JP3691404B2 - 微小寸法測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学顕微鏡とCCDカメラ等の二次元イメージセンサを利用して、磁気ヘッドトラック幅,半導体ウェハ生成用マスクの線幅等の微小寸法を非接触で測定する微小線幅測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
基本的な微小寸法測定装置の構成は、図5に示すように、光学顕微鏡23で投影された被写体(被測定物)2の空間像をCCDカメラ27で撮像し、寸法測定演算処理装置28で所望部分の寸法を電気的(映像信号の波形処理)に測定し、TVモニタ1に被測定物2の画像と寸法測定値を表示するものがある。ここで、寸法測定演算処理装置28はCPU280、ROM281、フレームメモリ282、Z軸モータ駆動パルス発生部283、映像ピーク検出回路284、DCモータ駆動パルス発生部285で構成されている。
【0003】
被測定物2を、XYステージ20上に搭載し、顕微鏡の視野に移動する。移動はCPU280がステージ制御部29へRS−232C回線を介して命令する。被写体2の焦点方向の移動は、CPU280がZ軸モータ駆動パルス発生部283に命令し、Z軸移動モータ22を駆動し、Z軸ステージ21を上下移動させ、合焦点を得る。
【0004】
CCDカメラ27への入射光量の最適化は、映像ピーク検出回路284で所定範囲の映像信号の輝度ピーク値を検出し、DCモータ駆動パルス発生部285で、図示していない基準値と比較し、その出力により、DCモータ26を駆動し、減光機構25を制御し、光量を調整する。
【0005】
図6は、図5のCCDカメラ27で撮像した被測定物2のTVモニタ1とTVモニタ1における測定対象走査線6(Li)上のフレームメモリ282(図5)で得られる輝度分布である。5はポール面を示す。測定対象走査線6(Li)の輝度分布は、走査線6(Li)に対応する映像信号をN分解した各画素位置と、それぞれの輝度により、寸法を求めるが、輝度分布60における最大輝度レベル61を100%とし、最小輝度レベル62を0%とし、50%の輝度レベル63に相当するa番目の位置の画素とb番目の位置の画素間の位置差Nabを求め、この位置差Nabに、この時の光学顕微鏡23の測定倍率とCCDカメラ27の受光サイズから求めた係数kを乗じて、対応する被測定物2の寸法値Xを求めていた。これを便宜上エッジ認識法と呼ぶ。
X=k×Nab
一方、寸法測定の最小寸法限界は、光学顕微鏡の分解能となる。ここで、分解能αは、
α=λ/(2×Nab)、 λ:波長 NA:対物レンズの開口数
であらわされる。
【0006】
図7は光学顕微鏡の分解能αと輝度分布の関係図である。図7において、34は2α幅の白線輝度分布であり、37は最小輝度レベル、38は最大輝度レベル(VH)、41はスレッシュホールドレベルである。また、35はα幅の白線輝度分布であり、39は最大輝度レベル、42はスレッシュホールドレベルである。また、36はα幅未満の白線輝度分布であり、40は最大輝度レベル、43はスレッシュホールドレベルである。図7に示すように、2α幅の白線輝度分布34,α幅の白線輝度分布35,α幅未満の白線輝度分布36のエッジ認識法での寸法は、53,54,55となり、53>54であるが、54と55の大小が判別つかなくなり、α幅未満の白線輝度分布は測定不能である。
【0007】
また、図7において、44は2α幅の黒線輝度分布であり、47は最小輝度レベル、50はスレッシュホールドレベルである。また、45はα幅の黒線輝度分布であり、48は最小輝度レベル、51はスレッシュホールドレベルである。また、46はα幅未満の黒線輝度分布であり、49は最小輝度レベル、52はスレッシュホールドレベルである。図7に示すように、2α幅の黒線輝度分布44,α幅の黒線輝度分布45,α幅未満の黒線輝度分布46のエッジ認識法での寸法は、56,57,58となり、56>57であるが、57と58の大小が判別つかなくなり、α幅未満の黒線は測定不能である。
【0008】
ここで、光学顕微鏡の分解能αは、
対物レンズ100倍の開口数は、NA=0.95で,
可視光顕微鏡を使用時、光源波長λ=0.55μm時に、α=0.29μm
紫外光顕微鏡を使用時、光源波長λ=0.365μm時に、α=0.19μm
深紫外光顕微鏡を使用時、光源波長λ=0.248μm時に、α=0.13μ
mが限界となる。
【0009】
この課題を解決するために、特公平6−103168号公報(特許第1967489号)の方法がすでに提案されている。
【0010】
図8は、この従来の微小寸法の測定を説明する図である。図8は、図5に示すCCDカメラ27で被測定物2を撮像し、寸法測定をする1走査線に対応する映像信号を、寸法測定演算処理装置28に取込み、図示していないA/Dコンバータでその輝度レベルをデジタル化し、これを一連の記憶素子であるフレームメモリ282に画素単位で記憶させたときの各画素位置における輝度レベル特性を示したものである。ここで、フレームメモリ282上の画素番地を0〜N番地、i番地の輝度レベルをViとする。そして記憶された輝度レベル60の最大値61を100%レベル、最小値62を0%レベルとし、スレッシュホールドレベルTL63の値を、例えば50%レベルに定め、このスレッシュホールドレベルTL63と同じ輝度レベルの画素a,bの番地を求める。そして、画素a,b間の全ての番地の輝度レベル(スレッシュホールドレベルTL以上の輝度)を加算し、画素a,b間の輝度レベルViの積分値Sを次式により得る。
【0011】
【数1】
ここで、この積分値Sは、被測定物2の実寸法と密接な比例関係がある。そこで、このSに顕微鏡23の光学倍率等によって決まる,あらかじめ算出した係数kを乗じて、被測定物2の測定寸法値Xを次の如くして得る。
【0012】
【数2】
以上の説明は、顕微鏡の分解能α以下の場合の寸法測定方法であり、分解能α以上の寸法測定においては従来の被測定物画像の輪郭間の位置差に基づく測定寸法を併用することにより、この従来の測定寸法は、分解能α以上からα以下までの被測定物の寸法測定において、図9に示すように、エッジ検出成分だけの測定値特性70に比較して理想寸法値特性71に、より近づいた測定値特性72となる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の微小寸法の測定は、長年の実測の結果、下記のことが判明した。すなわち、被測定物がギャップ長等の黒い幅の線を測定する場合には、α/3幅まで、実際の寸法値(測長SEMで測定した値)と相関性がとれていることが既に確立されている。しかしながら、被測定物がトラック等の白い幅の線を測定する場合には、輪郭間の位置差と輝度積分値だけでは、α/2幅近辺で、実際の寸法値(測長SEMで測定した値)と相関性がないことがある。
【0014】
一例として、図10で説明する。図10は、紫外光顕微鏡を使用した時の、分解能αと輝度分布の関係図である。
光源波長λ=0.365μm時に、α=0.19μmであり、白線輝度分布の測定の場合、2α幅の白線輝度分布34,α幅の白線輝度分布35,2α/3幅の白線輝度分布36,α/2幅の白線輝度分布80は、図10のようになり、その時の、実際の寸法値と従来の測定値は、図10に記載のようになる。この結果、2α/3幅の白線輝度分布36が0.13μmであるのに対し、α/2幅白線80が0.15μmの測定値となり、大小関係が逆転しており、測定不能である。
【0015】
本発明の目的は、光顕微鏡の分解能以下の被測定物に対しても測定をより可能とする微小寸法測定装置を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記図10において、α/2幅の白線輝度分布80の最大輝度81は、2α/3幅の白線輝度分布36の最大輝度40よりも低くなること、すなわち白線の幅が小さくなるに従い最大輝度Vmaxも低くなることから、従来の測定値Xに、最大輝度Vmaxを乗じ、α幅以上の白線輝度分布34の最大輝度VHで除することにより、実際の寸法値と相関性のとれた測定値が得られることを見い出した。これにより、白線(α)>白線(α/2)>白線(α/3)>白線(α/4)の関係の測定値が提供可能となる。
測定値=X×(Vmax/VH)
本発明の測定によれば、図10に記載のように、2α/3幅の白線輝度分布36が0.12μm、α/2幅白線80が0.095μmの測定値となり、実際の寸法値と同じである。
【0017】
すなわち、本発明は、光学顕微鏡とイメージセンサを用いて、被測定物を撮像し、得られた映像信号から所定の輝度レベルの一致する2点の信号位置を抽出し、この2点間の位置情報に基づき前記被測定物の寸法を算出測定する微小寸法測定装置において、前記2点間の位置の差と、基準となる最大輝度に対する前記2点間の最大輝度の比率との乗算に基づき、前記被測定物の寸法を測定することを特徴とする微小寸法測定装置である。
【0018】
本発明は、前記被測定物が磁気ヘッドのトラック幅であることを特徴とする微小寸法測定装置である。
【0019】
本発明は、前記被測定物が半導体ウェハ生成用マスクの線幅であることを特徴とする微小寸法測定装置である。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施の形態による被測定物が磁気ヘッド(GMRヘッド)のトラック幅測定の場合で、図5の基本的な微小寸法測定装置で撮像したTVモニタ1の画像である。
【0021】
TVモニタにおいて、上部シールド面3と下部シールド面4とポール面5が明るくて白に、周辺が暗くて黒く映る。シールド面の幅は、分解能α以上での最大輝度を得るために、十分広く、そこの最大輝度を基準となる最大輝度VHとし記憶し、測定ライン6上の白線の幅であるトラック幅7を測定する時に使用する。ここで、測定ライン6は、指定位置の上下10ライン分6'とする。
【0022】
図2は、図1のトラック幅寸法測定過程を説明するフローチャート図である。
(1)ステップ100:上部シールド面水平中心線検出
画面の輝度を水平方向に加算して垂直プロジェクション像8が得られる。この垂直プロジェクション像8の上から下への所定スレッシュホールドレベルを超す点aを検出し、さらに下側に白が黒方向に立下りかつ最大白レベルよりノイズレベルだけ下がった点bを検出する。
(2)ステップ110:ポール面垂直中心線検出
a点から上側の画面の輝度を垂直方向に加算して水平プロジェクション像9が得られる。この水平プロジェクション像9の最大輝度を有す点cを検出する。
【0023】
(3)ステップ120:測定基準座標検出
測定基準座標10を(x0,y0)=(c,a)とする。
(4)ステップ130:VH検出
測定基準座標10(x0,y0)と、予め設定していたx1,y1から、4点111(x0−x1,y0),112(x0+x1,y0),113(x0−x1,y0+y1),114(x0+x1,y0+y1)で囲まれたVH検出エリア11をつくり、そのなかで、輝度の最大値VHを求める。この最大値VHは、ノイズ除去のため、最大値の周辺10×10画素の輝度の平均値とする。
【0024】
(5)ステップ141:測定ライン数測定済か?
測定すべき測定ラインを全て測定していたら、ステップ150:測定値平均化へ行く。測定してないときは、ステップ142:測定ラインの最大最小輝度検出へ行く。
(6)ステップ142:測定ラインの最大最小輝度検出
測定ラインを測定すると、その画素−輝度特性は、図8の60のようになり、その中の最大輝度61と、最小輝度62を求める。ノイズ防止対策として、最大輝度は最大輝度を有す画素とその周辺3画素の平均とする。最小輝度は最小輝度を有す画素とその周辺10画素の平均とする。また、最大最小輝度の50%の輝度レベル63を算出する。
【0025】
(7)ステップ144:左右のエッジ検出
従来の方法と同様に輝度レベル63に相当するa番目の位置の画素とb番目の位置の画素間の位置差Nabを求め、このNabに、この時の光学顕微鏡23の測定倍率とCCDカメラ27の受光サイズから求めた係数kを乗じて、対応する被測定物2の寸法値Xを求める。
X=k×Nab
(8)ステップ146:寸法演算
寸法値Xは、測定ラインの最大輝度Vmaxと基準となる最大輝度VHを用い、
X=k×Nab(Vmax/VH)
を算出する。
【0026】
(9)ステップ148:測定値記憶
寸法値Xを記憶し、ステップ141に戻る。
(10)ステップ150:測定値平均化
全ての測定ラインの寸法値Xを平均化して、測定値とする。
(11)ステップ160:測定値表示
測定値をTVモニタ1に表示し、作業者に結果を知らせると共に、記憶媒体ハードディスクに収納する。
【0027】
以上、磁気ヘッド(GMRヘッド)トラック幅測定について説明したが、磁気ヘッド(GMRヘッド)トラック幅測定の場合は、上部シールド3において、基準輝度VHが同一画面から求められる。次に、測定画面から常時、基準となる最大輝度VHが得られない被測定物が半導体ウェハ生成用マスクの線幅の測定の実施の形態について、次に、説明する。
【0028】
図3は、本発明の第2の実施の形態による被測定物が半導体ウェハ生成用マスクの線幅の測定の場合で、図5の基本的な微小寸法測定装置で撮像したTVモニタの画像である。図4は、図3の半導体ウェハ生成用マスクの線幅の測定過程を説明するフローチャート図である。この図3と図4により、基準マスクで最大輝度を得、基準となる最大輝度VHを登録することにより測定可能となる。
【0029】
図4の半導体ウェハ生成用マスクの線幅の測定過程は、次の通りである。
(1)ステップ200:基準マスク測定移動
基準輝度VHを登録できるような、十分広い基準マスク12を、XYステージ20(図5)上に搭載し、光学顕微鏡23の視野に移動する。移動はCPU280がステージ制御部29へRS−232C回線を介して命令する。被測定物2の焦点方向の移動は、CPU280がZ軸モータ駆動パルス発生部283に命令し、Z軸移動モータ22を駆動し、Z軸ステージ21を上下移動させ、合焦点を得る。その画像が図3(a)である。6は測定ライン、11はVH検出エリア、12は輝度検出用白線(マスク)である。
【0030】
(2)ステップ202:自動調光ON
CCDカメラ27(図5)への入射光量の最適化は、映像ピーク検出回路284で所定範囲の映像信号の輝度ピーク値を検出し、DCモータ駆動パルス発生部285で、図示していない基準値と比較し、その出力により、DCモータ26を駆動し、減光機構25を制御し、光量を調整する。
(3)ステップ204:基準となる最大輝度VHを記憶
VH検出エリアをつくり、そのなかで輝度の最大値VHを求める。最大値VHは、ノイズ除去のため,最大値の周辺10×10画素の輝度の平均値とし、記憶する。
【0031】
(4)ステップ206:自動調光ホールド
DCモータ26と減光機構25を停止させ、基準となる最大輝度VHを得た照明光量を保つ。
(5)ステップ210:全測定終了かチェックする。
YESならば、ステップ220:測定終了へ。NOならば、ステップ140:測定へ。
【0032】
(6)ステップ140:測定
図3(b)の測定対象物(マスク)13を、図2のステップ141からステップ160のルーチン140と同様に測定する。
(7)ステップ212:次の測定位置へ移動
ステップ210に戻る。
【0033】
以上は、基準となる最大輝度VHを登録できるような十分広い線幅と被測定対象線幅が1枚のマスクに混在している場合のフローチャートであるが、上記(1)から(4)の手順を、基準となる最大輝度VHを登録できるような十分広い線幅を有するマスクで行い、減光機構25を停止位置とし、基準となる最大輝度VHを記憶しておき、測定対象マスクを上記(1)と同様に行い、上記(5),(6)で測定を行うことも可能である。
【0034】
【発明の効果】
本発明によれば、光顕微鏡の分解能以下の被測定物に対しても測定をより可能とする微小寸法測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による被測定物が磁気ヘッド(GMRヘッド)のトラック幅測定の場合で、図5の基本的な微小寸法測定装置で撮像したTVモニタの画像である。
【図2】図1のトラック幅寸法測定過程を説明するフローチャート図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態による被測定物が半導体ウェハ生成用マスクの線幅の測定の場合で、図5の基本的な微小寸法測定装置で撮像したTVモニタの画像である。
【図4】図3の半導体ウェハ生成用マスクの線幅の測定過程を説明するフローチャート図である。
【図5】基本的な微小寸法測定装置の構成図である。
【図6】図5のTVモニタとTVモニタにおける輝度分布を示す図である。
【図7】光学顕微鏡の分解能αと輝度分布の関係図である。
【図8】従来の微小寸法の測定を説明する図である。
【図9】実際の寸法と従来の測定値の特性図である。
【図10】実際の寸法値と従来の測定値と本発明の測定値の関係図である。
【符号の説明】
1:TVモニタ、2:被測定物、3:上部シールド面、4:下部シールド面、5:ポール面、6:測定ライン、7:トラック幅、8:垂直プロジェクション像、9:水平プロジェクション像、10:測定基準座標(x0,y0)、11:VH検出エリア、12:輝度検出用白線(マスク)、13:測定対象物(マスク)、20:XY軸ステージ、21:Z軸ステージ、22:Z軸移動モータ、23:光学顕微鏡、24:光源、25:減光機構、26:DCモータ、27:CCDカメラ、28:寸法測定演算処理装置、280:CPU、281:ROM、282:フレームメモリ、283:Z軸モータ駆動パルス発生部、284:映像ピーク検出回路、285:DCモータ駆動パルス発生部、29:XYステージ制御部。
Claims (3)
- 光学顕微鏡とイメージセンサを用いて、被測定物を撮像し、得られた映像信号から所定の輝度レベルの一致する2点の信号位置を抽出し、この2点間の位置情報に基づき前記被測定物の寸法を算出測定する微小寸法測定装置において、前記2点間の信号位置の抽出部分と、基準となる最大輝度の抽出部分とを有し、該基準となる最大輝度の抽出部分は前記2点間の信号位置の抽出部分外で且つ広い平面であり、前記2点間の信号位置の抽出部分で抽出した前記2点間の位置の差と、前記広い平面で抽出した前記基準となる最大輝度に対する前記2点間の最大輝度の比率と、の乗算に基づき、前記被測定物の寸法を測定することを特徴とする微小寸法測定装置。
- 請求項1記載において、前記2点間の信号位置の抽出部分と、基準となる最大輝度の抽出部分とが明るくて白、周辺が暗くて黒いことを特徴とする微小寸法測定装置。
- 請求項1または2記載において、前記被測定物が磁気ヘッドのトラック幅であることを特徴とする微小寸法測定装置。
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