(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物上の測定ポイントを非接触で順次測定する走査型の表面形状測定方法であって、
複数の測定ポイントの順次測定における測定開始時と測定終了時に、前記被測定物上の複数の位置にそれぞれ設定された複数の基準点を連続して順次測定するとともに、それぞれの位置毎の複数基準点における測定値の平均値を求め、前記複数の測定ポイントの測定値を測定開始時と測定終了時に測定した前記平均値に基づいて補正することを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項２】
被測定物上の測定ポイントを非接触で順次測定する走査型の表面形状測定方法であって、
複数の測定ポイントの順次測定における測定開始時と測定終了時に、前記被測定物上に設定された基準点を測定するとともにその時刻を記録し、測定開始時と測定終了時に測定した基準点の測定値と測定時刻から複数の測定ポイントを測定した瞬間における測定値のずれ量を補正することを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項３】
被測定物に対し、光スポットを照射してその表面形状を測定する走査型の表面形状測定装置であって、
請求項１乃至請求項２に記載の表面形状測定方法で被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の表面形状を測定するための表面形状測定装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
物体の表面形状の測定に関して従来より様々な装置及び方法が提案されてきており、近年の科学技術の高度化、複雑化により、あらゆる商品を構成する部品の形状、表面粗度において高度な寸法精度が要求されている。
【０００３】
そのような技術の流れにともない、電子部品やパソコン部品、特にハードディスク、ヘッド等については、寸法の高精度化が要求されるようになってきた。
【０００４】
そこで、かかる被測定物を測定する測定装置にも高い精度が要求される。
【０００５】
現在の測定装置で最も精度が高い測定装置としては、ナノメ−トルレベルの精度での測定が可能な触針式表面粗さ計や垂直分解能0.5Åの非接触３次元粗さ計等が挙げられるが、かかる装置は価格も高く、精度が高い反面、測定範囲が限定されているのが実情である。
【０００６】
これに対し、表面形状測定装置として、従来より接触式表面粗さ計等の測定装置や、レーザで測定する装置が知られている。これらの装置は価格も手頃で、走査も簡単で広範囲にわたる測定が可能なため、応用範囲が広く、幅広い分野に適用が可能なものである。
【０００７】
レーザ方式の測定装置のなかでも特に、ステージ走査型のレーザ光合焦方式の測定装置が知られている。
【０００８】
これは、レーザ発生源及びレーザ透過レンズの位置は固定するのに対し、被測定物を可動ステージに装着し、そのステージを二次元的に移動操作し、各々のステージ位置におけるレーザ光の合焦位置から被測定物の表面形状を３次元的に測定するものである。
【０００９】
上記測定装置に関して図面を用いて説明する。
【００１０】
図７は上記従来の測定装置の構成を示す図で、１０１は被測定物、１０２は被測定物を装着するＸＹステージ、１０３はレーザ発生源、１０４はレーザを透過させる対物レンズ、１０５はＡＦセンサ、１０６はＣＣＤカメラ、１０７は図中Ｚ軸方向に駆動可能なＡＦ駆動ステージ、１０８はシステムを制御するパソコン、１０９はＡＦコントローラである。
【００１１】
かかる構成の測定装置の動作を説明する。
【００１２】
まず、被測定物１０１はその測定面を上方に向けてＸＹステージ１０２上に装着される。次に、レーザがレーザ発生源１０３から照射され、対物レンズ１０４を通過して図中矢印の経路で被測定物１０１に到達する。
【００１３】
次に、被測定物１０１で反射したレーザは図中矢印の経路を通って、対物レンズ１０４を通過し、ＡＦセンサ１０５上に結像する。
【００１４】
この時、フォーカスが合っていない場合、ＡＦセンサ１０５上に結像したレーザスポットが大きくぼやける。ここで、レーザスポット径を最小とするように、パソコン１０８がＡＦコントローラ１０９を制御し、ＡＦ駆動ステージ１０７が対物レンズ１０４をＺ軸方向に駆動し、レーザースポット径が最小になった点のＺ座標値をパソコン１０８に記憶させる。
【００１５】
上記動作により、被測定物１０１上の、測定開始ポイントのデータが測定される。
【００１６】
上記動作を、ＸＹステージ１０２により、被測定物１０１を測定範囲にわたり移動させるに伴い順次行うことにより、被測定物１０１の表面形状が測定出来る。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の測定装置においては、以下の問題点があった。
【００１８】
第１に、上記測定法では、被測定面の範囲をＸ軸方向が５ｍｍ、Ｙ軸方向が５ｍｍとした場合、測定ピッチを１０ミクロンとすれば、ステージの走査において１ライン当たり平均５００ポイントの測定を５００ライン分行う必要があり、１ポイントの測定に約０．３秒を要するため、１ラインの測定には０．３×５００＝１５０秒、つまり２．５分を要し、５００ラインでは２．５×５００＝１２５０分、つまり２１時間もの長時間を要することとなる。
【００１９】
そうした場合、かかる長時間にわたる測定の中で、室温の変化により、測定装置自体の微少な寸法変化が生じ、レーザによって熱せられたレンズの焦点距離の変化が生じることとなる。
【００２０】
ここで、測定装置自体の寸法変化としては、室温変化に対しては、測定装置を構成する材質の熱膨張係数に、測定装置自体の大きさ、寸法を乗じただけの寸法の狂いが生じ、さらに対物レンズ１０４に対しては、レーザ透過時に生じる温度上昇により、焦点距離が変化し、測定結果も変わることになり、これらの狂いは大きい場合は数ミクロンにも及ぶものであった。
【００２１】
かかる事情により、サブミクロンオーダーの測定精度が要求される測定に対しては上記従来の測定装置は使えないものであった。
【００２２】
ここで、室温による測定装置自体の寸法変化については、測定を恒温室で行う等により回避出来るが、レーザ光によるレンズの焦点距離変化については対応が困難であり、レンズ材質を、温度変化に対して変化しにくいものに変える等の対策はあるものの、コストが極端に高くなる上に、根本的な解決には至っていないものであった。
【００２３】
第２に、上記したように、被測定物は薄型化、高精度化してきており、ステージへの被測定物の装着方法として、軽く接着するにとどめる程度の接着方法がとられることもあり、かかる装着方法が採られた場合には、長時間の測定の間に、被測定物がＺ軸方向へ平行移動するのみならず、微少ながら傾いてしまう場合もあり、その高さ変化、傾き変化の補正が困難であった。
【００２４】
そこで本発明は、走査型の表面形状測定装置において、室温変化、あるいはレンズの焦点距離の変化が生じても測定誤差の生じない、簡単な構成で温度依存性を解消することの出来る測定装置及び方法を提供するものである。
【００２５】
また本発明は被測定物が微少に傾いた場合でも容易に補正できる測定装置及び方法を提供するものである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の表面形状測定装置及び方法は、走査型の測定装置であって、長時間に及ぶ測定の途中で随時所定の測定点に戻り、所定測定点を反復して測定することにより、時間経過とともに変動する測定誤差を補正するものである。
【００２７】
さらに本発明は、測定途中で複数回測定する所定の測定点を測定した時刻を記録しておき、より正確に測定誤差の補正を行うものである。
【００２８】
さらに本発明は、測定途中で複数回測定する所定の測定点を広範囲にわたる複数箇所に配置することによって、時間経過とともに被測定物が傾いた場合でも、これら所定の測定点で定まる面を基準として、そのことによる測定誤差を補正できるものである。
【００２９】
かかる構成をとることにより、室温変化による装置自体の寸法変化及びレンズの焦点距離変化から生じる測定誤差を解消でき、恒温室等の設備も不要で、レンズ材質も従来のレンズ材質のまま使用できるもので、ステージ走査型測定装置の温度依存性を簡単に解消出来る。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、被測定物に対し、非接触でその表面形状を測定する走査型の測定装置であって、測定途中で前記被測定物上の所定のポイントを複数回測定することを特徴とする表面形状測定装置、としたものであり、かかる構成により、従来の測定機器においては回避が困難であった、長時間にわたる測定において生ずる温度依存性を解消することが出来る。
【００３１】
また、本発明の請求項３に記載の発明は、所定のポイントは複数個存在することを特徴とする請求項２記載の表面形状測定方法、としたものであり、かかる構成をとることにより、より正確な補正が可能となり、さらには、測定途中で被測定物が傾いたり、高さ方向に微動した場合でも正確に補正をすることが出来る。
【００３２】
また、本発明の請求項４に記載の発明は、所定のポイントを測定した時刻を記録することを特徴とする請求項２又は３記載の表面形状測定方法、としたものであり、かかる構成をとることにより、１ラインの測定に長時間を要する測定に際しても、より正確に補正をすることが出来る。
【００３３】
（実施の形態１）
表面形状測定装置の構成は従来と同様で、説明には図６を用いる。図１は本発明の実施の形態１における被測定物１に対する測定方法を説明する図である。図中、１は被測定物、２〜１０は被測定物１上の測定ポイント、１１は測定の第１ライン、１２は測定の第２ライン、１３は測定の第３ライン、１４は測定の第ｍ−１ライン、１５は測定の第ｍラインである。
【００３４】
また、図２は本実施の形態の測定方法を示すフローチャートである。
【００３５】
次に、その動作について説明する。
【００３６】
まず、被測定物１はその測定面を上方に向けてＸＹステージ１０２上に装着され、ＸＹステージ１０２は測定開始ポイントを測定する位置まで移動する。（図２のステップ１）
次に、レーザがレーザ発生源１０３から照射され、対物レンズ１０４を通過して図６中矢印の経路で被測定物１上の測定ポイント２に到達する。
【００３７】
次に、従来と同様の原理で測定ポイント２のデータが測定される。（図２のステップ２）この時のデータをＤ０とする。
【００３８】
次に、被測定物１が装着されたＸＹステージ１０２が図中のＸ軸方向矢印Ｍの向きに所定寸法だけ移動し、測定ポイント３を測定する。
【００３９】
その後順次移動し、その都度同様の測定を繰り返し、被測定物１上の、測定ポイント２を含むＸ軸方向の第１ライン１１上に存在する複数の測定ポイントのデータが得られる。（図２のステップ３）
次に、ＸＹステージ１０２は測定ポイント２を測定した位置まで移動し、再度、被測定物１上の測定ポイント２のデータを測定する。（図２のステップ４）
この時のデータをＤ１とする。（図２のステップ５）
次に、ＸＹステージ１０２は測定ポイント２を測定した位置から図１中のＹ軸方向矢印Ｎの向きに所定寸法だけ移動し（図２のステップ６）、測定ポイント５を測定し、さらにＸ軸方向矢印Ｍの向きに移動し、被測定物１上の、測定ポイント５を含むＸ軸方向の第２ライン１２上に存在する複数の測定ポイントのデータが得られる。（図２のステップ３）
次に、ＸＹステージ１０２は測定ポイント２を測定した位置まで移動し、再度、被測定物１上の測定ポイント２のデータを測定する。（図２のステップ４）
この時のデータをＤ２とする。（図２のステップ５）
次に、ＸＹステージ１０２は図中のＹ軸方向に所定寸法だけ移動し（図２のステップ６）、Ｘ軸に平行な第３ライン１３上に存在する複数の測定ポイントのデータが得られる。（図２のステップ３）
次に、ＸＹステージ１０２は測定ポイント２を測定した位置まで移動し、再度、被測定物１上の測定ポイント２のデータを測定する。この時のデータをＤ３とする。
【００４０】
これらの動作を繰り返し、被測定物１上の測定面の全範囲にわたってＸＹステージ１０２を走査させ、最後の動作として、データＤｍを測定した後、Ｘ軸に平行な第ｍライン１５のデータが得られる。（図２のステップ７）
ここで、データＤ０に対してデータＤ１〜Ｄｍのずれ量を図示したのが図３であり、図３では、例えばＤ５がＤ０に対して０．５μｍずれているが、これは、第４ラインの測定を開始する時点で測定装置が測定開始時に較べ、０．５μｍずれていることを示す。
【００４１】
従って、図３のずれ量を補正すれば（図２のステップ８）、被測定物Ａ上の測定面の正確な形状データが出せることになる。（図２のステップ９）
尚、本実施の形態では、１ライン測定毎に測定ポイント２のデータを採っているが、例えば５００ライン分の測定データを採る場合、２５ライン測定の度に測定ポイント２のデータを採るごとく、数ライン測定毎に測定ポイント２のデータを採る方法でも良い。
【００４２】
また、ライン毎に測定ポイント数の異なる場合等では、ライン毎の測定に要する時間も異なるため、所定の時間が経過する度に測定ポイント２のデータを採る方法でも良い。
【００４３】
また、本実施の形態では、対物レンズが固定で、被測定物が可動式テーブルに載置された走査型の測定装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、被測定物が固定で、対物レンズ側が移動式であっても良く、いわゆる走査型の測定装置に適用されるものである。
【００４４】
（実施の形態２）
図４は本実施の形態における被測定物１に対する測定方法を説明する図である。
【００４５】
本実施の形態が実施の形態１と比較して異なる点は、実施の形態１でＤ０〜Ｄｍを測定する際に測定ポイント２という１点のデータしか測定しなかったのに対し、本実施の形態では、Ｄ０〜Ｄｍに相当するデータとして、測定ポイント２のみならず、その近傍の数ポイントのデータを測定し、それらの平均をとって、Ｄ０〜Ｄｍに相当するデータとしている点にある。図４の２１〜２４はその近傍点を示す。
【００４６】
実際の方法を説明する。
【００４７】
まず、従来と同様の原理で近傍点２１，２２，２３，２４のデータが測定され、これらデータの平均値をＤ０とする。
【００４８】
次に、被測定物１が装着されたＸＹステージ１０２が測定ポイント２の測定位置まで移動する。
【００４９】
次に、被測定物１が装着されたＸＹステージ１０２が図中のＸ軸方向矢印Ｍの向きに所定寸法だけ移動し、測定ポイント３を測定する。
【００５０】
その後、実施の形態１と同様に、第１ライン１１上の測定データが得られる。
【００５１】
次に、ＸＹステージ１０２は近傍点２１，２２，２３，２４を測定した位置まで移動し、再度、これら近傍点のデータを測定し、その平均値をＤ１とする。
【００５２】
その後は実施の形態１と同様に、第２ライン１２上の測定データを得た後、近傍点２１，２２，２３，２４のデータの平均値Ｄ２を得、最後にデータＤｍを測定した後、Ｘ軸に平行な第ｍライン１５のデータが得られる。
【００５３】
ここで、データＤ０に対してデータＤ１〜Ｄｍのずれ量としては図３と同様の図面が得られ、これらデータＤ１〜ＤｍのデータＤ０からのずれ量を補正すれば、被測定物１上の測定面の正確な形状データが出せることになる。
【００５４】
被測定物１上の測定ポイント２近傍の表面粗度が粗い時には、測定途中においてＸＹステージ１０２を測定ポイント２の近傍に戻しても、微妙に位置がずれただけで、測定値が異なる場合が考えられ、かかる場合、本実施の形態では実施の形態１より正確な補正をすることが出来る。
【００５５】
この点に関して、近傍点の表面を被測定物１上の他の部分に比べて、研磨加工等により、表面粗度を小さくしておけば、より測定精度は向上する。
【００５６】
尚、本実施の形態では、Ｄ０〜Ｄｍの測定法として、数点のデータを測定してその平均値をとったが、数点の取り方としてドーナツ状に測定する方法、４点を正方形形状に測定する方法、３点を３角形状に測定する方法等でも良く、また、単に平均値とするのみならず、５点測定した場合、最大値及び最小値は無視し、３点の平均値を採用する等の方法でも良い。
【００５７】
また、近傍点のうちの１点として、測定ポイント２を含めても良い。
【００５８】
（実施の形態３）
図５は本実施の形態における被測定物１に対する測定方法を説明する図である。
【００５９】
本実施の形態が実施の形態１及び２と比較して異なる点は、実施の形態１及び２ではＤ０〜Ｄｍを測定する際に測定開始ポイントまでステージを移動させて、そこでの測定データを出していたのに対し、本実施の形態では、図５に示すごとく、測定途中随時、基準点２１〜２４、３１〜３４及び４１〜４４の複数点を測定する点にある。
【００６０】
まず、レーザがレーザ発生源１０３から照射され、基準点２１〜２４、３１〜３４及び４１〜４４のデータが測定される。この時のデータを基準点２１〜２４については測定値の平均値をＥ０、基準点３１〜３４については測定値の平均値をＦ０、基準点４１〜４４については同じくＧ０とする。
【００６１】
次に、第１ライン１１上に存在する複数の測定ポイントのデータが得られる。
【００６２】
次に、再度、基準点２１〜２４、３１〜３４及び４１〜４４のデータを測定する。この時のデータをそれぞれＥ１、Ｆ１、Ｇ１とする。
【００６３】
次に、第２ライン１２上に存在する複数の測定ポイントのデータが得られる。
【００６４】
次に、再度、基準点２１〜２４、３１〜３４及び４１〜４４のデータを測定する。この時のデータをそれぞれＥ２、Ｆ２、Ｇ２とする。
【００６５】
これらの動作を繰り返し、被測定物１上の測定面の全範囲にわたってＸＹステージ１０２を走査させ、最後の動作として、データＥｍ、Ｆｍ及びＧｍを測定した後、Ｘ軸に平行な第ｍライン１５のデータが得られる。
【００６６】
上記測定の中で、Ｅ０，Ｆ０及びＧ０から、基準点２１〜２４、３１〜３４及び４１〜４４で決まる面が求まり、その面をＨ０とする。
【００６７】
同じく、Ｅ１，Ｆ１及びＧ１から求まる面をＨ１とし、Ｅ２，Ｆ２及びＧ２から求まる面をＨ２、Ｅｍ，Ｆｍ及びＧｍから求まる面をＨｍとする。
【００６８】
これらの面Ｈ１〜Ｈｍが求まった時点で、Ｈ０からのずれ量が計算でき、さらには被測定面内のＸＹ座標から、ポイント毎のＺ座標値ずれ量が計算できる。
【００６９】
したがって、第１ラインについてはＨ１のＨ０からのずれ量をもとに補正し
、第ｍラインについてはＨｍのＨ０からのずれ量をもとに補正することが出来る為、被測定物が長時間にわたる測定の間に図６Ｚ軸方向に平行移動するのみならず、傾いてしまった場合も、正確な表面形状の測定を行うことが出来る。
【００７０】
尚、複数測定する基準点２１〜２４、３１〜３４及び４１〜４４は、その中に最初の測定ポイント２を含んでもよく、その測定個所も３箇所に限るものではない。
【００７１】
また、基準点２１〜２４、３１〜３４及び４１〜４４それぞれの平均値の計算法としては、実施の形態２で前述したと同様、単なる平均値でも、測定ポイント数を増減させても、また、最大値、最小値を無視する計算法でも良い。
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。
【００７２】
本実施の形態が実施の形態１と比較して異なる点は、測定ポイント２のデータを測定する毎にその時の時刻を記録しておく点である。
【００７３】
図６は、横軸に測定経過時間、縦軸にＤ１，Ｄ２，Ｄ３・・・のＤ０からのずれ量を示したグラフである。
【００７４】
図６において、例えば、時刻ｔ１においてＤ１を測定の後、第２ラインを測定し、その後、時刻ｔ３においてＤ２を測定する。Ｄ１、Ｄ２のＤ０からのずれ量はそれぞれａ，ｂとする。
【００７５】
ここで、Ｄ１測定時からＤ２測定時までのずれ量については、図６中の波線で示したように推移していると考えられる。
【００７６】
そこで、本実施の形態においては、この波線で示した推移を、実際の測定データに対して補正し、より正確なデータを得ようとするものである。
【００７７】
つまり、第２ラインの複数測定ポイントの中でも、図６中、時刻ｔ２にて、あるポイントを測定した瞬間におけるずれ量Ｅ（ａ）は次式で表される。
Ｅ（ａ）＝ａ＋（ｂ−ａ）×（ｔ２−ｔ１）／（ｔ３−ｔ１）
つまり、図６中、時刻ｔ２にて測定したポイントについては上記式より測定誤差が補正され、他のポイントについても同様に補正が可能で、実施の形態１よりもさらに細かな補正が可能となり、被測定物表面の正確な形状が測定出来ることとなる。
【００７８】
尚、上記に説明した全ての実施の形態において、本発明における表面形状測定方法は、従来の汎用測定機器に対して、ソフトウェアを組み込むことにより実現可能なものであり、かかるソフトウェアを記録したＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体が流通する形態も考えられる。
【００７９】
つまり、コンピュータに対して実行可能なプログラムを、これら記録媒体に記録しておくことにより、これら記録媒体をパソコンに装着し、プログラムを実行することにより、パソコンを介して従来の汎用測定機器を制御し、本発明を実施することも出来る。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の表面形状測定装置及び方法によれば、一般に走査型、と称される表面形状測定装置において、被測定物上の所定点を複数回測定することにより、従来の課題であった温度依存性を解消し、分解能の高い測定を高精度で行うことが可能となり、また、被測定物の基準面が傾いた場合においても補正が可能となり、簡単な構成で効果の大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における被測定物に対する測定方法を説明する図
【図２】本発明の測定方法を示すフローチャート
【図３】基準点の測定データのずれを示す図
【図４】本発明の実施の形態２における被測定物に対する測定方法を説明する図
【図５】本発明の実施の形態３における被測定物に対する測定方法を説明する図
【図６】基準点の測定データのずれを時間経過とともに示す図
【図７】従来例における走査型形状測定装置の構成を示す図
【符号の説明】
１  被測定物
２〜１０  測定ポイント
１１  第１ライン
１２  第２ライン
１３  第３ライン
１４  第ｍ−１ライン
１５  第ｍライン
２１〜２４、３１〜３４、４１〜４４  近傍点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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