KR20190035458A

KR20190035458A - 변위 계측 장치, 계측 시스템, 및 변위 계측 방법

Info

Publication number: KR20190035458A
Application number: KR1020180018046A
Authority: KR
Inventors: 도모노리 곤도; 유타 스즈키; 겐이치 마토바
Original assignee: 오므론 가부시키가이샤
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2019-04-03
Also published as: KR20190069362A; TW201915428A; JP2019060700A; JP6919458B2; EP3460390A1; KR102412544B1; TWI658251B; US10444360B2; US20190094368A1; EP3460390B1; CN109556518B; CN109556518A

Abstract

계측 대상면까지의 거리를 고정밀도로 계측 가능한 변위 계측 장치 및 계측 방법을 제공한다.
변위 계측 장치는, 광을 발생하는 투광부; 측정값과 실변위가 비선형이 되는 계측 대상물에 대해 광을 계측 대상물의 계측 대상면에서 포커싱되도록 조사하고, 또한 조사된 상기 광 중 상기 계측 대상면에서 반사된 광을 수광하는 센서 헤드; 센서 헤드와 계측 대상면 사이의 거리를 변수로 하는 함수를 기억한 기억부; 및 센서 헤드에서 수광된 광의 파장에 기초하여 거리를 산출하는 제어부;를 구비한다. 제어부는 센서 헤드와 계측 대상물의 계측 대상면 사이의 거리를 변수값으로 하여 함수의 값을 산출한다. 제어부는 산출된 함수의 값을 이용하여 산출된 거리를 보정한다.

Description

변위 계측 장치, 계측 시스템, 및 변위 계측 방법{DISPLACEMENT MEASURING DEVICE, MEASURING SYSTEM AND DISPLACEMENT MEASURING METHOD}

본 발명은 변위 계측 장치, 계측 시스템, 및 변위 계측 방법에 관한 것이다.

종래, 예컨대 특허 문헌 1에 도시한 바와 같이, 계측 방식으로서 백색 공초점 방식을 이용한 변위 계측 장치가 알려져 있다. 이러한 변위 계측 장치에 의하면, 수광한 광의 파장에 기초하여 계측 대상물(상세하게는 계측 대상면) 까지의 거리를 계측할 수 있다.

[특허문헌 1] 일본특허공개 2012－208102호 공보

일반적으로 변위 계측 장치에서는 생산시에 기준 워크에 의한 보정을 수행함으로써, 거리와 측정값과의 선형성을 담보하고 있다. 다만, 생산 공정에서의 보정은 기준 워크에 대해 수행되므로, 사용자가 생산 공정에서 변위 계측 장치를 사용할 때, 워크에 따라서는 거리와 측정값과의 관계가 비선형이 되는 경우가 있다.

이러한 오차는 비선형 오차가 된다. 그러므로, 측정 범위의 전체를 1차 함수로 보정하는 방법으로는 당해 오차를 저감하기 어렵다.

예컨대, 백색 공초점 방식의 변위 계측 장치에 의한 계측에서는, 이하와 같이 오차가 발생한다.

계측 대상면이 기판 상에 형성된 박막의 표면인 경우, 박막에 의한 간섭에 의해 검출되는 파장이 박막 표면에서 포커싱되는 파장으로부터 어긋나게 된다.

또한, 유리 등의 투명체를 통해 계측 대상물의 계측 대상면과의 거리를 계측하는 경우, 굴절률의 파장 분산에 의해 거리와 검출 파장과의 관계가 바뀌는 문제가 있다.

또한, 유리 등의 투명체 표면까지의 거리와 이면까지의 거리를 계측하고, 투명체의 두께를 계측하는 경우에도, 이면까지의 계측에 관하여 굴절률의 파장 분산에 의해 거리와 검출 파장과의 관계가 바뀌는 문제가 있다.

본 개시는 상기 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은 계측 대상면까지의 거리를 고정밀도로 계측 가능한 변위 계측 장치 및 계측 방법을 제공함에 있다.

본 개시의 일 국면에 따르면, 변위 계측 장치는 광을 발생하는 투광부; 측정값과 실변위가 비선형이 되는 계측 대상물에 대해 광을 계측 대상물의 계측 대상면에서 포커싱되도록 조사하고, 또한 조사된 광 중 계측 대상면에서 반사된 광을 수광하는 센서 헤드; 센서 헤드와 계측 대상면 사이의 거리를 변수로 하는 함수를 기억한 기억부; 및 센서 헤드에서 수광된 광의 파장에 기초하여 거리를 산출하는 제어부;를 구비한다. 제어부는 센서 헤드와 계측 대상물인 제1 계측 대상물의 계측 대상면과의 사이의 제1 거리를 변수값으로 하여 함수의 값을 산출한다. 제어부는 산출된 함수의 값을 이용하여 산출된 제1 거리를 보정한다.

본 개시의 일 국면에 따르면, 변위 계측 장치는 미리 정해진 파장폭을 갖는 광을 발생하는 투광부; 굴절률이 파장 분산되는 부재를 통해 광을 계측 대상물의 계측 대상면에서 포커싱되도록 조사하고, 또한 조사된 광 중 계측 대상면에서 반사된 광을 수광하는 센서 헤드; 센서 헤드와 계측 대상면 사이의 거리를 변수로 하는 함수를 기억한 기억부; 및 센서 헤드에서 수광된 광의 파장에 기초하여 거리를 산출하는 제어부;를 구비한다. 제어부는 센서 헤드와 계측 대상물인 제1 계측 대상물의 계측 대상면과의 사이의 제1 거리를 변수값으로 하여 함수의 값을 산출한다. 제어부는 산출된 함수의 값을 이용하여 산출된 제1 거리를 보정한다.

본 개시에 의하면, 계측 대상면까지의 거리를 고정밀도로 계측할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시의 형태에 따른 계측 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 복수의 연속적인 1차 함수를 생성하기 위한 데이터 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 생성된 1차 함수를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 계측값의 보정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 계측 시스템의 기능적 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 정보 처리 장치의 표시부에서 표시되는 화면예를 나타낸 도면이다.
도 7은 계측 시스템에서의 처리의 흐름을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 도 7의 순서 SQ6에서의 처리의 상세를 설명한 흐름도이다.
도 9는 본 계측시에 있어서의 계측값의 보정 처리를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10은 상술한 보정 처리의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 다른 형태의 계측을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 또 다른 형태의 계측을 설명하기 위한 도면이다.

이하에 있어서, 본 발명의 각 실시의 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 이하의 설명에서는 동일한 부품에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 그러한 명칭 및 기능도 동일하다. 따라서, 그 상세한 설명은 반복하지 않는다.

실시의 형태 1에 있어서, 간섭에 의한 오차가 발생하는 경우를 설명한다. 실시의 형태 2, 3에 있어서, 파장 분산에 의한 오차가 발생하는 경우를 설명한다.

상세하게는, 실시의 형태 1, 3에서는 측정값과 실변위가 비선형이 되는 계측 대상물을 계측하는 경우를 설명한다. 보다 상세하게는, 실시의 형태 1에서는, 계측 대상물이, 간섭이 발생하는 경우인 것을 예로 들어 설명한다. 또한, 실시의 형태 3에서는, 계측 대상물이, 굴절률이 파장 분산되는 것인 경우를 예로 들어 설명한다.

실시의 형태 2에서는, 굴절률이 파장 분산되는 부재를 통해, 계측 대상물을 계측하는 경우를 설명한다.

또한, 이하의 각 실시의 형태에서는 백색 공초점 방식을 이용한 계측을 예로 들어 설명한다. 다만, 계측 방식은 이에 한정되지 않는다.

［실시의 형태 1］

＜A.시스템 구성＞

도 1은 본 실시의 형태에 따른 계측 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 계측 시스템(1)은 변위 센서(2), 정보 처리 장치(3), 및 스테이지(4)를 구비한다. 정보 처리 장치(3)는 전형적으로 퍼스널 컴퓨터이다.

변위 센서(2)는 계측 방식으로서 백색 공초점 방식을 이용한 변위 계측 장치이다. 변위 센서(2)는 파이버 동축 변위 센서라고도 불린다. 변위 센서(2)는 센서 콘트롤러(10), 도광부(19), 및 센서 헤드(20)를 갖는다. 센서 헤드(20)는 공초점 광학계를 포함한다. 상세하게는, 센서 헤드(20)는 대물렌즈와 색수차 유닛을 갖는다.

센서 콘트롤러(10)는 소정의 파장 확산(파장폭)을 갖는 광을 발생한다. 센서 콘트롤러(10)는 전형적으로 백색광을 발생한다. 이 광은 도광부(19)를 전파하여 센서 헤드(20)에 도달한다.

센서 헤드(20)에 있어서, 전파된 광은 대물렌즈에 의해 수속되어 계측 대상물(800)로 조사된다. 조사광(700)에는 색수차 유닛을 통과함으로써 축상 색수차가 발생하기 때문에, 대물렌즈로부터 조사되는 조사광의 초점 위치는 파장 마다 다르다. 계측 대상물(800)에 포커싱된 파장의 광만이 도광부(19)에 재입사하게 된다.

스테이지(4)는 조사광(700)의 광축 방향(도면의 화살표로 나타내는 상하 방향)으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 센서 콘트롤러(10)에 의해 스테이지(4)의 이동이 제어된다. 스테이지(4)에는 계측 대상물(800)이 재치된다.

계측 대상물(800)은 기판(기재)(810)과 기판(810) 상에 형성된 박막(820)을 갖는다. 또한 표면(821)은 외부에 노출된 면이다.

표면(821)에 포커싱된 파장의 광(701)이 반사광으로서 센서 헤드(20)에서 수광된다. 센서 콘트롤러(10)에는 도광부(19)를 통해, 센서 헤드(20)에서 수광된 반사광이 입사된다. 센서 콘트롤러(10)는 당해 반사광에 기초하여 센서 헤드(20)로부터 표면(821)까지의 거리(변위)를 산출한다.

정보 처리 장치(3)는 센서 콘트롤러(10)에 접속되어 있다. 정보 처리 장치(3)에 의해 센서 콘트롤러(10)의 각종 설정을 변경할 수 있다. 또한, 정보 처리 장치(3)에서는 센서 콘트롤러(10)에 의해 산출된 거리 등의 정보를 표시할 수 있다. 정보 처리 장치(3)의 각종 기능에 대해서는 후술한다. 또한 이러한 설정 및 표시는 센서 콘트롤러(10) 단체(單體)로도 가능하다.

또한 센서 콘트롤러(10), 센서 헤드(20) 및 도광부(19)의 하드웨어 구성은 종래의 것과 동일하므로, 여기서는 이러한 설명을 반복하지 않는다.

변위 센서(2)는 센서 헤드(20)와 박막(820)의 표면(821) 사이의 거리를 계측하기 때문에, 박막(820)에 의한 간섭에 의해 검출되는 파장이 박막(820)의 표면(821)에서 포커싱되는 파장으로부터 어긋나게 된다. 따라서, 계측값의 보정이 필요하게 된다. 이하, 보정의 내용에 대해 설명한다.

＜B.보정 처리＞

(b1.개요)

변위 센서(2)는 전형적으로 동일한 로트(혹은 동종)의 복수의 계측 대상물(800)의 계측시에 이용되는 함수를 사전 계측에 의해 이러한 로트의 계측시(이하, “본 계측시”라고도 함) 전에 생성한다. 당해 함수는 계측값(거리)을 보정하기 위해 이용된다. 당해 함수는 변위 센서(2)로 계측될 수 있는 계측값을 변수로 하고 있다.

또한, 변위 센서(2)는 스테이지(4)를 복수의 위치로 이동시켰을 때의 각 위치에 있어서 계측을 실시하였을 때의 계측값을 이용하여 상기 함수를 생성한다. 전형적으로 변위 센서(2)는 당해 함수로서 연속적인 복수의 1차 함수를 생성한다.

변위 센서(2)는 계측 대상면인 표면(821)까지의 거리를 계측하고, 당해 계측값(거리)에 따른 1차 함수를 이용하여 보정을 수행한다. 구체적으로, 변위 센서(2)는 계측값을, 당해 계측값을 변수값으로 하였을 때의 1차 함수의 값을 이용하여 보정한다.

이하, 구체예를 들어 이러한 처리의 상세를 설명한다. 또한 이하에서는 도 1의 화살표에 나타낸 바와 같이 스테이지(4)를 이동시켰을 때의 각각의 스테이지(4)의 위치(연직 방향의 위치)를, 설명의 편의상 “스테이지 위치”라고도 한다.

(b2. 상세)

(1) 1차 함수의 생성 처리

도 2는 복수의 연속적인 1차 함수를 생성하기 위한 데이터 처리를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 그래프의 횡축(“X축”이라고도 함)은 변위 센서(2)에 의해 계측된 계측값(M)을 나타내고 있다. 즉, 변위 센서(2)에 의해 계측된 센서 헤드(20)와 박막(820)의 표면(821)과의 거리를 나타내고 있다. 또한 횡축의 값은 계측값에 대해 오프셋을 실시한 값으로 하고 있다. 상세하게는, 횡축에서 변위 센서(2)에 의한 계측 대상물(800)의 계측으로 얻어지는 계측값의 범위의 중앙값을 0으로 하고 있다.

그래프의 종축(“Y축”이라고 칭함)은 선형성 오차(E)를 나타내고 있다. 구체적으로, 종축은 계측값(M)으로부터 이상값(R)을 공제한 값(E=M－R)을 나타내고 있다. 여기서, “이상값(R)”이란, 사용자에 의해 설정된 값이며, 센서 헤드(20)로부터 박막(820) 표면(821)까지의 이상적인 거리(기준 거리)를 나타낸 값이다. 이상값(R)은 스테이지 위치로부터 산출되는 값이다.

사용자는 스테이지(4)를 복수회 이동시킴으로써, 복수의 스테이지 위치에서, 센서 헤드(20)와 박막(820)의 표면(821)과의 거리를 계측한다. 예컨대, 도 2에 도시한 바와 같이, 7개의 점(P1~P7)을 얻기 위해 사용자는 변위 센서(2)를 이용하여 7회의 계측을 수행한다.

또한 이하에서는, 설명의 편의상 점 Pi(i는 하나 이상 7 이하의 자연수)의 X좌표를 “Mi”로 표기하고, 또한 y좌표를 “Ei”로도 표기한다. 또한, 점 Pi를 “좌표값 Pi(Mi, Ei)”로도 표기한다. 또한 계측값(Mi)이 얻어졌을 때의 스테이지 위치일 때의 이상값(R)을 “이상값(Ri)”이라고도 한다.

구체적으로, 변위 센서(2)는 7회의 계측에 의해 얻어진 각 계측값(Mi)에 관해, 계측값(Mi)으로부터 이상값(Ri)을 공제한 선형성 오차(Ei)를 산출한다. 이에 따라, 변위 센서(2)는 7개의 좌표값 Pi(Mi, Ei)를 얻는다.

도 3은 생성된 1차 함수를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 파선의 그래프는 비교예로서의 실험 데이터이다. 파선 그래프는 스테이지(4)를 연속적으로 이동시켰을 때 얻어진 데이터를 나타내고 있다. 변위 센서(2)에서는 제품 검사시 등의 계측 처리(즉, 본 계측시)에서는, 처리를 고속으로 하는 관점에서 이러한 연속적인 데이터를 이용하여 보정하는 것이 아니라, 이산한 데이터인 7개의 점(Pi)을 이용한다.

변위 센서(2)는 선형 보간을 수행하기 위해, 7개의 좌표값 Pi(Mi, Ei)을 이용하여 6개의 1차 함수 Fi(x)를 생성한다. 구체적으로, 7개의 좌표값 Pi(Mi, Ei) 중 X좌표가 인접하는 2개의 좌표값끼리를 직선으로 묶음으로써, 6개의 연속적인 1차 함수 F1(X)~F6(X)를 생성한다. 예컨대, 변위 센서(2)는 좌표값 P1(M1, E1)과 좌표값 P2(M2, E2)를 이용하여 1차 함수 F1(X)를 생성한다.

각 1차 함수 Fi(x)는 이하의 수식 (1)로 표현된다.

Fi(x)=AX＋B　…(1)

여기서, 식 (1)에서는 본 계측시에 얻어진 계측값(M)이 변수 X의 값으로 대입된다.

식 (1)에 있어서의 “A”는 X좌표가 인접하는 2개의 좌표값끼리를 묶는 선분의 기울기이다. 식 (1)에 있어서의 “B”는 각 선분의 좌측 단점(端点)의 선형성 오차 Ei(=Ri－Mi)의 값이다.

일차 함수 F1(X)~F6(X)를 구체적으로 나타내면, 이하와 같다.

F1(X)=((E2－E1)/(M2－M1))×X＋E1

F2(X)=((E3－E2)/(M3－M2))×X＋E2

F3(X)=((E4－E3)/(M4－M3))×X＋E3

F4(X)=((E5－E4)/(M5－M4))×X＋E4

F5(X)=((E6－E5)/(M6－M5))×X＋E5

F6(X)=((E7－E6)/(M7－M6))×X＋E6

이러한 6개의 1차 함수를 i를 이용하여 일반화하면, 식 (2)와 같이 된다.

Fi(x)=((E(i＋1)－Ei)/(M(i＋1)－Mi))×X＋Ei　…(2)

본 계측시의 계측값시에는 X의 값(즉, 계측값(M))에 따라 이용하는 함수가 다르다. 예컨대, 계측값(M)이 M1으로부터 M2까지의 범위에 포함되는 값인 경우에는, 1차 함수 F1(X)가 이용된다.

i를 이용하여 일반화하면, 계측값(M)이 Mi로부터 M(i＋1)까지의 범위에 포함되는 값이면, 1차 함수 Fi(x)가 이용된다.

(2) 보정의 구체예

변위 센서(2)는 상술한 바와 같이, 본 계측시에 1차 함수 F1(X)~F6(X)를 이용하여 계측값의 보정을 수행한다.

도 4는 계측값의 보정을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 산출된 계측값(M)(거리, 변수 X의 값)이 X축 방향의 구간 Qi(Mi＜M＜M(i＋1))에 포함되는 값인 경우, 변위 센서(2)는 1차 함수 Fi(x)를 이용하여 당해 계측값(M)의 보정을 수행한다.

구체적으로, 변위 센서(2)는 이하의 식 (3)을 이용한 보정을 수행함으로써, 보정 후의 계측값 C를 얻는다.

C=M－Fi(x)　…(3)

예컨대, 계측값(M)으로서 도시한 바와 같은 구간 Q1의 값 Mα가 얻어진 경우, 변위 센서(2)는 Mα로부터, 함수 F1(X)의 X의 값을 Mα로 하였을 때의 함수의 값 Vα(=F1(Mα))를 차감함으로써, 보정 후의 계측값 C를 얻는다.

또한, 계측값(M)으로서 도시한 바와 같이 구간 Q3의 값 Mβ가 얻어진 경우, 변위 센서(2)는 Mβ로부터 함수 F3(X)의 X의 값을 Mβ로 하였을 때의 함수의 값 Vβ(=F3(Mβ))를 차감함으로써, 보정 후의 계측값 C를 얻는다.

또한 변위 센서(2)는 상술한 식 (2) 대신에 이하의 식 (4)를 이용하고, 또한 상술한 식 (3) 대신에 이하의 식 (5)를 이용하여 계측값의 보정을 수행할 수도 있다.

Fi(x)=((－E(i＋1)＋Ei)/(M(i＋1)－Mi))×X－Ei　…(4)

C=M＋Fi(x)　…(5)

변위 센서(2)는 동일 로트 등의 복수의 계측 대상물(800)의 각각의 계측 대상면을 계측하였을 때 얻어지는 계측값(거리)에 대해 상술한 보정을 동일하게 수행한다.

이러한 보정을 수행함으로써, 간섭에 의해 발생하는 비선형 오차를 보정할 수 있다. 그러므로, 변위 센서(2)에 의하면, 계측 대상면인 박막 표면까지의 거리를 고정밀도로 계측 가능해진다.

＜C.기능적 구성＞

도 5는 계측 시스템(1)의 기능적 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 계측 시스템(1)은 상술한 바와 같이, 변위 센서(2)와 정보 처리 장치(3)를 구비하고 있다. 변위 센서(2)는 센서 콘트롤러(10), 도광부(19), 및 센서 헤드(20)를 갖는다.

센서 콘트롤러(10)는 제어부(11), 투광부(12), 수광부(13), 표시부(14), 통신 IF(Inter Face)부(15), 및 기억부(16)를 갖는다. 수광부(13)는 분광기(131) 및 검출기(132)를 포함한다.

투광부(12)에서 발생한 소정의 파장폭을 갖는 조사광은 도광부(19)를 전파하여 센서 헤드(20)에 도달한다. 센서 헤드(20)로 재입사한 반사광은 도광부(19)를 전파하여 수광부(13)로 입사한다. 수광부(13)에서는 분광기(131)에서 입사한 반사광이 각 파장 성분으로 분리되고, 검출기(132)에서 각 파장 성분의 강도가 검출된다.

제어부(11)는 검출기(132)에서의 검출 결과에 기초하여, 센서 헤드(20)로부터 계측 대상물(800)의 계측 대상면(예컨대, 박막(820)의 표면(821))까지의 거리(변위)를 산출한다. 제어부(11)는 1차 함수 Fi(x)를 생성하고, 기억부(16)에 격납한다. 제어부(11)는 적절히 1차 함수 Fi(x)를 독출하고, 당해 1차 함수를 이용하여 계측값의 보정을 수행한다.

표시부(14)는 제어부(11)에 의해 산출된 거리를 수치에 의해 표시한다.

수광부(13)의 검출기(132)를 구성하는 복수의 수광 소자 중 반사광을 수광하는 수광 소자는 센서 헤드(20)에 대한 계측 대상물(800) 표면의 형상에 따라 변화하게 된다. 따라서, 검출기(132)의 복수의 수광 소자에 의한 검출 결과(화소 정보)로부터 계측 대상물(800)의 계측 대상면에 대한 거리 변화(변위)를 계측할 수 있다. 이에 따라, 변위 센서(2)에 의해 계측 대상물(800)의 계측 대상면의 형상을 계측할 수 있다.

통신 IF부(15)는 정보 처리 장치(3)와의 통신에 이용된다.

정보 처리 장치(3)는 제어부(31), 기억부(32), 입력부(33), 표시부(34), 및 통신 IF부(35)를 갖는다.

제어부(31)는 정보 처리 장치(3)의 동작을 제어한다. 제어부(31)는 기억부(32)에 기억된 오퍼레이팅 시스템 상에서 소정의 응용 프로그램을 실행한다. 응용 프로그램의 실행에 의해 표시부(34)에 표시되는 화면(사용자 인터페이스)의 예에 대해서는 후술한다.

제어부(31)는 입력부(33)를 통한 사용자 입력(입력 조작)을 받아들인다. 또한, 제어부(31)는 표시부(34)에 화면을 출력한다. 제어부(31)는 통신 IF부(35)를 통해 센서 콘트롤러(10)와 통신한다.

정보 처리 장치(3)는 입력부(33)에 대한 사용자 조작에 기초하여 미리 정해진 개수(도 2의 예에서는 7개)의 계측값(M)과, 각 계측값(M)이 얻어졌을 때의 각 이상값(R)의 입력을 받아들인다. 정보 처리 장치(3)는 이러한 값의 입력을 받아들이기 위한 화면(도 6 참조)을 표시부(34)에 표시한다.

정보 처리 장치(3)는 받아들인 복수의 값의 세트(계측값(M)과 이상값(R)의 세트)를 센서 콘트롤러(10)로 송신한다. 정보 처리 장치(3)는, 도 2의 경우, 7 세트의 데이터를 송신한다.

센서 콘트롤러(10)의 제어부(11)는 정보 처리 장치(3)로부터 수신한 복수의 값의 세트(계측값과 이상값의 세트)에 기초하여 보정에 이용하는 복수의 1차 함수 Fi(X)를 생성한다. 제어부(11)는 정식 계측시에는 동일한 로트의 계측 대상물에 관해, 생성된 1차 함수 Fi(X)를 이용하여 계측값(거리)의 보정을 실행한다.

또한 사용자가 정보 처리 장치(3)에 대해 입력하는 데이터 세트(계측값 및 이상값)의 수는 7개로 한정되지 않는다. 이러한 수는 사용자가 임의로 결정할 수 있다.

＜D.사용자 인터페이스＞

도 6a 및 도 6b는 정보 처리 장치(3)의 표시부(34)에서 표시되는 화면예를 나타낸 도면이다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 정보 처리 장치(3)의 제어부(31)는 각 스테이지 위치에서의 계측값(변위 센서(2)에 의해 산출된 거리)과 이상값과의 입력을 요구하는 화면(341)을 표시한다. 제어부(31)는 전형적으로 화면(341)을 베이스가 되는 화면에 중첩한 상태로 표시한다.

도 6a의 상태 (A)에서는 사용자 조작에 기초하여 5개째의 데이터(계측값 및 이상값)의 입력이 이루어진 상태를 나타내고 있다. 사용자는 6개째의 데이터를 입력하는 경우, 오브젝트(342)를 선택한다. 이에 따라, 정보 처리 장치(3)의 제어부(31)는 6개째의 데이터를 입력하기 위한 화면을 표시한다.

사용자는 5개의 데이터로 좋다고 판단한 경우, 종료를 나타내는 오브젝트(343)를 선택할 수 있다. 이에 따라, 도 6b의 상태 (B)에 도시한 바와 같이, 화면이 천이되고, 보정용 복수의 데이터 입력이 종료된다.

사용자가 종료를 나타내는 오브젝트(349)를 선택하면, 입력된 데이터 세트가 변위 센서(2)의 센서 콘트롤러(10)로 송신된다. 이에 따라, 센서 콘트롤러(10) 내에서 1차 함수 Fi(X)가 생성된다.

＜E.제어 구조＞

먼저, 도 7 및 도 8에 기초하여 보정에 이용하는 1차 함수 Fi(X)의 생성을 설명한다. 이어서, 도 9에 기초하여 생성된 1차 함수 Fi(X)를 이용한 본 계측시에서의 계측값의 보정 처리에 대해 설명한다.

도 7은 계측 시스템(1)에 있어서의 처리의 흐름을 설명하기 위한 순서도이다.

도 7을 참조하면, 순서 SQ2에 있어서, 정보 처리 장치(3)는 계측값과 이상값의 입력을 반복해서 N회 받아들인다. 예컨대, 도 2의 경우, 7회의 입력을 받아들이고 있다.

순서 SQ4에 있어서, 정보 처리 장치(3)는 N개의 계측값(M)과, N개의 이상값(R)을 변위 센서(2)에 대해 송신한다. 즉, 정보 처리 장치(3)는 N개 세트의 데이터를 변위 센서(2)로 송신한다.

순서 SQ6에 있어서, 변위 센서(2)는 N개의 계측값(M)과 N개의 이상값(R)에 기초하여 N－1개의 1차 함수 Fi(X)를 생성한다.

도 8은 도 7의 순서 SQ6에서의 처리의 상세를 설명한 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 스텝 S12에 있어서, 변위 센서(2)의 제어부(11)는 변수 i의 값을 1로 설정한다. 스텝 S14에 있어서, 제어부(11)는 i번째의 구간 Qi(도 4 참조)의 1차 함수 Fi(X)를 정보 처리 장치(3)에서 i번째로 입력된 계측값 및 이상값과 i＋1번째에 입력된 계측값(M) 및 이상값(R)을 이용하여 생성한다.

스텝 S16에 있어서, 제어부(11)는 i를 인크리먼트한다. 즉, 제어부(11)는 i의 값을 1만큼 증가시킨다. 스텝 S18에 있어서, 제어부(11)는 i가 N 이상이 되었는지 여부를 판단한다. 여기서 N은 변위 센서(2)가 정보 처리 장치(3)로부터 수신한 데이터 세트의 수를 가리킨다.

제어부(11)는 i가 N 이상이 되었다고 판단하면(스텝 S18에서 YES), 일련의 처리를 종료한다. 제어부(11)는 i가 N 미만이라고 판단하면(스텝 S18에서 NO), 처리를 스텝 S14로 진행한다.

도 9는 본 계측시에 있어서의 계측값(M)의 보정 처리를 설명하기 위한 흐름도이다.

도 9를 참조하면, 스텝 S102에 있어서, 변위 센서(2)의 제어부(11)는 계측값(M)을 취득한다. 즉, 제어부(11)는 센서 헤드(20)가 수광한 광에 기초하여 계측 대상면(박막(820) 표면(821))과 거리를 산출한다.

스텝 S104에 있어서, 제어부(11)는 계측값(M)에 대응한 1차 함수 Fi(X)를 특정한다. 즉, 제어부(11)는 복수의 1차 함수 Fi(X) 중에서 당해 계측값(M)이 포함되는 구간 Qi의 1차 함수 Fi(X)를 특정한다.

스텝 S106에 있어서, 제어부(11)는 특정된 1차 함수 Fi(X)를 이용하여 계측값(M)을 보정한다. 스텝 S108에 있어서, 제어부(11)는 보정 후의 계측값(계측값 C)을 출력한다. 예컨대, 제어부(11)는 보정 후의 계측값을 표시부(14)에 표시한다. 또한, 제어부(11)는 보정 후의 계측값을 도시하지 않은 기억부(16)에 격납한다.

스텝 S110에 있어서, 제어부(11)는 동일한 로트의 계측 대상물(800)이 남아 있는지 여부를 판단한다. 제어부(11)는, 남아 있다고 판단하면(스텝 S110에서 YES), 처리를 스텝 S102로 진행한다. 제어부(11)는, 남아 있지 않다고 판단하면(스텝 S110에서 NO), 일련의 처리를 종료한다.

＜F.효과＞

도 10은 상술한 보정 처리의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

도 10을 참조하면, 어느 계측 대상물에 대해 스테이지 위치를 50회 이상 변경하여 계측값을 얻었다. 통상, 이러한 회수의 계측을 수행하지 않지만, 효과를 검증하기 위해 수행하였다. 또한, 종축은 선형성 오차(E)이고, 횡축은 변위 센서(2)에 계측된 계측값(M)을 나타내고 있다.

파선의 그래프는 보정 전의 선형성 오차(E)(E=M－R)에 관한 것이다. 상세하게는, 파선 그래프는 53개의 선형성 오차(E)의 각 점을 선분으로 묶은 것이다. 또한 이 각 선분 자체가 보정에 이용하는 1차 함수에 해당한다.

실선 그래프는 보정 전의 선형성 오차(E)(E=M－R)에 관한 것이다. 상세하게는 53개의 보정 후의 선형성 오차(E)의 각 점을 선분으로 묶은 것이다.

파선 그래프와 실선의 그래프를 대비하면, 보정에 의해 선형성 오차(E)가 작아져 있음을 알 수 있다.

＜G.변형예＞

상기에서는 센서 콘트롤러(10)가 복수의 1차 함수 Fi(X)를 생성하는 구성을 예로 들어 설명하였지만, 이에 한정되지 않는다. 생성되는 함수는 1차 함수에 한정되는 것은 아니다.

2차 함수, 또는 3차 이상의 고차 함수(다차 함수)일 수도 있다. 예컨대, 도 2의 예에서는 7개의 점(P1~P7)을 통과하는 2차 이상의 함수일 수도 있다.

또한, 각 점을 통과하는 함수를 반드시 생성할 필요는 없다. 예컨대 최소 이승법을 이용하여 함수를 생성할 수도 있다.

또한, 보정 간격(즉, 각 점의 간격)은 등간격이 아닐 수도 있다.

이러한 변형예는 후술하는 실시의 형태 2, 3에서도 적용할 수 있다.

［실시의 형태 2］

본 실시의 형태에서는 굴절률이 파장 분산되는 부재를 통해 백색광을 계측 대상물에 조사하는 구성에 대해 설명한다. 전형적으로는, 유리를 통해 계측 대상물에 백색광을 조사하는 구성을 설명한다.

도 11은 본 실시의 형태의 계측을 설명하기 위한 도면이다.

도 11을 참조하면, 변위 센서(2)에 의해, 계측 대상물(800A)의 계측 대상면(851)을 계측한다.

계측 대상면(851)에 포커싱된 파장의 광(702)이 반사광으로서 센서 헤드(20)에서 수광된다. 센서 콘트롤러(10)에는 도광부(19)를 통해, 센서 헤드(20)에서 수광된 반사광이 입사된다. 센서 콘트롤러(10)는 당해 반사광에 기초하여 센서 헤드(20)로부터 계측 대상면(851)까지의 거리(변위)를 산출한다.

그런데, 본 실시의 형태에서의 계측에서는 유리를 통해 계측 대상면(851)과의 거리를 산출하고 있다. 이 경우, 유리에 의한 파장 분산에 의해, 검출되는 파장이 유리가 없으면 가정한 경우에 계측 대상면(851)에서 포커싱되는 파장으로부터 어긋나게 된다. 따라서, 본 실시의 형태에서도, 실시의 형태 1과 마찬가지로 계측값에 대한 보정이 필요하다.

구체적으로, 본 실시의 형태에서도, 실시의 형태 1과 동일하게, 변위 센서(2)에 의해 보정에 이용하는 1차 함수 Fi(X)를 사전에 생성해 둔다. 그리고, 본 계측시에 있어서, 계측된 구간(Qi)에 따른 1차 함수 Fi(X)를 이용하여 계측값 보정을 수행한다. 구체적으로, 변위 센서(2)의 제어부(11)는 상술한 수식 (3)을 이용한 보정을 수행한다.

이러한, 투명체를 통한 계측의 경우에 대해 상술한 보정을 수행함으로써, 투명체에 있어서의 파장 분산에 의해 발생하는 비선형 오차를 보정할 수 있다. 그러므로, 변위 센서(2)에 의하면, 계측 대상면(851)까지의 거리를 고정밀도로 계측할 수 있다.

［실시의 형태 3］

본 실시의 형태에서는 실시의 형태 2와 마찬가지로, 굴절률이 파장 분산되는 부재를 통해 백색광을 계측 대상물에 조사하는 구성에 대해 설명한다. 구체적으로, 투명체(전형적으로 유리)의 두께를 계측하는 구성에 대해 설명한다.

도 12는 본 실시의 형태의 계측을 설명하기 위한 도면이다.

도 12를 참조하면, 변위 센서(2)에 의해 계측 대상물인 유리(800B)의 두께를 계측한다. 구체적으로, 변위 센서(2)는 센서 헤드(20)와 유리(800B)의 표면(871) 사이의 거리와, 센서 헤드(20)와 유리(800B)의 이면(872)까지의 거리를 산출함으로써, 유리(800B)의 두께를 산출한다. 또한 “표면”이란, 외부에 노출되어 있는 면으로서, 본 예에서는 센서 헤드(20)측의 면이다. “이면”이란, 스테이지(4)에 접촉되어 있는 면으로서, 표면 보다 센서 헤드(20)로부터 떨어져 있는 면이다.

보다 상세하게는, 표면(871)에 포커싱된 파장의 광(703)이 반사광으로서 센서 헤드(20)에 수광된다. 센서 콘트롤러(10)에는 도광부(19)를 통해 센서 헤드(20)에서 수광된 반사광이 입사된다. 센서 콘트롤러(10)는 당해 반사광에 기초하여 센서 헤드(20)로부터 표면(871)까지의 거리(변위)를 산출한다.

이면(872)에 포커싱된 파장의 광(704)이 반사광으로서 센서 헤드(20)에서 수광된다. 센서 콘트롤러(10)에는 도광부(19)를 통해 센서 헤드(20)에서 수광된 반사광이 입사된다. 센서 콘트롤러(10)는 당해 반사광에 기초하여 센서 헤드(20)로부터 이면(872)까지의 거리(변위)를 산출한다.

그런데, 본 실시의 형태에서의 계측에서는, 이면(872)까지의 거리의 계측(산출)에 관해, 유리(800B) 자체에 의한 파장 분산에 의해 실시의 형태 2와 마찬가지로 검출되는 파장이 어긋나게 된다. 따라서, 본 실시의 형태에서도, 실시의 형태 1, 2와 마찬가지로, 계측값(M)에 대한 보정이 필요하다.

구체적으로, 본 실시의 형태에서도, 실시의 형태 1과 마찬가지로, 변위 센서(2)에 의해 보정에 이용하는 1차 함수 Fi(X)를 사전에 생성해 둔다. 그리고, 본 계측시에 있어서, 계측된 구간(Qi)에 따른 1차 함수 Fi(X)를 이용하여 계측값 보정을 수행한다. 구체적으로, 변위 센서(2)의 제어부(11)는 상술한 수식 (3)을 이용한 보정을 수행한다.

실시의 형태 1, 2와 다른 점은, 1차 함수 Fi(X)를 생성하기 위한 이상값(R)의 설정 방법이다. 실시의 형태 1, 2에 있어서, 이상값(R)은 스테이지 위치로부터 산출되는 값으로 하였다. 본 실시의 형태에서는 표면(871)까지의 계측값(거리)에 유리(800B)의 이상적인 두께를 더한 값을 이상값(R)으로 한다.

이와 같이, 실시의 형태 3에서 이상값(R)의 산출 방법이, 실시의 형태 1, 2에서의 이상값(R)의 산출 방법과 다른 이유는 이하와 같다.

이면(872)만을 보정하여 유리(800B)의 두께를 산출(이면(872)의 계측값으로부터 표면(871)의 계측값을 뺀 경우), 표면(871)의 선형성 오차의 영향을 받게 되어 오차가 커집니다. 표면(871)의 계측값으로부터 이상값을 구함으로써, 표면(871)의 선형성 오차를 포함한 보정이 가능해진다. 그 결과, 두께 오차를 저감할 수 있다.

이상과 같이, 투명체의 두께를 계측하는 경우에 있어서 상술한 보정을 수행함으로써, 계측 대상물인 유리(800B) 자체의 파장 분산에 의해 발생하는 비선형 오차를 보정할 수 있다. 그러므로, 변위 센서(2)에 의하면, 투명체의 두께(상세하게는 이면까지의 거리)를 고정밀도로 계측할 수 있다.

여기에 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기 실시의 형태의 설명이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 개시되고, 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1　 계측 시스템
2 변위 센서
3 정보 처리 장치
4 스테이지
10 센서 콘트롤러
11, 31 제어부
12 투광부
13 수광부
14, 34 표시부
15, 35 통신 IF부
16, 32 기억부
19 도광부
20 센서 헤드
33 입력부
131 분광기
132 검출기
341 화면
342, 343, 349 오브젝트
700 조사광
701, 702, 703, 704광, 800, 800A　 계측 대상물
800B　 유리
810 기판
820 박막
821, 871 표면
851 계측 대상면
872 이면

Claims

광을 발생하는 투광부;
측정값과 실변위가 비선형이 되는 계측 대상물에 대해, 상기 광을 상기 계측 대상물의 계측 대상면에서 포커싱되도록 조사하고, 또한 조사된 상기 광 중 상기 계측 대상면에서 반사된 광을 수광하는 센서 헤드;
상기 센서 헤드와 상기 계측 대상면 사이의 거리를 변수로 하는 함수를 기억한 기억부;
상기 센서 헤드에서 수광된 광의 파장에 기초하여 상기 거리를 산출하는 제어부를 구비하고,
상기 제어부는,
상기 센서 헤드와 상기 계측 대상물인 제1 계측 대상물의 계측 대상면과의 사이의 제1 거리를 상기 변수의 값으로서 상기 함수의 값을 산출하고,
산출된 상기 함수의 값을 이용하여 산출된 상기 제1 거리를 보정하는 변위 계측 장치.
미리 정해진 파장폭을 갖는 광을 발생하는 투광부;
굴절률이 파장 분산되는 부재를 통해 상기 광을 계측 대상물의 계측 대상면에서 포커싱되도록 조사하고, 또한, 조사된 상기 광 중 상기 계측 대상면에서 반사된 광을 수광하는 센서 헤드;
상기 센서 헤드와 상기 계측 대상면 사이의 거리를 변수로 하는 함수를 기억한 기억부; 및
상기 센서 헤드에서 수광된 광의 파장에 기초하여 상기 거리를 산출하는 제어부;를 구비하고,
상기 제어부는,
상기 센서 헤드와 상기 계측 대상물인 제1 계측 대상물의 계측 대상면과의 사이의 제1 거리를 상기 변수의 값으로서 상기 함수의 값을 산출하고,
산출된 상기 함수의 값을 이용하여 산출된 상기 제1 거리를 보정하는 변위 계측 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 계측 대상물로서의 상기 제1 계측 대상물과 제2 계측 대상물은 간섭이 발생하는 박막을 가지고,
상기 제어부는,
상기 센서 헤드 방향으로 이동 가능한 스테이지에 상기 제2 계측 대상물을 재치한 상태로 상기 스테이지를 복수의 위치로 이동시키고, 상기 센서 헤드와 상기 박막의 표면 사이의 거리인 제2 거리를 산출하고,
상기 복수의 위치의 각각에서 산출된 상기 제2 거리와, 상기 제2 거리가 산출되었을 때의 상기 센서 헤드와 상기 표면과의 사이의 기준이 되는 기준 거리에 기초하여 상기 함수를 생성하는 변위 계측 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제어부는,
상기 센서 헤드 방향으로 이동 가능한 스테이지에 상기 계측 대상물인 제2 계측 대상물을 재치한 상태로 상기 스테이지를 복수의 위치로 이동시키고, 상기 센서 헤드와 상기 제2 계측 대상물의 계측 대상면 사이의 거리인 제2 거리를 산출하고,
상기 복수의 위치의 각각에서 산출된 상기 제2 거리와, 상기 제2 거리가 산출되었을 때의 상기 센서 헤드와 상기 계측 대상면과의 사이의 기준이 되는 기준 거리에 기초하여 상기 함수를 생성하는 변위 계측 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 계측 대상물은 상기 계측 대상면으로서 제1면과 상기 제1면 보다 상기 센서 헤드로부터 멀어진 제2면을 갖는 파장 분산이 발생하는 물체로서,
상기 제어부는,
상기 계측 대상물로서의 제2 계측 대상물을 상기 센서 헤드 방향으로 이동 가능한 스테이지에 재치한 상태로 상기 스테이지를 복수의 위치로 이동시키고, 상기 센서 헤드와 상기 제2 계측 대상물의 상기 계측 대상면과의 사이의 제2 거리를 산출하고,
상기 복수의 위치의 각각에서 산출된 상기 제2 거리와, 상기 제2 거리가 산출되었을 때의 기준 거리에 기초하여 상기 함수를 생성하고,
상기 기준 거리는 상기 센서 헤드로부터 상기 제1면까지의 거리에 상기 계측 대상물의 이상적인 두께를 더한 거리인 변위 계측 장치.
청구항 3 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제2 거리와, 상기 제2 거리와 상기 기준 거리와의 차분과에 기초하여 상기 함수를 생성하는 변위 계측 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 제어부는,
상기 복수의 위치의 각각에서 산출된 상기 제2 거리를 이용하여 상기 변수의 수치 범위를 복수의 구간으로 나누고,
상기 복수의 구간의 각각에 대해 상기 함수를 생성하는 변위 계측 장치.
청구항 7에 있어서,
각 상기 구간의 함수는 1차 함수인 변위 계측 장치.
청구항 3 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 변위 계측 장치; 및
상기 변위 계측 장치와 통신 가능하게 접속된 정보 처리 장치를 구비한 계측 시스템으로서,
상기 정보 처리 장치는,
상기 복수의 위치의 각각에서 산출된 상기 제2 거리와, 상기 기준 거리를 상기 정보 처리 장치에 입력하는 사용자 조작을 받아들이고,
상기 복수의 위치의 각각에서 산출된 상기 제2 거리와, 상기 기준 거리를 상기 변위 계측 장치로 송신하는 계측 시스템.
광을 발생하는 스텝;
센서 헤드로부터 측정값과 실변위가 비선형이 되는 계측 대상물에 대해 상기 광을 상기 계측 대상물의 계측 대상면에서 포커싱되도록 조사하는 스텝;
조사된 상기 광 중 상기 계측 대상면에서 반사된 광을 수광하는 스텝;
수광된 광의 파장에 기초하여 상기 센서 헤드와 상기 계측 대상면 사이의 거리를 산출하는 스텝;
산출된 상기 거리를, 상기 거리를 변수로 하는 함수에서의 상기 변수값으로 하여 상기 함수의 값을 산출하는 스텝; 및
산출된 상기 함수의 값을 이용하여 산출된 상기 거리를 보정하는 스텝;을 구비하는 변위 계측 방법.
미리 정해진 파장폭을 갖는 광을 발생하는 스텝;
센서 헤드로부터 굴절률이 파장 분산되는 부재를 통해 상기 광을 계측 대상물의 계측 대상면에서 포커싱되도록 조사하는 스텝;
조사된 상기 광 중 상기 계측 대상면에서 반사된 광을 수광하는 스텝;
수광된 광의 파장에 기초하여 상기 센서 헤드와 상기 계측 대상면 사이의 거리를 산출하는 스텝;
산출된 상기 거리를, 상기 거리를 변수로 하는 함수에서의 상기 변수값으로 하여 상기 함수의 값을 산출하는 스텝; 및
산출된 상기 함수의 값을 이용하여 산출된 상기 거리를 보정하는 스텝을 구비하는 변위 계측 방법.