JPH04232802A - 微小寸法の測定方法 - Google Patents

微小寸法の測定方法

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JPH04232802A
JPH04232802A JP41533890A JP41533890A JPH04232802A JP H04232802 A JPH04232802 A JP H04232802A JP 41533890 A JP41533890 A JP 41533890A JP 41533890 A JP41533890 A JP 41533890A JP H04232802 A JPH04232802 A JP H04232802A
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JP41533890A
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Hiroo Fujita
宏夫 藤田
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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−ザ光を用いて1ミク
ロンメ−トル以下の微小寸法を測定する寸法測定方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】近年の精密加工技術の進歩により、1ミ
クロンメ−トル以下のサブミクロン領域の微細加工が行
われるようになり、被加工物の精密な寸法、形状等の測
定のニ−ズが高まってきている。このようなサブミクロ
ン領域の微小寸法の測定には、非接触計測が可能な光学
的な測定が多く用いられている。
【0003】光学的な寸法測定で最も多く用いられるの
は半値幅検出法と呼ばれる方法で、白色光源で被測定物
を照明してイメ−ジセンサ−で反射光を検出し、反射光
強度が50%となるときのパタ−ン幅(半値幅)を検出
する方法である。図2に従来の半値幅検出法を示す。図
2(イ)は寸法が測定される被測定物12の形状を示す
もので、21は寸法が測定される寸法部で、エッジ20
0、210があり、そのエッジ間の寸法がGである。2
2は基材部で、寸法部21の両側に存在する。ここで、
被測定物12が磁気ヘッドの場合、寸法部21がガラス
で構成されるギャップ、基材部22がフェライトで構成
されるトラックである。以上の構成の被測定物において
、寸法部21と基材部22とは反射率が異なり、寸法部
21の反射率をRm、基材部22の反射率をRsとする
。以下の説明では、Rm〈Rsと仮定する。また、寸法
部21と基材部22の表面は実質的に段差がなく、照明
光の焦点深度内にあるものと仮定する。
【0004】図2(ロ)の波形23は、白色光源で照明
された被測定物12からの反射光をイメ−ジセンサ−で
検出したときのビデオ信号で、V形状のパタ−ンとなる
。グラフの横軸はイメ−ジセンサ−の画素のアドレス、
縦軸は反射光強度である。線24は波形23を2値化す
るためのスライスレベルである。スライスレベルは一般
には50%の強度値(最大強度と最小強度の中間の強度
)が利用されている。図2(ハ)の波形25はビデオ信
号波形23が2値化されたときの2値化波形である。線
24の強度レベルよりも高い強度は2値化されたときに
1のレベル、逆に低い強度は0のレベルとなる。 2値化波形25の立ち下がり部26と立ち上がり部27
の画素アドレスを検出し、その間に含まれている画素数
を算出する。この画素数が半値幅と呼ばれるもので、半
値幅を寸法に変換している。
【0005】また、微小なスポット径に集光したレ−ザ
光の光偏向を用いた寸法測定方法も本願発明者により提
案されていて、特願昭62−51617号公報に詳細に
述べられている。これは、微小なスポット径に集光した
レ−ザ光を被測定物12に照射し、音響光学偏向素子で
レ−ザ光を被測定物12の面上で偏向させ、偏向の一周
期における反射光強度パタ−ンを検出し、反射光強度パ
タ−ンの最小強度レベルから寸法を測定するものである
【0006】図3にレ−ザ光の光偏向による従来の寸法
測定方法を示す。図3(イ)の波形31は、前述の被測
定物12の面上でレ−ザ光を偏向させたときに検出され
る反射光強度パタ−ンで、V型のパタ−ンとなる。反射
光強度パタ−ンは、被測定物面上の偏向位置とその点に
おける反射光強度の関係を表すもので、グラフの横軸は
レ−ザ光の偏向位置、縦軸は反射光強度で、反射光強度
33は最大強度Vm、反射光強度32は最小強度Vnで
ある。このとき、最小強度Vnと最大強度Vmの比の値
であるVn/Vmを算出する。寸法が小さい場合は最小
強度Vnと最大強度Vmの差が少なく、寸法が大きい場
合は逆に差が大きくなる。図3(ロ)は寸法Gと反射光
強度比Vn/Vmとの関係を示すグラフで、横軸は寸法
、縦軸は強度比である。図示のごとく、特定の寸法範囲
では両者は比例関係にあり、強度比Vn/Vmから寸法
を測定することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来の半値幅検出方法
では、被測定物の寸法が小さくなるとビデオ信号23の
立ち下がり及び立ち上がり部分の強度変化がブロ−ドに
なる。50%強度のスライスレベルを設定して2値化を
行う場合、スライスレベルのわずかの変動でも2値化画
素数が大きく変動するため、寸法測定の信頼性が低下す
る。更には、寸法が小さくなると、寸法の変化に対する
半値幅の変化が小さくなり、測定の感度が低下するとい
う問題点もある。また、レ−ザ光の光偏向による方法で
は、被測定物の反射率が変動した場合に正確な寸法測定
が出来なくなる。これは、特に寸法部21の反射率が変
化したときに最小強度Vnが変化するためである。本発
明の目的は上記の問題点を解決し、サブミクロンのオ−
ダの寸法を被測定物の反射率の変動に影響されることな
く、正確に測定する方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は以下に示す方法から成る。微小なスポット径
に集光したレ−ザ光を、エッジを有し、そのエッジ間の
寸法が測定される被測定物面上に照射して光偏向せしめ
、前記被測定物からの反射光を検出して前記被測定物の
寸法を測定する微小寸法の測定方法において、光偏向の
一周期において検出された被測定物上の偏向位置と反射
光強度の関係を表す反射光強度パタ−ンに対して、予め
設定された強度レベルにおけるパタ−ン幅を検出し、該
パタ−ン幅から前記被測定物の概略の寸法を算出し、該
寸法に対応する前記被測定物の概略のエッジ位置におけ
る反射光強度Veを設定せしめ、該反射光強度Veを中
心とし、Ve強度よりも強度レベルの高い領域と、Ve
強度よりも強度レベルの低い領域の各々に対して強度範
囲を設定せしめ、該強度範囲内にある前記反射光強度パ
タ−ンの強度デ−タを第一と第二の直線で近似せしめ、
該第一と第二の直線の交点を演算して前記被測定物の正
確なエッジ位置を決定せしめ、該エッジ間を光偏向した
偏向量から前記被測定物の寸法を測定するものである。
【0009】
【作用】レ−ザ光の各偏向位置毎に、寸法が測定される
被測定物からの反射光強度を検出し、偏向の一周期につ
いて反射光強度パタ−ンを作成する。予め設定された強
度レベルを有するスライスレベルにより、反射光強度パ
タ−ンを2値化してパタ−ン幅を算出する。このパタ−
ン幅の情報から被測定物の寸法を算出するとき、パタ−
ン幅からの寸法への変換は変換感度が低いため、得られ
る寸法の精度はあまり高くなく概略の寸法である。この
概略寸法から被測定物の概略のエッジ位置に対応する反
射光強度Veを算出し、強度Veを基準にして正確なエ
ッジ位置を解析的に算出する。エッジ位置を検出するた
めに、レ−ザ光の強度ピ−ク位置がエッジに照射されて
いる状態を検出する。レ−ザ光はガウス型の強度分布を
有するため、その強度ピ−ク点がエッジに照射されてい
る状態の前後で反射光の強度変化率が変調される。従っ
て、反射光強度パタ−ンの強度の変化率が変調される特
徴点を検出すれば正確なエッジ位置を決定することがで
きる。このため、強度Veを中心として強度の大きい領
域と小さい領域を設定し、各々の領域にある反射光強度
デ−タを直線で近似する。この2つの直線は傾きが異な
るため交点が存在し、その交点位置がレ−ザ光の強度ピ
−ク点がエッジに照射されている状態である。このよう
にして概略のエッジ位置の情報から解析的に正確なエッ
ジ位置を決定し、エッジ間を偏向した偏向量から寸法を
計測する。
【0010】
【実施例】以下に図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図1(イ)は本発明の微小寸法測定を行うときのシ
ステムブロック図、図1(ロ)は本発明による反射光強
度パタ−ンのデ−タ処理の方法を説明するフロ−チャ−
ト図である。図4はレ−ザ光の偏向によって検出される
反射光強度パタ−ンを説明する図で、グラフの横軸は被
測定物上の偏向位置、縦軸は反射光強度である。図1と
図4により寸法測定法を説明する。図1(イ)において
10はレ−ザ光源で、例えば、He−Neレ−ザ管、ま
たは半導体レ−ザから成りレ−ザ光100を放射する。 11はレ−ザ光100の光偏向(走査)を行わせる偏向
光学系で、音響光学偏向素子(以下にAOと略記する)
105、ビ−ムスプリッタ−110、レ−ザ光を微小な
スポット径に集光する対物レンズ115、及び図示して
いないが他のレンズ、ミラ−等の光学素子から構成され
る。120は偏向制御部で、偏向制御信号125により
AO105の偏向動作を制御する。偏向制御信号125
は電圧が連続的に変化するランプ波信号で、電圧に応じ
た位置にレ−ザ光を偏向する。12は寸法が測定される
被測定物で、図2に(イ)に示したものである。微小な
スポット径に集光されて被測定物12の面上を偏向され
るレ−ザ光130は反射され、対物レンズ115を透過
し、ビ−ムスプリッタ−110で反射されて反射光13
5として受光部140で検出される。受光部140はP
INフォトダイオ−ド、電流−電圧変換部、及びA/D
変換部から成り、偏向制御電圧125に同期して各偏向
位置毎での反射光強度を検出する。13は反射光強度パ
タ−ン作成部で、メモリ−から構成され、受光部140
で検出された各偏向位置の反射光強度をメモリ−回路で
記憶し、偏向の一周期における反射光強度のデ−タを記
憶する。150はデ−タ処理部でCPUで構成され、検
出された反射光強度パタ−ンのデ−タ処理を行い、寸法
を算出する。
【0011】次に、図1(ロ)に示したデ−タ処理のフ
ロ−チャ−ト図を用いてデ−タ処理の方法を説明する。 なお、以下に述べるデ−タ処理はマイクロプロセッサ−
による数値演算である。図4の波形41が反射光強度パ
タ−ンで、図3に示した波形31と同様のものでV字形
のパタ−ンである。図1(ロ)の14はパタ−ン幅検出
で、反射光強度パタ−ンの予め設定されたスライス強度
レベルでのパタ−ン幅を検出する。図4の線42がパタ
−ン幅Phである。このとき設定するスライスレベルは
50%強度レベルである。パタ−ン幅Phは被測定物1
2の直接の寸法ではなく、寸法よりも大きな値であり、
パタ−ン幅Phを寸法変換係数を用いて寸法へ変換する
。このとき算出される寸法は正確な寸法ではなく、一般
に誤差が含まれている。それは、寸法が小さくなったと
きは、寸法の変化に対してパタ−ン幅Phの変化が小さ
くなり、変換感度が低下するためである。従ってパタ−
ン幅Phからは概略の寸法しか得られない。しかし、こ
のパタ−ン幅Phは被測定物の反射率に依存しないで、
照射されるビ−ムスポット径が一定であれば寸法に固有
の値を持つ。
【0012】15はエッジ強度設定で、パタ−ン幅Ph
から求められた概略の寸法に対応する概略のエッジ位置
における反射光強度レベルを設定する。図4の線43は
概略の寸法に対応するパタ−ン幅Peで、そのときの反
射光強度レベルVeを算出する。偏向光学系11により
単位の偏向制御電圧当りの偏向量が決っているため、概
略の寸法値から前述のパタ−ン幅Peは容易に決定する
ことができる。44は一方(左側)のエッジに対応する
強度、45は他方(右側)のエッジに対応する強度で、
一般に2つの強度は等しい。この強度Veを基準にして
正確なエッジを決定し、正確な寸法を測定する。16は
強度範囲設定で、正確なエッジを決定するための各種の
計算を行うための計算範囲を設定する。図4の範囲46
は左側のエッジ位置を決定するためのVe強度よりも強
度の高い領域、範囲47は同じく強度の低い領域である
。範囲48は右側のエッジ位置を決定するためのVe強
度よりも強度の高い領域、範囲49は同じく強度の低い
領域で、以上の4つの領域を設定する。なお、反射光強
度パタ−ンが最小強度位置に関して左右対称であれば、
いずれか一方の側について強度範囲を設定しても良い。
【0013】図1(ロ)の17は直線化演算で、強度範
囲設定16で設定された前述の強度範囲46、47、4
8、49にある反射光強度パタ−ンの強度デ−タを直線
近似する。このとき、直線化には最小自乗法を用いる。 反射光強度Veよりも高い強度範囲における直線を第一
の直線と呼び、反射光強度Veよりも低い強度範囲にお
ける直線を第二の直線と呼ぶ。反射光強度パタ−ンのV
e強度付近の特定の強度範囲では、強度変化は十分に直
線と見なすことができる。このとき一方のエッジ(左側
)、他方(右側)のエッジについて二本ずつの直線が設
定できる。18は交点算出で、直線化演算17で決定さ
れた第一の直線と第二の直線の交点を決定する。第一の
直線の傾きは第二の直線の傾きよりも大きいため、二つ
の直線には交点が存在する。この交点位置は被測定物1
2の正確なエッジ位置になる。このエッジ位置はレ−ザ
光の偏向制御信号125の電圧値で与えられる。19は
寸法算出で、交点算出18で決定された二つのエッジ位
置に対応するレ−ザ光の偏向制御電圧の差の電圧を寸法
変換係数を用いて実際の寸法に変換する。
【0014】次に、本発明による反射光強度パタ−ンの
具体的な演算の方法を説明する。図5(イ)に被測定物
12の面上でのレ−ザ光の偏向の状態を示し、図5(ロ
)に反射光強度パタ−ンの各偏向位置における強度の関
係を示し、図5(ハ)に50%強度レベルにおけるパタ
−ン幅と寸法との関係を示す。図5(イ)において、被
測定物は図2に示した磁気ヘッドで、50は磁性体から
成るトラック部、51はガラスから成るギャップで、エ
ッジ53、54を有し、エッジ間寸法を測定する。52
は照射するレ−ザ光で、その強度分布はガウス型で、ピ
−ク強度520を中心として対称な分布を持つ。ここで
、レ−ザ光52をA点からB点まで偏向する。レ−ザ光
52のビ−ムスポットの直径をピ−ク強度値の13.5
%の強度点で定義すると、〜1.5μmであるが、ギャ
ップ寸法Gが〜0.5μmであるため、ギャップ51に
レ−ザ光52が照射されているとき、その一部のみが照
射されることになる。
【0015】S1状態はレ−ザ光52の右端部がエッジ
53の直前に照射された状態で、反射光はトラック50
からの反射になり、反射光強度は最大である。S1状態
から偏向が進みS2状態になると、レ−ザ光52のピ−
ク強度位置がエッジ53に一致する。S3状態はレ−ザ
光52のピ−ク強度位置がギャップ51の中心部に照射
された状態、S4状態はS2状態と同じくレ−ザ光52
のピ−ク強度位置がエッジ54に照射された状態、S5
状態はS1状態と同じくレ−ザ光52の左端部がエッジ
54の直後に照射された状態である。図では偏向の代表
的な状態を示したが、実際の偏向はもっと細かいステッ
プ、例えばレ−ザ光52のビ−ム直径の1/100以下
の0.01μm程度で行う。トラック部50の反射率R
sとギャップ部51の反射率Rmは異なり、Rs>Rm
であるため偏向の一周期で検出される反射光強度パタ−
ンは図5(ロ)に示したようなV形状の波形41を有す
るパタ−ンになるが、S3状態で反射光強度が最小にな
る。S2状態及びS4状態では、その前後の偏向状態で
反射光強度の変化率が変調される。本発明による寸法測
定方法は反射光強度パタ−ンからS2状態とS4状態を
解析的に検出するもので、S2状態からS4状態への偏
向量から寸法を求める。
【0016】S2状態及びS4状態は反射光強度が特徴
的に変化する状態である。S2状態の場合は、レ−ザ光
52のピ−ク強度位置を中心として左側と右側の強度差
は最大になり、S2状態からS3状態の方向に偏向が進
と、左側の部分(トラックに照射されている部分)は強
度が大きく低下し、右側の部分(ギャップに照射されて
いる部分)は強度がわずかに増加する。従ってS2状態
を境にして、その前後では反射光強度の変化率が異なる
。S4状態ではS2状態と逆になる。この変化率はあま
り大きくなく、反射光強度パタ−ンだけから直接にエッ
ジ位置53及び54を決定できないため、本発明では予
め反射光強度パタ−ンのパタ−ン幅情報から概略のエッ
ジ位置を決定し、その位置を基準としてエッジ位置53
、54を決定する。
【0017】図5(ハ)に反射光強度パタ−ン波形41
の50%強度レベルにおけるパタ−ン幅Phと寸法Gの
関係例を示す。グラフの横軸は寸法、縦軸はパタ−ン幅
で、偏向を制御する電圧で示している。図から明かなご
とく、寸法が小さくなるとパタ−ン幅Phの変化が小さ
くなる。寸法が0.5μm程度では、パタ−ン幅Phは
寸法の変化の30%しか変化しないため、正確な寸法を
直接に算出することが困難になってくる。このとき、図
5(ハ)に示した関係の変換係数を予め求めておき、パ
タ−ン幅Phから概略の寸法Gnを算出する。次に、概
略寸法Gnに対応するパタ−ン幅を求めて概略エッジ位
置を算出する。このときのパタ−ン幅を図5(ロ)の5
7に示す。このようにして概略のエッジ位置58及び5
9が決定できる。このときの概略エッジ位置における反
射光強度がVeである。
【0018】次に概略エッジ位置の情報から正確なエッ
ジ位置を決定する方法について説明する。図6(イ)に
寸法Gとエッジ位置53、54における反射光強度の関
係を示し、図6(ロ)に直線近似法によるエッジ位置の
算出を示す。図6(イ)において、グラフの横軸は寸法
G、縦軸はエッジ位置での反射光強度Vtで、反射光強
度パタ−ンの最大強度を1、最小強度を0に規格化した
ときの規格化強度で示している。図から明かなごとく、
反射光強度Vtは寸法Gに比例して変化し、例えば0.
5μmの寸法では約15%のVt強度となる。但し、同
一寸法でもVt強度は照射するレ−ザ光のビ−ム径によ
って異なる。以上に示した正確なエッジ位置に対応する
強度Vtに対して、測定で得られた概略のエッジ位置に
対応する強度Veは一般に異なる。前述したごとく、強
度Veは誤差を含むために真の強度Vtに対して数%程
度のバラツキがある。このバラツキを吸収して正確なエ
ッジ位置を決定するために反射光強度デ−タを以下に示
す直線化近似の処理を行う。
【0019】図6(ロ)においては左側エッジについて
の解析法を示す。右側エッジについても同様である。範
囲46及び47については図4で説明したが、Ve強度
よりも高い強度範囲46と低い強度範囲47を設定する
。Vt強度が15%であるとき、Ve強度として13%
が得られたとする。このとき、範囲46は16%から3
0%までの強度範囲に設定し、範囲47は10%から5
%までの範囲に設定しておく。但し前述の強度範囲は寸
法によって異なる。以上の各々の強度範囲では反射光強
度はほぼ直線的に変化しているため、範囲46について
は線62に示した第一の直線を、範囲47については線
64に示した第二の直線を決定する。このときの直線化
演算は最小自乗法を用いる。第一の直線64のほうが第
二の直線64よりも傾きが大きく、点66において二つ
の直線が交わる。この交点はS2状態で反射光強度の変
化の特徴点であり、正確なエッジ位置に対応する。右側
のエッジについても同様な方法で交点68を算出し、交
点66と交点68の間を偏向させたときの偏向制御電圧
から寸法Gを算出する。
【0020】以上の説明において、正確なエッジ位置を
検出するためにはレ−ザ光を微小なステップ距離で偏向
することが必要である。そのために安定な偏向が可能な
AO105を用いる。本発明による寸法測定を行うため
に、1.5μmの直径に集光したレ−ザ光を0.01μ
mのステップで偏向させる。このときに用いる偏向光学
系は、従来の技術の項に述べた本願発明者による特許出
願公報に詳述されているため本願では省略する。また、
上記説明では反射光強度を直線で近似する例を述べたが
、2次、3次、4次等の多項式で近似を行い、その多項
式の交点を算出しても良い。
【0021】
【発明の効果】上記のごとく本発明によれば、寸法変換
感度の余り良くない半値幅情報による概略の寸法値を基
にして、反射光強度を解析して正確なエッジを検出する
ことが可能であり、特別なハ−ドウエア−を用いること
なく、簡素なソフトウエア−で被測定物の反射率の変動
に影響されないで、0.01μm精度での正確なサブミ
クロン寸法計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の寸法測定方法を説明するブロック図で
、図1(イ)は全体の構成を示し、図1(ロ)は寸法測
定のデ−タ処理のフロ−チャ−トを示す図である。
【図2】半値幅検出法による従来技術を説明する図であ
る。
【図3】レ−ザ光の偏向による反射光強度パタ−ンの強
度から寸法を算出する従来技術を説明する図である。
【図4】本発明による反射光強度パタ−ンの処理方法を
説明する図である。
【図5】本発明によるレ−ザ光の光偏向と反射光強度パ
タ−ンの関係を説明する図で、図5(イ)はレ−ザ光の
偏向の状態図、図5(ロ)は反射光強度パタ−ンの半値
幅と概略のエッジの関係を説明する図、図5(ハ)は寸
法と半値幅の関係を説明する図である。
【図6】本発明によるエッジ位置を決定する方法を説明
する図で、図6(イ)は寸法とエッジ位置における反射
光強度の関係を説明する図、図6(ロ)は直線近似によ
るエッジ位置を決定する方法を説明する図である。
【符号の説明】
10  レ−ザ光源 13  反射光強度パタ−ン作成部 14  パタ−ン幅検出 15  エッジ強度設定 16  強度範囲設定 17  直線化演算 18  交点算出 19  寸法算出 41  反射光強度パタ−ン 62  第一の直線 64  第二の直線

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  微小なスポット径に集光したレ−ザ光
    を、エッジを有し、そのエッジ間の寸法が測定される被
    測定物面上に照射して光偏向せしめ、前記被測定物から
    の反射光を検出して前記被測定物の寸法を測定する微小
    寸法の測定方法において、光偏向の一周期において検出
    された被測定物上の偏向位置と反射光強度の関係を表す
    反射光強度パタ−ンに対して、予め設定された強度レベ
    ルにおけるパタ−ン幅を検出し、該パタ−ン幅から前記
    被測定物の概略の寸法を算出し、該寸法に対応する前記
    被測定物の概略のエッジ位置における反射光強度Veを
    設定せしめ、該反射光強度Veを中心とし、Ve強度よ
    りも強度レベルの高い領域と、Ve強度よりも強度レベ
    ルの低い領域の各々に対し強度範囲を設定せしめ、該強
    度範囲内にある前記反射光強度パタ−ンの強度デ−タを
    第一と第二の直線で近似せしめ、該第一と第二の直線の
    交点を演算して前記被測定物の正確なエッジ位置を決定
    せしめ、該エッジ間を光偏向した偏向量から前記被測定
    物の寸法を測定することを特徴とする微小寸法の測定方
    法。
JP41533890A 1990-12-28 1990-12-28 微小寸法の測定方法 Pending JPH04232802A (ja)

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