JPH0452401B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、物体間の微小間隔測定装置に係り、
特に磁気デイツクヘツドの浮上量の測定や、半導
体作製プロセスにおける膜厚の測定等、微小間隙
を高速度かつ高精度で行うために好適な微小間隔
測定装置に関する。

〔発明の背景〕

磁気デイスクヘツドの浮上量や、半導体作製プ
ロセスにおける膜厚等の測定技術として、従来ス
ペクトル幅の狭い波長の光を照射し、得られる干
渉縞の強度パターン分布の山や谷を求め次に波長
を変化させ、同様の測定を繰り返して行い、間隙
の絶対測定を行つていた。

しかしながら、前記従来技術には、次のような
欠点がある。

波長を変化させるのに時間を要する。

干渉縞強度パターンの山や谷の検出に時間を
要する。

真に測定したい間隙量は、前記干渉縞強度の
山や谷から外挿する必要があるため、正確な測
定ができない。

これらの点につき、図面に沿つてさらに詳しく
説明する。

第１図、第２図ａ，ｂ，ｃおよびｄは、微小間
隙測定の従来技術を示すもので、磁気デイスクヘ
ツドの浮上量の測定に適用した場合を示す。

その第１図に示すように、スペクトル幅の狭い
照射光１３は、ビームスプリツタ１４により微小
間隙Ｇの形成面に照射される。磁気デイスクヘド
の磁気ヘツド１１とガラスデイスク１２で反射し
た光は、干渉光となり、レンズ１６を通り、撮像
装置１７に入射する。この撮像装置１７には、干
渉縞が形成されるので、第２図ａに示すように磁
気ヘツド１１上の浮上面にｘ座標を取ると、ｘ軸
に沿つて干渉強度は第２図ｂ，ｃのように変化す
る。すなわち、第２図ｂは波長λがλ₁の場合の干
渉強度であり、波長λをλ₁からλ₂に変えると干渉
強度は第２図ｃのように変わる。それぞれについ
て、干渉強度が最大および最小となる位置を求め
れば、第２図ｃに示すように微小間隙Ｇが求ま
る。

なお、第１図、第２図ａ中１０１，１０２は被
測定部、第２図ｂ，ｃ中₁，₂は反射光の干渉
強度を示す。

しかし、この従来技術では第２図ｂの・印、お
よび第２図ｃの×印のみが測定され、実際に測定
したい被測定部１０１は第２図ｂ，ｃから得られ
る第２図ｄの間隙データを外挿するほかはない。
ところが、この外挿値は磁気ヘツド１１の面形状
が正確に分かつていない限り、正確に求まらない
という欠点があり、また高速度で測定できない欠
点もある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記従来技術の課題を解決す
べく、複数個所の微小間隔を高速度で、しかも高
精度に測定することができるようにした微小間隔
測定装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的を達成するために、多波長
可干渉光源と、この多波長可干渉光源から出射さ
れた多波長光束を複数の光束に分離し、分離され
た各光束を微小スポツトに集束させて、対向する
二つの面の間で微小間〓を形成する被測定部の異
なる複数の位置に照射させる微小スポツト照射手
段と、該被測定部の異なる複数の位置の各々にお
ける二つの面からの反射光による生ずる複数の干
渉光について各波長成分ごとに分離する波長分離
手段と、上記被測定部とほぼ結像関係にあり、上
記複数の位置の各々における上記被測定部を形成
する二つの面以外の面からの反射光を遮光し、上
記波長分離手段で分離された複数の干渉光の各々
について各波長ごとの干渉光を通す４つ以上の遮
光手段と、該遮光手段の各々を通過した複数の干
渉光の各々について各波長ごとに干渉光強度成分
を干渉光強度信号として別々に検出する４つ以上
の干渉光強度検出手段と、該干渉光強度検出手段
の各々により、複数の干渉光に対応させて、各波
長ごとに検出される干渉光強度信号の各々に対し
て、予め算出された各波長ごとの任意の干渉光強
度に対する間〓候補値の関係から共通する微小間
隔量を計算して上記被測定部の異なる複数の位置
での微小間隔について算出する微小間隔算出手段
とを備え、複数個所の微小間隔を予め算出された
各波長ごとの任意の干渉光強度に対する間〓候補
値の関係から高速度で、しかも被測定部を形成す
る二つの面以外の面からの反射光を遮光して複数
個所の微小間隔を高精度に測定することができる
ようにしたことを特徴とする微小間隔測定装置で
ある。

〔発明の実施例〕

まず、本発明の原理について第３図および第４
図に基づいて説明する。

本発明の原理を示すものは、多波長可干渉性光
源１８、スポツト形成手段１９、スポツト照射手
段１９、スポツト照射手段としてのビームスプリ
ツタ２１、ミラー２５、波長選択ビームスプリツ
タ２６〜２８、干渉フイルタ２９〜３２、レンズ
３３〜３６、スリツト３７〜４０、干渉強度検出
手段としての光強度検出器４１〜４４、演算実行
手段としての計算回路４５とを備えて構成されて
いる。

この原理においては、磁気ヘツド１１とガラス
デイスク１２とを備える磁気デイスクヘツドの浮
上量としての、前記磁気ヘツド１１の表面とガラ
スデイスク１２の裏面間の微小間隙について、１
個所の被測定部１０１を測定するようになつてい
る。

前記多波長可干渉性光源１８は、多数の波長成
分を有する可干渉光を同時に出射させるようにな
つている。

前記スポツト形成手段１９は、多波長可干渉性
光源１８から出射された多波長光を微小スポツト
２０に集束するようになつている。

前記ビームスプリツタ２１は、多波長の微小ス
ポツト２０を、微小間隙を有する物体としての磁
気ヘツド１１とガラスデイスク１２間の被測定部
１０１に照射させるようになつている。

前記ミラー２５は、磁気ヘツド１１の表面と、
ガラスデイスク１２の裏面と表面からの反射光２
２，２３，２４を波長選択ビームスプリツタ２６
〜２８に反射させるようになつている。

前記波長選択ビームスプリツタ２６〜２８と、
干渉フイルタ２９〜３２と、レンズ３３〜３６
と、スリツト３７〜４０とは、微小間隙を形成し
ている２面から反射した干渉光を各波長成分に分
離する波長分離手段を構成している。前記波長選
択ビームスプリツタ２６〜２８は微小間隙を形成
している２面である磁気ヘツド１１の表面とガラ
スデイスク１２の裏面からの反射光２２，２３の
干渉光を各波長成分ごとに分離するようになつて
いる。前記干渉フイルタ２９〜３２は、分離され
た各光から純粋の各波長成分のみ取り出すように
なつている。前記レンズ３３〜３６は、各波長ご
との光を集束するようになつている。前記スリツ
ト３７〜４０は、磁気ヘツド１１の表面とガラス
デイスク１２の裏面から反射した光の干渉光のみ
を選択的に取り出し、ガラスデイスク１２の表面
からの反射光を遮断し得るように配置されてい
る。

前記光強度検出器４１〜４４は、各波長成分の
光から干渉強度をほぼ同時に検出するようになつ
ている。

前記計算回路４５は、光強度検出器４１〜４４
の検出結果としての干渉強度信号に基づいて微小
間隙を計算するようになつている。

次に、本発明の原理に係る作用について説明す
る。

多波長可干渉性光源１８から出射された多数の
波長成分を有する光は、微小スポツト形成手段１
９により数十〜数百ミクロン径の微小スポツト２
０に集束され、この微小スポツト２０はビームス
プリンタ２１を介して磁気ヘツド１１とガラスデ
イスク１２間の被測定部１０１に照射される。

前記磁気ヘツド１１の表面とガラスデイスク１
２の裏面間の間隙は、0.2〜2μｍ程度の微小間隙
であるため、磁気ヘツド１１からの反射光２２
と、ガラスデイスク１２の裏面からの反射光２３
は同一光路を進み、干渉が生ずる。そして、被測
定部１０１への入射光は、ガラスデイスク１２に
対して数十〜十度程度の入射角を有しているた
め、ガラスデイスク１２の表面からの反射光２４
は第４図に拡大して示すように、前記反射光２
２，２３とは別の光路を通る。

前記磁気ヘツド１１の表面からの反射光２２と
ガラスデイスク１２の裏面からの反射光２３との
干渉光と、ガラスデイスク１２の表面からの反射
光２４は、ミラー２５により波長選択ビームスプ
リツタ２６〜２８に向かつて反射され、波長選択
ビームスプリツタ２６〜２８で多波長可干渉光の
各波長成分ごとに分離され、この分離された各光
から干渉フイルタ２９〜３２によりさらに純粋の
各波長成分のみが取り出され、各波長成分の光は
レンズ３３〜３６により集束され、スリツト３７
〜４０により磁気ヘツド１１の表面とガラスデイ
スク１２の裏面から反射した光の干渉光のみが取
り出され、ガラスデイスク１２の表面からの反射
光は遮断される。

各スリツト３７〜４０を透過した光は、光強度
検出器４１〜４４に送られ、干渉強度が検出さ
れ、その検出結果としての干渉強度信号は計算回
路４５に送られる。

前記計算回路４５には、あらかじめ各波長強度
に対する間隙候補値が計算されており、この計算
値から非常に短時間のうちに微小間隙量を計算す
る。

これにより、磁気デイスクヘツドの浮上量とし
ての、磁気ヘツド１１の表面とガラスデイスク１
２の裏面間の微小間隙について、被測定部１０１
の微小間隙を高速度で、しかも高精度で測定する
ことができる。

次に、本発明の実施例について第５図に基づい
て説明する。

この図に示す実施例のものは、多波長可干渉性
光源としての多波長同時発信レーザ４６、ビーム
拡大光学系４７、微小スポツト形成手段としての
集光レンズ４８、マルチビーム発生器５０、レン
ズ５３，５４、スポツト照射手段としてのビーム
スプリツタ５５、レンズ５８、ミラー５９、波長
選択ビームスプリツタ６０〜６２、レンズ６３〜
６６、干渉フイルタ６７〜７０、スリツト７１〜
７４、干渉強度検出手段としての光強度検出器７
５〜７８、演算実行手段としての計算回路７９と
を備えている。

そして、この実施例においては、磁気ヘツド１
１とガラスデイスク１２とを有する磁気デイスク
ヘツドの浮上量としての、前記磁気ヘツド１１の
表面とガラスデイスク１２の裏面間の微小間隙に
ついて、２個所の被測定部１０１，１０２を測定
すべく構成されている。

また、ガラスデイスク１２の表面には、反射防
止コーテイングが施されており、ガラスデイスク
１２の表面からの正反射光による影響を除去して
いる。

前記多波長同時発振レーザ４６は、多波長レー
ザビームを同時に発振し得るようになつている。

前記ビーム拡大光学系４７は、多波長レーザビ
ームを設定径に拡大するようになつている。

前記集光レンズ４８は、前記多波長レーザビー
ムを微小スポツト４９に集束するようになつてい
る。

前記マルチビーム発生器５０は、プリズム等を
有しており、微小スポツト４９を被測定部の数に
相当する本数のビーム、すなわちこの第２の実施
例では２本のビーム５１，５２に分割し得るよう
に構成されている。

前記レンズ５３は各ビームをそれぞれ平行なマ
ルチビームに形成し、他のレンズ５４は各ビーム
を互いに平行になし得るようになつている。

前記ビームスプリツタ５５は、各ビームを被測
定部１０１，１０２に反射させ、集光させ得るよ
うに配置されている。

前記レンズ５８は被測定部１０１，１０２から
反射した光の干渉光５６，５７をそれぞれ平行に
形成してミラー５９に送り、ミラー５９は各干渉
光を波長選択ビームスプリツタ６０〜６２に反射
させるようになつている。

前記波長選択ビームスプリツタ６０〜６２と、
レンズ６３〜６６と、干渉フイルタ６７〜７０
と、スリツト７１〜７４とにより、微小間隙を形
成している２面から反射した光の干渉光を各波長
成分に分離する波長分離手段を構成している。そ
の波長選択ビームスプリツタ６０〜６２は、各干
渉光を各波長成分ごとに分離するようになつてい
る。前記レンズ６３〜６６は、各波長成分ごとに
分離された光をスリツト７１〜７４の開口上に集
光させるように配置されている。前記干渉フイル
タ６７〜７０は各波長成分ごとに分離された光か
ら純粋な波長成分のみを取り出すようになつてい
る。前記スリツト７１〜７４は、干渉フイルタ６
７〜７０から取り出された各波長成分の光を光強
度検出器７５〜７８に透過させるように設置され
ている。

前記光強度検出器７５〜７８は、被測定部１０
１，１０２に対応させてそれぞれ検出素子７５
１，７５２の組、７６１，７６２の組、７７１，
７７２の組、７８１，７８２の組を有し、被測定
部１０１，１０２の反射光の各波長成分ごとの干
渉強度をほぼ同時に検出し得るように構成されて
いる。

前記計算回路７９は、検出素子７５１，７５２
の組７６１，７６２の組、７７１，７７２の組、
７８１，７８２の組から送り込まれる検出結果と
しての干渉強度信号に基づいて、被測定部１０
１，１０２の微小間隙量を計算するようになつて
いる。

ついで、この実施例の作用について説明する。

多波長同時発振レーザ４６から発振された多波
長レーザビームは、ビーム拡大光学系４７により
設定幅のビームに拡大され、ついで集光レンズ４
８により微小スポツト４９に集束される。

前記集光レンズ４８により集束された微小スポ
ツト４８は、マルチビーム発生器５０により、こ
の実施例では被測定部１０１，１０２に対応して
２本のビーム５１，５２に分割され、各ビーム５
１，５２はレンズ５３によりそれぞれ平行なビー
ムに形成され、ついで２本のビームはレンズ５４
により互いに平行に形成され、ビームスプリツタ
５５に送られる。

前記２本のビームは、ビームスプリツタ５５に
より反射され、被測定部１０１，１０２に集光さ
れ照射される。

各被測定部１０１，１０２で各ビームが反射さ
れた光の干渉光５６，５７は、ビームスプリツタ
５５およびレンズ５８を透過し、ミラー５９で反
射され、波長選択ビームスプリツタ６０〜６２に
より各波長成分ごとに分離され、ついでレンズ６
３〜６６によりスリツト７１〜７４の開口上に集
光され、その間干渉フイルタ６７〜７０により純
粋の各波長成分のみが取り出され、スリツト７１
〜７４を透過する。

各スリツト７１〜７４を透過した光は、被測定
部１０１，１０２ごとの干渉強度を検出する光強
度検出器７５〜７８の検出素子７５１，７５２の
組、７６１，７６２の組、７７１，７７２の組お
よび７８１，７８２の組に導かれ、これら８個の
検出素子によりほぼ同時に干渉強度が検出され、
その干渉強度信号は計算回路７９に送り込まれ
る。

前記計算回路７９には、第２図ｂとｄおよび第
２図ｃとｄに示すように予め各波長について、任
意の干渉強度に対する複数の間〓候補値が計算さ
れていて、この計算値（間〓候補値）から上記入
力される各波長毎の干渉強度信号に対して共通す
る微小間〓量が極めて短時間のうちに求まる。

この実施例では、複数個所の被測定部を同時
に、高速度でかつ高精度に測定することができ
る。

なお、この実施例では前述のごとくガラスデイ
スク１２の表面に反射防止コーテイングが施され
ており、ガラスデイスク１２の表面からの正反射
光による影響を除去するようにしているが、前記
実施例のように、ガラスデイスク１２への入射角
を数度にし、スリツトによりガラスデイスク１２
の表面からの反射光を除去するようにしてもよ
い。

また、前記実施例において、干渉強度検出手段
としての光強度検出器を、時間的間隔をおいて
次々に検出し得るように構成し、演算実行手段と
しての計算回路で刻々の検査結果から微小間隙量
を計算し得るようにすれば、微小間隙の動的変化
を測定することが可能である。

さらに、非常に高速の変化を測定する場に合
は、計算回路のメモリに一旦データを蓄積し、デ
ータ採取後、計算を行つてもよい。

また、本発明ではスポツト位置変化手段を設
け、任意の測定個所を選択的に測定するようにし
てもよい。

なお、第１、第２の実施例とも、図示の磁気デ
イスクヘツドの浮上量の測定のみならず、半導体
作製プロセスにおける膜厚測定等、微小間隙測定
一般に適用することができる。

前記実施例によれば、従来技術との対比におい
て、次のような効果がある。

(1) 多波長可干渉性光源からの出射光を被測定部
にのみ集光するため、微小間隙を有する物体の
全体をカバーするように大きなビーム径で照射
する場合に比べ、検出信号が非常に大きくな
る。

例えば、磁気デイスクヘツドの浮上量を測定
する場合、磁気ヘツドとガラスデイスク面の間
隙は0.2〜2μｍ程度あり、しかも傾いているた
め場所により間隙が異なる。したがつて、正確
な測定を行うには50μｍ程度の領域の間隙を測
定する必要がある。いま、磁気ヘツドの概略寸
法を４mm口とすると、磁気ヘツド全体を照射す
る場合と、50μｍφの領域を集中照射する場合
では、被測定部からの反射光強度の比は13000
となる。微小間隙を形成している物体の反射
率、光学系のロスを考慮すると、光源からの各
波長の出射光量の0.5％程度が受光される。各
波長の光量を例えば10ｍｗとすると、本発明で
の受光強度は50μwと大きくなる。一方、従来
技術における全体一様照射法では4nwとなり、
このような微弱光量でSN比をよくして検出す
ることは非常に困難である。これに対して本発
明においては干渉強度の絶対測定を100以上の
SN比で測定することができる効果がある。

(2) 前述のように、従来技術では干渉縞の最暗部
または最明部の位置を求め、この位置での間隙
量から被測定部の間隙を外挿して求めるように
しているので、微小間隙を有する物体の面形状
が分かつていないと、正確に間隙量を求めるこ
とができない。これに対して、本発明では被測
定部を直接測定するため、精度は0.005μｍ以下
と非常に正確になる。

(3) 本発明では少数個所の干渉強度データを求め
るようにしているので、各測定データは同時に
求めることが可能であり、検出時点での正確な
微小間隙量を求めることができる。これに比
べ、従来の干渉画像を取り出す方法では、画像
の情報を取り出すのに数十ｍｓを要するため、
瞬間での情報が得られず、時間平均的な値とな
る。したがつて、動的な間隙変化を測定しよう
とすると、動的変化の測定周期を短くすること
は非常に困難となるばかりでなく、短時間に計
算できないため、非常に多数のデータを一旦保
存し、これを長時間かけて処理する必要があ
る。これに対して、本発明では少数のデータを
並列処理でき、短時間のうちにデータ処理でき
るため、微小間隙の高速の変化を正確に測定す
ることが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、３つ以
上の面からの反射光が得られる例えば透明物体の
内部に存在する微小間隔から複数個所について同
時に非常に高感度の大きな干渉光強度信号を得
て、微小間隔を複数個所について高速度で、且つ
高精度で測定することができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図ａ，ｂ，ｃおよびｄは微小間隙
の従来の測定方法を示す図、第３図は本発明の原
理を示すブロツク図、第４図は第３図の被測定部
の反射光の光路を示す拡大図、第５図は本発明方
法を実施する装置の実施例を示すブロツク図であ
る。 １１……測定すべき微小間隙を有する物体とし
ての磁気ヘツド、１２……同ガラスデイスク、１
０１，１０２……被測定部、１８……多波長可干
渉性光源、１９……スポツト形成手段、２０……
微小スポツト、２１……スポツト照射手段として
のビームスプリツタ、２２〜２３……反射光、２
６〜２８……波長分離手段を構成する波長選択ビ
ームスプリツタ、２９〜３２……同干渉フイル
タ、３３〜３６……同レンズ、３７〜４０……同
スリツト、４１〜４４……干渉強度検出手段とし
ての光強度検出器、４５……演算実行手段として
の計算回路、４６……多波長可干渉性光源として
の多波長同時発振レーザ、４７……ビーム拡大光
学系、４８……スポツト形成手段としての集光レ
ンズ、４９……微小スポツト、５０……複数個の
微小スポツトを形成する手段としてのマルチビー
ム発生器、５１，５２……微小スポツトとしての
ビーム、５３，５４……複数個の微小スポツトを
導くレンズ、５５……スポツト照射手段としての
ビームスプリツタ、５６，５７……被測定部の反
射光、６０〜６２……波長分離手段を構成する波
長選択ビームスプリツタ、６３〜６６……同レン
ズ、６７〜７０……同干渉フイルタ、７１〜７４
……同スリツト、７５〜７８……干渉強度検出手
段としての光強度検出器、７９……演算実行手段
としての計算回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 多波長可干渉光源と、この多波長可干渉光源
   から出射された多波長光束を複数の光束に分離
   し、分離された各光束を微小スポツトに集束させ
   て、対向する二つの面の間で微小間〓を形成する
   被測定部の異なる複数の位置に照射させる微小ス
   ポツト照射手段と、該被測定部の異なる複数の位
   置の各々における二つの面からの反射光による生
   ずる複数の干渉光について各波長成分ごとに分離
   する波長分離手段と、上記被測定部とほぼ結像関
   係にあり、上記複数の位置の各々における上記被
   測定部を形成する二つの面以外の面からの反射光
   を遮光し、上記波長分離手段で分離された複数の
   干渉光の各々について各波長ごとの干渉光を通す
   ４つ以上の遮光手段と、該遮光手段の各々を通過
   した複数の干渉光の各々について各波長ごとの干
   渉光強度成分を干渉光強度信号として別々に検出
   する４つ以上の干渉光強度検出手段と、該干渉光
   強度検出手段の各々により、複数の干渉光に対応
   させて、各波長ごとに検出される干渉光強度信号
   の各々に対して、予め算出された各波長ごとの任
   意の干渉光強度に対する間〓候補値の関係から共
   通する微小間隔量を計算して上記被測定部の異な
   る複数の位置での微小間隔について算出する微小
   間隔算出手段とを備えたことを特徴とする微小間
   隔測定装置。