JP2008076221A - 微細形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は高精度な形状測定を行う微細形状測定装置を提供することにある。
【解決手段】固定端１４ｂに保持された状態でワーク４０をなぞるスタイラス３４を自由端１４ａに持つ可撓性カンチレバー１４と、該固定端１４ｂを上下動する駆動手段２０と、該ワーク４０に対する位置及び姿勢が変化しない基準部材２２と、該基準部材２２とスタイラス３４との上下方向の相対変位を測定し、自由端変位情報を出力する自由端変位計２４と、該基準部材２２と固定端１４ｂとの上下方向の相対変位を測定し、固定端変位情報を出力する固定端変位計２６と、該自由端変位情報及び固定端変位情報に基づきカンチレバー１４の上下方向のたわみ量を求める演算手段２８とを備え、該たわみ量が所定値となるように該固定端１４ｂを上下させつつ該ワーク４０を走査して得られた、該自由端変位情報に基づき、該ワーク４０の形状を把握することを特徴とする微細形状測定装置１０。
【選択図】図１

Description

本発明は微細形状測定装置、特にその測定誤差低減機構の改良に関する。

従来より、ワークの微細な形状を測定するため、例えば走査型プローブ顕微鏡等の微細形状測定装置が用いられている。走査型プローブ顕微鏡としては、例えば原子間力顕微鏡がある。これは、ワーク表面とスタイラス間に働く原子間力を検出し、これが一定になるようにワーク表面を走査することにより、ワーク表面の凹凸を把握するものである。（例えば特許文献１参照）。
微細形状測定装置のスタイラスの変位量を測定する方法としては、数多くの方法があり、例えばレーザ及び位置検出可能な光センサを用いた光てこ方式（例えば特許文献１，２）参照）、フォーカス誤差検出方式による測定（例えば特許文献３参照）、光ファイバー干渉計による測定（例えば特許文献４，５参照）等がある。

光てこ方式は、例えば特許文献１の図１に示されている。これは、レーザをカンチレバー背面に照射し、その反射光を遠方に位置する位置センサで検出するものである。カンチレバーのスタイラスがワーク表面の凹凸にそって上下方向に変位すると、その変位量が反射光の角度変化に反映される。光てこ方式では、その角度変化が遠方で拡大され、前記位置センサで検出される。このため、反射光の角度変化を、前記光センサで受光される光強度信号から検出し、カンチレバーのスタイラスが指し示しているワーク表面上の高さを計測することができる。
また、光センサの光強度信号が常に所定値となるようにワーク表面を相対的に上下移動させつつワーク表面を走査することにより、ワーク表面上の高さを計測することができる。
微細形状測定装置によれば、このようにしてワーク表面上の高さを把握することにより、ワークの１ラインないし２次元エリアの微細形状を測定することができる。

ところで、微細形状測定装置には、一般的な形状測定に比較し、非常に微細な形状を測定する必要があるため、より高精度な測定が要求される。
このような要望に応えるため、種々の微細形状測定装置が提案されている。例えば、特許文献４では、案内手段の捻じれ等の測定精度への悪影響を低減するため、測定子に直角三面反射体を設け、その変位量を複数の変位計で測定することにより、測定子の変位量を把握する技術が提案されている。

特開２００２−１８１６８７号公報 特開平９−７２９２４号公報 特開平９−６１４４１号公報 特開平７−３０１５１０号公報 特許第３０８１９７９号公報

しかしながら、前記従来方式にあっても、十分な測定精度が得られるものではなく、より一層の改善の余地が残されていた。
そして、この点について検討の結果、本発明者らによれば、以下の点がわかった。すなわち、ワーク上を走査して測定を行った際、高さを感知するセンサによって得られるデータは、カンチレバーがワークの形状に応じて上下した量と、走査手段で発生する運動誤差によってカンチレバーが上下した量との合算値であることがわかった。
このような測定誤差を低減するため、従来は、運動誤差のより少ない高精度な走査手段を用いることも考えられる。
しかしながら、運動誤差がない理想的な走査手段を用意すること自体、極めて困難である。また仮に、このような走査手段を用意できたとしても、極めて高価なものとなるので、低価格な装置製作が困難となる。
したがって、より高精度な走査手段の使用は、本発明の課題解決手段として採用するに至らなかった。

また、別の従来方式、つまり走査手段で発生する運動誤差の影響を排除することが可能と提案されているものでも、特許文献４に示されているように直角三面反射体を用いた複雑な装置構成にしなければならなかったので、本発明の課題解決手段として採用するに至らなかった。
このように微細形状の測定分野では、より高精度な走査手段を用いることなく、測定の高精度化を実現することのできる技術の開発が強く求められていたものの、従来は、これを解決することのできる適切な技術が存在しなかった。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、より高精度な微細形状測定を行うことのできる微細形状測定装置を提供することにある。

前記微細形状測定の高精度化について本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、ワークに対する位置及び姿勢が固定された基準部材を基準にスタイラスの上下方向の変位を測定することが極めて有効であり、その際に基準部材を基準に検出されたカンチレバー固定端変位に基づくカンチレバーの上下方向のたわみ量が所定値となるように、カンチレバー固定端を上下させつつワーク表面を走査することにより、前記測定を、極めて安定かつ高精度に行うことができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、前記目的を達成するために本発明にかかる微細形状測定装置は、カンチレバーと、走査手段と、駆動手段と、基準部材と、自由端変位計と、固定端変位計と、演算手段と、制御手段と、を備えることを特徴とする。
ここで、前記カンチレバーは、固定端が保持された状態でワーク表面の凹凸をなぞるためのスタイラスを自由端に持ち、上下方向に可撓性を有する。
また、前記走査手段は、前記カンチレバーとワーク表面とを横方向に相対的に走査させる。
前記駆動手段は、前記カンチレバー固定端を上下動する。
前記基準部材は、前記走査によっても、ワークに対する相対的な位置及び姿勢が変化しないように設けられたものとする。

前記自由端変位計は、前記基準部材とスタイラスとの上下方向の相対変位を測定し、自由端変位情報を出力する。
前記固定端変位計は、前記基準部材と実質的にカンチレバー固定端との上下方向の相対変位を測定し、固定端変位情報を出力する。
前記演算手段は、前記自由端変位計で得られた自由端変位情報、及び前記固定端変位計で得られた固定端変位情報に基づき、前記カンチレバーの上下方向のたわみ量を求める。
前記制御手段は、前記駆動手段の動作を制御し、前記演算手段で求められたたわみ量が所定値となるように、前記カンチレバー固定端の上下方向位置を制御するためのものとする。
そして、本発明においては、前記カンチレバーのたわみ量が所定値となるように前記カンチレバー固定端を上下させつつワーク表面を走査して得られた前記自由端変位情報に基づき、ワーク表面の形状を把握する。

なお、本発明において、前記走査手段は、前記スタイラスの上下方向の変位軸と前記自由端変位計の持つ自由端測定軸とが常に一致し、かつ前記カンチレバー固定端の上下方向の変位軸と前記固定端変位計の持つ固定端測定軸とが常に一致するように、前記カンチレバー及び変位計に対するワーク及び基準部材の走査を行うこと、又は前記ワーク及び基準部材に対するカンチレバー及び変位計の走査を行うことが好適である。

＜光波干渉式変位計＞
また、本発明において、前記自由端変位計は光波干渉式変位計であり、前記基準部材は光波干渉式変位計の参照鏡であり、前記自由端変位計は、可干渉光の一部を参照鏡に入射して得られた参照鏡での反射光である参照光と、参照鏡を透過しカンチレバー背面のスタイラス上に位置する自由端測定部位に入射して得られた反射光である測定光とを参照鏡で干渉させ、その干渉に基づく前記自由端変位情報を得ることが好適である。
また、本発明において、前記固定端変位計は光波干渉式変位計であり、前記基準部材は光波干渉式変位計の参照鏡であり、前記固定端変位計は、可干渉光の一部を参照鏡に入射して得られた参照鏡での反射光である参照光と、参照鏡を透過し実質的にカンチレバー固定端に入射して得られた反射光である測定光とを参照鏡で干渉させ、その干渉に基づく前記固定端変位情報を得ることが好適である。

＜レンズ＞
また、本発明において、前記自由端光波干渉式変位計は、レンズを備えることが好適である。
ここで、前記レンズは、前記参照鏡からの可干渉性を有する平行光束中に挿入された状態で、前記カンチレバーと共に横方向に走査される。前記レンズは、該平行光束をカンチレバー背面の移動端測定部位に収束させて入射し、かつその反射光である測定光を自由端変位計の自由端測定軸上に射出する。

＜静電容量式変位計＞
また、本発明において、前記固定端変位計は上下方向に相対向する二の電極である基準電極及び検出電極を備えた静電容量式変位計であり、前記基準電極は前記基準部材に設けられ、前記検出電極は実質的に前記カンチレバー固定端に設けられており、前記固定端変位計は、前記基準電極と前記検出電極間の静電容量の変化を測定し、該静電容量の変化に基づく前記固定端変位情報を得ることが好適である。
また、本発明においては、前記検出電極をリング状の電極とし、前記リング状検出電極の中心軸と前記自由端変位計の持つ自由端測定軸とが一致するように、該リング状検出電極を該自由端変位計の持つ自由端測定軸上に配置することも好適である。

ここにいう「実質的にカンチレバー固定端」とは、カンチレバー固定端のみを意味するものでなく、基準部材を基準にカンチレバー固定端の上下方向の変位を測定することのできるところ、例えばカンチレバーホルダー等を含めていう。

本発明にかかる微細形状測定装置によれば、前記基準部材と、前記自由端変位計と、前記固定端変位計と、前記制御手段と、を備え、カンチレバーのたわみ量が一定となるようにカンチレバー固定端を上下させつつワーク表面を走査することとしたので、安定かつ高精度な微細形状測定を行うことができる。
また、本発明においては、スタイラスの上下方向の変位軸と自由端変位計の持つ自由端測定軸とが常に一致し、かつカンチレバー固定端の上下方向の変位軸と固定端変位計の持つ固定端測定軸とが常に一致するように走査を行うことにより、より安定かつ高精度な微細形状測定を行うことができる。

また、本発明においては、前記自由端変位計及び固定端変位計は光波干渉式変位計であり、前記基準部材は光波干渉式変位計の参照鏡であることにより、前記微細形状測定を、より安定かつ高精度に行うことができる。
また、本発明においては、前記自由端変位計は光波干渉式変位計であり、前記固定端変位計は静電容量式変位計であることにより、安定かつ高精度な微細形状測定と、構成の簡略化との双方を実現することができる。また、本発明においては、前記静電容量式変位計の検出電極をリング状の電極とし、前記リング状電極の中心軸と前記自由端変位計の持つ自由端測定軸とが一致するように、該リング状電極を該自由端変位計の持つ自由端測定軸上に配置することにより、安定かつ高精度な微細形状測定と、構成の簡略化との双方を、より確実に実現することができる。

以下、図面に基づき本発明の好適な一実施形態について説明する。
第一実施形態
図１には本発明の一実施形態にかかる微細形状測定装置の概略構成が示されている。本実施形態においては、カンチレバーをＸ方向に走査してＺ変位を測定する場合を想定している。
同図に示す走査型プローブ顕微鏡（微細形状測定装置）１０は、ベースプレート１２と、カンチレバー１４と、カンチレバーホルダー１６と、走査ステージ（走査手段）１８と、Ｚ方向駆動機構（駆動手段）２０と、光波干渉式変位計の参照鏡（基準部材）２２と、自由端変位計２４と、固定端変位計２６と、演算手段２８と、制御手段３０と、解析手段３２と、を備える。

ここで、カンチレバー１４は、固定端１４ｂが保持された状態で、ワーク４０表面の凹凸をなぞるためのスタイラス３４を自由端１４ａに持ち、Ｚ方向（上下方向）に可撓性を有する。
カンチレバーホルダー１６は、カンチレバー固定端１４ｂを保持する。
走査ステージ１８は、ベースプレート１２に設けられ、カンチレバー１４をワーク４０表面に沿ってＸ方向に走査させる。
Ｚ方向駆動機構２０は、弾性ヒンジ４２と、圧電素子４４と、を含む。Ｚ方向駆動機構２０は、カンチレバー固定端１４ｂをＺ方向に移動させる。このために本実施形態においては、Ｚ方向駆動機構２０がカンチレバーホルダー１６をＺ方向に移動させている。

参照鏡２２は、光波干渉式変位計の参照鏡であり、前記走査によってもワーク４０に対して相対的な位置及び姿勢が変化しないようにベースプレート１２に設置されており、ワーク４０表面の測定領域とほぼ同等のサイズを有する。
自由端変位計２４は、光波干渉式変位計よりなり、参照鏡２２とスタイラス３４とのＺ方向の相対変位を測定し、自由端変位情報を出力する。
固定端変位計２６は、光波干渉式変位計よりなり、参照鏡２２とカンチレバー固定端１４ｂとのＺ方向の相対変位を測定し、固定端変位情報を出力する。このために本実施形態においては、参照鏡２２とカンチレバーホルダー１６とのＺ方向の相対変位を測定している。
演算手段２８は、カンチレバー１４のたわみ量を、自由端変位計２４で得られた自由端変位情報と、固定端変位計２６で得られた固定端変位情報との差に基づき算出し、これをたわみ量測定値として出力する。
制御手段３０は、演算手段２８からのたわみ量測定値が、たわみ量設定値となるように、Ｚ方向駆動機構２０の駆動を制御することにより、カンチレバーホルダー１６のＺ位置を制御する。
解析手段３２は、制御手段３０によりカンチレバー１４のたわみ量が所定値となるようにカンチレバーホルダー１６を上下させつつワーク４０表面を走査して得られた自由端変位情報に基づき、ワーク４０表面の凹凸を把握する。

なお、本実施形態においては、自由端変位計２４は、光源５０と、レンズ５２と、ビームスプリッタ５４と、ビームスプリッタ５６と、参照鏡２２と、λ／４板５８と、レンズ６０と、カンチレバー１４背面のスタイラス３４上に位置する自由端測定部位１４ｃと、自由端位相検出部６４と、を備える。
ここで、レンズ６０は、可干渉性を有する平行光束中に挿入され、カンチレバー１４と共にＸ方向に走査され、参照鏡２２からの平行光束をカンチレバー１４背面の自由端測定部位１４ａに収束させて入射し、その反射光である測定光を射出している。
固定端変位計２６は、一の光源５０と、レンズ５２と、ビームスプリッタ５４と、ミラー６６と、ビームスプリッタ６８と、参照鏡２２と、λ／４板５８と、ミラー７０と、固定端相検出部７２と、を備える。
移動端変位計２４及び固定端変位計２６は、一の光源５０と、レンズ５２と、ビームスプリッタ５４と、参照鏡２２と、λ／４板５８とを共通の光学系構成部材として用いている。

ワーク４０と参照鏡２２とは、ベースプレート１２上に固定されており、走査によっても互いに相対変位が発生しないように設置されている。
また、レンズ６０は、レンズホルダー７４に保持されており、レンズホルダー７４とカンチレバーホルダー１６とは、互いに動かないように固定されている。
カンチレバーホルダー１６はＺ方向駆動機構２０に固定され、Ｚ方向駆動機構２０は走査ステージ１８に結合されている。この結果、カンチレバー１４をＸＹＺの任意方向、本実施形態ではＸ方向へ動かすことができる。また、移動端変位計２４及び固定端変位計２６は、走査ステージ１８に固定されており、走査時にカンチレバー１４及びレンズ６０と共にＸ方向に走査される。

本実施形態にかかる走査型プローブ顕微鏡１０は概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
本実施形態においては、参照鏡２２を基準にスタイラス３４のＺ方向変位を測定することにより、高精度な測定を行うことができる。その際に参照鏡２２を基準に検出されたカンチレバー１４のたわみ量が一定となるようにカンチレバーホルダー１６を上下させつつワーク４０表面を走査することにより、より安定かつ高精度な測定を実現することができる。
ここで、本実施形態においては、参照鏡２２が、ワーク４０表面の測定領域以上のサイズを有することにより、スタイラス３４のＺ変位を参照鏡２２を基準に確実に測定することができる。
また、本実施形態においては、走査によってもスタイラス３４のＺ方向変位軸と自由端変位計２４が持つ自由端測定軸とが常に一致し、かつカンチレバー固定端１４ｂのＺ方向変位軸と固定端変位計２６が持つ固定端測定軸とが常に一致するように走査を行うので、コサイン誤差の発生しない理想的なスタイラス３４の変位測定、及びカンチレバー１４のたわみ量測定を行うことができる。

以下に、前記作用について、より具体的に説明する。
同図においては、参照鏡２２及びワーク４０はベースプレート１２に固定されており、ベースプレート１２に対しレンズ６０を含む変位計２４，２６及びカンチレバー１４をＸ方向へ走査している。
そして、光源５０からのレーザー光（可干渉光）は、レンズ５２でコリメートされ、さらにビームスプリッタ５４で、カンチレバー自由端１４ａ（スタイラス３４）の自由端変位計測用の光と、カンチレバーホルダー１６の固定端変位計測用の光とに分離される。自由端変位計測用の光の一部は、参照鏡２２で反射されて参照光となり、残りの透過光はλ／４板５８を透過した後、カンチレバー１４背面の自由端測定部位１４ｃで反射され、再びλ／４板５８を透過して参照光と重ね合わされる。
このとき、参照光と反射光とは偏光面が互いに直交した光となっており、これらの位相差を自由端位相検出部２４で検出し、適当な信号処理を施す。この結果、参照鏡２２を基準にスタイラス３４のＺ変位情報を得ることができるので、ワーク４０表面の凹凸を把握することができる。

本実施形態にかかる形状測定装置１０によれば、カンチレバー１４の走査時に走査ステージ１８の運動誤差が生じた場合であっても、スタイラス３４がワーク４０表面に接触している状態であれば、カンチレバー１４に撓みが生じるだけで、運動誤差がカンチレバー１４の撓みで吸収されるので、走査ステージ１８の運動誤差がワーク４０の測定結果に重畳されるのを防ぐことができる。
また、本実施形態においては、レンズ６０が、参照鏡２２からのレーザー光をカンチレバー１４背面の自由端測定部位１４ｃに収束させて入射し、かつその反射光である測定光を自由端変位計２４が持つ自由端測定軸上に射出している。この結果、本実施形態においては、スタイラス３４の撓みによるカンチレバー１４背面の傾き変化の影響が懸念されるような場合であっても、カンチレバー１４背面の自由端測定部位１４ｃからの測定光は、確実にレンズ６０より射出されて自由端変位計２４で観測することができるので、スタイラス３４のＺ変位を正確に測定することができる。

高精度化
ところで、本実施形態においては、より安定かつ高精度な測定を行うため、以下の点に着目することも非常に重要である。
本実施形態にかかる走査型プローブ顕微鏡１０によれば、前述のように走査ステージ１８の運動誤差に影響されない高精度な測定を実現することができる。これは、カンチレバー１４のたわみの範囲内で測定可能な微細形状を測定対象としており、ワーク４０表面の起伏が大きい場合には、走査時にスタイラス３４がワーク４０表面から離れてしまうことがあり、正しい測定ができなくなる。
また、レンズ６０を用いて、カンチレバー１４背面の高さがレンズ６０の焦点位置から大きくずれてしまうと、カンチレバー１４背面の傾きによる誤差量も除去することができなくなる。また、ワークによってはカンチレバー１４のたわみ量が非常に大きくなり、過度の測定力がかかることがある。この結果、ワーク４０表面を傷つけたり、また、スタイラス３４が磨耗し、測定の横分解能が低下することもある。

本実施形態においては、より安定かつ高精度な測定を行うため、これらの問題を解決することが非常に重要であり、起伏の大きなワーク表面に対しても安定かつ高精度な測定を実現するため、またワーク４０表面の損傷を抑えたり、スタイラス３４の磨耗を低減したりするためにも、測定時にカンチレバー１４のたわみ量を一定に制御している。
本実施形態においては、カンチレバー１４のたわみ量の一定制御を行うため、以下のようにしてカンチレバー１４のたわみ量情報を得ている。

ビームスプリッタ５４で分離された自由端変位計測用の光と、固定端変位計測用の光との一部は、それぞれ参照鏡２２で反射されて参照光となり、残りの透過光はλ／４板５８を透過した後、それぞれカンチレバー１４背面の自由端測定部位１４ｃ、及びカンチレバーホルダー１６上のミラー７０で反射され、再びλ／４板５８を透過して参照光と重ね合わされる。このとき、参照光と反射光とは偏光面が互いに直交した光となっており、これらの位相差を位相検出部２４，２６で検出し、適当な信号処理を施す。この結果、参照鏡２２を基準にカンチレバー１４背面の自由端測定部位１４ｃ及びカンチレバーホルダー１６のＺ変位情報を得ることができる。カンチレバー１４背面の自由端測定部位１４ｃ及びカンチレバーホルダー１６のＺ変位情報から、カンチレバー１４のたわみの変化Δξを求めることができる。

本実施形態においては、このようにして求められた、たわみの変化Δξが一定となるように、カンチレバーホルダー１６のＺ位置を制御することで、図２に示すように走査時にスタイラス３４がワーク４０表面から離れてしまうことを確実に回避し、正しい測定を行うことができる。

以下に、カンチレバー１４の走査時に得られた移動端変位情報及び固定端変位情報から、カンチレバー１４のたわみの変化Δξを得る方法を、図３の模式図を用いて説明する。
ワーク４０上の任意の測定開始点において、参照鏡２２に対するカンチレバー１４背面の距離をｌ_０、参照鏡２２に対するカンチレバーホルダー１６の距離をｍ_０とする。カンチレバー１４を走査した時に、ワーク４０の形状やカンチレバーホルダー１６の上下変動によって、参照鏡２２に対するカンチレバー１４背面の距離ｌ_０、参照鏡２２に対するカンチレバーホルダー１６の距離ｍ_０が、それぞれ距離ｌ_１、距離ｍ_１に変化したとする。
測定開始点でのカンチレバー１４のたわみ量がξ_０で設定されていた場合、走査後に得られた距離ｌ_１とｍ_１から、たわみの変化量Δξが、次式で得られる。
Δξ＝（ｌ_０−ｍ_０）−（ｌ_１−ｍ_１）＝ξ_０−ξ_１
つまり、移動端変位情報と固定端変位情報との差の変動は、測定開始点でのカンチレバー１４のたわみに対する変化量を表す。

本実施形態においては、この変化量Δξの情報を用いて、カンチレバー１４のたわみ量を、たわみ量設定値に保つようにＺ方向駆動機構２０の駆動を制御する。
すなわち、本実施形態では、ワーク４０表面の凹凸情報を取得するため、参照鏡２２を基準にスタイラス３４のＺ変位を測定する際に、前述のようにして求められた、たわみ量測定値がたわみ量設定値となるように、カンチレバーホルダー１６を上下させつつワーク４０表面を走査している。
この結果、本実施形態においては、カンチレバー１４のたわみの範囲を超えるような起伏を有するワーク４０表面でもスタイラス３４がワーク４０表面から離れることなく安定して高精度な測定を行うことができる。
また、本実施形態においては、カンチレバー１４背面の自由端測定部位１４ｃが常にレンズ６０の焦点付近に位置するため、カンチレバー１４の傾きによる測定誤差を大幅に低減することができる。
また、本実施形態においては、カンチレバー１４のたわみ量に応じて決まる測定力を所定の一定値にコントロールすることができるため、さらに、測定力を小さく保つこともできる。この結果、ワーク４０の損傷を避けたり、スタイラス３４の磨耗を極力抑えたりすることもできる。
したがって、本実施形態は、自由端位相検出部２４からの自由端変位情報に基づき、ワーク表面の凹凸を的確に把握することができるので、参照鏡２２を基準としたスタイラス３４のＺ変位測定の、より安定化及び高精度化を確実に実現することができる。

変形例
なお、前記構成では、走査ステージ１８が、ワーク４０及び参照鏡２２に対し、スタイラス３４及び変位計２４，２６を、Ｘ方向に送り移動した例について説明したが、本発明は、これに限定されるものでなく、スタイラス３４及び変位計２４，２６に対し、ワーク４０及び参照鏡２２を、Ｘ方向に送り移動することも好ましい。
また、Ｘ軸方向の１軸のみならず、Ｙ方向にも同様の走査測定を行い、２次元領域でのワーク４０の凹凸形状を測定することもできる。

また、前記構成では、光波干渉式変位計の光学素子として、参照鏡２２及びλ／４板５８を設けた例について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、参照鏡２２及びλ／４板５８に代えて、ワイヤーグリッドタイプの偏光板を用いることもできる。これを用いれば、反射光と透過光とで偏光面が直交し、一の光学素子で本実施形態の参照鏡２２とλ／４板５８の双方の機能を実現することができるので、構成の簡略化が図られる。

また、前記構成では、カンチレバー固定端１４ｂの変位として、カンチレバーホルダー１６の変位を観測した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、カンチレバー固定端１４ｂと一体で可動し、カンチレバー固定端１４ｂの変位を観測することができるのであれば、任意のところ、例えばレンズホルダー７４等のＺ変位を観測することにより、カンチレバー固定端１４ｂのＺ変位を観測することもできる。

また、前記実施形態では、変位計２４，２６として光学干渉系を用いた例について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、前記変位を観測することができるものであれば、他の変位計、例えば静電容量式変位計を用いることもできる。

第二実施形態
図４には本発明の二実施形態にかかる微細形状測定装置の概略構成が示されている。前記第一実施形態と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
本実施形態においては、固定端変位計１２６として、光波干渉式変位計に代えて静電容量式変位計を用いている。これをカンチレバーホルダー１１６の上部に設けている。
本実施形態の参照鏡１２２は、金属箔膜のコーティングが施されており、これを静電容量式変位計の基準電極１８０として用いている。静電容量式変位計１２６は、検出電極１８２を備える。
そして、固定端変位計１２６は、基準電極１８０と検出電極１８２間の静電容量の変化を測定しており、静電容量の変化に基づき固定端変位情報、つまり参照鏡１２２とカンチレバーホルダー１１６間のＺ距離の変化を把握している。
本実施形態の固定端変位計１２６によれば、高精度な固定端変位情報を得ることができる

また、自由端変位計１２４では、光源１５０からのレーザー光は、レンズ１５２でコリメートされた後、ビームスプリッタ１５６を透過する。自由端変位計測用の光の一部は、参照鏡１２２で反射されて参照光となり、残りの透過光はλ／４板１５８を透過した後、カンチレバー１１４背面の自由端測定部位１１４ｃで反射され、再びλ／４板１５８を透過して参照光と重ね合わされる。このとき、参照光と反射光との位相差を自由端位相検出部１２４で検出し、適当な信号処理を施すことで、自由端変位情報、つまり参照鏡１２２を基準にしたスタイラス１３４のＺ変位情報を得ることができる。

本実施形態の固定端変位計１２６によれば、前述のようにして得られた固定端変位情報、及び自由端変位計１２４で得られた自由端変位情報に基づき、カンチレバー１１４のたわみ量を高精度に求めることができる。本実施形態は、制御手段１３０により、このようなたわみ量測定値がたわみ量設定値となるように、カンチレバーホルダー１１６を上下させつつワーク１４０表面を走査して得られた自由端変位情報に基づき、ワーク１４０表面の形状を把握するので、前記実施形態と同様、より安定かつ高精度な微細形状測定を行うことができる。

さらに、本実施形態においては、固定端変位計１２６として、カンチレバーホルダー１１６の上部に静電容量式変位計を設け、参照鏡１２２とカンチレバーホルダー１６との距離の変化を測定している。この結果、本実施形態においては、変位測定用の光学系を１つ備えていればよいため、変位測定用の光学系を２つ備えたものに比較し、装置の簡素化を図ることができる。

第三実施形態
図５には本発明の三実施形態にかかる微細形状測定装置の概略構成が示されている。前記第二実施形態と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
本実施形態においては、固定端変位計２２６として、レンズホルダー２７４にリング状の検出電極２８２を設け、静電容量式変位計を構成している。
すなわち、本実施形態においては、静電容量式変位計の検出電極２８２をリング状とし、リング状検出電極２８２の中心軸と自由端変位計２２４が持つ自由端測定軸の中心線とが一致するように、リング状検出電極２８２を、自由端変位計２２４の持つ自由端測定軸上に配置している。また、自由端変位計２２４の持つλ／４板２５８を、固定端変位計２２６の持つリング状検出電極２８２内に配置している。
このように本実施形態によれば、固定端変位計２２６が参照鏡２２２とレンズホルダー２７４と距離の変化を測定しているので、高精度な固定端変位情報を得ることができる。

本実施形態の固定端変位計２２６によれば、前述のようにして得られた固定端変位情報、及び自由端変位計２２４で得られた自由端変位情報に基づきカンチレバー２１４のたわみ量を高精度に求めることができる。本実施形態では、制御手段２３０が、カンチレバー２１４のたわみ量の測定値が設定値となるように、カンチレバーホルダー２１６を上下させつつワーク２４０表面を走査して得られた自由端変位情報に基づき、ワーク２４０表面の形状を把握するので、前記実施形態と同様、より安定かつ高精度な微細形状測定を行うことができる。

さらに、本実施形態においては、レンズ２６０とカンチレバー２１４背面との相対距離を同一軸上で測定しているとみなすことができるので、カンチレバーホルダー２１６の姿勢に変化が生じた場合であっても、カンチレバー２１４のたわみ量を正確に算出することができる。この結果、カンチレバー２１４のたわみ量の一定制御を正確に行うことができるので、より安定かつ高精度な微細形状測定を行うこともできる。

第四実施形態
図６には本発明の四実施形態にかかる微細形状測定装置の概略構成が示されている。前記第三実施形態と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
本実施形態においては、参照鏡３２２の持つ金属薄膜３８０を検出電極として利用し、レンズホルダー３７４の上部に設けられた被検出面（基準電極）３８２との距離を測定している。本実施形態の固定端変位計３２６によれば、高精度な固定端変位情報を得ることができる。

本実施形態によれば、このようにして得られた固定端変位情報、及び自由端変位計３２４で得られた自由端変位情報に基づきカンチレバー３１４のたわみ量を高精度に求めることができる。制御手段３３０は、このようにして求められたカンチレバー３１４のたわみ量の測定値が設定値となるように、カンチレバーホルダー３１６を上下させつつワーク３４０表面を走査して得られた自由端変位情報に基づき、ワーク３４０表面の形状を把握するので、前記実施形態と同様、より安定かつ高精度な微細形状測定を行うことができる。

さらに、本実施形態の静電容量式変位計は、前記走査によっても常に固定された状態で使用されるため、静電容量式変位計のケーブルを固定したまま、カンチレバー３１４を走査することができる。この結果、本実施形態においては、静電容量式変位計のケーブル移動によるヒステリシス等の悪影響を大幅に低減することができる。

なお、前記各実施形態では、干渉測長部を移動した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、干渉測長部を固定することも好ましい。以下に、その具体例について説明する。
第五実施形態
図７には本発明の第五実施形態にかかる微細形状測定装置の概略構成が示されている。前記第一実施形態と対応する部分には符号４００を加えて示し説明を省略する。
前記第一実施形態においては変位計等を含む干渉測長部を移動したが、本実施形態においては変位計４２４，４２６等を含む干渉測長部を固定している。
また、光源４５０からのレーザー光は、ワーク４４０と同程度の大きさに広げられている。そして、レーザー光のうち、遮光板４９０を通過した光の一部が参照鏡４２２で反射されて参照光となり、残りの透過光がそれぞれカンチレバー背面４１４ｃ、反射ミラー４７０で反射され、参照光と重ね合わされて位相検出部４６４，４７２へ入射する。
そして、本実施形態においては、遮光板４９０を走査ステージ４１８に固定し、カンチレバー４１４及び反射ミラー４７０と共に移動させることにより、常に同じ場所の変位を観測することができる。
また、本実施形態においては、遮光板４９０の移動に応じて反射光の光路も移動するが、レンズ４９２，４９４を配置することにより、常に位相検出部４６４，４７２の所定の位置に光が入射するような構成となっている。
このように本実施形態によれば、変位計４２４，４２６等を含む干渉測長部を固定することにより、可動部の質量を減らすことができるので、走査ステージ４１８を高速に移動させることができる。これにより本実施形態においては、さらに、測定時間の短縮化を図ることもできる。

本発明の第一実施形態にかかる微細形状測定装置の概略構成の説明図である。 本発明が解決しようとする課題の説明図である。 本実施形態にかかる微細形状測定装置の作用の説明図である。 本発明の第二実施形態にかかる微細形状測定装置の概略構成の説明図である。 本発明の第三実施形態にかかる微細形状測定装置の概略構成の説明図である。 本発明の第四実施形態にかかる微細形状測定装置の概略構成の説明図である。 本発明の第五実施形態にかかる微細形状測定装置の概略構成の説明図である。

符号の説明

１０，１１０，２１０，３１０，４１０ 走査型プローブ顕微鏡（微細形状測定装置）
１４，１１４，２１４，３１４，４１４ カンチレバー
１８，１１８，２１８，３１８，４１８ 走査ステージ（走査手段）
２０，１２０，２２０，３２０，４２０ Ｚ方向駆動機構（駆動手段）
２２，１２２，２２２，３２２，４２２ 参照鏡（基準部材）
２４，１２４，２２４，３２４，４２４ 移動端変位計
２６，１２６，２２６，３２６，４２６ 固定端変位計
２８，１２８，２２８，３２８，４２８ 演算手段
３０，１３０，２３０，３３０，４３０ 制御手段
３２，１３２，２３２，３３２，４３２ 解析手段
３４，１３４，２３４，３３４，４３４ スタイラス

Claims (7)

1. 固定端が保持された状態でワーク表面の凹凸をなぞるためのスタイラスを自由端に持ち、上下方向に可撓性を有するカンチレバーと、
   前記カンチレバーとワーク表面とを横方向に相対的に走査させる走査手段と、
   前記カンチレバー固定端を上下動する駆動手段と、
   前記走査によっても、ワークに対する相対的な位置及び姿勢が変化しないように設けられた基準部材と、
   前記基準部材と前記スタイラスとの上下方向の相対変位を測定し、自由端変位情報を出力する自由端変位計と、
   前記基準部材と前記カンチレバー固定端との上下方向の相対変位を測定し、固定端変位情報を出力する固定端変位計と、
   前記自由端変位計で得られた自由端変位情報、及び前記固定端変位計で得られた固定端変位情報に基づき、前記カンチレバーの上下方向のたわみ量を求める演算手段と、
   前記駆動手段の動作を制御し、前記演算手段で求められたたわみ量が所定値となるように、前記カンチレバー固定端の上下方向位置を制御するための制御手段と、
   を備え、前記カンチレバーのたわみ量が所定値となるように前記カンチレバー固定端を上下させつつ前記ワーク表面を走査して得られた前記自由端変位情報に基づき、該ワーク表面の形状を把握することを特徴とする微細形状測定装置。
2. 請求項１記載の微細形状測定装置において、
   前記走査手段は、前記スタイラスの上下方向の自由端変位軸と自由端変位計が持つ自由端測定軸とが常に一致し、かつ前記カンチレバー固定端の上下方向の固定端変位軸と固定端変位計が持つ固定端測定軸とが常に一致するように、前記カンチレバー及び変位計に対するワーク及び基準部材の走査を行うこと、又は前記ワーク及び基準部材に対するカンチレバー及び変位計の走査を行うことを特徴とする微細形状測定装置。
3. 請求項１又は２記載の微細形状測定装置において、
   前記自由端変位計は光波干渉式変位計であり、前記基準部材は光波干渉式変位計の参照鏡であり、
   前記自由端変位計は、可干渉光の一部を参照鏡に入射して得られた参照鏡での反射光である参照光と、参照鏡を透過しカンチレバー背面のスタイラス上に位置する自由端測定部位に入射して得られた反射光である測定光とを参照鏡で干渉させ、その干渉に基づく前記移動端変位情報を得ることを特徴とする微細形状測定装置。
4. 請求項３記載の微細形状測定装置において、
   前記自由端変位計は、前記参照鏡からの可干渉性を有する平行光束中に挿入された状態で、前記カンチレバーと共に横方向に走査されるレンズを備え、
   前記レンズは、前記参照鏡からの平行光束をカンチレバー背面の自由端測定部位に収束させて入射し、かつその反射光である測定光を自由端変位計の持つ自由端測定軸上に射出することを特徴とする微細形状測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の微細形状測定装置において、
   前記固定端変位計は光波干渉式変位計であり、前記基準部材は光波干渉式変位計の参照鏡であり、
   前記固定端変位計は、可干渉光の一部を参照鏡に入射して得られた参照鏡での反射光である参照光と、参照鏡を透過し実質的にカンチレバー固定端に入射して得られた反射光である測定光とを参照鏡で干渉させ、その干渉に基づく前記固定端変位情報を得ることを特徴とする微細形状測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の微細形状測定装置において、
   前記固定端変位計は、上下方向に相対向する二の電極である基準電極及び検出電極を備えた静電容量式変位計であり、
   前記基準電極は前記基準部材に設けられ、前記検出電極は実質的に前記カンチレバー固定端に設けられており、
   前記固定端変位計は、前記基準電極と前記検出電極間の静電容量の変化を測定し、該静電容量の変化に基づく固定端変位情報を得ることを特徴とする微細形状測定装置。
7. 請求項６記載の微細形状測定装置において、
   前記検出電極をリング状の電極とし、
   前記リング状検出電極の中心軸と前記自由端変位計の持つ自由端測定軸とが一致するように、該リング状検出電極を該自由端変位計の持つ自由端測定軸上に配置することを特徴とする微細形状測定装置。

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