(57)【要約】      （修正有）【課題】触針式段差計による形状測定時に発生する力を短時間で正確に算出できるようにする表面形状測定用触針式段差計の空気抵抗補正方法。【解決手段】支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、一端に隣接して探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、他端には探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計の空気抵抗補正方法において、針圧発生装置を作動させて探針を上端から下げ、下端で一回跳ね返る際の探針変位の時間変化を測定し、測定した探針変位の時間変化に基づき探針の速度と力の関係を求め、探針の速度がほぼゼロにあるときの力を求め、求めた力に基づいて設定値とのずれを補正し、針圧発生装置に流す電流と探針にかかる力との正しい関係を求め、設定したい力に対応するコイル電流を算出する。【選択図】  図１４
2008261658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、この一端に隣接して探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、支持体の他端には探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計の空気抵抗補正方法において、
針圧発生装置を作動させて探針を上端から下げ、下端で一回跳ね返る際の探針変位の時間変化ｚ（ｔ）を測定し、測定した探針変位の時間変化ｚ（ｔ）に基づき探針の速度と力の関係を求め、探針の速度がほぼゼロにあるときの力を求め、求めた力に基づいて、力の設定値とのずれを補正し、針圧発生装置に流す電流と探針にかかる力との正しい関係を求め、その関係から設定したい力に対応するコイル電流を算出することを特徴とする触針式段差計の空気抵抗補正方法。
【請求項２】
針圧発生装置に流す電流ｘと力Ｆの関係式Ｆ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）を用いて設定した力に対応する針圧発生装置のコイルに流す電流ｘを算出するに際して、力の設定値に対して測定した力の値のずれを上記関係式における定数ｃを変えることにより補正することを特徴とする請求項１に記載の触針式段差計の空気抵抗補正方法。
【請求項３】
針圧発生装置に流す電流ｘと力Ｆの関係式Ｆ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）を用いて設定した力に対応する針圧発生装置のコイルに流す電流ｘを算出するに際して、力の設定値に対して測定した力の値のずれの半分を上記関係式における定数ｃを変えることにより補正することを特徴とする請求項１に記載の触針式段差計の空気抵抗補正方法。
【請求項４】
力の設定値に対する測定した力の値のずれの補正をコンピュータ制御により自動で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の触針式段差計の空気抵抗補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面形状を測定する触針式段差計の空気抵抗補正方法に関するもので
ある。
【０００２】
本明細書において、用語“試料の表面形状”は試料の段差、膜厚、表面粗さの概念を包含して意味するものとする。
【背景技術】
【０００３】
この種の段差計としては従来、先端が試料表面に接触する探針と、探針を試料表面に一定の負荷で接触させる針圧発生装置と、その負荷方向と直交する方向に振動して探針を試料表面に対して平行運動で往復動させる装置と、振動付加時の探針の試料に対する摩擦力に対応する振動の大きさを検出する検出装置とを備えた構造のものが知られている。
【０００４】
本発明者は、先に、特願２００５−１９９３３７において、表面形状測定用触針式段差計を提案した。この触針式段差計は、添付図面の図１〜図５に示すように、棒状の第１の支持部材１を有し、であり、この第１の支持部材１はその中間部位に左右両横方向にのびる支点用針取付け部材２を備え、支点用針取付け部材２の両端には二つの支点用針３が取付けられている。これら二つの支点用針３は二つの支点受け部材４（図５）で支持され、それにより第１の支持部材１は支点受け部材４に支点用針３を介して揺動自在に支持される。第１の支持部材１の一端には、変位センサ５の測定子すなわちコア６が取付けられている。この変位センサ５は探針の垂直方向変位に応じて電気信号を発生する差動トランスから成り、コイル７を備えている。
【０００５】
また、第１の支持部材１の他端には、探針に針圧を加える針圧発生装置８のコア９が設けられ、針圧発生装置８はコイル１０を備えている。コア９は、コイル１０の中心から軸方向にずれた位置に配置した高透磁率部材から成っている。
【０００６】
また、第１の支持部材１における支点用針取付け部材２の両端の二つの支点用針３を結ぶ線上を中心として、第１の支持部材１の下面には、二つの磁石１１を埋め込んだホルダー１２が取付けられている。ホルダー１２は図３に示すように断面台形の長手方向溝１３を備え、この長手方向溝１３の両側壁は下方へ向ってテーパー状に開いており、水平平面に対して傾斜面を構成している。ホルダー１２に埋め込まれた二つの磁石１１は、図１に示すように極性が互いに逆向きになるように配置されている。二つの磁石１１を内蔵したホルダー１２は軽くするためにカーボンで構成されている。
【０００７】
また図１、図２及び図４において、１４は棒状の第２の支持部材でありその先端には探針１５が下向きに取付けられ、他端は高透磁率部材１６で構成されている。高透磁率部材１６の長手方向の両端には上向きにのびるガイド突起１７が形成され、これらガイド突起１７の対向側面は上方に向って開いた傾斜面として形成される。この高透磁率部材１６の傾斜面はホルダー１２における長手方向溝１３の両側壁の傾斜面と共に、第１の支持部材に第２の支持部材を取付ける際の互いの位置決めを確保すると共にガイドの役割を果たしている。第２の支持部材１４の他端における高透磁率部材１６は第１の支持部材１におけるホルダー１２の溝１３に嵌るようにされ、その際に第２の支持部材１４の他端における高透磁率部材１６はホルダー１２の溝の底面に接触し、二つの磁石１１には接触しないように構成されている。また溝と高透磁率材部品には図３に示したような傾斜面を設け、互いの位置決めの確保と取付け時のガイドの役割を果たしている。
【０００８】
また、第１の支持部材１及び第２支持部材１４は慣性モーメントを小さくするために軽いカーボンで構成されている。一方、密度が高く質量が大きい第２支持部材１４における高透磁率部材１６及び第１の支持部材１におけるホルダー１２内の磁石１１は、支点まわりの慣性モーメントを小さくするために、支点の近くに配置している。
【０００９】
さらに図３に示すように、第２支持部材１４における高透磁率部材１６の下側には板状部材１８が設けられ、この板状部材１８は磁場遮蔽効果を高めるため、高透磁率の材料で構成され、この板状部材１８により交換部品を第１の支持部材１におけるホルダー１２の溝１３に傾けて近づけても正しい位置に収まるようにしている。
【００１０】
上述のように第１の支持部材１におけるホルダー１２に埋め込まれた磁石１１は極性が逆になるように配置したことにより、磁気双極子が離れた場所に作る磁場が小さくなるので、差動トランス５、針圧発生装置８及び試料での磁場を小さくできる。また、この配置により磁石１１の下部では磁力線が第２の支持部材１４における高透磁率部材１６の中を通るので、その下方及び探針位置の試料での磁場が小さくなる。
【００１１】
図５には、支点用針３を受ける支点受け部材４の構造を拡大して示している。支点受け部材４は図示したように支点用針３を受ける凹面４ａを備え、この凹面は逆円錐形状に構成され、支点用針３を精度よく位置決めして受けるようにされている。
【００１２】
このように構成した図示触針式段差計においては、両端にそれぞれ変位センサ５及び針圧発生装置８を備え、二つの支点受け部材４に支点用針３を介して揺動自在に支持された第１の支持部材１のホルダー１２に、両端にそれぞれ探針１５及び高透磁率部材１６を備えた第２の支持部材１４を磁石の吸着力によって固定する。この場合、ホルダー１２における長手方向溝１３の両側壁の傾斜面と第２の支持部材１４の高透磁率部材１６におけるガイド突起１７の対向傾斜面とにより、第２の支持部材１４は第１の支持部材１のホルダー１２に対して予定の位置に正確に位置決めして簡単に固定できる。
【００１３】
そして、針圧発生装置８のコイル１０に所定の電流を流すことにより、その電流の大きさに応じて力が発生され、この力により針圧発生装置８のコア９はコイル１０の中心へ引き込まれる。それにより第１及び第２の支持部材１、１４は支点用針３を介して揺動し、探針１５を試料に押し当てる。試料又は検出系を走査することにより、探針１５は試料表面をなぞり、その表面形状に応じて、固定された支点のまわりに第１及び第２の支持部材１、１４が微小に回転運動し、差動トランス５のコア６の変位が検出され、このコア６の変位を探針１５の針先の変位に換算することにより試料の表面形状や段差が測定される。
【００１４】
探針の針圧即ち力Ｆを縦軸に、針圧発生装置のコイルに流す電流ｘを横軸とし、ａ、ｂ、ｃを定数とするとき、コイルに流す電流ｘと探針の針圧Ｆとの関係は、次式
Ｆ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ
で表され、表面形状の測定時に、探針の針圧を設定した後、測定を開始させ、自動でｃの値を読み込み、設定した針圧になる電流値を上記式から求め、針圧発生装置のコイルに流す電流を制御するようにされ得る。
【００１５】
図６は支点上の可動部の概念図であり、支点上の可動部の重心と支点（支点用針３を受ける支点受け部材４）の位置関係の例を示す。支点を×、重心を●で示し、右端が探針である。図６の（ａ）は支点と重心の位置ｚが一致している場合で、図６の（ｂ）は重心が支点より下にある場合である。探針が上がると支点まわりの回転運動により、図６の（ｂ）に示すように重心のｘ成分に変化Δｘが生じる。これにより支点と重心のｘ成分の差が変化し、探針を上げる力が変化する。探針を下げようとする針圧発生装置８（コイル電流とコア９）による力の探針位置への依存は小さいので、トー夕ルの力において重心のｘ成分の変化が問題となる。探針１５の位置即ち変位（ｚ成分）によって力が変化するようでは、表面形状（探針１５の位置ｚが変化する）を一定の力で測定できないことになる。
【００１６】
この重心のｘ成分の変化は図６から分かるように、支点と重心のｚ成分の差が小さいほど小さい。従って、力の探針位置への依存を小さくするために、可動部の設計、組立において、支点と重心のｚ成分の差を小さくする必要がある。
【００１７】
上記の重心位置の問題の他に、支点を構成する支点用針３の針先の曲率半径の問題もある。針先の曲率半径は０ではなく有限なので、図６に示した回転に伴い、支点用針３の針先と支点受け部材４との間の接触位置が移動すると考えられる。それにより支点と重心間の距離Ｒが変わるので、探針１５での力が変化する。この支点の移動を小さくするために支点用針３の針先の曲率半径は小さく作られる。しかし、使用するにつれ、支点用針３の針先は摩耗、変形するので、その曲率半径には自ずと限界がある。
【００１８】
図６の（ｂ）のように重心のｚ成分が支点のそれと異なると、探針のzが変わると重心のxが変わる。それにより探針での力が変化する。つまり力が探針のzに依存する。支点針先の曲率半径が0ではなく有限であることも同様のことを引き起こす。これらをハード的に解決するのは極めて困難であり、本発明者が先に特願2006-158606で提案したように制御やプログラムで解決するのがよい。1ms程度ごとに探針のz成分をモニターし、その値に応じて力用コイル電流を制御することで力のｚ成分への依存を補正できることを提案した。
【００１９】
図７の（ａ）には、針圧発生装置８のコイル１０に電流を流した後の、探針のｚ成分の時間変化z(t)を示している。図７の（ｂ）には、z(t)を時間で微分したもので、速度v(t)が時間と共にどのように変化していくかを示し、また図７の（ｃ）には、2階微分で加速度α(t)を求め比例係数をかけて力(t)を算出した例を示している。ノイズ対策として移動平均処理を行っている。探針はz=0.3mm辺りから下ろしている。図７の（ａ）ではアンプのレンジ設定の問題で、±0.25mmの範囲外では値は正しく表示されていない。表面形状測定で用いる範囲は、±0.1mm程度以内である。探針は下降後、ヘッド自体の構造物に起因する−1mmの下端で跳ね返り、その後、支点での摩擦、空気抵抗により減衰しながら振動する。
【００２０】
図８は図７の結果から探針の位置（変位）zと力の関係をプロットしたものである。力がｚに依存するのは、前述の重心のずれなどによるものである。線が2本になっている（ｚ＝−０．２ｍｍ〜−０．１ｍｍで顕著である）のは、探針の運動の上下方向によって支点での摩擦力及び回転運動時の空気抵抗が異なるからである。
【００２１】
図９には、本発明者が先に特願2006-158606において提案した方法で探針の位置ｚに依存する力をリアルタイムで制御、補正した結果を示している。ｚ ＞ −0.2mmで制御をしている。この場合もv（ベクトル）に依存する力があるために1本の線になっていない。
【００２２】
図１０はそのときのvと力の関係である。vの符号に依存する支点での動摩擦力と、vの絶対値の大きさにも依存する空気抵抗により、力がvに依存していることが分かる。この場合にはvの絶対値が比較的小さい領域なので、力は大きくは変わらない。小さいv（絶対値）では空気抵抗は小さいので、小さいvでの力を求めればよいことが認められる。
【００２３】
しかし、ヘッド構造で決まる上端（例えばz=2mm程度）から力を発生して探針を下ろす場合（それが通常の表面形状測定時の動作）、zが±0.1mm程度以内においてvが図１０に示した値くらいまでに小さくなるには8 s程度かかり、本発明者が先に特願2005-183474  で提案した形状測定直前の力の1点での較正には時間のロスになり使えない。
【００２４】
上記の上端、下端については、ヘッドを下ろして行って、探針が試料に触れ、ヘッドの高さを制御して変位センサの出力を0にする際のマージンとして、ある程度余裕が必要である。従って、上端、下端をz=0に近付けるにも限界がある。形状測定時のセンサの0点出しでの問題である。また、古くなった探針の交換の際、支点まわりの回転運動にある程度余裕がないと、つまり逃げ場がないまま交換作業をすると可動部を破損する可能性があり、やはり上端と下端を近付けられない。工作精度、組立精度上も、上端と下端をさらに近付けるのは困難である。
【００２５】
この種の触針式段差計において、０．０５ｍｇｆ程度の弱い力を正確に発生するためには、力の正確な較正が必要である。また、表面形状測定の直前に短時間で自動的に較正ができることが望ましい。
【００２６】
針圧発生装置のコイルに流す電流と力の関係の較正において、探針先の測定した加速度から探針での力を算出するが、支点部分の摩耗状況、接触状態によっては、支点での摩擦力が無視できない場合があり、その場合、上記方法により算出した力は、支点での動摩擦に起因する力を含んでいるために、本来のコイル電流による力が正しく算出されない。そのために力とコイル電流の正しい関係が得られず、正しい力を発生できない。
【００２７】
このような摩擦力の影響を避けるために、本発明者は先に、特願２００５−２３５２３５において、針圧発生装置を作動させて探針を下げる際の加速度を測定して下降時の力を求め、探針が下降の後に下部ストッパー等で跳ね返り上昇する際の加速度を測定して上昇時の力を求め、表面形状を実際に測定する際に、針圧発生装置に流す電流を、下降時の力と上昇時の力と和の半分の力が探針にかかるように制御して摩擦力の影響を除去することを提案した。
【００２８】
先に提案した方法では、「速度の方向のみに依存する力」の補正だけなので、摩擦の補正のみである。速さ（速度ベクトルの大きさ）に依存する力の補正はしていない。つまり、空気抵抗の補正は正確にはしていない。それらは何れもそれほど大きな値ではないが、0.05mgf程度の小さい力の正確な発生においては重要な問題となる。
【００２９】
力発生後の探針の下端での跳ね返りを繰り返すと、摩擦、空気抵抗により跳ね返り振動が減衰し、いずれ振動の頂点が変位0付近に来る（図７の（ａ）参照）。この頂点付近では、速度が小さいので、即ち摩擦、空気抵抗が小さいので、それらの影響が小さい状況での力の較正が可能となる。z(t)を測定し、2階微分し加速度を求め、力を算出する場合である。形状測定に用いるzの絶対値は小さいので、zとvの両方の絶対値が小さくならないと、ｚの使用領域での力の正確な較正ができない。しかし、zの上端の2mmからスタートして、その減衰を待つと例えば8秒程度かかり、測定直前の1点での自動較正としては大きな時間のロスとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
このように０．０５ｍｇｆ程度の小さい力を正確に発生するためには、力の正確な較正が必要であるが、そのとき空気抵抗や支点での動摩擦力が問題となる。
【００３１】
そこで、本発明は、これらの影響を受けずに、短時間で較正を行うことを解決すべき課題とし、触針式段差計による形状測定時（vが十分に小さい）に発生する力を短時間で正確に算出できるようにする表面形状測定用触針式段差計の空気抵抗補正方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、この一端に隣接して探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、支持体の他端には探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計の空気抵抗補正方法において、
針圧発生装置を作動させて探針を上端から下げ、下端で一回跳ね返る際の探針変位の時間変化ｚ（ｔ）を測定し、測定した探針変位の時間変化ｚ（ｔ）に基づき探針の速度と力の関係を求め、探針の速度がほぼゼロにあるときの力を求め、求めた力に基づいて、力の設定値とのずれを補正し、針圧発生装置に流す電流と探針にかかる力との正しい関係を求め、その関係から設定したい力に対応するコイル電流を算出することを特徴としている。
【００３３】
本発明による方法の実施形態においては、針圧発生装置に流す電流ｘと力Ｆの関係式Ｆ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）を用いて設定した力に対応する針圧発生装置のコイルに流す電流ｘを算出するに際して、力の設定値に対して測定した力の値のずれは、上記関係式における定数ｃを変えることにより補正される。
【００３４】
また別の実施形態においては、針圧発生装置に流す電流ｘと力Ｆの関係式Ｆ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）を用いて設定した力に対応する針圧発生装置のコイルに流す電流ｘを算出するに際して、力の設定値に対して測定した力の値のずれの半分が上記関係式における定数ｃを変えることにより補正される。
【００３５】
本発明による方法においては好ましくは、力の設定値に対する測定した力の値のずれの補正はコンピュータ制御により自動的に行なわれ得る。
【発明の効果】
【００３６】
本発明においては、針圧発生装置を作動させて探針を上端から下げ、下端で一回跳ね返る際の探針変位の時間変化ｚ（ｔ）を測定し、測定した探針変位の時間変化ｚ（ｔ）に基づき探針の速度と力の関係を求め、探針の速度がほぼゼロにあるときの力を求め、求めた力に基づいて、力の設定値とのずれを補正し、針圧発生装置に流す電流と探針にかかる力との正しい関係を求め、その関係から設定したい力に対応するコイル電流を算出するので、要する時間は０．５秒以下で、「支点での動摩擦力」と「回転運動時の空気抵抗による力」を除いた本来のコイル電流による力を正しく測定できるようになる。また元々必要な「探針を下ろす動作」を利用するので、実質的には時間のロスはほとんどない。
【００３７】
また、力の測定値と設定値のずれの半分を補正するようにした場合には、測定誤差への反応が小さくなり、高精度で安定して力を発生できる。
【００３８】
さらに、力の設定値に対する測定した力の値のずれの補正をコンピュータ制御により自動で行うようにした場合には、形状測定作業者や保守作業者が較正作業を行う必要がなく、取扱い及び作業性を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、添付図面の図１１〜図１５を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、触針式段差計としては先に提案した図１〜図５に示す構成のものを使用する。
【００４０】
図１１には、本発明が適用される触針式段差計の一形態を示し、２０は固定支持台で、その上に長手方向及び横方向に移動できるＸ−Ｙステージ２１、垂直方向に手動で移動できる手動Ｚステージ２２及びＸ方向に移動できるピエゾＸステージ２３が設けられている。Ｘ−Ｙステージ２１には触針式段差計が取付けられ、変位センサ５を構成する差動トランス２４、及び針圧発生装置８を構成するコイル２５が取付けられ、また２６は探針であり、ピエゾＸステージ２３上に装着される被測定試料（図示していない）上に位置するようにされている。
【００４１】
図１２には、図１１に示す触針式段差計の制御手段の構成の一例を示している。図１２において、３０は表示、操作部であり、コンピュータ装置３１に接続されている。このコンピュータ装置３１はアナログ入出力ボード３２及び汎用インターフェースボード３３を備えている。アナログ入出力ボード３２の第１のアナログ出力ＡＯ１は、力発生用のコイル２５が接続された応答時間が数１０μｓの針圧発生装置用電源３４に接続されている。またアナログ入出力ボード３２の第２のアナログ出力ＡＯ２は、走査ステージ即ちピエゾＸステージ２３の駆動装置３５に接続されている。ピエゾＸステージ２３と駆動装置３５との間は閉ループを形成している。アナログ入出力ボード３２のアナログ入力ＡＩは、ロックイン増幅器３６からのアナログ出力信号ＡＯを受けるようにされている。また、コンピュータ装置３１の汎用インターフェースボード３３はロックイン増幅器３６に接続され、そしてロックイン増幅器３６のデータメモリ３６ｂからデータを受けるようにされている。ロックイン増幅器３６の内部発振器３６ａは５ｋＨｚ、１．５５Ｖｒｍｓで発振し、差動トランス２４の一次コイル２４ａに接続され、差動トランス２４の二次コイル２４ａからの信号はロックイン増幅器３６に伝送されるように構成されている。
【００４２】
図１２に示すコンピュータでの自動制御時の機器の構成例において、ロックイン増幅器３６は差動トランス２４の信号Ｖｒｍｓｃｏｓθ（Ｖｒｍｓは信号の実効値、θは参照信号との位相差、ｚ＝１ｍｍでθを０に設定している）を測定している。ｚに依存する力の補正制御では、ロックイン増幅器３６のアナログ出力信号ＡＯは２ｍｓ毎にリアルタイムで測定し、コンピュータ装置３１で計算処理し、それに基づきアナログ入出力ボード３２の第１のアナログ出力ＡＯ１は、針圧発生装置用電源３４に供給され、力発生コイル２５に流す電流を制御している。力の１点での較正用のデータは、ロックイン増幅器３６内のデータメモリ３６ａに０．２５ｍｓ毎に４０００個保存し（１ｓ間の測定）、測定終了後に汎用インターフェースボード３３を介してコンピュータ装置３１に転送され、計算処理してパラメータを算出し、コンピュータ装置３１におけるハードディスク等に保存する。上記の説明では、計測器のデータメモリに貯めた後で転送、計算しているが、アナログ出力信号ＡＯを高速でリアルタイムで測定し、計算処理するようにしてもよい。
【００４３】
次に図１３を参照して、力のｚへの依存を補正しながらの、１点での力の自動較正を行う制御の流れの例について説明する。
ステップ１：力の設定値Ｆｓを読み込む。
ステップ２：コンピュータ装置３１におけるハードディスク内のファイルからパラメータｃの値ｃｂを読み込む。
ステップ３：計測器のアナログ信号ＡＯからｚを求める。計測器のローパスフィルターのカットオフ周波数は例えば７０Ｈｚである。
ステップ４：ｙ＝Ｆｓ＋０．３５ｚとする（ｚ（ｍｍ）、ｙ及びＦｓ（ｍｇｆ）。ｚがいくつであっても実際の力をＦｓにするため（力のｚへの依存を補正するため）係数の０．３５は予め求める。
ステップ５：ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃｂからｘを算出し、力発生用電源すなわち針圧発生装置用電源３４でコイルに電圧ｘを発生する。この実験では電圧で制御した。
ステップ６：ステップ３〜５を２ｍｓごとに針が下りて上がるまで１ｓ程度繰り返す。これにより探針は上端から、ｚに依存せずに一定の力で下降し、下端で跳ね返った後、上方へ向かう。力のｚへの依存はないが、上下方向では支点での摩擦と空気抵抗により探針での力は異なる。この場合、探針での力とは、探針先の加速度に係数を掛けたものである。
ステップ６：上記の探針の動き（差動トランスの信号）を計測器のデータメモリの記憶しておく。また、計測はステップ３の時点で開始しておく。測定問隔は例えば０．２５ｍｓであり、データ数は例えば４０００個である。
ステップ７：ステップ３〜５を繰り返した後、ステップ６で得たデータは例えば汎用インターフェースボード３３を介してコンピュータ装置３１に転送する。これに関連して、上記アナログ信号はＯ．２５ｍｓ程度の間隔で測定し、コンピュータ装置３１におけるメモリに記憶しておいてもよい。
ステップ８：ステップ７で得たデータから探針のｚ（ｔ）を求め、時間ｔで微分し速度（ｔ）と加速度（ｔ）を算出し、加速度に係数を掛け探針での力（ｔ）を求める。
ステップ９：ステップ８で得たデータから速度ｖと力の関係を求め、速度が０での力を求める。これが力の測定値ＦＭである。空気抵抗、支点での摩擦を含まない正しい力である。
ステップ１０：この測定値を設定値と比較し、その増分ＦＤ＝ＦＭ−ＦＳをｃの元の値ｃｂに加えて、ｃ＝ｃａ＝ｃｂ＋ＦＤが較正後のｃの値となり、ハードディスク内のファイルが書き換えられる。
【００４４】
以上により較正が完了し、次回の測定では、較正された値ｃａが使用されるので、較正された力が発生する。上記から分かるように測定は、探針が下端で跳ね返った後、上方へ向かうまでを測ればよく、０．５ｓ以下で終わる。その後は力を増し、探針を下端に下ろし、ヘッドを試料に近づけながら変位センサの０点を出す動作に移る。なお、補正因子０．５の場合には、ｃ＝ｃａ＝ｃｂ＋０．５ＦＤとすればよい。以上から、測定作業者、保守作業者は、計測用ソフトでコンピュータ装置３１の表示、操作部３０の画面上に作成した「力較正ボタン」を押せば、０．５ｓで自動で力の較正がなされる。表面形状測定時の探針を下ろす動作を利用すれば、即ち、プログラムで連動させ、その動作時に上記の較正を行えば、作業者は較正を意識することなく、常に最新の較正された力で測定を行える。
【００４５】
本発明においては、短時間で力を較正するために、探針の下端での1回の跳ね返りのみを使う。図１４には、探針を上端から−０．０５ｍｇｆに設定して下ろした場合のz(t)を示し、下向きの力を負としている。レンジ設定の問題で絶対値０．２５ｍｍ以上では表示が振切れている。表面形状測定で必要なのは±０．１ｍｍ以内である。図９で行ったような「ｚに依存する力の制御補正」をしている。図１４の測定では、２ｍｓごとに『ｚをモニターし、０．４５（ｍｇｆ／ｍｍ）×ｚ（ｍｍ）を力の設定値に加えてFとし、上述の2次式  Ｆ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ  からコイル電流xを算出して、電流源から出力している。このようにして、ｚに依存する力をリアルタイム制御により一定にしている。その上で、それと同時に、０．２５ｍｓ間隔でｚ（ｔ）を収集して得られたデータである。それをコンピュータで計算処理して、図１５、１６のデータを得ている。
【００４６】
図１４のデータをコンピュータで計算処理して得られたデータを図１５及び図１６に示す。図１５にはｚと力の関係を示し、ｚ ＞ −０．２ ｍｍで上記の制御補正をしている。vの絶対値が大きいので、運動の上下方向での力の違いが顕著である。つまり空気抵抗が大きい。
【００４７】
図１６にはこのときの速度ｖと力の関係を示している。ｚが±０．１ｍｍ以内のデータを用いている。速度ｖについては実質的には2点である。求めたいのは小さい速度ｖでの力である。表面形状測定時のセンサヘッドまたは試料のｘやｙ方向の操作速度は速くても1mm/s程度である。従って試料表面の段差での探針のｚ方向の速さｖも速くてもそれと同程度であり、ほとんどの場合はそれよりはるかに小さい。つまり、図１６の横軸でいうと、絶対値は大きくても０．００１mm/ms程度であり、実際にはｖ＝0での力を求めればよいと言える。
【００４８】
ここで「ｖに依存する力の補正」とは、「力の較正時の、力の補正」であり、空気抵抗、摩擦を含まない真の「コイル電流による力」を算出することである。探針を所定位置のｚ＝２mmから下ろすと、ｚが±0.1mm以内の領域を通過する際のvの絶対値が大きくなり、跳ね返り振動が減衰してそれが小さくなるのを待たずに、下端での1回の跳ね返りのみで短時間で正しく力を算出することを意味している。
【００４９】
図１６の測定データにフィットする直線（図１６中の破線）を求め、そのｙ切片を求める（図１６中の×印）。これが知りたい力である。本発明においてはこれら図１４のデータ収集からy切片算出までをコンピュータにより行う。
【００５０】
なお、図１６の方法での力の算出結果を、図１０のような実際にｖ＝０での力の測定結果と多数回比較したところ、前者の値に −０．０１４ｍｇｆ加えると後者によく一致することが分かった。図１４に示すように、この方法に要する時間は０．５秒以下である。この後は、力を大きくすれば探針は下端に速く行く。それからセンサヘッドを試料に向かって下ろす動作に入る。元々必要な「探針を下端へ下ろす動作」を利用しているので、時間のロスは極めて小さい。
【００５１】
このようにして、時間のロスなく、摩擦、空気抵抗分を含まない力の測定が可能になる。そして、上述の2次式  Ｆ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ  （Ｆ：力、ｘ：コイル電流、ａ、ｂ、ｃ：係数）のｃを書き換えれば力の較正が完了する。
【００５２】
ここで、力の設定値をＦＳ、較正前のｃをｃｂ、対応する電流（力の測定時に流す電流）をｘ１とすると次式となる。
ＦＳ＝ａｘ１２＋ｂｘ１＋ｃｂ                          （１）
力の測定値をＦＭ、設定値とのずれをＦＤとすると、力の測定値ＦＭは次式で表される。
ＦＭ＝ＦＳ＋ＦＤ                                      （２）
較正後のｃをｃａとすると
ＦＭ＝ａｘ１２＋ｂｘ１＋ｃａ ＝ ＦＳ ＋ ＦＤ ＝ ａｘ１２＋ｂｘ１＋ｃｂ＋ＦＤ
＝ ａｘ１２＋ｂｘ１＋（ｃｂ＋ＦＤ）                 （３）
と表すことができる。
よって、
ｃａ ＝ ｃｂ＋ＦＤ                                    （４）
と定数ｃを書き換えればよい。
【００５３】
図１７には、前述の「探針を上端から下ろし、下端での1回の跳ね返りで力を算出すること」を１０３回繰返し行った結果を示し、力の設定値は −０．０５ ｍｇｆである。上述の2次式で力Fを指定し、その式を解きコイル電流ｘを算出して出力している。係数のａ、ｂ、ｃは予め求めてある。測定ごとのｃの書き換えは行っていない。この測定方法での測定値の誤差、安定性を見た例である。測定値の平均は −０．０４８９４ ｍｇｆ、標準偏差は０．００１４４ ｍｇｆであった。ｚの対象範囲±０．１ｍｍ以内の領域を探針が通過する時間は２０ｍｓ程度と短いが（図１４参照）、力の測定値の誤差は比較的小さい。この場合、標準偏差は小さいが、さらに測定回数を増やして行けば、力の測定値は設定値からいずれずれて行くと推測できる。
【００５４】
ところで、横軸の時間は特に意味はないが、室温など時間変化するものとの関係を調べる際に有効になる。同様にして測定した例を示す図１９では、測定から次の測定までの時間間隔を５秒空けている。測定後に力を０にして探針が上がり、上端で跳ね返り振動が起きるが、その振動が十分に収まるのを待っているからである。その振動が収まる必要はないが、特に急ぐ必要もないので十分に間隔を空けた。実際の形状測定でも、次の測定場所への移動や、前述のヘッドの下降によるセンサの０点出し等で、測定の間隔は数秒程度になる。ｚ（ｔ）の測定自体は０．５秒で終わり、コンピュータによる力の算出もms以下で終わる。重要なのは、探針を下端で止めるまでに要する時間である。力の測定が終われば、力を増して速く下端で止められるので、「弱い力の設定値での測定」を速く終わらせることが問題である。
【００５５】
図１８は測定の度に（４）式のようにｃを書き換えた場合である。この場合、測定ごとに値のずれを戻そうとするので、１０３回測定の平均は −０．０４９９９ ｍｇｆとほぼ設定値に一致する。しかし、測定誤差にも反応するので、標準偏差は０．００２３５ ｍｇｆとやや大きくなっている。任意のnについて、測定のn回目が力の較正、ｎ+1回目が表面形状測定時の力に相当する。「形状測定直前の1点での力の自動較正を行い、形状測定をする」ことを繰り返しているのと同様である。
【００５６】
図１７から分かるように、力（ｃの値）が突然大きく変化することはなく、少しずつ徐々に変化する。その場合にはｃの更新は例えば次式のようにしても構わない。
ｃａ ＝ ｃｂ ＋ ＦＤ／２                                （５）
すなわち、力のずれの半分だけ補正をかけ、これにより力の測定誤差に対する反応が抑えられ、測定値の標準偏差が小さくなる。そのような測定の結果を図１９に示す。標準偏差は０．００１６７ ｍｇｆと小さく、平均値も−０．０４９９８ ｍｇｆと設定値にほぼ一致する値が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の方法を実施している触針式段差計の構成を概略図。
【図２】図１における触針式段差計の要部を下から見た概略線図。
【図３】図１における触針式段差計のホルダー部分の構成を示す拡大部分断面図。
【図４】図１における触針式段差計のホルダー部分の構成を示すＡ−Ｂ線に沿った拡大部分断面図。
【図５】図１における触針式段差計の支点部の構造を示す拡大断面図。
【図６】支点上の可動部の概念図。
【図７】先行技術に従って針圧発生装置のコイルに電流を流した後の探針の振る舞いの時間変化を示し、（ａ）は探針の位置zの時間変化を示し、（ｂ）は探針の速度vの時間変化を示し、（ｃ）は探針の力の時間変化を示すグラフ。
【図８】図７のデータを探針の位置zと力の関係で示したグラフ。
【図９】探針の位置zに依存する力をリアルタイム制御により一定にした例を示すグラフ。
【図１０】図９におけるデータを、探針の速度vと力の関係で示したグラフ。
【図１１】本発明が適用される触針式段差計の一形態を示す概略図。
【図１２】コンピュータでの自動制御時の機器の構成例を示すブロック線図。
【図１３】力のｚへの依存を補正しながらの、１点での力の自動較正を行う制御の流れの例を示す説明図。
【図１４】本発明の実施形態による探針の位置ｚの時間変化ｚ（ｔ）を示すグラフ。
【図１５】図１４のデータから算出した探針の位置ｚと力の関係を示すグラフ。
【図１６】図１４のデータから算出した探針の速度vと力の関係及び、v=0での力算出の例を示すグラフ。
【図１７】本発明の方法に従って測定した力の例を示すグラフ。
【図１８】本発明の方法に従って設定値とのずれをフィードバックさせた例を示すグラフ。
【図１９】本発明の方法に従って設定値とのずれの半分をフィードバックさせた例を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５８】
１：第１の支持部材
２：支点用針取付け部材
３  ：支点用針
４  ：支点受け部材
５  ：変位センサ
６  ：コア
７  ：コイル
８  ：針圧発生装置
９  ：コア
１０：針圧発生装置８のコイル
１５：探針
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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