JPS63191004A - 微小寸法計測方法 - 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〕 本発明はサブミクロン領域の微小寸法の計測方法に関す
る。

〔発明の背景〕

近年の精密加工技術の進歩に伴い被加工物のマイクロ化
が進み、集積回路、磁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
ーダーに達し、それに伴って１μｍ以下の微小寸法の高
精度計測の必要性が高まってきている。

〔従来の技術〕

測定すべき微小な寸法部を照明して顕微鏡で高倍率に拡
大し、拡大像をＴＶカメラ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ＴＶカメラによりて発
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
ち下がりと立置 ちギがり間にふくまれる画素のピッチを計数して寸法を
求めるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述したＴＶカメラを用いた測定法では安定した２値化
処理を行なうために、明暗のＳ／Ｎ比の良いビデオ信号
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
至である。

被測定物の寸法を測定すべき部分の凸部あるいは凹部の
エッヂ部と基材部との光学的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。

また、被測定物の寸法が照明光のスポット径に対して微
小になるに従って微小寸法部から反射される反射光量が
減少するため、単一のスライスレベル値を設定して２値
化処理していたのでは実際の寸法と２値化された寸法が
もはや対応しな（なって高精度な寸法計測を行なうこと
はできな（なって（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１ミクロンメートルよりも小さい寸法を高精度、高安
定に計測することが可能な寸法計測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〕 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２本の接近した２
ビーム光に分離せしめ、該２ビーム光を構成する各々の
ビームの強度のピーク間距離を予め定められた距離に設
定せしめて対物レンズにより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面上に照射せしめ、前記集
光された２ビーム光を前記被測定物面上を走査させて各
走査状態毎に直流レベルの反射光強度を検出し、走査し
て得られた反射光強度パターン及び該反射光強度パター
ンの予め定められた場所の強度レベルの値から寸法を計
測する。

〔作用〕

以上の方法によって寸法を計測するとき、接近した距離
に分離され、ガウス強度分布を有する２ビーム光を、微
小スポット径に集光して、被測定物面上に照射して走査
したとき、被測定物の基材部と、寸法測定部との間に反
射状態の差異が存在すれば、その差異に応じたガウス分
布が、積分された形の反射光強度パターンが得られ、か
つ被測定物の寸法に依存して、反射光強度パターンの強
度レベルが変化するため、反射光強度パターンな解析す
ることによりて、寸法を求めることができる。

〔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図は本発明の寸法計測に用いるレーザ光の光強度分
布を示す図で、第１図（イ）は単一ビームの光強度分布
図、第１図（ロ）は２ビーム光の光強度分布図である。

一般にレーザ光源から放射されるレーザ光の光強度分布
はガウス分布をしている。

第１図（イ）においてガウス強度分布レーザ光１０の強
度最大点１１のレーザ光強度をＩ。とじたとき、Ｉｏの
値の１３．５％の強度点１２の範囲をガウス分布のレー
ザ光の直径としている。

ガウス強度分布レーザ光１０の中心点である強度最大点
１１を原点にとり、ビーム径の半径をＷとしたとき、原
点から距離ｒの点のレーザ光強度工は Ｉ　＝　Ｉ。ｅｘｐ　（−２ｒ　　／　Ｗ　　）　　−
■で表わされる。

第１図（ロ）は第１図（イ）で示した単一のガウス分布
光を２つ組み合わせた２ビーム光の光強度分布図で、各
々の単一の第１のレーザビーム１６及び第２のレーザビ
ーム１４のビーム直径をそれぞれＤとしたとき、各々の
ビームの第１の強度最大点１６０及び第２の強度最大点
１４００間のピーク間距離ＣＷを測定しようとする被測
定物の寸法に応じた値に設定する。第１図（ロ）ではＣ
Ｗ＝０．８Ｄである。この望ましいピーク間距離ＣＷの
設定については後述する。

このようにして設定された２ビーム光１５を寸法計測用
のプローブ光として寸法が測定される被測定物面上に照
射する。

第２図に第１図（ロ）に述べた２ビーム光１５の発生の
方法の実施例を示す。

２０は音響光学素子（以下にＡＯと略す）、２１はＡＯ
２０に入射されろ入射レーザ光、２２及び２６はＡ０２
０によって発せられる２ビーム光のそれぞれのビーム光
、２４は対物レンズ、２５は交流発振器、２６は音響光
学素子ドライバ−（ＡＯドライバー）である。

２７は直流電圧源でＡＯ２０の光偏向動作を制御するた
めのものである。Ａ０２０は光と超音波の相互作用によ
り光の変調を行なうもので光偏向、光強度変調、光周波
数シフト等の動作を行なわせることができる。

交流発振器２５によりｆｍなる周波数を有する交流信号
をＡＯドライバー２６に印加する。ＡＯドライバー２６
の構成は各種の構成例が考えられるが、例えばｆ、なる
周波数の高周波信号発生源が内蔵されて、２つの周波数
成分子ｍ及びｆａの信号をＡＭ変調させればｆ　ａ　＋
　ｆ　ｍの２周波数成分のＡＯ駆動信号がＡＯドライバ
ー２６により作成できる。

この２周波数成分の信号を超音波トランスデユーサ−に
より超音波に変換してＡ０２０内部に伝播させると、超
音波進行波の疎密波がＡ０２０を構成する媒質の光弾性
効果により媒質中に屈折率の周期的変動を生じさせて光
に対する回折格子として作用する。

入射レーザ光２１がブラック角度θｄでＡＯ２０に入射
されると回折により１次回折光の中の＋１次回折光２２
であるビーム光２２と同じ（−１次回折光であるビーム
光２６が発生する。

このときの２ビーム光２２及び２６は光周波数シフトを
受け、入射レーザ光２１０周波数なｆ。

とするとビーム光２２の光波はｆ　ｏ　＋　ｆ　−＋　
ｆ　ｍ　。

ビーム光２６の光波はｆｏ−１−ｆａ−ｆｒｎなる周波
数を有する。

また、２ビーム光２２及び２６の間のなす角度θｍは θｍ＝λ−２ｆｍ／Ｖ、　　　　　　　　■で与えられ
る。ここでλは光波長　Ｖ　、はＡＯ媒質中を伝播する
超音波進行波の速度、ｆｍは前述した交流の周波数であ
る。

従って２ビーム光２２及び２６の間のなす角度θｍはｆ
ｍなる周波数によってリニアーに変化する。

前述したＡＯ２０の動作についてはオプトロニクス誌１
９８２年８月号に詳述されている。

２４は対物レンズで２ビーム光２２及び２６を微小スポ
ット径に集光する。

このとき２ビーム光の間のピーク間距離ＣＷは対物レン
ズ２４の集魚距離及び前述の角度θｍによって定めるこ
とができ、光学系が決まれば前述した如く交流発振器２
５０周波数制御で容易に可変することができる。

なお、前述した光周波数シフトされた２ビーム光２２．
２６を干渉させて、干渉信号の交流成分を検出すると光
ヘテロダイン干渉となる。

第３図に２ビーム光を寸法を測定する被測定物面上に照
射して２ビーム光を走査するときの状態図を示す。

６０は寸法が測定されるべき寸法測定部で、その寸法を
Ｇとする。６１は基材部である。例えば硼気ヘッドの場
合は寸法測定部６０がギャップ部、基材部６１がトラッ
ク部に相当する。

本発明の微小寸法計測方法は寸法測定部６００基材部６
１に対する段差りが照射する２ビーム光１５の集魚深度
範囲内にあり、寸法測定部６０と基材部６１０間に反射
率の差異があり、２ビーム光１５のビーム径よりも寸法
測定部６００寸法Ｇが小さいときに特に有効である。

第３図ビ）は２ビーム光１５が寸法測定部６０の左側に
あり走査開始前の状態、第３図（ロ）は２ビーム光１５
が寸法測定部６０にかかっている場合、第３図（ハ）は
２ビーム光１５が寸法測定部６０の右側にあって走査が
終了した場合で２ビーム光１５は（イ）→（ロ）→（ハ
）と走査される。

なお、２ビーム光の走査は各種の方法で実現できる。第
２図で説明したＡ０２０の光偏向を用いれば電気的制御
で容易に２ビーム光１５の走査ができる。

ＡＯドライバー２６で高周波信号の周波数ｆ。

を発する場合に、周波数ｆ、を可変とすれば、周波数帯
域に応じて２ビーム光２２．２６を偏向させることが可
能である。

また、電磁ミラー駆動で走査させてもよ（、更に被測定
物を移動ステージ上に乗せて移動ステージで被測定物を
移動させてもよい。

このようにして２ビーム光１５が被測定物上を走査され
るときの反射光を検出する。

２ビーム光１５の光走査はステップ状、あるいは連続的
に行なわせることができるが、走査の各状態毎に反射光
を検出して、第３図（イ）→（ロ）→（ハ）の走査の範
囲で反射光強度パターンのデータを取り込む。

なお、反射光の検出は直流レベルの強度を検出する。２
ビーム光を構成する各々のレーザビーム１６．１４（第
１図図示）の振幅をＡ１．Ａ２とするとき、強度は各々
Ａ、、Ａ、　　となるから、２ビーム光の直流レベルの
強度はＡ、＋Ａ、　　となる。

２ビーム光の走査を行なうと寸法測定部６０と基材部６
１とで反射光強度に差異が生じるため、ガウス分布が積
分された形の反射光強度パターンを解析して寸法測定部
６００寸法Ｇを計測する。

第４図に第３図に示した２ビーム光１５を走査したとき
の反射光強度パターンの第１の計算例を示す。２ビーム
光の振幅はＡ、＝Ａ、とした。

第４図の横軸は２ビーム光を走査した距離である走査量
、たて軸は反射光強度比（至）である。

第３図（イ）及び（ハ）の状態を強度比１００％として
いる。基材部３１に対する寸法測定部６００反射率が０
．５、単一のガウスビーム光の直径を１としたとき、２
ビーム光の強度のピーク間距離ＣＷを０．８Ｄとして計
算した。４１は寸法Ｇがガウスビ　、−ム径りの直径の
３０％、４２は同じく５０％、４６は同じく７０％、４
４は同じく９０％、４５は同じく１００％の場合である
。

この第４図のグラフから明らかな様に、２ビーム光１５
のビーム形状が決まれば、寸法Ｇの大きさに依存して反
射光強度パターンが一義的に決まる。

寸法測定部６００寸法Ｇが小さいと反射光強度の変化は
小さくてＷ型のパターンを示し、寸法Ｇが大きくなるに
従って反射光強度の変化が太き（なってＵ型のパターン
あるいはＶ型のパターンを示す。

このように寸法Ｇの大きさによって反射光強度パターン
及び反射光強度の極小点４６あるいは極大点４７０強度
レベルが変化する。

第５図に第４図で示した計算例の場合の、反射光強度の
極小点あるいは極大点の強度レベルの寸法Ｇによる変化
の計算例を示す。

グラフの横軸は寸法の相対値、たて軸は最大の強度に対
する強度比である。ここでグラフのたて軸の強度比は２
ビーム光１５が基材部６１にあるときの反射光強度を基
準としている。

第５図で５１の曲線は極大部の強度比、５２０曲線は極
小部の強度比である。５６０点線で示した曲線は反射光
強度パターンがＶＷになりて極小部と極大部が一致して
変化する場合である。

第５図に示した極小・極大の強度比のデータを基準デー
タとしておき、測定値の極小・極大データと比較すれば
寸法Ｇが容易に決定される。

第４図、第５図に示した結果はある特定（ＣＷ＝０、８
　Ｄ　）の２ビーム光の形状に対応するものである。

比較のために第６図に第２の計算例を示す。

第６図は２ビーム光の強度ピーク間距離ＣＷがガウス強
度分布レーザ光１０の直径と等しい場合で、同じく寸法
測定部３００反射率が基材部６１の反射率の５０％とし
ての計算例である。曲線６１は寸法測定部６００幅がガ
ウスビーム直径りの３０％の場合、曲線６２は５０％、
曲線６６は７０％、曲線６４は９０％、曲線６５は１０
０％の場合である。

第４図で示したようなＷ型のパターンが得られるのは同
様であるが、一般には前述の極小部・極大部の強度比は
異なる。

従って計測しようとする寸法に応じた２ビ一ム光１５０
強度形状、特にガウスビーム直径りとピーク間距離ＣＷ
を設定することが重要であるが、例えば第５図に示した
反射光強度パターンの極小部、あるいは極大部の強度比
の寸法Ｇに対する変化率が大きく、はぼＩＪ　＝アーに
変化するような状態に２ビーム光１５の形状を定めれば
よい。

また、前述した反射光強度パターンは基材部６１に対す
る寸法測定部６０の反射率によって変化する。

従って、まず２ビーム光１５のスポット径よりも大きい
反射面を有し、同じ材質を用いた基準試料を準備してお
いて、基材部３１、寸法測定部６０と同じ材質での反射
率を予め計測しておいて基材部６１に対する寸法測定部
６００反射率を決定しておくと、第５図に示した反射光
強度パターンの極小部、極大部の強度情報から寸法への
変換係数を容易に決定することが可能である。

このとき２ビーム光の形状が既知の場合は寸法Ｇを直に
決定することができるが、２ビーム光の形状が未知の場
合は他の手段で予め基準とする試料の寸法を計測してお
き、その寸法値から逆算して２ビーム光１５の形状を決
定すれば前述したような通常の計測が行なわれる。

反射光強度パターンの解析は強度レベルについて述べた
が、他にもパターンの変化が始まる場所の解析、Ｗ型あ
るいはＵ型、Ｖ型曲線の変化率（微分係数）等の解析を
行なうこともできる。

レーザ光は非常に空間的コヒーレンシーが高く集光性に
すぐれているため、ガウスビーム径は１μｍ程度まで集
光することができるため、前述の計算結果から明らかな
ように本発明の方法を用いれば０．１μｍ程度までの微
小な領域の寸法計測が可能である。

〔発明の効果〕

以上の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、２ビーム光の重ね
合わせの度合いを調整し、被測定物の種類、寸法によっ
て固有に発生する反射光強度パターンの解析によって高
安定、高精度の寸法計測が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明に係わる実施例であり、第１
図（イ）はレーザ光のガウス強度分布図、第１図（ロ）
は２ビーム光の強度分布図、第２図は音響光学素子を用
いた２ビーム光の発生を説明するブロック図、第３図（
イ）、（ロ）、（ハ）は被測定物面上で２ビーム光を走
査させる状態の説明図、第４図は２ビーム光を走査させ
たときの反射光強度・くターンの第１の計算例を示すグ
ラフ、第５図は第４図で示した第１の計算例から強度レ
ベルの変化を計算した強度比−寸法グラフ、第６図は２
ビーム光を走査させたときの反射光強度パターンの第２
の計算例を示すグラフである。 １０・・・・・・ガウスビーム光、 １５・・・・・・２ビーム光、 ２０・・・・・・音響光学素子、 ２５・・・・・・交流発振器、 ６０・・・・・・寸法測定部、 ６１・・・・・・基材部。 第　１　図 （／ｉ） （ロ） 距離（ｒ） 第　３　図 第５（

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ光源から放射されたレーザ光を２本の接近した２
   ビーム光に分離せしめ、該２ビーム光を構成する各々の
   ビームの強度のピーク間距離を予め定められた距離に設
   定せしめて対物レンズにより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に照射せしめ、該集光さ
   れた２ビーム光を前記被測定物面上を走査せしめ各走査
   状態毎に直流レベルの反射光強度を検出し、前記２ビー
   ム光を走査して得られた反射光強度パターン及び該反射
   光強度パターンの予め定められた場所の強度レベルから
   寸法を計測することを特徴とする微小寸法計測方法。