(57)【要約】      （修正有）【課題】力の微細な変動を簡単な仕方で補正して針圧を発生できる表面形状測定用触針式段差計及びその針圧補正方法を提供する。【解決手段】触針式段差計の針圧制御方法は、表面形状測定を行いたい力の設定で探針の下ろし加速度を測定して実際の力を求め、求めた力と元の設定した力との差を、針圧発生装置のコイルに流す電流ｘと力yの関係式ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）におけるcの値に反映させて新たな関係式を求め、こうして求めた新たな関係式に基き針圧発生装置のコイルに流す電流を設定する。【選択図】図９
2007003336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支点に揺動可能に取り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針圧制御方法において、
表面形状測定を行いたい力の設定で探針を下げる際の加速度を測定して実際の力を求め、求めた力と元の設定した力との差を、針圧発生装置のコイルに流す電流ｘと力yの関係式ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）におけるcの値に反映させて新たな関係式を求め、こうして求めた新たな関係式に基き針圧発生装置のコイルに流す電流を設定することを特徴とする触針式段差計の針圧補正方法。
【請求項２】
探針の垂直方向の変位ｚの時間変化を測定し、測定した変位を時間で２階微分する
ことにより探針を下げる際の加速度を求めることを特徴とする請求項１に記載の触針式段差計の針圧補正方法。
【請求項３】
表面形状測定をするに際して毎回その直前に、針圧発生装置のコイルに流す電流ｘと力ｙの関係式ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃにおいて定数ｃの値を更新することにより表面形状測定したい力と測定された力の差を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の触針式段差計の針圧補正方法。
【請求項４】
表面形状測定をする際に、まず表面形状測定をしたい力ｙ１に対応する針圧発生装置のコイルに流す電流ｘ１を出力するため、コンピュータ手段に記録された定数ｃの値ｃ１を読み込み、針圧発生装置のコイルに流す電流と力の関係式ｙ１＝ａｘ１２＋ｂｘ１＋ｃ１から電流ｘ１を算出し、算出した電流ｘ１を針圧発生装置のコイルに印加することで生じる探針の垂直方向の変位の時間変化を測定し、測定した変位を時間で２階微分することにより求められた探針の下ろし加速度から力ｙ２を求め、こうして求めた力ｙ２と表面形状測定をしたい力ｙ１との差をコンピュータ手段に記録された定数ｃの値ｃ１に加算して得た値ｃ２を定数ｃの最新の値としてコンピュータ手段に記録し、この最新の値ｃ２に基いて実際の測定のために針圧発生装置のコイルに流す電流を設定する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針圧補正方法。
【請求項５】
被測定試料の表面に対して垂直方向に移動可能でしかも被測定試料の表面に沿って相対的に移動可能である探針と；
探針に被測定試料の表面に対して垂直方向に向う針圧を作用させる針圧発生装置と；
探針の垂直方向の変位を検出する変位センサと；
表面形状測定を行いたい力の設定で探針の下ろし加速度を測定して実際の力を求め、求め
た力と元の設定した力との差に基き、針圧発生装置のコイルに流す電流ｘと力yの関係式ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）における定数ｃの値を更新し、定数cの値を更新した新たな関係式に基き針圧発生装置のコイルに流す電流を設定する制御手段と；
を有することを特徴とする表面形状測定用触針式段差計。
【請求項６】
探針、変位センサの磁性体コア及び針圧発生装置の磁性体コアを含む可動部の重心位置の垂直方向成分が、支点の重心位置近くに位置するように構成したことを特徴とする請求項５に記載の表面形状測定用触針式段差計。
【請求項７】
支点が曲率半径の小さな先端部を備え、また支点における摩擦力が小さいことを特徴とする請求項５又は６に記載の表面形状測定用触針式段差計。
【請求項８】
制御手段は、コンピュータ手段に記録された定数ｃの値ｃ１を読み込み、針圧発生装置のコイルに流す電流と力の関係式ｙ１＝ａｘ１２＋ｂｘ１＋ｃ１から表面形状測定を力ｙ１に対応する針圧発生装置のコイルに流す電流ｘ１を算出し、算出した電流ｘ１を針圧発生装置のコイルに印加することで生じる探針の垂直方向の変位の時間変化を測定し、測定した変位を時間で２階微分することにより求められた探針の下ろし加速度から力ｙ２を求め、求めた力ｙ２と表面形状測定をしたい力ｙ１との差をコンピュータ手段に記録された定数ｃの値ｃ１に加算して得た値ｃ２を定数ｃの最新の値として記録し、この最新の値ｃ２に基いて実際の測定のために針圧発生装置のコイルに流す電流を設定するように構成されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の触針式段差計。
【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及びその針圧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】
従来技術による触針式段差計の一例を添付図面の図１２に示す。図１２において、Ａは探針で支点Ｂに揺動可能に取り付けられた支持体Ｃの一端に装着され、またこの一端に隣接して探針Ａの垂直方向変位を検出する変位センサＤが設けられている。変位センサＤは探針Ａ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っている。一方、支持体Ｃの他端には探針Ａに針圧を加える針圧発生装置Ｅが設けられている。針圧発生装置Ｅは、コイルＦと、コイルＦの中心から軸方向にずれた位置に配置された高透磁率材のコアＧとを備え、コイルＦに流す電流の大きさに応じて発生される、高透磁率材のコアＧをコイルＦの中心へ引き込む力より探針Ａを試料に押し当てるように構成されている。そして試料または図８の検出系を走査することで探針Ａ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Ｂのまわりに微小に回転運動し、その変位を差動トランスＤで検出して試料の表面形状や段差が測定される。
【０００４】
また、測定試料の両面に、測定試料を挟んで二つの触針の先端を接触させ、二つの触針の先端を相互に直接接触させた場合との触針の移動距離の差により測定試料の膜厚を測定するようにした触針式膜厚測定技術は従来公知である（特許文献１参照）。
【０００５】
さらに、軸受けを中心として揺動自在のアームの端部に被測定物と接触する触針本体を設け、触針本体と被測定物との接触によって生じるアームの位置を検出して触針本体の変位量を求めるように構成した形状測定装置も公知である（特許文献２参照）。また、弾性ヒンジを介してアームをフレームに回動可能に支持し、アームの一端に触針を設け、アームの他端に可動プレートを設け、可動プレートを二枚の平行プレート間で移動できるようにし、これらのプレートでブリッジ電極を形成し、可動アームの回動によりブリッジのへ平衡が失われ、これにより触針の先端の変位量を測定するように構成した形状測定装置も公知である（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平９−２２９６６３号
【特許文献２】特許第３４０１４４４号
【特許文献３】特表平８−５０２３５７号
【０００６】
ところで、この種の段差計においては、探針での力すなわち針圧の測定は次のようにして行なわれる。針圧発生装置のコイルに流す電流が０のときは、支点上の可動部の重量バランスにより、針は上に上がった状態になり、ストッパーに当たり静止している。針圧発生装置のコイルに適当な電流を流すと、発生した力により探針は下がる。そのときの針先変位の時間変化を測定し、時間で２階微分して加速度を求めることにより、針圧を求めることができる。力と加速度の関係は、例えば数１０ ｍｇｆの領域では、電子天秤等で針先での力を測り、そのときのコイル電流と力の関係を得て、このコイル電流での加速度を測れば、力と加速度の関係が得られる。力と加速度は比例関係なので、比例定数が得られたことになり、任意の加速度の値からそれに対応する力の値を算出できる。この比例定数は、支点のまわりの慣性モーメントをI、支点から針先までの距離をrと表すと、I/r2  である。
【０００７】
このような表面形状測定装置で必要とされる力は０．０５ｍｇｆから２０ｍｇｆ程度であるが、弱い力の安定で正確な発生が難しい。また０．０５ｍｇｆよりもさらに小さい力が制御性よく出せれば、さらに軟らかい試料への用途が広がる。しかし、表面形状測定を繰り返すうちに力が０．０５ｍｇｆ程度変化する場合がある。これは支点用針先と支点受けの微細な接触状態の変化によるものと思われる。いずれにしても、測定を繰り返し続けるうちに０．０５ｍｇｆ程度の力での測定ができない場合が起こり得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように表面形状測定を繰り返すうちに力が０．０５ｍｇｆ程度変化する場合があり、小さい力での測定が正しくできない場合が起こり、その変化がいつ起きるか分からない。そのため、表面形状測定の前に力と針圧発生装置のコイルに流す電流との関係における較正曲線を毎回得る必要があるが、何点もコイル電流を変えながら力を測定していては時間がかかり過ぎるという問題がある。  
【０００９】
そこで、本発明は、測定を繰り返し続けるうちに、例えば支点の微細な接触状態の変化などにより生じ得る力の微細な変動を簡単な仕方で補正して０．０１ｍｇｆ台の精度で探針の力すなわち針圧を発生できる表面形状測定用触針式段差計及びその針圧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】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の発明によれば、支点に揺動可能に取り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針圧制御方法において、
表面形状測定を行いたい力の設定で探針の下ろし加速度を測定して実際の力を求め、求めた力と元の設定した力との差を、針圧発生装置のコイルに流す電流ｘと力yの関係式ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）におけるcの値に反映させて新たな関係式を求め、こうして求めた新たな関係式に基き針圧発生装置のコイルに流す電流を設定することを特徴としている。
【００１１】
本発明の方法においては、探針の下ろし加速度は、探針の垂直方向の変位ｚの時間変化を測定し、測定した変位を時間で２階微分することにより求められ得る。
【００１２】
また、本発明の方法においては、表面形状測定をするに際して毎回その直前に、針圧発生装置のコイルに流す電流ｘと力ｙの関係式ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃにおいて定数ｃの値を更新することにより表面形状測定したい力と測定された力の差が補正され得る。
【００１３】
また、本発明の方法の実施形態においては、表面形状測定をする際に、まず表面形状測定をしたい力ｙ１に対応する針圧発生装置のコイルに流す電流ｘ１を出力するため、コンピュータ手段に記録された定数ｃの値ｃ１を読み込み、針圧発生装置のコイルに流す電流と力の関係式ｙ１＝ａｘ１２＋ｂｘ１＋ｃ１から電流ｘ１を算出し、算出した電流ｘ１を針圧発生装置のコイルに印加することで生じる探針の垂直方向の変位の時間変化を測定し、測定した変位を時間で２階微分することにより求められた探針の下ろし加速度から力ｙ２を求め、こうして求めた力ｙ２と表面形状測定をしたい力ｙ１との差をコンピュータ手段に記録された定数ｃの値ｃ１に加算して得た値ｃ２を定数ｃの最新の値としてコンピュータ手段に記録し、この最新の値ｃ２に基いて実際の測定のために針圧発生装置のコイルに流す電流を設定する。
【００１４】
本発明の第２の発明による表面形状測定用触針式段差計は、
被測定試料の表面に対して垂直方向に移動可能でしかも被測定試料の表面に沿って相対的に移動可能である探針と；
探針に被測定試料の表面に対して垂直方向に向う針圧を作用させる針圧発生装置と；
探針の垂直方向の変位を検出する変位センサと；
表面形状測定を行いたい力の設定で探針の下ろし加速度を測定して実際の力を求め、求め
た力と元の設定した力との差に基き、針圧発生装置のコイルに流す電流ｘと力yの関係式ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）における定数ｃの値を更新し、定数cの値を更新した新たな関係式に基き針圧発生装置のコイルに流す電流を設定する制御手段と；
を有することを特徴としている。
【００１５】
本発明による表面形状測定用触針式段差計においては、好ましくは、探針、変位センサの磁性体コア及び針圧発生装置の磁性体コアを含む可動部の重心位置の垂直方向成分が、支点の重心位置近くに位置するように構成され得る。
【００１６】
また、本発明による表面形状測定用触針式段差計においては、好ましくは、支点は曲率半径の小さな先端部を備え、また支点における摩擦力は小さくされ得る。
【００１７】
制御手段は、コンピュータ手段に記録された定数ｃの値ｃ１を読み込み、針圧発生装置のコイルに流す電流と力の関係式ｙ１＝ａｘ１２＋ｂｘ１＋ｃ１から表面形状測定を力ｙ１に対応する針圧発生装置のコイルに流す電流ｘ１を算出し、算出した電流ｘ１を針圧発生装置のコイルに印加することで生じる探針の垂直方向の変位の時間変化を測定し、測定した変位を時間で２階微分することにより求められた探針の下ろし加速度から力ｙ２を求め、求めた力ｙ２と表面形状測定をしたい力ｙ１との差をコンピュータ手段に記録された定数ｃの値ｃ１に加算して得た値ｃ２を定数ｃの最新の値として記録し、この最新の値ｃ２に基いて実際の測定のために針圧発生装置のコイルに流す電流を設定するように構成され得る。
【発明の効果】
【００１８】
上述のように、本発明の第１の発明の方法によれば、表面形状測定を行いたい力の設定で探針の下ろし加速度を測定して実際の力を求め、求めた力と元の設定した力との差を、針圧発生装置のコイルに流す電流ｘと力yの関係式ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）におけるcの値に反映させて新たな関係式を求め、こうして求めた新たな関係式に基き針圧発生装置のコイルに流す電流を設定するので、時間の無駄はほとんどない。また表面形状測定の直前に毎回新たに較正されたコイル電流と力の関係式を用いるので、考え得る中で設定値に最も近い力を出すことができ、0.01mgfの精度で力を発生できる。
【００１９】
また、本発明の第１の発明による方法では、表面形状測定を行いたい力の設定で探針の下ろし加速度を測定して実際の力を求め、求めた力と元の設定した力との差を、針圧発生装置のコイルに流す電流ｘと力yの関係式ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）におけるcの値に反映させて新たな関係式を求め、こうして求めた新たな関係式に基き針圧発生装置のコイルに流す電流を設定する操作をコンピュータ手段で行うことにより、測定者に煩わしさを与えずに、かかる操作を自動的に行うことができる。
【００２０】
また、本発明の第２の発明による触針式段差計では、表面形状測定を行いたい力の設定で
探針の下ろし加速度を測定して実際の力を求め、求めた力と元の設定した力との差に基き、針圧発生装置のコイルに流す電流ｘと力yの関係式ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）における定数ｃの値を更新し、定数cの値を更新した新たな関係式に基き針圧発生装置のコイルに流す電流を設定する制御手段を設けているので、一連の操作を自動的に行うことができ、時間の無駄なしに、考え得る中で設定値に最も近い力を出すことができ、0.01mgfの精度で力を発生できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面の図１〜図１１を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図１には、本発明が適用される触針式段差計の一形態を示し、１は固定支持台で、その上に支点要素２を介して揺動支持棒３が設けられ、この揺動支持棒３の一端には探針４が下向きに取り付けられている。探針４はその先端はダイヤモンドで構成され、また先端の半径は一般的には２．５μｍであるが、それより大きくても小さくてもよい。また、揺動支持棒３の他端には探針４に垂直下方の力すなわち針圧を加える力を発生する針圧発生装置５が設けられている。この針圧発生装置５は、揺動支持棒３の他端から上方へのびる磁性体コアから成る作動子５ａと作動子５ａを受ける穴をもつコイル５ｂとで構成されている。揺動支持棒３の一端における探針４より支点要素２側において、探針４の垂直方向の変位を検出する変位センサ６が設けられ、この変位センサ６は揺動支持棒３に一端を固定した磁性体コアから成る測定子６ａと測定子６ａの他端すなわち自由端を受けるコイル６ｂとを備えた差動トランスで構成されている。
【００２３】
また、図１において７ａ、７ｂはそれぞれ揺動支持棒３の上下の動きを規制する上部ストッパー及び下部ストッパーであり、８は試料ホルダーで、その上に上下方向すなわち垂直方向（ｚ方向）に移動できるステージ９ａ及び走査ステージ９ｂが設けられている。走査ステージ９ｂは探針４に対して予定の操作速度で移動できるように設けられ、この走査ステージ９ｂ上には被測定試料１０が取り付けられ得る。
【００２４】
図２には、支点要素２上の可動部を下から見た例を示す。揺動支持棒３に探針４、変位センサ６の磁性体コア、針圧発生装置５の磁性体が取り付けられ、二つの支点要素２で支えられている。変位センサ６と針圧発生装置５の支点要素２に対する位置関係は逆でもよい。
【００２５】
図３には、支点部分の構造を示す。先端を尖らせた支点要素２が固定支持台１に設けた支点要素受け１ａで受けられ、それらの接点が支点となる。
【００２６】
力すなわち針圧の発生は、針圧発生装置５のコイル５ｂの中心から軸方向にずれた位置に高透磁率材のコア５ａを配置し、コイル５ｂの中心へ引き込む力を利用しており、コイル５ｂに流す電流で力を決めている。こうして発生した力により探針４を被測定試料１０に押し当てる。試料１０又は図１の検出系を走査することで探針４は試料１０の表面をなぞり、その表面形状に応じて、固定された支点のまわりに微小に回転運動し、その変位を差動トランス６が検出して試料１０の表面形状や段差が測定される。針圧発生装置５及び探針４の垂直方向の変位を検出する変位センサ６は図４に示すような制御手段に接続され、この制御手段は検出系からの出力信号に基いて針圧発生装置５の動作を制御するように構成されている。
【００２７】
図４には図１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４において、１１はコンピュータ装置で、このコンピュータ装置１１はアナログ入出力ボード１２を介して、針圧発生装置５におけるコイル５ｂに接続された針圧発生装置用電源１３及び走査ステージ９ｂの駆動装置１４にそれぞれ接続されている。また、コンピュータ装置１１は、汎用インターフェースボード１５を介してデジタルロックイン増幅器及び発振器を備えた検出回路１６に接続され、この検出回路１６は変位センサ６を成す差動トランスの一次コイル及び二次コイルに接続されている。
【００２８】
図４に示す制御手段において、針圧発生装置５のコイル電流と力の関係を予め設定しておき、力をコンピュータ装置１１上で指定するとそれに応じた電流を針圧発生装置５のコイルに流すようにしている。
【００２９】
探針４での力すなわち針圧は、探針４の針先が空中にある状態で針先変位の時間変化を測定し、それを時間で２階微分し加速度を求め、比例定数をかけて求める。その比例定数は、予め電子天秤で力を測定し、そのときの加速度で割り求めておく。この比例定数は、支点のまわりの慣性モーメントをI、支点から針先までの距離をrと表すと、I/r2  である。
【００３０】
コイル電流と、加速度測定から求めた力の関係を図５に示す。コイル電流ｘと力yの関係は  
ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数）
で表すことができ、この関係式を用いて、入力した力の設定値から電流を計算して出力する。図５では下向きの力を負としている。コイル電流が０では力は上向きで、探針４は上方に上がり、図１に示した上部ストッパー７ａに当たり静止する。
【００３１】
針圧発生装置５のコイル５ｂに流す電流を０Ａから１．６×１０−２Ａにした後の、探針４の針先変位の時間変化の測定例を図６に示す。隣り合う１０点ごとに移動平均を行い、ノイズを小さくしている。可動部の揺動支持棒３は−１ｍｍ相当にある下部ストッパー７ｂに当たり跳ね返っている。この測定結果のｚ＝＋０．１５から−０．１５ｍｍの範囲（図６の時間が７５０ｍｓ辺り）のデータを時間で微分した結果を図７に示す。なお、図７の時間の原点は特に意味がない。図７で傾き、即ち加速度を求めて力に換算しており、その結果は−０．０５５ｍｇｆである。図７から言えることは、０．０５ｍｇｆの非常に弱い力でも精度よく測定できるということである。
【００３２】
図８には、同じコイル電流値での、加速度測定からの力の算出を繰返し行った結果を示す。平均値‐０．０５８３ｍｇｆ、標準偏差０．００２５ｍｇｆと非常に弱い力が繰り返しに対して精度よく安定に出ていることが分かる。
【００３３】
しかし、上述のように、表面形状測定を繰り返すうちに力が０．０５ｍｇｆ程度変化する場合があり、０．０５ｍｇｆ程度の力での測定ができない場合が生じ得る。
【００３４】
本発明においては、表面形状測定前に必ず行う探針４を下ろす動作の際に、形状測定を行いたい力の設定で探針４を下ろし加速度を測定して実際の力を求める。その測定した力と元の設定した力との差を、コイル電流ｘと力yの関係式  ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ  （ａ、ｂ、ｃは定数）におけるcの値に反映させて新たな関係式を得、それを用いてコイル電流を出力する。それをコンピュータ装置１１で制御して行う。
【００３５】
そのためには、図７のグラフで示すように高精度で加速度を求める必要がある。すなわち、データ取り込み装置のバッファ等を用いて短い時間間隔で探針４の垂直方向変位zの時間変化を測定し、移動平均処理等によりzのノイズを除去し、時間で微分した後のｄｚ／ｄｔのノイズを低減する。そのようなノイズの少ないｄｚ／ｄｔの時間変化から加速度が精密に求まる。この場合に、支点上の可動部の重心位置のｚ成分が支点のそれに近いことが必要である。支点上の可動部の重心位置のｚ成分が支点のそれに近くないと、力が探針４の先のzに依存し、図７のような直線（力が一定）が得られない。また、支点要素２の針先の曲率半径が小さく、支点要素２の針先と固定支持台１に設けた支点要素受け１ａとの間の摩擦力が小さいことも重要である。該摩擦力が大きいと、本来のコイル電流による力以外の力が加わるので正しい測定ができない。
【００３６】
また、図８のように弱い力をある程度安定して出せることが必要である。ある程度とは例えば10回連続程度であり、本発明により可能になるのは理論上は無限回連続での安定性である。ある程度の安定性を得るには、やはり支点要素２の針先の曲率半径が小さく、可動部が支点のまわりをスムースに回転できる必要がある。
【００３７】
以下詳細に説明すると、微弱な力の変化は、支点要素２の針先の摩耗や位置の変化などによる、支点の接触具合の微細な変化によると考えられる。同じコイル電流で力が変わったということは、支点上可動部の重心と支点のｘ成分との差が変わったということであり、つまりはコイル電流によらない一定の力の分だけ変化したということである。従って、コイル電流ｘと力ｙの関係式ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃにおいてｃの値が変化したと考えることができ、その値を求め直せばよい。
【００３８】
表面形状測定時の動作は一般に次のとおりである。
１．  コイル電流０で探針４が上に上がっている。すなわち揺動支持棒３が上部ストッ                                                パー７ａの位置で静止している。
２．  コイル電流を流して探針４を下に下ろす。すなわち揺動支持棒３が下部ストッパー７ｂの位置で静止する。
３．  ステージ９ａを動かし、探針４が試料１０に乗った状態で探針４の針先の変位を０にする。
４．  表面形状測定をしたい力ｙ１に対応するコイル電流を出力する。
５．  走査ステージ９ｂを走査して形状測定を行う。
【００３９】
以下図９を参照して測定時の動作について説明する。
測定者はまずコンピュータ装置１１のモニター上で表面形状測定をしたい力ｙ１を指定し、測定開始のボタンを押す。それによりコンピュータ装置１１においては定数ｃの値ｃ１が記録ファイルから読み込まれる。コイル電流ｘと力ｙとの関係ｙ１＝ａｘ１２＋ｂｘ１＋ｃ１から針圧発生装置５のコイル５ｂに流す電流ｘ１が算出され、出力される。その結果、針圧発生装置５のコイル５ｂは電流ｘ１で励磁され、探針４を下降させる。探針４が下りる際の加速度を測定し、力を算出する。こうして算出した力をｙ２とする。
【００４０】
力ｙ２−力ｙ１はずれ量なので、
ｃ２ ＝ ｃ１ ＋ （ ｙ２ − ｙ１）
が最新の正しいｃの値となる。そして、ｃの値が書かれているコンピュータ装置１１におけるファイルにｃ２を上書きし、コンピュータ装置１１において力の較正操作が完了する。
【００４１】
こうして、表面形状測定をしたい力ｙ１に対応するコイル電流を出力する段階へ移行する。
コンピュータ装置１１において定数ｃの値としてｃ２が記録ファイルから読み込まれる。この場合、探針の４の振動を早く抑えるために１ｍｇｆ台の力が発生される。こうして探針４が試料１０上に乗り、変位がゼロになるようにステージ９ａを垂直方向に動かす。
【００４２】
一方、関係式ｙ１＝ａｘ２２＋ｂｘ２＋ｃ２から針圧発生装置５のコイル５ｂに表面形状測定のために流す電流ｘ２が算出され、出力される。その結果、針圧発生装置５のコイル５ｂは電流ｘ２で励磁され、考え得る中で最も設定値ｙ１に近い力が発生する。この発生した力の下で、走査ステージ９ｂを走査しながら試料１０の表面形状が測定される。
【００４３】
ところで本発明においては表面形状測定の度にｃの値が最新の値に更新されていくので、支点部の大きな摩耗、破壊等が起きるまでは正しい力を出し続ける。図１０に較正前後での探針４に加える力とコイル電流の関係を示す。
【００４４】
以上の説明では、表面形状測定の直前に、コイル電流と力の関係を1点の測定で再較正している。1点のみの測定で精度よく較正式を得るためには、その1点の測定値の測定精度を高くする必要があり、そのために上述のような変位測定値を移動平均処理すること、支点要素２の先端の曲率半径が小さいこと、支点要素２の受け面が滑らかであること、支点と可動部重心の位置のz成分が近いことなどが必要となる。  
【００４５】
本発明においては、力の測定と表面形状測定は厳密には同時に行っていないので、その間にもごく僅かではあるが力が変化している可能性がある。その変化が十分小さいことを保証するには、針を下ろす動作を繰り返したときに、力の変化が十分に小さければよい。このことは図８に示した「ある程度の安定性」であり、そのためには支点要素２の先端の曲率半径が小さいこと、支点要素２の受け面が滑らかであることなどが重要である。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明の実施例について例示する。
支点要素２の針先の角度は４０°で機械加工により製作し、先端部の曲率半径を小さくするため先端部を９０°に手動で研磨した。支点要素受け１ａの底の角度は１４０°で製作し、底面はやはり研磨した。それらにより支点まわりの回転がスムースになり、加速度測定時の精度が向上し、また、探針先での力の再現性が増した。また支点要素２と支点要素受け１ａは共にＳＵＳ３０４で製作した。
【００４７】
探針先の変位zの時間変化を測定した例が図６である。計測器の測定時定数３ｍｓで、１ｍｓ間隔で測定し、１０点ごとに移動平均した結果である。この結果を時間で2階微分し上述の比例定数をかけて力を求めると、ｚ＝＋２ｍｍで−０．１５ｍｇｆ、ｚ＝−１ｍｍで０．０ｍｇｆになっている。これは上述のように可動部重心位置と支点位置のｚ成分の違いによるものである。それらが異なるために、探針４の針先変位が変化して可動部が支点のまわりに回転したときに、可動部重心位置のｘ成分が変化し、支点に対しての前後（図１のｘ方向）のバランスが変化して探針４の針先での力が変化する。このセンサヘッドは探針４の針先変位が±０．１５ｍｍ以内での表面形状測定を対象にしているので、上記程度の「力の探針先変位への依存」は問題にならない。これはバランス用重りを動かして、可動部重心位置のｚ成分を支点のそれに近づけた結果である。それにより、図７に示したように針先の速度の時間変化が直線になり、加速度、即ち力を精密に測定できるようになった。
【００４８】
図６では上部と下部ストッパー７ａ、７ｂの位置により＋２．１ｍｍから‐１ｍｍまでの広い範囲を動くので、探針４が下りるまでに１秒程度かかっているが、例えばストッパーの位置を変え、探針４の針先の範囲を±０．５ｍｍに狭めれば、探針４が下りるまでの時間は０．５秒程度に短縮され、時間の無駄はほとんどない。下端に達した後は１ｍｇｆ程度の力を出せば、その後の振動は速く収まる。
【００４９】
図９に示した手段、手順で行った表面形状測定の結果を図１１に示す。計測器の測定時定数は３ｍｓ、走査ステージ９ｂの走査速度は２７μｍ／ｓである。実線は０．０１ｍｇｆ、点線は０．５ｍｇｆと設定し測定した結果である（負の符号は省略した）。０．０１ｍｇｆ設定では段差上昇時に探針４がとんでしばらく振動している（１７００ｍｓ及び２０００から２４００ｍｓ辺り）。このとんでいるときの加速度から力を求めれば、表面形状測定時の実際の力が分かる。１７００ｍｓ辺りのとびから求めた力は０．０１２４ｍｇｆとなった（負の符号省略）。これにより、０．０１ｍｇｆという非常に小さい力を制御性よく発生できていることが実証された。
【００５０】
これに関連して、０．００ｍｇｆ設定での測定も何度か行った。その結果は、走査開始直後に探針４が上昇し、１秒程度後に試料１０上に戻り、そこで跳ね再び上昇した。或いは、走査開始直後に針が上昇したまま測定中の３秒の間には戻らなかった。従って、０．０１ｍｇｆより十分に小さい値だったと言える。このことからもセンサヘッド及び制御系が０．０１ｍｇｆの制御性を持つことが分かる。
【００５１】
探針４が跳んだときに達する高さhは運動方程式から  h =  Iｖ０2 / 2 r2 Fと書ける。Iは可動部の支点まわりの慣性モーメント、ｖ０は跳びだすときのz方向の初速度、rは支点と探針４との間の距離、Fは探針での力である。ｖ０は走査速度と同程度と考えられる。１７００ｍｓ辺りのとびに関して、zの時間微分からｖ０を求めると２×１０−５ mm/msとなる。この値は、測定時定数の問題で少し小さ目に出ていると考えられる。走査速度は２．７×１０−５ mm/msである。このセンサヘッドのＩ＝７４２ ｇ mm2、 ｒ＝６０ mmを用い、仮にｖ０＝２．７×１０−５ mm/ms 、F＝０．０１２４ｍｇｆを用いると、ｈ＝０．６０μｍとなり、図１１とほぼ一致する。このことから図１１の測定結果には物理的に矛盾がなく、０．０１ｍｇｆの制御性の実証結果が支持されることがわかる。 
【００５２】
ところで、上述の実施形態では、電流で制御しているが、代わりに電流で制御することもでき、その場合にはコイルの抵抗値は約50Ωであるので、それから換算すれば電流との関係も求まる。本発明では特に電流の関数とする必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明を実施している触針式段差計の構成を概略部分断面図。
【図２】支点上の可動部を下から見た概略図。
【図３】支点部の構成を例を示す拡大断面図。
【図４】計測、制御系の構成を示すブロック線図。
【図５】針圧発生装置のコイル電流と針圧との関係を示すグラフ。
【図６】探針の針先の変位の時間変化を示すグラフ。
【図７】探針の針先の速度の時間変化を示すグラフ。
【図８】コイル電流を一定にして、力を連続測定した結果を例示するグラフ。
【図９】コンピュータ装置による測定時の動作の流れを示すフロー線図。
【図１０】較正前後での力とコイル電流との関係を示すグラフ。
【図１１】０．０１ｍｇｆでの表面形状測定例を示すグラフ。
【図１２】探針式段差計の従来例を示す概略図。
【符号の説明】
【００５４】
１：固定支持台
１ａ：支点要素受け
２：支点要素
３：揺動支持棒
４：探針
５：針圧発生装置
６：変位センサ
７ａ：上部ストッパー
７ｂ：下部ストッパー
８：試料ホルダー
９ａ：ステージ
９ｂ：走査ステージ
１０：被測定試料
１１：コンピュータ装置
１２：アナログ入出力ボード
１３：針圧発生装置用電源
１４：駆動装置
１５：汎用インターフェースボード
１６：検出回路
【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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