JPH03162603A - 微小寸法測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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幅の如き、１ミクロンメ
ートル（μｍ）よりも小さいサブミクロンメートルの寸
法を、レーザ光を用いて光学的に測定するときの寸法測
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ｙメート
ルのオーダの微細な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きている。

このようなサブミクロンメートルの微小寸法計測で最も
多く用いられている方法は、白色光源を用いた半値幅検
出法である。第５図はこの方法を示したものである。第
５図（イ）は寸法が測定される被測定物５０の形状の一
例を示すもので、５１は寸法が測定される寸法部で、そ
の寸法がＧである。

５２は基材部で、寸法部５１０両側に存在する。

第５図（ロ）は被測定物５０に集光させた白色照明光を
照射して、反射光を拡大して検出した時のビデオ信号５
６の一例で、グラフの横軸は反射光の検出器であるイメ
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。ここでスライスＶベル５４は１／２（ＶＲＶＬ）
　　に設定する。第５図（ハ）は（ロ）のビデオ信号５
６をスライスレベル５４で２直化した信号を示している
。立ち下がり部５５と立ち上がり部５６に含まれる画素
数から半値幅Ｐを検出し、半値幅Ｐの暗を寸法Ｇに変換
する。

また最近では本願発明者により、微小なスポット径に集
光したレーザ光を被測定物面上で音響光学素子により光
偏向させ、被測定物からの反射光強度の大きさから寸法
測定を行なう方法も提案されていて、特願昭６２−５１
６１７号公報に詳細に述べられている。

これは、被測定物の反射率が一定であると仮定した場合
に、光偏向の一周期で得られる反射光強度パターンの極
値強度（最小強度）と寸法値に特有の相関があることに
より、最小強度を寸法に変換するものである。

尚、ここでいう反射率とは第５図の如き被測定物では基
材部５２０表面反射率を『８、寸法部５１０表面反射率
をｒｍとしたときｒｍ／ｒＩｌを意味し、以下において
も同様の定義とする。

第６図に従来の反射光強度パターンの強度レベルを寸法
に変換するときの方法を説明する。

第６図（イ）において波形６１はレーザ光の光偏向を行
ｋって第５図（イ）に示す被測定物に照射した時の反射
光強度パターン波形で、横軸は光偏向量、縦軸は反射光
強度である。反射光強度６２は最小強度Ｖ，で、反射光
強度６３は最小強度が得られる偏向位置における基準強
度Ｖ，Ｌ　である。基準強度ＶｓＬ　　を決定するには
、領域・６４と領域６５における各々の反射光強度の平
均値を用いればよい。ここで強度比Ｖ　ｔ　／　Ｖ　Ｉ
　Ｌ　　を算出する。第６図（口）は被測定物の寸法と
前述の相関を示すグラフで、横軸は寸法、縦軸は前述の
強度比である。図示の如くある寸法範囲においては寸法
と強度比は比例関係にあり、強度比を寸法に変換するこ
とができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術の半値幅検出による２値化パターン寸法は、寸
法がサブミクロン領域になると、ビデオ信号を２値化し
たときの２呟化画素数と寸法が比例関係でたくなると共
に、寸法変化に対する２値化画素数の変化の割合が小さ
くなり、検出感度が低下する。更には、寸法がサブミク
ロン領域になると、ビデオ信号の強度変化がブロードと
なるため、スライスレベル強度を設定して２値化を行な
うとき、スライスレベル強度のわずかな変動で、２値化
画素数が大きく変動するため、寸法測定精度が低下する
という問題点を有している。また、レーザ光の光偏向に
よる反射光強度パターンの強度を寸法に変換する方法は
、反射光強度の変化が寸法だけでなく、被測定物の反射
率の変動にも依存するため、同じ寸法で反射率が変化し
た場合に、寸法が変化したと誤測定を起こしてしまう。

★凧ＲＲ小日品ｒ今瀝立ハ四所よも仮鴇１イ　抽翻ＩＩ
定物の反射率の変動に影響されないで、高精度にサブミ
クロンメートル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〕

前記目的を達或するために、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している。

まず、レーザ光を偏向させて、被測定物面上に照射し、
光偏向の１周期について反射光強度パターンを求め、こ
のパターンから反射光強度パターン特有の値である半値
幅とパターンピッチと最小強度を検出する。

次に被測定物の目安の寸法として、半値幅から求める方
法で寸法を算出する（これを第１の寸法とする）ととも
に、この第１の寸法を基準とした特定の寸法範囲を定め
、この寸法範囲に対応する反射率範囲を反射光強度パタ
ーンのパターンピッチ又は最小強度に基づいて求める。

そして、この反射率範囲に任意の反射率を設定設佑１引
．ナーガ射本シパターンピッチに某づく方法と、設定さ
れた反射率と最小強度に基づく方法の２通りの方法によ
り寸法を算出し（それぞれの方法による寸法を第２の寸
法、第３の寸法とする）、この第２、第３の寸法を比較
して、両者が一致する反射率における寸法を被測定物の
寸法とする。

〔作用〕

ガウス型強度分布を有するレーザ光を被測定物面上で光
偏向させると、被測定物がサブミクロン寸法の場合でも
Ｓ／，Ｎの良い安定した反射光強度パターンが得られる
。反射光強度パターンの半値幅は被測定物の反射率に依
存しないで寸法のみに応じて決定されるが、特にサブミ
クロン寸法の場合は寸法変化に対する半値幅の変化が少
なく、測定誤差のため正確な寸法が求められず概略の寸
法しか得られない。これに対して反射光強度パターンの
基材部のレベルに対する最小レベルの比で示される最小
強度Ｖｎ及び、予め設定された強度レベルにおけるパタ
ーンビッチＰｎは、寸法の変化に対する変化率が大きく
感度が高いが、最／ＪＳ強度ＶｎとパターンピッチＰｌ
ｌは寸法のみならず反射率に応じても変化する。そこで
、半値幅により得られた概略の寸法値を基準としてその
近傍の寸法値に対して反射率を仮定し、その仮定に基づ
いてパターンピッチｐｎに対応する寸法と、最小強度■
ｎに対応する寸法を算出する。両者を逐次比較して、２
つの寸法値が一致した場合を正確な寸法とする。

すなわち、共通の寸法決定条件を設定し、高感度で得ら
れる２つの手段から寸法を求め、この異なる手段により
求められた寸法が一致した時の条件における寸法をもっ
て被測定物の寸法とするものであり、精度の高い測定寸
法が得られる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面に基づいて詳述する。

第１図に本発明の微小寸法測定の方法を説明するブロッ
ク図を示す。

１はレーザ光源で、例えば｝｛　ｅ　−　Ｎ　ｅレーザ
管、半導体レーザ管から成り、レーザ光１００を放射す
る。２は光学系で、偏向素子１０２、ビームスプリンタ
ー１０４、対物レンズ１０６及び図示していないが、他
の各種のレンズ及び光学素子から構或され、レーザ光１
００の光偏向を行なわせると共に、微小なスポット径に
集光する。偏向素子１０２は例えば音響光学素子から構
成され、偏向ドライパー１０８から発せられる偏向制御
信号１１口により偏向動作が制御される。偏向素子１０
２により偏向されたレーザ光はビームスプリッタ−１０
４を透過し、対物レンズ１０６で微小なスポット径に集
光される。６は寸法が測定される被測定物で、例えば磁
気へクドのトランク上に形成されたギャップ部である。

被測定物６０面上に照射される集光したレーザ光は、被
測定物６０面上の予め設定された範囲で偏向される。被
測定物６によって反射されたレーザ光は対物レンズ１０
６を通過し、ビームスプリッタ−１０４により進路を変
えられ、反射光１１５として取り出される。反射光１１
５は受光部１２０により受光される。受光部１２０は反
射光１１５を光電変換して反射光強度に比例した電圧を
発生し、そのときの電圧値をＡ／Ｄ変換して記憶する。

以下の説明では受光部１２０によって得られた前記の電
圧値のことを単に反射光強度と表現することにする。

なお前述のＡ／Ｄ変換は偏向制御信号１１０の駆動電圧
の変化に同期して行なう。４は反射光強度パターン作成
部で、光偏向に応じて検出、記憶された前述の反射光強
度に対して、光偏向の一周期についての反射光強度のパ
ターンを作成する。５は半値幅検出部で、反射光強度パ
ターンの半値強度レベルにおける半値幅Ｐｈを検出する
。６はノζターンピッチ検出部で、反射光強度パターン
の予め設定された強度レベルにおけるパターン幅（ピッ
チ）Ｐｎを検出する。なおこの場合の強度レベルは、前
述の半値強度レベルよりも高い強度レベルに設定する。

７は最小強度検出部で、反射光強度パターンの最小の強
度■３を検出する。

８は第１の寸法算出部で、半匝幅検出部５で得られた半
値幅から、半値幅に対応する寸法を算出するもので、こ
れを被測定物６の第１の寸法ｇ，と呼ぶ。

半値幅検出部５で検出された半値幅は、被測定物３０反
射率の影響を受けないで、寸法のみに応じて変化する。

しかし寸法が微小になり、サブミクロンオーダになって
くると、寸法の変化に対する半値幅の変化は小さくなり
、検出する感度が低下する。従って半値幅の検出によっ
て得られた第１の寸法ｇ１は、各種の創定誤差の影響を
受けて精度の高い寸法とは言えなくなっている。この状
況は前述した白色光源を用いる従来の測定法でも同様で
ある。

この半値幅の情報に対して、パターンピッチ検出部６及
び最小強度検出部７によって得られる情報は、いずれも
寸法の変化に対する変化率が大きく、検出感度が高い。

しかしパターンピッチＰｎ及び最小強度Ｖ。は寸法だけ
でなく、被測定物６の反射率に応じても変化する。従っ
て被測定物６０反躬率が検出できれば、パターンビッテ
Ｐｎ及び最小強度■。により得られる寸法匝は、測定誤
差の影響が少ないために精度が高くなる。

本発明による寸法測定方法は、半値幅、パターンピッチ
、最小強度の３つの情報を用いて、被測定物３の反射率
を決定すると共に、寸法を高精度に検出する。

９は反射率設定部で、被測定物３の反射率ｒを設定する
。１０は第２の寸法算出部で、第ｌの寸法ｇ１を基準と
してパターンピッチ情報に対して、前記の設定された反
射率に基づいて被測定物６の第２の寸法ｇ２を算出する
。１１は第３の寸法算出部で、同じく第１の寸法ｇ，を
基準とし、設定された反射率に基づいて、最小強度情報
により、被測定物乙の第３の寸法ｇ，を算出する。第１
の寸法算出部８で算出された第１の寸？ｊ：ｇＩは概略
の寸法値で、真の寸法値に対して±Ｉｇの誤差を含んで
いると考えられるため、第ｌの寸法ｇ１を基準として誤
差範囲±ｌｇを想定し、その近傍のｇ，±Ｊｇの寸法範
囲について各寸法に対応する反射率に基づいて前述の寸
法を算出する。例えば反射率をｒｌと仮定したときに得
られる第２の寸法ｇ２と第３の寸法ｇ３を、寸法比較部
１２で比較する。このときの寸法比較の効率を上げるた
めにも、第１の寸法ｇ，の近傍の寸法の情報が有効にな
る。寸法ｇ２と寸法ｇ３の比較結果が一致しない場合は
、仮定した反射率ｒ，が正しくないことになるため、反
射率設定部９で再度反射率をｒ，＝ｒ，＋ｌｒに設定し
て、反射率ｒ２に応じた寸法ｇｔ、寸法ｇ，を算出する
。寸法比較部１２による寸法比較の結果が一致すれば、
仮定した反射率は正しい反射率であり、そこで得られた
寸法も正しい寸法である。以上の如くしてパターンピッ
チと最小強度の情報に対して、仮定した反射率に基づい
て算出した寸法の逐次比較を行たって正しい寸法に収束
させる。これは後述するが、パターンピッチと最小強度
の間に、反射率と寸法に関して特有の相関があるために
可能となるものである。

第１図で示した方法は仮定した反射率に基づいて第２の
寸法と第３の寸法を逐次比較する例であるが、他の方法
も考えられる。例えば、仮定した反射率に基づいてパタ
ーンビッチＰ！ｌから第２の寸法を算出し、そのときの
寸法値に対して予想される最小強度の値と、実際に測定
された最小強度を比較して、仮定した反射率が正しいか
否かを判定してもよい。仮定した反射率が正しくない場
合は、予想した最小強度と測定した最小強度が異なり、
仮定した反射率が正しい場合は前記２つの最小強度が一
致し、そのときの第２の寸法ｇ２が正しい寸法である。

第２図にレーザ光を被測定物面上で光偏向させたときの
状態図と検出される反射光強度パターンの例を示す。

第２図（イ）は被測定物６０面上の光偏向の状態図であ
る。２０は被測定物６の基材部で、例えば磁気ヘッドの
トラック部のフエライト材である。

２１は寸法測定部で、例えば磁気ヘッドのギャップ部の
ガラス材で、寸法測定部の寸法をＧとする。

２２は被測定物６の面上に照射されるレーザ光を強度分
布で示したものであり、その強度分布はガウス型分布を
有し、Ｓ点からＰ点まで偏向される。

前述したように、ここで基材部２０の表面反射率をｒ，
、寸法測定部２１の表面反射率をｒｍとしたとき、相対
的な反射率、ｒ　”　ｒ　ｍ／　ｒ　Ｈ　　を被測定物
６０反射率とする。従ってｒ３、ｒｍのいずれかが変化
しても反射率ｒが変化する。

第２図（ロ）の波形２３は光偏向によって得られる反射
光強度パターンを表わすもので、グラフの横軸は光偏向
量、縦軸は反射光強度で、ｒ　ｍ　）　ｒ　ｍの場合は
波形２３はＶ型の形状となる。基材部２０にレーザ光２
２が照射されているときの反射光強度をＶｍとする。レ
ーザ光２２が寸法測定部２１にも照射されてくると反射
光強度が低下し、レーザ光２２０強度最大部が寸法測定
部２１の中央部の位置に偏向された状態で最小強度レベ
ルＶＳが得られる。この最小強度が得られる位置を点２
４で表わす。

ここで、前にも述べたように、相対強度比Ｖ．＝Ｖ．／
Ｖｍをもって反射光強度パターンの最小強度とする。線
２５は半匝ｉ１１ＭＰｈで■ｍと■ｓの中間レベルにお
けるパターンのビノチである。

線２６はパターンピッチｐｎで、例え′ば最大強度■ｍ
の９０％の場合に得られる。半値幅ｐｈ及びパターンピ
ッチｐｎの測定値は偏向制御信号１１０の駆動電圧値で
与えられるが、駆動電圧と寸法には比例関係があるため
、容易に寸法への変換が行なえる。

第３図に半値幅Ｐｈ，パターンピッチｐｍ、最小強度■
ｎと寸法、反射率の関係を示す。

第３図（イ）の曲線６１は寸法Ｇに対する半値幅Ｐｈの
変化を表わす。第３図（口）の曲線群３２は寸法に対す
るパターンピッチＰ．の変化を表わし、反射率がパー２
メータである。第３図（ノ→の曲線群６３は寸法に対す
る最小強度の変化を表わし、反射率がパラメータである
。

第３図（イ）において寸法Ｇが１μｍよりも大きい場合
は、寸法の変化に比例して半値幅が変化する。

しかし寸法が小さくなるに従って、寸法変化に対する半
値幅の変化は小さくなり、寸法が約０．６μｍ以下にな
ると寸法変化に対して半値幅は２０％程度しか変化しな
い。従ってサブミクロン寸法になると検出感度が低下す
るため、半値幅だけからの寸法算出は精度が悪い。しか
し半値幅は反射率に依存しないという大きな利点がある
ため、反射率が未知な場合でも概略の寸法は求めること
が可能である。

半値幅ｐｈを検出して寸法ｇ１を得たとする。

しかし一般的には測定誤差をふくむため、真の寸法値ｇ
ｏはｇ＋　　’ｇ≦ｇｏ≦ｇｔ＋’ｇ　　の範囲である
。

第３図（→においては、パターンビッチＰｎは寸法だけ
でなく、反射率によっても変化する。曲線群６２におい
て、曲線６２１は反射率１０％、曲線６２２は２０％、
曲線３２６は３０％（いずれも相対反射率ｒである）で
ある。パターンピッチｐｎは、反射光強度パターンの最
大強度Ｖｍの９０％程度の値に設定するのが都合がよい
。この場合は、パターンピッチｐｎは寸法Ｇの変化にほ
ぼ比例して変化する。従って検出感度が高い。反射率の
変化に対しては、反射率の１０％程度の変化で、寸法が
約０．０５μｍ変化する。

測定によりパターンピッチｐｎが得られたとする。前述
の半値幅の測定から概略の寸法ｇｔが決？されているた
め、寸法がｇ＋　　　’ｇとｇｔ＋Ｊｇの範囲内に存在
する反射率範囲について、反射率に対する寸法を決定す
る。なお、被測定物３の概略の反射率が予めわかってい
る場合は前述した如く反射率設定部９により反射率を設
定すれば、寸法範囲ｇ，±Ｊｇに対応する反射率範囲を
更に限定することができ、比較の効率を上げることがで
きる。

被測定物６０反射率が全く未知の場合は、パターンビッ
チＰｆｉと寸法範囲ｇ■±Ｊｇの交点から反射率範囲を
決定し、反射率を仮定してもよい。

以上の如くして、反射率ｒ，を仮定してパターンピッチ
ｐｎとの交点から寸法ｇ２を算出する。

第３図（ハ）においては、最小強度■ｎは寸法だけでな
く反射率によっても変化する。曲線群６６において、曲
線６６１は反射率ｌＯ％、曲線３６２は２０％、曲線６
３６は３０％（いずれも相対反射率ｒである）である。

最小強度■ｎの１％の変化は約０．０２μｍに相当し、
反射率１０％の変化で最小強度は約３％近く変化する。

測定により最小強度■ｎが得られたとする。寸法範囲ｇ
ｌ　±Ｊｇにおいて、前述の仮定した反射率ｒ，に基づ
いて最小強度■ｎとの交点から寸法ｇ，を算出する。

以上の如くして得られた寸法ｇ２と寸法ｇ，を比較する
。仮定した反射率が正しい場合は前記２つの寸法ｇｔ　
　ｇｓは一致する。仮定した反射率が正しくない場合は
２つの寸法ｇｚ　　ｇ３は一致しない。その場合は反射
率を別な暗に仮定して再度２つの寸法を算出して比較し
、２つの寸法ｇ１、ｇ２が一致するまで前述の比較をく
り返す。

これは反射率と寸法に対して、パターンピッチｐｎと最
小強度Ｖｎが異なった変化をするために可能となり、反
射率と寸法の各々の値に対して、パターンビタチｐｎと
最小強度ｖｎは相関平面の固有の点に対応する。

以上の第３図の説明における半値幅ｐｎ、パターンピッ
チＰｎ，最小強度■ｎを寸法に変換するときの方法を説
明する。半値幅Ｐｈは反射率に依存しないため例えば０
３μｍ〜１μｍまでの寸法について、０．０５μｍのス
テップ幅毎の寸法に対応する半値幅のデータを予めマイ
クロプロセッサーのＲＯＭに記憶しておき、得られた半
値幅データから補間により寸法ｇ＋　を決定する。パタ
ーンピッチｐｎについてはある特定の２つの反射率にお
ける寸法とパターンピッチの関係を前述の半値幅データ
と同じ寸法についてＲＯＭに記憶しておく。これは最小
強度Ｖｎについても同様である。

パターンピッチｐｎ及び最小強度■ｎは反射率の変化に
関しては同一の寸法値に対して比例して変化し、同一の
Ｐ．，Ｖ．についても反射率の変化に伴って寸法はほぼ
比例して変化する。従って半値幅の場合と同じく得られ
たｐｎ，Ｖｎについては補間により寸法と反射率の対応
を得ることができる。

第４図に前述した寸法測定を行なうときのフローチャー
トを示す。

ステップ４００は光偏向を行なうときの条件の設定を行
なうもので、光偏向の範囲、ステップ偏向量を設定する
。ステップ４０２はステップ４００で設定された光偏向
条件に応じた偏向制御信号１１０の電圧範囲及び電圧の
変化量を設定する。ステップ４０４で第２図（イ）の被
測定物３の面上で光偏向を行なわせると共に、各々の偏
向状態毎に反射光を検出して記憶する。ステクプ４０６
テ光偏向の一周期についての反射光強度パターンを作成
する。ステップ４０８は反射光強度パターンの最大強度
レベルと最小強度レベルを、検出する。

ステップ４１０は半値強度レベルを設定し、ステップ４
１２で半値強度レベルに対応した半値幅ｐｈを検出する
。ステップ４１４は半値幅から第１の寸法ｇｔを算出し
、ステップ４１６では測定誤差を見込んで正確な寸法を
算出するための基準とする寸法範囲ｇｔ±！ｊｇを設定
する。尚、本実施例では処理上の効率から第１の寸法を
パターンピッチ、最小強度を検出する前に求めている。

ステップ４１８は反射光強度パターンの９０％強度レベ
ルの強度を設定し、ステップ４２０でそのときの強度レ
ベルに応じたパターンピッチｐｎを算出する。ステップ
４２２は最小強度■ｎを算出する。ステップ４２４は被
測定物３０反射率ｒ，を設定する。ステップ４２６は反
射率ｒ１に基づいてパターンピッチＰ．から第２の寸法
ｇ２を算出し，ステップ４２８は反射率ｒ１に基づいて
最小強度■ｎから第３の寸法ｇ，を算出する。

ステップ４６０は第２の寸法ｇ，と第３の寸法ｇ３を比
較する。一致しない場合はループ４３２により、ステッ
プ４３４で反射率をｒ，＋Ａｒに変化させ前述の動作を
くり返す。一致した場合は４６６でその寸法が正しい寸
法と決定し、測定を終了する。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかな如く、本発明による寸法測定方
法は、寸法の変化に対する変化量が太き（・２つの情報
を用いて寸法算出を行なうために寸法測定の感度が高く
信頼性の高い寸法計測が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図１末本発明の微小寸法測定の方法を説明す？射ヵ
や度パ，−７ヶ説おすう説．。、■３’ｔＦ半値幅、パ
ターンピッチ、最小強度と寸法、反射出法の説明図、第
６雪＾！蚕Ｃ来の反射光強度パターンの強度レベルから
寸法を求める方法の説明図である。 １・・・・・・レーザ光源、 ６・・・・・・被測定物， ４・・・・・・反射光強度パターン作成部、５・・・・
・・半値幅検出部， ６・・・・・・パターンピンチ検出部、７・・・・・・
最小強度検出部、 ９・・・・・・反射率設定部、 １２・・・・・・寸法比較部。 第２図 （イ） （口） 第３図 第４図 第５図 （イ） アドレス アドレス 第６図 （イ） （Ｑ） 寸法

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザー光を光偏向させて、被測定物面上に照射し、反
   射光量の変化特性から被測定物の寸法を測定する微小寸
   法の測定方法において、前記光偏向の１周期について反
   射光強度パターンを求め、該反射光強度パターンの半値
   幅とパターンピッチと最小強度を検出した後、まず、該
   半値幅から前記被測定物の目安の寸法を算出し（第１の
   寸法とする）、該第１の寸法を基準として、特定の寸法
   範囲を定め、該寸法範囲に対応する被測定物の反射率の
   範囲を前記パターンピッチ又は最小強度に従って求め、
   次に該反射率範囲内に任意の反射率を設定し、該反射率
   と前記パターンピッ波に基づいて、前記被測定物の寸法
   を算出する（第２の寸法とする）とともに、前記反射率
   と前記最小強度に基づいて、前記被測定物の寸法を算出
   し（第３の寸法とする）、前記第２の寸法と第３の寸法
   とを比較し、両者が一致する反射率における寸法を前記
   被測定物の寸法とすることを特徴とする微小寸法測定方
   法。