JPH0424501A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高分解能で物体の表面形状を測定する装置に関
するものである。

［従来の技術］ 従来、この種の原子開力顕微鏡等の光学顕微鏡による形
状測定装置としては、特開昭６２−１３０３０２公報に
記載されているものがあり、これを第５図に示す。この
従来の形状測定装置においては、尖点５を片持ちはり７
により支持し、試料４の面が尖点５に近付（ことにより
片持ちはり７は原子間力が働き微少量たわむ。このたわ
み量をトンネリングチップ８で検出し、たわみ量が一定
になるようにＸＹＺ駆動装置３を制御する。さらに、こ
のＸＹＺ駆動装置３は試料４の面内を走査する働きを有
する。これらＸＹＺ方向の駆動量の変化は試料４の面形
状を表し、従ってこれに基づいて面形状を測定する。ま
た従来技術の上記公報の実施例においては、ＸＹＺ駆動
装置３を片持ちはり７の固有振動数でＺ方向に振動させ
、試料４の面が近付くことによる固有振動の位相の変化
を用いてＸＹＺ駆動装置３を制御することも示している
。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術においては （１）片持ちはりのたわみ量をトネンルチップで検出し
ているため、試料と片持ちはりとの間に働く原子間力に
加え、片持ちはりとトネンルチップとの間の原子間力も
働き、正確な試料と片持ちはりとの間の力を検出するこ
とができない。

（２）片持ちはりとトンネルチップとの間隔は、約ｌｎ
ｍまで近付ける必要があり、従ってその調整が困難であ
る。

〔３〕片持ちはりの自由端部の働きだけでたわみ量を検
出しているため固定端部の変動がたわみ量検出に影響し
、この周辺の機械的変動が測定精度に大きく影響するよ
うになる。

本発明は上述した欠点を除去し、外部からの力や変動に
影響されることなく正確に片持ちはりのたわみ量を検出
するようにした高精度な形状測定本発明は自由端に尖部
をもつ片持ちはりと、この尖部と試料面とを接近させ試
料面を走査する走査機構部とを有し、前記尖部と前記試
料面とを接近させたときに生ずる前記片持ちはりのたわ
み量により形状を測定する装置において、互いに異なる
２周波数を有する光源と、この２周波数の一方の周波数
の光を前記片持ちはりの自由端部、他方の周波数の光を
固定端部に投射し、その反射光を合成する光学部と、合
成された光のビート光を検出する測定ビート検出部と、
前記光源の２周波数によるビート信号を検出する基本ビ
ート検出部と、この基本ビート検出部および前記測定ビ
ート検出部によるビート信号の位相差を計測する位相差
計と、前記走査機構部を制御し前期位相差を一定量に制
御する制御部と、前記走査機構部の位置情報を試料面の
形状とし出力する出力部とを具えることを特徴とする。

第１図に本発明形状測定装置の概念図を示す。

２周波数を有する光の光源６によってにょって少しずつ
異なる周波数ｆ１および［２から成るコヒーレント光を
出力する。このｆｌおよびｆ２の周波数の光によりヘテ
ロゲイン干渉測長を行う。周波数ｆ１、ｆ２の光はその
干渉によって発生するビート信号を検出するために基本
ビート検出部２に入力される。検出された基本ビート信
号は位相差計１０に入力する。基本ビート検出部から出
た周波数ｆ６、ｆ２を有する光は第１の光学部１２によ
りそれぞれ周波数ｆ１、ｆ２の光に分岐され周波数ｆ、
の光は片持ちはり７の自由端部に投射され反射する。

他方の周波数ｆ２の光は第２の光学部１３により片持ち
はり７の固定端部へ投射され反射する。反射した２つの
周波数ｆ１゛、ｆ２゛の光は第１の光学部１２により合
成され、測定ビート検出部９に入射する。測定ビート検
出部９は片持ちはり７の自由端部と固定端部とのそれぞ
れより反射した光ｆ１　、ｆ２の干渉によって発生する
測定ビート信号を検出する。この測定ビート信号は片持
ちはり７がたわむことによる光ｆ１の光路長と光ｆ２の
光路長の変化に応じて位相が変化する。この測定ビート
信号は位相差計１０に入力され、これにより前記基本ビ
ート信号との位相差を検出する。片持ちはり７は固定端
保持部１４で保持され、さらに片持ちはり７の自由端部
には試料４の表面から力を受ける尖点５を構成する。試
料４が尖点５に近付くことによる力によって片持ちはり
７はたわむ。このたわみ量は前記位相差計１０の出力と
比例しており、位相差計１０の出力が一定になるように
制御部１１でＸＹＺ駆動装置３を制御することにより、
試料４と尖点５との間に働く力を一定とすることができ
る。

この力を一定にしたままＸＹＺ駆動装置３により試料４
の面上を走査する。これら３方向の制御情報をＸＹＺ駆
動装置３の位置情報として走査面の面形状を出力部１５
に出力する。

［実施例］ 本発明形状測定装置の第１実施例を第２図に示す。

ゼーマンレーザあるいは音響光学素子による周波数シフ
タを用いレーザ光で構成された２周波数の光を有する光
源６により互いに９０°偏波面が異なる直線偏光された
周波数ｆ１、ｆ２の光が出力される。ｆｌ、ｆ２は少し
づづ異なる周波数の光を表わす。光ｆＩ、ｆ２はビーム
スプリッタ１６により分岐され偏光方向が４５°傾いた
直線偏光子１７に入射し、その光を基本ビート受光素子
１８で受光する。

ビームスプリッタ１６はハーフプリズム等で構成でき、
直線偏光子１７はダラムトムソンプリズム、ダイクロツ
タ偏光板、偏光プリズムなどで構成することができる。

基本ビート受光素子１８はＰｉｎ　（ビン）ホトダイオ
ードなとで構成する。ビームスプリッタ１６で分岐され
た他方の光は、偏光ビームスプリッタ１９に入射し、光
の偏光方向により周波数ｆ、およびｆ２の光に分岐され
るようにする。透過した光ｆ１はλ／４波長板２０を通
り、片持ちはり７の自由端部で反射し、再びλ／４波長
板２０に入り、その光は偏光ビームスプリッタ１９で反
射し、直線偏光子２３を経て測定ビームスプリッタ受光
素子２４で受光される。一方偏光ビームスブリッタ１９
で反射した光ｆ２はミラー２２で偏向され、片持ちはり
７の固定端部で反射され、ミラー２２およびλ／４波長
板２１を再び通り偏光ビームスプリッタ１９で透過され
、直線偏光子２３を経て測定ビート受光素子２４に入射
する。片持ちはり７は金、銅、タングステン、鉄など弾
性を有する物質で構成し、その一端を固定端保持部１４
で固定し、他端に試料方向に尖った尖点５を構成する。

尖点は、金属或はダイヤモンドなどの非金属を加工し先
端を尖鋭にして構成する。試料４は尖点５と対向して配
置され、Ｚ駆動装置２５、Ｙ駆動装置２６、Ｘ駆動装置
２７でＸ１Ｙ、Ｚの３方向に可動自在とする。このＸ、
Ｙ。

Ｚ駆動装置は制御部１１で制御され、その制御量は出力
部１５に入力されるようにする。基本ビート受光素子１
８及び測定ビート受光素子２４の出力はそれぞれ位相差
計１０に入力され、位相差計１０の出力は制御部１１に
入力される。Ｘ駆動装置２７、Ｙ駆動装置２６、Ｚ駆動
装置２５はピエゾ素子で構成した微動機構で構成する。

制御部１１は簡単な電気素子で構成できる。

（作用） 周波数ｆ１、ｆ２の互いに９０°偏波面か異なる直線偏
光された光が２周波数を有する光源６より出力され、こ
の光を基本ビート検出光と測定ビート検出光とに分割す
るためにビームスプリンタ１６に入射する。基本ビート
検出光は基本ビート受光素子１８上で周波数ｆ１および
ｆ２の干渉によるビート光を得るため直線偏光子１７を
構成し、その強度変化を光電変換する基本ビート受光素
子１８で受光する。測定ビート検出光は互いに９０°偏
波面が異なることを利用し、偏光ビームスプリッタ１９
によりｆｌの周波数を持つ光とｆ２の周波数を持つ光と
に分割する。かように分割された光は片持ちはり７の自
由端部と固定端部とにそれぞれ投射する。ミラー２２は
このために用いる。λ／４波長板２０は偏光ビームスプ
リッタ１９で透過した光ｆ、と、自由端部で反射し再び
偏光ビームスプリッタ１９に入射する光ｆ、−との偏波
面を９０°回転することにある。

これにより、光ｆ１は偏光ビームスプリンタ１９で反射
されて直線偏光子２３に入射する。λ／４波長板２０は
直線偏光の光［１を円偏光にし、自由端部で反射してき
た光ｆ１゛を、再び偏波面が９０°回転された直線偏光
に光ｆ２にしている。λ／４波長板２１はλ／４波長板
２０と同様に機能し、片持ちはり７の固定端部で反射し
た光ｆ２″を直線偏光子２３に導く働きをする。直線偏
光子２３と測定ビート受光素子２４とは直線偏光子１７
および基本ビート受光素子１８と同様な働きをし、測定
ビート信号を検出する。

位相差計１０、制御部１１および出力部１５は概念図で
示した作用と同様である。Ｘ駆動装置２７、Ｙ駆動装置
２６、Ｚ駆動装置２５は概念図に示したＸＹＺ駆動装置
と対応しており、Ｚ駆動装置２５で試料４と尖点５との
間に働く力を一定にするように動作させる。

（効果） かように本実施例では、片持ちはり７上に投射する光の
スポット位置の間隔を簡単に変えることかでき、従って
装置を安価に構成することができる。

次に、本発明形状測定装置の第２実施例を第３図に示す
。

本例では、２周波数の光を有する光源６から出力される
周波数ｆ１、ｆ２の光はビーム拡大器２８で拡大されて
ビームスプリッタ２９に入射する。ビーム拡大器２８は
ビームエクスパンダ−として市販されているもので凹凸
レンズで簡単に構成することができる。ビームスプリッ
タ２９では入射光を分岐し、その一方の光は直線偏光子
１７へ、他方の光はウォラストンプリズム３０に入射さ
せる。ウォラストンプリズム３０では、偏波面の９０°
異なる周波数ｆ１、ｆ２の光をそれぞれ、ウォラストン
プリズムの持つ分離角度により２つの光に分離し、集光
レンズ３１を通し、それぞれ片持ちはり７の自由端部及
び固定端部に集光させる。それぞれ反射した光ｆ１゛、
ｆ２゛は集光レンズを通りウォラストンプリズム３０で
再び合成され、ビームスプリッタ２９により直線偏光子
２３に導かれる。上述した所以外の構成は第１実施例に
につき説明した所と同様であるので、その詳細な説明は
省略する。

（作用） 本例では、２周波数の光を有する光源６から出力される
光ｆｌｆ２はビーム径が小さいためビーム拡大器２８で
拡大する。拡大された光は分岐して、基本ビートを検出
する直線偏光子１７と、測定ビートを検出するウォラス
トンプリズム３０とに入射させるようにする。ウォラス
トンプリズム３０に入射した光は偏波面の９０°異なる
光ｆ１、ｆ２にそれぞれあらかじめウォラストンプリズ
ム３０で定めた角度で分離させる。この分離された光ｆ
１、ｆ２は集光レンズ３１により分離角と集光レンズの
焦点距離で定まる位置にそれぞれ集光される。この２つ
の集光位置は片持ちはり７のたわみを検出するためその
自由端部と固定端部とにそれぞれ集光させるよう分離角
と、集光レンズの焦点距離とを選択する。その反射光を
集光レンズでウォラストンプリズム３０に導く。反射光
ｆ、−１ｆ２−はウォラストンプリズム３０に対し分離
角と同一角度で入射されることにより光ｆ、−とｆ２−
とは合成され、ビームスプリッタ２９で偏光され、直線
偏光子２３、測定ビート受光素子２４で測定ビート信号
を得るようにする。上述した所以外の作用は第１実施例
につき説明した所と同様であるため、その詳細な説明は
省略する。

（効果） 本例によれば、片持ちはり７への投射機構が簡潔所とな
り、振動、熱変動などの影響を受けにくくなる。また光
ｆ１、ｆ２の共通光路が多くなったことにより、光のゆ
らぎなど影響がより少なくなる。

次に、本発明形状測定装置の第３実施例を第４図に示す
。

本例では、ビーム拡大器２８により拡大された光はビー
ムスプリッタ４３で分岐する。その反射光は偏光子３６
に入りミラー３３で偏向され、再びビームスプリッタ４
３に入射して透過され、直線偏光子３４に入射し受光素
子２９に到達する。ミラー３３はコーナキューブ等で構
成することができる。一方、ビームスプリッタ４３を透
過した光はビームスプリッタ２９に片持ちはり７で反射
し周波数ｆ、−１ｆ２−の光として偏光子３５に入射す
る。この光はビームスプリッタ４３で反射され、直線偏
光子３４に入り受光素子３７に到達する。ここで受光さ
れたビート信号は基本ビート信号とともに位相計３２に
入射し、その出力を出力部Ｉ５で表示する。直線偏光子
３４、偏光子３５および偏光子３６は直線偏光子２３と
同様なもので構成することができる。測定ビート受光素
子２４、直線偏光子２３、ビームスプリンタ２９、直線
偏光子１７、基本ビート受光素子１８、ウォラストンプ
リズム３０、集光レンズ３１、Ｚ微動装置４０をヘース
３８に固定してＺ粗動装置３９で可動可能に構成する。

Ｚ微動装置４０およびＺ粗動装置３９は制御部１１によ
り制御し得るようにする。Ｘ位置検出器４１およびＹ位
置検出器４２はそれぞれＸ駆動装置２７およびＹ駆動装
置２６の動き量を検出できるように構成され、これらの
出力は出力部１５に入力する。Ｚ微動装置はピエゾ素子
で構成することができ、Ｚ粗動装置はりニアモータなど
により構成する。

（作用） 本発明では、試料４の面上の数１００μｍ以上の大きな
凹凸を高速で走査するため、Ｚ微動装置４０とＺ粗動装
置３９とにより、片持ちはり７と試料４との間に働く力
が一定となるよう制御部１１で制御する。Ｚ微動装置は
数ＫＨｚ以上の動作を行うために片持ちはりだけを固定
する。従って、全体はＺ粗動装置３９で駆動する。Ｚ微
動とＺ粗動による片持ちはり７の自由端部の動き量を検
出するためビーム拡大器２８からの光はビームスプリッ
タ４３を透過し自由端部へ投射する。この反射光ｆ２−
は再びビームスプリッタ４３に戻って反射し直線偏光子
３４に入射させる。偏光子３５は片持ちはり７で反射し
た光ｆ、−ｆ２−の光の成分のうち、自由端部からの反
射光ｆ１゛を択一的に選択するものである。これと同時
にビームスプリッタ４３で反射し偏光子３６へ入射した
光ｆ１、ｆ２は偏光子３６で光ｆ１を択一的に選択され
、ミラー３３で変向され、ビームスプリッタ４３を透過
し、直線偏光子３４に入射する。この周波数ｆ、の光は
常に一定の光路長であり、片持ちはり７の自由端部５か
らの光ｆ２−と合成され、ビート光として受光素子３７
で受光され、これにより自由端部５の位置変化に対応し
た位相の変化が生せしめることかできる。この位相変化
を基本ビート信号との位相差として位相差計により検出
することによって自由端部５の動き量を検出することが
できる。直線偏光子３４は直線偏光子２３と同様光ｆ１
およびｆ２′の干渉によるビート信号を得るために用い
る。出力部１１は自由端部５の動き量及びＸ駆動装置の
動き量を検出するために取付けられたＸ位置検出器４１
からの信号と、Ｙ駆動装置の動き量を検出するために取
り付けられたＹ位置検出器４２の出力とにより試料４の
面形状を出力することができる。

（効果） 本例によれば、片持ちはり７を直接制御するため高速走
査か可能になり、Ｚ粗動装置と併用することにより大き
な凹凸をもつ試料を測定することかできる。従って、ヒ
ステリシスなとの機械誤差を有する制御部からの制御情
報によらず、直接試料及び片持ちはり７の動きを測定す
ることにより正確な面形状を出力することかできる。

［発明の効果］ 上述したように、本発明によれば、片持ちはり保持部の
動きに影響されずたわみ量を検出し、余分な外力を片持
ちはりに与えることなく高精度に面形状を測定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明形状測定装置の概念を示す説明図、 第２図は本発明形状測定装置の第１実施例の構成を示す
説明図、 第３図は本発明形状測定装置の第２実施例の構成を示す
説明図、 第４図は本発明形状測定装置の第３実施例の構成を示す
説明図、 第５図は従来の形状測定装置の構成を示す説明図である
。 ２　・・・　基本ビート検出部 ３　・・・　ＸＹＺ駆動装置 ４　・・・　試料 尖点 ２周波数の光を有する光源 片持ちはり トンネリングチンプ 測定ビート検出部 位相差計 制御部 第１の光学部 第２の光学部 固定端保持部 出力部 ビームスプリッタ 直線偏光子 基本ビート受光素子 偏光ビームスプリンタ λ／４波長板 λ／４波長板 ミラー 直線偏光子 測定ビート受光素子 Ｘ駆動装置 Ｙ駆動装置 Ｘ駆動装置 ビーム拡大器 ビームスプリンタ ウォラストンプリズム 集光レンズ 位相差計 ミラー 直線偏光子 偏光子 偏光子 受光素子 ヘース Ｚ粗動装置 Ｚ微動装置 Ｘ位置検出器 Ｙ位置検出器 ビームスプリンタ 第２図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）自由端に尖部をもつ片持ちはりと、この尖部と試
   料面とを接近させ試料面を走査する走査機構部とを有し
   、前記尖部と前記試料面とを接近させたときに生ずる前
   記片持ちはりのたわみ量により形状を測定する装置にお
   いて、互いに異なる２周波数を有する光源と、この２周
   波数の一方の周波数の光を前記片持ちはりの自由端部、
   他方の周波数の光を固定端部に投射し、その反射光を合
   成する光学部と、合成された光のビート光を検出する測
   定ビート検出部と、前記光源の２周波数によるビート信
   号を検出する基本ビート検出部と、この基本ビート検出
   部および前記測定ビート検出部によるビート信号の位相
   差を計測する位相差計と、前記走査機構部を制御し前期
   位相差を一定量に制御する制御部と、前記走査機構部の
   位置情報を試料面の形状とし出力する出力部とを具える
   ことを特徴とする形状測定装置。