JP2010181157A - 三次元測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定した座標値の補正を高精度に行い、三次元形状の測定を短時間で高精度に行うことが可能な三次元測定装置を提供する。
【解決手段】三次元測定装置１００を、被測定物３を載置する定盤２、被測定物３の三次元形状を測定するための光学系を有する測定部４、この測定部４の移動機構Ａ及びこの測定部４で測定した座標軸を補正する補正値を求める測定誤差補正部５０から構成する。この測定誤差補正部５０を、Ｚ参照ミラー１０、Ｘ参照ミラー１１、Ｙ参照ミラー１２、測定部４の位置座標を求める６軸レーザ干渉測長計９及び測定部４で測定した座標値に補正値を加算して補正後の座標値を求める補正座標値算出部１３から構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元測定装置に関する。

半導体ウエハの表面形状の測定、非球面レンズ等の自由曲面の形状測定、若しくは、表面粗さ測定については、サブミクロンからナノメートル以下の測定精度が必要となってきている。図６に門移動型構造の三次元測定装置１を示す。従来、このような三次元測定装置１や表面粗さ測定機等の一般的な構造としては、定盤２上に被測定物３が載置され、この被測定物３の測定面に接触して、この被測定物３の表面形状測定等を行うプローブ４をＸ軸方向に移動させるＸ軸移動体６、Ｙ軸方向に移動させるＹ軸移動体７、及び、Ｚ軸方向に移動させるＺ軸移動体８からなる移動体Ａが設置されている。この移動体Ａは、門型形状であり、Ｙ軸移動体７により移動体Ａ全体が定盤２上に並設された図示しないレールに沿ってＹ軸方向に滑動する。この移動体Ａの梁部には、この梁部に沿ってＸ軸方向に滑動可能なＸ軸移動体６が設けられ、このＸ移動体６には、先端部にプローブ４を有しＺ軸方向に滑動可能なＺ軸移動体８が取り付けられている。このような従来の三次元測定装置１や表面粗さ測定機では、各移動体をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に滑動させる手段として、コロ、エアスライド、油軸受け等が使用される。しかし、これらの手段を用いた場合、上記移動体Ａを数ｍｍから数百ｍｍ移動させたときの移動真直度は、Ｘ，Ｙ，Ｚの内の１軸のみで０．１μｍ程度に抑えるのが限界である。よってＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向に各移動体を移動させたときには、合計された移動真直度は数μｍ程度に達してしまう。したがって、従来の三次元測定装置１では、上述したようなサブミクロンメートルからナノメートル以下の測定精度にて上記測定面の形状測定を行うことは困難であった。

そこで、この問題を解決するための提案がされている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、平面度を１０ｎｍオーダーまで磨いた３枚の基準ミラーをＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に配置して座標軸とし、測定点の軸上で各基準ミラーまでの距離をレーザ測長している。これにより、サブミクロンメートルからナノメートル以下の測定精度にて形状測定が可能な形状測定装置及び形状測定方法を提供することが可能となった。

特開平１０−１７０２４３号公報

しかしながら、このような形状測定装置等おいては、被測定物に対して接触式またはＡＦＰ（原子間力プローブ)等の点計測に限られてしまう。そのため、高精度な測定が可能ではあるが、測定時間がかかるなどと言った課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、線計測または面計測を行う場合であっても、測定された座標値の補正を高精度に行って、三次元形状の測定を短時間で高精度に行うことが可能な三次元測定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る三次元測定装置は、被測定物を載置する定盤と、被測定物の三次元形状を測定する測定部と、測定部に取り付けられ、当該測定部を定盤の被測定物が載置される載置面に対して垂直方向及び水平方向に移動させる移動機構と、測定部で測定した座標値を補正するための補正値を算出する測定誤差補正部と、を有して構成される。この測定誤差補正部は、定盤の載置面に対して水平方向であって、当該定盤の長手方向に直交する短手方向をＸ軸方向とし、定盤の表面に対して水平方向であって、当該定盤の長手方向をＹ軸方向とし、定盤の表面に対して垂直方向をＺ軸方向としたとき、測定部に対してＺ軸方向に位置しＸＹ軸方向を平面とするＺ参照ミラーと、測定部に対してＸ軸方向に位置しＹＺ軸方向を平面とするＸ参照ミラーと、測定部に対してＹ軸方向に位置しＸＺ軸方向を平面とするＹ参照ミラーと、測定部に取り付けられ、当該測定部とＸ，ＹまたはＺ参照ミラーとの距離を測定し、測定部のＸ，Ｙ，Ｚ座標を測定する位置座標測定部と、位置座標測定部での測定座標をもとに、測定部で測定した座標値を補正するための補正値を求め、当該補正値を加算した補正後の座標値を求める補正座標値算出部と、を有して構成される。

このような三次元測定装置において、位置座標測定部は、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標測定用のレーザ光発生部と、レーザ光発生部から発生したレーザ光がＸ参照ミラーに照射され、当該Ｘ参照ミラーで反射された反射光を受光して測定部のＸ座標を測定するＸ座標測定部と、レーザ光発生部から発生したレーザ光がＹ参照ミラーに照射され、当該Ｙ参照ミラーで反射された反射光を受光して測定部のＹ座標及びＺ軸を中心とした傾き（ローリング）を測定するＹ座標測定部と、レーザ光発生部から発生したレーザ光がＺ参照ミラーに照射され、Ｚ参照ミラーで反射された反射光を受光して測定部のＺ座標及びＸ軸を中心とした傾き（ヨーイング）並びにＹ軸を中心とした傾き（ピッチング）を測定するＺ座標測定部と、を有することが好ましい。

また、このような三次元測定装置において、Ｘ参照ミラー、Ｙ参照ミラー及びＺ参照ミラーは、測定部を囲む筐体の側面の少なくとも一部に設けられることが好ましい。

また、このような三次元測定装置は、Ｘ参照ミラー、Ｙ参照ミラー、または、Ｚ参照ミラーに対して、これらを所定の設置角度に変化させるためのピエゾアクチュエータを備えることが好ましい。

本発明に係る三次元測定装置を以上のように構成すると、線計測または面計測を行う場合であっても、測定された座標値の補正を高精度に行うことができ、その結果、三次元形状の測定を短時間で高精度に行うことが可能となる。

第１の実施形態に係る門移動型構造の三次元測定装置の構成を示す構成図である。 Ｙ軸におけるアッベ誤差を説明するための説明図である。 ダブルパス干渉測長器を説明するための説明図である。 第２の実施形態に係る片持ち梁型の三次元測定装置の構成を示す構成図である。 第３の実施形態に係る三次元測定装置の構成を示す構成図である。 従来の門移動型構造の三次元測定装置の構成を示す構成図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書において、Ｘ軸方向とは定盤の表面に対して水平方向であって、定盤の長手方向に直交する短手方向を指し、Ｙ軸方向とは定盤の表面に対して水平方向であって、定盤に対して長手方向を指す。また、Ｚ軸方向とは定盤の表面に対して垂直な方向を指す。

（第１の実施形態）
まず、図１を用いて、第１の実施形態に係る三次元測定装置の構成について説明する。この図１に示す第１の実施形態における三次元測定装置１００は、被測定物３を載置する定盤２と、この被測定物３の三次元形状を測定するための測定部４と、この測定部４のヘッド部５に取り付けられ、この測定部４を垂直方向及び水平方向に移動させるための移動機構Ａと、測定部４の位置座標を検出し測定部４の誤差を補正するための測定誤差補正部５０とから構成されている。

移動機構Ａは、図１に示すように、門型形状であり、測定部４をＸ，Ｙ，Ｚ軸にそれぞれ平行に移動可能に配置されたＸ軸スライダ６、Ｙ軸スライダ７、及び、Ｚ軸スライダ８から構成されている。このＸ，Ｙ，Ｚ軸スライダ６，７，８をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に滑動させる手段として、コロ、エアスライド、油軸受け等が使用される。測定誤差補正部５０は、測定部４のヘッド部５の上端に設置された位置座標測定部としての６軸レーザ干渉測長計９と、測定部４に対してＺ軸方向に位置しＸＹ軸方向を平面とするＺ参照ミラー１０と、測定部４に対してＸ軸方向に位置しＹＺ軸方向を平面とするＸ参照ミラー１１と、測定部４に対してＹ方向に位置しＸＺ軸方向を平面とするＹ参照ミラー１２と、６軸レーザ干渉測長計９で測定した位置座標を元に、測定部４で測定した座標値を補正するための補正値を求め、この補正値を加算した補正後の座標値を求める補正座標値算出部１３とから構成されている。本実施形態では、Ｘ，Ｙ，Ｚ参照ミラー１１，１２，１０を、図１に示すように、測定部４を囲む筐体のＸ軸方向の一方の壁面、Ｙ軸方向の壁面（背面）、及び、Ｚ軸方向の天面の、三方向の面全体をミラー（鏡板）で被覆することにより形成しているが、壁面や上面の全体をミラーで被覆する必要はなく、筐体の側面の少なくとも一部、すなわち、６軸レーザ干渉測長計９のレーザが照射される範囲のみに鏡板を設置してもよい。また、Ｘ軸方向の他方の壁面や前方の壁面を、更にミラーで被覆してもよい。

この第１の実施形態では、三次元測定装置１００における測定部４の具体例として、共焦点光学系を用いた場合について説明する。この共焦点光学系は、図示はしないが、対物レンズ像面にピンホールを配し、このピンホールを通して、光源から発せられる光（例えば、レーザ光）を被検物面（被測定物３の表面）に投光し、ピンホールを通過する被検物面からの戻り光をＣＣＤカメラのような撮像素子により検出するものが代表的な構成として知られている。このような構成による共焦点光学系は、被検物面が対物レンズの被検物側の焦点面にある場合に、ピンホールを通して検出される戻り光の輝度（光量）が最大となり、被検物面が対物レンズの被検物側の焦点面から僅かでも光軸方向にずれると、ピンホールへの戻り光が大部分遮光されるため、撮像素子が検出する戻り光の輝度は急激に減少する性質を持つ。

従って、共焦点光学系のこのような性質を利用して被検物面からの戻り光の光量を検出することで、被検物面の位置を測定して被検物の高さを算出することができる。すなわち、被検物３を測定するためのヘッド部５を高さ方向に（光軸方向すなわちＺ軸方向に）上下動させて、対物レンズと被検物面との距離を相対的に移動させるとともに、被検物面からの戻り光のうちピンホールを通る光の光量を検出し、その光量がピークになったときが被検物面の位置となる。

また、被検物を測定するためのヘッド部５を光軸に対して垂直な方向（ＸまたはＹ方向）に移動させて、被検物面上の所定領域を入射光の照射位置に移動させることで、被検物面上の所定領域における戻り光が撮像素子により受光され、戻り光の光量を検出することで被検物面上の所定領域における共焦点画像が三次元測定装置に設けられた処理装置に入力される。このため、被検物面上の何れの位置が、ステージの何れの高さ位置において共焦点になるのかを検出することが可能であり、被検物の高さや、ある領域における表面形状を測定できる。このようにして得られた高さ情報、及び、ＸＹ座標位置情報を元に三次元画像を形成していく。しかしながら、得られた高さ情報と位置座標が実際のものと違うと正確な三次元画像を得ることができない。

このような三次元測定装置１００において正確に位置座標を認識することは重要なことである（ここで述べている位置座標とは、対物レンズの焦点位置の座標である。特に、視野中心の座標のことを指す）。しかし、例えば、図６に示すような従来の三次元測定装置１では、移動体ＡをＹ方向に駆動させると、図２に示すように、定盤２に設けられたレール上をＹ軸スライダ７が滑動する際に、このＹ軸スライダ７を中心にＸ軸スライダ６がθだけ駆動方向とは反対の方向に回転し、Ｙ軸方向にアッベの誤差を生じ、位置座標を正確に認識することができなかった。しかし、本実施形態の三次元測定装置１００では、アッベの誤差を低減するために、測定誤差補正部５０によって以下のようにして誤差量補正を行う。これにより従来の装置に比較してアッベ誤差を低減させることが可能となった。

この測定誤差補正部５０による誤差量補正の詳細を説明すると、三次元形状を測定する測定部４のヘッド部５と、このヘッド部５の上端に設置された６軸レーザ干渉計９とは一体となっているので、６軸レーザ干渉計９で得られたヘッド部５の誤差量から三次元形状測定装置１００での被測定物３の測定位置誤差量を見積もることができる。ここで用いる６軸レーザ干渉計９としては、図３に示すようなダブルパス干渉測長器が好ましい。このダブルパス干渉測長器は、Ｘ，ＹまたはＺ参照ミラー１１，１２，１０に向かってレーザを射出するレーザ発生部（ＨｅＮｅチューブ）２１と、このＸ，ＹまたはＺ参照ミラー１１，１２，１０から反射され偏光板２７を通過した反射光を受光し、Ｘ，ＹまたはＺ座標を測定するＸ，ＹまたはＺ座標用の座標測定部２５，２２，２４と、レーザ光発生部２１及びＸ，ＹまたはＺ座標測定部２５，２２，２４及びＸ，ＹまたはＺ参照ミラー１１，１２，１０の間に配置された干渉計２３と、干渉計２３及びＸ，ＹまたはＺ参照ミラー１１，１２，１０との間に配置された１／４波長板２６と、を有している。このダブルパス干渉測長器は、シングルパス干渉測長よりもコサインミスの影響が小さいという利点及び光の分解能をシングルパスに比べて２倍にすることができるという利点がある。まず、測定部４により測定した被測定物３の形状データを取り込むのと同時に、６軸レーザ干渉計９により測定部４のヘッド部５の位置座標を測定して、誤差量を検出する。このようにして求めた誤差量から、測定部４で測定した座標値を実際の値に補正を行うための補正値を求め、この補正値を座標値に加算して座標値の補正を行う。また、被測定物の形状データと共に補正した位置座標がホストコンピュータの記憶装置に記憶される。

ここで測定部４により測定された座標値の測定誤差を補正する補正値を算出するためのパラメータ、つまりローリング誤差、ピッチング誤差、及び、ヨーイング誤差の求め方についてより詳細に説明する。具体的な例として、ローリング誤差（Ｚ軸を中心とした測定部４の傾き）を挙げる。ローリング誤差を求めるためには、Ｙ参照ミラー１２に向かって、レーザ発生部２１からＹ軸方向に沿って所定の距離を介して平行に２本のレーザ（レーザ１とレーザ２）を射出し、Ｙ参照ミラー１２で反射されたレーザ１とレーザ２の反射光をそれぞれ座標測定部２２が受光することにより検出する。座標測定部２２は第１検出部および第２検出部からなる。第１検出部で測定された測定値がＹ座標になる。またローリング誤差は、第１検出部と第２検出部から測定された測定値のそれぞれの差分により計算される。同様に、ピッチング誤差（Ｙ軸を中心とした測定部４の傾き）は、Ｚ参照ミラー１０に向かって、レーザ光発生部２１からＸ軸方向に沿って所定の距離を介して平行に２本のレーザ（レーザ３とレーザ４）を射出し、Ｚ参照ミラー１０で反射されたレーザ３とレーザ４のレーザの反射光をそれぞれ座標測定部２４が受光することにより検出する。また、ヨーイング誤差（Ｘ軸を中心とした測定部４の傾き）は、Ｚ参照ミラーに向かって、レーザ発生部２１からＹ軸方向に沿って所定の距離を介して平行に２本のレーザ（レーザ３とレーザ５）を射出し、Ｚ参照ミラー１０で反射されたレーザ３とレーザ５のレーザの反射光をそれぞれ座標測定部２４が受光することにより検出する。座標測定部２４は第３検出部、第４検出部および第５検出部からなる。第３検出部で測定された測定値がＺ座標になる。またピッチング誤差は、第３検出部と第４検出部から測定された測定値のそれぞれの差分により計算される。またヨーイング誤差は、第３検出部と第５検出部から測定された測定値のそれぞれの差分により計算される。

以上のように計算した誤差量をもとに、補正座標値算出部１３が測定部４で測定した座標値を補正するための補正値を算出し、更に、この算出された補正値を加算した補正後の座標値を算出する。このように測定誤差補正部５０を設けると、共焦点光学系の三次元測定装置１００により測定された座標値の誤差を高精度に補正することができ、その結果、三次元形状の測定を、短時間で高精度に行うことが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、図４を参照して第２の実施形態に係る片持ち梁型の三次元測定装置１１０について説明する。この第２の実施形態における三次元測定装置１１０の構成は、測定部４のＸ軸スライダ６の位置が定盤２の端部（Ｙ軸方向端部）に変わったこと以外は、第１の実施形態と同様の構成である。このような三次元測定装置１１０の構造においても、測定誤差補正部５０により高精度に誤差を補正することで、三次元形状の測定を、短時間で高精度に行うことが可能となる。

（第３の実施形態）
図５を参照して、第３の実施形態に係る三次元測定装置１２０について説明する。この第３の実施形態に係る三次元測定装置１２０の構成は、Ｘ，Ｙ，Ｚ参照ミラー１１，１２，１０に対して多数のピエゾアクチュエータ１４が設けられたこと以外は、第１の実施形態と同一の構造である。このピエゾアクチュエータ１４は、各参照ミラー１０，１１，１２の外面に、それぞれ１つ以上設けられ、その中から所定の位置のピエゾアクチュエータ１４を駆動することにより、参照ミラー１０，１１，１２を任意の設置角度に変化させることができる。すなわち、三次元測定装置が大型化してくると、この三次元測定装置を被覆しているミラーも大型化してくるため、ミラーが撓む可能性が生じる。そのため、ピエゾアクチュエータ１４によりミラーの撓みを調節し、ミラーが大型化しても高精度な測定を可能としている。また、具体的なミラーの撓みの校正方法としては、三次元測定装置１２０での被測定物３の測定前に初期設定として、ゲージブロック等をミラーの任意の数カ所で測定し、これらの測定値に基づいて、各ピエゾアクチュエータ１４を適宜作動させてミラーの撓みの校正を行う。これにより、三次元測定装置１２０での三次元形状の測定を、より高精度に行うことができる。

また、以上に挙げた各実施形態では、温度等の条件を一定に保って測定を行うのが好ましい。また、筐体内を真空状態にして測定してもよいし、大気圧下で測定してもよい。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。

２ 定盤 ３ 被測定物 ４ 測定部 ５ ヘッド部
６ Ｘ軸スライダ ７ Ｙ軸スライダ ８ Ｚ軸スライダ
９ ６軸レーザ干渉測長計（位置座標測定部）
１０ Ｚ参照ミラー １１ Ｘ参照ミラー １２ Ｙ参照ミラー
１３ 補正座標値算出部 １４ ピエゾアクチュエータ
２１ レーザ光発生部 ２５，２２，２４ Ｘ，Ｙ，Ｚ座標測定部
２６ １／４波長板 ２７ 偏光板
１００，１１０，１２０ 三次元測定装置

Claims (4)

1. 被測定物を載置する定盤と、
   前記被測定物の三次元形状を測定する測定部と、
   前記測定部に取り付けられ、当該測定部を前記定盤の前記被測定物が載置される載置面に対して垂直方向及び水平方向に移動させる移動機構と、
   前記測定部で測定した座標値を補正するための補正値を算出する測定誤差補正部と、を有し、
   前記測定誤差補正部は、
   前記定盤の前記載置面に対して水平方向であって、当該定盤の長手方向に直交する短手方向をＸ軸方向とし、前記定盤の表面に対して水平方向であって、当該定盤の前記長手方向をＹ軸方向とし、前記定盤の表面に対して垂直方向をＺ軸方向としたとき、
   前記測定部に対してＺ軸方向に位置しＸＹ軸方向を平面とするＺ参照ミラーと、
   前記測定部に対してＸ軸方向に位置しＹＺ軸方向を平面とするＸ参照ミラーと、
   前記測定部に対してＹ軸方向に位置しＸＺ軸方向を平面とするＹ参照ミラーと、
   前記測定部に取り付けられ、当該測定部と前記Ｘ，ＹまたはＺ参照ミラーとの距離を測定し、前記測定部のＸ，Ｙ，Ｚ座標を測定する位置座標測定部と、
   前記位置座標測定部での測定座標をもとに、前記測定部で測定した座標値を補正するための補正値を求め、当該補正値を加算した補正後の座標値を求める補正座標値算出部と、を有する三次元測定装置。
2. 位置座標測定部は、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標測定用のレーザ光発生部と、
   前記レーザ光発生部から発生したレーザ光が前記Ｘ参照ミラーに照射され、当該Ｘ参照ミラーで反射された反射光を受光して前記測定部のＸ座標を測定するＸ座標測定部と、
   前記レーザ光発生部から発生したレーザ光が前記Ｙ参照ミラーに照射され、当該Ｙ参照ミラーで反射された反射光を受光して前記測定部のＹ座標及びＺ軸を中心とした傾き（ローリング）を測定するＹ座標測定部と、
   前記レーザ光発生部から発生したレーザ光が前記Ｚ参照ミラーに照射され、前記Ｚ参照ミラーで反射された反射光を受光して前記測定部のＺ座標及びＸ軸を中心とした傾き（ヨーイング）並びにＹ軸を中心とした傾き（ピッチング）を測定するＺ座標測定部と、を有する請求項１に記載の三次元測定装置。
3. 前記Ｘ参照ミラー、前記Ｙ参照ミラー及び前記Ｚ参照ミラーは、前記測定部を囲む筐体の側面の少なくとも一部に設けられた請求項１または２に記載の三次元測定装置。
4. 前記Ｘ参照ミラー、Ｙ参照ミラー、または、Ｚ参照ミラーに対して、これらを所定の設置角度に変化させるためのピエゾアクチュエータを備えた請求項１〜３いずれか一項に記載の三次元測定装置。

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