(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体面に対物レンズを通して測定光を照射するとともに、その反射光に基づいて前記被検体と対物レンズの距離を光軸方向に相対的に移動させて前記被検体面に対する合焦を検索する合焦装置において、
前記被検体上に設定される測定ラインに沿った複数の測定点にて合焦動作を行なうとともに、これら各測定点での前記被検体または対物レンズの前記光軸方向の位置を検出する位置検出手段と、
この位置検出手段で検出された前記被検体または対物レンズの前記光軸方向の位置の最大値と最小値に予め定められた値を加えることで合焦検索範囲を設定する合焦検索範囲設定手段と
を具備し、
この合焦検索範囲設定手段により設定された前記合焦検索範囲に基づいて前記被検体面に対する合焦動作を実行することを特徴とする合焦装置。
【請求項２】
前記被検体上に設定される測定ラインは、少なくとも前記被検体の中心を通る直線または曲線状のラインからなることを特徴とする請求項１記載の合焦装置。
【請求項３】
さらに各対物レンズごとの同焦補正値を格納した同焦補正テーブルを有し、
前記対物レンズに対応する前記同焦補正テーブルの同焦補正値に基づいて前記合焦検索範囲設定手段により設定された合焦検索範囲を補正することを特徴とする請求項１記載の合焦装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡や光学測定器などに用いられる合焦装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、合焦装置として、例えば、特開昭５９−１７７５１０号公報に開示されるように被検体面に対物レンズを通して測定光を照射するとともに、その反射光に基づいて被検体面に対する合焦を行なうようにしたものが知られている。
【０００３】
図６は、かかる合焦装置の概略構成を示すもので、半導体レーザ１から出射されたレーザビームを偏向ビームスプリッタ２で反射させ、結像レンズ３で平行光束に変換し、1 ／４波長板４を透過させた後、対物レンズ５を介してステージ６０１上の被検体６表面に集光させる。そして、この被検体６表面で反射された光を、再度対物レンズ５、1 ／４波長板４、結像レンズ３を介して偏向ビームスプリッタ２に入射し、今度は、偏向ビームスプリッタ２を透過させてビームスプリッタ７で２方向に振り分け、その一方の光線を結像レンズ３の集光点Ｐより距離Ｌだけ前方に位置された第１の絞り８を介して第１の受光素子９に受光させ、また、他方の光線を結像レンズ３の集光点Ｐより距離Ｌだけ後方に配置された第２の絞り１０を介して第２の受光素子１１に受光させる。そして、さらに、これら第１の受光素子９および第２の受光素子１１からの被検体６表面の反射光量に対応する電気信号を信号処理系１２に入力し、これら入力された各電気信号に対して所定の演算を行ない、被検体６表面の変位に応じた誤差信号を出力するようにしている。
【０００４】
この場合、信号処理系１２は、第１の受光素子９および第２の受光素子１１からの入力として、図７（ａ）に示すような特性を有する電気信号Ａ，Ｂが与えられたとすると、被検体６表面の変位を検知する信号として（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算が行なわれて、同図（ｂ）に示すような合焦点Ｆにおいて０になる誤差信号が求められ、この誤差信号が０になる位置に被検体６表面が位置するように駆動器１３（１３’）により対物レンズ５と被検体６との間を光軸方向（Ｚ方向）に相対的に移動させ、合焦位置を得るようにしている。
【０００５】
また、対物レンズ５と被検体６の相対的移動は、メカ的制限や、対物レンズ５と被検体６が衝突するのを防止するため、例えば、リミット検出器１４を設けて、リミット位置の監視を行ない、合焦検索範囲の制限を行なっている。
【０００６】
これにより、例えば、図８に示すように、対物レンズ５と被検体６の距離が最大となる制限位置を合焦検索上限位置（上限Ｕ）、対物レンズ５と被検体６の距離が最小となる合焦検索下限位置（下限Ｄ）とすると、これら上限Ｕと下限Ｄとの範囲において、合焦位置の検索が行なわれることになる。
なお、図面中１５は観察用の照明電源、１６は観察光学系である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、被検体６が、半導体ウェハのような場合、例えば、ステージ６０１への支持の際の撓みなどにより、同一のウェハ上であっても検索位置が異なるだけで図８に示すように検索位置Ａの場合と検索位置Ｂの場合とで、ウェハ表面の高さが異なることがある。このような場合、検索位置Ａに必要な合焦検索範囲はＡ’であるのに対し、検索位置Ｂに必要な合焦検索範囲はＢ’となって、これら必要とする合焦検索範囲Ａ’とＢ’が異なる。
【０００８】
このため、仮に、合焦検索範囲Ａ’で検索位置Ａに対する合焦を行なった状態から、検索位置をＢに移動すると、この検索位置Ｂに対して合焦検索範囲Ａ’では、合焦が得られず、装置は、対物レンズ５と被検体６の距離を、一旦合焦検索上限位置（上限Ｕ）まで広げて、この位置から合焦検索下限位置（下限Ｄ）方向に距離を縮めながら合焦検索範囲すべてについて合焦検索を行なうようになり、合焦動作時間が大幅にかかってしまい、被検体観察などの作業能率が大幅に低下するという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、被検体ごとに必要とする合焦検索範囲を設定でき、合焦検索動作に要する時間を大幅に短縮できる合焦装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、被検体面に対物レンズを通して測定光を照射するとともに、その反射光に基づいて前記被検体と対物レンズの距離を光軸方向に相対的に移動させて前記被検体面に対する合焦を検索する合焦装置において、前記被検体上に設定される測定ラインに沿った複数の測定点にて合焦動作を行なうとともに、これら各測定点での前記被検体または対物レンズの前記光軸方向の位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段で検出された前記被検体または対物レンズの前記光軸方向の位置の最大値と最小値に予め定められた値を加えることで合焦検索範囲を設定する合焦検索範囲設定手段と  を具備し、この合焦検索範囲設定手段により設定された前記合焦検索範囲に基づいて前記被検体面に対する合焦動作を実行することを特徴としている。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記被検体上に設定される測定ラインは、少なくとも前記被検体の中心を通る直線または曲線状のラインからなることを特徴としている。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、さらに各対物レンズごとの同焦補正値を格納した同焦補正テーブルを有し、前記対物レンズに対応する同焦補正テーブルの同焦補正値に基づいて前記合焦検索範囲設定手段により設定された合焦検索範囲を補正することを特徴としている。
【００１３】
この結果、請求項１記載の発明によれば、合焦位置の検索を行なうのに、被検体に必要な合焦検索範囲に絞り込むことができるので、合焦検索動作に要する時間を大幅に短縮できる。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、被検体の中心部を含む広い範囲にわたる測定点での測定値に基づいて合焦検索範囲を設定できるので、精度の高い合焦検索範囲を設定できる。
請求項３記載の発明によれば、各対物レンズ間に同焦補正量が存在していても、同焦補正量を考慮した被検体に応じた適切な合焦検索範囲の設定ができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明が適用される合焦装置の概略構成を示すもので、図６と同一部分には、同符号を付している。
【００１６】
この場合、ステージ６０１上には、被検体として半導体ウェハ６’が載置されるものとする。この半導体ウェハ６’は、その中心部をステージ６０１上のエアチャック６０１ａにより吸着保持される。
【００１７】
また、駆動器１３には、カウンタ１７を接続している。このカウンタ１７は、対物レンズ５と半導体ウェハ６’の距離を検出するもので、ここでは、駆動器１３より対物レンズ５と半導体ウェハ６’との間の光軸方向（Ｚ方向）の情報を受け取り、対物レンズ５のＺ方向の座標位置を検出するものである。
【００１８】
カウンタ１７には、合焦検索範囲設定手段１８を接続している。この合焦検索範囲設定手段１８は、メモリ１８１と比較器１８２を有している。ここで、メモリ１８１は、カウンタ１７の内容を記憶するものである。この場合、メモリ１８１に格納するデータは２つあり、一つは、合焦検索範囲の上限データ（ＭＡＸ値）、もう一つは、合焦検索範囲の下限データ（ＭＩＮ値）となっている。また、比較器１８２は、カウンタ１７とメモリ１８１の内容の比較を行なうもので、ここでの比較結果によってメモリ１８１内のＭＡＸ値およびＭＩＮ値を更新するようにしている。
【００１９】
合焦検索範囲設定手段１８には、合焦制御器１９、ＸＹ駆動器２０およびオフセット部２１を接続している。合焦制御器１９は、駆動器１３の前段に挿入されるもので、メモリ１８１および比較器１８２出力により合焦検索範囲の制御を行なうものである。ＸＹ駆動器２０は、半導体ウェハ６’を光軸方向（Ｚ方向）と直交する方向に移動させるようにステージ６０１をＸＹ方向に駆動するためのものである。また、オフセット部２１は、合焦検索範囲設定手段１８により設定された合焦検索範囲を補正するためのものである。
【００２０】
次に、このように構成した実施の形態の動作を説明する。
まず、最初に基本サンプルとして任意に抽出した半導体ウェハ６’をステージ６０１上にセットし、合焦検索範囲の設定を行なう。
【００２１】
この場合も、半導体ウェハ６’は、その中心部をステージ６０１上のエアチャック６０１ａにより吸着保持される。また、対物レンズ５としては、最も低倍のものを用いる。これは、低倍の方が合焦の追従性がよいためで、必ずしもこれに限ったことではない。
【００２２】
次に、図２に示すように半導体ウェハ６’上で合焦検索範囲設定のための測定ラインＳＰを決定する。この場合の測定ラインＳＰは、測定開始点Ｓとして半導体ウェハ６’上の周縁部を指定し、この測定開始点Ｓから半導体ウェハ６’の中心を通り、対角方向の周縁部に向かう直線状ラインからなっている。
【００２３】
この状態から、まず、ＸＹ駆動器２０によりステージ６０１を駆動し、測定開始点Ｓに対物レンズ５の光軸を一致させて合焦動作を行ない、カウンタ１７により、対物レンズ５と半導体ウェハ６’との間の光軸方向（Ｚ方向）の情報から対物レンズ５のＺ方向の座標位置を検出する。この測定開始点Ｓの合焦座標位置は、初期値としてメモリ１８１内のＭＡＸ値およびＭＩＮ値に書き込まれる。
【００２４】
次に、ＸＹ駆動器２０によりステージ６０１を移動し、対物レンズ５の光軸を測定ラインＳＰに沿って移動して合焦動作を行ない、カウンタ１７により、この時の対物レンズ５のＺ方向の座標位置を検出する。以下、同様にして対物レンズ５の光軸を測定ラインＳＰに沿って移動させながら各測定点について合焦動作を行ない、対物レンズ５のＺ方向の座標位置を検出していく。
【００２５】
この場合、対物レンズ５のＺ方向の座標位置は、上述したようにステージ６０１上に半導体ウェハ６’の中心部が支持され、その中央部が膨らむ方向に湾曲しているので、この湾曲に沿った図３に示すような軌跡として得られる。
【００２６】
また、この場合のそれぞれの対物座標位置は、比較器１８２によりメモリ１８１に書き込まれた値との比較が行なわれ、この比較で、座標位置がＭＡＸ値に書き込まれた値より大きい場合は、その値でＭＡＸ値の更新を行ない、また、ＭＩＮ値に書き込まれた値より小さい場合は、その値でＭＩＮ値の更新を行なう。これにより、測定ラインＳＰに沿った合焦動作が終了した時点でのメモリ１８１のＭＡＸ値とＭＩＮ値としては、測定ラインＳＰ上における合焦時の対物レンズ５のＺ方向の座標位置の最大値ＡＦ＿Ｕ’と最小値ＡＦ＿Ｄ’がそれぞれ書き込まれる。
【００２７】
この場合、こうして測定された合焦検索範囲を、そのまま、その後の合焦動作の合焦検索範囲として設定すると、測定ラインＳＰ上以外で合焦動作が行なわれた際に、合焦検索範囲を超えて、従来例で述べたように、対物レンズ５を合焦検索上限位置まで引き上げ、この位置から合焦検索下限位置の方向に距離を縮めながら合焦検索範囲すべてについて合焦検索を行なうことがある。
【００２８】
そこで、ここでは、測定終了の後、図３に示すように求められた合焦検索範囲を以下の要領で手直しする。
この場合、オフセット部２１よりオフセット量Ｆをメモリ１８１のＭＡＸ値には加算、ＭＩＮ値には減算をそれぞれ行ない、これら新たな値の合焦検索上限位置ＡＦ＿Ｕ、合焦検索下限位置ＡＦ＿Ｄを、ＭＡＸ値およびＭＩＮ値としてメモリ１８１に書き込み、これらＭＡＸ値からＭＩＮ値までの範囲を合焦検索範囲として設定する。ここで、オフセット部２１のオフセット量Ｆは、例えば、図３に示すように、合焦検索範囲の最大値ＡＦ＿Ｕ’から合焦検索上限位置（上限Ｕ）までの距離をＲ、最小値ＡＦ＿Ｄ’から合焦検索下限位置（下限Ｄ）までの距離をＲ’としたとき、（Ｒ＋Ｒ’）／４を最大の値として、この範囲から決定され、この決定されたオフセット量Ｆにより、新たな値を合焦検索上限位置ＡＦ＿Ｕと合焦検索下限位置ＡＦ＿Ｄが設定される。
【００２９】
その後、このように設定された合焦検索範囲に基づいて、半導体ウェハ６’上での任意の観察点での合焦動作が行なわれる。この場合の合焦動作は、メモリ１８１のＭＡＸ値に書き込まれた合焦検索上限位置ＡＦ＿Ｕと、ＭＩＮ値に書き込まれた合焦検索下限位置ＡＦ＿Ｄの範囲において対物レンズ５を移動させることにより、合焦点の検索が行なわれる。つまり、合焦位置の検索動作を行なうには、合焦制御器１９により対物レンズ５を、一旦合焦検索上限位置ＡＦ＿Ｕに示される位置まで移動させ、その後、合焦検索下限位置ＡＦ＿Ｄに示される位置に向かって対物レンズ５を移動させながら、合焦検索を行なうようになる。
【００３０】
従って、このような構成によれば、合焦位置の検索を行なうのに、従来では、対物レンズ５を、一旦合焦検索上限位置（上限Ｕ）まで広げて、この位置から合焦検索下限位置（下限Ｄ）方向に距離を縮めながら合焦検索範囲すべてについて合焦検索を行なっていたものを、半導体ウェハ６’に必要な合焦検索範囲、つまり合焦検索上限位置ＡＦ＿Ｕから合焦検索下限位置ＡＦ＿Ｄの間に絞り込んで行なうようにできるようになるので、合焦検索動作に要する時間を大幅に短縮することができ、これにより、特に、同種類の半導体ウェハ６’の欠陥検査などを数多く行なうような場合には、合焦検索動作にともなう時間的ロスを最小限にでき、作業能率を飛躍的に高めることができる。
【００３１】
なお、上述した第１の実施の形態では、基本サンプルとなる半導体ウェハ６’の中心部をステージ６０１上のエアチャック６０１ａにより吸着保持するものについて述べたが、半導体ウェハ６’の周縁部を吸着保持するものについても適用できる。この場合は、半導体ウェハ６’の中央部が凹む方向に湾曲した状態での合焦検索範囲の設定が行なわれる。
【００３２】
また、カウンタ１７は、対物レンズ５のＺ方向の座標位置を検出する場合を述べたが、ステージ６０１のＺ方向の座標位置を検出するようにしてもよい。
さらに、合焦検索範囲設定時における基本サンプルとなる半導体ウェハ６’上での測定ラインＳＰの決定は、その後の合焦時における対物レンズ５のＺ軸座標の最大値、最小値を取り込むという観点で各種の応用が可能である。例えば、半導体ウェハ６’の中心で交わるような複数本の測定ラインＳＰを採用すれば、さらに精度よく合焦検索範囲の設定を行なうことができるし、また、サンプル表面をある程度網羅するような渦巻きなどの曲線であってもよいなど、オフセット量と組み合わせて各種の設定が可能である。また、測定ラインＳＰは、水平方向の移動だけでなく、半導体ウェハ６’の回転の動きに組み合わせたり、傾きや撓みを考慮したものでも有効である。
【００３３】
さらにまた、オフセット部２１で設定されるオフセット量は、一定とは限らず、例えば、対物レンズ５の倍率や焦点深度に基づいて可変としてもよいし、また温度による対物レンズ５の特性を考慮した値でもよい。
【００３４】
また、合焦検索範囲設定動作である半導体ウェハ６’のステージ６０１上へのセット、対物レンズ５の交換、測定ラインＳＰ上の対物位置の最大値、最小値の取り込み、同取り込み値からの合焦検索範囲の設定といった一連の流れを、電動ステージ、電動レボなどと組み合わせて自動的に行なうようにしてもよく、こうすれば、さらに時間的効率化が得られる。勿論、ステージ移動など一部の動作を手動に置き換えることもできる。
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態の概略構成をを示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。
【００３５】
この場合、５’は、対物レンズ５に代わる他の対物レンズを示している。また、合焦検索範囲設定手段１８は、さらに同焦補正テーブル１８３と加算器１８４を有している。同焦補正テーブル１８３は、各対物レンズ５、５’ごとの同焦補正値を記憶したもので、ここでは、対物情報をもとに、基準となる対物に対する現在の対物位置のＺ軸方向の補正量を出力するものである。これにより、対物レンズ５を対物レンズ５’に変更した場合、変更後の対物レンズ５’に対して同焦補正テーブル１８３で示される補正量だけ加算器１８４を介してメモリ１８１からの値に加算し、対物レンズ５’の位置をＺ方向に移動することで、対物交換時の同焦補正を行なうようにしている。
【００３６】
次に、このように構成した実施の形態の動作を説明する。
この場合、対物レンズ５を他の対物レンズ５’に変更したものとする。この場合も合焦検索範囲の設定が行なわれるが、この合焦検索範囲の設定中は、同焦補正テーブル１８３より補正量の出力を行なわないようになっている。このため、加算器１８４は、メモリ１８１からの値をそのまま出力するようになり、第１の実施の形態で述べたと同様な設定動作が行なわれる。
【００３７】
ここで、かかる合焦検索範囲の設定動作により、図５に示すように合焦検索範囲ａとして上限ＡＦ＿Ｕ、下限ＡＦ＿Ｄがそれぞれ設定されたとする。
この状態から、合焦動作が実行されると、同焦補正テーブル１８３は、変更後の対物レンズ５’の対物情報からＺ軸方向の補正量を出力する。仮に、変更後の対物レンズ５’の同焦補正量がブラス値であるＺ＿ＯＦＦ＿１とすると、図５に示す合焦検索範囲ａの上限ＡＦ＿Ｕと下限ＡＦ＿Ｄは、加算器１８４によって
ＡＦ＿Ｕ＋Ｚ＿ＯＦＦ＿１
ＡＦ＿Ｄ＋Ｚ＿ＯＦＦ＿１
となり、合焦検索範囲ａは、補正量Ｚ＿ＯＦＦ＿１だけシフトされた合焦検索範囲ｂに補正されることになる。
【００３８】
同様にして、変更後の対物レンズ５’の同焦補正量がマイナスの値であるＺ＿ＯＦＦ＿２である場合も、図５に示す合焦検索範囲ａの上限ＡＦ＿Ｕと下限ＡＦ＿Ｄは、加算器１８４によって
ＡＦ＿Ｕ＋Ｚ＿ＯＦＦ＿２
ＡＦ＿Ｄ＋Ｚ＿ＯＦＦ＿２
となり、合焦検索範囲ａは、補正量Ｚ＿ＯＦＦ＿２だけシフトされた合焦検索範囲ｃに補正されることになる。
【００３９】
この場合、どちらの合焦検索範囲ｂまたはｃは、限界値の範囲である上限Ｕと下限Ｄの範囲を優先することは勿論である。
従って、このような構成によれば、各対物レンズ５、５’間に同焦補正量が存在していても、これら同焦補正量を考慮した半導体ウェハ６’に応じた適切な合焦検索範囲の設定をできるので、さらに安定した合焦動作を迅速に行なうことができる。
【００４０】
なお、上述した第１および第２の実施の形態では、光電変換を行なう受光素子が２個の場合を述べたが、その数量は、これに限ったものでない。また、上述では、駆動器１３により対物レンズ５を光軸方向（Ｚ方向）に駆動する場合を述べたが、駆動器１３’を用いて、ステージ６０１を光軸方向（Ｚ方向）に駆動するようにしてもよい。また、合焦検出手段としては、上述した方式に限らず、瞳分割法など周知の他の方式を採用することもできる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のべたように、本発明によれば、被検体ごとに必要とする合焦検索範囲を設定できるようになるので、合焦検索に要する時間を短縮でき、最小限の時間で合焦を行なうことができる。
【００４２】
また、各対物レンズ間に同焦補正量が存在していても、これら同焦補正量を考慮した被検体に応じた適切な合焦検索範囲の設定ができ、さらに安定した合焦動作を迅速に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図。
【図２】第１の実施の形態の動作を説明するための図。
【図３】第１の実施の形態の動作を説明するための図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図５】第２の実施の形態の動作を説明するための図。
【図６】従来の合焦装置の概略構成を示す図。
【図７】従来の合焦装置の合焦動作を説明するための図。
【図８】従来の合焦装置の合焦動作を説明するための図。
【符号の説明】
１…半導体レーザ
２…偏向ビームスプリッタ
３…結像レンズ
４…波長板
５．５’…対物レンズ
６…被検体
６’…半導体ウェハ
６０１…ステージ
６０１ａ…エアチャック
７…ビームスプリッタ
８．１０…絞り
９…第１の受光素子
１１…第２の受光素子
１２…信号処理系
１３…駆動器
１４…リミット検出器
１５…照明光源
１６…観察光学系
１７…カウンタ
１８…合焦検索範囲設定手段
１８１…メモリ
１８２…比較器
１８３…同焦補正テーブル
１８４…加算器
１９…合焦制御器
２０…ＸＹ駆動器
２１…オフセット部
【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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