JPH09250922A - 表面形状取得装置及び表面形状取得方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 探針を所定の間隔で移動させながら被測定物
に接触させて微細な凹凸形状を取得する表面形状取得装
置及び表面形状取得方法において、測定時間を短縮し、
測定精度を向上させる。 【解決手段】 探針の振動を検出するギャップセンサア
ンプ２５の出力を、制御部２１から出力されたＺ（上下
方向）微動信号にフィードバックする。また、プローブ
１０を下降する際に、下降速度をゼロから徐々に増加す
る。更に、プローブ１０の上昇距離を、プローブ１０の
先端に設けられた探針の形状及び被測定物の凹凸の最大
値に基づいて決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、探針を被測定物の
表面に接触させて前記被測定物表面の微小な凹凸を検出
する表面形状取得装置及び表面形状取得方法に関し、特
に、ＬＳＩ（大規模集積回路）の微細配線の検査に好適
な表面形状取得装置及び表面形状取得方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの開発・製造の際に、ＬＳＩを試
験して動作不良が発見されると、ＬＳＩテスタ等を使用
して動作不良の原因を調べることが必要である。しか
し、近年、ＬＳＩの高集積化に伴って、ＬＳＩテスタ等
を使用してＬＳＩの入出力ピンの信号を測定するだけで
は、正確な設計検証や故障解析を行うことが困難になっ
てきている。

【０００３】このため、近年、ＬＳＩチップの内部の微
細配線の電圧を測定するＬＳＩ検査方法が採用されてい
る。この種の用途に使用される装置としては、電子ビー
ムを用いた電子ビームテスタが知られている。電子ビー
ムテスタは、測定しようとする微細配線（測定点）に電
子ビームを照射し、その測定点から放出される２次電子
量に基づいて電圧を測定するものである。

【０００４】しかし、この電子ビームテスタも、ＬＳＩ
のより一層の高集積化及び高速化に伴い、測定スピード
及び時間分解能が満足できるものでなくなってきてい
る。そこで、本願発明者等は、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）の技術を応用して微細配線の電圧及び変位を測定す
る電圧・変位測定装置を提案した（特開平７−１４６３
１６号）。

【０００５】図３１はその電圧・変位測定装置のプロー
ブを示す図、図３２は同じくそのプローブ先端部をより
詳細に示す図である。プローブ１０は、円筒状のロッド
５１と、このロッド５１の下端部に設けられた電圧情報
発生素子６０と、この電圧情報発生素子６０の下側に設
けられて配線に接触する探針５２と、ロッド５１の上下
動を検出するギャップセンサ３７とにより構成されてい
る。ロッド５１は、その中心軸を垂直にして配置され
る。このロッド５１は、その上部及び中心部にそれぞれ
４本の板ばね５３，５４が上から見て例えば十字状に取
付けられており、これらの板ばね５３，５４によりホル
ダ５５に上下方向に若干揺動可能に支持されている。

【０００６】ギャップセンサ３７は、ロッド５１の外周
面に垂直に固定された導電板５６と、ホルダ５５に固定
され導電板５６を上下方向から挟むようにして配置され
た導電板５７，５８とにより構成されている。これらの
導電板５６〜５８により一種のコンデンサが構成され
る。ロッド５１が上下動すると、このコンデンサの容量
が変化する。従って、このコンデンサの容量の変化をギ
ャップセンサ３７に接続されたギャップセンサアンプ
（図示せず）で検出することにより、ロッド５１の上下
方向の微小な変位を検出することができる。

【０００７】電圧情報発生素子６０は、電気光学結晶６
１と、この電気光学結晶６１の上面に被着された透明電
極６２と、電気光学結晶６１の下面に取り付けされた導
電体からなる反射鏡６３とにより構成されている。透明
電極６２は、ロッド５１及び板ばね５３を介して一定の
電位（例えば、接地電位）に維持される。また、探針５
２は、反射鏡６３の下に固定されている。

【０００８】なお、ロッド５１の上方には、電圧測定の
ためのレーザ発振器及び位相検出器等が設けられてい
る。このように構成された電圧・変位測定装置を用いた
半導体チップの配線の形状取得方法について説明する。
プローブ１０を半導体チップの測定すべき配線の上方に
配置した後、プローブ１０を半導体チップに接触するま
で下降させる。プローブ１０が半導体チップに接触した
か否かは、ギャップセンサアンプの出力により検知する
ことができる。すなわち、探針５２が半導体チップに接
触すると、板ばね５３，５４に応力が加わって板ばね５
３，５４が変形し、導電板５６と導電板５７，５８との
間隔が変化する。これにより、導電板５６〜５８で構成
されるコンデンサの容量が変化する。このコンデンサの
容量変化により、プローブ１０が半導体チップに接触し
たことを検出することができる。

【０００９】電圧・変位測定器は、プローブ１０が半導
体チップに接触したことを検出すると、そのときのプロ
ーブ１０の位置を記憶する。その後、プローブ１０を上
昇させ、水平方向に若干移動させた後、再びプローブ１
０を半導体チップに接触するまで下降させて、接触した
ときのプローブ１０の位置を記憶する。このように、プ
ローブ１０の上下動及び水平移動を繰り返すことによ
り、半導体チップの表面形状を取得することができる。

【００１０】また、プローブ１０が半導体チップに接触
したときの電気光学結晶６１の上面及び下面の電位差に
応じて電気光学結晶６１を通るレーザ光の位相が変化す
る。このレーザ光の位相の変化を前記位相検出器で検出
することにより、半導体チップ表面の電圧を知ることが
できる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の電圧・変位測定装置は、測定に時間がかかると
いう問題点がある。図３３は、この従来の問題点を示す
図である。この図３３において、Ｐｚはプローブ１０の
Ｚ方向（垂直方向）の位置を示し、Ｐｘはプローブ１０
のＸ方向の位置を示し、Ｐｇはギャップセンサ３７に接
続されたギャップセンサアンプの出力を示し、Ｖｚはプ
ローブ１０の上下方向移動時の速度（上に向かって移動
するときがプラス、下に向かって移動するときがマイナ
ス）を示す。一般に、下降速度Ｖ1 と待避速度Ｖ2 （上
昇速度）とは同じに設定されている。また、ｔ1 ’はプ
ローブの下降開始時刻、ｔ2 ’はプローブ１０が半導体
チップに接触したときの時刻、ｔ3 ’はプローブ１０が
上昇完了したときの時刻、ｔ4 ’は再びプローブ１０が
下降を開始したときの時刻を示す。

【００１２】この図３３に示すように、従来はプローブ
１０を下降するときの速度Ｖ1 が一定であるので、プロ
ーブ１０が下降を開始したとき（ｔ1 ’直後）に大きな
加速度が加わって板ばね５３，５４が大きく撓み、ロッ
ド５１が上下に振動し、ギャップセンサアンプに比較的
大きな振動出力が発生する。これと同様に、プローブ１
０が上昇して停止するとき（ｔ３’直後）にも、板ばね
５３，５４が大きく撓み、ギャップセンサアンプに大き
な振動出力が発生する。従来の電圧・変位測定装置で
は、ギャップセンサアンプからの出力がある一定のしき
い値ｇ1 以上のときにプローブ１０が半導体チップに接
触したと判断するようになっているが、プローブ１０の
移動開始時又は移動停止時に板ばね５３，５４が大きく
撓むと、振動出力により誤動作してしまうことがある。
この場合に、板ばね５３，５４の撓みを抑制するため
に、板ばね５３，５４をばね定数が大きなものに交換す
ることも考えられるが、そうすると、探針５２が半導体
チップの配線に接触したときに配線に傷を付けたり、探
針５２の先端を破損してしまう等のおそれがある。ま
た、下降時間Ｖ1 や待避速度Ｖ2 を遅くしたり、待ち時
間Ｔｗを長くすることも考えられるが、そうすると、測
定時間が更に長くなってしまう。

【００１３】また、従来の電圧・変位測定装置では、温
度変化による板ばね５３，５４の変形に起因して、測定
精度が劣化するという欠点もある。本発明の目的は、測
定時間を短縮できる表面形状取得装置及び表面形状取得
方法を提供することである。また、本発明の他の目的
は、測定精度を向上できる表面形状取得装置及び表面形
状取得方法を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、上下方
向に移動可能に支持されて被測定物との接触を検出する
プローブと、このプローブを上下方向に移動させるプロ
ーブ上下方向移動手段と、前記プローブを前記被測定物
に対し水平方向に移動させる水平方向移動手段と、前記
プローブの出力を前記プローブ上下方向移動手段にフィ
ードバックして前記プローブの出力の振動を低減する振
動低減手段とを有することを特徴とする表面形状取得装
置により解決する。

【００１５】すなわち、この発明においては、プローブ
の上下方向の移動時にプローブで発生する振動をプロー
ブ上下方向移動手段にフィードバックする。これによ
り、プローブで発生する振動が抑制され、振動が低減さ
れる。従って、プローブの上下方向移動速度を高くする
ことができて、測定時間を短縮することができる。ま
た、上記した課題は、上下方向に移動可能に支持されて
被測定物との接触を検出するプローブと、このプローブ
を上下方向に移動させるプローブ上下方向移動手段と、
前記プローブを前記被測定物に対し水平方向に移動させ
る水平方向移動手段と、前記プローブの温度を一定に維
持する温度制御手段とを有することを特徴とする表面形
状取得装置により解決する。

【００１６】すなわち、この発明においては、温度制御
手段によりプローブの温度を一定に維持するので、板ば
ねの変形等に起因する測定値の変動を回避することがで
きて、測定精度が向上する。また、上記した課題は、プ
ローブを下降させてその先端部を被測定物に接触させ、
接触したときのプローブの位置を記憶した後、前記プロ
ーブを上昇させ、前記プローブを前記被測定物に対し水
平方向に移動させることを繰り返して前記被測定物の形
状を取得する表面形状取得方法において、前記プローブ
の上昇後に前記プローブの出力を監視し、特定の値以下
に減衰した後に前記プローブを下降させることを特徴と
する表面形状取得方法により解決する。

【００１７】すなわち、この発明においては、プローブ
を上昇させた後、プローブの振動出力を監視して、プロ
ーブの振動が特定の値まで低減するのを待つので、プロ
ーブの振動が前記特定の値以下になると即座にプローブ
を下降させることができる。従って、測定時間を短縮す
ることができる。また、上記した課題はプローブを下降
させてその先端部を被測定物に接触させ、接触したとき
のプローブの位置を記憶した後、前記プローブを上昇さ
せ、前記プローブを前記被測定物に対し水平方向に移動
させることを繰り返して前記被測定物の形状を取得する
表面形状取得方法において、前記プローブを下降させる
際に、前記プローブの下降速度を計時的に増加させるこ
とを特徴とする表面形状取得方法により解決する。

【００１８】すなわち、この発明においては、プローブ
下降時の速度をゼロから徐々に増加させるので、急激な
速度変化に起因するプローブの振動を抑制することがで
きる。これにより、プローブの下降速度を大きくするこ
とができて、測定時間を短縮することができる。また、
上記した課題は、プローブを下降させてその先端部を被
測定物に接触させ、接触したときのプローブの位置を記
憶した後、前記プローブを上昇させ、前記プローブを前
記被測定物に対し水平方向に移動させることを繰り返し
て前記被測定物の形状を取得する表面形状取得方法にお
いて、前記プローブの水平方向の移動量を、前記被測定
物表面の凹凸の最小エッジ間隔に基づいて決定すること
を特徴とする表面形状取得方法により解決する。

【００１９】すなわち、この発明においては、画像処理
データ及びＣＡＤデータ等により取得した被測定物表面
の凹凸の最小エッジ間隔に基づいてプローブの水平方向
の移動量を決定するので、良好な精度で被測定物の表面
形状を取得することができる。この場合に、前記最小エ
ッジ間隔以下の粗刻み移動量と、該粗刻み移動量よりも
小さい精密刻み移動量とを設定し、粗刻み移動量で移動
させながら被測定物表面の高さを測定し、測定高さが変
化したときに精密刻み移動量でその間の被測定物表面の
高さを測定することにより、測定点数を削減することが
できて、測定時間を著しく短縮することができる。

【００２０】また、上記した課題は、プローブを下降さ
せてその先端部を被測定物に接触させ、接触したときの
プローブの位置を記憶した後、前記プローブを上昇さ
せ、前記プローブを前記被測定物に対し水平方向に移動
させることを繰り返して前記被測定物の形状を取得する
表面形状取得方法において、前記プローブが下降する間
の出力の移動平均値を求め、前記プローブの出力と前記
移動平均値との差が特定の値を超えたときに前記プロー
ブが前記被測定物に接触したと判定することを特徴とす
る表面形状取得方法により解決する。

【００２１】すなわち、この発明においては、プローブ
が下降する間の出力の変化を移動平均値を取ることによ
り求め、前記プローブの出力と前記移動平均値との差に
基づいて、プローブが被検出物に接触したことを検出す
るので、プローブと被接触物との接触時における接触圧
力を一定に維持することができ、測定精度が向上する。

【００２２】また、上記した課題は、プローブを下降さ
せてその先端部を被測定物に接触させ、接触したときの
プローブの位置を記憶した後、前記プローブを上昇さ
せ、前記プローブを前記被測定物に対し水平方向に移動
させることを繰り返して前記被測定物の形状を取得する
表面形状取得方法において、前記プローブが下降する間
の出力の移動平均値を求め、この移動平均値の変化に基
づき、前記プローブが前記被測定物に接触したと判定す
ることを特徴とする表面形状取得装置により解決する。

【００２３】すなわち、この発明においては、プローブ
が下降する間のプローブの出力の移動平均値を求め、そ
の移動平均値が大きく変化したときに前記プローブが前
記被測定物に接触したと判断するので、プローブと被接
触物との接触時における接触圧力を一定に維持すること
ができ、測定精度が向上する。また、上記した課題は、
プローブを下降させてその先端部を被測定物に接触さ
せ、接触したときのプローブの位置を記憶した後、前記
プローブを上昇させ、前記プローブを前記被測定物に対
し水平方向に移動させることを繰り返して前記被測定物
の形状を取得する表面形状取得方法において、前記プロ
ーブが前記被測定物に接触していないときの前記プロー
ブの出力の変化に応じて測定値を補正することを特徴と
する表面形状取得方法により解決する。

【００２４】すなわち、この発明においては、プローブ
が被測定物に接触していないときのプローブ出力を調
べ、その変動分を基に測定値を補正するので、測定値の
精度が向上する。また、上記した課題は、プローブを下
降させてその先端部を被測定物に接触させ、接触したと
きのプローブの位置を記憶した後、前記プローブを上昇
させ、前記プローブを前記被測定物に対し水平方向に移
動させることを繰り返して前記被測定物の形状を取得す
る表面形状取得方法において、前記被測定物の特定位置
を基準点とし、この基準点の測定値を基に他の測定点で
の測定値を補正することを特徴とする表面形状取得方法
により解決する。

【００２５】すなわち、この発明においては、測定の基
準点を決めておき、計時的なプローブ出力の変動をこの
基準点の測定値を基に補正するので、測定値の精度が向
上する。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、添付の図面を参照して説明する。 （第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施の形態
に係る表面形状取得装置を電圧・変位測定装置に適用し
た例を示す図である。被測定物（ＬＳＩ）１５は台座１
上に載置するようになっている。この台座１上にはガイ
ド１ａを介して粗動Ｙステージ２が配設されている。こ
の粗動Ｙステージ２は、Ｙ駆動モータ（図示せず）によ
り駆動されてガイド１ａ上をＹ方向（紙面に垂直な方
向）に移動する。粗動Ｙステージ２の前面にはガイド２
ａを介して粗動Ｘステージ３が配設されている。この粗
動Ｘステージ３は、送りねじ４をＸ駆動モータ５で回転
させることにより、ガイド２ａに沿ってＸ方向（紙面の
左右方向）に移動する。この粗動Ｘステージ３の前面側
にはガイド３ａを介して粗動Ｚステージ６が配設されて
いる。この粗動Ｚステージ６は、Ｚ駆動モータ８により
送りねじ７を回転させることにより、ガイド３ａに沿っ
てＺ方向（上下方向）に移動するようになっている。

【００２７】更に、粗動Ｚステージ６の前面には、微動
ＸＹＺステージ９と顕微鏡１１とがＸ方向に所定の距離
だけ離隔して配設されている。この微動ＸＹＺステージ
９は、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向にそれぞれ数十μｍの
範囲を移動可能な微動Ｘステージ、微動Ｙステージ及び
微動Ｚステージにより構成されている。これらの微動Ｘ
ステージ、微動Ｙステージ及び微動Ｚステージは、それ
ぞれピエゾ素子（Ｘピエゾ素子、Ｙピエゾ素子、Ｚピエ
ゾ素子）により駆動されてＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に
１／１００〜１／１０００μｍ程度の精度で位置決めす
ることができるようになっている。プローブ１０は微動
Ｚステージに固定されており、上述の精度でＸ方向、Ｙ
方向及びＺ方向に移動させることができる。このプロー
ブ１０は、図３１，３２に示すものと同一のものであ
り、その詳しい説明は省略する。

【００２８】プローブ１０上には、ＥＯ（Electric Opt
ical）センサ１３が配設されている。このＥＯセンサ１
３は、レーザ発振器及び位相検出器等を備えており、プ
ローブ１０に設けられた電気光学結晶６１にレーザ光を
照射し、電気光学結晶６１によるレーザ光の位相の変化
を前記位相検出器により検出することにより、電気光学
結晶６１の上面と下面との電位差を検出するものであ
る。

【００２９】また、顕微鏡１１の上部にはＣＣＤカメラ
１２が取り付けられており、顕微鏡１１により拡大され
た像をＣＣＤカメラ１２により撮影し、ＣＲＴモニタ
（図示せず）に表示するようになっている。図２は、上
述した電圧・変位測定装置の制御系を示すブロック図で
ある。制御部２１は、顕微鏡１１に取り付けられたＣＣ
Ｄカメラ１２から映像を入力し、ＣＲＴモニタ１４に映
像信号を出力する。また、制御部２１は粗動ＸＹＺステ
ージコントローラ２２を介してＸ駆動モータ、Ｙ駆動モ
ータ及びＺ駆動モータを駆動し、粗動Ｘステージ、粗動
Ｙステージ及び粗動Ｚステージを個別的に移動させるこ
とができる。また、制御部２１は、ＸＹピエゾコントロ
ーラ２３を介してＸピエゾ素子及びＹピエゾ素子を駆動
し、微動Ｘステージ及び微動Ｙステージ２７の位置を制
御する。更に、制御部２１は、Ｚピエゾコントローラ２
４を介してＺピエゾ素子を駆動して、微動Ｚステージ２
８の位置を制御する。

【００３０】プローブ１０は微動Ｚステージ２８ととも
に移動するが、プローブ１０のギャップセンサ（変位セ
ンサ）３７を駆動するギャップセンサアンプ２５の出力
がＺピエゾコントローラ２４にフィードバックされる。
図３は、Ｚピエゾ駆動系を更に詳細に示すブロック図で
ある。微動Ｚステージ２８には歪みゲージ３５が貼着さ
れており、この歪みゲージ３５により微動Ｚステージ２
８の移動を検出できるようにようになっている。図２の
Ｚピエゾコントローラ２４は、図３に示すように、減算
器３１，３２、ＰＩ（比例積分）制御部３３、ピエゾア
ンプ３４、位相進補償回路３８及びスイッチ３９により
構成されている。

【００３１】そして、制御部２１のデジタル／アナログ
変換部Ｄ／Ａから出力されたＺ微動信号は、減算器３
１，３２を介してＰＩ（比例積分）制御部３３に入力さ
れる。このＰＩ制御部３３の出力がピエゾアンプ３４に
より増幅されてＺピエゾ素子に与えられ、微動Ｚステー
ジ２８が上下方向に移動（微動）する。このとき、微動
Ｚステージ２８に貼着された歪みゲージ３５により微動
Ｚステージ２８の移動が検出されて歪み信号が出力され
る。この歪み信号は、歪みゲージアンプ３６で増幅さ
れ、減算器３２を介してＺ微動信号にネガティブフィー
ドバックされる。これにより、ピエゾ素子のヒステリシ
スを補正し、微動Ｚステージを比例制御することができ
る。

【００３２】一方、プローブ１０に設けられたギャップ
センサ３７の出力は、ギャップセンサアンプ２５を介し
て制御部２１のアナログ／デジタル変換部Ａ／Ｄに入力
される。また、ギャップセンサアンプ２５の出力は、適
当なゲインを持った位相進補償器３８及びスイッチ３９
を介して、制御部２１から出力されたＺ微動信号にネガ
ティブフィードバックされる。この場合、微動Ｚステー
ジ２８の振動がゼロのときはフィードバック信号（位相
進補償器３１の出力）がゼロになるようにオフセット調
整される。

【００３３】以下、上述の如く構成された電圧・変位測
定装置における表面形状取得方法について説明する。図
４，５は本実施の形態における表面形状測定方法を示す
フローチャート、図６は微動ＸＹＺステージの移動時の
状態を示す図である。なお、図６において、Ｐｚはプロ
ーブのＺ方向（垂直方向）の位置を示し、Ｖｚはプロー
ブの上下方向移動時の速度（上に移動するときはプラ
ス、下に移動するときはマイナス）、Ｐｘはプローブの
Ｘ方向の位置、Ｆｂはスイッチ３９のオン−オフ状態、
Ｐｇはギャップセンサアンプ２５の出力を示す。また、
ｔ1 はプローブの下降開始時刻、ｔ2 はプローブ１０の
下降速度が最大になったときの時刻、ｔ3 はプローブ１
０が半導体チップに接触したときの時刻、ｔ4 はプロー
ブ１０が上昇完了したときの時刻、ｔ5 は再びプローブ
が下降を開始したときの時刻を示す。なお、予め粗動Ｘ
ＹＺモータ及び微動ＸＹ用ピエゾ素子により、測定を開
始すべき位置までプローブ１０が移動しているものとす
る。また、プローブ１０の下降速度の最大値Ｖ1 、加速
度ａ1 （下降速度の増分）、退避速度（上昇速度）Ｖ2
及び水平方向の移動量Ｘｓ等は予め設定されているもの
とする。

【００３４】まず、制御部２１は、ステップＳ１（時刻
ｔ1 ）において、スイッチ３９をオフにして、ギャップ
センサアンプ２５からのフィードバック信号を遮断す
る。その後、ステップＳ２において、プローブ１０の下
降速度Ｖｚの初期値をゼロ（Ｖｚ＝０）とし、ステップ
Ｓ３において、下降速度を一定の値ａ1 だけ増加する。
次に、ステップＳ４において、下降速度Ｖｚと予め設定
された最大速度Ｖ1 とを比較し、下降速度Ｖｚが最大速
度Ｖ1 よりも小さい（ＮＯ）ときは、ステップＳ６に移
行する。そして、ステップＳ６において、下降速度Ｖｚ
でプローブ１０を下降させる。その後、ステップＳ７に
おいて、プローブ１０の探針５２が被測定物に接触した
か否か、すなわちギャップセンサアンプ２５の出力Ｐｇ
がしきい値ｇ1 を超えたか否かを調べる。ギャップセン
サアンプ２５の出力Ｐｇがしきい値ｇ1 よりも小さい
（ＮＯ）ときは、ステップＳ３に戻り、下降速度Ｖｚを
ａ1だけ増加する。このようにしてステップＳ３，Ｓ
４，Ｓ６，Ｓ７を繰り返すことにより、下降速度Ｖｚを
徐々に増加し、ステップＳ４において下降速度Ｖｚが設
定された最大値Ｖ1 を超えた場合（時刻ｔ2 ）はステッ
プＳ５に移行する。そして、このステップＳ５で、予め
設定された最大速度Ｖ1 を下降速度Ｖｚとし、ステップ
Ｓ６に移行してプローブ１０をこの速度で下降させる。

【００３５】ステップＳ７において、プローブ１０が被
測定物の表面に接触したとき（時刻ｔ3 ）、すなわちギ
ャップセンサアンプ２５の出力Ｐｇがしきい値ｇ1 を超
えたとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ８に移行し、制御部
２１はそのときのプローブ１０の位置（ＸＹＺ）を記録
する。その後、ステップＳ９に移行し、スイッチ３９を
オンにして、ギャップセンサアンプ２５の出力をＺ微動
信号にフィードバックする。

【００３６】その後、ステップＳ１０において、制御部
２１は探針５２の針形状から決まる待避量Ｚｅを計算す
る。待避量Ｚｅは、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す
ように、探針５２の先端の進行方向側の角度（先端角の
１／２）がθ、Ｘ方向の移動量がＸｓであるとすると、
Ｘｓcot θ以上待避すれば、Ｘｓ移動中に被測定物１５
のエッジに探針５２が接触することを防止できる。本実
施例では、余裕を見てＸｓcot θの１．５倍を待避量Ｚ
ｅ（すなわち、Ｚｅ＝１．５Ｘｓcot θ）とする。

【００３７】次に、ステップＳ１１において、被測定物
の凹凸の最大値から決まる最大退避量Ｚemaxと計算値
（退避量Ｚｅ）とを比較する。計算値が最大退避量Ｚem
axを超えている（ＹＥＳ）ときは、ステップＳ１２にお
いて、この最大退避量Ｚemaxを退避量Ｚｅとし、ステッ
プＳ１３に進む。また、ステップＳ１２において、計算
値が最大退避量Ｚemaxよりも小さい（ＮＯ）ときは、ス
テップＳ１３に直接移行する。

【００３８】ステップＳ１３，Ｓ１４では、プローブ１
０を退避量Ｚｅだけ上昇させる。そして、ステップＳ１
４において、プローブ１０の上昇が完了（時刻ｔ4 ）し
た場合（ＹＥＳ）はステップＳ１５に移行する。ステッ
プＳ１５においては、プローブ１０をＸ方向に所定の距
離Ｘｓだけ移動させる。その後、ステップＳ１６におい
て、制御部２１は、Ｔｂ時間（ギャップセンサ３７の振
動出力の１周期に相当する時間）におけるギャップセン
サアンプ２５の出力Ｐｇを監視し、ステップＳ１７にお
いて、このＴｂ時間のギャップセンサアンプ２５の最大
出力Ｐgpp を取得する。その後、ステップＳ１８におい
て、最大出力Ｐgpp がしきい値ｇ１を超えていれば（Ｙ
ＥＳのとき）振動が収まっていないので、ステップＳ１
９に移行し、更にＴｂ／４時間ギャップセンサアンプ２
５の出力Ｐｇを監視する。そして、ステップＳ１７に戻
り、以前に監視したＴｂ時間から最初のＴｂ／４時間を
除いた３Ｔｂ／４間と新たに測定したＴｂ／４分間とを
合わせたＴｂ時間における最大出力Ｐgpp を求める。ス
テップＳ１８において、最大出力Ｐgpp がしきい値ｇ1
以下であれば振動が収まっていると判定し、ステップＳ
２０に進む。

【００３９】振動停止の判定方法について図８を参照し
て説明する。ステップＳ１４でプローブ１０が上限まで
移動（ｔ4 ）した後、制御部２１はプローブ１０の機械
的振動周期Ｔｂの間だけギャップセンサアンプ２５の出
力Ｐｇを監視し（Ｔｂ1 ）、この間の最大振幅Ｐgpp と
しきい値ｇ1 とを比較する。振幅Ｐgpp がしきい値ｇ1
よりも大きいときは振動が収まっていないと判定し、１
／４周期分だけずらした時間（Ｔｂ2 ）で再度最大振幅
Ｐgpp を求める。このずらす量は制御部２１がギャップ
センサアンプ２５の出力を制御部２１のＡ／Ｄ変換部で
サンプリングする時間ごとでもよいが、本実施例では上
述の如く１／４周期分とする。

【００４０】このようにして，ギャップセンサアンプ２
５の出力が小さくなるまで待った後、ステップＳ２０に
進む。ステップＳ２０では測定が終了か否かを調べ、終
了でない場合はステップＳ１から上述した処理を繰り返
す。図９は、表面形状を取得すべきＬＳＩの表面（配線
パターン）の一例を示す上面図、図１０は図９のＡ−Ａ
線における表面形状の取得結果を示す模式図である。但
し、図１０において、黒点は測定点を示す。この図９，
１０に示すように、本実施の形態においては微動Ｘステ
ージを一定のピッチＸｓで移動させる毎に探針５２がＬ
ＳＩの表面に接触するまでプローブ１０を下降させて、
探針５２がＬＳＩの表面に接触したときのプローブ１０
の位置を記憶するので、図１０に示すように、表面形状
を取得することができる。

【００４１】また、この場合に，本実施の形態において
は、プローブ１０の退避量ＺｅをＸ方向の移動量Ｘｓと
探針５２の先端形状とに基づいて設定するので、図１１
に示すように、退避量Ｚｅを被測定物の段差以下とする
ことができる。これにより、本実施の形態においては、
図１２に示すように、退避量Ｚｅを被測定物１５の最大
段差以上としていた従来方法に比べ、Ｚ方向の移動量が
少なくでよく、その結果、測定時間を著しく短縮するこ
とができるという効果を奏する。

【００４２】ところで、上述の実施の形態においては、
パラメータである振動周期Ｔｂ、しきい値ｇ1 、最大下
降速度Ｖ1 、加速度ａ1 、待避速度Ｖ2 はプローブ１０
の構造及び材質等によって異なる。このため、プローブ
１０が変わるとこれらのパラメータを調整するのが煩雑
である。本実施の形態においては、以下の方法によりこ
れらのパラメータを自動的に設定する。

【００４３】振動の周期Ｔｂは、図１３に示すように、
時刻ｔ11において、微動Ｚステージをステップ状に変化
させ、そのときの振動の周期を極大値のｔ12とｔ13との
時間間隔から求める。振動周期の決定は、この方法に限
定するものでなく、振動波形がゼロクロスする時間を検
出する方法や、取得した時間軸のデータをＦＦＴ（Fast
Fourier Transform; 高速フーリエ変換）で周波数軸に
変換してピークを求める等の方法でもよい。

【００４４】このようにして振動の周期が求まると、設
計時のロッド部の質量ｍ（ロッド５１、電極５６、電圧
情報発生素子６０、探針５２の合計質量）から板ばねの
ばね定数ｋは、下記（１）式で求めることができる。 ｋ＝ｍ（２π／Ｔｂ）² …（１） 探針５２が被測定物に接触したときに探針５２又は被測
定物表面が損傷しない接触力Ｆｔを予め求めておくと、
上記ばね定数ｋからギャップセンサアンプ２５のしきい
値ｇ1 を下記（２）式で決定することができる。

【００４５】ｇ1 ＝Ｆｔ／ｋ …（２） 待避速度Ｖ2 は、図１４のフローチャートに示すよう
に、予め待避速度Ｖ2 を変えて待避及びその後の振動の
整定時間の和Ｔesが最小となるような速度を見つけるこ
とで行う。すなわち、ステップＳ２１において、待避速
度Ｖ２として、十分に小さい値を設定する。そして、こ
の速度Ｖ２でプローブを待避させたときの待避時間とギ
ャップセンサアンプ25の出力の振動が収まるまでの時間
との和Tesを測定する。

【００４６】次に、ステップＳ２３において、前回と比
べてＴesが減少したか否かを調べる。初回は、前回と比
較することができないので、ステップＳ２４に移行し、
設定されている速度Ｖ2 を若干（ΔＶ2 ）だけ増加させ
る。そして、ステップＳ２２に戻り、待避時間及び振動
整定時間の和Ｔesを測定する。その後、ステップＳ２３
に移行し、前回に比べてＴesが減少したか否かを調べ
る。Ｔesが減少していない場合はステップＳ２４に進
み、前回に比べＴesが減少するまで、同様の動作を繰り
返す。ステップＳ２３においてＴesが減少した場合は、
ステップＳ２５に進んで、速度Ｖ2 からΔＶ2 を減算
し、これを新たに待避速度Ｖ2 として処理を終了する。

【００４７】図１５は、下降最大速度Ｖ1 及び加速度ａ
1 の設定方法を示すフローチャートである。まず、ステ
ップＳ３１，３２で、それぞれ加速度ａ及び下降速度Ｖ
の初期値として十分に小さい値を設定する。その後、ス
テップＳ３３に移行し、前記速度Ｖでプローブ１０を下
降させ、そのときのギャップセンサアンプ２５の出力Ｐ
ｇを調べる。そして、ステップＳ３４において、ギャッ
プセンサアンプ２５の最大出力Ｐgpp がしきい値ｇ1 よ
りも小さいか否かを調べる。ギャップセンサアンプ２５
の最大出力Ｐgpp がしきい値ｇ1 よりも小さいとき（Ｙ
ＥＳ）は、ステップＳ３５に移行し、下降速度ＶをΔＶ
だけ増加する。その後、ステップＳ３３に戻って、再度
プローブ１０を下降させたときのギャップセンサアンプ
２５の最大出力Ｐgpp を調べる。このようにして、ギャ
ップセンサアンプ２５の最大出力Ｐgppがしきい値ｇ1
よりも大きくなるまで下降速度Ｖを徐々に増加する。

【００４８】ステップＳ３４でギャップセンサアンプ２
５の最大出力Ｐgpp がしきい値ｇ1向よりも大きいとき
（ＮＯ）はステップＳ３６に移行し、そのときの下降速
度ＶからΔＶを減算し、これを下降速度Ｖとする。次
に、ステップＳ３７において、速度Ｖ、加速度ａのとき
の加速区間での移動距離Ｌ1 を算出する。すなわち、Ｖ
² ／２ａを演算する。その後、ステップＳ３８に移行
し、下降速度がゼロからＶ1 になるまでの移動距離Ｌ1
が実際のプローブ１０の移動距離Ｌｓよりも小さけれ
ば、速度カーブは加速区間と定速区間があるので、ステ
ップＳ３９ａに移行し、接近時間Ｔapを求め、そうでな
ければ、加速区間のみであるので、ステップＳ３９ｂに
移行し、接近時間Ｔapを求める。

【００４９】そして、ステップＳ４０において計算によ
り求めた時間Ｔapと予め設定されたＴapmin とを比較
し、ＴapがＴapmin よりも小さいとき（ＹＥＳ）は、ス
テップＳ４１に移行し、Ｖを下降時の最大速度Ｖ1 と
し、ａを加速度（速度の増分）ａ1 とする。その後、ス
テップＳ４２に移行する。また、ステップＳ４０でＮＯ
のときは、直接ステップＳ４２に移行する。

【００５０】ステップＳ４２では、Ｖ1 及びａ1 が決定
しているかを調べ、Ｖ1 及びａ1 が決定している場合
（ＹＥＳ）は処理を終了する。一方、Ｖ1 及びａ1 が決
定していない場合は、ステップＳ４３に進み、ａを若干
（Δａ）増加した後、ステップＳ３２から処理を繰り返
す。このようにして、下降速度Ｖ1 及び加速度Ａ1 を設
定することができる。

【００５１】本実施の形態においては、プローブ１０の
下降を開始するときに、下降速度をゼロから徐々に増加
させるので、プローブ１０（ロッド部）の振動が抑制さ
れ、その結果プローブ１０を高速で下降させることがで
きる。また、本実施の形態においては、プローブ１０の
振動をギャップセンサ３７で検出し、プローブ１０の上
昇時には、このギャップセンサ３７により検出した振動
をギャップセンサアンプ２５で電気信号に変換してＺ微
動信号にフィードバックするので、プローブ１０の振動
が抑制され、プローブ１０を次の下降まで待つ時間を短
縮することができる。

【００５２】また、本実施の形態においては、プローブ
１０を上昇した後にギャップセンサアンプ２５の出力を
監視し、プローブ１０の振動出力が収まるのを待ってか
らプローブ１０を下降させるので、必要以上に待ち時間
を長くする必要がなく、その結果、測定時間をより一層
短縮することができる。更に、本実施の形態において
は、Ｘ方向の移動量と探針の先端の形状とに基づいてプ
ローブ１０の退避量Ｚｅを設定するので、微動Ｚステー
ジの移動量が少なく、その結果測定時間を短縮すること
ができる。更にまた、本実施の形態においては、各種パ
ラメータを自動的に最適な値に設定するので、操作が容
易であるとともに測定時間をより一層短縮することがで
きるという効果を奏する。

【００５３】なお、本実施の形態においては、図６に示
すようにプローブ下降時の加速度ａ1 が一定となるよう
に台形状の速度カーブにしているが、一般的なステージ
移動制御でなされているように、速度カーブがＳ字状に
なるようにしてもよい。また、本実施の形態において、
プローブ１０の退避終了時に速度をＶ2 からゼロに急激
に変化させているが、退避完了時にも下降開始時と同様
に速度を緩やかに変化させてもよい。更に、上述の実施
の形態においては、プローブ１０を下降させるときには
スイッチ３９をオフにしてギャップセンサアンプ２５か
らの信号を遮断したが、プローブ１０を下降させるとき
にもギャップセンサアンプ２５からの信号をフィードバ
ックさせるようにしてもよい。

【００５４】（第２の実施の形態）図１６，１７は本発
明の第２の実施の形態に係る表面形状取得方法を示すフ
ローチャートである。なお、本発明は、Ｘ方向の移動量
を被測定物の表面状態に応じて変化させること以外は基
本的に第１の実施の形態と同様であるので，図１〜図３
を参照して説明する。

【００５５】本実施の形態においては、Ｘ方向の移動量
として、粗刻み移動量Ｘｃと精密移動量Ｘｆとを設定す
る。すなわち、図１６に示すように、まず、ステップＳ
５１において、顕微鏡１１に取り付けたＣＣＤカメラ１
２により被測定物１５を撮影して制御部２１に画像を取
り込む。そして、ステップＳ５２において、制御部２１
は取り込んだ画像に画像処理を施して、配線のエッジを
検出する。その後、制御部２１は、ステップＳ５３にお
いて、配線エッジの最小間隔Ｅｄを算出する。次に、制
御部２１は、ステップＳ５４において、Ｅｄを０．５倍
してＸ方向の粗刻み移動量Ｘｃを設定する。また、制御
部２１は、ステップＳ５５において、粗刻み移動量Ｘｃ
を０．２倍して精密刻み移動量Ｘｆを設定する。

【００５６】本実施の形態においては、このようにして
粗刻み移動量Ｘｃ及び精密刻み移動量Ｘｆを決定する。
次に、制御部２１は、プローブ１０を測定を開始すべき
位置に移動させ、図１７に示すように、ステップＳ６
１，６２において、第１の実施の形態と同様にして、プ
ローブ１０を被測定物と接触するまで下降させる。そし
て、プローブ１０が被測定物に接触すると、制御部２１
はそのときのプローブ１０の位置（ＸＹＺ座標）を記憶
する。その後、制御部２１は、ステップＳ６３におい
て、プローブ１０を所定の退避量だけ上昇させ、ステッ
プＳ６４において、プローブ１０をＸ方向に粗刻み移動
量Ｘｃだけ移動する。

【００５７】次に、制御部２１は、ステップＳ６５にお
いて作業が終了か否かを調べ、終了でない場合はステッ
プＳ６６に進んで、測定点の高さ（Ｚ座標）が前回の測
定点の高さと異なるか否かを調べる。測定点の高さが前
回の測定点と同じ場合は、ステップＳ６１に戻る。ま
た、最初の測定の場合は、前回の測定と比較することが
できないが、この場合もステップＳ６１に戻る。このよ
うにして、測定点の高さが前回の測定と同じ場合は、粗
刻み移動量Ｘｃでプローブ１０をＸ方向に移動させる。

【００５８】ステップＳ６６において、測定点の高さが
前回と異なる場合は、ステップＳ６７に移行する。この
ステップＳ６７では、プローブ１０を−Ｘｃ＋Ｘｆだけ
−Ｘ方向に戻す。そして、ステップＳ６８，６９におい
てプローブ１０を被測定物に接触するまで下降させる。
プローブ１０が被測定物に接触すると、制御部２１はそ
のときのプローブ１０の位置（ＸＹＺ座標）を記憶す
る。その後、制御部２１は、ステップＳ７０においてプ
ローブ１０を上昇させる。プローブ１０が所定の退避量
まで上昇すると、制御部２１はプローブ１０を精密刻み
ＸｆだけＸ方向に移動する。そして、移動した位置が前
回粗刻み移動量Ｘｃだけ移動させた位置以上であるか否
かを調べる。ステップＳ７２でＮＯの場合は、ステップ
Ｓ６８に戻り、ＹＥＳの場合はステップＳ６５に戻る。

【００５９】図１８は、本実施の形態における測定点の
数を比較例と比較して示す模式図である。本実施の形態
においては、上述の如く、測定点の高さが変化しない場
合は、粗刻み移動量Ｘｃでプローブ１０を移動させ、測
定点の高さが変化した部分は精密刻み移動量Ｘｆでプロ
ーブ１０を移動させるので、例えば図１８（ａ）に示す
ように、一定の移動量でプローブ１０を移動した場合
（比較例）に測定点が１２０箇所であるのに対し、図１
８（ｂ）に示すように、本実施の形態においては、測定
点を４８箇所に削減することができる。これにより、測
定時間を著しく短縮することができる。

【００６０】なお、上述の実施の形態においては、ＣＣ
Ｄカメラ１２により撮影した映像を画像処理して配線の
エッジを検出したが、ＬＳＩ設計時のＣＡＤデータから
配線の最小間隔を検出し、その検出結果を基に粗刻み移
動量Ｘｃ及び精密刻み移動量Ｘｆを算出してもよい。 （第３の実施の形態）次に、本発明の第３の実施の形態
について、図１〜図３を参照して説明する。図３１に示
したプローブ１０は、表面形状取得時に、温度変化の影
響等により出力がドリフトすることがある。すなわち、
図１９に示すように、本来の出力に対し、プローブ１０
のＺ方向の位置により、出力が変化してしまう。このた
め、探針５２が被測定物に接触したときに、より大きな
応力（本来のしきい値＋ドリフトした量）を加えない
と、ギャップセンサアンプ２５の出力がしきい値ｇ1 を
超えないことになり、被測定物にダメージを与えたり、
探針５２を破損するおそれがある。そこで、本実施の形
態においては、制御部２１において、ギャップセンサア
ンプ２５からの信号をＡ／Ｄ変換した後、平滑化し、更
に微分する。信号の平滑化及び微分の具体的な方法につ
いて、図２０に示すフローチャート及び図２１に示すプ
ローブの位置と変位出力との関係を示す図を参照して説
明する。

【００６１】まず、ステップＳ８１において、データ格
納領域の位置を示すポインタｉを初期化（ｉ＝０）す
る。その後、ステップＳ８２においてポインタｉをイン
クリメントし、ステップＳ８３において、ギャップセン
サアンプ２５の出力電圧（制御部２１でＡ／Ｄ変換後）
をポインタ１のデータ格納領域に格納する。これによ
り、ポインタ１には出力電圧Ｒ（１）が格納される。

【００６２】その後、ステップＳ８４において、ポイン
タｉが５を超えているか否かを調べ、５を超えていない
場合はステップＳ８２に戻り、ポインタｉをインクリメ
ントした後、ステップＳ８３でギャップセンサアンプ２
５の出力電圧をデータ格納領域に格納する。このように
して、ポインタ１〜５に出力電圧Ｒ（１）〜Ｒ（５）が
格納された後、ステップＳ８４からステップＳ８５に移
行する。

【００６３】ステップＳ８５では、ポインタｉをインク
リメントする。その後、ステップＳ８６で、ギャップセ
ンサアンプ２５の出力電圧Ｒ（ｉ）を取得する。次に、
ステップＳ８７において、現在のポインタｉから４つ前
までのポインタで示されるデータ格納領域からそれぞれ
格納されている出力電圧Ｒ（ｉ）〜Ｒ（ｉ−４）を読み
出し、これらの移動平均値Ｓ（ｉ）を計算する。そし
て、ステップＳ８８において、最後に取得した出力電圧
Ｒ（ｉ）とステップＳ８７で計算した移動平均値Ｓ
（ｉ）との差Ｄ（ｉ）を計算し、ステップＳ８９におい
て、Ｄ（ｉ）がしきい値ｇ１を超えているか否かを調べ
る。Ｄ（ｉ）がｇ1 を超えている場合は、プローブ１０
が被測定物に接触したと判断する。Ｄ（ｉ）がｇ1 以下
の場合は、ステップＳ８５に戻る。

【００６４】すなわち、ギャップセンサアンプ２５の出
力信号をＡ／Ｄ変換しただけのＲ（ｉ）は、図２１に示
すようにプローブ位置によりばらつきが大きく、全体と
して出力が徐々に低下している。ステップＳ８７で計算
した移動平均値Ｓ（ｉ）は、Ｒ（ｉ）に比べてばらつき
が少なくなっている。そして、Ｒ（ｉ）からＳ（ｉ）を
減算することにより、出力データを平滑化することがで
きる。この平滑化した出力データと所定のしきい値Ｄｓ
とを比較することにより、プローブ１０が被測定物と接
触したか否かを確実に検出することができる。また、探
針５２が被測定物と接触するときの応力をほぼ一定にす
ることができて、被測定物に傷をつけたり、探針５２に
ダメージを与えることを防止することもできる。

【００６５】（第４の実施の形態）以下、本発明の第４
の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第３
の形態と同様に、ギャップセンサアンプ２５の出力のド
リフトに起因して、被測定物に接触するときの探針の応
力が変化することを防止するものであり、図１〜図３を
参照する。

【００６６】図２２は、本実施の形態を示すフローチャ
ートである。まず、ステップＳ９１において、ポインタ
ｉを初期化する。そして、ステップＳ９２において、ポ
インタｉをインクリメントする。その後、ステップＳ９
３において、ギャップセンサアンプ２５の出力電圧（Ａ
／Ｄ変換後のデータ）Ｒ（１）を最初のポインタ１に示
されるデータ格納領域に格納する。

【００６７】次に，ステップＳ９４において、ポインタ
ｉが６を超えているか否かを調べる。ポインタｉが６以
下の場合はステップＳ９２に戻る。このようにして、最
初に６つのデータを取得する。その後、ステップＳ９４
からステップＳ９５に移行し、ポインタｉをインクリメ
ントする。次に、ステップＳ９６において、ギャップセ
ンサアンプ２５の出力データＲ（ｉ）をポインタｉで示
されるデータ格納領域に格納する。

【００６８】次に、ステップＳ９７において、最新の出
力データＲ（ｉ）とそれ以前の４回分の出力データとの
移動平均値Ｓ（ｉ）を算出する。その後、ステップＳ９
９において、移動平均値Ｓ（ｉ）と１回前の移動平均値
Ｓ（ｉ− 1）との差Ｄ（ｉ）を算出する。次いで、ステ
ップＳ９９において、算出結果Ｄ（ｉ）が所定のしきい
値Ｄｓを超えているか否かを調べ、超えている場合はプ
ローブ１０が被測定物と接触したと判断し、プローブ接
触時の処理を終了する。一方、算出値Ｄ（ｉ）がしきい
値Ｄｓを超えていない場合は、ステップＳ９５に戻る。

【００６９】この実施の形態においては、図２３に示す
ように、移動平均の差分によりプローブ１０と被測定物
との接触を検出するので，第３の実施形態と同様に、プ
ローブ１０が被測定物と接触したか否かを確実に検出で
きるとともに、探針５２が被測定物と接触するときの応
力をほぼ一定にすることができて、被測定物に傷をつけ
たり、探針５２にダメージを与えることを防止できると
いう効果を奏する。

【００７０】（第５の実施の形態）以下、本発明の第５
の実施の形態について説明する。本実施の形態は、温度
変化による板ばねの膨張に起因する測定値の変動を回避
するものであり、図１〜図３を参照する。すなわち、本
装置は、被測定物の高さを１／１００〜１／１０００μ
ｍ程度の精度で測定するものであるため、僅かな温度変
化による板ばねの膨張収縮によっても、比較的大きな測
定誤差が発生する。例えば、図２４に示すように、プロ
ーブ１０の周辺温度が１℃程度変化しても、ギャップセ
ンサアンプ２５の出力は高さに換算して０．１〜０．２
μｍ程度の誤差になる。すなわち、例えば測定開始時に
はＺ0 の位置に探針の先端があり、温度変化による板ば
ね５３，５４の膨張により探針５２の先端が０．２μｍ
だけ下がった状態で被測定物表面の高さを測定したとす
ると、測定値は実際よりも０．２μｍだけ高くなってし
まう。

【００７１】そこで、本実施の形態においては、探針５
２が被測定物に接触していないときのギャップセンサア
ンプ２５の出力を調べ、計時的な変化を補正する。すな
わち、図２５にフローチャートを示すように、ステップ
Ｓ１０１において、ポインタｉを初期化する。その後、
プローブ１０を下降開始する直前のギャップセンサアン
プ２５の出力データＧ（０）を取得する。その後、ステ
ップＳ１０３において、ポインタｉをインクリメントす
る。

【００７２】次に、ステップＳ１０４において、表面形
状の取得を開始する際に、プローブ１０の下降を開始す
る直前のギャップセンサアンプ２５の出力Ｇ（ｉ）を取
得する。その後、ステップＳ１０５において、プローブ
１０が被測定物に接触したときのプローブ１０の高さＺ
（ｉ）を取得する。その後、ステップＳ１０６におい
て、Ｚ（ｉ）−ｋ×｛Ｇ（０）−Ｇ（ｉ）｝を計算す
る。ここで、ｋはギャップセンサアンプ２５の出力を高
さに変換するときの常数である。これにより、補正した
高さＺ’（ｉ）を得ることができる。

【００７３】その後、ステップＳ１０７に移行してプロ
ーブ１０を水平方向に移動させる。次いで、ステップＳ
１０８において、測定が終了か否かを調べ、終了でない
場合はステップＳ１０３に戻る。本実施の形態では、プ
ローブ１０を下降する直前のギャップセンサアンプ２５
の出力の変化を基に測定値を補正するので、温度変化に
よる板ばね５３，５４の膨張収縮に起因する測定誤差を
抑制することができる。

【００７４】（第６の実施の形態）以下、本発明の第６
の実施の形態について説明する。本実施の形態も第５の
実施の形態と同様に、温度変化による板ばね５３，５４
の膨張収縮に起因する測定誤差を抑制するものであり、
図１〜図３を参照する。本実施の形態においては、図２
６に示すように、基準点を決めておき、１又は複数の点
を測定する毎に基準点に戻ってその高さを測定して、計
時的なずれを補正するものである。

【００７５】すなわち、図２７のフローチャートに示す
ように、まず、ステップＳ１１１でポインタｉを初期化
する。次に、ステップＳ１１２において、基準点にプロ
ーブ１０の探針５２を接触させて、基準点の高さＺ
（０）を取得する。その後，ステップＳ１１３に移行
し、ポインタｉをインクリメントする。次に、ステップ
Ｓ１１４において、測定点にプローブ１０を移動させた
後、プローブ１０を下降させて、測定点の高さＺ（ｉ）
を取得する。このようにして１又は複数の測定点の高さ
を測定した後、ステップＳ１１５に移行し，再び基準点
の高さＺｃを取得する。

【００７６】次いで、ステップＳ１１６に移行し、Ｚ
（ｉ）−Ｚｃ＋Ｚ（０）を計算して、計算結果を測定点
の高さＺ’（ｉ）とする。その後、ステップＳ１１７に
移行し、プローブ１０を次の測定点の位置まで移動させ
る。そして、ステップＳ１１８において、測定が終了か
否かを調べ、終了でない場合はステップＳ１１３に戻
る。

【００７７】本実施の形態においては、１又は複数の測
定点を測定した後、基準点の高さを測定して測定値の変
動を調べ、その結果を基に測定点の高さを補正する。こ
れにより、計時的な温度変化による板ばねの膨張収縮に
起因する測定誤差を抑制することができる。 （第７の実施の形態）以下、本発明の第７の実施の形態
について説明する。本実施の形態も、温度変化による板
ばね５３，５４の膨張収縮に起因する測定誤差を抑制す
るものであり、図１〜図３を参照する。

【００７８】図２８，２９は本実施の形態を示すフロー
チャートである。まず、ステップＳ１２１において、Ｘ
方向用ポインタｉ及びＹ方向用ポインタｊを初期化す
る。その後、ステップＳ１２２において、ポインタｊを
インクリメントする。また、ステップＳ１２３におい
て、ポインタｉをインクリメントする。次に、ステップ
Ｓ１２４に移行し、プローブ１０を被測定物に接触する
まで下降させて、プローブ１０が被測定物に接触したと
きの位置（ＸＹＺ）を記憶する。その後、ステップＳ１
２５に移行し、プローブ１０を上昇させた後、次の測定
点の位置までプローブ１０をＸ方向に移動させる。そし
て、ステップＳ１２６において、Ｘ方向の１ライン分の
測定が終了したか否かを調べる。Ｘ方向の１ライン分の
測定が終了していない場合はステップＳ１２３に戻り、
Ｘ方向の１ライン分の測定が終了している場合はステッ
プＳ１２７に進む。

【００７９】ステップＳ１２７では、プローブ１０をＹ
方向に移動させる。そして、ステップＳ１２８において
全ラインの測定が終了したか否かを調べ、全ラインの測
定が終了していないときはステップＳ１２２に戻る。一
方、ステップＳ１２８において全ラインの測定が終了し
ている場合は、ステップＳ１２９に移行する。ステップ
Ｓ１２９においては、プローブ１０を先頭の位置に戻
す。そして、ステップＳ１３０において、Ｙ方向ポイン
タｊを初期化する。

【００８０】次に，ステップＳ１３１において、ポイン
タｊをインクリメントする。その後、ステップＳ１３２
に移行し、プローブ１０を下降させてプローブ１０が被
測定物に接触したときの位置（ＸＹＺ）を取得する。そ
して、ステップＳ１３３において、プローブ１０を上昇
させた後、プローブ１０を次の測定点までＹ方向に移動
させる。

【００８１】次に、ステップＳ１３４において、Ｙ方向
の１ライン分の測定が終了したか否かを調べ、終了して
いない場合はステップＳ１３１に戻り，終了している場
合はステップＳ１３５に移行する。ステップ１３５で
は、Ｘ方向ポインタｉ及びＹ方向ポインタｊを初期化す
る。そして、ステップＳ１３６に進み、ポインタｊをイ
ンクリメントする。また、ステップＳ１３７では、ポイ
ンタｉをインクリメントする。

【００８２】次に、ステップＳ１３８に移行して、各位
置の高さを補正する。すなわち、Ｚ（ｉ，ｊ）−Ｚ
（１，ｊ）＋Ｚｃ（ｊ）を計算し、その計算結果を位置
ｉｊにおける高さとする。但し、ｉ＝１のときにはＺｃ
（ｊ）の値をそのまま使い、ｉ≠１のときに補正する。
その後、ステップＳ１３９に移行し、１ライン分の補正
が完了したか否かを調べ、１ライン分の補正が終了して
いない場合はステップＳ１３７に戻る。一方、１ライン
分の補正が終了したときは、ステップＳ１４０に移行す
る。ステップＳ１４０では、全ラインの補正が終了した
か否かを調べ、終了していないときはステップＳ１３６
に戻る。

【００８３】本実施の形態においては、プローブ１０を
Ｘ方向に移動させて被測定物表面の１ライン分の表面形
状を測定し、次にプローブ１０をＹ方向に移動させて次
の被測定物表面の次の１ライン分の表面形状を測定する
ことを繰り返して被測定物表面のＸＹ方向の表面形状を
取得し、その後、プローブ１０をＹ方向に移動させて各
ラインの最初の測定点を再度測定し、前回測定したとき
との差によりそのラインの測定値を補正する。これによ
り、計時的な温度変化による板ばねの膨張収縮に起因す
る測定誤差を抑制することができる。

【００８４】（第８の実施の形態）図３０は本発明の第
８の実施の形態を示す表面形状取得装置のプローブ４１
を示す模式図であり、図３１と同一物には同一符号を付
してその詳しい説明は省略する。また、図１〜図３を参
照して説明する。本実施の形態においては、ロッド５１
はその上部の２箇所で板ばね４３，４４に揺動可能に支
持されている。これらの板ばね４３，４４の近傍には温
度センサ４５が配設されており、この温度センサ４５の
出力は制御部２１に接続されている。また、ホルダ５５
の外周面にはペルチェ素子４６が取り付けられており、
このペルチェ素子４６には制御部２１から電力が供給さ
れるようになっている。

【００８５】そして、制御部２１は、温度センサ４５の
出力が一定になるように、ペルチェ素子４６に電圧を供
給する。これにより、ホルダ５５内側の温度が常に一定
に維持され、温度変化による板ばね４３，４４の膨張収
縮が抑制される。これにより、ギャップセンサアンプ２
５の出力変動を抑制することができる。なお、上述の各
実施の形態においては、いずれも被測定物１５が台座１
上に載置され、プローブ１０がＸＹＺ方向に移動する場
合について説明したが、被測定物１５がＸ方向、Ｙ方向
又はＺ方向に移動するようにしてもよい。

【００８６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の表面形状
取得装置によれば、プローブの出力をプローブ上下方向
移動手段にフィードバックするので、プローブが上下動
する際の振動を抑制することができる。これにより、プ
ローブの上下方向の移動速度を速くすることが可能にな
り、測定時間を短縮できる。

【００８７】また、本発明の他の表面形状取得装置によ
れば、温度制御手段によりプローブの温度を一定に維持
するので、温度変化に起因する板ばねの変形等を抑制で
きて、測定精度が向上するという効果を奏する。更に、
本発明の表面形状取得方法によれば、プローブが上昇し
た後、プローブの出力を監視し、その値が特定の値以下
になったときにプローブの下降を開始するので、プロー
ブの振動が安定するまで無駄に長時間待つ必要がなく、
測定時間を短縮できる。

【００８８】更にまた、本発明の他の表面形状取得方法
によれば、プローブ下降時の速度を徐々に増加させるの
で、加速度の大きな変動を回避できる。これにより、誤
動作を防止できるとともに、測定時間を短縮することが
できるという効果を奏する。更にまた、本発明の更に他
の表面形状取得方法によれば、プローブの水平方向の移
動量を前記被測定物表面の凹凸の最小エッジ間隔に基づ
いて決定するので、前記水平方向の移動量を自動的に決
定することができ、取り扱いが容易である。また、前記
最小エッジ間隔よりも小さい粗刻み移動量でプローブを
水平方向に移動させて被測定物の高さを測定し、被測定
物の高さが変化した場合には前記粗刻み移動量よりも小
さい精密刻み移動量でプローブを移動させて被測定物の
高さを測定することにより、測定点数を削減することが
できて、測定時間を著しく短縮することができる。

【００８９】更にまた、本発明の更に他の表面形状取得
方法によれば、プローブが下降する間のプローブの出力
の移動平均値を求め、前記プローブの出力と前記移動平
均値との差に基づいてプローブが被測定物に接触したこ
とを検出するので、被測定物及び探針等の破損を防止で
きるとともに、測定精度が向上する。更にまた、本発明
の更に他の表面形状取得方法によれば、プローブが被測
定物に接触していないときのプローブ出力を調べ、その
変動分を基に測定値を補正するので、測定値の精度が向
上する。

【００９０】更にまた、本発明の更に他の表面形状取得
方法によれば、測定の基準点を決めておき、計時的なプ
ローブ出力の変動をこの基準点の測定値を基に補正する
ので、測定値の精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る表面形状取得
装置を電圧・変位測定装置に適用した例を示す図であ
る。

【図２】第１の実施の形態に係る表面形状取得装置の制
御系を示すブロック図である。

【図３】第１の実施の形態に係る表面形状取得装置のＺ
ピエゾ駆動系を更に詳細に示すブロック図である。

【図４】第１の実施の形態における表面形状測定方法を
示すフローチャート（その１）である。

【図５】第１の実施の形態における表面形状測定方法を
示すフローチャート（その２）である。

【図６】第１の実施の形態における微動ＸＹＺステージ
の移動時の状態を示す図である。

【図７】退避量の決定方法を示す図である。

【図８】振動停止の判定方法を示す図である。

【図９】表面形状を取得すべきＬＳＩチップの表面の一
例を示す図である。

【図１０】図９のＡ−Ａ線における表面形状の取得結果
を示す図である。

【図１１】第１の実施の形態におけるプローブの移動を
示す図である。

【図１２】従来におけるプローブの移動を示す図であ
る。

【図１３】振動周期の決定方法を示す図である。

【図１４】退避速度の決定方法を示すフローチャートで
ある。

【図１５】下降時の最大速度及び加速度の決定方法を示
すフローチャートである。

【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る表面形状取
得方法を示すフローチャート（その１）である。

【図１７】本発明の第２の実施の形態に係る表面形状取
得方法を示すフローチャート（その２）である。

【図１８】本発明の第２の実施の形態よる測定点を従来
と比較して示す図である。

【図１９】プローブのドリフトを示す図である。

【図２０】本発明の第３の実施の形態に係る表面形状取
得方法を示すフローチャートである。

【図２１】本発明の第３の実施の形態に係る表面形状取
得方法におけるプローブの位置と変位出力との関係を示
す図である。

【図２２】本発明の第４の実施の形態に係る表面形状取
得方法を示すフローチャートである。

【図２３】本発明の第４の実施の形態に係る表面形状取
得方法におけるプローブの位置と変位出力との関係を示
す図である。

【図２４】プローブの温度変化とギャップセンサアンプ
の出力との関係を示す図である。

【図２５】本発明の第５の実施の形態に係る表面形状取
得方法を示すフローチャートである。

【図２６】本発明の第６の実施の形態に係る表面形状取
得方法を示す図である。

【図２７】本発明の第６の実施の形態に係る表面形状取
得方法を示すフローチャートである。

【図２８】本発明の第７の実施の形態に係る表面形状取
得方法を示すフローチャート（その１）である。

【図２９】本発明の第７の実施の形態に係る表面形状取
得方法を示すフローチャート（その２）である。

【図３０】本発明の第８の実施の形態に係る表面形状取
得装置のプローブを示す図である。

【図３１】従来の電圧・変位測定装置のプローブを示す
図である。

【図３２】同じくそのプローブ先端部をより詳細に示す
図である。

【図３３】従来の問題点を示す図である。

【符号の説明】

１ 台座 ２ 粗動Ｙステージ ３ 粗動Ｘステージ ４，７ 送りねじ ５ Ｘ駆動モータ ６ 粗動Ｚステージ ８ Ｚ駆動モータ ９ 微動ＸＹＺステージ １０，４１ プローブ １１ 顕微鏡 １２ ＣＣＤカメラ １３ ＥＯセンサ １４ ＣＲＴモニタ １５ 被測定物 ２１ 制御部 ２２ 粗動ＸＹＺコントローラ ２３ ＸＹピエゾコントローラ ２４ Ｚピエゾコントローラ ２５ ギャップセンサアンプ ２８ 微動Ｚステージ ３１，３２ 減算器 ３３ ＰＩ制御部 ３４ ピエゾアンプ ３５ 歪みゲージ ３６ 歪みゲージアンプ ３７ ギャップセンサ ３８ 位相進補償器 ３９ スイッチ ４３，４４，５３，５４ 板ばね ４５ 温度センサ ４６ ペルチェ素子 ５１ ロッド ６０ 電圧情報発生素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若菜 伸一 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 阪田 裕司 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 浜 壮一 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 藤井 彰 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 松本 純 東京都練馬区旭町１丁目32番１号 株式会 社アドバンテスト内 (72)発明者 鈴木 健司 東京都練馬区旭町１丁目32番１号 株式会 社アドバンテスト内 (72)発明者 梅原 康敏 東京都練馬区旭町１丁目32番１号 株式会 社アドバンテスト内 (72)発明者 小木曽 祥明 東京都練馬区旭町１丁目32番１号 株式会 社アドバンテスト内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上下方向に移動可能に支持されて被測定
   物との接触を検出するプローブと、 このプローブを上下方向に移動させるプローブ上下方向
   移動手段と、 前記プローブを前記被測定物に対し水平方向に移動させ
   る水平方向移動手段と、 前記プローブの出力を前記プローブ上下方向移動手段に
   フィードバックして前記プローブの振動を低減する振動
   低減手段とを有することを特徴とする表面形状取得装
   置。
2. 【請求項２】 上下方向に移動可能に支持されて被測定
   物との接触を検出するプローブと、 このプローブを上下方向に移動させるプローブ上下方向
   移動手段と、 前記プローブを前記被測定物に対し水平方向に移動させ
   る水平方向移動手段と、 前記プローブの温度を一定に維持する温度制御手段とを
   有することを特徴とする表面形状取得装置。
3. 【請求項３】 前記プローブは、 前記被測定物に接触する探針と、この探針を支持する探
   針支持部と、弾性部材を介して前記探針支持部を揺動可
   能に支持する支持部材と、前記探針支持部の前記支持部
   材に対する変位を検出する変位センサとにより構成され
   ていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形
   状取得装置。
4. 【請求項４】 プローブを下降させてその先端部を被測
   定物に接触させ、接触したときのプローブの位置を記憶
   した後、前記プローブを上昇させ、前記プローブを前記
   被測定物に対し水平方向に移動させることを繰り返して
   前記被測定物の形状を取得する表面形状取得方法におい
   て、 前記プローブの上昇後に前記プローブの出力を監視し、
   特定の値以下に減衰した後に前記プローブを下降させる
   ことを特徴とする表面形状取得方法。
5. 【請求項５】 プローブを下降させてその先端部を被測
   定物に接触させ、接触したときのプローブの位置を記憶
   した後、前記プローブを上昇させ、前記プローブを前記
   被測定物に対し水平方向に移動させることを繰り返して
   前記被測定物の形状を取得する表面形状取得方法におい
   て、 前記プローブを下降させる際に、前記プローブの下降速
   度を計時的に増加させることを特徴とする表面形状取得
   方法。
6. 【請求項６】 プローブを下降させてその先端部を被測
   定物に接触させ、接触したときのプローブの位置を記憶
   した後、前記プローブを上昇させ、前記プローブを前記
   被測定物に対し水平方向に移動させることを繰り返して
   前記被測定物の形状を取得する表面形状取得方法におい
   て、 予め下降速度及び下降時の加速度を変化させて前記プロ
   ーブを下降させ、その結果に基づいて形状取得時におけ
   る前記プローブの下降速度及び加速度を決定することを
   特徴とする表面形状取得方法。
7. 【請求項７】 プローブを下降させてその先端部を被測
   定物に接触させ、接触したときのプローブの位置を記憶
   した後、前記プローブを上昇させ、前記プローブを前記
   被測定物に対し水平方向に移動させることを繰り返して
   前記被測定物の形状を取得する表面形状取得方法におい
   て、 予め上昇時の速度を変化させて前記プローブを上昇さ
   せ、前記プローブの上昇に要する時間とその後のセンサ
   の出力の減衰量に応じて形状取得時における前記プロー
   ブの上昇速度を決定することを特徴とする表面形状取得
   方法。
8. 【請求項８】 前記プローブの先端形状と水平方向の移
   動距離とに基づいて、前記プローブの上昇時の移動量を
   決定することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１
   項に記載の表面形状取得方法。
9. 【請求項９】 プローブを下降させてその先端部を被測
   定物に接触させ、接触したときのプローブの位置を記憶
   した後、前記プローブを上昇させ、前記プローブを前記
   被測定物に対し水平方向に移動させることを繰り返して
   前記被測定物の形状を取得する表面形状取得方法におい
   て、 前記プローブの水平方向の移動量を、前記被測定物表面
   の凹凸の最小エッジ間隔に基づいて決定することを特徴
   とする表面形状取得方法。
10. 【請求項１０】 前記プローブの水平方向の移動量とし
    て、前記最小エッジ間隔以下の粗刻み移動量と、この粗
    刻み移動量以下の精密刻み移動量とを設定し、 前記粗刻み移動量で前記プローブを水平方向に移動させ
    て前記被測定物の高さを測定し、 測定高さが変化した場合は、前記プローブを逆方向に戻
    して前記精密刻み移動量で移動させて前記被測定物の高
    さを測定することを特徴とする請求項９に記載の表面形
    状取得方法。
11. 【請求項１１】 プローブを下降させてその先端部を被
    測定物に接触させ、接触したときのプローブの位置を記
    憶した後、前記プローブを上昇させ、前記プローブを前
    記被測定物に対し水平方向に移動させることを繰り返し
    て前記被測定物の形状を取得する表面形状取得方法にお
    いて、 前記プローブが下降する間のプローブの出力の移動平均
    値を求め、前記プローブの出力と前記移動平均値との差
    が特定の値を超えたときに前記プローブが前記被測定物
    に接触したと判定することを特徴とする表面形状取得方
    法。
12. 【請求項１２】 プローブを下降させてその先端部を被
    測定物に接触させ、接触したときのプローブの位置を記
    憶した後、前記プローブを上昇させ、前記プローブを前
    記被測定物に対し水平方向に移動させることを繰り返し
    て前記被測定物の形状を取得する表面形状取得方法にお
    いて、 前記プローブが下降する間のプローブの出力の移動平均
    値を求め、この移動平均値の変化に基づき、前記プロー
    ブが前記被測定物に接触したと判定することを特徴とす
    る表面形状取得装置。
13. 【請求項１３】 プローブを下降させてその先端部を被
    測定物に接触させ、接触したときのプローブの位置を記
    憶した後、前記プローブを上昇させ、前記プローブを前
    記被測定物に対し水平方向に移動させることを繰り返し
    て前記被測定物の形状を取得する表面形状取得方法にお
    いて、 前記プローブが前記被測定物に接触していないときの前
    記プローブの出力の変化に応じて測定値を補正すること
    を特徴とする表面形状取得方法。
14. 【請求項１４】 プローブを下降させてその先端部を被
    測定物に接触させ、接触したときのプローブの位置を記
    憶した後、前記プローブを上昇させ、前記プローブを前
    記被測定物に対し水平方向に移動させることを繰り返し
    て前記被測定物の形状を取得する表面形状取得方法にお
    いて、 前記被測定物の特定の位置を基準点とし、この基準点の
    測定値を基に他の測定点での測定値を補正することを特
    徴とする表面形状取得方法。