JP2859359B2

JP2859359B2 - 微小寸法測定方法

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Publication number: JP2859359B2
Application number: JP4104290A
Authority: JP
Inventors: 宏夫藤田
Original assignee: SHICHIZUN TOKEI KK
Current assignee: SHICHIZUN TOKEI KK
Priority date: 1990-02-23
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1999-02-17
Anticipated expiration: 2014-02-17
Also published as: JPH03245004A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は磁気ヘッドのギャップ寸法の如き１μｍより
も小さいサブミクロンメートル領域の微小寸法の光学的
な測定方法に関する。

〔従来の技術〕

近年の精密加工技術の進歩に伴い、サブミクロンメー
トル領域の微細な寸法の加工が行なわれるようになり、
被加工物の精密な寸法計測のニーズが高まっている。

このようなサブミクロンメートルでの光学的な微小寸
法計測では、白色光源を用いたイメージセンサーによる
半値幅検出法が多く用いられている。

第２図はこの半値幅検出方法を示したものである。第
２図（イ）は寸法が測定される被測定物20の形状の一例
を示すもので、21は寸法が測定される寸法部で、その寸
法がＧである。22は基材部で、寸法21の両側に存在す
る。なお寸法部21と基材部22は、磁気ヘッドの場合、寸
法部21がガラスで構成されるギャップ、基材部22はフェ
ライトから成る磁性体である。

また寸法部21と基材部22は反射率が互いに異なり、寸
法部21の反射率をr_m、基材部22を反射率をr_sとする。以
下の説明においては、r_s＞r_mを仮定する。

第２図（ロ）の波形23は、被測定物20に集光された白
色照明光を照射し、被測定物20からの反射光をイメージ
センサーで検出したときに得られるビデオ信号波形であ
る。グラフの横軸はイメージセンサーの各画素のアドレ
ス、縦軸は反射光強度である。線24は波形23を２値化す
るためのスライスレベルである。第２図（ハ）の波形25
は波形23が２値化されたときの２値化波形で、立ち下が
り部26と立ち上がり部27の間に含まれる画素数から半値
幅Ｐを検出し、半値値Ｐを寸法Ｇに変換する。なおスラ
イスレベル24は一般にはビデオ信号23の50％強度レベル
に設定している。

また、レーザ光の光偏向を用いた微小寸法測定方法も
本願発明者により提案されていて、特願昭62−51617号
公報に詳細に述べられている。これは、微小なスポット
径に集光したレーザ光を被測定物面上に照射し、音響光
学偏向素子を用いてレーザ光を被測定物面上で光偏向さ
せ、光偏向の一周期における反射光強度パターンを検出
し、反射光強度パターンの強度レベルから寸法を求める
方法である。

第３図に前述したレーザ光の光偏向により得られる従
来の反射光強度パターンの例を示して寸法測定の方法を
説明する。

第３図（イ）の波形31は、第２図（イ）に示した被測
定物20にレーザ光を照射して光偏向させたときに検出さ
れる反射光強度パターンで、グラフの横軸には光偏向の
距離、縦軸は反射光強度である。反射光強度パターン31
の反射光強度32は最小強度V_n、反射光強度33は反射光強
度32が得られる位置における基材強度V_sである。なお基
準硬度V_sは２つの領域34及び35における各々の反射光強
度の平均強度から求めることができる。このとき最小強
度V_nと基準強度V_sの比V_n/V_sを算出する。

第３図（ロ）は前述の強度比V_n/V_sと寸法Ｇの関係を
示すグラフで、横軸は寸法Ｇ、縦軸は強度比V_n/V_sであ
る。図示の如くある一定の寸法範囲においては、寸法と
強度比V_n/V_sは比例関係にあるため、強度比V_n/V_sから寸
法Ｇを算出することができる。

なお従来の寸法における被測定物20からの反射光の検
出は、光偏向の各々の状態（位置）毎の反射光を、その
強度分布の全領域について検出を行なうものであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術の半値幅検出法では、寸法Ｇがある特定の寸
法G₀（〜0.5μｍ）より大きい場合には、設定されたス
ライスレベル（50％強度レベル）で２値化したとき、２
値化画素数と寸法が比例関係にあるが、特定の寸法G₀よ
り小さい寸法になれば２値化画素数と寸法が比例しなく
なり、寸法測定に誤差が生じる。

寸法G₀より小さい寸法になれば、スライスレベルの値
を変える必要があるが、スライスレベルは寸法に固有に
対応するため、寸法が未知の場合は正確なスライスレベ
ルを設定することができない。

従って正確な寸法測定ができず、概略の寸法値しか求
めることができない。

更には寸法が小さくなるに従って、第２図（ロ）に示
したビデオ信号波形23の立ち下がり部、立ち上がり部の
強度変化がブロードになり、スライスレベル24を設定し
て２値化を行なうとき、スライスレベルのわずかな変動
で、２値変化素数が大きく変動する。従って、半値幅検
出法では寸法が小さくなったとき寸法測定の精度、信頼
性が低いという重大な問題点を有している。

レーザ光の光偏向による寸法は、被測定物20の反射率
が一定の場合は精度の良い測定が可能であるが、被測定
物20の反射率が変化した場合には寸法測定誤差が生じる
問題点がある。

これは反射光強度パターン31の強度は、寸法だけでな
く反射率によっても変化するためである。同一の寸法の
場合にも、反射率が変化すれば前述の強度比V_n/V_sが変
化し、反射率の変化が検出できなければあたかも寸法が
変化したと測定される。

以上の従来の微小寸法測定方法における問題点は、被
測定物20の寸法部21のエッジが直接に検出できていない
ために生じるものである。これは照射する光ビームの大
きさに対して、寸法部21の寸法が十分に小さいことが原
因である。

本発明の目的は従来の問題点を解消し、被測定物のエ
ッジを直接に検出することにより、被測定物の反射率変
動に影響されることなく、高精度にサブミクロン領域の
寸法を測定する方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために、本発明は以下に示す方法
で微小寸法を測定することを特徴とする。

微小なスポット径に集光したレーザ光を、寸法が測定
される被測定物面上に照射して光偏向せしめ、被測定物
からの反射光の強度変化特性から寸法を測定する寸法測
定方法において、反射光の光強度分布における強度最大点を中心とし
て、反射光強度が減少する方向に関して光強度分布が対
称となる第１と第２の２つの反射光領域に分割せしめ、第１と第２の反射光領域の少なくとも１つの反射光領
域について、光強度分布の予め設定された範囲の反射光
を、光偏向の各々の状態に同期して検出し、光偏向の一
周期についての反射光強度パターンを作成せしめ、反射光強度パターンにおける強度変化のキンク点位置
を検出し、キンク点の間を偏向させたときの偏向量から
寸法を測定する。

更には、第１と第２の２つの反射光領域の各々につい
て、予め設定された光強度分布範囲での反射光を、光偏
向に同期して検出し、光偏向の一周期について第１と第
２の反射光強度パターンを作成せしめ、第１と第２の反
射光強度パターンの強度の差となる差強度パターンを検
出し、差強度パターンのピーク強度位置を検出し、ピー
ク強度位置の間を光偏向させたときの偏向量から寸法を
測定するものである。

〔作用〕

レーザ光の光強度分布はガウス型分布をなし、ピーク
強度位置を中心として、ビームの広がり方向に対して対
称な光強度分布を有している。このような光強度分布の
レーザ光を第２図（イ）に示した如くの被測定物20の面
上で光偏向させたとき、レーザ光のピーク強度位置が寸
法部21の両側の各々のエッジに照射される状態が２回存
在する。このエッジ位置においては、照射ビームの強度
ピーク点を中心とした左右に対称な領域では反射光の強
度が異なる。それは基材部22と寸法部21で反射率が異な
るためである。

この状態で反射光を、光強度のピーク位置を中心とし
て、ビームの広がり方向に対して対称となる２つの領域
に分割して検出すると、一方の反射光領域では反射光強
度が最大、他方の反射光領域では反射光強度が最小の状
態となる。ここで２つの反射光領域で検出した各々の強
度の差をとれば最大となる。

以上のエッジ位置に照射レーザ光のピーク強度点が照
射されている状態からわずかにレーザ光を光偏向させる
と、ピーク強度点がわずかに移動する。強度の最大部の
移動により、前述のエッジ位置における左右の反射光強
度の反射光強度は、一方の領域では最大状態から減少状
態へ、他方の領域は最小状態から増加状態へと大きく変
化する。即ち反射光強度が不連続的に変化し、それは変
化のキンク点である。

以上の反射光強度の変化は、寸法部21と基材部22との
間に反射率の差異がある限りにおいては、どちらか一
方、あるいは両方の反射率が変動したとしても、反射光
強度の大きさが変化するだけであり、反射光強度の変化
のキンク点は変化しないため、反射率の変化に影響され
ないでエッジ位置が検出できる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明す
る。

第１図（イ）に本発明の微小寸法測定方法を説明する
システムブロック図、（ロ）に反射光の検出状態図を示
す。

１はレーザ光源で、He−Neレーザ管、半導体レーザ等
から成り、レーザ光100を放射する。

２はレーザ光の光偏向、ビーム形状の変換、ビーム進
行方向の制御等を行なう光学系で、光偏向素子110、ビ
ームスプリッター112、対物レンズ114、ビーム変換レン
ズ116及び図示していないが他の各種の光学素子から構
成されている。

３は寸法が測定されている被測定物で、第２図（イ）
に示した如きの構成で、寸法部21（反射率r_m）、基材部
22（反射率r_s）から成る。ここで寸法部21のエッジが2
8、29である。被測定物３の面上に微小スポット径に集
光されたレーザ光を照射して、光偏向素子110により図
のＡＢ方向に細かいステップで光偏向する。サブミク
ロンメートル領域の微小寸法を〜0.01μｍ精度で測定す
るため、光偏向の１ステップ当りの偏向量は例えば〜0.
005μｍ以下で行なうと共に、偏向安定度が高く、偏向
に要する時間が短いことが必要である。このため光偏向
素子110は音響光学偏向素子を用いると都合が良い。４
は光偏向素子110の偏向動作を電気的に制御するための
偏向制御ドライバーで、例えばランプ波電圧信号により
光偏向素子110を制御するが、ランプ波電圧の電圧値に
応じた位置にレーザ光が偏向される。被測定物３から反
射されたレーザ光はビームスプリッター112で進路を変
えられ、ビーム変換レンズ116を透過し、反射光120とし
て受光部５に入射する。

一般にレーザ光の光強度分布は、ガウス型の分布を有
しているため、反射光120もガウス型分布をしている。
第１図（ロ）の波形200は反射光120の光強度分布を示
す。波形200の横軸はビームの広がり方向の距離
（ｒ）、縦軸は光強度で、ガウス型分布をしている。21
0は波形200の強度最大部で、ｒ＝０の位置である。反射
光120の光強度分布は強度最大部210を中心として左右方
向に対称で、左側にある領域220を第１の反射光領域、
右側にある領域230を第２の反射光領域と呼ぶ。このと
き２つの領域220、230の光強度は等しい。

第１図（イ）において、受光部５は（ロ）に示した光
強度分布を持つ反射光120を２つの反射光領域に分割し
て検出する。受光部５は例えば中心部150で２つの受光
領域152、154に分割された２分割タイプの受光素子で、
反射光を受光し、光電変換して反射光量に比例した電圧
を発生する。以下の説明では、光電変換された電圧を単
に反射光強度と表現する。

受光領域152は第１の反射光領域220、受光領域154は
第２の反射光領域230を受光する。

６はA/D変換部で、受光部５から発せられたアナログ
電圧信号をディジタル電圧信号に変換する。なおA/D変
換は偏向制御ドライバー４から発せられるランプ波信号
の電圧変化に同期して行なう。なおA/D変換は受光領域1
52、154で受光された各々の反射光について行なう。

７はメモリー回路で、２つのメモリー部172、174から
成り、A/D変換された反射光強度を記憶する。メモリー
部172では第１の反射光領域220、メモリー部174では第
２の反射光領域230の反射光強度を記憶する。光偏向の
一周期についての反射光強度を記憶して、メモリー部17
2では第１の反射光強度パターン173、メモリー部174で
は第２の反射光強度パターン175を作成する。

８は第１の演算部で、第１の反射光強度パターン173
の強度変化特性を演算する。

９は第２の演算部で、第２の反射光強度パターン175
の強度変化特性を演算する。

第１、第２の反射光強度パターンについては後で詳細
に説明するが、各々の反射光強度パターンは、被測定物
３のエッジ28、29の付近に照射レーザ光の強度ピーク点
が照射される場合に特有の強度変化特性を示し、それは
強度変化のキンク点になる。従って第１、第２の演算部
では、前述のキンク点位置を決定し、そのキンク点位置
に光偏向されたときの偏向制御電圧を算出する。

10は差強度演算部で、第１と第２の反射光強度パター
ン173、175の差の強度を算出する。反射光強度パターン
のキンク位置は、反射光強度の強度が最大、最小の値と
なるため、差強度のピーク位置がキンク位置、即ちエッ
ジ位置である。この場合もピーク位置に光偏向された偏
向制御電圧を算出する。

11は寸法算出部で、前述のキンク位置、ピーク位置に
対応する偏向制御電圧から寸法を算出する。ここで、被
測定物３の寸法部21の両側のエッジ28、29に対応する偏
向制御電圧をV_L、V_Rとすれば、電圧差V_R−V_Lがエッジ間
を光偏向した偏向量となり、偏向量を寸法に変換する。

このとき、寸法の既知の試料について前述の偏向量
（偏向制御電圧の電圧差で与えられる）を測定してお
き、偏向量と寸法の相関式を求めておく必要がある。

なお、偏向量と寸法は比例関係にあるため、相関式は
容易に決定することができる。

以上示した例では、第１と第２の反射光領域220、230
の２つの領域の反射光を検出しているが、いずれか一方
の反射光領域を検出し、そこで得られる反射光強度パタ
ーンから強度変化のキンク点を決定してもよい。更に
は、第１、第２の反射光領域を検出した場合、第１、第
２の演算部８、９、あるいは差強度演算部10のいずれか
一方の演算部を用いてエッジ位置を検定することもでき
る。

次に、被測定物面上でのレーザ光の光偏向によって得
られる反射光強度パターンの例を示し、本発明による微
小寸法測定の実際例について説明する。

以下の実施例では、被測定物３は磁気ヘッドでギャッ
プ寸法測定を行なう例について述べる。

第４図は磁気ヘッドの外観図を示すもので、２つの浮
上面（スライダー面）40の間にあるトラック部41の先端
部にギャップ部42が形成されている。

磁気記録密度を高めるために、ギャップ42の寸法を微
小化することが必要とされ、現在では0.3μｍに達して
いる。またギャップ部42の構造によりモノリシック型、
MIG型（メタル・イン・ギャップ）に分類される。

第５図にモノリシック型磁気ヘッドのギャップ寸法測
定について示す。第５図（イ）はギャップ上でのレーザ
光の光偏向の状態を示す図、（ロ）は光偏向の一周期で
検出される反射光強度パターンである。第５図（イ）に
おいて、50はトラック部41を構成するフェライト磁性体
面、51はガラスで構成されるギャップで、その寸法Ｇを
測定する。フェライト磁性体面50の反射率をr_f、ギャッ
プ51の反射率をr_gとする。r_f＞r_gである。ここで微小ス
ポットに集光した照射レーザ光52を図のＡからＢ方向へ
と光偏向させる。一般にレーザ光52のビームスポット径
をピーク強度520の13.5％の強度範囲で定義すれば、〜
1.5μｍ程度であり、ギャップ寸法〜0.3μｍに対してか
なり大きいため、ギャップ51にレーザ光52が照射されて
いても、その一部分だけが照射されることになる。

S1状態はレーザ光52の右端部が磁性体50とギャップ51
の一方のエッジ53に照射された場合、S2状態はレーザ光
52のピーク強度520がエッジ53に照射された場合、S3状
態はレーザ光52のピーク強度520がギャップ51の中央部
に照射された場合、S4状態はレーザ光52のピーク強度52
0が、磁性体50とギャップ51の他方のエッジ54に照射さ
れた場合、S5状態はレーザ光52の左端部がエッジ54に照
射されている状態である。図では光偏向の代表的な状態
を示したが、実際の偏向はもっと細かいステップ、例え
ばレーザ光52のビーム径の1/100以下の〜0.01μｍ以下
のステップで行なう必要がある。

以上の偏向状態において、S2状態、S4状態を検出でき
れば、ギャップ51の両側のエッジ53、54が決定でき、S2
状態からS4状態へ光偏向させた偏向量から寸法が決定で
きることになる。

第５図（ロ）の波形540は照射レーザ光52が反射され
た反射光の光強度の広がりを示す。

照射レーザ光52はガウス型の光強度分布を有し、磁気
ヘッドのトラック面、ギャップ面は表面粗さが少ない鏡
面状に加工されているため、乱反射成分が無い正反射を
起こし、反射光もガウス型の光強度分布を有している。

従って反射光をその光強度の広がりにおける中心部55
0に対して左右の２つの領域、すなわち、第１の反射光
領域560、及び第２の反射光領域570に分割した場合、光
偏向の状態に応じて領域560、570の光強度は異なる。波
形55はS1状態からS5状態まで光偏向を行なったとき、反
射光の左側の領域560での反射光強度の変化（第１の反
射光強度パターン）である。

波形56は同じく反射光の右側の領域570での反射光強
度の変化（第２の反射光強度パターン）である。波形の
横軸は光偏向量、縦軸は反射光強度である。

S1状態においては左右２つの領域560、570の反射光強
度は等しい。S1状態からS2状態へ光偏向が進むに従って
右側の領域570の反射光強度は低下するが、左側の領域5
60の反射光強度は一定値を保つ。

S2状態では波形55は最大強度、波形56は最小強度の状
態でエッジ位置となる。

S2状態からS3状態へと光偏向が進めば、右側の領域57
0の反射光強度は増加し、左側の領域560の反射光強度は
減少し、S3状態において両者の反射光強度は等しくな
る。S3状態からS4状態への場合も、S2状態からS3状態へ
のときと同様の変化となり、S4状態において、波形55は
最小強度、波形56は最大強度の状態で、エッジ位置とな
る。S4状態からS5状態への光偏向では、反射光の右側の
領域570の反射光強度は一定、左側の領域560の反射光強
度は増加する。

このようにしてS1からS5状態への光偏向の一周期につ
いて図の如くの２つの反射光強度パターン55、56が得ら
れる。なお波形57は、波形55と波形56の強度の和となる
反射光強度パターンで、従来技術の項にて声明した波形
と同一の波形である。（なお強度レベルは縮尺して示し
ている）波形55と波形56において、ギャップ51の両側のエッジ
53、54で、反射光強度が特徴的に変化している。即ち、
反射光強度が不連続的な変化をしている。これを変化の
キンク点と呼ぶことにする。このキンク点は、照射レー
ザ光52の光強度の最大部が、反射率に差がある位置の付
近に照射されるときに発生するものである。

波形55、56のいずれか一方の波形だけからでもS2、S4
状態の２つのキンク点を決定できるが、２つの波形55、
56からキンク点を別個に検出し、それら比較してもよ
い。波形59は、波形55と56の２つの強度差に対応する差
強度パターンである。差強度パターンは２つのピーク点
590、592を有し、ピーク点位置がキンク点位置と一致す
る。従って差強度パターンのピーク点位置からエッジを
決定することもできる。なおギャップ51の中心位置は、
差強度パターンの２つのピーク位置の中間の差強度が０
となる点595で与えられる。

このモノリシック型磁気ヘッドにおいて、ギャップ51
の反射が変化した場合は、波形55、56の最小強度のレベ
ルが変化するが、キンク点位置は変化しない。従って本
発明では反射率が変化しても、反射率の変化に影響され
ないでエッジ位置の検出が可能で、正確な寸法を測定す
ることができる。

第１図での実施例は、反射光の検出は（ロ）に示した
如く、２分割領域に分割した各々の反射光領域560、570
の全体について行なっていた。

第５図（ハ）の反射光検出領域の他の実施例を示す。
光強度最大部550を中心として左右の反射光領域に分割
するとき、その強度の大きい領域を検出し、強度の小さ
い領域はマスキングして検出しないようにする。左側の
領域565が第１の反射光領域、右側の領域575が第２の反
射光領域となる。

次に、MIG型磁気ヘッドのギャップ寸法測定例につい
て説明する。

第６図に片MIG型ギャップ寸法測定例を示す。第６図
（イ）は片MIG型ギャップ上でのレーザ光の偏向状態を
示す図、（ロ）は光偏向の一周期によって得られる反射
光強度パターンを示す。

片MIG型ギャップは、トラックを構成する磁性体50の
間にギャップ61とセンダスト膜から成るメタル部62が形
成されている構造である。

ギャップ61の寸法は〜0.3μｍ、メタル62の寸法は〜
1.5μｍ程度で、照射するレーザ光52のビーム径と同程
度あるいは若干広い寸法である。メタル部62の反射率を
r_rとすると、r_rは反射率が高く、r_g＜r_f＜r_rの関係にあ
る。

本例の場合もＡからＢ方向にレーザ光52の光偏向を行
なう。光偏向のK1状態はレーザ光52の右端が磁性体50と
ギャップ61のエッジ600に照射された状態である。K2状
態はレーザ光52のピーク強度520がエッジ600に照射され
た状態である。この場合はレーザ光52の右側の強度部分
はメタル部62にも照射されている。K3状態はレーザ光52
のピーク強度520が、ギャップ61とメタル62のエッジ610
に照射された状態、K4状態はレーザ光52のピーク強度52
0がメタル62と磁性体50のエッジ620に照射された状態、
K5状態はレーザ光52の左端がエッジ620に照射された状
態で、K1からK5状態が光偏向の一周期である。以上の代
表的な偏向状態において、K2状態とK3状態の間の偏向量
からギャップ61の寸法が決定でき、またK3状態とK4状態
の偏向量からメタル62の寸法が決定できる。

本例も、第５図（ロ）に示した反射光をその中心部55
0を中心として左右の２つの領域560、570に分割して検
出する。

K1状態では左右２つの領域560、570の反射光強度は等
しい。K1状態からK2状態へ光偏向が進むに従って、右側
領域570の反射光強度は低下するが、照射レーザ光52の
右端部分がメタル62に照射されてくると、逆に反射光強
度は増加してくる。これはギャップ61の寸法が小さくな
るほど反射光強度の増加は大きくなる。反射光の左側領
域560では反射光強度は一定である。K2状態からK3状態
へ光偏向が進むと、右側領域570の反射光強度は急速に
増加し、K3状態にて最大強度となる。左側領域560の反
射光強度は逆に減少し、K3状態において最小強度とな
る。

K3状態からK4状態への光偏向では、右側領域570の反
射光強度は、照射レーザ光52の右端部がエッジ620に照
射されるまでは最大強度を保持し、その後に減少をはじ
め、K4状態ではK1状態と同じ強度となる。左側領域560
については反射光強度は増加しはじめ、照射レーザ光52
の左端部がエッジ610に照射された状態で最大強度とな
り、K4状態まで最大強度を保持する。K4状態からK5状態
への光偏向では、右側領域570は一定強度を保持し、左
側領域560では強度が減少し、K5状態において一定強度
に達する。

第６図（ロ）の波形63は左側領域560で検出された第
１の反射光強度パターン、波形64は右側領域570で検出
された第２の反射光強度パターンである。

なお波形65は、波形63と64の強度の和となる反射光強
度パターンである。

波形63においては反射光強度変化のキンク点が３点存
在するため、３つのエッジ600、610、620が決定でき
る。波形64においては、反射光強度変化のキンク点は２
点しか存在せず、２つのエッジ610、620が決定できるだ
けである。

エッジ600では波形64にキンク点が存在しない。それ
は照射レーザ光52の半径に比べてギャップ61の寸法が小
さく、K2状態においては、照射レーザ光52の右側部分が
ギャップ61だけでなく、反射率の最も高いメタル62にも
同時に照射されているためである。

次に波形64によりエッジ600においてキンク点を得る
方法を説明する。

今までの実施例は反射光の右側領域570全体の強度を
検出するものであったが、右側領域570の中心部550に近
い強度の高い部分だけを検出し、強度の低い部分をマス
キングして、反射光を検出しないようにすれば、前述の
K2状態において、メタル62からの強い反射光の寄与を除
去することが可能である。

第６図に示した実施例においても、ギャップ61あるい
はメタル62の反射率が変化した場合、反射光強度のレベ
ルが変化するだけで、反射光強度の変化のキンク点位置
は変化しないため、反射率の変化の寸法に対する影響は
無い。

第７図にMIG型ギャップの他の例としての両MIG型ギャ
ップ寸法例を示す。

第７図（イ）は両MIG型ギャップ上でのレーザ光の偏
向状態を示す図、（ロ）は光偏向の一周期によって得ら
れる反射光強度パターンを示す。

両MIG型ギャップは、トラックを構成する磁性体50の
間に２つのメタル部72、73が形成され、更にメタル72、
73の間にギャップ71が形成された構造である。メタル7
2、73の反射率をr_l、r_rとするが、この反射率は同じ場
合もあるし、あるいはメタルを形成する材質が異なる場
合は異なる。本例では、r_l＞r_rを仮定する。本例の場合
もＡからＢ方向にレーザ光52の偏向を行なう。

第７図（イ）の偏向状態において、R1状態は照射レー
ザ光52の右端が磁性体50とメタル72のエッジ700に照射
されている状態、R2状態はレーザ光52のピーク強度がエ
ッジ700に照射されている状態、R3状態はレーザ光52の
ピーク強度がメタル72とギャップ71のエッジ710に照射
された状態、R4状態は同じくギャップ71とメタル73のエ
ッジ720に照射された状態、R5状態はレーザ光52のピー
ク強度がメタル73と磁性体50のエッジ730に照射された
状態、R6状態はレーザ光52の左端部がエッジ730に偏向
された状態で、R1からR6状態で偏向の一周期をなす。

以上の代表的な偏向状態において、R2状態からR3状態
への偏向量からメタル72の寸法を算出し、R3状態からR4
状態への偏向量からギャップ71の寸法を算出し、R4状態
からR5状態への偏向量からメタル73の寸法を算出する。

R1状態では第５図（ロ）に示した反射光において左右
の領域560、570の反射光強度は等しく、R6状態でも同様
である。

R1状態からR2状態に偏向が進むときは、反射光の左側
領域560は一定の反射光強度を保持し、右側領域570は反
射光強度が増加し、R2状態で最大強度となる。

R2状態からR3状態への偏向では、右側領域570の反射
光強度は低下し、左側領域560の反射光強度は増加し、R
3状態で最大強度となる。

R3状態からR4状態への偏向では、右側領域570の反射
光強度は増加し、逆に左側領域560では減少する。

R4状態からR5状態への偏向では、右側領域570の反射
光強度は減少、左側領域560では増加する。R5状態からR
6状態への偏向では、右側領域570は一定強度を保持し、
左側領域560では反射光強度は減少して一定値に達す
る。

第７図（ロ）の波形74は反射光の左側領域560で検出
された第１の反射光強度パターン、波形75は右側領域57
0で検出された第２の反射光強度パターン、波形76は、
波形74と75の和の強度となる反射光強度パターンであ
る。

本例の場合は、第５図に示した例と同じく、エッジ70
0、710、720、730のすべてに対して、波形74、75のいず
れの反射光強度パターンからも、反射光強度変化のキン
ク点が得られ、エッジの検出が容易に行なわれる。

以上３種類のギャップ構造を持つ磁気ヘッドのギャッ
プ寸法測定例を説明したが、被測定物３からの反射光を
２つの領域に分割して検出するとき、レーザ光の偏向位
置に影響されないで、常に一定の位置で反射光の検出を
行なうことが必要である。

第８図にレーザ光の光偏向を行なわせ、反射光の検出
を行なう光学系の実施例を示す。

第８図（イ）はレーザ光の偏向経路を説明する図、
（ロ）はレーザ光のビーム形状を説明する図である。

80はレーザ光源で、円形状のレーザ光を放射する。81
はシリンドリカルレンズ（焦点距離f₁）で紙面に平行方
向への屈折作用を持つ。82は凸レンズで焦点距離はf₂で
ある。シリンドリカルレンズ81、凸レンズ82の光軸中心
上にレーザ光を入射させて直進させる。このとき、レー
ザ光のビーム形状はシリンドリカルレンズ81、凸レンズ
82の組み合せによって紙面に平行な方向に１次元的に広
がったシートビームに変換される。83は音響光学偏向素
子（以下にAODと略記する）である。

AODは第１図に示した偏向制御ドライバー４により駆
動され、θ_ｄの偏向角度でレーザ光を偏向する。AOD83
には紙面に平行な方向に関してはシートビームが入射さ
れるが、紙面に垂直方向のビーム形状に関しては、AOD8
3の中央部で集光される収束光になっている。84は凸レ
ンズで凸レンズ82と同一のもので、焦点距離はf₂であ
る。85はシリンドリカルレンズで、81と同様に焦点距離
はf₁である。シリンドリカルレンズ85は紙面の垂直方向
に屈折作用を持たせるように配置する。

AOD83で偏向されたレーザ光は凸レンズ84で光軸に平
行に進行させられ、シリンドリカルレンズ85では進路変
更の影響は受けないで直進する。

ビーム形状に関しては、AOD83を透過した紙面に平行
なシートビームは凸レンズ84で屈折され、シリンドリカ
ルレンズ85では屈折作用を受けずに直進する。紙面に垂
直方向のビーム形状としては、AOD83の中央部から発散
したビームは凸レンズ84で平行光に変換され、シリンド
リカルレンズ85で屈折される。従ってシリンドリカルレ
ンズ85の焦点位置においては再び円形ビームが集光され
た状態が得られる。86はビームスプリッターで、シリン
ドリカルレンズ85の焦点位置に設置する。

87は凸レンズで焦点距離がf₃、88は対物レンズで焦点
距離がf₀である。

シリンドリカルレンズ85を透過し、ビームスプリッタ
ー86も透過したレーザ光は凸レンズ87で屈折された後に
対物レンズ88で光軸に平行に進行させられる。ビーム形
状に関しては、ビームスプリッター86の中心部から発散
させられるビームは凸レンズ87で平行光に変換され、対
物レンズ88で微小なスポット径に集光される。

被測定物３で反射されたレーザ光は、対物レンズ88、
凸レンズ87を逆進し、ビームスプリッター86で反射し
て、反射光として取り出される。

89は凸レンズで焦点距離がf₄である。ビームスプリッ
ター86で反射したレーザ光は、AOD83の偏向に応じて凸
レンズ89の光軸方向への入射位置が変化されるが、凸レ
ンズ89により屈折させて焦点位置において一定点になる
ようにする。

ビームの形状に関しては、ビームスプリッター86で反
射されたビームは発散光となるが、凸レンズ89で平行ビ
ームに変換される。

従って凸レンズ89の焦点位置に、第１図で示した中央
部がマスキングされ、２つの受光領域に分割された２分
割検出器を設ければ、偏向位置の変化に影響されない
で、安定して反射光を検出できる。

なお、以上に示した光学系では、被測定物３の面上で
は光偏向量は、f₂・f₀・θ_d/f₃で与えられるため、レン
ズの焦点距離の設定により偏向量を設定することができ
る。また凸レンズ89の焦点距離f₄により受光器に入射さ
せるときのビーム径を調整することができ、受光器の受
光面積に合わせることができる。

本実施例では２分割素子を用いる例を示したが、多分
割された１次元イメージセンサーを用いてもよい。反射
光をシリンドリカルレンズにて１次元的に広がるシート
ビームを作成してイメージセンサーで検出し、強度最大
点位置を検出し、その両側の設定された領域について、
各々の画素部分の反射光強度の和を演算して反射光強度
を算出することもできる。

本発明の微小寸法測定物として、磁気ヘッドのギャッ
プ寸法測定例を説明した。

本発明による方法は、ギャップ方法のみならず、反射
率に差異のある部材から構成される被測定物に適用でき
る。

また本発明は単に寸法測定だけでなく、反射率に差異
のある位置を決定できるため、表面状態の変化の検出に
も有効である。

さらに、本発明によれば、被測定物に反射率の差異が
存在しなくても、エッジ位置に照射レーザ光の焦点深度
以上の段差が存在すれば、有効な測定ができる。

〔発明の効果〕

以上に示した実施例で明らかな如く、本発明によれ
ば、被測定物の寸法測定部の寸法に対して、かなり大き
い直径のレーザ光を照射して光偏向させても、反射光を
強度最大部に対して対称な２つの領域に分割して検出す
ることにより、被測定物のエッジを明確に検出すること
が可能である。さらに、被測定物を構成する材質の反射
率が変化してもエッジ検出には影響されない。

エッジ位置の検出は、反射光強度の変化のキンク点を
検出するだけでよく、簡素なソフトウエアで実行でき
る。

従って簡素な構成で精度良く微小寸法の測定が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の微小寸法測定方法を説明するシステム
ブロック図、第２図は従来の半値幅法による微小寸法測
定方法を説明する図、第３図は従来のレーザ光偏向によ
り、反射光強度から微小寸法を測定するときの方法を説
明する図、第４図は磁気ヘッドの外観図、第５図から第
７図までは本発明によるモノリシック型ギャップ、片MI
G型ギャップ、両MIG型ギャップにおけるギャップ寸法測
定を行なうときの、光偏向状態と反射光強度パターンを
説明する図、第８図は本発明による微小寸法測定を行な
うときに用いる光学系の構成例を説明する図である。１……レーザ光源、５……受光部、８……第１の演算部、９……第２の演算部、 10……差強度演算部、11……寸法算出部、 52……照射レーザ光、110……光偏向素子、 220……第１の反射光領域、 230……第２の反射光領域。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】微小なスポット径に集光したレーザ光を、
寸法が測定される被測定物面上に照射して光偏向せし
め、前記被測定物からの反射光を検出し、反射光強度の
変化により前記被測定物の寸法を測定する微小寸法測定
方法において、前記反射光の強度分布における強度最大点を中心とし
て、反射強度が減少する方向に関して光強度分布が対称
な第１と第２の２つの反射光領域に分割せしめ、該第１
と第２の反射光領域の少なくとも１つの反射光領域につ
いて、前記光強度分布の予め設定された範囲の反射光
を、光偏向に同期して検出し、光偏向の一周期について
の反射光強度パターンを作成せしめ、該反射光強度パタ
ーンの強度変化のキンク点位置を検出し、該キンク点の
間を光偏向させたときの偏向量から寸法を測定すること
を特徴とする微小寸法測定方法。
【請求項２】請求項１に記載の微小寸法測定方法におい
て、前記第１と第２の２つの反射光領域の各々につい
て、予め設定された光強度分布範囲での反射光を光偏向
に同期して検出し、光偏向の一周期について第１と第２
の反射光強度パターンを作成せしめ、該第１と第２の反
射光強度パターンの差強度パターンを検出し、該差強度
パターンのピーク強度位置を検出し、該ピーク強度位置
の間を光偏向させたときの偏向量から寸法を測定するこ
とを特徴とする微小寸法測定方法。