WO2017038902A1 - 表面形状測定装置 - Google Patents

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WO2017038902A1
WO2017038902A1 PCT/JP2016/075575 JP2016075575W WO2017038902A1 WO 2017038902 A1 WO2017038902 A1 WO 2017038902A1 JP 2016075575 W JP2016075575 W JP 2016075575W WO 2017038902 A1 WO2017038902 A1 WO 2017038902A1
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WO
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measurement
unit
measured
support
surface shape
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/075575
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
宮脇　崇
Original Assignee
株式会社ニコン
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 株式会社ニコン filed Critical 株式会社ニコン
Publication of WO2017038902A1 publication Critical patent/WO2017038902A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Definitions

  • the present invention relates to a surface shape measuring apparatus.
  • Patent Document 1 As a shape measuring device for measuring the shape of an object to be measured in a non-contact manner, a shape measuring device using a laser length measuring device is known (for example, Patent Document 1). In addition, a shape measuring device that measures the shape of an object to be measured from the position of the measurement surface and the tilt angle has been proposed (for example, Patent Document 2).
  • Patent Literature [Patent Document 1] JP-A-11-51624 [Patent Document 1] JP-A-2003-161615
  • the surface shape measuring apparatus may include a measurement unit that includes an irradiation unit that irradiates an object to be measured with irradiation light and a light detection unit that detects return light of the irradiation light.
  • You may provide the drive part which moves a measurement unit to the measurement position facing a to-be-measured object based on the reference
  • a calculation unit that calculates the surface shape data of the object to be measured based on the inclination of the object to be measured indicated by the reference shape data and the reference shape obtained based on the detection result of the light detection unit at the measurement position. May be.
  • the object to be measured may be supported on a stage that can rotate around a first axis perpendicular to the first plane.
  • the drive unit may move the measurement unit with three degrees of freedom: movement in the second plane intersecting the first plane and rotational movement about the second axis perpendicular to the second plane.
  • the measurement unit may include a distance measuring device for measuring the distance to the measurement point on the surface of the object to be measured.
  • An operating unit that rotates the stage around the first axis may be provided.
  • You may provide the control part which controls a drive part and an action
  • the control unit may measure the surface shape by scanning the measurement unit along one direction of the object to be measured and rotating the stage around the first axis.
  • the calculation unit is based on the reference shape and the inclination around the axis perpendicular to the scanning direction with respect to the reference shape of the measurement object indicated by the reference shape data obtained based on the detection result of the light detection unit at the measurement position. You may calculate the surface shape data of a to-be-measured object.
  • the control unit is configured such that one predetermined position of the measurement unit and a tangent plane at the measurement point of the reference shape of the object to be measured indicated by the predetermined reference shape data are opposed to each other, and one position is a predetermined reference.
  • the measurement unit may be scanned so that the distance at the measurement point of the reference shape of the object to be measured indicated by the shape data is a constant distance.
  • the control unit may control the driving unit and the operating unit such that the measurement points on the surface of the object to be measured that the measurement unit measures draw a radial locus on the surface.
  • the control unit may control the drive unit and the operation unit so that the measurement points on the surface of the object to be measured which the measurement unit measures draw a spiral trajectory on the surface.
  • the drive unit rotates the first support around the vertical axis with respect to the second support, and translates the second support in one plane with respect to the base supporting the second support. Also good.
  • the detector includes a first detector that detects a first rotation angle of the first support due to the rotational movement, and a second detector that detects a second rotation angle with respect to the swing of the second support that occurs due to the parallel movement. And may be included.
  • the first detector may be composed of a rotary encoder.
  • the second detector may be composed of at least two laser light wave interference type length measuring devices.
  • the second detector detects the second rotation angle based on the difference in the detection distance between the base portion and the second support by the two laser light wave interferometers, and the second support. The amount of movement in one direction in the parallel movement may be detected.
  • the laser projecting unit constituting the laser light wave interference type length measuring device may be installed on the second support, and the laser reflecting unit may be installed on the base unit.
  • the surface shape measuring apparatus of the second aspect that solves the problem may include a measurement unit having an irradiation unit that irradiates the measurement point with irradiation light and a light detection unit that detects return light of the irradiation light.
  • You may provide the drive part which moves a measurement unit with respect to a to-be-measured surface.
  • the driving unit may be provided with a control unit that performs measurement of the surface shape by moving the measurement unit to a measurement position facing the object to be measured based on predetermined reference shape data of the object to be measured.
  • a calculation unit that calculates the surface shape data of the object to be measured based on the inclination of the object to be measured indicated by the reference shape data and the reference shape obtained based on the detection result of the light detection unit at the measurement position. May be.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the entire surface shape measuring apparatus 10 according to the present embodiment.
  • the surface shape measuring device 10 is a device that strictly measures a surface shape, specializing a measurement object in a rotationally symmetric surface.
  • the term “surface shape” refers to the surface geometric shape itself, and the shape information such as the amount of unevenness and angle of the shape, the measurement result including these, and shape data. There is.
  • the surface shape measuring device 10 includes a base 100 as a base, and a first frame 140 and a second frame 150 that are firmly fixed to the base 100. Each element related to sensing in the surface shape measuring apparatus 10 is directly or indirectly assembled to any of the base 100, the first frame 140, and the second frame 150.
  • the upper surface of the base 100 is a horizontal plane, and one axis in the horizontal plane is defined as the x axis, and one axis in the horizontal plane that is orthogonal to the x axis is defined as the y axis. Further, the z axis is defined in the vertical direction orthogonal to the horizontal plane. Also, the upward direction in the vertical direction is the positive direction of the z axis. In addition, each figure after that clearly indicates from which direction the figure is observed based on the xyz coordinate system shown in FIG. 1 according to the above definition.
  • the XY stage 160 is stacked on the upper surface of the base 100.
  • the XY stage 160 can move in parallel with the upper surface of the base 100 in the xy direction and can rotate around the z axis.
  • rotational movement around the z-axis may be referred to as rotation in the ⁇ z direction.
  • the XY stage 160 functions as an installation base for the device under test 200, and fixes the device under test 200 via the chuck 161.
  • the DUT 200 includes a measurement surface 201 and a holding unit 202, and the chuck 161 holds the holding unit 202.
  • the measurement surface 201 to be measured is a substantially rotationally symmetric surface having a rotationally symmetric axis parallel to the z axis in the posture of FIG.
  • the “substantially rotationally symmetric surface” means that the surface is not an exact rotationally symmetric surface, and minute irregularities are asymmetrically present on the surface.
  • the measurement surface is a spherical lens, such minute unevenness can be generated as a processing error that occurs in a polishing operation in the manufacturing process.
  • the surface shape measuring apparatus 10 is a rotationally symmetric surface as a whole, but measures a measurement surface in which minute irregularities are unevenly distributed when observed by magnifying locally. This is an apparatus for acquiring surface shape information with higher accuracy including information on uneven shape.
  • the DUT 200 is placed on the XY stage 160 so that the rotational symmetry axis of the measurement surface 201 and the rotational axis in the ⁇ z direction of the XY stage 160 coincide.
  • the measurement surface 201 of the DUT 200 thus installed is rotated around the rotational symmetry axis and the surface shape is measured.
  • the first frame 140 is a support frame that is vertically raised from the base 100 in the z-axis direction.
  • the first frame 140 supports the second support 130 above the yz plane, and the second support 130 supports the first support 120 on the surface opposite to the surface supported by the first frame 140.
  • the first support 120 supports the measurement unit 110 on the surface opposite to the surface supported by the second support 130.
  • the measurement unit 110 is located in a space above the DUT 200 installed on the XY stage 160.
  • the measurement unit 110, the first support body 120, and the second support body 130 are elements constituting a head that moves relative to the measurement surface 201.
  • the second support 130 is translated in the yz plane relative to the first frame 140 by a driving mechanism of an actuator (described later) disposed on the first frame 140 and a transmission mechanism disposed across the second support 130.
  • the z-axis minus direction is a direction approaching the measurement surface 201 of the DUT 200 in the initial state of the surface shape measuring apparatus 10 as illustrated.
  • the first support 120 is rotated about the x axis with respect to the second support 130 by a transmission mechanism disposed across the driving force of an actuator, which will be described later, disposed on the second support 130. Can move.
  • rotational movement around the x axis may be referred to as rotation in the ⁇ x direction.
  • the amount of movement of the second support 130 in the z direction relative to the first frame 140 is detected by a Z sensor 155 described later.
  • the rotation angle of the first support 120 in the ⁇ x direction is detected by a rotary encoder 131 disposed on the second support 130.
  • the measurement unit 110 includes a distance measuring device 111, an angle measuring device 112, and a holder 113 that supports them.
  • the distance measurement device 111 measures the distance to the measurement point on the measurement surface 201
  • the angle measurement device 112 measures the inclination of the measurement surface at the measurement point. A specific configuration will be described later with reference to the drawings.
  • the holder 113 is fixed to the first support 120 and does not move relative to the first support 120.
  • the measurement unit 110 for measuring the surface shape of the measurement surface 201 has a parallel movement in the yz plane that is one plane including a direction approaching the measurement surface 201, and an x axis perpendicular to the plane. It can move by three degrees of freedom with the surrounding rotational movement (rotational movement in the ⁇ x direction).
  • the yz plane is adopted as one plane including the direction approaching the measurement surface 201, but it is only necessary that the measurement unit 110 can move within one plane including the direction approaching the measurement surface 201.
  • one plane may be set so that the measurement unit 110 can move within one plane intersecting the measurement surface 201 when the DUT 200 is placed on the XY stage 160 and moved to the measurement position. .
  • the second frame 150 is a support frame that is vertically raised from the base 100 in the z-axis direction.
  • the second frame 150 fixes and supports the interferometer unit 151 above the xz plane.
  • the interferometer unit 151 is a sensor unit that detects the amount of movement of the second support 130 in the y direction and the rotation angle in the ⁇ x direction.
  • the interferometer unit 151 includes a first interferometer 153 and a second interferometer 154, each of which is a laser light wave interference type length measuring device.
  • the laser projection unit of the first interferometer 153 and the laser projection unit of the second interferometer 154 are spaced apart along the z-axis direction. A specific configuration of the interferometer unit 151 will be described later with reference to the drawings.
  • the first frame 140 and the second frame 150 are each independently fixed to the base 100. Since the second frame 150 supports the interferometer unit 151 that performs precision measurement, it is preferable that the second frame 150 is not directly connected to the first frame 140 that can vibrate while supporting the head that is a moving body.
  • the control unit 180 includes a system control unit 181 configured by, for example, a CPU, and a user interface 182 that receives input from a user and presents measured surface shape information.
  • the system control unit 181 controls the entire surface shape measuring apparatus 10.
  • the user interface 182 includes, for example, a liquid crystal display provided with a touch panel that receives input from the user.
  • FIG. 2 is a system configuration diagram of the surface shape measuring apparatus 10. Specifically, the control executed by the system control unit 181 is a diagram illustrating a relationship with main control targets.
  • the system control unit 181 sends a control signal to each control target arranged in the right column of the figure to control a series of measurement sequences, and executes various calculations for receiving the sensing result and identifying the surface shape And an arithmetic unit 187 for Each of the measurement control unit 186 and the calculation unit 187 may be a virtual functional unit of the CPU, or at least a part thereof may have a hardware configuration such as an ASIC independent of the CPU.
  • the user interface 182 receives input from the user such as conditions regarding measurement, basic information of the DUT 200, and a measurement start instruction, and sends them to the system control unit 181. In addition, the user interface 182 receives from the system control unit 181 and displays the progress status of the measurement sequence executed by the measurement control unit 186 and the surface shape information calculated by the calculation unit 187.
  • the control unit 180 includes a memory 183 configured by a flash memory, for example.
  • the memory 183 may be configured by a plurality of storage media.
  • the memory 183 stores various programs executed by the system control unit 181 including a measurement control program executed by the measurement control unit 186 and a calculation program executed by the calculation unit 187.
  • the memory 183 also functions as a work memory for calculations performed by the calculation unit 187.
  • the memory 183 also has a function of storing various parameters and data that are input by the user via the user interface 182 or sent from an external device via the network.
  • the measurement control unit 186 controls the distance measuring device 111 and the angle measuring device 112 that constitute the measuring unit 110.
  • the measurement control unit 186 sends a control signal for starting distance measurement to the distance measuring device 111 and receives the output thereof. Similarly, a control signal for starting angle measurement is sent to the angle measuring device 112, and its output is received.
  • the measurement control unit 186 passes the received output to the calculation unit 187.
  • the measurement control unit 186 controls the ⁇ x drive motor 132 that rotates the first support 120 in the ⁇ x direction with respect to the second support 130.
  • the ⁇ x drive motor 132 is the above-described actuator disposed on the second support 130, and for example, a brushless motor can be used.
  • the measurement control unit 186 transmits a drive signal corresponding to the rotation angle to the ⁇ x drive motor 132.
  • the measurement control unit 186 controls the YZ drive motor 141 that moves the second support 130 in the yz direction with respect to the first frame 140.
  • the YZ drive motor 141 is the above-described actuator disposed on the first frame 140, and for example, two brushless motors corresponding to the y direction and the z direction can be used.
  • the measurement control unit 186 transmits a drive signal corresponding to the amount of movement to the YZ drive motor 141. That is, as described above, the measurement unit 110 can move with three degrees of freedom of parallel movement in the yz plane and rotational movement around the x axis. This movement is driven by the YZ drive motor 141 as the drive unit and the ⁇ x drive. This is realized by the motor 132.
  • the measurement control unit 186 sends a control signal for starting the rotation angle detection to the rotary encoder 131 and receives its output.
  • the measurement control unit 186 passes the received output to the calculation unit 187.
  • the measurement control unit 186 sends a control signal for starting the distance detection to the interferometer unit 151 and receives its output.
  • the measurement control unit 186 passes the received output to the calculation unit 187.
  • the calculation unit 187 calculates the amount of movement in the y direction of the second support 130 relative to the first frame 140 and the rotation angle in the ⁇ x direction from the received output.
  • the measurement control unit 186 sends a control signal for starting distance detection to the Z sensor 155 and receives its output.
  • the measurement control unit 186 passes the received output to the calculation unit 187.
  • the Z sensor 155 is a distance sensor that detects the amount of movement of the second support 130 in the z direction with respect to the first frame 140.
  • the Z sensor 155 is constituted by, for example, one laser light wave interference type length measuring device.
  • the measurement control unit 186 controls the ⁇ z drive motor 101 that rotates the XY stage 160 in the ⁇ z direction with respect to the base 100.
  • the ⁇ z drive motor 101 is a brushless motor, for example, disposed on the base 100.
  • the measurement control unit 186 transmits a drive signal corresponding to the rotation angle to the ⁇ z drive motor 101.
  • the measurement control unit 186 controls the XY drive motor 102 that moves the XY stage 160 in the xy direction with respect to the base 100.
  • the XY drive motors 102 are, for example, two brushless motors disposed on the base 100 and corresponding to the x direction and the y direction, respectively.
  • the measurement control unit 186 transmits a drive signal corresponding to the amount of movement to the XY drive motor 102.
  • the measurement control unit 186 sends a control signal for starting rotation angle detection to the ⁇ z sensor 103 and receives its output.
  • the measurement control unit 186 passes the received output to the calculation unit 187.
  • the ⁇ z sensor 103 is a rotation angle detection sensor that detects the rotation angle of the XY stage 160 in the ⁇ z direction with respect to the base 100.
  • the ⁇ z sensor 103 is constituted by a rotary encoder, for example.
  • the measurement control unit 186 sends a control signal for starting the movement amount detection to the XY sensor 104 and receives its output.
  • the measurement control unit 186 passes the received output to the calculation unit 187.
  • the XY sensor 104 is a movement amount detection sensor that detects the amount of movement of the XY stage 160 in the xy direction with respect to the base 100.
  • the XY sensor 104 includes, for example, two laser light wave interference type length measuring devices arranged in the x direction and the y direction, respectively.
  • FIG. 3A is a perspective view showing an object to be measured 200 as an example of a measurement object measured by the surface shape measuring apparatus 10 in the present embodiment
  • FIG. 3B is an example of another measurement object. It is a perspective view which shows the to-be-measured object 200 '.
  • the surface shape measuring apparatus 10 in the present embodiment is an apparatus that strictly measures the surface shape of a substantially rotationally symmetric surface, and therefore at least a part of the surface of the object to be measured is a substantially rotationally symmetric surface.
  • the measurement surface 201 of the DUT 200 is a spherical surface protruding in the positive z-axis direction.
  • the measurement surface 201 is approximately a shape obtained by rotating (c 2 ⁇ x 2 ) 1/2 in the first quadrant of the xz plane once around the z-axis. Is made.
  • the measurement surface only needs to have a shape obtained by rotating the function expressed in the first quadrant of the xz plane once around the z axis, and the top surface is a concave portion like the measurement surface 201 ′ of the measurement target 200 ′. It may be a shape like Note that the DUTs 200 and 200 'shown in the drawing are provided with holding parts 202 and 202' so that they can be easily fixed to the chuck 161, but even a DUT that does not have such a holding part may be treated, for example. If it is fixed to the XY stage 160 via a tool, the surface shape can be measured.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view and an enlarged view for explaining the surface shape to be measured.
  • the cross-sectional view of FIG. 4 represents a cut surface of the DUT 200 along the plane A including the rotational symmetry axis 210 shown in FIG.
  • the surface 201 to be measured is a rotationally symmetric surface as a whole, but there are minute irregularities when locally enlarged.
  • a measurement surface is assumed in which the outer edge of the projected shape on the xy plane is about ⁇ 100 mm (r in the figure). At this time, according to the configuration of the measurement unit and the measurement principle described later, the resolution in the depth direction of the unevenness can be reduced to about 1 nm.
  • the “resolution” is the finest unit that can identify the shape of the measurement object as the calculated raw data, and the “accuracy” that guarantees the accuracy as the measurement result is 10 nm in the present embodiment. It will be about. However, these orders can be changed depending on the device configuration, sensor performance, and the like.
  • the depth direction of the unevenness is the direction of the arrow shown in the enlarged view. More specifically, the direction is perpendicular to the rotationally symmetric plane (dotted line in the enlarged view).
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the configuration and measurement principle of the measurement unit 110.
  • 5A is a diagram for explaining the configuration and measurement principle of the distance measurement device 111
  • FIG. 5B is a diagram for explaining the configuration and measurement principle of the angle measurement device 112.
  • a state in which the vertex is a measurement point when the vertex of the measurement surface 201 is located at the origin coordinate is shown as an example.
  • the distance measuring device 111 condenses the first probe light (first irradiation light PL1) generated by the first light source 1111 that generates the first probe light and the first light source 1111 to the measurement point on the measurement surface 201.
  • the angle measuring device 112 condenses the second probe light (second irradiation light PL2) generated by the second light source 1121 that generates the second probe light and the second light source 1121 to the measurement point on the measurement surface 201.
  • the first light source 1111 and the second light source 1121 are laser light sources in which the oscillation wavelength, light output, beam pointing, and the like are stabilized.
  • a fiber laser or a DFB semiconductor laser is used.
  • Collimators are provided at the output portions of the first light source 1111 and the second light source 1121, and the first irradiation light PL ⁇ b> 1 and the second irradiation light PL ⁇ b> 2 that are converted into parallel luminous flux are output from each light source.
  • the photodetectors 1114 and 1124 are detectors that detect the positions of the first reflected light RL1 and the second reflected light RL2, respectively.
  • an image sensor such as a QPD (quadrant photodetector) or a CMOS is used. it can.
  • the first irradiation light PL1 emitted from the first light source 1111 is condensed by the condenser lens 1112 and enters the measurement point.
  • the first reflected light RL ⁇ b> 1 reflected at the measurement point is collected by the condenser lens 1113 and enters the photodetector 1114.
  • the incident position of the first reflected light RL1 that is collected and incident on the photodetector 1114 does not change.
  • the distance d s from the reference position z 0 of the measurement unit 110 to the measurement point can be calculated from the position detection signal output from the light detector 1114 to the measurement control unit 186.
  • the reference position z 0 may be, for example, the z coordinate of the rotation axis that rotates the first support 120 in the ⁇ x direction, or the z coordinate on the reference surface of the measurement unit 110 when facing the measurement surface 201. good.
  • the second irradiation light PL2 emitted from the second light source 1121 is condensed by the condenser lens 1122 and enters the measurement point.
  • the second reflected light RL2 reflected at the measurement point is collimated by the collimating lens 1123 and enters the photodetector 1124.
  • the incident position of the second reflected light RL2 incident on the photodetector 1124 hardly changes.
  • the tilt of the reflecting surface at the measurement point changes (tilt)
  • the incident position of the second reflected light RL2 that enters the photodetector 1124 changes.
  • the reflection angle ⁇ s of the reflection surface at the measurement point can be calculated from the angle detection signal output from the light detector 1124 to the measurement control unit 186, and an inclination angle (described later) that is the inclination of the reflection surface can be calculated. Can do.
  • the distance measuring device 111 and the angle measuring device 112 include a first reference surface on which the first irradiation light PL1 and the first reflected light RL1 are stretched when the inclination of the reflection surface at the measurement point is 0,
  • the second irradiation light PL2 and the second reference surface stretched by the second reflected light RL2 are adjusted to be orthogonal to each other and fixed to the holder 113.
  • the first reference plane is the xz plane and the second reference plane is the yz plane.
  • the distance measuring device 111 and the angle measuring device 112, the reference distance d 0 from the reference position z 0, adjusted to the reflection point of each probe beam (measurement point) overlap is fixed to the holder 113 .
  • FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the derivation of the surface shape.
  • the measurement unit 110 is scanned from the left side to the right side in the drawing, and performs measurement at every sampling interval L.
  • the accuracy of the surface shape measuring apparatus 10 according to this embodiment in the depth direction of the unevenness is about 10 nm. If an accuracy of 10 nm is to be obtained only by the distance measuring device 111, it is necessary to prepare a distance meter having an output accuracy of 10 nm as it is. Such rangefinders are not very practical because they are expensive or huge. Therefore, in the surface shape measuring apparatus 10 according to the present embodiment, the distance measuring device 111 itself is a distance meter having a performance that is coarser than the target accuracy, and the angle measuring device 112 is combined with the distance measuring device 111. Installed.
  • L ⁇ i 10 nm
  • L 1 mm
  • the distance measuring device 111 in order to make the measurement point targeted by the angle measuring device 112 coincide with the reflection point of the second probe light, it is desirable to have the distance measuring device 111. That is, when the distance between the reference position z 0 of the measurement unit 110 and the measurement surface 201 is kept at the reference distance d 0 while scanning the output of the distance measurement device 111, both the distance measurement device 111 and the angle measurement device 112 are measured. Since the points coincide with each other, the measurement control unit 186 can accurately grasp the measurement point measured by the angle measuring instrument 112. When the distance measuring device 111 is not provided, it is necessary to prepare a separate device for accurately grasping the measurement point coordinates by the angle measuring device 112.
  • the error range of the distance may be much larger than the accuracy in the depth direction to be measured using the angle measuring device 112. That is, it can be said that the output accuracy required for the distance measuring device 111 may be coarser than the accuracy in the depth direction to be measured. For example, when the accuracy in the depth direction to be measured is about 10 nm, it may be about 10 ⁇ m.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the relative movement between the DUT 200 and the head.
  • the reference position 115 of the head is set on a rotation axis that rotates the first support 120 in the ⁇ x direction.
  • FIG. 7A shows an initial state where the vertex of the rotationally symmetric surface can be measured.
  • the measurement control unit 186 acquires rotationally symmetric surface information as basic information of the device under test 200 based on user input or the like.
  • the rotationally symmetric surface information is, for example, design data and does not include information on minute unevenness caused by processing or the like.
  • Measurement control unit 186 uses the obtained rotationally symmetric surface information, so that the reference position 115 is located above d 0 of the apex of the rotationally symmetrical surface is a measurement surface 201, first support 120, second support member 130 and the XY stage 160 are moved. At this time, the measurement control unit 186 moves the measurement unit 110 so as to face the tangential plane of the apex. Also in the subsequent scanning, the measurement control unit 186 controls the measurement unit 110 to face the tangent plane at the measurement point calculated from the acquired rotational symmetry plane information.
  • the measurement unit 110 facing the tangent plane is equivalent to the tangent plane being orthogonal to both the first reference plane and the second reference plane.
  • FIG. 7B shows a state where the measurement point has moved slightly from the apex of the measurement surface 201 to the outer peripheral side.
  • the measurement control unit 186 translates the second support 130 in the y direction and the z-axis direction, and rotates the first support 120 in the ⁇ x direction. More specifically, while the tangent plane and the measurement unit 110 at the measurement point to target faces, the distance between the reference position 115 is moved so as to keep the d 0. In parallel, the measurement control unit 186 rotates and moves the XY stage 160 in the ⁇ z direction.
  • the measurement control unit 186 does not translate the XY stage 160 in the xy direction.
  • the measurement control unit 186 moves the XY stage 160 to the parallel movement in the xy direction when moving the measurement object 200 to the initial position after the user places the measurement object 200 on the XY stage 160. No translation is performed during the measurement sequence for measuring the surface 201. Therefore, when the DUT 200 is moved to the initial position, the movement function of the XY stage 160 in the xy direction is useful, but the movement function can be omitted.
  • the measurement control unit 186 uses the output of the Z sensor 155 when moving the measurement unit 110 to the initial position. However, in the scan after the measurement unit 110 reaches the initial state, the measurement control unit 186 can grasp the position in the z direction based on the output of the distance measuring device 111, and therefore monitors the output of the Z sensor 155. It is not necessary.
  • FIG. 7 (c) shows a state where the measurement point has further moved to the outer peripheral side.
  • the measurement control unit 186 further translates the second support 130 in the y direction and the z direction, and further rotates the first support 120 in the ⁇ x direction.
  • the measurement control unit 186 continues the rotational movement of the XY stage 160 in the ⁇ z direction.
  • the scanning of the head with respect to the measurement surface 201 is only in the direction along the y axis, and is not accompanied by translation in the x direction. Also, scanning in the y direction is only the negative region of y in the figure, and scanning is not performed in the positive region. That is, by rotating the XY stage 160 in the ⁇ z direction, the entire measurement surface can be measured with such simple movement control.
  • the degree of freedom that the head should have and the degree of freedom that the stage on which the measurement object is to be placed are optimized.
  • the driving structure of the head and the driving structure of the stage can be simplified. In particular, simplification of the drive configuration of the head contributes to weight reduction of the head, and also contributes to speeding up the movement of the head.
  • the surface shape measuring apparatus 10 is a measuring apparatus that specializes in a rotationally symmetric surface as a measurement target. Therefore, the surface shape measuring apparatus 10 has many complicated mechanisms and many like a general-purpose measuring apparatus that measures various surfaces. It is not necessary to provide a 6-degree-of-freedom head equipped with the actuator. In order to accurately control the movement of six degrees of freedom, it is necessary to arrange a large drive mechanism in the head, and it is also necessary to arrange a large number of detection system devices for detecting the position of the head. As the head has more degrees of freedom, the cumulative movement error also increases exponentially. To reduce this, it is necessary to provide a larger drive mechanism or a highly accurate detection sensor. Then, not only the cost of the apparatus is increased, but also the weight of the head increases, so that the detection speed is significantly reduced.
  • the surface shape measuring device 10 in this embodiment is a device for measuring the surface shape of the rotationally symmetric surface with higher accuracy and higher speed, the increase in the weight of the head is contrary to its purpose. That is, it is important to suppress an increase in the weight of the head in order to measure the surface shape at high speed. In this respect, the surface shape measuring apparatus 10 suppresses an increase in the weight of the head by minimizing the degree of freedom given to the head.
  • the surface shape measurement device 10 in this embodiment specializes in a specific surface, which is a rotationally symmetric surface, and maximizes its geometric properties. By using this, the degree of freedom in which direction should be optimized. This has succeeded in reducing the weight of the head while minimizing measurement errors.
  • the surface shape measuring apparatus 10 measures the rotationally symmetric surface by rotating the XY stage 160 on which the object to be measured 200 is installed in the ⁇ z direction. As long as it is a rotationally symmetric surface, if the DUT 200 is correctly installed at the target position, the measurement result measured by the head moving with the above-mentioned three degrees of freedom is simply satisfied as a constant level result. obtain. However, since the entire rotationally symmetric surface can be measured by rotating the XY stage 160 in the ⁇ z direction, irregularities existing at positions asymmetric with respect to the rotationally symmetric axis can be accurately found. In addition, since the XY stage 160 is responsible for the rotational movement in the ⁇ z direction, it is not involved in the weight of the head, and there is no disadvantage in increasing the measurement speed.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the measurement path of the measurement surface 201.
  • FIG. 8A shows a state where a measurement path drawn by the control described with reference to FIG. 7 is observed from the z direction.
  • the measurement path is a trajectory obtained when adjacent measurement points are connected.
  • the start point is the apex of the rotationally symmetric surface and corresponds to the initial state illustrated in FIG.
  • the measurement path is spiral.
  • the measurement control unit 186 receives the output from the angle measuring device 112 in the order along the path.
  • the measurement results indicated by crosses where the line C and the spiral path intersect may be extracted and rearranged.
  • the inclination angle of the measurement point calculated from the output of the angle measuring device 112 is calculated as an angle formed between the tangent plane at the measurement point calculated from the rotational symmetry plane information and the actual tangent plane at the measurement point. Therefore, when calculating the depth in the depth direction along a certain route, the calculation described with reference to FIG. 6 is performed after conversion into an angle along the direction. Note that the calculation unit 187 executes calculation until obtaining the output from the angle measuring device 112 and calculating the surface shape.
  • FIG. 8B shows a state where another example measurement path is observed from the z direction.
  • the measurement path can be set with a single stroke by setting the start point not at the apex but near the end of the measurement surface 201.
  • the measurement control unit 186 moves the head to the positive region y described with reference to FIG. 7 and performs scanning.
  • the measurement control unit 186 performs the rotational movement of the XY stage 160 in the ⁇ z direction only when moving the path of the arc in the drawing. At this time, the measurement control unit 186 does not move the first support body 120 and the second support body 130.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining the operation of the second support 130.
  • the second support 130 is generated by the driving force generated by the YZ drive motor 141 in response to the control signal instructing movement in the y direction and the control signal instructing movement in the z direction from the measurement control unit 186. Moving.
  • the second support 130 is actually difficult to translate in accordance with the control signal.
  • the posture of the second support 130 is maintained as indicated by a dotted line.
  • the solid line it is accompanied by a rotational movement of ⁇ in the ⁇ x direction.
  • Such a rotational component is caused by distortion of a transmission mechanism that transmits driving force and a guide mechanism that guides relative sliding, which is provided between the first frame 140 and the second support 130. Since the surface shape measuring apparatus 10 according to the present embodiment performs nano-order precision measurement, such a minute rotational component cannot be ignored. Therefore, the surface shape measuring apparatus 10 measures the rotation component ⁇ using the first interferometer 153 and the second interferometer 154 which are two laser light wave interference type length measuring devices.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining a detection method for detecting the rotation angle of the second support 130 in the ⁇ x direction.
  • the laser projecting unit of the first interferometer 153 and the laser projecting unit of the second interferometer 154 are disposed on the second frame 150 so as to be separated along the z-axis direction.
  • a mirror surface 121 is provided as a laser reflecting surface.
  • the laser L 1 projected from the first interferometer 153 returns to the first interferometer 153
  • the laser L 2 projected from the second interferometer 154 returns to the second interferometer 154.
  • the mirror surface 121 may be two reflecting surfaces corresponding to the respective lasers.
  • the mirror surface 121 is one extending in the z direction in consideration of the parallel movement of the second support 130 in the z direction. It is a rectangular reflecting surface. Such a rectangular reflecting surface always reflects both the laser from the first interferometer 153 and the laser from the second interferometer 154 in the moving range of the second support 130 in the z direction.
  • the calculation unit 187 calculates the rotation angle of the second support 130 in the ⁇ x direction from the difference between the two measurement distances obtained from the outputs of the first interferometer 153 and the second interferometer 154 and the yz coordinates of the respective light projecting units. ⁇ is calculated. In the first place, since both the first interferometer 153 and the second interferometer 154 are length measuring devices that measure the distance in the y direction, the calculation unit 187 also calculates the parallel movement amount of the second support 130 in the y direction. .
  • the calculation unit 187 includes two measurement distances obtained from the outputs of the first interferometer 153 and the second interferometer 154, the yz coordinates of the respective light projecting units, and the ⁇ x rotation center of the second support 130. From the axis yz coordinates, the parallel movement amount in the y direction of the ⁇ x rotation center axis is calculated.
  • the reflective surface provided in the side surface of the 2nd support body 130 may not be the mirror surface 121 but a retroreflection material may be installed.
  • the laser projection unit is provided on the second frame 150 and the mirror surface 121 is provided on the second support 130 for ease of installation, but the reverse may be possible.
  • one of the two or more light projecting portions is disposed so as to coincide with the rotation axis of the first support 120 in the ⁇ x direction, both the translation amount in the y direction and the rotation angle in the ⁇ x direction can be obtained. Further, it can be detected easily and accurately.
  • two interferometers are arranged along the z direction, and the rotation angle of the second support 130 in the ⁇ z direction and the amount of translation in the y direction are detected.
  • the rotation in the ⁇ x direction is detected.
  • the object to be detected together with the corner may be the amount of translation in the z direction.
  • two light projecting parts spaced apart in the y direction are provided on the base 100 and reflected by a mirror surface provided on the lower surface (xy plane) of the second support 130, these ⁇ x can be obtained by the same method as described above.
  • the rotation angle in the direction and the amount of translation in the z direction can be detected.
  • the measurement control unit 186 When the measurement control unit 186 wants to rotate the measurement unit 110 in the ⁇ x direction, the measurement control unit 186 transmits a control signal corresponding to the angle to be rotated to the ⁇ x drive motor 132 that rotates the first support 120. As described above, since the second support 130 is also actually rotating in the ⁇ x direction, the entire head is the sum of the rotation angle of the first support 120 and the rotation angle of the second support 130.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining the rotation angle of the head calculated by the calculation unit 187.
  • the interferometer unit 151 detects that the second support 130 has rotated ⁇ in the ⁇ x direction with respect to the second frame 150 (that is, with reference to the first frame 140), and the rotary encoder 131 causes the first support 120 to
  • the arithmetic unit 187 to the coordinate system based on the base 100, the measurement unit 110 only theta R + [Delta] [theta] in the ⁇ x direction rotation I grasp that I did.
  • the measurement control unit 186 does not perform feedback control to converge to the target value even when the detected rotation angle is different from the target value ( ⁇ R ).
  • a combination of an interferometer unit 151 including two laser light wave interferometers and a rotary encoder 131 is used as the configuration of the detection unit that detects the rotation angle of the head.
  • the interferometer unit 151 only needs to be able to detect how much the second support 130 has rotated in the ⁇ x direction with respect to the overall coordinate system with the base 100 as a reference. Even if it is not the rotary encoder 131, it is only necessary to detect how much the first support 120 is rotated in the ⁇ x direction with respect to the local coordinate system with the second support 130 as a reference.
  • Various known detectors can be employed under these assumptions.
  • the head including the measurement unit 110 is moved with three degrees of freedom of parallel movement in the yz plane and rotational movement in the ⁇ x direction.
  • the weight of the head is reduced and the measurement speed is increased.
  • speeding up the measurement not only contributes by optimizing the head configuration, but also greatly contributes to simplification of control and simplification of calculations by limiting the degree of freedom of movement to three degrees of freedom.
  • the measurement control unit can perform accurate and high-speed measurement by controlling the movement of the head within the three degrees of freedom. Therefore, even if the measuring apparatus itself is a general-purpose apparatus, if the measurement control program is changed when measuring a rotationally symmetric surface, it is possible to expect a high-speed measurement at a certain level.
  • the measurement target is a rotationally symmetric surface.
  • the surface shape measuring apparatus 10 can also measure a surface that is not a rotationally symmetric surface if the measurement path described in FIG. 8 is appropriately set. it can. In other words, if the movement of the head with three degrees of freedom and the rotational movement of the XY stage are combined, the measurement points can be made discrete on the surface, so that an interpolation operation using rotational symmetry at non-measurement points is used. If it is not, for example, even a free-form surface can be measured.
  • the control algorithm is limited to three degrees of freedom of translation in the yz plane and rotational movement in the ⁇ x direction. Simplification can be achieved, and high-speed measurement can be realized.
  • 10 surface shape measuring device 100 base, 101 ⁇ z drive motor, 102 XY drive motor, 103 ⁇ z sensor, 104 XY sensor, 110 measurement unit, 111 distance measurement device, 112 angle measurement device, 113 holder, 115 reference position, 120th 1 support, 121 mirror surface, 130 second support, 131 rotary encoder, 132 ⁇ x drive motor, 140 first frame, 141 YZ drive motor, 150 second frame, 151 interferometer unit, 153 first interferometer, 154 first 2 interferometer, 155 Z sensor, 160 XY stage, 161 chuck, 180 control unit, 181 system control unit, 182 user interface, 183 memory, 186 measurement control unit, 187 calculation unit, 200 device under test, 01 measurement surface 202 holding unit, 210 the axis of rotational symmetry, 1111 the first light source, 1112,1113,1122 condenser lens, 1114,1124 photodetector, 1121 the second light source, 1123 a collimating lens

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Abstract

被測定物の表面形状を精密に測定したい場合には、測定のためのセンサを備えるヘッドに多くの移動自由度を与えたいが、駆動系のためにヘッドが重くなり、また複雑な制御を要するために、測定速度が遅くなってしまう問題があった。表面形状測定装置であって、　被測定物に照射光を照射する照射部と、照射光の戻り光を検出する光検出部とを有する測定ユニットと、予め定められた被測定物の基準形状データに基づいて、被測定物に対向する測定位置に測定ユニットを移動させる駆動部と、測定位置における光検出部の検出結果に基づいて得られる、基準形状データが示す被測定物の基準形状に対する傾きと、基準形状とに基づいて被測定物の表面形状データを算出する算出部と、を備える。

Description

表面形状測定装置
　本発明は、表面形状測定装置に関する。
　被測定物の形状を非接触で測定する形状測定装置として、レーザー測長器を利用した形状測定装置が知られている（例えば特許文献１）。また、測定面の位置と傾斜角度とから被測定物の形状を測定する形状測定装置が提案されている（例えば特許文献２）。
［先行技術文献］
［特許文献］
　　［特許文献１］特開平１１－５１６２４号公報
　　［特許文献１］特開２００３－１６１６１５号公報
解決しようとする課題
　被測定物の表面形状を精密に測定したい場合には、測定のためのセンサを備えるヘッドに多くの移動自由度を与えたいが、駆動系のためにヘッドが重くなり、また複雑な制御を要するために、測定速度が遅くなってしまう問題があった。
一般的開示
　課題を解決する第１の態様の表面形状測定装置は、被測定物に照射光を照射する照射部と、照射光の戻り光を検出する光検出部とを有する測定ユニットを備えてもよい。予め定められた被測定物の基準形状データに基づいて、被測定物に対向する測定位置に測定ユニットを移動させる駆動部を備えてもよい。測定位置における光検出部の検出結果に基づいて得られる、基準形状データが示す被測定物の基準形状に対する傾きと、基準形状とに基づいて被測定物の表面形状データを算出する算出部を備えてもよい。
　被測定物は、第１平面に垂直な第１の軸周りに回転可能なステージに支持されていてもよい。駆動部は第１平面に交差する第２平面内の移動と、第２平面に垂直な第２の軸周りの回転移動の３自由度で測定ユニットを移動させてもよい。
　測定ユニットは、被測定物の表面の測定点までの距離を測定するための距離測定器を含んでもよい。
　ステージを第１の軸周りに回転移動させる作動部を備えてもよい。駆動部および作動部を制御する制御部を備えてもよい。制御部は、測定ユニットを被測定物の一方向に沿って走査させ、ステージを第１の軸周りに回転移動させて表面形状を測定してもよい。算出部は、測定位置における光検出部の検出結果に基づいて得られる、基準形状データが示す被測定物の基準形状に対する、走査の方向に垂直な軸周りの傾きと、基準形状とに基づいて被測定物の表面形状データを算出してもよい。
　制御部は、測定ユニットの予め定められた一箇所と予め定められた基準形状データが示す被測定物の基準形状の測定点における接平面とが対向し、かつ、一箇所と予め定められた基準形状データが示す被測定物の基準形状の測定点における距離が一定距離となるように、測定ユニットを走査させてもよい。
　制御部は、測定ユニットが測定する被測定物の表面の測定点が表面上で放射状の軌跡を描くように駆動部および作動部を制御してもよい。
　制御部は、測定ユニットが測定する被測定物の表面の測定点が表面上で渦巻きの軌跡を描くように駆動部および作動部を制御してもよい。
　測定ユニットが設置された第１支持体を有してもよい。第１支持体を支持する第２支持体を有してもよい。第２の軸周りに対する支持体の回転角を検出する検出部を有してもよい。駆動部は、第２支持体に対して第１支持体を垂直軸周りに回転移動させ、第２支持体を支持する基台部に対して第２支持体を一平面内で平行移動させてもよい。検出部は、回転移動による第１支持体の第１回転角を検出する第１検出器と、平行移動に伴って生じる第２支持体の揺動に対する第２回転角を検出する第２検出器とを含んでもよい。
　第１検出器は、ロータリエンコーダにより構成されてもよい。第２検出器は、少なくとも２つのレーザー光波干渉式測長器により構成されてもよい。
　第２検出器は、２つのレーザー光波干渉式測長器による、基台部と第２支持体の間のそれぞれの検出距離の差に基づいて第２回転角を検出すると共に、第２支持体の平行移動における一方向の移動量を検出してもよい。
　レーザー光波干渉式測長器を構成するレーザー投光部は第２支持体に設置され、レーザー反射部は基台部に設置されてもよい。
　課題を解決する第２の態様の表面形状測定装置は、測定点に照射光を照射する照射部と、照射光の戻り光を検出する光検出部とを有する測定ユニットを備えてもよい。測定ユニットを被測定面に対して移動させる駆動部を備えてもよい。駆動部により支持体を、予め定められた被測定物の基準形状データに基づいて、被測定物に対向する測定位置に測定ユニットを移動させて表面形状の測定を実行する制御部を備えてもよい。測定位置における光検出部の検出結果に基づいて得られる、基準形状データが示す被測定物の基準形状に対する傾きと、基準形状とに基づいて被測定物の表面形状データを算出する算出部を備えてもよい。
　なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本実施形態に係る表面形状測定装置の全体を示す概略図である。 表面形状測定装置のシステム構成図である。 被測定物の例を示す斜視図である。 測定する表面形状を説明する断面図および拡大図である。 測定ユニットの構成と距離と角度の測定原理を説明する説明図である。 表面形状の導出を説明する説明図である。 被測定物とヘッドの相対移動を説明する説明図である。 測定面の測定経路を説明する説明図である。 第２支持体の動作を説明する説明図である。 第２支持体の回転角を検出する検出手法を説明する説明図である。 ヘッドの回転角を説明する説明図である。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
　図１は、本実施形態に係る表面形状測定装置１０の全体を示す概略図である。表面形状測定装置１０は、測定対象を回転対称面に特化した、表面形状を厳密に測定する装置である。なお、本実施形態の説明において「表面形状」という場合は、表面の幾何学的形状そのものを指す場合と、その形状の凹凸量、角度、これらを含む計測結果、形状データといった形状情報を指す場合とがある。
　表面形状測定装置１０は、基台部としてのベース１００と、ベース１００に堅固に固定された第１フレーム１４０および第２フレーム１５０とを含む。表面形状測定装置１０のうちセンシングに関わる各要素は、これらベース１００、第１フレーム１４０および第２フレーム１５０の何れかに直接的あるいは間接的に組み付けられている。
　ベース１００の上面は水平面であり、水平面内の一軸をｘ軸、水平面内であってｘ軸に直交する一軸をｙ軸と定める。また、水平面に直交する鉛直方向にｚ軸を定める。また、鉛直方向上向きをｚ軸の正方向とする。なお、以降の各図は、上記の定義に従って図１に示すｘｙｚ座標系を基準として、いずれの方向から観察した図であるかを明示している。
　ベース１００の上面には、ＸＹステージ１６０が積み重ねられており、ＸＹステージ１６０は、ベース１００の上面をｘｙ方向に平行移動できるとともに、ｚ軸周りに回転移動できる。なお、以降の説明においては、ｚ軸周りの回転移動を、θｚ方向の回転などと称する場合がある。
　ＸＹステージ１６０は、被測定物２００の設置台としての機能を担い、チャック１６１を介して被測定物２００を固定する。被測定物２００は、測定面２０１と保持部２０２を含み、チャック１６１は、保持部２０２を挟持する。測定対象である測定面２０１は、図１の姿勢においてｚ軸と平行な回転対称軸を有する略回転対称面である。ここで、略回転対称面とは、正確な回転対称面ではなく、その表面に微小な凹凸が非対称に存在することを意味する。このような微少な凹凸は、例えば測定面が球面レンズである場合、製造過程の研磨作業において生じる加工誤差として生成し得る。本実施形態に係る表面形状測定装置１０は、全体としては回転対称面であるが、局所的に拡大して観察した場合に微小な凹凸が偏在するような測定面を測定して、そのような凹凸形状の情報を含む、より精度の高い表面形状情報を取得する装置である。
　被測定物２００は、測定面２０１の回転対称軸と、ＸＹステージ１６０のθｚ方向の回転軸とが一致するように、ＸＹステージ１６０に設置される。このように設置された被測定物２００の測定面２０１は、回転対称軸周りに回転移動されて表面形状が測定される。
　第１フレーム１４０は、ベース１００からｚ軸方向へ垂直に立ち上げられた支持フレームである。第１フレーム１４０は、そのｙｚ面の上方で第２支持体１３０を支持し、第２支持体１３０は、第１フレーム１４０に支持された面とは反対側の面で第１支持体１２０を支持する。第１支持体１２０は、第２支持体１３０に支持された面とは反対側の面で測定ユニット１１０を支持する。測定ユニット１１０は、ＸＹステージ１６０に設置された被測定物２００の上方の空間に位置する。測定ユニット１１０、第１支持体１２０および第２支持体１３０は、測定面２０１に対して相対移動するヘッドを構成する要素である。
　第２支持体１３０は、第１フレーム１４０に配設された後述するアクチュエータの駆動力と相互に跨いで配設された伝達機構とにより、第１フレーム１４０に対してｙｚ平面内で平行移動することができる。ここで、ｚ軸マイナス方向は、図示するように、表面形状測定装置１０の初期状態において被測定物２００の測定面２０１に近づく方向である。第１支持体１２０は、第２支持体１３０に配設された後述するアクチュエータの駆動力と相互に跨いで配設された伝達機構とにより、第２支持体１３０に対してｘ軸周りに回転移動することができる。なお、以降の説明においては、ｘ軸周りの回転移動を、θｘ方向の回転などと称する場合がある。第１フレーム１４０に対する第２支持体１３０のｚ方向の移動量は、後述するＺセンサ１５５により検出される。
　第１支持体１２０のθｘ方向の回転角は、第２支持体１３０に配設されたロータリエンコーダ１３１によって検出される。測定ユニット１１０は、距離測定器１１１、角度測定器１１２およびこれらを支持するホルダー１１３を含む。距離測定器１１１は、測定面２０１上の測定点までの距離を測定し、角度測定器１１２は、同測定点における測定面の傾きを測定する。具体的な構成については、図を用いて後に説明する。測定ユニット１１０は、ホルダー１１３が第１支持体１２０に固定されており、第１支持体１２０に対して相対的に移動することはない。
　このような構成により、測定面２０１の表面形状を測定するための測定ユニット１１０は、測定面２０１へ近づく方向を含む一平面であるｙｚ平面内での平行移動と、当該平面に垂直なｘ軸周りの回転移動（θｘ方向の回転移動）との３自由度により移動し得る。本実施例においては、測定面２０１へ近づく方向を含む一平面としてｙｚ平面を採用しているが、測定面２０１へ近づく方向を含む一平面内で測定ユニット１１０が移動できれば良い。換言すれば、被測定物２００をＸＹステージ１６０に設置して測定位置まで移動したときに、測定面２０１と交差する一平面内で測定ユニット１１０が移動できるように、一平面を設定すれば良い。
　第２フレーム１５０は、ベース１００からｚ軸方向へ垂直に立ち上げられた支持フレームである。第２フレーム１５０は、そのｘｚ面の上方で干渉計ユニット１５１を固定して支持する。干渉計ユニット１５１は、第２支持体１３０のｙ方向の移動量とθｘ方向の回転角を検出するセンサユニットである。干渉計ユニット１５１は、具体的には、それぞれがレーザー光波干渉式測長器である、第１干渉計１５３と第２干渉計１５４を含む。第１干渉計１５３のレーザー投光部と第２干渉計１５４のレーザー投光部は、ｚ軸方向に沿って離間して配設されている。干渉計ユニット１５１の具体的な構成については、図を用いて後に説明する。
　第１フレーム１４０と第２フレーム１５０は、図１においてはそれぞれが独立してベース１００に固定された態様を示す。第２フレーム１５０は、精密測定を行う干渉計ユニット１５１を支持しているので、移動体であるヘッドを支持して振動し得る第１フレーム１４０と直接的にフレーム接続されないことが好ましい。
　制御ユニット１８０は、例えばＣＰＵによって構成されるシステム制御部１８１と、ユーザからの入力を受け付け、測定した表面形状情報を呈示するユーザインタフェース１８２とを含む。システム制御部１８１は、表面形状測定装置１０の全体を制御する。ユーザインタフェース１８２は、例えばユーザからの入力を受け付けるタッチパネルを備えた液晶ディスプレイを含む。
　図２は、表面形状測定装置１０のシステム構成図である。具体的には、システム制御部１８１が実行する制御について、主な制御対象との関係を示す図である。
　システム制御部１８１は、図の右列に並ぶ各制御対象に制御信号を送って一連の測定シーケンスを制御する測定制御部１８６と、センシング結果を受け取って表面形状を同定するための各種演算を実行する演算部１８７とを包含する。測定制御部１８６と演算部１８７は、それぞれがＣＰＵの仮想的な機能部であっても良いし、少なくとも一部がＣＰＵとは独立したＡＳＩＣなどのハードウェア構成を有しても良い。
　ユーザインタフェース１８２は、ユーザから測定に関する条件、被測定物２００の基礎情報、測定の開始指示などの入力を受け付けて、システム制御部１８１へ送る。また、ユーザインタフェース１８２は、測定制御部１８６が実行する測定シーケンスの進捗状況や、演算部１８７が演算した表面形状情報を、システム制御部１８１から受け取って表示する。
　制御ユニット１８０は、例えばフラッシュメモリによって構成される、メモリ１８３を備える。メモリ１８３は、複数の記憶媒体によって構成されても良い。メモリ１８３は、測定制御部１８６が実行する測定制御プログラム、演算部１８７が実行する演算プログラムを含む、システム制御部１８１が実行する各種プログラムを記憶している。また、メモリ１８３は、演算部１８７が実行する演算等のワークメモリとしても機能する。また、メモリ１８３は、ユーザインタフェース１８２を介してユーザによって入力されたり、ネットワークを介して外部機器から送られてきたりする、各種パラメータやデータを保管する機能も有する。
　測定制御部１８６は、測定ユニット１１０を構成する距離測定器１１１と角度測定器１１２を制御する。測定制御部１８６は、距離測定器１１１に距離測定を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。同様に、角度測定器１１２に角度測定を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。測定制御部１８６は、受け取った出力を演算部１８７へ引き渡す。
　測定制御部１８６は、第１支持体１２０を第２支持体１３０に対してθｘ方向へ回転させるθｘ駆動モータ１３２を制御する。θｘ駆動モータ１３２は、第２支持体１３０に配設されている上述のアクチュエータであり、例えばブラシレスモータを用いることができる。測定制御部１８６は、測定ユニット１１０をθｘ方向に回転移動させたい場合に、その回転角に応じた駆動信号をθｘ駆動モータ１３２へ送信する。
　測定制御部１８６は、第２支持体１３０を第１フレーム１４０に対してｙｚ方向へ移動させるＹＺ駆動モータ１４１を制御する。ＹＺ駆動モータ１４１は、第１フレーム１４０に配設されている上述のアクチュエータであり、ｙ方向とｚ方向のそれぞれに対応する例えば２つのブラシレスモータを用いることができる。測定制御部１８６は、測定ユニット１１０をｙｚ方向に平行移動させたい場合に、その移動量に応じた駆動信号をＹＺ駆動モータ１４１へ送信する。すなわち、上述のように測定ユニット１１０は、ｙｚ平面内での平行移動とｘ軸周りの回転移動の３自由度により移動し得るが、この移動は、駆動部としてのＹＺ駆動モータ１４１とθｘ駆動モータ１３２により実現される。
　測定制御部１８６は、ロータリエンコーダ１３１に回転角検出を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。測定制御部１８６は、受け取った出力を演算部１８７へ引き渡す。同様に、測定制御部１８６は、干渉計ユニット１５１に距離検出を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。測定制御部１８６は、受け取った出力を演算部１８７へ引き渡す。演算部１８７は、受け取った当該出力から、第１フレーム１４０に対する第２支持体１３０のｙ方向の移動量およびθｘ方向の回転角を演算する。
　測定制御部１８６は、Ｚセンサ１５５に距離検出を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。測定制御部１８６は、受け取った出力を演算部１８７へ引き渡す。Ｚセンサ１５５は、第１フレーム１４０に対する第２支持体１３０のｚ方向の移動量を検出する距離センサである。Ｚセンサ１５５は、例えばひとつのレーザー光波干渉式測長器によって構成される。
　測定制御部１８６は、ＸＹステージ１６０をベース１００に対してθｚ方向へ回転させるθｚ駆動モータ１０１を制御する。θｚ駆動モータ１０１は、ベース１００に配設されている、例えばブラシレスモータである。測定制御部１８６は、被測定物２００の測定面２０１をθｚ方向に回転移動させたい場合に、その回転角に応じた駆動信号をθｚ駆動モータ１０１へ送信する。
　測定制御部１８６は、ＸＹステージ１６０をベース１００に対してｘｙ方向へ移動させるＸＹ駆動モータ１０２を制御する。ＸＹ駆動モータ１０２は、ベース１００に配設されている、ｘ方向とｙ方向のそれぞれに対応する例えば２つのブラシレスモータである。測定制御部１８６は、被測定物２００の測定面２０１をｘｙ方向に平行移動させたい場合に、その移動量に応じた駆動信号をＸＹ駆動モータ１０２へ送信する。
　測定制御部１８６は、θｚセンサ１０３に回転角検出を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。測定制御部１８６は、受け取った出力を演算部１８７へ引き渡す。θｚセンサ１０３は、ベース１００に対するＸＹステージ１６０のθｚ方向の回転角を検出する回転角検出センサである。θｚセンサ１０３は、例えばロータリエンコーダによって構成される。
　測定制御部１８６は、ＸＹセンサ１０４に移動量検出を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。測定制御部１８６は、受け取った出力を演算部１８７へ引き渡す。ＸＹセンサ１０４は、ベース１００に対するＸＹステージ１６０のｘｙ方向の移動量を検出する移動量検出センサである。ＸＹセンサ１０４は、ｘ方向とｙ方向のそれぞれに向けて配設された例えば２つのレーザー光波干渉式測長器によって構成される。
　次に被測定物について説明する。図３（ａ）は、本実施形態における表面形状測定装置１０が測定する測定物の例としての被測定物２００を示す斜視図であり、図３（ｂ）は、他の測定物の例としての被測定物２００'を示す斜視図である。
　上述のように、本実施形態における表面形状測定装置１０は、略回転対称面の表面形状を厳密に測定する装置であるので、被測定物の表面の少なくとも一部は、略回転対称面である。被測定物２００の測定面２０１は、ｚ軸プラス方向へ突出する球面である。回転対称軸２１０をｚ軸、半径をｃとした場合、測定面２０１はおよそ、ｘｚ平面の第１象限における（ｃ２―ｘ２）１／２をｚ軸周りに一回転して得られる形状を成す。
　測定面は、ｘｚ平面の第１象限で表された関数をｚ軸周りに一回転して得られる形状であれば良く、被測定物２００'の測定面２０１'のように、頂面が凹部となっているような形状であっても良い。なお、図示する被測定物２００、２００'は、チャック１６１に固定されやすいようにそれぞれ保持部２０２、２０２'を備えるが、このような保持部を備えない被測定物であっても、例えば治具を介してＸＹステージ１６０に固定されれば表面形状を測定できる。
　図４は、測定する表面形状を説明する断面図および拡大図である。図４の断面図は、図３（ａ）に示す、回転対称軸２１０を含む平面Ａによる被測定物２００の切断面を表す。上述のように、被測定面２０１は、全体としては回転対称面であるが、局所的に拡大視すると微小な凹凸が存在する。本実施形態においては、ｘｙ平面への投影形状外縁がφ１００ｍｍ程度（図中のｒ）となる測定面を想定している。このとき、後述する測定ユニットの構成および測定原理に従えば、凹凸の深さ方向に対する分解能を１ｎｍ程度にすることができる。ここで、「分解能」は、演算された生データとして測定対象物の形状を識別し得る最も細かい単位であり、測定結果として確からしさが保証される「精度」は、本実施形態においては、１０ｎｍ程度となる。ただし、これらのオーダーは、装置構成、センサ性能等によって変更され得る。なお、凹凸の深さ方向とは、拡大図中に示す矢印の方向である。より具体的には、回転対称面（拡大図中の点線）に直交する方向である。
　次に測定ユニット１１０について説明する。図５は、測定ユニット１１０の構成と測定原理を説明する説明図である。特に図５（ａ）は、距離測定器１１１の構成と測定原理を説明する図であり、図５（ｂ）は、角度測定器１１２の構成と測定原理を説明する図である。いずれの図も、測定面２０１の頂点が原点座標に位置する場合に頂点を測定点とする様子を例として表す。
　距離測定器１１１は、第１プローブ光を発生する第１光源１１１１、第１光源１１１１により発生された第１プローブ光（第１照射光ＰＬ１）を集光して測定面２０１上の測定点に照射する集光レンズ１１１２、測定点で反射された第１プローブ光（第１反射光ＲＬ１）を集光する集光レンズ１１１３、第１反射光ＲＬ１の位置を検出する光検出器１１１４などから構成される。
　角度測定器１１２は、第２プローブ光を発生する第２光源１１２１、第２光源１１２１により発生された第２プローブ光（第２照射光ＰＬ２）を集光して測定面２０１上の測定点に照射する集光レンズ１１２２、測定点で反射された第２プローブ光（第２反射光ＲＬ２）をコリメートするコリメートレンズ１１２３、第２反射光ＲＬ２の位置を検出する光検出器１１２４などから構成される。
　第１光源１１１１及び第２光源１１２１は、発振波長、光出力、ビームポインティング等を安定化させたレーザー光源であり、例えばファイバーレーザーやＤＦＢ半導体レーザーなどが用いられる。第１光源１１１１及び第２光源１１２１の出力部にはコリメータが設けられており、各光源から平行光束化された第１照射光ＰＬ１、第２照射光ＰＬ２が出力される。光検出器１１１４，１１２４はそれぞれ第１反射光ＲＬ１、第２反射光ＲＬ２の位置を検出する検出器であり、例えば、ＱＰＤ（四分割光検出器）、ＣＭＯＳ等の撮像素子などを用いることができる。
　距離測定器１１１では、第１光源１１１１から出射した第１照射光ＰＬ１が集光レンズ１１１２により集光されて測定点に入射する。測定点で反射した第１反射光ＲＬ１は集光レンズ１１１３により集光されて光検出器１１１４に入射する。この距離測定器１１１では、測定点における反射面の傾きが変化（チルト）しても光検出器１１１４に集光されて入射する第１反射光ＲＬ１の入射位置は変化しない。一方、測定点の位置が上下方向（ｚ軸方向）に変化（シフト）すると光検出器１１１４に集光されて入射する第１反射光ＲＬ１の入射位置が変化する。そのため、光検出器１１１４から測定制御部１８６へ出力される位置検出信号により、測定ユニット１１０の基準位置ｚ０から測定点までの距離ｄｓを算出することができる。なお、基準位置ｚ０は、例えば、第１支持体１２０をθｘ方向に回転させる回転軸のｚ座標としても良いし、測定面２０１に対向させるときの測定ユニット１１０の基準面におけるｚ座標としても良い。
　角度測定器１１２では、第２光源１１２１から出射した第２照射光ＰＬ２が集光レンズ１１２２により集光されて測定点に入射する。測定点で反射した第２反射光ＲＬ２はコリメートレンズ１１２３によりコリメートされて光検出器１１２４に入射する。この角度測定器１１２では、測定点の位置が上下方向に変化（シフト）しても光検出器１１２４に入射する第２反射光ＲＬ２の入射位置はほとんど変化しない。一方、測定点における反射面の傾きが変化（チルト）すると光検出器１１２４に入射する第２反射光ＲＬ２の入射位置が変化する。そのため、光検出器１１２４から測定制御部１８６へ出力される角度検出信号により、測定点における反射面の反射角θｓを算出でき、さらに反射面の傾きである傾斜角度（後述）を算出することができる。
　本実施形態においては、距離測定器１１１と角度測定器１１２は、測定点における反射面の傾きが０である場合の、第１照射光ＰＬ１と第１反射光ＲＬ１の張る第１基準面と、第２照射光ＰＬ２と第２反射光ＲＬ２の張る第２基準面とが、互いに直交するように調整されてホルダー１１３に固定されている。図の位置においては、第１基準面はｘｚ平面であり、第２基準面はｙｚ平面である。また、距離測定器１１１と角度測定器１１２は、基準位置ｚ０からの基準距離ｄ０において、それぞれのプローブ光の反射点（測定点）が重なるように調整されてホルダー１１３に固定されている。なお、図５は、ｚ０＝ｄ０＝ｄｓとして描かれている。
　次に表面形状を導出する手法について説明する。図６は、表面形状の導出を説明する説明図である。測定ユニット１１０は、図において紙面左側から右側へ走査され、サンプリング間隔Ｌごとに測定を行うこととする。図は、サンプリング回数をｎとすると、ｎ＝ｉ回目の測定とｎ＝ｉ＋１回目の測定における測定面２０１の表面形状を表している。
　上述のように、本実施形態に係る表面形状測定装置１０の凹凸の深さ方向に対する精度は１０ｎｍ程度である。１０ｎｍの精度を距離測定器１１１のみで得ようとすれば、そのまま１０ｎｍの出力精度を有する距離計を用意する必要がある。そのような距離計は、高価であったり、巨大であったりしてあまり実用的ではない。そこで、本実施形態に係る表面形状測定装置１０では、距離測定器１１１自体は、目標とする精度より粗い精度の性能しか有しない距離計とし、距離測定器１１１に加えて角度測定器１１２を併せて設置している。
　図示するように、ｎ＝ｉ回目の測定で角度測定器１１２の出力から、反射面の傾きである傾斜角度がαｉ（ｒａｄ）と算出されたら、αｉが微小角である場合には、ｎ＝ｉ回目の測定点までの深さ方向の変位量はＬαｉと近似される。したがって、ｎ＝ｉ回目の奥行き方向の座標がｆ（ｉ）であると、ｎ＝ｉ＋１回目の座標ｆ（ｉ＋１）は、ｆ（ｉ）＋Ｌαｉと算出される。
　ここで、Ｌαｉが１０ｎｍである場合には、Ｌ＝１ｍｍとして、αｉは１０μｒａｄである。つまり、角度測定器１１２の出力精度として１０μｒａｄの能力を有していれば、サンプリング間隔を１ｍｍ程度にしても奥行き方向に対して１０ｎｍの精度で計測することができることになる。１０ｎｍの出力精度を有する距離測定器を用意するよりは、１０μｒａｄの出力精度を有する角度測定器を用意して、サンプリング間隔を１ｍｍで制御する方が、表面形状測定装置を構成しやすい。また、Ｌ＝１ｍｍのサンプリング制御は比較的容易であるので、より短いサンプリング間隔を採用すれば更に奥行き方向の精度を上げることができる。
　一方で、角度測定器１１２が目標とする測定点と第２プローブ光の反射点とを一致させるために、距離測定器１１１があることが望ましい。すなわち、距離測定器１１１の出力を監視しながら測定ユニット１１０の基準位置ｚ０と測定面２０１までの距離を基準距離ｄ０に保って走査すると、距離測定器１１１と角度測定器１１２の両測定点は一致するので、測定制御部１８６は、角度測定器１１２が測定している測定点を精確に把握することができる。距離測定器１１１を併設しない場合には、角度測定器１１２による測定点座標を精確に把握するための別途の装置を用意する必要がある。
　ここで、測定面２０１までの距離を基準距離ｄ０に保つ場合の当該距離の誤差範囲は、角度測定器１１２を用いて測定しようとする奥行き方向の精度に比べて遥かに大きくて良い。すなわち、距離測定器１１１に必要とされる出力精度は、測定しようとする奥行き方向の精度に比べて粗くて良いと言える。例えば、測定しようとする奥行き方向の精度が１０ｎｍ程度である場合には、１０μｍ程度で良い。
　次に測定時の被測定物２００とヘッドの動作について説明する。図７は、被測定物２００とヘッドの相対移動を説明する説明図である。ここで、ヘッドの基準位置１１５は、第１支持体１２０をθｘ方向に回転させる回転軸上に設定されている。
　図７（ａ）は、回転対称面の頂点を測定可能な初期状態の様子を示す。測定制御部１８６は、ユーザの入力等により、被測定物２００の基礎情報として回転対称面情報を取得している。ただし、当該回転対称面情報は、例えば設計データであり、加工等によって生じた微少な凹凸の情報は含まない。
　測定制御部１８６は、取得した回転対称面情報を用いて、測定面２０１である回転対称面の頂点の上方ｄ０に基準位置１１５が位置するように、第１支持体１２０、第２支持体１３０およびＸＹステージ１６０を移動させる。このとき、測定制御部１８６は、測定ユニット１１０が頂点の接平面に対向するように移動させる。以降の走査においても、測定制御部１８６は、取得した回転対称面情報から算出される測定点における接平面に、測定ユニット１１０が対向するように制御する。測定ユニット１１０が接平面に対向するとは、当該接平面が上述の第１基準面とも第２基準面とも直交することに等しい。
　図７（ｂ）は、測定点が測定面２０１の頂点から少し外周側に移った様子を示す。測定制御部１８６は、第２支持体１３０をｙ方向およびｚ軸方向に平行移動させると共に、第１支持体１２０をθｘ方向に回転移動させる。より具体的には、ターゲットとする測定点における接平面と測定ユニット１１０が対向しつつ、基準位置１１５との距離がｄ０を保つように移動させる。測定制御部１８６は、並行して、ＸＹステージ１６０をθｚ方向に回転移動させる。
　このとき、測定制御部１８６は、ＸＹステージ１６０をｘｙ方向へ平行移動させない。測定制御部１８６は、ユーザが被測定物２００をＸＹステージ１６０に設置した後に、被測定物２００を初期状態の位置へ移動させる場合にＸＹステージ１６０をｘｙ方向の平行移動に移動させるが、測定面２０１を測定する測定シーケンス中には平行移動を実行しない。したがって、被測定物２００を初期状態の位置へ移動させる場合にＸＹステージ１６０のｘｙ方向への移動機能は有用であるが、当該移動機能を省くこともできる。
　また、測定制御部１８６は、測定ユニット１１０を初期状態の位置へ移動させる場合にＺセンサ１５５の出力を利用する。しかし、測定ユニット１１０が初期状態に到達した後の走査においては、測定制御部１８６は、距離測定器１１１の出力によりｚ方向の位置を把握することができるので、Ｚセンサ１５５の出力を監視しなくても良い。
　図７（ｃ）は、測定点がさらに外周側に移った様子を示す。測定制御部１８６は、第２支持体１３０をさらにｙ方向およびｚ方向に平行移動させると共に、第１支持体１２０をさらにθｘ方向に回転移動させる。測定制御部１８６は、ＸＹステージ１６０のθｚ方向への回転移動を継続する。
　図７（ａ）から図７（ｃ）への推移からも明らかなように、測定面２０１に対するヘッドの走査はｙ軸に沿う方向のみであり、ｘ方向への平行移動を伴っていない。また、ｙ方向の走査も、図においてｙの負の領域のみであり、正の領域では走査を行っていない。すなわち、ＸＹステージ１６０をθｚ方向に回転移動させることにより、このような簡単な移動制御で測定面の全体を測定することができる。換言すれば、回転対称面の表面形状を測定するという特化した目的に合わせ、ヘッドが備えるべき自由度と測定物を設置するステージが備えるべき自由度を最適化している。これにより、ヘッドの駆動構成およびステージの駆動構成をそれぞれ簡易化させることができた。特にヘッドの駆動構成の簡易化は、ヘッドの軽量化に貢献し、ヘッドの移動の高速化にも寄与する。
　別言すれば、本実施形態における表面形状測定装置１０は、測定対象を回転対称面に特化した測定装置であるので、様々な表面を測定する汎用測定装置のように、複雑な機構や多くのアクチュエータを備えた６自由度のヘッドを備える必要が無い。６自由度の移動を精確に制御するためには、大型の駆動機構をヘッドに配置する必要が生じ、さらには、ヘッドの位置を検出するための検出系装置を多数配置する必要も生じる。ヘッドに多くの自由度を持たせるほど移動誤差の累積も指数関数的に大きくなるので、これを低減するには更に大きな駆動機構を設けたり、精度の高い検出センサを設けたりする必要がある。すると、装置の高コスト化を招くばかりでなく、ヘッドの重量が増大するために検出速度が著しく低下してしまう。
　本実施形態における表面形状測定装置１０は、より高精度に、より高速に回転対称面の表面形状を測定するための装置であるので、ヘッドの重量増大はその目的に反してしまう。すなわち、表面形状を高速に測定するためにはヘッドの重量増大を抑制することが重要である。この観点において表面形状測定装置１０は、ヘッドに与える自由度を最小化することで、ヘッドの重量増大を抑制している。多種多様の表面形状に対応する汎用測定装置とは異なり、本実施形態における表面形状測定装置１０は、測定対象を回転対称面という特定の表面に特化して、その幾何学的な性質を最大限に利用することにより、どの方向にどのような自由度を持たせれば良いかを最適化している。これにより、測定誤差を最小化しつつもヘッドの軽量化に成功している。
　また、表面形状測定装置１０は、被測定物２００を設置したＸＹステージ１６０をθｚ方向に回転移動させて、回転対称面を測定する。回転対称面である以上、被測定物２００が目標位置に正しく設置されていれば、簡易的には上述の３自由度で移動するヘッドによって測定される測定結果でも、一定水準の結果として満足し得る。しかし、ＸＹステージ１６０をθｚ方向に回転移動させることにより、回転対称面の全体を測定することができるので、回転対称軸に対して非対称な位置に存在する凹凸も精確に見つけることができる。なお、θｚ方向に回転移動はＸＹステージ１６０が担うので、ヘッドの重量化には関与せず、測定の高速化に対して不利益を生じない。
　図８は、測定面２０１の測定経路を説明する説明図である。図８（ａ）は、図７を用いて説明した制御によって描かれる測定経路をｚ方向から観察した様子を示す。ここで、測定経路とは、隣り合う測定点を結んだときに得られる軌跡である。
　始点は、回転対称面の頂点であり、図７（ａ）で図示した初期状態に対応する。図からも明らかなように、測定経路は渦巻き状になる。この経路に沿って測定されると、測定制御部１８６は、この経路に沿った順に角度測定器１１２からの出力を受け取る。しかし、例えば図中のＣのラインに沿った切断面における断面図を得たい場合には、Ｃのラインと渦巻き経路が交差する×印の測定結果を抽出して並び替えれば良い。同様にＤのラインに沿った切断面に沿った断面図を得たい場合には、Ｄのラインと渦巻き経路が交差する□印の測定結果を抽出して並び替えれば良い。交差する点が測定点でなかった場合には、周囲の測定点の測定結果から補間して算出すれば良い。
　なお、角度測定器１１２の出力から算出される測定点の傾斜角度は、回転対称面情報から算出される測定点における接平面と、測定点における実際の接平面との成す角として算出される。したがって、ある経路に沿った奥行き方向の深さを算出する場合には、その方向に沿った角度に変換した上で図６を用いて説明した演算を行う。なお、角度測定器１１２からの出力を得て表面形状を算出するまでの演算は、演算部１８７が実行する。
　図８（ｂ）は、他の例の測定経路をｚ方向から観察した様子を示す。上述の補間を行うことなく、特定の切断面における断面形状情報を得たい場合には、図示するように、頂点を中心とする放射状の軌跡を描くように測定経路を設定すると良い。複数の断面形状情報を得たい場合は、始点を頂点ではなく、測定面２０１の端部寄りに設定すれば、一筆書きで測定経路を設定することができる。このような測定経路を設定する場合は、測定制御部１８６は、ヘッドを図７で説明したｙの正の領域にも移動させて走査を実行する。また、測定制御部１８６は、図中の円弧の経路を移動させる場合にのみ、ＸＹステージ１６０のθｚ方向の回転移動を実行する。このとき、測定制御部１８６は、第１支持体１２０および第２支持体１３０の移動を行わない。
　次に、第２支持体１３０の動作について説明する。図９は、第２支持体１３０の動作を説明する説明図である。上述のとおり、第２支持体１３０は、ＹＺ駆動モータ１４１が測定制御部１８６からｙ方向への移動を指示する制御信号、ｚ方向への移動を指示する制御信号を受けて生成する駆動力により移動する。
　しかし、第２支持体１３０は、実際には、制御信号通りに平行移動することが困難である。例えば、図示するように、測定制御部１８６の制御信号に従って第２支持体１３０がｙマイナス方向へ平行移動する場合、本来であれば点線で示すように第２支持体１３０の姿勢は維持されるべきであるが、実際には実線で示すように、θｘ方向にΔθの回転移動を伴ってしまう。このような回転成分は、第１フレーム１４０と第２支持体１３０の間に設けられる、駆動力を伝達する伝達機構や相対的な摺動を案内する案内機構の歪みなどによって生じる。本実施形態に係る表面形状測定装置１０は、ナノオーダーの精密測定を行うので、このように微少な回転成分も無視し得ない。そこで、表面形状測定装置１０は、この回転成分Δθを、２つのレーザー光波干渉式測長器である第１干渉計１５３と第２干渉計１５４を用いて計測する。
　図１０は、第２支持体１３０のθｘ方向の回転角を検出する検出手法を説明する説明図である。上述のように、第１干渉計１５３のレーザー投光部と第２干渉計１５４のレーザー投光部は、ｚ軸方向に沿って離間して第２フレーム１５０に配設されている。第２支持体１３０の側面であるｘｚ平面には、レーザーの反射面として鏡面１２１が設けられている。第１干渉計１５３から投光されたレーザーＬ１は、第１干渉計１５３に戻り、第２干渉計１５４から投光されたレーザーＬ２は第２干渉計１５４に戻る。鏡面１２１は、それぞれのレーザーに対応して２つの反射面としても良いが、本実施形態においては、第２支持体１３０のｚ方向への平行移動も考慮して、ｚ方向へ伸延する１つの矩形反射面としている。このような矩形反射面は、第２支持体１３０のｚ方向への移動範囲において、常に第１干渉計１５３からのレーザーも第２干渉計１５４からのレーザーも反射する。
　演算部１８７は、第１干渉計１５３と第２干渉計１５４の出力から得られる２つの測定距離の差、およびそれぞれの投光部のｙｚ座標から、第２支持体１３０のθｘ方向の回転角Δθを算出する。また、そもそも第１干渉計１５３も第２干渉計１５４も、ｙ方向の距離を測定する測長器であるので、演算部１８７は、第２支持体１３０のｙ方向の平行移動量も算出する。具体的には、演算部１８７は、第１干渉計１５３と第２干渉計１５４の出力から得られる２つの測定距離、それぞれの投光部のｙｚ座標、および第２支持体１３０のθｘ回転中心軸ｙｚ座標から、θｘ回転中心軸のｙ方向の平行移動量を算出する。
　なお、反射されたレーザーはそれぞれの干渉計に戻れば良いので、第２支持体１３０の側面に設けられる反射面は、鏡面１２１ではなく、再帰反射材が設置されても良い。また、本実施形態においては、設置のしやすさから、レーザー投光部を第２フレーム１５０に、鏡面１２１を第２支持体１３０に設けたが、逆であっても良い。特に、２つ以上の投光部のうちの一つを、第１支持体１２０のθｘ方向の回転軸に一致させて配置すれば、ｙ方向の平行移動量も、θｘ方向の回転角も、さらに容易に精度良く検出できる。
　また、本実施形態においては、２つの干渉計をｚ方向に沿って配設して、第２支持体１３０のθｚ方向の回転角とｙ方向の平行移動量を検出したが、θｘ方向の回転角と共に検出する対象をｚ方向の平行移動量とすることもできる。例えば、ベース１００上にｙ方向に離間させた２つの投光部を設け、第２支持体１３０の下面（ｘｙ平面）に設けられた鏡面に反射させれば、上記と同様の手法によりこれらθｘ方向の回転角とｚ方向の平行移動量を検出することができる。
　測定制御部１８６は、測定ユニット１１０をθｘ方向へ回転させたい場合に、回転させたい角度に応じた制御信号を、第１支持体１２０を回転移動させるθｘ駆動モータ１３２へ送信する。上述の通り、実際には第２支持体１３０もθｘ方向へ回転しているので、ヘッド全体としては、第１支持体１２０の回転角と第２支持体１３０の回転角の和となる。図１１は、演算部１８７が算出するヘッドの回転角を説明する説明図である。
　干渉計ユニット１５１により第２支持体１３０が第２フレーム１５０を基準として（すなわち第１フレーム１４０を基準として）θｘ方向にΔθ回転したことが検出され、ロータリエンコーダ１３１により第１支持体１２０が第２支持体１３０を基準としてθｘ方向にθＲ回転したことが検出されると、演算部１８７は、ベース１００を基準とする座標系に対して、測定ユニット１１０がθｘ方向にθＲ＋Δθだけ回転したと把握する。本実施形態においては、測定制御部１８６は、検出した回転角が目標値（θＲ）と異なる場合でも、目標値に収束させるフィードバック制御を行わない。多少の誤差角（Δθ）を含んだとしても、測定面２０１における精確な測定点が把握できていれば、その測定点における表面形状を測定して、測定面２０１の全体形状の把握に利用できる。もし、その目標値に対する測定点の表面形状情報が必要であれば、周囲の測定点の測定結果を用いて補間処理を行えば良い。このように、フィードバック制御を行わないことにより、測定面全体の測定が完了するまでの時間を短縮することができる。
　なお、本実施形態においては、ヘッドの回転角を検出する検出部の構成として、２つのレーザー光波干渉式測長器から構成される干渉計ユニット１５１と、ロータリエンコーダ１３１の組み合わせを用いたが、これに限らない。干渉計ユニット１５１は、ベース１００を基準とする全体座標系に対して第２支持体１３０がθｘ方向にどれだけ回転したかを検出できれば良い。また、ロータリエンコーダ１３１でなくても、第２支持体１３０を基準とする局所座標系に対して第１支持体１２０がθｘ方向にどれだけ回転したかを検出できれば良い。これらの前提において公知のさまざまな検出器を採用することができる。
　以上説明した表面形状測定装置１０は、測定ユニット１１０を備えるヘッドをｙｚ平面内での平行移動とθｘ方向の回転移動の３自由度により移動させた。ヘッドがこの３自由度に限って移動し得る構成を採用することにより、ヘッドの軽量化を図り、測定の高速化を実現した。しかし、測定の高速化は、ヘッド構成の最適化による貢献のみならず、移動の自由度を３自由度に限ることによる制御の簡易化および演算の簡易化による貢献も大きい。
　この観点からすれば、ヘッド自体はより多くの自由度による移動が可能である構成を有するとしても、回転対称面を測定する場合において、ｙｚ平面内での平行移動とθｘ方向の回転移動の３自由度に制限した制御を行うことにより、測定の高速化を実現できる。すなわち、測定制御部が、ヘッドの移動をこの３自由度に限って制御を実行することにより、精確で高速な測定を実現できる。したがって、測定装置自体が汎用的な装置であっても、回転対称面を測定する場合に測定制御プログラムを変更すれば、一定の水準において測定の高速化を期待できる。
　なお、以上の説明においては、測定対象を回転対称面としたが、表面形状測定装置１０は、図８で説明した測定経路が適宜設定されれば、回転対称面ではない表面でも測定することができる。すなわち、ヘッドの３自由度による移動と、ＸＹステージの回転移動を組み合わせれば、表面上に測定点を離散させることができるので、非測定点における回転対称性を利用した補間演算などを利用しなければ、例えば自由曲面であっても測定できる。
　このように非回転対称面を測定する場合であっても、ヘッドの軽量化により、やはり高速に測定することができる。また、ヘッド自体はより多くの自由度による移動が可能である構成を有するとしても、制御においてｙｚ平面内での平行移動とθｘ方向の回転移動の３自由度に制限することにより、測定アルゴリズムの簡易化を図ることができ、測定の高速化を実現することができる。
　以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
　請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０　表面形状測定装置、１００　ベース、１０１　θｚ駆動モータ、１０２　ＸＹ駆動モータ、１０３　θｚセンサ、１０４　ＸＹセンサ、１１０　測定ユニット、１１１　距離測定器、１１２　角度測定器、１１３　ホルダー、１１５　基準位置、１２０　第１支持体、１２１　鏡面、１３０　第２支持体、１３１　ロータリエンコーダ、１３２　θｘ駆動モータ、１４０　第１フレーム、１４１　ＹＺ駆動モータ、１５０　第２フレーム、１５１　干渉計ユニット、１５３　第１干渉計、１５４　第２干渉計、１５５　Ｚセンサ、１６０　ＸＹステージ、１６１　チャック、１８０　制御ユニット、１８１　システム制御部、１８２　ユーザインタフェース、１８３　メモリ、１８６　測定制御部、１８７　演算部、２００　被測定物、２０１　測定面、２０２　保持部、２１０　回転対称軸、１１１１　第１光源、１１１２、１１１３、１１２２　集光レンズ、１１１４、１１２４　光検出器、１１２１　第２光源、１１２３　コリメートレンズ

Claims (12)

  1. 　被測定物に照射光を照射する照射部と、前記照射光の戻り光を検出する光検出部とを有する測定ユニットと、
    　予め定められた前記被測定物の基準形状データに基づいて、前記被測定物に対向する測定位置に前記測定ユニットを移動させる駆動部と、
    　前記測定位置における前記光検出部の検出結果に基づいて得られる、前記基準形状データが示す前記被測定物の基準形状に対する傾きと、前記基準形状とに基づいて前記被測定物の表面形状データを算出する算出部と、を備える表面形状測定装置。
  2. 　前記被測定物は、第１平面に垂直な第１の軸周りに回転可能なステージに支持され、
    　前記駆動部は前記第１平面に交差する第２平面内の移動と、前記第２平面に垂直な第２の軸周りの回転移動の３自由度で前記測定ユニットを移動させる請求項１に記載の表面形状測定装置。
  3. 　前記測定ユニットは、前記被測定物の表面の測定点までの距離を測定するための距離測定器を含む請求項１または請求項２に記載の表面形状測定装置。
  4. 　前記ステージを前記第１の軸周りに回転移動させる作動部と、
    　前記駆動部および前記作動部を制御する制御部を備え、
    　前記制御部は、前記測定ユニットを前記被測定物の一方向に沿って走査させ、前記ステージを前記第１の軸周りに回転移動させて前記表面形状を測定し、
    　前記算出部は、前記測定位置における前記光検出部の検出結果に基づいて得られる、前記基準形状データが示す前記被測定物の基準形状に対する、前記走査の方向に垂直な軸周りの傾きと、前記基準形状とに基づいて前記被測定物の表面形状データを算出する請求項２に記載の表面形状測定装置。
  5. 　前記制御部は、前記測定ユニットの予め定められた一箇所と前記予め定められた基準形状データが示す前記被測定物の基準形状の測定点における接平面とが対向し、かつ、前記一箇所と前記予め定められた基準形状データが示す前記被測定物の基準形状の測定点における距離が一定距離となるように、前記測定ユニットを走査させる請求項４に記載の表面形状測定装置。
  6. 　前記制御部は、前記測定ユニットが測定する前記被測定物の表面の測定点が前記表面上で放射状の軌跡を描くように前記駆動部および前記作動部を制御する請求項４または請求項５に記載の表面形状測定装置。
  7. 　前記制御部は、前記測定ユニットが測定する前記被測定物の表面の測定点が前記表面上で渦巻きの軌跡を描くように前記駆動部および前記作動部を制御する請求項４または５に記載の表面形状測定装置。
  8. 　前記測定ユニットが設置された第１支持体と、前記第１支持体を支持する第２支持体と、
    　前記第２の軸周りに対する前記支持体の回転角を検出する検出部と、をさらに備え、
    　前記駆動部は、前記第２支持体に対して前記第１支持体を前記垂直軸周りに回転移動させ、前記第２支持体を支持する基台部に対して前記第２支持体を前記一平面内で平行移動させ、
    　前記検出部は、前記回転移動による前記第１支持体の第１回転角を検出する第１検出器と、前記平行移動に伴って生じる前記第２支持体の揺動に対する第２回転角を検出する第２検出器とを含む請求項１から７のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
  9. 　前記第１検出器は、ロータリエンコーダにより構成され、前記第２検出器は、少なくとも２つのレーザー光波干渉式測長器により構成される請求項８に記載の表面形状測定装置。
  10. 　前記第２検出器は、２つの前記レーザー光波干渉式測長器による、前記基台部と前記第２支持体の間のそれぞれの検出距離の差に基づいて前記第２回転角を検出すると共に、前記第２支持体の平行移動における一方向の移動量を検出する請求項９に記載の表面形状測定装置。
  11. 　前記レーザー光波干渉式測長器を構成するレーザー投光部は前記第２支持体に設置され、レーザー反射部は前記基台部に設置される請求項９または１０に記載の表面形状測定装置。
  12. 　測定点に照射光を照射する照射部と、前記照射光の戻り光を検出する光検出部とを有する測定ユニットと、
    　前記測定ユニットを被測定面に対して移動させる駆動部と、
    　前記駆動部により前記支持体を、予め定められた前記被測定物の基準形状データに基づいて、前記被測定物に対向する測定位置に前記測定ユニットを移動させて前記表面形状の測定を実行する制御部と、
    　前記測定位置における前記光検出部の検出結果に基づいて得られる、前記基準形状データが示す前記被測定物の基準形状に対する傾きと、前記基準形状とに基づいて前記被測定物の表面形状データを算出する算出部と、を備える表面形状測定装置。
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