JPH11190616A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物の表面形状を倣い計測しながら連続
的に測定するための制御処理を簡素化でき、表面形状の
高精度な測定を高速に行えること。 【解決手段】 非接触レーザ変位計１は、被測定物Ｗに
光ビームを照射して表面の形状に対応する変位信号を出
力する。Ｚステージ５は非接触レーザ変位計１をＺ軸方
向に移動させ、移動量に対応した変位信号を出力する。
オートフォーカスユニット６は、倣い計測のためにＺス
テージ５を移動制御し、非接触レーザ変位計１とＺステ
ージ５からの変位信号を加算して被測定物Ｗの変位信号
として出力する。制御手段２０は、Ｘ，Ｙステージ２，
３を移動制御し、オートフォーカスユニット６から出力
される変位信号に基づき被測定物Ｗの高さ、幅、断面積
などの表面形状を解析する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非接触で被測定物
の表面形状を高精度に測定できる表面形状測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】工業製品の小型化・高品質化が進むにつ
れ、製品に使用される素材や部品の形状検査は製品の品
質管理上、必要不可欠である。これらの形状検査におけ
るセンサとして非接触レーザ変位計を用いることによ
り、被測定物に傷を付けない、変形させない、高精度か
つ高速に測定できる、などを理由に従来から幅広い分野
で使用されている。

【０００３】この非接触レーザ変位計を用いた表面形状
測定装置は、磁気ディスクやウエハなどの平面度測定
用、ガラスなどの板材の反り・厚み測定用、バンプメッ
キや磁気ヘッドのジンバルなどの形状測定用、ＩＣパッ
ケージの反りやエッチング加工面の高さの測定用として
使用されている。

【０００４】非接触レーザ変位計は、被測定物に光ビー
ムを照射し、被測定物までの距離に基づき被測定物表面
の変位量を得る構成であり、所定方向に表面形状を連続
して測定するときには、同方向（Ｘ，Ｙ軸方向）に被測
定物あるいは非接触レーザ変位計を移動させる構成とな
っている。また、表面の凹凸が大きい場合等には、同凹
凸方向（Ｚ軸方向）にも移動させる必要がある。これら
Ｘ，Ｙ方向に移動させる際にＺ方向も移動制御する構成
は、倣い計測と呼称される技術として公知である。

【０００５】従来の表面形状測定装置における倣い計測
では、非接触レーザ変位計の変位出力の零点を検出する
構成であり、非接触レーザ変位計の変位出力が零となる
ようＺ軸方向に移動制御し、このときのＺスケールの移
動量（例えば測長器出力）の値を変位出力とする構成で
あるため、測定動作が不連続となり、倣い計測を高速化
できなかった。

【０００６】上記課題を解決するため、本出願人は図４
に示す構成の表面形状測定装置を発明した。構成を説明
すると、Ｘステージ６０はＸ方向に移動自在であり、こ
の上にはＹステージ６１が設けられＹ方向に移動自在で
ある。Ｙステージ６１上には被測定物Ｗが載置され、こ
れらＸ，Ｙステージ６０，６１によりＸ，Ｙ方向に移動
自在である。ベース６２にはアーム６２ａが設けられて
おり、Ｚ方向に移動自在なＺステーズ６３を介して非接
触レーザ変位計５０が取り付けられている。

【０００７】図５は、非接触レーザ変位計５０の変位検
出の原理を示す図である。光源５１から放射された光ビ
ーム（投光ビーム）は、投光レンズ５２で絞られて光変
位センサ５０の端面５０ａから所定距離Ｌ0 の被測定物
表面に照射され、基準位置Ｐで照射点をつくる。この照
射点から反射または散乱した光ビーム（反射ビーム）
は、結像レンズ５３で集光され、光検出素子５４上の位
置Ｋに照射点の像をつくる。これら投光ビームと反射ビ
ームは、図示のように所定の角度を有し異なる箇所から
入出射される。この像は被測定物が上下に移動すると光
検出素子５４上を移動し、この移動量に対応した変位信
号が光検出素子５４から出力される。即ち、光ビームの
照射点位置が基準位置ＰよりΔＬだけ高い位置Ｑにある
ときはこの変位距離（＋ΔＬ）に対応した信号を出力
し、照射点位置が基準位置ＰよりΔＬだけ低い位置Ｒに
あるときはこの変位距離（−ΔＬ）に対応した変位信号
を出力する。

【０００８】非接触レーザ変位計５０から出力される変
位信号は、表示部６４を介して制御手段７０に出力され
る。表示部６４にはセンサ処理部６４ａが設けられ、変
位信号の表示処理がなされる。また、Ｚステージ６３の
変位量（非接触レーザ変位計５０のＺ方向の移動量）
は、測長器６５で測定され、処理部６６を介して制御手
段７０に出力される。

【０００９】Ｘ，Ｙ，Ｚステージ６０，６１の移動量は
図示しない移動量検出器で検出され、制御手段７０に出
力される。制御手段７０は、パソコンで構成され、Ｉ／
Ｆボード（１）７１と、Ｉ／Ｆボード（２）７２と、Ｉ
Ｆボード（３）７３とを備えている。また、この制御手
段７０には、計測結果を画面出力するＣＲＴ７５と、印
字出力するプリンタ７６が接続されている。

【００１０】Ｉ／Ｆボード（１）７１には処理部６６を
介してＺステージの変位量が入力され、Ｉ／Ｆボード
（２）７２には、非接触レーザ変位計５０からの変位信
号が入力される。制御手段７０は、メモリに記憶された
倣い計測用の制御プログラムに基づき、上記入力される
Ｚステージの変位量と、非接触レーザ変位計５０からの
変位信号とを合成して被測定物の変位量を求める演算処
理を行う。また、非接触レーザ変位計５０を被測定物の
表面形状に倣って計測させる倣い計測のために必要な
Ｘ，Ｙ，Ｚステージ６０，６１，６３の移動制御を行
う。このための移動信号は、Ｉ／Ｆボード（３）７３か
らモータドライバ７７を介して各Ｘ，Ｙ，Ｚステージ６
０，６１，６３に供給される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、被測定物が微
細化・高集積化するにつれて、さらに高精度の測定が要
求されてきている。上述した非接触レーザ変位計５０を
センサとしてより高精度の形状測定を行う場合に、非接
触レーザ変位計５０固有の特性 ・測定範囲が狭い ・投光側の光ビームのビームスポット径が測定範囲の中
で一定ではない ・投光ビームが斜め入射なので検出する変位により測定
箇所が横ずれする などは被測定物のミクロンレベルの凹凸を検出するとき
に、要求された精度を具体化する点で無視できなくな
る。これらを解決するためには、常時、非接触レーザ変
位計５０のビームスポット径ができるだけ最小になるよ
うに（零点に近づけるように）被測定物の表面形状にセ
ンサ自体を追従させながら測定を行う倣い計測を行う必
要があった。

【００１２】しかしながら、上記構成の装置では、単一
の制御手段７０が被測定物の変位量の演算処理と、倣い
計測のための移動制御をいずれも実行する構成であるた
め、制御（制御プログラム等）が複雑となり、制御処理
が制御手段７０に負荷となっていた。即ち、Ｚステージ
６３の変位量と、非接触レーザ変位計５０からの変位信
号との合成処理と、倣い計測用のＸ，Ｙ，Ｚステージ６
０，６１，６３の移動制御をリアルタイムに処理してい
かねばならないため、これら異なる制御処理は単一の制
御手段（ＣＰＵ）７０での処理が負担であった。これに
より、従来は、移動制御を高速制御することができず、
表面形状全体の測定に時間がかかっていた。

【００１３】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、被測定物の表面形状を倣い計測しなが
ら連続的に測定するための制御処理を簡素化でき、表面
形状の高精度な測定を高速に行える表面形状測定装置を
提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の表面形状測定装置は、被測定物（Ｗ）に光
ビームを照射し、該照射点からの光を受光して受光位置
の変化によって被測定物表面の形状を測定し対応する変
位信号を出力する非接触測定手段（１）と、前記被測定
物と非接触測定手段を相対的にＸ，Ｙ軸方向に移動させ
るＸ，Ｙ移動手段（２，３）と、前記非接触測定手段を
前記被測定物に対しＺ軸方向に移動させ、移動量に対応
した変位信号を出力するＺ移動手段（５，７）と、前記
非接触測定手段と前記Ｚ移動手段から出力される変位信
号を加算して被測定物の表面形状を示す変位信号を出力
するとともに、常時、前記非接触測定手段から照射され
るビームスポット径が被測定物表面で最小となるよう変
位信号の出力値の変化に基づいて前記Ｚ移動手段を移動
制御するオートフォーカスユニット（６）と、予め設定
した測定ルートに沿って前記Ｘ，Ｙ移動手段を移動制御
し、該移動制御による座標位置と前記オートフォーカス
ユニットから出力された変位信号に基づき前記被測定物
の高さ、幅、断面積等の各種表面形状を演算処理する制
御手段（２０）と、を具備することを特徴としている。

【００１５】また、前記非接触測定手段（１）は、投光
ビームと反射ビームが所定角度を有し、該非接触測定手
段のビームスポットを中心として所定角度回転自在なΘ
移動手段（９）を備えた構成としてもよい。

【００１６】被測定物Ｗの表面形状の測定時に制御手段
２０は、予め定められた測定ルートに沿ってＸ，Ｙステ
ージ２，３を移動制御し被測定物Ｗを同Ｘ，Ｙ軸方向に
移動させる。この移動時、オートフォーカスユニット６
は、被測定物Ｗの凹凸など表面形状に合わせてＺ移動手
段５を移動制御し、非接触測定手段１をＺ軸方向に移動
させる（倣い計測）。このときオートフォーカスユニッ
ト６は、非接触測定手段１とＺ移動手段７の出力を加算
し被測定物Ｗの変位量を示す変位信号を出力する。制御
手段２０は、オートフォーカスユニット６から出力され
た変位信号とＸ，Ｙ座標軸とを関連させ、測定ルート全
体のデータに基づき被測定物Ｗの高さ、幅、断面積など
表面形状を演算出力する。このように、制御手段２０に
よる移動制御及び表面形状の演算処理と、オートフォー
カスユニット６による倣い計測のためのＺ軸方向への移
動制御を分離独立して制御する構成により、被測定物Ｗ
の表面形状を高精度で高速かつ連続的に測定できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の表面形状測定装
置を示す全体図である。非接触レーザ変位計（非接触測
定手段）１は、従来技術で説明した構成のものと同じ三
角測量方式で被測定物Ｗの表面形状に対応した変位信号
を出力し、所定の測定範囲を有している。また、ＣＣＤ
カメラが内蔵されビームスポットを中心として所定範囲
を拡大して被測定物Ｗの表面をモニタで観察できるよう
になっている。

【００１８】被測定物Ｗと非接触レーザ変位計１はＸ，
Ｙ，Ｚ，Θの各移動手段により、相対的にＸ，Ｙ，Ｚ，
Θの各軸方向に移動自在となっている。Ｘステージ２は
Ｘ方向に移動自在であり、この上にはＹステージ３が設
けられＹ方向に移動自在である。Ｙステージ３上には被
測定物Ｗが載置され、これらＸ，Ｙステージ２，３によ
りＸ，Ｙ方向に移動自在である。ベース４にはアーム４
ａが設けられており、Ｚ方向に移動自在なＺステージ５
を介して非接触レーザ変位計１が取り付けられている。
これらＸ，Ｙステージ２，３の移動量は図示しない測長
器で測定され、制御手段２０に出力される。

【００１９】また、Ｚステージ５と非接触レーザ変位計
１との間にはΘステージ９が設けられ、非接触レーザ変
位計１をビームスポットを中心として回転可能に保持し
ている。非接触レーザ変位計１は測定原理上、投受光面
をもっており、断面形状を測定する際には被測定物Ｗに
対する非接触レーザ変位計１の移動方向に対してこの投
受光面を常時直交させる。すなわち非接触レーザ変位計
１は回転自在に構成されている。

【００２０】非接触レーザ変位計１から出力される変位
信号は、オートフォーカスユニット６に入力される。オ
ートフォーカスユニット６には、非接触レーザ変位計１
の種類や信号形態に適応したセンサ処理部６ａが装着さ
れる。また、Ｚステージ５の変位量（非接触レーザ変位
計１のＺ方向の移動量）は、測長器７で測定され、オー
トフォーカスユニット６に入力される。Ｚ移動手段は、
Ｚステージ５と測長器７で構成される。尚、非接触レー
ザ変位計１と測長器７はＺステージ５の移動精度に起因
する幾何学的測定誤差を最小にするためにアッベの原理
を満たすように配置されている。

【００２１】図２は、オートフォーカスユニット６の内
部構成を示すブロック図である。このオートフォーカス
ユニット６は非接触レーザ変位計１による被測定物Ｗの
表面形状の倣い計測を主に実行する。ＣＰＵ１０は、倣
い計測の処理内容であるオートフォーカス動作制御およ
びデータ処理を実行する（詳細は後述する）。１１ａ，
１１ｂは、非接触レーザ変位計１および制御手段２０と
のインターフェースである。

【００２２】測長器７から出力される変位量（変位信
号）は、処理部１２、Ｉ／Ｆ１３を介してＣＰＵ１０に
入力される。Ｚステージ５とΘステージ９はそれぞれモ
ータドライバ１５，１６により移動制御される。Θステ
ージ９のモータドライバ１６は、非接触レーザ変位計１
を回転制御し、非接触レーザ変位計１の特性を補う。こ
の機能もオートフォーカスユニット６に搭載すること
で、倣い計測を含む断面形状測定時の非接触レーザ変位
計１の制御が簡素化できる。

【００２３】・オートフォーカス動作制御の内容 非接触レーザ変位計１から出力される変位信号は、オー
トフォーカスユニット６に内蔵されたセンサ処理部６ａ
を通してディジタル信号でＣＰＵ１０に送られる。ＣＰ
Ｕ１０は、制御手段２０からオートフォーカス動作指令
を受けると、非接触レーザ変位計１から出力される変位
信号の値があらかじめ設定した閾値を越えている場合、
変位信号がこの閾値以下になるようにＺステージ５の移
動を開始する。この際のＺステージ５の移動速度は非接
触レーザ変位計１の変位信号の変化量に比例して変化す
る。例えば、非接触レーザ変位計１の変位を所定周期
（例えば１６ｋＨｚ）ごとに監視し、Ｚステージ５への
１パルス出力ごとに移動速度を変化させ、測定範囲の中
心付近（閾値近傍の閾値外）で測定している時は遅い速
度で、両端付近（閾値から遠い地点）で測定している時
は速い速度で移動させる制御を実行する。

【００２４】・データ処理の内容 オートフォーカスユニット６は、ＣＰＵ１０で取り込ん
だ非接触レーザ変位計１の変位信号と、測長器７の変位
信号を加算処理し、この加算値を制御手段２０に出力す
る。

【００２５】制御手段２０は、パソコンで構成され、Ｃ
ＰＵと、ＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリが搭載されたＩ／Ｆ
ボード（１）２１と、Ｉ／Ｆボード（２）２２とを備え
ている。また、この制御手段２０には、各種設定及び計
測結果を画面出力するＣＲＴ２５と、印字出力するプリ
ンタ２６が接続されている。この制御手段２０は、オー
トフォーカスユニット６から出力された加算後の変位信
号をＩ／Ｆボード（２）２２を介して取込む処理と、
Ｘ，Ｙステージ２，３の移動制御を実行する。Ｉ／Ｆボ
ード（１）２１は、このための移動信号をモータドライ
バ２７を介してＸ，Ｙステージ２，３に出力する。制御
手段２０は、現在の測定箇所を示すＸ，Ｙステージ２，
３の座標位置と、オートフォーカスユニット６から出力
された変位信号を関連づけ、測定全体のデータに基づき
被測定物Ｗの表面形状（高さ、幅、断面積など）を演算
する。

【００２６】ここで、本発明における倣い計測では、
Ｘ，Ｙステージ２，３の移動制御で被測定物Ｗが移動
し、非接触レーザ変位計１の出力に変化が生じるとオー
トフォーカスユニット６は非接触レーザ変位計１の変位
信号が０μｍ（被測定物Ｗに照射されるビームスポット
径が最小となるように調整されている）になるようにＺ
ステージ５を移動制御（オートフォーカス制御）する。
Ｚステージ５の移動量は測長器７にて検出される。この
時、非接触レーザ変位計１の出力は厳密には０μｍにな
らないため、オートフォーカスユニット６は非接触レー
ザ変位計１の変位信号と測長器７の変位信号との和を演
算して被測定物Ｗの変位として制御手段２０に出力す
る。

【００２７】上記表面形状測定装置は、例えば、液晶デ
ィスプレイの品質管理を目的としたシール剤形状検査機
に適用される。液晶ディスプレイの製造工程には、２枚
のガラス基板をシール剤と呼ばれる接着剤で貼り合わせ
るセル組立工程がある。ここで貼り合わせ時の応力分布
がギャップ精度に影響することから、貼り合わせる前の
シール剤（被測定物Ｗ）の断面形状を測定し、高さ、
幅、断面積を算出して、シール剤の塗布量を管理する必
要がある。本発明の装置は、このシール剤の表面形状を
測定する。

【００２８】装置の全体動作を説明すると、まず、ガラ
ス基板をセッティングベース（Ｙステージ３）の上に載
せ、ＣＲＴ２５上に表示されるルート設定画面に従い測
定ルートの設定を行う。測定ルートは始点・終点の二つ
の座標で定義される。始点・終点はＸ，Ｙステージ２，
３を移動させて非接触レーザ変位計１のビームスポット
を被測定物Ｗの測定箇所に合わせ、その時の非接触レー
ザ変位計１の現在座標（Ｘ−Ｙ軸）を入力する。これら
の作業は非接触レーザ変位計１に設けられたモニタを併
用することで行われる。測定ルート数は複数登録でき、
ルート設定内容はファイルに保存され、次回同じ測定を
行う時にこのファイルを呼び出して同じルートの測定を
行うことができる。

【００２９】次に測定画面で「スタート」を選択すると
非接触レーザ変位計１は原点位置から最初のルートの始
点に移動する。同時に非接触レーザ変位計１の投受光面
が測定していく移動方向（走査方向）に対して直交する
ようにΘステージ９が回転する。非接触レーザ変位計１
は始点でオートフォーカス動作を行い、終点方向に倣い
計測を開始する。制御手段２０は、設定されたピッチで
オートフォーカスユニット６から出力される変位信号を
取り込み、最初のルート測定が終了すると非接触レーザ
変位計１は２番目のルートの始点に移動して同様に測定
を行う。すべてのルートの測定が終了すると非接触レー
ザ変位計１は原点位置に戻る。

【００３０】測定終了後、制御手段２０は、測定データ
の解析を行い被測定物Ｗ（シール剤）の高さ、幅、断面
積を演算して求める。図３はこの解析処理内容を示す波
形図である。（ａ）〜（ｄ）において、いずれも横軸は
移動方向、縦軸は被測定物Ｗの高さ方向の形状に対応し
た信号である。（ａ）は、測定した断面形状波形であ
り、平な部分はガラス基板、凸の部分はシール剤に相当
する。（ｂ）は、断面形状波形を微分したものであり、
変曲点を求め変曲点間の距離をシール剤の幅として算出
する。（ｃ）は、ガラス基板に相当する断面形状波形か
ら基準線を求め、断面形状波形から基準線を減算して傾
斜補正を行ったものであり、山のピーク値を検出しシー
ル剤の高さとして算出する。（ｄ）は、（ｃ）の波形を
積分したものであり、最大値をシール剤の断面積として
算出する。

【００３１】上記のように非接触レーザ変位計１の特性
を補間する倣い計測に必要な機能はユニット化されたオ
ートフォーカスユニット６に設けられ、制御手段２０か
ら分離させた構成とすることにより、非接触レーザ変位
計１による高精度、広範囲測定を行いつつ、制御手段２
０の制御負担を軽減できるようになる。また、オートフ
ォーカスユニット６が制御手段２０から分離してユニッ
ト化されているため、非接触レーザ変位計１をセンサと
する表面形状測定装置に対する倣い計測機能自体の搭載
も容易に行える。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、倣い計測のための制御
をオートフォーカスユニットに分離負担させ、制御手段
は連続測定の移動制御と測定データに基づく被測定物の
表面形状の解析処理を実行する構成としたので、制御手
段にかかる処理負荷を軽減させることができ、表面形状
を高精度に測定できるとともに、測定動作が不連続とな
らず高速に測定していくことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面形状測定装置の実施の形態を示す
全体図。

【図２】オートフォーカスユニットの内部構成を示すブ
ロック図。

【図３】制御手段の演算内容を示す図。

【図４】従来の表面形状測定装置を示す全体図。

【図５】非接触レーザ変位計を示す図。

【符号の説明】

１…非接触レーザ変位計、２…Ｘステージ、３…Ｙステ
ージ、５…Ｚステージ、６…オートフォーカスユニッ
ト、７…測長器、９…Θステージ、１０…ＣＰＵ ２０…制御手段、１５，１６，２７…モータドライバ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 善彦 東京都港区南麻布五丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物（Ｗ）に光ビームを照射し、該
   照射点からの光を受光して受光位置の変化によって被測
   定物表面の形状を測定し対応する変位信号を出力する非
   接触測定手段（１）と、 前記被測定物と非接触測定手段を相対的にＸ，Ｙ軸方向
   に移動させるＸ，Ｙ移動手段（２，３）と、 前記非接触測定手段を前記被測定物に対しＺ軸方向に移
   動させ、移動量に対応した変位信号を出力するＺ移動手
   段（５，７）と、 前記非接触測定手段と前記Ｚ移動手段から出力される変
   位信号を加算して被測定物の表面形状を示す変位信号を
   出力するとともに、常時、前記非接触測定手段から照射
   されるビームスポット径が被測定物表面で最小となるよ
   う変位信号の出力値の変化に基づいて前記Ｚ移動手段を
   移動制御するオートフォーカスユニット（６）と、 予め設定した測定ルートに沿って前記Ｘ，Ｙ移動手段を
   移動制御し、該移動制御による座標位置と前記オートフ
   ォーカスユニットから出力された変位信号に基づき前記
   被測定物の高さ、幅、断面積等の各種表面形状を演算処
   理する制御手段（２０）と、を具備することを特徴とす
   る表面形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記非接触測定手段（１）は、投光ビー
   ムと反射ビームが所定角度を有し、該非接触測定手段の
   ビームスポットを中心として所定角度回転自在なΘ移動
   手段（９）を備えた請求項１記載の表面形状測定装置。