(57)【要約】【課題】  安価で且つノイズの発生を抑制することができる微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器を提供する。【解決手段】  三次元に移動可能な移動ユニット１１の先端に所定方向に移動可能に構成され、その先端部を被測定物に接触させ走査することにより、プローブ先端部の位置座標を検出して前記被測定物の形状を測定する接触プローブ１２を用いた三次元座標測定式形状測定器であって、前記被測定物と接触する前記接触プローブ１２の先端部に、直径がφ500μｍ以下の球状に凝固させた微小金属球１４を配置する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元に移動可能な移動ユニットの先端に所定方向に移動可能に構成され、その先端部を被測定物に接触させ走査することにより、プローブ先端部の位置座標を検出して前記被測定物の形状を測定する接触プローブを用いた三次元座標測定式形状測定器であって、
前記被測定物と接触する前記接触プローブの先端部に、直径がφ500μｍ以下の球状に凝固させた微小金属球を配置することを特徴とする微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器。
【請求項２】
前記微小金属球は、真球度９９％以上の自由凝固面からなる表面を有することを特徴とする請求項１記載の微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器。
【請求項３】
前記微小金属球は、直径がφ50μｍ乃至φ300μｍであることを特徴とする請求項１または２記載の微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器。
【請求項４】
前記接触プローブの先端部に設けられた吸着孔の真空引きにより、前記微小金属球が着脱可能に構成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラ、顕微鏡、半導体製造装置等に用いられるレンズ、ミラー等の光学素子の光学面の三次元形状を測定するための形状測定器であって、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム、マイクロマシンとも呼ばれる）等の表面形状測定に用いられる接触プローブ（触針式プローブとも呼ばれる）を用いた三次元座標測定式形状測定器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レンズ、ミラーなどの光学素子における光学面の形状を測定する方法としては、大きく分けて直接形状測定法及び光波面測定法の２つの方法がある（例えば、非特許文献１〜３参照）。直接形状測定法は接触式と非接触式の２つの方法に更に大別され、接触式ではプローブを用いて直接被測定物に触れることにより被測定物の形状の測定を行う三次元座標測定式形状測定器、非接触式では焦点を合わせることで位置検出を行う光プローブを用いた三次元座標測定式形状測定器がある。一方、光波面測定法のうちの干渉法では、光源から出た光を２つ以上の光に分割し別々の光路を通ったあと再び重ね合わせた際に発生する光路差による干渉縞を捉え、これを解析することにより被測定物の表面形状や透過波面形状を求める。
【０００３】
特に、接触式三次元座標測定式形状測定器は、被測定物の形状に限定されることなく種々の形状を測定できるため、光学素子の製造には欠かすことができない。この接触式三次元座標測定式形状測定器では、例えば、接触プローブに対して数ｍＮ（ニュートン）程度の微圧力を一定に維持するように制御し、接触プローブと被測定物との距離を一定に保ちつつ接触プローブを移動させることにより接触プローブ先端部の変位量を計測し、被測定物の形状の測定を行う。接触式三次元座標測定式形状測定器が備える接触プローブの重要な役割は、被測定物の表面位置座標を正確に転写することである。したがって、接触プローブの先端部には、損耗等による誤差の発生を防止するため、ルビーやサファイアなどの極めて高硬度で、かつ高価な材料が用いられていた。
【０００４】
一般的に、接触式三次元座標測定式形状測定器は、被測定物上の複数の測定ポイントの三次元的座標を測定し、この複数の座標データに基づいて被測定物の形状全体の情報を得るものである。ここで、接触式三次元座標測定式形状測定器による被測定物上の測定ポイントでの三次元的座標の測定方法について説明する。まず、被測定物の任意の測定ポイントに接触プローブを接触させ、そのときの接触プローブの座標をレーザ測長計などのプローブ座標測定装置を用いて高精度に測定する。この接触プローブの形状は既知であるため、測定した接触プローブの座標に基づいて被測定物上の測定ポイントの座標を求めることができる。次に、接触プローブをプローブ移動装置により移動させ、同様の測定を繰り返し行う。そして、測定された被測定物上の複数の測定ポイントの三次元的座標データをデータ処理装置により処理することにより、被測定物の形状全体の情報を得ることができる。
【０００５】
ここで、もう少し詳しくこれらの測定方法について説明を行う。接触式形状測定器による測定において、接触プローブの移動方法は２つある。第１の方法は、第１の測定ポイントの座標を測定した後に、接触プローブを一旦被測定物から離して、第２の測定ポイントの上部まで移動させ、第２の測定ポイントに接触プローブを接触させて測定（以下、ポイント測定という。）を行うものである。即ち、離散的な測定ポイントを一定の決められた順序に測定するものである。第２の方法は、接触プローブを被測定物上に接触させた状態で、接触プローブを被測定物上に沿って一定の方向（測定方向）に摺動させつつ測定ポイントの測定を連続して行う（以下、連続測定という。）ものである。即ち、被測定物上に沿って接触プローブを連続的に移動（走査）させながら複数の測定ポイントを連続的に測定するものである。
【０００６】
なお、レンズなどの高精度が要求される光学部品を被測定物としてその形状を測定する場合には、その形状だけでなく、その形状の高低差よりも更に微小な形状誤差を評価しなければならない。しかし、形状測定値をそのままディスプレーに表示したのでは、この微小な形状誤差を表示することができず、この微小な形状誤差の有無を判別することができない。したがって、通常、光学部品の被測定物の評価において、測定点（Ｘ、Ｙ）のＺ座標を測定し、同一点（Ｘ、Ｙ）における設計値形状Ｚｄを算出し、（１）式のようにＺからＺｄを差し引くことにより形状誤差ＺＥを求め、これをディスプレー表示させることにより微小な形状誤差の有無の確認を行う。
ＺＥ＝ＺーＺｄ・・・（１）
【非特許文献１】K.Becker, E. Heynacher,SPIE Vol.733 (1986) p149
【非特許文献２】K.Yoshizumi, T. Murao, J. Masui, R. Imanaka, Y. Okino, Appl. Opt.26 (1987) p1647
【非特許文献３】H. Shiozawa, Y. Fukutomi, Proc. 9th ICPE (1990) p360
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述の第２の方法（連続測定）においては、第１の方法（ポイント測定）と比較して、接触プローブを被測定物上から離し、再び被測定物上に近づける動作がないため、総測定時間が短くなり効率的な測定を行うことができる。しかし、連続測定においては、接触プローブの接触圧力の程度や被測定物上に微小なゴミ等があった場合に、被測定物に対して移動（走査）する際に被測定物上にキズをつけるおそれがある。また、移動（走査）時の被測定物と接触プローブ間の摩擦により静電気が発生し、ノイズ（異常値）が発生することが頻繁にあった。したがって、座標測定式形状測定器において、接触プローブを被測定物に沿って移動（走査）させて測定する連続測定の場合には、測定データにノイズ（異常値）が含まれることがあり、形状を正確に精度良く測定することが難しかった。このノイズ（異常値）の発生原因としては次の３つが考えられる。
（１）被測定物上の塵に接触プローブが乗り上げ、接触プローブが測定方向にこの微小な塵を引きずることによる。
（２）被測定物上の微小なゴミ等の拭き取りや洗浄で使用した有機溶剤等や、超音波洗浄で使用した有機溶剤が蒸発せずに被測定物上に残渣したことによる。
（３）連続測定により被測定物と接触プローブ間で静電気力が発生し、周囲の微小なゴミが接触プローブに吸着し、接触プローブがこの微小なゴミを引きずることによる。
ただし、（１）の場合には、第１の方法（ポイント測定）で測定した場合においてもノイズ（異常値）の発生要因となる。特に、第２の方法（連続測定）の場合、接触プローブが被測定物の降りスロープを移動（走査）する際にノイズ（異常値）が生じ易い。その対応のため現状では、
（I）ゴミが残らないように被測定物を洗浄
（II）被測定物に静電気防止のための静電スプレーの吹き付け
（III）レンズクリーニングペーパー等で、有機溶剤残渣成分を取り除くために、被測定物が滑らかになるように念入りに乾拭き
等を行っているもののノイズ（異常値）を抑制するための方策は万全ではない。特にレンズ等の光学部品などの高精度が要求される品物を形状誤差に基づいて評価する場合、ノイズ（異常値）の影響を受けて正当な評価ができない。
【０００８】
更には、被測定物がレンズである場合、レンズの曲率が小さくなるとノイズ（異常値）の発生が頻出し、半導体製造装置内の投影レンズ等における精度の非常に高い表面形状測定を必要とする際には、このノイズ（異常値）を無視することができない。ノイズ（異常値）の程度によっては再測定しなければならないことがある。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、安価で且つノイズの発生を抑制することができる微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器は、三次元に移動可能な移動ユニットの先端に所定方向に移動可能に構成され、その先端部を被測定物に接触させ走査することにより、プローブ先端部の位置座標を検出して前記被測定物の形状を測定する接触プローブを用いた三次元座標測定式形状測定器であって、前記被測定物と接触する前記接触プローブの先端部に、直径がφ500μｍ以下の球状に凝固させた微小金属球を配置することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２記載の微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器は、前記微小金属球が真球度９９％以上の自由凝固面からなる表面を有することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３記載の微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器は、前記微小金属球の直径がφ50μｍ乃至φ300μｍであることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４記載の微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器は、前記接触プローブの先端部に設けられた吸着孔の真空引きにより、前記微小金属球が着脱可能に構成されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の重要な特徴は、従来、硬さを求めてルビー等が選択されていた接触プローブの先端に対して、直径がφ500μｍ以下の球状に凝固させた微小金属球を配置したことにある。本発明者らは、直径がφ500μｍ以下の球状に凝固させて製造できる微小金属球を用いることにより、ルビー等の測定精度を保つための精密加工、及びルビー等の微小球を得るための球状化加工を省略することを可能とした。また、導電性の微小金属球を用いることにより、発生した静電気を接触プローブを通して外部に逃がすことも可能となる。
【００１５】
ここで、直径がφ500μｍ以下の球状と規定したのは、これを越える大きさでは、ルビー等における加工もさほど困難ではなく、微小金属球を使用するメリットが少ないためである。測定精度を向上させるためにはより微小な球が好ましいが、測定精度向上と併せて製造の容易性を考慮した場合、φ50μｍないしφ300μｍの範囲が好ましい。
【００１６】
また、本発明に用いる微小金属球は、真球度９９％以上の自由凝固面からなる表面を有することが好ましい。高精度な形状測定のためには、真球度は真球に近いことが望ましいが、そして自由凝固面を有する金属球は、いうなれば凝固過程でその表面張力により、球状化させたものであり、製造性が良好である。さらに自由凝固面から凝固が進行したものであり、微小金属球の表面はその内部に比べて急冷されるため、微小金属球の表面は高硬度となり、先端部の硬さが要求される本発明にかかる接触プローブには好適である。
【００１７】
また、本発明に用いる微小金属球の金属の種類は、耐久性や被測定物の特性などを考慮して選定されることが望ましい。例えば、製造の容易性を考慮した場合ハンダ合金等の融点が５００℃以下の金属により形成されることが望ましいが、ハンダ合金等の低融点を有する金属は、金属球としての硬さが高くなく、耐久性に劣る。したがって、金属球の耐久性を考慮した場合には、高融点の金属により金属球を形成することが望ましいが、量産性（製造性）に劣る。
【００１８】
したがって、融点が１０００℃以上で比較的製造しやすい銅の微小物が、コストと製造性に優れており、本発明の三次元座標測定式測定器の接触プローブの先端に取り付ける微小金属球として有効である。また、より高融点を有する鉄、ニッケル、ステンレス等の合金、または電気抵抗の低い金や銀においても、直径５００μｍ以下の球上に凝固させた微小金属球を得ることは可能であり、コストや性能等を考慮して選択することができる。
【００１９】
本発明に適用する微小金属球を実際に得る方法としては、次の２つの方法を適用することが好ましい。
【００２０】
第１の方法は、金属溶湯を出湯として、所定の空中あるいは液中で凝固させる方法である。この第１の方法のなかでも、ブロードな粒度分布をもつ微粒子の製造方法（例えばアトマイズ法）では、所定の大きさの金属球を抽出するには大きな困難が伴う。そのため、たとえば特開２００１−２６２２０４号公報に開示されているが、あらかじめ金属溶湯を所定のサイズに分断凝固するように制御する方法が有効である。
【００２１】
また、第２の方法は、たとえば特開２００４−２３２０８４号公報に開示されているが、所定の大きさに切断した金属片を空中で加熱溶融させ、金属片に対応する体積の球を得る方法である。この第２の方法においては、加熱手段として熱プラズマ等の高温の熱源が有効であり、形状精度の良い金属球を製造することができる。この第２の方法は、高融点の材料を一旦溶解する第１の方法と比べて、少量、他品種の生産に有効である。
【００２２】
また、本発明では、微小金属球を使用するため、ルビー等よりも損耗性が劣るという問題がある。これに対しては、接触プローブ先端部に設けた吸着孔の真空引きにより、微小微金属球が着脱可能とすることで、交換容易とすることが有効である。高価なルビー等では、頻繁な交換は大きなコスト増となるが、上述した低コストの金属球においては、交換を前提とすることが測定精度維持にとって好ましいものとなる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器によれば、接触プローブの先端部に直径がφ５００μｍ以下の球状に凝固させた微小金属球を配置しており、この微小金属球は、導電性でかつ従来のもの（たとえばルビー等）と比較して１桁以上小さく表面が滑らかで真球度が高いものである。したがって、ノイズの発生要因となる静電気を微小金属球を通じて逃がすことができるため、従来の接触プローブの先端に配置されていたルビー等と比較して安価でかつノイズの発生を抑制することができ、高精度に被測定面の形状を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態にかかる微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器について説明する。まず、この実施の形態にかかる微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器が備える接触プローブの先端部に取り付けられる微小金属球の製造方法について説明する。
【００２５】
図１、図２は、微小金属球の製造装置の概略構成を示す図である。図１、図２に示すように、水冷管１０により冷却されているプラズマトーチ８は、プラズマ動作ガス供給装置１１によりプラズマ動作ガス供給位置６から供給されるプラズマ動作ガスと、コイル７から発生する高周波エネルギによりプラズマ炎３を発生する。銅（Ｃｕ）で構成される直径０．２ｍｍのワイヤを一定寸法に切断することにより作製された金属片を、原料供給装置１に投入することにより、キャリアガスと共に原料供給位置２よりプラズマ炎３内部の高温部（５０００〜１００００℃）に投入する。プラズマ炎中に投入された金属片は、ほぼ大気圧に調整された熱プラズマ気流中の落下過程において加熱され、溶解液滴となり、表面張力により球状となる。プラズマ炎内を通過した金属片は、チャンバ４内を落下しながら不活性ガス雰囲気中で凝固し、微小金属球１４（２４，３３）として下部の微小金属球回収部５に回収される。
【００２６】
結果、直径１９８．０μｍ〜２０５．８μｍ（目標直径２００μｍ）、真球度９９％〜１００％の自由凝固面からなる球面（表面）を有する銅の微小金属球９を約５００個製造した。なお、真球度とは、約５００個の微小金属球１４（２４，３３）の平均直径／最大径として算出された値を示している。
【００２７】
図３、図４は、この実施の形態にかかる接触プローブ部の概略構成を示す図である。まず、図３において、微小金属球１４は、プローブ棒１２に硬化時の収縮の少ない接着剤１３により固定されている。プローブ棒１２はエアーベアリング１１により三次元座標測定式測定器本体に固定されている。プローブ交換時にはプローブ棒１２と微小金属球１４を一体として交換を行う。また、図４においては、プローブ棒２２の先端まで空孔２３が空けられており、プローブ棒２２に微小金属球２４を取り付け、空孔２３内の空気を収縮させることによりプローブ棒２２に微小金属球２４が固定されている。図４の場合には、空孔２３への空気の出し入れを行うのみで微小金属球２４の取り替え（着脱）が可能であり、プローブ交換の際の大幅な時間短縮が可能である。
【００２８】
次に、この実施の形態にかかる上記の構成からなる接触プローブ部を備える微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器の構成及び動作について図５を参照して説明する。図５は、この実施の形態にかかるプローブユニットの概略構成を示す図である。微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器としては、プローブの先端である微小金属球の位置を正確に測定することが必要である。
【００２９】
微小金属球３３を固定しているプローブ棒３２はエアーベアリング３１に保持されている。プローブ棒３２の重量は小さなスプリングコイル４０で保持されることにより相殺されている。プローブの高さ方向の位置は、レーザ干渉計３８等により高精度に測定し、制御されている。すなわち、レーザ干渉計３８は、レーザ干渉計３８から射出され、プローブ棒３２上面に設置している反射ミラー３６により反射されるレーザ光を測定することにより、プローブの高さ方向の位置を高精度に測定している。プローブユニットはプローブベースプレートで３５にて真空ベロー３９を介して移動ステージに固定されており、各方向に対してレーザ干渉計３４等を用いて各位置を測定し、制御している。なお、プローブ棒３２とプローブベースプレート３５間の変位を制御する事により、プローブ先端の微小金属球３３と被測定物との接触圧を０．５ｍＮに保持している。この事により、プローブユニットの変形とプローブ先端の摩擦を抑制している。
【００３０】
プローブユニットは微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器本体に図６に示すように設置されている。土台５９の上にメトロジーフレーム５１とＸステージ５４、Ｙステージ５２、Ｚステージ５６の各ステージが載っている。被測定物をもつ被検物であるワーク５７はベースプレート５８をかいしてステージ上に積載されている。各専用レーザ干渉計によりＸＹＺ位置だけでなくプローブベースプレートの傾斜角とプローブ棒のＺ位置を測定する。
【００３１】
φ２０ｍｍの測定エリアをもつ合成石英ガラスの表面形状を微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器で測定結果を基に形状誤差を算出したものを図７及び図８に示す。図７ではプローブの先端に通常の三次元座標測定式形状測定器で使用されているルビー球の大きさφ１ｍｍのものを用いた場合の三次元座標測定式形状測定器での測定結果の形状誤差である。本測定は被測定物上を連続的に一方向にプローブを移動（走査）させながら測定する連続測定でおこなっている。ほぼ全ての移動（走査）でノイズ（異常値）が発生しており、面全体では非常に多くのノイズ（異常値）がある。この場合、異常値を取り除いて形状誤差等の解析を行うが、ほぼ全測定ポイントの１／４に到達し、解析結果の面形状への信頼度は非常に小さく再測定の必要性が生じる。
【００３２】
図８は図７の場合と同じ被測定物で同じ場所を図３または図４に示すプローブの先端に微小金属球を用いて同じ条件で測定を行った、微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器で得られた測定結果の形状誤差である。形状誤差にノイズ（異常値）は全く見られておらず、ノイズ（異常値）除去等の処理を全く行わずに、全測定点のデータを使用することが可能なために信頼性の高い測定結果が得られる。スケールに関しては、図７と図８では面内（横）方向は同じであるが、図８では、縦軸方向（Ｚ軸）を図７の約１４倍に拡大している。これはノイズ（異常値）がないことを明確に示すために縦軸方向（Ｚ軸）だけをスケールアップしたものである。以上の様に、本発明で得られた微小金属球をプローブの先端として用いることで、ノイズ（異常値）ない測定結果が得られる。
【００３３】
この実施の形態にかかる微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器によれば、接触プローブの先端部に直径がφ５００μｍ以下の球状に凝固させた微小金属球を配置しており、この微小金属球は、導電性でかつ従来のもの（たとえばルビー等）と比較して１桁以上小さく表面が滑らかで真球度が高いものである。したがって、ノイズの発生要因となる静電気を微小金属球を通じて逃がすことができるため、従来の接触プローブの先端に配置されていたルビー等と比較して安価でかつノイズの発生を抑制することができ、高精度に被測定面の形状を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この実施の形態にかかる微小金属球の製造装置の概略構成を示す図である。
【図２】この実施の形態にかかる微小金属球の製造装置の概略構成を示す図である。
【図３】この実施の形態にかかる微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器を構成するプローブ棒、微小金属球等の概略構成を示す図である。
【図４】この実施の形態にかかる微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器を構成するプローブ棒、微小金属球等の概略構成を示す図である。
【図５】この実施の形態にかかるプローブユニットの概略構成を示す図である。
【図６】この実施の形態にかかる微小金属プローブ球を用いた三次元座標測定式形状測定器の概略構成を示す図である。
【図７】本発明前の通常での測定でプローブの先端にφ１ｍｍのルビー球を用いた場合の三次元座標測定式形状測定器での測定結果の形状誤差を示すグラフである。
【図８】この実施の形態にかかる微小金属球をプローブの先端に用いた場合の三次元座標測定式形状測定器での測定結果の形状誤差を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１１，２１，３１…エアーベアリング、１２，２２…プローブ棒、１３…接着剤、１４，２４…微小金属球、２３…空孔、３１…エアーベアリング、３２…プローブ棒、３３…微小金属球、３４…レーザ干渉計のレーザ光（プローブベースプレート用）、３５…プローブベースプレート、３６…反射ミラー、３７…Ｚステージ、３８…レーザ干渉計のレーザ光（プローブ棒用）、３９…真空ベロー、４０…スプリングコイル、５１…メトロジーフレーム、５２…Ｙステージ、５３…プローブ、５４…Ｘステージ、５５…リファレンスミラー、５６…Ｚステージ、５７…ワーク（被測定物）、５８…ベースプレート、５９…マシンベース。
【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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【図８】
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