JPH0422443B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の概要〕 本発明は被測定試料あるいは被加工試料上の表
面のうねり、あるいは表面粗さを測定するための
表面形状測定装置を提供するもので特に被測定
（加工）試料上にレーザ光を照射し、その反射光
をプリズムの頂部に入射させて、その頂部から左
右のプリズムの辺に振り分けられた反射光量を光
検知器で検知して差動増巾器により表面傾きを求
め、この値から高さを求めるようにした表面形状
測定装置に関する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は表面形状測定装置に係り、特に光触針
式で表面の粗さあるいはうねり等を測定する表面
形状測定装置に関する。

〔従来の技術〕

磁気デイスク装置においては磁気ヘツドを用い
て情報の書込み、読出しを行つておりデイスク表
面から磁気ヘツドのスライダまでの浮上量は0.2μ
ｍ程度であるが、上記デイスク表面にうねりや粗
い凹凸があると磁気ヘツドを載置したスライダが
うねりの谷間に入つたり山に乗り上げることによ
つて信号が取り出せなくなつたり磁気ヘツドがデ
イスクに当たる等の問題があり、通常では磁気デ
イスクの表面のうねりあるいは粗さを0.05μｍ以
下に抑える必要がある。このため、磁気デイスク
担体である被測定（加工）試料表面の高さ（うね
りおよび粗さ）を測定して一定の値に保つ必要が
ある。このような試料面の形状測定装置としては
従来から触針式の表面粗さ計が知られている。こ
の表面粗さ計は0.001μｍ程度までの精度で粗さ測
定を行えるが半径4μ程度の針を被測定試料表面
に当てた状態で上下動を測定するため破壊検査と
なるだけでなく測定速度が遅い（約10秒／mm）欠
点がある。

更にD.J.Whitehouse教授特別講演会資料（主
催、精機学会60年９月）に従来の光学式非接触計
測の例が示されているが、その代表的なものにレ
ーザ等の光スポツトを被測定試料表面に焦点を合
わせて当てることでその反射波のずれによるスポ
ツト径の差を検出する表面形状測定装置が知られ
ている。

この方式では0.001μｍ程度の精度で表面のうね
りや粗さを検出することができ、かつ非破壊検査
である特徴を有するが測定長が短く、測定時間が
遅い問題があつた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の光スポツト式では一般に分解能が1.6μｍ
程度に固定されてしまい分解能調整ができない問
題があつた。更にスポツト径は1.6μｍφと小さい
ために測定長が長ければ測定点が多くなり、被測
定試料表面に焦点を合せる場合に被測定試料のう
ねりや粗さだけでなく、被測定試料を載置するＸ
−Ｙステージに振動などによる上下方向の精度誤
差があると焦点位置が変わるためにステージの精
度を上げなければならないだけでなく駆動系の振
動を振幅1nｍ以下に遮断することも難しい。ま
た測定時間は３mm／分のオーダで極めて遅い問題
があつた。また、前述の資料の中には、光の反射
角から対象の傾きを検出し、表面変位を検知する
手段も紹介されているが、対象の振動が高精度を
達成する上での問題もあつた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は叙上の欠点に鑑みなされたものであ
り、その目的とするところは非接触で高速度に表
面形状検査が行え、測定長も長く測定分解能が可
変できる表面形状測定装置を得んとするもので、
その手段は被測定試料を載置するＸ−Ｙ方向移動
ステージと、レーザ光源からの平行レーザ光を一
対の反射ミラーの一方の反射ミラー面で反射せし
め、その反射されたレーザ光を前記ステージに載
置された前記被測定試料の被測定面に照射し、該
被測定面からの正反射光を前記一対の反射ミラー
の他方の反射ミラー面で反射せしめて後述の第１
および第２のビーム分割プリズムの各頂部に向か
わせる光学系と、該光学系によつて与えられた光
を前記被測定面における第１の方向と対応する方
向に頂部を境に２分割する第１のビーム分割プリ
ズムと、前記光学系によつて与えられた光を前記
被測定面における前記第１の方向に直交する第２
の方向と対応する方向に頂部を境に２分割する第
２のビーム分割プリズムと、前記第１のビーム分
割プリズムで２分割して得られたそれぞれのビー
ムを受け、前記被測定面における前記第１の方向
に傾きに応じたビームの変位を検知する第１の光
検知器対と、前記第２のビーム分割プリズムで２
分割して得られたそれぞれのビームを受け、前記
被測定面における前記第２の方向の傾きに応じた
ビームの変位を検知する、前記第１の光検知器対
とは直交して配置された第２の光検知器対と、前
記第１および第２の光検知器対でそれぞれ検知さ
れたビームの変位に基づき前記被測定面における
前記第１および第２の方向の傾き値を得る差動増
幅手段と、前記被測定面を前記Ｘ−Ｙ方向へ走査
した場合の該走査方向の位置座標を独立変数と
し、該走査に従つて前記差動増幅手段で順次得ら
れる傾き値を従属係数として、該従属変数を前記
独立変数について前記第１と第２の方向でそれぞ
れ独立に積分することで、前記被測定面の高さ分
布を得る演算回路とを有することを特徴とする表
面形状測定装置によつて達成される。

〔作用〕

本発明の表面形状測定装置はレーザ光源からの
レーザ光を一対の反射ミラーを介して被測定試料
上に照射し、その反射光をビーム分割プリズムの
頂部に入射させ、頂部から分解プリズムの左右辺
に入射する変位に応じて一対の光検知器でこれを
受け、該一対の光検知器の差出力を基にこれを演
算して試料表面のうねり、粗さ等の高さ成分を検
出するようにしたものである。なお、ビーム分割
プリズムと一対の光検知器を用いる例はすでに知
られている。

〔実施例〕

以下、本発明の表面形状測定装置を第１図乃至
第４図について詳記する。第１図は本発明の表面
形状測定装置の模式図、第２図は第１図に用いる
ビーム分割プリズムと一対の光検知器の説明に供
する特性図でビーム分割プリズムの頂部に当てた
ビームの移動量に対する一対の光検知器の出力差
を表すものであり、第３図はレーザ光のビーム径
を変えるレンズ系の模式図、第４図はビーム径と
観測される被測定試料表面高さの関係を示す波形
図である。

第１図において、１は磁気デイスク等の被測定
試料でアルミニウムデイスクを研削し、磁性粒子
の塗膜がなされている。この被測定試料はＸ−Ｙ
軸方向に移動可能なＸ−Ｙステージ２上に載置さ
れ、例えば５ｍＷ程度のHe−Ne（ヘリウム−ネ
オン）レーザを発振するレーザ源３からのレーザ
光は少なくとも２枚の反射ミラーを三角状に形成
した一対の反射ミラーあるいは反射プリズム４の
一方の反射ミラーに入射させ、該反射ミラーで反
射したレーザ光を上記被測定試料１の表面に照射
する。該被測定試料で反射されたレーザビームは
一対の反射ミラー４の他方の反射ミラーを介して
ハーフミラー７に入射される。ハーフミラー７を
通過したレーザビームは被測定試料１のＸ−Ｚ平
面内で表面の傾きを検出するためビーム分割プリ
ズム５ａの頂部（エツジ）５a′に入射され、この
頂部から左右への変位に応じて光量が該ビーム分
割プリズムの左右に配設したホトマルチプライヤ
等からなる光検知器６ａ，６ｂに与えられる。ハ
ーフミラー７で反射されたレーザビームは被測定
試料１のＺ−Ｙ平面内の表面傾きを検出するため
のビーム分割プリズム５ｃの頂部（エツジ）５
c′に入射され、この頂部から左右への変位に応じ
た光量が、該ビーム分割プリズムの左右に配設し
たホルマルチプライヤ等からなる光検知器６ｃ，
６ｄに与えられる。このとき被測定試料１上面で
高さ方向が変化すれば破線で示すように反射され
るレーザビームの反射方向が変化し、ビーム分割
プリズム５ａ，５ｃの頂部に対する入射位置が移
動する。この移動量をｄとするとレーザビームが
頂部５a′，５c′で分割される割合の変化に伴つて
光検知器６ａ，６ｂおよび６ｃ，６ｄに入射され
る光量が変化する。一対の光検知器６ａ，６ｂお
よび６ｃ，６ｄの出力は２組の差動増幅器８ａ，
８ｂからなる増幅手段８に加えられ、積分回路９
ａ，９ｂからなる演算回路９に加えられる。な
お、ビーム分割プリズムと一対の光検知器を用い
る例は、前出の特別講演会資料にも記載されてい
る。

第２図はビーム分割プリズム頂部に入射された
レーザビームの移動量ｄと光検知器６ａ，６ｂと
６ｃ，６ｄの差出力の関係を示すグラフであるが
ｄ＝０ではビーム分割プリズムの頂部にレーザビ
ームが当たつた状態を示す。このグラフの直線性
が成り立つ範囲は光検出器に加わる電圧、光源の
強さ等に依存する。

叙上の構成で測定を行う手順はまずＸ−Ｙステ
ージ２上に標準となる基準のデイスクを載置して
光検知器６ａ，６ｂおよび６ｃ，６ｄから差動増
幅器８ａ，８ｂに与えられる出力差が零となるよ
うにすなわち、差動増幅器８ａ，８ｂの出力が零
となるようにビーム分割プリズム位置を予め調整
しておき、次に被測定試料１をＸ−Ｙステージ２
上に代えて載置し被測定面に対して座標系（ｘ、
ｙ、ｚ）を第１図に示すように決まる。レーザ光
の試料面上の照射点の位置座標x_i（ｉ＝１、２、
３…）に対して光検知器６ａ，６ｂまたは６ｃ，
６ｄの各々出力差がv_i（ｉ＝１、２、３…）であ
れば、照射面のときθ_iはxz、xy平面内で θ_i＝d_i／2l＝ｋ／2lv_i ……(1) で表される。

ここでd_iはビーム分割プリズム上のレーザビー
ムの移動量、ｋは第２図で示される較正直線の勾
配、ｌは被測定試料１の面からビーム分割プリズ
ム５ａ，５ｃまでの距離である。いま、ｘ軸方向
のxz面について考えるとθが充分小さい時θ_i≒
tanθ_i＝dz／dxなので dz／dx_x=xi＝ｋ／2lv_i ……(2) によつて被測定試料の傾きが得られる。このよう
にして得られた位置座標の各点を積分回路９ａ，
９ｂで積分してやればxz面での高さ分布が求ま
る。つまり z_i＝ 〓ⁱ （dz／dx）_X=xi・Δx_i＋ｃ ＝ｋ／2l 〓ⁱ v_i・Δx_i＋ｃ ……(3) ここでz_iはx_iにおける表面高さ、Δx_iはΔx_i＝
x_i+1−x_iでｃは積分定数である。Δx_i＝Δx＝const
にとれば結局 z_i＝ｋ・Δx／2l 〓ⁱ v_i＋ｃ ……(4) となり、この演算は演算回路９内の積分回路９ａ
で行われる。また被測定試料１のyz平面内表面
傾きdz／dyはビーム分割プリズム５ｃ、光検知器６ ｃ，６ｄで検知され、高さは上記(2)〜(4)式と同様
に求められる。

本発明の他の実施例を第１図によつて更に説明
する。すなわち被測定試料を測定するときの分解
能を変化させる手段を示すもので、レーザ源３と
一対の反射ミラー４とのレーザ光路に破線で示す
レンズ系１０を設けたものである。このレンズ系
１０としては第３図に示すようにレーザ光の通る
径をピンホール１０ａを通じて変えてやる。この
ピンホール径を大きくすれば試料上での光スポツ
ト径が小さくなり、より細かい被測定試料面が検
出可能である。第３図でレーザ源３から出たレー
ザ光をピンホール等でしぼらない実線で示す光路
では一対の反射ミラー４を通じて試料に入射され
たレーザ光は反射されてビーム分割プリズム５
ａ、または５ｂの頂部に投影される際のスポツト
径はD₁で示す値であるがピンホール１０ａを含
むレンズ系でレーザ光をしぼつて破線で示すよう
に試料１に照射し、その反射したレーザビームを
ビーム分割プリズム５ａまたは５ｂに入射したス
ポツト径はD₂でD₁＞D₂の関係にある。ビーム径
を変化させる方法は照射距離を変える等の方法を
とつてもよい。被測定試料を測定する時に測定分
解能が被測定面に入射するレーザ光の径に依存す
る様子を第４図に示す。第４図ａはレーザ光を試
料面に投影したときの径を0.5mmとした場合の観
測表面高さ（うねり）を縦軸にとり横軸に時間を
とつたものであり、第４図ｂはレーザ光を試料面
に投影したときの径を0.1mmとし、観察表面高さ
（粗さ）を縦軸にとり横軸に時間をとつたもので
あり、レーザスポツト径を小さくすればより細か
い試料表面構造が検出できる。前記したレンズ系
１０のない構成ではレーザビームのスポツト径が
比較的大きくなりこのスポツト径に応じた程度の
ゆるやかな周期の表面構造しか測定できない。す
なわちレーザビーム径が70μｍφ程度では140μｍ
程度の周期の表面粗さを0.01μｍ精度で検出でき
ているが700μｍでは1.4mm程度の周期の表面うね
りを0.01μｍ精度で検出できている。

本装置の特徴は、試料１が振動などで１〜2μ
ｍ上下動してもレーザ光の反射角度は変化せず、
表面うねり試料精度0.01μｍが得られることを実
測によつて確認した。これは試料面でのビーム反
射角度が2°に設定しておいた場合、2μｍ程度の上
下動は光分割プリズム頂部位置でのビーム位置変
化0.07μｍに相当し、試料誤差以内であるためで
ある。

第５図に本発明の表面形状測定装置の他の実施
例を示す。第６図は第５図の波形説明図である。
第５図で第１図と同一部分には同一符号を付して
重複説明を省略するも、一対の光検知器６ａ，６
ｂおよび６ｃ，６ｄの各々の出力ａ，ｂとｃ，ｄ
を８ｄ，８ｃと８ｆ，８ｅで示す前置増幅器を介
して差動増幅器８ａ，８ｂに加えると供に和をと
る増幅器、すなわち加算回路８ｇ，８ｈでａ＋ｂ
とｃ＋ｄの出力をとつてこの出力をゲート回路等
の論理回路８ｉ，８ｊを通じて積分回路９ａ，９
ｂにも加える。このように構成しておくと、第６
図ａに示すように被測定試料の表面１ａに塵埃１
１または傷１２がついている場合に差動増幅器８
ａ，８ｂの出力は第６図ｂのように被測定試料１
の傾きに関するデータを与えるが、加算回路８
ｇ，８ｈの出力は第６図ｃに示すように塵埃１１
や傷のついた被測定試料上で入射されたレーザ光
は散乱され検知出力レベルは減少する。このため
予め所定のスライスレベル１３以下になつた出力
を取り出して第６図ｄに示すように塵埃、傷等の
欠陥検出判定用の欠陥判定パルス１４を積分回路
９ａ，９ｂに入れて、この部分の測定等を行わな
いようにする。

第７図ａ，ｂおよび第８図は本発明の他の実施
例を示す。第７図は従来の磁気デイスクの製造工
程を示すフローチヤートであり、第７図ｂは本発
明の磁気デイスクの製造工程を示すフローチヤー
トである。第８図は本発明の表面形状測定装置を
用いて被加工試料（磁気デイスク）を加工、測定
する場合の系統図を示すものであり、本実施例で
は加工と測定を同時に行うようにして製品に付加
価値を付与しない前に検査を行うようにしたもの
である。

すなわち従来、例えば磁気デイスク等の被測定
（加工）試料を加工、測定するには第７図ａに示
すようにアルミニウムデイスクの表面研削１５が
行われ、第２の工程で磁性粒子を含む被膜の塗布
１６がなされ、次の第３の工程で製品としての電
気的な書き込み、読み取り検査と表面検査１７が
行われて、ここで不良の場合は廃棄１９または再
研削、再塗膜等の工程が行われ良品は製品１８と
して出荷される。しかし、不良とされた磁気デイ
スクはそのまま廃棄されることが多くこのために
磁性粒子の塗膜によて付加価値が付与された第２
の工程が全く無駄になる。そこで本発明では第７
図ｂに示すようにアルミデイスクの研磨１５の後
に表面検査１７ａを本発明の表面形状測定装置で
行い、不良品は再研削を直ちに行い得る、また良
品は次の第３の工程である磁性粒子の塗膜１６が
行われ、再び電気的な検査１７ｂが行われる。こ
れで不良であれば再塗膜を行い、良品であれば製
品１９として出荷されるめに未だ付加価値の付与
されないプロセス以前に表面検査が行われるため
大幅な歩留り向上となり、また研削と表面検査が
同時に行えるので全数検査および検査時間の節約
に大きく役立つと考えられる。

上述の具体的構成を第８図に詳記する。

第８図では上述のような工業製品の加工および
検査を各々個別に行うことなく、加工と検査を同
時に行うことで検査時間の節約と加工過程の常時
チエツクを行い、歩留りを向上させるようにした
ものであり、２０は施盤で被測定（加工）試料１
は試料支持台２１に取り付けられている。２２は
バイト等の研削用の工具を示し、アルミニウムデ
イスク等の被測定試料表面の仕上げ加工を行う。
このような加工を行つた直後に被測定試料１を取
り付けたまま表面の検査を行う。この検査装置２
３は上記した第１図の表面形状測定装置を用いる
を可とするも、市販の非接触表面粗さ計（小坂研
究所HIPOS−ET10）等を用いてもよい。

検査装置２３の出力は信号処理回路２４に与え
られて、磁気デイスクすなわち被測定試料１の半
径および円周方向（第１図ではＸおよびＹ方向だ
けを示したが円周方向の測定も可能）の表面粗さ
やうねりの情報が測定データ２５として得られ
る。この測定データ２５と予め決めて置いた粗さ
の許容度（レベル１およびレベル２）を有する参
照データ２６を比較回路２７で比較する。すなわ
ち信号レベルがレベル１より小さい時には正常で
あると判断する。もし、スライスレベルを越える
表面粗さ或いはうねりに異常が現れたならば、そ
の度合によつて制御回路２８によつて駆動回路２
９或いは警報発生器３０に命令が送られ、駆動回
路２９では工具（バイト）２２の刃先の当たる位
置を動かしてバイトの刃先の摩耗による劣化に対
処する。また、レベル２を越える時には警報発生
器３０工具交換指令を出し、工具２２の交換を行
う（自動的に変換してもよい。例えば複数バイト
を回転させて加工面に対接させる）。

このようにすれば切削状態は常時把握可能で、
従来、確たる理由もなく定期的に行つていた工具
の交換も切削データに基づいて行うことができ
る。

〔発明の効果〕

本発明は叙上の如く構成し、かつ動作させたの
で非接触で高速度に表面形状検査が行え、測定長
も長く測定分解能も簡単に可変できる。また、表
面上の傷、塵埃等の検査ができる表面形状測定装
置が得られる特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の表面形状測定装置の模式図、
第２図はビーム分割プリズム頂部に対する移動量
対光検知器出力差を表す図、第３図は測定分解能
を可変にするための光学系の模式図、第４図ａ，
ｂはスポツト径と観測される表面高さの関係を表
す波形図、第５図は本発明の表面形状測定装置の
他の実施例を示す模式図、第６図は光検知器を用
いた塵埃、傷検出波形図、第７図ａ，ｂは磁気デ
イスク製造工程図、第８図は本発明の更に他の実
施例を示す表面形状測定装置の系統図である。 １……被測定試料、２……Ｘ−Ｙステージ、３
……レーザ源、４……一対の反射ミラー、５ａ，
５ｂ……ビーム分割プリズム、５a′，５b′……頂
部、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ……光検知器、７…
…ハーフミラー、８……増幅手段、８ａ，８ｂ…
…差動増幅器、８ｃ〜８ｆ……前置増幅器、８
ｂ，８ｈ……加算回路、８ｉ，８ｊ……論理回
路、９……演算回路、９ａ，９ｂ……積分回路、
１０……レンズ系、１０ａ……ピンホール、１１
……塵埃、１２……傷、１３……スライスレベ
ル、１４……欠陥判定パルス、１５……アルミニ
ウムデイスクの研削、１６……磁性粒子の塗膜、
１７……検査（電気的、表面）、１７ａ……表面
検査、１７ｂ……検査（電気的）、１８……製品、
１９……廃棄、２０……施盤、２１……試料支持
台、２２……工具、２３……検査装置、２４……
信号処理回路、２５……測定データ、２６……参
照データ、２７……比較回路、２８……制御回
路、２９……駆動回路、３０……警報装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定試料を載置するＸ−Ｙ方向移動ステー
   ジと、 レーザ光源からの平行レーザ光を一対の反射ミ
   ラーの一方の反射ミラー面で反射せしめ、その反
   射されたレーザ光を前記ステージに載置された前
   記被測定試料の被測定面に照射し、該被測定面か
   らの正反射光を前記一対の反射ミラーの他方の反
   射ミラー面で反射せしめて後述の第１および第２
   のビーム分割プリズムの各頂部に向かわせる光学
   系と、 該光学系によつて与えられた光を前記被測定面
   における第１の方向と対応する方向に頂部を境に
   ２分割する第１のビーム分割プリズムと、 前記光学系によつて与えられた光を前記被測定
   面における前記第１の方向に直交する第２の方向
   と対応する方向に頂部を境に２分割する第２のビ
   ーム分割プリズムと、 前記第１のビーム分割プリズムで２分割して得
   られたそれぞれのビームを受け、前記被測定面に
   おける前記第１の方向に傾きに応じたビームの変
   位を検知する第１の光検知器対と、 前記第２のビーム分割プリズムで２分割して得
   られたそれぞれのビームを受け、前記被測定面に
   おける前記第２の方向の傾きに応じたビームの変
   位を検知する、前記第１の光検知器対とは直交し
   て配置された第２の光検知器対と、 前記第１および第２の光検知器対でそれぞれ検
   知されたビームの変位に基づき前記被測定面にお
   ける前記第１および第２の方向の傾き値を得る差
   動増幅手段と、 前記被測定面を前記Ｘ−Ｙ方向へ走査した場合
   の該走査方向の位置座標を独立変数とし、該走査
   に従つて前記差動増幅手段で順次得られる傾き値
   を従属係数として、該従属変数を前記独立変数に
   ついて前記第１と第２の方向でそれぞれ独立に積
   分することで、前記被測定面の高さ分布を得る演
   算回路とを有することを特徴とする表面形状測定
   装置。 ２ 前記光学系中にレーザ光源からのレーザ光の
   径を調整するレーザ光径調整手段を配設し、前記
   ビーム分割プリズムに与える反射光径を調整する
   ようにしてなることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の表面形状測定装置。 ３ 前記第１の光検知器対のそれぞれの出力の和
   をとると共に前記第２の光検知器対のそれぞれの
   出力の和をとる和出力検知手段と、該和出力検知
   手段の出力に基づき前記被測定試料上に欠陥を判
   定する欠陥判定手段とを具備することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の表面形状測定装
   置。 ４ 前記光学系の一対の反射ミラーがプリズムで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の表面形状測定装置。 ５ 前記表面形状測定手段の光学系を被加工試料
   近傍に設け、該光学系と光検出器から得られる高
   さ分布出力を基準参照レベルと比較した出力に基
   づいて上記被加工試料の加工具を制御してなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の表面
   形状測定装置。 ６ 前記表面形状測定手段の光学系を被加工試料
   近傍に設け、該光学系と光検出器から得られる高
   さ分布出力を基準参照レベルと比較した出力に基
   づいて上記被加工試料の加工具の交換時期を知ら
   せる警報手段を制御してなることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の表面形状測定装置。