JP2011027440A

JP2011027440A - 形状測定方法及び形状測定装置

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Publication number: JP2011027440A
Application number: JP2009170606A
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Inventors: Akinori Miyata; 明徳宮田
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Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2011-02-10
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Abstract

【課題】段差が形成されている被測定面の面形状を安定して高精度に測定し、測定時間を短縮すること。
【解決手段】ステップＳ１０１では、被測定面に対して第１プローブを走査させ、第１プローブの３次元位置データを含む測定データを取得する。ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で得られた測定データに基づき、被測定面の段差位置を示す段差位置データを演算により求める。ステップＳ１０３では、第１プローブよりも高分解能で測定可能な第２プローブの走査条件を、ステップＳ１０２で得られた段差位置データに基づき、被測定面の位置に対応して決定する。ステップＳ１０４では、被測定面に対して第２プローブをステップＳ１０３で決定した走査条件で走査させ、第２プローブの３次元位置データを含む測定データを取得する。ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で得られた測定データに基づき、被測定面の面形状を示す面形状データを演算により求める。
【選択図】図４

Description

本発明は、回折格子などの段差が形成されている光学素子や、このような光学素子を製造するための成形用金型などの被測定物の被測定面の面形状を測定する形状測定方法及び形状測定装置に関するものである。

撮像カメラをはじめレーザビームプリンタ、複写機、半導体露光装置など各種光学装置の性能向上に伴い、これらの光学装置に組み込まれる光学素子に求められる要求はますます高度化してきている。このような光学素子又は光学素子を製造するための成形用金型を被測定物として、被測定面の形状を測定する技術が知られている（特許文献１参照）。この種の形状測定方法では、まず、被測定面に対し接触式のプローブを倣い走査させて、プローブの３次元位置を測定することで測定データを得ている。プローブは、あらかじめ指定した針圧や走査速度、走査経路、測定データのサンプリング間隔といった走査条件に従って測定が行われる。被測定面の走査が全て終了した後に、測定データの解析を行い、面形状データを得ている。近年では、光の回折現象を利用した回折格子が形成された光学素子が、様々な製品に利用されている。このような回折格子が形成された光学素子では、表面に数μｍから数十μｍの凹凸を規則的に配置し、光の位相差をつけることで回折現象を発生させている構造のものが多い。そして、光学素子又は光学素子を製造するための成形用金型等の面形状を測定するには、凹凸の段差を直接測定するために接触式プローブを用いた走査型の形状測定装置が利用されている。

特開２００１−１４１４４３号公報

ところで、面形状を高分解能に測定するためには、曲率半径の小さい球状先端部を有するプローブを用いるのがよいが、曲率半径が小さくなると、プローブと被測定面との接触面積が小さくなることから、同じ針圧であっても接触応力が大きくなる。接触応力の増大は、被測定面上のキズの発生につながるため、針圧をできるだけ小さくすることが求められる。また、高精度な測定を行うためには、針圧を小さくして測定感度を高めると良いことが知られている。

しかし、回折格子が形成されている光学素子のような数μｍから数十μｍの段差を有する被測定面を走査する場合、針圧を小さくするとプローブの飛跳ねが発生しやすくなり、測定データが不安定となる可能性が高い。したがって、被測定面全面に亘って針圧を小さく維持したまま安定した走査を行うには、プローブの走査速度を被測定面全面に亘って遅くしなければならず、測定時間が大幅に増加するという問題があった。

本発明は、段差が形成されている被測定面の面形状を安定して高精度に測定し、測定時間を短縮することができる形状測定方法及び形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、被測定物の被測定面の面形状を測定する形状測定方法において、前記被測定面に対して第１プローブを予め指定した走査条件で走査させ、前記第１プローブの３次元位置データを含む測定データを取得する第１走査工程と、前記第１走査工程で得られた測定データに基づき、前記被測定面の段差位置を示す段差位置データを演算により求める段差位置演算工程と、前記第１プローブよりも高分解能で測定可能な第２プローブの走査条件を、前記段差位置演算工程で得られた段差位置データに基づき、前記被測定面の位置に対応して決定する走査条件決定工程と、前記被測定面に対して前記第２プローブを前記走査条件決定工程で決定した走査条件で走査させ、前記第２プローブの３次元位置データを含む測定データを取得する第２走査工程と、前記第２走査工程で得られた測定データに基づき、前記被測定面の面形状を示す面形状データを演算により求める面形状演算工程と、を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明は、被測定物の被測定面の面形状を測定する形状測定装置において、前記被測定物を保持するベースに対して３次元方向に移動可能であり、第１プローブ及び前記第１プローブよりも高分解能に測定可能な第２プローブのうち、いずれか一方のプローブが選択的に装着されるプローブ移動機構と、前記被測定面に対して前記第１プローブを予め指定した走査条件で走査させて得られた前記第１プローブの３次元位置データを含む測定データに基づき、前記被測定面の段差位置を示す段差位置データを演算により求める段差位置演算部と、前記第２プローブの走査条件を、前記段差位置演算部で得られた段差位置データに基づき、前記被測定面の位置に対応して決定する走査条件決定部と、前記被測定面に対して前記第２プローブを前記走査条件決定部で決定した走査条件で走査させて得られた前記第２プローブの３次元位置データを含む測定データに基づき、前記被測定面の面形状を示す面形状データを演算により求める面形状演算部と、を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明は、被測定物の被測定面の面形状を測定する形状測定装置において、前記被測定物を保持するベースに対して３次元方向に移動可能であり、第１プローブ及び前記第１プローブよりも高分解能に測定可能な第２プローブが走査方向下流から上流に向かって順次装着されるプローブ移動機構と、前記被測定面に対して前記第１プローブを予め指定した走査条件で走査させて得られた前記第１プローブの３次元位置データを含む測定データに基づき、前記被測定面の段差位置を示す段差位置データを演算により求める段差位置演算部と、前記第２プローブの走査条件を、前記段差位置演算部で得られた段差位置データに基づき、前記被測定面の位置に対応して決定する走査条件決定部と、前記被測定面に対して前記第２プローブを前記走査条件決定部で決定した走査条件で走査させて得られた前記第２プローブの３次元位置データを含む測定データに基づき、前記被測定面の面形状を示す面形状データを演算により求める面形状演算部と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、段差位置データに基づき高分解能で測定可能な第２プローブの走査条件を決定しているので、高精度に安定した形状測定が可能となる。そして、第２プローブの走査条件が被測定面の位置に応じて決定されるので、被測定面の位置に拘らず一定の走査条件にする場合よりも測定時間を短縮することができる。

本発明の第１実施形態に係る形状測定装置の概略構成を示す説明図である。第１プローブの先端部を示す説明図である。第２プローブの走査条件に基づく動作の説明図であり、（ａ）は、第２プローブの先端部を示す説明図、（ｂ）は、測定データのサンプリング間隔を示す説明図である。本発明の第１実施形態に係る形状測定装置の各部の動作を示すフローチャートである。被測定物上の段差と走査経路の関係を説明する図であり、（ａ）は、被測定物が四角形状、（ｂ）は、被測定物が円形状の場合を示す図である。本発明の第２実施形態に係る形状測定装置の概略構成を示す説明図である。本発明の第２実施形態に係る形状測定装置の各部の動作を示すフローチャートである。本発明の第３実施形態に係る形状測定装置の第１プローブの先端部を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１に示す形状測定装置１００は、被測定物２の被測定面２ａの面形状を測定するものである。被測定物２は、ベース３に設置される。ベース３は、床からの振動による影響を抑えるために、除振機能を備えていると良い。形状測定装置１００は、第１プローブ１Ａ及び第２プローブ１Ｂのうち、いずれか一方のプローブ（図１では、第１プローブ１Ａ）が選択的に装着されるプローブ移動機構４０を備えている。

プローブ移動機構４０は、ＸＹステージ８及びＺステージ５からなり、被測定物２を保持するベース３に対して３次元方向に移動可能である。具体的に説明すると、ＸＹステージ８は、ベース３に対して平行な平面に沿って水平方向（Ｘ，Ｙ軸方向）に移動可能に支持されている。ＸＹステージ８には、ＸＹステージ８を水平方向に駆動する駆動部９が取り付けられている。Ｚステージ５は、ＸＹステージ８にハウジング７を介して取り付けられ、ＸＹステージ８と共に水平方向へ移動する。Ｚステージ５は、１つのプローブ１Ａ又は１Ｂを装着可能に構成され、プローブ１Ａ（１Ｂ）をベース３に対して垂直な方向（Ｚ軸方向）に移動可能に支持されている。Ｚステージ５には、プローブ１Ａ（１Ｂ）の自重を補償し、指定した針圧で被測定面２ａにプローブ１Ａ（１Ｂ）を押し付けることができるように、力発生部６が取り付けられている。力発生部６は、不図示の永久磁石及びコイルからなり、永久磁石がプローブシャフトに、コイルがＺステージ５のハウジングに配設され、コイルへの通電によりプローブ１Ａ（１Ｂ）をＺ軸方向に駆動することができる。プローブ１Ａ（１Ｂ）の後端には、ミラー４が取り付けられており、不図示の干渉計等を利用して、プローブ１Ａ（１Ｂ）の３次元位置及び姿勢を測定することができる。

形状測定装置１００は、駆動部９によるＸＹステージ８の駆動及び力発生部６によるＺステージ５の駆動を制御することで、プローブ１Ａ（１Ｂ）の移動を制御する制御装置５０を備えている。制御装置５０は、データサンプリング部１０、段差位置演算部１１、走査条件決定部１２及び面形状演算部１３からなり、各部の詳細な動作については後述する。

第１プローブ１Ａは、図２に示すように、球状先端部１Ａａを有する接触式プローブである。この第１プローブ１Ａの球状先端部１Ａａは、被測定面２ａの段差の高さＤの２倍以上の曲率半径Ｒに形成されている。

ここで、曲率半径Ｒを１ｍｍ程度より小さくすると、プローブシャフト１Ａｂも細くする必要があるのでプローブシャフト１Ａｂの剛性が弱くなり、球状先端部１Ａａを球体に近づける等、球状先端部１Ａａの円弧部分の開角θを大きく製作することが困難になる。一般に円弧部分の曲率や形状は真球等を測定して補正することができるが、円弧でない部分は形状を補正することが困難であり、この部分で接触して測定した測定データでは正確な面形状を再構成できない。つまり、精確に被測定面２ａを測定するには、球状先端部１Ａａの円弧部分を被測定面２ａに接触させる必要がある。球状先端部１Ａａを段差の高さＤに対して２倍の曲率半径Ｒに形成し、開角θを１２０度に設定すると、段差の壁が垂直になるように被測定物２を設置する場合、円弧部分の端部箇所で接触する。このため、円弧部分の開角θが１２０度近傍、例えば１３０度程度であれば、円弧部分のみの接触で測定することができる。また、球状先端部１Ａａを、被測定面２ａの段差の高さＤの２倍以上の曲率半径Ｒに形成すれば、円弧部分の開角θを１２０度とした場合、円弧部分のみの接触で測定することができる。なお、被測定物を傾斜させて、段差の壁を傾かせることでも円弧部分のみの接触走査が可能である。

図２には、段差の高さＤに対して、２倍の曲率半径Ｒを持つ第１プローブ１Ａを用いた場合の、第１プローブ１Ａの球状先端部１Ａａの中心の軌跡Ｌ１を図示している。飛跳ね等がなく理想的に段差を追従したとすると、球状先端部１Ａａの円弧部分のみが被測定面２ａに接触して走査し、プローブ１Ａの球状先端部１Ａａの中心の軌跡Ｌ１は、段差頂点でプローブ１Ａの曲率半径Ｒと同じ曲率半径の円弧が描かれる。このような幾何学的な関係から段差の３次元位置を求めることが可能であり、段差の３次元位置を取得する際に、プローブ１Ａの球状先端部１Ａａの曲率半径Ｒを、段差の高さＤの２倍以上とすることで、段差に対して安定した走査ができる効果がある。

第２プローブ１Ｂは、図３（ａ）に示すように、球状先端部１Ｂａを有する接触式プローブである。この第２プローブ１Ｂは、球状先端部１Ｂａが第１プローブ１Ａの球状先端部１Ａａよりも曲率半径ｒが小さく形成されており、第１プローブ１Ａよりも高分解能で測定可能である。具体的に説明すると、第２プローブ１Ｂの球状先端部１Ｂａは、被測定面２ａの段差の高さＤよりも小さい曲率半径ｒに形成されている。

次に、表面測定装置１００の制御装置５０の各部の動作について、図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、プローブ移動機構４０のＺステージ５には、第１プローブ１Ａが装着されているものとする。走査条件決定部１２は、被測定面上を走査測定する（Ｓ１０１：第１走査工程）。具体的に説明すると、走査条件決定部１２は、被測定面２ａに対して第１プローブ１Ａを予め指定した走査条件で走査させる。この第１プローブ１Ａの走査条件は、第１プローブ１Ａの針圧、走査速度、走査経路、測定データのサンプリング間隔の条件である。この第１プローブ１Ａの走査条件における針圧、走査速度、測定データのサンプリング間隔の条件は、被測定面２ａの各位置において一定の条件に決定される。詳述すると、被測定面２ａの位置に拘らず、予め指定された所定の針圧、所定の走査速度、所定のサンプリング間隔に決定される。ここで、所定の針圧及び所定の走査速度は、第１プローブ１Ａを走査させた場合に、段差で飛跳ねることがない値に設定される。なお、第１プローブ１Ａの走査条件における走査経路の条件に関しても、予め指定された所定の走査経路に決定される。

走査条件決定部１２は、駆動部９及び力発生部６を制御して、予め指定された所定の針圧、所定の走査速度で第１プローブ１Ａを走査させる。そして、走査条件決定部１２は、データサンプリング部１０を制御して、データサンプリング部１０に予め指定された所定のサンプリング間隔で測定データを取得させる。この測定データには、少なくとも第１プローブ１Ａの３次元位置データが含まれている。本第１実施形態では、測定データには、第１プローブ１Ａの３次元位置データ及び第１プローブ１Ａの姿勢データが含まれている。走査条件決定部１２は、第１プローブ１Ａを被測定面２ａの全面に亘って走査させ、被測定面２ａの全面の測定データは、データサンプリング部１０に保存される。本第１実施形態では、第１プローブ１Ａを、段差近傍の位置又は段差近傍以外の位置に拘らず、所定の走査速度で走査させているので、短い測定時間で測定データを取得することが可能である。

次に、データサンプリング部１０は、被測定面２ａの測定後、被測定面２ａの全面の測定結果である測定データを段差位置演算部１１に送信する。段差位置演算部１１は、ステップＳ１０１でデータサンプリング部１０で得られた測定データに基づき、被測定面２ａ上の段差位置を示す段差位置データを演算により求める（Ｓ１０２：段差位置演算工程）。ここで、ステップＳ１０１では、第１プローブ１Ａは、所定の針圧、所定の走査速度で被測定面２ａ上を走査されるので、被測定面２ａの段差で飛跳ねることはない。また第１プローブ１Ａは、図２に示すように、球状先端部１Ａａの曲率半径Ｒが段差の高さＤの２倍以上であるので、第１プローブ１Ａの球状先端部１Ａａの中心の軌跡Ｌ１は、段差頂点でプローブ１Ａの曲率半径Ｒと同じ曲率半径の円弧が描かれる。したがって、このステップＳ１０２では、軌跡Ｌ１から段差位置を精確に求めることができる。このステップＳ１０２で段差位置演算部１１により求められた段差位置データは走査条件決定部１２に送られる。

次に、第１プローブ１Ａに代わって第２プローブ１Ｂがプローブ移動機構４０のＺステージ５に装着される。走査条件決定部１２は、第２プローブ１Ｂの走査条件を、ステップＳ１０２で段差位置演算部１１により求められた段差位置データに基づき、被測定面２ａ上の位置に対応して決定する（Ｓ１０３：走査条件決定工程）。ここで、第２プローブ１Ｂの走査条件として、針圧、走査速度、走査経路、測定データのサンプリング間隔の条件を決定する。

本第１実施形態では、走査条件を、被測定面２ａの段差近傍の位置と、段差近傍以外の位置とに応じて決定する。具体的には、図３（ａ）に示すように、段差近傍以外の位置では第１走査条件１に、段差近傍の位置では第２走査条件２に、走査条件を２通りに切り替える。なお、切り替える走査条件はこれより多くしても良い。また、被測定面２ａの段差近傍の位置及び段差近傍以外の位置は、段差位置データに基づいて決定される。

段差近傍以外の位置の第１走査条件１としては、針圧を低く、走査速度を速く、第２プローブ１Ｂの測定データのサンプリング間隔を広くすると良い。すなわち、針圧は第１針圧、走査速度は第１走査速度、サンプリング間隔は第１サンプリング間隔に決定される。

段差近傍の位置の第２走査条件２としては、針圧を高く、走査速度を遅く、第２プローブ１Ｂの測定データのサンプリング間隔を狭くすると良い。すなわち、針圧は段差近傍以外の位置の第１針圧よりも高い第２針圧、走査速度は段差近傍以外の位置の第１走査速度よりも遅い第２走査速度、サンプリング間隔は段差近傍以外の位置の第１サンプリング間隔よりも狭い第２サンプリング間隔に決定される。

このように、第２プローブ１Ｂの走査条件として、被測定面２ａの段差の位置での走査速度を、段差以外の位置での第１走査速度よりも遅い第２走査速度に決定したことにより、段差追従性が高まり、精確に第２プローブ１Ｂの３次元位置を測定することができる。また、段差以外の位置では、走査速度が第２走査速度よりも速い第１走査速度に決定したことにより、測定時間を短縮することができる。

また、第２プローブ１Ｂの走査条件として、被測定面２ａの段差の位置での針圧を、段差以外の位置での第１針圧よりも高い第２針圧に決定したことにより、段差追従性が高まり、精確に第２プローブ１Ｂの３次元位置を測定することができる。また、段差以外の位置では、針圧が第２針圧よりも低い第１針圧に決定したことにより、測定感度を高めることができる。

データサンプリング部１０は、決定した第１サンプリング間隔又は第２サンプリング間隔で測定データを取得することで、測定データが図３（ｂ）に示すような離散的なデータ列ｄとして得られる。図３（ｂ）には、取得したデータ列ｄをもとに、フィッティング曲線Ｌ２を図示している。ここで、離散的なデータ列ｄから段差形状を再構成するためには十分なデータ点数が必要であり、段差近傍においてデータ点数が少ないと、精度良く再構成できない。しかし、全ての面でデータのサンプリング間隔を狭くすると、データ点数が膨大になり解析時間が非常に長くなってしまう。そこで、本第１実施形態では、走査条件決定部１２は、第２プローブ１Ｂの走査条件として、被測定面２ａの段差の位置でのサンプリング間隔を、段差以外の位置での第１サンプリング間隔よりも狭い第２サンプリング間隔に決定している。

このように、段差近傍の位置と段差近傍以外の位置とで測定データのサンプリング間隔を変化させることで、測定した面形状の精度（再構成精度）を保ちながら計算時間を短縮することが可能である。そして、段差近傍の位置で測定データのサンプリング間隔を第１サンプリング間隔よりも狭い第２サンプリング間隔に決定したことにより、段差近傍ではサンプリングデータ数が増え、平均化効果による安定した測定データを得ることができる。また、段差以外の位置で測定データのサンプリング間隔を第２サンプリング間隔よりも広い第１サンプリング間隔に決定したことにより、段差近傍以外の位置では、サンプリングデータ数が削減され、データ演算時間を短縮することができる。

次に、走査条件決定部１２は、ステップＳ１０３で決定した走査条件で第２プローブ１Ｂを被測定面２ａに対して走査測定するように力発生部６及び駆動部９を制御し、データサンプリング部１０を制御する（Ｓ１０４：第２走査工程）。つまり、走査条件決定部１２は、第２プローブ１Ｂが、決定した針圧となるよう力発生部６を制御し、決定した走査速度となるよう駆動部９を制御する。この走査条件決定部１２の制御の下、データサンプリング部１０は、第２プローブ１Ｂの測定データを取得する。測定データには、少なくとも第２プローブ１Ｂの３次元位置データが含まれている。本第１実施形態では、測定データには、第２プローブ１Ｂの３次元位置データ及び第２プローブ１Ｂの姿勢データが含まれている。

ここで、走査条件決定部１２は、ステップＳ１０２で演算した段差位置データに基づき、第２プローブ１Ｂを被測定面２ａの段差の稜線に対して直交する方向に走査するように駆動部９を制御する。図５（ａ）には、段差の稜線２０１ａが平行に配置された四角形状の被測定物２０１を図示している。このような被測定物２０１においては、走査開始点Ｓ１から段差の稜線２０１ａに対して直交する方向に走査を行い、被測定物２０１の端まで走査した後に、稜線２０１ａと平行な方向にずらして往路と平行に復路の走査を行う。これを繰り返して、走査終了点Ｅ１で走査を終了する。つまり、ステップＳ１０３では、第２プローブ１Ｂの走査条件として、被測定物２０１に対しては、図５（ａ）に示す走査経路２０１ｂが決定される。そして、このステップＳ１０４において、走査条件決定部１２は、第２プローブ１Ｂを走査経路２０１ｂに沿って走査させる。

また、図５（ｂ）は、段差の稜線２０２ａが同心円状に配置された円形状の被測定物２０２を図示している。このような被測定物２０２においては、走査開始点Ｓ２から同心円の中心に向かう方向に走査を行い、中心を通過して円端まで走査した後に、稜線２０２ａと平行な方向にずらして再び同心円の中心に向かう方向に走査を行う。これを繰り返して、走査終了点Ｅ２で走査を終了する。つまり、ステップＳ１０３では、第２プローブ１Ｂの走査条件として、被測定物２０２に対しては、図５（ｂ）に示す走査経路２０２ｂが決定される。そして、このステップＳ１０４において、走査条件決定部１２は、第２プローブ１Ｂを、走査経路２０２ｂに沿って走査させる。

これらの段差配置以外にも様々な段差の配置が考えられるが、いずれの場合にも段差の稜線に対して直交する方向に走査するように走査経路が決定される。なお、実際には被測定物の設置誤差や加工誤差があるが、本第１実施形態ではステップＳ１０２で求めた段差位置データに基づいて走査経路を求めているので、被測定物の設置誤差や加工誤差があっても、段差の稜線に対して直交する方向に走査させることができる。このように、段差の稜線に対して直交する方向に第２プローブ１Ｂを走査することで、段差を斜めに走査する際に生じるプローブのすべり等を抑制する効果がある。

次に、データサンプリング部１０は、被測定面２ａの全面を測定した結果である測定データを面形状演算部１３に送信する。面形状演算部１３は、ステップＳ１０４でデータサンプリング部１０で得られた測定データに基づき、被測定面２ａの面形状を示す面形状データを演算により求める（Ｓ１０５：面形状演算工程）。これにより、面形状の測定が終了する。

以上、本第１実施形態によれば、ステップＳ１０３で段差位置データに基づき高分解能で測定可能な第２プローブ１Ｂの走査条件を決定しているので、ステップＳ１０４で高精度に安定した形状測定が可能となる。そして、ステップＳ１０３で第２プローブ１Ｂの走査条件が被測定面２ａの位置に応じて決定されるので、被測定面２ａの位置に拘らず一定の条件にする場合よりも測定時間を短縮することができる。

［第２実施形態］
次に第２実施形態の形状測定装置及び形状測定方法について説明する。なお、本第２実施形態において、上記第１実施形態と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。本第２実施形態では、形状測定装置１００Ａは、被測定物２を保持するベース３に対して３次元方向に移動可能であり、第１プローブ１Ａ及び第２プローブ１Ｂの２つのプローブが装着されるプローブ移動機構４０Ａを備えている。第２プローブ１Ｂは、第１プローブ１Ａに隣接して配置されている。そして、第１プローブ１Ａ及び第２プローブ１Ｂは、走査方向下流から上流に向かって（図６中Ｘ軸方向下流から上流に向かって）プローブ移動機構４０Ａに順次装着されている。つまり、第１プローブ１Ａは、第２プローブ１Ｂの走査経路上の前方を走査するように取り付けられている。これらプローブ１Ａ，１Ｂの配置により、第２プローブ１Ｂを、第１プローブ１Ａと同一走査経路を第１プローブ１Ａに後続して走査させることができる。

プローブ移動機構４０Ａは、２つのプローブに対応して、Ｚステージ５Ａ，５Ｂを備えている。Ｚステージ５Ａ，５Ｂは、ＸＹステージ８にハウジング７を介して取り付けられ、ＸＹステージ８と共に水平方向へ移動する。Ｚステージ５Ａ，５Ｂは、それぞれのプローブ１Ａ，１Ｂを装着可能に構成され、プローブ１Ａ，１Ｂをベース３に対して垂直な方向（Ｚ軸方向）に移動可能に支持されている。Ｚステージ５Ａ，５Ｂには、プローブ１Ａ，１Ｂの自重を補償し、指定した針圧で被測定面２ａにプローブ１Ａ，１Ｂを押し付けることができるように、それぞれの力発生部６Ａ，６Ｂが取り付けられている。力発生部６Ａ，６Ｂは、不図示の永久磁石及びコイルからなり、永久磁石がプローブシャフトに、コイルがＺステージ５Ａ，５Ｂのハウジングに配設され、コイルへの通電によりプローブ１Ａ，１ＢをＺ軸方向に駆動することができる。プローブ１Ａ，１Ｂの後端には、ミラー４Ａ，４Ｂが取り付けられており、不図示の干渉計等を利用して、プローブ１Ａ，１Ｂの３次元位置及び姿勢を測定することができる。

形状測定装置１００Ａは、駆動部９によるＸＹステージ８の駆動及び力発生部６Ａ，６ＢによるＺステージ５Ａ，５Ｂの駆動を制御することで、プローブ１Ａ，１Ｂの移動を制御する制御装置５０Ａを備えている。制御装置５０Ａは、データサンプリング部１０Ａ，１０Ｂ、段差位置演算部１１、走査条件決定部１２及び面形状演算部１３からなる。

データサンプリング部１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ対応するプローブ１Ａ，１Ｂの測定データを決定されたサンプリング間隔で取得し、保存する。このような構成としたことで、第１プローブ１Ａと第２プローブ１Ｂは、独立して針圧と測定データのサンプリング間隔を変更することができる。なお、本第２実施形態では、２つのプローブ１Ａ，１ＢでＸＹステージ８を共通としたが、ＸＹステージを２つのプローブ１Ａ，１Ｂにそれぞれ搭載しても良く、このような構成とすれば、独立して走査速度と走査経路を変更することができる。

次に、形状測定装置１００Ａの制御装置５０Ａの各部の動作について、図７に示すフローチャートを参照しながら説明する。図７において、被測定面２ａ上の走査測定を開始するが、まず、走査条件決定部１２は、第１プローブ１Ａの測定データを取得する（Ｓ２０１：第１走査工程）。具体的に説明すると、走査条件決定部１２は、被測定面２ａに対して第１プローブ１Ａを予め指定した走査条件で走査させる。この第１プローブ１Ａの走査条件は、第１プローブ１Ａの針圧、走査経路、測定データのサンプリング間隔の条件である。走査条件決定部１２は、力発生部６を制御して、予め指定された所定の針圧で第１プローブ１Ａを走査させる。そして、走査条件決定部１２は、データサンプリング部１０Ａを制御して、データサンプリング部１０Ａに予め指定された所定のサンプリング間隔で測定データを取得させる。この測定データには、少なくとも第１プローブ１Ａの３次元位置データが含まれている。本第２実施形態では、測定データには、第１プローブ１Ａの３次元位置データ及び第１プローブ１Ａの姿勢データが含まれている。

次に、データサンプリング部１０Ａは、被測定面２ａの走査測定中に、取得した測定データを順次、段差位置演算部１１に送信する。段差位置演算部１１は、ステップＳ２０１でデータサンプリング部１０Ａで得られた測定データに基づき、被測定面２ａ上の段差位置を示す段差位置データを演算により求める（段差位置演算工程）。そして、段差位置演算部１１は、演算した段差位置データに基づいて段差を検出したか否かを判断し（Ｓ２０２）、段差を検出した場合には（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、段差位置データをデータストレージｓに保存（書き込み）する（Ｓ２０３）。

走査条件決定部１２は、第２プローブ１Ｂの走査条件を、段差位置演算部１１により求められた段差位置データに基づき、被測定面２ａ上の位置に対応して決定する（走査条件決定工程）。ここで、第２プローブ１Ｂの走査条件として、針圧、走査速度、測定データのサンプリング間隔の条件を決定する。なお、本第２実施形態では、第１プローブ１Ａと第２プローブ１Ｂとは、同一のＸＹステージ８により同一走査経路を移動するので、第１プローブ１Ａ及び第２プローブ１Ｂの走査速度が決定される。

走査条件決定工程について具体的に説明すると、走査条件決定部１２は、データストレージｓから段差位置データを読み出し、第２プローブ１Ｂが段差近傍の位置にあるか否かを判断する（Ｓ２０５）。第１プローブ１Ａは、第２プローブ１Ｂの前方を走査しているため、後続する第２プローブ１Ｂ周辺の段差位置データは、データストレージｓに保存されている。走査条件決定部１２は、第２プローブ１Ｂが段差近傍の位置にあると判断した場合には（Ｓ２０５：Ｙｅｓ）、第２プローブ１Ｂの走査条件を、上記第１実施形態で説明した第１走査条件１から第２走査条件２に変更する（Ｓ２０６）。走査条件決定部１２は、第２プローブ１Ｂが段差近傍の位置にない、つまり、段差近傍以外の位置にあると判断した場合には（Ｓ２０５：Ｎｏ）、第２プローブ１Ｂの走査条件を、第１走査条件１に戻す（Ｓ２０７）。

第１プローブ１Ａは、第２プローブ１Ｂの前方に取り付けられているため、第１プローブ１Ａが走査した箇所を第２プローブ１Ｂが走査するまでには時間的な差が生じる。この時間内に、段差位置を演算し、走査条件を決定することで、第２プローブ１Ｂは、段差近傍で走査条件を変化させることができる。つまり、走査条件決定部１２は、第２プローブ１Ｂの力発生部６Ｂ、データサンプリング部１０Ｂ、共通の駆動部９に指令を送って走査条件を制御することができる。

走査条件決定部１２は、ステップＳ２０６、Ｓ２０７で決定した走査条件で第２プローブ１Ｂを被測定面２ａに対して走査測定するように力発生部６Ｂ及び駆動部９を制御し、データサンプリング部１０Ｂを制御する。つまり、走査条件決定部１２は、第２プローブ１Ｂが、決定した針圧となるよう力発生部６Ｂを制御し、決定した走査速度となるよう駆動部９を制御する。そして、データサンプリング部１０Ｂは、走査条件決定部１２の制御の下、第２プローブ１Ｂの測定データを取得する（Ｓ２０８：第２走査工程）。

次に、走査条件決定部１２は、被測定面２ａの全面の測定が終了したか否かを判断し（Ｓ２０９）、終了していない場合は（Ｓ２０９：Ｎｏ）、ステップＳ２０１の処理に戻る。そして、第１走査工程、段差位置演算工程、走査条件決定工程及び第２走査工程の処理を、被測定面２ａの全面の走査が終了するまで繰り返し実行する。測定終了であれば（Ｓ２０９：Ｙｅｓ）、走査測定後に、測定した第２プローブ１Ｂの測定データに基づき、被測定面２ａの面形状を示す面形状データを演算により求め（Ｓ２１０：面形状演算工程）、処理を終了する。

以上、本第２実施形態では、上記第１実施形態と同様の効果を奏する。さらに、段差の３次元位置を取得する第１プローブ１Ａが、面形状を測定する第２プローブ１Ｂの前方を走査することで、段差の３次元位置データを取得しながら、面形状の測定をすることができるので、測定時間を短縮することができるという効果を奏する。

［第３実施形態］
図８は、本発明の第３実施形態によるプローブ先端の様子を説明する図である。本第３実施形態では、段差位置を測定するために、第１プローブ１０１として、レーザ等の光学的手段による非接触式プローブを用いている。非接触式プローブを用いた場合、被測定面２ａの傾斜が急な箇所では、光Ｌが散乱する。この光Ｌの散乱を検知することで、段差位置を測定することが可能である。段差の３次元位置を取得する際に、非接触式プローブを用いることで、段差に対して安定した走査ができる効果がある。

なお、上記実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記実施の形態では、第２プローブの走査条件として、針圧、走査速度及びサンプリング間隔の条件を変更する場合について説明したが、これに限定するものではなく、これら条件のうち、少なくとも一つの条件を変更するようにしてもよい。

１Ａ，１０１第１プローブ
１Ａａ球状先端部
１Ｂ第２プローブ
１Ｂａ球状先端部
２被測定物
２ａ被測定面
３ベース
１１段差位置演算部
１２走査条件決定部
１３面形状演算部
４０，４０Ａプローブ移動機構
１００，１００Ａ形状測定装置

Claims

被測定物の被測定面の面形状を測定する形状測定方法において、
前記被測定面に対して第１プローブを予め指定した走査条件で走査させ、前記第１プローブの３次元位置データを含む測定データを取得する第１走査工程と、
前記第１走査工程で得られた測定データに基づき、前記被測定面の段差位置を示す段差位置データを演算により求める段差位置演算工程と、
前記第１プローブよりも高分解能で測定可能な第２プローブの走査条件を、前記段差位置演算工程で得られた段差位置データに基づき、前記被測定面の位置に対応して決定する走査条件決定工程と、
前記被測定面に対して前記第２プローブを前記走査条件決定工程で決定した走査条件で走査させ、前記第２プローブの３次元位置データを含む測定データを取得する第２走査工程と、
前記第２走査工程で得られた測定データに基づき、前記被測定面の面形状を示す面形状データを演算により求める面形状演算工程と、を備えたことを特徴とする形状測定方法。
前記第１プローブは、前記被測定面の段差の高さの２倍以上の曲率半径に形成された球状先端部を有する接触式プローブであることを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
前記第１プローブは、非接触式プローブであることを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
前記第２プローブは、前記被測定面の段差の高さよりも小さい曲率半径に形成された球状先端部を有する接触式プローブであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の形状測定方法。
前記第２プローブの走査条件は、前記第２プローブの走査速度の条件を含み、
前記走査条件決定工程では、前記第２プローブの走査条件として、前記被測定面の段差近傍の位置での前記走査速度を、前記被測定面の段差近傍以外の位置での前記走査速度よりも遅くなるように決定することを特徴とする請求項４に記載の形状測定方法。
前記第２プローブの走査条件は、前記第２プローブの針圧の条件を含み、
前記走査条件決定工程では、前記第２プローブの走査条件として、前記被測定面の段差近傍の位置での前記針圧を、前記被測定面の段差近傍以外の位置での前記針圧よりも高くなるように決定することを特徴とする請求項４又は５に記載の形状測定方法。
前記第２プローブの走査条件は、前記第２プローブの測定データのサンプリング間隔の条件を含み、
前記走査条件決定工程では、前記第２プローブの走査条件として、前記被測定面の段差近傍の位置での前記サンプリング間隔を、前記被測定面の段差近傍以外の位置での前記サンプリング間隔よりも狭くなるように決定することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の形状測定方法。
前記第２走査工程では、前記段差位置データに基づき、前記第２プローブを前記被測定面の段差の稜線に対して直交する方向に走査させることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の形状測定方法。
前記第２走査工程では、前記第２プローブを、前記第１プローブと同一走査経路を前記第１プローブに後続して走査させ、
前記第１走査工程、前記段差位置演算工程、前記走査条件決定工程、及び前記第２走査工程の処理を、前記被測定面の全面の走査が終了するまで繰り返し実行することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の形状測定方法。
被測定物の被測定面の面形状を測定する形状測定装置において、
前記被測定物を保持するベースに対して３次元方向に移動可能であり、第１プローブ及び前記第１プローブよりも高分解能に測定可能な第２プローブのうち、いずれか一方のプローブが選択的に装着されるプローブ移動機構と、
前記被測定面に対して前記第１プローブを予め指定した走査条件で走査させて得られた前記第１プローブの３次元位置データを含む測定データに基づき、前記被測定面の段差位置を示す段差位置データを演算により求める段差位置演算部と、
前記第２プローブの走査条件を、前記段差位置演算部で得られた段差位置データに基づき、前記被測定面の位置に対応して決定する走査条件決定部と、
前記被測定面に対して前記第２プローブを前記走査条件決定部で決定した走査条件で走査させて得られた前記第２プローブの３次元位置データを含む測定データに基づき、前記被測定面の面形状を示す面形状データを演算により求める面形状演算部と、を備えたことを特徴とする形状測定装置。
被測定物の被測定面の面形状を測定する形状測定装置において、
前記被測定物を保持するベースに対して３次元方向に移動可能であり、第１プローブ及び前記第１プローブよりも高分解能に測定可能な第２プローブが走査方向下流から上流に向かって順次装着されるプローブ移動機構と、
前記被測定面に対して前記第１プローブを予め指定した走査条件で走査させて得られた前記第１プローブの３次元位置データを含む測定データに基づき、前記被測定面の段差位置を示す段差位置データを演算により求める段差位置演算部と、
前記第２プローブの走査条件を、前記段差位置演算部で得られた段差位置データに基づき、前記被測定面の位置に対応して決定する走査条件決定部と、
前記被測定面に対して前記第２プローブを前記走査条件決定部で決定した走査条件で走査させて得られた前記第２プローブの３次元位置データを含む測定データに基づき、前記被測定面の面形状を示す面形状データを演算により求める面形状演算部と、を備えたことを特徴とする形状測定装置。
前記第１プローブは、前記被測定面の段差の高さの２倍以上の曲率半径に形成された球状先端部を有する接触式プローブであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の形状測定装置。
前記第１プローブは、非接触式プローブであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の形状測定装置。
前記第２プローブは、前記被測定面の段差の高さよりも小さい曲率半径に形成された球状先端部を有する接触式プローブであることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の形状測定装置。