JP2005195433A

JP2005195433A - 走査型プローブ顕微鏡による溝形状の解析方法およびディスク基板または導光板の評価方法

Info

Publication number: JP2005195433A
Application number: JP2004001375A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Umezawa; 朋一梅澤; Shigeki Fujimaru; 滋樹藤丸
Original assignee: Teijin Chemicals Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2004-01-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】光ディスク基板、導光板などの溝形状測定において、その形状の粗さの定量化された解析方法を提供する。
【解決手段】走査型プローブ顕微鏡を用いた溝形状測定において、溝壁面の位置を検出し、溝が形成されている方向における壁面位置の分布を求めることを特徴とする溝形状の粗さの解析方法およびその解析方法を用いた光ディスク、導光板などの評価方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡を用いた回折格子、光ディスク基板、導光板などの溝形状測定における形状解析方法に関する。さらに詳しくは、走査型プローブ顕微鏡を用いた回折格子、光ディスク基板、導光板などの溝形状部の壁面の粗さを測定する形状解析方法に関する。

回折格子、光ディスク基板、導光板などにはサブミクロンから数ミクロン程度のピッチからなる微細な溝が形成されている。これらの製造時等においては、この溝形状を精度良く測定する必要がある。

従来、サブミクロンから数ミクロン程度の微細溝形状の測定においては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が用いられてきた。特に原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に代表されるＳＰＭは、ＳＥＭの様に真空雰囲気下で測定を行う必要がないこと、溝の幅やピッチだけでなく溝の深さの情報も同時に測定できることなどの点から、近年微細溝形状の評価として、頻繁に使用される手段となっている。

ここで、ＳＰＭの一例として、ＡＦＭの測定原理を図１および２により説明する。なお、図２は溝形状部を上から見た図であり、黒い部分が凹部、白い部分が凸部、黒点部分が溝壁面を示す。図１においてＡＦＭではカンチレバー１先端にあるプローブ２を測定に用いる。すなわち、プローブ２と測定試料３を１００Å程度にまで近づけ、プローブと試料間に働く力が一定になる様に図１の高さ方向（Ｚ方向）の圧電素子からなるスキャナー４を制御し、同時に図２の様に面内方向（Ｘ及びＹ方向）に走査することでプローブの動きを感知し、３次元形状の情報を得るものである。得られた３次元形状の情報は、メモリに蓄積され、また３次元形状画像として表示装置に表示される。

このようなＳＰＭによる溝形状測定において、近年溝の壁面の粗さの定量的な測定方法が求められている。

一例として、光ディスク基板が挙げられる。書き換え型光ディスクにおいては、図３の様にサブミクロン程度の大きさに絞り込まれたレーザースポット８を用いて、基板表面に形成された凹部６もしくは凸部７に信号の記録再生が行われる。その際、溝壁面５の粗さが顕著な場合には雑音成分が増大し、信号特性を悪化させ、エラーを増大させることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。溝壁面の粗さは主に基板製造プロセスにおいて発現するが、製造時にこの粗さを管理するために溝壁面の粗さを正確に定量する方法が必要である。

また、この雑音成分は、溝の幅と記録再生に用いられるレーザースポットの大きさに依存する。すなわち、レーザースポットが溝壁面のどの部分にかかるかにより雑音成分が変化する。例えば図３（ａ）の様にレーザースポット８が溝壁面５にほとんどかからない場合に比べ、図３（ｂ）の様に溝壁面５に大きくかかる場合には、雑音成分が大きくなる。従って、溝斜面のどの部位がノイズ成分の主因かを正確に評価するには、溝壁面の任意の部分における粗さを個別に定量することが必要である。

従来の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に代表されるＳＰＭを用いた粗さの定量法としては、中心線平均粗さ（Ｒａ）や１０点平均粗さ（Ｒｚ）を用いる方法がある。ＲａやＲｚは高さデータのばらつきを評価するパラメータであり、溝上や溝間のように高さが大きく変化しない部分での粗さを定量することはできるが、溝壁面の様に高さが大きく変化する部分では粗さ情報に壁面そのものの高さ変化の情報が加わってしまうため、粗さを正確に表現できないという問題があった。
Ｙ．Ｈｏｎｇｕｈ：Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ２５１４（１９９５）２５８

本発明の目的は、これらの問題を解決するためになされたもので、溝壁面の任意部分における粗さを定量的に測定する方法を提供することにある。

本発明者はこの目的を達成せんとして鋭意検討した結果、ＳＰＭにより溝底部よりある高さにおける溝壁面位置を検出し、溝が形成されている方向における壁面位置の分布を求めることにより溝壁面の粗さを解析することが可能であることを見出し、本発明に到達した。

本発明によれば、下記の溝壁面の粗さの測定方法が提供される。
（１）走査型プローブ顕微鏡を用いた溝形状測定において、溝壁面の位置を検出し、溝が形成されている方向における壁面位置の分布を求めることを特徴とする溝形状の粗さの解析方法。
（２）溝底部より同一の高さにおける溝壁面位置を検出することを特徴とする前記（１）記載の溝形状の粗さの解析方法。
（３）溝形状部の側面の粗さを測定することを目的とした前記（１）または（２）記載の溝形状の粗さの解析方法。
（４）溝壁面位置の検出値をフーリエ解析することを特徴とした前記（１）〜（３）のいずれかに記載の溝形状の粗さの解析方法。
（５）前記（１）〜（４）いずれかに記載の解析方法を用いたディスク基板の評価方法。
（６）前記（１）〜（４）いずれかに記載の解析方法を用いた導光板の評価方法。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。

図４〜６に本発明の解析方法の概念図を示す。図４は溝形状部を上から見た図であり、黒い部分が凹部、白い部分が凸部、黒点部分が溝壁面を示す。また、図５は図４において、それぞれｅ−ｆ、ｇ−ｈで切断した断面を示す。例えば、壁面ｉに着目した場合、Ｘ方向における壁面ｉの位置はｅ−ｆ断面とｇ−ｈ断面で異なる。また、溝の形成されているＹ方向に沿って考えると、溝壁面の粗さが大きい場合には、壁面の位置がＸ方向に大きく変動する。つまり、溝の形成されているＹ方向の場所それぞれにおいて、壁面のＸ方向における位置を測定し、その分布を求めることにより溝壁面の粗さは定量出来ると考えられる。

また、図５において、Ｌｉｎｅ１、Ｌｉｎｅ２、Ｌｉｎｅ３の様に高さを変えて溝壁面の位置を検出して、図６のようにＹ方向に渡って、各溝壁面位置の分布を求めれば、各溝の溝底部からの一定高さにおける溝壁面の粗さをそれぞれ定量することが可能である。ここで図６（ａ）は図５のＬｉｎｅ１の高さにおける壁面iにおける溝壁面の位置であり、図６（ｂ）は図５のＬｉｎｅ２の高さにおける壁面iにおける溝壁面の位置であり、図６（ｃ）は図５のＬｉｎｅ３の高さにおける壁面iにおける溝壁面の位置である。このように各壁面高さにおける壁面位置の分布を測定することにより、各壁面高さにおける溝壁面の粗さの違いを検出し、定量化することが出来る。

次に本発明の具体的な方法について、図７に示す解析フローを用いて説明する。このフローは、コンピューターを用いた自動解析を考慮している。

まず観察画像のコンピューターへの読み込みを行う。観察画像の形式としては、特に限定するものではないが、ＡＦＭの観察画像の場合は、例えば、縦（Ｙ方向）２５６画素×横（Ｘ方向）２５６画素であり、１画素あたりの寸法は約１０ｎｍから２０ｎｍ、各画素の高さデータは２¹⁶階調で表現されている画像が例としてあげられる。この場合、高さは２¹⁶段階の濃淡で表される。この画像を読み込むことにより画像データは全てコンピュターに読み込まれる。従って以下の解析はコンピューターにプログラムすることにより自動的に実施される。

次に溝部（凹部）を判定し、凹部と凸部に分類する。この際の閾値の決定方法にはいくつか方法が有るが、例えば、画像全体の高さデータの中心値を閾値とする方法がある。また、判別分析法を用いることもできる。判別分析法は、式で示すと数式（２）および数式（３）を用いて数式（１）の分散比（Ｆ₀）が最大になるような閾値を求める方法である。

Ｆ₀＝δＢ²／δＷ² （１）
（式中Ｆ₀は分散比、δＢ²はクラス間分散、δＷ²はクラス内分散を示す。）

δＢ²＝ω₁ω₂（Ｍ₁−Ｍ₂）² （２）
（ω₁はクラス１の画素数、ω₂はクラス２の画素数、Ｍ₁はクラス１の画素の高さの平均、Ｍ₂はクラス２の画素の高さの平均を表す。）

δＷ²＝ω₁δ₁ ²＋ω₂δ₂ ² （３）
（δ₁はクラス１の画素の高さの分散、δ₂はクラス２の画素の高さの分散を示す。）

なお、式（１）〜（３）における、クラス１は凹部、クラス２はそれ以外の部分をそれぞれ示している。これらの方法で決定した閾値により、凸部と凹部を分類する。次に、個々の凹部にラベリング処理を行い、グルーブを識別する。

次に溝深さの計測を行う。溝深さの計測には、例えば図８のように画像全体の高さの分布を求め、度数分布の極大値を生じる高さの差をグルーブ深さとして計測する方法がある。さらに溝壁面の位置を求める際の高さを決め、溝壁面位置を計測する。

なお、前述したように、ＡＦＭでは面内方向（ＸおよびＹ方向）にはある一定の間隔、すなわち離散的な位置でデータが取得される。そのため、測定したい溝底部から一定の高さにおける溝幅のデータが得られない場合が発生する。その場合は以下の方法で対応できる。

図９はある溝断面における高さのデータ取得例である。図９中の黒丸が各データ取得ポイントにおける高さのデータであり、溝高さを１００％として正規化して表現してある。図９においては、溝高さに対して５０％の高さにおける溝壁面位置を計測する場合を示しているが、この場合その高さにおけるデータは存在しない。このような場合には近傍のデータを用いてフィッティングを行ない、その高さとなるＸ方向の位置を求めることにより、溝壁面位置を決定することができる。ここでフィッティングの方法は、データポイント間を直線補間する方法や、最小二乗法によりフィッティングする方法などがあるが、測定精度の点から最小二乗法によるフィッティングが好ましい。

さらに統計処理によって溝壁面位置の分布を求める。ここで溝壁面位置の分布を示す指標としては、例えば溝壁面位置の標準偏差が挙げられる。さらにまた、溝壁面位置のフーリエ解析により、周波数成分の解析を行うことも効果的である。これにより、溝壁面粗さの成分を分析することが出来るので、粗さの原因をさらに詳細に調べることが出来る。

さらに、前記した測定方法の結果を用いて例えば下記の方法により回折格子、光ディスク基板、導光板等の適否の判定を実施することができる。

前記の方法により、一定の測定範囲（例えば１０μｍ×１０μｍ）の測定を任意の位置、例えば光ディスク基板の場合、基板の中心より一定の距離の位置（例えば１２０ｍｍφの光ディスクの場合、例えば内周（中心より２５ｍｍ）、中央（中心より４０ｍｍ）、外周（中心より５５ｍｍ））において周方向に数点（例えば６０°毎に６点）で実施する。

次にその測定範囲にあらかじめ決定した適否判定の閾値を超えているグルーブが存在した場合、その位置のグルーブが不良であると判断し、成形条件等の修正を実施する。

本発明により、サブミクロンからミクロンオーダーの溝において、溝斜面の粗さを定量することが可能であり、また、溝底部からの溝斜面の任意の高さにおいて粗さを計測することが可能となった。本発明を用いることで、回折格子、光ディスク、導光板などの製造時には溝斜面の粗さを正確に定量することが可能になり、製品管理性の向上や製品不良の早期発見に効果が得られる。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、溝形状の測定には原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、デジタルインスツルメンツ社製NanoScope III A/Dimension 3000）を用いた。また、測定における走査範囲は３×３μｍであり、画素数は、縦（Ｙ方向）２５６画素×横（Ｘ方向）２５６画素であった。

［実施例１〜３］
材料および作成プロセスの異なる３種類の光ディスク基板の溝をＡＦＭにより観察した。図１０は実施例１の表面観察像、図１１は実施例２の表面観察像、図１２は実施例３の表面観察像をそれぞれ示している。実施例１の溝壁面荒れが最も大きく、実施例２、実施例３の順に溝壁面荒れは小さくなる。これらの観察像から、溝の壁面位置の標準偏差を測定した。なお、測定は、溝底部よりの高さが溝高さの１０％、５０％および９０％の３点で実施した。測定結果を表１に示す。

前記表１の結果より、実施例１の溝壁面位置の標準偏差が最も大きく、実施例２、実施例３の順に小さくなっている。表面観察像の結果と照らし合わせると、溝壁面位置の標準偏差が小さいほど、溝壁面荒れが小さくなっている。このように本発明により、溝壁面の粗さを正確に定量することが可能となった。

また、表１の結果より、実施例１においては、溝高さ５０％における標準偏差よりも、溝高さ１０％における標準偏差の方が大きく、溝高さ１０％の方が、溝高さ５０％よりも壁面が荒れていることがわかる。また、実施例２においては、溝高さ５０％における標準偏差よりも、溝高さ１０％や９０％における標準偏差の方が大きく、溝高さ１０％や９０％の方が、溝高さ５０％よりも壁面が荒れていることがわかる。さらにまた、実施例３においては、溝高さ５０％における標準偏差よりも溝高さ９０％における標準偏差の方が大きく、溝高さ９０％の方が溝高さ５０％よりも壁面が荒れていることが解る。このように本発明により、溝壁面の任意の高さにおいて、溝壁面粗さを定量化することが可能となった。

さらに、溝に対して、右側の壁面と左側の壁面を比較した場合、右側の壁面の標準偏差の方が大きく、右側の壁面の方が左側の壁面よりも荒れていることがわかる。このように本発明では、溝の両側の壁面粗さを独立に定量化することが可能となった。

図１３〜１５に実施例１〜３における溝高さ５０％での溝壁面位置のフーリエ解析スペクトルをそれぞれ示した。フーリエ解析スペクトルのピーク位置は、溝壁面における粗さの周期性を示しており、これにより、溝壁面粗さの特徴をさらに詳細に調べることが出来る。例えば、実施例１においては、図１３から６００ｎｍ程度の周期性を持った壁面荒れが生じていることがわかる。一方、実施例２においては、図１４から４５０ｎｍ程度の周期性を持った壁面荒れが生じている。さらに、実施例３においては、図１５から壁面粗さに顕著な周期成分が見受けられないことがわかる。このように、溝壁面位置の測定値をフーリエ解析することによって、壁面粗さの特徴的な周波数成分を抽出することが可能となった。

原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の測定原理を示す図原子間力顕微鏡により取得される画像の例光ディスクにおける再生の模式図溝形状部を上から見た図溝形状部の断面図図５のＬｉｎｅ１、Ｌｉｎｅ２、Ｌｉｎｅ３の高さにおける溝壁面位置解析フローＡＦＭ観察画像における高さデータの度数分布ＡＦＭ観察における溝部のデータ取得位置と高さデータの関係実施例１の表面観察像実施例２の表面観察像実施例３の表面観察像実施例１における溝高さ５０％での溝壁面位置のフーリエ解析スペクトル実施例２における溝高さ５０％での溝壁面位置のフーリエ解析スペクトル実施例３における溝高さ５０％での溝壁面位置のフーリエ解析スペクトル

符号の説明

１カンチレバー
２プローブ
３試料
４ピエゾスキャナー
５溝壁面部
６凹部
７凸部
８レーザービームスポット

Claims

走査型プローブ顕微鏡を用いた溝形状測定において、溝壁面の位置を検出し、溝が形成されている方向における壁面位置の分布を求めることを特徴とする溝形状の粗さの解析方法。
溝底部より同一の高さにおける溝壁面位置を検出することを特徴とする請求項１記載の溝形状の粗さの解析方法。
溝形状部の側面の粗さを測定することを目的とした請求項１または２記載の溝形状の粗さの解析方法。
溝壁面位置の検出値をフーリエ解析することを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載の溝形状の粗さの解析方法。
請求項１〜４いずれかに記載の解析方法を用いたディスク基板の評価方法。
請求項１〜４いずれかに記載の解析方法を用いた導光板の評価方法。