JP5255986B2

JP5255986B2 - パターンドメディアの検査方法及び検査装置

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Publication number: JP5255986B2
Application number: JP2008269633A
Authority: JP
Inventors: 秀明笹澤; 丈師廣瀬; 実吉田; 啓谷斉藤; 滋芹川
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-10-20
Also published as: JP2010097671A; US20100098320A1; US8411928B2

Description

本技術は、ハードディスク用パターンドメディアの製造工程および検査に係り、ハードディスク用パターンドメディアのパターン形状の欠陥、変形、寸法を検査する技術に関する。

近年、コンピュータに用いられる記録媒体であるハードディスクは大容量化が進んでいる。記録情報の大容量化には1枚のディスク内に記録する密度の向上が不可欠である。従来のディスク媒体に比較して大幅に記録密度を向上可能な方式としてディスク表面にパターンを形成させた媒体であるパターンドメディアが有望視されている。

パターンドメディアの形成には、低コストでナノオーダのパターンが形成可能な、ナノインプリント技術が用いられる。ナノインプリント技術は、予め作成した型（スタンプ）を材料に押し当て、型と同じパターンを複製する技術であり、ハードディスク用のパターンドメディアの他にも、光学素子の形成や、半導体の露光工程の代替としても検討されている。

通常パターンドメディアに使用されるパターン寸法は100nm以下であり、可視光の波長の数分の１以下のパターン寸法である。このため通常の顕微鏡などの光学系では解像限界を超えているため、直接パターン形状を捉えることは出来ない。このため、ＡＦＭ(Atomic Force Microscope)による形状計測や、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）などによる計測、又はＳＮＯＭ(Scanning Near field Optical Microscope)などによる近接場光検出が考えられるが、いずれもスループットの観点から高速に広い面積を観察することができない。

一方、半導体のパターン形成のプロセス管理には、スキャッタロメトリーの原理による光学式の検査装置が適用されている。これは、予め半導体ウェハ上に製品以外の領域に配置するＴＥＧ（Testing Element Group）パターンと呼ばれる管理用のパターンを利用し、ラインアンドスペースなどの周期的なパターンの検出を行うものである。例えば、50um□程度以上の領域内の周期的パターンに白色光を照射し、その反射光の分光特性を検出することにより、観察パターンの形状を計算する手法である。

この手法によるパターンドメディアの検査方法に関し特許文献１が開示されている。これによれば、スキャットロメトリー法により、検出した光反射強度を解析することで、周期的なパターンの形状を計測・評価可能であるとしている。また、試料上にサーボ情報部がある場合にも取得したデータを解析することで、同様に評価可能であるとしている。

特開2007-133985

ハードディスク用のパターンドメディアでは、ユーザ情報を記録するデータ領域のパターンとディスク上の読み書き位置を制御するサーボ領域は混在することが通常である。データ領域のパターンは、ラインアンドスペース或いは、円柱上のピットパターンなどの周期的なパターンであるが、サーボ領域のパターンはデータ領域のそれと周期性が異なるか、周期性が無い部分が存在する。

サーボ領域は、一般に1枚のディスク上に数十から数百本程度であり、ヘッドアーム軌跡に対応した放射状の形状に配置される。また、メディアに形成されたパターンは必ずしも回転中心と一致するものではなく、位置ずれ（偏心）が生じる場合がある。このような状況で、検出した反射光強度のみで対象物の形状をスキャットロメトリー法で検査するのは解析を複雑にさせるだけでなく、解析・或いはマッチング処理による検査時間を増大させ、検査・計測精度も低下させる要因となる。

したがって、従来は、パターンドメディアによって形成されたハードディスクをスキャットロメトリー法で検査をする場合は、主としてデータ領域について検査が行われ、サーボ領域についての検査は非常に時間がかかるために、実用的には行われていなかった。

本発明の課題は以上のような問題点を解決し、例えば、パターンドメディアディスクにおいては、サーボ領域を含むパターンドメディアディスク全体をスキャットロメトリー法によって高速に検査することを可能とすることである。

上記課題を解決するために、本発明はパターンドメディア測定方法として次のような手段を取る。

（１）第１の手段は、パターンドメディアを設計情報に基づいて複数の領域に分割し、
分割された領域毎にスキャットロメトリー法によって予め選定した波長での光量を特徴量として抽出し、前記特徴量を設計データと比較することによって前記特徴量の平均値からの乖離度に基づいてパターンが正しく配置されているかを判定するパターンドメディアの測定方法である。

（２）第２の手段は、パターンドメディアを設計情報に基づいて複数の領域に分割し、
分割された領域毎にスキャットロメトリー法によって予め選定した波長での光量を特徴量として抽出し、前記特徴量を過去に測定した同じ種類のパターンドメディアの同一の領域と比較することによってパターンが正しく配置されているかを判定するパターンドメディアの測定方法である。

（３）第３の手段は、パターンドメディアを設計情報に基づいて複数の領域に分割し、
分割された領域毎にスキャットロメトリー法によって予め選定した波長での光量を特徴量として抽出し、同一パターンドメディアの同一領域の他の部分と比較することによってパターンが正しく配置されているかを判定するパターンドメディアの測定方法である。

（４）また、第４の手段は、第１の手段、第２の手段、第３の手段に加えて、スキャットロメトリー法は、白色光照明と分光検出系により分光状態を検知することを特徴とするパターンドメディアの測定方法である。

（５）また、第５の手段は、第１の手段、第２の手段、第３の手段に加えて、前記特徴量は、１つ波長の反射率の分布であることを特徴とするパターンドメディア測定方法である。

（６）また、第６の手段は、第１の手段、第２の手段、第３の手段に加えて、前記設計データに基づいて分割された複数の領域は、検出部分のパターンの形状を周期性を用いて分類されたものであることを特徴とするパターンドメディアの測定方法である。

さらに本発明ではこのような測定方法を可能とするために、次のような装置を含む。すなわち、試料であるパターンドメディアディスクを保持、移動、走査するステージと、試料上に光を照射する照明光学系と、照射された光の反射光を検出する検出光学系と、検出光を電気信号に変換する光電子素子と、検出した電気信号を保存する手段と、電気信号から特徴量を検出する手段と、保存した信号と検出した信号を特徴量により比較する手段と、試料のパターン配置情報などの設計データを取得する手段と、検出した信号の試料上の位置を設計データと比較して特定する位置検知手段を持つ検査装置である。

また、上記走査ステージは試料を回転走査しながら半径方向に走査するRθ型ステージでも、直交する方向に走査するＸＹ型ステージでも良い。

また、上記照明光学系は、白色光を照射する光学系の他、紫外光や赤外光の非可視光を照射する光学系でも良く、特定の波長を有するレーザ光源を用いた光学系でも良い。さらには、照明光に偏光特性を持たせ、偏光光を照射する光学系でも良い。

また、上記検出光学系は、照明光学系に対応し、紫外光を含む白色光を波長毎に検出する分光光学系や、特定の単波長或いは複数波長の反射光を検出する光学系としても良い。さらには、検出光学系に偏光透過特性を持たせ、特定の偏光光のみを検出する光学系としても良い。

また、上記電気信号から特徴量を検出する手段は、検出した波長毎の分光データをそのまま特徴量としても良く、また特定の1つ以上の波長での信号を特徴量としても良い。さらに複数の偏光条件と波長との組み合わせによって決まる特徴量としても良い。

また、上記特徴量を比較する手段は、同一試料での近傍での比較、或いは対称位置での比較の他、設計情報による領域単位毎での比較でも良い。さらには、過去に検出し保存したデータとの比較であってももちろん良い。

また、上記位置検知手段は、設計データ（ＣＡＤデータ）におけるパターン配置と検出した特徴量の分布配置を正規化相関などの画像処理手法によって比較し、位置ずれ量を検知する方法でもよい。

本発明によれば、パターンドメディアを始めとする微小パターンが形成された試料上の形状検査を高速且つ簡便に行うことができる。また、パターンドメディアディスクに位置ずれ（偏心）が生じている場合も、位置ずれ（偏心）量の把握を高速且つ簡便に行うことができる。

以下に本発明の内容を実施例にしたがって詳細に説明する。

図１に本発明によるパターンドメディア検査の処理フローを示す。
始めに、検査対象のパターンドメディアのパターン形状や寸法などが記された設計情報であるＣＡＤデータ１を用いて、試料上で検査が必要な領域を指定する。検査領域指定２にて指定された領域を評価単位毎の領域に分割する領域分割３を行う。分割する領域は検査対象の分布特性を観察するために、指定領域において、十分な分割数をとれるような大きさとする。

ここで、評価単位毎の分割とは、例えば、図４における６角形であり、例えば光スポットの形状である。大きさは直径で数μｍ程度である。図４では評価単位毎の分割は６角形であるが、丸でもよいし、その他の形状でも良い。

次に分割した領域毎にパターン分類４を行う。ここでの分類はその領域のパターンが周期的か或いは非周期的かを区別する。周期的とは例えば、一定のピッチでのラインアンドスペースや、ドットマトリクス形状など一定の周期での繰り返しパターンである。

周期領域５と非周期領域６は光センサ検出７による検査を、また非周期領域６のパターンを直接観察・検査する場合は、微小検出手段１２による検査を行う。微小検出手段１２は、用途に応じて、ＳＥＭやＡＦＭなどといったnmレベルの空間分解能を持つ検査１３を行う。

一方、光センサ検出７にて検出された信号は、予め決めた処理により信号中の特徴量を抽出する。特徴量抽出８によって抽出された特徴量データは、検出した位置などの情報とともに特徴量マップデータベース１１に保存される。

また、同時に、前記特徴量データは、パターン分類４にて分類された種類毎に比較し、例えば、平均的な特徴量からの乖離度によって、その領域のパターンを検査する。分類毎比較９は過去に検出したデータとの比較でも構わない。

図２に光センサ検出７の詳しい例を示す。検査対象であるパターンドメディア20に対して、光源２６から照射する光を偏光子２７を介してハーフミラー２３にて反射させたのち、ハーフミラー２２を透過させ、対物レンズ２１にて集光したビームを照射する。

照射された光はパターンドメディア20上で反射され、前記対物レンズ２１を通り、集光レンズ２４にて集光された後、検光子２８にて所望の光成分がフィルタリングされ、光検出器２５にて検出される。このとき、例えば、光源２６に白色光源を、検光子２８に偏光板を、光検出器２５に分光器を用いると、パターンドメディア20のパターン形状および光学特性に対応した分光波形が得られる。このような検出を試料20に対して全面で実施することにより、試料全面での分光波形を検出することができる。

図３を用いてHDD用のパターンドメディア30をサンプルとした際の領域分割及びパターン分類の方法を説明する。まず、試料のうち、パターンが形成されている領域31を検査領域とする。HDDメディアではユーザの磁気データを記録するデータ領域３３の他にヘッドを制御するためのサーボ領域３２が放射状に形成される。

HDD用パターンドメディアでは、このサーボ領域が予め物理的なパターンとして形成されるプリサーボ方式が採用される。このサーボ領域付近３４の拡大図を図４に示す。一般的なパターン配置の場合、データ領域３６の間にサーボ領域３５が配置され、サーボ領域は磁気信号用途に応じ、クロック領域３７、アドレス領域３８、トラッキング領域３９などの異なるパターンにより構成される。

本発明の光センサ検出７による検出単位を分割領域４０とする。図中に示すように各領域を検出単位に分割する。図４においては、分割領域は６角形である。６角形は領域を細密充填することが出来る。もちろん、常に各領域内をくまなく検出することが必要なわけではない。その場合は、分割領域は丸でも、他の形状でもよい。

図５に図４での各領域のパターン例を示す。例えば、データ領域３６のパターン４４は周期的なラインアンドスペースであり、トラッキング領域３９のパターン４３は周期的な千鳥パターンである。また、アドレス領域３８のパターン４２は非周期的なパターンであり、クロック領域３７のパターン４１は、周期的なラインアンドスペースである。

図６にそれぞれの領域での光検出器２５による分光波形を示す。図６において、横軸は波長、縦軸は光量である。図６（a）はデータ領域３６すなわちパターン４４の分光波形５１である。図６（ｂ）はトラキング領域３９すなわちパターン４３の分光波形５２である。図６（ｃ）はアドレス領域すなわちパターン４２の分光波形５３である。図６（ｄ）はクロック領域すなわちパターン４１の分光波形５４である。このように、パターン形状が異なると分光波形のプロファイルは大きく異なるため、分割領域毎にどのパターンを検出したかを簡便に区別することが出来る。

図７に分光波形からの特徴量抽出の例を示す。各パターンから検出された分光波形51〜54を比較し、光量Iが大きく異なる波長を1つ以上選択する。例えば、λ１やλ２を選択し、それぞれの波長での光量を検出した領域の特徴量とする。このような特徴量を選択することで、試料全域の特徴量マップを生成することができる。

例えば、図７におけるλ１を特徴量１とする。図７におけるλ１で最も光量が大きいのは、アドレス領域である。したがって、特徴量１によってマップを作成するとアドレス領域５３が明るく表示される。図８（ａ）にこの様子を示す。図８（ａ）はアドレス領域が明るく表示される場合を表示しているが、図８（ａ）における明るい場所は白抜きで記載している。この明るく表示されたアドレス領域のパターンを評価することによってアドレス領域のパターンに異常が生じているか否かを判断することが出来る。

また、図７におけるλ２を特徴量２とする場合は次のようになる。すなわち、図７におけるλ２で最も光量が大きいのは、データ領域である。したがって、特徴量２によってマップを作成するとデータ領域５１が明るく表示される。図８（ｂ）にこの様子を示す。図８（ｂ）はデータ領域が明るく表示される場合を表示しているが、図８（ｂ）における明るい場所は白抜きで記載している。この明るく表示されたアドレス領域のパターンを評価することによってアドレス領域のパターンに異常が生じているか否かを判断することが出来る。

波長λ１における光量を特徴量１としてアドレス領域を表示し、波長λ２における光量を特徴量２としてデータ領域を表示した。他の波長を選択することによって他の領域を表示することが可能である。また、特徴量１を特定の色で、特徴量２を他の色で表示することによって、複数の領域を１つのマップ上に表示することも可能である。このような試料上のパターン種類のマップを設計データと突合せることにより、パターン分布が正しく配置されているかどうかを検査可能となる。

なお、基準となるマップは設計データから得られたマップのみでなく、同じ種類のパターンドメディアにおいて、過去に測定して得られたデータを規準に比較しても良い。さらに、同じ測定ディスクにおける同じ領域の他の部分のデータと比較しても良い。

また、設計データと特徴量データを照合する場合には、アライメントマークが配置されていれば、それを使って参照し、そうでない場合は、回転方向及びＸＹ方向にマッチングを行って照合する。

以上の例では、特徴量として、特定の波長における光量を使用したものである。一方、特徴量としては、各領域毎に得られた分光特性そのものを用いても良い。この場合は、測定で得られた分光特性と各領域毎の基準の分光特性とを比較することによって、各領域毎のパターンの異常を検出することが出来る。基準となるデータとしては、例えば、測定したディスクの同じ領域の他の部分とのデータ、あるいは、他のディスクの同じ領域のデータ、あるいは、設計データを用いることが出来る。

さらには、特徴量としては、複数の波長における光量の組み合わせを用いることも出来る。また、測定光に偏光光を用いる場合は、偏光条件と、各波長における光量の組み合わせを用いることも出来る。

さらには，特徴量としては，光学的な手段で取得でき，対象物の変位が顕在化できれば良いので，例えば，レーザー光や，Ｘ線を試料に照射した際の散乱光パターンを用いても良い。

パターンドメディアディスクに形成されたパターンの中心と、ディスクを回転させた場合の回転中心は必ずしも一致するわけではなく、一般には偏心している。検出する磁気ヘッドはこの偏心を考慮し、偏心に追随できるように設定されている。しかし、偏心が大きくなると、追随の限界を超えてしまうので、回転中心と磁気パターンの中心がどの程度の偏心かを簡便に評価することは重要である。

本発明はこのような目的にも使用することが出来る。図９に本発明による評価例を示す。図９において、光学的特徴量を検出する際に、検出光学系７３に対して、回転軸７０を中心として回転するステージ７１上にサンプル７２を搭載し、軸７０をｒ方向に動かすと、試料全面を走査することが出来る。これをｒθ走査と称する。

このような走査は、回転軸７０を固定して光学系７３をｒ方向に動かしても同様におこなうことが出来るが、一般には検出光学系７３を固定して、ステージを動かしたほうが機構的には簡便である。

このようにして全面走査した検出データを用いて特徴量によるマッピングを行う。このマッピングを例えば、アドレス領域について行うと、アドレス領域が明るく表示される。このマッピングしたアドレス領域と設計データによるアドレス領域を比較することによって、ディスクのパターン中心と回転中心がどの程度偏心しているかを評価することが出来る。具体的には次のとおりである。

図１０は実施例１で説明したと同様にして取得したマッピングの例である。図１０において、７４は検出時の回転中心である。回転中心７４はパターンの中心７５からは偏心している。そうすると、得られたマッピングは、設計値とずれたパターンとなっている。実際に得られたマッピングと、本来のずれていないマッピングとを比較することによって、回転中心７４とパターン中心７５の差を検出することが出来る。この偏心量は図１０においては、ｄｘとｄｙによって表示されている。

一般の磁気ディスク装置においては、磁気パターンの中心と回転中心を正確に一致させることは難しく、ある程度の偏心は存在する。磁気ヘッドは、この偏心が存在することを前提にして、この偏心に対応できるように制御されている。しかし、このずれ量ｄｘ、ｄｙが所定の値よりも大きくなると磁気ディスクは追随できなくなり、磁気ディスク装置そのものが不良になる。

スキャットロメトリー法は高速で測定することが出来るので、磁気ディスク全数について検査を行い、ずれ量ｄｘ、ｄｙが所定の値よりも大きいものを除去することによって、不良の磁気ディスクが装置に組み込まれることを防止することが出来る。

また、パターンドメディアによって形成されたパターンドメディアディスクは、マスターから形成されたスタンパーを用いて形成される。スタンパーと磁気ディスクの中心がずれると磁気パターンと回転中心のずれが生ずることになる。本実施例によって、回転中心と磁気パターンの中心のずれを定期的に取得することによって、スタンパーと磁気ディスク中心のずれの傾向を取得し、スタンパーによる磁気ディスクへのパターン形成工程に対してフィードバックを行うことが出来る。

実施例１においては、分割領域４０と光学センサによる検出領域は同一としたが、必ずしも一致させる必要はない。パターンドメディアにおけるピッチは２５ｎｍ程度であるのに対し、光学センサによる検出領域は数μｍであり、２桁の差がある。場合によっては、光学センサによる検出領域よりも細かいピッチによって検出したい場合がある。

このような場合は、図１１に示すように、光学センサによる検出領域８０に対して測定ピッチ８１を小さくする。そうすると、平面方向の検出分解能を上げて、パターン配置や偏心量を正確に計測することが出来る。

一方、測定ピッチ８１を小さくすると測定に時間がかかる。平面分解能よりも、高速な検査を重視する場合は、測定ピッチ８１を検出領域８０よりも大きし、測定を間引いて行うことも出来る。

なお、図１１は検出領域８０は６角形としたが、これに限らず、丸、あるいは楕円、矩形等、必要に応じて形状を変えることが出来る。

本発明の一実施例の光学計測手段を備えた検査方式のフロー図である。本発明の光学系の一実施例である。検査試料であるパターンドメディアの全体図である。図３の一部を詳細に示した図である。各領域のパターンを詳細に示した図である。図５の各領域での分光波形を示した図である。分光波形から特徴量抽出を行う際の一実施例である。特徴量の測定結果を示した例である。本発明による試料走査を説明する図である。本発明による特徴量マップから回転中心とパターン中心のずれを算出した例である。光学手段による検出領域よりも測定ピッチを小さくして平面分解能を向上した例である。

符号の説明

1…試料の設計データ、 2…検査領域指定部、 3…領域分割部、 4…パターン分類部、 5…周期領域、 6…非周期領域、 7…光センサ検出部、 8…特徴量抽出部、 9…分類比較部、 10…検査結果、 11…特徴量マップのデータベース、 12…微小欠陥検出手段、 13…微小欠陥検出例、 20…試料（断面）、 21…対物レンズ、 22…ハーフミラー、 23…ハーフミラー, 24…集光レンズ、 25…光検出器、 26…白色光源、 27…偏光子、 28…検光子、 29…観察カメラ、 30…試料、 31…検査領域、 32…サーボ領域、 33…データ領域、 34…拡大領域、 35…サーボ領域、 36…データ領域、 37…クロック領域、 38…アドレス領域、 39…トラッキング領域、 40…分割領域、 41…クロック領域のパターン、 42…アドレス領域のパターン、 43…トラッキング領域のパターン、 44…データ領域のパターン、 51…データ領域、 36の分光波形、 52…トラッキング領域39の分光波形, 53…アドレス領域38の分光波形, 54…クロック領域、 37の分光波形, 60…特徴量１のマップ、 61…トラッキング領域、 62…特徴量２のマップ、 63…データ領域、 70…回転軸, 71…回転ステージ、 72…サンプル, 73…検出光学系, 74…検出時の回転中心、 75…パターン分布から算出した中心、 80…検出領域, 81…測定ピッチ。

Claims

パターンドメディアを設計情報に基づいて複数の領域に分割し、分割された領域毎にス
キャットロメトリー法によって予め選定した波長での光量を特徴量として抽出し、前記特徴量を設計データと比較することによって前記特徴量の平均値からの乖離度に基づいてパターンが正しく配置されているかを判定するパターンドメディアの検査方法。
パターンドメディアを設計情報に基づいて複数の領域に分割し、分割された領域毎にス
キャットロメトリー法によって予め選定した波長での光量を特徴量として抽出し、前記特徴量を過去に測定した同じ種類のパターンドメディアの同一領域と比較することによってパターンが正しく配置されているかを判定するパターンドメディアの検査方法。
パターンドメディアを設計情報に基づいて複数の領域に分割し、分割された領域毎にス
キャットロメトリー法によって予め選定した波長での光量を特徴量として抽出し、同一パターンドメディアの同一領域の他の部分と比較することによってパターンが正しく配置されているかを判定するパターンドメディアの検査方法。
スキャットロメトリー法は、白色光照明と分光検出系により分光状態を検知することを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパターンドメディアの検査方法。
前記設計データに基づいて分割された複数の領域は、検出部分のパターンの形状と周期
性を用いて分類されたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載
のパターンドメディアの検査方法。
データ領域とサーボ領域を有するハードディスク用のパターンドメディアの検査方法で
あって、
設計情報に基づいて検査領域を指定し、各検査領域毎にスキャットロメトリー法によっ
て測定したデータから予め選定した波長での光量を特徴量として抽出し、前記特徴量を設計情報と比較することによって前記パターンドメディアのパターンが正しく配置されているかを検査することを特徴とするハードディスク用のパターンドメディアの検査方法。
前記特徴量は特定波長における前記指定された領域における光量であることを特徴とす
る請求項６に記載のハードディスク用のパターンドメディアの検査方法。
前記抽出された前記特徴量と設計データから得られた特徴量を比較することによって、
前記ハードディスクの回転中心と前記パターンドメディアのパターン中心との差を計測す
ることを特徴とする請求項６に記載のハードディスク用のパターンドメディアの検査方法。
パターンドメディアを載置するステージと、前記パターンドメディア上に光を照射する照
明光学系と、照射された光の反射光を検出する検出光学系と、光電子素子を有するパター
ンドメディア検査装置であって、
パターンドメディア上の領域を設計情報を用いて特定する位置検知手段を有し
前記光電素子から出力された分光データから予め選定した波長での光量を特徴量として抽出する手段と、前記領域毎に前記特徴量を保存する保存手段を有し、
抽出した前記特徴量と前記保存手段に保存された特徴量を比較することによってパターンドメディアのパターンが正しく配置されているかを検査するパターンドメディア検査装置。
前記領域毎に保存された特徴量は設計データから得られた特徴量であることを特徴とす
る請求項９に記載のパターンドメディア検査装置。
前記領域毎に保存された特徴量は他のパターンドメディアの同一領域の特徴量であるこ
とを特徴とする請求項９に記載のパターンドメディア検査装置。
前記領域毎に保存された特徴量は同一のパターンドメディアの同一領域の他の部分にお
ける特徴量であることを特徴とする請求項９に記載のパターンドメディア検査装置。