JP4423168B2 - 表面性状測定装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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、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、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。
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 (5)
- 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、
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、
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と、
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、前記駆動制御手段による前記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と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4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。
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