JPH0781829B2

JPH0781829B2 - 微小寸法測定方法

Info

Publication number: JPH0781829B2
Application number: JP62005790A
Authority: JP
Inventors: 宏夫藤田
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1987-01-13
Filing date: 1987-01-13
Publication date: 1995-09-06
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: JPS63173902A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は非接触で光学式の高精度な微小寸法を測定する
測定方法に関する。

〔発明の背景〕近年の精密機械工業の進歩により被加工物のマイクロ化
及び高精度化が進み、集積回路、磁気ヘッドの分野にお
いても微細加工が行なわれ、その微細加工される寸法は
１ミクロンメートル（μｍ）のオーダに達し、サブミク
ロンメートル以下の精度で寸法を計測する必要性が高ま
ってきている。

〔従来の技術〕

従来技術の１つの方法として、微小な寸法を有する被測
定物を照明して顕微鏡で数千倍の倍率に拡大して、拡大
された像をイメージセンサーで受光して寸法を測定する
方法が多く用いられている。これはイメージセンサーに
よって発せられる受光された像のビデオ信号を予め設定
されたスライスレベルの値で２値化して、２値化された
信号の立ち下がりと立ち上がり間にふくまれるイメージ
センサーの画素のピッチを計数して寸法を求めるもので
ある。

従来技術の他の方法として、微小なスポット径に集光し
たレーザ光を被測定物に照射し、音響光学素子（Ａ・
Ｏ）の光偏向作用を用いて被測定物の２つのエッヂ部の
間の面上でレーザ光を電気的制御によりスキャンさせ、
特に２つのエッヂ部付近からの反射光の強度変化を解析
してエッヂ位置を検出し、２つのエッヂの間の光偏向に
要した音響光学素子の偏向量から寸法を計測する技術が
ある。この技術は本願発明者からの特許出願の特開昭58
-170762号公報及び特開昭59-79772号公報に詳述されて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術の前者で述べたイメージセンサーによる２値化
処理方法は安定した２値化処理を行なうために明暗のS/
N比のよいコントラストが得られてスライスレベルの値
が安定していることが必要であるが、被測定物の寸法を
測定すべき部分の凸部あるいは凹部と基材部とのコント
ラスト比が悪い場合は２値化のためのスライスレベル値
が不安定となり測定精度が低下する。

従来技術の後者で述べた音響光学素子の光偏向を利用す
る方法は被測定物の寸法を測定すべき部分の凸部あるい
は凹部を構成するエッヂ部と基材部の段差（高さ）が小
さくて、照射する集光されたレーザ光の焦点深度内であ
る場合には、エッヂ部からの反射光と基材部からの反射
光の強度変化が少なくなりエッヂ位置を精度よく検出す
ることができず寸法測定精度が低下する。

本発明は上述した従来の計測法の問題点を解決させて、
特に寸法を測定する部分のコントラスト比が悪い場合、
エッヂ部と基材部の段差が小さい場合に高精度で微小な
寸法を安定して計測することが可能な微小寸法測定方法
を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

レーザ光源から発せられるレーザ光を音響光学素子に入
射し、直流電圧と交流電圧を入力とすることによって動
作せられる音響光学素子ドライバーで前記の音響光学素
子の光学動作を制御せしめて該音響光学素子から互いに
異なる周波数を有し、互いに異なる方向に進行する２ビ
ーム光を発生せしめ、該２ビーム光の進行方向を互いに
異なる２つの方向に分離せしめて、分離せられた一方の
２ビーム光を集光して寸法が測定される被測定物の面上
に照射せしめて該被測定物からの反射光を受光して物体
反射光信号を作成すると共に、前記の分離せられた他方
の２ビーム光は直接に受光して参照光信号を作成すると
き、前記の音響光学素子ドライバーに入力する交流電圧
信号の周波数を制御して前記の２ビーム光の間のなす角
度を制御すると共に、前記の音響光学素子ドライバーに
入力する直流電圧信号の電圧を制御して前記の分離せら
れた一方の２ビーム光を前記の被測定物の面上で予め定
められた距離毎に光偏向せしめ、各々の光偏向状態毎に
前記の物体反射光信号と前記の参照光信号との間の位相
を検出せしめ、前記の光偏向を行なわせる直流電圧の関
数となる前記の位相データから前記の被測定物の２つの
エッヂに対応する位相の間を光偏向させた前記の直流電
圧の電圧差から寸法を算出するものである。

〔作用〕

以上の方法によって微小寸法測定を行なうとき、音響光
学素子の有する光偏向動作及び光周波数シフト動作を用
いて、微小なスポット径に集光して接近した距離にある
２本のレーザ光を被測定物面上で光偏向させながら光ヘ
テロダイン干渉を行なわせる。被測定物のエッヂ部分に
２ビーム光が照射されると、エッヂ部の段差により２ビ
ーム光の間の光路長が変化するため、光ヘテロダイン干
渉により位相の変化が起こり、電気的に位相の変化を検
出する。２つのエッヂ部に相当する位相の間を光偏向さ
せた電圧差から寸法を求めるものである。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。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
ク図である。

10はレーザ光源で例えばHe-Neレーザ発振を行なってレ
ーザ光100を放射する。11は音響光学素子（以下にＡ・
Ｏと略記する）、12はＡ・O11の光学動作を制御するた
めの音響光学素子ドライバー（以下にＡ・Ｏドライバー
と略記する）、13はＡ・Ｏドライバー12に直流電圧を入
力させる直流電圧源で例えば０〜１ボルトの範囲の直流
電圧Vdを発生させる。14はＡ・Ｏドライバー12に交流電
圧を入力させる交流電圧源で周波数ｍの交流信号を発
生させる。ここでＡ・Ｏドライバー12は電圧制御発振器
（以下VCOと略記する）、ダブルバランスミキサー、高
周波電力増幅器等の要素から構成されるもので、米国イ
ントラアクション社から例えば商品名DE-40Mとして販売
されている。Ａ・Ｏドライバー12は直流電圧源13から直
流電圧Vdを印加するとＡ・Ｏドライバー12を構成するVC
Oにより周波数ｄの高周波信号が発せられ、交流電圧
源14から印加される周波数ｍの交流信号とダブルバラ
ンスミキサーでＡ・Ｍ変調されて周波数ｄ±ｍの２
周波成分を持つ交流信号が作成され、高周波電力増幅器
にて増幅されてＡ・O11にｄ±ｍ周波数成分の高周
波信号が印加される。Ａ・O11は前述の２周波成分を持
つ交流信号ｄ±ｍを有するＡ・Ｏ駆動信号121によ
り駆動されて周波数が異なり、かつ進行方向も異なる２
ビーム光101、102を発生する。Ａ・O11に入射するレー
ザ光の周波数を₀としたとき２ビーム光101及び102は
各々₀＋ｄ＋ｍ、₀＋ｄ−ｍの周波数を持つ
ことになる。このときＡ・O11から発せられる２ビーム
光101、102の進行方向を直流電圧源13からの直流電圧で
制御し、２ビーム光101、102の間のなす角度θｍを交流
電圧源14の周波数で制御することができる。

15はＡ・O11を含む光学系で、Ａ・O11によって発せられ
た２ビーム光101、102の進行方向をビームスプリッター
151により互いに異なる２つの方向に分離する。分離さ
れた一方の２ビーム光はビーム光103及びビーム光104と
して進行し、対物レンズ152により集光され寸法が測定
される被測定物16に照射される。被測定物16による反射
光を再びビームスプリッター151で進路を変え、物体反
射光107及び108として取り出し第１の光電変換部17で受
光して電流−電圧変換を行ない物体反射光信号170を作
る。ビームスプリッター151で分離された他方の２ビー
ム光は105及び106として進行し第２の光電変換部18で受
光され電流−電圧変換を行ない参照光信号180を作る。

前述した如く、周波数の異なる２つの光波を干渉させる
と光ヘテロダイン干渉が起こる。光ヘテロダイン干渉に
ついては参考文献光学９、５（1980）P266に詳述されて
いる。干渉される２ビーム光の周波数を₀＋ｄ＋
ｍ、₀＋ｄ−ｍとすると各々の光の電界E₁、E
₂は、 E₁＝A₁exp｛ｉ・２π（₀＋ｄ＋ｍ）ｔ＋φ₁｝ …
… E₂＝A₂exp｛ｉ・２π（₀＋ｄ−ｍ）ｔ＋φ₂｝ …
… で表わされる。ここでA₁、A₂は光波の振幅、φ₁、φ₂は
位相である。電界E₁の光波と電界E₂の光波を干渉させて
光検出器で光電変換をしたときの光強度ＩはＩ＝A₁ ²＋A₂ ²＋２A₁A₂ _COS（２πΔｔ＋Δφ） …… 但しΔ＝２ｍ、Δφ＝φ₁−φ₂である。

このように光ヘテロダイン干渉によって光波の持つ差の
周波数の電気的なビート信号が作成され、その位相差Δ
φを測定することにより電界E₁の光波、電界E₂の光波に
含まれる光の領域での情報を検出することができる。

ここで参照光信号180と物体反射光信号170とは同じ２
ｍなる周波数のビート信号で位相が異なる。参照光信号
180は２ビーム光105、106が時間的には同じ位相状態に
保たれるため第２の光電変換部18で干渉させたときの位
相項（式のΔφ）は常に一定値φｒである。これに対
して物体反射光信号170は２ビーム光107、108が被測定
物16の凹凸によって光路差を変えるために位相項が変化
する。物体反射光信号170による位相を一般的にφｓで
表わす。

19は位相比較器で参照光信号180と物体反射光信号170の
間の位相を比較する。

式で明らかな如く干渉された光強度Ｉを表わす電気信
号は直流成分がA₁ ²＋A₂ ²、交流成分が２A₁A₂ _COS（２π
Δｔ＋Δφ）となり、位相検出は直流成分をカットし
て交流成分で行なうのが望ましい。また位相はφｒ、φ
ｓの単独では意味をなさず、位相の差の絶対値｜φｒ−
φs|が意味を持つ。

20は光量検出部で物体反射光信号170の直流成分のA₁ ²＋
A₂ ²、あるいは交流成分の振幅２A₁A₂を検出する。この
とき被測定物16のエッヂ間を２ビーム光103、104が光偏
向されて各光偏向された状態毎で、物体反射光信号170
の光量が｛P₁、P₂……、P_n｝の光量データ｛Pi｝、位相
差が〔φs₁−φｒ、φs₂−φｒ……φs_n−φｒ｝のデー
タ｛φｉ｝が得られる。但しｎは光偏向を行なわせる回
数である。

21は寸法算出部で、位相データ｛φｉ｝と光量データ
｛Pi｝から被測定物16のエッヂ位置を判定して、そのエ
ッヂの間を光偏向するのに要した直流電圧源13の電圧差
から被測定物16のエッヂ間距離即ち寸法を算出する。さ
らには直流電圧源13、交流電圧源14の制御も行なわせ
る。ここでエッヂ位置を判定するメインとする情報は位
相データ｛φｉ｝であり、光量データ｛Pi｝はチエック
用に用いるため被測定物16によっては必ずしも光量デー
タ｛Pi｝は必要としない。

第２図に被測定物上で２ビーム光を光偏向させるときの
状態図を示す。第２図において被測定物16の上部平面部
を161、下部平面部を162、左側エッヂを163、右側エッ
ヂを164で表わし上部平面部161と下部平面部162の段差
をΔｈで表わし、左右のエッヂ間距離ｌ₀を測定するも
のとする。

２ビーム光103、104の間の距離Ｄは交流電圧源14からの
周波数ｍ及び光学系15の対物レンズ152の焦点距離等
によって決めることができ、照射される各々のビームス
ポット径程度の値に設定するのが望ましい。２ビーム光
の光偏向を（イ）→（ロ）→（ハ）→（ニ）→（ホ）の
順に行なわせる。このとき直流電圧源13から発せられる
電圧はステップ状に変化させる。光偏向のステップは２
ビーム光の各々のビームスポット径よりも細かいステッ
プで行なうのがよい。

（イ）、（ハ）、（ホ）の状態では２ビーム光の間に光
路差が無いが、（ロ）、（ニ）の場合はエッヂ163と164
によって２ビーム光の間に光路差が存在するようにな
る。

２ビーム光の波長をλ、光路差（段差）をΔｈ、測定さ
れた位相差をφとすればで表わされる。He-Neレーザの場合はλ＝0.63μｍであ
るから位相差φが１°当りで8.8オングストロームの光
路差に相当する。位相差は電気的に検出されるが位相差
として±πの領域で検出される場合はであるが、±πを超える位相角になる光路差の場合で
も、位相角だけの情報ではなく、反射光の反射角度変化
や反射光量を同時に測定することによって位相角を補正
することができる。

第３図に第２図に示した光偏向を行なわせたときの位相
の波形図を示す。

前述した如く位相差はエッヂ部で大きく変化し、第２図
の（ロ）と（ニ）の場合では位相角の変化の符号が反転
する。従って第２図の（ロ）に対応するエッヂ部163で
は波形31に示すように位相差が上に凸、第２図の（ニ）
に対応するエッヂ部164では波形32に示すように位相差
が下に最大値を示す。他の部分では位相差がゼロであ
る。この位相差は前述の如く｛φｓ−φｒ｝で与えられ
るが平面部での位相差がゼロになるように、例えば参照
光信号の位相φｒを調整すればよい。この位相差が最大
となる波形31と波形32の２点での光偏向電圧Vl、Vrの電
圧差ΔVeから寸法を算出する。これには予め寸法が既知
の被測定物について本発明の方法により前述のΔVeを測
定しておき、ΔVeと寸法との間の相関係数を算出してお
けばよい。

第２図と第３図で述べた例ではエッヂ部での段差Δｈが
λ/4よりも小さくて、位相差の角度が｜π｜を超えない
ために位相差のピークが直接に得られた例であった。こ
の場合はまた上部平面部161と下部平面部162が同じ程度
の反射率を持つ材質から構成されている場合は光偏向を
行なわせても各点での反射光の光強度の変化は殆ど起ら
ない。（Δｈが0.16μｍより小さいため照射されるレー
ザ光の焦点深度内にあるためである。）特にこのような
場合の寸法計測に本発明の方法は有効である。第４図に
エッヂ部の段差Δｈによる位相差が式に対応して｜π
｜を超える場合の位相差検出の例を示す。

第４図（イ）は位相角とΔｈの関係を示したものであ
る。位相角を±πで測定する場合は、例えばＯ、Ａ、P₁
の状態でθ₁の位相角（θ₁＜π）の場合には２ビーム光
103と104の間で、例えばビーム104が光路長が長い状
態、Ｏ、Ｃ、P₂の状態で位相角θ₂（−π＜θ₂＜０）の
場合には同じくビーム103の光路長が長い状態に対応す
るが、（第２図、第３図での実施例は前述の場合であ
る）例えばθ₂の位相角に対応する状態でΔｈが｜π｜
を超えてＯ、Ｃ、Ｂ、P₁の位相角θ₁−２πの状態にな
っても実際に測定される位相角はθ₁であるため、位相
が連続せず位相核の符号と大きさのジャンプが起こる。

第４図（ロ）は第３図に対応してΔｈが大きくなったと
きの位相角の変化を表わす図である。位相角は前述の
（φｓ−φｒ）で測定されるから、今φｒ＝０とおくと
２ビーム光の間の位相差が直接に観測される。Δｈによ
る位相差がπを超えるとき波形41は位相差がπの状態で
あるから、πを超えると急に位相のジャンプが起こり符
号が反転された波形42の状態となる。波形43の位相状態
がエッヂ位置163であるが、波形42から波形43までは位
相の絶対値が減少する方向に変化する。従って位相波形
としては波形43の位相状態を中心として左右対称な波形
が得られる。さらにエッヂ位置164では位相の符号が反
転された波形が得られる。本実施例の場合は位相の急激
なジャンプが起こる領域内での位相の絶対値の最小値を
検出してエッヂ位置を判定できる。

次にΔｈが更に大きくなり|nπ｜（ｎ＞２）の位相角度
以上になると位相変化は更に複雑な波形となる。このよ
うな場合は２ビーム光の間の光路差が更に大きくなるた
め反射光の光量変化が現われるようになる。

第４図（ハに反射光量の変化を示す。上部平面部161に
照射する２ビーム光の焦点を合わせておけば、下部平面
部162では焦点の位置ズレが起こるために反射光量が減
少する。当然この反射光量変化の起こる領域d₁、d₂にエ
ッヂ位置が存在することになる。このときの位相角の変
化は複雑なパターンを示すため、定められた領域内での
位相変化の最大値あるいは最小値からエッヂの判定は困
難であるから、第４図（ニ）に示すように前述の領域
d₁、d₂付近において位相角の変化の大きさにあるスレシ
ョールドレベルを設けておき位相変化を２値化処理し、
例えば矩形波44及び矩形波45に示すように２値化された
位相の中央部間を光偏向させた電圧差ΔVeを求めて寸法
を計測すればよい。この場合も前述の場合と同じく寸法
と光偏向電圧差ΔVeの関係についての変換係数を求めて
おく必要がある。本実施例の場合は位相角の細かい変動
を処理する必要はなく、光量変化データ｛Pi｝と連動し
て各々のエッヂ毎にスレショールドとなる位相角の変化
の始めと終りを検出すればよい。またΔｈが小さくて、
上部平面部161と下部平面部162にコントラストがつく場
合にも｛Pi｝は有効である。

第５図と２ビーム光を発生させ被測定物16の面上に集光
して照射するときの光学系の光路図の構成例を示す。第
５図（イ）は光のビーム形状を示す図、第５図（ロ）は
光路を示す図である。第５図で51及び54は焦点距離がl₁
のシリンドリカルレンズ、52及び53は焦点距離がl₂の凸
レンズ、55は焦点距離がl₃の凸レンズ、151は偏向ビー
ムスプリッター、56は1/4波長板、152は焦点距離がl₀の
対物レンズである。

Ａ・O11は光と超音波の相互作用により光波の各種の変
調を行なうもので、相互作用時間を多くする必要からＡ
・O11に入射する光はビーム径が広いことが望ましいた
め、シリンドリカルレンズ51と凸レンズ52の組み合せに
より、レーザ光源10から発せられる円形状のビーム形状
をほぼ一次元的に広がった扇形状の形状に変換する。Ａ
・O11からの出射光のビーム形状を再び円形のビーム形
状に変換するために凸レンズ53とシリンドリカルレンズ
54を用いる。このとき入射される光ビームに対してシリ
ンドリカルレンズ54の屈折作用を有する面はシリンドリ
カルレンズ51とは異なる方向に設定する。次に凸レンズ
55を用いて拡大された径となる円形状の平行光を作成し
て対物レンズ152により集光する。

以上の光学系の構成において被測定物16の面上に照射さ
れるビームスポット系は特に凸レンズ55及び対物レンズ
152の焦点距離の大きさを選ぶことで容易に変えること
ができる。また光偏向される量は、光偏向角度をθとし
たとき（０ボルトから１ボルトの範囲での偏向角度） l₂・l₀・θ／l₃となる。

また、２ビーム光の間の距離は l₂・l₀・θm/l₃となる。

今、第５図（イ）の光ビーム形状を示す図において２ビ
ーム光の分離の状態は示していないが、実際には微小距
離に分離されている。

更に、第５図（ロ）の光路を示す図で０次回折光は計測
には用いないためにカットする必要がある。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかな如く、周波数の異なる２ビーム光
を被測定物に照射して、エッヂによる段差部での光路長
変化を光ヘテロダイン干渉法により検出することで、エ
ッヂ部の段差が光の波長程度以下の場合でもエッヂ位置
の高精度な検出が可能となり、安定した光偏向を行なわ
せることで高精度の寸法計測が可能となる。

【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図は寸法測定を行なう被測定物での光
偏向を説明する説明図、第３図は寸法測定を行なうとき
の位相の変化を説明する波形図、第４図（イ）（ロ）
（ハ）（ニ）は位相差がπの位相角を超えるときの位相
変化を示す説明図、第５図（イ）（ロ）は光学系の一実
施例を示す光路図である。 10……レーザ光源、11……音響光学素子、12……音響光
学素子ドライバー、13……直流電圧源、14……交流電圧
源、15……光学系、16……被測定物、19……位相比較
器、21……寸法算出部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源から発せられるレーザ光を音響
光学素子に入射し、直流電圧と交流電圧を入力とするこ
とによって動作せられる音響光学素子ドライバーで前記
の音響光学素子の光学動作を制御せしめて、該音響光学
素子から互いに異なる周波数を有すると共に互いに異な
る方向に進行する２ビーム光を発生せしめ、該２ビーム
光の進行方向を互いに異なる２つの方向に分離せしめ、
分離せられた一方の２ビーム光は集光して寸法が測定さ
れる被測定物の面上に照射せしめて該被測定物からの反
射光を受光して物体反射光信号を作成すると共に、前記
の分離せられた他方の２ビーム光は直接に受光して参照
光信号を作成せしめるとき、前記の音響光学素子ドライ
バーに入力する前記の交流電圧信号の周波数を制御して
前記の２ビーム光の間のなす角度を制御すると共に、前
記の音響光学素子ドライバーに入力する直流電圧信号の
電圧を変化せしめて前記の分離せられた一方の２ビーム
光を前記の被測定物の面上で予め定められた距離毎に光
偏向せしめ、各々の光偏向状態毎に前記の物体反射光信
号と前記の参照光信号との間の位相を検出せしめ、前記
の光偏向を制御する前記の直流電圧の関数となる前記の
位相データから、前記の被測定物の２つのエッヂ部に対
応する位相の間を光偏向せしめた前記の直流電圧の電圧
差から寸法を算出することを特徴とする微小寸法測定方
法。