JP6119981B2 - 校正治具および光干渉測定装置の校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、校正治具及び光干渉測定装置の座標軸を校正するための校正方法に関するものである。

図１６は従来の校正治具を用いた測定装置の校正方法を説明する図である。
従来、測定装置のｘｙｚ座標系における各軸の校正方法に用いられる校正治具として、１つ又は複数の基準球が知られている。この校正治具を用いた校正方法では、ｘ、ｙ、ｚ方向に移動可能な原子間力プローブ１０２の先端に取り付けられたルビースタイラス１０３により、基準球１０１の表面が走査されて形状測定され、そして、その測定値と基準球１０１の設計値との差より測定装置のｘｙｚ座標系における各軸が校正されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３２９６９４号公報

しかしながら従来の校正治具を用いた校正方法では、基準球１０１の球面全体もしくは複数の球の３次元形状を測定し、設計値と測定値を比較するという特徴から、高さであるｚ座標の測定値をｘｙ座標の２次元にプロットした３次元のデータを取得する必要があり、そのためには、高さであるｚ座標の測定の際に、それを測定したｘｙ座標をも同時に保持しておく必要があった。

特にθｘを校正する際は、離れた２点間でｚ座標をそれぞれ測定し、その２点間のｘｙ平面上での距離と、２点でのｚ座標の差の正接から、θｘの設計値からのズレ量を算出する必要があるため、測定したｚ座標と併せてその時のｘｙ座標データをＣＰＵ内に保持しなければならず、データ量が多くなるため、処理に長い時間を要していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、測定装置の座標校正のためのデータ処理時間を短縮することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の校正治具は、上面部と、前記上面部に設けられる２つの円錐状の窪みの底にそれぞれ設けられる頂点と、前記上面部に設けられる凹部とを有し、前記上面部の平面視において、２つの前記頂点を結ぶ直線上に前記凹部の開口と底面とが位置し、かつ、当該平面視において前記頂点が見えるように前記窪みがそれぞれ設けられていることを特徴とする。

また、本発明の光干渉測定装置の校正方法は、前記校正治具を用いて前記上面部の高さプロファイルを測定しながら行う光干渉測定装置のｘｙｚ座標系における各軸の校正方法であって、前記上面部の高さプロファイルが所定のプロファイルとなるようにθｙ軸を校正する工程と、前記所定のプロファイルがあらかじめ定めた所定の値を示すようにｚ軸を校正する工程と、前記高さプロファイルに２つの前記頂点が含まれるようにｙ軸およびθｚ軸を校正する工程と、前記頂点の位置があらかじめ定めた所定の位置となるようにｘ軸を校正する工程と、前記底面の深さが最も深くなるようにθｘ軸を校正する工程とを有することを特徴とする。

以上のように、校正の際に座標を記憶することなく、測定装置の座標校正のためのデータ処理時間を短縮することができる。

本発明の座標校正に用いる校正治具の構成を示す上面図 本発明の座標校正に用いる校正治具の構成を示す断面斜視図 本発明の校正治具における段差ゲージ部の構成を示す要部拡大斜視図 本発明の矩形開口の構造を説明する図 本発明の楕円開口の構造を例示する図 ＳＳ−ＯＣＴ装置の構成を説明する図 本発明の光干渉測定装置の光軸校正装置の構成を例示する図 本発明の光干渉測定装置の光軸校正方法例を説明するフロー図 θｙ軸がズレた状態で校正した場合の高さプロファイルを示す図 θｙ軸を校正した後の高さプロファイルを示す図 ｚ軸を校正した後の高さプロファイルを示す図 ｙ軸を校正した後の高さプロファイルと測定軌跡を示す図 ｙ軸とθｚ軸とを校正した後の高さプロファイルと測定軌跡を示す図 ｘ軸を校正した後の高さプロファイルと測定光の様子を示す図 θｘ軸を校正した後の高さプロファイルと測定光の様子を示す図 測定装置の座標の従来の校正方法を説明する図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、対象物に測定光を当て、その反射光より対象物の形状を測定する光干渉測定装置の座標軸の校正に用いる本発明の校正治具について説明する。座標軸の校正は、光干渉測定装置の測定座標における、ｘｙｚ座標の各軸を校正するものである。

図１は本発明の座標校正に用いる校正治具の構成を示す上面図である。図２は本発明の座標校正に用いる校正治具の構成を示す断面斜視図であり、図１においてＡ−Ａ’断面を矢印Ａ１方向に視した校正治具の断面図である。

図１，図２に示すように、光干渉測定装置の座標校正に用いる校正治具２００は直方体ブロック形状である。校正治具２００の上面をｘ、ｙ軸の校正に用い、上面と垂直な高さをｚ軸の校正に用いる。ここでの校正とは、光干渉測定装置で測定した対象物の寸法と、基準物の寸法との差を測定し、その差を最小とするための座標軸の調整を意味する。具体的には、光干渉測定装置の６軸、すなわち、測定の基準となる軸として、直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸、および、各軸の回転軸であるθｘ軸、θｙ軸、θｚ軸を調整する処理を校正と称す。

図２の校正治具２００には、校正対象の光干渉測定装置のｘ軸、ｙ軸およびθｚ軸を校正するために校正治具２００の表面である上面部２００ａに形成された円錐形状の窪み（錐形状構造）である第１の円錐２０１と第２の円錐２０２を設けている。更に、θｘを校正するために校正治具２００の上面部２００ａに形成され、矩形等の開口部を有し、上面部２００ａに平行な底面２０３ａを有する凹部である矩形開口２０３が設けられている。矩形開口２０３及び底面２０３ａは、平面視で（ｚ軸方向から見て）、第１の円錐２０１の頂点２０１ａと第２の円錐２０２の頂点２０２ａを結んだ直線ｌ（図１）上に配置される。つまり、第１の円錐２０１の頂点２０１ａと第２の円錐２０２の頂点２０２ａを結んだ直線ｌとｚ軸方向に平行で上面部２００ａ上の直線ｌ上に矩形開口２０３が設けられる。これらを備える校正治具２００により、光測定装置の校正を行う。

図２に示すように第１の円錐の頂点２０１ａと第２の円錐の頂点２０２ａの高さＨ（深さ）は、同一である。その高さＨの値は後述する測定可能範囲Ｌｚよりも小さくとる必要があり、例えば５ｍｍである。第１の円錐２０１と第２の円錐２０２の頂点の間隔ｗは、後述の走査可能範囲Ｌｘよりも小さく設定されており、例えば１０ｍｍとする。第１の円錐２０１の開口２０１ｂと第２の円錐２０２の開口２０２ｂの直径は、後述の粗動調整する際のズレ量よりも十分大きく、例えばφ２ｍｍに設定する。なお、Ａ−Ａ’断面は、頂点２０１ａと頂点２０２ａとを結ぶ直線ｌを通る。

このように、光干渉測定装置の校正に用いる校正治具２００の上面部２００ａに、Ｘ軸に平行に並ぶ２つの円錐である第１の円錐２０１，第２の円錐２０２、および２つの円錐の頂点である頂点２０１ａと頂点２０２ａとの間に矩形開口２０３を設けることにより、上面部２００ａの高さによりθｙ軸，ｚ軸を校正し、頂点２０１ａ，頂点２０２ａによりｙ軸，θｚ軸，ｘ軸を校正し、矩形開口２０３の底面２０３ａによりθｘ軸の校正を行うことができる。ここで、ｙ座標の値を測定・記憶することなく、底面２０３ａを測定して矩形開口２０３の深さを測定することにより、θｘ軸の校正を行うことができるため、光干渉測定装置の座標校正のためのデータ処理時間を短縮することができる。なお、各軸の校正の詳細については後述する。

更に、校正治具２００に、ｚ軸の校正のための段差ゲージ部２０４を設けても良い。図３に本発明の校正治具における段差ゲージ部の構成を示す要部拡大斜視図を示す。
図２，図３に示すように、段差ゲージ部２０４には、校正治具２００の上面部２００ａと平行な段差である第１のゲージ２０４ａと、それに比べより深い第２のゲージ２０４ｂが設けられており、その中間に段差ゲージ上面部２０４ｃが設けられている。段差ゲージ上面部２０４ｃは校正治具２００の上面部２００ａの一部である。

第２のゲージ２０４ｂは、段差ゲージ上面部２０４ｃに隣接しないよう第１のゲージ２０４ａと階段状に設けてもよいが、測定工学におけるアッベの原理により、ｚ軸方向の距離の測定精度を高く保つために、段差ゲージ上面部２０４ｃの両側に第１のゲージ２０４ａと第２のゲージ２０４ｂを設けて、ｘ軸方向の距離を小さくとることが好ましい。

第２のゲージ２０４ｂの高さｇ２、すなわち校正治具２００の段差ゲージ上面部２０４ｃと第２のゲージ２０４ｂの底面との距離は、測定可能範囲Ｌｚよりも小さい範囲で可能な限り大きく、例えばＬｚの９０％とすることが好ましい。第１のゲージ２０４ａの高さｇ１は、第２のゲージ２０４ｂの高さｇ２の半分とする。

なお、上述の段差ゲージ部２０４は穴形状でもよいが、経年によるゴミの堆積などで測定高さが変動するのを防ぐために、清掃が容易な、ｙ軸方向に貫通した抜き形状であることが好ましい。

なお、上記の第１の円錐２０１と第２の円錐２０２の加工は、円錐型の凹穴ではなく円錐型の凸形状としても問題はないが、凸形状の形成は加工にコストがかかるため、センタードリルなどの加工法で可能な凹穴形状が好ましい。

第１の円錐２０１と第２の円錐２０２の頂角は、鋭いほど後述するθｚ方向の調整感度が高くなるが、センタードリルによる加工では角度が鋭すぎ、加工が不安定になるため、例えば９０度程度とすることが好ましい。

第１の円錐２０１と第２の円錐２０２の開口の形状は矩形でもよいが、角錐は加工コストが高価であり加工精度も低くなるため、窪みの形状は円錐が好ましい。また、頂点が形成されれば良く、照射光が頂点に到達でき、先端部分が円錐形であれば開口直下の形状は任意である。

第１の円錐２０１と第２の円錐２０２の形状は等しく、真円錐であるのが望ましい。また、開口２０１ｂ、２０２ｂが共に真円であるのが望ましい。後述するｘ、ｙ軸の校正を精度よく実施するためである。

上述のように、校正治具２００には、光干渉測定装置のθｘ軸を校正するために用いられる、開口を有する凹部である矩形開口２０３が設けられている。図４に矩形開口２０３の拡大図を示す。図４は本発明の矩形開口の構造を説明する図である。

矩形開口２０３は、長辺Ｗ、短辺ｈ、深さｄを有し、それぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸と一致するように光干渉測定装置の軸が校正される。図２に示すように矩形開口２０３の底面２０３ａは校正治具２００の上面部２００ａと平行である。なお、図２では、矩形開口２０３の短辺の中点を通る断面を示したため、短辺の長さをｈ／２と示している。

矩形開口２０３の深さｄは、校正治具２００の上面部２００ａ（開口）と矩形開口２０３の底面２０３ａとの距離であり、後述の測定可能範囲Ｌｚよりも小さい範囲で可能な限り大きく、例えば測定可能範囲Ｌｚの５０％以上であり、本実施の形態ではＬｚの９０％の深さとする。

矩形開口２０３は、校正治具２００の上面部２００ａから見た際に、頂点２０１ａと頂点２０２ａを結んだ直線と長辺Ｗとが平行であることが望ましく、また、当該直線により両方の短辺ｈが２等分される位置に配置されていることが好ましい。後述するθｘ軸の校正を精度よく実施するためである。

次に、矩形開口２０３の短辺ｈの長さについて説明する。
光干渉測定装置で矩形開口２０３の底面２０３ａを測定する際、その深さｄを短辺ｈで割った値、すなわちアスペクト比が高いと、矩形開口２０３を通過して底面２０３ａに到達する測定光のエネルギーが低下して測定不能となる問題がある。

測定可能な最大のアスペクト比（測定アスペクト比）は光干渉測定装置の測定可能範囲Ｌｚおよび上面部２００ａ上に形成される測定光のスポット径により決まり、一般的に測定アスペクト比は例えば１０程度である。

ここで、矩形開口２０３の深さｄは後述の測定可能範囲Ｌｚによって限定されることから、矩形開口２０３の短辺ｈの最小値は測定アスペクト比によって決まる。
例えば、光干渉測定装置の測定アスペクト比が１０でＬｚが５ｍｍであり、ｄがＬｚの９０％で４．５ｍｍであるとき、ｈの最小値は下記の式１により決定される。

４．５ｍｍ÷１０＝０．４５・・・（式１）

これによりｈ＞０．４５ｍｍである必要がある。一方で、後述するθｘ軸の校正の際には、アスペクト比は高いほど高精度な校正が可能となる。そのため、短辺ｈは、測定できる範囲で小さい程よい。

ここで、矩形開口２０３の深さｄについて説明する。
深さｄは後述のように測定可能範囲Ｌｚよりも小さい範囲で可能な限り大きいことが望ましい。もし深さｄを例えばＬｚの１０％にすると、測定アスペクト比１０から算出される短辺ｈの最小値は０．５ｍｍ÷１０＝５０μｍとなる。しかしながら、ｈをこのように５０μｍと小さくすることは、校正治具２００の材料に後述のようなセラミックを用いた場合、加工時クラックを生じやすく加工が困難であるため好ましくない。これを避けるために、ｄは、少なくとも測定可能範囲Ｌｚの５０％以上であることが好ましい。

また、同時に、ｈをこのように小さくとることは、照射した測定光が矩形開口２０３の底面２０３ａだけでなく上面部２００ａまでも同時に測定してしまい、後述の高さプロファイルの算出に誤差を生じる可能性がある。そのため、深さｄは、短辺ｈの最小値が測定光のビーム径よりも大きく確保されるよう設定されることが望ましい。

なお、矩形開口２０３は矩形でなく、リーマやエンドミルによる加工の容易さを重視して、図５のような楕円開口でもよい。
図２の矩形開口２０３により、保持すべきデータ量を削減し、データ処理に要する時間を短縮することができる。詳細は後述する。

また、校正治具２００の材質は、光干渉測定装置からの測定光の反射率が低く、例えば１０％以下であることが好ましい。例えばジルコニアなどのセラミック製や、黒アルマイト加工など光反射率を低減させる処理を施した金属や、ＡＢＳや６―６ナイロンのような樹脂でもよい。しかし、金属の表面加工は加工精度を減少させる要因となり、樹脂は加工精度が低いため、セラミック製がより好ましい。反射率が１０％を超えると、測定精度が低下するためである。

校正治具２００の外形は、円柱などでもよいが、外形精度を出しやすい直方体、もしくは立方体が好ましい。
なお、本実施の形態では簡単のために校正治具２００の上面部２００ａをｘ軸、ｙ軸校正に用いるが、もし校正治具２００の設置面を校正に用いる必要があるときは、校正治具２００の上面部２００ａと設置面の傾斜角度を平行に加工すれば良い。

ここで、光干渉測定装置の一例として、ＳＳ−ＯＣＴ装置について、図６を用いて説明する。ＳＳ−ＯＣＴ装置は、波長走査型オプティカルコヒーレンストモグラフィー（ＳＳ−ＯＣＴ：Ｓｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を用いた光干渉測定装置のことである。図６はＳＳ−ＯＣＴ装置の構成を説明する図である。

図６に示すように、ＳＳ−ＯＣＴ装置３００は、光ファイバ干渉計３０１と、測定ヘッド３０７とを備えている。光ファイバ干渉計３０１は、出射する放射光の波長を時間的に変化させる波長走査光源３０２を備える。波長走査光源３０２からの放射光は測定光と参照光とに分光される。光ファイバ干渉計３０１は、測定光と参照光との光路長差により生じる干渉光を測定に用いる測距手段である。波長走査光源３０２で波長を変化させる範囲としては、例えば波長１３００ｎｍ±５０ｎｍの範囲とする。放射光から分光された測定光は、測定ヘッド３０７に入射する。

測定ヘッド３０７は、照射コリメートレンズ３０８と、ガルバノミラー３０９とｆθレンズ３１０を備えている。光ファイバ干渉計３０１からの測定光は、照射コリメートレンズ３０８、ガルバノミラー３０９、ｆθレンズ３１０を経て校正治具２００の上面部２００ａに垂直に照射される。このときｆθレンズ３１０により、測定光の光軸はガルバノミラー３０９の角度によらず常に一定なテレセントリック光学系をとる。そして、上面部２００ａで反射（又は後方散乱）した測定光は、同じ光路を辿って光ファイバ干渉計３０１に入射し、参照光と合成され、干渉光となる。この場合、測定光は波長走査されているため、干渉光は光ビート信号となる。この光ビート信号は、ＯＣＴ演算部３１４で解析される。

ＯＣＴ演算部３１４は干渉光の光ビート信号の時間波形をフーリエ変換して、周波数解析を行うことで、干渉光の強度分布を表すＳＳ−ＯＣＴ信号を得る。このＳＳ−ＯＣＴ信号から、校正治具２００のｚ軸における位置（高さ）を測定する。なお、ガルバノミラー３０９を１次元（ｘ軸方向）に走査してＳＳ−ＯＣＴ装置３００で対象物（校正治具２００）の高さプロファイルを得る処理を、ＳＳ−ＯＣＴ測定と記載する場合がある。

なお、ＳＳ−ＯＣＴ装置３００として、ＴＤ−ＯＣＴを採用してもよい。
ＳＳ−ＯＣＴ装置３００において、参照光の光路長と、測定光の光路長とが等しいとき、検出される干渉光の光ビート信号の周波数はゼロとなる。このときの測定光の反射面の位置を、便宜上、ゼロ点とする。

ゼロ点から校正治具２００までの距離が波長走査光源３０２のコヒーレンス長より大きい場合、測定光は参照光と干渉を起こさず、光ビート信号を検出することはできない。また、コヒーレンス長より小さくても、高さｚに比例するビート信号の周波数がＯＣＴ演算部３１４（演算制御部）の応答周波数を超えると、正しい信号を検出することはできない。そのため、ＳＳ−ＯＣＴ装置３００のｚ軸方向の測定範囲は、波長走査光源３０２のコヒーレンス長とＯＣＴ演算部３１４（演算制御部）の応答周波数との両者に制限され、この制限から決定されるｚ軸方向の測定可能範囲（高さ測定範囲）をＬｚとする。

また、ガルバノミラー３０９の回転による走査角度と、ｆθレンズ３１０の直径によって、ｘ軸方向の走査可能範囲が制限される。この制限から決定されるｘ軸方向の走査可能範囲をＬｘと定義する。ＬｚとＬｘは装置構成によって既知であり、ＯＣＴ演算部３１４に予め記憶されている。

ここで、校正治具２００を用いたＳＳ−ＯＣＴ装置３００を校正するための調整機構について、図７を用いて説明する。図７は本発明の光干渉測定装置の光軸校正装置の構成を例示する図である。

図７に示すように、測定ヘッド３０７は調整機構と接続されている。調整機構はθｘ軸調整機構４０１とθｙ軸調整機構４０２とθｚ軸調整機構４０３、およびｘ軸調整機構４０４、ｙ軸調整機構４０５、ｚ軸調整機構４０６をもつ。θｘ軸調整機構４０１とθｙ軸調整機構４０２とθｚ軸調整機構４０３はそれぞれ、例えばゴニオ機構やステッピングモータによる回転機構などを利用した角度調整ステージである。ｘ軸調整機構４０４、ｙ軸調整機構４０５、ｚ軸調整機構４０６はそれぞれ、例えばリニアガイドなど手動の摺動機構を利用した直線ステージ等の各軸方向に光軸を移動させる機構である。ここで、ｘ軸調整機構４０４、ｙ軸調整機構４０５、ｚ軸調整機構４０６の特徴は、現在の座標を数値として算出する機構やコントローラ等の指示座標に高精度に停止する能力を持たず、軸の調整に測定座標を用いないことである。座標軸の校正に校正治具の測定座標を用いないため、後述のように、座標軸の構成を短時間で行うことができる。

なお、本実施の形態では校正治具２００の上面部２００ａを水平な状態に固定し、上面部に垂直に測定光が入射するようにＳＳ−ＯＣＴ装置３００を配置して、その校正を行うが、これに限られず、校正治具２００とＳＳ−ＯＣＴ装置３００との相対位置関係を校正しても良い。

次に、図８〜図１５および図２，図６並びに図７を用いて校正治具２００を用いた校正方法をステップごとに説明する。図８は本発明の光干渉測定装置の光軸校正方法例を説明するフロー図、図９はθｙ軸がズレた状態で校正した場合の高さプロファイルを示す図、図１０はθｙ軸を校正した後の高さプロファイルを示す図、図１１はｚ軸を校正した後の高さプロファイルを示す図、図１２はｙ軸を校正した後の高さプロファイルと測定軌跡を示す図、図１３はｙ軸とθｚ軸とを校正した後の高さプロファイルと測定軌跡を示す図、図１４はｘ軸を校正した後の高さプロファイルと測定光の様子を示す図、図１５はθｘ軸を校正した後の高さプロファイルと測定光の様子を示す図である。

まず、図８のステップＳ１では、図７の校正治具２００に対する測定ヘッド３０７の位置関係を粗調し、図２の校正治具２００の上面部２００ａの第１の円錐２０１の開口２０１ｂと第２の円錐２０２の開口２０２ｂが、走査可能範囲Ｌｘに含まれるように調整する。

次に、図８のステップＳ２では、図６のＳＳ−ＯＣＴ装置３００により、校正治具２００の表面をｘ軸方向に走査してその高さを測定する。そして、校正治具２００の高さｚのプロファイル（高さプロファイル）をＯＣＴ演算部３１４にストアし、同時にモニタ（図示しない）に表示する。このときの高さプロファイルは、ガルバノミラー３０９を駆動させる指示電圧をＯＣＴ演算部３１４によりモニタリングすることで、ｘ軸方向の位置情報を取得する一方で、ｘ軸以外の位置情報を持たない。

次に、図８のステップＳ３では、ステップＳ２で取得された高さプロファイルが所定のプロファイルとなるように、θｙ軸を校正する。具体的には、ステップＳ２で取得された高さプロファイルから、図７の校正治具２００の上面部２００ａとｘ軸が平行になるようθｙ軸調整機構４０２の回転を行う。図９に、ステップＳ３実施前の段階において、θｙ軸がズレた状態で得られる高さプロファイルの例を示す。ここでは、説明の簡単のため高さプロファイルに円錐などの影響は示さない。ステップＳ３〜Ｓ５では、高さプロファイルの走査軌跡中の２点での高さが等しくなるように図６のＯＣＴ演算部３１４が図７のθｙ軸調整機構４０２を駆動してθｙ軸を調整する。より詳細には、走査軌跡中の２点をそれぞれｘ１、ｘ２をおき、それぞれの高さをｚ１、ｚ２としたとき、ｚ１＝ｚ２となるようにθｙ軸調整機構４０２を駆動する。

その後、図８のステップＳ４では再度、ＳＳ−ＯＣＴ測定を行い、高さプロファイルを得る。
そして、ステップＳ５では、ステップＳ４で得られた高さプロファイルがｚ１＝ｚ２となっているかを判定する。ｚ１＝ｚ２であれば、θｙ軸の校正を完了し、ステップＳ６へ進む。そうでなければステップＳ３に戻る。図１０に、θｙ軸の校正が完了した際に得られる高さプロファイルを示す。

次に、図８のステップＳ６では、所定のプロファイルがあらかじめ定めた所定の値となるようにｚ軸の校正を行う。具体的には、θｙ軸の校正により一致した高さｚ１およびｚ２が図６のＯＣＴ演算部３１４にストアされた所定の値ｚ３となるように調節する。ｚ３はあらかじめ設定してＯＣＴ演算部３１４にストアされた、ｚ軸方向の初期位置となる高さである。このときのｚ３は、図２の第１の円錐２０１の頂点２０１ａが測定可能範囲Ｌｚに含まれるよう、第１の円錐２０１の高さＨよりも高い位置に設定される。

この状態で、図８のステップＳ７では再度、ＳＳ−ＯＣＴ測定を行い、高さプロファイルを得る。
そして、ステップＳ８では、上記ステップＳ７で得られた高さプロファイルが、ｚ３になっているかを判定する。所定の値ｚ３になっていればｚ軸の校正を完了し、ステップＳ９へと進む。そうでなければステップＳ６へ戻る。

ステップＳ８によりｚ軸の校正が完了した際の高さプロファイルを図１１に示す。
次に、図８のステップＳ９ではｙ軸の校正を行う。具体的には、高さプロファイルに図２の頂点２０１ａが含まれるように、ｙ軸の駆動を行う。つまり、高さを測定した際に頂点２０１ａを含む第１の円錐２０１全形が高さとして測定されるように、高さを測定する領域に第１の円錐２０１の形成位置が位置され、かつ、測定領域に第１の円錐２０１の頂点２０１ａが含まれるようにｙ軸を調整する。

次に、図８のステップＳ１０では再度、ＳＳ−ＯＣＴ測定を行い、高さプロファイルを得る。
そして、ステップＳ１１では、走査可能範囲Ｌｘに図２の頂点２０１ａが含まれたかどうか判定する。含まれていればｙ軸の校正を完了し、図８のステップＳ１２へと進む。そうでなければステップＳ９へ戻る。ここでは、高さプロファイルにおける図２の第１の円錐２０１を示す２次曲線の極点における高さデータとそのときのｙ軸位置を図６のＯＣＴ演算部３１４に記録しながら、図７のｙ軸調整機構４０５を調整し、記録された中で最も深い箇所を測定したｙ軸位置を図２の頂点２０１ａの位置とする。頂点２０１ａは円錐の側面に比べて傾斜がないため光軸に対し垂直に近くなり、図６の測定ヘッド３０７へ反射・散乱する測定光がより強くなることを利用して図２の頂点２０１ａの位置を検出してもよい。

図８のステップＳ１１でｙ軸の校正が完了した状態で得られる高さプロファイルを図１２（ａ）に示す。このとき上面部２００ａにおけるＳＳ−ＯＣＴ装置３００の走査軌跡Ｓを図１２（ｂ）に示す。図１２（ｂ）では、θｚ軸の校正が未完了であるため、第２の円錐２０２の頂点２０２ａは走査軌跡Ｓに含まれておらず、第２の円錐２０２の高さプロファイルは、頂点２０２ａを通らない断面、すなわち、２次曲線状である。ここでは、説明の簡単のために、高さプロファイルに図２の矩形開口２０３と段差ゲージ部２０４は示さないこととする。

次に、図８のステップＳ１２では、θｚの校正を行う。ここでは、ｙ軸を固定した状態で図２の第１の円錐２０１の頂点２０１ａと同様に、第２の円錐２０２の頂点２０２ａが、走査可能範囲Ｌｘに含まれるよう図７のθｚ軸調整機構４０３を駆動する。

その後、図８のステップＳ１３では再度、ＳＳ−ＯＣＴ測定を行い、高さプロファイルを得る。
そして、ステップＳ１４では、走査可能範囲Ｌｘ内の高さプロファイルに図２の頂点２０１ａと頂点２０２ａが含まれたかどうか判定する。含まれていればθｚ軸の校正を完了して図８のステップＳ１５へと進み含まれていなければステップＳ１２に戻る。ここでの走査可能範囲Ｌｘに図２の頂点２０２ａを含ませる方法は、図８のステップＳ１０と同様である。

これらのステップＳ９からＳ１４により、ｙ軸とθｚ軸の校正が完了する。校正が完了した際の高さプロファイルを図１３（ａ）に示す。図６の校正治具２００の上面部２００ａにおける、走査可能範囲ＬｘのＳＳ−ＯＣＴ装置３００の走査軌跡Ｓを図１３（ｂ）に示す。図１３に示すように、ｙ軸とθｚ軸の校正が完了した状態で測定した高さプロファイルでは、頂点２０１ａと頂点２０２ａとが含まれることとなる。これは、頂点２０１ａと頂点２０２ａとを結ぶ直線と図６のガルバノミラー３０９の走査方向とを一致させた状態でもある。この状態となるような校正の後に、ｘ軸、θｘ軸の校正を行う。

次に、図８のステップＳ１５では、ｘ軸の校正を行う。ここでは、図２の頂点２０１ａの位置が、図６のＯＣＴ演算部３１４にストアされた所定の値（所定の位置）ｘｃになる（を示す）ように、図７のｘ軸調整機構４０４を調整する。ｘｃは、図２の頂点２０１ａと頂点２０２ａの中点が、走査可能範囲Ｌｘの中点に位置するような値である。そのため、継続的に頂点２０１ａと頂点２０２ａとの間隔を測定し、その中点を算出して、中点が走査可能範囲Ｌｘの中点と一致するようにｘ軸の校正を行う。

その後、図８のステップＳ１６では再度、ＳＳ−ＯＣＴ測定を行い、高さプロファイルを得る。
そして、ステップＳ１７では、図２の頂点２０１ａの位置が、ｘｃになっているかを判定し、なっていればｘ軸の校正を完了し、図８のステップＳ１８へと進む。そうでなければステップＳ１５へ戻る。

上記ステップＳ１７が完了した段階の高さプロファイルには、θｚ軸およびｙ軸が校正済みのため、図１３（ａ）に示さなかったが図２の矩形開口２０３の情報が高さプロファイルに含まれている。このとき、θｘ軸が校正されていないと、測定光は矩形開口２０３の底面２０３ａではなく、矩形開口２０３の内側面に照射される。そのため、そのときに得られる高さプロファイルは図１４（ａ）のようになり、矩形開口２０３の測定高さｄ’は、本来の高さｄに比べて浅いものとなる。その際の矩形開口２０３に入射する測定光を示したＢ−Ｂ’断面をＢ１方向から見た断面（図１に記載）を図１４（ｂ）に示す。このように、一回のＳＳ−ＯＣＴ測定でθｘのズレを直ぐに検出することができる。

そこで、図８のステップＳ１８では、測定される図２の底面２０３ａの高さ（深さ）が最も深くなるようにθｘ軸を調節する。
その後、図８のステップＳ１９では再度、ＳＳ−ＯＣＴ測定を行い、高さプロファイルを得る。

そして、ステップＳ２０では、図２の矩形開口２０３の測定高さｄ’が本来の高さｄになっているかを判定する。なっていればθｘ軸の校正を完了する。そうでなければ図８のステップＳ１８へ戻る。

なお、θｘ軸の校正方法としては、図２の上面部２００ａの位置ｚ３と、矩形開口２０３の測定高さｄ’から、θｘ軸が校正されたときの矩形開口２０３の底面２０３ａの高さがあらかじめ想定される値ｄであることを利用して、θｘ軸を校正してもよい。

図８のステップＳ２０完了時の高さプロファイルを図１５（ａ）に示す。その際の底面２０３ａに照射される測定光を示すＢ−Ｂ’（図１に示す）断面図を図１５（ｂ）に示す。

以上のステップにより、ｘ，ｙ，ｚ軸およびθｘ，θｙ、θｚ軸を校正することができる。
従来、θｘ軸の校正を行うには、校正治具をｙ軸方向に走査して離間した２点の高さｚの測定と、その際のｙ座標の値が必要であった。これに対し、本発明の光干渉測定装置の校正方法および校正治具では、校正治具のｙ座標を測定せず矩形開口２０３の深さを測定することにより、ｙ座標の値を記憶することなく、ｘ軸方向への一次元方向の走査を行うだけで、θｘ軸の校正を行うことができる。そのため、光干渉測定装置の座標校正のためのデータ処理時間を短縮することができる。

なお、θｘ軸の校正精度は図２の矩形開口２０３のＢ−Ｂ’断面のアスペクト比が高いほどよくなる。検出される測定光は、アスペクト比が高いほどθｘ軸の傾きの影響を強く受けるからである。ただし、矩形開口２０３の高さｄは、測定可能範囲Ｌｚに制限されるため、アスペクト比を高くするには、矩形開口２０３の短辺ｈをより短くする必要がある。その一方で、単純に短辺ｈを短くするだけでは、僅かなｙ軸およびθｚ軸のズレにより、短辺ｈが走査可能範囲Ｌｘの範囲外になってしまい、矩形開口２０３に測定光を照射すること自体が困難となる。そのために、本発明に係る校正治具２００では、第１の円錐２０１と第２の円錐２０２を設け、頂点２０１ａと頂点２０２ａとを結ぶ直線上に矩形開口２０３を備える構成とする。つまり、頂点２０１ａと頂点２０２ａとを結ぶ直線のｚ軸方向の平行線が底面２０３ａ上に沿うことができるように底面２０３ａを設ける。この場合、矩形開口２０３の長軸の方向を頂点２０１ａと頂点２０２ａとを結ぶ直線と平行に配置する。このような校正治具２００に対して、ステップＳ１８〜Ｓ２０で説明したように校正することで、アスペクト比の高い矩形開口２０３に測定光を容易に照射できる。頂点２０１ａと頂点２０２ａを用いてｙ軸およびθｚ軸の校正を完了させることにより、必然的に走査可能範囲Ｌｘ内に矩形開口２０３が含まれるからである。このため、結果として高精度なθｘ軸の校正を実現可能である。

ここで、矩形開口２０３における長辺Ｗを短辺ｈより十分長く、例えば１０倍以上に取ることで、もし図８のステップＳ１７の時点で完了しているはずのθｙ軸の校正がオペレータの操作ミスや校正後の振動などにより未校正で残ってしまっていた場合でも、図６の測定ヘッド３０７から射出された測定光が図２の矩形開口２０３の内側側面（ｘ軸と直交する側面）に照射されてしまうことを防ぐことができる。

これにより、校正に用いる矩形開口２０３の底面２０３ａを照射可能となり、校正対象でないθｙ軸のズレによって矩形開口２０３の高さを正確に測定できなくなることを防ぎ、正しい校正ができなくなることを防ぐことができる。

つまり、長辺Ｗを短辺ｈより十分長くすることで、θｙ軸のズレに感度を減らし、θｘ軸のズレのみを高感度に校正することができるため、前工程での未校正に影響を受けにくい、信頼性の高いθｘ軸の校正を行うことができる。

なお、上記校正における各軸の校正の順番は任意であるが、図８のステップＳ３〜Ｓ５によるθｙ軸の校正は、その校正のために他ステップによる他の座標軸の校正が不要であるため、最初に実行しておくことが好ましい。

また、ステップＳ６〜Ｓ８によるｚ軸の校正は、後のステップＳ９〜Ｓ１４およびステップＳ１８〜２０において、図２の頂点２０１ａ、頂点２０２ａ、および底面２０３ａが測定可能範囲Ｌｚの範囲外になることを防ぐため、図８のステップＳ９およびステップＳ１８の前に実行しておくことが好ましい。

また、ステップＳ９〜Ｓ１４によるｙ軸およびθｚ軸の校正は、ステップＳ１８〜Ｓ２０によるθｘ軸の校正において走査可能範囲Ｌｘの中に図２の矩形開口２０３の短辺を含ませるために、図８のステップＳ１８の前に実行しておかなければならない。

また、図８のステップＳ１５〜Ｓ１７によるｘ軸の校正は、ステップＳ１８〜Ｓ２０によるθｘ軸の校正に影響しないため、ステップＳ２０の後に実行してもよい。
なお、ステップＳ６〜Ｓ８においてｚ軸の校正をする際は、ステップＳ１８〜Ｓ２０におけるθｘ軸の校正が終了していないため、このときのθｘ軸のズレ量をΔθｘとすると、ステップＳ８の判定に用いる測定値は本来の高さよりも１／ｃｏｓΔθｘ倍大きく測定される誤差を含む。そのため、これらの影響を防ぎ、更なる高精度な校正を望む場合は、ステップＳ１８〜Ｓ２０によるθｘ軸校正のあとに、ステップＳ６〜Ｓ８を再度実施することでｚ軸を再校正してもよい。

また、上記のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸、θｘ軸、θｙ軸およびθｚ軸の校正とは別に、図２の校正治具２００を用いてｚスケールを同時に校正することも可能である。
ｚスケールとは、検出された干渉光の光ビート信号を周波数解析して得られた周波数を、ゼロ点からの距離に変換するための係数である。ｚスケールは図６のＳＳ−ＯＣＴ装置３００と校正治具２００との位置関係がどうあっても変動しないが、例えば、波長走査光源３０２が交換された場合などは、ｚスケールの校正が必要となる。

具体的なｚスケールの校正方法を以下に示す。
図８のステップＳ２０が完了した後、走査可能範囲Ｌｘにおける高さプロファイルには、図３の段差ゲージ部２０４が含まれている。このとき、予めストアされている校正前の仮のｚスケールをｚｅと称する。まず、段差ゲージ部２０４の設計値である真の高さｇ１とｇ２は、校正治具２００の設計寸法もしくはデプスメータ等による出来上がり寸法の測定から既知であり、予め図６のＯＣＴ演算部３１４にストアしておく。

次に、図２の段差ゲージ部２０４の高さプロファイルを取得し、仮のｚスケールｚｅを用いて第１のゲージ２０４ａと段差ゲージ上面部２０４ｃの高さの差よりｇ１’を算出する。同時に第２のゲージ２０４ｂと段差ゲージ上面部２０４ｃの高さの差よりｇ２’を算出する。

これらｇ１’およびｇ２’と設計値であるｇ１およびｇ２とを比較することで、下記式２から真のｚスケールｚｃを算出する。
ｚｃ＝ａｖｅ（ｇｎ’／ｇｎ×ｚｅ）・・・（式２）
こうして算出された真のｚスケールｚｃによって、ストアされている仮のｚスケールｚｅを更新し、以降の高さプロファイルの算出に用いる。これによりｚスケールの校正は完了となる。

ここでは、正確を期すために複数の段差をもつことで複数指標でのｚスケールの校正を行っているが、校正を簡素化するために段差ゲージを１段だけにしてもよい。また、段差ゲージの代わりに図２の矩形開口２０３の底面２０３ａを用いてもよい。このｚスケールの校正は、図８のステップＳ２０が完了した後に行う必要がある。いずれかの軸がズレた状態でｚスケールの校正を行うと、図２の段差ゲージ部２０４の測定結果もズレてしまうからである。

本発明は、測定装置の座標校正のためのデータ処理時間を短縮することができ、光干渉測定装置の座標軸を校正するための校正方法および校正治具等に有用である。

２００ 校正治具
２００ａ 上面部
２０１ 第１の円錐
２０１ａ 頂点
２０１ｂ 開口
２０２ 第２の円錐
２０２ａ 頂点
２０２ｂ 開口
２０３ 矩形開口
２０３ａ 底面
２０４ 段差ゲージ部
２０４ａ 第１のゲージ
２０４ｂ 第２のゲージ
２０４ｃ 段差ゲージ上面部
３００ ＳＳ−ＯＣＴ装置
３０１ 光ファイバ干渉計
３０２ 波長走査光源
３０７ 測定ヘッド
３０８ 照射コリメートレンズ
３０９ ガルバノミラー
３１０ ｆθレンズ
３１４ ＯＣＴ演算部
４０１ θｘ軸調整機構
４０２ θｙ軸調整機構
４０３ θｚ軸調整機構
４０４ ｘ軸調整機構
４０５ ｙ軸調整機構
４０６ ｚ軸調整機構
１０１ 基準球
１０２ 原子間力プローブ
１０３ ルビースタイラス

Claims (11)

1. 上面部と、
   前記上面部に設けられる２つの円錐状の窪みの底にそれぞれ設けられる頂点と、
   前記上面部に設けられる凹部とを有し、
   前記上面部の平面視において、２つの前記頂点を結ぶ直線上に前記凹部の開口と底面とが位置し、かつ、当該平面視において前記頂点が見えるように前記窪みがそれぞれ設けられていることを特徴とする校正治具。
2. 前記底面は、前記上面部と平行である請求項１記載の校正治具。
3. 校正対象である光干渉測定装置に備わる光源のコヒーレンス長と前記光干渉測定装置に備わる演算装置とから制限される測定範囲を前記光干渉測定装置の高さ測定範囲とした場合に、
   前記開口から前記底面までの距離が前記高さ測定範囲以下である請求項１または請求項２記載の校正治具。
4. 前記開口から前記底面までの距離が前記高さ測定範囲の５０％以上で１００％より小さい請求項３記載の校正治具。
5. 前記開口の前記直線に垂直な辺と前記開口から前記底面までの距離とのアスペクト比を、前記高さ測定範囲および前記開口の位置に形成される測定光のスポット径により制限される測定アスペクト比以内で最大にすることを特徴とする請求項４記載の校正治具。
6. 前記開口は、前記直線と平行な長辺と該長辺と垂直な短辺とを有する矩形状である請求項１〜請求項５のいずれか記載の校正治具。
7. 前記頂点は、錐形状構造の先端に設けられる請求項１〜請求項６のいずれか記載の校正治具。
8. 前記上面部に該上面部と平行な段差ゲージ部をさらに有する請求項１〜請求項７のいずれか記載の校正治具。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか記載の校正治具を用いて前記上面部の高さプロファイルを測定しながら行う光干渉測定装置のｘｙｚ座標系における各軸の校正方法であって、
   前記上面部の高さプロファイルが所定のプロファイルとなるようにθｙ軸を校正する工程と、
   前記所定のプロファイルがあらかじめ定めた所定の値を示すようにｚ軸を校正する工程と、
   前記高さプロファイルに２つの前記頂点が含まれるようにｙ軸およびθｚ軸を校正する工程と、
   前記頂点の位置があらかじめ定めた所定の位置となるようにｘ軸を校正する工程と、
   前記底面の深さが最も深くなるようにθｘ軸を校正する工程と
   を有することを特徴とする光干渉測定装置の校正方法。
10. 請求項８記載の校正治具を用いて前記上面部の高さプロファイルを測定しながら行う光干渉測定装置のｘｙｚ座標系における各軸の校正方法であって、
    前記上面部の高さプロファイルが所定のプロファイルとなるようにθｙ軸を校正する工程と、
    前記所定のプロファイルがあらかじめ定めた所定の値を示すようにｚ軸を校正する工程と、
    前記高さプロファイルに２つの前記頂点が含まれるようにｙ軸およびθｚ軸を校正する工程と、
    前記頂点の位置があらかじめ定めた所定の位置となるようにｘ軸を校正する工程と、
    前記底面の深さが最も深くなるようにθｘ軸を校正する工程と、
    前記各工程の後に前記段差ゲージ部の測定高さと実際の高さの比によりｚスケールの校正を行う工程と
    を有することを特徴とする光干渉測定装置の校正方法。
11. 前記光干渉測定装置がガルバノミラーを有し、
    前記直線と前記ガルバノミラーの走査方向とを一致させた後に、前記θｘ軸を校正する工程を行うことを特徴とする請求項９または請求項１０記載の光干渉測定装置の校正方法。

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