表面形状測定用触針式段差計における測定精度の改善方法及び装置

【課題】表面形状への追随性が良くて、より実物に近い段差部形状が得られ、かつ、変位雑音が小さい触針式段差計における測定精度の改善方法及び装置を提供する。
【解決手段】変位雑音を小さくするために遮断周波数が１５Ｈｚ程度の低域通過フィルターとして、計算処理で行うデジタルフィルターを用いて計測結果をフィルタリングし、その際の窓関数としてブラックマン窓等を用いる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面形状を測定する触針式段差計における測定精度の改善方法及び装置に関するものである。
【０００２】
本明細書において、用語“試料の表面形状”は試料の段差、膜厚、表面粗さの概念を包含して意味するものとする。
【背景技術】
【０００３】
この種の段差計としては従来、先端が試料表面に接触する探針と、探針を試料表面に一定の負荷で接触させる針圧発生装置と、その負荷方向と直交する方向に振動して探針を試料表面に対して平行運動で往復動させる装置と、振動付加時の探針の試料に対する摩擦力に対応する振動の大きさを検出する検出装置とを備えた構造のものが知られている。
【０００４】
特許文献１において、本発明者は、先に、支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、支持体の他端には探針の垂直方向変位を検出する変位センサを成す差動トランスの磁性体コアを取付け、また探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを設け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計を提案した。
【０００５】
このように変位センサに差動トランスを用いた触針式段差計では、例えばロックインアンプの手法により、センサコアの変位は低雑音で高精度に測定される（例えば、特許文献２、特許文献３及び特許文献４参照）。
【０００６】
測定された変位雑音を小さくするために、測定結果には通常、遮断周波数が１５Ｈｚ程度の低域通過フィルターがかけられる。それにより雑音の１秒間でのピーク−ピークが０．３〜１ｎｍ程度となり、表面形状測定に使用される。
【０００７】
触針式段差計では通常、特許文献１に記載のように探針と変位センサコアが棒状物で接続され、それらを支持する支点から離れて設置され、試料表面での探針の上下の動きが変位センサに伝えられる（特許文献５、６参照）。その変位は例えば、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いて構成したデジタルロックインアンプにより低雑音で高精度に測定される。
【０００８】
一般的には低雑音にするために、この測定結果に最終的に遮断周波数が１５Ｈｚ程度の低域通過フィルター（ＬＰＦ）がかけられる。この低域通過フィルター（ＬＰＦ）は計測回路の最終段にコンデンサと抵抗体を用いてハードとして構成して設けてもよいし、例えば計測器内のＤＳＰでの計算処理（デジタル信号処理）で行ってもよい。測定データは表示するためにコンピュータ（ＰＣ）に送られるが、コンピュータ（ＰＣ）での計算処理で低域通過フィルター（ＬＰＦ）によるフィルタリングをかけてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2007-17296
【特許文献２】特開2008-122254
【特許文献３】特願2009-229525
【特許文献４】特願2010-089355
【特許文献５】特開2006-226964
【特許文献６】特開2009-20050
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
変位雑音を小さくするために、変位センサでの計測結果には最終的に、遮断周波数ｆｃ＝１５Ｈｚ程度の低域通過フィルター（ＬＰＦ）がかけられるが、例えばフィルターの特性として一般的なバタワース特性のＬＰＦでは段差部分でオーバーシュートが起きて、段差部形状への追随性が悪く、正しい段差形状が得られない。遮断周波数を上げると追随性はよくなるが、変位雑音が大きくなるという問題がある。
【００１１】
バタワース特性での例を図１に示す。これはシミュレーションの結果である。黒の細線が本来の段差形状で、高さ１μｍ、長さ２０μｍに渡る凸部分を含む。この段差形状部を、先端の曲率半径が２．５μｍの探針で、１００μｍ／ｓで走査した場合に得られるのが太線ａである。横軸の時間の単位は秒である。探針の先端の曲率半径が有限のために、段差部の裾が広がった形になる。この太線ａにバタワース特性のＬＰＦｆｃ＝１５Ｈｚをかけた結果を計算した。ここでは無限インパルス応答ＩＩＲのデジタルフィルターを用いて段差部形状に対する応答を計算したが、コンデンサと抵抗体で構成したハードのＬＰＦであってもバタワース特性なら結果は同じである。図１ではフィルターの次数が１次、２次、４次の結果を示した。
【００１２】
図２は図１の上段部分を拡大したグラフである。１次ではオーバーシュートはないものの、段差部で形がいびつで、左右非対称で実物とはかけ離れた形になり、２次、４次ではオーバーシュートが起きており、これでは正しい段差形状が分からない。
【００１３】
図５には、バタワース特性ＬＰＦｆｃ＝１５Ｈｚの『通過前後での振幅比の周波数特性』を示す。次数が大きいほど、ｆｃ以上の周波数域での雑音の減衰が大きいので、変位雑音は小さくなるが、図１及び図２で見たように段差部での追随が悪くなる。
【００１４】
コンデンサと抵抗体で構成するハードのLPF及び、IIRのデジタルフィルターには、他にチェビシェフ特性、エリプティック特性、ベッセル特性などがあるが、いずれもステップ応答（入力信号が時間に対してステップ状に変化したときの出力信号の応答）においてはオーバーシュートが発生する。これらの中では最もステップ応答性のよいベッセル特性でも小さいながらオーバーシュートが発生する。
【００１５】
図３には、図１と同じ測定条件（段差形状、探針の先端の曲率半径、走査速度）での、ベッセル特性ＬＰＦｆｃ＝１５Ｈｚでの結果を示し、図４は図３拡大である。試料の段差が１μｍであるとき、４次ではオーバーシュートが５．５ｎｍとなり、高精度の測定においては無視できない値である。図６にはベッセル特性ＬＰＦｆｃ＝１５Ｈｚの『通過前後での振幅比の周波数特性』を示す。
【００１６】
そこで、本発明は、表面形状への追随性が良くて、より実物に近い段差部形状が得られ、かつ、変位雑音が小さい触針式段差計における測定精度の改善方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の発明によれば、支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、他端に探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計における測定精度の改善方法において、
変位雑音を小さくするために遮断周波数が１５Ｈｚ程度の低域通過フィルターとして、計算処理で行うデジタルフィルターを用いて計測結果をフィルタリングし、その際の窓関数としてブラックマン窓等を用いることを特徴としている。
【００１８】
デジタルフィルターは、有限インパルス応答ＦＩＲの低域通過フィルターを用い得る。
【００１９】
また、本発明の第２の発明によれば、支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、他端に探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計における測定精度の改善装置において、
変位雑音を小さくするために計測結果をフィルタリングする遮断周波数が１５Ｈｚ程度の低域通過フィルターが、計算処理で行うデジタルフィルターで構成され、窓関数としてブラックマン窓が用いられることを特徴としている。
【００２０】
本発明においては、窓関数としてブラックマン窓を用いることで、試料の段差部形状への追随性がよく、実物に近い形状が得られ、かつ、変位が低雑音で得られる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の方法によれば、変位雑音を小さくするために遮断周波数が１５Ｈｚ程度の低域通過フィルターとして、計算処理で行うデジタルフィルターを用いて計測結果をフィルタリングし、その際の窓関数としてブラックマン窓等を用いることにより、低域通過フィルターの遮断周波数ｆｃが１５Ｈｚ程度と低くても、試料の段差部分でのオーバーシュートがなく、実物に近い段差形状が得られる。またｆc＝１５Hz程度の低域通過フィルターがかかっているので、変位雑音が小さい。
【００２２】
また、本発明の装置によれば、変位雑音を小さくするために計測結果をフィルタリングする遮断周波数が１５Ｈｚ程度の低域通過フィルターが、計算処理で行うデジタルフィルターで構成され、窓関数としてブラックマン窓が用いられることにより、計算処理のソフトウェアでこのフィルターを構成しているので、コンデンサ、抵抗体、演算増幅器などで構成するハードウェアのフィルターよりコストが低く、しかもソフトウェアで構成されているので、プログラムの変更だけでｆｃやフィルターの次数を変更でき、ハードウェアのものに比べ簡単に変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】バタワース特性の低域通過フィルターをかけたときの段差形状を示すグラフ。
【図２】図１の拡大グラフ。
【図３】ベッセル特性の低域通過フィルターをかけたときの段差形状を示すグラフ。
【図４】図３の拡大グラフ。
【図５】バタワース特性の低域通過フィルターの『通過前後での振幅比の周波数特性』を示すグラフ。
【図６】ベッセル特性の低域通過フィルターの『通過前後での振幅比の周波数特性』を示すグラフ。
【図７】本発明が実施される触針式段差計の構成を概略図。
【図８】図７における触針式段差計の要部を下から見た概略線図。
【図９】図７における触針式段差計のホルダー部分の構成を示すＡ−Ｂ線に沿った拡大部分断面図。
【図１０】図７における触針式段差計のホルダー部分を下から見た図。
【図１１】図７における触針式段差計の支点部の構造を示す拡大断面図。
【図１２】本発明において用いられ変位測定用計測回路装置の一例を示すブロック線図。
【図１３】本発明に従ってＦＩＲブラックマン窓の低域通過フィルターをかけたときの段差形状を示すグラフ。
【図１４】図１３の拡大グラフ。
【図１５】本発明に従ってＦＩＲブラックマン窓の低域通過フィルターの『通過前後での振幅比の周波数特性』を示すグラフ。
【図１６】バタワース特性とベッセル特性の低域通過フィルターをかけたときの変位雑音を示すグラフ。
【図１７】本発明に従ってＦＩＲブラックマン窓の低域通過フィルターをかけたときの変位雑音を示すグラフ。
【図１８】本発明に従ってＦＩＲブラックマン窓の低域通過フィルターをかけたときの変位の測定例を示すグラフ。
【図１９】本発明に従ってＦＩＲブラックマン窓の低域通過フィルターをかけたときの変位雑音の測定例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明が適用される触針式段差計は、添付図面の図７〜図１１に示すように、棒状の第１の支持部材１を有し、この第１の支持部材１はその中間部位に左右両横方向にのびる支点用針取付け部材２を備え、支点用針取付け部材２の両端には二つの支点用針３が取付けられている。これら二つの支点用針３は二つの支点受け部材４（図１１）で支持され、それにより第１の支持部材１は支点受け部材４に支点用針３を介して揺動自在に支持される。第１の支持部材１の一端には、変位センサ５の測定子すなわちコア６が取付けられている。この変位センサ５は探針の垂直方向変位に応じて電気信号を発生する差動トランスから成り、コイル７を備えている。
【００２５】
第１の支持部材１の他端には、探針に針圧を加える針圧発生装置８のコア９が設けられ、針圧発生装置８はコイル１０を備えている。コア９は、コイル１０の中心から軸方向にずれた位置に配置した高透磁率部材から成っている。第１の支持部材１における支点用針取付け部材２の両端の二つの支点用針３を結ぶ線上を中心として、第１の支持部材１の下面には、二つの磁石１１を埋め込んだホルダー１２が取付けられている。ホルダー１２は図９に示すように断面台形の長手方向溝１３を備え、この長手方向溝１３の両側壁は下方へ向ってテーパー状に開いており、水平平面に対して傾斜面を構成している。ホルダー１２に埋め込まれた二つの磁石１１は、図７に示すように極性が互いに逆向きになるように配置されている。二つの磁石１１を内蔵したホルダー１２は軽くするためにカーボンで構成されている。
【００２６】
また、図７、図８及び図１０において、１４は棒状の第２の支持部材であり、その先端には探針１５が下向きに取付けられ、他端は高透磁率部材１６で構成されている。高透磁率部材１６の長手方向の両端には上向きにのびるガイド突起１７が形成され、これらガイド突起１７の対向側面は上方に向って開いた傾斜面として形成される。この高透磁率部材１６の傾斜面はホルダー１２における長手方向溝１３の両側壁の傾斜面と共に、第１の支持部材に第２の支持部材を取付ける際の互いの位置決めを確保すると共にガイドの役割を果たしている。第２の支持部材１４の他端における高透磁率部材１６は第１の支持部材１におけるホルダー１２の溝１３に嵌るようにされ、その際、第２の支持部材１４の他端における高透磁率部材１６はホルダー１２の溝の底面に接触し、二つの磁石１１には接触しないように構成されている。また溝と高透磁率材部品には図９に示したような傾斜面を設け、互いの位置決めの確保と取付け時のガイドの役割を果たしている。
【００２７】
第１の支持部材１及び第２支持部材１４は慣性モーメントを小さくするために軽いカーボンで構成されている。一方、密度が高く質量が大きい第２支持部材１４における高透磁率部材１６及び第１の支持部材１におけるホルダー１２内の磁石１１は、支点まわりの慣性モーメントを小さくするために、支点の近くに配置している。
【００２８】
さらに図９に示すように、第２支持部材１４における高透磁率部材１６の下側には板状部材１８が設けられ、この板状部材１８は磁場遮蔽効果を高めるため、高透磁率の材料で構成され、この板状部材１８により交換部品を第１の支持部材１におけるホルダー１２の溝１３に傾けて近づけても正しい位置に収まるようにしている。
【００２９】
上述のように第１の支持部材１におけるホルダー１２に埋め込まれた磁石１１は極性が逆になるように配置したことにより、磁気双極子が離れた場所に作る磁場が小さくなるので、差動トランス５、針圧発生装置８及び試料での磁場を小さくできる。また、この配置により磁石１１の下部では磁力線が第２の支持部材１４における高透磁率部材１６の中を通るので、その下方及び探針位置の試料での磁場が小さくなる。
【００３０】
図１１には、支点用針３を受ける支点受け部材４の構造を拡大して示している。支点受け部材４は図示したように支点用針３を受ける凹面４ａを備え、この凹面は逆円錐形状に構成され、支点用針３を精度よく位置決めして受けるようにされている。
【００３１】
このように構成した図示触針式段差計においては、両端にそれぞれ変位センサ５及び針圧発生装置８を備え、二つの支点受け部材４に支点用針３を介して揺動自在に支持された第１の支持部材１のホルダー１２に、両端にそれぞれ探針１５及び高透磁率部材１６を備えた第２の支持部材１４を磁石の吸着力によって固定する。この場合、ホルダー１２における長手方向溝１３の両側壁の傾斜面と第２の支持部材１４の高透磁率部材１６におけるガイド突起１７の対向傾斜面とにより、第２の支持部材１４は第１の支持部材１のホルダー１２に対して予定の位置に正確に位置決めして簡単に固定できる。
【００３２】
そして、針圧発生装置８のコイル１０に所定の電流を流すことにより、その電流の大きさに応じて力が発生され、この力により針圧発生装置８のコア９はコイル１０の中心へ引き込まれる。それにより第１及び第２の支持部材１、１４は支点用針３を介して揺動し、探針１５を試料に押し当てる。試料又は検出系を走査することにより、探針１５は試料表面をなぞり、その表面形状に応じて、固定された支点のまわりに第１及び第２の支持部材１、１４が微小に回転運動し、差動トランス５のコア６の変位が検出され、このコア６の変位を探針１５の針先の変位に換算することにより試料の表面形状や段差が測定される。
【００３３】
図１２には、本発明を実施している制御回路装置の一つの実施形態をブロック線図で示し、２０は触針式段差計の変位センサであり、２１は前置増幅器であり、２２はデジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）であり、２３はアナログ入力ボードであり、２４は設定、表示用のコンピュータである。デジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）２２は、前置増幅器２１を介して触針式段差計の変位センサ２０に接続され、変位センサ２０を構成している差動トランスの二次コイルからの測定信号を受けるようにされている。またデジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）２２は、図示していないがデジタル−アナログ変換器及び電圧−電流変換回路を介して針圧付加手段の力発生用コイルに接続される。さらにデジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）２２は、ＲＳ−２３２Ｃシリアル通信系を介して設定、表示用のコンピュータ２４に接続されている。またアナログ入力ボード２３はデジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）２２におけるデジタル−アナログ変換器（図示していない）からアナログ電圧を受け、そして設定、表示用のコンピュータ２４に接続されている。
【００３４】
デジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）２２では、デジタルロックインアンプの手法により変位センサのコアの位置を算出し、コアと探針の支点からの距離の比を用いて探針の位置を算出する。その結果に低域通過フィルターをかけて雑音が低減される。遮断周波数ｆｃは１５Ｈｚ程度である。かかる低域通過フィルターは、デジタル信号処理による計算で行うフィルターであり、デジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）２２とアナログ入力ボード２３の間に設けることができ、そして本発明によれば、計算処理によるデジタルフィルターで構成される。このデジタルフィルターによる計算処理は、デジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）２２において行なうことができる。代わりに、デジタルフィルターによる計算処理は、設定、表示用のコンピュータ２４へデータを送信後に設定、表示用のコンピュータ２４において行なうこともできる。
【００３５】
デジタルフィルターには無限インパルス応答ＩＩＲと有限インパルス応答ＦＩＲの２種類があるが、直線位相特性を持ちステップ応答性がよい有限インパルス応答ＦＩＲが用いられる。有限インパルス応答ＦＩＲフィルターでは窓関数が用いられるが、その関数として例えばブラックマン窓が用いられる。サンプリング周波数は例えば１ｋＨｚで、次数は例えば９０次程度までとする。
【００３６】
図１と同じ段差形状、探針の先端の曲率半径、走査速度での走査結果に、このＦＩＲの低域通過フィルタリングｆｃ＝１５Ｈｚをかけたシミュレーション結果を図１３に示し、それを拡大したものを図１４に示す。３０、５０、７０、９０次の結果が示されている。９０次の場合に０．１ｎｍ程度の無視できるくらい小さいオーバーシュートが見えるだけで、他の次数ではオーバーシュートは見られない。形も段差部形状を反映して左右対象の形である。時間的には全体的に少し遅れるが、段差形状が時間軸方向にシフトしただけなので、そのことは段差形状測定において何ら問題にならない。
【００３７】
図１５には、９０次の場合の『通過前後での振幅比の周波数特性』を示す。このＦＩＲＬＰＦｆｃ＝１５Ｈｚをかけた場合の変位雑音を測定した結果を図１７に示す。デジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）２２での測定結果をアナログ電圧で設定、表示用のコンピュータ２４に送り、設定、表示用のコンピュータ２４においてデジタルフィルターをかけた結果であるが、計測回路のデジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）２２でデジタルフィルターをかけても結果は同様である。窓関数にはブラックマン窓と完全ブラックマン窓を用いた。探針を試料上に降ろして、走査はせず、静止状態で変位を１ｍｓごとに測定し、０．５Ｈｚ以下のうねり相当を除去した後、１秒間での『ピーク−ピーク』を算出した。次数が３０次以上で、雑音の１秒間での『ピーク−ピーク』が１ｎｍ以下と小さい値が得られた。
【００３８】
ブラックマン窓、９０次の変位雑音の測定例を図１８に示す。１ｍｓごとに４秒間、変位を測定した例である。１秒間での『ピーク−ピーク』を６秒ごとに２時間に渡ってモニターした例が図１９の点群Ａで示され、その平均は０．５７５ｎｍである。点群Ｂは1秒間での標準偏差で、その平均は０．１１９ｎｍである。低雑音が得られている。
【００３９】
比較のためにＩＩＲＬＰＦｆｃ＝１５Ｈｚのバタワース特性とベッセル特性での雑音を図１６に示す。変位雑音自体はＩＩＲでもＦＩＲでも同程度である。
【００４０】
以上例示したように、変位雑音を小さくするために測定結果に最終的にかける遮断周波数１５Ｈｚ程度の低域通過フィルターとして、デジタルフィルターの有限インパルス応答ＦＩＲフィルターでブラックマン窓などを用いることにより、オーバーシュートがなく、段差部形状が実物に近く、かつ、変位雑音（ピーク−ピーク）が０．６ｎｍと小さい段差計が得られた。
【符号の説明】
【００４１】
１：第１の支持部材
２：支点用針取付け部材
３：支点用針
４：支点受け部材
５：変位センサ
６：コア
７：コイル
８：針圧発生装置
９：コア
１０：針圧発生装置８のコイル
１５：探針
２０：触針式段差計の変位センサ
２１：前置増幅器
２２：デジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）
２３：アナログ入力ボード
２４：設定、表示用のコンピュータ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、他端に探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計における測定精度の改善方法において、
変位雑音を小さくするために遮断周波数が１５Ｈｚ程度の低域通過フィルターとして、計算処理で行うデジタルフィルターを用いて計測結果をフィルタリングし、その際の窓関数としてブラックマン窓等を用いることを特徴とする表面形状測定用触針式段差計における測定精度の改善方法。
【請求項２】
デジタルフィルターが、有限インパルス応答ＦＩＲの低域通過フィルターであることを特徴とする請求項１記載の表面形状測定用触針式段差計における測定精度の改善方法。
【請求項３】
支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、他端に探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計における測定精度の改善装置において、
変位雑音を小さくするために計測結果をフィルタリングする遮断周波数が１５Ｈｚ程度の低域通過フィルターが、計算処理で行うデジタルフィルターで構成され、窓関数としてブラックマン窓が用いられることを特徴とする表面形状測定用触針式段差計における測定精度の改善装置。
【請求項４】
デジタルフィルターが、有限インパルス応答ＦＩＲの低域通過フィルターから成ることを特徴とする請求項３記載の表面形状測定用触針式段差計における測定精度の改善装置。

【図１】