JP2009156686A - 形状測定装置,形状測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】厚み計測センサ20により,測定部における基準位置Poの厚みを計測し,画像処理装置10により,測定部の投影像に対する画像処理によって測定部の第1の輪郭形状情報を導出し,さらに,厚み計測センサ20により計測された厚みと測定部の投光方向R1における寸法とに基づいて,前記第1の輪郭形状情報から特定される厚み分布を補正することにより,前記第1の輪郭形状情報を補正して補正後の第2の輪郭形状情報を出力する。
【選択図】図1
Description
エッジプロファイルの測定方法の代表例は,半導体製造装置/材料に関する業界団体(Semiconductor Equipment and Materials International:以下,SEMI)が定める標準規格であるSemi Standardにおいて規定された非破壊検査法(SEMI-MF-928-0305規格 Method B)である。この非破壊検査法は,円盤状のウェーハの面取り加工された端部に対し,そのウェーハの表裏各面にほぼ平行な方向から光を投光するとともに,その投光方向に対向する方向からカメラによってウェーハの端面の投影像を撮像し,その投影像に基づいてウェーハの端面の形状を測定する方法(以下,光投影測定法と称する)である。この光投影測定法により得られる投影像の輪郭は,ウェーハの端面の断面形状(厚み方向に切断した断面の形状)を表す。
例えば,特許文献1には,前記光投影測定法において,点光源の出射光をコリメータレンズに通過させることによってコリメート(平行光化)し,その光束を測定対象物に投光することによって投影像における輪郭の画像ボケの発生を防止することが提案されている。
そして,図8及び図9は,図6及び図7に示される投影像1’に対する画像処理によって算出されたウェーハ端部の輪郭形状g1(波線)と真の輪郭形状g0(実線)とを表した図である。ここで,図8に示す輪郭形状g1が図6に示す投影像g1’に対応し,図9に示す輪郭形状g1が図7に示す投影像g1’に対応する。図8及び図9に示す輪郭形状g1は,例えば,投影像g1’の画像において,所定方向(例えば,厚み方向(Y軸方向)やそれに直交する方向(X軸方向))における輝度変化率が正の最大値及び負の最小値となる位置(座標)を結ぶ線が形成する形状である。
図8及び図9に示すように,投影像g1’に画像ボケが生じると,その投影像g1’の輪郭形状g1は,測定部の本来の断面形状を表さなくなる。このように,光投影測定法に基づく従来の形状測定においては,投影像の画像ボケによって正しい形状測定ができなくなる場合があるという問題点があった。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的とするところは,半導体ウェーハなどの円盤状の測定対象物の端面の形状をその投影像に基づいて測定する場合に,測定対象物の投影像に画像ボケが生じても正しい形状測定を行うことができる形状測定装置及び形状測定方法を提供することにある。
(1−1)前記測定対象物の前記測定部における基準位置の厚みを計測(実測)する厚み計測手段。
(1−2)前記測定部の投影像に対する画像処理によって前記測定部の第1の輪郭形状情報を導出する画像処理手段。
(1−3)前記厚み計測手段により計測された厚みと前記測定部の前記投光方向における寸法とに基づいて,前記第1の輪郭形状情報から特定される厚み分布を補正することにより,前記第1の輪郭形状情報を補正して補正後の第2の輪郭形状情報を出力する輪郭形状補正手段。
なお,前記第2の輪郭形状情報を出力する処理としては,例えば,前記第2の輪郭形状情報を記憶手段に記憶させる処理や表示部に表示させる処理,或いは外部装置に伝送する処理等が考えられる。
より具体的には,前記第1の輪郭形状情報から特定される厚み分布に対する前記輪郭形状補正手段による厚み補正量が,次の(1−4)に示す要件を満たす補正量であることが考えられる。
(1−4)前記基準位置については補正後の厚みを前記厚み計測手段により計測された厚みと一致させる補正量であり,その他の位置については,前記測定部の前記基準位置における前記投光方向の寸法を基準としたときの前記その他の位置における前記投光方向の寸法の大きさに応じて前記基準位置における厚み補正量が修正された補正量である。
或いは,前記第1の輪郭形状情報から特定される厚み分布に対する前記輪郭形状補正手段による厚み補正量が,次の(1−5)に示す要件を満たす補正量であるといってもよい。
(1−5)前記厚み計測手段により計測された厚みを基準としたときの前記第1の輪郭形状情報から特定される前記基準位置の厚みの相対値と,前記測定部の前記基準位置における前記投光方向の寸法を基準としたときの前記測定部の各位置における前記投光方向の寸法の相対値と,のそれぞれに対して正の相関を有する補正量である。
なお,前記相対値は,例えば,差や比などである。
また,前記厚み誤差の大きさは,画像ボケの程度に応じたものであり,その画像ボケの程度は,測定対象物の投光方向における寸法(即ち,測定対象物の表面に沿う光束の光路長)と高い相関がある。
そこで,本発明に係る形状測定装置においては,前記厚み計測手段が,既知の基準位置における前記測定部の実際の厚み(基準となる厚み)を計測する。さらに,前記輪郭形状補正手段が,前記基準位置における前記測定部の実際の厚み及び前記投光方向の寸法を基準として画像処理により得られる輪郭形状の厚みを補正することにより,真の輪郭形状の情報(前記第2の輪郭形状情報)を算出(推定)する。
本発明に係る形状測定装置によれば,測定対象物の投影像に画像ボケが生じても正しい形状測定を行うことができる。
即ち,本発明に係る形状測定方法は,次の(2−1)〜(2−3)に示す各手順を実行する方法である。
(2−1)厚み計測手段により前記測定対象物の前記測定部における基準位置の厚みを計測する手順。
(2−2)画像処理手段により前記測定部の投影像に対する画像処理を行うことによって前記測定部の第1の輪郭形状情報を導出する手順。
(2−3)前記厚み計測手段により計測された厚みと前記測定部の前記投光方向における寸法とに基づいて,前記第1の輪郭形状情報から特定される厚み分布を補正することにより,前記第1の輪郭形状情報を補正して補正後の第2の輪郭形状情報を出力する処理をプロセッサにより実行する手順。
本発明に係る形状測定方法によっても,本発明に係る形状測定装置と同様の作用効果が得られる。
ここに,図1は本発明の実施形態に係る形状測定装置Wの概略平面図,図2は形状測定装置Wの概略側面図,図3は形状測定装置Wにより実行される形状測定処理の手順を表すフローチャート,図4は形状測定装置Wが導出する第1の輪郭形状(補正前)及び第2の輪郭形状(補正後)の第1の例を表す図,図5は形状測定装置Wが導出する第1の輪郭形状(補正前)及び第2の輪郭形状(補正後)の第2の例を表す図,図6は投光方向に対向する方向からカメラにより撮像されたウェーハの投影像の第1の例を模式的に表した図,図7は投光方向に対向する方向からカメラにより撮像されたウェーハの投影像の第2の例を模式的に表した図,図8はウェーハの投影像に対する画像処理によって算出されたウェーハ端部の輪郭形状の第1の例と真の輪郭形状とを表した図,図9はウェーハの投影像に対する画像処理によって算出されたウェーハ端部の輪郭形状の第2の例と真の輪郭形状とを表した図である。
ウェーハ1は,例えば,半径150[mm]程度,厚み0.8[mm]程度のシリコン等の半導体からなり,その外周端(周面)部分が面取り加工されている。
以下,図1に示す平面図及び図2に示す側面図を参照しつつ,形状測定装置Wの構成について説明する。なお,図2において,図1に示す構成要素のうちの一部が省略されている。
図1及び図2に示すように,形状測定装置Wは,投光用の光学系(投光手段の一例)である投光部として点光源2と,その点光源2の光を平行光とするコリメータレンズ3と,マスク8とを備えている。
前記点光源2は,例えば白色LEDの光を300μm〜400μm程度の直径のピンホールを通じて出射する光源等である。この点光源2の光の出射部(ピンホール)は,コリメータレンズ3の焦点位置に配置されている。
前記コリメータレンズ3は,前記点光源2の出射光を通過させつつ,ウェーハ1の前記測定部に向かう方向であって,その測定部おける表裏両面に平行な方向(投光方向)においてコリメート(平行光化)するレンズである。
前記マスク8は,開口部8oが形成された板状の部材であり,その開口部8oの外側の範囲の光束の通過を制限することにより,前記コリメータレンズ3からウェーハ1側へ向かう光束のうち,前記投光方向R1から見た前記カメラ7aの撮像範囲の外側の範囲の光の通過を遮断する。このマスク8により,前記コリメータレンズ3からウェーハ1に至る過程において,ウェーハ1の投影像の範囲から比較的大きく外れた位置での光の通過が遮断されるので,ウェーハ1に投光される光束に非平行光成分が極力含まれないようにできる。なお,図1及び図2には,2つのマスク8が設けられた例を示しているが,前記マスク8が1つ或いは3つ以上設けられた実施例や,前記マスク8が設けられない実施例も考えられる。
前記マスク8(ウェーハ1に最も近いもの)と前記第1のレンズ4との間隔(距離)は,例えば200[mm]程度に設定され,ウェーハ1の縁部は,それらの間の光束(平行光)の光路中に配置されている。
そして,前記マスク8を通過後の平行光の光束Lpは,ウェーハ1の表裏各面に平行な方向R1からウェーハ1の端部を含む測定部(縁部)に対して投光される。
前記第1のレンズ4,前記第2のレンズ6及び前記絞り5は,テレセントリックレンズを構成し,それを通過した光がイメージセンサ7に入力されることにより,イメージセンサ7によってウェーハ1の測定部(端部)の投影像が撮像される。
このように,形状測定装置Wは,平行光をウェーハ1に投光することにより,ウェーハ1が,その平行光の光軸方向(投光方向R1)の奥行き長さが長いものであっても,イメージセンサ7において,輪郭のボケの程度が比較的小さい投影像を得ることができる。また,干渉性の強い単波長光ではなく,多波長成分を有する白色LEDを用いた点光源2を採用することにより,ウェーハ1が,投光方向R1の奥行き長さが長いものであっても,イメージセンサ7において投影像の輪郭の近傍に発生する回折縞が少ない良好な撮像画像を得ることができる。
前記画像処理装置10は,イメージセンサ7による撮像画像(ウェーハ1の投影像を含む画像)に基づく画像処理を実行する演算装置であり,例えば,予めその記憶部に記憶された所定のプログラムを実行するDSP(Digital Signal Processor)やパーソナルコンピュータ等である。この画像処理装置10は,イメージセンサ7による撮像画像(投影像)について予め定められた画像処理を実行することにより,ウェーハ1の端面形状の指標値を算出する。なお,前記画像処理装置10は,制御装置11からの制御指令に従って,イメージセンサ7による撮像画像(画像データ)の入力,及びその撮像画像に基づく画像処理を実行する。
また,前記中央吸着支持機構9は,円盤状のウェーハ1をその一方の面(例えば,下面)の中央部を真空吸着することにより支持する。さらに,前記中央吸着支持機構9は,ウェーハ1をその中央部(中心点Ow)を回転軸としてその周方向に回転駆動及び停止させることにより,ウェーハ1の周方向におけるいずれの位置の端部を前記測定部として光束の光路中に位置させるかを調節する装置でもある。前記中央吸着支持機構9は,ウェーハ1の支持角度(回転角度)を検出する角度検出センサとして不図示の回転エンコーダを備え,その検出角度に基づいてウェーハ1の支持位置(支持角度)の位置決めを行う。なお,前記中央吸着支持機構9は,制御装置11からの制御指令に従って,ウェーハ1の支持位置の位置決めを行う。
制御装置11は,CPU及びその周辺装置を備えた計算機であり,そのCPUが,予めその記憶部に記憶された制御プログラムを実行することにより,前記画像処理装置10及び前記中央吸着支持機構9を制御する(制御指令を出力する)装置である。
前記厚み計測センサ20は,前記中央吸着支持機構9により支持されたウェーハ1のおもて面側及びうら面側に対向配置された一対の非接触型変位センサを備えている。その一対の変位センサは,前記投光方向R1に直交する方向(ウェーハ1の表裏各面に垂直な方向)におけるウェーハ1の表裏各面の位置(センサとウェーハ1の面との間の距離)を検出するセンサであり,両センサの検出位置(検出距離)の和からウェーハ1の厚みが特定(計測)される。例えば,前記厚み計測センサ20として,一対の反射型のレーザ変位センサや,一対の渦電流型変位センサ,一対の超音波式の変位センサ等を採用することが考えられる。
本実施形態においては,前記厚み計測センサ20は,前記カメラ7aによる撮像範囲から外れた位置に配置されている。ウェーハ1の中心点Ow(回転中心)に対し,前記厚み計測センサ20の計測位置と投影像の撮像時における測定部の位置とのなす角がφ°であり,図1は,φ=90°であるときの例である。
そして,形状測定装置Wは,前記中央吸着支持機構9によってウェーハ1を回転させることにより,ある測定部の投影像を撮像する前(又は後)に,その測定部における前記基準位置Poを前記厚み計測センサ20の計測位置に位置決めし,前記厚み計測センサ20による厚み計測を行う。
なお,前記厚み計測センサ20が,前記カメラ7aによる撮像範囲に位置する測定部の厚みを計測可能に配置された構成も考えられる。
また,前記厚み計測センサ20として,測定対象面(ウェーハ1の表面)に対する当接部とを備えた接触式の厚み計測センサを採用することも考えられる。その場合,形状測定装置Wには,前記当接部を測定対象面に対して離接させる変位機構が設けられる。しかしながら,ウェーハ1表面の損傷防止のため,前記厚み計測センサ20は,非接触式のセンサであることが望ましい。
以下に示す形状測定処理では,ウェーハ1の端部(縁部)であって,前記中心点Owを中心とした中心角が45度ずつずれた8箇所の位置のうちのノッチ等が測定位置となる場合を除く7箇所の測定部(1番目〜7番目の測定部)について形状測定が行われ,図1に示す角度φ=90度である場合の例について説明する。また,i番目の測定部(i=1〜7)が投影像の撮像位置に位置するときの中央吸着支持機構9の回転軸の角度を,i番目の支持角ψ(i)と称する。なお,以下に示すS1,S2,…は,処理手順(ステップ)の識別符号を表す。また,以下に示す前記画像処理装置10の処理や前記回転支持機構9の動作は,前記制御装置11の制御指令に従って実行される。
まず,中央吸着支持機構9が,ウェーハ1を,1番目支持角度ψ(1)となる支持位置に対して−90度の支持角度の位置で支持する(S1)。これにより,1番目の測定部における前記基準位置Poが,前記厚み計測センサ20の計測位置に位置決めされる。
続いて,前記制御装置11が,前記厚み計測センサ20により計測された厚み(1番目の測定部における基準位置Poの厚みVpo(1))の情報を取得し,それを記憶部に記憶させる(S2)。
さらに,中央吸着支持機構9が,ウェーハ1を,2番目支持角度ψ(2)となる支持位置に対して−90度の支持角度の位置で支持する(S3)。これにより,2番目の測定部における前記基準位置Poが,前記厚み計測センサ20の計測位置に位置決めされる。
続いて,前記制御装置11は,前記厚み計測センサ20により計測された厚み(2番目の測定部における基準位置Poの厚みVpo(2))の情報を取得し,それを記憶部に記憶させる(S4)。
さらに,回転支持機構9が,ウェーハ1を,i番目支持角度ψ(i)となる支持位置で支持する(S6)。これにより,i番目の測定部が撮像位置に位置決めされるとともに,(i+2)番目の測定部における前記基準位置Poが,前記厚み計測センサ20の計測位置に位置決めされる。
続いて,ウェーハ1がi番目の基準支持角度ψ(i)の位置で支持された状態において,ウェーハ1におけるi番目の測定部の投影像が,イメージセンサ7により撮像される(S7)。さらに,前記画像処理装置10が,その撮像画像(画像データ)を取り込んで所定の記憶部(前記画像処理装置10が備えるメモリ等)に記憶させる(S7)。図6及び図7に示した投影像1’が,このステップS7において得られる投影像の一例である。
前記測定部の投影像g1’に画像ボケが生じている場合(図6及び図7参照),図8及び図9に示したように,その投影像g1’に対する画像処理によって算出される前記第1輪郭形状g1は,真の輪郭形状g0に対するズレ(誤差)を有している。そのズレは,前記測定部の厚みの差として捉えることができ,その厚み誤差を厚み補正量ΔTxとして前記第1の輪郭形状情報を補正すれば,前記測定部の真の輪郭形状を表す前記第2の輪郭形状情報を算出することができる。
また,前記厚み誤差の大きさは,画像ボケの程度に応じたものであり,その画像ボケの程度は,前記測定部の前記投光方向R1における寸法Dx(即ち,ウェーハ1の表面に沿う光束の光路長)と正の相関があり,寸法Dxが大きいほど画像ボケの程度が大きくなる。
そこで,前記画像処理装置10(前記輪郭形状補正手段の一例)が,i番目の測定部における前記基準位置Poの実際の厚みVpo(i)及び前記投光方向R1の寸法Dxを基準として前記厚み補正量ΔTxを算出する。
また,前記(a1)式は,前記投光方向R1の寸法Dx(以下,奥行き寸法Dxという)と前記厚み誤差(即ち,前記厚み補正量ΔTx)とが線形の相関関係を有するとの考えに基づくものである。
前記(a1)式において,前記奥行き寸法Dxは,既知の値である。即ち,表裏各面に垂直な方向から見て円形であるのウェーハ1の半径をr,前記投影像1’の厚み方向に直交する方向(X軸方向)における先端位置からX軸座標がxである位置までの距離をXsとすると,前記奥行き寸法Dxは,次の(b1)式によって表される。
ここで,(a1)式に基づいて算出される前記厚み補正量ΔTxは,前記基準位置Poについては,補正後の厚みを前記厚み計測センサ20により計測された厚みVpoと一致させる補正量(Vpo−THpo)である。
そして,(a1)式に基づいて算出されるその他の位置(前記基準位置Po以外の位置)についての前記厚み補正量ΔTxは,前記測定部の前記基準位置Poにおける前記投光方向R1の寸法Dpoを基準としたときの前記その他の位置(X軸方向の位置)における前記投光方向R1の寸法Dxの大きさ(Dx−Dpo)/Dpoに応じて前記基準位置Poにおける厚み補正量が修正された補正量であるといえる。
なお,(a1)式における補正係数α(定数)は,実験やシミュレーション等によって予め決定(設定)される。
また,前記(a1)式に代えて,前記投光方向R1の寸法Dxと前記厚み誤差(即ち,前記厚み補正量ΔTx)とが非線形の相関関係を有するとの考えに基づく次の(a2)式を用いることも考えられる。
図4及び図5に示すように,前記第1輪郭形状g1について前記(a1)式(係数α=1)に基づく補正を行えば第2輪郭形状g2が得られる。この第2輪郭形状g2は,ウェーハ1の前記測定部の本来の断面形状(輪郭形状)を精度良く表す形状となる。
次に,前記制御装置11は,前記カウンタ変数iをカウントアップ(i=i+1)し(S11),その数値が設定値M(ここでは,M=7)を超えているか否かを判別することによって全ての前記測定部についての測定(S6〜S9)が完了したか否かを判別する(S12)。
そして,形状測定装置Wは,全ての前記測定部についてステップS6〜S11の処理を実行した後,形状測定処理を終了させる。
以上に示したように,形状測定装置Wによれば,ウェーハ1の投影像1’に画像ボケが生じても正しい形状測定を行うことができる。
一方,前記形状測定装置Wが,ウェーハ1の測定部における複数の基準位置Poj(半径方向に沿う複数の箇所)の厚みを計測するセンサを備えた例も考えられる。その場合,例えば,複数の前記厚み計測センサ20が,ウェーハ1の表裏各面に垂直な方向から見て直線上に並ぶ既知の位置に配列される。なお,前記基準位置Pojにおける添字jは複数の位置を識別する番号を表す。
そして,前記画像処理装置10が,複数の前記基準位置Pojそれぞれにおける厚み補正量ΔTpojが,前記厚み計測センサ20により計測された前記基準位置Poの厚みVpojと,前記第1の輪郭形状情報から特定される前記基準位置Pojの厚みTHpojとの差分となるように,前記厚み補正量ΔTxを算出する。
ここで,前記画像処理装置10は,複数の前記基準位置Pojの厚みの計測値に基づいて,フィッティング処理によって前記厚み補正量ΔTxの算出式に含まれる係数を同定することができ好適である。例えば,2箇所の前記基準位置Pojの厚みの計測値に基づく簡易な連立方程式を解くことにより,前記(a1)式における補正係数αを同定することができる。これにより,様々なタイプの測定対象物について高い精度で形状測定を行うことができる。
1 :ウェーハ
2 :点光源
3 :コリメータレンズ
4 :第1のレンズ
5 :絞り
6 :第2のレンズ
7 :イメージセンサ
7a:カメラ
8 :マスク
9 :中央吸着支持機構
10:画像処理装置
11:制御装置
20:厚み計測センサ
S1,S2,…:処理手順(ステップ)
Claims (6)
- 円盤状の測定対象物における面取り加工された端部を含む測定部に対し前記測定対象物の表裏各面に平行な方向から光が投光する投光手段と,その投光方向に対向する方向から前記測定部を撮像する撮像手段と,を備え,前記撮像手段により得られた前記測定部の投影画像に対して画像処理を行うことにより前記測定部の輪郭形状を測定する形状測定装置であって,
前記測定対象物の前記測定部における基準位置の厚みを計測する厚み計測手段と,
前記測定部の投影像に対する画像処理によって前記測定部の第1の輪郭形状情報を導出する画像処理手段と,
前記厚み計測手段により計測された厚みと前記測定部の前記投光方向における寸法とに基づいて,前記第1の輪郭形状情報から特定される厚み分布を補正することにより,前記第1の輪郭形状情報を補正して補正後の第2の輪郭形状情報を出力する輪郭形状補正手段と,
を具備してなることを特徴とする形状測定装置。 - 前記第1の輪郭形状情報から特定される厚み分布に対する前記輪郭形状補正手段による厚み補正量が,
前記基準位置については補正後の厚みを前記厚み計測手段により計測された厚みと一致させる補正量であり,その他の位置については,前記測定部の前記基準位置における前記投光方向の寸法を基準としたときの前記その他の位置における前記投光方向の寸法の大きさに応じて前記基準位置における厚み補正量が修正された補正量である請求項1に記載の形状測定装置。 - 前記第1の輪郭形状情報から特定される厚み分布に対する前記輪郭形状補正手段による厚み補正量が,
前記厚み計測手段により計測された厚みを基準としたときの前記第1の輪郭形状情報から特定される前記基準位置の厚みの相対値と,前記測定部の前記基準位置における前記投光方向の寸法を基準としたときの前記測定部の各位置における前記投光方向の寸法の相対値と,のそれぞれに対して正の相関を有する補正量である請求項1に記載の形状測定装置。 - 円盤状の測定対象物における面取り加工された端部を含む測定部に対し前記測定対象物の表裏各面に平行な方向から光が投光されているときに,その投光方向に対向する方向から撮像手段により撮像し,その撮像により得られた前記測定部の投影画像に対して画像処理を行うことにより前記測定部の輪郭形状を測定する形状測定方法であって,
厚み計測手段により前記測定対象物の前記測定部における基準位置の厚みを計測する手順と,
画像処理手段により前記測定部の投影像に対する画像処理を行うことによって前記測定部の第1の輪郭形状情報を導出する手順と,
前記厚み計測手段により計測された厚みと前記測定部の前記投光方向における寸法とに基づいて,前記第1の輪郭形状情報から特定される厚み分布を補正することにより,前記第1の輪郭形状情報を補正して補正後の第2の輪郭形状情報を出力する処理をプロセッサにより実行する手順と,
を有してなることを特徴とする形状測定方法。 - 前記第1の輪郭形状情報から特定される厚み分布に対する前記輪郭形状補正手段による厚み補正量が,
前記基準位置については補正後の厚みを前記厚み計測手段により計測された厚みと一致させる補正量であり,その他の位置については,前記測定部の前記基準位置における前記投光方向の寸法を基準としたときの前記その他の位置における前記投光方向の寸法の大きさに応じて前記基準位置における厚み補正量が修正された補正量である請求項4に記載の形状測定方法。 - 前記第1の輪郭形状情報から特定される厚み分布に対する前記プロセッサによる厚み補正量が,
前記厚み計測手段により計測された厚みを基準としたときの前記第1の輪郭形状情報から特定される前記基準位置の厚みの相対値と,前記測定部の前記基準位置における前記投光方向の寸法を基準としたときの前記測定部の各位置における前記投光方向の寸法の相対値と,のそれぞれに対して正の相関を有する補正量である請求項4に記載の形状測定方法。
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