ１１１に対して合焦させることができる。また、ＰＳＤ１１８が検出する各光スポット像の相対位置関係から、標本Ｓの焦点ずれの大きさと方向とを検知することができる。なお、この合焦装置では、ステージ１３１に取り付けられたラック１３２に噛合するピニオン１３４をモータ１３３によって回転駆動することで、ステージ１３１とともに標本Ｓを上下動して移動させている。
【０００７】
一方、特許文献２に記載された合焦装置は、図１９に示すように、基準光源２０４、コリメーションレンズ２０５、遮光板２０６、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０７、集光レンズ２０８、色収差補正レンズ２０９、λ／４板２１０、遮光板２１２、結像レンズ２１３および受光素子２１４を備える。
【０００８】
基準光源２０４から射出された赤外光等の不可視光は、コリメーションレンズ２０５によって光軸を中心とする平行光束に変換された後、遮光板２０６によって光束断面の半分が遮光されて、半月状の断面をもつ光束となる。かかる不可視光は、ＰＢＳ２０７で反射され、集光レンズ２０８および色収差補正レンズ２０９によってリレーされた後、λ／４板２１０を介してダイクロイックプリズム２１１で反射され、レボルバ２０２に取り付けられた対物レンズ２０３ａによって、標本Ｓ上に光スポットとして投射される。その後、標本Ｓ上で反射された不可視光は、対物レンズ２０３ａの光軸を挟んで投射時と反対側の光路を逆にたどり、ＰＢＳ２０７を透過した後、結像レンズ２１３によって受光素子２１４の受光面上に集光されて、光スポット像として結像される。
【０００９】
ここで、受光素子２１４の受光面は、結像レンズ２１３の焦点面と合致するように配置されており、さらに、対物レンズ２０３ａの焦点面と共役になるように配置されている。このため、不可視光は、標本Ｓの表面が対物レンズ３ａを介した観察光の焦点面に合焦されている場合、極小とされた光スポット像を受光素子２１４の受光面上に形成する。
【００１０】
また、標本Ｓの表面が対物レンズ３ａを介した観察光の焦点面に合焦されていない場合であって、ニアフォーカス位置（焦点面から対物レンズ３ａに近づいた位置）にある場合には、不可視光は、受光素子２１４のファー側（後側）に集光されるようになり、受光面上で図上、上側に半月状の広がりを有する光スポット像を形成する。逆に、標本Ｓの表面がファーフォーカス位置（焦点面より対物レンズ３ａから遠ざかった位置）にある場合には、不可視光は、受光素子２１４のニア側（前側）に集光されるようになり、受光面上で図上下側に半月状の広がりを有する光スポット像を形成する。
【００１１】
すなわち、特許文献２に記載の合焦装置は、受光素子２１４によってスポット径が極小であると検知される位置に標本Ｓを移動させることで、標本Ｓを対物レンズ３ａに対して合焦させることができる。また、受光素子２１４が検出する光スポット像の大きさと広がり方向とから、標本Ｓの焦点ずれの大きさと方向とを検知することができる。なお、この合焦装置では、焦準用モータ駆動部２１９が駆動するモータ２１６によって、ステージ２０１とともに標本Ｓを上下動して移動させている。
【００１２】
さらに、特許文献３に記載された合焦装置は、図２０に示すように、特許文献２に記載された合焦装置の構成に加え、コリメーションレンズ２０５と遮光板２０６との間に回折格子ＤＧを備える。なお、図２０では、特許文献２の合焦装置と同一の構成部分に同一符号を付して示している。
【００１３】
基準光源２０４から射出された不可視光は、コリメーションレンズ２０５によって光軸を中心とする平行光束に変換され、回折格子ＤＧによって図上、紙面に垂直な方向にわずかに伝播方向が異なる複数の平行光束に分割される。その後、分割された各光束は、特許文献２に記載の合焦装置と同様にリレーされ、標本Ｓ上に投射されて、直線状に配列された複数の光スポットを形成する。さらに、標本Ｓで反射された各光束は、各々光軸を挟んで反対側で、来た光路を逆にたどり、ＰＢＳ２０７を透過した後、結像レンズ２１３によって受光素子２１４の受光面上に集光されて、光スポット像として結像される。この受光面上の各光スポット像は、図上、紙面に垂直な方向に直線状に配列される。
【００１４】
ここで、標本Ｓは、特許文献２に記載の合焦装置と同様の動作で対物レンズ３ａに対して合焦されるが、例えば、表面の複数の場所に段差を有し、これら段差の様々な位置に複数の光スポットが投射される場合、この複数の段差の平均高さ面が対物レンズ３ａの焦点面に合焦されることとなる。これに対して、特許文献１および２に記載の合焦装置では、投射される光スポットが１つであるため、標本Ｓの表面に段差がある場合、スポット光が投射された段差の面が合焦される。そして、標本Ｓの移動等に応じて投射される高さが変化すると、合焦される段差の面も変化することとなる。
【００１５】
【特許文献１】特許第２６１４８４３号公報
【特許文献２】特開平１１−２４９０２７号公報
【特許文献３】特開２００１−２９６４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、従来技術にかかる合焦装置では、スポット光が対物レンズの観察視野内に投射されるため、可視光や紫外光などである観察光とは異なる波長を有する赤外光が使用されている。しかし、この場合、対物レンズの観察光による焦点面と赤外光による焦点面とが、観察光と赤外光との軸上色収差に応じて乖離する。つまり、対物レンズにおける色収差に起因して、合焦装置による合焦面が、観察光によって観察する面（被観察面）から乖離し、この乖離量に応じた合焦誤差が発生することとなる。さらに、この合焦誤差量は、対物レンズを、色収差特性が異なる対物レンズに交換することで変化することとなる。
【００１７】
このため、特許文献１に記載の合焦装置では、縮小レンズ１１４を配設し、対物レンズ１１１の焦点面の色収差を結像面ＩＰにおいて微小化するとともに、わずかに残存する色収差に起因する合焦誤差を、補正回路で発生させる電気的なオフセットによって補正するようにしている。さらに、このオフセット量を、交換可能な対物レンズごとに予め設定し、対物レンズの切り換えに応じて変更させることで、色収差特性が異なる対物レンズに交換した場合にも合焦誤差が発生しないようにしている。なお、対物レンズの切り換えの認識は、レボルバの回転位置を検知することで行われている。
【００１８】
一方、特許文献２に記載の合焦装置では、色収差補正レンズ２０９を配設し、この色収差補正レンズ２０９をその光軸方向に移動させ、対物レンズ２０３ａの焦点面の色収差を集光レンズ２０８の結像面上で補正することによって、色収差に起因する合焦誤差を補正するようにしている。さらに、標本Ｓ上にセットされたレボルバ２０２の穴位置を検出し、レボルバの穴位置に対応付けて記憶した配設位置に色収差補正レンズ２０９を移動させることで、色収差特性が異なる対物レンズに交換した場合にも合焦誤差が発生しないようにしている。
【００１９】
ところが、特許文献１および２に記載の合焦装置では、上述のように色収差に起因する合焦誤差を補正できるものの、標本Ｓ上に投射される光スポットが一点のみであるため、標本Ｓの表面の段差に起因して発生する合焦誤差を解消することができないという問題があった。具体的には、例えば、この合焦装置を半導体ウェハなどの自動欠陥抽出装置に適用した場合、次のような問題があった。
【００２０】
すなわち、まず、ウェハ上の欠陥を含む場所で焦点合わせを行い、欠陥を含む画像（欠陥画像）を撮像して取得する。つぎに、ウェハを横に移動し、ウェハ内の隣のダイにおける同一番地の場所で焦点合わせを行い、欠陥抽出のための基準画像（ゴールデン画像）を撮像する。このとき、ウェハを移動させるステージの移動精度などの不確定な要因により、光スポットが標本Ｓの表面に形成された段差の凸部に投射されるか凹部に投射されるかが不確定であるため、ゴールデン画像の合焦状態は、欠陥画像の合焦状態と異なる場合がある。これによって、欠陥画像からゴールデン画像を引き算処理すると、合焦状態の違いに起因する背景成分の差分が偽欠陥として検出されるという問題があった。
【００２１】
これに対して、特許文献３に記載の合焦装置は、標本Ｓの表面に複数の光スポットを投射することで、常に表面の段差の平均高さ面を対物レンズに対して合焦させることができ、欠陥画像とゴールデン画像とを等しい合焦状態にして撮像させることができる。この結果、各画像の引き算処理によって欠陥成分だけを良好に抽出することができる。
【００２２】
具体的には、例えば図２１−１に示すように、段差の凸部および凹部に欠陥ＤＡ，ＤＢを有する標本Ｓの欠陥画像を撮像する場合、欠陥ＤＡ，ＤＢを含む領域に複数のスポット投射光ＳＲを投射することで平均高さ面ＡＰを対物レンズに対して合焦させることができる。このとき、図２１−２に示すような欠陥像ＤＡＩ，ＤＢＩを含む欠陥画像ＰＩ１を取得できる。同様に、図２２−２に示すように平均高さ面ＡＰを合焦してゴールデン画像を撮像し、図２２−２に示すようなゴールデン画像ＰＩ２を取得することができる。そして、欠陥画像ＰＩ１からゴールデン画像ＰＩ２を引き算処理することで、図２３に示すように、良好に背景成分が除去されて欠陥像ＤＡＩ，ＤＢＩのみが抽出された欠陥抽出画像ＰＩ３を取得できる。
【００２３】
しかしながら、このような合焦装置では、常に安定して平均高さ面を合焦させるため、次のような問題があった。すなわち、図２３に示したように欠陥像ＤＡＩ，ＤＢＩがボケた状態で抽出されるため、作業者がこの欠陥像ＤＡＩ，ＤＢＩを目視観察して状態の検分を行う際に、十分な観察を行えない場合があるという問題があった。
【００２４】
これに対して、欠陥ＤＡ，ＤＢが存在する段差の凸部および凹部をそれぞれ合焦させ、欠陥像ＤＡＩ，ＤＢＩを各々鮮明に撮像することが考えられる。しかしこの場合、連続的な合焦処理における標本の追尾動作としての追尾制御を一時的に解除して作業者が標本Ｓを上下動させる必要があるとともに、追尾制御に復帰させる際、標本Ｓをサーチするなどの初期設定処理の再実行が必要であって、タクトタイムが増大するという問題があった。
【００２５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、標本の表面に形成された段差の平均高さ面を対物レンズの焦点面に合焦させることができるとともに、標本を追尾する追尾制御を解除することなく合焦高さを自動的に変更することができる合焦装置、顕微鏡および合焦処理プログラム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】
【００２６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる合焦装置は、表面に段差を有する標本と対物レンズとの相対距離を変化させる焦準手段と、前記標本上に投射されたスポット光のスポット像を所定の結像面上に結像する結像光学素子と、前記結像光学素子を該結像光学素子の光軸方向に移動させる光学素子移動手段と、前記スポット像を受光して検出するスポット像検出手段と、前記段差の所定高さ内に設定された複数の被観察面ごとに、前記結像光学素子の配設位置を対応づけて記憶する記憶テーブルと、前記光学素子移動手段によって、前記被観察面に対応付けられた前記配設位置に前記結像光学素子を移動させるとともに、前記スポット像検出手段の検出結果に基づいて、前記焦準手段によって前記相対距離を変化させ、前記被観察面を前記対物レンズの焦点面に合焦させる制御を、前記複数の被観察面ごとに順次行う合焦制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２７】
また、請求項２にかかる合焦装置は、上記の発明において、前記記憶テーブルは、交換可能な複数の前記対物レンズごとに、前記複数の被観察面の各々に前記結像光学素子の配設位置を対応付けて記憶することを特徴とする。
【００２８】
また、請求項３にかかる合焦装置は、上記の発明において、前記複数の対物レンズを切り換えるレンズ切換機構を備え、前記合焦制御手段は、前記レンズ切換機構に前記対物レンズを切り換えさせるとともに、切り換えられた対物レンズに対応付けて前記記憶テーブルに記憶された各配設位置に前記結像光学素子を順次移動させる制御を行うことを特徴とする。
【００２９】
また、請求項４にかかる合焦装置は、上記の発明において、前記記憶テーブルは、前記標本の表面に成膜される透明膜によって生じる合焦誤差を補正する前記配設位置を、前記複数の被観察面ごとに対応付けて記憶することを特徴とする。
【００３０】
また、請求項５にかかる合焦装置は、上記の発明において、前記記憶テーブルは、前記合焦誤差を補正する配設位置として、前記透明膜が未成膜の前記標本に対する前記配設位置と、前記合焦誤差を補正するための配設位置補正量とを個別に記憶することを特徴とする。
【００３１】
また、請求項６にかかる合焦装置は、上記の発明において、前記記憶テーブルは、前記標本に成膜し得る複数の透明膜ごとに、前記合焦誤差を補正する配設位置を前記複数の被観察面の各々に対応付けて記憶することを特徴とする。
【００３２】
また、請求項７にかかる合焦装置は、上記の発明において、前記記憶テーブルは、複数の前記標本が有する各段差の所定高さごとに、この各所定高さ内に設定された前記複数の被観察面の各々に、前記結像光学素子の配設位置を対応付けて記憶することを特徴とする。
【００３３】
また、請求項８にかかる合焦装置は、上記の発明において、前記記憶テーブルは、前記対物レンズの色収差特性に基づいて生じる色収差を補正する前記配設位置を、前記複数の被観察面ごとに対応付けて記憶することを特徴とする。
【００３４】
また、請求項９にかかる合焦装置は、上記の発明において、前記記憶テーブルは、前記複数の被観察面として前記所定高さ内に設定された上端面、下端面および平均高さ面ごとに、前記結像光学素子の配設位置を対応付けて記憶することを特徴とする。
【００３５】
また、請求項１０にかかる合焦装置は、上記の発明において、前記スポット像検出手段は、前記結像面上に直線状に結像される前記スポット像を光学的にリレーするリレー光学系と、該リレー光学系によってリレーされた前記スポット像を受光する受光手段とを備え、該受光手段からの出力値に基づいて、前記スポット像のスポット面積の総和が極小であるか否かを検出し、前記合焦制御手段は、前記スポット像検出手段の検出結果に基づいて、前記スポット像のスポット面積の総和が極小となるように前記相対距離を変化させる制御を行うことを特徴とする。
【００３６】
また、請求項１１にかかる顕微鏡は、上記のいずれか一つに記載の合焦装置を備えたことを特徴とする。
【００３７】
また、請求項１２にかかる合焦処理プログラムは、表面に段差を有する標本上に投射されたスポット光のスポット像を所定の結像面上に結像して検出するとともに、前記段差の所定高さ内に設定された複数の被観察面ごとに、前記スポット像を結像する結像光学素子の配設位置を対応づけて記憶する合焦装置に、前記被観察面を対物レンズの焦点面に合焦させるための合焦処理プログラムであって、前記合焦装置に、前記被観察面に対応付けられた前記配設位置に前記結像光学素子を移動させるとともに、前記スポット像の検出結果に基づいて、該スポット像のスポット面積の総和が極小となるように前記標本と前記対物レンズとの相対距離を変化させ、前記被観察面を前記対物レンズの焦点面に合焦させる制御を、前記複数の被観察面ごとに順次行う合焦制御手順を実行させることを特徴とする。
【００３８】
また、請求項１３にかかる合焦処理プログラムは、上記の発明において、前記合焦装置は、交換可能な複数の前記対物レンズごとに、前記複数の被観察面の各々に前記結像光学素子の配設位置を対応付けて記憶し、前記合焦制御手順は、前記複数の対物レンズを切り換えさせるとともに、切り換えられた対物レンズに対応付けて記憶された各配設位置に前記結像光学素子を順次移動させる制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３９】
本発明にかかる合焦装置、顕微鏡および合焦処理プログラムによれば、標本の表面に形成された段差の平均高さ面を対物レンズの焦点面に合焦させることができるとともに、標本を追尾する追尾制御を解除することなく合焦高さを自動的に変更することができ、欠陥抽出装置等に適用した場合、タクトタイムを増大させることなく標本上の欠陥を鮮明に撮像することを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、添付図面を参照して、本発明にかかる合焦装置、顕微鏡および合焦処理プログラムの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一符号を付している。
【００４１】
（実施の形態）
図１は、本実施の形態にかかる合焦装置１００および顕微鏡の要部構成を示す図である。図１に示すように、合焦装置１００は、標本Ｓの合焦状態の検出を行う合焦検出光学系として、基準光源４と、光源が発した光を平行光束に変換するコリメーションレンズ５と、光束を回折して複数に分割する回折格子ＤＧと、光束の一部を遮光する遮光板６とを備える。ここで、基準光源４は、可視外光として例えば赤外光を発するレーザ光源である。また、所定の直線偏光の光束を反射するＰＢＳ７と、光束を光学的にリレーする集光レンズ８および色収差補正レンズ９と、直線偏光を円偏光に変換するλ／４板１０とを備えるとともに、光束を集光して光スポット像を形成する集光レンズ１３と、フレアーやゴースト等を防止する遮光板１２と、光スポット像を受光する受光素子としての２分割センサ１４と、を備える。
【００４２】
ここで、２分割センサ１４の受光面１４ｃは、集光レンズ１３の焦平面と合致するように配設されるとともに、集光レンズ８，１３によって、所定の結像面ＩＰ（仮想面）と共役になるように配設されている。また、結像面ＩＰは、結像光学素子としての色収差補正レンズ９と、対物レンズ３ａとによって、対物レンズ３ａの焦点面と共役になる位置に設定されている。なお、本発明における対物レンズの焦点面とは、焦平面に限定されるものではなく、顕微鏡が備える撮像観察系に対するピント面を含むものである。
【００４３】
かかる構成を有する合焦検出光学系において、基準光源４から射出された赤外光は、コリメーションレンズ５によって平行光束に変換され、回折格子ＤＧによって図上、紙面に垂直な方向にわずかに伝播方向が異なる複数の平行光束に分割される。分割された各平行光束は、遮光板６によって光束断面の半分が遮光され、半月状の断面を有する平行光束とされる。遮光板６を通過した各平行光束は、ＰＢＳ７によってＳ偏光として図中左方向に反射され、集光レンズ８および色収差補正レンズ９によってリレーされた後、λ／４板１０を通過して円偏光に変換される。
【００４４】
円偏光とされた各平行光束は、顕微鏡が備えるダイクロイックプリズム１１によって図中下方に反射され、レボルバ２に取り付けられた対物レンズ３ａによって、標本Ｓの表面Ｓａに複数の光スポットを形成するように投射される。投射された各光スポットは、図中、紙面に垂直な方向に直線状に配列される。具体的には、図１におけるＡＡ方向からの側面図である図２（ａ）と、標本Ｓの平面図である図２（ｂ）とに示すように、例えば、５つのスポット投射光ＳＲが表面Ｓａ上に投射され、５つの光スポットＳＰが直線状に所定間隔で配列される。なお、標本Ｓ上に投射される光スポットＳＰの数は、５つに限定されず、任意の複数でよい。
【００４５】
標本Ｓ上に投射され、反射された各光束は、図１に示すように、対物レンズ３ａの光軸ＯＡ１を挟んで投射時と反対側の光路を逆にたどり、ダイクロイックプリズム１１で反射され、λ／４板１０を通過して再び直線偏光に変換された後、色収差補正レンズ９および集光レンズ８によってリレーされ、Ｐ偏光としてＰＢＳ７を図中右方向に透過する。この透過した各光束は、遮光板１２を通過した後、集光レンズ１３によって２分割素子１４の受光面１４ｃ上に各々集光され、光スポット像として結像される。ここで、各光スポット像は、２分割センサ１４の２分割ライン上に配列して結像され、２分割センサ１４が備える各受光部１４ａ，１４ｂによって受光される。
【００４６】
なお、このような合焦検出光学系では、基準光源４は、レーザ光源に限らず、例えばＬＥＤであってもよい。また、集光レンズ８，１３および色収差補正レンズ９は、図１では単レンズとして示しているが、実用的には球面収差等を良好に補正したレンズ群からなるレンズとすることが好ましい。
【００４７】
一方、合焦装置１００は、上述の合焦検出光学系および顕微鏡の各部の制御等を行う機構として、基準光源４を発振駆動するレーザ駆動部２２と、色収差補正レンズ９をその光軸ＯＡ２方向に移動させる光学素子移動手段としての色収差補正レンズ用モータ１７および色収差補正レンズ用モータ駆動部２０と、色収差補正レンズ９の移動範囲を制限するリミット検出部３３と、を備える。
【００４８】
また、合焦装置１００は、対物レンズ３ａをレボルバ２に取り付けられた他の対物レンズ３ｂ等に切り換えるため、レボルバ２を回動するレンズ切換機構としてのレボルバ用モータ１５およびレボルバ用モータ駆動部１８と、標本Ｓに対向配置された対物レンズのレボルバ２における取り付け穴（レボ穴）を検出するレボ穴位置検出部２１と、標本Ｓに対向配置された対物レンズの光軸ＯＡ１方向に標本Ｓを移動させる焦準手段としての焦準用モータ１６および焦準用モータ駆動部１９と、を備える。ここで、焦準用モータ１６は、標本Ｓを保持するステージ１を図中上下動させ、標本Ｓを光軸ＯＡ１方向に移動させることで、標本Ｓと対物レンズ３ａとの相対距離を変化させる。なお、レボルバ２は、対物レンズ３ａ，３ｂ以外にも、図示しない対物レンズを同時に保持することができる。また、焦準手段として標本Ｓと対物レンズ３ａとの相対距離を変化させる機構は、標本Ｓに限定されず、対物レンズ３ａを上下動させるようにしてもよい。
【００４９】
さらに、合焦装置１００は、２分割センサ１４の各受光部１４ａ，１４ｂが受光強度に応じて出力する電流信号ＳＡ１，ＳＢ１を、電流／電圧変換した後に増幅する増幅器２３と、増幅された電圧信号ＳＡ２，ＳＢ２をＡ／Ｄ変換し、検出信号ＳＡ３，ＳＢ３として出力するＡ／Ｄ変換器２４と、を備える。
【００５０】
加えて、合焦装置１００は、ＲＯＭおよびＲＡＭを用いて実現され、各種処理プログラム、処理パラメータおよび処理データ等を記憶する記憶部２６と、記憶部２６に記憶された処理プログラムを実行するＣＰＵを用いて実現され、電気的に接続された各部位の処理および動作を制御するコントロール部２５と、を備える。また、記憶部２６は、特に、合焦装置１００が行う合焦処理手順を規定する合焦処理プログラム２６ａと、標本Ｓ表面の段差の高さ内に設定された複数の被観察面ごとに、色収差補正レンズ９の光軸ＯＡ２方向の配設位置を対応付けて記憶する補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂと、を記憶している。
【００５１】
なお、コントロール部２５には、レボルバ用モータ駆動部１８、焦準用モータ駆動部１９、色収差補正レンズ用モータ駆動部２０、レーザ駆動部２２、Ａ／Ｄ変換部２４、記憶部２６およびリミット検出部３３が電気的に接続されている。
【００５２】
合焦装置１００が焦点合わせを行う対象としての標本Ｓは、表面に所定高さの段差を有するものであって、例えば図３に示すように、高さＨの複数の段差部Ｓｂを有する。この段差部Ｓｂの高さＨは、標本Ｓとしてのウェハ等の表面に形成された回路パターン等の高さのように所定値に定められるものであって、作業者らは、この高さＨ内に予め複数の被観察面ＯＰ１〜ＯＰ３を任意に設定することができる。ここで、被観察面ＯＰ１は、段差部Ｓｂの平均高さを観察するための標準高さ面であり、被観察面ＯＰ２，ＯＰ３は、それぞれ段差部Ｓｂの凸部および凹部を観察するための上オフセット面、下オフセット面である。なお、設定する被観察面の数は、３段に限定する必要はなく、２段もしくは４段以上であってもよい。
【００５３】
補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂは、このように設定された被観察面ＯＰ１〜ＯＰ３ごとに、例えば図４に示すように、それぞれ色収差補正レンズ９の光軸ＯＡ２方向の配設位置としてのレンズ位置を対応づけて記憶している。さらに、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂは、このような被観察面ＯＰ１〜ＯＰ３と各レンズ位置との対応関係を、レボルバ２のレボ穴番号「１」〜「４」ごとに対応付けて記憶している。
【００５４】
なお、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂに記憶させる各レンズ位置は、合焦検出光学系の設計値等に基づいて求めるか、あるいは段差部Ｓｂを有する基準ウェハ等を用いて予め実機で調整して求められる。そして、図示しない入力手段によって入力され、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂに予め記録される。
【００５５】
コントロール部２５は、かかる補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂを参照し、例えばレボ穴番号「１」に取り付けられた対物レンズが標本Ｓに対向配設された場合、被観察面ＯＰ１に対応付けられたレンズ位置１１Ａに色収差補正レンズ９を移動させ、標本Ｓを光軸ＯＡ１方向に移動させて、被観察面ＯＰ１を対物レンズの焦点面に合焦させる制御を行う。さらに、コントロール部２５は、同様の処理を、被観察面ＯＰ２，ＯＰ３に対して順次実行するように制御を行う。このようなコントロール部２５による合焦処理制御の詳細は、別途後述する。
【００５６】
なお、レボルバ２に取り付けられた各対物レンズ３ａ，３ｂ等とレボ穴番号との対応付けは、記憶部２６に予め記録されており、コントロール部２５は、この記録と、レボ穴位置検出部２１が検出したレボ穴番号とに基づいて、標本Ｓに対向配置された対物レンズを特定する。
【００５７】
ここで、図５−１〜図５−３を参照し、上述の合焦検出光学系を用いた合焦状態の検出原理について説明する。図５−１〜図５−３の各図（ａ）は、合焦検出光学系における遮光板１２から２分割素子１４までの光路を示し、各図（ｂ）は、２分割素子１４の受光面１４ｃの正面図を示している。また、図５−１〜図５−３は、それぞれ標本Ｓが対物レンズの焦点面に合焦されている場合、ファーフォーカス位置にある場合、ニアフォーカス位置にある場合を示している。
【００５８】
まず、標本Ｓが合焦されている場合、標本Ｓの表面Ｓａと２分割センサ１４の受光面１４ｃとが共役となる。このため、図５−１に示すように、遮光板１２を通過した複数の光束ＬＦ１は、各々集光レンズ１３によって２分割センサ１４の２分割ライン１４ｄ上に集光され、微小なスポット径を有する複数の光スポット像ＳＩとして結像される。
【００５９】
一方、標本Ｓがファーフォーカス位置にある場合、表面Ｓａの共役面は、受光面１４ｃのニア側に位置する。このため、図５−２に示すように、遮光板１２を通過した複数の光束ＬＦ２は、各々集光レンズ１３によって受光面１４ｃのニア側に集光され、受光面１４ｃ上で受光部１４ｂ側に半月状の広がりを有する複数の光スポット像ＳＩ’として結像される。
【００６０】
他方、標本Ｓがニアフォーカス位置にある場合、表面Ｓａの共役面は受光面１４ｃのファー側に位置する。このため、図５−３に示すように、遮光板１２を通過した複数の光束ＬＦ３は、各々集光レンズ１３によって受光面１４ｃのファー側に集光されるように、受光面１４ｃ上で受光部１４ａ側に半月状の広がりを有する複数の光スポット像ＳＩ”として結像される。
【００６１】
すなわち、合焦装置１００では、２分割センサ１４によって、受光面１４ｃ上に形成される複数の光スポット像のスポット径が極小であるか否かを検出することで、標本Ｓの表面Ｓａが対物レンズに対して合焦されているか否かを検出することができる。さらに、光スポット像の広がり方向を検出することで、表面Ｓａの焦点ずれの方向を検出することができる。なお、合焦装置１００では、このような合焦状態の検出を、コントロール部２５がＡ／Ｄ変換部２４から取得する検出信号ＳＡ３，ＳＢ３を演算処理して行っている。
【００６２】
ところで、図５−１〜図５−３では、標本Ｓに投射される複数の光スポットが表面Ｓａの平端部に投射されたものとして、光スポット像ＳＩ，ＳＩ’，ＳＩ”中の各光スポット像を等しい大きさにして示している。これに対して、標本Ｓに投射される複数の光スポットのそれぞれが表面Ｓａの段差の様々な位置に投射される場合には、受光面１４ｃ上に結像される各光スポット像は、例えば図６に示すように、投射された段差の高さに応じて異なる大きさとなる。この場合、コントロール部２５は、受光面１４ｃ上に形成された複数の光スポット像の受光部１４ａが受けるスポット強度の総和と、受光部１４ｂが受けるスポット強度の総和とが等しいかを検出し、表面Ｓａの段差の平均高さ面が対物レンズに対して合焦されているか否かを検知することとなる。
【００６３】
また、合焦装置１００では、図１に示したように、受光面１４ｃが結像面ＩＰと共役であるため、受光面１４ｃ上で複数の光スポット面積の総和が極小である場合、結像面ＩＰ上に中間像として結像される複数の光スポット面積の総和が極小となっている。つまり、合焦装置１００は、集光レンズ８から２分割素子１４までの光学系を、結像面ＩＰ上に結像される複数の光スポット面積の総和が極小であるか否かを検出するスポット像検出手段として備えるものといえる。そして、結像面ＩＰ上に結像される複数の光スポット面積の総和が極小であるか否かを検出することで、標本Ｓの表面Ｓａが対物レンズに対して合焦されているか否かを検知するものといえる。
【００６４】
なお、かかるスポット像検出手段は、集光レンズ８から２分割素子１４までの光学系の構成に限定されず、種々の形態の検出手段を適用することが可能である。例えば、２分割センサ１４に替えて撮像装置等を用いることができる。また、２分割センサ１４または撮像装置等を、直に結像面ＩＰ上に配置するようにしてもよい。ただし、この場合、色収差補正レンズ９からλ／４板１０に至る光路において回折格子ＤＧからの光束を導入する必要がある。
【００６５】
つぎに、図７−１〜図７−３を参照し、対物レンズの焦点面に合焦させる被観察面を切り換える場合の合焦動作について説明する。図７−１〜図７−３は、合焦装置１００における標本Ｓから２分割センサ１４までの光路を、ダイクロイックプリズム１１を省略して直線的に示す図である。ここで、標本Ｓは、その表面に上段面Ｓｃと下段面Ｓｄとからなる段差を有するものとしている。
【００６６】
まず、図７−１に示すように、標本Ｓの上段面Ｓｃが被観察面として対物レンズ３ａの焦点面ＦＳに合焦された場合、色収差補正レンズ９は、上段面Ｓｃに対応付けられたレンズ位置Ｐ１に配置される。この状態で、結像面ＩＰおよび受光面１４ｃ上に結像される複数の光スポット面積の総和は、極小とされている。
【００６７】
つづいて、標本Ｓの下段面Ｓｄを被観察面として焦点面ＦＳに合焦させる場合、コントロール部２５は、色収差補正レンズ用モータ１７および色収差補正レンズ用モータ駆動部２０によって、下段面Ｓｄに対応付けられたレンズ位置Ｐ２に色収差補正レンズ９を移動させるように制御を行う。これによって、対物レンズ３ａから標本Ｓに投射される各光スポットは、図７−２に示すように、ニアフォーカス面ＮＦＳ上に集光され、上段面Ｓｃ上で図中下側に半月状の広がりを有した光スポットとして結像される。また、結像面ＩＰおよび受光面１４ｃ上に結像される各光スポット像も、それぞれ図中上側および下側に広がりを有する半月状の光スポット像として結像される。
【００６８】
さらに、コントロール部２５は、受光面１４ｃ上に結像される複数の光スポット面積の総和が極小となるように、焦準用モータ１６および焦準用モータ駆動部１９によって、標本Ｓをニアフォーカス面ＮＦＳまで移動させる制御を行う。これによって、対物レンズ３ａから標本Ｓに投射される各光スポットは、図７−３に示すように、上段面Ｓｃ上に集光され、結像面ＩＰおよび受光面１４ｃ上に結像される各光スポット像は、それぞれ面積の総和が極小にされた光スポット像として結像されている。そして、この状態で、下段面Ｓｄは、焦点面ＦＳに合焦されている。
【００６９】
このようにして、合焦装置１００では、標本Ｓの被観察面に予め対応付けられたレンズ位置に色収差補正レンズ９を移動させ、この被観察面を対物レンズ３ａの焦点面ＦＳに合焦させることができる。また、高さが異なる複数の被観察面ごとに、各々レンズ位置を対応付けておくことで、各被観察面を適宜、自動的に合焦させることができる。さらに、レボルバ２に取り付けられる交換可能な複数の対物レンズごとに、各被観察面にレンズ位置を対応付けておくことで、対物レンズが切り替えられた場合にも、各被観察面を適宜、自動的に合焦させることができる。
【００７０】
このように被観察面ごと、および対物レンズごとに対応付けられたレンズ位置は、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂに記憶されている。また、この各レンズ位置は、対物レンズの色収差特性に基づいて生じる色収差、特に、対物レンズの焦点面における観察光（可視光または紫外光）と赤外光との軸上色収差を補正し得るレンズ位置として記憶されている。このため、合焦装置１００では、各被観察面を観察光の焦点面に合焦させることができる。なお、色収差を補正し得るレンズ位置として、被観察面のオフセットに応じたレンズ位置と、対物レンズにおける色収差を補正するレンズ位置の補正量と、を個別に記憶させてもよい。
【００７１】
つぎに、合焦装置１００を備えた本実施の形態にかかる顕微鏡によって、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂに記憶された複数の被観察面を順次合焦させ、合焦させるごとに標本Ｓの観察像を撮像する合焦処理手順について説明する。ここでは、一例として、図１に示した顕微鏡を自動欠陥抽出装置に適用した場合の処理手順を説明する。
【００７２】
図８は、コントロール部２５が記憶部２６に記憶された合焦処理プログラム２６ａを実行して処理する合焦処理に基づいて、本実施の形態にかかる顕微鏡が行う欠陥抽出処理を示すフローチャートである。図８に示すように、まず、コントロール部２５は、レボルバ用モータ駆動部１８によってレボルバ用モータ１５を駆動し、レボルバ２を回動して対物レンズを切り換える（ステップＳ１０１）。
【００７３】
つづいて、コントロール部２５は、切り換え後の対物レンズの焦点面に、標準高さ面としての被観察面ＯＰ１を合焦させる標準高さ面合焦処理を行う（ステップＳ１０２）。このステップＳ１０２では、コントロール部２５は、レボ穴位置検出部２１によって、標本Ｓに対向配置された対物レンズのレボ穴番号を検出し、この検出したレボ穴番号における被観察面ＯＰ１に対応付けられたレンズ位置を、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂから読み出す。
【００７４】
そして、コントロール部２５は、色収差補正レンズ用モータ駆動部２０によって色収差補正レンズ用モータ１７を駆動し、読み出したレンズ位置に色収差補正レンズ９を移動させる。さらに、Ａ／Ｄ変換部２４からの検出信号ＳＡ３，ＳＢ３に基づいて、２分割センサ１４上の複数の光スポット面積の総和が極小となるように、焦準用モータ駆動部１９によって焦準用モータ１６を駆動し、ステージ１とともに標本Ｓを移動させて、被観察面ＯＰ１を合焦させる。なお、このステップＳ１０２では、コントロール部２５は、リミット検出部３３からの検出信号を参照して、色収差補正レンズ９の移動完了を確認する。
【００７５】
その後、顕微鏡が備える図示しない撮像観察系は、合焦された被観察面ＯＰ１の観察像を撮像し、標準高さ画像として記録する（ステップＳ１０３）。このステップＳ１０３では、例えば図９−１に示すように、標本Ｓが段差部Ｓｂの凸部および凹部にそれぞれ欠陥ＤＡ，ＤＢを有する場合、図９−２に示すように、ピントがボケた欠陥像ＤＡＩ１，ＤＢＩ１を含む欠陥画像としての標準高さ画像ＯＰＩ１が撮像されて記録される。なお、ここでは、段差部Ｓｂの高さは対物レンズの焦点深度ＤＯＦより大きく、欠陥ＤＡ，ＤＢは被観察面ＯＰ１における焦点深度ＤＯＦの外側に位置するものとしている。
【００７６】
つづいて、コントロール部２５は、対物レンズの焦点面に上オフセット面としての被観察面ＯＰ２を合焦させる上オフセット面合焦処理を行う（ステップＳ１０４）。このステップＳ１０４では、コントロール部２５は、ステップＳ１０２と同様に、検出されたレボ穴番号における被観察面ＯＰ２に対応付けられたレンズ位置を補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂから読み出し、読み出したレンズ位置に色収差補正レンズ９を移動させる。さらに、２分割センサ１４における複数の光スポット面積の総和が極小となるように標本Ｓを移動させて、被観察面ＯＰ２を合焦させる。
【００７７】
その後、顕微鏡の撮像観察系は、合焦された被観察面ＯＰ２の観察像を撮像し、上オフセット画像として記録する（ステップＳ１０５）。このステップＳ１０５では、例えば図１０−１に示すように、欠陥ＤＡと等しい高さの被観察面ＯＰ２が合焦されているため、図１０−２に示すように、欠陥像ＤＡＩ２が鮮明に撮像された欠陥画像としての上オフセット画像ＯＰＩ２が記録される。なお、欠陥像ＤＢＩ２は、欠陥ＤＢが被観察面ＯＰ２における焦点深度ＤＯＦの外側に位置するため、ピントがボケた状態で撮像されている。
【００７８】
つづいて、コントロール部２５は、対物レンズの焦点面に下オフセット面としての被観察面ＯＰ３を合焦させる下オフセット面合焦処理を行い（ステップＳ１０６）、顕微鏡の撮像観察系は、合焦された被観察面ＯＰ３の観察像を撮像し、下オフセット画像として記録する（ステップＳ１０７）。
【００７９】
ステップＳ１０６では、コントロール部２５は、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂから被観察面ＯＰ３に対応付けられたレンズ位置を読み出した後、ステップＳ１０４と同様の処理によって被観察面ＯＰ３を合焦させる。また、ステップＳ１０７では、例えば図１１−１に示すように、欠陥ＤＢと等しい高さの被観察面ＯＰ３が合焦されているため、図１１−２に示すように、欠陥像ＤＢＩ３が鮮明に撮像された欠陥画像としての下オフセット画像ＯＰＩ３が記録される。なお、欠陥像ＤＡＩ３は、欠陥ＤＡが被観察面ＯＰ３における焦点深度ＤＯＦの外側に位置するため、ピントがボケた状態で撮像されている。
【００８０】
その後、コントロール部２５は、図示しないＸＹステージ駆動用モータ駆動部によってステージ１を駆動し、標本Ｓを所定の基準観察位置に横移動させ（ステップＳ１０８）、ステップＳ１０２と同様の処理によって被観察面ＯＰ１を合焦させる標準高さ面合焦処理を行う（ステップＳ１０９）。また、顕微鏡の撮像観察系は、合焦された被観察面ＯＰ１の観察像を撮像し、標準高さ画像として記録する（ステップＳ１１０）。このステップＳ１１０では、例えば図１２−１に示すように、基準観察位置として段差部Ｓｂに欠陥がない領域が観察されているため、図１２−２に示すように、欠陥像を含まないゴールデン画像としての標準高さ画像ＯＰＩ４が記録される。
【００８１】
さらに、顕微鏡の図示しない画像処理部は、ステップＳ１０３で取得した欠陥画像としての標準高さ画像ＯＰＩ１からゴールデン画像としての標準高さ画像ＯＰＩ４を引き算処理し、欠陥像ＤＡＩ１，ＤＢＩ１のみを抽出した欠陥抽出画像ＯＰＩ５を生成して記録する（ステップＳ１１１）。
【００８２】
このようにして、本実施の形態にかかる顕微鏡は、ステップＳ１０１〜Ｓ１１１の一連の処理を欠陥抽出処理として実行し、所定の処理終了指示を受けるまで、あるいは予め指示された回数の処理を実行するまで、この一連の欠陥抽出処理を繰り返す。
【００８３】
なお、合焦装置１００では、コントロール部２５は、各ステップＳ１０２〜Ｓ１１１において、常に被観察面ＯＰ１〜ＯＰ３等に対する合焦状態を保持するように、２分割センサ１４上の各光スポット面積の総和を常時演算し、受光部１４ａにおける光スポット面積の総和と、受光部１４ｂにおける光スポット面積の総和との差が極小となるように焦準用モータ駆動部１９に焦準用モータ１６を駆動させる追尾制御を行っている。また、コントロール部２５は、この追尾制御が解除されないように、ステップＳ１０２，Ｓ１０４，Ｓ１０６，Ｓ１０９において、色収差補正レンズ９を徐々に移動させるように制御を行っている。
【００８４】
以上のように、本実施の形態にかかる合焦装置１００は、合焦処理プログラム２６ａおよび補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂに基づいて、標本Ｓの表面Ｓａに形成された段差部Ｓｂの平均高さ面としての被観察面ＯＰ１を対物レンズの焦点面に合焦させることができるとともに、追尾制御を解除することなく合焦高さを自動的に変更して被観察面ＯＰ２，ＯＰ３を順次合焦させることができる。
【００８５】
これによって、合焦装置１００を搭載した本実施の形態にかかる顕微鏡は、欠陥抽出装置として適用された場合、標本Ｓ上の欠陥を撮像して抽出した欠陥抽出画像を取得できるとともに、タクトタイムを増大させることなく欠陥を鮮明に撮像した欠陥画像を取得することができる。そして、本実施の形態にかかる顕微鏡の作業者は、欠陥抽出処理において記録された欠陥画像としての標準高さ画像ＯＰＩ１、上オフセット画像ＯＰＩ２および下オフセット画像ＯＰＩ３と、ゴールデン画像ＯＰＩ４と、欠陥抽出画像ＯＰＩ５とを、顕微鏡に設けられた表示装置もしくは外部の表示装置に表示させて、適宜観察することができる。
【００８６】
（変形例）
つぎに、本実施の形態にかかる合焦装置および顕微鏡の変形例について説明する。上述した実施の形態では、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂは、標本Ｓの段差部Ｓｂに直に光スポットＳＰが投射されるものとして色収差補正レンズ９のレンズ位置を記憶していたが、本変形例では、段差部Ｓｂ上に反射率が高い酸化防止膜等の透明膜が成膜され、この成膜された透明膜上に光スポットＳＰが投射されるものとしてレンズ位置を記憶するようにしている。
【００８７】
標本Ｓ上に反射率が高い透明膜が成膜されている場合、投射されたスポット投射光ＳＲが透明膜の表面で反射されるため、合焦装置１００は、被観察面ＯＰ１〜ＯＰ３の代わりに透明膜の表面を対物レンズの焦点面に合焦させ、結果として合焦誤差を生じさせることとなる。このため、本変形例にかかる補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂは、例えば図１４に示すように、透明膜によって生じる合焦誤差を補正するレンズ位置、すなわち、透明膜の膜厚、屈折率、表面反射率等をもとに生じる合焦誤差としての合焦オフセット量を補正し得るレンズ位置を、被観察面ＯＰ１〜ＯＰ３ごとに対応付けて記憶している。
【００８８】
これによって、合焦装置１００は、例えば被観察面ＯＰ１に対応付けられたレンズ位置１１Ｂに色収差補正レンズ９を移動させた場合、２分割センサ１４上に結像される複数の光スポット面積の総和を極小とし、図１５−１に示すように、透明膜ＴＦ表面の平均高さ面ＯＰｔｆを合焦装置１００の焦点面に合焦させるが、顕微鏡の撮像観察系に対しては、合焦誤差としての合焦オフセット量ΔＨＴ１を補正し、被観察面ＯＰ１を観察光の焦点面に合焦させることができる。
【００８９】
同様に、例えば被観察面ＯＰ２に対応付けられたレンズ位置１２Ｂに色収差補正レンズ９を移動させた場合、合焦装置１００は、図１５−２に示すように、合焦誤差としての合焦オフセット量ΔＨＴ２を補正し、被観察面ＯＰ２を観察光の焦点面に合焦させることができる。これによって、撮像観察系は、欠陥ＤＡの欠陥像を鮮明に撮像することができる。
【００９０】
また、例えば被観察面ＯＰ３に対応付けられたレンズ位置１３Ｂに色収差補正レンズ９を移動させた場合、合焦装置１００は、図１５−３に示すように、合焦誤差としての合焦オフセット量ΔＨＴ３を補正し、被観察面ＯＰ３を観察光の焦点面に合焦させることができる。これによって、撮像観察系は、欠陥ＤＢの欠陥像を鮮明に撮像することができる。
【００９１】
なお、ここでは補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂが、透明膜によって生じる合焦誤差を補正するためのレンズ位置補正量を含んだレンズ位置を記憶するものとして説明したが、例えば図１６に示すように、透明膜による合焦誤差を補正するレンズ位置として、透明膜が成膜されない標本Ｓに対するレンズ位置、すなわち図４に示したレンズ位置と、レンズ位置補正量としての薄膜補正量と、を個別に記憶するようにしてもよい。これによって、合焦装置１００は、透明膜の成膜の有無にかかわらず、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂからレンズ位置を読み出して、自動的に各被観察面ＯＰ１〜ＯＰ３を合焦させることができる。
【００９２】
また、合焦装置１００は、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂとして、標本Ｓ上に成膜し得る複数の透明膜ごとに、図１４または図１６に示した記憶テーブルを備えるようにしてもよい。これによって、合焦装置１００は、標本Ｓに成膜される透明膜が変更された場合にも、その透明膜に応じてレンズ位置を読み出して、自動的に各被観察面ＯＰ１〜ＯＰ３を合焦させることができる。
【００９３】
さらに、上述した補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂは、標準高さ面、上オフセット面および下オフセット面としての被観察面ＯＰ１〜ＯＰ３ごとにレンズ位置を対応付けて記憶するものとして説明したが、例えば図１７に示すように、標準高さ面に対応するレンズ位置としての標準位置に、被観察面のオフセット量に対応するレンズ位置のオフセット量を対応付けて記憶するようにしてもよい。この場合、コントロール部２５は、標準位置にオフセット量を加減算することで、上下のオフセット面に対応するレンズ位置を取得できる。これによって、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂは、レボ穴ごとにオフセット量が異なるオフセット面を標準高さ面に対応付けて記憶することが容易となる。なお、図１７では、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂは、透明膜による合焦誤差を補正するためのレンズ位置補正量も、各標準位置に対応付けて記憶するようにしている。
【００９４】
ここまで、本発明を実施する最良の形態を実施の形態および変形例として説明したが、本発明は、この実施の形態および変形例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施の形態および変形例では、合焦装置１００は、補正レンズ位置記憶テーブル２６ｂが予め記憶した被観察面ＯＰ１〜ＯＰ３を順次合焦させるものとして説明したが、例えば図示しない入力部から入力指示される被観察面を適宜合焦させるようにしてもよい。
【００９５】
また、上述した合焦装置１００は、複数の標本Ｓに応じて定められた段差の所定高さごとに、各所定高さ内に設定された複数の被観察面の各々に色収差補正レンズ９のレンズ位置を対応付けて記憶するようにしてもよい。つまり、複数の段差ごとに、図４、図１４、図１６および図１７に示したような記憶テーブルを備えるようにしてもよい。これによって、合焦装置１００は、標本Ｓの段差にかかわらず、自動的に複数の被観察面を順次合焦させることができる。
【００９６】
また、上述した合焦装置１００は、回折格子ＤＧを介して標本Ｓ上に複数のスポットを直線状に配列するように集光する構成としたが、これに限定されず、例えば、回折格子ＤＧに替えてシリンドリカルレンズ（トーリックレンズ）やスリットを用いて、標本Ｓ上に直線状にラインスポットを集光する構成としてもよい。その場合にも、合焦装置１００と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の実施の形態にかかる合焦装置および顕微鏡の要部構成を示す図である。
【図２】図１に示した標本および対物レンズの拡大図である。
【図３】標本が有する段差およびこの段差の高さ内に設定される被観察面を示す図である。
【図４】図１に示した補正レンズ位置記憶テーブルの一例を示す図である。
【図５−１】図１に示した合焦検出光学系による合焦状態の検出原理を説明する図である。
【図５−２】図１に示した合焦検出光学系による合焦状態の検出原理を説明する図である。
【図５−３】図１に示した合焦検出光学系による合焦状態の検出原理を説明する図である。
【図６】複数の光スポットが標本上の段差の様々な位置に投射された場合の光スポット像を示す図である。
【図７−１】焦点面に合焦させる被観察面を切り換える合焦動作を説明する図である。
【図７−２】焦点面に合焦させる被観察面を切り換える合焦動作を説明する図である。
【図７−３】焦点面に合焦させる被観察面を切り換える合焦動作を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかる顕微鏡が行う欠陥抽出処理手順を示すフローチャートである。
【図９−１】標本上の段差および欠陥と標準高さ面との高さ関係を示す図である。
【図９−２】図９−１に示した標準高さ面の観察画像を示す図である。
【図１０−１】標本上の段差および欠陥と上オフセット面との高さ関係を示す図である。
【図１０−２】図１０−１に示した上オフセット面の観察画像を示す図である。
【図１１−１】標本上の段差および欠陥と下オフセット面との高さ関係を示す図である。
【図１１−２】図１１−１に示した下オフセット面の観察画像を示す図である。
【図１２−１】標本上の段差と標準高さ面との高さ関係を示す図である。
【図１２−２】図１２−１に示した標準高さ面の観察画像を示す図である。
【図１３】図９−２に示した欠陥像を抽出した欠陥抽出画像を示す図である。
【図１４】補正レンズ位置記憶テーブルの変形例を示す図である。
【図１５−１】標本上の段差、欠陥および透明膜と標準高さ面との高さ関係を示す図である。
【図１５−２】標本上の段差、欠陥および透明膜と上オフセット面との高さ関係を示す図である。
【図１５−３】標本上の段差、欠陥および透明膜と下オフセット面との高さ関係を示す図である。
【図１６】補正レンズ位置記憶テーブルの変形例を示す図である。
【図１７】補正レンズ位置記憶テーブルの変形例を示す図である。
【図１８】従来技術にかかる合焦装置および顕微鏡の要部構成を示す図である。
【図１９】従来技術にかかる合焦装置および顕微鏡の要部構成を示す図である。
【図２０】従来技術にかかる合焦装置および顕微鏡の要部構成を示す図である。
【図２１−１】図２０に示した顕微鏡で観察する標本上の段差および欠陥と被観察面との高さ関係を示す図である。
【図２１−２】図２１−１に示した被観察面の観察画像を示す図である。
【図２２−１】図２０に示した顕微鏡で観察する標本上の段差と被観察面との高さ関係を示す図である。
【図２２−２】図２２−１に示した被観察面の観察画像を示す図である。
【図２３】図２１−２に示した欠陥像を抽出した欠陥抽出画像を示す図である。
【符号の説明】
【００９８】
１    ステージ
２    レボルバ
３ａ，３ｂ    対物レンズ
４    基準光源
５    コリメーションレンズ
６，１２    遮光板
７    ＰＢＳ
８，１３    集光レンズ
９    色収差補正レンズ
１０    λ／４板
１１    ダイクロイックプリズム
１４    ２分割素子
１４ａ，１４ｂ    受光部
１４ｃ    受光面
１４ｄ    分割ライン
１５    レボルバ用モータ
１６    焦準用モータ
１７    色収差補正レンズ用モータ
１８    レボルバ用モータ駆動部
１９    焦準用モータ駆動部
２０    色収差補正レンズ用モータ駆動部
２１    レボ穴位置検出部
２２    レーザ駆動部
２３    増幅器
２４    Ａ／Ｄ変換器
２５    コントロール部
２６    記憶部
２６ａ    合焦処理プログラム
２６ｂ    補正レンズ位置記憶テーブル
３３    リミット検出部
１００    合焦装置
ＤＡ，ＤＢ    欠陥
ＤＡＩ，ＤＡＩ１，ＤＡＩ２，ＤＡＩ３，ＤＢＩ，ＤＢＩ１，ＤＢＩ２，ＤＢＩ３    欠陥像
ＤＧ    回折格子
ＤＯＦ    焦点深度
ＦＳ    焦点面
ＩＰ    結像面
ＮＦＳ    ニアフォーカス面
ＯＡ１，ＯＡ２    光軸
ＯＰ１〜ＯＰ３    被観察面
ＯＰＩ１，ＯＰＩ４    標準高さ画像
ＯＰＩ２    上オフセット画像
ＯＰＩ３    下オフセット画像
ＯＰＩ５    欠陥抽出画像
Ｓ    標本
Ｓａ    表面
Ｓｂ    段差部
Ｓｃ    上断面
Ｓｄ    下段面
ＳＩ，ＳＩ’，ＳＩ”    光スポット像
ＳＰ    光スポット
ＳＲ    スポット投射光
ＴＦ    透明膜
【図１】
2007193030.tif 000003
【図２】
2007193030.tif 000004
【図３】
2007193030.tif 000005
【図４】
2007193030.tif 000006
【図５−１】
2007193030.tif 000007
【図５−２】
2007193030.tif 000008
【図５−３】
2007193030.tif 000009
【図６】
2007193030.tif 000010
【図７−１】
2007193030.tif 000011
【図７−２】
2007193030.tif 000012
【図７−３】
2007193030.tif 000013
【図８】
2007193030.tif 000014
【図９−１】
2007193030.tif 000015
【図９−２】
2007193030.tif 000016
【図１０−１】
2007193030.tif 000017
【図１０−２】
2007193030.tif 000018
【図１１−１】
2007193030.tif 000019
【図１１−２】
2007193030.tif 000020
【図１２−１】
2007193030.tif 000021
【図１２−２】
2007193030.tif 000022
【図１３】
2007193030.tif 000023
【図１４】
2007193030.tif 000024
【図１５−１】
2007193030.tif 000025
【図１５−２】
2007193030.tif 000026
【図１５−３】
2007193030.tif 000027
【図１６】
2007193030.tif 000028
【図１７】
2007193030.tif 000029
【図１８】
2007193030.tif 000030
【図１９】
2007193030.tif 000031
【図２０】
2007193030.tif 000032
【図２１−１】
2007193030.tif 000033
【図２１−２】
2007193030.tif 000034
【図２２−１】
2007193030.tif 000035
【図２２−２】
2007193030.tif 000036
【図２３】
2007193030.tif 000037