(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置筐体と、
前記装置筐体に固定された光学式表面形状測定機であって、測定対象物の複数箇所の測定面領域の三次元表面形状を測定する光学式表面形状測定機と、
前記装置筐体に固定された高さ測定機であって、前記光学式表面形状測定機で測定した前記複数箇所の測定面領域の各測定面領域内に指定した少なくとも１箇所の高さ測定点の高さ測定を行う高さ測定機と、
前記光学式表面形状測定機で測定した前記複数箇所の測定面領域の各面測定データにおける前記高さ測定点の各測定値の相対的位置関係を、前記高さ測定機で測定した前記高さ測定点の各測定値の相対的位置関係に合わせるように前記各面測定データを移動補正するデータ演算部と、
前記測定対象物を前記光学式表面形状測定機及び前記高さ測定機に対して並進移動させる水平面移動ステージと、
を備え、前記移動補正された各面測定データを当該測定対象物の前記複数箇所の測定面領域の三次元表面形状のデータとする表面形状測定装置。
【請求項２】
前記光学式表面形状測定機が、白色干渉計である請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記高さ測定機が、触針式検出器である請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記高さ測定機が、レーザーオートフォーカス式検出器である請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記触針式検出器に加えて、別の高さ測定機としてレーザーオートフォーカス式検出器をさらに備える請求項３に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
前記水平面移動ステージの真直度が５０ｎｍ／５ｍｍ以下である請求項１乃至５の何れか一項に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
前記水平面移動ステージの真直度が５ｎｍ／５ｍｍ以下である請求項１乃至５の何れか一項に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
測定対象物を水平面移動ステージ上に設置する工程と、
前記水平面移動ステージによって前記測定対象物を並進移動させて該測定対象物の複数箇所の測定面領域を装置筐体に固定された光学式表面形状測定機の測定視野に順次合わせ、前記複数箇所の測定面領域の三次元表面形状を前記光学式表面形状測定機で順次測定し、前記複数箇所の測定面領域の各面測定データを取得する第一の工程と、
前記水平面移動ステージによって前記測定対象物を並進移動させて前記光学式表面形状測定機で測定した前記複数箇所の測定面領域の各測定面領域内に指定した少なくとも１箇所の高さ測定点を前記装置筐体に固定された高さ測定機の測定位置に順次合わせ、前記高さ測定点の高さ測定を前記高さ測定機で順次行い、各高さ測定値を取得する第二の工程と、
前記光学式表面形状測定機で測定した前記複数箇所の測定面領域の各面測定データにおける前記高さ測定点に対応する各測定値の相対的位置関係を前記高さ測定機で測定した前記高さ測定点の各測定値の相対的位置関係に合わせるように前記各面測定データを移動補正する第三の工程と、
を有する表面形状測定方法。
【請求項９】
前記複数箇所の測定面領域が互いに重なり合う領域を持たない離れた領域である請求項８に記載の表面形状測定方法。
【請求項１０】
前記高さ測定点が、前記光学式表面形状測定機で測定した前記複数箇所の測定面領域の各測定面領域内に指定した少なくとも３箇所の高さ測定点である請求項９に記載の表面形状測定方法。
【請求項１１】
前記移動補正が高さ方向及び測定面の傾きの補正である請求項１０に記載の表面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式表面形状測定機により一つの測定対象物の複数箇所の表面形状を複数回に分けて測定した表面形状測定データの相対的位置関係を、触針式検出器等の高さ測定器により測定された測定データに基づいて補正を行う表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の表面形状を高精度に測定する方法として、レーザー光や白色光等の光干渉を利用した光学式表面形状測定方法が知られている。このような光干渉を利用した光学式表面形状測定機においては、測定の水平分解能を高めるため高倍率の対物レンズが使用され、それに伴い測定視野は小さくなり、一度に測定できる測定面領域はサブミリメートル若しくはそれ以下となることが多い。そのため測定を行おうとする領域を一度の測定で測定できない場合がある。このように測定対象となる領域が表面形状測定装置の測定視野を超える場合には、一般に、測定面領域を走査して複数回の測定を行い、得られた複数の面測定データを繋ぎ合せて表面形状測定装置の測定視野以上の面積の表面形状測定結果を得るというスティッチング法（開口合成法）が利用されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２９０９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スティッチング法を利用する場合には、測定対象とする領域が光干渉法などを利用した光学的表面形状測定機で測定可能な面で連続していることが必要であり、途中に測定不可能な面があることにより測定可能な面が連続していない場合には、その間の測定データをスティッチング法で繋ぎ合せることができなくなるという不都合が生じる。
【０００５】
また、ある特定の離れた領域の表面形状を光学式表面形状測定機により測定する必要があって、その間の領域の測定は必要ない場合、その離れた領域の表面形状に関する測定データの相対的な位置関係を、スティッチング法を用いて調整する場合には、その間の領域の表面形状の測定も行ってデータの繋ぎ合せをしなければならない。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明は、測定対象物の複数箇所の測定面領域の三次元表面形状を測定する光学式表面形状測定機と、前記光学式表面形状測定機で測定した前記複数箇所の測定面領域の各測定面領域内に指定した少なくとも1箇所の高さ測定点の高さ測定を行う高さ測定機と、前記光学式表面形状測定機で測定した前記複数箇所の測定面領域の各面測定データにおける前記高さ測定点の各測定値の相対的位置関係を、前記高さ測定機で測定した前記高さ測定点の各測定値の相対的位置関係に合わせるように前記各面測定データを移動補正するデータ演算部と、を備え、前記移動補正された各面測定データを当該測定対象物の前記複数箇所の測定面領域の三次元表面形状のデータとする表面形状測定装置である。
【０００８】
三次元表面形状の測定を行う光学式表面形状測定機とは別に高さ測定機を一体として備えており、更に光学式表面形状測定機で測定した複数箇所の測定面領域の各面測定データ間の相対的な位置関係を高さ測定機で測定した相対的位置関係で補正をすることができるデータ演算部を有している。これにより、複数の面測定データの相対的位置関係を高精度に合わせることができるようになる。
【０００９】
具体的には、光学式表面形状測定機が白色干渉計であるようにすることができる。
【００１０】
さらに具体的には、高さ測定機が触針式検出器であるようにすることができる。
【００１１】
また、高さ測定機がレーザーオートフォーカス式検出器であるようにすることもできる。
【００１２】
触針式検出器では測定が困難である液状の表面などの測定を行う場合にはレーザーオートフォーカス式検出器を用いることが有効である。
【００１３】
別の態様では、触針式検出器に加えて、別の高さ測定機としてレーザーオートフォーカス式検出器をさらに有するようにすることもできる。
【００１４】
触針式検出器とレーザーオートフォーカス式検出器を共に備えることで様々な測定対象に1台の装置で対応可能となり、測定の利便性が向上する。
【００１５】
好ましくは、前記測定対象物と前記光学式表面形状測定機及び前記高さ測定機を相対的に移動させる移動手段をさらに備えるようにすることができる。
【００１６】
より好ましくは、前記移動手段が、前記測定対象物を並進移動させる水平面移動ステージであって、前記光学式表面形状測定機及び前記高さ測定機が装置筺体に固定されているようにすることができる。
【００１７】
表面形状測定装置が対象とする測定対象物は、多くの場合、光学式表面形状測定機や高さ測定機に比べて小さく軽いため、測定対象物を移動させるようにして測定機は固定しておく方が、装置全体として小型軽量を実現でき、また、測定機に余分な振動を与えることもないので、測定精度を高く保つことも可能となる。
【００１８】
より好ましくは、前記水平面移動ステージの真直度は５０ｎｍ／５ｍｍ以下である。
【００１９】
さらに好ましくは、前記水平面移動ステージの真直度は５ｎｍ／５ｍｍ以下である。
【００２０】
水平面移動ステージの真直度を高くすることは、異なる場所の高さ測定の精度を向上させることになる。
【００２１】
また、本発明の別の観点では、測定対象物の複数箇所の測定面領域の三次元表面形状を光学式表面形状測定機で測定して前記複数箇所の測定面領域の各面測定データを取得する第一の工程と、前記光学式表面形状測定機で測定した前記複数箇所の測定面領域の各測定面領域内に指定した少なくとも1箇所の高さ測定点の高さ測定を高さ測定機で行い各高さ測定値を取得する第二の工程と、前記光学式表面形状測定機で測定した前記複数箇所の測定面領域の各面測定データにおける前記高さ測定点に対応する各測定値の相対的位置関係を前記高さ測定機で測定した前記高さ測定点の各測定値の相対的位置関係に合わせるように前記各面測定データを移動補正する第三の工程と、を有する表面形状測定方法である。
【００２２】
具体的には、前記複数箇所の測定面領域が互いに重なり合う領域を持たない離れた領域であるようにすることができる。
【００２３】
本発明に係る表面形状測定方法は、このように各測定面領域が互いに重なり合うオーバーラップ領域を持たず、従来のスティッチング法が利用できない場合に特に有効である。
【００２４】
好ましくは、前記高さ測定点が、前記光学式表面形状測定機で測定した前記複数箇所の測定面領域の各測定面領域内に指定した少なくとも３箇所の高さ測定点であるようにすることができる。
【００２５】
また具体的には、前記移動補正が高さ方向及び測定面の傾きの補正であるようにすることができる。
【００２６】
以下、本発明に係る表面形状測定装置及び表面形状測定方法を添付図面に基づき説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る表面形状測定装置の実施例の概略図である。
【図２】白色干渉計の構成を示す概略図である。
【図３】本発明に係る表面形状測定装置の別の実施態様であって、高さ測定機としてレーザーオートフォーカス式検出器を採用したときの表面形状測定装置の概略図である。
【図４】本発明に係る表面形状測定装置のさらに別の実施態様であって、２つの高さ測定機として触針式検出器とレーザーオートフォーカス式検出器を備えた表面形状測定装置の概略図である。
【図５】本発明に係る表面形状測定方法を示すフローチャートである。
【図６】白色干渉計で２つの場所の表面形状を測定した際の面測定データを示す測定例である。
【図７】触針式検出器で測定した高さ測定値と相対的位置関係を示す測定例である。
【図８】面測定データの高さ方向補正及び測定面の傾き補正を示す実施例である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１に示す本発明の一実施例に係る表面形状測定装置１０は、白色干渉計１１、触針式検出器２２、高真直度ＸＹ軸ステージ１２及びデータ演算部１３を備え、白色干渉計１１、触針式検出器２２、高真直度ＸＹ軸ステージ１２はそれぞれ装置ベース２１に固定されている。
【００２９】
図２に示すように白色干渉計１１は、参照ミラーを内蔵する干渉用対物レンズ１５、測定用アクチュエータ１６、光学ヘッド１７及びＣＣＤカメラ１９を備えている。干渉用対物レンズ１５は測定対象に合わせて適当な倍率のものが選択され、特に測定の水平分解能を高くしたい場合には高倍率のレンズを選定することとなる。測定用アクチュエータ１６は、干渉縞測定時に干渉用対物レンズ１５を精密に垂直走査させて干渉用対物レンズ１５と測定対象物３０の距離を変化させるために使用される。測定用アクチュエータ１６にはリニアスケールが内蔵されており、アクチュエータによる変化量を正確に測定できるようになっている。光学ヘッド１７には光源１８が内蔵されており、光源１８からの光を適切に干渉用対物レンズ１５に導く光学系と、干渉用対物レンズ１５に内蔵された参照ミラーと、測定対象物３０からの反射光による干渉縞を正確にＣＣＤカメラの撮像面に結像させる光学系が内蔵されている。本装置では、光源として高輝度白色ＬＥＤを採用している。従来のハロゲンランプに比べて熱の発生が抑えられるため、僅かな熱膨張であっても測定誤差の要因となる微細表面形状測定には特に有効である。白色干渉計１１は、当該白色干渉計を上下動するためのＺ軸駆動部２０を介して装置ベース２１に固定されている。
【００３０】
当該表面形状測定装置１０の触針式検出器２２は、高さ方向の最高分解能０．１ｎｍ、段差測定再現性２ｎｍ以内（１σ）を保証するものであり、例えば、株式会社小坂研究所製の微細形状測定機ＥＴシリーズにも採用されている触針式検出器を用いることができる。
【００３１】
白色干渉計１１の下部に位置し、装置ベース２１に固定された水平面移動ステージは、ＸＹ軸方向に駆動可能な高真直度ＸＹ軸ステージ１２である。本実施例で使用した高真直度ＸＹ軸ステージ１２は、その真直度が１００ｍｍ移動時で０．１μｍ、５ｍｍ移動時で５ｎｍを保証する高真直度のステージであり、例えば、株式会社小坂研究所製の微細形状測定機ＥＴシリーズにも採用されているステージを使用することができる。高真直度ＸＹ軸ステージ１２は、測定対象物の測定面領域を白色干渉計１１の測定視野まで移動するために使用される。また、白色干渉計１１で測定した測定面領域内の任意に指定した場所を触針式検出器２２で測定できるように測定対象物を移動するためにも使用される。
【００３２】
データ演算部１３は、白色干渉計１１、触針式検出器２２、高真直度ＸＹ軸ステージ１２のそれぞれとデータを通信するコンピュータにより実現している。当該データ演算部１３は、白色干渉計１１で測定した複数の三次元表面形状データ間の相互の相対的位置を触針式検出器２２で測定した高さ測定データに基づいて高さ方向の位置及び傾きについて補正をする機能を有する。白色干渉計１１は、異なる２つの測定面を測定した場合には、両測定における高さに関する測定基準にずれが生じやすい。従って、これら測定データの高さ調整が必要となる。また、白色干渉計１１の光軸方向と高真直度ＸＹ軸ステージ１２の移動方向が垂直でない場合には、２つの測定面データは、その分だけ傾いて測定されることとなる。このため、通常は傾き方向の補正が必要となる。ただし、予め白色干渉計１１と高真直度ＸＹ軸ステージの取り付け角度が正確に分かっている場合には、必ずしも触針式検出器２２の測定結果に基づいて傾き補正する必要はなく、事前に測定した傾き情報に基づいて補正することも考えられる。高さ方向のみの補正を行う場合には、各測定面領域内に指定した最低1箇所の高さ測定点の高さ測定で補正は可能であるが、傾き方向の補正も伴う場合には各測定面領域に対して最低でも３箇所の高さ測定点の高さ測定を行う必要がある。また、実際の測定では、点の測定ではなく、ある長さの線上の高さを数本測定することも行われる。当該補正の具体的な方法については後述する。
【００３３】
なお、当該表面形状測定装置では、光学式表面形状測定装置として白色干渉計を採用したが特に白色干渉計に限定されるわけではなく、その他の光学式表面形状測定装置、例えば位相シフト法やレーザービーム走査を備えた表面形状測定装置とすることも可能である。
【００３４】
本発明に係る表面形状測定装置の別の実施例では、図３に示すように触針式検出器２２に代えてレーザーオートフォーカス式検出器２３を備える。測定対象物が触針式検出器２２では測定が難しい物、例えば液状の物、である場合に特に有効である。
【００３５】
本発明に係る表面形状測定装置のさらに別の実施例では、図４に示すように触針式検出器２２に加えて、さらにレーザーオートフォーカス式検出器２３を備える。測定対象物の表面状態に合わせて、触針式検出器２２とレーザーオートフォーカス式検出器２３を使い分けることができるため、測定可能な対象物の範囲が広がり、利便性が向上する。
【００３６】
次に本発明に係る表面形状測定方法について図５に示すフローチャートに基づいて説明をする。なお、ここでは図１に示した表面形状測定装置を用いて測定が行われる場合について説明をするが、上述した各装置を含むその他の同様な機能を有する装置においても同様の測定方法を実施することが可能である。
【００３７】
まず、測定対象物３０を高真直度ＸＹ軸ステージ１２上に設置する。そして、測定を行う測定面領域に白色干渉計１１の測定視野を合せるように高真直度ＸＹ軸ステージ１２を移動させて、各測定面領域の三次元表面形状を測定する（Ｓ０１）。
【００３８】
次に、白色干渉計１１で三次元表面形状を測定した各測定面領域内の指定した高さ測定点の高さ測定を触針式検出器２２で行う（Ｓ０２）。このとき、測定面領域内のどこを指定するかは任意であるが、高さ補正に加えて傾き補正を行う場合には、一直線上にならない少なくとも３箇所の測定が必要である。また、測定は必ずしも点である必要はなく連続した線上の高さを測定してもよい。通常、点の測定では測定ノイズの影響や測定位置のずれの影響が大きくなるため、線上の高さを測定して平均化処理を行うなどして、該影響を低減するようにしている。
【００３９】
次に、白色干渉計１１で測定した各面測定データ中の測定値であって、触針式検出器２２で測定した各高さ測定点に対応する位置の測定値の相対的位置関係を求める。また、触針式検出器２２で測定した各高さ測定値の相対的位置関係をさらに求める。そして、白色干渉計１１による各面測定データ中の各高さ測定点の測定値の相対的位置関係を触針式検出器２２による各高さ測定値の相対的位置関係に合せるように各面測定データを平行移動補正及び傾き補正を行う（Ｓ０３）。
【００４０】
なお、この補正は主に白色干渉計１１で測定した面測定データを全体的に移動させるものである。従って、触針式検出器による測定値が各測定面内で４箇所以上ある場合には、両測定の測定誤差により白色干渉計による測定値と完全には一致しない場合がある。このようなときは、対応する各測定値間の残差が最小になるように最小二乗法等により補正を行う。
【００４１】
ここで、該補正についての実施例を詳細に説明する。なお、以下の説明は簡単のためＸＺ平面内における二次元空間での補正について説明するが、実際にはＸＹＺ空間内の三次元補正に拡張して行われる。
【００４２】
図６には白色干渉計１１で測定対象物の２つの位置を測定した第一の面測定データ４１及び第二の面測定データ４２を示している。本実施例では、白色干渉計１１で測定した各測定面領域に対して高さ測定点を２箇所ずつ指定している。面測定データ中の測定値４３、４４は第一の測定面データ４１における指定した高さ測定点に対応する測定値であり、面測定データ中の測定値４５、４６は第二の面測定データ４２における指定した高さ測定点に対応する測定値である。白色干渉計の測定基準高さ４７は、高さ測定点に対応する面測定データ中の測定値４３，４４，４５，４６のいずれかの高さとする。本実施例では白色干渉計の測定基準高さ４７は面測定データ中の測定値４３の高さとしている。
【００４３】
図７には上記高さ測定点における触針式検出器２２で測定した高さ測定値５１、５２、５３、５４を示している。触針式検出器の測定基準高さ５５を高さ測定値５１の高さとした場合、触針式検出器の測定基準高さ５５から他の高さ測定値５２、５３、５４までの差は、それぞれ相対高さ５６、５７，５８として表される。つまり、触針式検出器２２で測定した高さ測定点の各高さ測定値５１，５２，５３，５４の相対的位置関係は、相対高さ５６、５７、５８で表すことができる。
【００４４】
次に白色干渉計１１で測定した第一の面測定データ４１及び第二の測定面データ４２における高さ測定点に対応する面測定データ中の測定値４３，４４，４５，４６の相対的位置関係を触針式検出器２２で測定した高さ測定点の高さ測定値５１，５２，５３，５４の相対的位置関係に合わせる方法について図８に基づいて説明する。触針式検出器２２で測定した相対高さ６３，６４，６５の測定基準高さを触針式検出器の測定基準高さ５５から白色干渉計の測定基準高さ４７に変更すると、該相対高さ５６，５７，５８はそれぞれ白色干渉計の測定基準高さにおける相対高さ６３，６４，６５となる。第一の面測定データ４１の面測定データ中の測定値４４が相対高さ６３の位置に合うように第一の面測定データ４１の傾きを変更すると、第一の面測定データ４１は補正後の第一の面測定データ６１となる。第二の面測定データ４２の面測定データ中の測定点４５，４６を相対高さ６４，６５の位置に合うように高さ方向の平行移動補正及び傾き補正を行うと、第二の面測定データ４２は補正後の第二の面測定データ６２となる。
【００４５】
以上より、本発明に係る表面形状測定方法による最終的な測定結果として、補正後の第一の面測定データ６１及び補正後の第二の面測定データ６２が得られることとなる。
【符号の説明】
【００４６】
１０                    表面形状測定装置
１１                    白色干渉計
１２                    高真直度ＸＹ軸ステージ
１３                    データ演算部
１５                    干渉用対物レンズ
１６                    測定用アクチュエータ
１７                    光学ヘッド
１８                    光源
１９                    ＣＣＤカメラ
２０                    Ｚ軸駆動部
２１                    装置ベース
２２                    触針式検出器
２３                    レーザーオートフォーカス式検出器
３０                    測定対象物
４１                    第一の面測定データ
４２                    第二の面測定データ
４３、４４，４５，４６  面測定データ中の測定点
４７                    白色干渉計の測定基準高さ
５１，５２，５３，５４  高さ測定点
５５                    触針式検出器の測定基準高さ
５６，５７，５８        相対高さ
６１                    補正後の第一の面測定データ
６２                    補正後の第二の面測定データ
６３，６４，６５        相対高さ
Ｓ０１                  光学式表面形状測定機による三次元表面形状測定の工程
Ｓ０２                  高さ測定機による高さ測定の工程
Ｓ０３                  高さ測定値に基づく面測定データの補正の工程
【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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