JP2013007666A - Stylus type step profiler for surface shape measurement and measurement accuracy improvement method in the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、試料の表面形状を測定する触針式段差計及び該段差計における測定精度の改善方法に関するものである。 The present invention relates to a stylus type step meter for measuring the surface shape of a sample and a method for improving measurement accuracy in the step meter.
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。 In the present specification, the term “surface shape of the sample” is meant to include the concept of the step, film thickness, and surface roughness of the sample.
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。 Conventionally, this type of step gauge has a probe whose tip contacts the sample surface, a needle pressure generator that contacts the sample surface with a constant load, and a probe that vibrates in a direction perpendicular to the load direction. Known to have a structure with a device that reciprocates the needle in parallel with the sample surface and a detection device that detects the magnitude of vibration corresponding to the frictional force of the probe against the sample when vibration is applied. Yes.
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、この一端に隣接して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、支持体の他端には探針に針圧を加える針圧発生装置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を提案した。
In
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）。
As described above, in a stylus profilometer using a differential transformer as a displacement sensor, the displacement of the sensor core is measured with low noise and high accuracy by, for example, a lock-in amplifier technique (for example,
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１〜２ｎｍ程度となり、表面形状測定に使用される。なお、特許文献１、３のセンサは通常よりも変位雑音は小さく、遮断周波数が１５Ｈｚの低域通過フィルターをかけたとき、雑音の１秒間でのピーク‐ピークは０．３ｎｍ程度と非常に小さい。
In order to reduce the measured displacement noise, the measurement result is usually subjected to a low-pass filter having a cutoff frequency of about 15 Hz. Thereby, the peak-peak in 1 second of noise becomes about 1 to 2 nm and is used for surface shape measurement. In addition, the displacement noise of the sensors of
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ているが、表面の凹凸への探針の追随性を良くするために、本発明者は、支点から探針までの距離を、支点からセンサコアまでの距離よりも大きくすることを提案してきた（特許文献５及び特許文献６参照）。支点から探針までの距離を、支点からセンサコアまでの距離の例えば２倍にすると、探針での変位雑音はコアでの変位雑音の２倍になる。従って、そのような配置設計では、雑音の1秒間でのピーク‐ピークが０．３ｎｍのセンサを用いると、探針での変位雑音は０．６ｎｍとなる。
In a stylus type step meter, the probe and the displacement sensor core are usually connected with a rod-like object as described in
上述のように、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、低域通過フィルターがかけられ、その遮断周波数が低いと雑音は小さくなるが、表面形状への追随性が悪くなる。一方、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。このような問題点を解決するため、本発明は、表面形状への追随性が良く、かつ、変位雑音が小さい表面形状測定用触針式段差計及び該段差計における測定精度の改善方法を提供することを目的としている。 As described above, in order to reduce the displacement noise, a low-pass filter is applied to the measurement result of the displacement sensor. When the cutoff frequency is low, the noise is reduced, but the followability to the surface shape is deteriorated. . On the other hand, when the cut-off frequency is increased, the followability is improved, but the displacement noise is increased. In order to solve such problems, the present invention provides a stylus-type step gauge for measuring a surface shape with good followability to the surface shape and low displacement noise, and a method for improving measurement accuracy in the step meter. The purpose is to do.
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、この一端に隣接して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、支持体の他端には探針に針圧を加える針圧発生装置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、
変位センサの磁性体コアに固有雑音の小さい強磁性体のコアを使用し、低雑音の差動トランスとして形成し、
低雑音の差動トランスの出力を、低雑音のデジタルロックインアンプで計測し、
変位の測定結果からセンサの固有振動に起因する雑音を、低域通過フィルターを用いて移動平均法で除去し、低域通過フィルターの遮断周波数を通常の１５Ｈｚ程度よりも高くすること
を特徴としている。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a probe is attached to one end of a support that is swingably attached to a fulcrum, and the probe is positioned in the vertical direction adjacent to the one end. A magnetic core of a displacement sensor that detects displacement is attached, and a magnetic core of a needle pressure generator that applies needle pressure to the probe is attached to the other end of the support, and the surface shape of the sample captured by the probe is supported. In the method of improving the measurement accuracy in the stylus type step gauge for surface shape measurement that is measured by the displacement sensor by the rotational movement around
Using a ferromagnetic core with low intrinsic noise for the magnetic core of the displacement sensor, it is formed as a low noise differential transformer,
Measure the output of the low noise differential transformer with a low noise digital lock-in amplifier,
Noise resulting from the natural vibration of the sensor is removed from the measurement result of displacement by a moving average method using a low-pass filter, and the cut-off frequency of the low-pass filter is made higher than the usual 15 Hz. .
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、この一端に隣接して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、支持体の他端には探針に針圧を加える針圧発生装置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いて、
変位センサを成し、固有雑音が小さい強磁性体のコアを使用した低雑音の差動トランスと、
低雑音の差動トランスの一次コイル及び二次コイルに接続され、低雑音の差動トランスの出力を測定する低雑音のデジタルロックイン増幅器を備えた測定回路手段と、
測定回路手段で測定した変位の測定結果から変位センサの固有振動に起因する雑音を移動平均法で除去するフィルターを備え、フィルターの遮断周波数を通常の１５Ｈｚ程度よりも高くするように構成した雑音除去手段と
を有することを特徴としている。
Further, according to the second aspect of the present invention, a displacement sensor for attaching a probe to one end of a support body swingably attached to a fulcrum and detecting a vertical displacement of the probe adjacent to the one end. A magnetic core is attached to the other end of the support, and the magnetic core of the needle pressure generator that applies the needle pressure to the probe is attached to the other end of the support, and the surface shape of the sample captured by the probe is rotated by a rotating motion around the fulcrum of the support. In the stylus type step gauge for measuring the surface shape measured by the displacement sensor,
A low-noise differential transformer that uses a ferromagnetic core that forms a displacement sensor and has low intrinsic noise,
Measuring circuit means comprising a low noise digital lock-in amplifier connected to the primary coil and secondary coil of the low noise differential transformer and measuring the output of the low noise differential transformer;
A noise removal system comprising a filter that removes noise caused by the natural vibration of the displacement sensor from the displacement measurement result measured by the measuring circuit means by a moving average method, and configured so that the cutoff frequency of the filter is higher than the usual 15 Hz. Means.
本発明の表面形状測定用触針式段差計において、変位センサの固有振動に起因する雑音を移動平均法で除去するフィルターは遮断周波数１５Ｈｚの低域通過フィルターであり得る。代わりに該フィルターは、バンドストップフィルターでもよい。 In the stylus profilometer for surface shape measurement of the present invention, the filter that removes noise caused by the natural vibration of the displacement sensor by the moving average method may be a low-pass filter having a cutoff frequency of 15 Hz. Alternatively, the filter may be a band stop filter.
本発明の方法によれば、変位センサの磁性体コアに固有雑音の小さい強磁性体のコアを使用し、低雑音の差動トランスとして形成し、低雑音の差動トランスの出力を、低雑音のデジタルロックインアンプで計測し、変位の測定結果からセンサの固有振動に起因する雑音を、低域通過フィルターを用いて移動平均法で除去し、低域通過フィルターの遮断周波数を通常の１５Ｈｚ程度よりも高くしていることにより、その固有振動数の雑音を、効果的に消し、他の周波数成分は残すことができ、その結果、低雑音と表面形状への追随性の良さとを両立させることができる。 According to the method of the present invention, the magnetic core of the displacement sensor is made of a ferromagnetic core having a small intrinsic noise and formed as a low noise differential transformer, and the output of the low noise differential transformer is reduced to a low noise. The noise caused by the natural vibration of the sensor is removed by the moving average method using the low-pass filter from the displacement measurement result, and the cutoff frequency of the low-pass filter is usually about 15 Hz. By setting the frequency higher, the noise at the natural frequency can be effectively eliminated and other frequency components can be left. As a result, both low noise and good trackability of the surface shape can be achieved. be able to.
また本発明の装置によれば、変位センサを成し、固有雑音が小さい強磁性体のコアを使用した低雑音の差動トランスと、低雑音の差動トランスの一次コイル及び二次コイルに接続され、低雑音の差動トランスの出力を測定する低雑音のデジタルロックイン増幅器を備えた測定回路手段と、測定回路手段で測定した変位の測定結果から変位センサの固有振動に起因する雑音を移動平均法で除去するフィルターを備え、フィルターの遮断周波数を通常の１５Ｈｚ程度よりも高くするように構成した雑音除去手段とを設けたことにより、変位センサの雑音密度が元々小さく、段差計の固有振動に起因する雑音を移動平均法でそれのみを効果的に除去することで、低雑音と表面形状への追随性の良さとの両立が達成できる。 Further, according to the apparatus of the present invention, a displacement sensor is formed and connected to a primary coil and a secondary coil of a low noise differential transformer using a ferromagnetic core having a small intrinsic noise and a low noise differential transformer. Measurement circuit means with a low noise digital lock-in amplifier for measuring the output of the low noise differential transformer, and the noise caused by the natural vibration of the displacement sensor is moved from the measurement result of the displacement measured by the measurement circuit means. The noise density of the displacement sensor is originally low due to the provision of noise removal means that is equipped with a filter that removes by the average method and that makes the cutoff frequency of the filter higher than the usual 15 Hz. By effectively removing only the noise caused by the noise by the moving average method, it is possible to achieve both the low noise and the good followability to the surface shape.
以下、添付図面を参照して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先に提案した触針式段差計は、添付図面の図１〜図５に示すように、棒状の第１の支持部材１を有し、であり、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５）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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
The stylus profilometer previously proposed to which the present invention is applied has a rod-like
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。
The other end of the
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３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１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。
A
また図１、図２及び図４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、その際に第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３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。
1, 2, and 4,
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。
The
さらに図３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。
Further, as shown in FIG. 3, a plate-
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。
As described above, the
図５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。
FIG. 5 shows an enlarged structure of the
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。
The illustrated stylus profilometer constructed in this way is provided with a
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。
Then, by applying a predetermined current to the
図６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。
FIG. 6 is a block diagram showing one embodiment of a control circuit device embodying the present invention, 20 is a displacement sensor of a stylus type step gauge, 21 is a preamplifier, and 22 is A digital signal processing circuit (DSP), 23 is an analog input board, and 24 is a computer for setting and displaying. The digital signal processing circuit (DSP) 22 is connected to the
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。一般には、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。かかるフィルターは、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、そして抵抗、コンデンサを使ったアナログフィルターでも計算によるデジタルフィルターでもよい。デジタルフィルターを使用する場合には、デジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）２２において低域通過フィルターをかけてもよいし、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において低域通過フィルターをかけることもできる。
The digital signal processing circuit (DSP) 22 calculates the position of the core of the displacement sensor by a digital lock-in amplifier technique, and calculates the position of the probe using the ratio of the distance from the core and the fulcrum of the probe. In general, the result is subjected to a low-pass filter to reduce noise. Such a filter can be provided between the digital signal processing circuit (DSP) 22 and the
図７は、特許文献４に記載のコアを特許文献２に記載の差動トランスのコイルに入れ、図１の段差計を構成して、探針の変位雑音を測定した例である。探針を２ｍｇｆで試料上に押し付け、走査はせず静止した状態で探針の変位を１ｍｓごとにモニターした。支点から探針までの距離は、支点から変位センサのコアまでの２倍あり、探針での変位雑音は変位センサのコアでの変位雑音の２倍になっている。遮断周波数１５Ｈｚの低域通過フィルターをかけており、１秒間での雑音のピーク−ピークは０．６ｎｍ程度と小さい。フィルターは無限インパルス応答のデジタルフィルターでバタワース特性の４次を用いた。
FIG. 7 shows an example in which the displacement noise of the probe is measured by inserting the core described in
図８には、図７の測定を繰り返して『１秒間での雑音のピーク−ピーク』と標準偏差を１０時間に渡り６０００回測定した結果を示している。平均はそれぞれ０．６６４ｎｍ、０．１４０ｎｍと十分に小さい値を得た。 FIG. 8 shows the result of measuring 6000 times over 10 hours by repeating the measurement of FIG. 7 and measuring “peak-peak of noise in 1 second” and standard deviation over 10 hours. The average obtained sufficiently small values of 0.664 nm and 0.140 nm, respectively.
図９には、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の例を示す。バタワース特性４次とベッセル特性４次の遮断周波数２０Ｈｚの場合である。図７及び図８に示すデータでは１５Ｈｚ以上の雑音が同様の振幅比でカットされて、それにより低雑音（時間軸で見た場合の小さい『ピーク−ピーク』）が達成できている。 FIG. 9 shows an example of the frequency characteristic of the amplitude ratio before and after passing through the low-pass filter. This is a case where the cutoff frequency of the Butterworth characteristic fourth order and the Bessel characteristic fourth order is 20 Hz. In the data shown in FIG. 7 and FIG. 8, noise of 15 Hz or higher is cut with the same amplitude ratio, thereby achieving low noise (small “peak-peak” when viewed on the time axis).
低域通過フィルターをかける前の雑音密度の測定例を図１０に示す。差動トランスの励起は５ｋＨｚで行っており、測定する２次電圧信号も同じ周波数である。ロックインアンプの手法では測定信号と参照信号の掛け算の後、その５ｋＨｚ成分を除去する。その除去のために５ｋＨｚ分の移動平均をデジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）２２で行っている。差動トランスの２次コイルの５ｋＨｚの出力を測定信号として、デジタルシグナル処理回路（ＤＳＰ）２２内で生成した同じく５ｋＨｚだが位相の異なる参照信号と掛け算し、それを低域通過フィルターに通して直流成分を得ると、５ｋＨｚ以外の雑音成分が除去され５ｋＨｚの成分が抽出されて、測定信号の振幅と位相情報が低雑音、高精度に測定できる。図１０には測定信号と参照信号を掛けて５ｋＨｚ分の移動平均を行ったデータを設定、表示用のコンピュータ２４でフーリエ変換した結果で雑音の周波数特性を表わしている。周波数軸のどこでカットするかで測定結果の時間に対する応答の善し悪しが決まる。１５Ｈｚ以上をカットしてしまえば、それ以上速い応答は得られなくなる。
A measurement example of noise density before applying the low-pass filter is shown in FIG. The differential transformer is excited at 5 kHz, and the secondary voltage signal to be measured has the same frequency. In the lock-in amplifier method, the 5 kHz component is removed after multiplication of the measurement signal and the reference signal. For the removal, a moving average for 5 kHz is performed by a digital signal processing circuit (DSP) 22. The output of 5 kHz of the secondary coil of the differential transformer is used as a measurement signal, multiplied by the same 5 kHz but different phase reference signal generated in the digital signal processing circuit (DSP) 22, and passed through a low-pass filter for direct current. When the components are obtained, noise components other than 5 kHz are removed and 5 kHz components are extracted, and the amplitude and phase information of the measurement signal can be measured with low noise and high accuracy. FIG. 10 shows the frequency characteristics of noise as a result of setting the data obtained by multiplying the measurement signal and the reference signal and performing a moving average for 5 kHz and performing Fourier transform on the
ところで、図１０において２３０Ｈｚには大きいピークがある。これは支点上の棒状部の固有振動によると考えられる。これを効果的に除去すれば、遮断周波数１５Ｈｚの低域通過フィルターはなくても低雑音が実現できる。１ｋＨｚ以上の成分は必要ないので、遮断周波数７００Ｈｚの低域通過フィルターをかけ、その後、２３０Ｈｚに相当する移動平均を行った結果を図１１に示す。不要な高い周波数成分が除去され、２３０Ｈｚの大きい雑音のピークが減少している。しかし、１００数１０Ｈｚより下では応答が残っていることを示している。そして、この場合の『１秒間での雑音のピーク−ピーク』は２．３ｎｍであった。つまり、遮断周波数１５Ｈｚの低域通過フィルターをかけなくても、図１１で示すように１００数１０Ｈｚまでの応答性のある変位データにおいて、実用的な使用で問題のない低雑音が得られたことになる。このことは、表面形状への応答が速く、かつ、低雑音なので、これまで見えなかった微細な表面形状が見えることになることを意味している。 Incidentally, there is a large peak at 230 Hz in FIG. This is thought to be due to the natural vibration of the rod-shaped part on the fulcrum. If this is effectively removed, low noise can be realized without a low-pass filter having a cutoff frequency of 15 Hz. Since a component of 1 kHz or higher is not necessary, FIG. 11 shows the result of applying a low-pass filter with a cutoff frequency of 700 Hz and then performing a moving average corresponding to 230 Hz. Unnecessary high frequency components are removed, and a large noise peak at 230 Hz is reduced. However, the response remains below 100 Hz. In this case, “noise peak-peak in 1 second” was 2.3 nm. That is, even without applying a low-pass filter with a cut-off frequency of 15 Hz, low noise having no problem in practical use was obtained with responsive displacement data up to several hundreds of 10 Hz as shown in FIG. become. This means that since the response to the surface shape is fast and the noise is low, a fine surface shape that could not be seen before can be seen.
図１２及び図１３には、Ｓｉ基板表面を探針で走査した結果の例を示す。図１２に示す例は、前述の２３０Ｈｚ分の移動平均のみで遮断周波数１５Ｈｚの低域通過フィルターをかけていない結果であり、図１３に示す例は、図１２の結果に遮断周波数１５Ｈｚの低域通過フィルター（ベッセル特性、４次）をかけた結果である。探針先端の曲率半径は２．５μｍ、走査速度は１００μｍ／ｓ、探針を試料に押さえ付ける力は０．０４８ｍｇｆである。この力は、この種の触針式段差計としては、かなり小さい値である。試料を載せたピエゾステージを駆動し、探針で試料上の同じ箇所を５回走査した結果である。変位センサの０点は僅かながら時間変化するので、それぞれの測定結果をz方向にシフトさせて重ねてプロットした。図１２及び図１３において全体がたわんでいるのは、５回の走査結果が良く重なり再現性があることから、試料表面のそりと用いたステージの駆動特性によると思われる。 12 and 13 show examples of results obtained by scanning the surface of the Si substrate with a probe. The example shown in FIG. 12 is the result of not applying a low-pass filter with a cut-off frequency of 15 Hz only by the above-mentioned moving average for 230 Hz, and the example shown in FIG. 13 is the result of FIG. It is the result of applying a pass filter (Bessel characteristic, 4th order). The radius of curvature of the tip of the probe is 2.5 μm, the scanning speed is 100 μm / s, and the force for pressing the probe against the sample is 0.048 mgf. This force is quite small for this type of stylus profilometer. This is a result of driving the piezo stage on which the sample is placed and scanning the same portion on the sample five times with a probe. Since the zero point of the displacement sensor slightly changes with time, the respective measurement results are plotted while being shifted in the z direction. 12 and FIG. 13 seems to be due to the warpage of the sample surface and the driving characteristics of the stage used because the results of the five scans are well overlapped and reproducible.
図１２（移動平均２３０Ｈｚ）では図１３（遮断周波数１５Ｈｚ）に比べると雑音は大きいが、例えば１０μｍの走査領域での、たわみを除いた雑音のピーク‐ピークは１〜２ｎｍ程度であり、実用上は問題ない。むしろ、図１３での低雑音が際立っていると言える。
In FIG. 12 (moving average 230 Hz), the noise is larger than that in FIG. 13 (
図１４及び図１５には、凹凸のある試料表面を走査した結果を示す。探針先の曲率半径と走査速度は図１２及び図１３と同じで、力は０．２６ｍｇｆである。図１４は前述の２３０Ｈｚ分の移動平均のみで、図１５は図１４の結果に遮断周波数１５Ｈｚの低域通過フィルター（ベッセル特性、４次）をかけた結果である。そして同じ箇所での４回の走査結果を重ねてプロットしている。図１６は図１４（移動平均２３０Ｈｚ）の一部を拡大して表示している。図１６において４回の測定結果に再現性があり、試料表面の凹凸を測定できていることが分かる。それに対して図１５（遮断周波数１５Ｈｚ）では再現性はあるものの、表面の微細な形状は見えていない。
14 and 15 show the results of scanning the uneven sample surface. The radius of curvature of the probe tip and the scanning speed are the same as in FIGS. 12 and 13, and the force is 0.26 mgf. FIG. 14 shows only the above-mentioned moving average for 230 Hz, and FIG. 15 shows the result of applying the low-pass filter (Bessel characteristic, fourth order) with a cutoff frequency of 15 Hz to the result of FIG. The results of four scans at the same location are plotted in an overlapping manner. FIG. 16 is an enlarged view of a part of FIG. 14 (moving average 230 Hz). In FIG. 16, it can be seen that the measurement results of the four times are reproducible and the unevenness of the sample surface can be measured. On the other hand, in FIG. 15 (
本発明によれば、雑音の小さい差動トランスを用いた触針式段差計において、センサ部品の固有振動に起因する雑音を移動平均などの方法で効果的に除去することにより、応答の速い表面形状測定ができ、通常では測定できない微細な表面形状が測定できるようになる。 According to the present invention, in a stylus profilometer using a differential transformer with low noise, a surface having a quick response can be obtained by effectively removing noise caused by natural vibration of sensor parts by a method such as moving average. The shape can be measured, and a fine surface shape that cannot be measured normally can be measured.
ところで、固有振動に起因する雑音の除去には、バンドストップフィルター（バンドエリミネイトフィルター）を用いてもよい。かかるフィルターはアナログフィルターでもデジタルフィルターでもよい。 Incidentally, a band stop filter (band elimination filter) may be used to remove noise caused by natural vibration. Such a filter may be an analog filter or a digital filter.
また、遮断周波数１５Ｈｚの低域通過フィルターをかけた場合でも、走査速度を小さくすれば、図１４のような表面形状は見えてくるが、遮断周波数が１桁程度低いので、走査速度を１桁遅くする必要がある。その場合には計測器としてのスループットが１桁落ち、作業効率が大幅に低下することになる。さらに、１回の走査に１０倍の時間がかかるということは、その間での変位センサ出力の０点のシフトも１０倍に大きくなり、無視できないドリフトを含むような測定結果になり、再現性に問題が出てくる。 Even when a low-pass filter with a cutoff frequency of 15 Hz is applied, if the scanning speed is reduced, the surface shape as shown in FIG. 14 can be seen, but since the cutoff frequency is about one digit lower, the scanning speed is one digit lower. Need to be late. In that case, the throughput of the measuring instrument is reduced by an order of magnitude, and the working efficiency is greatly reduced. Furthermore, the fact that the time required for one scan takes 10 times means that the shift of the zero point of the displacement sensor output during that time also becomes 10 times larger, resulting in a measurement result including a drift that cannot be ignored, and reproducibility. Problems come out.
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
1: first support member 2: fulcrum needle mounting member 3: fulcrum needle 4: fulcrum receiving member 5: displacement sensor 6: core 7: coil 8: needle pressure generator 9: core 10: needle pressure generator 8 Coil 15: probe 20: displacement sensor of stylus type step gauge 21: preamplifier 22: digital signal processing circuit (DSP)
23: Analog input board 24: Computer for setting and display
Claims (9)
変位センサの磁性体コアに固有雑音の小さい強磁性体のコアを使用し、低雑音の差動トランスとして形成し、
低雑音の差動トランスの出力を、低雑音のデジタルロックインアンプで計測し、
変位の測定結果からセンサの固有振動に起因する雑音を、低域通過フィルターを用いて移動平均法で除去し、低域通過フィルターの遮断周波数を通常の１５Ｈｚ程度よりも高くすること
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。 A probe is attached to one end of a support that is swingably attached to a fulcrum, and a magnetic core of a displacement sensor that detects the vertical displacement of the probe is attached adjacent to this end, and the other end of the support is attached to the other end of the support. A stylus-type step for measuring the surface shape, which is attached to the magnetic core of the needle pressure generator that applies the needle pressure to the probe, and the surface shape of the sample captured by the probe is measured by a displacement sensor by rotational movement around the fulcrum of the support In the measurement accuracy improvement method in the meter,
Using a ferromagnetic core with low intrinsic noise for the magnetic core of the displacement sensor, it is formed as a low noise differential transformer,
Measure the output of the low noise differential transformer with a low noise digital lock-in amplifier,
The noise caused by the natural vibration of the sensor is removed from the measurement result of displacement by a moving average method using a low-pass filter, and the cutoff frequency of the low-pass filter is made higher than the usual 15 Hz. A method for improving measurement accuracy in a stylus profilometer for surface shape measurement.
変位センサを成し、固有雑音が小さい強磁性体のコアを使用した低雑音の差動トランスと、
低雑音の差動トランスの一次コイル及び二次コイルに接続され、低雑音の差動トランスの出力を測定する低雑音のデジタルロックイン増幅器を備えた測定回路手段と、
測定回路手段で測定した変位の測定結果から変位センサの固有振動に起因する雑音を移動平均法で除去するフィルターを備え、フィルターの遮断周波数を通常の１５Ｈｚ程度よりも高くするように構成した雑音除去手段と
を有することを特徴とする表面形状測定用触針式段差計。 A probe is attached to one end of a support that is swingably attached to a fulcrum, and a magnetic core of a displacement sensor that detects the vertical displacement of the probe is attached adjacent to this end, and the other end of the support is attached to the other end of the support. A stylus-type step for measuring the surface shape, which is attached to the magnetic core of the needle pressure generator that applies the needle pressure to the probe, and the surface shape of the sample captured by the probe is measured by a displacement sensor by rotational movement around the fulcrum of the support In total
A low-noise differential transformer that uses a ferromagnetic core that forms a displacement sensor and has low intrinsic noise,
Measuring circuit means comprising a low noise digital lock-in amplifier connected to the primary coil and secondary coil of the low noise differential transformer and measuring the output of the low noise differential transformer;
A noise removal system comprising a filter that removes noise caused by the natural vibration of the displacement sensor from the displacement measurement result measured by the measuring circuit means by a moving average method, and configured so that the cutoff frequency of the filter is higher than the usual 15 Hz. A stylus type step gauge for measuring the surface shape.
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