自動焦点調節機構及び光学画像取得装置
【課題】検査対象試料に形成されるパターンの依存性が低減される自動焦点調節機構及びこの自動焦点調節機構を備える光学画像取得装置を提供する。
【解決手段】自動焦点調節機構においては、パターンが形成された検査対象試料１０が載置部１２に載置され、検査対象試料１０のパターン形成面に視野絞り１６に形成されたスリット２０を通過した観察用光ビームが照射される。反射して生じた反射光ビームが分岐される。分岐された反射光ビームの夫々の光路上には、略菱形状の開口２６が形成された焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂが配置されている。略菱形状の開口２６を通過した夫々の反射光ビームの光量が焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂで検出される。検出された検出光量の差に基づいて載置部１２の位置が焦点調節装置３６によって制御される。
【解決手段】自動焦点調節機構においては、パターンが形成された検査対象試料１０が載置部１２に載置され、検査対象試料１０のパターン形成面に視野絞り１６に形成されたスリット２０を通過した観察用光ビームが照射される。反射して生じた反射光ビームが分岐される。分岐された反射光ビームの夫々の光路上には、略菱形状の開口２６が形成された焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂが配置されている。略菱形状の開口２６を通過した夫々の反射光ビームの光量が焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂで検出される。検出された検出光量の差に基づいて載置部１２の位置が焦点調節装置３６によって制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点を調節する自動焦点調節機構並びにこの自動焦点調節機構を備え、マスク等の検査対象試料の表面に形成されたパターンの光学画像を取得する光学画像取得装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板に回路パターンを転写するリソグラフィ装置及び半導体集積回路のパターンを検査する欠陥検査装置等の光学装置においては、回路パターンサイズと同一或いは回路パターンサイズ以下の高い解像度で光学像が取得されることが必要とされる。このように高い解像度での光学像の取得を実現するためには、半導体基板等の検査対象試料及び対物レンズ間の距離を一定に保ち、検査対象試料上に焦点を合わせる自動焦点調節機構が必須となり、この自動焦点調節機構の高精度化が要請されている。
【０００３】
自動焦点調節機構には、種々の方式があり、例えば、特許文献１には、光梃子方式による自動焦点調節機構が開示されている。この方式では、検査対象試料の表面に対して斜め方向から光ビームが照射され、検査対象試料の表面で反射された反射光ビームが受光センサで検出される。受光センサからの検出出力が光軸に沿った検査対象試料の表面位置に依存して変化されることを利用して焦点が調整される。即ち、この検出出力は、検査対象試料の表面位置の変位情報を含み、従って、この検出出力から検査対象試料の表面の高さ位置に相関する焦点誤差信号が導出される。焦点誤差信号は、制御回路にフィードバックされ、検査対象試料が載置される載置部が制御されて撮像位置（所謂フォーカス位置）に高精度で配置される。その結果として、検査対象試料は、主光学系としての撮像光学系に対して常に高精度で焦点が合わされるようにその表面位置を維持させることができる。
【０００４】
しかしながら、この方式では、パターンを撮像する為の光源に加えてフォーカス用のレーザビームを発生する光源が必要とされ、光学系が複雑化する問題がある。また、光学系が複雑化するに伴い装置のコストが上昇する問題がある。また、装置の光学系を設計する上で制約が加わる問題がある。コストを抑制するために、パターン撮像用光源よりも長い波長の光源を使用すると、その波長の相違が焦点調整誤差に繋がる虞がある。
【０００５】
また、特許文献２には、差動ピンホール方式による自動焦点調節機構、並びに、特許文献３及び特許文献４には、差動スリット方式による自動焦点調節機構が開示されている。これらの方式では、検査対象試料の表面に向けて光ビームが照射され、検査対象試料の表面で反射された反射光ビームがビームスプリッタによって２つの光路に分岐されている。夫々の光路における反射光ビームの光量が検出され、これらの検出光量に基づいて焦点が調整される。
【０００６】
特許文献４に開示される焦点を調節する方法では、載置部に載置された検査対象試料の表面に細長い長方形のスリット像が投影され、検査対象試料の表面で反射された反射光ビームが対物レンズ及び再結像光学系により集光される。この反射光ビームは、ビームスプリッタにより第１及び第２の光路に分岐される。第１の光路には、スリット像が結像レンズによって結像される結像面を基準に検査対象試料側（前方側）に焦点調整用開口絞り及び焦点調整用受光器が設置されている。また、第２の光路には、スリット像が結像レンズによって結像される結像面を基準に検査対象試料とは反対側（後方側）に焦点調整用開口絞り及び焦点調整用受光器が設置される。各焦点調整用開口絞りの開口は、適切な幅に設定された細長い長方形状に形成されている。焦点誤差が発生すると、第１及び第２の光路の一方においては、焦点調整用受光器上のスリット像が広がり、第１及び第２の光路の他方においては、焦点調整用受光器上のスリット像が狭まる。その結果、第１及び第２光路に配置された焦点調整用受光器からの出力信号は、一方が増加し、他方が減少される。従って、この焦点調整用受光器で検出される光量が等しくなるように載置部の位置を制御することで、対物レンズを検査対象試料上に焦点合わせすることができる。
【０００７】
特許文献４に開示される方式においては、検査対象試料の撮像に使用する光源とは異なる光源を設けることが不要とされる。また、これらの方式では、マスク面にパターンが形成されない、或いは、マスク面に形成されたパターンが比較的粗い場合には、第１及び第２の光路の夫々において、スリット像の光量分布が変化される短手方向の主要部分が焦点調整用開口絞りの開口に含まれるように焦点調整用開口絞りが設置されることで高感度に焦点誤差を検出することができる。
【０００８】
しかしながら、この方式においては、検査対象試料（マスク面）上に投影されたスリット像が、検査対象試料上に存在するマスクパターンによって回折作用を受け、焦点調整用開口面における光量分布が乱される虞があり、焦点検出が困難になる問題がある。検査対象試料上に存在するパターンが非常に細かい場合には、パターンによる回折効果が大きくなり、この問題が顕著となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−１０２０１１号公報
【特許文献２】特開平５−２９７２６２号公報
【特許文献３】特開２００７−３０６０１３号公報
【特許文献４】特開２００７−２２５３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、検査対象試料の表面に形成されたパターンが微細になると、検査対象試料の表面で反射される光ビームが回折される問題がある。この回折を原因として、焦点調整用開口面におけるスリット像の光量分布が変化され、かつ、広がりを有するようになる。特に、焦点調整用開口絞りが長方形状の開口に形成される自動焦点調節機構では、焦点調整用受光器で検出される光量が極端に減少する問題がある。また、焦点調整用開口絞りの開口端部における光量分布が低減されると、正常に焦点誤差を検出することができない問題がある。これらは、検査対象試料の表面に形成されるパターンによる回折作用によって生じる。しかしながら、パターンは、検査対象の試料毎に異なり、回折による光量変化を予め想定することができない問題がある。従って、検査対象試料の表面に形成されるパターンに依存することなく、確実に焦点誤差を検出することができる自動焦点調節機構及びこの自動焦点調節機構を備えた光学画像取得装置の開発が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、検査対象試料の表面に形成されるパターンに依存することなく、確実に焦点調節することができる自動焦点調節機構及びこの自動焦点調節機構を備えた光学画像取得装置を提供することにある。
【００１２】
本発明によれば、
パターン形成面を有する検査対象試料を光軸に沿って移動可能に載置保持する載置部と、
前記パターン形成面上の第１の領域に第１の観察用光ビームを照射し、長手方向及び短手方向を有する略矩形状に定められる前記パターン形成面上の第２の領域に第２の観察用光ビームを照射する光源と、
前記第１の領域から反射あるいは透過された第１の反射光ビームを検出して前記パターン形成面を撮像する光学画像取得部と、
前記第２の領域から反射された第２の反射光ビームを第１及び第２の分岐光ビームに分岐し、この第１及び第２の分岐光ビームを夫々第１及び第２光路に導き、前記パターン形成面が前記光学画像取得部の撮像位置に位置されて焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の分岐光ビームが第１及び第２の結像面に結像される焦点合わせ光学系と、
前記第１光路において、前記第１の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料の側に離間して配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第１の中心軸及びこの第１の中心軸に直交する第１の直交軸を有する第１の開口を備える第１の開口絞りであって、
前記第１の中心軸に沿って第１の開口長を定め、当該第１の開口長が前記中心軸から前記第１の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第１の開口絞りと、
前記第２光路において、前記第２の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料から離間する方向に配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第２の中心軸及びこの第２の中心軸に直交する第２の直交軸を有する第２の開口を備える第２の開口絞りであって、
前記第２の中心軸に沿って第２の開口長を定め、当該第２の開口長が前記中心軸から前記第２の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第２の開口絞りと、
前記第１及び第２の開口を通過した前記第１及び第２の分岐光ビームを検出して第１及び第２の検出信号を出力する検出部と、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記載置部の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする光学画像取得装置。
【００１３】
また、本発明によれば、
パターン形成面を有する検査対象試料を光軸に沿って移動可能に載置保持する載置部と、
前記検査対象試料に前記パターン形成面と対向する面側から入射され、パターン形成面上の第１の領域を透過する第１の観察用光ビームを照射する第１の光源と、
長手方向及び短手方向を有する略矩形状に定められる前記パターン形成面上の第２の領域に第２の観察用光ビームを照射する第２の光源と、
前記第１の領域を透過した透過光ビームを検出して前記パターン形成面を撮像する光学画像取得部と、
前記第２の領域から反射された反射光ビームを第１及び第２の分岐光ビームに分岐し、この第１及び第２の分岐光ビームを夫々第１及び第２光路に導き、前記パターン形成面が前記光学画像取得部の撮像位置に位置されて焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の分岐光ビームが第１及び第２の結像面に結像される焦点合わせ光学系と、
前記第１光路において、前記第１の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料の側に離間して配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第１の中心軸及びこの第１の中心軸に直交する第１の直交軸を有する第１の開口を備える第１の開口絞りであって、
前記第１の中心軸に沿って第１の開口長を定め、当該第１の開口長が前記中心軸から前記第１の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第１の開口絞りと、
前記第２光路において、前記第２の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料から離間する方向に配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第２の中心軸及びこの第２の中心軸に直交する第２の直交軸を有する第２の開口を備える第２の開口絞りであって、
前記第２の中心軸に沿って第２の開口長を定め、当該第２の開口長が前記中心軸から前記第２の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第２の開口絞りと、
前記第１及び第２の開口を通過した前記第１及び第２の分岐光ビームを検出して第１及び第２の検出信号を出力する検出部と、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記載置部の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする光学画像取得装置が提供される。
【００１４】
また、本発明によれば、
パターン形成面を有する検査対象試料を光軸に沿って移動可能に載置保持する載置部と、
長手方向及び短手方向を有する略矩形状に定められる前記パターン形成面上の領域に観察用光ビームを照射する光源と、
前記領域から反射された反射光ビームを第１及び第２の分岐光ビームに分岐し、この第１及び第２の分岐光ビームを夫々第１及び第２光路に導き、焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の分岐光ビームが第１及び第２の結像面に結像される焦点合わせ光学系と、
前記第１光路において、前記第１の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料の側に離間して配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第１の中心軸及びこの第１の中心軸に直交する第１の直交軸を有する第１の開口を備える第１の開口絞りであって、
前記第１の中心軸に沿って第１の開口長を定め、当該第１の開口長が前記中心軸から前記第１の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第１の開口絞りと、
前記第２光路において、前記第２の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料から離間する方向に配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第２の中心軸及びこの第２の中心軸に直交する第２の直交軸を有する第２の開口を備える第２の開口絞りであって、
前記第２の中心軸に沿って第２の開口長を定め、当該第２の開口長が前記中心軸から前記第２の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第２の開口絞りと、
前記第１及び第２の開口を通過した前記第１及び第２の分岐光ビームを検出して第１及び第２の検出信号を出力する検出部と、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記載置部の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする自動焦点調節装置が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の自動焦点調節機構においては、検査対象試料の表面に形成されるパターンに依存することなく、安定して焦点誤差が検出され正確に焦点を調節することができる。また、本発明の光学画像取得装置においては、この自動焦点調節機構を利用することによって検査対象試料に焦点を合わせて検査対象試料の光学画像を撮像することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る自動焦点調節機構を備えた光学画像取得装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した開口絞りを示す模式図である。
【図３】（ａ）は、図１に示した焦点調節用開口絞りを示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した開口における開口関数を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、図１に示した焦点調節用開口絞りが配置される焦点調節用開口面における反射光ビームの光量分布を等高線で示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した光量分布を示すグラフである。
【図５】図３（ａ）に示した開口を通過する反射光ビームの光量を示す模式図である。
【図６】近視野領域及び遠視野領域における光ビームの一般的な性質を説明する為の説明図である。
【図７】（ａ）は、従来技術の焦点調節用開口絞りを示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した開口を通過する反射光ビームの光量を示す模式図であり、（ｃ）は、（ａ）に示した開口における開口関数を示すグラフである。
【図８】図７に示した開口を通過する透過光ビームのｘ軸に平行な直線上における光量分布を示すグラフである。
【図９】図１に示した焦点調整用開口絞りの開口形状における他の例を示す模式図である。
【図１０】図１に示した焦点調整用開口絞りの開口形状における他の例を示す模式図である。
【図１１】図１に示した焦点調整用開口絞りの開口形状における他の例を示す模式図である。
【図１２】図１に示した焦点調整用開口絞りの開口形状における他の例を示す模式図である。
【図１３】図１に示した焦点調整用開口絞りの開口形状における他の例を示す模式図である。
【図１４】図１に示した焦点調整用開口絞りの開口形状における他の例を示す模式図である。
【図１５】（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る自動焦点調整機構の焦点調整用開口絞りを示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した開口形状の一部を構成する曲線を示すグラフであり、（ｃ）は、（ａ）に示した開口における開口関数を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、必要に応じて図面を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る自動焦点調節機構を備える光学画像取得装置を説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る自動焦点調節機構を備える光学画像取得装置の概略構成を示している。この光学画像取得装置は、図１に示されるように、検査対象試料１０、例えば、マスクが載置部１２に載置されている。この検査対象試料１０に形成されたパターンは、光学像受光部２２によって撮像される。この光学画像取得装置に設けられる自動焦点調節機構は、検査対象試料１０の表面に対物レンズ５２の焦点を合わし、焦点が合った状態で両者間の距離を一定に保持するように、検査対象試料１０が載置された載置部１２の光軸上の位置を調節している。自動焦点調節機構では、後に説明されるように、観察用光源１４から射出された観察用光ビームが検査対象試料１０の表面で反射され、反射された反射光ビームの光量が焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂによって検出される。自動焦点調節機構は、焦点誤差に相当する検出光量の光量差に基づいてフィードバック処理を実施する。即ち、自動焦点調節機構は、載置部１２の光軸上位置に応じて変化する検出光量に応じて載置部１２の位置を調整し、載置部１２を合焦位置に調節している。検査対象試料１０が載置される載置部１２が合焦位置に自動焦点調節装置によって維持されることから、光学像受光部２２で焦点が合った検査対象試料１０の表面の光学画像が撮像される。撮像された光学画像データは、パターン検査装置（図示せず）等へ出力され、このパターン検査装置によって検査対象試料の欠陥等が検査される。
【００１９】
検査対象試料１０には、例えば、微細な回路パターンをウエハ及びガラス等の感光性基板上に焼き付け転写する為のレクチル及びフォトマスク等の原版、並びに、これらの原版上のパターンが転写されたウエハ及びガラス等の基板が挙げられる。本発明の実施の形態の説明では、説明を簡略とする為に、検査対象試料１０としてマスクが載置部１２に載置される例を説明するが、当然にマスクに限定されるものではなく、他の検査対象試料１０にも適用することができることは明らかである。また、パターンが形成されたマスクの表面（マスク面）は、単にパターン形成面と称して説明を簡略化していることも注意されたい。
【００２０】
図１に示される光学画像取得装置は、載置部１２に載置されたマスク１０に向けて観察用光ビームを照射する観察用光源１４を備え、観察用光源１４から発生された観察用光ビームは、観察用開口１８及び焦点調節用スリット２０が形成された視野絞り１６に向けられる。この視野絞り１６を通過した観察用光ビームは、投光レンズ５０に向けられる。この投光レンズ５０を通過した観察用光ビームは、ビームスプリッタ５４に向けられ、このビームスプリッタ５４で反射されて対物レンズ５２に導かれている。対物レンズ５２を通過しした観察用光ビームは、集光されて検査対象試料１０上のパターン形成面に照射される。この検査対象試料１０は、載置部１２に載置され、載置部１２は、パターン形成面に入射する観察用光ビームの光軸に沿って移動可能に設けられている。焦点調整装置３６によって載置部１２がこの光軸に沿って変位され、パターン形成面に対物レンズ５２が焦点合わせされて焦点が合わされた状態で両者間の距離が一定に維持される。また、載置部１２は、光軸に直交する平面上を移動可能に設けられ、微動機構（図示せず）によって載置部１２がこの平面内で微動されてパターン形成面上の撮像領域が変更される。観察用光源１４と検査対象試料１０との間の光学系において、視野絞り１６は、載置部１２に載置されたマスク１０のパターン形成面に共役な面に配置されている。
【００２１】
図２は、視野絞り１６の形状の一例を示している。この視野絞り１６には、図２に示されるように、検査対象試料１０上の観察領域を定める矩形状の観察用開口１８及び検査対象試料１０上に焦点調整用の投影パターンを形成する細長い矩形状の焦点調節用スリット２０が形成されている。観察用開口１８は、観察用光ビームがパターン形成面上に照射されて撮像領域を形成するように観察用光ビームの照射範囲を制限し、焦点調整用スリット２０は、観察用光ビームがパターン形成面上の焦点調節用領域に照射されるように観察用光ビームの照射範囲を制限する。従って、焦点調整領域には、細長い矩形状のスリット像が焦点調整用スリット２０を通過した観察用光ビームによって投影される。
【００２２】
図１に示される光学画像取得装置においては、マスク面に形成されたパターンが次のように撮像される。観察用開口１８を通過した観察用光ビームは、投光レンズ５０を通過し、ビームスプリッタ５４で反射される。ビームスプリッタ５４で反射された照射観察用ビームは、対物レンズ５２によってマスク１０のパターン形成面上の撮像領域に導かれる。パターン形成面で反射された反射光ビームは、結像光学系により光学像受光部２２へ導かれる。結像光学系は、例えば、対物レンズ５２、チューブレンズ５６、視野分離ミラー５８、コリメータレンズ６０及び結像レンズ６２を備え、パターン形成面上のパターンのパターン像が光学像受光部２２に結像される。パターン形成面で反射された反射光ビームは、対物レンズ５２、ビームスプリッタ５４及びチューブレンズ５６を介してパターン像の結像面に到達する。反射光ビームは、この結像面に配置された視野分離ミラー５８によってその光路が変更され、コリメータレンズ６０及び結像レンズ６２を介して光学像受光部２２に入射され、反射光ビームのパターン像が光学像受光部２２で撮像される。光学像受光部２２は、例えば、受光画素が２次元配列されているＣＣＤイメージセンサ等のエリアセンサから構成される。
【００２３】
視野分離ミラー５８は、パターン形成面に定められる視野領域内の特定領域（撮像領域）で反射された反射光ビームを選択的に反射させるように配置される。即ち、視野分離ミラー５８は、観察用開口１８を通過してパターン形成面で反射された反射光ビームを反射し、反射観察用スリット２０を通過してパターン形成面で反射された反射光ビームを透過させる。この視野分離ミラー５８は、例えば、反射光ビームの光軸に対して反射光ビームの光路を９０°変更している。
【００２４】
尚、図１に示される光学画像取得装置は、マスク１０のパターン形成面に対向して透過観察用光源３２が配置され、マスク１０のパターン形成面に透過観察用光ビームを照射しても良い。この透過観察用光源３２からの、透過観察用ビームは、マスク１０を透過し、マスク１０パターン形成面上の撮像領域から対物レンズ５２に向けて射出され、光学結像系を介して光学像受光部２２に導かれ、パターン形成面に形成されたパターンが撮像されても良い。
【００２５】
次に、上述した光学画像取得装置における対物レンズ５２の焦点をマスク１０のパターン形成面に合わせる自動焦点調節機構について説明する。自動焦点調節機構では、図１に示されるように、視野絞り１６に形成された焦点調節用スリット２０を通過した観察用光ビームは、投光レンズ５０を通過し、ビームスプリッタ５４で反射される。ビームスプリッタ５４で反射された観察用光ビームは、対物レンズ５２によってパターン形成面上に焦点調整用の投影パターンを形成する。焦点調整用の投影パターンは、焦点調節用スリット２０の形状に対応して細長い矩形状のスリット像として形成される。これらの観察用光源１４、視野絞り１６、ビームスプリッタ５４及び対物レンズ５２は、パターン形成面上にスリット像を形成するスリット像形成装置を構成している。
【００２６】
スリット２０を通過した観察用光ビームは、パターン形成面で反射される。パターン形成面のスリット像が投影された領域、即ち、焦点調節用領域から反射された反射光ビームは、視野分離ミラー５８を透過し、再結像光学系６４へ導かれる。再結像光学系６４に到達した反射光ビームは、再結像光学系６４によって再結像面に再結像される。再結像光学系６４及び再結像面間であって、再結像面に比較的近い空間には、入射する反射光ビームを略等分に分離するハーフミラー６６が配置されている。再結像光学系６４から入射される反射光ビームは、ハーフミラー６６によって第１及び第２の分岐光ビームに分岐され、第１及び第２の分岐光ビームは、夫々第１及び第２光路に進行される。第１光路には、再結像光学系６４で定められる再結像面を基準に前方（ハーフミラー６６の側）に焦点調整用開口絞り２４Ａが配置され、この絞り２４Aを通過した第１の反射光ビームを検出する焦点調整用受光器２８Ａが設けられている。即ち、第１光路においては、再結像光学系６４で定められる再結像面と焦点調整用受光器２８Ａとの間に焦点調整用開口絞り２４Ａが配置される。また、第２光路には、再結像光学系６４で定められる再結像面６８を基準に後方（ハーフミラー６６とは反対の側）に焦点調整用開口絞り２４Ｂが配置され、この絞り２４Aを通過した第２の反射光ビームを検出する焦点調整用受光器２８Ｂが設けられている。即ち、第２光路においては、再結像光学系６４で定められる再結像面６８と焦点調整用受光器２８Ｂとの間に焦点調整用開口絞り２４Ｂが配置される。ここで、再結像光学系６４で定められる再結像面とは、パターン形成面の位置が撮像光学系の撮像位置に調整されている場合においてパターン形成面上に投影されたスリット像が再結像光学系６４によって結像される像面に相当している。
【００２７】
再結像光学系６４は、入射される反射光ビームを結像できればどのように構成されても良い。自動焦点調節機構における結像光学系は、図１に示される光学系おいて、対物レンズ５２、チューブレンズ５６、再結像光学系６４及びハーフミラー６６から構成される。焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂは、例えば、受光画素を２次元配列したＣＣＤイメージセンサ等のエリアセンサから構成される。
【００２８】
焦点調整用開口絞り２４Ａは、第１光路における再結像面を基準に前方に距離ｄだけ離間して配置されている。即ち、距離ｄは、ハーフミラー６６から再結像面までの距離から、ハーフミラー６６から焦点調整用開口絞り２４Ａまでの距離を引いた値に等しい。第１光路に導かれた反射光ビームは、焦点調整用開口絞り２４Ａに向けられ、焦点調整用開口絞り２４Ａに形成された開口２６を通過した反射光ビームの光量分布が焦点調整用受光器２８Ａによって検出される。また、焦点調整用開口絞り２４Ｂは、第２光路における再結像面６８の後方に距離ｄだけ離間して配置されている。即ち、距離ｄは、再結像面６８から焦点調整用開口絞り２４Ｂまでの距離を示している。第２光路に導かれた反射光ビームは、焦点調整用開口絞り２４Ｂに向けられ、焦点調整用開口絞り２４Ｂに形成された開口２６を通過した反射光ビームの光量分布が焦点調整用受光器Ｂによって検出される。
【００２９】
図３（ａ）には、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂに形成される開口２６の形状の一例が模式的に示されている。焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６は、図３（ａ）に示されるように、略菱形状に形成されている。図３（ａ）において、開口２６の中心点が原点に定められ、開口２６の長手方向にｙ軸（光軸に直交する中心軸）及び開口２６の短手方向にｘ軸（光軸及び中心軸に直交する直交軸）を定める。位置ｘにおいてｙ軸と平行な直線が開口２６内側に含まれる線分の長さを断面長の総和（または開口関数）と称し、関数ｇ（ｘ）と表わす。ここで、開口２６の短手方向の対角線は、長さｓを有する。この関数ｇ（ｘ）は、図３（ｂ）に示されるように、ｘ＝０において最大値をとり、−ｓ／２≦ｘ＜０において単調増加し、０＜ｘ≦ｓ／２において単調減少する。
【００３０】
このｘｙ座標系は、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂが配置される焦点調整用開口面上に定められる座標系であって、他の図においても同様に定められる。
【００３１】
焦点調整用開口絞り２４Ａ及び焦点調整用開口絞り２４Ｂに形成される開口２６の形状は、互いに同一形状に形成される場合に限らず、後に説明されるような形状に形成されれば、互いに異なる形状であってもよい。この開口２６の形状が異なる形状に定められる場合には、開口２６の形状に応じて信号が処理されるように信号処理部３４の設定が変更されればよい。
【００３２】
図４（ａ）は、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂが配置される焦点調整用開口面におけるスリット像の光量分布の典型的な例を等高線表示で示している。図４（ａ）において、図３（ａ）に示した焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂと同様に、ｘ軸及びｙ軸が定められる。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示されるｘ軸上におけるスリット像の光量分布を示している。焦点調整用開口面と再結像面との距離ｄが後述するある一定範囲の距離にあるときには、このｘ軸上における光量分布は、開口２６の形状等に応じて定まる関数ｆ（ｘ）及び焦点調整用開口面と再結像面との距離ｄを使用してｆ（ｘ／ｄ）／ｄと表わされる。スリット像は、再結像面において鮮明に形成される。即ち、再結像面では、図２に示したスリット２０と同様な略矩形状のスリット像が形成される。しかしながら、焦点調整用開口面では、スリット像は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示されるように、ボケて、スリット像の光量分布は、広がりを有する。
【００３３】
図５は、図４（ａ）に示したスリット像の光量分布に図３（ａ）に示した焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６を重ね合わせて示している。焦点調節用開口絞りにスリットを通過する反射光ビームの光量、即ち、図５に示されるように、開口２６の内側に分布している全光量が焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂによって検出される。
【００３４】
焦点調節用開口絞り２４Ａ，２４Ｂを通過した反射光ビームの夫々の光量は、焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂによって検出される。焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂは、検出光量に応じた光量検出信号を出力し、この光量検出信号は、信号処理部３４へ伝達される。信号処理部３４において、２つの光量検出信号は、差動増幅回路を通過し、適切な周波数応答を有する増幅回路を経て、光量差信号が算出される。この光量差信号に応じたフィードバック量を有するフィードバック信号が焦点誤差信号として焦点調節装置３６へ伝達される。焦点調節装置３６は、伝達されたフィードバック信号（焦点誤差信号）に応じて照射光ビームの光軸に沿った方向に載置部１２の位置を調整変更する。
【００３５】
パターン形成面の位置が所望の位置に調節されていない場合、即ち、パターン形成面及び対物レンズ５２間の距離が所定の距離（撮像距離）に保持されていない場合には、パターン形成面の位置に応じた焦点誤差が発生する。この場合、再結像光学系６４によって再結像されるスリット像は、スリット像が再結像されるべき再結像面から反射光ビームの光路上における前方または後方に形成される。スリット像の再結像面が所望の再結像面からずれた位置に形成されると、焦点調整用受光器２８Ａ及び焦点調整用受光器２８Ｂで検出される光量は、一方では増加し、他方では減少される。
【００３６】
例えば、反射光ビームの光路上においてスリット像の再結像面が所望の再結像面の前方に形成される場合、第１光路では、再結像面及び焦点調整用開口絞り２４Ａ間の距離が小さくなる。この場合、焦点調整用開口面における光量分布の広がりが小さくなることから、焦点調整開口絞り２４Ａに形成される開口２６を通過する透過光ビームの光量は、増加する。また、第２光路では、再結像面６８及び焦点調整用開口絞り２４Ｂ間の距離が大きくなり、焦点調整用開口面における光量分布の広がりが大きくなる。このため、焦点調整開口絞り２４Ｂに形成される開口２６を通過する透過光ビームの光量は、減少する。従って、焦点調整用受光部２８Ａ，２８Ｂの夫々によって検出される光量が一致するように（焦点誤差信号が零となるように）フィードバック制御されてパターン形成面の位置が所望の位置に調節される。従って、このように載置部１２が制御されることによって常に焦点調節された状態でマスク面の画像を撮像することができる。
【００３７】
なお、信号処理部３４及び焦点調節装置３６は、次のように光量検出信号を処理して載置部１２の位置を制御してもよい。即ち、信号処理部３４は、焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂの夫々で検出された光量に応じた光量検出信号ＩＡ，ＩＢに対して、信号ノイズを除去し、加算回路、減算回路及び除算回路により、（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ）を演算する。ここで、差（ＩＡ−ＩＢ）は、焦点調整用開口絞り２８Ａ，２８Ｂで検出される反射光ビームの光量の差に応じた値を表わす。この演算結果は、和（ＩＡ＋ＩＢ）で除算することで規格化されている。信号処理部３４は、光量差信号と予め設定されるフィードバック目標値との差を監視する。その差がパターン形成面を想定した所定の閾値を超えた場合、信号処理部３４は、その値に応じて載置部の位置を調整するよう焦点調節装置３６に指令をする。
【００３８】
次に、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂが配置される領域について説明する。
【００３９】
パターン形成面に投影されるスリット像と共役な再結像面には、幅ａ及び高さｂを有するスリット像が再結像される。ここで、幅ａ及び高さｂは、ａ＜ｂを満たす。第１光路において、所望の再結像面から第１光路上に沿って距離ｄ離間した前方に焦点調整用開口絞り２４Ａが配置されている。また、第２光路において、所望の再結像面６８から第２光路上に沿って距離ｄ離間した後方に焦点調整用開口絞り２４Ｂが配置されている。この距離ｄは、反射観察用光源１４が射出する光ビームの波長λに対して、ａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λを満たすように定められる。再結像光学系６４によって結像されるスリット像は、再結像面から離れるに従ってボケ（焦点誤差が生じ）、その光量分布も変形する。
【００４０】
図６を参照して、近視野領域及び遠視野領域におけるコヒーレントな光ビームのビーム径及び光量分布を一般的に説明し、スリット像の再結像面と焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂとの距離ｄを設定する方法を説明する。図６は、レンズ（図示せず）によって収束された光ビームがスリット８０を通過する様子を模式的に示している。波長λを有するコヒーレントな光ビームは、図６に示されるように、矢印方向へ進行している。光ビームのビームウエスト（ビームが一番細くなる位置）には、幅ｃのスリット８０が配置されている。結像面から距離ｄ１離間し、結像面に平行な平面Ａは、ｄ１＜ｃ２／２λを満たす領域に定められている。ｄ１＜ｃ２／２λを満たす領域は、スリットの幅方向に関して回折理論における近視野領域（フレネル回折領域）にあたる。また、結像面から距離ｄ２離間し、結像面に平行な平面Ｂは、ｄ２＞ｃ２／２λを満たす領域に定められる。ｄ２＞ｃ２／２λを満たす領域は、スリットの幅方向に関して遠視野領域（フラウンホーファ回折領域）にあたる。
【００４１】
近視野領域では、平面Ａが光ビームの進行方向に変位してもビーム径は、略ｃに保持される。平面Ａにおける光ビームの断面形状は、平面Ａが光ビームの進行方向への微小な変位に対して、干渉効果によって大きく変形し、或いは、波打つ。このような近視野領域に対して、遠視野領域では、光ビームは、ある１点を中心に略円錐形状に広がって進行する。即ち、ビームウエストからの距離ｄ２に比例してビーム径が増大する。また、平面Ｂにおける光ビームの略断面形状は、距離ｄ２に応じて拡大された相似形状となる。
【００４２】
また、インコヒーレントな光ビームの場合には、瞳面上の各点毎に上述の分布形状が重ね合わされた状況となる。そのため、コヒーレントな光ビームの場合と同様に、遠視野領域においては、光ビームのビーム径は、ビームウエストからの距離に比例して増大し、光ビームの断面形状は、ビームウエストからの距離に比例して拡大された略相似形状となる。近視野領域においては、ビーム径は、略ｃに保持され、断面形状は、光ビームの進行方向への微小な変位に対して、干渉効果によって大きく変形する。
【００４３】
本実施の形態では、図６に示したスリット８０（ビームウエスト）の位置は、スリットの再結像面に対応する。焦点調整用開口２４Ａ，２４Ｂが再結像面に比較的近接した領域（ｄ＜ａ２／２λ）に配置されるとすると、この領域は、スリット像の幅方向に関して回折理論における近視野領域（フレネル回折領域）にあたる。反射観察用光源にコヒーレント光源が採用される場合、再結像面からの距離が離れるに従って光量分布は、干渉効果によって複雑に変形する一方、光量分布全体としての分布の広がり幅は、ほとんど変化しない。即ち、この領域（ｄ＜ａ２／２λ）では、スリット像の光量分布における幅方向の広がりは、再結像面からの距離の依存性が小さい。従って、この領域に焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂを配置すると、焦点調整用受光部２８Ａ，２８Ｂによって検出される光量は、焦点位置のずれに対する依存性が小さくなる。即ち、光量分布の広がり幅が再結像面と焦点調整用開口との距離ｄに応じて変化しないことから、焦点誤差検出におけるＳＮ比が向上しない。このことは、程度の差は、生じるものの、反射観察用光源１４にインコヒーレント光源が採用される場合にも、同様である。
【００４４】
また、焦点調整用開口２４Ａ，２４Ｂが再結像面からの距離ｄがａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λを満たす領域に配置されるとすると、この領域は、スリット像の光量分布の幅方向に関して遠視野領域（フラウンホーファ回折領域）となる。この領域では、再結像面に平行なある平面における反射光ビームの光量分布は、図４（ｂ）に示されるように、幅方向の広がりを有する。この光量分布は、前述したように、ｆ（ｘ／ｄ）／ｄで表わされ、再結像面からの距離ｄに依存する。即ち、光量分布の形状は、再結像面からの距離ｄに比例して幅方向に単純な相似拡大となる。光量分布は、距離ｄが大きくなるに従って幅方向に拡大し、光量分布の強度値は、少される。
【００４５】
また、この領域（ａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λ）は、長さ方向に関して近視野領域にあたる。即ち、再結像面からの距離ｄがｄ＜ｂ２／２λを満たす領域において、スリット像の長手方向の光量分布は、両端部付近を除き略一様な分布を有する。従って、焦点調整用開口位置における幅方向に沿った光量分布は、焦点調整用開口位置のどの幅方向に対しても同様な分布を有する。この領域におけるスリット像の光量分布に関しては、反射観察用光源１４にコヒーレント光源が採用される場合に限らず、インコヒーレント光源であっても同様な光量分布となる。従って、再結像面からの距離ｄがａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λを満たす領域に焦点調整用開口２４Ａ，２４Ｂが配置されることで、焦点誤差を安定して検出できる。
【００４６】
次に、図７（ａ）から図８を参照して、焦点調整用開口絞りの開口が単純な矩形形状に形成されている例を比較例として説明する。
【００４７】
図７（ａ）は、開口９６が単純な矩形に形成されている焦点調整用開口絞り９４を模式的に示している。焦点調整用開口絞り９４の開口９６は、図７（ａ）に示されるように、幅ａを有して略長方形状（矩形形状）に形成されている。この焦点調整用開口絞り９４を利用した自動焦点調節装置では、焦点調整用開口絞り９４に形成される略長方形状の開口９６を通過する光量が検出される。この光量は、焦点誤差によってスリット像の再結像面が所望の再結像面からずれた位置に形成され、スリット像の再結像面から焦点調整用開口位置までの距離に依存して変化される。焦点調整用開口絞りが図７（ａ）に示される矩形状の開口に形成される場合、パターン形成面における回折作用によって焦点誤差を検出するのに充分な光量検出信号が得られない虞がある。パターン形成面に投影されたスリット像は、パターン形成面で反射される際に、マスク面に形成されるパターンによって回折される。このスリット像の回折パターンによっては、焦点調整用開口を通過する光量が低減される。
【００４８】
スリット像の再結像面からの距離ｄがａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λを満たす領域では、幅方向の光量分布は、上述したように、距離ｄに対してｆ（ｘ／ｄ）／ｄのように変化する。図８に示されるように、開口９６の両端（ｘ＝±ａ／２）において、分布形状の微分値がゼロ、或いは、開口９６の内側から外側に向かって強度が上昇するような分布の場合には、信号処理部３４から出力される光量差信号が本来の値と逆符号となることがある。従って、このような場合、正常に焦点位置を調節することができない虞がある。また、光量検出信号が本来の値と逆符号とならないまでも、パターンに依存して光量検出信号が様々に変化すると、フィードバック量（焦点誤差信号値）を適切に設定することが困難になる。
【００４９】
これに対して、本実施の形態に係る自動焦点調節機構では、焦点調節用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６は、図３に示すような略菱形状に形成されている。図３に示される開口２６の最大幅は、対物レンズ５２の瞳面の両端夫々から再結像面のスリット像の中央に至る光路が焦点調整用開口面と交差する２点間の距離よりも大きく形成される。即ち、開口２６の最大幅は、焦点調整用開口面におけるスリット像の短手方向の光量分布の主要部分が含まれるように形成される。このように開口２６の最大幅が定められることにより、対物レンズで解像可能な最大限細かなパターンがマスク面上に形成されたとしても、焦点調節用開口絞り２４Ａ，２４Ｂによってスリット像を確実に捉えることができる。また、焦点誤差に対する光量検出信号の変化量がパターンにほとんど依存しないように設計することが可能となり、焦点調節装置３６へ伝達されるフィードバック信号（焦点誤差信号）のフィードバック量を容易に設定することができるようになる。
【００５０】
焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６は、図３に示したように略菱形状に形成される場合に限らず、開口２６を略等分するスリット像の長手方向に対応する方向に沿った中心線（ｙ軸）から外側に行くに従って開口２６の大きさが徐々小さくなればよい。図９から図１４には、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂにおける開口２６の形状の変形例が示されている。焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６は、図９に示されるように、複数の正方形が対角線を一致させて（または、複数の菱形にあっても対角線を一致させて）スリット像の長手方向に沿って並列させた形状に形成されてもよい。また、図１０に示されるように、複数の三角形（２等辺三角形）がその頂点を開口像の中心軸上に配置されるように長手方向に沿って並列させてもよく、図１１に示されるように、複数の三角形及び長方形を組み合わせた形状であってもよい。さらに、図１２に示されるように、開口像の中心軸に関して対称に形成されていない形状であってもよい。このように、開口２６を複数の小さな正方形または三角形等の形状に形成すると、焦点調整用開口絞りの強度を高めることができ、調整が容易になる等の効果も考えられる。
【００５１】
また、焦点調整用開口絞りの開口は、図１３に示されるように、略菱形形状に形成され、その菱形の上下の頂点部分が切断されて形成される六角形状に形成されてもよい。マスク面にパターンが形成されていない場合においても、焦点調整用開口面におけるスリット像は、最小限ある程度の広がり幅を有している。開口２６をこのような菱形の上下の頂点部分を切断して形成することによってフィードバック量の調整が容易になり、安定性を増すことができる。
【００５２】
さらにまた、図１４に示されるように、開口２６を定める開口２６の周囲の境界線（開口２６の外形線）は、曲線状に定められてもよい。このように、中心線から外側にいく従って開口２６の大きさが非線形関数に従って減少するような形状でもよい。自動焦点調整機構のシステム構成によっては、このように非線形性を加えることによって、最終的に差動増幅回路から出力される信号（焦点誤差信号）の焦点誤差に対するリニアリティを向上することができる。
【００５３】
図３（ａ）及び図９から図１４に示される開口２６の形状は、中心線から外側に向かって徐々に開口２６の大きさが小さくなる条件を満たす。即ち、中央に原点を定め、スリット像の短手方向に対応する方向にｘ軸を定め、位置ｘにおける開口２６の長手方向の断面長の総和をｇ（ｘ）とした場合、このｇ（ｘ）は、ｘが原点から離れるに従って減少する。この条件を満たす開口２６であれば、上述した例に限られず、本発明の範囲に含まれることは、明らかである。
【００５４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る自動焦点調節機構を備える光学画像取得装置は、第１の実施の形態と同様の構成を備えている。第２の実施の形態では、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６の形状は、図１５（ａ）に示されるように、開口２６を定める境界線（開口２６の外形線）が直線及び曲線を組み合わせた形状に形成されている。この開口２６を定める各曲線は、図１５（ｂ）に示されるような対数関数を上下或いは左右方向に圧縮した曲線によって定められる。図１５（ａ）において点線で囲まれた部分に示される開口２６を定める境界線は、図１５（ａ）において点線で囲まれた部分に示される曲線の形状に従って定められている。
【００５５】
焦点調整用開口面上において、開口２６の中心点を原点に定め、開口２６の短手方向にｘ軸及び開口２６の長手方向にｙ軸を定める。位置ｘにおいてｙ軸と平行な直線が開口２６内側に含まれる線分の長さを断面長の総和（または、開口関数）と称し、関数ｇ（ｘ）と表わす。この開口関数ｇ（ｘ）は、図１５（ｃ）に示されるように、ｘがゼロを基準として増大または減少するに従って減少する。
【００５６】
次に、図１５（ａ）に示される開口２６の形状を定める方法を説明する。焦点調整用開口面は、所望の再結像面及び焦点調整用開口面間の距離ｄがａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λを満たす領域に配置されている。ｘ軸上における光量分布は、開口２６の形状等に応じた関数ｆ（ｘ）によってｆ（ｘ／ｄ）／ｄと表わされる。このとき、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６を通過する光量Ｉ（ｄ）は、下記式となる。
【数１】
【００５７】
この数式１において、ｇ（ｘ）は、ある値ｘｍａｘに対して｜ｘ｜＞ｘｍａｘのときｇ（ｘ）＝０となるような関数であるとする。従って、積分区間を−∞から＋∞までとしても−ｘｍａｘからｘｍａｘまでとしても同じである。
【００５８】
焦点誤差に応じてｄが変化すると、光量Ｉ（ｄ）の変化量Ｉ´（ｄ）は、下記式で表わされる。
【数２】
【００５９】
この数式２において、ｆ´及びｇ´は、夫々ｆ及びｇの一階の微分関数を表わす。わずかな焦点誤差によってｄがわずかに変化したときに、２つの焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂで検出される光量検出信号の差を演算して得られる光量差信号は、ｄの変化量にこのＩ´（ｄ）を掛けたものに比例する。
【００６０】
ここで、マスク面に形成されるパターンによって焦点調整用開口面における光量分布が変化されるとする。即ち、パターン面によって関数ｆ（ｘ）の関数形が変化されるとする。光量分布が変化されたとしても、瞳内の全体としての光量、即ち、開口２６を通過する反射光ビームの光量は、大きく変化しないことが想定できる。従って、この場合にも、下記式の関係が保たれるとしてよい。
【数３】
【００６１】
数式３で表わされる関係が保たれる場合、ｘｇ´（ｘ）＝ｃｏｎｓｔを満たす関数ｇ（ｘ）を定めることで、関数ｆ（ｘ）の関数形が変化しても光量検出値の微分値Ｉ´（ｄ）を不変に保つことができる。即ち、ｘｇ´（ｘ）＝ｃｏｎｓｔとなるような関数ｇ（ｘ）を定めると、焦点誤差による光量の検出量の変化量は、パターン面に形成されるパターンに依存しない。このような関数ｇ（ｘ）は、例えば、
ｇ（ｘ）＝Ａ−Ｂｌｏｇ（｜ｘ｜） 数式４
と定めることができる。従って、図１５（ａ）に示される開口２６は、この数式４に従った曲線で形成されればよい。しかしながら、この関数は、ｘ→０でー∞に発散する。図１５（ｂ）に示されるように、開口２６の上端及び下端が関数ｆ（ｘ／ｄ）／ｄの変化に対して充分細い幅になるようにｇ（ｘ）が有限の値を有する範囲を定め、この範囲における曲線に従って開口２６の境界線を定める。これにより、実用的な開口２６形状を得ることができる。図１５（ａ）に示されるように、開口２６は、上端及び下端が直線状に切り取られた形状に形成される。図１４（ａ）に示される破線状の長方形に含まれる開口２６の境界線は、図１４（ｂ）に示される破線状長方形を上下及び左右に拡大及び縮小して、上辺及び左辺が、夫々ｘ軸及びｙ軸に接するように対応づけられて定められる。
【００６２】
このような開口形状を焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂに形成することで、マスク面上にいかなるパターンが形成される場合にも、焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂによって検出される光量検出信号から演算される光量差信号は、焦点誤差に対して一定の出力値を出力することが可能となり、信号処理部３４がこの光量差信号に応じて焦点調整装置３６にフィードバック信号を返すことでより安定したフィードバック制御が可能となる。
【００６３】
以上のように、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６形状を対数関数に従った曲線によって定めることで光量検出信号のマスク面に形成されるパターン依存性を低減できる。また、対数関数に従った開口２６形状としなくても、単に開口２６中心に対して凸となるような曲線を組み合わせた開口２６形状、例えば、図１３に示した開口２６形状であっても、同様にパターン依存性を低減できる。
【符号の説明】
【００６４】
１０…検査対象試料（マスク）、１２…載置部、１４…反射観察用光源、１６…視野絞り、１８…観察用開口、２０，８０…スリット、２２…光学画像受光部、２４Ａ，２４Ｂ，９４…焦点調整用開口絞り、２６，９６…開口、２８Ａ，２８Ｂ…焦点調整用受光器、３２…透過観察用光源、３４…信号処理部、３６…焦点調節装置、５２…対物レンズ、５４…ビームスプリッタ、５６…チューブレンズ、５８…視野分離ミラー、６０…コリメータレンズ、６２…結像レンズ、６４…再結像光学系、６６…ハーフミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点を調節する自動焦点調節機構並びにこの自動焦点調節機構を備え、マスク等の検査対象試料の表面に形成されたパターンの光学画像を取得する光学画像取得装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板に回路パターンを転写するリソグラフィ装置及び半導体集積回路のパターンを検査する欠陥検査装置等の光学装置においては、回路パターンサイズと同一或いは回路パターンサイズ以下の高い解像度で光学像が取得されることが必要とされる。このように高い解像度での光学像の取得を実現するためには、半導体基板等の検査対象試料及び対物レンズ間の距離を一定に保ち、検査対象試料上に焦点を合わせる自動焦点調節機構が必須となり、この自動焦点調節機構の高精度化が要請されている。
【０００３】
自動焦点調節機構には、種々の方式があり、例えば、特許文献１には、光梃子方式による自動焦点調節機構が開示されている。この方式では、検査対象試料の表面に対して斜め方向から光ビームが照射され、検査対象試料の表面で反射された反射光ビームが受光センサで検出される。受光センサからの検出出力が光軸に沿った検査対象試料の表面位置に依存して変化されることを利用して焦点が調整される。即ち、この検出出力は、検査対象試料の表面位置の変位情報を含み、従って、この検出出力から検査対象試料の表面の高さ位置に相関する焦点誤差信号が導出される。焦点誤差信号は、制御回路にフィードバックされ、検査対象試料が載置される載置部が制御されて撮像位置（所謂フォーカス位置）に高精度で配置される。その結果として、検査対象試料は、主光学系としての撮像光学系に対して常に高精度で焦点が合わされるようにその表面位置を維持させることができる。
【０００４】
しかしながら、この方式では、パターンを撮像する為の光源に加えてフォーカス用のレーザビームを発生する光源が必要とされ、光学系が複雑化する問題がある。また、光学系が複雑化するに伴い装置のコストが上昇する問題がある。また、装置の光学系を設計する上で制約が加わる問題がある。コストを抑制するために、パターン撮像用光源よりも長い波長の光源を使用すると、その波長の相違が焦点調整誤差に繋がる虞がある。
【０００５】
また、特許文献２には、差動ピンホール方式による自動焦点調節機構、並びに、特許文献３及び特許文献４には、差動スリット方式による自動焦点調節機構が開示されている。これらの方式では、検査対象試料の表面に向けて光ビームが照射され、検査対象試料の表面で反射された反射光ビームがビームスプリッタによって２つの光路に分岐されている。夫々の光路における反射光ビームの光量が検出され、これらの検出光量に基づいて焦点が調整される。
【０００６】
特許文献４に開示される焦点を調節する方法では、載置部に載置された検査対象試料の表面に細長い長方形のスリット像が投影され、検査対象試料の表面で反射された反射光ビームが対物レンズ及び再結像光学系により集光される。この反射光ビームは、ビームスプリッタにより第１及び第２の光路に分岐される。第１の光路には、スリット像が結像レンズによって結像される結像面を基準に検査対象試料側（前方側）に焦点調整用開口絞り及び焦点調整用受光器が設置されている。また、第２の光路には、スリット像が結像レンズによって結像される結像面を基準に検査対象試料とは反対側（後方側）に焦点調整用開口絞り及び焦点調整用受光器が設置される。各焦点調整用開口絞りの開口は、適切な幅に設定された細長い長方形状に形成されている。焦点誤差が発生すると、第１及び第２の光路の一方においては、焦点調整用受光器上のスリット像が広がり、第１及び第２の光路の他方においては、焦点調整用受光器上のスリット像が狭まる。その結果、第１及び第２光路に配置された焦点調整用受光器からの出力信号は、一方が増加し、他方が減少される。従って、この焦点調整用受光器で検出される光量が等しくなるように載置部の位置を制御することで、対物レンズを検査対象試料上に焦点合わせすることができる。
【０００７】
特許文献４に開示される方式においては、検査対象試料の撮像に使用する光源とは異なる光源を設けることが不要とされる。また、これらの方式では、マスク面にパターンが形成されない、或いは、マスク面に形成されたパターンが比較的粗い場合には、第１及び第２の光路の夫々において、スリット像の光量分布が変化される短手方向の主要部分が焦点調整用開口絞りの開口に含まれるように焦点調整用開口絞りが設置されることで高感度に焦点誤差を検出することができる。
【０００８】
しかしながら、この方式においては、検査対象試料（マスク面）上に投影されたスリット像が、検査対象試料上に存在するマスクパターンによって回折作用を受け、焦点調整用開口面における光量分布が乱される虞があり、焦点検出が困難になる問題がある。検査対象試料上に存在するパターンが非常に細かい場合には、パターンによる回折効果が大きくなり、この問題が顕著となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−１０２０１１号公報
【特許文献２】特開平５−２９７２６２号公報
【特許文献３】特開２００７−３０６０１３号公報
【特許文献４】特開２００７−２２５３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、検査対象試料の表面に形成されたパターンが微細になると、検査対象試料の表面で反射される光ビームが回折される問題がある。この回折を原因として、焦点調整用開口面におけるスリット像の光量分布が変化され、かつ、広がりを有するようになる。特に、焦点調整用開口絞りが長方形状の開口に形成される自動焦点調節機構では、焦点調整用受光器で検出される光量が極端に減少する問題がある。また、焦点調整用開口絞りの開口端部における光量分布が低減されると、正常に焦点誤差を検出することができない問題がある。これらは、検査対象試料の表面に形成されるパターンによる回折作用によって生じる。しかしながら、パターンは、検査対象の試料毎に異なり、回折による光量変化を予め想定することができない問題がある。従って、検査対象試料の表面に形成されるパターンに依存することなく、確実に焦点誤差を検出することができる自動焦点調節機構及びこの自動焦点調節機構を備えた光学画像取得装置の開発が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、検査対象試料の表面に形成されるパターンに依存することなく、確実に焦点調節することができる自動焦点調節機構及びこの自動焦点調節機構を備えた光学画像取得装置を提供することにある。
【００１２】
本発明によれば、
パターン形成面を有する検査対象試料を光軸に沿って移動可能に載置保持する載置部と、
前記パターン形成面上の第１の領域に第１の観察用光ビームを照射し、長手方向及び短手方向を有する略矩形状に定められる前記パターン形成面上の第２の領域に第２の観察用光ビームを照射する光源と、
前記第１の領域から反射あるいは透過された第１の反射光ビームを検出して前記パターン形成面を撮像する光学画像取得部と、
前記第２の領域から反射された第２の反射光ビームを第１及び第２の分岐光ビームに分岐し、この第１及び第２の分岐光ビームを夫々第１及び第２光路に導き、前記パターン形成面が前記光学画像取得部の撮像位置に位置されて焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の分岐光ビームが第１及び第２の結像面に結像される焦点合わせ光学系と、
前記第１光路において、前記第１の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料の側に離間して配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第１の中心軸及びこの第１の中心軸に直交する第１の直交軸を有する第１の開口を備える第１の開口絞りであって、
前記第１の中心軸に沿って第１の開口長を定め、当該第１の開口長が前記中心軸から前記第１の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第１の開口絞りと、
前記第２光路において、前記第２の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料から離間する方向に配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第２の中心軸及びこの第２の中心軸に直交する第２の直交軸を有する第２の開口を備える第２の開口絞りであって、
前記第２の中心軸に沿って第２の開口長を定め、当該第２の開口長が前記中心軸から前記第２の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第２の開口絞りと、
前記第１及び第２の開口を通過した前記第１及び第２の分岐光ビームを検出して第１及び第２の検出信号を出力する検出部と、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記載置部の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする光学画像取得装置。
【００１３】
また、本発明によれば、
パターン形成面を有する検査対象試料を光軸に沿って移動可能に載置保持する載置部と、
前記検査対象試料に前記パターン形成面と対向する面側から入射され、パターン形成面上の第１の領域を透過する第１の観察用光ビームを照射する第１の光源と、
長手方向及び短手方向を有する略矩形状に定められる前記パターン形成面上の第２の領域に第２の観察用光ビームを照射する第２の光源と、
前記第１の領域を透過した透過光ビームを検出して前記パターン形成面を撮像する光学画像取得部と、
前記第２の領域から反射された反射光ビームを第１及び第２の分岐光ビームに分岐し、この第１及び第２の分岐光ビームを夫々第１及び第２光路に導き、前記パターン形成面が前記光学画像取得部の撮像位置に位置されて焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の分岐光ビームが第１及び第２の結像面に結像される焦点合わせ光学系と、
前記第１光路において、前記第１の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料の側に離間して配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第１の中心軸及びこの第１の中心軸に直交する第１の直交軸を有する第１の開口を備える第１の開口絞りであって、
前記第１の中心軸に沿って第１の開口長を定め、当該第１の開口長が前記中心軸から前記第１の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第１の開口絞りと、
前記第２光路において、前記第２の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料から離間する方向に配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第２の中心軸及びこの第２の中心軸に直交する第２の直交軸を有する第２の開口を備える第２の開口絞りであって、
前記第２の中心軸に沿って第２の開口長を定め、当該第２の開口長が前記中心軸から前記第２の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第２の開口絞りと、
前記第１及び第２の開口を通過した前記第１及び第２の分岐光ビームを検出して第１及び第２の検出信号を出力する検出部と、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記載置部の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする光学画像取得装置が提供される。
【００１４】
また、本発明によれば、
パターン形成面を有する検査対象試料を光軸に沿って移動可能に載置保持する載置部と、
長手方向及び短手方向を有する略矩形状に定められる前記パターン形成面上の領域に観察用光ビームを照射する光源と、
前記領域から反射された反射光ビームを第１及び第２の分岐光ビームに分岐し、この第１及び第２の分岐光ビームを夫々第１及び第２光路に導き、焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の分岐光ビームが第１及び第２の結像面に結像される焦点合わせ光学系と、
前記第１光路において、前記第１の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料の側に離間して配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第１の中心軸及びこの第１の中心軸に直交する第１の直交軸を有する第１の開口を備える第１の開口絞りであって、
前記第１の中心軸に沿って第１の開口長を定め、当該第１の開口長が前記中心軸から前記第１の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第１の開口絞りと、
前記第２光路において、前記第２の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料から離間する方向に配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第２の中心軸及びこの第２の中心軸に直交する第２の直交軸を有する第２の開口を備える第２の開口絞りであって、
前記第２の中心軸に沿って第２の開口長を定め、当該第２の開口長が前記中心軸から前記第２の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第２の開口絞りと、
前記第１及び第２の開口を通過した前記第１及び第２の分岐光ビームを検出して第１及び第２の検出信号を出力する検出部と、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記載置部の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする自動焦点調節装置が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の自動焦点調節機構においては、検査対象試料の表面に形成されるパターンに依存することなく、安定して焦点誤差が検出され正確に焦点を調節することができる。また、本発明の光学画像取得装置においては、この自動焦点調節機構を利用することによって検査対象試料に焦点を合わせて検査対象試料の光学画像を撮像することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る自動焦点調節機構を備えた光学画像取得装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した開口絞りを示す模式図である。
【図３】（ａ）は、図１に示した焦点調節用開口絞りを示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した開口における開口関数を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、図１に示した焦点調節用開口絞りが配置される焦点調節用開口面における反射光ビームの光量分布を等高線で示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した光量分布を示すグラフである。
【図５】図３（ａ）に示した開口を通過する反射光ビームの光量を示す模式図である。
【図６】近視野領域及び遠視野領域における光ビームの一般的な性質を説明する為の説明図である。
【図７】（ａ）は、従来技術の焦点調節用開口絞りを示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した開口を通過する反射光ビームの光量を示す模式図であり、（ｃ）は、（ａ）に示した開口における開口関数を示すグラフである。
【図８】図７に示した開口を通過する透過光ビームのｘ軸に平行な直線上における光量分布を示すグラフである。
【図９】図１に示した焦点調整用開口絞りの開口形状における他の例を示す模式図である。
【図１０】図１に示した焦点調整用開口絞りの開口形状における他の例を示す模式図である。
【図１１】図１に示した焦点調整用開口絞りの開口形状における他の例を示す模式図である。
【図１２】図１に示した焦点調整用開口絞りの開口形状における他の例を示す模式図である。
【図１３】図１に示した焦点調整用開口絞りの開口形状における他の例を示す模式図である。
【図１４】図１に示した焦点調整用開口絞りの開口形状における他の例を示す模式図である。
【図１５】（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る自動焦点調整機構の焦点調整用開口絞りを示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した開口形状の一部を構成する曲線を示すグラフであり、（ｃ）は、（ａ）に示した開口における開口関数を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、必要に応じて図面を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る自動焦点調節機構を備える光学画像取得装置を説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る自動焦点調節機構を備える光学画像取得装置の概略構成を示している。この光学画像取得装置は、図１に示されるように、検査対象試料１０、例えば、マスクが載置部１２に載置されている。この検査対象試料１０に形成されたパターンは、光学像受光部２２によって撮像される。この光学画像取得装置に設けられる自動焦点調節機構は、検査対象試料１０の表面に対物レンズ５２の焦点を合わし、焦点が合った状態で両者間の距離を一定に保持するように、検査対象試料１０が載置された載置部１２の光軸上の位置を調節している。自動焦点調節機構では、後に説明されるように、観察用光源１４から射出された観察用光ビームが検査対象試料１０の表面で反射され、反射された反射光ビームの光量が焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂによって検出される。自動焦点調節機構は、焦点誤差に相当する検出光量の光量差に基づいてフィードバック処理を実施する。即ち、自動焦点調節機構は、載置部１２の光軸上位置に応じて変化する検出光量に応じて載置部１２の位置を調整し、載置部１２を合焦位置に調節している。検査対象試料１０が載置される載置部１２が合焦位置に自動焦点調節装置によって維持されることから、光学像受光部２２で焦点が合った検査対象試料１０の表面の光学画像が撮像される。撮像された光学画像データは、パターン検査装置（図示せず）等へ出力され、このパターン検査装置によって検査対象試料の欠陥等が検査される。
【００１９】
検査対象試料１０には、例えば、微細な回路パターンをウエハ及びガラス等の感光性基板上に焼き付け転写する為のレクチル及びフォトマスク等の原版、並びに、これらの原版上のパターンが転写されたウエハ及びガラス等の基板が挙げられる。本発明の実施の形態の説明では、説明を簡略とする為に、検査対象試料１０としてマスクが載置部１２に載置される例を説明するが、当然にマスクに限定されるものではなく、他の検査対象試料１０にも適用することができることは明らかである。また、パターンが形成されたマスクの表面（マスク面）は、単にパターン形成面と称して説明を簡略化していることも注意されたい。
【００２０】
図１に示される光学画像取得装置は、載置部１２に載置されたマスク１０に向けて観察用光ビームを照射する観察用光源１４を備え、観察用光源１４から発生された観察用光ビームは、観察用開口１８及び焦点調節用スリット２０が形成された視野絞り１６に向けられる。この視野絞り１６を通過した観察用光ビームは、投光レンズ５０に向けられる。この投光レンズ５０を通過した観察用光ビームは、ビームスプリッタ５４に向けられ、このビームスプリッタ５４で反射されて対物レンズ５２に導かれている。対物レンズ５２を通過しした観察用光ビームは、集光されて検査対象試料１０上のパターン形成面に照射される。この検査対象試料１０は、載置部１２に載置され、載置部１２は、パターン形成面に入射する観察用光ビームの光軸に沿って移動可能に設けられている。焦点調整装置３６によって載置部１２がこの光軸に沿って変位され、パターン形成面に対物レンズ５２が焦点合わせされて焦点が合わされた状態で両者間の距離が一定に維持される。また、載置部１２は、光軸に直交する平面上を移動可能に設けられ、微動機構（図示せず）によって載置部１２がこの平面内で微動されてパターン形成面上の撮像領域が変更される。観察用光源１４と検査対象試料１０との間の光学系において、視野絞り１６は、載置部１２に載置されたマスク１０のパターン形成面に共役な面に配置されている。
【００２１】
図２は、視野絞り１６の形状の一例を示している。この視野絞り１６には、図２に示されるように、検査対象試料１０上の観察領域を定める矩形状の観察用開口１８及び検査対象試料１０上に焦点調整用の投影パターンを形成する細長い矩形状の焦点調節用スリット２０が形成されている。観察用開口１８は、観察用光ビームがパターン形成面上に照射されて撮像領域を形成するように観察用光ビームの照射範囲を制限し、焦点調整用スリット２０は、観察用光ビームがパターン形成面上の焦点調節用領域に照射されるように観察用光ビームの照射範囲を制限する。従って、焦点調整領域には、細長い矩形状のスリット像が焦点調整用スリット２０を通過した観察用光ビームによって投影される。
【００２２】
図１に示される光学画像取得装置においては、マスク面に形成されたパターンが次のように撮像される。観察用開口１８を通過した観察用光ビームは、投光レンズ５０を通過し、ビームスプリッタ５４で反射される。ビームスプリッタ５４で反射された照射観察用ビームは、対物レンズ５２によってマスク１０のパターン形成面上の撮像領域に導かれる。パターン形成面で反射された反射光ビームは、結像光学系により光学像受光部２２へ導かれる。結像光学系は、例えば、対物レンズ５２、チューブレンズ５６、視野分離ミラー５８、コリメータレンズ６０及び結像レンズ６２を備え、パターン形成面上のパターンのパターン像が光学像受光部２２に結像される。パターン形成面で反射された反射光ビームは、対物レンズ５２、ビームスプリッタ５４及びチューブレンズ５６を介してパターン像の結像面に到達する。反射光ビームは、この結像面に配置された視野分離ミラー５８によってその光路が変更され、コリメータレンズ６０及び結像レンズ６２を介して光学像受光部２２に入射され、反射光ビームのパターン像が光学像受光部２２で撮像される。光学像受光部２２は、例えば、受光画素が２次元配列されているＣＣＤイメージセンサ等のエリアセンサから構成される。
【００２３】
視野分離ミラー５８は、パターン形成面に定められる視野領域内の特定領域（撮像領域）で反射された反射光ビームを選択的に反射させるように配置される。即ち、視野分離ミラー５８は、観察用開口１８を通過してパターン形成面で反射された反射光ビームを反射し、反射観察用スリット２０を通過してパターン形成面で反射された反射光ビームを透過させる。この視野分離ミラー５８は、例えば、反射光ビームの光軸に対して反射光ビームの光路を９０°変更している。
【００２４】
尚、図１に示される光学画像取得装置は、マスク１０のパターン形成面に対向して透過観察用光源３２が配置され、マスク１０のパターン形成面に透過観察用光ビームを照射しても良い。この透過観察用光源３２からの、透過観察用ビームは、マスク１０を透過し、マスク１０パターン形成面上の撮像領域から対物レンズ５２に向けて射出され、光学結像系を介して光学像受光部２２に導かれ、パターン形成面に形成されたパターンが撮像されても良い。
【００２５】
次に、上述した光学画像取得装置における対物レンズ５２の焦点をマスク１０のパターン形成面に合わせる自動焦点調節機構について説明する。自動焦点調節機構では、図１に示されるように、視野絞り１６に形成された焦点調節用スリット２０を通過した観察用光ビームは、投光レンズ５０を通過し、ビームスプリッタ５４で反射される。ビームスプリッタ５４で反射された観察用光ビームは、対物レンズ５２によってパターン形成面上に焦点調整用の投影パターンを形成する。焦点調整用の投影パターンは、焦点調節用スリット２０の形状に対応して細長い矩形状のスリット像として形成される。これらの観察用光源１４、視野絞り１６、ビームスプリッタ５４及び対物レンズ５２は、パターン形成面上にスリット像を形成するスリット像形成装置を構成している。
【００２６】
スリット２０を通過した観察用光ビームは、パターン形成面で反射される。パターン形成面のスリット像が投影された領域、即ち、焦点調節用領域から反射された反射光ビームは、視野分離ミラー５８を透過し、再結像光学系６４へ導かれる。再結像光学系６４に到達した反射光ビームは、再結像光学系６４によって再結像面に再結像される。再結像光学系６４及び再結像面間であって、再結像面に比較的近い空間には、入射する反射光ビームを略等分に分離するハーフミラー６６が配置されている。再結像光学系６４から入射される反射光ビームは、ハーフミラー６６によって第１及び第２の分岐光ビームに分岐され、第１及び第２の分岐光ビームは、夫々第１及び第２光路に進行される。第１光路には、再結像光学系６４で定められる再結像面を基準に前方（ハーフミラー６６の側）に焦点調整用開口絞り２４Ａが配置され、この絞り２４Aを通過した第１の反射光ビームを検出する焦点調整用受光器２８Ａが設けられている。即ち、第１光路においては、再結像光学系６４で定められる再結像面と焦点調整用受光器２８Ａとの間に焦点調整用開口絞り２４Ａが配置される。また、第２光路には、再結像光学系６４で定められる再結像面６８を基準に後方（ハーフミラー６６とは反対の側）に焦点調整用開口絞り２４Ｂが配置され、この絞り２４Aを通過した第２の反射光ビームを検出する焦点調整用受光器２８Ｂが設けられている。即ち、第２光路においては、再結像光学系６４で定められる再結像面６８と焦点調整用受光器２８Ｂとの間に焦点調整用開口絞り２４Ｂが配置される。ここで、再結像光学系６４で定められる再結像面とは、パターン形成面の位置が撮像光学系の撮像位置に調整されている場合においてパターン形成面上に投影されたスリット像が再結像光学系６４によって結像される像面に相当している。
【００２７】
再結像光学系６４は、入射される反射光ビームを結像できればどのように構成されても良い。自動焦点調節機構における結像光学系は、図１に示される光学系おいて、対物レンズ５２、チューブレンズ５６、再結像光学系６４及びハーフミラー６６から構成される。焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂは、例えば、受光画素を２次元配列したＣＣＤイメージセンサ等のエリアセンサから構成される。
【００２８】
焦点調整用開口絞り２４Ａは、第１光路における再結像面を基準に前方に距離ｄだけ離間して配置されている。即ち、距離ｄは、ハーフミラー６６から再結像面までの距離から、ハーフミラー６６から焦点調整用開口絞り２４Ａまでの距離を引いた値に等しい。第１光路に導かれた反射光ビームは、焦点調整用開口絞り２４Ａに向けられ、焦点調整用開口絞り２４Ａに形成された開口２６を通過した反射光ビームの光量分布が焦点調整用受光器２８Ａによって検出される。また、焦点調整用開口絞り２４Ｂは、第２光路における再結像面６８の後方に距離ｄだけ離間して配置されている。即ち、距離ｄは、再結像面６８から焦点調整用開口絞り２４Ｂまでの距離を示している。第２光路に導かれた反射光ビームは、焦点調整用開口絞り２４Ｂに向けられ、焦点調整用開口絞り２４Ｂに形成された開口２６を通過した反射光ビームの光量分布が焦点調整用受光器Ｂによって検出される。
【００２９】
図３（ａ）には、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂに形成される開口２６の形状の一例が模式的に示されている。焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６は、図３（ａ）に示されるように、略菱形状に形成されている。図３（ａ）において、開口２６の中心点が原点に定められ、開口２６の長手方向にｙ軸（光軸に直交する中心軸）及び開口２６の短手方向にｘ軸（光軸及び中心軸に直交する直交軸）を定める。位置ｘにおいてｙ軸と平行な直線が開口２６内側に含まれる線分の長さを断面長の総和（または開口関数）と称し、関数ｇ（ｘ）と表わす。ここで、開口２６の短手方向の対角線は、長さｓを有する。この関数ｇ（ｘ）は、図３（ｂ）に示されるように、ｘ＝０において最大値をとり、−ｓ／２≦ｘ＜０において単調増加し、０＜ｘ≦ｓ／２において単調減少する。
【００３０】
このｘｙ座標系は、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂが配置される焦点調整用開口面上に定められる座標系であって、他の図においても同様に定められる。
【００３１】
焦点調整用開口絞り２４Ａ及び焦点調整用開口絞り２４Ｂに形成される開口２６の形状は、互いに同一形状に形成される場合に限らず、後に説明されるような形状に形成されれば、互いに異なる形状であってもよい。この開口２６の形状が異なる形状に定められる場合には、開口２６の形状に応じて信号が処理されるように信号処理部３４の設定が変更されればよい。
【００３２】
図４（ａ）は、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂが配置される焦点調整用開口面におけるスリット像の光量分布の典型的な例を等高線表示で示している。図４（ａ）において、図３（ａ）に示した焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂと同様に、ｘ軸及びｙ軸が定められる。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示されるｘ軸上におけるスリット像の光量分布を示している。焦点調整用開口面と再結像面との距離ｄが後述するある一定範囲の距離にあるときには、このｘ軸上における光量分布は、開口２６の形状等に応じて定まる関数ｆ（ｘ）及び焦点調整用開口面と再結像面との距離ｄを使用してｆ（ｘ／ｄ）／ｄと表わされる。スリット像は、再結像面において鮮明に形成される。即ち、再結像面では、図２に示したスリット２０と同様な略矩形状のスリット像が形成される。しかしながら、焦点調整用開口面では、スリット像は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示されるように、ボケて、スリット像の光量分布は、広がりを有する。
【００３３】
図５は、図４（ａ）に示したスリット像の光量分布に図３（ａ）に示した焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６を重ね合わせて示している。焦点調節用開口絞りにスリットを通過する反射光ビームの光量、即ち、図５に示されるように、開口２６の内側に分布している全光量が焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂによって検出される。
【００３４】
焦点調節用開口絞り２４Ａ，２４Ｂを通過した反射光ビームの夫々の光量は、焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂによって検出される。焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂは、検出光量に応じた光量検出信号を出力し、この光量検出信号は、信号処理部３４へ伝達される。信号処理部３４において、２つの光量検出信号は、差動増幅回路を通過し、適切な周波数応答を有する増幅回路を経て、光量差信号が算出される。この光量差信号に応じたフィードバック量を有するフィードバック信号が焦点誤差信号として焦点調節装置３６へ伝達される。焦点調節装置３６は、伝達されたフィードバック信号（焦点誤差信号）に応じて照射光ビームの光軸に沿った方向に載置部１２の位置を調整変更する。
【００３５】
パターン形成面の位置が所望の位置に調節されていない場合、即ち、パターン形成面及び対物レンズ５２間の距離が所定の距離（撮像距離）に保持されていない場合には、パターン形成面の位置に応じた焦点誤差が発生する。この場合、再結像光学系６４によって再結像されるスリット像は、スリット像が再結像されるべき再結像面から反射光ビームの光路上における前方または後方に形成される。スリット像の再結像面が所望の再結像面からずれた位置に形成されると、焦点調整用受光器２８Ａ及び焦点調整用受光器２８Ｂで検出される光量は、一方では増加し、他方では減少される。
【００３６】
例えば、反射光ビームの光路上においてスリット像の再結像面が所望の再結像面の前方に形成される場合、第１光路では、再結像面及び焦点調整用開口絞り２４Ａ間の距離が小さくなる。この場合、焦点調整用開口面における光量分布の広がりが小さくなることから、焦点調整開口絞り２４Ａに形成される開口２６を通過する透過光ビームの光量は、増加する。また、第２光路では、再結像面６８及び焦点調整用開口絞り２４Ｂ間の距離が大きくなり、焦点調整用開口面における光量分布の広がりが大きくなる。このため、焦点調整開口絞り２４Ｂに形成される開口２６を通過する透過光ビームの光量は、減少する。従って、焦点調整用受光部２８Ａ，２８Ｂの夫々によって検出される光量が一致するように（焦点誤差信号が零となるように）フィードバック制御されてパターン形成面の位置が所望の位置に調節される。従って、このように載置部１２が制御されることによって常に焦点調節された状態でマスク面の画像を撮像することができる。
【００３７】
なお、信号処理部３４及び焦点調節装置３６は、次のように光量検出信号を処理して載置部１２の位置を制御してもよい。即ち、信号処理部３４は、焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂの夫々で検出された光量に応じた光量検出信号ＩＡ，ＩＢに対して、信号ノイズを除去し、加算回路、減算回路及び除算回路により、（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ）を演算する。ここで、差（ＩＡ−ＩＢ）は、焦点調整用開口絞り２８Ａ，２８Ｂで検出される反射光ビームの光量の差に応じた値を表わす。この演算結果は、和（ＩＡ＋ＩＢ）で除算することで規格化されている。信号処理部３４は、光量差信号と予め設定されるフィードバック目標値との差を監視する。その差がパターン形成面を想定した所定の閾値を超えた場合、信号処理部３４は、その値に応じて載置部の位置を調整するよう焦点調節装置３６に指令をする。
【００３８】
次に、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂが配置される領域について説明する。
【００３９】
パターン形成面に投影されるスリット像と共役な再結像面には、幅ａ及び高さｂを有するスリット像が再結像される。ここで、幅ａ及び高さｂは、ａ＜ｂを満たす。第１光路において、所望の再結像面から第１光路上に沿って距離ｄ離間した前方に焦点調整用開口絞り２４Ａが配置されている。また、第２光路において、所望の再結像面６８から第２光路上に沿って距離ｄ離間した後方に焦点調整用開口絞り２４Ｂが配置されている。この距離ｄは、反射観察用光源１４が射出する光ビームの波長λに対して、ａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λを満たすように定められる。再結像光学系６４によって結像されるスリット像は、再結像面から離れるに従ってボケ（焦点誤差が生じ）、その光量分布も変形する。
【００４０】
図６を参照して、近視野領域及び遠視野領域におけるコヒーレントな光ビームのビーム径及び光量分布を一般的に説明し、スリット像の再結像面と焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂとの距離ｄを設定する方法を説明する。図６は、レンズ（図示せず）によって収束された光ビームがスリット８０を通過する様子を模式的に示している。波長λを有するコヒーレントな光ビームは、図６に示されるように、矢印方向へ進行している。光ビームのビームウエスト（ビームが一番細くなる位置）には、幅ｃのスリット８０が配置されている。結像面から距離ｄ１離間し、結像面に平行な平面Ａは、ｄ１＜ｃ２／２λを満たす領域に定められている。ｄ１＜ｃ２／２λを満たす領域は、スリットの幅方向に関して回折理論における近視野領域（フレネル回折領域）にあたる。また、結像面から距離ｄ２離間し、結像面に平行な平面Ｂは、ｄ２＞ｃ２／２λを満たす領域に定められる。ｄ２＞ｃ２／２λを満たす領域は、スリットの幅方向に関して遠視野領域（フラウンホーファ回折領域）にあたる。
【００４１】
近視野領域では、平面Ａが光ビームの進行方向に変位してもビーム径は、略ｃに保持される。平面Ａにおける光ビームの断面形状は、平面Ａが光ビームの進行方向への微小な変位に対して、干渉効果によって大きく変形し、或いは、波打つ。このような近視野領域に対して、遠視野領域では、光ビームは、ある１点を中心に略円錐形状に広がって進行する。即ち、ビームウエストからの距離ｄ２に比例してビーム径が増大する。また、平面Ｂにおける光ビームの略断面形状は、距離ｄ２に応じて拡大された相似形状となる。
【００４２】
また、インコヒーレントな光ビームの場合には、瞳面上の各点毎に上述の分布形状が重ね合わされた状況となる。そのため、コヒーレントな光ビームの場合と同様に、遠視野領域においては、光ビームのビーム径は、ビームウエストからの距離に比例して増大し、光ビームの断面形状は、ビームウエストからの距離に比例して拡大された略相似形状となる。近視野領域においては、ビーム径は、略ｃに保持され、断面形状は、光ビームの進行方向への微小な変位に対して、干渉効果によって大きく変形する。
【００４３】
本実施の形態では、図６に示したスリット８０（ビームウエスト）の位置は、スリットの再結像面に対応する。焦点調整用開口２４Ａ，２４Ｂが再結像面に比較的近接した領域（ｄ＜ａ２／２λ）に配置されるとすると、この領域は、スリット像の幅方向に関して回折理論における近視野領域（フレネル回折領域）にあたる。反射観察用光源にコヒーレント光源が採用される場合、再結像面からの距離が離れるに従って光量分布は、干渉効果によって複雑に変形する一方、光量分布全体としての分布の広がり幅は、ほとんど変化しない。即ち、この領域（ｄ＜ａ２／２λ）では、スリット像の光量分布における幅方向の広がりは、再結像面からの距離の依存性が小さい。従って、この領域に焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂを配置すると、焦点調整用受光部２８Ａ，２８Ｂによって検出される光量は、焦点位置のずれに対する依存性が小さくなる。即ち、光量分布の広がり幅が再結像面と焦点調整用開口との距離ｄに応じて変化しないことから、焦点誤差検出におけるＳＮ比が向上しない。このことは、程度の差は、生じるものの、反射観察用光源１４にインコヒーレント光源が採用される場合にも、同様である。
【００４４】
また、焦点調整用開口２４Ａ，２４Ｂが再結像面からの距離ｄがａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λを満たす領域に配置されるとすると、この領域は、スリット像の光量分布の幅方向に関して遠視野領域（フラウンホーファ回折領域）となる。この領域では、再結像面に平行なある平面における反射光ビームの光量分布は、図４（ｂ）に示されるように、幅方向の広がりを有する。この光量分布は、前述したように、ｆ（ｘ／ｄ）／ｄで表わされ、再結像面からの距離ｄに依存する。即ち、光量分布の形状は、再結像面からの距離ｄに比例して幅方向に単純な相似拡大となる。光量分布は、距離ｄが大きくなるに従って幅方向に拡大し、光量分布の強度値は、少される。
【００４５】
また、この領域（ａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λ）は、長さ方向に関して近視野領域にあたる。即ち、再結像面からの距離ｄがｄ＜ｂ２／２λを満たす領域において、スリット像の長手方向の光量分布は、両端部付近を除き略一様な分布を有する。従って、焦点調整用開口位置における幅方向に沿った光量分布は、焦点調整用開口位置のどの幅方向に対しても同様な分布を有する。この領域におけるスリット像の光量分布に関しては、反射観察用光源１４にコヒーレント光源が採用される場合に限らず、インコヒーレント光源であっても同様な光量分布となる。従って、再結像面からの距離ｄがａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λを満たす領域に焦点調整用開口２４Ａ，２４Ｂが配置されることで、焦点誤差を安定して検出できる。
【００４６】
次に、図７（ａ）から図８を参照して、焦点調整用開口絞りの開口が単純な矩形形状に形成されている例を比較例として説明する。
【００４７】
図７（ａ）は、開口９６が単純な矩形に形成されている焦点調整用開口絞り９４を模式的に示している。焦点調整用開口絞り９４の開口９６は、図７（ａ）に示されるように、幅ａを有して略長方形状（矩形形状）に形成されている。この焦点調整用開口絞り９４を利用した自動焦点調節装置では、焦点調整用開口絞り９４に形成される略長方形状の開口９６を通過する光量が検出される。この光量は、焦点誤差によってスリット像の再結像面が所望の再結像面からずれた位置に形成され、スリット像の再結像面から焦点調整用開口位置までの距離に依存して変化される。焦点調整用開口絞りが図７（ａ）に示される矩形状の開口に形成される場合、パターン形成面における回折作用によって焦点誤差を検出するのに充分な光量検出信号が得られない虞がある。パターン形成面に投影されたスリット像は、パターン形成面で反射される際に、マスク面に形成されるパターンによって回折される。このスリット像の回折パターンによっては、焦点調整用開口を通過する光量が低減される。
【００４８】
スリット像の再結像面からの距離ｄがａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λを満たす領域では、幅方向の光量分布は、上述したように、距離ｄに対してｆ（ｘ／ｄ）／ｄのように変化する。図８に示されるように、開口９６の両端（ｘ＝±ａ／２）において、分布形状の微分値がゼロ、或いは、開口９６の内側から外側に向かって強度が上昇するような分布の場合には、信号処理部３４から出力される光量差信号が本来の値と逆符号となることがある。従って、このような場合、正常に焦点位置を調節することができない虞がある。また、光量検出信号が本来の値と逆符号とならないまでも、パターンに依存して光量検出信号が様々に変化すると、フィードバック量（焦点誤差信号値）を適切に設定することが困難になる。
【００４９】
これに対して、本実施の形態に係る自動焦点調節機構では、焦点調節用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６は、図３に示すような略菱形状に形成されている。図３に示される開口２６の最大幅は、対物レンズ５２の瞳面の両端夫々から再結像面のスリット像の中央に至る光路が焦点調整用開口面と交差する２点間の距離よりも大きく形成される。即ち、開口２６の最大幅は、焦点調整用開口面におけるスリット像の短手方向の光量分布の主要部分が含まれるように形成される。このように開口２６の最大幅が定められることにより、対物レンズで解像可能な最大限細かなパターンがマスク面上に形成されたとしても、焦点調節用開口絞り２４Ａ，２４Ｂによってスリット像を確実に捉えることができる。また、焦点誤差に対する光量検出信号の変化量がパターンにほとんど依存しないように設計することが可能となり、焦点調節装置３６へ伝達されるフィードバック信号（焦点誤差信号）のフィードバック量を容易に設定することができるようになる。
【００５０】
焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６は、図３に示したように略菱形状に形成される場合に限らず、開口２６を略等分するスリット像の長手方向に対応する方向に沿った中心線（ｙ軸）から外側に行くに従って開口２６の大きさが徐々小さくなればよい。図９から図１４には、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂにおける開口２６の形状の変形例が示されている。焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６は、図９に示されるように、複数の正方形が対角線を一致させて（または、複数の菱形にあっても対角線を一致させて）スリット像の長手方向に沿って並列させた形状に形成されてもよい。また、図１０に示されるように、複数の三角形（２等辺三角形）がその頂点を開口像の中心軸上に配置されるように長手方向に沿って並列させてもよく、図１１に示されるように、複数の三角形及び長方形を組み合わせた形状であってもよい。さらに、図１２に示されるように、開口像の中心軸に関して対称に形成されていない形状であってもよい。このように、開口２６を複数の小さな正方形または三角形等の形状に形成すると、焦点調整用開口絞りの強度を高めることができ、調整が容易になる等の効果も考えられる。
【００５１】
また、焦点調整用開口絞りの開口は、図１３に示されるように、略菱形形状に形成され、その菱形の上下の頂点部分が切断されて形成される六角形状に形成されてもよい。マスク面にパターンが形成されていない場合においても、焦点調整用開口面におけるスリット像は、最小限ある程度の広がり幅を有している。開口２６をこのような菱形の上下の頂点部分を切断して形成することによってフィードバック量の調整が容易になり、安定性を増すことができる。
【００５２】
さらにまた、図１４に示されるように、開口２６を定める開口２６の周囲の境界線（開口２６の外形線）は、曲線状に定められてもよい。このように、中心線から外側にいく従って開口２６の大きさが非線形関数に従って減少するような形状でもよい。自動焦点調整機構のシステム構成によっては、このように非線形性を加えることによって、最終的に差動増幅回路から出力される信号（焦点誤差信号）の焦点誤差に対するリニアリティを向上することができる。
【００５３】
図３（ａ）及び図９から図１４に示される開口２６の形状は、中心線から外側に向かって徐々に開口２６の大きさが小さくなる条件を満たす。即ち、中央に原点を定め、スリット像の短手方向に対応する方向にｘ軸を定め、位置ｘにおける開口２６の長手方向の断面長の総和をｇ（ｘ）とした場合、このｇ（ｘ）は、ｘが原点から離れるに従って減少する。この条件を満たす開口２６であれば、上述した例に限られず、本発明の範囲に含まれることは、明らかである。
【００５４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る自動焦点調節機構を備える光学画像取得装置は、第１の実施の形態と同様の構成を備えている。第２の実施の形態では、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６の形状は、図１５（ａ）に示されるように、開口２６を定める境界線（開口２６の外形線）が直線及び曲線を組み合わせた形状に形成されている。この開口２６を定める各曲線は、図１５（ｂ）に示されるような対数関数を上下或いは左右方向に圧縮した曲線によって定められる。図１５（ａ）において点線で囲まれた部分に示される開口２６を定める境界線は、図１５（ａ）において点線で囲まれた部分に示される曲線の形状に従って定められている。
【００５５】
焦点調整用開口面上において、開口２６の中心点を原点に定め、開口２６の短手方向にｘ軸及び開口２６の長手方向にｙ軸を定める。位置ｘにおいてｙ軸と平行な直線が開口２６内側に含まれる線分の長さを断面長の総和（または、開口関数）と称し、関数ｇ（ｘ）と表わす。この開口関数ｇ（ｘ）は、図１５（ｃ）に示されるように、ｘがゼロを基準として増大または減少するに従って減少する。
【００５６】
次に、図１５（ａ）に示される開口２６の形状を定める方法を説明する。焦点調整用開口面は、所望の再結像面及び焦点調整用開口面間の距離ｄがａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λを満たす領域に配置されている。ｘ軸上における光量分布は、開口２６の形状等に応じた関数ｆ（ｘ）によってｆ（ｘ／ｄ）／ｄと表わされる。このとき、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６を通過する光量Ｉ（ｄ）は、下記式となる。
【数１】
【００５７】
この数式１において、ｇ（ｘ）は、ある値ｘｍａｘに対して｜ｘ｜＞ｘｍａｘのときｇ（ｘ）＝０となるような関数であるとする。従って、積分区間を−∞から＋∞までとしても−ｘｍａｘからｘｍａｘまでとしても同じである。
【００５８】
焦点誤差に応じてｄが変化すると、光量Ｉ（ｄ）の変化量Ｉ´（ｄ）は、下記式で表わされる。
【数２】
【００５９】
この数式２において、ｆ´及びｇ´は、夫々ｆ及びｇの一階の微分関数を表わす。わずかな焦点誤差によってｄがわずかに変化したときに、２つの焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂで検出される光量検出信号の差を演算して得られる光量差信号は、ｄの変化量にこのＩ´（ｄ）を掛けたものに比例する。
【００６０】
ここで、マスク面に形成されるパターンによって焦点調整用開口面における光量分布が変化されるとする。即ち、パターン面によって関数ｆ（ｘ）の関数形が変化されるとする。光量分布が変化されたとしても、瞳内の全体としての光量、即ち、開口２６を通過する反射光ビームの光量は、大きく変化しないことが想定できる。従って、この場合にも、下記式の関係が保たれるとしてよい。
【数３】
【００６１】
数式３で表わされる関係が保たれる場合、ｘｇ´（ｘ）＝ｃｏｎｓｔを満たす関数ｇ（ｘ）を定めることで、関数ｆ（ｘ）の関数形が変化しても光量検出値の微分値Ｉ´（ｄ）を不変に保つことができる。即ち、ｘｇ´（ｘ）＝ｃｏｎｓｔとなるような関数ｇ（ｘ）を定めると、焦点誤差による光量の検出量の変化量は、パターン面に形成されるパターンに依存しない。このような関数ｇ（ｘ）は、例えば、
ｇ（ｘ）＝Ａ−Ｂｌｏｇ（｜ｘ｜） 数式４
と定めることができる。従って、図１５（ａ）に示される開口２６は、この数式４に従った曲線で形成されればよい。しかしながら、この関数は、ｘ→０でー∞に発散する。図１５（ｂ）に示されるように、開口２６の上端及び下端が関数ｆ（ｘ／ｄ）／ｄの変化に対して充分細い幅になるようにｇ（ｘ）が有限の値を有する範囲を定め、この範囲における曲線に従って開口２６の境界線を定める。これにより、実用的な開口２６形状を得ることができる。図１５（ａ）に示されるように、開口２６は、上端及び下端が直線状に切り取られた形状に形成される。図１４（ａ）に示される破線状の長方形に含まれる開口２６の境界線は、図１４（ｂ）に示される破線状長方形を上下及び左右に拡大及び縮小して、上辺及び左辺が、夫々ｘ軸及びｙ軸に接するように対応づけられて定められる。
【００６２】
このような開口形状を焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂに形成することで、マスク面上にいかなるパターンが形成される場合にも、焦点調整用受光器２８Ａ，２８Ｂによって検出される光量検出信号から演算される光量差信号は、焦点誤差に対して一定の出力値を出力することが可能となり、信号処理部３４がこの光量差信号に応じて焦点調整装置３６にフィードバック信号を返すことでより安定したフィードバック制御が可能となる。
【００６３】
以上のように、焦点調整用開口絞り２４Ａ，２４Ｂの開口２６形状を対数関数に従った曲線によって定めることで光量検出信号のマスク面に形成されるパターン依存性を低減できる。また、対数関数に従った開口２６形状としなくても、単に開口２６中心に対して凸となるような曲線を組み合わせた開口２６形状、例えば、図１３に示した開口２６形状であっても、同様にパターン依存性を低減できる。
【符号の説明】
【００６４】
１０…検査対象試料（マスク）、１２…載置部、１４…反射観察用光源、１６…視野絞り、１８…観察用開口、２０，８０…スリット、２２…光学画像受光部、２４Ａ，２４Ｂ，９４…焦点調整用開口絞り、２６，９６…開口、２８Ａ，２８Ｂ…焦点調整用受光器、３２…透過観察用光源、３４…信号処理部、３６…焦点調節装置、５２…対物レンズ、５４…ビームスプリッタ、５６…チューブレンズ、５８…視野分離ミラー、６０…コリメータレンズ、６２…結像レンズ、６４…再結像光学系、６６…ハーフミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターン形成面を有する検査対象試料を光軸に沿って移動可能に載置保持する載置部と、
前記パターン形成面上の第１の領域に第１の観察用光ビームを照射し、長手方向及び短手方向を有する略矩形状に定められる前記パターン形成面上の第２の領域に第２の観察用光ビームを照射する光源と、
前記第１の領域から反射あるいは透過された第１の反射光ビームを検出して前記パターン形成面を撮像する光学画像取得部と、
前記第２の領域から反射された第２の反射光ビームを第１及び第２の分岐光ビームに分岐し、この第１及び第２の分岐光ビームを夫々第１及び第２光路に導き、前記パターン形成面が前記光学画像取得部の撮像位置に位置されて焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の分岐光ビームが第１及び第２の結像面に結像される焦点合わせ光学系と、
前記第１光路において、前記第１の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料の側に離間して配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第１の中心軸及びこの第１の中心軸に直交する第１の直交軸を有する第１の開口を備える第１の開口絞りであって、
前記第１の中心軸に沿って第１の開口長を定め、当該第１の開口長が前記中心軸から前記第１の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第１の開口絞りと、
前記第２光路において、前記第２の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料から離間する方向に配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第２の中心軸及びこの第２の中心軸に直交する第２の直交軸を有する第２の開口を備える第２の開口絞りであって、
前記第２の中心軸に沿って第２の開口長を定め、当該第２の開口長が前記中心軸から前記第２の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第２の開口絞りと、
前記第１及び第２の開口を通過した前記第１及び第２の分岐光ビームを検出して第１及び第２の検出信号を出力する検出部と、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記載置部の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする光学画像取得装置。
【請求項２】
パターン形成面を有する検査対象試料を光軸に沿って移動可能に載置保持する載置部と、
前記検査対象試料に前記パターン形成面と対向する面側から入射され、パターン形成面上の第１の領域を透過する第１の観察用光ビームを照射する第１の光源と、
長手方向及び短手方向を有する略矩形状に定められる前記パターン形成面上の第２の領域に第２の観察用光ビームを照射する第２の光源と、
前記第１の領域を透過した透過光ビームを検出して前記パターン形成面を撮像する光学画像取得部と、
前記第２の領域から反射された反射光ビームを第１及び第２の分岐光ビームに分岐し、この第１及び第２の分岐光ビームを夫々第１及び第２光路に導き、前記パターン形成面が前記光学画像取得部の撮像位置に位置されて焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の分岐光ビームが第１及び第２の結像面に結像される焦点合わせ光学系と、
前記第１光路において、前記第１の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料の側に離間して配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第１の中心軸及びこの第１の中心軸に直交する第１の直交軸を有する第１の開口を備える第１の開口絞りであって、
前記第１の中心軸に沿って第１の開口長を定め、当該第１の開口長が前記中心軸から前記第１の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第１の開口絞りと、
前記第２光路において、前記第２の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料から離間する方向に配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第２の中心軸及びこの第２の中心軸に直交する第２の直交軸を有する第２の開口を備える第２の開口絞りであって、
前記第２の中心軸に沿って第２の開口長を定め、当該第２の開口長が前記中心軸から前記第２の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第２の開口絞りと、
前記第１及び第２の開口を通過した前記第１及び第２の分岐光ビームを検出して第１及び第２の検出信号を出力する検出部と、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記載置部の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする光学画像取得装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とが一致するように前記載置部の位置を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学画像取得装置。
【請求項４】
前記第２の観察用光ビームが波長λを有し、前記パターン形成面が前記光学画像取得部の撮像位置に位置されて焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の結像面には、夫々前記第１及び第２の直交軸に沿って短手方向長ａ及び前記第１及び第２の中心軸に沿って長手方向長ｂを有する第１及び第２の結像が結像され、前記所定の距離がａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λを満たす距離ｄに定められることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光学画像取得装置。
【請求項５】
前記光学結像系は、少なくとも前記載置部に対抗して配置される対物レンズを備え、
前記第２の観察用光ビームの光軸が前記第２の領域と第１の交点で交差し、前記第１の交点から前記対物レンズの前記短手方向に沿った両再外周点に向けて進む前記第２の反射光ビームの各々が、第１光路において、前記第１の開口絞りが配置される第１の平面と第２及び第３の交点で交差し、第２光路において、前記第２の開口絞りが配置される第２の平面と第４及び第５の交点で交差し、
前記第１及び第２の開口の各々が前記第１及び第２の直交軸に沿って第１及び第２の最大幅を有し、当該第１及び第２の最大幅が前記第２及び第３の交点間の距離、並びに前記第４及び第５の交点間の距離と比較して大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光学画像取得装置。
【請求項６】
パターン形成面を有する検査対象試料を光軸に沿って移動可能に載置保持する載置部と、
長手方向及び短手方向を有する略矩形状に定められる前記パターン形成面上の領域に観察用光ビームを照射する光源と、
前記領域から反射された反射光ビームを第１及び第２の分岐光ビームに分岐し、この第１及び第２の分岐光ビームを夫々第１及び第２光路に導き、焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の分岐光ビームが第１及び第２の結像面に結像される焦点合わせ光学系と、
前記第１光路において、前記第１の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料の側に離間して配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第１の中心軸及びこの第１の中心軸に直交する第１の直交軸を有する第１の開口を備える第１の開口絞りであって、
前記第１の中心軸に沿って第１の開口長を定め、当該第１の開口長が前記中心軸から前記第１の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第１の開口絞りと、
前記第２光路において、前記第２の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料から離間する方向に配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第２の中心軸及びこの第２の中心軸に直交する第２の直交軸を有する第２の開口を備える第２の開口絞りであって、
前記第２の中心軸に沿って第２の開口長を定め、当該第２の開口長が前記中心軸から前記第２の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第２の開口絞りと、
前記第１及び第２の開口を通過した前記第１及び第２の分岐光ビームを検出して第１及び第２の検出信号を出力する検出部と、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記載置部の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする自動焦点調節装置。
【請求項１】
パターン形成面を有する検査対象試料を光軸に沿って移動可能に載置保持する載置部と、
前記パターン形成面上の第１の領域に第１の観察用光ビームを照射し、長手方向及び短手方向を有する略矩形状に定められる前記パターン形成面上の第２の領域に第２の観察用光ビームを照射する光源と、
前記第１の領域から反射あるいは透過された第１の反射光ビームを検出して前記パターン形成面を撮像する光学画像取得部と、
前記第２の領域から反射された第２の反射光ビームを第１及び第２の分岐光ビームに分岐し、この第１及び第２の分岐光ビームを夫々第１及び第２光路に導き、前記パターン形成面が前記光学画像取得部の撮像位置に位置されて焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の分岐光ビームが第１及び第２の結像面に結像される焦点合わせ光学系と、
前記第１光路において、前記第１の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料の側に離間して配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第１の中心軸及びこの第１の中心軸に直交する第１の直交軸を有する第１の開口を備える第１の開口絞りであって、
前記第１の中心軸に沿って第１の開口長を定め、当該第１の開口長が前記中心軸から前記第１の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第１の開口絞りと、
前記第２光路において、前記第２の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料から離間する方向に配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第２の中心軸及びこの第２の中心軸に直交する第２の直交軸を有する第２の開口を備える第２の開口絞りであって、
前記第２の中心軸に沿って第２の開口長を定め、当該第２の開口長が前記中心軸から前記第２の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第２の開口絞りと、
前記第１及び第２の開口を通過した前記第１及び第２の分岐光ビームを検出して第１及び第２の検出信号を出力する検出部と、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記載置部の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする光学画像取得装置。
【請求項２】
パターン形成面を有する検査対象試料を光軸に沿って移動可能に載置保持する載置部と、
前記検査対象試料に前記パターン形成面と対向する面側から入射され、パターン形成面上の第１の領域を透過する第１の観察用光ビームを照射する第１の光源と、
長手方向及び短手方向を有する略矩形状に定められる前記パターン形成面上の第２の領域に第２の観察用光ビームを照射する第２の光源と、
前記第１の領域を透過した透過光ビームを検出して前記パターン形成面を撮像する光学画像取得部と、
前記第２の領域から反射された反射光ビームを第１及び第２の分岐光ビームに分岐し、この第１及び第２の分岐光ビームを夫々第１及び第２光路に導き、前記パターン形成面が前記光学画像取得部の撮像位置に位置されて焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の分岐光ビームが第１及び第２の結像面に結像される焦点合わせ光学系と、
前記第１光路において、前記第１の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料の側に離間して配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第１の中心軸及びこの第１の中心軸に直交する第１の直交軸を有する第１の開口を備える第１の開口絞りであって、
前記第１の中心軸に沿って第１の開口長を定め、当該第１の開口長が前記中心軸から前記第１の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第１の開口絞りと、
前記第２光路において、前記第２の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料から離間する方向に配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第２の中心軸及びこの第２の中心軸に直交する第２の直交軸を有する第２の開口を備える第２の開口絞りであって、
前記第２の中心軸に沿って第２の開口長を定め、当該第２の開口長が前記中心軸から前記第２の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第２の開口絞りと、
前記第１及び第２の開口を通過した前記第１及び第２の分岐光ビームを検出して第１及び第２の検出信号を出力する検出部と、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記載置部の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする光学画像取得装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とが一致するように前記載置部の位置を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学画像取得装置。
【請求項４】
前記第２の観察用光ビームが波長λを有し、前記パターン形成面が前記光学画像取得部の撮像位置に位置されて焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の結像面には、夫々前記第１及び第２の直交軸に沿って短手方向長ａ及び前記第１及び第２の中心軸に沿って長手方向長ｂを有する第１及び第２の結像が結像され、前記所定の距離がａ２／２λ＜ｄ＜ｂ２／２λを満たす距離ｄに定められることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光学画像取得装置。
【請求項５】
前記光学結像系は、少なくとも前記載置部に対抗して配置される対物レンズを備え、
前記第２の観察用光ビームの光軸が前記第２の領域と第１の交点で交差し、前記第１の交点から前記対物レンズの前記短手方向に沿った両再外周点に向けて進む前記第２の反射光ビームの各々が、第１光路において、前記第１の開口絞りが配置される第１の平面と第２及び第３の交点で交差し、第２光路において、前記第２の開口絞りが配置される第２の平面と第４及び第５の交点で交差し、
前記第１及び第２の開口の各々が前記第１及び第２の直交軸に沿って第１及び第２の最大幅を有し、当該第１及び第２の最大幅が前記第２及び第３の交点間の距離、並びに前記第４及び第５の交点間の距離と比較して大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光学画像取得装置。
【請求項６】
パターン形成面を有する検査対象試料を光軸に沿って移動可能に載置保持する載置部と、
長手方向及び短手方向を有する略矩形状に定められる前記パターン形成面上の領域に観察用光ビームを照射する光源と、
前記領域から反射された反射光ビームを第１及び第２の分岐光ビームに分岐し、この第１及び第２の分岐光ビームを夫々第１及び第２光路に導き、焦点合わせされた際に、前記第１及び第２の分岐光ビームが第１及び第２の結像面に結像される焦点合わせ光学系と、
前記第１光路において、前記第１の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料の側に離間して配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第１の中心軸及びこの第１の中心軸に直交する第１の直交軸を有する第１の開口を備える第１の開口絞りであって、
前記第１の中心軸に沿って第１の開口長を定め、当該第１の開口長が前記中心軸から前記第１の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第１の開口絞りと、
前記第２光路において、前記第２の結像面から所定の距離だけ前記検査対象試料から離間する方向に配置され、前記第２領域の像の長手方向に沿って延出される第２の中心軸及びこの第２の中心軸に直交する第２の直交軸を有する第２の開口を備える第２の開口絞りであって、
前記第２の中心軸に沿って第２の開口長を定め、当該第２の開口長が前記中心軸から前記第２の直交軸に沿って離間するのに従って減少される第２の開口絞りと、
前記第１及び第２の開口を通過した前記第１及び第２の分岐光ビームを検出して第１及び第２の検出信号を出力する検出部と、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記載置部の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする自動焦点調節装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−２３０４０５（Ｐ２０１０−２３０４０５Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７６７５３（Ｐ２００９−７６７５３）
【出願日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３０５００８９８３）アドバンスド・マスク・インスペクション・テクノロジー株式会社 (105)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３０５００８９８３）アドバンスド・マスク・インスペクション・テクノロジー株式会社 (105)
【Ｆターム（参考）】
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