JP2006132971A

JP2006132971A - 表面性状測定装置

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Publication number: JP2006132971A
Application number: JP2004319388A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Hidaka; 和彦日高
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-05-25
Anticipated expiration: 2024-11-02
Also published as: US20060109480A1; CN1769837A; EP1653477B1; CN100501322C; JP4423168B2; EP1653477A2; EP1653477A3; US7319528B2

Abstract

【課題】高精度な校正が行える表面性状測定装置を提供すること。
【解決手段】レーザ光が照射された際先端部に近接場光を形成する近接場探針３３、近接場探針に照射されるレーザ光を発生するレーザ光源３５と、近接場探針と被測定物１とが近接した際に生じる近接場光の散乱効果を検出するフォトン検出器３８と、近接場探針と被測定物とを接近離間する方向へ変位させるアクチュエータ３２とを有する近接場測定手段３０を備えた表面性状測定装置において、レーザ光を用いて、参照面２４と近接場探針の先端部近傍の被測定物との相対距離、または、基準位置と近接場探針との相対距離を測長するレーザ測長手段２０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面性状測定装置に関する。詳しくは、エバネッセント光（近接場光）を用いて、被測定物の表面性状などを測定する表面性状測定装置に関する。

従来、エバネッセント光（近接場光）を用いて、被測定物の表面性状などを測定する表面性状測定装置として、たとえば、特許文献１に示された光学顕微鏡が知られている。
これは、先端に直径が波長以下の微小開口部を有する光導波プローブと、試料の表面にエバネッセント光を発生させるエバネッセント光発生手段と、光導波プローブが試料表面近傍に近接された際、光導波プローブの先端で散乱されるエバネッセント光の散乱光を集光して検出するエバネッセント光検出手段とを備える。

光導波プローブを試料表面近傍に近接させると、試料の表面に発生したエバネッセント光が、光導波プローブの先端で散乱され、この散乱光がエバネッセント光検出手段によって検出される。試料とプローブとを試料表面に沿って走査しながら、散乱光の強度が一定になるように、試料とプローブとの距離を制御すると、つまり、試料に対してプローブを上下動させると、プローブ先端が試料面から一定の距離に保たれるから、プローブの上下動量を検出することにより、試料の表面形状が把握できる。

特開平９−２４３６４９号公報

従来、近接場光を利用した光学顕微鏡において、距離の情報を得るためには、検出器先端のプローブから被測定物（試料）までの距離と、この距離に応じて変化する検出情報、具体的にはエバネッセント光の散乱光に基づく光量との関係を予め把握しておく必要がある。しかし、これらの関係は、被測定物の材質依存性が高く、そのため、これらの材質依存性を考慮して、これらの関係を事前に把握しておくことは、極めて煩雑かつ困難である。

この課題を解決する手段として、レーザ干渉計などの他の計測装置を用いて、随時校正を行うことが考えられる。
しかしながら、これには、計測装置の機械要素や光学素子などを近接場光学顕微鏡とは別々の位置に配置しなければならないため、時間的、空間的な校正の不確かさが生じる。とくに、空間的な不確かさは、被測定物についてナノメートル単位の測長を行う近接場光学顕微鏡にとって深刻な問題である。

つまり、計測装置の測長位置と、近接場光学顕微鏡が行う測長位置との性状の違い、あるいは、これを解決しようとして、近接場光学顕微鏡の測長位置に計測装置を移動しようとすると、その移動の際に生じる移動軸が有する不確かさの影響が大きく、長い移動距離を有する構造では、サブマイクロメートルの不確かさとなりかねない。

本発明の目的は、このような従来の課題を解消し、高精度な校正が行える表面性状測定装置を提供することである。

本発明の表面性状測定装置は、レーザ光が照射された際先端部に近接場光を形成する近接場探針と、この近接場探針に照射されるレーザ光を発生するレーザ光源と、前記近接場探針と被測定物とが近接した際に生じる近接場効果を検出する検出素子と、前記近接場探針と被測定物とを接近離間する方向へ変位させるアクチュエータとを有する近接場測定手段を備えた表面性状測定装置において、レーザ光を用いて、基準位置と前記近接場探針の先端部近傍の被測定物との相対距離、または、基準位置と前記近接場探針との相対距離を測長するレーザ測長手段を備えることを特徴とする。

この構成において、被測定物の測定箇所を近接場探針と対向するように、被測定物と近接場探針とを相対移動させる。この状態において、レーザ測長手段と近接場測定手段とで測定を行う。
まず、レーザ測長手段による測定では、レーザ光を用いて、例えば、基準位置と近接場探針の先端部近傍の被測定物との相対距離を測長する。あるいは、基準位置と近接場探針との相対距離を測長する。
近接場測定手段による測定では、レーザ光が近接場探針に照射されると、近接場探針の先端部には近接場光が形成される。この状態において、アクチュエータを駆動させて、例えば、近接場探針を被測定物に近接させると、近接場探針の先端部に形成された近接場光が被測定物で散乱され、このときの散乱光が検出素子で検出される。検出素子からの出力が予め設定した一定の値になるまで、アクチュエータを駆動させる。つまり、近接場探針と被測定物との相対距離が一定になるように、近接場探針を被測定物に接近する方向へ変位させる。

このようにして、近接場測定手段の近接場探針と被測定物との相対位置を変化させた各位置において、レーザ測長手段および近接場測定手段による測定を行ったのち、レーザ測長手段によって得られた基準位置と近接場探針の先端部近傍の被測定物との相対距離、または、基準位置と近接場探針との相対距離を基準に、近接場測定手段のアクチュエータの駆動量を校正する。つまり、レーザ測長手段の測長によって得られた基準位置と被測定物または近接場探針との相対距離を基準に、アクチュエータの駆動量を校正するようにしたので、高精度な校正が行える。
また、近接場測定手段による測定とレーザ測長手段による測定とは同時でも、別の時間でもよい。つまり、近接場測定手段とレーザ測長手段とで、被測定物の略同一位置を、同時あるいは別の時刻に測定し、レーザ測長手段の測定で得られた距離情報を基に、近接場測定手段のアクチュエータの駆動量の校正を行うため、被測定物の材質依存性の影響をなくすことができ、高精度な校正が行える。

ここで、近接場探針は、先端部に近接場光を形成できるものであれば、どのような構造でもよい。例えば、先端部に微小な開口を形成し、この開口から漏れ出た光が近接場光領域を形成するもの、あるいは、カンチレバータイプの探針の先端部に光を照射することによって、その先端部に近接場光領域を形成するもの等、いずれでもよい。

また、本発明の表面性状測定装置において、前記レーザ測長手段は、前記レーザ光を２波に分波し、一方のレーザ光を前記近接場探針の先端部近傍の被測定物に照射するとともに、他方のレーザ光を前記基準位置である参照面に照射し、前記被測定物からの反射光と前記参照面からの反射光との干渉光から、基準位置と被測定物のレーザ照射部位との相対距離を測長するレーザ測長干渉計が好ましい。
この構成によれば、レーザ測長干渉計を用いて、基準位置と被測定物のレーザ照射部位または近接場探針との相対距離情報を高精度に測長することができる。

また、本発明の表面性状測定装置において、前記レーザ光源は、波長λ１を有するレーザ光を発生し、前記レーザ測長手段は、波長λ１未満の波長λ２を有するレーザ光を用い、前記近接場探針は、前記レーザ光源およびレーザ測長手段からのレーザ光が入力される開口を備え、この開口は、前記波長λ２より大きく、かつ、前記波長λ１より小さい径に形成されている、ことが好ましい。
この構成によれば、レーザ光源からのレーザ光は、近接場探針の開口を通過することができず、開口付近で近接場光を形成する。一方、レーザ測長手段のレーザ光は、近接場探針の開口を通って被測定物に照射されるため、レーザ測長手段によって、基準位置と被測定物のレーザ照射部位との相対距離を測定することができる。つまり、レーザ測長手段によって、近接場探針の先端部直下の被測定物を測長しているので、高精度な校正が行える。しかも、レーザ測長手段は、レーザ光を開口を通して測長しているため、レーザ光照射部位以外からの乱反射によるノイズを除去できる利点がある。

また、本発明の表面性状測定装置において、前記近接場探針と被測定物とを被測定物の表面に沿って相対移動させる相対移動手段と、前記検出素子からの出力が一定になるように前記アクチュエータを駆動させる駆動制御手段とを備えた構成が好ましい。
この構成によれば、上述した校正作業を行ったのち、近接場探針と被測定物とを近接させた状態で被測定物の表面に沿って相対移動させるとともに、近接場測定手段の検出素子からの出力が一定になるように、アクチュエータを駆動させながら測定を行えば、被測定物の表面形状を二次元あるいは三次元的に高精度に測定することができる。

また、本発明の表面性状測定装置において、前記レーザ測長手段で測定された相対距離を参照して、前記近接場測定手段のアクチュエータの駆動量を距離情報に変換する校正手段を備える構成が好ましい。
この構成によれば、レーザ測長手段で測定された相対距離、つまり、基準位置と被測定物のレーザ光照射部位または近接場探針との相対距離を参照して、近接場測定手段のアクチュエータの駆動量を距離情報に変換する校正手段を備えているから、近接場測定手段の校正を自動的に行うことができる。

また、本発明の表面性状測定装置において、前記近接場探針へ向けて照射される前記近接場測定手段におけるレーザ光の光軸と、前記レーザ測長手段におけるレーザ光の光軸とが同一軸上となるように配置されていることが好ましい。
この構成によれば、近接場探針へ向けて照射される近接場測定手段におけるレーザ光の光軸と、レーザ測長手段におけるレーザ光の光軸とが同一軸上に配置されているから、装置をコンパクトに構成できる。

また、本発明の表面性状測定装置において、前記近接場探針は、第１支持体と、この第１支持体と結合される第２支持体と、この第１および第２支持体の間に配置された圧電素子と、この圧電素子とは反対側の第２支持体の表面に配置されるバランサとを備え、前記第１支持体は、内部空間を有する第１支持部およびこの第１支持部の等角度配置位置から中央に向かって伸びる複数本のビームを介して第１支持部の内部空間中央に支持され先端に前記近接場光を形成する開口を有する探針ヘッドを含んで構成され、前記第２支持体は、前記第１支持部に結合され内部空間を有する第２支持部およびこの第２支持部の等角度配置位置から中央に向かって伸びる複数本のビームを介して第２支持部の内部空間中央に支持された環状の保持部を含んで構成され、前記圧電素子は、前記第１支持体の探針ヘッドと前記第２支持体の保持部との間に配置されるとともに、前記第１および第２支持体の中央を貫通する軸を中心とする円筒状で、かつ、その軸方向へ振動するよう形成され、
前記バランサは、前記圧電素子の軸と同軸上に配置された円筒形で、前記探針ヘッドと等価な質量を備えていることを特徴とする。

この構成によれば、圧電素子を振動させると、近接場探針は軸方向に振動される。このとき、近接場探針の軸方向振動は、固有振動数ｆｃ未満の任意周波数がよい。すると、検出素子からは、近接場探針の振動周期と同じ周期の出力信号が出力されるから、これを、例えば、バンドパスフィルタ（BPF）やピークホールド（PH）などのフィルタで復調し、この復調信号が一定となるように、アクチュエータにフィードバックをかけることにより、外乱振動を抑制できる。
また、第１および第２支持体の第１、第２支持部の等角度配置位置から中央に向かって伸びる複数本のビームを介して、これら支持部の内部空間中央に探針ヘッドが支持された構造であるから、通常のカンチレバータイプの探針と比較して、遙かに高い振動を励起することが可能である。一般に、プローブなどの位置制御をセンサからのフィードバックによってかける場合、その応答を固有振動数ｆｃ以上でかけると発振してしまう。これはセンサの共振周波数で位相が急速に遅れることが物理的背景にある。本発明の場合、上述した構成であるため、固有振動数ｆｃを高くできるから、高振動化が実現でき、測定の高速化も実現可能である。
更に、本発明の場合、縦振動であるため、曲げ振動よりも光学特性に影響を与えず、高精度な測定が可能である。しかも、振動モードは、図３に示すように、上下対称であり、中央で振動の節となるから、支持体での振動を抑制する効果があり、いわゆる、動吸振器となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の光学式顕微鏡を示している。この光学式顕微鏡は、被測定物１を載置するテーブル２と、このテーブル２を三次元方向（左右、前後、上下方向）へ移動させる相対移動手段３と、被測定物１をカメラなどで撮影しかつ観察する観察光学手段１０と、レーザ測長手段２０と、近接場測定手段３０と、駆動制御手段４０と、校正手段５０とから構成されている。

観察光学手段１０は、対物レンズ１１と、この対物レンズ１１の光軸Ｌ１上に配置されたハーフミラー１２と、対物レンズ１１の光軸Ｌ１上に配置されハーフミラー１２を透過した光（被測定物１からの反射光）を撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ１３と、対物レンズ１１の光軸Ｌ１に対して直交する光軸Ｌ２上に配置されハーフミラー１２に光を入射させる光源１４とから構成されている。

レーザ測長手段２０は、波長λ２を有するレーザ光を用い、このレーザ光を２波に分波し、一方のレーザ光を被測定物１に照射するとともに、他方のレーザ光を参照面に照射し、被測定物１からの反射光と参照面からの反射光との干渉光から、レーザ光が照射された被測定物部位の距離情報を測定するレーザ測長干渉計で構成されている。
レーザ測長干渉計は、対物レンズ１１の光軸Ｌ１上に配置されたハーフミラー２１と、対物レンズ１１の光軸Ｌ１に対して直交する光軸Ｌ３上に配置されたレーザ光源２２と、光軸Ｌ３上に配置されレーザ光源２２からのレーザ光を透過光および反射光の２波に分波するハーフミラー２３と、光軸Ｌ３に対して直交する光軸Ｌ３１上に配置されハーフミラー２３からの反射光（他方のレーザ光）をハーフミラー２３へ反射させる基準位置としての参照面２４と、光軸Ｌ３１上に配置されたミラー２５と、このミラー２５で反射された被測定物１からの反射光と参照面２４からの反射光との干渉光を受光する干渉光検出器２６とから構成されている。

近接場測定手段３０は、対物レンズ１１を保持するホルダ３１を光軸Ｌ１方向へ変位させるアクチュエータ３２と、ホルダ３１に一体的にかつ対物レンズ１１に近接して固定された近接場探針３３と、対物レンズ１１の光軸Ｌ１上に配置されたハーフミラー３４と、対物レンズ１１の光軸Ｌ１に対して直交する光軸Ｌ４上に配置されたレーザ光源３５と、光軸Ｌ４上に配置されたハーフミラー３６と、光軸Ｌ４に対して直交する光軸Ｌ４１上に配置されハーフミラー３６からの反射光を反射させるミラー３７と、このミラー３７からの反射光を受光する検出素子としてのフォトン検出器３８とから構成されている。

近接場探針３３は、ホルダ３１の下端に固定される固定部３３１と、この固定部３３１の中心に下方へ向かうに従って内径が次第に小さく形成されかつ先端に開口３３３を有するテーパ筒状の探針ヘッド３３２とを備える。固定部３３１は、光源１４からの光が透過できる構造、例えば、ホルダ３１の下端から中心に向かって複数本のビームを放射状に配置し、その中心に探針ヘッド３３２を保持する構造に形成されている。開口３３３の径は、レーザ光源２２からのレーザ光の波長λ２より大きく、レーザ光源３５からレーザ光の波長λ１より小さい径に形成されている。ここでは、レーザ光源２２からのレーザ光の波長λ２が４４２ｎｍ（ブルーレーザ）、レーザ光源３５からのレーザ光の波長λ１が６３３ｎｍ（ヘリウムネオンレーザ）に設定されているため、開口３３３の径が５００ｎｍに形成されている。

従って、レーザ光源２２からのレーザ光は、近接場探針３３の開口３３３を通って被測定物１に照射されるため、レーザ測長手段２０では、被測定物１と参照面２４との光路差の変化を測定することができる。参照面２４の位置を固定とした場合、被測定物１の光軸方向の変化（距離情報）を計測することができる。
レーザ光源３５からのレーザ光は、近接場探針３３の開口３３３を通過することができず、開口３３３付近で近接場光を形成する。その近接場光は概ね開口径ほどの直径の球状内に強い効果をもたらす。

駆動制御手段４０は、相対移動手段３の動作を制御し、近接場測定手段３０の近接場探針３３と被測定物１とを被測定物１の表面に沿って相対移動させつつ、近接場測定手段３０のフォトン検出器３８からの出力が一定になるようにアクチュエータ３２を駆動させる。つまり、近接場探針３３から被測定物１までの距離が一定となるように、アクチュエータ３２を駆動させる。

校正手段５０は、レーザ測長手段２０で測定された参照面２４と被測定物のレーザ光照射部位との相対距離を参照して、近接場測定手段３０のアクチュエータ３２の駆動量を校正する。つまり、近接場測定手段３０とレーザ測長手段２０とで、被測定物１の同一位置を、同時あるいは別の時刻に測定し、レーザ測長手段２０で測定した相対距離を基準に、近接場測定手段３０のアクチュエータ３２の駆動量を校正する。

次に、測定工程の一例を説明する。
まず、観察光学手段１０によって、被測定物１の測定したい箇所を探し、その箇所が対物レンズ１１の真下にくるように、被測定物１を載置したテーブル２を相対移動手段３によって移動させる。この状態において、レーザ測長手段２０によって被測定物との相対距離を測長しつつ、近接場測定手段３０のフォトン検出器からの出力が一定になるように、アクチュエータ３２を駆動させる。

レーザ測長手段２０による測長では、まず、レーザ光源２２からのレーザ光が２波に分波される。一方のレーザ光が、ハーフミラー２３，２１，３４および対物レンズ１１を介して、近接場探針３３に到達し、そこを通って被測定物１に照射されるとともに、他方のレーザ光が参照面２４に照射される。被測定物１からの反射光は、対物レンズ１１、ハーフミラー３４，２１を介してハーフミラー２３へ入力され、参照面２４からの反射光と干渉されたのち、ミラー２５を介して干渉光検出器２６で検出される。つまり、被測定物１と参照面２４との間の光路差の変化が検出される。

近接場測定手段３０による測長では、レーザ光源３５からのレーザ光（波長λ１を有するレーザ光）がハーフミラー３６，３４および対物レンズ１１を通って近接場探針３３に入力されると、近接場探針３３の先端開口３３３には近接場光が形成される。アクチュエータ３２の駆動によって、近接場探針３３が被測定物１の表面に近接されると、近接場探針３３の先端部に形成された近接場光が被測定物１で散乱される。すると、近接場光は伝播光となり、対物レンズ１１、ハーフミラー３４，３６およびミラー３７を介してフォトン検出器３８で検出される。つまり、近接場光に基づく散乱光がフォトン検出器３８で検出される。フォトン検出器３８からの出力が予め設定した一定の値になるまで、アクチュエータ３２を駆動させる。なお、反射ノイズを軽減するために、レーザ光源３５から対物レンズ１１までの光路中のいずれかの場所に、ピンホールを挿入することも考えられる。

このようにして、被測定物１の複数の箇所を、レーザ測長手段２０と近接場測定手段３０とで測定したのち、レーザ測長手段２０で測長された被測定物の距離情報（参照面から被測定物表面までの距離情報）と、近接場測定手段３０のフォトン検出器３８からの出力が予め設定した一定値になるまでのアクチュエータ３２の駆動量とを比較し、レーザ測長手段２０で測長された被測定物の距離情報を基準に、近接場測定手段３０のアクチュエータ３２の駆動量を距離情報に変換する。つまり、近接場測定手段３０のアクチュエータ３２の駆動量を校正する。

この校正作業を行ったのち、近接場測定手段３０によって被測定物１の表面形状を測定する。つまり、相対移動手段３の動作を制御し、近接場測定手段３０の近接場探針３３と被測定物１とを被測定物１の表面に沿って相対移動させつつ、近接場測定手段３０のフォトン検出器３８からの出力が一定になるようにアクチュエータ３２を駆動させる。
この動作中において、相対移動手段３による被測定物１の表面に沿う相対移動位置と、アクチュエータ３２による近接場探針３３の移動量とを求めると、これらの情報から被測定物ｌの表面形状を求めることができる。

第１実施形態によれば、次の作用効果が期待できる。
（１）波長の異なる２つのレーザ光を用い、波長の長いレーザ光を近接場測定手段３０用とし、波長の短いレーザ光をレーザ測長手段２０用として、被測定物１の同一位置を測定し、レーザ測長手段２０の測定で得られた被測定物の距離情報を用いて、近接場測定手段３０のアクチュエータ３２の駆動量を校正するようにしたので、被測定物１の材質依存性の影響をなくすことができ、高精度な校正が行える。
つまり、近接場測定手段３０とレーザ測長手段２０とで、被測定物１の同一位置を、同時あるいは別の時刻に測定し、これらの測定で得られた情報を基に、近接場測定手段３０のアクチュエータ３２の駆動量の校正を行うため、被測定物１の材質依存性の影響をなくすことができ、高精度な校正が行える。とくに、被測定物１が変わる都度、上記校正作業を行ったのち、測定を行えば、被測定物１の材質依存性の影響を殆どなくすことができる。

（２）近接場探針３３と被測定物１とを近接させた状態で被測定物１の表面に沿って相対移動させる相対移動手段３と、フォトン検出器３８からの出力が一定になるようにアクチュエータ３２を駆動させる駆動制御手段４０とを備える構成としたので、近接場探針３３と被測定物１とを近接させた状態で被測定物１の表面に沿って相対移動させるとともに、フォトン検出器３８からの出力が一定になるように、アクチュエータ３２を駆動させながら測定を行えば、被測定物１の表面形状を二次元あるいは三次元的に高精度に測定することができる。

（３）レーザ測長手段２０で測定された被測定物のレーザ光照射部位の距離情報を参照して、近接場測定手段３０のアクチュエータ３２の駆動量を距離情報に変換する校正手段５０を備える構成としたので、近接場測定手段３０のアクチュエータ３２の駆動量の校正を自動的に行うことができる。

（４）近接場探針３３へ向けて照射される近接場測定手段３０におけるレーザ光の光軸と、レーザ測長手段２０におけるレーザ光の光軸とが同一軸上となるように配置されているから、装置をコンパクトに構成できる。

＜第２実施形態＞
図２は、第２実施形態の光学式顕微鏡を示す要部概略図、図３は、第２実施形態で用いる近接場探針の拡大斜視図である。なお、これらの図の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略する。
第２実施形態の光学式顕微鏡は、第１実施形態の光学式顕微鏡に対して、近接場探針が異なる。

第２実施形態の近接場探針６０は、第１支持体６１と、この第１支持体６１と結合される第２支持体６２と、この第１および第２支持体６１，６２の間に配置された圧電素子６３と、この圧電素子６３とは反対側の第２支持体６２の表面に配置されるバランサ６４とを備える。
第１支持体６１は、図３に示すように、内部に円空間を有する円環状の第１支持部６１１と、この第１支持部６１１の中央に支持された探針ヘッド６１２と、この探針ヘッド６１２を第１支持部６１１に連結するために第１支持部６１１の等角度配置位置（１２０度間隔位置）から中央に向かって伸びる複数本（３本）のビーム６１３とを含んで構成されている。探針ヘッド６１２は、圧電素子６３とは反対側へ向かうに従って内径が次第に小さくなるテーパ筒状に形成され、先端に開口３３３を備えている。開口３３３の径は、前記第１実施形態の径と同じである。

第２支持体６２は、図３に示すように、内部に円空間を有する円環状の第２支持部６２１と、この第２支持部６２１の中央に支持された保持部６２２と、この保持部６２２を第２支持部６２１の内部空間中央に支持するために第２支持部６２１の等角度配置位置（１２０度間隔位置）から中央に向かって伸びる複数本（３本）のビーム６２３とを含んで構成されている。
ビーム６１３，６２３は、光軸Ｌ１方向に沿った寸法（振動方向寸法）に対してＣＣＤカメラ１３で観察する方向から見た寸法（観察方向寸法）が十分に小さい断面矩形形状に形成されている。つまり、ＣＣＤカメラ１３で観察した場合ビーム６１３，６２３は極力細く、かつ、高い振動周波数で振動可能な断面形状に形成されている。
なお、ビーム６１３，６２３は、１２０度間隔ピッチに限定されるものでなく、１８０度間隔ピッチで２本で構成される場合、９０度間隔ピッチで４本で構成される場合、更には、それ以下の間隔ピッチで構成される場合など他の構成でもよい。要は、従来の片持ち梁構造（カンチレバー）よりも高い振動周波数で振動させる条件を満たせればよい。

圧電素子６３は、図３に示すように、第１支持体６１の探針ヘッド６１２と第２支持体６２の保持部６２２との間に配置され、かつ、第１および第２支持体６１，６２の中央を貫通する軸と中心とする円筒状で、かつ、その軸方向へ振動するよう形成されている。
バランサ６４は、圧電素子６３の軸と同軸上に配置された円筒形で、探針ヘッド３３２と等価な質量を備えている。

この近接場探針６０を用いた光学顕微鏡では、前述の実施形態と同様にして校正作業を行う。
まず、観察光学手段１０によって被測定物１の測定すべき位置を大まかに確認する。光源１４からの光を、ハーフミラー１２，３４および対物レンズ１１を介して、近接場探針６０のビーム６１３，６２３の間から被測定物１に照射し、そこからの反射光をＣＣＤカメラ１３で観察しながら、被測定物１の測定すべき位置を大まかに確認する。この際、近接場探針６０が対物レンズ１１に近接して配置され、かつ、近接場探針６０のビーム６１３，６２３がＣＣＤカメラ１３で観察する方向から見た寸法（観察方向寸法）が細くなっているから、ＣＣＤカメラ１３での観察にあたって、近接場探針６０が見えにくく、これが観察上支障となることなく、被測定物１を明瞭に観察できる。

ＣＣＤカメラ１３で被測定物１の測定すべき位置を大まかに確認したのち、近接場測定手段３０によって測定を行う。本実施形態では、近接場探針６０の圧電素子６３を振動させた状態で行う。圧電素子６３を振動させると、近接場探針６０は軸方向に振動される。このとき、近接場探針６０を固有振動数ｆｃ未満の周波数で振動させる。すると、フォトン検出器３８からは、近接場探針６０の振動周期と同じ周期の出力信号が出力されるから、これをバンドパスフィルタ（BPF）やピークホールド（PH）などのフィルタで復調することにより、外乱振動を抑制できる。

また、第１支持体６１および第２支持体６２の第１、第２支持部６１１，６１２の等角度配置位置から中央に向かって伸びる３本のビーム６１３，６２３を介して、これら支持部６１１，６１２の内部空間中央に探針ヘッド３３２が支持された構造であるから、通常のカンチレバータイプの探針と比較して、遙かに高い振動を励起することが可能である。一般に、プローブなどの位置制御をセンサからのフィードバックによってかける場合、その応答を固有振動数ｆｃ以上でかけると発振してしまう。これはセンサの共振周波数で位相が急速に遅れることが物理的背景にある。本発明の場合、上述した構成であるため、固有振動数ｆｃを高くできるから、高振動化が実現できるから、測定の高速化も実現可能である。

更に、近接場探針６０は縦振動であるため、曲げ振動よりも光学特性に影響を与えず、高精度な測定が可能である。しかも、振動モードは、図３に示すように、上下対称であり、中央で振動の節となるから、支持体６２，６３での振動を抑制する効果があり、いわゆる、動吸振器となる。

本発明は、前述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
たとえば、近接場探針については、上記各例の構造に限られるものではない。例えば、カンチレバータイプの探針の先端部に光を照射することによって、その先端部に近接場光領域を形成するもの等でもよい。この場合、レーザ測長手段２０からのレーザ光が近接場探針の先端部に形成された近接場光領域を通過するように構成すればよい。

また、レーザ測長手段２０については、前記実施形態のように、レーザ測長干渉計に限らず、レーザ光を用いて、距離を高精度に測定できるものであれば、他の構造、形式でもよい。
また、前記レーザ測長手段２０による測定では、基準位置（参照面２４）と近接場探針３３，６０の先端部直下の被測定物との相対距離を測長したが、近接場探針３３，６０に対して被測定物が接近離間する場合には、基準位置（参照面２４）と近接場探針３３，６０（開口とは反対側端）との相対距離を測長するようにしてもよい。

また、相対移動手段３については、上記実施形態のように、テーブル２を左右、前後、上下に移動させる構成に限らす、近接場探針３３，６０を左右、前後に移動させる構成であってもよい。
また、アクチュエータ３２についても、上記実施形態のように、近接場探針３３，６０を上下に移動させる構成に限らず、テーブル２を上下方向（近接場探針３３，６０に対して接近、離間する方向）へ移動させる構成であってもよい。

本発明は、被測定物の表面形状の測定に利用できるほか、被測定物の表面粗さ、うねりなどの表面性状の測定にも利用することができる。

本発明の第１実施形態にかかる光学顕微鏡を示す図。本発明の第２実施形態にかかる光学顕微鏡の要部を示す拡大図である。同上第２実施形態にかかる光学顕微鏡に用いられる近接場探針の例を示す図である。

符号の説明

１…被測定物
３…相対移動手段
２０…レーザ測長手段
３０…近接場測定手段
３２…アクチュエータ
３３…近接場探針
３３２…探針ヘッド
３５…レーザ光源
３８…フォトン検出器（検出素子）
４０…駆動制御手段
５０…校正手段
６０…近接場探針
６１…第１支持体
６１１…第１支持部
６１３…ビーム
６２…第２支持体
６２１…第２支持部
６２２…保持部
６２３…ビーム
６３…圧電素子
６４…バランサ

Claims

レーザ光が照射された際先端部に近接場光を形成する近接場探針と、この近接場探針に照射されるレーザ光を発生するレーザ光源と、前記近接場探針と被測定物とが近接した際に生じる近接場光の散乱効果を検出する検出素子と、前記近接場探針と被測定物とを接近離間する方向へ変位させるアクチュエータとを有する近接場測定手段を備えた表面性状測定装置において、
レーザ光を用いて、基準位置と前記近接場探針の先端部近傍の被測定物との相対距離、または、基準位置と前記近接場探針との相対距離を測長するレーザ測長手段を備えることを特徴とする表面性状測定装置。
請求項１に記載の表面性状測定装置において、
前記レーザ測長手段は、前記レーザ光を２波に分波し、一方のレーザ光を前記近接場探針の先端部近傍の被測定物に照射するとともに、他方のレーザ光を前記基準位置である参照面に照射し、前記被測定物からの反射光と前記参照面からの反射光との干渉光から、基準位置と被測定物のレーザ照射部位との相対距離を測長するレーザ測長干渉計であることを特徴とする表面性状測定装置。
請求項１または請求項２に記載の表面性状測定装置において、
前記レーザ光源は、波長λ１を有するレーザ光を発生し、
前記レーザ測長手段は、波長λ１未満の波長λ２を有するレーザ光を用い、
前記近接場探針は、前記レーザ光源およびレーザ測長手段からのレーザ光が入力される開口を備え、この開口は、前記波長λ２より大きく、かつ、前記波長λ１より小さい径に形成されている、ことを特徴とする表面性状測定装置。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記近接場探針と被測定物とを被測定物の表面に沿って相対移動させる相対移動手段と、
前記検出素子からの出力が一定になるように前記アクチュエータを駆動させる駆動制御手段とを備えたことを特徴とする表面性状測定装置。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記レーザ測長手段で測定された相対距離情報を参照して、前記近接場測定手段のアクチュエータの駆動量を距離情報に変換する校正手段を備えていることを特徴とする表面性状測定装置。
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記近接場探針へ向けて照射される前記近接場測定手段におけるレーザ光の光軸と、前記レーザ測長手段におけるレーザ光の光軸とが同一軸上となるように配置されていることを特徴とする表面性状測定装置。
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記近接場探針は、第１支持体と、この第１支持体と結合される第２支持体と、この第１および第２支持体の間に配置された圧電素子と、この圧電素子とは反対側の第２支持体の表面に配置されるバランサとを備え、
前記第１支持体は、内部空間を有する第１支持部およびこの第１支持部の等角度配置位置から中央に向かって伸びる複数本のビームを介して第１支持部の内部空間中央に支持され先端に前記近接場光を形成する開口を有する探針ヘッドを含んで構成され、
前記第２支持体は、前記第１支持部に結合され内部空間を有する第２支持部およびこの第２支持部の等角度配置位置から中央に向かって伸びる複数本のビームを介して第２支持部の内部空間中央に支持された環状の保持部を含んで構成され、
前記圧電素子は、前記第１支持体の探針ヘッドと前記第２支持体の保持部との間に配置されるとともに、前記第１および第２支持体の中央を貫通する軸を中心とする円筒状で、かつ、その軸方向へ振動するよう形成され、
前記バランサは、前記圧電素子の軸と同軸上に配置された円筒形で、前記探針ヘッドと等価な質量を備えていることを特徴とする表面性状測定装置。