JP2017078641A - Shape measurement method and shape measurement device - Google Patents

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  • A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shape measurement method capable of precisely determining and correcting a jump area even when measuring a fine shape in a lateral direction.SOLUTION: The shape measurement method includes: step S102 to acquire a piece of coordinate data by measuring probe coordinates while scanning probe with a probe in contact with the surface to be measured; step S103 to convert the coordinate data into a piece of frequency data; step S105 to set an abnormal segment which is determined on the basis of a preset frequency threshold level with respect to frequency data; step S106 to correct data included in the abnormal segment in the coordinate data; and a step to calculate measurement data which represents a shape of the surface of the object on the basis of the corrected coordinate data.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光学素子や金型の形状を高精度に測定する形状測定方法に関する。   The present invention relates to a shape measuring method for measuring the shape of an optical element or a mold with high accuracy.

光学製品の高機能化に伴い、光学製品に搭載されるレンズやミラーといった光学素子は、ますます高精度化している。このような光学素子には、光の波長の数分の1レベルである100nm程度の高い形状精度が求められるようになってきた(人間の可視光はおよそ400〜800nm)。高精度な光学素子を製造するためには、その表面形状を高精度に測定することが必要である。低コストに大量に製造する方法として成形加工も広く行われており、この場合は、成形用金型を高精度に測定することが求められている。光学素子や成形用金型の表面形状を高精度に測定するために、プローブ式形状測定装置が普及している。プローブ式形状測定装置は、光学素子を被測定物として、その被測定面にプローブを接触させて走査するとともに、プローブの挙動を座標データとして取得する。座標データから、評価したい形状成分を抽出するなどして、測定データとする。このような方法で、ナノメートルレベルの計測精度を達成している。尚、走査中のプローブにかかる、プローブを被測定面に押しつける方向の力を、測定力と呼ぶ。   As optical products become more sophisticated, optical elements such as lenses and mirrors mounted on optical products are becoming more accurate. Such optical elements have been required to have high shape accuracy of about 100 nm, which is a fraction of the wavelength of light (human visible light is about 400 to 800 nm). In order to manufacture a highly accurate optical element, it is necessary to measure the surface shape with high accuracy. Molding is also widely performed as a method for producing a large amount at a low cost. In this case, it is required to measure a molding die with high accuracy. In order to measure the surface shape of an optical element or a molding die with high accuracy, a probe-type shape measuring apparatus is widely used. The probe-type shape measuring apparatus uses an optical element as an object to be measured, scans the surface to be measured while contacting the probe, and acquires the behavior of the probe as coordinate data. The shape data to be evaluated is extracted from the coordinate data to obtain measurement data. This method achieves nanometer-level measurement accuracy. Note that the force applied to the probe during scanning in the direction in which the probe is pressed against the surface to be measured is referred to as measurement force.

しかしながら、被測定面に付いたキズや、付着したごみなどを走査することで、計測精度が悪化することが知られている。   However, it is known that the measurement accuracy deteriorates by scanning a scratch on the surface to be measured, attached dust, or the like.

通常、キズやごみを走査すると、プローブが跳びはねやすくなる。小さな跳びはねであれば、プローブに加えられている測定力で、被測定面に瞬時に押し戻されて接地するため、測定精度への影響は軽微である。しかし、跳びはねが大きい場合は、測定精度への影響が無視できない。それだけでなく、跳びはねが大きい場合は、被測定面に接地した後も再び跳びはねて、跳びはねと接地を一定区間繰り返すことがある。跳びはねと接地を繰り返している区間は、被測定面の形状を表していないので、測定誤差の大きな区間が続いていることになる。   Usually, when a flaw or dust is scanned, the probe easily jumps. If it is a small jump, the measurement force applied to the probe is instantaneously pushed back to the surface to be measured to make contact with the ground, so the influence on the measurement accuracy is negligible. However, if the jump is large, the influence on the measurement accuracy cannot be ignored. In addition, when the jumping splash is large, it may jump again after touching the surface to be measured, and the jumping and touching may be repeated for a certain period. Since the section in which jumping and grounding are repeated does not represent the shape of the surface to be measured, the section in which the measurement error is large continues.

高精度な測定を行うために、測定誤差の大きな区間を、異常区間として判定し、座標データを補正する方法が行われている。例えば、異常区間にあるデータを除去したり、異常区間にあることを示すラベルを貼り付けて評価に使用しなくしたりする。あるいは、異常区間の近傍のデータを使って、異常区間のデータを補間して、代替することもある。   In order to perform highly accurate measurement, a method of determining a section with a large measurement error as an abnormal section and correcting coordinate data is performed. For example, the data in the abnormal section is removed, or a label indicating that the data is in the abnormal section is attached and is not used for evaluation. Alternatively, the data in the vicinity of the abnormal section may be used to interpolate the data in the abnormal section for substitution.

異常区間の判定方法として、特許文献1には、プローブの座標データに対する近似曲線を作成し、近似曲線と座標データとの高低差が、指定の閾値を超えている区間を異常区間として判定する方法が記載されている。   As a method for determining an abnormal section, Patent Document 1 discloses a method in which an approximate curve for probe coordinate data is created, and a section in which the height difference between the approximate curve and the coordinate data exceeds a specified threshold is determined as an abnormal section. Is described.

近似曲線は、座標データから高周波成分を除去することで作成できる。具体的な方法として、デジタルフィルタ処理や関数近似、フーリエ変換など、種々の方法が考えられる。高周波成分として除去する境界の周波数は、一般的に遮断周波数と呼ばれる。遮断周波数を調整することで、座標データをどの程度細かく近似するかを変更することができる。なお、高周波成分を、ある周波数帯域に渡って徐々に減衰させる場合は、その周波数帯域内の代表の1点を遮断周波数と定義する。   The approximate curve can be created by removing high frequency components from the coordinate data. As specific methods, various methods such as digital filter processing, function approximation, and Fourier transform are conceivable. The boundary frequency to be removed as a high frequency component is generally called a cut-off frequency. By adjusting the cut-off frequency, it is possible to change how finely the coordinate data is approximated. When a high-frequency component is gradually attenuated over a certain frequency band, one representative point in the frequency band is defined as a cutoff frequency.

ある区間で測定誤差が大きい状態になっている座標データが取得されたとする。そして、遮断周波数をその区間の横幅W[mm]に相当する周波数Q(=1/W)[Hz(=mm−1)]に設定するか、それよりも高く設定したとする。この場合、近似曲線は、測定誤差に大きく引き寄せられることになる。測定誤差に大きく引き寄せられた近似曲線を元に、異常区間を判定しても、正確に判定することは難しい。言い換えると、遮断周波数は、異常区間として判定したい最大幅に相当する周波数よりも、低く設定することが必要である。 Assume that coordinate data having a large measurement error in a certain section is acquired. Then, it is assumed that the cut-off frequency is set to a frequency Q (= 1 / W) [Hz (= mm −1 )] corresponding to the width W [mm] of the section or higher than that. In this case, the approximate curve is greatly attracted to the measurement error. Even if an abnormal section is determined based on an approximate curve that is largely drawn by measurement errors, it is difficult to determine accurately. In other words, the cut-off frequency needs to be set lower than the frequency corresponding to the maximum width to be determined as the abnormal section.

一方で、遮断周波数を低くしすぎると、被測定面に元々ある細かい横幅の形状成分が近似されなくなる。つまり、評価できない形状成分が生じることになる。言い換えると、遮断周波数は、形状成分として評価したい最小幅に相当する周波数よりも、高く設定する必要がある。   On the other hand, if the cut-off frequency is too low, the shape component having a fine width originally present on the surface to be measured cannot be approximated. That is, a shape component that cannot be evaluated is generated. In other words, the cutoff frequency needs to be set higher than the frequency corresponding to the minimum width to be evaluated as the shape component.

以上のように従来技術では、異常区間として判定したい最大幅や、形状成分として評価したい最小幅に応じて、適切な遮断周波数を調整していた。こうすれば、測定誤差の形状成分を低減した上で、評価したい形状成分を含む近似曲線を作成できる。特許文献1に記載されているように、近似曲線の作成、異常区間の判定、除去を繰り返すことで、効果を高めることもできる。   As described above, in the prior art, an appropriate cut-off frequency is adjusted according to the maximum width to be determined as an abnormal section and the minimum width to be evaluated as a shape component. In this way, it is possible to create an approximate curve including the shape component to be evaluated while reducing the shape component of the measurement error. As described in Patent Document 1, it is possible to enhance the effect by repeating creation of an approximate curve, determination of an abnormal section, and removal.

特許第3719634号Japanese Patent No. 3719634

光学素子の高精度化に伴って、より細かい横幅の形状成分まで評価したいニーズが高まってきた。例えば、1mm以下の周期のうねり形状を評価したいニーズがある。そこで、形状成分として評価したい最小幅W1=0.1mmとすると、遮断周波数Qを10Hz(=mm−1)より高くする必要がある。 As the accuracy of optical elements has increased, there has been an increasing need to evaluate finer shape components. For example, there is a need to evaluate a wavy shape with a period of 1 mm or less. Therefore, if the minimum width W1 to be evaluated as a shape component is 0.1 mm, the cutoff frequency Q needs to be higher than 10 Hz (= mm −1 ).

一方で、プローブの跳びはね等で生じる測定誤差の大きな区間W2が、0.2mm程度継続することがある。この場合、遮断周波数Qを5Hz(=mm−1)より低くする必要がる。 On the other hand, the section W2 having a large measurement error caused by the jumping of the probe may continue for about 0.2 mm. In this case, the cut-off frequency Q needs to be lower than 5 Hz (= mm −1 ).

上記の例では、形状成分として評価したい最小幅に相当する周波数(10Hz以上)と、異常区間として判定したい最大幅に相当する周波数(5Hz以下)の2つの条件を同時に満たすように、遮断周波数を調整することができない。   In the above example, the cutoff frequency is set so that the two conditions of the frequency corresponding to the minimum width to be evaluated as the shape component (10 Hz or more) and the frequency corresponding to the maximum width to be determined as the abnormal section (5 Hz or less) are satisfied simultaneously. It cannot be adjusted.

このように、従来技術では、より細かい横幅の形状成分まで評価しようとすると、適切な遮断周波数に調整することができないことがある。適切な遮断周波数に調整できないと、正確に異常区間を判定することができない。よって、高精度な測定ができない。   As described above, in the conventional technique, when trying to evaluate a shape component having a finer width, it may not be possible to adjust to an appropriate cutoff frequency. If it is not possible to adjust to an appropriate cutoff frequency, the abnormal section cannot be determined accurately. Therefore, highly accurate measurement cannot be performed.

本発明は、細かい横幅の形状成分まで評価する場合であっても、より正確に異常区間を判定し、高精度な測定を行うことができる形状測定方法を提供する。   The present invention provides a shape measurement method that can determine an abnormal section more accurately and perform highly accurate measurement even when evaluating a shape component having a fine width.

上記目的を達成するため、本出願に係る発明は、被測定面の形状を計測する形状測定方法であって、
前記被測定面にプローブを接触させつつ走査するとともに前記プローブの座標を測定することで座標データを取得する工程と、
前記座標データを周波数データへ変換する工程と、
前記周波数データに対して設定された周波数閾値に基づいて判定された異常区間を設定する工程と、
前記座標データにおける前記異常区間に含まれるデータを補正する工程と、
補正された前記座標データに基づき前記被測定面の形状を表す測定データを算出する工程、
を備えた形状測定方法を提供する。
In order to achieve the above object, the invention according to the present application is a shape measuring method for measuring the shape of a surface to be measured,
Scanning while contacting a probe to the surface to be measured and measuring coordinate of the probe to obtain coordinate data;
Converting the coordinate data into frequency data;
Setting an abnormal interval determined based on a frequency threshold set for the frequency data;
Correcting the data included in the abnormal section in the coordinate data;
Calculating measurement data representing the shape of the surface to be measured based on the corrected coordinate data;
A shape measuring method comprising:

筆者らは、プローブが跳びはねることなく被測定面を走査している場合に(あるいは、微小な跳びはねが生じている場合も含む)、プローブの振動の周波数が、被測定面の傾斜角に相関することを見出した。一般的に、光学素子の傾斜角は、全体的に緩やかに変化している。そのため、例えば0.1mmの局所的な区間に注目すると、その傾斜角の変化は微小である。つまり、周波数の変化は微小である。   When the probe is scanning the surface to be measured without jumping (or including a minute jump), the probe vibration frequency is the tilt angle of the surface to be measured. It was found to correlate with. In general, the inclination angle of the optical element changes gently as a whole. Therefore, for example, when attention is paid to a local section of 0.1 mm, the change in the inclination angle is minute. That is, the change in frequency is minute.

また、被測定面にうねり形状があり、0.1mmの幅に100nmの高低が変化する形状であったとしても、傾斜角の変化は0.1度未満である。0.1度未満の傾斜角の変化であれば、周波数の変化は微小である。   Further, even if the surface to be measured has a wavy shape, and the shape changes in height of 100 nm to a width of 0.1 mm, the change in the tilt angle is less than 0.1 degree. If the tilt angle is less than 0.1 degree, the frequency change is very small.

すなわち、細かい横幅の形状成分まで評価する場合であっても、局所的な区間の傾斜角の変化は微小である。   That is, even when a shape component having a fine width is evaluated, the change in the inclination angle of the local section is very small.

一方で、測定誤差の大きな区間においても周波数は変化する。例えば、プローブが100nm跳びはねた場合に、上記プローブの振動の周波数が、100Hz程度低下する。このような周波数の変化は、測定誤差の大きな区間に渡って生じる。   On the other hand, the frequency changes even in a section with a large measurement error. For example, when the probe bounces 100 nm, the vibration frequency of the probe decreases by about 100 Hz. Such a change in frequency occurs over a section with a large measurement error.

しかし、たとえ測定誤差の大きな区間が0.2mm程度続いたとしても、近傍の周波数の変化が緩やかであるので、周波数の変化を容易に見つけ出すことができる。   However, even if a section with a large measurement error continues for about 0.2 mm, the frequency change in the vicinity is gentle, so that the frequency change can be easily found.

このように、本発明は、プローブが正常に走査している場合に、プローブの振動の周波数が光学素子全体に渡って緩やかに変化する特性を利用している。そして、測定誤差の大きな区間の局所的な周波数の変化を見つけ出すので、より正確に異常区間を判定することができる。   As described above, the present invention utilizes the characteristic that the frequency of vibration of the probe changes gently over the entire optical element when the probe is normally scanned. And since the local frequency change of the section with a large measurement error is found, the abnormal section can be determined more accurately.

従って、本発明により、細かい横幅の形状成分まで評価する場合であっても、より正確に異常区間を判定し、高精度な測定を行うことができる。   Therefore, according to the present invention, even when a shape component having a fine width is evaluated, an abnormal section can be determined more accurately and highly accurate measurement can be performed.

本発明の第一実施例に関わる形状測定方法のフローチャートである。It is a flowchart of the shape measuring method in connection with the first embodiment of the present invention. 本発明の第一実施例に関わるデータ処理を説明する図である。It is a figure explaining the data processing in connection with 1st Example of this invention. 本発明に関わる形状測定装置を説明する図である。It is a figure explaining the shape measuring apparatus in connection with this invention. 測定中のプローブの挙動を説明する図である。It is a figure explaining the behavior of the probe under measurement. 本発明の第一の実施形態を用いて測定した結果を説明する図である。It is a figure explaining the result measured using a first embodiment of the present invention.

以下、本発明に関わる第一の実施形態を、図を用いて説明する。   Hereinafter, a first embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.

なお、以下で説明する近似曲線は、近似直線に置き換えても同様に効果がある。近似する対象のデータが直線的に変化する場合、直線で近似するのが望ましい。   Note that the approximate curve described below is similarly effective even if it is replaced with an approximate line. When the data to be approximated changes linearly, it is desirable to approximate with a straight line.

まず、レンズ等の光学素子の表面において取得した座標データに注目すると、プローブが被測定面を倣って走査している際に、数十nm程度の振幅の振動が生じていることが確認された。また、この振動の主要な周波数が、被測定面の傾斜角に応じて連続的に遷移することがわかった。   First, paying attention to the coordinate data acquired on the surface of an optical element such as a lens, it was confirmed that vibration with an amplitude of about several tens of nanometers occurred when the probe scanned along the surface to be measured. . It was also found that the main frequency of this vibration continuously changes according to the inclination angle of the surface to be measured.

前述したように、プローブは一時的に跳びはねる。この跳びはねは一種の振動であり、振動する際の周波数は、遷移周波数に対して相対的に低下することが見出された。   As described above, the probe jumps temporarily. It has been found that this jump is a kind of vibration, and the frequency at which it vibrates decreases relative to the transition frequency.

まず、本発明に関わる形状測定方法の手順を説明する。   First, the procedure of the shape measuring method according to the present invention will be described.

本発明は被測定面の形状を計測する形状測定方法であって、被測定面にプローブを接触させつつ走査するとともにプローブの位置を計測することで座標データを取得する。そして座標データに基づき前記被測定面の形状を表す測定データを算出する。   The present invention is a shape measuring method for measuring the shape of a surface to be measured, and acquires coordinate data by scanning while contacting a probe to the surface to be measured and measuring the position of the probe. Then, measurement data representing the shape of the surface to be measured is calculated based on the coordinate data.

形状測定方法を実行するにあたり使用する形状測定装置は以下のとおりである。   The shape measuring apparatus used for executing the shape measuring method is as follows.

移動可能なプローブステージ62と、プローブステージにハウジング65と板ばね64(ばね部材)とを介して保持されているプローブ61と、ワークステージ68、及び制御部である演算部66から構成されている。座標データの取得にあたっては特定のサンプリングレートで位置情報を取得し、その位置情報は点列データとして記録される。後段で、さらに詳しく形状測定装置の構成は説明される。   The movable stage includes a movable probe stage 62, a probe 61 held on the probe stage via a housing 65 and a leaf spring 64 (spring member), a work stage 68, and a calculation unit 66 as a control unit. . In acquiring coordinate data, position information is acquired at a specific sampling rate, and the position information is recorded as point sequence data. The configuration of the shape measuring apparatus will be described in more detail later.

以下の実施例にてさらに詳しく説明するように、本発明は取得した座標データの一連の処理に特徴がある。   As will be described in more detail in the following embodiments, the present invention is characterized by a series of processing of acquired coordinate data.

(第一実施例)
図1は、本発明の第一実施例に関わる形状測定方法のフローチャートである。また、図2は、本発明の第一実施例に関わるデータ処理を説明する図である。図1と図2を参照しながら、形状測定方法を説明する。
(First Example)
FIG. 1 is a flowchart of a shape measuring method according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram for explaining data processing according to the first embodiment of the present invention. The shape measuring method will be described with reference to FIGS.

S101で、測定を開始する。この工程では、被測定面を形状測定装置のワークステージに設置し、形状測定装置のアライメントを行うなど被測定面の形状を測定する準備も含まれる。   In S101, measurement is started. This step includes preparation for measuring the shape of the surface to be measured, such as placing the surface to be measured on the work stage of the shape measuring device and performing alignment of the shape measuring device.

S102で、座標データを取得する。この工程では、被測定面にプローブを接触させつつ走査するとともにプローブの座標を計測することで座標データを取得する。以下、座標データをM、設計形状Dと表す。座標データMから設計形状Dを引いたもの、すなわち残差M−Dを改めて座標データとして扱ってもよい。この残差M−Dは、被測定面の形状の目標値である設計形状Dと比べて計測している被測定面の形状がどれだけ外れているのかを示している。そのため、座標データMそのものと同じく被測定面の形状を反映している。   In S102, coordinate data is acquired. In this step, the coordinate data is acquired by scanning while making the probe contact the surface to be measured and measuring the coordinates of the probe. Hereinafter, coordinate data is represented as M and design shape D. The coordinate data M minus the design shape D, that is, the residual MD may be treated as coordinate data again. This residual MD indicates how far the measured surface shape is deviated from the design shape D, which is the target value of the shape of the measured surface. Therefore, the shape of the surface to be measured is reflected in the same manner as the coordinate data M itself.

S103で、取得した座標データを周波数データへ変換する。図2(a)は、座標データとうねり形状とを示す図である。Xは、プローブ後端の横方向の位置で、X軸の原点から右端までが0.1mm程度とする。Zは被測定面の高さを表し、Z軸の原点から上端までが、100nm程度である。被測定面のうねり形状20は、0.1mmの横幅で100nm高低が変化する形状である。これに対し、座標データ21は、0.1mmの横幅よりも細かい横幅で、数百nm高低が変化する振動をしている。この振動は、前述した、被測定面を走査中の、プローブの振動に由来する。   In S103, the acquired coordinate data is converted into frequency data. FIG. 2A shows the coordinate data and the waviness shape. X is a lateral position of the rear end of the probe, and is about 0.1 mm from the origin of the X axis to the right end. Z represents the height of the surface to be measured, and the distance from the origin of the Z axis to the upper end is about 100 nm. The wavy shape 20 of the surface to be measured is a shape in which the height varies by 100 nm with a lateral width of 0.1 mm. On the other hand, the coordinate data 21 vibrates with a width that is finer than a width of 0.1 mm and changes in height by several hundred nm. This vibration is derived from the vibration of the probe while scanning the surface to be measured as described above.

図2(b)には、座標データの近似曲線を描いている。座標データ21を近似したのが近似曲線23である。座標データ21には、プローブが跳びはねて振幅が大きくなる領域(以下、跳びはね領域22)がある。このため跳びはね領域22の付近で、近似曲線23は、座標データ21の大きな振幅に引き寄せられ、うねり形状20よりも上方向に偏る。   FIG. 2B shows an approximate curve of coordinate data. An approximate curve 23 approximates the coordinate data 21. The coordinate data 21 includes a region where the probe jumps and the amplitude increases (hereinafter, jump region 22). For this reason, in the vicinity of the jumping region 22, the approximate curve 23 is attracted to the large amplitude of the coordinate data 21, and is biased upward from the waviness shape 20.

このS103における具体的な処理として、まず、座標データ21における極値を、極値データ24として抽出する。極値の具体的な抽出方法として、座標データ21の各点における傾きを計算し、傾きの符号が変化した点を極値データ24として抽出する。   As a specific process in S103, first, an extreme value in the coordinate data 21 is extracted as extreme value data 24. As a specific method of extracting extreme values, the inclination at each point of the coordinate data 21 is calculated, and the point where the sign of the inclination has changed is extracted as extreme value data 24.

例えば、座標データ21を構成する点iがXの位置においてそのz座標がZであったすると、点iと隣接する点i+1に注目して
(Zi+1−Z)/(Xi+1−X) 〔数1〕
の値を全ての点(i=1,2,・・・N)について算出し、符号の変化が見られた点を抽出するとよい。傾きの値は点iと点i+1のうちここでは若い方(点i)に帰属するものとして、測定データ全体で傾きを計算し各点の傾きを算出する。もちろん傾きの値は点iと点i+1のどちらに帰属するように統一してもよいし、各点に帰属するデータとしてではなく傾きのデータ点列として新たに整理し、記録してもよい。また、点i+1の代わりに、点i+g(g≠0の整数)を使用して良い。
For example, when the point i constituting the coordinate data 21 is Z i at the position of X i , paying attention to the point i + 1 adjacent to the point i, (Z i + 1 −Z i ) / (X i + 1 − X i) [Equation 1]
Is calculated for all points (i = 1, 2,..., N), and the points where a change in sign is seen may be extracted. Assuming that the slope value belongs to the younger one (point i) of the points i and i + 1, the slope is calculated for the entire measurement data and the slope of each point is calculated. Of course, the inclination value may be unified so as to belong to either the point i or the point i + 1, or may be newly organized and recorded as a data point sequence of inclination instead of as data belonging to each point. Further, instead of the point i + 1, a point i + g (an integer where g ≠ 0) may be used.

次に、抽出された極値データ24の各点において、極値の間隔25とサンプリング周波数及びプローブ走査速度から、極値間の時間を求める。ここでは極大値と隣接する極大値との間隔を用いた。   Next, at each point of the extracted extreme value data 24, the time between the extreme values is obtained from the extreme value interval 25, the sampling frequency, and the probe scanning speed. Here, the interval between the maximum value and the adjacent maximum value was used.

なお図2(b)において、極値の間隔25を極大値と極大値のX方向の間隔で示したが、極小値と極小値の間隔や、極大値と極小値の間隔を2倍した間隔を用いてもよい。   In FIG. 2B, the interval 25 between the extreme values is shown as the interval between the maximum value and the maximum value in the X direction, but the interval between the minimum value and the minimum value or the interval between the maximum value and the minimum value is doubled. May be used.

次に、極値間の時間の逆数を計算し、これを振動の周波数とする。測定のサンプリングレートは既知なので極値Eと極値Ek+1の間の時間tを算出することができるため、この逆数1/tを計算し振動の周波数[Hz]とする。振動の周波数は極値Eと極値Ek+1のうち若い方(Ek)に帰属するものとする。上述の傾きのデータと同様にデータの帰属、整理方法は所望の方法をとってよい。 Next, the reciprocal of the time between extreme values is calculated, and this is used as the frequency of vibration. Since the sampling rate of measurement is known, the time t between the extreme value E k and the extreme value E k + 1 can be calculated. Therefore, the reciprocal 1 / t is calculated as the vibration frequency [Hz]. It is assumed that the vibration frequency belongs to the younger one (Ek) of the extreme value E k and the extreme value E k + 1 . Similar to the above-described inclination data, the data attribution and organization method may be a desired method.

以下では極値データ24の各点での周波数を表すデータを、周波数データとして説明する。   Hereinafter, data representing the frequency at each point of the extreme value data 24 will be described as frequency data.

また、極大値と極小値の中間のzの値に最も近いデータを抽出してもよい。中間のzの値を抽出する場合、勾配が大きい箇所でデータ抽出を行うことができるため、正確に抽出できる。また、極値データ24を抽出する工程において、座標データ21に予めローパスフィルタをかけておけば、プローブの振動よりも高周波な白色ノイズを除いて極値を抽出できる。また、座標データから求めたスプライン曲線の極値を用いることで、座標データの間隔より高い分解能で、極値データのX方向の位置を定めてもよい。   Further, data closest to the z value between the maximum value and the minimum value may be extracted. When the intermediate z value is extracted, data can be extracted at a location where the gradient is large, so that it can be accurately extracted. In the step of extracting the extreme value data 24, if a low pass filter is applied in advance to the coordinate data 21, the extreme value can be extracted by removing white noise having a frequency higher than that of the probe vibration. Further, by using the extreme value of the spline curve obtained from the coordinate data, the position of the extreme value data in the X direction may be determined with a resolution higher than the interval of the coordinate data.

このように、座標データを、周波数データへ変換する。   In this way, the coordinate data is converted into frequency data.

つづいて、以下説明するように周波数データに対して設定された周波数閾値に対して判定された異常区間を設定する。   Subsequently, as described below, an abnormal section determined for the frequency threshold set for the frequency data is set.

S104で、周波数データの近似曲線27を求める(図2(c))。   In S104, an approximate curve 27 of frequency data is obtained (FIG. 2 (c)).

S105で、周波数データが近似曲線27から、予め設定した閾値以上離れた領域を異常区間と設定する。   In S105, an area where the frequency data is away from the approximate curve 27 by a predetermined threshold or more is set as an abnormal section.

閾値の設定方法の一例を挙げると、プローブの測定力F、プローブ質量m、プローブがZ方向に振幅hだけ跳ねる際の、プローブの滞空時間の逆数を閾値とするとよい。   As an example of a threshold setting method, the threshold value may be the reciprocal of the probe dwell time when the probe's measuring force F, the probe mass m, and the probe bounces in the Z direction by an amplitude h.

詳しく説明すると、プローブは被測定面に対して測定中はできるだけ同じ測定力で接触するように制御されていることから、物体の投げ上げと同じく単純な物理モデルとして考えることができる。すなわち運動方程式m(d/dt)z=−Fと表現でき、zとd/dtzの初期値をそれぞれ、0、vとすると解け、zとtの関係を一意に求めることができる(z=−(F/2m)t+vt)。 More specifically, since the probe is controlled so as to come into contact with the surface to be measured with the same measurement force as much as possible during measurement, it can be considered as a simple physical model similar to throwing up an object. That is, the equation of motion m (d / dt) 2 z = −F can be expressed, and the initial values of z and d / dtz can be solved as 0 and v 0 , respectively, and the relationship between z and t can be uniquely obtained ( z = − (F / 2m) t 2 + v 0 t).

この式から、t=0で跳びあがった瞬間から、プローブが最高点に到達するまでの時間t=mv/F、最高点での高さh=mv /(2F)となる。これらより、跳ね上がったプローブが元の位置に戻るまでに経過した時間t=2t=(8hm/F)1/2となる。プローブの測定力F、プローブ質量m、プローブがZ方向に振幅hであるので、この振幅hは利用者が許容可能な測定誤差の大きさと考えることができる。 From this equation, the time from the moment of jumping at t = 0 to the time when the probe reaches the highest point is t 0 = mv 0 / F, and the height at the highest point is h = mv 0 2 / (2F). Accordingly, the time t 1 = 2t 0 = (8 hm / F) 1/2 that has elapsed until the probe that has jumped back to the original position is obtained. Since the measurement force F of the probe, the probe mass m, and the probe have an amplitude h in the Z direction, the amplitude h can be considered as a measurement error that can be accepted by the user.

このようなわけで、1/t=(F/8hm)1/2の値を、前述した周波数データのなかから異常区間を特定するための閾値、あるいは閾値を決める際の基準として利用することができる。さらには空気抵抗や被測定面の傾斜角などを考慮したモデルから滞空時間を計算しても良い。 For this reason, the value 1 / t 1 = (F / 8 hm) 1/2 should be used as a threshold for identifying an abnormal interval from the above-described frequency data, or as a reference for determining the threshold. Can do. Furthermore, the dwell time may be calculated from a model that takes into account the air resistance and the inclination angle of the surface to be measured.

また、異常区間は、振動の周波数が近似曲線から閾値以上に逸脱している点のX方向の位置から、隣の周波数データのX方向の位置までとする。   Further, the abnormal section is defined from the position in the X direction where the vibration frequency deviates from the approximate curve to a threshold value or more to the position in the X direction of the adjacent frequency data.

図2(c)は座標データから変換されて得られた周波数データと異常区間の関係を説明した図である。周波数データ26に対し、近似曲線27が求められる。図2(c)のように、座標データを周波数データに変換すると、Xに対する周波数データの変化が、Xに対する座標データの変化よりも、緩やかになる。この理由の詳細は後述するが、プローブの振動の周波数が、被測定面の傾斜角に応じて変化することに起因する。変化が緩やかなため、周波数データを低次な関数で正確に近似することができる。   FIG. 2C illustrates the relationship between the frequency data obtained by conversion from the coordinate data and the abnormal section. An approximate curve 27 is obtained for the frequency data 26. As shown in FIG. 2C, when the coordinate data is converted into frequency data, the change in the frequency data with respect to X becomes more gradual than the change in the coordinate data with respect to X. Although the details of this reason will be described later, it is caused by the fact that the vibration frequency of the probe changes according to the inclination angle of the surface to be measured. Since the change is gradual, the frequency data can be accurately approximated by a low-order function.

閾値29は、さまざまな設定手法がありえるが一例として、この近似曲線27をオフセットした閾値を設定してもよい。また、あらかじめ閾値の適正値が分かっている場合は近似曲線27と関連付けることなく直接設定してもかまわない。   Although the threshold value 29 may have various setting methods, as an example, a threshold value obtained by offsetting the approximate curve 27 may be set. If the appropriate threshold value is known in advance, it may be set directly without being associated with the approximate curve 27.

なお異常区間28は、閾値29に対して逸脱したデータを全て含む区間となっている。   The abnormal section 28 is a section including all data deviating from the threshold value 29.

このように周波数データに対し、閾値29を近似曲線27に対して設定すると簡便かつ精度の高い、データの選別が可能となる。もちろん閾値29の設定方法はこの限りではなく、周波数データに対して設定された周波数閾値であれば良い。   As described above, when the threshold value 29 is set for the approximate curve 27 for the frequency data, the data can be easily and accurately selected. Of course, the setting method of the threshold value 29 is not limited to this, and any frequency threshold value set for the frequency data may be used.

S106で、異常区間の座標データを補正し、被測定面の形状を表す測定データを算出する。   In S106, the coordinate data of the abnormal section is corrected, and measurement data representing the shape of the surface to be measured is calculated.

図2(d)は、補正後の座標データを説明する図である。補正後の座標データ21’では、異常区間のデータが除去されている。これにより、補正後の座標データの近似曲線23’が、跳びはね領域の周波数データに引き寄せられる度合いが小さくなり、補正後のうねり形状20’を良く表せる。すなわち被測定面の形状を算出することができた。   FIG. 2D is a diagram for explaining the corrected coordinate data. In the corrected coordinate data 21 ', the data of the abnormal section is removed. As a result, the degree of the approximate curve 23 ′ of the coordinate data after correction is attracted to the frequency data of the jumping region is reduced, and the corrected undulation shape 20 ′ can be expressed well. That is, the shape of the measured surface could be calculated.

尚、異常区間のデータを除去した例を示したが、近傍の座標データで補間しても良い。   In addition, although the example which removed the data of the abnormal area was shown, you may interpolate by the nearby coordinate data.

S107で、測定を終了する。   In S107, the measurement ends.

以上で説明した方法では、座標データを周波数データに変換してから、近似曲線を生成している。座標データを時間的な周波数へと変換したが、空間的な周波数に変換した上で補正処理しても同様の効果が得られる。   In the method described above, the approximate curve is generated after the coordinate data is converted into frequency data. Although the coordinate data is converted to a temporal frequency, the same effect can be obtained even if correction processing is performed after converting the coordinate data to a spatial frequency.

この座標データに関して、プローブの振動と被測定面の傾斜角の関係について鋭意検討した結果以下のことが分かった。   As a result of intensive studies on the relationship between the vibration of the probe and the tilt angle of the surface to be measured, the following was found for this coordinate data.

すなわちプローブが被測定面に倣って正常に走査している場合、プローブの振動の周波数は、被測定面の傾斜角に応じていることが分かった。被測定面の傾斜角が変化すれば、その傾斜角に応じて振動の周波数も遷移する。   That is, it has been found that when the probe scans normally following the surface to be measured, the vibration frequency of the probe depends on the inclination angle of the surface to be measured. If the tilt angle of the surface to be measured changes, the vibration frequency also changes according to the tilt angle.

被測定面の傾斜角は、細かいうねり形状が含まれていても、その変化は微小である。例えば、0.1mm幅で、100nmのうねり形状は、レンズなどの光学素子の光学特性には大きな影響がある。しかし、このうねりは傾斜角に換算するとおよそ0.06度(=0.1/100=0.001[rad])である。0.06度ほどであれば、振動の周波数の変化は十分に小さい。   Even if the inclination angle of the surface to be measured includes a fine waviness shape, the change is minute. For example, a wavy shape of 0.1 mm width and 100 nm has a great influence on the optical characteristics of an optical element such as a lens. However, this swell is approximately 0.06 degrees (= 0.1 / 100 = 0.001 [rad]) when converted to an inclination angle. If it is about 0.06 degree, the change of the frequency of vibration is small enough.

従って、プローブの振動の周波数は、被測定面の概略の形状に応じて遷移する。座標データを近似する従来の方法では、座標データが形状に応じて変化する。このため、X方向に細かい分解能で、座標データを表す必要があった。これに対して、本実施形態では、周波数データが概略の形状に応じて遷移する。このため、X方向に粗い分解能でも、周波数データの遷移を正確に表せる。   Therefore, the vibration frequency of the probe changes according to the approximate shape of the surface to be measured. In the conventional method of approximating coordinate data, the coordinate data changes according to the shape. For this reason, it is necessary to express coordinate data with a fine resolution in the X direction. On the other hand, in this embodiment, frequency data changes according to a rough shape. For this reason, the transition of the frequency data can be accurately represented even with a coarse resolution in the X direction.

低い分解能で近似するため、跳びはねによる周波数の変化の影響をわずかにしか受けずに、近似曲線を描ける。このため、跳びはねずに走査出来ている状態を表す近似曲線を、正確に取得することができる。   Since the approximation is performed with a low resolution, an approximation curve can be drawn with only a slight influence of the frequency change caused by jumping. For this reason, it is possible to accurately obtain an approximate curve representing a state where scanning is possible without jumping.

従って、座標データそのものをデータ処理するのではなく、座標データを周波数データに変換して、その周波数空間においてデータ処理することで、異常区間を効果的に特定することができる。言い換えると、周波数データの近似精度が高いので、跳びはね領域での周波数の相対的な低下を、正確に判別することができる。跳びはね領域をより正確に判別することができるので、高精度な測定ができる。   Therefore, the abnormal section can be effectively identified by converting the coordinate data into frequency data and processing the data in the frequency space instead of processing the coordinate data itself. In other words, since the approximation accuracy of the frequency data is high, it is possible to accurately determine the relative decrease in the frequency in the jumping region. Since the jumping and splashing area can be determined more accurately, highly accurate measurement can be performed.

また、以上で説明した方法において、横軸を位置Xとして説明したが、傾斜角(deg)や測定時間(t)など、周波数データとの対応を表せるものであれば、任意に周波数データと変換してもよい。また、データが取得された順番を横軸にしてもよい。   In the above-described method, the horizontal axis is described as the position X. However, if the correspondence with the frequency data such as the inclination angle (deg) and the measurement time (t) can be expressed, the frequency data can be arbitrarily converted. May be. The order in which data is acquired may be plotted on the horizontal axis.

また、周波数データの遷移が直線的な傾向をもつものであれば、直線で近似するのが良い。   If the transition of the frequency data has a linear tendency, it is preferable to approximate it with a straight line.

周波数を用いて説明したが、周期を用いても良い。   Although described using frequency, a period may be used.

図3は、本発明に関わる形状測定装置の一例を説明する図である。プローブ61は板ばね64によってZ方向に移動可能に保持されている。板ばね64はハウジング65に取り付いている。ハウジング65はプローブステージ62に固定されている。プローブステージ62は、走査ステージ63に取り付いており、XY方向の2軸、もしくはどちらか1軸に駆動する。被測定物67は、ワークステージ68に搭載されている。ワークステージは、徐振台等に載せて、床面からの振動を低減するとなお良い。また測長器の一例としてレーザー測長器Lを搭載した例を描いている。   FIG. 3 is a diagram for explaining an example of a shape measuring apparatus according to the present invention. The probe 61 is held by a leaf spring 64 so as to be movable in the Z direction. The leaf spring 64 is attached to the housing 65. The housing 65 is fixed to the probe stage 62. The probe stage 62 is attached to the scanning stage 63 and is driven in two axes in the XY direction or one of them. The object to be measured 67 is mounted on the work stage 68. More preferably, the work stage is placed on a slow shaking table or the like to reduce vibration from the floor. In addition, an example in which a laser length measuring device L is mounted is illustrated as an example of a length measuring device.

プローブの後端のZ方向の位置情報と、プローブステージのZ方向の位置情報は、レーザー測長器Lなどで測定され、メモリおよびCPUを備えた演算部66に取り込まれる。演算部66は、プローブの挙動に基づいて、被測定面の形状を表した測定データを計算し、メモリに記憶する。メモリは、装置に備え付けられていても良いし、コンピュータネットワークでつながった外部にあっても良い。上述の本願発明の形状測定方法を実行するにあたり、各工程をコンピュータに実行させるプログラムは、メモリに記憶されている。形状測定によって取得した座標データを処理し、被測定面の形状を算出するにあたり、該プログラムを実行し、補正された座標データに基づき被測定面の形状を算出する。   The position information in the Z direction of the rear end of the probe and the position information in the Z direction of the probe stage are measured by a laser length measuring device L or the like, and are taken into a calculation unit 66 having a memory and a CPU. The calculation unit 66 calculates measurement data representing the shape of the surface to be measured based on the behavior of the probe, and stores it in the memory. The memory may be provided in the apparatus or may be externally connected via a computer network. In executing the above-described shape measuring method of the present invention, a program for causing a computer to execute each process is stored in a memory. In processing the coordinate data acquired by the shape measurement and calculating the shape of the surface to be measured, the program is executed, and the shape of the surface to be measured is calculated based on the corrected coordinate data.

つまり本発明の形状測定装置は移動可能なプローブステージと、プローブステージに支持されているプローブと、ワークステージ、と制御部から構成されている形状測定装置である。そして前述の形状測定方法の各工程を実行するプログラムを制御部に実行可能に備えている形状測定装置である。プログラムを制御部に実行可能に備えているということは、オフラインにすべてのプログラムを制御部に備えていることにとどまらない。すなわちオンラインで接続された外部コンピュータにも一部プログラムが保有されており、測定を実行する際に形状測定装置がそのプログラムが実行可能であるようなシステムが構成されている場合も含む。   That is, the shape measuring apparatus of the present invention is a shape measuring apparatus including a movable probe stage, a probe supported by the probe stage, a work stage, and a control unit. And it is a shape measuring apparatus which equips the control part with the program which performs each process of the above-mentioned shape measuring method so that execution is possible. Having the program executable in the control unit is not limited to providing all the programs offline in the control unit. That is, it includes a case where an external computer connected online has a part of the program, and the shape measuring apparatus can execute the program when performing the measurement.

また、必要に応じて、測定データをモニタに表示したり、紙に印字したりする。   In addition, the measurement data is displayed on a monitor or printed on paper as necessary.

さらに、演算器は、プローブ61のZ方向の位置情報と、プローブステージ62のZ方向の位置情報との偏差を計算し、偏差が一定になるように、プローブステージに駆動信号を送る。プローブステージは、駆動信号に基づいてZ方向に駆動する。偏差が一定になれば、形状測定プローブの板ばね64のたわみ量が一定になり、プローブと被測定面は一定の圧力で接触する。   Further, the computing unit calculates a deviation between the position information of the probe 61 in the Z direction and the position information of the probe stage 62 in the Z direction, and sends a drive signal to the probe stage so that the deviation becomes constant. The probe stage is driven in the Z direction based on the drive signal. When the deviation becomes constant, the amount of deflection of the plate spring 64 of the shape measuring probe becomes constant, and the probe and the surface to be measured come into contact with each other at a constant pressure.

この第一実施例で挙げたS105にて説明した閾値設定の方法においては、プローブの運動の物理モデルに基づいて設定する方法を示した。これに代わり、座標データの統計情報や、予備の実測データに基づく方法でも可能である。以下、これらの方法について説明する。   In the threshold value setting method described in S105 described in the first embodiment, a setting method based on a physical model of the probe motion is shown. Instead, a method based on statistical information of coordinate data or preliminary measured data is also possible. Hereinafter, these methods will be described.

(第二実施例)
座標データの統計情報に基づいて閾値を設定する方法を説明する。
(Second embodiment)
A method for setting the threshold based on the statistical information of the coordinate data will be described.

本実施例の手法は以下に詳しく説明するように、周波数空間における残差データが正規分布に従うケースの場合に有効である。   As will be described in detail below, the method of this embodiment is effective when the residual data in the frequency space follows a normal distribution.

S101からS104までの工程は第一実施例と同様に実行され、図2(c)における周波数データ26及び近似曲線27が取得されているとし、説明は省略する。   The processes from S101 to S104 are performed in the same manner as in the first embodiment, and it is assumed that the frequency data 26 and the approximate curve 27 in FIG.

まず、周波数データ26と近似曲線27に基づき、座標Xにおける近似曲線27における値Aと、同じく座標Xにおける周波数データ26の値Eから、その差分A−Eを算出する。一方から他方の差分を求めればよいため、どちらを引いてもかまわない。 First, based on the approximate curve 27 the frequency data 26, the value A i in the approximation curve 27 at the coordinates X i, the value E i of the frequency data 26 in same coordinates X i, and calculates the difference A i -E i. Since it is only necessary to obtain the difference from one to the other, either may be subtracted.

以下この差分を、周波数空間における残差データと呼ぶ。周波数空間における残差データは、周波数データの位置Xに対するゆるやかな変化が除去されたものである。次に、周波数空間における残差データの標準偏差sを計算し、標準偏差sの値を、異常区間を判定する際の閾値とする。尚、標準偏差の計算においては、残差データをX方向に区間ごとに区切り、区間ごとに計算してもよい。   Hereinafter, this difference is referred to as residual data in the frequency space. The residual data in the frequency space is obtained by removing a gradual change with respect to the position X of the frequency data. Next, the standard deviation s of the residual data in the frequency space is calculated, and the value of the standard deviation s is set as a threshold for determining the abnormal section. In calculating the standard deviation, the residual data may be divided for each section in the X direction and calculated for each section.

以上のような閾値設定により、周波数空間における残差データのZ方向のばらつきが正規分布に従うとすると、正規分布表を参照すればわかるように全体の15.87%のデータがノイズと判定される。   Assuming that the variation in the Z direction of the residual data in the frequency space follows a normal distribution by setting the threshold values as described above, 15.87% of the entire data is determined to be noise as can be seen by referring to the normal distribution table. .

以上の説明では標準偏差を閾値としたが、標準偏差に所定の係数をかけたものを閾値とすることで、ノイズと判定されるデータの割合を変更することができる。つまり、ノイズと判別させたいデータの、座標データ全体に対する、データ点数の割合に応じて、閾値を設定することができる。   In the above description, the standard deviation is set as a threshold value, but the ratio of data determined as noise can be changed by setting the standard deviation multiplied by a predetermined coefficient as the threshold value. That is, the threshold value can be set according to the ratio of the number of data points to the entire coordinate data of the data to be determined as noise.

以上のように周波数データに対する近似曲線を算出し、近似曲線と周波数データの差分である残差データの標準偏差を計算し、標準偏差に基づいた周波数閾値が設定される。   As described above, the approximate curve for the frequency data is calculated, the standard deviation of the residual data, which is the difference between the approximate curve and the frequency data, is calculated, and the frequency threshold based on the standard deviation is set.

この手法は周波数空間における残差データが正規分布に従うケースの場合には、ただちに実行でき、かつノイズである跳びはねに由来する異常区間の特定も容易である。すなわち補正すべき座標データの特定を簡便に行うことができる。   This method can be executed immediately in the case where the residual data in the frequency space follows a normal distribution, and it is easy to identify an abnormal interval derived from the jumping that is noise. That is, it is possible to easily specify the coordinate data to be corrected.

(第三実施例)
予備の実測データに基づいて閾値を設定する方法を説明する。この方法では、形状を測定したい被測定面とは別の面を有するサンプル(以下、標準サンプル)を用意する。S101〜S104の工程を標準サンプルに対して複数回行うことにより、測定回ごとの近似曲線を取得する。次に、測定回ごとの近似曲線の標準偏差を計算し、その標準偏差を閾値とする。近似曲線が直線の場合、測定回ごとの切片の標準偏差などを計算する。以上により、複数の実測データから鑑みた妥当な閾値を設定できる。
(Third embodiment)
A method for setting a threshold based on preliminary measured data will be described. In this method, a sample having a surface different from the surface to be measured whose shape is to be measured (hereinafter referred to as a standard sample) is prepared. By performing the steps S101 to S104 a plurality of times on the standard sample, an approximate curve for each measurement is obtained. Next, the standard deviation of the approximate curve for each measurement is calculated, and the standard deviation is set as a threshold value. When the approximate curve is a straight line, the standard deviation of the intercept for each measurement is calculated. As described above, an appropriate threshold value can be set in consideration of a plurality of actually measured data.

つまり、周波数データに対する近似曲線を算出するにあたり、標準サンプルを測定して得られた座標データを用いる。   That is, in calculating an approximate curve for frequency data, coordinate data obtained by measuring a standard sample is used.

振動の周波数は、被測定面の傾斜角に対して変化するので、標準サンプルで取得した近似曲線を利用して、被測定面測定時に用いる近似曲線を得ることができる。例えば、標準サンプルで得た近似曲線と、標準サンプルの傾斜角との関係から、横軸を傾斜角とする近似曲線を計算する。これを被測定面の傾斜角の情報と組み合わせ、被測定面の周波数変化を取得できる。   Since the frequency of vibration changes with respect to the inclination angle of the surface to be measured, an approximate curve used when measuring the surface to be measured can be obtained using the approximate curve obtained with the standard sample. For example, an approximate curve with the horizontal axis as the tilt angle is calculated from the relationship between the approximate curve obtained with the standard sample and the tilt angle of the standard sample. This can be combined with information on the tilt angle of the surface to be measured to obtain the frequency change of the surface to be measured.

測定誤差の小さい標準サンプルの実測データを用いることで、測定誤差の影響を低減した近似曲線を取得できる。このため、被測定面の材質の影響などで測定誤差が大きい場合でも、精度の高い近似曲線を判別に用いることができる。よって周波数の相対的な低下をより正確に判別することができる。   By using actual measurement data of a standard sample with a small measurement error, an approximate curve with reduced influence of the measurement error can be acquired. For this reason, even when the measurement error is large due to the influence of the material of the surface to be measured, a highly accurate approximate curve can be used for discrimination. Therefore, it is possible to more accurately determine the relative decrease in frequency.

(プローブの挙動と振動のメカニズム)
測定中のプローブの挙動を説明する。図4は、測定中のプローブの挙動を説明する図である。尚、図4(a)(b)では各時刻でのプローブを描いたが、+X方向にあるものほど、時刻が進んだときのものである。
(Probe behavior and vibration mechanism)
The behavior of the probe during measurement will be described. FIG. 4 is a diagram for explaining the behavior of the probe during measurement. In FIGS. 4A and 4B, the probe at each time is drawn, but the one in the + X direction is the one when the time has advanced.

跳びはねが発生しない箇所では、測定中のプローブに関わる主なばね要素は、板ばねの弾性と、プローブ自身の曲げ剛性と、プローブと被測定面との接触剛性の3つである。この系に、XY方向への移動による被測定面との衝突や、外部振動などの外力が加わると、3つのばね要素による力を復元力として、プローブが共振することがわかった。以下、この振動をたわみ振動と呼ぶ。たわみ振動では、プローブがXY方向にたわむ量が変化することにより、被測定面に沿ってプローブ後端がZ方向にも変位する。このため、図4(a)に示すように、プローブ後端の軌跡33は、移動方向32への変位とたわみ振動によるZ変位を加えたものになる。このプローブ後端の軌跡から傾斜成分を除去して表示したものが、図4(c)の変位34である。たわみ振動の一周期35は、変位34で示される振動運動の一周期を指す。   In a place where jumping does not occur, there are three main spring elements related to the probe under measurement: the elasticity of the leaf spring, the bending rigidity of the probe itself, and the contact rigidity between the probe and the surface to be measured. It was found that when an external force such as a collision with the surface to be measured due to movement in the XY direction or external vibration is applied to this system, the probe resonates using the force of the three spring elements as a restoring force. Hereinafter, this vibration is referred to as flexural vibration. In flexural vibration, the amount of deflection of the probe in the XY direction changes, so that the probe rear end is displaced in the Z direction along the surface to be measured. For this reason, as shown in FIG. 4A, the trajectory 33 at the rear end of the probe is obtained by adding displacement in the moving direction 32 and Z displacement due to flexural vibration. The displacement 34 shown in FIG. 4C is displayed by removing the tilt component from the trajectory of the probe rear end. One period 35 of the flexural vibration indicates one period of the vibration motion indicated by the displacement 34.

また、たわみ振動の周波数は被測定面の形状の周波数帯よりも高周波である。検討によると、たわみ振動の周波数は200〜600Hzと、形状の周波数(数十Hz程度)と比べて高周波となった。   The frequency of the flexural vibration is higher than the frequency band of the shape of the surface to be measured. According to the examination, the frequency of the flexural vibration is 200 to 600 Hz, which is higher than the frequency of the shape (about several tens of Hz).

たわみ振動の特徴は、プローブが被測定面と常に接触しているため、振幅が押し込み量以下である。前述の3つのばね要素のうち、接触剛性の方向が傾斜角によって遷移するため、形状測定の際のプローブの振動の周波数が、被測定面の傾斜角に対応していることが分かった。傾斜角は前述したような0.1mm程度の幅に対する100nm程度のうねりのような、微細なうねり形状ではわずか0.06度程度の傾斜角にしかならない。   A characteristic of the flexural vibration is that the amplitude is equal to or less than the pushing amount because the probe is always in contact with the surface to be measured. Of the three spring elements described above, the direction of the contact stiffness changes depending on the inclination angle, and thus it has been found that the vibration frequency of the probe during shape measurement corresponds to the inclination angle of the surface to be measured. The inclination angle is only about 0.06 degrees in a fine waviness shape such as the waviness of about 100 nm with respect to the width of about 0.1 mm as described above.

このようなわずかな傾斜角の変化からは振動の周波数は微小にしか影響を受けない。   From such a slight change in the tilt angle, the frequency of vibration is affected only minutely.

第三に、前述の3つのばね要素からなる固有の周波数で振動するため、周波数が振幅に依存しない。   Third, the vibration does not depend on the amplitude because it vibrates at a specific frequency composed of the three spring elements.

以上のように、跳びはねが発生しない箇所において、プローブは被測定面の傾斜角に応じた周波数で、たわみ振動を行う。   As described above, the probe performs a flexural vibration at a frequency corresponding to the inclination angle of the surface to be measured at a location where no jump splash occurs.

一方、跳びはねが発生する箇所での、プローブの挙動を説明する。プローブは被測定面の微細なキズ等に衝突すると、跳びはねる。すると、たわみ振動の復元力を発生する3つのばね要素のうち、接触剛性から解放される。したがってプローブが被測定面から離れている間は、板ばねと曲げ剛性の2つのばね要素による力を復元力とする振動を行う。その後被測定面と接触し、十分に減衰するまで、たわみ振動と跳びはねを繰り返す。以上の運動を、以下、跳びはねたわみ振動と呼ぶ。跳びはねたわみ振動では、プローブが跳びはねた後着地し、再度跳びはねるまでを一周期とする。図4(b)に示すように、プローブ後端の軌跡303は、移動方向32への変位とたわみ振動によるZ変位に、跳びはねによる変位が加わったものとなる。このプローブ後端の軌跡から傾斜成分を除去して表示したものが、図4(d)中の変位304である。図4(d)のように、跳びはねたわみ振動の一周期305は、プローブの滞空時間307と、たわみ振動を行う時間308の和である。このうち、たわみ振動を行う時間308中は、接触剛性の影響下で振動していること対し、滞空時間307中は接触剛性から解放される。このため、滞空時間307中はZ方向の復元力が小さくなる。   On the other hand, the behavior of the probe at the location where the jumping occurs will be described. When the probe collides with a fine scratch on the surface to be measured, it jumps. Then, among the three spring elements that generate the restoring force of the flexural vibration, the contact rigidity is released. Therefore, while the probe is away from the surface to be measured, vibration is performed using the force of the two spring elements of the leaf spring and the bending rigidity as a restoring force. After that, contact with the surface to be measured and repeat the flexural vibration and jumping until it is sufficiently damped. The above movement is hereinafter referred to as “jumping vibration”. In the jumping and bending vibration, one cycle is a period from when the probe jumps to the ground and then jumps again. As shown in FIG. 4B, the trajectory 303 at the rear end of the probe is obtained by adding displacement due to jumping to Z displacement due to displacement in the moving direction 32 and flexural vibration. A displacement 304 in FIG. 4D is displayed by removing the tilt component from the probe rear end locus. As shown in FIG. 4D, one period 305 of the jumping and bending vibration is the sum of the probe dwell time 307 and the time 308 during which the bending vibration is performed. Among these, during the time 308 when the flexural vibration is performed, the vibration is caused under the influence of the contact stiffness, whereas during the dwell time 307, the contact stiffness is released. For this reason, during the dwell time 307, the restoring force in the Z direction is reduced.

跳びはねたわみ振動の特徴は、プローブと被測定面が非接触になるため、振幅はたわみ振動の振幅よりも大きい。また接触剛性からの解放により復元力が小さくなるため、その周波数はたわみ振動よりも低くなる。従って、傾斜角に応じた周波数よりも、低くなる。   The characteristic of the jumping and bending vibration is that the amplitude is larger than the amplitude of the bending vibration because the probe and the surface to be measured are not in contact with each other. Further, since the restoring force is reduced by releasing from the contact rigidity, the frequency becomes lower than the flexural vibration. Therefore, it becomes lower than the frequency according to the inclination angle.

したがって、上述のした第一実施例から第三実施例を挙げて説明したように、特に図2の(c)における異常区間において振動の周波数が、傾斜角に応じた周波数よりも大きく低下する。したがって、本実施形態で例示した手法を採用することにより、補正すべき異常区間の特定を高い精度でおこなうことができる。その結果、本発明を実行することにより、信頼性の高い計測が実現できる。   Therefore, as described above with reference to the first to third embodiments, the vibration frequency is significantly lower than the frequency corresponding to the inclination angle, particularly in the abnormal section in FIG. Therefore, by adopting the method exemplified in the present embodiment, it is possible to specify the abnormal section to be corrected with high accuracy. As a result, highly reliable measurement can be realized by executing the present invention.

(実験例)
以下、本発明の第一実施例を用いて測定した結果を、図を用いて説明する。図5は、本発明の第一の実施形態の形状測定方法を実行して測定した座標データを説明する図である。尚、図5の(a)〜(c)では、横(X)方向のスケールをそろえて表示している。また、図5の(a)(c)では、縦(Z)方向のスケールをそろえて表示している。
(Experimental example)
Hereinafter, the results measured using the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a diagram for explaining coordinate data measured by executing the shape measuring method according to the first embodiment of the present invention. In FIGS. 5A to 5C, scales in the horizontal (X) direction are aligned. In FIGS. 5A and 5C, the scales in the vertical (Z) direction are aligned.

図5(a)は、座標データ70を示している。座標データ70には、測定誤差の大きいデータ72が含まれている。このため、座標データ70に平滑化処理を施したフィルタ曲線71では、測定誤差の大きいデータ72の付近で、+Z方向の偏りがある。   FIG. 5A shows the coordinate data 70. The coordinate data 70 includes data 72 having a large measurement error. For this reason, the filter curve 71 obtained by smoothing the coordinate data 70 has a deviation in the + Z direction in the vicinity of the data 72 having a large measurement error.

図5(b)は、座標データ70を変換した周波数データ76と、その近似曲線75を示している。測定誤差の大きいデータ72の付近で、周波数が大きく低下している。このため測定誤差の大きいデータ72の付近は、周波数データ76が、近似曲線75から予め設定した閾値以上離れた、異常区間と設定される。   FIG. 5B shows frequency data 76 obtained by converting the coordinate data 70 and an approximate curve 75 thereof. In the vicinity of the data 72 having a large measurement error, the frequency is greatly reduced. For this reason, in the vicinity of the data 72 having a large measurement error, the frequency data 76 is set as an abnormal section separated from the approximate curve 75 by a predetermined threshold or more.

図5(c)は、異常区間のデータを除去した座標データ73を示している。測定誤差の大きいデータ72の付近のデータが除去されている。また、フィルタ曲線74ではフィルタ曲線71と比べて、測定誤差の大きいデータ付近の+Z方向への偏りが低減されていることが確認できる。測定誤差を低減でき、高精度な測定が行うことができた。   FIG. 5C shows coordinate data 73 from which data in the abnormal section is removed. Data in the vicinity of the data 72 having a large measurement error is removed. Further, it can be confirmed that the bias in the + Z direction in the vicinity of data having a large measurement error is reduced in the filter curve 74 as compared with the filter curve 71. Measurement errors can be reduced, and highly accurate measurements can be performed.

20 うねり形状 21 座標データ 22 跳びはね領域 23 形状の近似曲線
24 極値のデータ 25 極値の間隔 26 周波数データ
27 周波数データの近似曲線 28 異常区間 29 閾値 30 プローブ
31 被測定面 32 プローブ移動方向 33 プローブの変位の軌跡
34 プローブ変位の軌跡(傾斜成分除去) 35 たわみ振動の周期
305 跳びはねたわみ振動の周期 307 滞空時間
308 たわみ振動を行う時間 61 プローブ 62 プローブステージ
63 走査ステージ 64 板ばね 65 ハウジング 66 演算機
67 被測定物 68 ワークステージ 70 座標データ 71 形状の近似曲線
72 測定誤差の大きいデータ 75 周波数データの近似曲線 76 周波数データ
20 Waveform 21 Coordinate Data 22 Jump Area 23 Shape Approximate Curve 24 Extremum Data 25 Extremum Interval 26 Frequency Data 27 Frequency Data Approximate Curve 28 Abnormal Section 29 Threshold 30 Probe 31 Measurement Surface 32 Probe Movement Direction 33 Probe Displacement Trajectory 34 Probe Displacement Trajectory (Inclined Component Elimination) 35 Flexural Vibration Period 305 Jump Splash Bending Vibration Period 307 Dwell Time 308 Time for Performing Flexural Vibration 61 Probe 62 Probe Stage 63 Scanning Stage 64 Plate Spring 65 Housing 66 Calculator 67 Measured object 68 Work stage 70 Coordinate data 71 Shape approximate curve 72 Data with large measurement error 75 Frequency data approximate curve 76 Frequency data

Claims (6)

被測定面の形状を計測する形状測定方法であって、
前記被測定面にプローブを接触させつつ走査するとともに前記プローブの座標を測定することで座標データを取得する工程と、
前記座標データを、周波数データへ変換する工程と、
前記周波数データに対して設定された周波数閾値に基づいて判定された異常区間を設定する工程と、
前記座標データにおける前記異常区間に含まれるデータを補正する工程と、
補正された前記座標データに基づき前記被測定面の形状を表す測定データを算出する工程、
を備えた形状測定方法。
A shape measuring method for measuring the shape of a surface to be measured,
Scanning while contacting a probe to the surface to be measured and measuring coordinate of the probe to obtain coordinate data;
Converting the coordinate data into frequency data;
Setting an abnormal interval determined based on a frequency threshold set for the frequency data;
Correcting the data included in the abnormal section in the coordinate data;
Calculating measurement data representing the shape of the surface to be measured based on the corrected coordinate data;
A shape measuring method comprising:
前記周波数データに対する近似曲線を算出し、前記近似曲線に対して前記周波数閾値が設定されることを特徴とする請求項1に記載の形状測定方法。   The shape measuring method according to claim 1, wherein an approximate curve for the frequency data is calculated, and the frequency threshold is set for the approximate curve. 前記周波数データに対する近似曲線を算出し、前記近似曲線と前記周波数データの差分である残差データの標準偏差を計算し、前記標準偏差に基づいた周波数閾値が設定されることを特徴とする請求項1に記載の形状測定方法。   An approximate curve for the frequency data is calculated, a standard deviation of residual data that is a difference between the approximate curve and the frequency data is calculated, and a frequency threshold based on the standard deviation is set. 2. The shape measuring method according to 1. 前記周波数データに対する近似曲線を算出するにあたり、前記被測定面とは別の面を測定して得られた座標データを用いることを特徴とする請求項3に記載の形状測定方法。   4. The shape measuring method according to claim 3, wherein coordinate data obtained by measuring a surface different from the surface to be measured is used in calculating the approximate curve for the frequency data. 前記周波数データとは時間的な周波数データであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の形状測定方法。   The shape measurement method according to claim 1, wherein the frequency data is temporal frequency data. 移動可能なプローブステージと、プローブステージに固定されたばね部材と、プローブステージにばね部材を介して保持されているプローブと、ワークステージ、と制御部から構成されている形状測定装置であって、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の形状測定方法の各工程を実行するプログラムを前記制御部に実行可能に備えていることを特徴とする形状測定装置。
A shape measuring device comprising a movable probe stage, a spring member fixed to the probe stage, a probe held on the probe stage via the spring member, a work stage, and a control unit,
A shape measuring apparatus comprising a program for executing each step of the shape measuring method according to claim 1 in the control unit.
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