JPS6244203B2

JPS6244203B2 -

Info

Publication number: JPS6244203B2
Application number: JP7245881A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Sekizawa; Akito Iwamoto
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-05-14
Filing date: 1981-05-14
Publication date: 1987-09-18
Also published as: JPS57187604A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、例えばビデオデイスクのような基
本パターンが略規則的に配列され刻印された被検
体における基本パターンの平均の幅、深さあるい
はピツチを測定する形状測定装置に関するもので
ある。

従来、刻印されたパターンの形状測定には光切
断法やノマルスキー式微分干渉顕微鏡等の干渉を
用いるものまたは電子顕微鏡によるSEM技術が
知られている。これらは、個々のパターンの形状
を計測することはできるが、被検体が多数のパタ
ーンの繰り返しからなりそれらの平均の大きさを
求めたい場合には、各パターンを１個ずつ計測し
てこれらの平均値を算出しなければならず、測定
に多大の時間を要する欠点があつた。

この発明は、上記事情に基づきなされたもの
で、被検体にほぼコヒーレントな光を照射して得
られた回折光を検出しこれらの検出信号に基づき
演算を行なうことにより、刻印されたパターンの
形状の平均の値を高速かつ高精度に計測すること
のできる形状測定装置を提供しようとするもので
ある。

以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説
明する。この実施例は対象とする刻印パターンが
最も単純な刻印溝パターンの場合である。

第１図において１１は略規則的に配列された多
数の刻印溝パターンを有する平板状の被検体であ
り、XYステージ１２上に載置されている。この
被検体１１に対してコヒーレントな光を照射する
ため、例えばHe―Neレーザ装置よりなる光源１
３を設ける。１４は被検体１１の上方に傾斜して
設けられたハーフミラーであり、光源１３より発
生されたコヒーレント光はハーフミラー１４によ
り反射されて被検体１１に照射される。このコヒ
ーレント光は被検体１１により反射および回折さ
れる。

被検体１１より回折された回折光のうち、第０
次回折光、第１次回折光、第２次回折光をそれぞ
れ検出し電気信号に変換するため、例えばフオト
ダイオードよりなる光電変換器１５，１６および
１７を設ける。光電変換器１５によつて検出変換
された第０次回折光の電気信号を_０とする。ま
た、光電変換器１６および１７によつて検出変換
された第１次回折光および第２次回折光をそれぞ
れ_１および_２とする。

１８は、例えば１次元型半導体位置検出器（米
国ユナイテツドデテクター社製または浜松テレビ
社製等）よりなる位置検出器であつて、これによ
り第１次回折位置を検出して電気信号に変換し、
Ａ／Ｄ変換器１９を介してデイジタル信号を信号
処理計算機（CPU）２０に供給する。信号処理
計算機２０では、第１次回折位置信号より回折角
を求めこれにより被検体１１にある多数の溝の平
均ピツチを算出する。

次に割算機２１により電気信号_１および_２
から_２／_１の値を求め、この信号をＡ／Ｄ変
換器２２によりデジタル信号に変換して信号処理
計算機２０に供給する。信号処理計算器２０はこ
の値より溝の平均の幅を算出する。

同様に、割算機２３により電気信号_０および
_１から_１／_０の値を求め、この信号をＡ／
Ｄ変換器２４によりデイジタル信号に変換し、信
号処理計算機２０に供給する。信号処理計算機２
０においては、この信号に基づき溝の平均の深さ
を算出する。

このようにして得られた溝の平均のピツチ、幅
および深さは例えばCRTモニタからなる表示部
２５により表示される。信号処理計算機２０は次
に測定する部分を指示し、その信号をステージ制
御部２６に送り前記XYステージ１２を移動させ
る。このようなことを繰り返して被検体１１の各
部、各部の平均の値を順次測定することができ
る。

次に溝の平均のピツチ、幅および深さを求める
演算手段について、さらに詳細に説明する。第２
図は、被検体１１の具体例の断面図である。この
被検体１１は基板上に多数の溝２７を規則的に配
列して設けたビデオデイスクを示している。第２
図において溝の幅をａ、ピツチをｐ、深さをｈと
する。

いま、コヒーレント光により（2N＋１）個の
溝が同時に照射されたとすると、その遠視野パタ
ーンＦ（ξ）は次式で与えられる。

ここで、ξは空間周波数であり、遠視野での座
標と等価であつてn/pで示すことができる。

またλは照明光波長、ｊは虚数単位を表わして
いる。

ただし sin ｃ（ｘ）＝ｓｉｎπｘ／πｘ………(2
) (1)式より第０次回折光強度_０および第ｎ次回
折光強度ｎ、並びにこれらを入射強度で規格化
したものはそれぞれ(3)式、(4)式および（3′）式、
（4′）式で具体的に記述することができる。

_０＝｜Ｆ（０）｜^２＝（2N＋１）^２｛p²−2a（ｐ−ａ）〔１−cos（４ｈ／λπ）〕｝ …(3) ｎ＝｜Ｆ（ｎ／ｐ）｜^２＝２（2N＋１）²a²sin^c2（ｎａ／ｐ）〔１−cos（４ｈ／λπ）〕…(4) ₀′｜Ｆ（０）｜^２＝１／Ｐ^２｛Ｐ−2a（ｐ−ｓ）〔１−cos（４ｈ／λπ）〕｝ …（3′） n′＝｜Ｆ（ｎ／ｐ）｜^２＝２１／ｐ^２a²sin c²（ｎａ／ｐ）〔１−cos（４ｈ／λπ） ……（4′）また１次回折光角度の光軸からの傾きをθとす
れば空間周数の定義より次式を得る。

ｐ＝λ／ｓｉｎθ ………(5) 上式より、θを測定することにより、ピツチｐ
を計算できることが判る。

ピツチｐが既知の場合は(4)式を変形することに
よりとなり幅ａを求めることができる。

さらに(3)式と(4)式よりとなり深さｈを求めることができる。

このようにして求めたピツチｐ、幅ａ、深さｈ
は（2N＋１）個の平均値である。演算手段とし
ての信号処理計算機２０ではＡ／Ｄ変換器１９，
２２，２４の出力信号より(5)、(6)、(7)式の演算を
行ない、ｐ，ａ，ｈを求める。特に高速を要する
場合には、予め(5)(6)(7)式を計算し、数表としてメ
モリに記録しておき、(5)(6)(7)式の演算の代りにこ
の記録された数表を引くことにより求めることが
できる。このようにしてピツチｐ、幅ａ、深さｈ
を高速で測定することができる。

具体的には次のようにして行なわれる。

例えばコヒーレント光としてHeNeレーザを用
いた場合には(5)式は第５図のようなグラフとな
る。そこで予め信号処理計算機２０内に第５図の
グラフを記録しておきＡ／Ｄ変換器１９からの信
号により、第５図に対応する数表を引くことでピ
ツチｐを求める。

次に第１次回折光と第２次回折光との比である
Ａ／Ｄ変換器２２からの信号により(6)式により幅
ａを求める。これにはまず(6)式でｎ＝１とし、予
め１／πcos^-1（√_２ _１）を計算し、第６図のようなグラフとして前記と同
様に、信号処理計算機２０内に記録しておく。
Ａ／Ｄ変換器２２の信号により、第６図のグラフ
に対応する数表を引き、先に求めたピツチｐを掛
けて幅ａを求める。

さらに深さｈを求めるには、先に求めたピツチ
ｐ、および幅ａに対して、第７図のように予め(7)
式により_１／_０とｈの関係を計算しておき、
信号処理計算機２０内に数表として記録してお
く。Ａ／Ｄ変換器２４の信号により、数表を引い
て深さｈを求める。

次にこの発明の効果ついて述べれば、この発明
はコヒーレント光の照射ビーム中に含まれた全て
のパターンの回折パターンより計測を行なつてい
るため、回折パターンの性質上これらのビーム中
に含まれた全てのパターンの平均値の計測を直接
瞬時に行なうことができる。したがつて多数の溝
の平均値を求める場合に、個々の溝の値を測定し
てから求める従来の手段に比較してこの計測を極
めて高速に行なうことができる。

次に照射ビームが平行ビームであれば、回折パ
ターンより測定しているのでピント合せの必要が
ない。したがつてピント合せのための時間が不要
となりこの発明の装置はこの面からも測定の高速
化が期待できる。またピント合せが不要なためピ
ントずれによる誤差を生じるおそれはなく、安定
でしかも高精度の測定が可能となる。

従来のように顕微鏡を用いて拡大した溝のパタ
ーンより測定を行なう場合に、ピツチｐもしくは
幅ａが0.5μｍ程度の長さになると、レンズでは
結像できないのでこれらの測定を行ない得ない。
しかし、このような微細な溝パターンでも光の回
折現象は存在し、この発明はこの回折パターンよ
り測定を行なつているので、極めて微細な溝の形
状測定も可能である。

また本測定法を用いると被検体１１がＸ、Ｙ方
向に平行移動しても、ビームが照射された範囲内
での瞬時の測定は可能である。これは回折パター
ンより行なつているためである。このことは被検
体１１の位置出しの必要がなく被検体１１を移動
させたままで計測できる利点がある。

かくしてこの発明は高速かつ高精度な測定が可
能である特長を有するにもかかわらず装置構成上
の精度等の要求が比較的少ない実用的な測定装置
とすることができる。

次に第３図はこの発明の他の実施例に示してい
る。この実施例は被検体１１が光ビデオデイスク
のような円盤状のものの場合であり、コヒーレン
ト光の照射に反射用のミラー３１が用いられてい
る。

レーザ装置よりなる光源１３から出力された光
はミラー３１により反射され、被検体１１の法線
に対してθ_０の角度で入射される。被検体１１に
入射され、反射回折された光は第１図の実施例の
場合と同様に検出され、信号処理され信号処理計
算器２０において、ピツチｐ、幅ａおよび深さｈ
が求められ、表示部２５に表示される。

この場合に、ｐ，ａ，ｈを求めるには第１図の
実施例の(5)(6)(7)式に代えて次に示す各式を用いれ
ばよい。

ｐ＝λ／ｃｏｓθ_０ｓｉｎθ ………(8) このとき角度θ_０を適切に設定することにより
ピツチｐおよび深さｈの測定の感度を高めること
も可能である。

被検体１１の全面を測定するには、信号処理計
算機２０より信号を送つて、モータ３２を駆動し
これにより被検体を回転させるとともにモータ３
３により被検体１１を平行移動させて測定を行な
うようにすればよい。なお第３図において第１図
と同一部分は理解の便宜上同一符号によつて表示
した。

次に被検体１１がガラス基板のような透明な物
質に溝を形成した実施例の場合について第４図に
より説明する。

第４図において光源１３より放射したレーザ光
はコリメータ４１により適当なビーム径に拡げら
れる。（前記実施例のようにビーム径を拡げる必
要のない場合にコリメータ４１を使う必要のない
ことはいうまでもない。）この光はXYステージ１
２により垂直方向に支持された被検体に照射され
回折される。この回折された光は焦点距離のレ
ンズ４２により後方焦点面に回折パターンを形成
する。（被検体１１の溝のピツチｐや幅ａが小さ
く、ビーム径が小さい場合にはレンズ４２を使う
必要はない。また第１図および第３図の実施例に
おいても被検体１１の溝のピツチｐや幅ａが大き
くビーム径が大きい場合にはこの実施例のように
レンズ４２を使用した方がよい。）このようにして形成された回折パターンより前
述した第１図の実施例の場合と同様にピツチｐ、
幅ａおよび深さｈを測定することができる。

ただし深さｈの計算は(7)式に代えて次式を使用
する必要がある。

ここでｋは被検体１１の屈折率である。なお、
第４図においても第１図あるいは第３図に対応す
る部分は同一符号によつて表示した。

この発明は上記各実施例のみに限定されず要旨
を変更しない範囲において種々変形して実施する
ことができる。

例えば上記実施例ではコヒーレントな光を発生
する光源としてレーザ装置を用いた場合について
述べたが、ほぼコヒーレントな光を出力するもの
であれば他の光源を用いて差し支えないことはい
うまでもない。

また光電変換器、１次元型半導体位置検出器そ
の他の構成要素も上記実施例に用いたものに限定
されずこれらと同等のものを用いることができ
る。

以上述べたようにこの発明によれば、被検体に
ほぼコヒーレントな光を照射して得られた回折光
を検出しこれらの検出信号から演算を行なうこと
により、刻印されたパターンの形状の平均の値を
高速かつ高精度に計測することのできる形状測定
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の概略的な構成
図、第２図は被検体の具体的構成を示す断面図、
第３図および第４図はそれぞれこの発明の異なる
実施例を示す概略的な構成図、第５図は角度とピ
ツチ（ｐ）の関係を示す図、第６図は_２／_１
と

【式】との関係を示す図、第７図は_１／_０とｈの関係を示す図である。１１…被検体、１２…XYステージ、１３…光
源、１４…ハーフミラー、１５〜１７…光電変換
器、１８…１次元型半導体位置検出器、１９，２
２，２４…Ａ／Ｄ変換器、２０…信号処理計算
器、２１，２３…割算機、２５…表示部、２６…
ステージ制御部、２７…溝、３１…ミラー、３
２，３３…モータ、４１…コリメータ、４２…レ
ンズ。

Claims

【特許請求の範囲】１略コヒーレントな光を発生する光源と、この
光源よりの光を基本パターンが略規則的に配列さ
れ刻印された被検体に照射する手段と、この手段
により得られた第０次、第ｎ次回折光を検出する
それぞれの光電変換器と、これらの光電変換器に
より得られた第０次回折光の信号および第ｎ次回
折光の信号より前記基本パターン中の平均の深さ
を求める手段とを備えたことを特徴とする形状測
定装置。２略コヒーレントな光を発生する光源と、この
光源よりの光を基本パターンが略規則的に配列さ
れ刻印された被検体に照射する手段と、この手段
により得られた第０次、第ｎ次および第2n次回
折光を検出するそれぞれの光電変換器と、これら
の光電変換器により得られた第ｎ次回折光の信号
および第2n次回折光の信号より前記基本パター
ンの平均の幅を、第０次回折光の信号および第ｎ
次回折光の信号より前記基本パターン中の平均の
深さを求める手段とを備えたことを特徴とする形
状測定装置。３略コヒーレントな光を発生する光源と、この
光源よりの光を基本パターンが略規則的に配列さ
れ刻印された被検体に照射する手段と、この手段
により得られた第０次、第ｎ次および第2n次回
折光を検出するそれぞれの光電変換器と、これら
の光電変換器により得られた第ｎ次回折光の信号
および第2n次回折光の信号より前記基本パター
ンの平均の幅を、第０次回折光の信号および第ｎ
次回折光の信号より前記基本パターン中の平均の
深さを、更に、前記光源よりの光を前記被検体に
照射することにより得られた回折光の回折角より
前記基本パターン中の平均のピツチを、それぞれ
求める手段とを備えたことを特徴とする形状測定
装置。