(57)【要約】【課題】大型化した測定装置であっても大がかりな温調装置を用意することなく必要な部分のみを高精度に温度調節する。【解決手段】非接触又は接触式のプローブを搭載した三次元測定装置で、プローブ軸の位置を計測するレーザ測長器の参照ミラーボックス内とワークストッカーの必要な部分のみを部分温調する機能を持つ。又、部分温調用のエアーダクトは外部の空気を巻き込まないように二重構造となっている。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触式又は非接触式のプローブを搭載し、前記プローブで被測定物の表面を走査することによって三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、前記プローブの位置を計測する為のレーザ干渉計と参照ミラー及び被測定物部分を部分空調することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
Ｚ軸方向に移動可能なステージに接触式又は非接触式のプローブを搭載し、前記Ｚ軸はＹ軸方向に移動可能なＹ軸スライドに搭載し、前記Ｙ軸スライドはＸ軸方向に移動可能なＸ軸スライドに搭載し、前記Ｚ軸スライド、Ｙ軸スライド、Ｘ軸スライドは互いに直交するように配置された移動軸を持ち、前記プローブの位置を検出するための測定手段として、前記プローブのＺ軸方向位置を検出するためのＺ軸参照ミラーと、前記プローブのＹ軸方向位置を検出するためのＹ軸参照ミラーと、前記プローブのＸ軸方向位置を検出するためのＸ軸参照ミラーを具備し、前記Ｚ軸参照ミラーと前記Ｙ軸参照ミラーと前記Ｘ軸参照ミラーを内面に配置した箱状構造体を持ち、前記プローブで被測定物の表面を走査することによって三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、前記箱状構造体の内部を部分空調することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項３】
前記被測定物を複数個ストックしておくストッカーを具備し、自動で被測定物を前記三次元測定装置の測定台に搭載する自動搭載機構と、前記ストッカーの一つあるいは複数個を覆うカバーを持ち、前記ストッカーの前記カバー内部のみを部分空調することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状測定装置。
【請求項４】
前記部分空調を行うための温調エアーを流す空調ダクトが二重構造になっていることを、特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記プローブを２組具備し、前記２組のプローブは互いに対向して配置され、独立にＺ軸方向に移動可能なＺ軸ステージに搭載され、前記２組のプローブの間に配置された被測定物の互いに対向する表面を個々にトレースすることによって、前記被測定物の互いに対向する表面形状を同時に測定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非球面、球面、あるいは自由曲面からなるレンズ、金型、あるいは成型品等の測定対象物の三次元形状を高精度に測定する三次元形状測定装置に関し、とくに半導体製造装置に用いる結像レンズ等の高精度な面形状を要求する測定対象物の面形状を測定する三次元形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高精度な三次元面形状測定を行う測定装置の温度制御方法として、特開２００１−８８５１２が開示されている。図６に従来の三次元形状測定装置を示す。図６でフィゾー面と被検面が恒温チャンバー１０１５内に配置されている。干渉計１０１１より射出した光は参照面１０１２ａと被検面１０１３ａに照射され、反射された光が互いに干渉し、干渉縞を生じさせる。この縞を計測し、演算装置１０２１によって解析することによって被検物１０１３の面形状が計測される。この時の計測に必要な被検物の移動、即ち光軸方向への移動、光軸に垂直な方向への移動、光軸に対する傾き補正は全て恒温チャンバーの外より自動的に行われる。図６中、１１０１は回転軸を有し、その軸方向に移動可能なチャックであり、未計測被検物を収納する被検物スタンド１０１７より計測すべき被検物体をチャックして、測定位置にセットする役割を有している。これによってチャンバーの外部より被検物のセットが可能になる。尚、１０４１ａ〜１０４１ｎはチャンバー内の温度及びその分布を測定する温度センサーであり、その出力はコントローラ１０４２に与えられ、コントローラ４２はチャンバー内温度を均一な一定温度になるように制御する。また、被検物スタンドの被検物が計測され終わると、次の被検物スタンド１０１８に収納された被検物と扉１０３１の開閉によって取り替えられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図６の従来例は測定機本体と複数個の未測定物を温度制御されたチャンバー内に設置することによって温度変化の少ない高精度な測定が可能なように考案されたものである。しかし、この方法では本体及び複数個の未測定物を同一の温度制御されたチャンバー、すなわち恒温チャンバー内に設置するために、前記恒温チャンバーが大型化してしまうことになる。恒温チャンバーが大きくなると、恒温チャンバー内の温度を一定に保つことや、恒温チャンバー内の各部分で同じ温度に制御することが大変困難になることや、温度制御のための設備も大型化してしまうといった問題が発生する。
【０００４】
本発明はこうした問題を解決するために考案され、測定装置本体と複数個の未測定物を恒温チャンバー内に設置することで大型化した恒温チャンバーであっても、高精度な温度制御を可能とし、温度変化の非常に少ない雰囲気中で三次元形状測定を高精度に実行することを目的とした三次元形状測定装置である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の三次元形状測定装置は、接触式又は非接触式のプローブを搭載し、前記プローブで被測定物の表面を走査することによって三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、前記プローブの位置を計測する為のレーザ干渉計と参照ミラー及び被測定物部分を部分空調することを特徴とする。
【０００６】
また、Ｚ軸方向に移動可能なステージに接触式又は非接触式のプローブを搭載し、前記Ｚ軸はＹ軸方向に移動可能なＹ軸スライドに搭載し、前記Ｙ軸スライドはＸ軸方向に移動可能なＸ軸スライドに搭載し、前記Ｚ軸スライド、Ｙ軸スライド、Ｘ軸スライドは互いに直交するように配置された移動軸を持ち、前記プローブの位置を検出するための測定手段として、前記プローブのＺ軸方向位置を検出するためのＺ軸参照ミラーと、前記プローブのＹ軸方向位置を検出するためのＹ軸参照ミラーと、前記プローブのＸ軸方向位置を検出するためのＸ軸参照ミラーを具備し、前記Ｚ軸参照ミラーと前記Ｙ軸参照ミラーと前記Ｘ軸参照ミラーを内面に配置した箱状構造体を持ち、前記プローブで被測定物の表面を走査することによって三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、前記箱状構造体の内部のみを部分空調することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の三次元形状測定装置は前記被測定物を複数個ストックしておくストッカーを具備し、自動で被測定物を前記三次元測定装置の測定台に搭載する自動搭載機構と、前記ストッカーの一つあるいは複数個を覆うカバーを持ち、前記ストッカーの前記カバー内部のみを部分空調することを特徴とする。
【０００８】
また、前記部分空調を行うために温調エアーを流す空調ダクトが二重構造になっていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の三次元形状測定装置は前記接触式プローブを２組具備し、前記２組のプローブは互いに対向して配置され、独立にＺ軸方向に移動可能なＺ軸ステージに搭載され、前記２組のプローブの間に配置された被測定物の互いに対向する表面を個々にトレースすることによって、前記被測定物の互いに対向する表面形状を同時に測定することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
（実施例）
図１は本発明による三次元形状測定装置であって、三次元形状測定装置の一部分を高精度に空調する機能を備えた高精度三次元形状測定装置の平面図、図２は同じく側面図で、図１をＡＡ方向から見た図、図３は同じく側面図で、図１をＢＢ方向から見た図である。
【００１２】
図１及び図２及び図３において１０１は測定本体を支える架台である。１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃは除振台で架台１０１は除振台１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃの上に搭載されている。１０８ａは被測定物１０９の上面測定用プローブユニット２０３ａを搭載した上側プローブアームである。１０７ａは上側プローブアーム１０８ａをＺ方向に移動させる上側Ｚ軸であり本発明ではＺ軸のガイドにリニアエアーベアリングを、駆動にはリニアモータを採用している。１０８ｂは被測定物１０９の下面測定用プローブユニット２０３ｂを搭載した下側プローブアームである。１０７ｂは下側プローブアーム１０８ｂをＺ方向に移動させる下側Ｚ軸であり本発明ではＺ軸のガイドにリニアエアーベアリングを、駆動にはリニアモータを採用している。上面測定用プローブユニット２０３ａ並びに下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端には鋼球が真空吸着によって吸着されている。前記鋼球は一般に真球度の良い鋼球か又はルビー球などを用いる。１０６は上側Ｚ軸１０７ａ及び下側Ｚ軸１０７ｂを水平方向すなわちＹ方向に移動させる本体Ｙ軸であり、本発明では本体Ｙ軸のガイドにリニアエアーベアリングを、駆動にはリニアモータを採用している。
【００１３】
１０５は本体Ｙ軸１０６をＹ軸とは直交する方向すなわちＸ軸方向に移動させる本体Ｘ軸であり、本発明では本体Ｘ軸のガイドに転がり軸受けを、駆動にはサーボモータによるボールネジ送りを採用している。前記のような上側Ｚ軸１０７ａ、下側Ｚ軸１０７ｂ及び本体Ｙ軸１０６及び本体Ｘ軸１０５を駆動することによって上側プローブアーム１０８ａ及び下側プローブアーム１０８ｂに搭載した上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂの接触プローブ先端球を被測定物１０９の上面及び下面表面に両面同時にあるいは片面毎に倣って走査することが可能である。１０３は上側プローブアーム１０８ａ並びに下側プローブアーム１０８ｂに搭載したプローブユニットの位置を計測するためのレーザ測長器（図不記載）の基準となる参照ミラー２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ、２０２ｅ、２０２ｆを取り付けたミラーボックスである。ミラーボックス１０３は架台１０１にコラム２０１とワーク搭載台１１９を介して取り付けられ、ミラーボックス１０３はワーク搭載台１１９に対してキネマティック支持によって３点で受けており、架台１０１及びコラム２０１及びワーク搭載台１１９の変形によってミラーボックス１０３が変形しないように支持されている。ミラーボックス１０３並びにコラム２０１を搭載した架台１０１とＺ軸１０７ａ、１０７ｂ並びに本体Ｙ軸１０６並びに本体Ｘ軸１０５とは切り離されており、本体Ｘ軸１０５並びに本体Ｙ軸１０６の移動による振動あるいは変形が架台１０１を通してミラーボックス１０３に直接伝わらない構造になっている。
【００１４】
１１０はワークストッカーで測定前の被測定物を複数個準備しておくことができ、測定の順番がくるまでに温調される。１２５はワークストッカー１１０に搭載された未測定のワークの１つあるいは複数個をカバーし部分空調するためのワークストッカー用空調ダクトである。
【００１５】
本発明では恒温チャンバー１１１は仕切１１３で２室に分かれており、１２６はワークストッカー１１０などが設置されているワークストッカー室、１２７は測定装置本体が設定されている測定装置本体室である。１１７は測定前の被測定物である。被測定物はワークストッカー１１０によって測定装置本体側に順送りされ、ワークストッカー用空調ダクト１２５にカバーされた部分である１１７ｂの位置に被測定物が移送されるとさらに高精度な温調が測定前の被測定物に施される。そして測定前の被測定物は切り替え装置１２２によって１２３の位置に送られる。この間高精度な温調が連続して被測定物に施され続ける。従ってこの高精度な温調領域は測定タクトと温調に必要な時間から大きさが決まり、必要最小限の領域を確保すればよい。その後オートハンド１２０によって測定装置本体内に送られ、引き込み装置１２１によって被測定物１０９の位置に位置決めされる。その際、引き込み装置１２１によって位置決め時の衝撃が被測定物１０９に加わらないように行われる。測定が終了するとオートハンド１２０によって測定装置本体から引き出され、ワークストッカー１１０によって測定終了位置１１８に送られる。この間被測定物の移動はコンピュータあるいはＮＣコントローラ（図不記載）からの指令によって自動で行われる。したがって、被測定物を交換する度に人が測定装置に近づく必要がない。１１１は恒温チャンバー、１１２は恒温チャンバー制御室である。１１３は恒温チャンバー１１１を測定装置本体側とワークストッカー側に分ける仕切で、測定本体側の恒温チャンバー容積を少なくしてより精密な温度制御が行うこと目的としている。このようにワークストッカー１１０に複数個の被測定物を搭載した後は全て自動的に測定が行えるので人は恒温チャンバー１１１に入る必要が無く、より温度変化の少ない状態で高精度な測定を行うことが出来る。
【００１６】
１１４は架台１０１とコラム２０１の間に挿入されたダンパーでコラム２０１の架台１１４に対する振動を吸収する。１０２は上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端に吸着させている先端球を自動交換するためのユニットである。１２４はミラーボックス１０３の中を部分空調するためのミラーボックス用空調ダクトである。１２４ｂはミラーボックス用ダクト１２４のうち上面測定用プローブユニット２０３ａが移動する空間に空調したエアーを送り込む上側ミラーボックス用空調ダクト、１２４ａは上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂの外側に配置された上側ミラーボックス用カバー空調ダクトである。すなわち上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂと上側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ａとで、二重構造のダクトを形成している。１２４ｄはミラーボックス用ダクト１２４のうち下面測定用プローブユニット２０３ｂが移動する空間に空調したエアーを送り込む下側ミラーボックス用空調ダクト、１２４ｃは下側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｄの外側に配置された下側ミラーボックス用カバー空調ダクトである。すなわち下側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｄと下側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ｃとで、二重構造のダクトを形成している。
【００１７】
３０１はミラーボックス１０３のうち、上側の参照ミラー２０２ａと２０２ｂと２０２ｅ及び被測定物１０９あるいはワーク搭載台１１９の上側で囲まれた空間、３０２はミラーボックス１０３のうち、下側の参照ミラー２０２ｃと２０２ｄと２０２ｆ及び被測定物１０９あるいはワーク搭載台１１９の下側で囲まれた空間を示す。３０３はミラーボックス３０１のうち上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂを挿入するための上側ダクト口、３０４はミラーボックス３０１のうち下側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｄを挿入するための下側ダクト口である。
【００１８】
次に図３において部分空調の機能を説明する。図示しないコンピュータまたはＮＣコントローラの指示に従って本体Ｘ軸１０５及び本体Ｙ軸１０６及び上側Ｚ軸１０７ａを駆動し、上面測定用プローブユニット２０３ａの先端に付いている先端球で被測定物１０９の上面表面を倣い走査する。この時、上面測定用プローブユニット２０３ａあるいは、上面測定用プローブユニットを搭載している上側プローブアーム１０８ａに装着されたレーザ干渉計（図不記載）によって、上側の空間３０１における上側の参照ミラー２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｅからの距離を計測する。こうして上面測定用プローブユニット２０３ａの先端球位置が被測定物１０９の上面を倣い走査したときの軌跡座標が得られる。すなわち、被測定物１０９の上面形状が計測されることになる。
【００１９】
このとき外乱などの影響による温度変化で上側の空間３０１の空気で揺らぎが発生したり、被測定物１０９の形状が変化したり、あるいは上面測定用プローブユニットが伸縮したりすると、測定結果に誤差が生じることになる。本発明では上面測定用プローブユニット２０３ａあるいは、上面測定用プローブユニットを搭載している上側プローブアーム１０８ａに装着されたレーザ干渉計（図不記載）が、上側の空間３０１、すなわち、ミラーボックス１０３の上側参照ミラー２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｅ及び被測定物１０９の比較的閉ざされた狭い空間であることに着目し、この上側の空間３０１を、高精度に制御された一定温度のエアーを上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂによって送り込むことによって一定温度に制御するものである。このとき、単純に上側の空間３０１に温調したエアーを送り込むだけならば上側ダクト口３０３と上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂを隙間無く接続すればよいが、一般にエアーを通すダクトは振動していることが多いので、上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂを上側ダクト口３０３に接続すると上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂの振動がミラーボックス１０３へ伝わり、測定基準である上側参照ミラー２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｅが振動して測定に誤差が生じてしまう。従って、上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂを上側ダクト口３０３に接続しない方が良い。しかし、上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂを上側ダクト口３０３に接続しないと上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂと上側ダクト３０３に隙間が出来、この状態で上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂから上側の空間３０１へ温調されたエアーを送り込むと、上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂと上側ダクト口３０３の隙間からミラーボックス１０３の外の空気が巻き込まれて上側の空間３０１に流れ込んでしまう。
【００２０】
図５にミラーボックス１０３の外の空気が巻き込まれて上側の空間３０１に流れ込んでしまう様子を示す。図５の５０１がミラーボックス１０３の外からの空気の流れ、４０２が上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂからの温調エアーの流れである。
【００２１】
そこで本発明では、上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂの外側に上側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ａを配置し、空調ダクトを二重構造とした。このとき、上側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ａは上側ダクト口３０３から上側の空間３０１の中に入れず、ミラーボックス１０３の外に解放するように配置する。前記のように配置された上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂ及び上側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ａに高精度に温調されたエアーを通せば、上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂと上側ダクト口３０３の隙間には上側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ａからのエアー圧がかかるので上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂと上側ダクト口３０３の隙間からミラーボックス１０３の外の空気が巻き込まれて上側の空間３０１に流れ込んでしまうことが無くなる。よって、ミラーボックス１０３の上側の空間３０１を高精度に温調することが可能となる。
【００２２】
図４に上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂ及び上側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ａからの温調エアーの流れる様子を示す。図４の４０１が上側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ａからの温調エアーの流れ、４０２が上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂからの温調エアーの流れである。図４に示すように上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂと上側ダクト口３０３の隙間からミラーボックス１０３の外の空気が巻き込まれて上側の空間３０１に流れ込んでしまうことが無い。
【００２３】
また同様に、下側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｄの外側に下側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ｃを配置し、空調ダクトを二重構造とした。このとき、下側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ｃは下側ダクト口３０４から下側の空間３０２の中に入れず、ミラーボックス１０３の外に解放するように配置する。前記のように配置された下側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｄ及び下側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ｃに高精度に温調されたエアーを通せば、下側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｄと下側ダクト口３０４の隙間には下側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ｃからのエアー圧がかかるので下側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｄと下側ダクト口３０４の隙間からミラーボックス１０３の外の空気が巻き込まれて下側の空間３０２に流れ込んでしまうことが無くなる。よって、ミラーボックス１０３の下側の空間３０２を高精度に温調することが可能となる。
【００２４】
本発明ではワークストッカー室１２６を±０．０３℃、測定装置本体室を±０．０２℃、ワークストッカー用空調ダクト１２５によって１１７ｂの位置の被測定物を±０．０１℃に、そして上側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｂと上側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ａからの温調エアーによってミラーボックス１０３の上側の空間３０１内を±０．０１℃に、そして下側ミラーボックス用空調ダクト１２４ｄと下側ミラーボックス用カバー空調ダクト１２４ｃからの温調エアーによってミラーボックス１０３の下側の空間３０２内を±０．０１℃にそれぞれ温調するように設定している。
【００２５】
このように測定装置本体におけるミラーボックス１０３内の上側の空間３０１および下側の空間３０２、そしてワークストッカー１１０の高精度温調部分１１７ｂをワークストッカー室１２６や測定装置本体室１２７よりも精度良く温調するのが望ましい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ステッパーなどに用いる高精度な結像レンズのレンズ面形状を非接触、あるいは接触プローブにて走査することによって測定する三次元形状測定装置において、前記プローブの位置を計測する為のレーザ干渉計と参照ミラー及び被測定物部分を高精度に部分空調すること、また、前記被測定物を複数個ストックしておくストッカーを具備し、自動で被測定物を前記三次元測定装置の測定台に搭載する自動搭載機構と、前記ストッカーの一つあるいは複数個を覆うカバーを持ち、前記ストッカーの前記カバー内部のみを高精度に部分空調することによって、測定精度を安定させるために必要な部分を温調することが出来るので、測定装置本体全体を高精度に温調する必要がなくなる。したがって、広い範囲を高精度に温調する必要がないので温調設備が小型化でき、温調の精度も向上する。
【００２７】
また部分温調のための空調ダクトを二重構造とすることで、外側の空気を巻き込むことなく高精度に温調されたエアーを目的の空間に送り込むことが可能となり、さらに温調の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した接触式三次元形状測定装置の平面図
【図２】本発明を実施した接触式三次元形状測定装置の側面図
【図３】本発明を実施した接触式三次元形状測定装置のミラーボックス部の側面図
【図４】部分温調用空調ダクトを二重構造としたときの作用説明図
【図５】部分温調用空調ダクトが単層構造の時の説明図
【図６】従来の測定装置の平面図
【符号の説明】
１０１　架台
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ　除振台
１０８ａ　上側プローブアーム
１０７ａ　上側Ｚ軸
【図１】
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【図２】
2004077308.tif 000004
【図３】
2004077308.tif 000005
【図４】
2004077308.tif 000006
【図５】
2004077308.tif 000007
【図６】
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