JP2014077692A

JP2014077692A - 触針式測定装置及び触針式測定装置による高さ測定方法

Info

Publication number: JP2014077692A
Application number: JP2012225154A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Yoshida; 一朗吉田
Original assignee: Kosaka Laboratory Ltd
Current assignee: Kosaka Laboratory Ltd
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2014-05-01

Abstract

【課題】触針式測定装置において、停止動作を行うことなく高さ測定を行い、測定時間を短縮することができる測定方法を提供する。
【解決手段】触針式測定装置１０による測定対象物１の表面の高さ測定を以下のように行う。触針５０が測定対象物の表面に近づいていく方向に移動手段２０の移動部２４を駆動する。移動部が駆動されている状態で、触針を測定対象物１の表面に接触させて停止させ、触針の測定対象物の表面上での位置を確定する。触針の位置が確定された後も移動部の駆動を続けることにより、触針保持手段４０が弾性変形しながら移動部が触針に対して相対的に変位している最中に、触針に対する移動部の相対的位置を検出するとともに、固定部２２に対する移動部の相対的位置も検出する。固定部に対する移動部の相対的位置の検出は、触針に対する移動部の相対的位置の検出に基づき行う。固定部に対する移動部の相対的位置をもとに測定高さを求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、触針式測定装置及び該触針式測定装置による高さ測定方法に関する。

測定対象物の表面の微細形状を測定する装置として、触針式測定装置が知られている。この触針式測定装置には、測定対象物を載置する基台に対して垂直に固定されるコラムと、該コラムに対してその位置を上下方向で変位可能にされたスライダと、スライダに固定された触針保持機構であって、測定対象物の表面に接触させる触針（スタイラス）をその尖端がスライダに対して上下動可能なように保持する触針保持機構と、スライダと触針との間の相対的位置を検出する第１検出手段と、該コラムに対するスライダの相対的位置を検出する第２検出手段と、測定対象物が載置された基台の位置を水平面内で変位させる水平面駆動機構と、が備えられている。

このような触針式測定装置で測定対象物の表面の高さを測定する場合には、まず、触針の尖端の真下に測定対象物の測定点が位置するように測定対象物の水平面位置を水平面駆動機構で調整し、次にスライダを下降させて触針の尖端を測定対象物の表面に接触させることにより当該測定対象物上での触針の尖端の位置を確定する。測定対象物の測定点に接触して位置が保持されている触針に対して更にスライダを下降させていき、第１検出手段により検出されるスライドと触針との相対的位置が予め定めた測定基準位置（ゼロ点）に整合するようにスライドを位置合わせしてスライドを停止させる。スライダが停止した状態でコラムに対するスライダの位置を検出する第２検出手段の値を読み込んで、その値から測定対象物における上記測定点の当該測定装置内での高さを求める。その後、スライダを上昇させて触針の尖端を測定対象物の表面から退避させるとともに、水平面駆動機構によって測定対象物を移動させて触針の尖端の真下に次の測定点が位置するようにし、その測定点における高さを上記方法によって求める。このような操作を繰り返して、測定対象物の表面における各測定点の高さを順次求めていくようにしている。このような測定方法を可能とする測定装置に関しては、本願出願人が昨年提出した特願２０１１−２２８５１３号（特許文献１）がある。

しかしながら、従来は、第１検出手段が検出する触針との相対的位置に基づきスライダを測定基準位置に整合する位置に正確に位置決めして停止させるために、スライダを測定基準位置の前後で何度も上下動して該基準位置に収束させる動作（以下、停止動作という）が生じていたために、各測定点における高さ測定毎に多くの測定時間を要していた。

特願２０１１−２２８５１３号

本発明は、上記課題に鑑みて、停止動作を行うことなく高さ測定を行うことで、測定時間を短縮することが可能となる触針式測定装置の高さ測定方法を提供することを目的とする。また、そのような測定を可能とする触針式測定装置を提供することも目的とする。

すなわち本発明は、
触針と、固定部及び該固定部に対して所定軸線に沿って直線的に移動可能な移動部を有する移動手段と、前記移動部に取り付けられ、前記触針を前記所定軸線の方向で変位可能なように弾性保持する触針保持手段と、を備えた触針式測定装置による測定対象物の表面の高さ測定方法であって、
前記触針が前記測定対象物の表面に近づいていく方向に前記移動手段の前記移動部を駆動するステップと、
前記移動部が駆動されている状態で、前記触針が前記測定対象物の表面に接触することにより停止し、当該触針の前記測定対象物の表面上での位置が確定するようにするステップと、
前記触針の位置が確定された後も前記移動部の駆動を続けることにより、前記触針保持手段を弾性変形させながら前記移動部が前記触針に対して相対的に変位している最中に、前記触針に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップと、
前記触針の位置が確定された後も前記移動部の駆動を続けることにより、前記触針保持手段を弾性変形させながら前記移動部が前記触針に対して相対的に変位している最中に、前記固定部に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップと、
を含む高さ測定方法を提供する。

この高さ測定方法においては、触針に対する移動部の相対的位置の検出および固定部に対する移動部の相対的位置の検出が行われ、両検出結果に基づき測定対象物の当該測定装置に対する高さを測定することができ、従って、測定対象物の表面の複数の箇所を測定することにより、該表面内における相対的高さを測定することが可能となる。また、上記両検出は移動部が駆動されている最中に行われ、従来必要とされていた停止動作がないので、測定対象物の各測定点における高さ測定の時間を短縮することが可能となる。

好ましくは、
前記触針に対する前記移動部の所定の相対的位置を測定基準位置として設定するステップをさらに含み、
前記触針に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップが、前記移動部が前記触針の前記測定基準位置を通過したことを検出するステップであり、
前記固定部に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップが、前記移動部が前記触針の前記測定基準位置を通過したことを検出したときの前記固定部に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップであるようにすることができる。

より好ましくは、
検出された前記固定部に対する前記移動部の相対的位置に基づいて前記測定対象物の測定高さを演算するステップをさらに含むようにすることができる。

または、
前記触針に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップと前記固定部に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップとが、同時に行われるようにすることができる。

好ましくは、
検出された前記触針に対する前記移動部の相対的位置と、検出された前記固定部に対する前記移動部の相対的位置とに基づいて、前記測定対象物の測定高さを演算するステップをさらに含むようにすることができる。

さらに好ましくは、
前記触針に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップの後に、前記移動部を逆方向に駆動して、前記触針を前記測定対象物の表面から離間させるステップをさらに含むようにすることができる。

また、本発明は、
触針と、
固定部、および該固定部に対して所定軸線に沿って直線的に移動可能な移動部を有する移動手段と、
前記移動部に取り付けられ、前記触針を前記所定軸線の方向で変位可能なように弾性保持する触針保持手段と、
前記触針に対する前記移動部の前記所定軸線の方向での相対的位置を検出する第１検出手段と、
前記固定部に対する前記移動部の前記所定軸線の方向での相対的位置を検出する第２検出手段と、
前記第１及び第２検出手段に接続された演算回路と、
を備えた触針式測定装置であって、
前記第１検出手段が、前記触針に対する前記移動部の相対的位置が予め決められた所定の測定基準位置となったときに、所定信号を出力するようにされており、
前記移動部を駆動して前記触針を前記測定対象物の表面に接触させて停止させた後にさらに前記移動部の駆動を続けることにより前記触針保持手段を弾性変形させながら前記移動部が前記触針に対して相対的に変位している最中において、前記演算回路が、前記第１検出手段の前記所定信号を検出したときに、前記第２検出手段によって前記固定部に対する前記移動部の相対的位置を検出し、検出した前記固定部に対する該移動部の相対的位置にもとづいて前記測定対象物の測定高さを演算するようにされている、触針式測定装置を提供する。

この触針式測定装置によれば、第１検出手段は、触針に対する移動部の相対的位置が予め決められた所定の測定基準位置となったときに所定信号を出力できればよく、触針に対する移動部の相対的距離を計測できる必要はないので、例えば、ＯＮ／ＯＦＦの信号のみを出力するような簡易的な検出手段で実現することができるようになる。

好ましくは、
前記触針に取り付けられた荷重制御手段であって、前記触針が前記測定対象物に接触したときに、前記触針の前記測定対象物の表面に対する荷重が所定荷重となるように制御する荷重制御手段を更に備えるようにすることができる。

触針を所定荷重で測定対象物の表面に接触させるようにすることにより、測定対象物の表面に接触している触針を、移動部が駆動され触針保持手段が弾性変形している最中においても、安定して静止させておくことができるので、測定精度を向上させることができるようになる。

具体的には、
前記触針保持手段が、前記触針を該触針の長手軸線が前記所定軸線と平行になるように保持し、前記触針を前記長手軸線の方向で離間した位置で支持するように互いに平行に配置された一対の板バネからなっており、前記触針が、前記測定対象物の表面に接触したときに前記一対の板バネが弾性変形することによって、前記触針と前記移動部との前記長手軸線の方向での相対的位置が変位可能とされているようにすることができる。

このような平行板バネ機構により、触針の姿勢をより安定させることができるようになり、触針が測定対象物の表面に接触し且つ移動部が駆動されている状態においても、触針が測定対象物に対して変位しないように安定して保持することができる。

本発明に係る触針式測定装置の概略図である。触針式測定装置における高さ測定の手順を示す第１の図である。触針式測定装置における高さ測定の手順を示す第２の図である。触針式測定装置における高さ測定の手順を示す第３の図である。触針式測定装置における高さ測定の手順を示す第４の図である。触針式測定装置における高さ測定の手順を示す第５の図である。触針式測定装置における高さ測定の手順を示す第６の図である。触針式測定装置における高さ測定の手順を示す第７の図である。

本発明の一実施形態に係る触針式測定装置１０は、図１に示すように、装置ベース１２と、この装置ベース１２上に配置され水平方向で駆動可能とされた測定対象物載置台１４と、装置ベース１２上に垂直に配置されて固定された固定部２２及び該固定部２２に対して上下方向で移動可能とされた移動部２４を有する上下直動機構（移動手段）２０と、該上下直動機構２０の移動部２４に取り付けられ、測定対象物載置台１４上に置かれた測定対象物１の表面上に触針５０を降ろして接触させることにより該表面の高さを測定する触針測定部３０と、を備えている。

触針測定部３０は、上下直動機構２０の移動部２４に固定された触針測定部ベース部材３２と、該触針測定部ベース部材３２に取り付けられ、長手軸線１６に沿って延在する細長い形態を有する触針５０を垂直に保ちながら上下方向で変位可能に保持する平行板バネ機構（触針保持手段）４０と、触針測定部ベース部材３２に取り付けられて触針５０の中間部５２の周囲に位置し、触針５０と移動部２４との上下方向での相対的位置を検出する差動変圧器（第１検出手段）６０と、触針５０の上端部５４に取り付けられ触針５０が測定対象物１の表面に接触したときに該触針５０の尖端部５６の測定対象物１の表面に対する荷重が所定荷重となるように制御する荷重制御アクチュエータ（荷重制御手段）７０と、を備えている。平行板バネ機構４０は、触針５０の長手軸線１６に対して直角方向に延び且つ長手軸線１６の方向において間隔をあけて互いに平行に配置されている一対の板バネ４２，４４からなっており、触針５０が移動部２４に対して平行に上下方向で変位可能となるようにしている。上下直動機構２０はリニアスケール（第２検出手段）６２を備えており、固定部２２に対する移動部２４の相対的位置を正確に検出できるようになっている。当該触針式測定装置１０には、さらに演算回路（図示せず）が設けられており、この演算回路が差動変圧器６０およびリニアスケール６２からの信号を受信して、測定対象物１の表面の測定高さを演算する。

上記触針式測定装置１０を用いた本発明に係る第１の高さ測定方法を、図２乃至図８の概略図を参照しながら、以下に説明する。まず、触針５０の測定基準位置５８を設定する。上述の触針式測定装置１０のように触針５０に対する移動部２４の相対的位置を検出する検出手段として所定の範囲内において相対的位置を検出することができる差動変圧器６０を使用している場合には、差動変圧器６０の測定可能範囲内にある任意の位置を測定基準位置５８として設定する。つぎに、触針５０の尖端部５６の真下に測定対象物１の表面上の測定点が位置するように水平面駆動機構（図示せず）で測定対象物載置台１４を水平方向で変位させて測定対象物１の位置合わせをした後に（図２）、上下直動機構２０の移動部２４を下降させて触針５０の尖端部５６を測定点に近づけていく（図３）。そして、触針５０の尖端部５６を測定対象物１の表面に所定の荷重で接触させることにより、該触針５０の測定対象物１の表面上での位置を確定する（図４）。触針５０が測定対象物１の表面に接触した後も移動部２４の駆動を続け（図５）、平行板バネ機構４０の板バネ４２，４４が弾性変形しながら移動部２４が触針５０に対して平行に変位している最中に、移動部２４が触針５０の測定基準位置５８を通過するようにする（図６）。差動変圧器６０は、移動部２４が測定基準位置５８を通過したことを検知し、その信号を演算回路に送信する。該信号を受信した演算回路は、差動変圧器６０からの信号を検出したときの上下直動機構２０の固定部２２に対する移動部２４の相対的位置をリニアスケール６２により検出する。演算回路は、リニアスケール６２からの出力をもとに、この測定点における測定高さ（当該測定装置内での高さ）を演算して求める。その後、移動部２４は下降をやめて上昇方向に駆動を開始し（図７）、触針５０の尖端部５６を測定対象物１の表面から退避させる（図８）。そして、水平面駆動機構により被測定対象物１を触針５０に対して水平方向に移動させて、次の測定点が触針５０の尖端部５６の真下に位置するように位置決めする。上述の測定手順を再び行い、この測定点での高さ測定を同様に行う。このような測定手順を、測定を要する測定点全てにおける測定が完了するまで繰り返す。

従来の測定方法では、上下直動機構２０の移動部２４を触針５０の測定基準位置５８に位置合わせして停止させる停止動作を含んでいたので、測定に多くの時間を要していたが、本願発明の方法ではそのような停止動作がないので、測定時間を低減することができる。特に多数の測定点を測定する場合には、測定点毎に測定時間を低減することができるので、測定全体としては非常に多くの時間を節約することができるようになる。

本発明に係る第２の高さ測定方法では、次のような手順で測定が行われる。触針５０の尖端部５６の真下に測定対象物１の表面上の測定点が位置するように水平面駆動機構（図示せず）で測定対象物載置台１４を水平方向で変位させて測定対象物１の位置合わせをした後に（図２）、上下直動機構２０の移動部２４を下降させて触針５０の尖端部５６を測定点に近づけていく（図３）。そして、触針５０の尖端部５６を所定の荷重で測定対象物１の表面に接触させることにより、該触針５０の測定対象物１の表面上での位置を確定する（図４）。触針５０が測定対象物１の表面に接触した後も移動部２４の駆動を続け（図５）、平行板バネ機構４０の板バネ４２，４４が弾性変形しながら移動部２４が触針５０に対して相対的に変位している最中に、演算回路によって差動変圧器６０およびリニアスケール６２の信号を同時に検出する（図６）。演算回路は、リニアスケール６２により検出した値から差動変圧器６０により検出した値を減算するなどの演算処理をして、この測定点における測定高さを求める。その後、移動部２４は下降をやめて上昇方向に駆動を開始し（図７）、触針５０の尖端部５６を測定対象物１の表面から退避させる（図８）。そして、水平面駆動機構により被測定対象物１を触針５０に対して水平方向に移動させて、次の測定点が触針５０の尖端部５６の真下に位置するように位置決めする。上述の測定手順を再び行い、この測定点での高さ測定を同様に行う。このような測定手順を、測定を要する測定点全てにおける測定が完了するまで繰り返す。

この方法においても第１の高さ測定方法と同様に停止動作がないので、従来の方法に比べて測定時間を大幅に低減することができる。

上記第１の高さ測定方法においては、触針５０に対する移動部２４の相対的位置を検出するための検出手段は、移動部２４が触針５０の測定基準位置５８を通過したことを検出できればよく、ある範囲内での相対的距離を検出できる必要はない。よって、該検出手段はＯＮ／ＯＦＦを出力するセンサ若しくはスイッチで構成することができる。このことは、検出手段自体の簡略化を可能とするだけでなく、検出手段からの信号を検出する演算回路や制御プログラムも簡略化することを可能とする。

上記実施形態においては、上下直動機構２０の移動部２４の位置を検出する検出手段としてリニアスケール６２を用いているが、エンコーダ、レーザー変位計、静電容量センサなどの種々の検出手段を使用することもできる。

１測定対象物
１０触針式測定装置
１２装置ベース
１４測定対象物載置台
１６長手軸線
２０上下直動機構（移動手段）
２２固定部
２４移動部
３０触針測定部
３２触針測定部ベース部材
４０平行板バネ機構（触針保持手段）
４２板バネ
４４板バネ
５０触針
５２中心部
５４上端部
５６尖端部
５８測定基準位置
６０差動変圧器（第１検出手段）
６２リニアスケール（第２検出手段）
７０荷重制御アクチュエータ（荷重制御手段）

Claims

触針と、固定部及び該固定部に対して所定軸線に沿って直線的に移動可能な移動部を有する移動手段と、前記移動部に取り付けられ、前記触針を前記所定軸線の方向で変位可能なように弾性保持する触針保持手段と、を備えた触針式測定装置による測定対象物の表面の高さ測定方法であって、
前記触針が前記測定対象物の表面に近づいていく方向に前記移動手段の前記移動部を駆動するステップと、
前記移動部が駆動されている状態で、前記触針が前記測定対象物の表面に接触することにより停止し、当該触針の前記測定対象物の表面上での位置が確定するようにするステップと、
前記触針の位置が確定された後も前記移動部の駆動を続けることにより、前記触針保持手段を弾性変形させながら前記移動部が前記触針に対して相対的に変位している最中に、前記触針に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップと、
前記触針の位置が確定された後も前記移動部の駆動を続けることにより、前記触針保持手段を弾性変形させながら前記移動部が前記触針に対して相対的に変位している最中に、前記固定部に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップと、
を含む高さ測定方法。
前記触針に対する前記移動部の所定の相対的位置を測定基準位置として設定するステップをさらに含み、
前記触針に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップが、前記移動部が前記触針の前記測定基準位置を通過したことを検出するステップであり、
前記固定部に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップが、前記移動部が前記触針の前記測定基準位置を通過したことを検出したときの前記固定部に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップである、請求項１に記載の高さ測定方法。
検出された前記固定部に対する前記移動部の相対的位置に基づいて前記測定対象物の測定高さを演算するステップをさらに含む、請求項２に記載の高さ測定方法。
前記触針に対する前記移動部の所定の相対的位置の範囲を測定基準範囲として設定するステップをさらに含み、
前記触針に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップと前記固定部に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップとが、同時に行われるようにされた、請求項１に記載の高さ測定方法。
検出された前記触針に対する前記移動部の相対的位置と、検出された前記固定部に対する前記移動部の相対的位置とに基づいて前記測定対象物の測定高さを演算するステップをさらに含む、請求項４に記載の高さ測定方法。
前記触針に対する前記移動部の相対的位置を検出するステップの後に、前記移動部を逆方向に駆動して、前記触針を前記測定対象物の表面から離間させるステップをさらに含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の高さ測定方法。
触針と、
固定部、および該固定部に対して所定軸線に沿って直線的に移動可能な移動部を有する移動手段と、
前記移動部に取り付けられ、前記触針を前記所定軸線の方向で変位可能なように弾性保持する触針保持手段と、
前記触針に対する前記移動部の前記所定軸線の方向での相対的位置を検出する第１検出手段と、
前記固定部に対する前記移動部の前記所定軸線の方向での相対的位置を検出する第２検出手段と、
前記第１及び第２検出手段に接続された演算回路と、
を備えた触針式測定装置であって、
前記第１検出手段が、前記触針に対する前記移動部の相対的位置が予め決められた所定の測定基準位置となったときに、所定信号を出力するようにされており、
前記移動部を駆動して前記触針を前記測定対象物の表面に接触させて停止させた後にさらに前記移動部の駆動を続けることにより前記触針保持手段を弾性変形させながら前記移動部が前記触針に対して相対的に変位している最中において、前記演算回路が、前記第１検出手段の前記所定信号を検出したときに、前記第２検出手段によって前記固定部に対する前記移動部の相対的位置を検出し、検出した前記固定部に対する該移動部の相対的位置にもとづいて前記測定対象物の測定高さを演算するようにされている、触針式測定装置。
前記触針に取り付けられた荷重制御手段であって、前記触針が前記測定対象物に接触したときに、前記触針の前記測定対象物の表面に対する荷重が所定荷重となるように制御する荷重制御手段を更に備える、請求項７に記載の触針式測定装置。
前記触針保持手段が、前記触針を該触針の長手軸線が前記所定軸線と平行になるように保持し、前記触針を前記長手軸線の方向で離間した位置で支持するように互いに平行に配置された一対の板バネからなっており、前記触針が、前記測定対象物の表面に接触したときに前記一対の板バネが弾性変形することによって、前記触針と前記移動部との前記長手軸線の方向での相対的位置が変位可能とされている、請求項７又は８に記載の触針式測定装置。