JPS58213205A - 微小寸法測定装置 - 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】 本発明は収束レーザビームの光スボ、トヲ用いたレーザ
微小寸法測定装置に関するもので、被測定用パターンの
エツジを境として反射率あるいは透過率の異なるパター
ンの幅を測定することを目的とする。

レーザ微小寸法測定装置では、測定用パターンと光スポ
ットとを相対的に移動させて１両者が重なった時の反射
光強度変化からパターンエツジを検出して、エツジ位置
パルス信号を形成し、その時のエツジ位置ラリニアエン
コーダなどの測長器で計測する。そして、パターン両側
のエツジ位置計測値の差としてパターン幅を求める。

第１園内に示すように、被測定用パターンの工、ジ５を
境として反射率（あるいは透過率）の異なるパターン１
を測定する場合、光スポット２を矢印３の方向に走査す
るにつれて１反射光強度は。

曲線４のようにパターン部で減少する。この場合。

パターンエツジ５とこの曲線４の変曲点６とが対応して
いるため、この反射光強度変化からエツジパルス信号を
形成するには、二回微分が必要である。すなわち１反射
（透過）光強度信号４（第１図（Ｂ）に示す）の二次微
分信号７（第１図（Ｑで示す）はエツジ位置でセロを通
るため、この位置を比較器を使って検出することにより
、エツジ位置パルス信号８（第１図の）に示す）を形成
できる。

本論票はこの二次微分に関するものである。この二次微
分は回路的に行うことも可能である。しかし、その場合
には、高周波のノイズが強調され。

誤信号を生じやすい、微分回路の定数の設定がむずかし
く、微分信号出力が位相遅れを生じやすいなどの欠点が
ある。また１反射光強度と走査速度によって、微分信号
の出力が大きく変化するため信号利得の調整がむずかし
い。

これに対して光学的に二次微分を行う方法が考えられ、
オプテイーク（０ｐｔｉｋ）　３７巻（’７３）Ｐ、４
０４によって公知である。この方法は二個の複屈折結晶
とボッケルセルにより、３個の光スボ、トヲ被測定パタ
ーン面上で形成し、それぞれの光スポットの反射光を使
って、二次微分信号を形成する。

しかし、この方法ではボッケルセルを使用するため、熱
的に不安定である。高電圧を必要とする。

高額となるなどの欠点があり、実用化されていない０ 本発明は上記の従来の二次微分法を使用した微小寸法測
定装置の欠点を解決し、安価でかつ操作性の優れた光学
的二次微分法を使用した微小寸法測定装置を提供するこ
とを目的とする。

本発明では超音波光偏向器やガルバノメータなどの熱的
に安定な光偏向器を使用して、光スポットの微小振動を
行い、かつ１時分割的番こ光スボ。

トの３点における反射（透過）光強度信号を取出し、そ
れらの信号の強度を加減することにより。

光学的二次微分を行い、上記の目的を達成した。

以下に１本発明を実施例を用いて詳しく説明する０ 第２図に本発明の第１の実施例の主要部を説明する図を
示す。本実施例ではレンズ１３．１５でレーザ光１１を
スボ、ト状に集光し、その光スポットを被測定パターン
上で走査して、パターン５の幅を測定する。この走査は
超音波光（ＡＯ）偏向器１２でレーザ光１１％偏向する
こと−こより行うＯ パターン５からの反射光はビームスプリ、ター１４によ
り入射光と分離した後、光検出器１９で検出し９反射光
強度信号２０を得る。

ＡＯ偏向器ドライバー１６の入力としては、まず、第３
図（Ａ）に示される電圧波形１８を用いる。

即ち１時系列的に３電圧値（Ｖ４−　ｖ　ｖ６　ｔ　”
−）を周期Ｔで交互に取る信号を印加する（ｔは時間を
示す）０この信号により元スポット２は、パターン５上
の３点、Ｘ＋ΔＸ、ＸＴＸ丼（ｍＸの間を高速に微小振
動する（それぞれの位置はＶ＋　。

Ｖｏ　、Ｖ−に対応する）。信号１８ではＶ。を取る時
間はｖ＋、■−それぞれの２倍であり、光スボ、トがＸ
の位置に帯布する時間は他の２倍となる。

光スボ、ト２と被測定パターン５の相対位置Ｘに対する
反射光強度をＩ（Ｘ）とすると、それぞれの光スポツト
位置における反射光強度はＩ（Ｘ＋ΔＸ）、Ｉ（イ）、
Ｉ（Ｘ−ＡＸ）と表わされる。、従って５反射光強度信
号２０は第３図の）に示すよう齋こ、Ｉ（Ｘ＋ΔＸ）、
Ｉ（イ）、Ｉ（Ｘ−ＡＸ）の間を変動する信号となる。

周期はＴである。

この信号から、以下に示す方法により１反射光強度信号
の二次微分信号を得る。すなわち１周期Ｔ／２で電圧Ｖ
、とＶ−（Ｖ−＝　−Ｖ、）’Ｆ取る信号（第３図（ｑ
に示す波形２２）を参照信号として。

掛算器２１によりこの反射光強度信号２０の同期検波を
行う。位相は第３図に示すように、１！圧ｖ１が、ｒ（
Ｘ＋ｌＸ）とＩ（Ｘ−、ｔＸ）に、電圧Ｖ−がＩ　（Ｘ
）に対応するように合わせる。（ｖ＋とＶ−の正負を逆
転してもかまわない。）この時の掛算器出力としては、
第３図０に示すようにＩ　　（Ｘ＋ｊＸ　　）　　・　
ｖ、　　、　　Ｉ　　（Ｘ−ＡＸ　　）　　−ｖ、　　
と−Ｉ（Ｘ）・Ｖ＋との間で変動する信号２３を得る。

さらにこの信号をローパスフィルター２４に通して復調
することにより、Ｉ（イ）の二次の差分Ｉ（Ｘ十ΔＸ）
−２・Ｉ（Ｘ）＋１（Ｘ−ＡＸ）に比例する信号２５を
得る。

一方、■（イ）の二次微分係数Ｉ”（Ｘ）は１次式のよ
うに、二次の差分を用いて表わされる。

・・・・・・・・・ω すなわち、光スボ、トの振幅ΔＸを、Ｉ（Ｘ）が顕著に
変化する距離に比べて十分小さく取ることにより、信号
２５は工′−（３）に比例するとみなすことができる。

実際には、ΔＸの大きさは元スポットの径の数分の１以
下とすれば十分である。

このように元スポット２を高速微小振動させながら、そ
れより低速で振幅の大きい信号１７をドライバー１６に
重畳して印加して９元スボ、トヲ被測定パターン５そ横
切るように比較的ゆっくり走査し、パターンエツジでの
二次微分信号のゼロ点を比較器２６で検出し、パルス形
成器２７によりエツジ位置パルス信号８を形成する。こ
のパルス信号８の得られた時のレーザ光１１の偏向角を
信号１７のその時の値から求めることにより、工、ジ位
置の計測ができ、パターン両側のエツジの位置の差とし
てパターン幅を求める。

また、上記の信号１８．２２はいずれも特別なものでは
なく、矩形波発振器と７す、プフｏ、プ。

インバータ等を使って公知の技術により形成することが
できる。

このように本実施例によれば、非常に簡便かつ安定に１
反射光強度信号の光学的二次微分を行うことができ、エ
ツジを境として反射率を異にするパターンの幅でも、高
精度に測定することができる。

また、光偏向器としては、ガルバノメータやＡＯ光偏向
器のように、連続的に偏向角の変えられる偏向器が使用
できるため、−個の光偏向器により、パターン幅測定用
の光スボ、ト走査と二次微分用の高速微小振動を行うこ
とができ、高速かつ安価な微小寸法測定機を提供できる
。

なお、参照信号として、第３図（ト））に示される信号
２８のような、信号２２の倍の周期の信号を使用するこ
とにより一次微分も同時に行うことも可能である。

本実施例では光スボ、トヲ矩形波的に微小振動させたが
、別にこめような形の振動に限らず。

Ｘ十ΔＸ、Ｘ、Ｘ−ΔＸにおける平均滞在時間が１：２
：１となるように、光スポラトラ振動するかあるいは信
号検出のための時分割を行うかすればよい。その代表例
を実施例２に示す。装置としては第２図に示した装置で
よいので、ドライバー１６および掛算器２１に印加する
信号のみを示す。

第４図に本発明の第２の実施例の信号波形を示す。正弦
波３１％ドライバー１６に入力として。

信号２２（第４図の）に示す）を掛算器２１に参照波と
して、それぞれ印加する。第４図（５）に示す信号３１
は信号１８のフーリエ成分の基本波に相当する。この場
合も第１の実施例と全く同様に光学的二次微分を行うこ
とができる。ただ、Ｉ（Ｘ＋ΔＸ）　、　Ｉ（Ｘ）、　
Ｉ　（Ｘ−ΔＸ）はそれぞれ１区間３２．３３，３４．
ｊこおける反射光強度の平均値として与えられる点が異
なる。この場合は、光偏向器で光を正弦波状′に振るた
め、ガルバノミラ−を用いて１０ＫＨｚと云った高速で
振動できる点が利点である。

また、３１は正弦波である必要はなく、三角波でもよい
。

本発明の基本原理は１式（１）によって表されるように
、相異る３点における光強度Ｉ（Ｘ＋ΔＸ）。

ＩＱＱ、およびＩ（Ｘ−ΔＸ）を測定し１両端の２点の
強度を加えたものから、中央の１点の強度の２倍を引き
算し、その結果が零となる点によってパターン・エツジ
を検出する。ということである。

したがって、必ずしも光スポラトラ高速微小振動させな
くても、あるＸの範囲を光スボ、トで走査して得られる
反射光強度分布Ｉ□Ｑを記憶装置に記憶し１式（１）で
与えられる演算処理によって２次微分をとることもでき
る。この場合には、第２図の実施例における微小振動信
号源１８は不要であり。

かつ光検出器１９の後に、第５図に示すように。

記憶装置３５および演算装置３６を接続する。

さらに１本発明は上記光スボ、トヲ走査してパターン幅
測定を行う装置ｉこおいて、パターン幅測定の前段階と
んで必要な、光スボ、トと測定用パターンとの相対位置
調整を自動的に高精度で行い。

高速度自動測定を可能とすることを目的とする。

本発明では、パターン幅測定用の光スボ、トヲ。

被、測定パターンの位置決めにも使用することにより上
記の目的を達成した。すなわち、測定前に移動台に載せ
た被測定パターンを走査し、光スポ。

トを横切った時の反射光量変化からパターン位置を検出
して移動台を停止する。これにより、被測定パターンを
ほぼ光スポツト位置に置くこと、が可能となる。しかる
後に、光スボッ）ｋ走査してパターン幅の測定を行う。

このようにして、光スボ、トにより高精度のパターン位
置決めができ、高速度のパターン幅測定が可能となる。

第６図に本発明の一実施例の説明図を示す０本実施例は
半導体マスクパターン測定用の装置であるが、Ｓｉウェ
ハや磁気ヘッドのギャップあるいはバブル素子のパター
ンの測定にも適用できる０ 第６図において、レーザ・ビーム６１はガルバノメータ
のミラー６２を介してレンズ６３．６４によりマスク６
５上に光スボ、トロ６状に集光される。また、マスク６
５からの反射光６７はビームスプリ、り６８により入射
ビームと分離され。

光検出器６９により検出される。

ガルバノメータ６２は駆動回路６１０により微小回転さ
れる。これにより光スポット６６はマスク６５面上で走
査され、パターン６１１のエツジ６１２を光スボ、トロ
６が横切る時の反射光強度変化信号６１３は増幅器６１
４で増幅したのち。

パルス形成器６１５に入力されてエツジ位置パルス６１
６を得る。また、ガルバノメータ駆動電圧を演算器６１
７に入力してその電圧に相当する光スポット６６の位置
を求める。この光スボ、トの位置をエツジパルス６１６
に同期して出力し、プリンタ６１８に印字する。

また、マスク６５を載せた移動台６１９はモータ６２０
により走査され、その移動位置はリニアエンコーダ６２
１により検出され、演算回路６２２−ごよりその位置が
計測される。このようなレーザ微小寸法測定機は論文（
精密機械、４４巻３号。

Ｐ、　３８０　）によって公知である。

本実施例ではさらに０反射光強度信号６１３を比較器６
２３．パルス形成器６２４に入力して。

バター：’位置パルスを形成シ、ソのパルスをモータ駆
動回路６２５に入力して、移動台６１９を停止する。な
お、６２６はこの装置全体の動きを制御するマイクロコ
ンピュータなどの制御装置である０ パターン幅の測定にあたっては、まず制御装置６２６に
被測定用パターン６１１の位置座標値６２７を外部から
入力して記憶された後、モータ６２０を駆動し、リニア
エンコーダ６２１（７）出力を参照しながらパターン６
１１を光スボ、トロ６に近づける。設定値６２７とリニ
アエンコーダ・６２１の出力値の差が２μｍ以下となる
と、パルス形成器６２４を作動し、パターン６６が光ス
ポ、トに差しかかった時にモータ６２０すなわち移動台
を停止する。その後、駆動回路６１０を作動して、光ス
ポットがパターンを横切るように光スボ、トヲ走査する
。それと同時に、パルス形成盤６１５を作動して侍られ
たエツジ位置パルス６１６を６１７，６１８に入力して
エツジ位置を計測する。ざらにエツジ位置の差からパタ
ーン幅を求める。

このようにして、収束レーザビームの光スポットにより
、パターン幅を計測するとともにパターン位置検出を行
うことができ１％定の被測定パターンを高速度かつ自動
的に計測することが可能となる。

また、磁気へ、ドのギヤ、プのように試料中にパターン
が１本しかない場合には、他のパターンとの区別は必要
ないので９ニエンコーダによる位置検出は必要なく、ギ
ャップが光スボ、トに重なるまで、移動台を走査した後
、光スボ、トヲ走査することによりギヤ、プ幅を測定で
きる０第７゛図に本考案の他の実施例の構成を示す。レ
ーザー７１の光ビームは、反射鏡２人およびビームスプ
リ、り２Ｂを介して、複屈折プリズム７３によって２つ
の元ビームに分離され、集光レンズ７４によって、被測
定物７５の表面に２つの微小な光スボ、ドア６および７
７を形成する。被測定物表面で反射された光は、ビーム
スプリ、り２Ｂを介して受光装置７８によって検知され
る。検知された信号は信号処理装置７９により処理され
る。

被測定物７５を矢印の方向に移動することにより。

光スボ、ドア６および７７は、被測定物表面を走査する
。あるいは反射＆２Ａを１紙面に垂直な軸７２１のまわ
りに振ることによって光ビームを偏向しても、走査の目
的を果すことはできる。光偏向法としては、このほかに
、音響光学的方法も公知である。

説明を具体化するため、被測定物７５は磁気記録へ、ド
であるとし、その表面は光学反射率の高い部分５１と、
低い部分、すなわちギヤ、プ部分５２とから成るとする
。第８図において１曲線７６１および７７１は、光スボ
、ドア６及び７７の空間的強度分布であるとし、ギヤ、
プ５２にさしかかる部分、すなわち斜線の部分７２はギ
ヤ。

プによって切り取られて、光の反射率が低いとする。こ
のような条件の下で、光ビームで被測定物を走査すると
、受光装置７８゛に入射する光の強度工（りは、第９図
体）のように変化する。この図の横軸は時間ｔである。

同図（ｂ）は、Ｉ（ｔ）の１回微分波形、同図（Ｃ）は
２回微分波形である。

さて反射光強度曲線Ｉ　（ｔ）の極小点Ａ１およびＡ２
は、それぞれ光スボ、ドア７および７６が。

ギヤ、プ５２の中央に位置する時刻に現れる。したがっ
て、２つのビーム・スポット間の距離をあらかじめ測定
しておくことにより、空間的距離を時間に対応付けるこ
とができる０次に曲線Ｉ　（ｔ）の傾斜の最大点Ａ３〜
Ａ６は、光スポットの中心がギヤ、プの境界線５３ある
いは５４の上にあるときに対応する。したがって、Ａ３
−Ａ４間の時間。

あるいはＡ５−Ａ６間の時間を測定し、前記の方法で予
め較正されている時間と距離の関係を用いると、ギヤ、
プの幅を測定することができる。この方法で、光の波長
と同程度以下の微小ギヤ、プ幅を、高い精度で測定する
ことができる。なお厳密には１曲線Ｉ　（ｔ）の傾斜最
大点Ａ３〜Ａ６は、ギヤ、プの境界線５３および５４の
位置と正確には一致せず、若干のずれがある。しかしギ
ヤ、プ幅が光の波長より大きい場合は、この誤差は実用
上無視できるし、それより狭いギヤ、プの場合にも。

あらかじめ計算あるいは実験的に求めた補正値を用いて
、真のギヤ、プ幅を求めることができる。

次にＡ１〜Ａ６に対応する時刻を求める方法の例をいく
つか挙げる。一つは１曲線Ｉ　（ｔ）Ｅ計算機に入力し
、データ処理によって、極小点ＡＩ。

Ａ２．ならびに傾斜最大点Ａ３〜Ａ６９求めることがで
きる。他の方法は１曲線Ｉ（りの−回微分および２回微
分をとることである。すなわち数学的思考と第９図（ａ
）〜（Ｃ）から容易にわかるように、極小点ＡＩ、Ａ２
は零点Ｂｌ、Ｂ２に、また傾斜最大点Ａ３〜Ａ６は極値
点Ｂ３〜Ｂ６および零点０３〜Ｃ６に対応する。したが
って−回または二回微分波形から、公知の電子技術によ
り、Ｂ１゜Ｂ２および０３〜Ｃ６の時刻を求めることが
できる。微分波形を求める方法としては、電子回路的方
法のほか、光ビームを微小振動させることによる光学的
微分技術も公知である。

次に受光装置７８の構成を述べる。最も単純には、それ
は１個の感光素子によって構成することができる。しか
しより進歩した構成として、第１Ｏ図に示すように、受
光装置７８を、複屈折プリズム７８１と、２個の感光素
子７８２および７８３によって構成することができる。

この場合。

複屈折プリズム７８１の方位角を適当に配置することに
より、光スボ、ドア６からの反射光は感光素子７８２に
、また元スポット７７からの反射光は感光素子７８３に
入射するようにすることができる。このような構成にす
れば、２個の光スポットが極めて接近している場合でも
、それぞれの反射光を完全に分離して測定することがで
きる。

以上の説明から明らかなように９本発明の基本的要件は
、相互の空間的位置関係が既知の複数個の光ビーム・ス
ポット（７６および７７）によって被測定物を走査する
こと、それぞれの光スポットが、被測定物味たはその他
の物体上の特定の位置を通過する時刻の差を測定する手
段を有すること、およびこの時間差を基準として、光学
的に被測定物の寸法を測定すること、である。前記の「
特定位置通過時間差」として、ギャップ中央に相当する
Ａｌ−Ａ２の時間差のほか、エツゾに相当するＡ３−Ａ
３．Ａ４−Ａ６．Ｂ５−Ｂ５゜Ｂ４−８６．０３−０５
．０４−０６等の時間差を用いてもよい。または被測定
物とは別の標準パターンを用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明の一実施
例を示す図、第３図と第４図は動作説明図、第５図は本
発明の装置の信号処理部の一実施例を示す図、第６図は
本発明の実施例の構成を示す図、第７図は本発明の他の
実施例の構成を示す図、第８図及び第９図は本発明の詳
細な説明するための図、第１０図は本発明の他の実施例
の受光第　１　凹 ￥、２　　図 第　　３　　目 児　４　図 図 Ｎ≧ 炉Ｆ 第　５　図 ｌＪｓ図 易　　２　　図 ｄ′％６２ 亮　　　ｌθ　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 収束レーザビームの光スポットと被測定パターンとを相
   対的に移動させ、その光スボ、トがパターンエツジを横
   切る時の反射光強度信号を用いてパターン幅を測定する
   微小寸法測定装置において、光スボッ）ｆ高速微小振動
   させる手段と、その振動周波数に同期して１時分割的に
   光スボ、トの３点における反射光強度信号を検出する手
   段と、その検出された出力をそれぞれ加減する手段と、
   上　、記反射光強度信号の二次微分信号を形成する手段
   とを具えていることを特徴とする微小寸法測定装置０