JP5226602B2 - 三次元形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の表面に沿ってプローブを走査して被測定物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法に関する。

従来、半導体ウエハや非球面レンズなどの被測定物の三次元形状を測定するのに、プローブを備える三次元形状測定機が用いられている。この三次元形状測定機において、プローブは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に走査され、被測定物の表面の形状に応じてＺ軸方向に変位するように構成されている。三次元形状測定機は、このプローブの位置座標（Ｘ座標、Ｙ座標、及びＺ座標）を、干渉計などを用いて測定することにより、被測定物の三次元形状を測定する。

この種の三次元形状測定機においては、被測定物の三次元形状をより高精度に測定するため、様々な研究開発が進められている。三次元形状を測定する技術の中でも、マイケルソン干渉計などの光干渉を利用した測定技術は、測定感度が非常に高く、三次元形状を超精密に測定することができるものとして、長年にわたって研究開発が進められている。

光干渉を利用した従来の三次元形状測定機としては、例えば、特許文献１（特許第３０４６６３５号）に開示されたものがある。特許文献１には、測定機構全体の配置を工夫することで歪みの発生を抑えて、大型の被測定物においても精度良く形状測定することができるようにした三次元形状測定機が開示されている。また、特許文献１の三次元形状測定機には、実際には測定誤差が含まれるため、当該測定誤差により形状測定精度が低下するという課題がある。この課題を解決する技術として、特許文献２（２００７−３２７７７０号）に開示されたものがある。特許文献２には、前記測定誤差を、安価な演算処理回路による演算（オフセット加算と一次変換）により補正する技術が開示されている。この技術を利用することで、三次元形状測定機の形状測定精度を大幅に改善することができる。

特許第３０４６６３５号公報 特開２００７―３２７７７０号公報

しかしながら、特許文献２の技術を三次元形状測定機に利用したとしても、０．１μｍ〜０．５μｍ程度の測定誤差は残存する。すなわち、特許文献２の技術を利用した三次元形状測定機においても、形状測定精度はいまだ改善の余地がある。

従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、被測定物の表面に沿ってプローブを走査して被測定物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法において、形状測定精度をより一層向上させることができる三次元測定方法を提供することにある。

本発明者は、前記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下の点を見出した。
前記従来の三次元形状測定技術においては、プローブをＺ軸方向と平行に取り付けるため、プローブが被測定物の表面に沿って走査（摺動）される際においても、プローブの姿勢は常にＺ軸方向と平行であるものと考えて、各種測定データの処理を行っている。

しかしながら、実際には、プローブは、被測定物の表面に沿って走査される際、被測定物の反力に押されて、Ｚ軸方向に対して傾きを有する。本発明者は、この傾きが前記測定誤差の大きな要因であり、当該傾きを、光干渉計から得られる測定データから求めることができることを見出し、下記の本発明に到達した。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明によれば、被測定物の表面に沿ってプローブを走査してＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸における各座標データを取得し、当該座標データに基づいて前記被測定物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法において、
前記被測定物の表面に沿って前記プローブを走査して、ＸＹ座標データを取得するとともに、光干渉計により前記ＸＹ座標データに対応するＡ相正弦波信号値とＢ相正弦波信号値とを取得し、
前記Ａ相正弦波信号値と前記Ｂ相正弦波信号値との位相差と２乗和平方根とを算出し、
前記位相差に基づいてＺ座標データを取得するとともに、前記２乗和平方根により前記プローブの前記Ｚ軸方向に対する傾き角度を求め、当該傾き角度から、前記プローブが前記Ｚ軸方向に平行である場合における前記プローブと前記被測定物との接点に対する、前記傾き角度を有するプローブと前記被測定物との接点の位置ズレ量を算出し、
前記ＸＹ座標データと前記Ｚ座標データと前記位置ズレ量とを合成して、前記各座標データを取得する、
ことを含む、三次元形状測定方法を提供する。

本発明によれば、従来、Ｚ座標データを取得するために用いられていた前記Ａ相正弦波信号値と前記Ｂ相正弦波信号値を利用し、それらの信号の２乗和平方根を算出することにより、前記プローブの傾き角度を求めるようにしているので、特許文献１及び２のような他の測定技術と組み合わせて利用することができ、被測定物の形状測定精度をより一層向上させることができる。すなわち、本発明によれば、三次元形状測定機の測定誤差を０．１μｍ以下にすることができる。

本発明の実施形態にかかる三次元形状測定方法に用いる三次元形状測定機の構成を示す斜視図である。 図２は、図１の三次元形状測定機が三次元測定を行う原理を説明するための図である。 本発明の実施形態にかかる三次元測定方法のフローチャートである。 リサージュ波形の半径と測定ミラーの傾斜角度との相関関係を示すグラフである。 リサージュ波形の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

《実施形態》
図１は、本発明の実施形態にかかる三次元形状測定方法に用いる三次元形状測定機の構成を示す斜視図である。図２は、図１の三次元形状測定機が三次元測定を行う原理を説明するための説明図である。

図１に示すように、三次元形状測定機１は、被測定物５の表面に沿ってプローブ１７を走査して、被測定物５の三次元形状を測定するプローブ走査型の三次元形状測定機である。三次元形状測定機１は、被測定物５の形状測定を行う測定部２と、測定部２の各部の動作を制御する制御部３と、測定部２より得られた測定データを演算処理する演算処理部４とを備えている。

測定部２は、定盤１１と、定盤１１上に配置されＹ軸方向に移動可能なＹステージ１２と、Ｙステージ１２上に配置されＸ軸方向に移動可能なＸステージ１３とを備えている。Ｘステージ１３上には移動体１４が固定されている。移動体１４には、Ｚ軸方向に移動可能なＺ軸移動部１５が取り付けられている。このＺ軸移動部１５の先端には、Ｚ軸方向と平行にプローブ１６が取り付けられている。プローブ１６は、図２に示すように、接触子１７と、接触子１７に固定された測定ミラー１８とを備えている。測定ミラー１８は、プローブ１６の軸に対して直交する平面１８ａを有するように構成されている。Ｚ軸移動部１５は、被測定物５の形状に応じてＺ軸方向に移動する接触子１７が、被測定物５に対して一定の圧力で接触するようにプローブ１６を保持する。接触子１７の下方の定盤１１上には、支持機構１９が設けられている。この支持機構１９上に被測定物５が載置される。被測定物５は、例えば、半導体ウエハや非球面レンズなどである。

また、移動体１４上には、例えば発振周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザなどである光発生部２０と、被測定物５の表面のＺ座標データを検出するためのＺ位置検出器２１とが配置されている。

Ｚ位置検出器２１は、光干渉計の構成を有し、被測定物５のＺ軸方向の位置を検出する。ここでは、Ｚ位置検出器２１は、いわゆるマイケルソン干渉計の構成を有するものとする。具体的には、Ｚ位置検出器２１は、図２に示すように、１／４λ波長板３１，３２、偏光ビームスプリッタ３３、参照ミラー３４、及び反射ミラー３５，３６を有する光学系と、受光ユニット３７とを備えている。受光ユニット３７は、無偏向ビームスプリッタ４１と、１/４λ波長板４２と、受光素子４３、４４とを備えている。なお、被測定物５の表面のＸ座標データとＹ座標データ（以下、ＸＹ座標データという）については、定盤１１上に設けられたＸ位置検出器２２とＹ位置検出器２３とによって検出されるようになっている。Ｘ位置検出器２２及びＹ位置検出器２３の構成については、従来の三次元形状測定機と同様であるので詳細な説明は省略する。

制御部３は、測定部２のＸステージ１３、Ｙステージ１２、光発生部２０などと接続され、それらの動作を制御することで、本実施形態にかかる三次元形状測定方法を実行する。

演算処理部４は、Ｘ位置検出器２２、Ｙ位置検出器２３、及びＺ位置検出器２１と接続され、それらの検出器２１，２２，２３から入力された測定データを、後で詳しく説明するように演算処理して、被測定物５の三次元座標データを得る。

次に、図２及び図３を参照しながら、被測定物５の三次元形状測定方法について説明する。図３は、本発明の実施形態にかかる三次元測定方法のフローチャートである。なお、下記各ステップＳ１〜Ｓ７は、制御部３の制御の下に行われる。

まず、光発生部２０がレーザ光Ｌ１を出射する（ステップＳ１）。光発生部２０から出射されたレーザ光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ３３に入射し、当該偏光ビームスプリッタ３３により測定光Ｌ２と参照光Ｌ３とに分岐される。測定光Ｌ２は、１／４λ波長板３１を通過し、反射ミラー３５、測定ミラー１９、反射ミラー３５の順に反射され、再び１／４λ波長板３１を通過して偏光ビームスプリッタ３３に戻る。参照光Ｌ３は、１／４λ波長板３２を通過した後、参照ミラー３４に反射され、再び１／４λ波長板３２を通過して、偏光ビームスプリッタ３３に戻る。

偏光ビームスプリッタ３４に戻った測定光Ｌ２と参照光Ｌ３とは、偏光ビームスプリッタ３３により合成されて干渉光Ｌ４となる。干渉光Ｌ４は、反射ミラー３６に反射されて受光ユニット３７に集光される。受光ユニット３７に集光された干渉光Ｌ４は、無偏光ビームスプリッタ４１により２方向に分岐され、一方は受光素子４３に受光され、他方は１／４λ波長板４２を通過して受光素子４４に受光される。受光素子４３，４４にて受光された信号は、演算処理部４により、Ａ相正弦波信号値Ｖｘ（Ｖｘ＝ｃｏｓθ）、Ｂ相正弦波信号値Ｖｙ（Ｖｙ＝ｓｉｎθ）に変換される。なお、図２中のＰは、測定原点を示している。

次いで、Ｘテーブル１３又はＹテーブル１２を移動させて、被測定物５の表面に沿ってプローブ１６を走査し、各ＸＹ座標でのＡ相正弦波信号値Ｖｘ、Ｂ相正弦波信号値Ｖｙを順次取得する（ステップＳ２）。なお、ＸＹ座標データは、Ｘ位置検出器２２及びＹ位置検出器２３により検出することができる。
次いで、取得したＡ相正弦波信号値Ｖｘを横軸、Ｂ相正弦波信号値Ｖｙを縦軸にとったＶｘ、Ｖｙの軌跡であるリサージュ波形を作成する（ステップＳ３）。

前記走査中において、プローブ１６の姿勢が図２の実線で示すようにＺ軸方向に平行である場合、リサージュ波形は、例えば図２の右上の実線で示す円になる。これに対して、接触子１７が被測定物５の反力により押されて、プローブ１６の姿勢が図２の点線で示すように傾斜した場合、リサージュ波形は、例えば図２の右上の点線で示す円になる。すなわち、プローブ１６の姿勢が図２の点線で示すように傾斜した場合、リサージュ波形の円の直径は小さくなる。これは、プローブ１６が傾斜することにより、測定ミラー１８に反射される測定光Ｌ２の光量が減少するため、干渉光Ｌ４の光量も減少し、それにより、Ａ相正弦波信号値Ｖｘ及びＢ相正弦波信号値Ｖｙが小さくなるためである。すなわち、測定ミラー１８の傾き角度ｄαとリサージュ波形の半径成分Ｒとは相関関係にある。図４は、当該相関関係を示す実験データである。従って、リサージュ波形の半径成分Ｒが分かれば、測定ミラー１８の傾き角度ｄαを求めることができる。

一方、リサージュ波形の角度成分θは、Ａ相正弦波信号値ＶｘとＢ相正弦波信号値Ｖｙとの位相差を示している。この位相差は、測定ミラー１８のＺ軸方向の変位量ｄｚに応じて生じる。すなわち、測定ミラー１８のＺ軸方向の変位量ｄｚとリサージュ波形の角度成分θとは相関関係にある。従って、リサージュ波形の角度成分θが分かれば、測定ミラー１８のＺ軸方向の変位量ｄｚを求めることができ、当該変位量ｄｚにより、Ｚ座標データを取得することができる。

なお、図２では理解を容易するため、リサージュ波形が真円であるものとしたが、実際には、プローブ１６の傾きによる測定誤差があるため、例えば、図５に示すようなリサージュ波形となる。

次いで、演算処理部４により、各ＸＹ座標データに対応するＡ相正弦波信号値Ｖｘ及びＢ相正弦波信号値Ｖｙから、リサージュ波形の角度成分θと半径成分Ｒとを算出する（ステップＳ４Ａ，Ｓ４Ｂ）。リサージュ波形の角度成分θ及び半径成分Ｒは、次式により算出することができる。

次いで、各ＸＹ座標データ毎に、前記算出したリサージュ波形の角度成分θ及び半径成分Ｒから測定ミラー１８の変位量ｄｚ及び測定ミラー１８の傾き角度ｄαを求める（ステップＳ５Ａ，Ｓ５Ｂ）。

次いで、各ＸＹ座標データ毎に、前記求めた傾き角度ｄαから、被測定物５と接触子１７との接点の位置ズレ量Ｄ１を算出する（ステップＳ６）。
次いで、前記算出した位置ズレ量Ｄ１と、前記変位量ｄｚ（すなわち、Ｚ座標データ）と、前記ＸＹ座標データとを合成する（ステップＳ７）。
これにより、被測定物５の表面の三次元座標データを得ることができ、被測定物５の三次元形状を測定することができる。

本実施形態の三次元形状測定方法によれば、従来、Ｚ座標データを取得するために用いられていたＡ相正弦波信号値ＶｘとＢ相正弦波信号値Ｖｙを利用し、それらの信号の２乗和平方根を算出することにより、プローブ１６の傾き角度ｄαを求めるようにしているので、特許文献１及び２のような他の測定技術と組み合わせて利用することができ、被測定物の形状測定精度をより一層向上させることができる。すなわち、本実施形態の三次元形状測定方法によれば、三次元形状測定機１の測定誤差を０．１μｍ以下にすることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、被測定物５の表面に沿ってプローブ１６を走査して、リサージュ波形を作成した後、リサージュ波形の角度成分θ及び半径成分Ｒを算出するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、リサージュ波形の作成の進度に応じて、リサージュ波形の角度成分θ及び半径成分Ｒを算出するようにしてもよい。

本発明にかかる三次元形状測定方法は、被測定物の三次元形状の測定精度をより一層向上させることができるので、特に、０．１μｍ以下の形状測定精度が求められる場合に有用である。

１ 三次元形状測定機
２ 測定部
３ 制御部
４ 演算処理部
５ 被測定物
１１ 定盤
１２ Ｙステージ
１３ Ｘステージ
１４ 移動体
１５ Ｚ軸移動部
１６ プローブ
１７ 接触子
１８ 測定ミラー
１９ 支持機構
２０ 光発生部
２１ Ｚ位置検出器
２２ Ｘ位置検出器
２３ Ｙ位置検出器
３１，３２，４２ １／４λ波長板
３３ 偏光ビームスプリッタ
３４ 参照ミラー
３５，３６ 反射ミラー
３７ 受光ユニット
４１ 無偏向ビームスプリッタ
４３，４４ 受光素子

Claims (1)

1. 被測定物の表面に沿ってプローブを走査してＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸における各座標データを取得し、当該座標データに基づいて前記被測定物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法において、
   前記被測定物の表面に沿って前記プローブを走査して、ＸＹ座標データを取得するとともに、光干渉計により前記ＸＹ座標データに対応するＡ相正弦波信号値とＢ相正弦波信号値とを取得し、
   前記Ａ相正弦波信号値と前記Ｂ相正弦波信号値との位相差と２乗和平方根とを算出し、
   前記位相差に基づいてＺ座標データを取得するとともに、前記２乗和平方根により前記プローブの前記Ｚ軸方向に対する傾き角度を求め、当該傾き角度から、前記プローブが前記Ｚ軸方向に平行である場合における前記プローブと前記被測定物との接点に対する、前記傾き角度を有するプローブと前記被測定物との接点の位置ズレ量を算出し、
   前記ＸＹ座標データと前記Ｚ座標データと前記位置ズレ量とを合成して、前記各座標データを取得する、
   ことを含む、三次元形状測定方法。

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