JP4790551B2 - Fine shape measuring device - Google Patents

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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。   The present invention relates to a fine shape measuring apparatus, and more particularly to an improvement of a measurement error reduction mechanism thereof.

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。
Conventionally, in order to measure the fine shape of a workpiece, a fine shape measuring device such as a scanning probe microscope has been used. An example of the scanning probe microscope is an atomic force microscope. In this method, the atomic force acting between the workpiece surface and the stylus is detected, and the workpiece surface is scanned so that the atomic force is constant, thereby grasping the unevenness of the workpiece surface. (For example, refer to Patent Document 1).
There are many methods for measuring the displacement amount of the stylus of the fine shape measuring apparatus. For example, an optical lever method using a laser and an optical sensor capable of detecting a position (see, for example, Patent Documents 1 and 2), a focus error, and the like. There are measurement by a detection method (for example, see Patent Document 3), measurement by an optical fiber interferometer (for example, see Patent Documents 4 and 5), and the like.

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。
The optical lever system is shown in FIG. This is to irradiate the back surface of the cantilever and detect the reflected light with a position sensor located far away. When the stylus of the cantilever is displaced in the vertical direction along the unevenness of the workpiece surface, the amount of displacement is reflected in the change in angle of the reflected light. In the optical lever system, the change in angle is magnified far away and detected by the position sensor. For this reason, the change in angle of the reflected light can be detected from the light intensity signal received by the optical sensor, and the height above the workpiece surface pointed to by the stylus of the cantilever can be measured.
Further, the height on the workpiece surface can be measured by scanning the workpiece surface while relatively moving the workpiece surface up and down so that the light intensity signal of the optical sensor always becomes a predetermined value.
According to the fine shape measuring apparatus, it is possible to measure the fine shape of one line or two-dimensional area of the workpiece by grasping the height on the workpiece surface in this way.

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。
By the way, since it is necessary for a fine shape measuring apparatus to measure a very fine shape as compared with general shape measurement, a highly accurate measurement is required.
In order to meet such a demand, various fine shape measuring apparatuses have been proposed. For example, in Patent Document 4, in order to reduce adverse effects on measurement accuracy such as twisting of the guiding means, a measuring element is provided by providing a right-angle three-sided reflector on the measuring element and measuring the amount of displacement with a plurality of displacement meters. Techniques have been proposed for grasping the amount of displacement.

特開2002−181687号公報JP 2002-181687 A 特開平9−72924号公報JP 9-72924 A 特開平9−61441号公報JP-A-9-61441 特開平7−301510号公報JP-A-7-301510 特許第3081979号公報Japanese Patent No. 3081979

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。
However, even with the conventional method, sufficient measurement accuracy cannot be obtained, and there is still room for further improvement.
As a result of studying this point, the present inventors found the following points. That is, when the measurement is performed by scanning the workpiece, the data obtained by the sensor that senses the height is based on the amount that the cantilever moves up and down according to the shape of the workpiece and the movement error generated by the scanning means. It was found to be the sum of the amount of
In order to reduce such a measurement error, conventionally, it is conceivable to use a high-precision scanning means with less motion error.
However, it is extremely difficult to prepare an ideal scanning means having no motion error. Even if such a scanning means can be prepared, it will be extremely expensive, making it difficult to manufacture a low-cost apparatus.
Therefore, the use of scanning means with higher accuracy has not been adopted as the problem solving means of the present invention.

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。
Further, another conventional method, that is, one proposed to eliminate the influence of a motion error generated by the scanning means, is complicated by using a right-angle three-surface reflector as shown in Patent Document 4. Since it had to be an apparatus configuration, it could not be adopted as a problem solving means of the present invention.
As described above, in the fine shape measurement field, development of a technique capable of achieving high measurement accuracy without using a high-accuracy scanning unit has been strongly demanded. There was no suitable technology that could do that.
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to provide a fine shape measuring apparatus capable of performing fine shape measurement with higher accuracy.

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。   As a result of extensive studies by the present inventors on the improvement of the precision of the fine shape measurement, it is extremely effective to measure the vertical displacement of the stylus on the basis of a reference member whose position and posture with respect to the workpiece are fixed. The measurement is performed by scanning the surface of the workpiece while moving the cantilever fixed end up and down so that the vertical deflection amount of the cantilever based on the displacement of the cantilever fixed end detected with reference to the reference member becomes a predetermined value. Has been found to be extremely stable and highly accurate, and the present invention has been completed.

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。
That is, the fine shape measuring apparatus according to the present invention to achieve the above object includes a cantilever, a scanning unit, a driving unit, a reference member, a free end displacement meter, a fixed end displacement meter, a calculation unit, And a control means.
Here, the cantilever has a stylus at the free end for tracing the irregularities of the workpiece surface while the fixed end is held, and has flexibility in the vertical direction.
The scanning means relatively scans the cantilever and the work surface in the lateral direction.
The driving means moves the cantilever fixed end up and down.
The reference member is provided so that the relative position and posture with respect to the workpiece do not change even by the scanning.

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。
The free end displacement meter measures the relative displacement in the vertical direction between the reference member and the stylus and outputs free end displacement information.
The fixed end displacement meter measures the relative displacement in the vertical direction between the reference member and the cantilever fixed end substantially, and outputs fixed end displacement information.
The computing means obtains the vertical deflection amount of the cantilever based on the free end displacement information obtained by the free end displacement meter and the fixed end displacement information obtained by the fixed end displacement meter.
The control means controls the operation of the driving means and controls the vertical position of the cantilever fixed end so that the amount of deflection obtained by the calculating means becomes a predetermined value.
In the present invention, the shape of the workpiece surface is grasped based on the free end displacement information obtained by scanning the workpiece surface while moving the cantilever fixed end up and down so that the deflection amount of the cantilever becomes a predetermined value. To do.

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。   In the present invention, the scanning means always matches the vertical displacement axis of the stylus with the free end measurement axis of the free end displacement meter, and the vertical displacement axis of the cantilever fixed end and the Scan the workpiece and reference member with respect to the cantilever and displacement meter, or scan the cantilever and displacement meter with respect to the workpiece and reference member so that the fixed end measurement axis of the fixed end displacement meter always coincides. Is preferred.

<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。
<Light wave interferometric displacement meter>
In the present invention, the free end displacement meter is a light wave interference displacement meter, the reference member is a reference mirror of a light wave interference displacement meter, and the free end displacement meter refers to a part of coherent light. Reference light, which is reflected light from the reference mirror obtained by entering the mirror, and measurement light, which is reflected light obtained by entering the free end measurement site that is transmitted through the reference mirror and positioned on the stylus on the back surface of the cantilever And the free end displacement information based on the interference is preferably obtained.
In the present invention, the fixed end displacement meter is a light wave interference displacement meter, the reference member is a reference mirror of a light wave interference displacement meter, and the fixed end displacement meter refers to a part of coherent light. The reference light, which is reflected light from the reference mirror obtained by being incident on the mirror, and the measurement light, which is reflected light that is transmitted through the reference mirror and substantially incident on the fixed cantilever, are interfered by the reference mirror. It is preferable to obtain the fixed end displacement information based on the interference.

<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。
<Lens>
In the present invention, it is preferable that the free end light wave interference displacement meter includes a lens.
Here, the lens is scanned in the lateral direction together with the cantilever while being inserted into a coherent parallel light beam from the reference mirror. The lens converges and enters the parallel light beam on the moving end measurement site on the back surface of the cantilever, and emits the reflected measurement light on the free end measurement axis of the free end displacement meter.

<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。
<Capacitance displacement meter>
In the present invention, the fixed-end displacement meter is a capacitive displacement meter including a reference electrode and a detection electrode that are two electrodes facing each other in the vertical direction, and the reference electrode is provided on the reference member. The detection electrode is substantially provided at the fixed end of the cantilever, and the fixed-end displacement meter measures a change in capacitance between the reference electrode and the detection electrode, and detects the change in capacitance. It is preferable to obtain the fixed end displacement information based thereon.
In the present invention, the detection electrode is a ring-shaped electrode, and the ring-shaped detection electrode is arranged so that the center axis of the ring-shaped detection electrode coincides with the free end measurement axis of the free end displacement meter. It is also preferable to arrange on the free end measurement axis of the free end displacement meter.

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。   The term “substantially cantilever fixed end” here does not mean only the cantilever fixed end, but can be used to measure the vertical displacement of the cantilever fixed end with reference to the reference member, such as a cantilever holder. Including.

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。
According to the fine shape measuring apparatus of the present invention, the cantilever includes the reference member, the free end displacement meter, the fixed end displacement meter, and the control means, and the cantilever deflection amount is constant. Since the workpiece surface is scanned while moving the fixed end up and down, stable and highly accurate fine shape measurement can be performed.
In the present invention, the vertical displacement axis of the stylus always coincides with the free end measurement axis of the free end displacement meter, and the vertical displacement axis of the cantilever fixed end and the fixed end of the fixed end displacement meter By performing scanning so that the measurement axis always coincides, it is possible to perform more stable and highly accurate fine shape measurement.

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。
In the present invention, the free-end displacement meter and the fixed-end displacement meter are light wave interference displacement meters, and the reference member is a reference mirror of a light wave interference displacement meter, so that the fine shape measurement can be further performed. Stable and highly accurate.
Further, in the present invention, the free-end displacement meter is a light wave interference displacement meter, and the fixed-end displacement meter is a capacitance displacement meter. Both simplification and realization can be realized. In the present invention, the detection electrode of the capacitance displacement meter is a ring-shaped electrode, and the center axis of the ring-shaped electrode and the free end measurement axis of the free end displacement meter coincide with each other. By arranging the ring-shaped electrode on the free end measuring axis of the free end displacement meter, both stable and highly accurate fine shape measurement and simplified configuration can be realized more reliably. .

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。
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First Embodiment FIG. 1 shows a schematic configuration of a fine shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, it is assumed that the Z displacement is measured by scanning the cantilever in the X direction.
A scanning probe microscope (fine shape measuring apparatus) 10 shown in FIG. 1 includes a base plate 12, a cantilever 14, a cantilever holder 16, a scanning stage (scanning means) 18, a Z-direction drive mechanism (drive means) 20, A reference mirror (reference member) 22 of a light wave interference displacement meter, a free end displacement meter 24, a fixed end displacement meter 26, a calculation means 28, a control means 30, and an analysis means 32 are provided.

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。
Here, the cantilever 14 has a stylus 34 for tracing the unevenness of the surface of the workpiece 40 at the free end 14a while the fixed end 14b is held, and is flexible in the Z direction (vertical direction).
The cantilever holder 16 holds the cantilever fixing end 14b.
The scanning stage 18 is provided on the base plate 12 and scans the cantilever 14 in the X direction along the surface of the workpiece 40.
The Z direction drive mechanism 20 includes an elastic hinge 42 and a piezoelectric element 44. The Z direction drive mechanism 20 moves the cantilever fixed end 14b in the Z direction. Therefore, in the present embodiment, the Z-direction drive mechanism 20 moves the cantilever holder 16 in the Z direction.

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。
The reference mirror 22 is a reference mirror of a light wave interferometric displacement meter, and is installed on the base plate 12 so that the relative position and posture with respect to the workpiece 40 are not changed by the scanning. And almost the same size.
The free end displacement meter 24 is composed of a light wave interference displacement meter, measures the relative displacement in the Z direction between the reference mirror 22 and the stylus 34, and outputs free end displacement information.
The fixed end displacement meter 26 is a light wave interference displacement meter, measures the relative displacement in the Z direction between the reference mirror 22 and the cantilever fixed end 14b, and outputs fixed end displacement information. Therefore, in this embodiment, the relative displacement in the Z direction between the reference mirror 22 and the cantilever holder 16 is measured.
The calculation means 28 calculates the deflection amount of the cantilever 14 based on the difference between the free end displacement information obtained by the free end displacement meter 24 and the fixed end displacement information obtained by the fixed end displacement meter 26, and calculates this. Output as measured value of deflection.
The control unit 30 controls the Z position of the cantilever holder 16 by controlling the driving of the Z-direction drive mechanism 20 so that the deflection amount measurement value from the calculation unit 28 becomes the deflection amount setting value.
Based on the free end displacement information obtained by scanning the surface of the work 40 while the cantilever holder 16 is moved up and down so that the deflection amount of the cantilever 14 becomes a predetermined value by the control means 30, the analysis means 32 is uneven. To figure out.

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。
In this embodiment, the free end displacement meter 24 includes a light source 50, a lens 52, a beam splitter 54, a beam splitter 56, a reference mirror 22, a λ / 4 plate 58, a lens 60, and a cantilever. 14 includes a free end measurement site 14c located on the stylus 34 on the back surface, and a free end phase detector 64.
Here, the lens 60 is inserted into a coherent parallel light beam, scanned in the X direction together with the cantilever 14, and converges the parallel light beam from the reference mirror 22 onto the free end measurement site 14 a on the back surface of the cantilever 14. And the measurement light which is the reflected light is emitted.
The fixed end displacement meter 26 includes one light source 50, a lens 52, a beam splitter 54, a mirror 66, a beam splitter 68, a reference mirror 22, a λ / 4 plate 58, a mirror 70, and a fixed end phase. A detection unit 72.
The moving end displacement meter 24 and the fixed end displacement meter 26 use one light source 50, a lens 52, a beam splitter 54, a reference mirror 22, and a λ / 4 plate 58 as a common optical system constituent member. .

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。
The workpiece 40 and the reference mirror 22 are fixed on the base plate 12 and are installed so that relative displacement does not occur even by scanning.
The lens 60 is held by a lens holder 74, and the lens holder 74 and the cantilever holder 16 are fixed so as not to move with respect to each other.
The cantilever holder 16 is fixed to the Z direction driving mechanism 20, and the Z direction driving mechanism 20 is coupled to the scanning stage 18. As a result, the cantilever 14 can be moved in any direction of XYZ, that is, in the X direction in this embodiment. The moving end displacement meter 24 and the fixed end displacement meter 26 are fixed to the scanning stage 18 and are scanned in the X direction together with the cantilever 14 and the lens 60 during scanning.

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。
The scanning probe microscope 10 according to the present embodiment is configured as described above, and the operation thereof will be described below.
In the present embodiment, by measuring the displacement of the stylus 34 in the Z direction with reference to the reference mirror 22, high-precision measurement can be performed. In this case, the surface of the workpiece 40 is scanned while moving the cantilever holder 16 so that the deflection amount of the cantilever 14 detected with reference to the reference mirror 22 becomes constant, thereby realizing more stable and highly accurate measurement. Can do.
Here, in the present embodiment, since the reference mirror 22 has a size larger than the measurement area on the surface of the workpiece 40, the Z displacement of the stylus 34 can be reliably measured with reference to the reference mirror 22.
In the present embodiment, the Z-direction displacement axis of the stylus 34 and the free-end measurement axis of the free end displacement meter 24 always coincide with each other even by scanning, and the Z-direction displacement axis and the fixed end displacement of the cantilever fixed end 14b. Since the scanning is performed so that the fixed end measurement axis of the total 26 always coincides, the ideal displacement measurement of the stylus 34 and the deflection amount measurement of the cantilever 14 can be performed without generating a cosine error.

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。
Below, the said effect | action is demonstrated more concretely.
In this figure, the reference mirror 22 and the workpiece 40 are fixed to the base plate 12, and the displacement meters 24 and 26 including the lens 60 and the cantilever 14 are scanned in the X direction with respect to the base plate 12.
Then, the laser light (coherent light) from the light source 50 is collimated by the lens 52, and further, the beam splitter 54 fixes the light for measuring the free end displacement of the cantilever free end 14 a (stylus 34) and the cantilever holder 16. Separated into light for measuring end displacement. A part of the light for measuring the free end displacement is reflected by the reference mirror 22 to become reference light, and the remaining transmitted light is transmitted by the λ / 4 plate 58 and then reflected by the free end measurement portion 14c on the back surface of the cantilever 14. The light passes through the λ / 4 plate 58 again and is superimposed on the reference light.
At this time, the reference light and the reflected light are lights whose polarization planes are orthogonal to each other, and the phase difference between them is detected by the free-end phase detection unit 24 and appropriate signal processing is performed. As a result, since the Z displacement information of the stylus 34 can be obtained with the reference mirror 22 as a reference, the unevenness on the surface of the workpiece 40 can be grasped.

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。
According to the shape measuring apparatus 10 according to the present embodiment, even if a movement error of the scanning stage 18 occurs during scanning of the cantilever 14, as long as the stylus 34 is in contact with the surface of the workpiece 40, the cantilever Since the movement error is absorbed by the bending of the cantilever 14 only by bending of the scanning stage 14, the movement error of the scanning stage 18 can be prevented from being superimposed on the measurement result of the workpiece 40.
In the present embodiment, the lens 60 converges the laser beam from the reference mirror 22 on the free end measurement portion 14c on the back surface of the cantilever 14 and enters the measurement light. Injected onto the free end measurement axis of the. As a result, in this embodiment, even if there is a concern about the influence of the tilt change of the back surface of the cantilever 14 due to the bending of the stylus 34, the measurement light from the free end measurement portion 14c on the back surface of the cantilever 14 is surely obtained. Since it is emitted from the lens 60 and can be observed by the free end displacement meter 24, the Z displacement of the stylus 34 can be accurately measured.

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。
By the way, in this embodiment, in order to perform more stable and highly accurate measurement, it is also very important to pay attention to the following points.
According to the scanning probe microscope 10 according to the present embodiment, it is possible to realize highly accurate measurement that is not affected by the movement error of the scanning stage 18 as described above. This is a measurement object having a fine shape that can be measured within the deflection range of the cantilever 14, and when the surface of the workpiece 40 has a large undulation, the stylus 34 may move away from the surface of the workpiece 40 during scanning. Measurement cannot be performed.
Further, if the height of the back surface of the cantilever 14 is greatly shifted from the focal position of the lens 60 using the lens 60, an error amount due to the tilt of the back surface of the cantilever 14 cannot be removed. Further, depending on the work, the amount of deflection of the cantilever 14 becomes very large, and an excessive measuring force may be applied. As a result, the surface of the workpiece 40 may be damaged, or the stylus 34 may be worn, and the lateral resolution of the measurement may be reduced.

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。
In this embodiment, in order to perform more stable and highly accurate measurement, it is very important to solve these problems, and in order to realize stable and highly accurate measurement even on a rough workpiece surface. Further, in order to suppress damage to the surface of the work 40 and reduce wear of the stylus 34, the amount of deflection of the cantilever 14 is controlled to be constant during measurement.
In this embodiment, in order to perform constant control of the deflection amount of the cantilever 14, the deflection amount information of the cantilever 14 is obtained as follows.

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。   A part of the light for measuring the free end displacement and the light for measuring the fixed end displacement separated by the beam splitter 54 is reflected by the reference mirror 22 to become reference light, and the remaining transmitted light is the λ / 4 plate. After passing through 58, the light is reflected by the free end measurement portion 14 c on the back surface of the cantilever 14 and the mirror 70 on the cantilever holder 16, and again passes through the λ / 4 plate 58 and overlaps with the reference light. At this time, the reference light and the reflected light are lights whose polarization planes are orthogonal to each other, and these phase differences are detected by the phase detectors 24 and 26 and subjected to appropriate signal processing. As a result, the Z displacement information of the free end measurement portion 14c on the back surface of the cantilever 14 and the cantilever holder 16 can be obtained based on the reference mirror 22. The change Δξ in deflection of the cantilever 14 can be obtained from the free end measurement portion 14 c on the back surface of the cantilever 14 and the Z displacement information of the cantilever holder 16.

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。   In this embodiment, by controlling the Z position of the cantilever holder 16 so that the deflection change Δξ obtained in this way is constant, the stylus 34 moves the workpiece 40 during scanning as shown in FIG. It is possible to reliably avoid the separation from the surface and perform a correct measurement.

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、参照鏡22に対するカンチレバーホルダー16の距離をm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、参照鏡22に対するカンチレバーホルダー16の距離mが、それぞれ距離l、距離m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で設定されていた場合、走査後に得られた距離lとmから、たわみの変化量Δξが、次式で得られる。
Δξ=(l−m)−(l−m)=ξ−ξ
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。
Hereinafter, a method of obtaining the deflection change Δξ of the cantilever 14 from the moving end displacement information and the fixed end displacement information obtained during the scanning of the cantilever 14 will be described with reference to the schematic diagram of FIG.
At an arbitrary measurement start point on the workpiece 40, the distance of the back surface of the cantilever 14 with respect to the reference mirror 22 is l 0 , and the distance of the cantilever holder 16 with respect to the reference mirror 22 is m 0 . When the cantilever 14 is scanned, the distance l 0 of the back surface of the cantilever 14 with respect to the reference mirror 22 and the distance m 0 of the cantilever holder 16 with respect to the reference mirror 22 are the distance l 1 , respectively, due to the shape of the workpiece 40 and the vertical movement of the cantilever holder 16. Assume that the distance has changed to m 1 .
When the deflection amount of the cantilever 14 at the measurement start point is set as ξ 0 , the deflection change amount Δξ is obtained from the distances l 1 and m 1 obtained after scanning by the following equation.
Δξ = (l 0 −m 0 ) − (l 1 −m 1 ) = ξ 0 −ξ 1
That is, the change in the difference between the moving end displacement information and the fixed end displacement information represents the amount of change with respect to the deflection of the cantilever 14 at the measurement start point.

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。
In the present embodiment, using the information of the change amount Δξ, the driving of the Z-direction drive mechanism 20 is controlled so as to keep the deflection amount of the cantilever 14 at the deflection amount setting value.
In other words, in this embodiment, when measuring the Z displacement of the stylus 34 with the reference mirror 22 as a reference in order to obtain unevenness information on the surface of the work 40, the deflection amount measurement value obtained as described above is the deflection. The surface of the workpiece 40 is scanned while moving the cantilever holder 16 up and down so that the amount setting value is obtained.
As a result, in the present embodiment, stable and highly accurate measurement can be performed on the surface of the workpiece 40 having undulations exceeding the range of deflection of the cantilever 14 without the stylus 34 separating from the surface of the workpiece 40.
In the present embodiment, since the free end measurement portion 14c on the back surface of the cantilever 14 is always located near the focal point of the lens 60, the measurement error due to the tilt of the cantilever 14 can be greatly reduced.
In the present embodiment, the measuring force determined according to the deflection amount of the cantilever 14 can be controlled to a predetermined constant value, and therefore the measuring force can be kept small. As a result, damage to the workpiece 40 can be avoided and wear of the stylus 34 can be suppressed as much as possible.
Accordingly, in the present embodiment, since the unevenness of the workpiece surface can be accurately grasped based on the free end displacement information from the free end phase detection unit 24, the Z displacement measurement of the stylus 34 based on the reference mirror 22 can be performed. Therefore, further stabilization and higher accuracy can be realized with certainty.

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。
In the above-described configuration, an example in which the scanning stage 18 sends and moves the stylus 34 and the displacement gauges 24 and 26 in the X direction with respect to the workpiece 40 and the reference mirror 22 has been described. Without being limited thereto, it is also preferable to move the work 40 and the reference mirror 22 in the X direction with respect to the stylus 34 and the displacement meters 24 and 26.
Further, not only one axis in the X axis direction but also the same scanning measurement can be performed in the Y direction, and the uneven shape of the workpiece 40 in the two-dimensional region can be measured.

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。   In the above configuration, the example in which the reference mirror 22 and the λ / 4 plate 58 are provided as the optical elements of the light wave interference displacement meter has been described. However, the present invention is not limited to this, and the reference mirror 22 and Instead of the λ / 4 plate 58, a wire grid type polarizing plate may be used. If this is used, the polarization planes of the reflected light and the transmitted light are orthogonal to each other, and the functions of both the reference mirror 22 and the λ / 4 plate 58 of the present embodiment can be realized with one optical element. Simplification is achieved.

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。   In the above configuration, the example in which the displacement of the cantilever holder 16 is observed as the displacement of the cantilever fixed end 14b has been described. As long as the displacement of the cantilever fixed end 14b can be observed, the Z displacement of the cantilever fixed end 14b can be observed by observing the Z displacement of the lens holder 74 or the like, for example.

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。   In the above embodiment, an example in which an optical interference system is used as the displacement gauges 24 and 26 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the displacement can be observed as long as the displacement can be observed. Other displacement meters, such as a capacitive displacement meter, can also be used.

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
Second Embodiment FIG. 4 shows a schematic configuration of a fine shape measuring apparatus according to two embodiments of the present invention. Parts corresponding to those in the first embodiment are denoted by reference numeral 100 and description thereof is omitted.
In the present embodiment, as the fixed end displacement meter 126, a capacitance displacement meter is used instead of the light wave interference displacement meter. This is provided on the upper part of the cantilever holder 116.
The reference mirror 122 of the present embodiment is coated with a metal foil film, and this is used as the reference electrode 180 of the capacitance displacement meter. The capacitive displacement meter 126 includes a detection electrode 182.
The fixed-end displacement meter 126 measures the change in capacitance between the reference electrode 180 and the detection electrode 182. Based on the change in capacitance, the fixed-end displacement information, that is, between the reference mirror 122 and the cantilever holder 116 is measured. The change of Z distance is grasped.
According to the fixed end displacement meter 126 of this embodiment, highly accurate fixed end displacement information can be obtained.

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。   In the free end displacement meter 124, the laser light from the light source 150 is collimated by the lens 152 and then passes through the beam splitter 156. A part of the light for measuring the free end displacement is reflected by the reference mirror 122 to become reference light, and the remaining transmitted light is transmitted by the λ / 4 plate 158 and then reflected by the free end measurement portion 114c on the back surface of the cantilever 114. Then, the light passes through the λ / 4 plate 158 again and is superimposed on the reference light. At this time, the phase difference between the reference light and the reflected light is detected by the free end phase detection unit 124 and subjected to appropriate signal processing, so that the free end displacement information, that is, the Z displacement of the stylus 134 based on the reference mirror 122 is obtained. Information can be obtained.

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。   According to the fixed end displacement meter 126 of the present embodiment, the deflection amount of the cantilever 114 is increased based on the fixed end displacement information obtained as described above and the free end displacement information obtained by the free end displacement meter 124. The accuracy can be obtained. In the present embodiment, based on the free end displacement information obtained by scanning the surface of the workpiece 140 while raising and lowering the cantilever holder 116 so that the deflection amount measurement value becomes the deflection amount setting value by the control unit 130. Since the shape of the surface of the workpiece 140 is grasped, the fine shape measurement can be performed more stably and accurately as in the case of the above embodiment.

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。   Further, in the present embodiment, a capacitance type displacement meter is provided on the upper portion of the cantilever holder 116 as the fixed end displacement meter 126, and a change in the distance between the reference mirror 122 and the cantilever holder 16 is measured. As a result, in this embodiment, since it is sufficient to provide one optical system for measuring displacement, the apparatus can be simplified as compared with an apparatus having two optical systems for measuring displacement. .

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。
Third Embodiment FIG. 5 shows a schematic configuration of a fine shape measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention. Portions corresponding to those of the second embodiment are indicated by reference numeral 100 and description thereof is omitted.
In the present embodiment, as the fixed end displacement meter 226, a ring-shaped detection electrode 282 is provided on the lens holder 274 to constitute a capacitance displacement meter.
In other words, in the present embodiment, the detection electrode 282 of the capacitive displacement meter has a ring shape, and the center axis of the ring detection electrode 282 matches the center line of the free end measurement axis of the free end displacement meter 224. As described above, the ring-shaped detection electrode 282 is disposed on the free end measurement axis of the free end displacement meter 224. Further, the λ / 4 plate 258 of the free end displacement meter 224 is disposed in the ring-shaped detection electrode 282 of the fixed end displacement meter 226.
As described above, according to the present embodiment, since the fixed end displacement meter 226 measures a change in the distance between the reference mirror 222 and the lens holder 274, highly accurate fixed end displacement information can be obtained.

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。   According to the fixed end displacement meter 226 of the present embodiment, the deflection amount of the cantilever 214 is highly accurate based on the fixed end displacement information obtained as described above and the free end displacement information obtained by the free end displacement meter 224. Can be requested. In the present embodiment, the control unit 230 is based on the free end displacement information obtained by scanning the surface of the work 240 while moving the cantilever holder 216 up and down so that the measured value of the deflection amount of the cantilever 214 becomes a set value. Since the shape of the surface of the work 240 is grasped, the fine shape measurement can be performed more stably and with high accuracy as in the above embodiment.

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。   Furthermore, in this embodiment, since it can be considered that the relative distance between the lens 260 and the back surface of the cantilever 214 is measured on the same axis, even when the posture of the cantilever holder 216 changes, The amount of deflection of the cantilever 214 can be accurately calculated. As a result, since the constant control of the deflection amount of the cantilever 214 can be accurately performed, a more stable and highly accurate fine shape measurement can be performed.

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。
Fourth Embodiment FIG. 6 shows a schematic configuration of a fine shape measuring apparatus according to a fourth embodiment of the present invention. Parts corresponding to those in the third embodiment are denoted by reference numeral 100 and description thereof is omitted.
In this embodiment, the metal thin film 380 of the reference mirror 322 is used as a detection electrode, and the distance to the detection surface (reference electrode) 382 provided on the upper portion of the lens holder 374 is measured. According to the fixed end displacement meter 326 of the present embodiment, highly accurate fixed end displacement information can be obtained.

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。   According to the present embodiment, the deflection amount of the cantilever 314 can be obtained with high accuracy based on the fixed end displacement information obtained in this way and the free end displacement information obtained by the free end displacement meter 324. The control means 330 uses the free end displacement information obtained by scanning the surface of the work 340 while moving the cantilever holder 316 up and down so that the measured value of the deflection amount of the cantilever 314 obtained in this way becomes a set value. Based on this, the shape of the surface of the workpiece 340 is grasped, so that the fine shape measurement can be performed more stably and with high accuracy as in the above embodiment.

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。   Furthermore, since the capacitive displacement meter of the present embodiment is used in a state that is always fixed by the scanning, the cantilever 314 can be scanned while the capacitance displacement meter cable is fixed. . As a result, in this embodiment, adverse effects such as hysteresis due to cable movement of the capacitance displacement meter can be greatly reduced.

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。
In each of the above embodiments, the example in which the interference length measurement unit is moved has been described. However, the present invention is not limited to this, and it is also preferable to fix the interference length measurement unit. Specific examples thereof will be described below.
Fifth Embodiment FIG. 7 shows a schematic configuration of a fine shape measuring apparatus according to a fifth embodiment of the present invention. Portions corresponding to those in the first embodiment are indicated by the reference numeral 400 and description thereof is omitted.
In the first embodiment, the interference length measurement unit including the displacement meter is moved, but in the present embodiment, the interference length measurement unit including the displacement meters 424, 426 and the like is fixed.
Further, the laser light from the light source 450 is spread to the same size as the workpiece 440. Of the laser light, part of the light that has passed through the light shielding plate 490 is reflected by the reference mirror 422 to become reference light, and the remaining transmitted light is reflected by the cantilever back surface 414c and the reflection mirror 470, respectively, and is superimposed on the reference light. Is incident on the phase detectors 464 and 472.
In the present embodiment, the displacement at the same place can always be observed by fixing the light shielding plate 490 to the scanning stage 418 and moving it together with the cantilever 414 and the reflection mirror 470.
In the present embodiment, the optical path of the reflected light also moves in accordance with the movement of the light shielding plate 490. However, by arranging the lenses 492 and 494, light always enters the predetermined positions of the phase detectors 464 and 472. It is the composition which does.
As described above, according to the present embodiment, the mass of the movable part can be reduced by fixing the interference length measuring unit including the displacement gauges 424, 426 and the like, so that the scanning stage 418 can be moved at high speed. . Thereby, in this embodiment, the measurement time can be further shortened.

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。It is explanatory drawing of schematic structure of the fine shape measuring apparatus concerning 1st embodiment of this invention. 本発明が解決しようとする課題の説明図である。It is explanatory drawing of the subject which this invention tends to solve. 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。It is explanatory drawing of an effect | action of the fine shape measuring apparatus concerning this embodiment. 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。It is explanatory drawing of schematic structure of the fine shape measuring apparatus concerning 2nd embodiment of this invention. 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。It is explanatory drawing of schematic structure of the fine shape measuring apparatus concerning 3rd embodiment of this invention. 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。It is explanatory drawing of schematic structure of the fine shape measuring apparatus concerning 4th embodiment of this invention. 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。It is explanatory drawing of schematic structure of the fine shape measuring apparatus concerning 5th embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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
10, 110, 210, 310, 410 Scanning probe microscope (fine shape measuring device)
14, 114, 214, 314, 414 Cantilever 18, 118, 218, 318, 418 Scanning stage (scanning means)
20, 120, 220, 320, 420 Z-direction drive mechanism (drive means)
22, 122, 222, 322, 422 Reference mirror (reference member)
24, 124, 224, 324, 424 Moving end displacement meter 26, 126, 226, 326, 426 Fixed end displacement meter 28, 128, 228, 328, 428 Calculation means 30, 130, 230, 330, 430 Control means 32, 132,232,332,432 Analysis means 34,134,234,334,434 stylus

Claims (7)

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。
A cantilever having a stylus at the free end for tracing the irregularities of the workpiece surface with the fixed end held, and having flexibility in the vertical direction;
Scanning means for relatively scanning the cantilever and the workpiece surface in the lateral direction;
Drive means for moving the cantilever fixed end up and down;
A reference member provided so that the relative position and posture with respect to the workpiece do not change even by the scanning;
A free end displacement meter that measures the relative displacement in the vertical direction between the reference member and the stylus and outputs free end displacement information;
A fixed end displacement meter that measures relative displacement in the vertical direction between the reference member and the cantilever fixed end, and outputs fixed end displacement information;
Based on the free end displacement information obtained by the free end displacement meter and the fixed end displacement information obtained by the fixed end displacement meter, calculation means for obtaining a vertical deflection amount of the cantilever;
Control means for controlling the operation of the driving means, and controlling the vertical position of the cantilever fixed end so that the amount of deflection determined by the calculating means becomes a predetermined value;
And grasping the shape of the workpiece surface based on the free end displacement information obtained by scanning the workpiece surface while moving the cantilever fixed end up and down so that the deflection amount of the cantilever becomes a predetermined value. A fine shape measuring device characterized by.
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。
In the fine shape measuring apparatus according to claim 1,
In the scanning means, the vertical free end displacement axis of the stylus and the free end measurement axis of the free end displacement meter always coincide with each other, and the vertical fixed end displacement axis and the fixed end displacement meter of the cantilever fixed end The workpiece and the reference member are scanned with respect to the cantilever and the displacement meter, or the cantilever and the displacement meter are scanned with respect to the workpiece and the reference member so that the fixed end measurement axis of Fine shape measuring device.
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。
In the fine shape measuring apparatus according to claim 1 or 2,
The free end displacement meter is a light wave interference displacement meter, and the reference member is a reference mirror of a light wave interference displacement meter,
The free end displacement meter includes a reference light which is a reflected light from a reference mirror obtained by allowing a part of coherent light to enter the reference mirror, and a free end which is transmitted through the reference mirror and located on the stylus on the back surface of the cantilever. A fine shape measuring apparatus characterized in that measurement light, which is reflected light obtained by being incident on a measurement site, is caused to interfere with a reference mirror and the moving end displacement information based on the interference is obtained.
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。
In the fine shape measuring apparatus according to claim 3,
The free end displacement meter includes a lens that is laterally scanned together with the cantilever in a state where the free end displacement meter is inserted into a parallel light beam having coherence from the reference mirror.
The lens converges and enters the parallel light beam from the reference mirror on the free end measurement portion on the back surface of the cantilever, and emits the measurement light, which is reflected light, onto the free end measurement axis of the free end displacement meter. A fine shape measuring device characterized by.
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。
In the fine shape measuring apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The fixed-end displacement meter is a light wave interference displacement meter, and the reference member is a light wave interference displacement meter reference mirror,
The fixed-end displacement meter includes a reference light that is a reflected light from a reference mirror obtained by making a part of coherent light enter the reference mirror, and a reference light that passes through the reference mirror and substantially enters the cantilever fixed end. A fine shape measuring apparatus characterized in that the measurement light, which is the reflected light, is caused to interfere with a reference mirror to obtain the fixed end displacement information based on the interference.
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。
In the fine shape measuring apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The fixed-end displacement meter is a capacitance displacement meter including a reference electrode and a detection electrode that are two electrodes facing each other in the vertical direction,
The reference electrode is provided on the reference member, and the detection electrode is substantially provided on the cantilever fixed end;
The fine shape measuring apparatus, wherein the fixed end displacement meter measures a change in capacitance between the reference electrode and the detection electrode and obtains fixed end displacement information based on the change in capacitance.
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。
In the fine shape measuring apparatus according to claim 6,
The detection electrode is a ring-shaped electrode,
Disposing the ring-shaped detection electrode on the free end measurement axis of the free end displacement meter so that the center axis of the ring detection electrode and the free end measurement axis of the free end displacement meter coincide with each other. Characteristic fine shape measuring device.
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