JPS63180804A - 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〕 本発明は光学式のサブミクロン領域の微小寸法測定方法
に関する。

〔発明の背景〕

近年の精密加工技術の進歩により被加工物のマイクロ化
が進み、集積回路、硼気ヘッド等の分野においても微細
加工される寸法は１ミクロンメートル（μｍ）以下のオ
ーダに達し、それに伴って１μｍ以下の微小寸法の高精
度な計測の必要性が高まってきている。

〔従来の技術〕

微小寸法の測定には被測定物を白色光源のもとで顕微鏡
システムで高倍率に拡大して得られた拡大像をＴＶカメ
ラ等で受光し、ＴＶカメラから発せられたビデオ信号の
明暗の２値化処理をする方法が多く用いられている。

第２図に従来の測定方法によって得られるビデオ信号波
形及びその処理の一例を示す。

第２図（イ）は寸法が測定される被測定物２０の形状の
一例を示すもので、２１は寸法が測定される寸法部でそ
の寸法がＧである。２２は基材部である。例えば被測定
物２０が磁気ヘッドの場合、寸法部２１がガラス材で構
成されるギャップ部、基材部２２がフェライト材で構成
されるトラック部に相当し、ギャップ幅Ｇを測定する場
合に相半する。

第２図（ロ）のグラフは寸法部２１を含む基材部２２上
に集光させた照明光を照射して、その反射光を拡大して
検出したときのビデオ信号２６の一例で、グラフの横軸
は反射光の検出器であるＴＶカメラを構成しているイメ
ージセンサ−の各画素のアドレスを示し、グラフの縦軸
は電圧値に換算された反射光強度を示す。

本例は基材部２２よりも寸法部２１０表面反射率が低い
場合のビデオ信号で図の如き下に凸の波形となる。

２４はビデオ信号２６を明暗の２値化処理するためのス
ライスレベルで、例えばスライスレベル２４より反射光
強度が窩いときは１の状態、反射光強度が低い場合はＯ
の状態の２値化を行ない、第２図（ハ）に示すような２
値化信号を作成する。この２値化信号の立ち下がり部２
５と立ち上がり部２６の間にふくまれる画素数からパタ
ーンピッチを算出して寸法を測定するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述した従来の寸法測定方法はビデオ信号２６の２値化
処理が基本となるため、被測定物２０へ照射する照明光
の強度レベルが安定していて、被測定物２０からの反射
光の強度パターンを表わすビデオ信号２６を明暗の２値
化するときのＳ／Ｎ比が良く、スライスレベル２４の値
が安定していることが必要である。

しかし、白色光源を用いた照明光の場合は、照明光自身
の時間的、空間的な光強度分布の安定度が悪いため、反
射光の強度レベルの絶対値及び反射光強度パターン２６
が変動し、従ってスライスレベル２４も変動して寸法測
定に誤差が生じる。

また、白色光源を用いた照明光では、照明光を集光させ
て被測定物２０の面上に照射するとき、１μｍ程度まで
の微小なスポット径を得ることが困難である。

従って、被測定物２０の寸法が１μｍよりも小さいサブ
ミクロン領域の場合は、集光した照明光を照射しても照
明光のスポット径が大きいため、第２図（イ）で示した
寸法部２１からよりも基材部２２からの反射の寄与が大
きくなり、第２図（ロ）に示した様な下に凸の形状のビ
デオ信号２６の場合に最小電圧レベルの低下量が少なく
なって２値化処理のためのスライスレベル２４の決定が
困難となり、サブミクロン領域の寸法測定精度が低下す
る。

更には被測定物２０からの反射光のビデオ信号２６０波
形は、第２図（イ）に示した被測定物２００寸法部２１
と基材部２２との間の段差、集光した（５）　　　　　
　　　　　　　　、。

照明光の焦点深度によって影響を受けるが、前記の要因
の他にも被測定物２００００表面反射率法変化によって
もビデオ信号２６の波形が変化する。

特に寸法部２１と基材部２２との間の段差が照明光の焦
点深度範囲内にある場合、寸法部２１及び基材部２２の
各々が個有の表面反射率を有する場合には、その反射光
強度パターンは寸法によって変化するのは当然の事であ
るが、同一の寸法の場合にも被測定物２００００表面反
射率化すると反射光強度パターンも変化するため、２値
化のためのスライスレベル２４の値を例えば５０％強度
Ｌ／／＜ルの如く一義的に設定していたのでは、２値化
したときのパターンピッチの変化が寸法の変化か、ある
いは表面反射率の変化によって生じたものかの区別がで
きず安定した寸法測定が困難となる。

本発明は上述したような従来の寸法測定法の問題点、欠
点を解消させて、サブミクロン領域の微小寸法を高精度
、高安定に測定することが可能な方法を提供するもので
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために本発明は次のような方法か
ら成る。

レーザ光源から放射されるレーザ光を所定のビーム形状
に集光して寸法が測定される被測定物上に照射せしめ、
前記集光されたレーザ光を前記被測定物面上を走査させ
て各走査状部毎に前記被測定物から反射される反射光強
度を検出して、該反射光強度を光電変換して電圧値とし
ての反射光強度パターンを検出せしめて該反射光強度パ
ターンの平滑化処理を行なわせ、該反射光強度パターン
の基準強度からの変化が最大となる変化最大電圧値と、
前記の反射光強度パターンの予め設定されたスライスレ
ベルでのパターンピッチの値と、前記の反射光強度パタ
ーンの予め定められた領域の各反射光強度の総和の積算
電圧値を検出せしめ、前記の検出された変化最大電圧値
とパターンピッチと積算電圧値と、予め設定されている
前記の被測定物の寸法が測定される部分の表面反射率と
寸法によって定まる基準変化最大電圧値と基準パターン
ピッチと基準積算電圧値との間で少なくとも２つ以上の
量の値の比較により前記の被測定物の寸法を測定するも
のである。

〔作用〕

以上の方法によってサブミクロン領域の微小な寸法を測
定するとき、時間的、空間的なコヒーレンシーが高く、
安定した光強度分布を有するレーザ光を微小なスポット
径に集光して寸法が測定される被測定物上を光偏向（走
査）させ、各光偏向状態毎に被測定物からの反射光を検
出すれば、偏向量の関数として得られる反射光強度パタ
ーンは被測定物の寸法及び表面反射率の情報を同時に含
んだＳ／Ｎ比の良い信号となる。

この反射光強度パターンから基準強度に対する変化最大
電圧、パターンピッチ、積算電圧の３種類の値を検出す
ると、上記の３つの量はそれぞれ寸法、表面反射率の変
化に応じて固有に変動する。

このとき上記３つの量のうちの少なくとも２つ以上の量
を同時に比較すると、その量の間に寸法及び表面反射率
の固有の関係が存在するので、寸法のみならず表面反射
率の変化も同時に検出することができて安定した寸法計
測が可能となる。

〔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の方法を説明するブロッ
ク図である。

１０はレーザ光源で例えばＨｅ−Ｎｅレーザ発振管であ
って、波長が０．６３３μｍのレーザ光１００を放射す
る。１１は光学系で光走査部１１０、ビームスプリッタ
−１１１、対物レンズ１１２を含む他の各種レンズ（図
示せず９等から構成され、所定のビーム形状に集光した
集光ビーム１１６を作成して寸法が測定される被測定物
２０に照射させると共に、集光ビーム１１６を被測定物
２００面上で光学的に走査させる。

１２は集光ビーム１１６の光学的走査を制御する走査コ
ントローラである。光学的走査はポリゴンミラーを用い
る方法、電磁駆動型ミラーを用いる方法、音響光学素子
の光偏向作用を用いる方法等の各種の方法があり、被測
定物２０の寸法の犬きさに応じた量の光走査を行なう。

被測定物２［１に照射させる集光ビーム→のビームスポ
ット径は主として対物レンズ１１２の焦点距離によって
変えることができるが、集光ビーム１１６のビームスポ
ット径は被測定物２０の測定すべき寸法に対して若干大
きめに設定しておくのが望ましい。

１μｍ以下の寸法測定の場合には、１．２μｍ程度のビ
ームスポット径にすればよい。被測定物２０によって反
射された集光ビーム１１６はビームスプリッタ−１１１
により光路を変えられて反射光１１４として取り出され
る。

１６は反射光１１４の光電変換部で、ＰｉＮフォトダイ
オード等の光検出器で集光させられた反射光１１４を受
光して、電流−電圧変換を行なって光強度に対応した電
圧を発生させる。

１４は基準反射光強度設定部で、基準とする反射率を有
する標準サンプルでの反射光強度の大きさ及びその強度
パターンを記憶し設定しておいたり、被測定物２００寸
法を測定して得られた光学的な測定量を実際の寸法値に
変換するときの基準較正を行なったり、またレーザ光１
００の発振強度の変化等を検出するために用いるもので
、実際の寸法測定前に実施すればよく、この動作を初期
化モードと呼ぶ。

１５は反射光強度パターン検出部で、被測定物２０に対
して集光ビーム１１６を光学的に走査させて得られた反
射光１１４を光電変換部１６で光電変換させ、反射光強
度に比例した電圧をＡ／Ｄ変換してメモリー回路に記憶
させれば、光学的走査状態の関数としての反射光強度パ
ターンが得られる。この実際の測定を行なう動作を測定
モードと呼ぶ。

１６は平滑化処理部で、反射光強度パターン検出部１５
で得られた反射光強度パターンを移動平均法等のスムー
ジング手法によって、パターン全体の微小な不規則性ノ
イズを吸収して滑らかな曲線に変換し、反射光強度パタ
ーンの解析の精度を高める。

１７は変化最大電圧値検出部で、平滑化処理部１６で平
滑化処理された反射光強度パターンの基準強度からの変
化が最大となる点の電圧値を検出する。

集光ビーム１１６が被測定物２ｏの基材部２２０面上に
照射されているときの反射光強度の大きさが前述の基準
強度で、変化最大電圧は一般には照射する集光ビーム１
１６のビーム中心部と被測定物２０の寸法部２１の中央
部が一致したとぎに得られる。

一般に、基材部２２に対して寸法部２１の反射率が低い
場合は反射光強度パターンは下に凸の波形となり変化最
大電圧値としては最小電圧値が得られ、逆に寸法部２１
の反射率が高い場合は反射光強度パターンは上に凸の波
形となり変化最大電圧値としては最大電圧値が得られる
。

以下の実施例においては基材部２２よりも寸法部２１０
反射率が低い場合について述べるため、変化最大電圧値
は前述の最小電圧値のことを言う。

１８は反射光強度パターンのパターンピッチ検出部で、
反射光強度パターンに対して予めスライスレベルを設定
しておき、謂ゆる２値化処理を行なってスライスレベル
間のパターンピッチを検出する。

このときのパターンピッチは光学的走査をするときの走
査量の大きさに対応した量として得られる。

１９は積算電圧値検出部で、反射光強度パターンの予め
定められた領域内の各反射光強度の総和となる積算電圧
値を検出する。この積算電圧値は反射光強度パターンの
面積に比例する量である。

１１５は基準データ設定部で、前述の基準強度の大きさ
が１００％の値に規格化された反射光強度パターンに対
して基準変化最大電圧値（これは前述のように本実施例
の場合は基準最小電圧値となる）、基準パターンピッチ
、基準積算電圧値を被測定物２００寸法部２１の大きさ
及び表面反射率について設定する。

以上の基準となるデータは被測定物２００基材部２２０
反射率を１、基材部２２からの反射光強度の大きさを１
と規格化した場合に、寸法部２１α３）　　　　　　　
　　　　　へ・ の寸法と表面反射率の変化に対する最小電圧値、パター
ンピッチ、積算電圧値の変化を予め設定しておくもので
、計算値あるいは実測値を規格化して与えておく。

また、基準データ設定部１１５は基準反射光強度設定部
１４からの情報、特に基材部２２の反射光強度（基準強
度）の変化に応じて再規格化を行なって、被測定物２０
の材質（特に表面反射率）に直接対応するデータを設定
してもよい。

１１６は寸法変換部で、測定された前述の３種類の寸法
に関する量がら実際の寸法値への変換を行なうもので、
変化最大電圧値検出部１７、パターンピッチ検出部１８
、積算電圧値検出部１９から与えられる３種類の測定値
と基準データ設定部１１５に与えられている３種類の基
準値との間で少なくとも２種類以上の量の間で比較を行
なって、被測定物２００基材部２２に対する寸法部２１
の表面反射率及び寸法を決定する。

又、寸法変換部１１６は走査コントローラ１２の光学的
走査の制御も行ない、さらに寸法変換部α褐 １１６は前述したデータ間の比較を行なって、被測定物
２０が正常であるか、あるいはゴミ等の異物が付着して
いるか等の判定も行なう。

以上述べた本発明の寸法測定方法により、従来の寸法測
定方法に比較して、被測定物２０の材質的な変化が生じ
た場合でもその都度、装置の較正を行なうことなく安定
した微小寸法の測定が可能となる。

次に集光ビーム１１６の光学的走査及び反射光強度パタ
ーンの内容について説明する。

第３図に集光ビーム１１６が被測定物２０の面上を走査
されるときの状態図を示す。第３図（イ）は集光ビーム
１１６のガウス型光強度分布図である。

一般にレーザ光源１０から放射されるレーザ光１００の
光強度分布は第３図（イ）に示すようなガウス分布をし
ている。第３図（イ）のガウス分布光６０の強度の最大
点６１０強度をＩ。とじた場合に、■ｏの値の１３．５
％の強度点６２間の範囲りをガウス分布を持つレーザ光
の直径と呼んでいる。

以下の説明では、レーザ光の直径りを１に規格ｆヒして
いる。第３図（ロ）はガウス強度分布６０を有する集光
ビーム１１６が被測定物２０の寸法部２１の左側の基材
部２２に照射されていて走査開始前の図、（ハ）は集光
ビーム１１６が巾Ｇの寸法をもつ寸法部２１の中央部に
照射されている図、に）は同じく寸法部２１の右側の基
材部２２に照射されていて走査終了の図で、集光ビーム
１１６が（ｏ）→（ハ）→に）へと走査される。

前述した如く被測定物２０が磁気ヘッドの場合に寸法部
２１がギャップ、基材部２２がトラック部に相当するが
、ギャップ部とトラック部とでは光の反射率に差異があ
る。

本発明の微小寸法測定方法は寸法部２１０基材部２２に
対する段差が照射するレーザ光の焦点深度範囲内にあり
、前述した反射率に差異があり、集光ビーム１１６のビ
ーム直径りよりも寸法部２１０寸法Ｇが小さい場合に特
に有効な方法である。

以下の説明では寸法部２１の方が基材部２２よりも反射
率が低いと仮定する。

ここで前述の光ビームの走査には、ビームスキャンの安
定性が良くて微小量のステップでの安定したスキャンが
可能である事などの理由で、音響光学素子の光偏向を利
用するのが望ましく、ランプ波駆動あるいは直流電圧を
微小量ずつステップ状に変化させて偏向の制御ができる
。

第４図にガウス強度分布を持つ集光ビームを被測定物２
００面上で光偏向させて得られる反射光強度パターンの
計算の一例を示す。

第４図（イ）は被測定物２０の表面反射率が一定の場合
に寸法部２１の長さＧが変化した場合、第４図（ロ）は
寸法部２１の長さＧが一定の場合に寸法部２１０反射率
が変化した場合の反射光強度パターンの計算結果の図で
ある。

この計算では基材部２２の反射率を１に規格化した場合
の寸法部２１の相対的な反射率ｒを仮定している。さら
に照射する集光ビーム１１６の直径を１に規格化して、
集光ビーム１１６の直径に対する割合で寸法部２１の規
格化した長さｇを用いている。

第４図（イ）、（ロ）のグラフの横軸は光偏向量で、前
述の集光ビーム１１３のビーム径１を単位として表わし
、グラフの縦軸は反射光強度比で、集光ビーム１１６の
全体が第３図（ロ）、に）の如く基材部２２に照射され
ている場合を１すなわち１００％としている。

第４図（イ）は寸法部２１０基材部２２に対する反射率
がｒ　＝　０．５の場合で、寸法部２１０寸法Ｇを集光
ビーム径を１に規格化したときの寸法ｇを用いて表わし
たとき曲線４１はｇ　＝　０．３、曲線４２はｇ　＝　
０．５、曲線４６はｇ二０．７、曲線４４はｇ＝１の場
合である。

第４図（ロ）はｇ　＝　０．７の場合で、基材部２２に
対する寸法部２１の反射率ｒが、曲線４５はｒ二０．８
、曲線４６はｒ−０７、曲線４７はｒ　＝　０．６、曲
線４８はｒ　＝　０．５の場合である。

基材部２２に対する寸法部２１の反射率が小さい場合は
、被測定物２０に照射される集光ビーム１１６が基材部
２２に照射されている場合が反射光量が最も多く、第４
図（イ）の点４００の部分に相当する。この強度が反射
光強度パターンの基準強度である。

この基準強度は照射する集光ビーム１１６の光強度分布
の全体を積分したものとなる。集光ビーム１１６が偏向
（走査）されて集光ビーム１１６の一部が寸法部２１に
も照射されてくると、反射される光強度は減少してきて
、第３図（ハ）に示すような寸法部２１の中央部と集光
ビーム１１６の強度が最大となる中央部が一致した偏向
状態の時に反射光量が最小となってくる。

さらに偏向状態が進み集光ビーム１１６が寸法部２１の
右側にある基材部２２に照射されてくれば、再び反射光
量が増加してきて第４図（イ）に示した７字型の反射光
強度パターンが得られる。

尚、この反射光強度パターンの各点の強度（電圧値）は
、被測定物２０上に照射されている集光ビーム１１６が
反射されたときの全強度で、寸法及び反射率の状態によ
って変イヒさせられるもので、基準強度４００からの変
化が最大となる最小電圧値は第４図（イ）に示すように
寸法部２１０寸法Ｇが大きく、又、第４図（ロ）に示す
ように寸法部２１０表面反射率が小さくなるに従って低
い値を示す。

第４図（ロ）において線４０１は反射光強度パターンを
２値化処理するためのスライスレベルで、本実施例の場
合は基準強度レベル４００に対して８０％の点に設定し
ている。

図から明らかな如く寸法及び表面反射率に応じて反射光
強度パターンが変化するため、被測定物２０の寸法及び
表面反射率に応じてスライスレベル４０１を変化させて
設定する必要があり、寸法が小さく、表面反射率が高い
ほどスライスレベルは高い値に設定する必要がある。

本発明では反射光強度パターンに対して更に反射光強度
の総和である積算電圧値を検出する。

この積算電圧値は反射光強度パターンの面積に比例する
量で、前述の説明と同じように積算電圧値も寸法及び表
面反射率に応じて変化する。

第４図（イ）、（ロ）の説明で明らかな如く、反射光強
度パターンは寸法、表面反射率によって変化するため、
寸法及び表面反射率の両方が未知の場合は例えば最小電
圧値、パターンピッチ等のある単一の情報からは寸法の
決定が不可能であるため、最小電圧値、パターンピッチ
、積算電圧値の３種類の情報のうちの少なくとも２種類
以上の情報を用いる必要がある。

また、被測定物２００００表面反射率知の場合でも、被
測定物にゴミ等の異物が付着しているようなとき、ゴミ
によって乱反射されても前述したようなＶ字型の反射光
パターンを示すため、寸法部２１とゴミとの区別をつけ
るために同じく少なくとも２種類の情報を用いて区別す
る必要がある。

尚、この反射光強度パターンは光偏向を行なわせるとき
の光偏向のステップ量あるいは光電変換を行なうＡ　／
　Ｄ変換の変換速度によってパターン精度が決まるため
、要求される寸法精度に応じた光偏向あるいは反射光強
度の検出を行なう必要がある。

第５図に第４図で述べた最小電圧値、パターンピッチ、
積算電圧値と寸法、表面反射率の関係の計算例を示す。

第５図（イ）のグラフは前述した規格イヒされた寸法ｇ
をパラメータとして、規格化された寸法部２１０表面反
射率ｒと最小電圧値の関係を示す図である。寸法ｇに対
して表面反射率ｒと最小電圧値ｍｐは直線的に変化し、
その直線の傾きは寸法ｇによって変化する。直線５１１
はｇ　＝　０．１、直線５１２はｇ＝Ｑ、３、直線５１
６はｇ　＝　０．５、直線５１４はｇ　＝　０．７、直
線５１５はｇ　＝　０．９の場合である。

以上の図に示した最小電圧値ｍｐは基準強度４００を１
００％に規格化したときの値である。

又、以上に示したデータが基準変化最大電圧値のデータ
になる。

第５図（ロ）のグラフは規格化された寸法ｇをパラメー
タとして、規格化された寸法部２１の表面反射ｏｒとパ
ターンピッチｐｐの関係を示す図である。本例のパター
ンピッチは反射光強度パターンのスライスレベルを８０
％とし、ｇ−０，５，ｒ＝０、５の状態のパターンピッ
チの値を１００％に規格ｆヒして示している。

曲−線５２１はｇ　＝　０．９、曲線５２２はｇ　＝　
０．７、曲線５２６はｇ　＝　０．５、曲線５２４はｇ
　＝　０．３の場合である。パターンピッチの値は反射
率ｒに対して非線形に変化し、反射率が大きくなるに従
って急激に低下する。

また、寸法ｇが小さくなると最小電圧値がスライスレベ
ルの値を超えてしまうため、そのような場合はスライス
レベルの設定は高い値に設定する必要がある。

従って複数のスライスレベルを設定しておき、各スライ
スレベルに対するパターンピッチの存在の有無、パター
ンピッチの大きさに応じて最適のスライスレベルを選択
すればよい。ここで示した第５図（ロ）のデータが基準
パターンピッチのデータになる。

第５図（ハ）のグラフは規格化された寸法ｇをパラメー
タとして、規格化された寸法部２１の表面反射率ｒと積
算電圧値の関係を示す図である。

ここで、積算電圧値ＳＰは基準電圧値４００をベースラ
インとして、ベースラインと反射光強度パターンの各々
の強度との差の電圧値の総和である。寸法ｇに対して表
面反射率ｒと積算強度ＳＰは直線的に変化し、その直線
の傾きは寸法ｇによって変イヒする。

本例の場合もｇ　＝　０．５、ｒ　＝　０．５の場合の
積算電圧値の大きさを１００％と規格化したものである
。直線５６１はｇ二０．９、直線５６２はｇ−０７、直
線５６６はｇ＝ｏ、５、直線５６４はｇ＝０．３、直線
５６５はｇ　＝　ｏ、　ｉの場合である。

積算強度ＳＰの場合は寸法ｇが小さく、表面反射率ｒが
大きいほど小さい値を示す。ここで説明したデータが基
準積算電圧値のデータとなる。

以上の第５図（イ）、（ロ）、（ハ）に示した如く寸法
ｇと表面反射率ｒは最小電圧値、パターンピッチ、積算
電圧値のいずれの場合でも固有の関係にあるから、もし
被測定物２０の表面状態が正常で、かつ反射光強度パタ
ーンが理想的で表面反射率ｒが既知の場合には最小電圧
値、パターンピッチ、積算電圧値のいずれか１つの情報
だけで寸法ｇが決定される。

しかし、測定中の外部振動、Ａ　／　Ｄ変換を行なうと
きの量子化誤差、レーザ光の強度の微小な変動、レーザ
光を集光するとき及び光偏向を行なうときのレンズの球
面収差などの影響により反射光強度パターンが変調され
る場合があり、そのような場合は最小電圧値、パターン
ピッチ、積算電圧値の値も変調されるため、いずれか１
つの量から寸法を決定することは測定精度が低下するこ
とになる。

さらに被測定物２０にゴミ等の異物が付着していたり、
表面にキズ等が存在している場合にも反射光強度パター
ンが変調され、寸法部２１と異物の区別が困難で前述の
ような測定精度の低下が起こる。この様な場合、第５図
（イ）、（ロ）、（ハ）に示した如きの表面反射率ｒと
寸法ｇに対する規格化された基準データを基準データ設
定部１１５に設定しておき、測定された反射光強度パタ
ーンに対して得られた最小電圧値とパターンピッチと積
算電圧値の間で少なくとも２種類以上の蛍の間で比較を
行なう。この測定された量は規格化されていない（２９
へへ ため、初期化モードで得られた基準反射光強度設定部１
４からの強度情報に基づいて測定量の規格化を行ない、
同じ規格化された量の間で比較を行なう。

更には基準データ設定部１１５０基単データを基準反射
光強度設定部１４からの強度情報に基づいて測定量に再
度換算した量で比較を行なってもよい。

この様に同じレベルの量の間で比較を行なうとき、例え
ば最小電圧値から決定された寸法と積算電圧値から決定
された寸法とが同じ値になればその寸法は正しい値とみ
なすことができるが、前述の両者での寸法が異なる場合
は前述したような外乱による測定の乱れがあることにな
り、再測定が必要との判断がなされたり、あるいはゴミ
、キズ等による表面状態の乱れがあると判断される。

このようにして謂ゆる多数決によって測定の信頼性を向
上させることが可能となる。

以上述べた例は被測定物２００基材部２２に対する寸法
部２１０表面反射率ｒが既知の場合の例であった。この
表面反射率ｒの決定は被測定物２０を構成する材質と同
一の材質の標準サンプルを準備しておき、寸法部の材質
、基材部の材質について各々の反射光強度を測定してお
いて、両者の強度比から容易に規格化された表面反射率
ｒを決定することができる。

また、寸法ｇは集光ビーム１１６のビーム直径を１に規
格化した場合の寸法であるから、実際の集光ビーム１１
３のビーム直径りが求められれば、実際の寸法ＧはＧ＝
ｇＤにより求められる。

また、ビーム直径りが未知の場合は電子顕微鏡等の他の
手段により測定された寸法Ｇが既知の試料でｇの値を求
め、Ｄ＝Ｇ／ｇによりビーム直径りを求めればよい。

次に表面反射率ｒ及び寸法ｇの両方が未知の被測定物２
００寸法測定の実施例について述べる。

第５図に示したグラフから明らかな如く、グラフの横軸
の座標が未知の場合はグラフの縦軸の座標が決まってい
ても、その交点の座標の値、即ち寸法を求めることはで
きない。

このような場合は前述した最小電圧値、パターンピッチ
、積算電圧値のいずれか２つの量をｘｙ平面のグラフの
ｙ軸とｙ軸に取り、そのｘｙ座標の交点に寸法ｇ及び表
面反射率ｒを同時に対応させればよい。

第６図に最小電圧値とパターンピッチの表面反射率ｒ及
び寸法ｇの依存性の計算の一例を示す。

グラフの横軸（ｙ軸）は最小電圧値、縦軸（ｙ軸）はパ
ターンピッチである。

本例の場合も第５図の場合と同じ（最小電圧値は基準強
度を１００％、パターンピッチはスライスレベルを８０
％の強度レベルとしてｇ　＝　０．５、ｒ二０５の場合
を１００％としている。

６１０点はｇ　＝　０．９、ｒ　＝　０．２の場合、６
２０点はｇ　＝　０．９、ｒ　＝　０．３．６６０点は
ｇ　＝　０．９、ｒ　＝　０．４．６４０点はｇ　＝　
０．８、ｒ　＝　０．２の場合に相当し、線６５は表面
反射率ｒが変化している等寸法線（ｇ＝’０．９）であ
る。

このようにしてｘｙ平面内の各点に寸法ｇ１表面反射率
ｒが一義的に定められ、ｒ、ｇに関して等高純が得られ
る。

第６図に示した規格化された基準となるデータを基準デ
ータ設定部１１５に設定しておき、測定して得られた最
小電圧値及びパターンピッチを規格化して、前述の基準
データと比較して寸法ｇを決定する。これは以下に述べ
る実施例の場合でも同様である。

第７図に最小電圧値と積算電圧値の表面反射率ｒ、寸法
ｇの依存性の計算例を示す。

グラフの横軸（ｙ軸）は最小電圧値、縦軸（ｙ軸）は積
算電圧値である。積算電圧値は基準強度４００と各々の
反射光強度の差の電圧の総和で、ｒ＝０．５、ｇ　＝　
０．５の場合を１００％の値に規格化している。７１０
点はｇ　＝　０．９、ｒ　＝　０．２．７２０点はｇ　
＝　０．９、ｒ　＝　０．３．７６の点はｇ　＝　０．
９、ｒ　＝　Ｏ１４，７４の点はｇ　＝　ｏ、　ｓ、ｒ
　＝　０．２に対応する。

本例の場合も第６図の場合と同じ＜ｘｙ平面内の各点に
寸法ｇ１表面反射率ｒが一義的に定められ、測定値から
得られた（ｘ、ｙ）の値を第７図のデータを照合するこ
とにより寸法ｇを算出する。

第６図と第７図に示した例は寸法ｇが比較的太きく　（
ｇ＞０．４）、表面反射率ｒが比較的小さい（ｒ＜０．
６）場合は、各々のｇｒの点の間の分離が大きく、寸法
決定の精度が良いが、寸法ｇが小さくなると前記の分離
が明確でなくなり測定精度が低下する。

第８図に最小電圧値と積算電圧値の関係の第２の計算例
を示す。グラフの横軸は最小電圧値で、縦軸は第４図に
示した如きの反射光強度パターンの各々の反射光強度の
総和で表わした積算電圧値で、ｒ　＝　０．５、ｇ　＝
　０．５の場合を１００％の値に規格化していて、第７
図で示した積算電圧値とは逆の領域での値である。

点８１はｇ　＝　０．９、ｒ　＝　０．２、点８２はｇ
＝０８、ｒ二〇、２、線８６はｒが変化した時のｇ＝０
９の等寸法線である。

第８図のグラフから明らかなように寸法ｇが小さく、表
面反射率ｒが大きい場合でも各々のｇｒＯ点の分離が明
確となり測定精度が向上する。

第５図から第８図までに示した例において、表面反射率
ｒ及び寸法ｇは各＃０．１の変化の大きさで計算した。

例えば０．６４Ｃμｍ）の如きの数値で寸法ｇを決定す
る場合を第８図の例で示す。測定値から×印で示す点８
００の座標が得られた場合は、その点８００を囲む４つ
の格子点８０１．８０２．８０６．８０４の各座標値を
選び、その座標値から格子点で囲まれる四角形の内部を
等寸法線８０５．８０６に沿って例えば１０分割に補間
して分割し、点８００に対応する寸法ｇを求め、前述し
た如きの実際の寸法Ｇを、Ｇ＝Ｄｇの関係式により求め
る。

次に反射光強度パターンの平滑化について説明する。一
般に測定された反射光強度パターンは微小な不規則性の
ノイズ成分を含んでおり、寸法測定の精度を高めるため
にノイズ成分を除去する必要がある。

一般には信号成分が雑音成分に比べてかなり滑らかで、
雑音成分の平均値が一定値となるような不規則雑音の除
去には平滑化（スムージング）が有効である。この平滑
化には移動平均法がよ（用いられる。ここで移動平均法
は更に単純移動平均法及び多項式適合法等に大別される
が、両者のちがいは主として移動平均重み関数の形のち
がいであって観測波形の形状、観測波形にふくまれてい
る信号成分と雑音成分の大きさの割合によってどの様な
重み関数を選べばよいかを決めればよい。

第９図（イ）において９１は不規則雑音を含む観測波形
Ｘ（ｉ）である。第９図（ロ）において９２は重み関数
ｗ（ｊ）である。

今、観測波形ｘ（ｉ）はｉ＝１．２、・・・・・・Ｐの
Ｐ個のデータから成り、重み関数ｗ（ｇ）はｊ＝−ｑ、
・・・・・・−１，０，１１・・・・・・ｑのＭ＝２ｑ
＋１個の点から成る。点ｉでの平滑値ｙ（ｉ）はことか
できる。ここで、ｉ＝ｑ＋１、ｑ＋２、・・・ｐ−ｑで
ある。

ｗ＝、勇　ｗ（ｊ）であり、平滑結果ｙ（ｉ）はＪ＝−
ｑ 観測波形ｘ（ｉ）と重み関数ｗ（ｊ）とのコンボリュー
ションとして表わせる。第９図（ロ）では三角形の重み
関数の例を示した。

本発明による反射光強度パターンの平滑化は、信号成分
が雑音に比べて比較的滑らかであるので、重み関数とし
ては最も単純な矩形関数を用いることができ、単純移動
平均法で処理することができる。重み関数はｗ（ｊ）＝
１となり、矩形の幅がＭ＝２ｑ＋１のとき、平滑値Ｙ（
ｉ）はｉ＝ｑ＋１、ｑ＋２、・・・・・・ｐ−ｑと表わ
すことができる。

以上述べた演算を行なうことにより第９図（ハ）の９６
に示した平滑化波形が得られる。なお、単純移動平均法
の場合は加算回路とシフトレジスター回路の組み合せで
ハード的な構成で平滑処理を行なうことができる。

〔発明の効果〕

以上に述べた説明で明らかな如く、集光性が良くて安定
した光強度分布を有するレーザ光を用いて、被測定物の
表面反射率が変化しても測定値の１％程度の変化の検出
で０．１ミクロンメートルまでの寸法を０．０１ミクロ
ンメートルの精度で微小寸法を高精度に検出することが
可能である。

【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ブロック
図、第２図は従来の寸法測定方法を説明する説明図、第
３図はレーザ光の光強度分布及びレーザ光の光走査を説
明する説明図、第４図は寸法及び表面反射率が変化した
ときの反射光強度パターンの変化を示すグラフ、第５図
は寸法をパラメータとしたとぎの最小電圧値、パターン
ピッチ、積算電圧値の各々の値と表面反射率の関係を説
明する計算結果のグラフ、第６図は最小電圧値をＸ軸パ
ターンピッチをｙ軸としたときの寸法と表面反射率の関
係を説明する計算結果のグラフ、第７図は最小電圧値を
ｙ軸、積算電圧値をｙ軸とじたとぎの表面反射率と寸法
の関係を説明する第１の計算結果のグラフ、第８図は第
７図と同じく第２の計算結果を説明するグラフ、第９図
は測定された波形の平滑化の方法を説明する説明図であ
る。 １０・・・・・・レーザ光源、１２・・・・・・走査コ
ントローラ、１６・・・・・・光電変換部、１４・・・
・・・基準反射光強度設定部、１５・・・・・・反射光
強度パターン検出部、１６・・・・・・平滑化処理部、
１７・・・・・・変化最大電圧値検出部、１８・・・・
・・パターンピッチ検出部、１９・・・・・・積算電圧
値検出部、２０・・・・・・被測定物、２１・・・・・
・寸法部、２２・・・・・・基材部、１１５・・・・・
・基準データ設定部、１１６・・・・・・寸法変換部。 第　１　図 第２図 メ５イｈＩ′１１１１ヒ。 （υ） 反　　　　　　　　　　　−Ｔ汰−足 射１００　　　　　　　　　　　　　Ｃｌ−０，７た　
　　　　　４５ 独９０ ＆　　　　　　　　　　４０１ 比 （。７゜）８０ ″−仏一・）■１ヤｉ 第９図 （ロ） 測定先

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ光源から放射されるレーザ光を所定のビーム形状
   に集光して寸法が測定される被測定物上に照射せしめ、
   前記集光されたレーザ光を前記被測定物面上を走査させ
   て各走査状部毎に前記被測定物から反射される反射光強
   度を検出して、該反射光強度を光電変換して電圧値とし
   ての反射光強度パターンを検出せしめて該反射光強度パ
   ターンの平滑化処理を行なわせ、該反射光強度パターン
   の基準強度からの変化が最大となる変化最大電圧値と、
   前記反射光強度パターンの予め設定されたスライスレベ
   ルでのパターンピッチの値と、前記反射光強度パターン
   の予め定められた領域の各反射光強度の総和の積算電圧
   値を検出せしめ、前記の検出された変化最大電圧値とパ
   ターンピッチと積算電圧値と、予め設定されている前記
   の被測定物の寸法が測定される部分の表面反射率と寸法
   によって定まる基準変化最大電圧値と基準パターンピッ
   チと基準積算電圧値との間で少なくとも２つ以上の量の
   値の比較を行なわせしめて、前記の被測定物の寸法を測
   定することを特徴とする微小寸法測定方法。