JP2002090134A - 微細形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡易な機構で精度の高い測定が可能な微細形状
測定装置を提供する。 【解決手段】触針107が被測定物Ｗと接触した際に変化
する状態量を検出する状態量検出手段と、触針107ある
いは被測定物Ｗを相対移動させる微動機構11と、この微
動機構11による触針107及び被測定物Ｗ間の相対移動量
を検出する変位検出手段30とを備える。微動機構11は、
被取付部102に取り付けられる微動機構支持体３と、こ
の微動機構支持体３に対して変位するとともに触針107
が取り付けられた駆動用可動部４と、この駆動用可動部
４の動きの反力が微動機構支持体３に伝達されないよう
な駆動用可動部４と逆の動きをするバランス用可動部13
とを有する。微動機構11の駆動用可動部４の動きの反力
は微動機構支持体３に伝達されない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微細形状測定装置に
関し、詳しくは、ＬＳＩ、その他の半導体ウェハ等の表
面形状を精密に測定するための微細形状測定装置に関す
る。

【０００２】

【背景技術】従来より、ＬＳＩ、その他の半導体ウェハ
等の表面形状の精密測定において、被測定物と、この被
測定物表面に接触する触針との間に作用する測定力を所
定値以下に維持することは、極めて重要なニーズとなっ
ている。これは測定力を所定値以下に維持することで、
被測定物及び触針にダメージを与えず、かつ、被測定物
の表面形状を触針の動きに正確に反映できるようになる
からである。そして、このようなニーズに応えるため、
半導体ウェハ等の表面形状の精密測定においては、測定
力を所定値以下に制御する機構を備えた特殊な測定装置
が用いられている。

【０００３】このような測定装置の従来例として図４に
開示される測定装置がある。図４において、この測定装
置１００は、１枚の板材にワイヤ放電加工等によって４
ケ所肉薄部分１０１を形成し、その肉薄部分１０１がヒ
ンジとして働く並行移動型の微動機構が基本構造となっ
ている。ここで、微動機構は、被取付部１０２に取り付
けられた支持体１０２Ａと、支持体１０２Ａに対して平
行移動、図では、上下方向に移動する可動部１０３と、
支持体１０２Ａと可動部１０３との両端部同士を接続す
る連結部１０１Ａとを備えている。

【０００４】駆動用の圧電素子１０４は、支持体１０２
Ａから延びるアクチュエータ固定側取付部１０５と可動
部１０３から伸びるアクチュエータ可動側取付部１０６
との間に設けられている。一方、可動部１０３の一部に
は触針１０７が、その軸心が可動部１０３の移動方向と
一致するように設けられており、被測定物Ｏはその表面
が触針１０７の軸とほぼ垂直になるように設置される。
圧電素子１０４の伸縮は可動部１０３の被取付部１０２
Ａに対する並行運動をもたらし、触針の上下方向の動き
をもたらす。

【０００５】触針１０７の構成が特願平11-27245号に開
示されている。図５はこの触針１０７の概略構成を示
す。図５において、触針１０７の構成は、金属材料で一
体に構成されたスタイラスホルダ３０１と、このスタイ
ラスホルダ３０１にスタイラス取付部３０２を介して設
けられたスタイラス３３１とが主要な構成部品である。
スタイラス３３１は、スタイラス取付部３０２に４カ所
で固定支持されており、またスタイラス３３１の先端３
３１Ａには接触部３３２が形成されている。また、スタ
イラス３３１の上面及び下面には、圧電素子３０３が２
ケ所の固定支持箇所を跨ぐように固定されている。圧電
素子３０３の表面には加振電極３０３Ａと検出電極３０
３Ｂとが形成されており、適当な周波数の駆動電圧を加
振電極３０３Ａに印可するとスタイラス３３１は軸方向
（長手方向）に、２つの固定支持箇所の中央部分を節と
して、また、スタイラス３３１の両端を腹にして共振状
態で振動する。

【０００６】この共振状態において、スタイラス３３１
の接触先端部が被測定物に接触すると共振状態が変化
し、この変化の状態を検出電極の出力より検出すること
ができる。共振状態の変化は、例えば、振幅の変化とな
って現れるので、振幅の変化を観察することにより、接
触球と被測定物間に作用する測定力を求めることが可能
になる。この場合、測定力という状態量を圧電素子３０
３の検出電極３０３Ｂと触針制御回路の検出回路の検出
手段により検出していることになる。以上のように構成
される加振型の触針１０７では、図４で示される通り、
スタイラス３３１の接触部３３２が被測定物の表面と接
触すると接触部３３２に作用する測定力に応じて検出電
極からの信号が変化する。これを検出回路で検出し、圧
電素子１０４等のアクチュエータにフィードバックする
ことにより、触針部に作用する測定力を一定に保つこと
ができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】さて、触針１０７の先
端部が被測定物の表面に倣うように圧電素子１０４は伸
びたり縮んだりするが、このとき圧電素子１０４は、質
量体であるアクチュエータ可動側取付部１０６、可動部
１０３及び触針１０７を動かすため、その慣性力の反力
をアクチュエータ固定側取付部１０５に及ぼす。そのた
め、この反力を受けても弾性変形しないようにアクチュ
エータ固定側取付部１０５を強固に設計する必要が生
じ、さらに、被取付部１０２に支持体１０２Ａを強固に
固定する必要が生じる。本来は不動であるべきアクチュ
エータの支持体１０２Ａが動いてしまうと、可動部１０
３及び触針１０７の動きが相対的に少なくなり、本来の
応答ができなくなる欠点が生じるからである。

【０００８】しかし、アクチュエータ固定側取付部１０
６を頑丈に設計することは、プローブの大型化を招き、
また、支持体１０２Ａの被取付部１０２への強固な固定
は、装置の大型化を招くという不都合がある。また、触
針先端と被測定物の表面の間の距離の大雑把な調整をす
るために、しばしば、プローブの被取付部１０２Ａは粗
動機構の可動部に設けられる。この場合には、剛性の高
い移動機構、概して大型の移動機構を必要とする欠点が
生じる。

【０００９】本発明の目的は、微動機構の反力が被取付
部に伝達されないようにして被取付部を強固に設計する
必要がなく、また、剛性の高い移動機構や大型の移動機
構を必要とせず、簡易な機構で精度の高い測定が可能な
微細形状測定装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の微細形状測定装
置は、触針駆動用可動部の反力が支持体で相殺されるよ
うにバランス用可動部を設置して前記目的を達成しよう
とするものである。具体的には、本願発明の微細形状測
定装置は、被測定物に接触する触針と、この触針が前記
被測定物と接触した際に変化する状態量を検出する状態
量検出手段と、前記触針あるいは前記被測定物を前記被
測定物の表面の高さに応じて相対移動させる微動機構
と、この微動機構による前記触針及び前記被測定物間の
前記相対移動量を検出する変位検出手段とを備え、前記
微動機構は、被取付部に取り付けられる微動機構支持体
と、この微動機構支持体に対して変位するとともに前記
触針が取り付けられた駆動用可動部と、この駆動用可動
部の動きの反力が微動機構支持体に伝達されないような
前記駆動用可動部と逆の動きをするバランス用可動部と
を有し、前記状態量検出手段からの出力信号を前記微動
機構にフィードバックし、前記触針と前記被測定物間の
作用力を調整することを特徴とする。

【００１１】この構成の本発明では、触針が取り付けら
れた駆動用可動部が急激に動こうとするとき、その動き
は、被取付部及び微動機構支持体の質量を動かそうとす
るために、その慣性力の反力を微動機構支持体に受け
る。この際、同時にバランス用可動部が急激に伸び、同
様に微動機構支持体に反力を及ぼす。両者の反力は、同
一となるように調整されているので、微動機構支持体に
おいて反力は相殺され、微動機構の駆動用可動部の動き
の反力は微動機構支持体に伝達されない。従って、本発
明では、微動機構は駆動用可動部と逆の動きをするバラ
ンス用可動部を有する構成であるため、固定部を強固に
設計する必要がなく、また、剛性の高い移動機構や大型
の移動機構を必要としない。また、状態量検出手段から
の出力信号を微動機構にフィードバックし、触針と被測
定物間の作用力を調整するので、簡易な機構で精度の高
い測定が可能になる。

【００１２】ここで、本発明では、前記触針は、その軸
線方向に共振状態で振動する構成が好ましい。一般に、
曲げの固有振動数は、軸方向の固有振動数より低くなる
ので、軸方向に振動する触針は、曲げ振動する触針と比
べて応答性が高くなる。従って、このような応答性の高
い触針の振動状態を、検出手段で検出し、この状態量検
出手段からの情報をもとに微動機構を作動させれば、触
針に作用する測定力をより正確に制御できる。

【００１３】また、前記微動機構は、圧電素子や磁歪素
子等の高速微小変位固体素子を含んで構成されているこ
とが好ましい。この発明によれば、圧電素子として、た
とえば、電歪効果があるＰＺＴ(ジルコンチタン酸鉛)の
薄板を積層して構成すれば、電気的に制御できる微動機
構を容易に構成できる。ここにおいて、高速微小変位固
体素子としては、ＰＺＴ等の圧電素子の他、磁歪素子や
形状記憶素子等であってもよい。

【００１４】さらに、前記微動機構の動作方向は、前記
触針の軸方向に沿っていることが好ましい。この発明に
よれば、微動機構構の動作方向が触針の軸方向に沿って
いるので、触針の軸方向が被測定物表面の高さ方向に沿
った状態で、触針と被測定物とを相対移動させることが
できる。つまり、触針をその軸方向に沿って被測定物表
面に確実に押し当てることができるから、軸方向に共振
状態で振動する触針の振動状態の変化をより正確に状態
量検出手段で検出できる。

【００１５】また、前記触針は、前記微動機構の動作方
向と略直交する方向に延びる弾性カンチレバーを介して
前記微動機構に取り付けられている構成が好ましい。こ
の発明では、触針に作用する測定力により、弾性カンチ
レバーが弾性変形する。この弾性カンチレバーの弾性変
形量をもとに微動機構を作動すれば、触針に作用する測
定力を制御できる。

【００１６】さらに、前記微動機構は、一体切欠き構造
型平行移動機構に組み込まれている構成が好ましい。こ
の構成の発明によれば、数カ所の肉薄部分を１枚の板材
に形成し、この肉薄部分をヒンジとして作用させること
により、簡単な構成の装置でより精度の高い測定が可能
になる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。ここで、各実施形態において、同一
の構成要素に同一の符号を付して説明を省略若しくは簡
略にする。 ［第１実施形態］図１及び図２には、本発明の第１の実
施形態にかかる微細形状測定装置１が示されている。

【００１８】図１において、第１実施形態の微細形状測
定装置１は、ベリリウム銅、ばね用ステンレス、ジュラ
ルミン等の均質な弾性素材から形成された１枚の板材に
ワイヤ放電加工等によって４ケ所肉薄部分１０１を形成
し、その肉薄部分１０１がヒンジとして働く一体切欠き
構造体型平行移動機構１０を有する。この平行移動機構
１０に微動機構１１が組み込まれている。微動機構１１
は、被取付部１０２に取り付けられる略線状の微動機構
支持体３と、この微動機構支持体３に対して変位する略
線状の駆動用可動部４と、これらの支持体３と駆動用可
動部４との端部同士を接続し肉薄部分１０１が形成され
た略線状の連結部５と、支持体３の中心部から連結部５
と平行に延びるアクチュエータ固定側取付部６と、駆動
用可動部４の下端部から支持体３に向かって伸びるアク
チュエータ可動側取付部７とを備えている。

【００１９】アクチュエータ固定側取付部６とアクチュ
エータ可動側取付部７との間には駆動用圧電素子１２が
設けられている。アクチュエータ固定側取付部６には、
この取付部６を挟んで駆動用圧電素子１２と対称となる
位置にバランス用可動部１３が設けられている。このバ
ランス用可動部１３は、アクチュエータ固定側取付部６
に一端が固定されたバランス用圧電素子１４と、このバ
ランス用圧電素子１４の他端部に固定されたバランサ１
５とから構成されている。

【００２０】駆動用可動部４の下端部には前記触針１０
７が固定されている。この触針１０７は図５で示された
構造を備えたもので、その軸線方向（図中、上下方向）
に共振状態で振動する加振型の構造である。触針１０７
の触針部３３２は被測定物Ｗに接触可能である。触針１
０７は圧電素子３０３を備えており、この圧電素子３０
３の表面には加振電極３０３Ａと検出電極３０３Ｂとが
形成されている。ここで、検出電極３０３Ｂは、被測定
物Ｗと接触した際に変化する状態量を検出する状態量検
出手段である。

【００２１】上部の連結部５の上面には図示しない可動
電極が設けられ、この可動電極と対向する位置に変位検
出器１６が配置されている。この変位検出器１６は被取
付部１０２に基端が固定されたアーム１７の先端に固定
されており、可動電極との間の寸法から触針１０７の変
位量を検出する。ここで、可動電極と変位検出器１６と
から変位検出手段３０が構成される。変位検出器１６に
は変位検出回路３１が接続され、この変位検出回路３１
にはデータ処理回路１Ａが接続されている。触針１０７
の圧電素子３０３と駆動用圧電素子１２にはそれぞれ制
御回路１Ｂが接続されている。ここで、駆動用圧電素子
１２、バランス用圧電素子１４及び触針用の圧電素子３
０３は、電歪効果があるＰＺＴ(ジルコンチタン酸鉛)の
薄板を積層して構成される。

【００２２】これらのデータ処理回路１Ａ及び制御回路
１Ｂの構成が図２に示されている。図２において、制御
回路１Ｂは、圧電素子３０３から送られる触針１０７の
信号を制御する触針制御回路１０Ａと、この触針制御回
路１０Ａからの信号を受けて触針１０７に作用する測定
力を調整する測定力制御回路４０Ａと、この測定力制御
回路４０Ａからの信号を受けて微動機構１１の駆動を制
御する微動機構駆動回路５０Ａと、この微動機構駆動回
路５０Ａからの信号を受けてバランス用圧電素子１４を
駆動するバランス用圧電素子駆動回路６０Ａとから構成
される。

【００２３】触針制御回路１０Ａは加振回路１７Ａと検
出回路１８Ａとを備え、加振回路１７Ａから加振電極３
０３Ａに所定の信号が送られると、触針１０７がその軸
方向に共振状態で振動する。触針１０７の接触部３３２
が被測定物Ｗに接触すると、共振状態が変化し、この変
化が検出電極３０３Ｂで検出され、この信号が触針制御
回路１０Ａの検出回路１８Ａを介して測定力制御回路４
０Ａに送られる。測定力制御回路４０Ａは、触針制御回
路１０Ａの検出回路１８Ａから送られる検出信号を受
け、微動機構駆動回路５０Ａを介して、微動機構１１の
作動を制御するものである。

【００２４】検出回路１８Ａでは、検出電極３０３Ｂで
検出される共振状態の変化が振幅変化に対応する信号と
して測定力制御回路４０Ａに出力され、測定力制御回路
４０Ａでは、予め設定された測定力制御回路４０Ａに対
応する信号値と検出回路１８Ａからの出力信号との差が
演算され、必要に応じて演算された微分値や積分値とと
もに微動機構駆動回路５０Ａに送られる。このような測
定力制御回路４０Ａは、触針１０７に実際にかかる測定
力が所定値より大きくなると、駆動用可動部４の下端面
を被測定物Ｗから離間させるように微動機構駆動回路５
０Ａに信号を送る。一方、触針１０７に実際にかかる測
定力が所定値より小さくなると、駆動用可動部４の下端
面を被測定物Ｗに接近させて触針１０７を被測定物Ｗに
押圧するように微動機構駆動回路５０Ａに信号を送る。

【００２５】このような微細形状測定装置１では、触針
１０７を被測定物Ｗの表面に所定の測定力で接触させる
とともに、当該表面に沿って触針１０７を移動させるこ
とで測定作業が行われる。触針１０７を軸方向に共振状
態で振動させた状態で、触針１０７の接触部３３２を被
測定物Ｗの表面に接触させながら、触針１０７と被測定
物Ｗとを水平方向（被測定物Ｗ表面の高さ方向と直交す
る方向）へ相対移動させる。すると、被測定物Ｗ表面の
凹凸形状により、被測定物Ｗ表面と駆動用可動部４の下
端面との距離が変化し、これにより被測定物Ｗ及び触針
１０７間に作用する測定力が変化する。

【００２６】測定力が変化すると、触針１０７の振動状
態が変化するから、この触針１０７の振動状態を検出電
極３０３Ｂで検出し、この信号が検出回路１８Ａを介し
て測定力制御回路４０Ａに伝達される。この検出回路１
８Ａからの情報をもとに測定力制御回路４０Ａで演算が
行われ、この演算結果が微動機構駆動回路５０Ａに伝達
されて、各駆動回路５０Ａが微動機構１１を駆動させ
る。これにより、触針１０７の振動状態の変化をもと
に、被測定物Ｗ表面と駆動用可動部４の下端面との距離
を調整でき、被測定物Ｗ及び接触部３３２間に作用する
測定力を所定値に維持できるようになる。

【００２７】一方、変位検出回路３１から触針１０７の
上下方向への移動量が検出され、この情報をもとにデー
タ処理回路１Ａで被測定物Ｗの断面形状が算出される。
加振型触針１０７は、触針制御回路の加振回路１７Ａか
ら発せられる信号が加振電極３０３Ａに印可されて触針
１０７は共振振動状態になる。また、この振動状態は、
測定力に応じて変化するが、検出電極３０３Ｂで検出さ
れて触針制御回路１０Ａの検出回路１８Ａに伝達され、
測定力制御回路４０Ａに伝達される。ここで、測定力に
関する触針１０７の力学的なモデルに応じて微分や積分
等の処理が施され、微動機構駆動回路５０Ａに送られ、
駆動用圧電素子１２を駆動する。また同時にバランス用
圧電素子駆動回路６０Ａを介してバランス用圧電素子１
４を駆動する。

【００２８】さて、加振型触針１０７の先端が被測定物
Ｗの表面に追従しようとして駆動用圧電素子１２が急激
に伸びる場合を想定すると、その動きは触針１０７、可
動部４及びアクチュエータ可動側取付部７の質量を動か
そうとするため、その慣性力の反力がアクチュエータ固
定側取付部６で受ける。しかし、同時にバランス用圧電
素子１４が急激に伸び、同様にアクチュエータ固定側取
付部６に反力を及ぼす。両者の反力は同一となるよう
に、バランサ１５の質力及びバランス用圧電素子駆動回
路６０Ａのゲインは決められているので、アクチュエー
タ固定側取付部６において反力は相殺される。

【００２９】そのため、アクチュエータ固定側取付部６
を特に頑強に設計しなくても弾性変形することなく、ま
た、被取付部１０２にも反力が及ばないので、被取付部
１０２を頑強に固定する必要がなくなり、プローブの大
型化を招かない。このような制御系により触針１０７の
先端と被測定物W間の接触力は、一定に保持される。ま
た、被取付部１０２と触針１０７と間の変位は、変位検
出回路３１により検出されて、データ処理回路１Ａで、
触針１０７と被測定物Ｗと間のＸ軸、Ｙ軸方向の相殺位
置データとともに演算されて、被測定物Ｗの表面形状を
算出する。

【００３０】このような構成の本実施形態によれば、次
のような効果がある。 （１）この実施形態によれば、微細形状測定装置の微動
機構１１は、駆動用可動部４と逆の動きをするバランス
用可動部１３が設けられているため、駆動用可動部４が
急激に動こうとするとき、その動きは、駆動用可動部４
及び微動機構支持体３の質量を動かそうとするために、
その慣性力の反力を微動機構支持体３に受ける。しか
し、同時にバランス用可動部１３が急激に伸び、同様に
微動機構支持体３に反力を及ぼす。両者の反力は、同一
となるように調整されているので、微動機構支持体３に
おいて反力は相殺される。つまり、微動機構１１の駆動
用可動部４の動きの反力は微動機構支持体３に伝達され
ない。そのため、被取付部１０２を強固に設計する必要
がなく、また、剛性の高い移動機構や大型の移動機構を
必要としない。しかも、状態量検出手段としての検出電
極３０３Ｂからの出力信号を触針１０７に作用する測定
力を調整する測定力制御回路４０Ａを介して微動機構１
１にフィードバックし、触針１０７と被測定物Ｗ間の作
用力を調整するので、簡易な機構で精度の高い測定が可
能になる。

【００３１】（２）一般に、曲げの固有振動数は、軸方
向の固有振動数より低くなるので、軸方向に振動する触
針１０７は、曲げ振動する触針１０７と比べて応答性が
高くなる。従って、このような応答性の高い触針１０７
の振動状態を、検出電極３０３Ｂで検出し、こ検出電極
３０３Ｂからの情報をもとに微動機構１１を作動させれ
ば、触針１０７に作用する測定力をより正確に制御でき
る。 （３）本実施形態では、圧電素子として、たとえば、電
歪効果があるＰＺＴ(ジルコンチタン酸鉛)の薄板を積層
する構成を採用したので、電気的に制御できる微動機構
１１を容易に構成できる。

【００３２】（４）微動機構１１の動作方向が触針１０
７の軸方向に沿っている構成としたから、触針１０７の
軸方向が被測定物Ｗの表面の高さに応じて、触針１０７
と被測定物Ｗとを相対移動させることができる。つま
り、触針１０７をその軸方向に沿って被測定物Ｗの表面
に確実に押し当てることができるから、軸方向に共振状
態で振動する触針１０７の振動状態の変化をより正確に
検出電極３０３Ｂで検出できる。 （５）微動機構１１は、一体切欠き構造型平行移動機構
に組み込まれている構成としたので、数カ所の肉薄部分
１０１を１枚の板材に形成し、この肉薄部分１０１をヒ
ンジとして作用させることにより、簡単な構成の装置で
より精度の高い測定が可能になる。

【００３３】［第２実施形態］図３には、第２の実施形
態にかかる微細形状測定装置２が示されている。図３に
おいて、第２実施形態の微細形状測定装置２は、触針１
０７と、触針１０７と被測定物Ｗとを被測定物の表面の
高さ方向へ相対移動させる微動機構２１と、この微動機
構２１による触針１０７及び被測定物Ｗ間の相対移動量
を検出する変位検出手段３０と、触針１０７に作用する
測定力を調整する制御回路１Ｂとを備えた構成である。

【００３４】微動機構２１は、触針１０７を駆動する駆
動用圧電素子１２と、この駆動用圧電素子１２の反力が
粗動用可動部に伝達されないように駆動用圧電素子１２
と逆の動きをするバランス用可動部１３とを有する。粗
動機構支持体２３と粗動用可動部２４とは上下２本のロ
ッド状の連結部２５で連結されており、これらの連結部
には回動軸２２が設けられている。そのため、これらの
粗動機構支持体２３、粗動用可動部２４及び連結部２５
から平行リンク機構が構成される。

【００３５】粗動用可動部２４の下端部にはアクチュエ
ータ固定側取付部２６が水平に延びて取り付けられてい
る。このアクチュエータ固定側取付部２６の下部には駆
動用圧電素子１２が設けられ、この取付部２６を挟んで
駆動用圧電素子１２と対称となる位置にバランス用可動
部１３が設けられている。このバランス用可動部１３
は、アクチュエータ固定側取付部２６に一端が固定され
たバランス用圧電素子１４と、このバランス用圧電素子
１４の他端部に固定されたバランサ１５とから構成され
ている。

【００３６】駆動用圧電素子１２の下端部には弾性カン
チレバー７０の基端が固定され、この弾性カンチレバー
７０は、微動機構２１の動作方向と略直交する方向（水
平方向）に延びるとともに、その先端側下面には、被測
定物Ｗの表面に対向する触針１０７が設けられている。
アクチュエータ固定側取付部２６の先端部には、変位検
出手段３０が設けられている。この変位検出手段３０
は、アクチュエータ固定側取付部２６に固定された変位
検出器１６と、触針１０７に対応する弾性カンチレバー
７０の位置に設けられた可動電極とを備え、触針１０７
の変位を弾性カンチレバー７０を介して検出する構成で
ある。変位検出器１６で検出された信号は第１実施形態
と同様に、変位検出回路３１を介してデータ処理回路１
Ａに送られる。

【００３７】粗動用可動部２４の上端には、ばね７１を
介してマイクロメータヘッド７２が配置され、このマイ
クロメータヘッド７２は、粗動機構支持体２３から突出
形成されたブラケット２３Ａに固定されている。このマ
イクロメータヘッド７２は、ばね７１を介して粗動用可
動部２４を進退させることで、微動機構２１及び触針１
０７の上下方向の位置決めをするものである。ここで、
触針１０７の圧電素子３０３（図１，２参照）からの信
号は前記制御回路１Ｂに送られ、この制御回路１Ｂから
の信号が駆動用圧電素子１２及びバランス用圧電素子１
４に送られる。

【００３８】第２実施形態の制御回路１Ｂは、図２に示
される制御回路１Ｂと同じ構成である。つまり、触針制
御回路１０Ａの加振回路１７Ａから触針１０７の加振電
極３０３Ａに所定の信号が送られると、触針１０７がそ
の軸方向に共振状態で振動する。触針１０７の接触部３
３２が被測定物Ｗに接触すると、共振状態が変化し、こ
の変化が状態量検出手段である検出電極３０３Ｂで検出
され、この信号が触針制御回路１０Ａの検出回路１８Ａ
を介して測定力制御回路４０Ａに送られる。測定力制御
回路４０Ａは、触針制御回路１０Ａの検出回路１８Ａか
ら送られる検出信号を受けて、微動機構駆動回路５０Ａ
を介して、微動機構２１の作動を制御するものである。

【００３９】検出回路１８Ａでは、検出電極３０３Ｂで
検出される共振状態の変化が振幅変化に対応する信号と
して測定力制御回路４０Ａに出力され、測定力制御回路
４０Ａでは、予め設定された測定力制御回路４０Ａに対
応する信号値と検出回路１８Ａからの出力信号との差が
演算され、必要に応じて演算された微分値や積分値とと
もに微動機構駆動回路５０Ａに送られる。このような測
定力制御回路４０Ａは、触針１０７に実際にかかる測定
力が所定値より大きくなると、駆動用可動部の下端面を
被測定物Ｗから離間させるように微動機構駆動回路５０
Ａに信号を送る。一方、触針１０７に実際にかかる測定
力が所定値より小さくなると、粗動用可動部２４の下端
面を被測定物Ｗに接近させて触針１０７を被測定物Ｗに
押圧するように微動機構駆動回路５０Ａに信号を送る。

【００４０】実際の使用時の動作を説明する。まず、マ
イクロメータヘッド７２を回転させ微動機構２１を介し
て触針１０７の先端が被測定物Ｗの表面に軽く接するよ
うに調整する。次に、制御回路１Ｂを動作させて、触針
１０７と被測定物Ｗの間の測定力が所定の値となるよう
にする。この状態で触針１０７と被測定物Ｗを相対的に
左右方向に移動させ（この移動機構は図示されていな
い）つつ、変位検出器１６の出力変化より、被測定物Ｗ
の表面形状を求める。

【００４１】前述のような第２実施形態によれば、第１
実施形態の（１）から（４）の作用効果に加えて次のよ
うな効果がある。 （６）微動機構２１及び触針１０７はマイクロメータヘ
ッド７２によって上下方向に進退自在とされているの
で、被測定物Ｗに対する触針１０７の大まかな位置決め
をマイクロメータヘッド７２で行うことができる。 （７）粗動用可動部２４とマイクロメータヘッド７２と
の間にはばね７１が介装されているため、このばね７１
で微動機構２１が下方に押下られる。そのため、駆動用
圧電素子１２の動きの反力が微動機構２１全体を動かす
ことがあっても、バランス用圧電素子１４とともにばね
７１により、その反力を吸収することができるので、簡
易な構造により安定した測定が可能になる。 （８）触針１０７は、微動機構２１の動作方向と略直交
する方向に延びる弾性カンチレバー７０を介して微動機
構２１に取り付けられているので、触針１０７に作用す
る測定力により、弾性カンチレバー７０が弾性変形す
る。この弾性カンチレバー７０の弾性変形量をもとに微
動機構２１を作動すれば、触針１０７に作用する測定力
を制御できる。

【００４２】なお、本発明発明は、前各実施形態に限定
されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲で
の変形、改良は本発明に含まれるものである。第１及び
第２実施形態では、微動機構１１，２１における駆動用
のアクチュエータとして圧電素子を使用する例で説明し
たが、本発明では、これに限定されるものではなく、可
動コイル型の電磁アクチュエータであっても、可動磁石
型や可動鉄片の電磁アクチュエータであっても、磁歪素
子や形状記憶素子等の高速微小変位固体素子であっても
よい。

【００４３】さらに、前記各実施形態では、触針１０７
を被測定物Ｗに対して移動させていたが、被測定物を触
針に対して移動させてもよく、要するに触針と被測定物
とを相対移動させて、測定力を制御すればよい。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、微動機
構に触針を高速・微細に動かすアクチュエータとは別に
バランス用の高速・微細動作アクチュエータを対称に配
置したので、微動機構の動きの反力がその固定部に全く
伝達されないため、剛性の高い移動機構や大型の移動機
鉱を必要とせずに、簡易な機構で精度の高い測定が可能
になる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかる微細形状測定装
置を示す概略構成図である。

【図２】第１実施形態に係る微細形状測定装置の回路を
示すブロック図である。

【図３】本発明の第２実施形態にかかる微細形状測定装
置を示す概略構成図である。

【図４】従来技術の一体切欠き構造型平行移動機構の概
略構成図である。

【図５】従来技術の加振型触針の構成を示す概略構成図
である。

【符号の説明】

１，２ 微細形状測定装置 ３，23 微動機構支持体 ４，24 駆動用可動部 １０ 一体切欠き構造型平行移動機構 11,21 微動機構 １２ 駆動用圧電素子 １３ バランス用可動部 １４ バランス用圧電素子 １５ バランサ ３０ 変位検出手段 ４０Ａ 測定力制御回路 ７０ 弾性カンチレバー １０７ 触針 303B 状態量検出手段（検出電極） Ｗ 被測定物

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に接触する触針と、この触針が
   前記被測定物と接触した際に変化する状態量を検出する
   状態量検出手段と、前記触針あるいは前記被測定物を前
   記被測定物の表面の高さ方向に応じて相対移動させる微
   動機構と、この微動機構による前記触針及び前記被測定
   物間の前記相対移動量を検出する変位検出手段とを備
   え、 前記微動機構は、被取付部に取り付けられる微動機構支
   持体と、この微動機構支持体に対して変位するとともに
   前記触針が取り付けられた駆動用可動部と、この駆動用
   可動部の動きの反力が微動機構支持体に伝達されないよ
   うな前記駆動用可動部と逆の動きをするバランス用可動
   部とを有し、 前記状態量検出手段からの出力信号を前記微動機構にフ
   ィードバックし、前記触針と前記被測定物間の作用力を
   調整することを特徴とする微細形状測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の微細形状測定装置にお
   いて、 前記触針は、その軸線方向に共振状態で振動することを
   特徴とする微細形状測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の微細形状測定装
   置において、 前記微動機構は、圧電素子、磁歪素子等の高速微小変位
   固体素子を含んで構成されたことを特徴とする微細形状
   測定装置。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれかに記載の微細
   形状測定装置において、 前記微動機構の動作方向は、前記触針の軸方向に沿って
   いることを特徴とする微細形状測定装置。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれかに記載の微細
   形状測定装置において、 前記触針は、前記微動機構の動作方向と略直交する方向
   に延びる弾性カンチレバーを介して前記微動機構に取り
   付けられていることを特徴とする微細形状測定装置。
6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれかに記載の微細
   形状測定装置において、 前記微動機構は、一体切欠き構造型平行移動機構に組み
   込まれていることを特徴とする微細形状測定装置。