JPS63173902A - 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〕 〔発明の背景〕 近年の精密機械工業の進歩により被加工物のマイクロ化
及び高精度化が進み、集積回路、磁気ヘッドの分野にお
いても微細加工が行なわれ、その微細加工される寸法は
１ミクロン≠〒−Ｖ　＃　、（μｍｍ：りのオーダに達
し、サブミクロンメートル以下の精度で寸法を計測する
必要性が高まってきている。

〔従来の技術〕

従来技術の１つの方法として、微小な寸法を有する被測
定物を照明して顕微鏡で数千倍の倍率に拡大して、拡大
された像をイメージセンサ−で受光して寸法を測定する
方法が多く用いられている。

これはイメージセンサ−によって発せられる受光された
像のビデオ信号を予め設定されたスライスレベルの値で
２値化して、２値化された信号の立ち下がりと立ち上が
り間にふくまれるイメージセンサ−の画素のピッチを計
数して寸法を求めるものである。

従来技術の他の方法として、微小なスポット径に集光し
たレーザ光を被測定物に照射し、音響光学素子（Ａ・０
）の光偏向作用を用いて被測定物の２つのエッヂ部の間
の面上でレーザ光を電気的制御によりスキャンさせ、特
に２つのエッヂ部付近からの反射光の強度変化を解析し
てエッヂ位置を検出し、２つのエッヂの間の光偏向に要
した音響光学素子の偏向量から寸法を計測する技術があ
る。この技術は本願発明者からの特許出願の特開昭５８
−１７０７６２号公報及び特開昭５９−７９７７２号公
報に詳述されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術の前者で述べたイメージセンサ−による２値化
処理方法は安定した２値化処理を行なうために４明暗の
Ｓ／Ｎ比のよいコントラストが得られてスライスレベル
の値が安定していることが必要であるが、被測定物の寸
法を測定すべき部分の凸部あるいは凹部と基材部とのコ
ントラスト比が悪い場合は２値化のためのスライスレベ
ル値が不安定となり測定精度が低下する。

従来技術の後者で述べた音響光学素子の光偏向を利用す
る方法は被測定物の寸法を測定すべき部分の凸部あるい
は凹部を構成するエッヂ部と基材部の段差（高さ）が小
さくて、照射する集光されたレーザ光の焦点深度内であ
る場合には、エッヂ部からの反射光と基材部からの反射
光の強度変化が少なくなりエッヂ位置を精度よく検出す
ることができず寸法測定精度が低下する。

本発明は上述した従来の計測法の問題点を解消させて、
特に寸法を測定する部分のコントラスト比が悪い場合、
エッヂ部と基材部の段差が小さい場合に高精度で微小な
寸法を安定して計測することが可能な微小寸法測定方法
を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

レーザ光源から発せられるレーザ光を音響光学素子に入
射し、直流電圧と交流電圧を人力とすることによって動
作せられる音響光学素子ドライバーで前記の音響光学素
子の光学動作を制御せしめて該音響光学素子から互いに
異なる周波数を有し、互いに異なる方向に進行する２ビ
ーム光を発生せしめ、該２ビーム光の進行方向を互いに
異なる２つの方向に分離せしめて、分離せられた一方の
２ビーム光を集光して寸法が測定される被測定物の面上
に照射せしめて該被測定物からの反射光を受光して物体
反射光信号を作成すると共に、前記の分離せられた他方
の２ビーム光は直接に受光して参照光信号を作成すると
き、前記の音響光学素子ドライバーに入力する交流電圧
信号の周波数を制御して前記の２ビーム光の間のなす角
度を制御すると共に、前記の音響光学素子ドライバーに
入力する直流電圧信号の電圧を制御して前記の分離せら
れた一方の２ビーム光を前記の被測定物の面上で予め定
められた距離毎に光偏向せしめ、各々の光偏向状態毎に
前記の物体反射光信号と前記の参照光信号との間の位相
を検出せしめ、前記の光偏向を行なわせる直流電圧の関
数となる前記の位相データから前記の被測定物の２−ノ
のエッヂに対応する位相の間を光偏向させた前記の直流
電圧の電圧差から寸法を算出するものである。

〔作用〕

以上の方法によって微小寸法測定を行なうとき、音響光
学素子の有する光偏向動作及び光周波数シフト動作を用
いて、微小なスポット径に集光して接近した距離にある
２本のレーザ光を被測定物面上で光偏向させながら光ヘ
テロゲイン干渉を行なわせる。被測定物のエッヂ部分に
２ビーム光が照射されると、エッヂ部の段差により２ビ
ーム光の間の光路長が変化するため、光ヘテロダイン干
渉により位相の変化が起こり、電気的に位相の変化を検
出する。２つのエッヂ部に相当する位相の間を光偏向さ
せた電圧差から寸法を求めるものである。

〔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方法を説明するシステム
ブロック図である。

１０はレーザ光源で例えばＨｅ　−Ｎ　ｅ　’ｖ−ザ発
振を行なってレーザ光１００を放射する。１１は音響光
学素子（以下にＡ・０と略記する）、１２はＡ−０１１
の光学動作を制御するための音響光学素子ドライバー（
以下にＡ・０ドライバーと略記する）、１６はＡ−０ド
ライバー１２に直流電圧を入力させる直流電圧源で例え
ばＯ〜１ボルトの範囲の直流電圧Ｖｄを発生させる。１
４はＡ・０ドライバー１２に交流電圧を入力させる交流
電圧源で周波数ｆｍの交流信号を発生させる。ここでＡ
・０ドライバー１２は電圧制御発振器（以下ｖＣＯと略
記する）、ダブルバランスミキサー、高周波電力増幅器
等の要素から構成されるもので、米国イントラアクショ
ン社から例えば商品名ＤＥ−４０Ｍとして販売されてい
る。Ａ・０ドライバー１２は直流電圧源１３から直流電
圧Ｖｄを印加するとＡ・０ドライバー１２を構成するｖ
ＣＯにより周波数ｆｄの高周波信号が発せられ、交流電
圧源１４から印加される周波数ｆｍの交流信号とダブル
バランスミキサーでＡ−Ｍ変調されて周波数ｆｄ±ｆｍ
の２周波成分を持つ交流信号が作成され、高周波電力増
幅器にて増幅されてＡ・０１１にｆ　ｄ　：ｆ：ｆ　ｍ
周波数成分の高周波信号が印加される。Ａ・０１１は前
述の２周波成分を持つ交流信号ｆｄ±ｆｍを有するＡ・
０駆動信号１２１により駆動されて周波数が異なり、か
つ進行方向も異なる２ビーム光１０１．１０２を発生す
る。

Ａ・０１１に入射するレーザ光の周波数をｆ。とじたと
き２ビーム光１０１及び１０２は各々ｆｏ　＋ｆ　ｄ＋
ｆ　ｍ−ｆｏ　＋ｆ　ｄｆ　ｍの周波数を持つことにな
る。このときＡ−０１１から発せられる２ビーム光１０
１，１０２の進行方向を直流電圧源１６からの直流電圧
で制御し、２ビーム光１０１．１０２の間のなす角度θ
ｍを交流電圧源１４の周波数で制御することができる。

１５はＡ・０１１を含む光学系で、Ａ・０１１によって
発せられた２ビーム光１０１．１０２の進行方向をビー
ムスプリッタ−１５１により互いに異なる２つの方向に
分離する。分離された一方の２ビーム光はビーム光１０
６及びビーム光１０４として進行し、対物レンズ１５２
により集光され寸法が測定される被測定物１６に照射さ
れる。被測定物１６による反射光を再びビームスプリッ
タ−１５１で進路を変え、物体反射光１０７及び１０８
として取り出し第１の光電変換部１７で受光して電流−
電圧変換を行ない物体反射光信号１７０を作る。ビーム
スプリッタ−１５１で分離された他方の２ビーム光は１
０５及び１０６として進行し第２の光電変換部１８で受
光され電流−電圧変換を行ない参照光信号１８０を作る
。

前述した如く、周波数の異なる２つの光波を干渉させる
と光ヘテロダイン干渉が起こる。光ヘテロダイン干渉に
ついては参考文献　光学９．５（１９８０）　　Ｐ２６
６に詳述されている。干渉される２ビーム光の周波数を
ｆ。＋ｆｄ＋ｆｍ。

ｆｏ＋ｆｄ　　ｆｍとすると各々の光の電界Ｅ１、Ｅ、
は、 Ｅ１＝Ａｔ　ｅＸｐ（ｉ　・２ｆｆ（ｆｏ　＋ｆ　ｄ＋
ｆｍ）　ｔ＋φ、）　・・・■Ｅｘ　＝Ａ４　ｅＸＩ）
（ｉ　・２７ｒ（ｆｏ　＋ｆ　ｄ−ｆｍ）　ｔ＋φ、）
’−・・■で表わされる。ここでＡ、　、Ａ、は光波の
振幅。

φ８、φ、は位相である。電界Ｅ１の光波と電界Ｅ２の
光波を干渉させて光検出器で光電変換をしたときの光強
度工は Ｉ　＝Ａ１”　＋Ａ２”　＋２Ａ、Ａ、　Ｃ０３（２π
Δｆｔ＋Δφ）・・・■但しΔｆ＝２ｆｍ、Δφ＝φ１
−φ２である。

このように光ヘテロダイン干渉によって光波の持つ差の
周波数の電気的なビート信号が作成され、その位相差Δ
φを測定することにより電界Ｃ１の光波、電界Ｅ、の光
波に含まれる光の領域での情報を検出することができる
。

ここで参照光信号１８０と物体反射光信号１７０とは同
じ２ｆｍなる周波数のビート信号で位相が異なる。参照
光信号１８０は２ビーム光１０５．１０６が時間的には
同じ位相状態に保たれるため第２の光電変換部１８で干
渉させたときの位相項（■式のΔφ）は常に一定値φｒ
である。

これに対して物体反射光信号１７０は２ビーム光１０７
．１０８が被測定物１６の凹凸によりて光路差を変える
ために位相項が変化する。物体反射光信号１７０による
位相を一般的にφＳで表わす。

１９は位相比較器で参照光信号１８０と物体反射光信号
１７０の間の位相を比較する。

■式で明らかな如く干渉された光強度工を表わす電気信
号は直流成分がＡ、”＋Ａ２％　、交流成分が２Ａ、Ａ
、Ｃ０３（２ＴΔｆｔ＋Δφ）となり、位相検出は直流
成分をカットして交流成分で行なうのが望ましい。また
位相はφｒ、φＳの単独では意味をなさず、位相の差の
絶対値１φｒ−φｓｌが意味を持つ。

２０は光量検出部で物体反射光信号１７０の直流成分の
Ａ−＋Ａ２”　、あるいは交流成分の振幅２ＡＩＡ、を
検出する。このとき被測定物１６のエッヂ間を２ビーム
光１０３，１０４が光偏向されて各光偏向された状態毎
で、物体反射光信号１７０の光量が（Ｐｘ、Ｐｔ・・・
・・・、Ｐｎ）の光量データ（Ｐｉ）、位相差が（φＳ
、−φｒ、φＳｔ−φｒ・・、・・・・φＳｎ−φｒ）
のデータ（φｉ）が得られる。但しｎは光偏向を行なわ
せる回数である。

２１は寸法算出部で、位相データ（φｉ）と光量データ
（Ｐｉ）から被測定物１６のエッヂ、μ置を判定して、
そのエッヂの間を光偏向するのに要した直流電圧源１３
の電圧差から被測定物１６のエッヂ間距離即ち寸法を算
出する。さらには直流電圧源１６、交流電圧源１４の制
御も行なわせる。

ここでエッヂ位置を判定するメインとする情報は位相デ
ータ（φｉ）であり、光量データ（Ｐｉ）はチェック用
に用いるため被測定物１６によっては必ずしも光量デー
タ（Ｐｉ）は必要としない。

第２図に被測定物上で２ビーム光を光偏向させるときの
状態図を示す。第２図において被測定物１６の上部平面
部を１６１、下部平面部を１６２、左側エッヂを１６，
６、右側エッヂを１６４で表わし上部平面部１６１と下
部平面部１６２０段差をΔｈで表わし、左右のエッヂ間
距離１０を測定するものとする。

２ビーム光１０３．１０４の間の距離りは交流電圧源１
４からの周波数ｆｍ及び光学系１５の対物レンズ１５２
の焦点距離等によって決めることができ、照射される各
々のビームスポット径程度の値に設定するのが望ましい
。２ビーム光の光偏向を（（イ）→（ロ）→ｅ１→に）
→（ホ）の順に行なわせる。このとき直流電圧源１６か
ら発せられる電圧はステップ状に変化させる。光偏向の
ステップは２ビーム光の各々のビームスポット径よりも
細かいステップで行なうのがよい。

（イ）、（ハ）、（ホ）の状態では２ビーム光の間に光
路差が無いが、（ロ）、に）の場合はエッヂ１６６と１
６４によって２ビーム光の間に光路差が存在するように
なる。

２ビーム光の波長をλ、光路差（段差）をΔｈ、測定さ
れた位相差をφとすれば Δｈ＝λ°φ ４　Ｔ　　　　　　　　　”’■ で表わされる。Ｈｅ　−Ｎ　ｅレーザの場合はλ＝０．
６３μｍであるから位相差φが１°当りで８．８オング
ストロームの光路差に相当する。位相差は電気的に検出
されるが位相差として±Ｅの領↓ 域で検出される場合は１Δｈ１≦１”＝ｉ０．１６μｍ
であるが、±Ｔを超える位相角になる光路差の場。

合でも、位相角だけの情報ではなく、反射光の反射角度
変化や反射光量を同時に測定することによって位相角を
補正することができる。

第３図に第２図に示した光偏向を行なわせたときの位相
の波形図を示す。

前述した如く位相差はエッヂ部で大きく変化し、第２図
の（ロ）とに）の場合では位相角の変化の符号が反転す
る。従って第２図の（ロ）に対応するエッヂ部１６３で
は波形３１に示すように位相差が上に凸、第２図のに）
に対応するエッヂ部１６４では波形６２に示すように位
相差が下に凸で最大値を示す。

他の部分では位相差がゼロである。この位相差は前述の
如く（φＳ−φｒ）で与えられるが平面部での位相差が
ゼロになるように、例えば参照光信号の位相φｒを調整
すればよい。この位相差が最大となる波形３１と波形３
２の２点での光偏向電圧Ｖｌ、Ｖｒの電圧差ΔＶｅから
寸法を算出する。

これには予め寸法が既知の被測定物について本発明の方
法により前述のΔＶｅを測定しておき、ΔＶｅと寸法と
の間の相関係数を算出しておけばよい。

第２図と第３図で述べた例ではエッヂ部での段、λ 差Δｈか１よりも小さくて、位相差の角度がｌｆｆ＋を
超えないために位相差のピークが直接に得られた例であ
った。この場合はまた上部平面部１６１と下部平面部１
６２が同じ程度の反射率を持つ材質から構成されている
場合は光偏向を行なわせても各点での反射光の光強度の
変化は殆ど起らない。

（Δｈが０．１６μｍより小さいため照射されるレーザ
光の焦点深度内にあるためである。）特にこのような場
合の寸法計測に本発明の方法は有効である。第４図にエ
ッヂ部の段差Δｈによる位相差が０式に対応して１１を
超える場合の位相差検出の例を示す。

第４図（イ）は位相角とΔｈの関係を示したものである
。位相角を±ｒで測定する場合は、例えば０、Ａ、Ｐｌ
の状態で０１の位相角（θ、〈７′ｒ）の場合には２ビ
ーム光１０３と１０４の間で、例えばビーム１０４が光
路長が長い状態、０１Ｃ１Ｐ、の状態で位相角θ２　（
−π〈θ２くＯ）の場合には同じくビーム１０６の光路
長が長い状態に対応するが、（第２図、第３図での実施
例は前述の場合である）例えばθ２の位相角に対応する
状態でΔｈがＩｎを超えて０、Ｃ，Ｂ、Ｐ、の位相角θ
１−２Ｔの状態になっても実際に測定される位相角はθ
、であるため、位相が連続せず位相角の符号と大きさの
ジャンプが起こる。

第４図（ロ）は第３図に対応してΔｈが太き（なったと
きの位相角の変化を表わす図である。位相角は前述の（
φＳ−φｒ）で測定されるから、今φｒ＝０とおくと２
ビーム光の間の位相差が直接に観測される。Δｈによる
位相差がＴを超えるとき波形４１は位相差がπの状態で
あるから、Ｔを超えると急に位相のジャ、ンプが起こり
符号が反転された波形４２の状態となる。波形４３の位
相状態がエッヂ位置１６３であるが、波形４２から波形
４６までは位相の絶対値が減少する方向に変化する。従
って位相波形としては波形４６０位相状態を中心として
左右対称な波形が得られる。さらにエッヂ位置１６４で
は位相の符号が反転された波形が得られる。本実施例の
場合は位相の急激なジャンプが起こる領域内での位相の
絶対値の最小値を検出してエッヂ位置を判定できる。

次にΔｈが更に大きくなりＩｎ７Ｎ（ｎ＞２）の位相角
度以上になると位相変化は更に複雑な波形となる。この
ような場合は２ビーム光の間の光路差が更に大きくなる
ため反射光の光量変化が現われるようになる。

第４図（／′１に反射光量の変化を示す。上部平面部１
６１に照射する２ビーム光の焦点を合わせておけば、下
部平面部１６２では焦点の位置ズレが起こるために反射
光量が減少する。当然この反射光量変化の起こる領域ｄ
、　、ｄ、にエッヂ位置が存在することになる。このと
きの位相角の変化は複雑なパターンを示すため、定めら
れた領域内での位相変化の最大値あるいは最小値からエ
ッヂの判定は困難であるから、第４図に）に示すように
前述の領域ｄｌ、ｄ、付近において位相角の変化の大き
さにあるスレショールドレベルを設けておキ位相変化を
２値化処理し、例えば矩形波４４及び矩形波４５に示す
ように２値化された位相の中央部間を光偏向させた電圧
差ΔＶｅを求めて寸法を計測すればよい。この場合も前
述の場合と同じ（寸法と光偏向電圧差ΔＶｅの関係につ
いての変換係数を求めておく必要がある。本実施例の場
合は位相角の細かい変動を処理する必要はなく、光量変
化！−タ（Ｐ　ｉ　）と連動して各々のエッヂ毎ニスレ
ジｌ−ルドとなる位相角の変化の始めと終りを検出すれ
ばよい。またΔｈが小さくて、上部平面部１６１と下部
平面部１６２にコントラストがつく場合にも（Ｐｉ）は
有効である。

第５図と２ビーム光を発生させ被測定物１６の面上に集
光して照射するときの光学系の光路図の構成例を示す。

第５図（イ）は光のビーム形状を示す図、第５図（ロ）
は光路を示す図である。第５図で５１及び５４は焦点距
離がｌ、のシリンドリカルレンズ、５２及び５３は焦点
距離がｌ、の凸レンズ、５５は焦点距離が！、の凸レン
ズ、１５１は偏向ビームスプリッタ−１５６は１波長板
、１５２は焦点距離が１０の対物レンズである。

Ａ・０１１は光と超音波の相互作用により光波の各種の
変調を行なうもので、相互作用時間を多くする必要から
Ａ・０１１に入射する光はビーム径が広いことが望まし
いため、シリンドリカルレンズ５１と凸レンズ５２の組
み合せにより、レーザ光源１０から発せられる円形状の
ビーム形状をほぼ１次元的に広がった扇形状の形状に変
換する。

Ａ−０１１からの出射光のビーム形状を再び円形のビー
ム形状に変換するために凸レンズ５３とシー）　ｙトリ
カルレンズ５４を用いる。このとき入射される光ビーム
に対してシリンドリカルレンズ５４の屈折作用を有する
面はシリンドリカルレンズ５１とは異なる方向に設定す
る。次に凸レンズ５５を用いて拡大された径となる円形
状の平行光を作成して対物レンズ１５２により集光する
。

以上の光学系の構成において被測定物１６の面上に照射
されるビームスポット径は特に凸レンズ５５及び対物レ
ンズ１５２の焦点距離の大きさを選ぶことで容易に変え
ることができる。また光偏向される量は、光偏向角度な
θとしたとき（０ボルトから１ボルトの範囲での偏向角
度）１２　・ｉｏ　　・θ／ｉｓ　　　　となる。

また、２ビーム光の間の距離は ｌｔ”ｌｏ”θｍ／ｉｓ　　　　となる。

今、第５図（イ）の光ビーム形状を示す図において２ビ
ーム光の分離の状態は示していないが、実際には微小距
離に分離されている。

更に、第５図（ロ）の光路を示す図で０次回折光は計測
には用いないためにカットする必要がある。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかな如（、周波数の異なる２ビーム光
を被測定物に照射して、エッヂによる段差部での光路長
変化を光ヘテロダイン干渉法により検出することで、エ
ッヂ部の段差が光の波長程度以下の場合でもエッヂ位置
の高精度な検出が可能となり、安定した光偏向を行なわ
せることで高精度の寸法計測が可能となる。

【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システム
ブロック図、第２図は寸法測定を行なう被測定物での光
偏向を説明する説明図、第３図は施例を示す光路図であ
る。 １０・・・・・・レーザ光源、　　１１・・・・・・音
響光学素子、１２・・・・・・音響光学素子ドライバー
、　　１３・・・・・・直流電圧源、　　１４・・・・
・・交流電圧源、　１５・・・・・・光学系、　　１６
・・・・・・被測定物、　　１９・・・・・・位相比較
第２図 第３図 ｖｌ　　　　　　　　ｖｒ 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ光源から発せられるレーザ光を音響光学素子に入
   射し、直流電圧と交流電圧を入力とすることによって動
   作せられる音響光学素子ドライバーで前記の音響光学素
   子の光学動作を制御せしめて、該音響光学素子から互い
   に異なる周波数を有すると共に互いに異なる方向に進行
   する２ビーム光を発生せしめ、該２ビーム光の進行方向
   を互いに異なる２つの方向に分離せしめ、分離せられた
   一方の２ビーム光は集光して寸法が測定される被測定物
   の面上に照射せしめて該被測定物からの反射光を受光し
   て物体反射光信号を作成すると共に前記の分離せられた
   他方の２ビーム光は直接に受光して参照光信号を作成せ
   しめるとき、前記の音響光学素子ドライバーに入力する
   前記の交流電圧信号の周波数を制御して前記の２ビーム
   光の間のなす角度を制御すると共に、前記の音響光学素
   子ドライバーに入力する直流電圧信号の電圧を変化せし
   めて前記の分離せられた一方の２ビーム光を前記の被測
   定物の面上で予め定められた距離毎に光偏向せしめ、各
   々の光偏向状態毎に前記の物体反射光信号と前記の参照
   光信号との間の位相を検出せしめ、前記の光偏向を制御
   する前記の直流電圧の関数となる前記の位相データから
   、前記の被測定物の２つのエッヂ部に対応する位相の間
   を光偏向せしめた前記の直流電圧の電圧差から寸法を算
   出することを特徴とする微小寸法測定方法。