JPS62278404A - 微小線の線幅測定方法 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、固体表面に形成された数μｍオーダの微小線
幅の測定方法に関する。

（従来の技術） 数μｍオーダの微小線幅を測定するための手段として、
従来、光学顕微鏡を用いるのが一般的である。しかし近
年、技術の進歩に伴い半導体回路の線幅や、磁気ヘッド
のギヤツブ長等ナブミクロン領域の微小線幅の高精度な
測定手段が必要とされるようになってきた。

そこで現在の測定手段としては分解能の点から電子顕微
鏡、特に走査型電子顕＠鏡（以下ＳＥＭという）が主流
となりつつある。

ＳＥＭＦｊｌ、特に反ＯＡ電子像は主に固体表面の凹凸
情報と原子番号の情報と呼ばれる組成情報との２つの混
合した情報が反射電子の強度差として検出されたもので
ある。

したがって微小線部位がバルクの部位に比し凹凸がある
場合は、比較的高粘度な測定が可能となるが、磁気ヘッ
ドのギャップ長測定の場合のように、被測定表面に凹凸
のない非常に滑らかな表面を観察する場合には正確な判
読が難しい場合がある。これは滑らかな表面から得られ
る検出信号には原子番号による組成情報が主体となり、
微小線幅部分を構成する材料とバルク部分を構成する材
料との組合せによってはこれらの組成情報のみでは、輝
度の差や境界付近の像が不鮮明となって精度を劣化させ
るためである。

第９図は微小線幅ギャップを有する磁気ヘッドの表面部
分の状態を示した図である。このような磁気ヘッドのギ
ャップ長を測定する場合を考えると、フェライト等゛の
磁性体から成るコア１ａ。

１ｂとその間に磁性的ギャップ２を形成するために非磁
性酸化ＷＡＡＩＯまたはＳ　ｉ　Ｏ２またはＺｒＯ２等
の材料がサブミクロン幅で充填配置された構造となって
おり、コアと非磁性酸化膜の表面はほぼ同一平面をなし
ている。ギャップ長はこの非磁性酸化物層の線幅を測定
することにより求められる。

この場合、原子番号の情報とよばれる組成情報について
は材料がいずれも化合物であるため、それぞれの材料の
平均の原子番号で考察する必要があり、フェライト成分
をＦｅ２ｏ３、Ｍｎ０１ＺｎＯとすればフェライトのお
よその原子番号は１５．８と計算される。

一方非磁性酸化物はＡ　Ｉ　２０３の場合１０．０、Ｓ
　Ｉ　０２の場合１０．０、またＺｒＯ２の場合１８．
７と計算される。フエライ！・とＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２
との原子番号差は１凱８−１０．０＝５，８となりフェ
ライトとＺｒＯ２との原子番号の差１８．７−１５．８
＝２．９よりも大きい。

したがって、単純に考えれば原子番号情報の差が大きい
方が得られる像の輝度差も大きくなると考えられる。そ
こで８２Ｍ像からギャップ長を測定する場合には、ギャ
ップ材料としてはＡ１０　　Ｓｉ○　の方がＺｒＯ２よ
りもより２　３ゝ　　　　　　２ 明瞭な像のコントラストを得ることが可能となり、測定
精度も向上すると考えられる。しかしギャップを形成す
る材料は種々の条件から決定されるため、ＺｒＯ２ある
いはフェライトに近い平均原子番号を持つ材料が使用さ
れる場合もありうる。

そのような場合にはコア１ａ、コア１ｂとギャップ２と
の輝度差（すなわち反射電子の強度差）はごくわずかと
なるかあるいは判別不可能となる。

第１０図は従来の測定方法による８２Ｍ像の概念図を示
したもので、得られる反射電子像はコア１ａとギャップ
２との間およびコア１ｂとギャッ　−ブ２との間にそれ
ぞれ境界部位３．４を有しておりこの境界部位３．４は
高倍率にした場合に不明瞭となる程度の線幅を有してお
り、このためギャップ長の高精度な測定を困難としてい
る。

また入射電子線のビーム径を数１００人程度に絞ったと
しても、入射電子線の拡散領域を測定対象の線幅（サブ
ミクロン）以下に押えることは技術的にも難しく、Ｌ、
、　ｔ＝がって信号源である反ｒＪＪ電子の発生領域が
測定対象の線幅以上に広がった場合には、観測している
情報はコア１ａ１ギヤツプ２およびコア１ｂの３領域か
らの信号の混合されたものとなる。すなわち組成情報（
原子番号の情報）としての明確な差が得られにくくなり
、像のコントラストが不明瞭となり結果として測定精度
が低下する。

（発明が解決しようとする問題点） 上述したように従来のＳＥＭによる微小線幅測定方法、
特に反射電子像を用いた磁気ヘッドのギャップ長測定等
のサブミクロンオーダの微小線幅測定方法においては、
平均原子番号の近接した材料の場合には明瞭なコントラ
ストが得られにくいことと、反射電子発生領域を測定対
象の線幅以下に押えることが難しいことの２点から、高
精度な副定か難しいという問題点がある。

そこで本発明はうノ′ブミクロンオーダの微小線幅測定
精度の向上が可能となる表面分析型の微小線幅測定方法
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明による微小線幅測定方法は、第１の組成材料から
なる固体の表面に第２の組成材料からなる固体により充
填され固体表面とほぼ同じ高さの表面をなす微小線が形
成されている構成における固体表面を線幅方向に電子ビ
ームにより走査してオージェ電子を発生させる第１の過
程と、各組成材料の既知のオージェ電子の分析スペクト
ラムから第１の組成材料と第２の組成材料とが十分識別
可能な少なくとも１つの元素を選択し、この元素のオー
ジェ電子分光のみを検出する第２の過程と、電子ビーム
の走査［ｉに対する選択元素のオージェ電子分光検出値
に基づいて微小線の線幅を演算する第３の過程とを具備
することにより構成される。

（作　用） 従来の測定方法のように光学的あるいは電子的なコント
ラスト像を測定の情報源とするのではなく、組成差に基
づく含有元素の組成分析情報ずなわち特定元素の検出強
度曲線を、測定のための情報源として用い微小線の線幅
を演算する。

そこで微小線を形成している固体の組成材料と微小線を
充填している固体材料とを比較して一方の固体のみに顕
著に存在する元素を選択してこの元素からのオージェ電
子分光のみを検出するようにしておけば、元素の検出強
度に顕著な差異が発生し、この差異に基づいて微小線幅
を高精度に検出することが可能となる。

（実施例） 以下本発明の実施例をＶＴＲ用磁気ヘッドのギャップ長
を測定する場合を例にとって詳細に説明する。

第３図は測定対象となる磁気ヘッドのギャップ部分周辺
の拡大図である。また第４図は本発明による測定方法を
実施するための測定□の主要システム図を示したもので
ある。

オージェ分析器１０には測定面を走査するための電子銃
系２０と測定用試料の分析室３０と分析結果を表示する
ための分析データ表示系４０とが接続される。、電子銃
系２０には電子銃を操作するための高精度走査系５０が
接続され、分析データ表示系４０にはこの分析データに
基づいて演算処理を行なうコンピュータ等を含む分析デ
ータ演算処理系６０が接続され、試料分析室３０には分
析室内を高頁空に保つための超高真空排気系７０が接続
されている。

なお試料表面を走査する場合、通常は電子銃を移動させ
るが、試料分析室側の試料台を走査するようにしても良
い。その場合には試料分析室３０に接続された高精度移
動系８０を用いる。

第５図および第６図は検出元素決定のための各元素のオ
ージェ電子標準スペクトルを示したもので公知のハンド
ブック（ｌｌａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ａｕｇｅｒ　Ｅｌ
ｅ−ｃｔｒｏｎ　５ｐｃｃｔｒｏｓｃｏｌ）Ｖ）より転
載して示したものである。第５図は原子番＠２６のＦｅ
１第１図は原子番号２５のＭｎ、第７図は原子番号３０
のＺｎ、第８図は原子番号４０のＺｒをそれぞれ示して
いる。

第１図は充分な分解能を有するビームを用いた元素分析
の結果得られる記録波形を示したものである。

なお第１図の場合にはＦｅ元素の検出強度曲線が得られ
ている。また第２図は分解能が必ずしも十分でないビー
ムを用いるオージェ電子分析線を用いて分析をおこなっ
た場合に得られる記録波形を示したもので、第１図と同
様にＦｅ元素の検出強度曲線を示している。

次に前述した図面を参照しながら、現状の技術水準では
分析の空間分解能がもつとも高いと思われるオージェ電
子分光分析を応用してＶＴＲ用磁気ヘッドのギャップ長
を測定する場合の動作原理を説明する。

フェライトコアｌａ、１ｂにはさまれたギャップ２に充
填された組成材料はＺｒＯ２であると仮定する。ここで
フエライｉ・コア１ａ、１ｂおよびギャップ２を線幅方
向に横断する走査線５を仮定する。この走査線５に沿っ
て分析源ビームを走査するものとする。したがって本実
施例の場合には、この走査線はオージェ電子発生のため
の入射電子ビームの走査線となる。測定対象はギャップ
２の線幅であり、通常サブミクロンで形成されているが
、ここでは０．４μｍであるものとし、第１図に示すよ
うな記録波形を得る際の動作について以下に説明する。

まず、通常のオージェ電子分光分析の場合と全く同様に
被測定物を第４図に示す測定機にセットする。

次に分析対象とする元素を決定する。ここでは第３図磁
気ヘッド各部位の材料組成に着目する。

コアｌａ、ｌｂはフェライト（主成分はＦ　ｅ　２０３
、ＭｎＯ，ＺｎＯとする）であり、ギャップ形成材料は
ＺｒＯ２である。ここで、Ｏ（酸素）は各材料に共通で
あるため除外し、Ｆｅ。

Ｍｎ、Ｚｎ、Ｚｒ＆：Ｍ目スル。

次に第５図ないし第８図に示すようなオージェ電子の標
準スペクトルから各元素の記録波形のピーク位置を求め
る。およそのピーク位置はＦｅの場合６５１．７０３、
Ｍｎの場合５４２．５８９、Ｚｎの場合９９４．１０１
７、Ｚｒの場合１４７．１８４５ｅＶ付近であることが
わかる。

そこでＦｅ、１ｙｊｎ、　ｚｎとＺｒの組合せのうちで
離れたピーク位置を持つ、すなわち検出の際重複しない
組合せを選択する。ここではＦｅ、Ｍｎ、ｚｎともＺｒ
とは離れたピーク位置を持っておりどの元素でも測定可
能であるが、フェライト組成はＦｅ２Ｏ３が５Ｑｍｏ　
１％以上であり、Ｆｅ元素がもつとも検出感度が高いと
思われるのでＦｅ元素に着目することにする。

次にいくつかあるＦｅ元素のピークの中で検出感度の良
好なピーク位置を選択する。ここでは７０３８Ｖを選択
し、測定機のオージェ電子分光検出器をその位置に固定
する。つまり７０３ｅＶ付近のエネルギを持つオージェ
電子のみを検出可能な状態とする。

次に通常の線分析と同様の操作をおこなう。つまり第３
図の走査線５の位置で入射電子線を左から右へ（図中Ａ
点からＢ点へ）走査する。この時、走査スピードは電気
的な方法により高精度に管理されているものとする。

第１図で横軸は距離を表わすが、第４図に示す測定機の
構成においては時間に対応して距離が移動するため測定
する線幅のオーダ（ここでは０．４μＴｒＬ）に対し、
十分な高精度が得られる程度に単位時間当りの走査距離
（走査スピード）を管理する必要がある。入射電子線を
走査しないで、被測定物を機械的に高精度に移動するた
めに第４図に示す電子銃系２０を固定して高精度移動系
８０を走査に用いることもできる。

次に入０Ａｌｆ子線を第３図Ａ点からＤ点へ向けて走査
させる場合の各点の状態について述べる。

第３図Ａ点〜Ｄ点は第１図および第２図のＡ点〜Ｄ点と
対応している。第３図でＡ点〜Ｂ点の間は材料がフェラ
イトでありＦｅ元素を十分に含んでいるため、予め固定
したオージェ電子の検出エネルギ７０３ｅＶで十分な検
出強度が得られる。

第３図の８点〜Ｃ点の間は材料がＺｒＯ２でありＦｅ元
素は検出されず、したがって７０３ｅＶのオージェ電子
の検出強度はＯとなる。第３図Ｃ点〜Ｄ点間はＡ点〜Ｂ
点間と同一材料であるため検出強度も同一となる。

結果として第１図に示すようなＦｅ元素の分析の記録波
形が得られ、第１図のＢ点〜Ｃ点間の距離を読み取るこ
とにより第３図に示す磁気ヘッドのギ１１ツブ長測定値
として０．４μｍが得られる。

なお、マイクロオージェ電子分光分析とよばれる装置を
用いた場合、入射電子線のビーム径は最小に絞って２５
０人程度々あり、またオージェ電子の脱出領域は深さ方
向では数１０人であるが、横方向ではビーム径の数倍あ
るため、フェライトとＺｒＯ２の組合せの場合の空間分
解能は最高でも５００人程人程大きい。そこでフェライ
トとＺｎＯ２の境界であるＢ点、０点のごく近傍（分解
能の５００八程度の範囲）に入射電子線が照射されてい
る時点の検出信号はフェライトとＺｒＯ２との両物質の
情報が混在したものとなってしまい、得られる記録波形
は第２図に示ずようにＢ点と０点との部分では垂直な線
にはならない。

このような記録波形の場合にフェライトとＺｒＯ２との
真の境界点は、例えば波形の積分、だれの中心点等のあ
らゆる方法を用いて第４図に示す分析データ演算処理系
６０による分析システムにより分析データの演算処理を
行なうような測定別のシステムを構成しておくことによ
り、得られた記録波形から常に一定の条件のもとで線幅
を容易に決定することができる。つまり、ＳＥＭＩｉの
場合のような測定者による境界点の不安定な判定を、測
定機による安定した判定に置き換えることにより、より
安定した線幅測定が可能となる。

なお以上の説明は磁気ヘッドのギャップ長測定の例の場
合であったが、バルクと微小線部位との組成が含有元素
が異なっているものであれば他の寸法測定にも適用可能
である。たとえば半導体素子の回路線幅測定等にも充分
応用が可能である。

また実施例においては測定表面がバルクとほぼ同一平面
をなす場合について説明したが微小線部位がバルクに対
し多少の凹または凸であっても充分測定は可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明による測定方法は従来の測定
方法がＳＥＭ等による輝度差および材料境界の不明瞭な
拡大像を測定対象としていたのに対し、特定元素の含有
の有無によって得られる明確な記録波形を測定対象とす
るようにしているため測定精度の向上を図ることができ
る。

また本発明による測定方法によれば表面形状情報は信号
として含まれにくく、純粋に組成情報のみを検出するた
め表面のスクラッチ等表面形状の情報も信号として検出
するようなことがなく測定精度の向上を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による測定結果が理想的に得られた場合
の記録波形、第２図は現実のオージェ電子分光分析装買
で本発明の測定方法を実施した場合に得られる記録波形
、第３図は測定対象の磁気へラドギャップ部の拡大図、
第４図は本発明の測定方法を実施するための測定機の主
要システム図、第５図ないし第８図はそれぞれ特定元素
のオージェ電子標準スペクトルを示すスペクトル図、第
９図は磁気ヘッドの微小線幅形成部を示す図、第１０図
は第９図の対象物を従来の測定方法により測定したさい
に得られるＳＥＭ像の概念図である。 １ａ、１ｂ・・・フェライトコア、２・・・ギャップ、
５・・・走査線、１０・・・オージェ分析器、２０・・
・電子銃系、３０・・・試料分析室、４ｏ・・・分析デ
ータ表示系、５０・・・高精度走査系、６ｏ・・・分析
データ演算処理系。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 竿６図　　　　電子エネル″竜 第２図 児４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の組成材料からなる固体の表面に、第２の組成材料
   からなる固体により充填され前記固体表面とほぼ同じ高
   さの表面をなす微小線が形成されている構成における前
   記微小線の線幅測定方法において、前記固体表面を線幅
   方向に電子ビームにより走査してオージェ電子を発生さ
   せる第１の過程と、前記各組成材料の既知のオージェ電
   子分析スペクトラムから前記第１の組成材料と前記第２
   の組成材料とが十分識別可能な少なくとも１つの元素を
   選択し、この元素のオージェ電子分光のみを検出する第
   ２の過程と、前記電子ビームの走査位置に対する前記選
   択元素のオージェ電子分光検出値に基づいて前記微小線
   の線幅を演算する第３の過程とを具備したことを特徴と
   する微小線幅測定方法。