JP2679339B2 - 微小変位検出装置 - Google Patents
微小変位検出装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は原子間力を用いた表面形状測定装置に関し、
探針と試料との間に働く原子間力に変化によるナノメー
トル以下の探針の変位の測定、あるいはマイクロメータ
オーダのストロークでの微小変位の検出に用いられる微
小変位検出装置に関するものである。
探針と試料との間に働く原子間力に変化によるナノメー
トル以下の探針の変位の測定、あるいはマイクロメータ
オーダのストロークでの微小変位の検出に用いられる微
小変位検出装置に関するものである。
従来の技術 微細な表面形状を測定する装置として、試料と試料の
表面ごく近くに接触することなく設置された鋭く先の尖
った探針との間に働く原子間力を検出し、この検出され
た力が一定になるように試料の位置を探針と垂直方向に
変化させることによりナノメートルオーダの精度で試料
と探針との間の距離を一定にし、試料の位置を探針と水
平方向に走査することにより試料の表面形状測定を行う
ものが知られている。この測定では、探針と試料との間
の距離を一定に保つために探針と試料との間に働く原子
間力を一定にする必要があり、この力の検出にばねで支
持された探針が原子間力を受けることによって変化する
たわみ量を検出し探針と試料間の距離を検出する。これ
ら原子間力を利用した微細表面形状の測定装置におい
て、ナノメートル以下精度で探針の変位を測定する必要
性が高まっている。
表面ごく近くに接触することなく設置された鋭く先の尖
った探針との間に働く原子間力を検出し、この検出され
た力が一定になるように試料の位置を探針と垂直方向に
変化させることによりナノメートルオーダの精度で試料
と探針との間の距離を一定にし、試料の位置を探針と水
平方向に走査することにより試料の表面形状測定を行う
ものが知られている。この測定では、探針と試料との間
の距離を一定に保つために探針と試料との間に働く原子
間力を一定にする必要があり、この力の検出にばねで支
持された探針が原子間力を受けることによって変化する
たわみ量を検出し探針と試料間の距離を検出する。これ
ら原子間力を利用した微細表面形状の測定装置におい
て、ナノメートル以下精度で探針の変位を測定する必要
性が高まっている。
以下図面を参照しながら、従来例について説明する。
第３図は従来の探針変位演出装置の構成を示すもので
ある。第３図において、101は偏光ビームスプリッタ、1
02,103はλ/4波長板、104はレンズ、105は片持ち梁状に
支持され変位面を有する探針、106は参照面を構成する
ミラー、107,110は偏光板、108,111は光検出器、109は
ビームスプリッタである。
ある。第３図において、101は偏光ビームスプリッタ、1
02,103はλ/4波長板、104はレンズ、105は片持ち梁状に
支持され変位面を有する探針、106は参照面を構成する
ミラー、107,110は偏光板、108,111は光検出器、109は
ビームスプリッタである。
以上のように構成された微小変位検出装置について以
下その動作について説明する。
下その動作について説明する。
周波数のわずかに異なる２周波の紙面に垂直な方向と
水平な方向に直線偏光したレーザ光線（図示せず）の光
はビームスプリッタ109に入射され、分離されたレーザ
光の一部は、偏光板110により紙面に45゜偏光した偏光
成分のみ光検出器111にて２周波の差周波のビートを参
照信号として検出される。
水平な方向に直線偏光したレーザ光線（図示せず）の光
はビームスプリッタ109に入射され、分離されたレーザ
光の一部は、偏光板110により紙面に45゜偏光した偏光
成分のみ光検出器111にて２周波の差周波のビートを参
照信号として検出される。
ビームスプリッタ109により分離されたもう一方の光
は偏光ビームスプリッタ101に入射され、紙面に平行な
偏光方向の光は参照光としてミラー106の方向に分離さ
れλ/4波長板103を通りミラー106により反射され再度λ
/4波長板103を通ることにより偏光方向が90゜変えら
れ、偏光ビームスプリッタ101を今度は直進し、偏光板1
07を通り光検出器108に達する。
は偏光ビームスプリッタ101に入射され、紙面に平行な
偏光方向の光は参照光としてミラー106の方向に分離さ
れλ/4波長板103を通りミラー106により反射され再度λ
/4波長板103を通ることにより偏光方向が90゜変えら
れ、偏光ビームスプリッタ101を今度は直進し、偏光板1
07を通り光検出器108に達する。
偏光ビームスプリッタ101に入射された紙面に垂直な
偏光方向の光は変位光として探針105の方向に分離され
λ/4波長板102、レンズ104を通り探針105の変位面によ
り反射され再度λ/4波長板102を通ることにより偏光方
向が90゜変えられ、偏光ビームスプリッタ101により進
行方向を90゜曲げられ偏光板107を通り光検出器108に達
する。
偏光方向の光は変位光として探針105の方向に分離され
λ/4波長板102、レンズ104を通り探針105の変位面によ
り反射され再度λ/4波長板102を通ることにより偏光方
向が90゜変えられ、偏光ビームスプリッタ101により進
行方向を90゜曲げられ偏光板107を通り光検出器108に達
する。
ミラー106により反射された参照光と、探針105により
反射された変位光の差周波のビートが光検出器108で検
出される。ここで探針の変位により前記変位光の光路長
が変化し前記参照光との光路長差を、光検出器108で検
出されるビート信号の位相変化として出力し、このビー
ト信号と光検出器111で検出されたビート信号の位相差
を求めることにより変位を検出する。
反射された変位光の差周波のビートが光検出器108で検
出される。ここで探針の変位により前記変位光の光路長
が変化し前記参照光との光路長差を、光検出器108で検
出されるビート信号の位相変化として出力し、このビー
ト信号と光検出器111で検出されたビート信号の位相差
を求めることにより変位を検出する。
発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では、探針105の位置
測定の基準位置はミラー106でありこのミラー106が外乱
等により振動した場合、探針位置の検出に誤差を生じ
る。また参照光と変位光の光路が互いに異なるため、空
気の温度、気圧、温度等の変化による屈折率の変化によ
り、探針位置の検出に誤差を生じやすい。
測定の基準位置はミラー106でありこのミラー106が外乱
等により振動した場合、探針位置の検出に誤差を生じ
る。また参照光と変位光の光路が互いに異なるため、空
気の温度、気圧、温度等の変化による屈折率の変化によ
り、探針位置の検出に誤差を生じやすい。
本発明は上記問題点に鑑み、外乱振動による測定精度
への影響が少なく、空気の屈折率の変化による測定誤差
の少ない、高精度な微小変位検出装置を提供するもので
ある。
への影響が少なく、空気の屈折率の変化による測定誤差
の少ない、高精度な微小変位検出装置を提供するもので
ある。
課題を解決するための手段 上記問題点を解決するために請求項１記載の微小変位
検出装置は、レーザ光源と、前記光源の光を分離する回
折格子と、前記回折格子により生じた回折光の±１次以
外の光を遮蔽するフィルタと、前記回折光の±１次の回
折光のうちのどちらか一方の回折光の偏光状態を変化さ
せる波長板と、前記±１次の２つの回折光を前記変位面
と前記参照面に集光するレンズと、前記レンズにより集
光され前記変位面と前記参照面により反射した光を再び
前記レンズにより平行光束化し、再度前記回折格子に前
記変位面からの光と、前記参照面からのビームが重なる
ように入射し、回折した光のうちお互いの１次の回折光
の干渉光を検出する光検出器とを備えたことを特徴とす
る。
検出装置は、レーザ光源と、前記光源の光を分離する回
折格子と、前記回折格子により生じた回折光の±１次以
外の光を遮蔽するフィルタと、前記回折光の±１次の回
折光のうちのどちらか一方の回折光の偏光状態を変化さ
せる波長板と、前記±１次の２つの回折光を前記変位面
と前記参照面に集光するレンズと、前記レンズにより集
光され前記変位面と前記参照面により反射した光を再び
前記レンズにより平行光束化し、再度前記回折格子に前
記変位面からの光と、前記参照面からのビームが重なる
ように入射し、回折した光のうちお互いの１次の回折光
の干渉光を検出する光検出器とを備えたことを特徴とす
る。
また、請求項２記載の微小変位検出装置は、上記構成
において、周波数のわずかに異なる２周波のレーザ光源
と、光検出器より得られたビート信号と前記レーザ光源
のビート信号との位相差を検出する位相検出器とを備え
たことを特徴とする。
において、周波数のわずかに異なる２周波のレーザ光源
と、光検出器より得られたビート信号と前記レーザ光源
のビート信号との位相差を検出する位相検出器とを備え
たことを特徴とする。
作用 本発明は上記構成により、参照面を変位面の近傍に設
けることができるので、外乱振動による測定精度への影
響が少なく、また参照光と変位光の光路がほぼ同一の経
路をたどるので、空気の屈折率の変化による測定誤差の
少ない、高精度な微小変位検出を行うことが可能とな
る。
けることができるので、外乱振動による測定精度への影
響が少なく、また参照光と変位光の光路がほぼ同一の経
路をたどるので、空気の屈折率の変化による測定誤差の
少ない、高精度な微小変位検出を行うことが可能とな
る。
実 施 例 以下、本発明の微小変位検出装置について、図面を参
照しながら説明する。
照しながら説明する。
第１図は、本発明の第１実施例における微小変位検出
装置の全体構成を示すものである。第１図において、１
は回折格子、２はレンズ、３はホルダ13によって片持ち
梁状に支持された探針、４はλ/4波長板、5,6はフィル
タ、７は偏光板、８は光検出器、９はミラー、14は試料
である。
装置の全体構成を示すものである。第１図において、１
は回折格子、２はレンズ、３はホルダ13によって片持ち
梁状に支持された探針、４はλ/4波長板、5,6はフィル
タ、７は偏光板、８は光検出器、９はミラー、14は試料
である。
以上のように構成された微小変位検出装置について、
以下第１図を用いてその作用を説明する。
以下第１図を用いてその作用を説明する。
紙面に対し45゜の方向に直線偏光したHe−Neレーザ光
線（図示せず）の光は回折格子１に入射され、前記回折
格子１から出射した光の±１次の回折光以外はフィルタ
５により遮蔽する。
線（図示せず）の光は回折格子１に入射され、前記回折
格子１から出射した光の±１次の回折光以外はフィルタ
５により遮蔽する。
前記回折格子１から出射された±１次の光のうち、＋
１次の回折光は、λ/4波長板４により円偏光に変化され
たのち、レンズ２により焦点距離に等しい位置ｆに設置
された探針３の変位面Ａに集光され反射し、レンズ２に
より再び平行光束化し、回折格子１により再度回折され
フィルタ６により＋１次の回折光のみ通過する。
１次の回折光は、λ/4波長板４により円偏光に変化され
たのち、レンズ２により焦点距離に等しい位置ｆに設置
された探針３の変位面Ａに集光され反射し、レンズ２に
より再び平行光束化し、回折格子１により再度回折され
フィルタ６により＋１次の回折光のみ通過する。
他方、前記回折格子１より出射した−１次の回折光は
レンズ２により探針３のホルダ13に形成した参照面Ｂに
集光したのち反射し、レンズ２により再び平行光束化
し、回折格子１により再度回折しフィルタ６により−１
次の回折光のみ通過する。
レンズ２により探針３のホルダ13に形成した参照面Ｂに
集光したのち反射し、レンズ２により再び平行光束化
し、回折格子１により再度回折しフィルタ６により−１
次の回折光のみ通過する。
この際、回折格子１に前記変位面Ａに反射した光と前
記参照面Ｂに反射した光のビームが回折格子１上でほぼ
重なるように構成する。また、回折格子１により再度回
折された±１次の回折光は再びほぼ同一の光路をたどる
様に構成し、フィルタ６によりフィルタリングした光は
ミラー９により反射し偏光板７を通過し光検出器８にて
変位信号として検出する。
記参照面Ｂに反射した光のビームが回折格子１上でほぼ
重なるように構成する。また、回折格子１により再度回
折された±１次の回折光は再びほぼ同一の光路をたどる
様に構成し、フィルタ６によりフィルタリングした光は
ミラー９により反射し偏光板７を通過し光検出器８にて
変位信号として検出する。
光検出器８の信号強度は、回折格子１に入射し±１次
の回折光に分離した２つの光が、再度回折格子１により
回折されるまでの光路長の差に対して制限波状に変化す
る。ここで、偏光板７を回転調整することにより、探針
３の変位により光検出器８の信号出力が正弦波の原点に
なる様に調整し、探針３レーザ光のλ/4波長以下の微小
な変位は、この光検出器８により検出された信号強度に
近似的に比例し検出する。
の回折光に分離した２つの光が、再度回折格子１により
回折されるまでの光路長の差に対して制限波状に変化す
る。ここで、偏光板７を回転調整することにより、探針
３の変位により光検出器８の信号出力が正弦波の原点に
なる様に調整し、探針３レーザ光のλ/4波長以下の微小
な変位は、この光検出器８により検出された信号強度に
近似的に比例し検出する。
以上のように本実施例によれば、探針３の変位の検出
の基準となる参照面Ｂを探針３の近傍に設けることがで
きるので、外乱振動による測定精度への影響が少なく、
高精度な微小変位検出を行うことができ、また参照信号
の光路と変位信号の光路がほぼ同一の経路をたどり、空
気の屈折率の変化による影響を参照光、測定光とも同じ
割合で受けるので、屈折率の変化が相補され測定誤差の
少ない、高精度な微小変位検出を行うことができる。
の基準となる参照面Ｂを探針３の近傍に設けることがで
きるので、外乱振動による測定精度への影響が少なく、
高精度な微小変位検出を行うことができ、また参照信号
の光路と変位信号の光路がほぼ同一の経路をたどり、空
気の屈折率の変化による影響を参照光、測定光とも同じ
割合で受けるので、屈折率の変化が相補され測定誤差の
少ない、高精度な微小変位検出を行うことができる。
第２図は、本発明の第２実施例における微小変位検出
装置の全体構成を示すものである。第２図において、１
は回折格子、２はレンズ、３はホルダ13によって片持ち
梁状に支持された探針、４はλ/2波長板、5,6はフィル
タ、7,11は偏光板、8,12は光検出器、９はミラー、10は
ビームスプリッタ、14は試料である。
装置の全体構成を示すものである。第２図において、１
は回折格子、２はレンズ、３はホルダ13によって片持ち
梁状に支持された探針、４はλ/2波長板、5,6はフィル
タ、7,11は偏光板、8,12は光検出器、９はミラー、10は
ビームスプリッタ、14は試料である。
以上のように構成された微小変位検出装置について、
以下第２図を用いてその作用を説明する。
以下第２図を用いてその作用を説明する。
周波数のわずかに異なる２周波の紙面に垂直な方向と
水平な方向に直線偏光したHe−Neレーザ光源（図示せ
ず）の光はビームスプリッタ10に入射され、分離された
レーザ光の一部は、偏光板11により紙面に45゜に偏光し
た偏光成分のみ光検出器12にて前記レーザ光源の２周波
の差周波のビートを参照信号として検出する。
水平な方向に直線偏光したHe−Neレーザ光源（図示せ
ず）の光はビームスプリッタ10に入射され、分離された
レーザ光の一部は、偏光板11により紙面に45゜に偏光し
た偏光成分のみ光検出器12にて前記レーザ光源の２周波
の差周波のビートを参照信号として検出する。
ビームスプリッタ10により分離されたもう一方の光は
回折格子１に入射され、前記回折格子１から出射した光
の±１次の回折光以外はフィルタ５により遮蔽される。
回折格子１に入射され、前記回折格子１から出射した光
の±１次の回折光以外はフィルタ５により遮蔽される。
前記回折格子１から出射された±１次の光のうち、＋
１次の回折光は、波長板４により偏光面が90゜変化し、
レンズ２により焦点距離に等しい位置ｆに設置された探
針３の変位面Ａに集光し反射され、レンズ２により再び
平行光束化され、回折格子１により再度回折されフィル
タ６により＋１次の回折光のみ通過する。
１次の回折光は、波長板４により偏光面が90゜変化し、
レンズ２により焦点距離に等しい位置ｆに設置された探
針３の変位面Ａに集光し反射され、レンズ２により再び
平行光束化され、回折格子１により再度回折されフィル
タ６により＋１次の回折光のみ通過する。
他方前記回折格子１より出射した−１次の回折光はレ
ンズ２により探針３のホルダ13上に形成された参照面Ｂ
に集光したのち反射され、レンズ２により再び平行光束
化され、回折格子１により再度回折されフィルタ６によ
り−１次の回折光のみ通過する。
ンズ２により探針３のホルダ13上に形成された参照面Ｂ
に集光したのち反射され、レンズ２により再び平行光束
化され、回折格子１により再度回折されフィルタ６によ
り−１次の回折光のみ通過する。
この際、回折格子１に前記変位面Ａに反射された光と
前記参照面Ｂに反射された光のビームが回折格子１上で
ほぼ重なるように構成する。また、回折格子１により再
度回折された±１次の回折光は再びほぼ同一の光路をた
どる様に構成されており、フィルタ６によりフィルタリ
ングされた光はミラー９により反射され偏光板７により
紙面に対して水平または垂直な偏光面の光のみ通過さ
れ、光検出器８にて前記レーザ光源の２周波の差周波の
ビートを変位信号として検出する。この変位信号のビー
トの位相は回折格子１に入射され±１次の回折光に分離
された２つの光が再度回折格子１により回折されるまで
の光路長の差によって変化する。
前記参照面Ｂに反射された光のビームが回折格子１上で
ほぼ重なるように構成する。また、回折格子１により再
度回折された±１次の回折光は再びほぼ同一の光路をた
どる様に構成されており、フィルタ６によりフィルタリ
ングされた光はミラー９により反射され偏光板７により
紙面に対して水平または垂直な偏光面の光のみ通過さ
れ、光検出器８にて前記レーザ光源の２周波の差周波の
ビートを変位信号として検出する。この変位信号のビー
トの位相は回折格子１に入射され±１次の回折光に分離
された２つの光が再度回折格子１により回折されるまで
の光路長の差によって変化する。
探針３の変位は、この光検出器８により検出された変
位信号のビートと、光検出器12により検出された参照信
号のビートの位相を図示しない位相検出器により比較す
ることにより変位に比例した位相角として検出する。
位信号のビートと、光検出器12により検出された参照信
号のビートの位相を図示しない位相検出器により比較す
ることにより変位に比例した位相角として検出する。
以上のように本実施例によれば、探針３の変位の検出
の基準となる参照面Ｂを探針３の近傍に設けることがで
きるので、外乱振動による測定精度への影響が少なく、
高精度な微小変位検出を行うことができ、また参照信号
の光路と変位信号の光路がほぼ同一の経路をたどり、空
気の屈折率の変化による影響を参照光、測定光とも同じ
割合で受けるので、屈折率の変化が相補され測定誤差の
少ない、高精度な微小変位検出を行うことができ、また
変位の検出を信号強度の変化ではなくビート信号の位相
差により検出しているので前記信号強度の変化に影響さ
れない高精度な微小変位検出を行うことができる。
の基準となる参照面Ｂを探針３の近傍に設けることがで
きるので、外乱振動による測定精度への影響が少なく、
高精度な微小変位検出を行うことができ、また参照信号
の光路と変位信号の光路がほぼ同一の経路をたどり、空
気の屈折率の変化による影響を参照光、測定光とも同じ
割合で受けるので、屈折率の変化が相補され測定誤差の
少ない、高精度な微小変位検出を行うことができ、また
変位の検出を信号強度の変化ではなくビート信号の位相
差により検出しているので前記信号強度の変化に影響さ
れない高精度な微小変位検出を行うことができる。
なお、第1,第２実施例において、光源にHe−Neレーザ
用いたが他の種類のレーザを用いてもよい。
用いたが他の種類のレーザを用いてもよい。
発明の効果 以上のように本発明は、回折格子と、フィルタと、レ
ンズにより検出光学系を構成しているので、参照面を変
位面の近傍に設けることができ、外乱振動による測定精
度への影響が少なく、高精度な微小変位検出を行うこと
ができ、また参照信号の光路と変位信号の光路がほぼ同
一の経路をたどり、空気の屈折率の変化による影響を参
照光、測定光とも同じ割合で受けるので、屈折率の変化
が相補され測定誤差の少ない、高精度な微小変位検出を
行うことが可能となる。
ンズにより検出光学系を構成しているので、参照面を変
位面の近傍に設けることができ、外乱振動による測定精
度への影響が少なく、高精度な微小変位検出を行うこと
ができ、また参照信号の光路と変位信号の光路がほぼ同
一の経路をたどり、空気の屈折率の変化による影響を参
照光、測定光とも同じ割合で受けるので、屈折率の変化
が相補され測定誤差の少ない、高精度な微小変位検出を
行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の第１実施例における微小変位検出装置
の構成図、第２図は本発明の第２実施例における微小変
位検出装置の構成図、第３図は従来の微小変位検出装置
の構成図である。 １……回折格子、２……レンズ、４……波長板、５……
フィルタ、８……光検出器、Ａ……変位面、Ｂ……参照
面。
の構成図、第２図は本発明の第２実施例における微小変
位検出装置の構成図、第３図は従来の微小変位検出装置
の構成図である。 １……回折格子、２……レンズ、４……波長板、５……
フィルタ、８……光検出器、Ａ……変位面、Ｂ……参照
面。
Claims (2)
- 【請求項１】レーザ光源と、前記光源の光を分離する回
折格子と、前記回折格子により生じた回折光の±１次以
外の光を遮蔽するフィルタと、前記回折光の±１次の回
折光のうちのどちらか一方の回折光の偏光状態を変化さ
せる波長板と、前記±１次の２つの回折光を変位面と参
照面とに集光するレンズと、前記レンズにより集光され
前記変位面と前記参照面により反射した光を再び前記レ
ンズにより平行光束化し、再度前記回折格子に前記変位
面からの光と前記参照面からのビームとが異なるように
入射し、回折した光のうちお互いの１次の回折光の干渉
光を検出する光検出器とを備えたことを特徴とする微小
変位検出装置。 - 【請求項２】周波数のわずかに異なる２周波のレーザ光
源と、前記光検出器より得られたビート信号とレーザ光
源のビート信号との位相差を検出する位相検出器を備え
たことを特徴とする請求項１記載の微小変位検出装置。
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| JP2055327A JP2679339B2 (ja) | 1990-03-07 | 1990-03-07 | 微小変位検出装置 |
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|---|---|---|---|
| JP2055327A JP2679339B2 (ja) | 1990-03-07 | 1990-03-07 | 微小変位検出装置 |
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|---|---|---|---|
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| US5017010A (en) * | 1989-05-16 | 1991-05-21 | International Business Machines Corporation | High sensitivity position sensor and method |
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-
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- 1991-03-04 US US07/664,623 patent/US5164791A/en not_active Expired - Lifetime
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