JP2802252B2 - 表面形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、測定物の微細な
表面形状を測定するための表面形状測定装置に係り、特
に超軽荷重の触針子を備えた触針式の表面形状測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の触針式の表面形状測定装置や光学
式の表面形状測定装置の面分解能はせいぜい１μｍであ
った。これに対して最近極めて先端の鋭い触針子を用い
て物体の表面を超軽荷重で走査する事により、最高のも
のでは原子レベルの分解能を有する高分解能のＡＦＭ
（Atomic Fource Microscope）が提案されている。

【０００３】（G.Binning,C.F.Quate and Ch.Gerber,Ph
ys.Rev.Lett.56.930(1986)) このような超軽荷重で物体表面の走査を行なう触針式の
表面形状測定装置によれば、高精度の測定が可能とな
る。しかしその反面、広範囲な測定を行なう場合や測定
箇所を選んで特定箇所のみを測定するような場合には、
種々の困難が伴うという問題があった。例えば測定箇所
が測定物のどの位置に相当しているかを把握できないと
いった問題点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この様な問題を解決す
る一手段として、触針子の変位を光学的変位検出手段で
検出するとともに、この変位検出手段で測定物を直接測
定することができるようにし、触針子にて、超軽荷重で
走査することにより測定を行なった測定領域を、光学式
の表面形状測定手段により確認することが考えられる。
しかるにかかる手段を講じた場合、次のような課題が新
たに生ずる。

【０００５】上記のように光学式の表面形状測定手段に
より測定領域を確認できるようにした場合、触針子の交
換作業が困難になる。すなわち触針子は消耗品であり、
使用頻度に応じて交換する必要があることは知られてい
る。しかるに光学式の表面形状測定手段を設けると、そ
れによって触針子を交換するための作業スペースが狭く
なり、触針子の交換作業が非常に困難なものとなる。ま
た測定物の測定箇所と触針子とが重なり合ってしまい、
測定物の測定箇所を観察者が視覚的に確認できない場合
が生じる。

【０００６】本発明の目的は、光学的変位検出手段で使
用されるレーザー光がばね部材に形成するレーザー光ス
ボットと、ばね部材との位置調整を、容易かつ的確にに
行なえる表面形状測定装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために本発明では次のような手段を講じた。触
針子を有するばね部材で試料の表面を走査することによ
り前記試料の表面形状を測定する表面形状測定装置にお
いて、前記ばね部材にレーザー光を照射する光源と、前
記ばね部材で反射される前記レーザー光の反射光に基づ
いて前記試料の表面形状に伴う前記ばね部材の変位を検
出する光学的変位検出手段と、前記レーザー光が前記ば
ね部材に形成するレーザー光スボットと前記ばね部材と
を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により得られる画
像を表示する表示手段と、前記表示手段が表示する前記
画像に基づいて前記レーザー光スボットと前記ばね部材
との位置を調整可能な調整手段と、を備えたものとし
た。

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【発明の実施の形態】図１および図２は本発明の第１実
施形態に係る表面形状測定装置の構成を一部破断して示
す正面図および側面図である。定盤１上には、Ｙ粗動ス
テ−ジ２およびＸ粗動ステ−ジ３が定盤面に対して水平
方向にかつそれぞれ移動方向が直交する向き（Ｙ方向お
よびＸ方向）に移動可能な如く重ねて載置されている。
Ｙ粗動ステ−ジ２はＹ粗動ステ−ジ移動ハンドル４を手
で回すことにより手動で移動可能となっている。同様に
Ｘ粗動ステ−ジ３はＸ粗動ステ−ジ移動ハンドル５を手
で回すことにより手動で移動可能となっている。Ｘ粗動
ステ−ジ３の上には、Ｙ方向に移動するＹ微動ステ−ジ
６およびＸ方向に移動するＸ微動ステ−ジ７が順次重ね
て載置されている。更にＸ微動ステ−ジ７の上には、
Ｘ，Ｙ方向およびＸ−Ｙ平面に垂直な方向（Ｚ方向）に
移動可能な、トライポッドステ−ジ８が載置されてい
る。このトライポッドステ−ジ８の上面は観察材料をの
せるための試料台９となっている。

【００１１】定盤１の上に立設された支柱１０には、Ｚ
粗動ステ−ジ１１が取付けられている。このＺ粗動ステ
−ジ１１は、Ｚ粗動ハンドル１２を手動で回すことによ
り、定盤面に対して垂直なＺ方向に移動する。このＺ粗
動ステ−ジ１１には落射投光管１３と、対物レンズ１４
を備えた光学的触針子変位検出センサユニット１５、が
試料台９の上面を観察できるような状態に取付けられて
いる。落射投光管１３の上部にはＴＶカメラ１６が載置
され、触針子変位検出センサユニット１５の対物レンズ
１４によって結像される光学像を撮影し得るものとなっ
ている。落射投光管１３には光ファイバ−束１７が接続
され、この光ファイバ−束１７により、光学像観察のた
めの光を外部から導入するものとなっている。

【００１２】触針子移動支持機構１８は触針子変位検出
センサユニット１５に着脱自在に固定されている。この
機構１８は、触針子Ｘ−Ｙ−Ｚ移動機構１９，触針子微
動用Ｚ軸アクチュエ−タ２０，触針子支持用板バネ２
１，触針子２２，からなる部分全体をＸ方向に手動で移
動させ、任意の位置で固定化できるものとなっている。
そのときの移動範囲は、触針子２２の裏面が対物レンズ
１４の視野内から視野外まで移動し得る範囲である。

【００１３】かくしてこの触針子移動支持機構は、少な
くとも触針子２２を、ばね部材を介して対物レンズ１４
の視野内における第１の位置と、この第１の位置とは異
なる視野外の第２の位置（この第２の位置は後述するよ
うに必ずしも視野外でなくてもよい）との間で移動自在
に支持し得るものとなっている。

【００１４】触針子Ｘ−Ｙ−Ｚ移動機構１９は、触針子
移動支持機構１８に着脱自在に固定され、触針子微動用
Ｚ軸アクチュエ−タ２０，触針子支持用板バネ２１，触
針子２２全体を、対物レンズ１４に対して、Ｘ，Ｙ，Ｚ
の任意の方向に手動で移動させ得るものとなっている。
かくして、触針子変位検出センサユニット１５のレ−ザ
−光が触針子裏面に焦点を結ぶように位置調整し、かつ
その状態を保持できるようになっている。

【００１５】触針子２２を固定した触針子支持用板バネ
２１は、触針子微動用Ｚ軸アクチュエ−タ２０の下端に
一端を固定され、他端がＺ軸方向へ変位可能な如く取付
けられている。触針子微動用Ｚ軸アクチュエ−タ２０
は、例えば積層型圧電アクチュエ−タから成っている。
そして上記アクチュエ−タ２０は、上端を触針子Ｘ−Ｙ
−Ｚ移動機構１９に固定され、下端に取り付けてある触
針子２２および触針子支持用板バネ２１を、対物レンズ
１４に対してＺ方向に移動させるものとなっている。

【００１６】カバ−２３は定盤１および定盤１の上にあ
るすべての測定部を覆うように設けられている。ケ−ブ
ル類および測定部制御系は上記カバ−２３の外側に配置
される。

【００１７】次に、図３〜図８を参照して各部の構成を
詳細に説明する。図３はＹ微動ステ−ジ６およびＸ微動
ステ−ジ７の構成を詳細に示した斜視図である。図示の
ごとく、スライド板２５上の両側縁に沿って一対のガイ
ドブロック２６ａ，２６ｂが平行に設けられ、かつねじ
止めされている。この一対のガイドブロック２６ａ，２
６ｂの両端相互間には、矩形状の板ばね２７Ａ，２７ｂ
がそれぞれネジ止めされている。この矩形状の板バネ２
７ａ，２７ｂの間に、Ｙテ−ブル２８がその両端を挾持
されている。このＹテ−ブル２８の一部は、スライド板
２５上に基端部を固定された圧電アクチュエ−タ２９の
変位端と結合されており、Ｙ方向へ変位駆動されるもの
となっている。Ｙテ−ブル２８上の両側縁に沿って一対
のガイドブロック３０ａ，３０ｂが平行に設置され、か
つねじ止めされている。この一対のガイドブロック３０
ａ，３０ｂの両端相互間には、矩形状の板ばね３１Ａ，
３１ｂがそれぞれネジ止めされている。この矩形状の板
バネ３１ａ，３１ｂの間に、Ｘテ−ブル３２がその両端
を挾持されている。このＸテ−ブル３２の一部は、前記
Ｙテ−ブル２８上に基端部を固定された圧電アクチュエ
−タ３３の変位端と結合されており、Ｘ方向へ変位駆動
されるものとなっている。Ｙ微動ステ−ジ６，Ｘ微動ス
テ−ジ７は、上記のようにそれぞれＹテ−ブル２８，Ｘ
テ−ブル３２の内部に積層型圧電アクチュエ−タ２９，
３３を駆動源として持っているために、極めてコンパク
トな構成の微動ステ−ジとなっている。

【００１８】なお板バネ２７ａ，２７ｂおよび３１ａ，
３１ｂは、図３の右上に板バネ３１ｂに例をとって分解
表示したように、いずれもその外側面に押さえ部材３４
ａ，３４ｂ，３４ｃを当てがった状態でねじ止めされ
る。

【００１９】図４は、トライポッドステ−ジ８の構成を
詳細に示した図である。アクチュエ−タ支持ブロック３
５は互いに直角な３面を有する構造をしており、変形し
にくい材料で形成されている。Ｘ，Ｙ，Ｚ微動用圧電ア
クチュエ−タ３６，３７，３８は、例えば数１０μｍ程
度の伸縮能力を有するものである。そしてこれらの各ア
クチュエ−タ３６，３７，３８は、アクチュエ−タ支持
ブロック３５の互いに直角な３面のそれぞれの面に一端
を固定され、それぞれの他端が１つの変形しにくい材質
よりなる移動ブロック３９に固定されている。試料台９
は、移動ブロック３９の上面にＺ微動用圧電アクチュエ
−タ３８の移動方向に対して垂直な面が試料載置面とな
るように固定されている。

【００２０】上記した構成のトライポッドステ−ジ８の
各微動用圧電アクチュエ−タ３６，３７，３８に印加す
る電圧を変化させることにより、試料台９はＸ，Ｙ，Ｚ
の任意な方向に数１０μｍ程度移動することになる。

【００２１】図５の（ａ）（ｂ）および図６は、変位検
出センサユニット１５の構成を詳細に示す図である。図
５の（ａ）（ｂ）は、ユニット化された高さ計測光学系
を備えた変位検出用センサユニット１５の上面図および
側面図である。取付けベ−ス４０上に水平方向に立設さ
れている支持板４１には、後述する観測光学系と共用さ
れる対物レンズ１４が取り付けられている。この対物レ
ンズ１４の光軸Ｋ上の所定位置には１／４波長板４２，
半透鏡４３が配置されている。上記光軸Ｋと直交し、か
つ半透鏡４３の中心を通る光軸Ｌ上にはビ−ムスプリッ
タ４４が配置されている。このビ−ムスプリッタ４４の
光入射端に対向するように、直線偏光ビ−ムを発する光
源４５が配置されている。なお、光源４５としては、本
装置のごとく振動を嫌い、高い感度および小形化を必要
とする装置においては、レ−ザダイオ−ドなどからなる
半導体レ−ザを使用することが望ましい。またビ−ムス
プリッタ４４の二つの光出射端に対向するように、一対
の臨界角プリズム４６，４７をそれぞれ介して第１，第
２の二分割受光素子４８，４９が配置されている。なお
図中５０は、光源４５からの直線偏光ビ−ムを受けてビ
−ム形状を整形するシリンドリカルレンズ等の光学要素
である。なおベ−ス４０には本ユニット１５をステ−ジ
１１に対して一体的に取付けるための取付孔４０ａ，４
０ｂが設けられている。

【００２２】図６は前記変位検出センサユニット１５を
観察光学系およびその周辺部と共に示した光学系全体の
構成を示す図である。図中、符号５１はフィルタ，５２
は半透鏡，５３は結像レンズ，５４はプリズム，５５は
接眼レンズ，５６は照明用ランプ，５７は集光レンズ，
５８は信号処理回路，５９はＣＰＵディスプレイ，６０
はビデオモニタである。上記以外はすでに説明したとお
りのものである。

【００２３】光源４５から発せられたレ−ザ−光すなわ
ち直線偏光ビ−ムは、ビ−ム形状整形要素５０により円
形断面を有する平行光となってビ−ムスプリッタ４４に
入射し、かつ反射されて光軸Ｌに沿った光となる。この
光は半透鏡４３で反射されて光軸Ｋに沿った光となる。

【００２４】一方、ランプ５６，レンズ５７等により構
成された観察照明用光源からの光は半透鏡５２で反射さ
れ、フィルタ５１を介して半透鏡４３を通り、前記レ−
ザ光と一つになる。

【００２５】一つになったレ−ザ−光および照明光は、
１／４波長板４２を通り、対物レンズ１４に入射する。
なお１／４波長板４２を通るとき、レ−ザ−光は直線偏
光から円偏光に変換される。そしてこのレ−ザ−光は、
対物レンズ１４により集光され、試料台９上の試料に対
して微細表面形状計測用の微小スポットとして投光され
る。また照明光は対物レンズ１４を通して視野全体を照
明する。

【００２６】上記試料から反射した照明光は、対物レン
ズ１４，１／４波長板４２，半透鏡４３，フィルタ５
１，半透鏡５２を通り、結像レンズ５３で結像され、プ
リズム５４で屈折されて接眼レンズ５５の視野絞り面に
達する。またプリズム５４を透過した光は、ＣＣＤ撮像
素子等を備えたＴＶカメラ１６に入射し、撮像される。
その撮像信号はビデオモニタ６０に送られて表示され
る。なお１／４波長板４２は光軸に対する直角方向から
僅かに傾いた状態に設置されている。これにより観察照
明用光源からの照明光が直接反射されて観察光学系に入
射することがなく、フレア−のない鮮明な視野観察像が
得られる。

【００２７】試料から反射したレ−ザ光は、対物レンズ
１４，１／４波長板４２を通る。このとき、レ−ザ−光
は振動面が入射時に比べ９０゜回転した直線偏光とな
る。半透鏡４３で反射したレ−ザ光は、ビ−ムスプリッ
タ４４に入射して二分される。その一方は臨界角プリズ
ム４６を介して二分割受光素子４８上に投影され、他方
は臨界角プリズム４７を介して二分割受光素子４９上に
投影される。各二分割受光素子４８，４９の出力信号
は、信号処理回路５８にて１次的な信号処理をされた
後、コンピュ−タ５９で演算処理されてディスプレイ６
１に送られ、立体像として写し出される。

【００２８】上記立体像を得る手段は、特開昭５９−９
０００７号公報，特開昭６０−３８６０６号公報等に開
示されているものと同様に、いわゆる焦点ずれ検出法を
応用したものである。以下その概略について説明する。

【００２９】試料の表面計測点が対物レンズ１４の焦点
位置にあると、対物レンズ１４を通過した反射光は平行
光束になる。試料の表面計測点が対物レンズ１４の焦点
位置よりも近い位置にあると、対物レンズ１４を通った
光は発散光束となり、逆に試料の表面計測点が対物レン
ズ１４の焦点位置よりも遠い位置にあると、対物レンズ
を通った光は収束光束となる。つまり焦点位置からずれ
ている場合には、いずれも非平行光束となって臨界角プ
リズム４６，４７に入射する。臨界角プリズム４６，４
７の反射面は、前記平行光束に対して臨界角をなすよう
に予め設定されている。したがって非平行光束が臨界角
プリズム４６，４７に入射する場合、その中心光線は臨
界角で入射するが、中心から一方にずれた光束は入射角
が臨界角より小さくなり、光の一部がプリズム外へ出て
しまい、残りの光が反射することになる。また中心から
他方へずれている光束は入射角が臨界角より大きくな
り、全反射することになる。このような動作が臨界角プ
リズム内で数回繰返されることにより、臨界角より小さ
な角度で入射した光と、臨界角以上の角度で入射した光
との検出光量差が拡大されることになる。

【００３０】しかもその場合、試料の表面計測点が対物
レンズ１４の焦点位置より近い場合と遠い場合とでは、
大小の関係が逆になる。この様な光を二分割受光素子４
８，４９にてそれぞれ受光し、その光電変換された信号
の差を検出すると、試料の表面の凹凸の高さに対し、ほ
ぼリニアな関係を有する出力信号が得られる。

【００３１】図７の（ａ）（ｂ）は、触針子Ｘ−Ｙ−Ｚ
移動機構１９の構成を詳細に示した図である。移動機構
固定台６１には４本の棒バネ６２，６３，６４，６５で
支えられた棒バネ上板６６が設置されている。棒バネ上
板６６は４本の棒バネ６２〜６５の撓みにより、図中の
ＸＹ方向に例えば数ｍｍ程度移動できるものとなってい
る。そして棒バネ上板６６の二端面には、移動機構固定
台６１に取り付けられたＸ移動つまみ６７，Ｙ移動つま
み６８の各ネジ部先端が直交する向きに２か所で当接す
るように配置されている。

【００３２】アクチュエ−タ固定部材６９の基端は板バ
ネ７０を介して棒バネ上板６６の下面に保持されてい
る。そして上記固定部材６９の中央部位に取付けたＺ方
向移動ビス７１の先端で棒バネ上板６６の下面を突っ張
ることにより、棒バネ上板６６の下面との距離を一定に
保つよう設けられている。アクチュエ−タ固定部材６９
の基端部下端には触針子微動用Ｚ軸アクチュエ−タ２０
が取付けられている。

【００３３】触針子微動用Ｚ軸アクチュエ−タ２０は積
層型圧電素子を用いて構成されており、その下端部には
触針子支持用板バネ２１および触針子２２の取付け台７
５を保持するための保持部材７２が固定されている。

【００３４】上記のごとく構成したことにより、Ｘ，Ｙ
移動つまみ６７，６８を回し、これらの各つまみ６７，
６８のネジ部先端で棒バネ上板６６を押すことにより、
棒バネ上板６６をそれぞれＸ方向，Ｙ方向に移動させ、
任意の位置に保持することができる。またＺ方向移動ビ
ス７１を回し、このビス先端で棒バネ上板６６の下面を
押すことにより、アクチュエ−タ固定部材６９をＺ方向
に変位させ、任意の位置に保持させることができる。

【００３５】したがって、Ｘ，Ｙ移動つまみ６７，６８
およびＺ方向移動ビス７１により、アクチュエ−タ固定
部材６９に固定された触針子微動用Ｚ軸アクチュエ−タ
２０および触針子支持用板バネ２１，触針子２２の全体
をＸ，Ｙ，Ｚ方向の任意の位置に移動させ、かつその状
態を保持することができる構成となっている。

【００３６】図８の（ａ）（ｂ）は触針子２２および触
針子支持用板バネ２１の構成例の詳細を示したものであ
る。触針子２２は例えばダイヤモンドで作られており、
先端を約０．１μｍＲに加工されている。この触針子２
２は触針子支持用板バネ２１の先端部付近に固定されて
いる。触針子支持用板バネ２１は例えばステンレス鋼で
形成されており、長さ３ｍｍ，幅２ｍｍ，厚さ２０μｍ
程度の寸法に加工されている。

【００３７】触針子支持用板バネ２１の基端部は、変形
しにくい材料で形成されている取付け台７５に固定され
ている。取付け台７５は、取り付け用ビス穴７６を有
し、前記保持部材７２に対してビス等で固定できるよう
になっている。

【００３８】上記のように構成することにより、取付け
台７５を固定した後、触針子２２の先端を試料表面に軽
荷重で接触させ、面方向に走査すると、試料の表面形状
に応じて触針子２２が上下動作し、これに伴い触針子支
持用板バネ２１が撓むことになる。

【００３９】図９〜図１１は、本装置の測定部及びその
制御を行なう制御部の構成を、三つに分割してそれぞれ
示すブロック図である。図９に示した測定部本体と、図
１０に示したコントロール部と、図１１に示したコンピ
ュータ部とは、各図に丸印で囲んだ対応する数字によっ
て標示した対応個所で互いに接続されている。

【００４０】図９〜図１１において、高圧アンプ８０は
Ｙ微動ステ−ジ６，Ｘ微動ステ−ジ７，トライポットス
テ−ジ８及び触針子微動用Ｚ軸アクチュエ−タ２０を駆
動するために設けられたものである。この高圧アンプ８
０には同アンプ８０に対して制御信号を供給するための
Ｄ／Ａボ−ド８１，８２，Ｚ微動調整部８３，Ｚ軸フィ
−ドバックコントロ−ラ８４が接続されている。

【００４１】センサコントロ−ラ８５は触針子変位検出
センサユニット１５のレ−ザ光を制御すると共に、検出
した高さ情報信号を処理するために設けられたものであ
る。その出力信号はＡ／Ｄボ−ド８６及び前記Ｚ軸フィ
−ドバックコントロ−ラ８４に入力されるように接続さ
れている。なお図示はしていないが、センサ−コントロ
−ラ８５には検出した高さ情報に基づく出力信号のモニ
タが可能なメ−タが付設されている。

【００４２】Ｚ軸フィ−ドバックコントロ−ラ８４は、
センサコントロ−ラ８５の出力信号に基づいて、触針子
裏面と対物レンズ１４との距離を一定に保つためのトラ
イポッドステ−ジＺ軸制御信号を出力するような電気回
路からなり、上記制御信号を高圧アンプ８０を介してト
ライポッドステ−ジ８のＺ軸に供給するものとなってい
る。またトライポッドステ−ジＺ軸制御信号をＡ／Ｄボ
−ド８６に入力できるような接続もされている。

【００４３】Ｄ／Ａボ−ド８１，８２，及びＡ／Ｄボ−
ド８６は、コンピュ−タ８７に接続されており、測定部
走査系及び駆動部のコントロ−ル、高さ情報信号の処理
等を行なうものとなっている。またコンピュ−タ８７に
は測定部操作のためのメニュ−や、測定結果を表示する
ためのＣＲＴ８８と、測定結果をハ−ドコピ−するため
のプロッタ８９とが接続されている。

【００４４】ランプハウス調光装置９０は観察用照明の
光源であり調光機能を備えている。このランプハウス調
光装置９０は、ファイバ−束１７によって落射投光管１
３と接続されており、落射投光管１３に照明光を供給す
ることができる。

【００４５】ＴＶカメラ１６は、ＴＶカメラ制御用のＴ
Ｖカメラコントロ−ラ９１に接続されている。またＴＶ
カメラ１６によって得られた画像を表示するために、上
記コントロ−ラ９１にはカラ−モニタ９２（図６のビデ
オモニタ６０に相当）が接続されている。

【００４６】次に上記のごとく構成された本装置の操作
法及び作用について説明する。一般的な操作手順として
は次のとおりである。 (1) 触針子位置調整 (2) 測定位置設定 (3) 触針子と測定試料表面の接触 (4) 表面形状測定 (5) 測定デ−タ処理及び結果表示 (6) 結果出力 上記手順について、以下に詳細に説明する。 (1) 触針子位置調整 触針子２２の裏面（触針子支持用板ばね２１の該当部
位）が、触針子変位検出センサユニット１５からのレ−
ザ光焦点位置にくるように触針子２２（触針子支持用板
ばね２１）の位置を調整する。すなわち図１，図２の触
針子移動支持機構１８で、触針子Ｘ−Ｙ−Ｚ移動機構１
９全体を移動させ、触針子２２を対物レンズ１４の視野
内におく。

【００４７】ランプハウス調光装置９０からの照明光を
光ファイバ−束１７を通して、落射投光管１３に入射す
ることにより、触針子２２の裏面（触針子支持用板ばね
２１の該当部位）の光学像をＴＶカメラ１６でとらえ、
ＴＶカメラコントロ−ラ９１を介して、カラ−モニタ９
２上に表示する。カラ−モニタ９２上の画像を見なが
ら、触針子Ｘ−Ｙ−Ｚ移動機構１９のＸ移動つまみ６
７，Ｙ移動つまみ６８及びＺ方向移動ビス７１を回し、
触針子裏面中央に、触針子変位検出センサユニット１５
のレ−ザ光スポットが焦点を結ぶように、触針子２２
（触針子支持用板ばね２１）の位置を調整する。

【００４８】この時、Ｚ方向の微調を行う手段として、
Ｚ微動調整部８３の調整により、触針子微動用Ｚ軸アク
チュエ−タ２０の伸縮動作を使っても良い。上記した一
連の操作により、触針子２２の上下動を、変位検出セン
サユニット１５で検出することができるようになる。 (2) 測定位置設定 測定試料を試料台９の上面に載置する。手順 (1)の状態
から、触針子移動支持機構１８により、触針子２２を対
物レンズ１４の視野外に出す。カラ−モニタ９２上の光
学画像を見ながら、Ｚ軸粗動ハンドル１２によりＺ粗動
ステ−ジ１１を移動させ、測定試料の表面画像を得た
後、Ｙ粗動ステ−ジ２およびＸ粗動ステ−ジ３を手動で
移動させ、測定したい位置を変位検出センサユニット１
５のレ−ザ光スポット位置に設定する。この時、位置の
微調を行う手段として、Ｙ微動ステ−ジ６およびＸ微動
ステ−ジ７にコンピュ−タ８７からの制御信号をＤ／Ａ
ボ−ド８１，高圧アンプ８０を介して与えることによ
り、移動、保持するという手段を使用することもでき
る。

【００４９】なお、触針子支持用板バネ２１の幅を数１
０μｍ程度に細くすれば、上記した操作を行なうことに
より、触針子２２を対物レンズ１４の視野外に出さずに
測定位置の設定を行なうこともできる。 (3) 触針子と測定試料表面の接触 手順(2) の状態から、Ｚ粗動ステ−ジ１１を上昇させ、
触針子移動支持機構１８により触針子２２を対物レンズ
１４の視野内に入れる。この操作を行なうことにより、
手順(1) の操作で調整した位置に触針子２２が位置設定
される。この状態でＺ粗動ステ−ジ１１を下降させ、目
測により触針子２２の先端が測定試料と接触する直前ま
で移動させる。

【００５０】次に、センサコントロ−ラ８５の出力信号
を付属のメ−タでモニタしながら、Ｚ微動調整部８３を
操作して、触針子微動用Ｚ軸アクチュエ−タ２０を動作
させる。触針子２２の先端と測定材料とが接触すると、
センサコントロ−ラ８５のモニタメ−タが振れるので、
必要な位置に触針子２２を設定する。この時モニタメ−
タの振れ量により、触針子２２の試料への接触荷重を知
ることができる。

【００５１】なおＺ微動調整部８３をコンピュ−タ８７
により制御できる構成とすれば、接触の操作はコンピュ
−タ操作により数値的に行なうことが可能となる。 (4) 表面形状測定 手順(3) の状態でセンサコントロ−ラ８５の出力信号を
Ｚ軸フィ−ドバックコントロ−ラ８４に入力させ、Ｚ軸
制御信号をＡ／Ｄボ−ド８６に入力させる。こうするこ
とにより、センサコントロ−ラ８５の出力信号が常に一
定となる様に、すなわち触針子裏面が常に触針子変位検
出用センサユニット１５から一定の距離にあるように、
トライポッドステ−ジ８のＺ軸が、Ｚ軸フィ−ドバック
コントロ−ラ８４によって、高圧アンプ８０を介して制
御される。かくして試料表面位置の変化をＺ軸制御信号
から検出することができる。

【００５２】ここで、トライポッドステ−ジ８のＸ，Ｙ
軸に、コンピュ−タ８７からの制御信号をＤ／Ａボ−ド
８２，高圧アンプ８０を介して与えて同ステ−ジ８を駆
動することにより、触針子２２で試料表面の任意の範囲
を２次元的に走査すれば、試料表面の凹凸に応じて、ト
ライポッドステ−ジ８のＺ軸は上下に駆動される。また
同駆動信号をＡ／Ｄボ−ド８６を介してコンピュ−タ８
７に取り込むことにより、試料表面の凹凸がコンピュ−
タに格納されることになる。このとき試料表面の凹凸
は、トライポッドステ−ジ８のＺ軸の移動量、例えば１
０μｍ程度の範囲まで測定することができる。

【００５３】別の測定法として手順(3) の状態でＺ軸フ
ィ−ドバックコントロ−ラ８４によるトライポッドステ
−ジ８のＺ軸制御を行なわずに、センサコントロ−ラ８
５の信号を試料表面の凹凸信号として、直接Ａ／Ｄボ−
ド８６に入力しても良い。この場合、触針子２２は試料
の凹凸に応じて上下し、触針子変位検出センサユニット
１５によりその変位が検出される。このとき試料表面の
凹凸は、触針子変位検出センサユニット１５の検出範囲
である２μｍまで測定できる。

【００５４】またこの測定法を使用するとき、あらかじ
め試料のＸ方向，Ｙ方向のライン１本分のデ−タを測定
し、試料表面の２次元走査面に対する傾きをコンピュ−
タ８７により計算し、測定のための走査のときにトライ
ポッドステ−ジ８で、試料表面の傾きを補正するように
Ｚ軸を制御することもできる。この傾き補正の方法によ
り、表面が傾いている試料でも、触針子変位検出センサ
ユニット１５の検出範囲内で測定することができる。

【００５５】また前記二つの測定法において、試料の２
次元走査はトライポッドステ−ジ８のＸ，Ｙ軸により行
なったが、これをＹ微動ステ−ジ６，Ｘ微動ステ−ジ７
により行なっても良い。ただしこの場合、手順(2) の位
置微調手段としてＹ微動ステ−ジ６，Ｘ微動ステ−ジ７
を使用することはできない。

【００５６】なお前記手順(1),(3) を行なわずに試料表
面に触針子変位検出センサユニット１５のレ−ザ光スポ
ットの焦点を直接合わせ、試料表面の凹凸を触針子変位
検出センサユニット１５で、直接測定することもでき
る。この時、前記した表面形状測定におけるすべての測
定法を、同様に適用できる。 (5) 測定デ−タ処理および結果表示 手順(4) で測定が終了すると、コンピュ−タ８７内に試
料表面上のＸ，Ｙ位置と、その位置での高さ情報が測定
デ−タとして蓄えられる。

【００５７】なお高さ情報は、測定中において１ライン
走査ごとに、予めコンピュ−タ８７に記憶させておいた
校正デ−タに基づき、電圧値から高さの値に変換され、
かつ校正される。

【００５８】測定デ−タは、コンピュ−タＣＲＴ８８上
に表示されるメニュ−にしたがっての操作を行なうこと
により、ＣＲＴ上に鳥かん図，等高線図等の形態で表示
することができる。 (6) 結果出力 手順(5) でコンピュ−タＣＲＴ８８上に表示された測定
デ−タは、上記ＣＲＴ８８上のメニュ−の操作により、
コンピュ−タ８７に接続されたプロッタ８９に出力する
ことができる。

【００５９】構成全体の作用について、上記手順 (1)〜
(6) を通して説明したが、とくに手順 (4)〜(6) は、そ
の操作において、ＣＲＴメニュ−を見ながらのコンピュ
−タ操作ができるように構成されている。

【００６０】

【発明の効果】この発明の表面形状測定装置によれば、
光学的変位検出手段で使用されるレーザー光がばね部材
に形成するレーザー光スボヅトと、ばね部材との位置調
整を、画像上で容易かつ的確に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る表面形状測定装置
の構成を一部破断して示す正面図。

【図２】本発明の第１実施形態に係る表面形状測定装置
の構成を一部破断して示す側面図。

【図３】本発明の第１実施形態に係るＸ微動ステ−ジお
よびＹ微動ステ−ジの構成を詳細に示す分解斜視図。

【図４】本発明の第１実施形態に係るトライポッドステ
−ジの構成を示す斜視図。

【図５】本発明の第１実施形態に係る変位検出センサユ
ニットの構成を示す図で（ａ）は上面図、（ｂ）は側面
図。

【図６】本発明の第１実施形態に係る変位検出センサユ
ニットを観察光学系等と共に示す光学系全体の構成を示
す図。

【図７】本発明の第１実施形態に係る触針子Ｘ−Ｙ−Ｚ
移動機構の構成を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は
Ｂ−Ｂ矢視断面図。

【図８】本発明の第１実施形態に係る触針子および触針
子支持用板バネの構成を詳細に示す図で、（ａ）は側面
図、（ｂ）は下面図。

【図９】本発明の第１実施形態に係る測定部本体の構成
を示すブロック図。

【図１０】本発明の第１実施形態に係るコントロール部
の構成を示すブロック図。

【図１１】本発明の第１実施形態に係るコンピュータ部
の構成を示すブロック図。

【符号の説明】

２…Ｙ粗動ステ−ジ ３…Ｘ粗動ステ−ジ ６…Ｙ微動ステ−ジ ７…Ｘ微動ステ−ジ ８…トライポットステ−ジ ９…試料台 １１…Ｚ粗動ステ−ジ １３…落射投光管 １４…対物レンズ １５…変位検出センサユニット １８…触針子挿入支持機構 １９…触針子Ｘ−Ｙ−Ｚ移動機構 ２０…触針子微動用Ｚ軸アクチュエ−タ ２１…触針子支持用板バネ ２２…触針子

フロントページの続き (72)発明者 内野 文雄 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 荒巻 晋治 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 中村 郁三 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 佐藤 靖 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (56)参考文献 特公 平６−103177（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 21/30 102 H01J 37/28

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】触針子を有するばね部材で試料の表面を走
   査することにより前記試料の表面形状を測定する表面形
   状測定装置において、前記ばね部材にレーザー光を照射する光源と、 前記ばね部材で反射される前記レーザー光の反射光に基
   づいて前記試料の表面形状に伴う前記ばね部材の変位を
   検出する光学的変位検出手段と、 前記レーザー光が前記ばね部材に形成するレーザー光ス
   ボットと前記ばね部材とを撮像する撮像手段と、 前記撮像手段により得られる画像を表示する表示手段
   と、 前記表示手段が表示する前記画像に基づいて前記レーザ
   ー光スボットと前記ばね部材との位置を調整可能な調整
   手段と、 を備えた ことを特徴とする表面形状測定装置。
2. 【請求項２】前記表示手段が表示する前記画像内の第１
   の位置と、この第１の位置とは異なる第２の位置との間
   で前記触針子を移動させる移動手段を備え、 前記第１の位置は、試料測定箇所に対応した前記触針子
   の位置であり、前記第２の位置は、前記試料測定箇所を
   前記画像上で観察可能な前記触針子の位置である ことを
   特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. 【請求項３】前記第２の位置は、前記触針子を有するば
   ね部材を前記表示手段の前記画像内で観察可能な位置で
   あることを特徴とる請求項２に記載の表面形状測定装
   置。
4. 【請求項４】前記調整手段は、前記光学的変位検出手段
   で前記ばね部材の変位を検出可能な如く、前記レーザー
   光スポットと前記ばね部材との位置を調整することを特
   徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の表面形
   状測定装置。
5. 【請求項５】前記光学的変位検出手段で検出されるばね
   部材の変位は、前記表面形状に応じた前記触針子の動作
   に伴うものであることを特徴とする請求項４に記載の表
   面形 状測定装置。
6. 【請求項６】前記調整手段は、前記触針子の裏面中央に
   対応する前記ばね部材上の位置と、前記レーザー光スポ
   ットとを位置調整するものであることを特徴とする請求
   項１乃至５のいずれか一つに記載の表面形状測定装置。
7. 【請求項７】前記試料と前記触針子との接触荷重を測定
   する荷重測定手段を有することを特徴とする請求項１乃
   至６のいずれか一つに記載の表面形状測定装置。