JP2008164357A

JP2008164357A - 測定装置

Info

Publication number: JP2008164357A
Application number: JP2006352371A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hagino; 健萩野
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-07-17

Abstract

【課題】被測定物の表面形状などによって、急激に大きな変位が与えられても、表面形状を正確に測定することができる測定装置を提供する。
【解決手段】カンチレバー２の変位が一定となるように、カンチレバー２および被測定物１の一方を他方に対して接近離間させながら、被測定物１の表面形状を測定する測定装置。カンチレバー２の先端部における変位量を計測する第１の干渉計２０Ａと、カンチレバー２の先端部よりも基端部寄り位置における変位量を計測する第２の干渉計２０Ｂと、第１の干渉計２０Ａによって計測された変位量と第２の干渉計２０Ｂによって計測された変位量とからカンチレバー２の変位量を求める変位検出手段３０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置に関する。例えば、原子間力顕微鏡など、カンチレバーのたわみ変位から被測定物の表面形状を測定する測定装置に関する。

基端部を固定端としたカンチレバーの先端部に探針を設け、この探針を被測定物に近接させることによって生じるカンチレバーのたわみ変位を計測し、この変位が一定となるようにカンチレバーおよび被測定物の一方を他方に対して接近、離間させながら、被測定物表面を走査して被測定物の表面形状を測定する測定装置として、原子間力顕微鏡が知られている。
従来、原子間力顕微鏡において、カンチレバーのたわみ変位を計測する計測手段として、レーザ干渉計を用いた測定装置が提案されている（特許文献１参照）。

＜従来のレーザ干渉計を用いた原子間力顕微鏡（図４）の説明＞
図４において、レーザ発振器１１から発せられたレーザ光は、ビームスプリッタ２１において、参照鏡２２に進む光束（反射光）と、集光レンズ２３に進む光束（透過光）とに分割される。参照鏡２２に進んだ光束は、参照鏡２２で反射されたのち、元の光路を戻りビームスプリッタ２１に達する。集光レンズ２３に進んだ光束は、カンチレバー２の先端部表面上に焦点を結ぶように集光される。さらに、カンチレバー２の表面で反射され、集光レンズ２３を透過したのち、ビームスプリッタ２１に達する。
ビームスプリッタ２１において、参照鏡２２からの反射光とカンチレバー２からの反射光とが重ね合わされ干渉される。ここで、重ね合わされた干渉光は、光検出器２４で干渉光信号として検出される。変位検出手段３０は、光検出器２４からの干渉光信号を基に、カンチレバー２のたわみによる変位量を求め、上下微動機構４０を駆動させる。つまり、カンチレバー２の変位量が一定になるように、上下微動機構４０を駆動させる。

いま、走査機構５０を駆動して、被測定物１を水平方向（カンチレバー２の長手方向）へ移動させると、被測定物１の表面形状に応じてカンチレバー２が上下方向へ変位される。すると、ビームスプリッタ２１において分割された参照鏡２２に進む光束と集光レンズ２３に進む光束との光路長が変化するから、その光路長に応じて、光検出器２４からの干渉光信号が変化する（干渉縞が生じる）。すると、変位検出手段３０は、光検出器２４からの干渉光信号を基にカンチレバー２の変位量が一定となるように、上下微動機構４０を駆動させる。これにより、走査機構５０の走査位置データと上下微動機構４０の上下位置データとから、被測定物１の表面形状を求めることができる。

特開平５−２３１８６３号公報

従来のレーザ干渉計を用いた原子間力顕微鏡では、カンチレバーの変位を検出する時間周期より早く、急激に大きな変位が与えられた場合、位相飛びが発生し、カンチレバーの変位を正確に測定することができない。そのため、表面に大きな段差がある被測定物では、被測定物の表面形状を測定できない場合も生じる。

本発明の目的は、被測定物の表面形状などによって、急激に大きな変位が与えられても、表面形状を正確に測定することができる測定装置を提供することにある。

上記目的達成のため、本発明の測定装置では、基端部を固定端としたカンチレバーの先端部に探針を設け、この探針を被測定物に近接させることによって生じるカンチレバーのたわみ変位を計測し、この変位が一定となるように前記カンチレバーおよび被測定物の一方を他方に対して接近離間させながら、被測定物の表面形状を測定する測定装置において、前記カンチレバーの先端部における変位量を計測する第１の干渉計と、前記カンチレバーの先端部よりも基端部寄り位置における変位量を計測する第２の干渉計と、前記第１の干渉計によって計測された変位量と前記第２の干渉計によって計測された変位量とから前記カンチレバーの変位量を求める変位検出手段とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、第１の干渉計によってカンチレバーの先端部における変位量が、第２の干渉計によってカンチレバーの先端部よりも基端部寄り位置における変位量がそれぞれ計測される。
いま、カンチレバーの先端部に、第１の干渉計の位相飛びを生じさせる大きな変位が急激に与えられると、第１の干渉計では、カンチレバーの変位量を正確に測定できない。しかし、カンチレバーの先端部より基端部寄り位置の変位量は、カンチレバーの先端部の変位量より小さいため、第２の干渉計によってカンチレバーの変位量を計測できる。

たとえば、第１の干渉計では、カンチレバーの先端部の変位量を検出し、第２の干渉計では、カンチレバーの中間位置（カンチレバーの基端から先端までの１／２の位置）の変位量を検出すると、カンチレバーが直線的に変形すると仮定した場合、カンチレバーの中間位置の変位量は、カンチレバーの先端部位置の変位量の１／２である。
そのため、カンチレバーの先端部に、第１の干渉計の位相飛びを生じさせる変位が生じても、カンチレバーの中間位置の変位量は先端位置の変位量の１／２となるから、第２の干渉計においては位相とびが生じず、十分測定可能である。
従って、第１の干渉計で計測不能であった変位量を、第２の干渉計で計測された変位量で補完して、カンチレバーの変位量が一定となるように、カンチレバーおよび被測定物の一方を他方に対して接近離間させれば、被測定物の表面形状などによって、急激に大きな変位が与えられても、被測定物の表面形状を正確に測定することができる。

本発明の測定装置において、前記第１の干渉計および第２の干渉計は、光束を反射光と透過光とに分割するビームスプリッタと、このビームスプリッタによって反射された反射光を前記ビームスプリッタへ向けて反射する参照鏡と、前記ビームスプリッタを透過した透過光を前記カンチレバーの表面に集光させる集光レンズと、前記参照鏡で反射された反射光および前記カンチレバーの表面で反射された反射光の干渉光を検出する光検出器とを含んで構成されていることが好ましい。

とくに、上記測定装置において、前記第１の干渉計および第２の干渉計の各ビームスプリッタをそれぞれの干渉計の２つの光束の光路上に配置された１つのビームスプリッタによって構成するとともに、前記各参照鏡を光路を挟んで光検出器とは反対側に配置された１つの参照鏡によって構成すれば、ビームスプリッタおよび参照鏡が２つの光束で共有できるため、つまり、ビームスプリッタおよび参照鏡がそれぞれ１つで済むから、部品点数が少なく、装置構成をコンパクト化できるとともに、経済的に構成できる。

本発明の測定装置において、レーザ発振器と、このレーザ発振器から発せられたレーザ光を２つの光束に分割し前記第１の干渉計および第２の干渉計に導く光束分割手段とを含んで構成されていることが好ましい。
ここで光束分割手段としては、ビームスプリッタや２つの孔を有するピンホールなどを利用することができる。
この構成によれば、第１の干渉計および第２の干渉計に対して、１つのレーザ発振器で済むから、装置構成をコンパクト化できるとともに、経済的に構成できる。

＜第１の実施形態（図１参照）＞
図１には、本発明の第１の実施形態に係る測定装置が示されている。なお、図１の説明にあたって、図４と同一構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
第１実施形態の測定装置は、レーザ光を２つの光束に分割する光束分割手段１０と、この光束分割手段１０によって分割された一方の光束を使ってカンチレバー２の先端部におけるたわみ変位を計測する第１の干渉計２０Ａと、光束分割手段１０によって分割された他方の光束を使ってカンチレバー２の先端部よりも基端部寄り位置における変位を計測する第２の干渉計２０Ｂと、第１の干渉計２０Ａによって検出された変位量と第２の計測手段２０Ｂによって検出された変位量とからカンチレバー２の変位量を求める変位検出手段３０と、上下微動機構４０と、走査機構５０とを備えている。

光束分割手段１０は、レーザ発振器１１と、このレーザ発振器１１からのレーザ光を透過光と反射光とに分割するビームスプリッタ１２と、このビームスプリッタ１２によって反射された光束を第２の干渉計２０Ｂへ向けて曲げるビームベンダ１３とを含んで構成されている。

第１の干渉計２０Ａは、ビームスプリッタ１２を透過した光束を２つの光束（反射光と透過光）に分割するビームスプリッタ２１Ａと、このビームスプリッタ２１Ａで反射された光束を反射してビームスプリッタ２１Ａへ戻す参照鏡２２Ａと、ビームスプリッタ２１Ａを透過した光束をカンチレバー２の先端部表面に集光させる集光レンズ２３Ａと、カンチレバー２の先端部表面に集光されかつそこで反射されたのちビームスプリッタ２１Ａで反射された光束と参照鏡２２Ａで反射された光束との干渉光を干渉光信号として検出する光検出器２４Ａとを含んで構成されている。

第２の干渉計２０Ｂは、ビームベンダ１３からの光束を２つの光束（反射光と透過光）に分割するビームスプリッタ２１Ｂと、このビームスプリッタ２１Ｂで反射された光束を反射してビームスプリッタ２１Ｂへ戻す参照鏡２２Ｂと、ビームスプリッタ２１Ｂを透過した光束をカンチレバー２の先端部より基端部寄り位置表面に集光させる集光レンズ２３Ｂと、カンチレバー２の先端部より基端部寄り位置表面に集光されかつそこで反射されたのちビームスプリッタ２１Ｂで反射された光束と参照鏡２２Ｂで反射された光束との干渉光を干渉光信号として出力する光検出器２４Ｂとを含んで構成されている。

変位検出手段３０は、第１の干渉計２０Ａからの干渉光信号（カンチレバー２の先端部の変位量）と第２の干渉計２０Ｂからの干渉光信号（カンチレバー２の先端部より基端部寄り位置の変位量）とからカンチレバー２の変位量を求め、カンチレバー２の変位量が常に一定になるように、上下微動機構４０を制御する。つまり、第１の干渉計２０Ａからの干渉光信号によってカンチレバー２の先端部の変位量が計測できない場合、第１の干渉計２０Ａで得られる変位量を、第２の干渉計２０Ｂによって求められる変位量（カンチレバー２の先端部より基端部側位置の変位量）で補完し、カンチレバー２の変位量が常に一定になるように、上下微動機構４０を制御する。

以上の構成において、走査機構５０を駆動して、被測定物１をカンチレバー２に対して移動させると、被測定物１の表面形状に応じてカンチレバー２が上下方向へ変位される。すると、第１、第２の干渉計２０Ａ，２０Ｂによって、それぞれが焦点を結んだ位置におけるカンチレバー２の変位が検出され、変位検出手段３０によって各位置の変位量が求められる。
いま、カンチレバー２に、干渉計の位相飛びを生じさせるような大きな変位が急激に与えられると、第１の干渉計２０Ａでは、位相飛びが生じて変位量を測定できなくなる。しかし、第２の干渉計２０Ｂでは、カンチレバー２の先端部より基端部寄り位置の変位を検出しているため、第１の干渉計２０Ａよりも広いレンジを測定できる。

たとえば、図２に示すように、第１の干渉計２０Ａでは、カンチレバー２の先端部の変位量を検出し、第２の干渉計２０Ｂでは、カンチレバー２の中間位置（カンチレバー２の基端部から先端部までの１／２の位置）の変位量を検出すると、カンチレバー２が直線的に変形すると仮定した場合、カンチレバー２の中間位置の変位量δ２は、カンチレバー２の先端位置の変位量δ１の１／２である。
そのため、カンチレバー２の先端部に、第１の干渉計２０Ａの位相飛びを生じさせる変位（たとえば、レーザ光波長λ程度の変位）が生じても、カンチレバー２の中間位置の変位量はλ／２となるから、第２の干渉計２０Ｂにおいては、測定可能である。なお、実際のカンチレバー２の変形は、ここでの仮定のように直線的ではないが、弾性変形の領域であれば、任意の位置での変形量は解析的に求めることができる。

従って、変位検出手段３０において、位相飛びが発生した第１の干渉計２０Ａの干渉光信号による変位量情報を、第２の干渉計２０Ｂの干渉光信号による変位量情報で補完すれば、カンチレバー２の定位置における変位量を測定することができる。
たとえば、図２の関係において、カンチレバー２の基端部から第１の干渉計２０Ａの集光位置（先端部）までの距離をＬ１、カンチレバー２の基端部から第２の干渉計２０Ｂの集光位置（中間位置）までの距離をＬ２、先端部における変位量をδ１，中間位置における変位量をδ２とすると、
δ２×（Ｌ１／Ｌ２） ………（１）
から、カンチレバー２の先端部における変位量δ１を求めることができる。
これにより、カンチレバー２の先端部に、第１の干渉計２０Ａの位相飛びを生じさせる変位（たとえば、レーザ光波長λ程度の変位）が生じても、カンチレバー２の定位置（例えば、先端位置）における変位量を測定することができるから、常に正確な測定が可能である。

第１実施形態によれば、次の効果が期待できる。
（１）第１の干渉計２０Ａによってカンチレバー２の先端部における変位量を、第２の干渉計２０Ｂによってカンチレバー２の先端部よりも基端部寄り位置における変位量をそれぞれ計測できる。そのため、カンチレバー２の先端部に、第１の干渉計２０Ａの位相飛びを生じさせるような大きな変位が急激に与えられると、第１の干渉計２０Ａでは、カンチレバー２の変位量を正確に測定できないが、カンチレバー２の先端部より基端部寄り位置の変位量は、カンチレバー２の先端部の変位量より小さいため、第２の干渉計２０Ｂによってカンチレバー２の変位量を計測できる。

（２）たとえば、カンチレバー２の先端部に、第１の干渉計２０Ａの位相飛びを生じさせる変位（たとえば、レーザ光波長λ程度の変位）が生じると、第１の干渉計２０Ａでは、カンチレバー２の変位量を測定できない。しかし、カンチレバー２の中間位置の変位量はλ／２となるから、第２の干渉計２０Ｂを構成する干渉計においては、測定可能である。
そのため、第１の干渉計２０Ａからの変位量を、第２の干渉計２０Ｂで計測されたカンチレバー２の変位量で補完し、カンチレバー２の定位置の変位量を求めることができるから、この変位量が一定となるように、カンチレバー２および被測定物１の一方を他方に対して接近離間させれば、被測定物１の表面形状を測定することができる。

＜第２実施形態（図３）の説明＞
図３には、本発明の第２の実施形態に係る測定装置が示されている。なお、図３の説明にあたって、図１と同一構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
第２実施形態の測定装置は、第１実施形態の測定装置に対して、光束分割手段１０が異なるとともに、第１の干渉計２０Ａおよび第２の干渉計２０Ｂの各ビームスプリッタ２１Ａ，２１Ｂ、各参照鏡２２Ａ，２２Ｂが１つのビームスプリッタ２１ＡＢ、１つの参照鏡２２ＡＢによって構成されている点が異なる。

第２実施形態の光束分割手段１０は、レーザ発振器１１と、このレーザ発振器１１からのレーザ光をカンチレバー２の先端部およびこれより基端部寄り位置に照射するように２つの光束に分割するピンホール１４とを含んで構成されている。

第２実施形態のビームスプリッタ２１ＡＢは、ピンホール１４によって分割された２つの光束が通る光路上に配置され、各光束を２つの光束（透過光と反射光）に分割する。
第２実施形態の参照鏡２２ＡＢは、ビームスプリッタ２１ＡＢによって分割された２つの反射光の進む方向に光束と垂直に配置されそれぞれの反射光をビームスプリッタ２１ＡＢへ向けて反射する。
第２実施形態の光検出器２４Ａ，２４Ｂは、光束を挟んで参照鏡２２ＡＢとは反対側に配置されている。

このような構成において、レーザ発振器１１から発せられたレーザ光は、ピンホールに１４よって２つの光束に分割される。各光束は、ビームスプリッタ２１ＡＢにおいて、参照鏡２２ＡＢに進む光束と、集光レンズ２３Ａ，２３Ｂに進む光束とに分割される。参照鏡２２ＡＢに進んだ光束は、参照鏡２２ＡＢで反射されたのち、ビームスプリッタ２１ＡＢに達する。集光レンズ２３Ａ，２３Ｂに進んだ光束は、カンチレバー２の先端部およびこれより基端部寄り位置表面上に焦点を結ぶように集光される。さらに、カンチレバー２の各表面で反射され、集光レンズ２３Ａ，２３Ｂを透過したのち、ビームスプリッタ２１ＡＢに達する。
ビームスプリッタ２１ＡＢにおいて、参照鏡２２ＡＢからの反射光とカンチレバー２からの反射光（先端部および先端部より基端部寄り位置からの反射光）とが重ね合わされて干渉されたのち、この干渉光が光検出器２４Ａ，２４Ｂで干渉光信号として検出される。これ以降の機能は、図１と同様である。

第２実施形態によれば、第１実施形態に対して、次の効果が期待できる。
（３）ビームスプリッタ２１ＡＢおよび参照鏡２２ＡＢが２つの光束で共有できるため、つまり、ビームスプリッタ２１ＡＢおよび参照鏡２２ＡＢがそれぞれ１つで済むから、部品点数が少なく、装置構成をコンパクト化できるとともに、経済的に構成できる。

＜変形例の説明＞
本発明は、前記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。
前記各実施形態では、カンチレバー２の先端に設けた探針３を被測定物表面に接触させながら、被測定物１の表面形状を測定していたが、このような接触モードによる測定に限られない。
たとえば、探針３を被測定物１の表面に接触させずに測定する方式、探針３を被測定物１の表面に周期的に接触させて測定する方式などでもよい。

前記各実施形態では、第２の干渉計２０Ｂによって、カンチレバー２の先端部より基端部寄り位置の変位を計測したが、第２の干渉計２０Ｂの計測位置は、カンチレバー２の先端部よりも基端部寄り位置であれば、基端部近傍であってもよい。つまり、カンチレバー２の基端部から先端部までの間で、基端部および先端部を除く位置であれば、どこでもよい。

前記第２実施形態では、レーザ発振器１１からのレーザ光をピンホール１４によって２つの光束に分割したが、必ずしも、ピンホールに限らず、他の分割手段でもよい。たとえば、第１実施形態のように、ビームスプリッタと参照境とを用いてもよい。

本発明は、例えば、干渉計利用による原子間力顕微鏡など、カンチレバーのたわみ変位から被測定物の表面形状を測定する測定装置一般に適用できる。

本発明の第１実施形態に係る測定装置の全体構成を示す図。同上実施形態において、カンチレバーの変位した状態を示す図。本発明の第２実施形態に係る測定装置の全体構成を示す図。従来の原子間力顕微鏡の原理を示す図。

符号の説明

１…被測定物
２…カンチレバー
３…探針
１０…光束分割手段
１１…レーザ発振器
１２…ビームスプリッタ
１３…ビームベンダ
１４…ピンホール
２０Ａ…第１の干渉計
２０Ｂ…第２の干渉計
２１,２１Ａ,２１Ｂ,２１ＡＢ…ビームスプリッタ
２２,２２Ａ,２２Ｂ,２２ＡＢ…参照鏡
２３,２３Ａ,２３Ｂ…集光レンズ
２４,２４Ａ,２４Ｂ…光検出器
３０…変位検出手段
４０…上下微動機構
５０…走査機構。

Claims

基端部を固定端としたカンチレバーの先端部に探針を設け、この探針を被測定物に近接させることによって生じるカンチレバーのたわみ変位を計測し、この変位が一定となるように前記カンチレバーおよび被測定物の一方を他方に対して接近離間させながら、被測定物の表面形状を測定する測定装置において、
前記カンチレバーの先端部における変位量を計測する第１の干渉計と、
前記カンチレバーの先端部よりも基端部寄り位置における変位量を計測する第２の干渉計と、
前記第１の干渉計によって計測された変位量と前記第２の干渉計によって計測された変位量とから前記カンチレバーの変位量を求める変位検出手段とを備えたことを特徴とする測定装置。
請求項１に記載の測定装置において、
前記第１の干渉計および第２の干渉計は、光束を反射光と透過光とに分割するビームスプリッタと、このビームスプリッタによって反射された反射光を前記ビームスプリッタへ向けて反射する参照鏡と、前記ビームスプリッタを透過した透過光を前記カンチレバーの表面に集光させる集光レンズと、前記参照鏡で反射された反射光および前記カンチレバーの表面で反射された反射光の干渉光を検出する光検出器とを含んで構成されていることを特徴とする測定装置。
請求項２に記載の測定装置において、
前記第１の干渉計および第２の干渉計の各ビームスプリッタをそれぞれの干渉計の２つの光束の光路上に配置された１つのビームスプリッタによって構成するとともに、前記各参照鏡を光路を挟んで光検出器とは反対側に配置された１つの参照鏡によって構成したことを特徴とする測定装置。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の測定装置において、
レーザ発振器と、このレーザ発振器から発せられたレーザ光を２つの光束に分割し前記第１の干渉計および第２の干渉計に導く光束分割手段とを含んで構成されていることを特徴とする測定装置。