形状測定方法及び形状測定装置
【課題】回折光学素子のように滑らかでない面の形状を高精度に測定する。
【解決手段】プローブを第１の走査軌跡に沿って走査させて第１の測定データを得る。次に、プローブを、第１の走査軌跡と所定の分解能の同じ範囲を通り、第１の走査軌跡と反対向きの走査方向を有する第２の走査軌跡に沿って走査させて第２の測定データを得る。これらの測定データの安定区間と不安定区間とを抽出する。そして、安定区間の測定データを選択し、選択後の測定データに基づいて面形状を演算する。これにより、滑らかでない面の形状を高精度に測定できる。
【解決手段】プローブを第１の走査軌跡に沿って走査させて第１の測定データを得る。次に、プローブを、第１の走査軌跡と所定の分解能の同じ範囲を通り、第１の走査軌跡と反対向きの走査方向を有する第２の走査軌跡に沿って走査させて第２の測定データを得る。これらの測定データの安定区間と不安定区間とを抽出する。そして、安定区間の測定データを選択し、選択後の測定データに基づいて面形状を演算する。これにより、滑らかでない面の形状を高精度に測定できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、光学素子やこれを作るための金型などの面形状を高精度に測定する形状測定方法及び形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像カメラをはじめレーザビームプリンタ、複写機、半導体露光装置など各種光学装置の性能向上に伴い、これらの光学装置に組み込まれる光学素子に求められる要求はますます高度化してきている。特に近年では、光の回折現象を利用した回折光学素子が、様々な製品に利用されている。このような回折光学素子では、表面に数百ｎｍから数十μｍの凹凸を規則的に配置することで、光の位相差をつけて、回折現象を発生させている構造のものが多い。または、光の波長よりも短い周期（数ｎｍから数百ｎｍ）をもつ表面構造を作成することで、屈折率分布を制御して、回折現象、反射防止、偏光などの特性を持たせた光学素子もある。このように光学素子の面形状、または光学素子成形用金型の面形状を高精度に測定するために、従来から接触式のプローブを用いた走査型形状測定装置が広く利用されている。
【０００３】
以下に、光学素子あるいは光学素子成形用金型を被測定物とし、この被測定物の被測定面の形状を測定する従来技術について説明する。測定装置は、例えば、プローブと、このプローブをＸＹ方向に移動させるＸＹステージと、このＸＹステージにプローブをＺ方向の変位自在に支持するガイドと、プローブの３次元位置を測定する変位測定装置を備える。このプローブはＺ方向に関し被測定面に向かう方向に付勢されており、この付勢力にプローブの先端が被側面に追従するようになっている。このような測定装置による被測定面の測定は図９に示すように行う。
【０００４】
まず、測定が開始されると（Ｓ２０１）、プローブで被測定面を倣い走査して、プローブの３次元位置を測定することで測定データを得る（Ｓ２０２）。即ち、プローブを被測定面に沿ってＸＹ方向に走査して、Ｚ方向の変位を検知する。このようなプローブによる走査は、予め指定した押し込み力や走査速度、走査軌跡といった走査条件にしたがって行われる。被測定面の走査が終了すると、測定データの解析を行い、被測定面の面形状を演算する（Ｓ２０３）。そして、Ｓ２０４で、面形状の解析後、形状測定を終了する（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、回折光学素子のように段差を有するような被測定面を測定する場合には、この段差を超える際にプローブの跳ね上げや振動が生じ易い。このため、プローブのＺ方向の変位として被測定面に倣った変位以外の要素が大きくなり、測定データが不安定になる。この結果、高精度に被測定面の形状を得にくい。
【０００６】
これに対して、プローブの走査方向を、回折光学素子の段差の稜線に直交する方向とする発明が開示されている（特許文献２参照）。この発明によれば、段差の走査区間を短くすることができ、測定データが不安定となる区間のデータの取り込みを少なくできる。
【０００７】
また、プローブの付勢力を調整する発明が開示されている（特許文献３参照）。この発明の場合、被測定面上のごみなどによりプローブの跳ね上げを検知すると、プローブのシャフトに素早く力を加えて、プローブを被測定面に戻すことができる。これにより、プローブによる被測定面の走査を安定させることができる。
【０００８】
また、被測定面に大口径や大傾斜角を有する被測定物を何通りかに傾斜させて、それぞれ被測定面を測定し、測定したデータをつなぎ合わせる発明が開示されている（特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１４１４４３号公報
【特許文献２】特開２００５−８４００２号公報
【特許文献３】特開２００７−５７３０８号公報
【特許文献４】特開平７−９１９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の特許文献２に開示された発明の場合、プローブが段差を超える際に生じる跳ね上げや振動については何ら考慮されておらず、被測定面の形状を得るために不安定な測定データが使用されることは避けられず、高精度に被測定面の形状を得にくい。
【００１１】
また、特許文献３に開示された発明の場合、プローブの跳ね上げや振動を収束させて安定化させるのに時間を要する。つまり安定化するまでの時間に走査した区間は、不安定な測定データになってしまう。このため、被測定面の形状を得るために不安定な測定データが使用されることは避けられず、高精度に被測定面の形状を得にくい。また、プローブを被測定面に戻すように力を加えることは、キズの発生原因になる可能性がある。
【００１２】
また、特許文献４に開示された発明の場合、被測定物を傾斜させて測定するため、測定基準が変化、即ち、被測定物の被測定面とプローブ先端との基準となる距離が変化することになる。したがって、数ｎｍと言うレベルの測定を対象とした場合、測定基準が異なる測定データをつなぎ合わせることで生じる誤差を無視できない。
【００１３】
本発明は、上述のような事情に鑑み、回折光学素子のように滑らかでない面の形状を高精度に測定する形状測定方法及び形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、プローブを被測定面に倣い走査させて、前記被測定面の形状を測定する形状測定方法において、前記プローブを第１の走査軌跡に沿って走査させ、第１の測定データを取得する第１の測定工程と、前記プローブを、前記第１の走査軌跡と所定の分解能の同じ範囲を通り、前記第１の走査軌跡と反対向きの走査方向を有する第２の走査軌跡に沿って走査させ、第２の測定データを取得する第２の測定工程と、前記第１の測定データ及び前記第２の測定データから、測定データが安定している安定区間と測定データが不安定となる不安定区間とを抽出する抽出工程と、前記抽出工程で抽出した前記安定区間と前記不安定区間とのうち、前記安定区間の測定データを選択する選択工程と、を有し、前記選択工程により選択した安定区間の測定データを用いて前記被測定面の形状の測定を行う、ことを特徴とする形状測定方法にある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の場合、所定の分解能の同じ範囲内で、第１の測定データと第２の測定データとの安定区間の測定データを選択して被測定面の形状を測定している。第１の測定データと第２の測定データとは、互いに反対向きの走査軌跡に基づくものであり、不安定となる区間は走査方向に関してずれる。このため、所定の分解能の同じ範囲内の走査方向に関する測定データを安定区間の測定データによりほぼ連続させられる。本発明の場合、このように安定区間の測定データを選択して被測定面の形状の測定を行うことで、プローブ２が滑らかでない面を通過した際に測定データに与える影響を低減して、回折光学素子のように滑らかでない面の形状を高精度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る形状測定装置の概略構成図。
【図２】形状測定装置の別例の一部を拡大した図。
【図３】第１の実施形態の測定の流れを示すフローチャート。
【図４】走査軌跡の２例を示す模式図。
【図５】走査方向が異なる走査軌跡で、それぞれ段差を通過した時のプローブの振動を模式的に示す図。
【図６】第１の実施形態で不安定区間を抽出する方法を説明するための模式図。
【図７】測定データの安定区間と不安定区間とから安定区間を選択する概念を模式的に示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態で不安定区間を抽出する方法を説明するための模式図。
【図９】従来例による形状測定方法の手順を説明するためのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図１ないし図７を用いて説明する。
【００１８】
［形状測定装置］
まず、図１により本実施形態の形状測定装置について説明する。形状測定装置１は、プローブ２と、定盤３と、プローブ２を支持する支持手段４と、支持手段４を介してプローブ２を移動させる移動手段５と、プローブ２の変位を測定する変位測定手段６と、制御部７と、を備える。そして、定盤３の上に載置された被測定物（ワーク）Ｗの被測定面Ｓの形状を測定する。特に、本実施形態の場合、被測定物Ｗとして、被測定面Ｓに数ｎｍから数十μｍの凹凸からなる段差を有する光学素子、或いは、光学素子成形用金型のように、滑らかでない面を有するものを対象としている。
【００１９】
プローブ２は、先端に小さい曲率半径の球を有する棒状の部材で、先端を被測定物Ｗの被測定面Ｓに接触させる。先端の曲率半径は、数ｎｍから数十μｍの凹凸を検知可能な程度に小さい。即ち、プローブ２の先端球は、光学素子の段差の谷部付近に接触可能な程度の小さい曲率半径を有する。
【００２０】
定盤３は、プローブ２の先端と対向するように配置され、表面をプローブ２の配設方向（Ｚ方向）と直角な平面（ＸＹ平面）としている。そして、この表面（載置面）に被測定物Ｗを被測定面Ｓがプローブ２側となるように載置している。なお、定盤３は、床からの振動による影響を抑えるために、除振機能を備えていることが好ましい。例えば、床との設置部と載置面との間にゴムなどの弾性部材を設置する。
【００２１】
支持手段４は、リニアガイド４ａと、力発生手段４ｂと、ハウジング４ｃと、ＸＹステージ４ｄとを有する。このうちのリニアガイド４ａは、プローブ２をＺ方向の変位自在に支持するものである。また、リニアガイド４ａの基端部には、プローブ２の自重を補償し、所定の力でプローブ２を被測定面Ｓに向けて付勢することができるように、例えばばねなどを有する力発生手段４ｂが取り付けられている。これにより、プローブ２を走査時に被測定面Ｓに追従させる。このようなリニアガイド４ａは、ハウジング４ｃを介してＸＹステージ４ｄに取り付けられている。
【００２２】
移動手段５は、ＸＹステージ４ｄを互いに直角な方向であるＸ方向とＹ方向とに（２次元的に）移動させるものであり、例えば、ステッピングモータとボールねじ機構とを備えたものである。移動手段５によりＸＹステージ４ｄ、ハウジング４ｃ、リニアガイド４ａを介してプローブ２が、Ｘ方向及びＹ方向に移動される。
【００２３】
このような本実施形態の場合、プローブ２は、上述のように３軸並進方向、即ち、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向に移動可能である。なお、定盤３をＸＹ方向に移動可能とし、プローブ２をＺ方向にのみ移動可能としても良い。この場合もプローブ２は、定盤３に載置された被測定物Ｗに対して３軸並進方向に移動可能である。要は、プローブ２と定盤３とが相対的に２次元的に移動すれば良い。
【００２４】
また、プローブ２の移動方向は、例えば、１軸回転方向と２軸並進方向とすることもできる。即ち、図２に示すように、Ｘ方向に移動可能なＸステージ４１の一部に、プローブ２をＺ方向に変位可能に支持する。また、ステージ４１は、Ｚ方向と平行な中心軸Ｎを中心とした回転方向（Ｒ方向）に回転可能である。なお、この構造の場合も、Ｘ方向とＲ方向の移動を定盤３に行わせるようにしても良い。
【００２５】
変位測定手段６は、プローブ２の基端部に反射ミラーを設け、干渉計測などを利用して、プローブ２の３次元位置を測定する。例えば、プローブ２の基端部の周囲に基準ミラーを設け、レーザにより反射ミラーと基準ミラーとの距離を測定することにより、プローブ２の３次元位置を測定する。
【００２６】
制御部７は、データサンプリング装置７ａと、演算装置であるＣＰＵ７ｂとを有する。変位測定手段６により測定されたプローブ２の３次元位置は、データサンプリング装置７ａにおいて、所定の時間間隔でサンプリングされる。サンプリングされた離散データは、制御部７内のメモリに測定データとして保存され、被測定面Ｓの形状の演算に使用される。また、ＣＰＵ７ｂは、移動手段５を制御して、ＸＹステージを予め設定された走査軌跡に沿って移動させる。
【００２７】
［形状測定方法］
このように構成される形状測定装置１により、次のような形状測定方法で、被測定物Ｗの被測定面Ｓの形状を測定する。即ち、移動手段５によりＸＹステージを移動させて、プローブ２を被測定面Ｓに接触させた状態で倣い走査させる。そして、プローブ２の３次元位置を変位測定手段６により測定することにより、被測定面Ｓの形状を測定する。
【００２８】
特に、本実施形態の形状測定方法では、第１の測定工程と、第２の測定工程と、抽出工程と、選択工程とを有する。図３に示すように、測定が開始されると（Ｓ１０１）、まず、第１の工程で、プローブ２を予め設定された第１の走査軌跡に沿って走査させ、第１の測定データを取得する（Ｓ１０２）。次いで、第２の測定工程で、プローブ２を、第１の走査軌跡と所定の分解能の同じ範囲を通り、第１の走査軌跡と反対向きの走査方向を有する第２の走査軌跡に沿って走査させ、第２の測定データを取得する（Ｓ１０３）。
【００２９】
本実施形態では、第１の測定データと第２の測定データとのうち、一方の測定データを基準データとし、他方の測定データを参照データとして選択する（Ｓ１０４）。基準データの選択は、予め決めておいても良いし、測定データ取得後に演算を行い、エラー量が小さいと思われる方を選択しても良い。
【００３０】
次いで、抽出工程で、それぞれの測定データの安定区間と不安定区間とを抽出する（Ｓ１０５）。そして、選択工程で、このように抽出工程で抽出した安定区間と不安定区間とのうち、安定区間の測定データを選択する（Ｓ１０６）。具体的には、基準データの不安定区間の測定データを除去し、当該区間に対応する参照データの安定区間の測定データを使用する。このように安定区間を選択した後の測定データに基づいて、ＣＰＵ７ｂにより面形状を演算し、被測定面Ｓの形状の測定を行う（Ｓ１０７）。Ｓ１０８で測定を終了する。以下、詳しく説明する。
【００３１】
［第１、第２の測定工程］
まず、上述の第１の測定工程及び第２の測定工程について説明する。ここで、上述した所定の分解能とは、形状測定に求められる被測定面Ｓの面内方向の解像距離とする。
【００３２】
本実施形態では、第２の測定工程で、第１の走査軌跡と第２の走査軌跡とが一致するようにプローブ２を移動させるように制御するが、実際にこれらの軌跡を完全に一致させることは難しい。即ち、これらの軌跡は、形状測定装置１がプローブ２を移動可能な制御量の最小単位でずれる可能性がある。ただし、形状測定に求められる被測定面Ｓの面内方向の解像距離の範囲でずれているのであれば、使用上問題はない。言い換えれば、第１の走査軌跡と第２の走査軌跡とが一致した場合と同様に、測定データを扱える。
【００３３】
このような第１の走査軌跡及び第２の走査軌跡の具体例の２例について、図４を用いて説明する。図４に示すように、被測定物Ｗに複数の段差２０１が互いに平行に形成されているとする。図４（ａ）の場合、第１の走査軌跡２０２ａは、端点Ｐ１から端点Ｐ２に向かって一方向に連続した軌跡である。したがって、このように端点Ｐ１から端点Ｐ２に向かってプローブ２を走査して取得した測定データが第１の測定データとなる。続いて、第２の走査軌跡２０２ｂは、第１の走査軌跡２０２ａと反対向きに、端点Ｐ２から端点Ｐ１に向かって一方向に連続した軌跡である。即ち、第２の走査軌跡では、前述した所定の分解能の同じ範囲内で第１の走査軌跡２０２ａをなぞるように、第１の走査軌跡２０２ａの走査方向と反対方向にプローブ２を走査させる。そして、このように端点Ｐ２から端点Ｐ１に向かってプローブ２を走査して取得した測定データが第２の測定データとなる。
【００３４】
一方、図４（ｂ）の場合、端点Ｐ１から端点Ｐ２に至る軌跡のうちに、同一走査線上（所定の分解能の同じ範囲内）を往復して走査している区間がある。即ち、上述の図４（ａ）のように、端点Ｐ１から端点Ｐ２まで走査してから反対向きに端点Ｐ２から端点Ｐ１まで走査するのではなく、端点Ｐ１から端点Ｐ２に至るまでの間に、各走査区間を往復させている。したがって、図４（ｂ）の場合、第１の走査軌跡２０３ａと第２の走査軌跡２０３ｂとを交互に走査することになり、測定データも、第１の測定データと第２の測定データとを区間毎に交互に取得することになる。
【００３５】
なお、ここでは、段差が平行に形成された被測定物について説明したが、同心円状や楕円状、自由曲線状に段差が形成された被測定物についても、同様である。また、段差とは、２つの面がＺ方向にずれた個所であり、段差の形状自体は問わない。即ち、段差面が２つの面に対して直角となるような構成だけではなく、段差面が２つの面に対して傾斜している構成や、段差面が湾曲している構成なども含む。要は、プローブが通過した際に、Ｚ方向に振動が生じてしまうような形状であれば段差に含むものとする。
【００３６】
なお、本実施形態の場合、第１の測定工程と第２の測定工程とは、プローブ２と被測定面Ｓとの基準となる距離が同一である。即ち、第１の測定工程が終わった後、プローブ２と被測定物Ｗの測定基準を維持したまま、第２の測定工程を行う。例えば、被測定物Ｗをプローブ２に対して動かしたり、反射ミラーと基準ミラーとの距離を測定するレーザ光を一旦切断したりした場合、プローブ２に対する被測定物Ｗの測定基準が変化する。測定基準が変化した場合、測定データをつなぎ合わせる際に、この基準の変化を考慮する必要があり、本実施形態のような数ｎｍと言うオーダで測定する装置の場合には、この変化を考慮して測定データをつなぎ合わせることは難しい。
【００３７】
そこで、第１の測定工程と第２の測定工程との間で、例えば、被測定物Ｗをプローブ２に対して動かしたり、反射ミラーと基準ミラーとの距離を測定するレーザ光を切断したりしないで、プローブ２と被測定物Ｗとの測定基準をそのままとしている。
【００３８】
［抽出工程］
抽出工程では、上述の第１、第２の測定工程で取得した第１の測定データ及び第２の測定データから、測定データが安定している安定区間と測定データが不安定となる不安定区間とを抽出する。本実施形態の被測定物Ｗの被測定面Ｓは、例えば、光学素子の段差を有するものである。このため、プローブ２がこの段差を通過する際には、プローブ２が被測定面Ｓに対し遠近動する方向に振動（跳ね上げを含む）することは避けられない。そして、この振動が生じた区間は、この振動も変位測定手段６により測定されるため、測定データとして不安定となる。本実施形態では、不安定区間を、段差の通過によりプローブ２が振動する区間としている。この点について図５を用いて説明する。
【００３９】
図５は、プローブ２が段差１０１ａを通過するように走査した際のプローブ２の先端球２ａの中心の挙動を説明する図である。図５（ａ）は、段差１０１ａを上るよう（走査方向１０２ａ）に通過する図であり、図５（ｂ）は、段差１０１ａを下るよう（走査方向１０２ｂ）に通過する図である。ここでは、説明を簡単にするため、プローブ２を段差１０１ａの稜線に対して直交するように走査していることとする。
【００４０】
図５（ａ）に示すように、プローブ２の先端球２ａが被測定面Ｓに形成された段差１０１ａを上るように通過すると、先端球２ａの中心は線１０３ａに示すように挙動する。即ち、プローブ２が段差１０１ａに衝突することで大きく跳ね上げられ、その後減衰振動して収束する。このように、プローブ２が振動している間は、不安定区間になる。ここで、線１０３ａのように得られるデータが第１の測定データに相当する（以下、第１の測定データ１０３ａとする）。
【００４１】
なお、跳ね上げ量は、プローブ２を被測定面Ｓに向けて付勢する付勢力やプローブ２とリニアガイド４ａとの間の剛性に大きく依存する。測定感度を高めるためには、これら付勢力と剛性を小さくすることが好ましいが、これら付勢力と剛性を小さくするほど、上述のプローブ２の跳ね上げが大きくなる。このように、測定感度と不安定区間は相反する関係にある。
【００４２】
一方、図５（ｂ）に示すように、プローブ２の先端球２ａが段差１０１ａを下るように通過すると、先端球２ａの中心は線１０３ｂに示すように挙動する。即ち、段差１０１ａを通過したプローブ２が、被測定面Ｓに衝突し、跳ね上げられ、その後減衰振動して収束する。このように、プローブ２が振動している間は、やはり不安定区間になる。ここで、線１０３ｂのように得られるデータが第２の測定データに相当する（以下、第２の測定データ１０３ｂとする）。
【００４３】
以上のように、段差１０１ａを通過するようにプローブ２を倣い走査すると、段差１０１ａを通過した直後の測定データが不安定になる。逆にいうと、プローブ２が段差１０１ａを通過する直前までの測定データは安定していると言える。
【００４４】
次に、本実施形態の不安定区間の抽出方法について説明する。本実施形態の場合、前述の抽出工程で、第１の測定データ１０３ａと第２の測定データ１０３ｂとのそれぞれ不安定区間を抽出する。このために、前述のように、所定の分解能の同じ範囲内で得られた第１の測定データ１０３ａと第２の測定データ１０３ｂとを比較し、被測定面Ｓから離れる方向の測定データを有する範囲を、不安定区間として抽出する。この点について、図６を用いて詳しく説明する。
【００４５】
段差１０１ａの通過によるプローブ２の跳ね上げや振動を直接的に検知することは困難である。しかしながら、プローブ２の跳ね上げや振動が生じている測定データは、安定に走査している測定データと比較して、被測定面Ｓから離れる方向に測定される。即ち、第１の測定データ１０３ａと第２の測定データ１０３ｂとの２つの測定データを比較して、被測定面Ｓから離れる方向に測定される測定データは、跳ね上げや振動が生じていると言える。図６は、２つの測定データを重ねて表示した図である。即ち、図６は、図５で示した測定データ１０３ａ、１０３ｂを重ねたものに相当する。図６の下側に被測定面Ｓがあるとすると、区間１０５ａ、１０５ｂに示される破線は、跳ね上げや振動が生じている部分である。つまり、これらの区間を不安定区間として抽出することができる。不安定区間が抽出できれば、その他が安定区間である。
【００４６】
［選択工程］
選択工程では、上述のように抽出した不安定区間と安定区間とから安定区間を選択する。即ち、図７に示すように、段差を走査方向両側から通過させた場合にそれぞれ存在する不安定区間を除去し、安定区間のみを使用する。例えば、基準データから不安定区間を除去し、除去した部分を、その部分に相当する参照データの安定区間のデータによりつなぎ合わせる。ここでは、段差を上る方向（図５の走査方向１０２ａ）に走査して取得した第１の測定データ１０３ａを基準データとし、下る方向（図５の走査方向１０２ｂ）に走査して取得した第２の測定データ１０３ｂを参照データとする。なお、段差の上りと下りを反対にしても同様に考えられる。
【００４７】
図７（ａ）に示すように、段差を上る方向にプローブ２を走査させると段差に衝突した後にデータが不安定になる。したがって、前述の抽出工程でデータ演算により、基準データから不安定区間１０４ａを抽出する。次に、図７（ｂ）に示すように、参照データから基準データの不安定区間１０４ａに対応する区間１０４ｂの測定データを抽出する。即ち、段差を下る方向にプローブを走査させた場合の段差を通過する直前のデータを抽出する。そして、図７（ｃ）に示すように、基準データの不安定区間１０４ａのデータを除去し、除去した部分を参照データで抽出した区間１０４ｂの測定データでつなぎ合わせることで、不安定区間のない新しい測定データ（補正データ）１０３ｃを得る。このように得られた新しい測定データ１０３ｃに基づいてＣＰＵ７ｂが演算を行い、被測定面Ｓの形状を求める。
【００４８】
本実施形態の場合、上述したように、所定の分解能の同じ範囲内で、第１の測定データと第２の測定データとの安定区間の測定データを選択して被測定面Ｓの形状を測定している。第１の測定データと第２の測定データとは、互いに反対向きの走査軌跡に基づくものであり、不安定となる区間は走査方向に関してずれる。即ち、プローブ２が段差を通過した直後が不安定区間であり、走査方向が反対であれば、段差を通過する方向も反対となるため、走査方向が互いに反対である第１の測定データと第２の測定データとでは、当然に不安定区間が走査方向に関してずれる。
【００４９】
このため、図７（ｃ）の測定データ１０３ｃのように、所定の分解能の同じ範囲内の走査方向に関する測定データを安定区間の測定データによりほぼ連続させられる。即ち、上述のように基準データの不安定区間の測定データを除去し、除去した部分を、当該部分に該当する参照データの安定区間の測定データによりつなぎ合わせることができる。また、前述したように第１の測定工程と第２の測定工程で測定基準を同じとしているため、このような測定データのつなぎ合わせの際に誤差が生じることはない。
【００５０】
本実施形態の場合、このように安定区間の測定データを選択して被測定面Ｓの形状の測定を行うことで、プローブ２の段差通過時に生じる振動の影響を低減して、回折光学素子のように滑らかでない面の形状を高精度に測定できる。
【００５１】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図８を用いて説明する。なお、本実施形態は、不安定区間の抽出方向が上述の第１の実施形態と異なるだけである。このため、第１の実施形態と重複する説明及び図示は、省略または簡略にし、以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５２】
本実施形態では、抽出工程で、被測定面Ｓの設計形状から段差１０１ａの位置を予測し、その位置からプローブ２の走査方向に関し所定の範囲を、不安定区間として抽出している。即ち、被測定面Ｓの設計形状から段差１０１ａの位置は凡そ把握できる。言い換えれば、段差１０１ａの位置は予測可能である。また、プローブ２の先端球２ａの曲率半径や真球度は、別の方法で予め測定することが可能であり、既知である。
【００５３】
次に、図８に示すように、プローブ２の先端球２ａが段差１０１ａで、２点１０１ｂと１０１ｃで接触する状態を考える。前述したように、プローブ２が段差１０１を通過した直後に不安定区間が存在することから、この２点を境にして走査方向に関し所定の範囲が不安定区間となることが予測できる。したがって、上述の段差１０１ａの位置が予測できれば、プローブ２の先端球２ａの曲率半径などが既知であるため、経験則に基づいて不安定区間が予測できる。
【００５４】
即ち、図８（ａ）に示すように、プローブ２が段差１０１ａを上る方向に走査した場合、段差１０１ａの予測位置から、先端球２ａの中心から所定の区間１０６ａが不安定区間となることが、例えば実験データなどに基づいて予測できる。同様に、図８（ｂ）に示すように、プローブ２が段差１０１ａを下る方向に走査した場合、段差１０１ａの予測位置から、先端球２ａの中心から所定の区間１０６ｂが不安定区間となることが、例えば実験データなどに基づいて予測できる。
【００５５】
本実施形態では、このように不安定区間を段差１０１ａの位置などに基づいて予測することにより、不安定区間と安定区間とを抽出するようにしている。その他の構成及び作用は、上述の第１の実施形態と同様である。
【符号の説明】
【００５６】
１・・・形状測定装置、２・・・プローブ、３・・・定盤、４・・・支持手段、５・・・移動手段、６・・・変位測定手段、７・・・制御部、１０１ａ・・・段差、１０３ａ・・・第１の測定データ、１０３ｂ・・・第２の測定データ、２０２ａ、２０３ａ・・・第１の走査軌跡、２０２ｂ、２０３ｂ・・・第２の走査軌跡、Ｗ・・・被測定物、Ｓ・・・被測定面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、光学素子やこれを作るための金型などの面形状を高精度に測定する形状測定方法及び形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像カメラをはじめレーザビームプリンタ、複写機、半導体露光装置など各種光学装置の性能向上に伴い、これらの光学装置に組み込まれる光学素子に求められる要求はますます高度化してきている。特に近年では、光の回折現象を利用した回折光学素子が、様々な製品に利用されている。このような回折光学素子では、表面に数百ｎｍから数十μｍの凹凸を規則的に配置することで、光の位相差をつけて、回折現象を発生させている構造のものが多い。または、光の波長よりも短い周期（数ｎｍから数百ｎｍ）をもつ表面構造を作成することで、屈折率分布を制御して、回折現象、反射防止、偏光などの特性を持たせた光学素子もある。このように光学素子の面形状、または光学素子成形用金型の面形状を高精度に測定するために、従来から接触式のプローブを用いた走査型形状測定装置が広く利用されている。
【０００３】
以下に、光学素子あるいは光学素子成形用金型を被測定物とし、この被測定物の被測定面の形状を測定する従来技術について説明する。測定装置は、例えば、プローブと、このプローブをＸＹ方向に移動させるＸＹステージと、このＸＹステージにプローブをＺ方向の変位自在に支持するガイドと、プローブの３次元位置を測定する変位測定装置を備える。このプローブはＺ方向に関し被測定面に向かう方向に付勢されており、この付勢力にプローブの先端が被側面に追従するようになっている。このような測定装置による被測定面の測定は図９に示すように行う。
【０００４】
まず、測定が開始されると（Ｓ２０１）、プローブで被測定面を倣い走査して、プローブの３次元位置を測定することで測定データを得る（Ｓ２０２）。即ち、プローブを被測定面に沿ってＸＹ方向に走査して、Ｚ方向の変位を検知する。このようなプローブによる走査は、予め指定した押し込み力や走査速度、走査軌跡といった走査条件にしたがって行われる。被測定面の走査が終了すると、測定データの解析を行い、被測定面の面形状を演算する（Ｓ２０３）。そして、Ｓ２０４で、面形状の解析後、形状測定を終了する（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、回折光学素子のように段差を有するような被測定面を測定する場合には、この段差を超える際にプローブの跳ね上げや振動が生じ易い。このため、プローブのＺ方向の変位として被測定面に倣った変位以外の要素が大きくなり、測定データが不安定になる。この結果、高精度に被測定面の形状を得にくい。
【０００６】
これに対して、プローブの走査方向を、回折光学素子の段差の稜線に直交する方向とする発明が開示されている（特許文献２参照）。この発明によれば、段差の走査区間を短くすることができ、測定データが不安定となる区間のデータの取り込みを少なくできる。
【０００７】
また、プローブの付勢力を調整する発明が開示されている（特許文献３参照）。この発明の場合、被測定面上のごみなどによりプローブの跳ね上げを検知すると、プローブのシャフトに素早く力を加えて、プローブを被測定面に戻すことができる。これにより、プローブによる被測定面の走査を安定させることができる。
【０００８】
また、被測定面に大口径や大傾斜角を有する被測定物を何通りかに傾斜させて、それぞれ被測定面を測定し、測定したデータをつなぎ合わせる発明が開示されている（特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１４１４４３号公報
【特許文献２】特開２００５−８４００２号公報
【特許文献３】特開２００７−５７３０８号公報
【特許文献４】特開平７−９１９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の特許文献２に開示された発明の場合、プローブが段差を超える際に生じる跳ね上げや振動については何ら考慮されておらず、被測定面の形状を得るために不安定な測定データが使用されることは避けられず、高精度に被測定面の形状を得にくい。
【００１１】
また、特許文献３に開示された発明の場合、プローブの跳ね上げや振動を収束させて安定化させるのに時間を要する。つまり安定化するまでの時間に走査した区間は、不安定な測定データになってしまう。このため、被測定面の形状を得るために不安定な測定データが使用されることは避けられず、高精度に被測定面の形状を得にくい。また、プローブを被測定面に戻すように力を加えることは、キズの発生原因になる可能性がある。
【００１２】
また、特許文献４に開示された発明の場合、被測定物を傾斜させて測定するため、測定基準が変化、即ち、被測定物の被測定面とプローブ先端との基準となる距離が変化することになる。したがって、数ｎｍと言うレベルの測定を対象とした場合、測定基準が異なる測定データをつなぎ合わせることで生じる誤差を無視できない。
【００１３】
本発明は、上述のような事情に鑑み、回折光学素子のように滑らかでない面の形状を高精度に測定する形状測定方法及び形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、プローブを被測定面に倣い走査させて、前記被測定面の形状を測定する形状測定方法において、前記プローブを第１の走査軌跡に沿って走査させ、第１の測定データを取得する第１の測定工程と、前記プローブを、前記第１の走査軌跡と所定の分解能の同じ範囲を通り、前記第１の走査軌跡と反対向きの走査方向を有する第２の走査軌跡に沿って走査させ、第２の測定データを取得する第２の測定工程と、前記第１の測定データ及び前記第２の測定データから、測定データが安定している安定区間と測定データが不安定となる不安定区間とを抽出する抽出工程と、前記抽出工程で抽出した前記安定区間と前記不安定区間とのうち、前記安定区間の測定データを選択する選択工程と、を有し、前記選択工程により選択した安定区間の測定データを用いて前記被測定面の形状の測定を行う、ことを特徴とする形状測定方法にある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の場合、所定の分解能の同じ範囲内で、第１の測定データと第２の測定データとの安定区間の測定データを選択して被測定面の形状を測定している。第１の測定データと第２の測定データとは、互いに反対向きの走査軌跡に基づくものであり、不安定となる区間は走査方向に関してずれる。このため、所定の分解能の同じ範囲内の走査方向に関する測定データを安定区間の測定データによりほぼ連続させられる。本発明の場合、このように安定区間の測定データを選択して被測定面の形状の測定を行うことで、プローブ２が滑らかでない面を通過した際に測定データに与える影響を低減して、回折光学素子のように滑らかでない面の形状を高精度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る形状測定装置の概略構成図。
【図２】形状測定装置の別例の一部を拡大した図。
【図３】第１の実施形態の測定の流れを示すフローチャート。
【図４】走査軌跡の２例を示す模式図。
【図５】走査方向が異なる走査軌跡で、それぞれ段差を通過した時のプローブの振動を模式的に示す図。
【図６】第１の実施形態で不安定区間を抽出する方法を説明するための模式図。
【図７】測定データの安定区間と不安定区間とから安定区間を選択する概念を模式的に示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態で不安定区間を抽出する方法を説明するための模式図。
【図９】従来例による形状測定方法の手順を説明するためのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図１ないし図７を用いて説明する。
【００１８】
［形状測定装置］
まず、図１により本実施形態の形状測定装置について説明する。形状測定装置１は、プローブ２と、定盤３と、プローブ２を支持する支持手段４と、支持手段４を介してプローブ２を移動させる移動手段５と、プローブ２の変位を測定する変位測定手段６と、制御部７と、を備える。そして、定盤３の上に載置された被測定物（ワーク）Ｗの被測定面Ｓの形状を測定する。特に、本実施形態の場合、被測定物Ｗとして、被測定面Ｓに数ｎｍから数十μｍの凹凸からなる段差を有する光学素子、或いは、光学素子成形用金型のように、滑らかでない面を有するものを対象としている。
【００１９】
プローブ２は、先端に小さい曲率半径の球を有する棒状の部材で、先端を被測定物Ｗの被測定面Ｓに接触させる。先端の曲率半径は、数ｎｍから数十μｍの凹凸を検知可能な程度に小さい。即ち、プローブ２の先端球は、光学素子の段差の谷部付近に接触可能な程度の小さい曲率半径を有する。
【００２０】
定盤３は、プローブ２の先端と対向するように配置され、表面をプローブ２の配設方向（Ｚ方向）と直角な平面（ＸＹ平面）としている。そして、この表面（載置面）に被測定物Ｗを被測定面Ｓがプローブ２側となるように載置している。なお、定盤３は、床からの振動による影響を抑えるために、除振機能を備えていることが好ましい。例えば、床との設置部と載置面との間にゴムなどの弾性部材を設置する。
【００２１】
支持手段４は、リニアガイド４ａと、力発生手段４ｂと、ハウジング４ｃと、ＸＹステージ４ｄとを有する。このうちのリニアガイド４ａは、プローブ２をＺ方向の変位自在に支持するものである。また、リニアガイド４ａの基端部には、プローブ２の自重を補償し、所定の力でプローブ２を被測定面Ｓに向けて付勢することができるように、例えばばねなどを有する力発生手段４ｂが取り付けられている。これにより、プローブ２を走査時に被測定面Ｓに追従させる。このようなリニアガイド４ａは、ハウジング４ｃを介してＸＹステージ４ｄに取り付けられている。
【００２２】
移動手段５は、ＸＹステージ４ｄを互いに直角な方向であるＸ方向とＹ方向とに（２次元的に）移動させるものであり、例えば、ステッピングモータとボールねじ機構とを備えたものである。移動手段５によりＸＹステージ４ｄ、ハウジング４ｃ、リニアガイド４ａを介してプローブ２が、Ｘ方向及びＹ方向に移動される。
【００２３】
このような本実施形態の場合、プローブ２は、上述のように３軸並進方向、即ち、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向に移動可能である。なお、定盤３をＸＹ方向に移動可能とし、プローブ２をＺ方向にのみ移動可能としても良い。この場合もプローブ２は、定盤３に載置された被測定物Ｗに対して３軸並進方向に移動可能である。要は、プローブ２と定盤３とが相対的に２次元的に移動すれば良い。
【００２４】
また、プローブ２の移動方向は、例えば、１軸回転方向と２軸並進方向とすることもできる。即ち、図２に示すように、Ｘ方向に移動可能なＸステージ４１の一部に、プローブ２をＺ方向に変位可能に支持する。また、ステージ４１は、Ｚ方向と平行な中心軸Ｎを中心とした回転方向（Ｒ方向）に回転可能である。なお、この構造の場合も、Ｘ方向とＲ方向の移動を定盤３に行わせるようにしても良い。
【００２５】
変位測定手段６は、プローブ２の基端部に反射ミラーを設け、干渉計測などを利用して、プローブ２の３次元位置を測定する。例えば、プローブ２の基端部の周囲に基準ミラーを設け、レーザにより反射ミラーと基準ミラーとの距離を測定することにより、プローブ２の３次元位置を測定する。
【００２６】
制御部７は、データサンプリング装置７ａと、演算装置であるＣＰＵ７ｂとを有する。変位測定手段６により測定されたプローブ２の３次元位置は、データサンプリング装置７ａにおいて、所定の時間間隔でサンプリングされる。サンプリングされた離散データは、制御部７内のメモリに測定データとして保存され、被測定面Ｓの形状の演算に使用される。また、ＣＰＵ７ｂは、移動手段５を制御して、ＸＹステージを予め設定された走査軌跡に沿って移動させる。
【００２７】
［形状測定方法］
このように構成される形状測定装置１により、次のような形状測定方法で、被測定物Ｗの被測定面Ｓの形状を測定する。即ち、移動手段５によりＸＹステージを移動させて、プローブ２を被測定面Ｓに接触させた状態で倣い走査させる。そして、プローブ２の３次元位置を変位測定手段６により測定することにより、被測定面Ｓの形状を測定する。
【００２８】
特に、本実施形態の形状測定方法では、第１の測定工程と、第２の測定工程と、抽出工程と、選択工程とを有する。図３に示すように、測定が開始されると（Ｓ１０１）、まず、第１の工程で、プローブ２を予め設定された第１の走査軌跡に沿って走査させ、第１の測定データを取得する（Ｓ１０２）。次いで、第２の測定工程で、プローブ２を、第１の走査軌跡と所定の分解能の同じ範囲を通り、第１の走査軌跡と反対向きの走査方向を有する第２の走査軌跡に沿って走査させ、第２の測定データを取得する（Ｓ１０３）。
【００２９】
本実施形態では、第１の測定データと第２の測定データとのうち、一方の測定データを基準データとし、他方の測定データを参照データとして選択する（Ｓ１０４）。基準データの選択は、予め決めておいても良いし、測定データ取得後に演算を行い、エラー量が小さいと思われる方を選択しても良い。
【００３０】
次いで、抽出工程で、それぞれの測定データの安定区間と不安定区間とを抽出する（Ｓ１０５）。そして、選択工程で、このように抽出工程で抽出した安定区間と不安定区間とのうち、安定区間の測定データを選択する（Ｓ１０６）。具体的には、基準データの不安定区間の測定データを除去し、当該区間に対応する参照データの安定区間の測定データを使用する。このように安定区間を選択した後の測定データに基づいて、ＣＰＵ７ｂにより面形状を演算し、被測定面Ｓの形状の測定を行う（Ｓ１０７）。Ｓ１０８で測定を終了する。以下、詳しく説明する。
【００３１】
［第１、第２の測定工程］
まず、上述の第１の測定工程及び第２の測定工程について説明する。ここで、上述した所定の分解能とは、形状測定に求められる被測定面Ｓの面内方向の解像距離とする。
【００３２】
本実施形態では、第２の測定工程で、第１の走査軌跡と第２の走査軌跡とが一致するようにプローブ２を移動させるように制御するが、実際にこれらの軌跡を完全に一致させることは難しい。即ち、これらの軌跡は、形状測定装置１がプローブ２を移動可能な制御量の最小単位でずれる可能性がある。ただし、形状測定に求められる被測定面Ｓの面内方向の解像距離の範囲でずれているのであれば、使用上問題はない。言い換えれば、第１の走査軌跡と第２の走査軌跡とが一致した場合と同様に、測定データを扱える。
【００３３】
このような第１の走査軌跡及び第２の走査軌跡の具体例の２例について、図４を用いて説明する。図４に示すように、被測定物Ｗに複数の段差２０１が互いに平行に形成されているとする。図４（ａ）の場合、第１の走査軌跡２０２ａは、端点Ｐ１から端点Ｐ２に向かって一方向に連続した軌跡である。したがって、このように端点Ｐ１から端点Ｐ２に向かってプローブ２を走査して取得した測定データが第１の測定データとなる。続いて、第２の走査軌跡２０２ｂは、第１の走査軌跡２０２ａと反対向きに、端点Ｐ２から端点Ｐ１に向かって一方向に連続した軌跡である。即ち、第２の走査軌跡では、前述した所定の分解能の同じ範囲内で第１の走査軌跡２０２ａをなぞるように、第１の走査軌跡２０２ａの走査方向と反対方向にプローブ２を走査させる。そして、このように端点Ｐ２から端点Ｐ１に向かってプローブ２を走査して取得した測定データが第２の測定データとなる。
【００３４】
一方、図４（ｂ）の場合、端点Ｐ１から端点Ｐ２に至る軌跡のうちに、同一走査線上（所定の分解能の同じ範囲内）を往復して走査している区間がある。即ち、上述の図４（ａ）のように、端点Ｐ１から端点Ｐ２まで走査してから反対向きに端点Ｐ２から端点Ｐ１まで走査するのではなく、端点Ｐ１から端点Ｐ２に至るまでの間に、各走査区間を往復させている。したがって、図４（ｂ）の場合、第１の走査軌跡２０３ａと第２の走査軌跡２０３ｂとを交互に走査することになり、測定データも、第１の測定データと第２の測定データとを区間毎に交互に取得することになる。
【００３５】
なお、ここでは、段差が平行に形成された被測定物について説明したが、同心円状や楕円状、自由曲線状に段差が形成された被測定物についても、同様である。また、段差とは、２つの面がＺ方向にずれた個所であり、段差の形状自体は問わない。即ち、段差面が２つの面に対して直角となるような構成だけではなく、段差面が２つの面に対して傾斜している構成や、段差面が湾曲している構成なども含む。要は、プローブが通過した際に、Ｚ方向に振動が生じてしまうような形状であれば段差に含むものとする。
【００３６】
なお、本実施形態の場合、第１の測定工程と第２の測定工程とは、プローブ２と被測定面Ｓとの基準となる距離が同一である。即ち、第１の測定工程が終わった後、プローブ２と被測定物Ｗの測定基準を維持したまま、第２の測定工程を行う。例えば、被測定物Ｗをプローブ２に対して動かしたり、反射ミラーと基準ミラーとの距離を測定するレーザ光を一旦切断したりした場合、プローブ２に対する被測定物Ｗの測定基準が変化する。測定基準が変化した場合、測定データをつなぎ合わせる際に、この基準の変化を考慮する必要があり、本実施形態のような数ｎｍと言うオーダで測定する装置の場合には、この変化を考慮して測定データをつなぎ合わせることは難しい。
【００３７】
そこで、第１の測定工程と第２の測定工程との間で、例えば、被測定物Ｗをプローブ２に対して動かしたり、反射ミラーと基準ミラーとの距離を測定するレーザ光を切断したりしないで、プローブ２と被測定物Ｗとの測定基準をそのままとしている。
【００３８】
［抽出工程］
抽出工程では、上述の第１、第２の測定工程で取得した第１の測定データ及び第２の測定データから、測定データが安定している安定区間と測定データが不安定となる不安定区間とを抽出する。本実施形態の被測定物Ｗの被測定面Ｓは、例えば、光学素子の段差を有するものである。このため、プローブ２がこの段差を通過する際には、プローブ２が被測定面Ｓに対し遠近動する方向に振動（跳ね上げを含む）することは避けられない。そして、この振動が生じた区間は、この振動も変位測定手段６により測定されるため、測定データとして不安定となる。本実施形態では、不安定区間を、段差の通過によりプローブ２が振動する区間としている。この点について図５を用いて説明する。
【００３９】
図５は、プローブ２が段差１０１ａを通過するように走査した際のプローブ２の先端球２ａの中心の挙動を説明する図である。図５（ａ）は、段差１０１ａを上るよう（走査方向１０２ａ）に通過する図であり、図５（ｂ）は、段差１０１ａを下るよう（走査方向１０２ｂ）に通過する図である。ここでは、説明を簡単にするため、プローブ２を段差１０１ａの稜線に対して直交するように走査していることとする。
【００４０】
図５（ａ）に示すように、プローブ２の先端球２ａが被測定面Ｓに形成された段差１０１ａを上るように通過すると、先端球２ａの中心は線１０３ａに示すように挙動する。即ち、プローブ２が段差１０１ａに衝突することで大きく跳ね上げられ、その後減衰振動して収束する。このように、プローブ２が振動している間は、不安定区間になる。ここで、線１０３ａのように得られるデータが第１の測定データに相当する（以下、第１の測定データ１０３ａとする）。
【００４１】
なお、跳ね上げ量は、プローブ２を被測定面Ｓに向けて付勢する付勢力やプローブ２とリニアガイド４ａとの間の剛性に大きく依存する。測定感度を高めるためには、これら付勢力と剛性を小さくすることが好ましいが、これら付勢力と剛性を小さくするほど、上述のプローブ２の跳ね上げが大きくなる。このように、測定感度と不安定区間は相反する関係にある。
【００４２】
一方、図５（ｂ）に示すように、プローブ２の先端球２ａが段差１０１ａを下るように通過すると、先端球２ａの中心は線１０３ｂに示すように挙動する。即ち、段差１０１ａを通過したプローブ２が、被測定面Ｓに衝突し、跳ね上げられ、その後減衰振動して収束する。このように、プローブ２が振動している間は、やはり不安定区間になる。ここで、線１０３ｂのように得られるデータが第２の測定データに相当する（以下、第２の測定データ１０３ｂとする）。
【００４３】
以上のように、段差１０１ａを通過するようにプローブ２を倣い走査すると、段差１０１ａを通過した直後の測定データが不安定になる。逆にいうと、プローブ２が段差１０１ａを通過する直前までの測定データは安定していると言える。
【００４４】
次に、本実施形態の不安定区間の抽出方法について説明する。本実施形態の場合、前述の抽出工程で、第１の測定データ１０３ａと第２の測定データ１０３ｂとのそれぞれ不安定区間を抽出する。このために、前述のように、所定の分解能の同じ範囲内で得られた第１の測定データ１０３ａと第２の測定データ１０３ｂとを比較し、被測定面Ｓから離れる方向の測定データを有する範囲を、不安定区間として抽出する。この点について、図６を用いて詳しく説明する。
【００４５】
段差１０１ａの通過によるプローブ２の跳ね上げや振動を直接的に検知することは困難である。しかしながら、プローブ２の跳ね上げや振動が生じている測定データは、安定に走査している測定データと比較して、被測定面Ｓから離れる方向に測定される。即ち、第１の測定データ１０３ａと第２の測定データ１０３ｂとの２つの測定データを比較して、被測定面Ｓから離れる方向に測定される測定データは、跳ね上げや振動が生じていると言える。図６は、２つの測定データを重ねて表示した図である。即ち、図６は、図５で示した測定データ１０３ａ、１０３ｂを重ねたものに相当する。図６の下側に被測定面Ｓがあるとすると、区間１０５ａ、１０５ｂに示される破線は、跳ね上げや振動が生じている部分である。つまり、これらの区間を不安定区間として抽出することができる。不安定区間が抽出できれば、その他が安定区間である。
【００４６】
［選択工程］
選択工程では、上述のように抽出した不安定区間と安定区間とから安定区間を選択する。即ち、図７に示すように、段差を走査方向両側から通過させた場合にそれぞれ存在する不安定区間を除去し、安定区間のみを使用する。例えば、基準データから不安定区間を除去し、除去した部分を、その部分に相当する参照データの安定区間のデータによりつなぎ合わせる。ここでは、段差を上る方向（図５の走査方向１０２ａ）に走査して取得した第１の測定データ１０３ａを基準データとし、下る方向（図５の走査方向１０２ｂ）に走査して取得した第２の測定データ１０３ｂを参照データとする。なお、段差の上りと下りを反対にしても同様に考えられる。
【００４７】
図７（ａ）に示すように、段差を上る方向にプローブ２を走査させると段差に衝突した後にデータが不安定になる。したがって、前述の抽出工程でデータ演算により、基準データから不安定区間１０４ａを抽出する。次に、図７（ｂ）に示すように、参照データから基準データの不安定区間１０４ａに対応する区間１０４ｂの測定データを抽出する。即ち、段差を下る方向にプローブを走査させた場合の段差を通過する直前のデータを抽出する。そして、図７（ｃ）に示すように、基準データの不安定区間１０４ａのデータを除去し、除去した部分を参照データで抽出した区間１０４ｂの測定データでつなぎ合わせることで、不安定区間のない新しい測定データ（補正データ）１０３ｃを得る。このように得られた新しい測定データ１０３ｃに基づいてＣＰＵ７ｂが演算を行い、被測定面Ｓの形状を求める。
【００４８】
本実施形態の場合、上述したように、所定の分解能の同じ範囲内で、第１の測定データと第２の測定データとの安定区間の測定データを選択して被測定面Ｓの形状を測定している。第１の測定データと第２の測定データとは、互いに反対向きの走査軌跡に基づくものであり、不安定となる区間は走査方向に関してずれる。即ち、プローブ２が段差を通過した直後が不安定区間であり、走査方向が反対であれば、段差を通過する方向も反対となるため、走査方向が互いに反対である第１の測定データと第２の測定データとでは、当然に不安定区間が走査方向に関してずれる。
【００４９】
このため、図７（ｃ）の測定データ１０３ｃのように、所定の分解能の同じ範囲内の走査方向に関する測定データを安定区間の測定データによりほぼ連続させられる。即ち、上述のように基準データの不安定区間の測定データを除去し、除去した部分を、当該部分に該当する参照データの安定区間の測定データによりつなぎ合わせることができる。また、前述したように第１の測定工程と第２の測定工程で測定基準を同じとしているため、このような測定データのつなぎ合わせの際に誤差が生じることはない。
【００５０】
本実施形態の場合、このように安定区間の測定データを選択して被測定面Ｓの形状の測定を行うことで、プローブ２の段差通過時に生じる振動の影響を低減して、回折光学素子のように滑らかでない面の形状を高精度に測定できる。
【００５１】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図８を用いて説明する。なお、本実施形態は、不安定区間の抽出方向が上述の第１の実施形態と異なるだけである。このため、第１の実施形態と重複する説明及び図示は、省略または簡略にし、以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５２】
本実施形態では、抽出工程で、被測定面Ｓの設計形状から段差１０１ａの位置を予測し、その位置からプローブ２の走査方向に関し所定の範囲を、不安定区間として抽出している。即ち、被測定面Ｓの設計形状から段差１０１ａの位置は凡そ把握できる。言い換えれば、段差１０１ａの位置は予測可能である。また、プローブ２の先端球２ａの曲率半径や真球度は、別の方法で予め測定することが可能であり、既知である。
【００５３】
次に、図８に示すように、プローブ２の先端球２ａが段差１０１ａで、２点１０１ｂと１０１ｃで接触する状態を考える。前述したように、プローブ２が段差１０１を通過した直後に不安定区間が存在することから、この２点を境にして走査方向に関し所定の範囲が不安定区間となることが予測できる。したがって、上述の段差１０１ａの位置が予測できれば、プローブ２の先端球２ａの曲率半径などが既知であるため、経験則に基づいて不安定区間が予測できる。
【００５４】
即ち、図８（ａ）に示すように、プローブ２が段差１０１ａを上る方向に走査した場合、段差１０１ａの予測位置から、先端球２ａの中心から所定の区間１０６ａが不安定区間となることが、例えば実験データなどに基づいて予測できる。同様に、図８（ｂ）に示すように、プローブ２が段差１０１ａを下る方向に走査した場合、段差１０１ａの予測位置から、先端球２ａの中心から所定の区間１０６ｂが不安定区間となることが、例えば実験データなどに基づいて予測できる。
【００５５】
本実施形態では、このように不安定区間を段差１０１ａの位置などに基づいて予測することにより、不安定区間と安定区間とを抽出するようにしている。その他の構成及び作用は、上述の第１の実施形態と同様である。
【符号の説明】
【００５６】
１・・・形状測定装置、２・・・プローブ、３・・・定盤、４・・・支持手段、５・・・移動手段、６・・・変位測定手段、７・・・制御部、１０１ａ・・・段差、１０３ａ・・・第１の測定データ、１０３ｂ・・・第２の測定データ、２０２ａ、２０３ａ・・・第１の走査軌跡、２０２ｂ、２０３ｂ・・・第２の走査軌跡、Ｗ・・・被測定物、Ｓ・・・被測定面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブを被測定面に倣い走査させて、前記被測定面の形状を測定する形状測定方法において、
前記プローブを第１の走査軌跡に沿って走査させ、第１の測定データを取得する第１の測定工程と、
前記プローブを、前記第１の走査軌跡と所定の分解能の同じ範囲を通り、前記第１の走査軌跡と反対向きの走査方向を有する第２の走査軌跡に沿って走査させ、第２の測定データを取得する第２の測定工程と、
前記第１の測定データ及び前記第２の測定データから、測定データが安定している安定区間と測定データが不安定となる不安定区間とを抽出する抽出工程と、
前記抽出工程で抽出した前記安定区間と前記不安定区間とのうち、前記安定区間の測定データを選択する選択工程と、を有し、
前記選択工程により選択した安定区間の測定データを用いて前記被測定面の形状の測定を行う、
ことを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
前記第１の測定工程と前記第２の測定工程とは、前記プローブと前記被測定面との基準となる距離が同一である、
ことを特徴とする、請求項１に記載の形状測定方法。
【請求項３】
前記被測定面は段差を有し、前記不安定区間は、前記段差の通過により前記プローブが振動する区間である、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の形状測定方法。
【請求項４】
前記抽出工程は、前記所定の分解能の同じ範囲内で得られた前記第１の測定データと前記第２の測定データとを比較し、前記被測定面から離れる方向の測定データを有する範囲を、前記不安定区間として抽出する、
ことを特徴とする、請求項１ないし３のうちの何れか１項に記載の形状測定方法。
【請求項５】
前記抽出工程は、前記被測定面の設計形状から前記段差の位置を予測し、その位置からプローブの走査方向に関し所定の範囲を、前記不安定区間として抽出する、
ことを特徴とする、請求項３に記載の形状測定方法。
【請求項６】
前記被測定面は、段差を有する面である、
ことを特徴とする、請求項１ないし５のうちの何れか１項に記載の形状測定方法。
【請求項７】
プローブと、前記プローブと対向して配置される定盤と、前記プローブと前記定盤とを相対的に２次元的に移動させる移動手段と、前記プローブを前記定盤に対し遠近動する方向に変位自在に支持する支持手段と、前記プローブの３次元位置を測定する変位測定手段と、を備え、前記定盤に載置された被測定物の被測定面を、前記移動手段により前記プローブを倣い走査させ、前記変位測定手段により測定した測定データに基づいて、前記被測定面の形状を測定する形状測定装置において、
前記移動手段により前記プローブを、第１の走査軌跡、及び、前記第１の走査軌跡と所定の分解能の同じ範囲を通り、前記第１の走査軌跡と反対向きの走査方向を有する第２の走査軌跡に沿って走査させ、前記第１の走査軌跡の走査により取得した第１の測定データと、前記第２の走査軌跡の走査により取得した第２の測定データとから、測定データが安定している安定区間と測定データが不安定となる不安定区間とを抽出し、前記安定区間の測定データを用いて前記被測定面の形状の測定を行う制御部を有する、
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項１】
プローブを被測定面に倣い走査させて、前記被測定面の形状を測定する形状測定方法において、
前記プローブを第１の走査軌跡に沿って走査させ、第１の測定データを取得する第１の測定工程と、
前記プローブを、前記第１の走査軌跡と所定の分解能の同じ範囲を通り、前記第１の走査軌跡と反対向きの走査方向を有する第２の走査軌跡に沿って走査させ、第２の測定データを取得する第２の測定工程と、
前記第１の測定データ及び前記第２の測定データから、測定データが安定している安定区間と測定データが不安定となる不安定区間とを抽出する抽出工程と、
前記抽出工程で抽出した前記安定区間と前記不安定区間とのうち、前記安定区間の測定データを選択する選択工程と、を有し、
前記選択工程により選択した安定区間の測定データを用いて前記被測定面の形状の測定を行う、
ことを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
前記第１の測定工程と前記第２の測定工程とは、前記プローブと前記被測定面との基準となる距離が同一である、
ことを特徴とする、請求項１に記載の形状測定方法。
【請求項３】
前記被測定面は段差を有し、前記不安定区間は、前記段差の通過により前記プローブが振動する区間である、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の形状測定方法。
【請求項４】
前記抽出工程は、前記所定の分解能の同じ範囲内で得られた前記第１の測定データと前記第２の測定データとを比較し、前記被測定面から離れる方向の測定データを有する範囲を、前記不安定区間として抽出する、
ことを特徴とする、請求項１ないし３のうちの何れか１項に記載の形状測定方法。
【請求項５】
前記抽出工程は、前記被測定面の設計形状から前記段差の位置を予測し、その位置からプローブの走査方向に関し所定の範囲を、前記不安定区間として抽出する、
ことを特徴とする、請求項３に記載の形状測定方法。
【請求項６】
前記被測定面は、段差を有する面である、
ことを特徴とする、請求項１ないし５のうちの何れか１項に記載の形状測定方法。
【請求項７】
プローブと、前記プローブと対向して配置される定盤と、前記プローブと前記定盤とを相対的に２次元的に移動させる移動手段と、前記プローブを前記定盤に対し遠近動する方向に変位自在に支持する支持手段と、前記プローブの３次元位置を測定する変位測定手段と、を備え、前記定盤に載置された被測定物の被測定面を、前記移動手段により前記プローブを倣い走査させ、前記変位測定手段により測定した測定データに基づいて、前記被測定面の形状を測定する形状測定装置において、
前記移動手段により前記プローブを、第１の走査軌跡、及び、前記第１の走査軌跡と所定の分解能の同じ範囲を通り、前記第１の走査軌跡と反対向きの走査方向を有する第２の走査軌跡に沿って走査させ、前記第１の走査軌跡の走査により取得した第１の測定データと、前記第２の走査軌跡の走査により取得した第２の測定データとから、測定データが安定している安定区間と測定データが不安定となる不安定区間とを抽出し、前記安定区間の測定データを用いて前記被測定面の形状の測定を行う制御部を有する、
ことを特徴とする形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１３２７４８（Ｐ２０１２−１３２７４８Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８４１９７（Ｐ２０１０−２８４１９７）
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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