JPH04350507A - ２次元形状測定装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光の走査を用いた
、ミクロンメートル以下の微小な２次元形状の測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の精密加工技術の進歩によりミクロ
ンメートル以下のオーダの２次元的な微細パターンの加
工が行われるようになり、２次元パターンの形状、寸法
等の精密計測の必要性が高まっている。従来の２次元パ
ターンの計測には、（１）白色光源を用いたＣＣＤイメ
ージセンサーによる画像処理方法、（２）微小なスポッ
トに集光したレーザ光の走査による反射光強度変化の検
出方法が多く用いられている。（１）の方法は、白色光
源で照明された２次元パターンを顕微鏡で高倍率に拡大
し、２次元パターンからの反射光を２次元のＣＣＤイメ
ージセンサーで検出し、反射光強度信号であるビデオ信
号を画像処理して形状、寸法等を測定するものである。 （２）の方法は、微小スポットのレーザ光を２次元パタ
ーン面上で２次元走査させ、各走査位置毎に反射光を検
出し、反射光強度の変化から形状、寸法を測定するもの
である。（１）、（２）の方法の反射光強度信号の処理
は、強度変化の５０％となる半値強度を決定し、半値強
度の間に含まれる画素数、あるいは半値強度の間を走査
した走査量から、２次元パターンの寸法、形状を測定す
るものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来例（１）のＣＣＤ
イメージセンサーを用いる画像処理法は、１ミクロンメ
ートル以下のオーダでの寸法、形状に対する測定精度が
良くない欠点がある。照射光の照射エリアの直径が５０
μｍの場合、反射光を検出するＣＣＤイメージセンサー
が２５６×２５６の２次元配列の画素から構成されてい
れば、一つの画素について０．２μｍ程度の範囲の形状
の情報を検出することになり、０．１μｍ精度で２次元
形状を測定しようとする場合、１画素当りに含まれる検
出範囲が大きいために測定感度が低くなる。また、各画
素当りの検出領域を小さくするために顕微鏡で拡大する
倍率を上げたときは、パターンのエッジのボケが大きく
なるために各画素間の強度変化がブロードになるため、
半値強度の決定精度が悪く、形状の測定精度が低下する
という欠点がある。従来例（２）のレーザ光の走査を行
う方法は、照射スポット径（２μｍ程度）よりも小さい
２次元パターンの形状を測定することができないという
問題点がある。それは２次元パターンからの反射光の全
体を検出するために、照射スポット内部に含まれる２次
元形状の微細な部分をＸ、Ｙ方向に分離して検出できな
いことによる。本発明は上記の問題点を解消し、照射す
るビームスポット内部に含まれる微細な２次元パターン
の形状、寸法を高精度で検出することが可能な測定装置
を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、レーザ光源から対物レンズに至るまでの光
路中に、光軸を共通にして、レーザ光を光軸に直交する
Ｘ−Ｙ平面のＸ軸方向へ走査するＸ軸走査素子と、Ｙ軸
方向へ走査するＹ軸走査素子を備え、被測定物に前記レ
ーザ光の光ビームを照射し、該被測定物からの反射光を
検出して被測定物の２次元形状を測定する２次元形状測
定装置において、前記被測定物からの反射光を第一の方
向に進行する第一の反射光と、第二の方向に進行する第
二の反射光に分割するビームスプリッターと、前記第一
の反射光の光強度分布の内部における第一の領域の反射
光強度を、ビーム走査の定点（定点については実施例で
詳しく説明する）となる位置であるとともに前記被測定
物と共焦点となる位置で検出する第一の光検出器と、前
記第二の反射光の光強度分布の内部における第二の領域
の反射光強度をビーム走査の定点となる位置であるとと
もに前記被測定物と共焦点となる位置で検出する第二の
光検出器と、それぞれ前記第一と第二の光検出器の出力
から反射光強度パターンを求める第一と第二の反射光強
度パターン作成部と、該二つの反射光強度パターン作成
部のデータから前記被測定物の２次元形状を求めるデー
タ処理部を設けたことを特徴としている。

【０００５】

【作用】２次元パターンを有する被測定物の面上で微小
スポットのレーザ光を２次元走査光学系で走査させたと
き、反射光を走査の定点であると共に、被測定物と共焦
点となる位置で検出する。この位置での検出により、ス
ポット光を物体面上で走査させたとき受光器上の定点で
、２次元パターンの幾何学的分布に応じた反射光強度の
変化が検出できる。この反射光検出において、反射光を
異なる方向に進行する２つに分割し、一方の方向に進行
する反射光は予め設定した特別の方向（Ｘ方向）へのパ
ターンの広がりに関する反射光強度を検出し、他方の方
向に進行する反射光は、前述の検出方向とは直交する方
向（Ｙ方向）へのパターンの広がりに関する反射光強度
を検出する。ここで、反射光の強度分布の中央部の強度
を含む一部の強度範囲を検出する時、最も高い感度の検
出ができる。

【０００６】Ｘ、Ｙ面内に形成された２次元パターンの
形状をＸ，Ｙ軸に分割して検出する場合、照射ビームを
パターン面上で０．０１μｍオーダの微細なステップで
２次元走査する。各走査位置毎に反射光を２分割して検
出すると、その照射位置における物体面の幾何学分布に
応じた反射光がＸ、Ｙ方向に分離して検出される。各走
査位置毎に検出された形状の微細要素のデータを走査の
位置の関数として表せば全体形状が測定できる。照射ビ
ームはガウス型の強度分布を有するため、照射ビームの
ピーク強度部が照射されている位置からの反射光の中央
部付近の強度は物体面の形状に関する情報を最も多く含
む。２次元パターンを構成する材質の違いによる反射率
の差によって反射光強度が変化する場合、反射光は反射
率の差に応じてガウス分布が変調された分布になる。こ
の反射光の強度分布の中央部付近のみの強度を検出する
ことによりパターン面上の反射率の変動を検出できる。 検出する反射光の中央部付近が測定するパターンの内部
の情報を含めば、照射するレーザスポット内部に含まれ
ている２次元パターンを細かく検出することが可能であ
る。

【０００７】

【実施例】図１に本発明の２次元形状測定装置の構成例
を示す。１０はレーザ光源で、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ
管、半導体レーザから成り、レーザ光１００を放射する
。１１はレーザ光１００の２次元走査、及び反射光の検
出を行う２次元走査光学系で、第一のビームスプリッタ
ー１０５、Ｘ軸方向へのビーム走査を行うＸ軸走査素子
１１０、Ｙ軸方向へのビーム走査を行うＹ軸走査素子１
１５、レーザ光を微小なスポット径に集光する対物レン
ズ１２０、反射光のビーム径を設定された大きさに集光
するための集光レンズ１２５、第二のビームスプリッタ
ー１３０、第一の光検出器１３５、第二の光検出器１４
０、及び図示していないが他の光学素子から構成される
。１２はＸ軸走査素子１１０、Ｙ軸走査素子１１５の走
査を制御する走査制御部で、走査制御信号１５０、１５
５を発して各走査素子のビーム走査を制御する。２次元
走査光学系１１における光ビームの走査機構の具体的構
成は、本願発明者による特願昭６３−２２１３７７号公
報に詳細に述べているため本願明細書では省略する。 Ｘ軸走査素子１１０に音響光学偏向素子を用い、Ｙ軸走
査素子に特殊形状の偏向プリズムを用いてＰＺＴで駆動
することにより、Ｘ、Ｙ軸を各々０．０１μｍの精度で
２次元走査することが可能である。

【０００８】１３はミクロンメートル領域の２次元パタ
ーンが形成されている被測定物で、微小スポットのレー
ザ光を照射してその面上を２次元走査する。被測定物１
３で反射したレーザ光は、走査光学系１１の光路を逆進
して第一のビームスプリッター１０５で反射し、反射光
１６０として取り出され、集光レンズ１２５により設定
されたビームスポットに集光される。反射光１６０は第
二のビームスプリッター１３０により第一の方向に進行
する第一の反射光１６５と、第二の方向に進行する第二
の反射光１７０に分割する。本例では第一と第二の反射
光は互いに直交する方向に分割する。第一の反射光１６
５を第一の光検出器１３５で受光し、第二の反射光１７
０を第二の光検出器１４０で受光する。このとき第一と
第二の反射光１６５、１７０は等しい強度分布を持つよ
うに分割する。

【０００９】第一と第二の光検出器１３５、１４０はレ
ーザ光の走査の定点となる位置に設定する。被測定物１
３の面上ではレーザ光は２次元で走査されるが、走査位
置に依存しないで常に第一、第二の光検出器１３５、１
４０の同じ位置に反射光が入射される点を走査の定点と
呼ぶ。また、反射光検出の走査の定点は被測定物１３と
共焦点となる位置でもある。この走査の定点でかつ共焦
点となる位置で反射光を受光することにより、被測定物
１３の幾何学的分布に応じた反射光強度が検出できる。 この反射光検出において、反射光の全体強度を検出する
のではなく、反射光の強度分布の中央部を含む一部の範
囲の強度を検出する。レーザ光はガウス型の強度分布を
有しているが、その強度ピーク部分が照射されている付
近だけに対応する反射光を検出し、その周辺部の反射光
部分をカットする。第一の反射光と第二の反射光の光強
度分布における中央部付近の検出範囲を第一の領域、第
二の領域と称するが、第一の領域と第二の領域は互いに
直交する方向の強度情報を含む。第一の光検出器１３５
は被測定物１３のＸ軸方向のパターンの広がりに関する
強度変化を検出し、第二の光検出器１４０は同じくＹ軸
方向の強度変化を検出する。反射光を２分割し、反射光
の中央部付近の強度だけを検出することにより、２次元
パターンの微小な部分の形状をＸ、Ｙ軸方向に分割して
感度良く検出できる。前述の第一の領域、第二の領域が
２次元パターンの内部からの反射光であれば、照射スポ
ット内部に含まれる２次元パターンの測定が可能になる
。

【００１０】１４は第一の反射光強度パターン作成部、
１５は第二の反射光強度パターン作成部で、それぞれ第
一の光検出器１３５と第二の光検出器１４０で検出され
た反射光強度をＡ／Ｄ変換し、走査の一周期における反
射光強度の変化の情報をメモリー回路から成る記憶装置
に記憶する。ここで、反射光強度パターンは照射ビーム
の各走査位置とそこで検出された反射光強度の関係を表
すものである。１６はデータ処理部で、第一の反射光強
度パターンの信号１８０と第二の反射光強度パターンの
信号１９０の２つの信号の相互の関係から被測定物１３
の２次元パターンの形状、寸法等を算出する。各走査位
置毎に検出された反射光強度は２次元パターンの微細部
分の形状情報であるため、走査の一周期での反射光強度
パターンを解析することにより全体形状が測定できる。

【００１１】図２に、図１における第一と第二の光検出
器１３５、１４０の構成例を示す。２００は第一と第二
の反射光１６５、１７０が入射する受光面で、各々に入
射するビームスポットよりも大きな受光面で、例えば１
ｍｍ平方の面積のＰＩＮフォトダイオードである。 （イ）は第二の光検出器１４０である。２１０は受光面
２００の中央部にＹ方向へ幅ｄを持ち、Ｘ方向に広がり
をもつ光ビームの受光部であり、その部分でのみ第二の
反射光１７０の第二の領域を受光し、斜線で示した部分
２２０はマスキング部分で、反射光の受光は行わない。 Ｙ方向の検出幅を小さくして反射光のＹ軸方向の強度を
検出する。（ロ）は第一の光検出器１３５である。２３
０は受光面２００の中央部にＸ方向へ幅ｄを持ち、Ｙ方
向に広がりをもつ光ビームの受光部で、その部分でのみ
第一の反射光１６５の第一の領域を受光する。斜線で示
した残りの部分の２４０はマスキング部分で、反射光の
受光は行わない。Ｘ方向の検出幅を小さくして反射光の
Ｘ軸方向の強度を検出する。以上の光検出器におけるマ
スキング部分２２０、２４０は、受光面にカーボン等の
黒色物質を蒸着することによって作成できる。

【００１２】受光素子２００に入射する第一と第二の反
射光１６５、１７０のビームスポットをＤとしたとき、
反射光の強度分布の中央部が受光面２１０、２３０の中
央部に照射されるように設定する。このとき、反射光全
体のなかのｄ／Ｄの割合の部分を検出する。検出範囲ｄ
は２次元パターン内部の形状に関する情報を最も多く含
み、測定する範囲、測定の分解能に応じて検出幅ｄを設
定すれば良い。また検出幅の設定方向を本例では直交す
るＸ、Ｙ軸方向に設定したが、測定するパターンの形状
に合わせた方向に設定することもできる。

【００１３】図２に示した光検出器を用いたときの反射
光検出例を図３に示す。図３（イ）は被測定物１３に、
強度分布が３０の照射ビームが照射されている状態であ
る。被測定物１３は基材部３００の中にパターン部３１
０が形成されていて、パターン部３１０の幅は照射ビー
ム３０のビームスポット径よりも小さい。基材部３００
とパターン部３１０の反射率をＲｓ、Ｒｐとし、Ｒｓ〉
Ｒｐを仮定する。照射ビーム３０の強度最大部３２０が
パターン部３１０の中央部に照射されているときの反射
光の強度分布を（ロ）に示す。反射光を物体面との共焦
点位置で検出すると、物体面のパターン形状に応じた反
射率分布に従う強度分布を持つ反射光３１が得られる。 点線で示した強度分布３２は照射ビーム３０の全体が基
材部３００に照射されているときの反射光強度分布であ
る。反射光強度分布３１の、線３３０、３３５の内部の
領域の反射光強度を図２に示した検出幅ｄを有する検出
部２１０、２３０で検出する。このように照射ビームの
ピーク強度付近だけに対応する反射光を検出することに
より、照射ビームのビームスポット内部に含まれる微細
なパタ−ンを分離して検出することが可能になる。

【００１４】図４に２次元パターンの例を示す。図４（
イ）に示した２次元パターン４０は磁気ヘッドのギャッ
プ深さ方向に形成されているパターンである。４１はフ
ェライトから成るトラック、４２はガラスから成るギャ
ップで、２次元パターン４０はトラック４１の壁面に形
成されている。この２次元パターン４０において、パタ
ーンのＸ方向の幅が広がり始める位置であるキンク点４
００とトラック壁面との境界点４１０との間の寸法４３
を計測することが必要である。この寸法４３はポールハ
イト寸法（以下にＰＨ寸法と略記する）と呼ばれ、磁気
記録特性にとって重要である。磁気記録密度の向上のた
めには、ＰＨ寸法が短くなることが必要で、最近では１
μｍ以下の寸法が要求されていて、寸法測定精度は０．
１μｍが必要である。（ロ）に２次元パターン４０と照
射するレーザ光との状態を示す。４４は照射ビームで、
そのスポット径は２μｍ程度である。ＰＨ寸法は１μｍ
以下であるため、照射スポット径の内部に測定すべき領
域がふくまれてしまい、２次元パターン４０からの反射
光の全体を検出していたのではＰＨ寸法を測定すること
が出来ない。しかし、本実施例の装置では、スリットを
用いて検出するため、照射スポット径の分解能より高い
分解能で測定でき、さらに、ＰＨ寸法のような１次元の
寸法の場合でも、２次元走査により寸法測定位置を正確
に確定できる。すなわち、このＰＨ寸法測定ではレーザ
光をＸ、Ｙ軸方向に２次元走査させ、まず求めるパター
ンのエッジを検出し、次にパターンの寸法を求める。

【００１５】図４に示した２次元パターン４０のＰＨ寸
法測定方法を図５で説明する。図５（イ）は２次元パタ
ーン４０のパターン幅の広い部分（斜面部）におけるＸ
軸方向への走査である。Ｘ軸方向への走査では反射光を
図２（ロ）に示した光検出器１３５で検出する。走査位
置ＡからＢまでの走査において（ロ）に示した反射光強
度パターン５１が検出できる。２次元パターン４０の内
部の反射率は外部の反射率より低いため、パターンの内
部で反射光強度が低下する。反射光強度パターン５１の
強度の立ち下がり部５２と立ち上がり部５３の強度変化
の５０％（半値強度）の位置５２０、５３０は強度の変
化率が最大となる位置で、２次元パターン４０のエッジ
位置である。反射光は一部の範囲を検出するため、従来
の反射光の全体を検出する場合よりも強度変化の立下が
り部５２、立ち上がり部５３の強度変化がシャープにな
り、エッジ位置の検出精度は高い。

【００１６】Ｘ方向への走査でパターンの斜面部のエッ
ジ位置５３０を決定すると、照射ビーム４４のＸ方向の
強度ピーク位置をエッジ位置５３０の近傍に設定する。 図５（ハ）は２次元パターン４０のＹ方向のパターン幅
の変化を検出するためのＹ方向への走査を表す図で、Ｃ
からＤの範囲を走査する。Ｙ軸方向への走査の場合は図
２（イ）に示した光検出器１４０で反射光を検出するが
、走査の一周期では図５（ニ）に示した反射光強度パタ
ーン５４が得られる。反射光強度パターン５４の強度変
化の立ち上がり部５５の強度の５０％（半値強度）の位
置５５０は境界点４１０の位置である。また強度変化の
立ち下がり部５６はＹ方向のパターン幅が広がることに
よって生じる。なお、反射光強度の一定となる部分５７
はパターン幅が一定の場合である。従って反射光強度の
減少がはじまる位置５７５が２次元パターン４０のキン
ク点４００に一致する。このとき、点５５０と点５７５
の間を走査した走査量からＰＨ寸法が測定できる。

【００１７】

【発明の効果】以上の説明で明かなごとく、本発明は被
測定物からの反射光を互いに直交する方向の成分に分離
し、形状に関する情報を多く含んだ反射光強度の中央部
での強度を検出することにより、照射スポット径よりも
小さい２次元パターンの形状を精度良く検出することが
可能である。更に本発明は反射光の強度変化を検出する
だけでよいため、簡素な検出系、データ処理系でよく、
装置の簡素化が計れると共に高速のデータ処理が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成例を示すブロック図である。

【図２】本発明の光検出器の構成例を示す図である。

【図３】本発明による反射光強度の検出例を示す図で、
（イ）は被測定物上でのレーザ光の照射を示す図で、（
ロ）は反射光の強度分布を示す図である。

【図４】２次元形状を測定する実施例の被測定物の形状
を示す図で、（イ）は磁気ヘッドのギャップ深さ方向の
２次元パターンを示す図、（ロ）は２次元パターン面上
へのレーザ光の照射を示す図である。

【図５】２次元パターン面上でのレーザ光の走査とパタ
ーンの寸法測定の説明図で、（イ）及び（ロ）はＸ方向
への走査と反射光強度パターンの関係を示し、（ハ）、
（二）はＹ方向への走査と反射光強度パターンの関係を
示す図である。

【符号の説明】

１０　　レーザ光源 １１　　２次元走査光学系 １３　　被測定物 １４　　第一の反射光強度パターン作成部１５　　第二
の反射光強度パターン作成部１６　　データ処理部 １３５　　第一の光検出器 １４５　　第二の光検出器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ光源から対物レンズに至るまで
   の光路中に、光軸を共通にして、レーザ光を光軸に直交
   するＸ−Ｙ平面のＸ軸方向へ走査するＸ軸走査素子と、
   Ｙ軸方向へ走査するＹ軸走査素子を備え、被測定物に前
   記レーザ光の光ビームを照射し、該被測定物からの反射
   光を検出して被測定物の２次元形状を測定する２次元形
   状測定装置において、前記被測定物からの反射光を第一
   の方向に進行する第一の反射光と、第二の方向に進行す
   る第二の反射光に分割するビームスプリッターと、前記
   第一の反射光の光強度分布の内部における第一の領域の
   反射光強度を、ビーム走査の定点となる位置であるとと
   もに前記被測定物と共焦点となる位置で検出する第一の
   光検出器と、前記第二の反射光の光強度分布の内部にお
   ける第二の領域の反射光強度をビーム走査の定点となる
   位置であるとともに前記被測定物と共焦点となる位置で
   検出する第二の光検出器と、それぞれ前記第一と第二の
   光検出器の出力から反射光強度パターンを求める第一と
   第二の反射光強度パターン作成部と、該二つの反射光強
   度パターン作成部のデータから前記被測定物の２次元形
   状を求めるデータ処理部を設けたことを特徴とする２次
   元形状測定装置。
2. 【請求項２】　　第一の領域が、第一の反射光の強度分
   布における中央部を含むスリット状の領域であり、該ス
   リットの方向が、走査のＹ軸方向に対応する反射光ビー
   ムスポット上の方向であり、第二の領域が、第二の反射
   光の強度分布における中央部を含むスリット状の領域で
   あり、該スリットの方向が、走査のＸ軸方向に対応する
   反射光ビームスポット上の方向であることを特徴とする
   請求項１記載の２次元形状測定装置。