JPH04161808A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 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。

［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　（＾ｔｏｍ１ｃ
　Ｆｏｕｒｅｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が提案されて
いる。（Ｇ、Ｂｉｎｎｉｎｇ、Ｃ，Ｆ、Ｑｕａｔｅ　ａ
ｎｄＣｈ、Ｇｅｒｂｅｒ、Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔ
、５６．９３０（１９８Ｂ））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。

［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
衣のような課題が新たに生ずる。

すなわち光学的変位検出手段の対物レンズの倍率を変更
したり、光学的変位検出手段そのものを交換した場合、
触針子と光学的変位検出手段との位置合わせをその都度
行なう必要が生ずる。このため取扱い操作が煩雑化する
という問題がある。

また触針子の位置調整範囲を大きくする必要がある。こ
のため装置が大型化するという問題がある。

本発明の目的は、光学的変位検出手段および触針子移動
機構を容易に交換することができ、しかも上記交換に伴
う触針子の位置調整を容易に行なえる表面形状測定装置
を提供することにある。

［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。

ばね部材を介して支持された触針子で測定物の表面を走
査することにより表面形状を測定する表面形状測定装置
において、装置本体に着脱自在に設けられ、対象物の高
さ方向の変位を検出する光学的変位検出センサユニット
と、 前記光学的変位検出センサユニットに一体的に設けられ
、前記触針子をばね部材を介して前記光学的変位検出セ
ンサユニットの対物レンズにおける視野内の第１の位置
および前記対物レンズの視野外に退避した第２の位置と
の間で移動自在に支持する触針子移動機構と、を備えた
ものとした。

なお、前記触針子移動機構には、前記触針子を３軸方向
に位置調整する位置調整手段を付設するようにしても良
い。

また、前記触針子移動機構を、前記光学的変位検出セン
サユニットに対して着脱自在に取付けるようにしても良
い。

［作用］ 上記手段を講じた結果、次のような作用が生じる。光学
的変位検出手段がユニット化されたことにより、上記光
学的変位検出手段の交換が極めて容易となる。また触針
子移動機構が光学的変位検出センサユニットに取付けら
れたため、触針子移動機構の交換も同時に行なうことに
なり、光学的変位検出センサユニットの対物レンズ視野
内の所定位置にくるように触針子の第１の位置をあらか
じめ調整しておくことができるので、交換に伴う触針子
の位置調整の手間が削減される。

［実施例］ 第１図（ａ）（ｂ）は本発明の一実施例に係る表面形状
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、Ｘ粗動ステージ２およびＸ粗動ステージ
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。Ｘ粗動ステージ２はＹ粗動ステ
ージ移動ハンドル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粗動ステージ３はＸ粗動ステ
ージ移動ハンドル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粗動ステージ３の上には、Ｙ方向に
移動するＹ微動ステージ６およびＸ方向に移動するＸ微
動ステージ７が順次重ねて載置されている。更にＸ微動
ステージ７の上には、Ｘ、Ｙ方向およびＸ−Ｙ平面に垂
直な方向（２方向）に移動可能な、トライボッドステー
ジ８が載置されている。このトライボッドステージ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。

定盤１の上に立設された支柱１０には２粗動ステージ１
１が取付けられている。このＺ粗動ステージ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粗動ステージ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左カメラ６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には光フアイバー束１７が接続され、この光フ
アイバー束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。

触針子挿入機構１８は触針子変位検出センサユニット１
５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
エータ２０．触針子支持用板バネ２１．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。

触針子ｘ−ｙ−ｚ移動機構１９は、触針子挿入機構１８
に着脱自在に固定され、触針子微動用Ｚ軸アクチュエー
タ２０．触針子支持用板ノ（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
レーザー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。

触針子２２を固定した触針子支持用板）（ネ２１は、触
針子微動用Ｚ軸アクチュエータ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軸アクチュエータ２０は、例えば積
層型圧電アクチュエータから成っている。そして上記ア
クチュエータ２０は、上端を触針子ｘ−ｙ−ｚ移動機構
１９に固定され、下端に取り付けである触針子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
２方向に移動させるものとなっている。

カバー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。ケーブル類および測
定部制御系は上記カバー２３の外側に配置される。

次に、第２図〜第８図を参照して各部の構成を詳細に説
明する。

第２図はＹＷ１動ステージ６およびＸ微動ステージ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２６
ａ、２６ｂ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２７ａ。

２７ｂの間に、Ｘテーブル２８がその両端を挾持されて
いる。このＸテーブル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ータ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。Ｘテーブル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３０ａ、３
０ｂ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３
１ａ、３１ｂの間に、Ｘテーブル３２がその両端を挾持
されている。このＸテーブル３２の一部は、前記Ｘテー
ブル２８上に基端部を固定された圧電アクチュエータ３
３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微動ステージ６、Ｘ微動ステージ
７は、上記のようにそれぞれＸテーブル２８．Ｘテーブ
ル３２の内部に積層型圧電アクチュエータ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
成の微動ステージとなっている。

なお、板バネ２７ａ、２７ｂおよび３１ａ、３１ｂは、
第２図の右上に板バネ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、３
４　ｂ、３４　ｃを当てかった状態でねじ止めされる。

第３図は、トライボッドステージ８の構成を詳細に示し
た図である。

アクチュエータ支持ブロック３５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微動用圧電アクチニエータ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ユエータ３６．３７
．３８は、アクチュエータ支持ブロック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３
９に固定されている。試料台９は、移動ブロック３９の
上面に２微動用圧電アクチユエータ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。

上記構成のトライボッドステージ８の各微動用圧電アク
チュエータ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。

２の任意な方向に数１０μｍ程度移動することになる。

第４図（ａ）（ｂ）および第５図は、触針子変位検出セ
ンサユニット１５の構成を詳細に示す図である。第４図
（ａ）（ｂ）は、ユニット化された高さ計測光学系を備
えた触針子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。取付はベース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の光軸に上の所定位置には１／４波長板４２
．半透鏡４３が配置されている。上記光軸にと直交し、
かつ半透鏡４３の中心を通る光軸り上にはビームスプリ
ッタ４４が配置されている。

このビームスプリッタ４４の光入射端に対向するように
、直線偏光ビームを発する光源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
ーザダイオードなどからなる半導体レーザを使用するこ
とが望ましい。

またビームスプリッタ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からの直線偏光ビー
ムを受けてビー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。なおベース４０には本ユニット１
５をステージ１１に対して着脱自在に取付けるための取
付孔４０ａ、４０ｂが設けられている。

第５図は前記触針子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デイ′スプレィ、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。

光源４５から発せられたレーザー光すなわち直線偏光ビ
ームは、ビーム形状整形要素５ｏにより円形断面を有す
る平行光となってビームスプリッタ４４に入射し、かつ
反射されて光軸りに沿った光となる。この光は半透鏡４
３で反射されて光軸Ｋに沿った光となる。

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、前記レーザ光と一つ
になる。

一つになったレーザー光および照明光は、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、レーザー光は直線偏
光から円偏光に変換される。そしてこのレーザー光は、
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。

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５１゜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
レアーのない鮮明な視野観察像が得られる。

試料から反射したレーザ光は、対物レンズ１４゜１／４
波長板４２を通る。このとき、レーザー光は振動面が入
射時に比べ９０°回転した直線偏光となる。半透鏡４３
で反射したレーザ光は、ビームスプリッタ４４に入射し
て二分される。その−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、コンピュータ５
９で演算処理されてデイスプレィ６１に送られ、立体像
として写し出される。

上記立体像を得る手段は、特開昭５９−９０００７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。

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４６．４７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。

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４８．４９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、はぼリニアな関
係を有する出力信号が得られる。

第６図（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力方向例えば数ｍｍ程度移動できるものと
なっている。モして棒バネ上板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。

アクチュエータ固定部材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。アクチュエータ固定部材６９の基端部下端に
は触針子微動用Ｚ軸アクチュエータ２０が取付けられて
いる。

触針子微動用Ｚ軸アクチュエータ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の取付は台７５を保持する
ための保持部材７２が固定されている。

上記のごとく構成したことにより、Ｘ、Ｙ移動つまみ６
７．６８を回し、これらの各っまみ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６
６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、アクチュエータ固定
部材６９を２方向に変位させ、任意の位置に保持させる
ことができる。

したがって、Ｘ、Ｙ移動つまみ６７．６８およびＺ方向
移動とスフ１により、アクチュエータ固定部材６９に固
定された触針子微動用２軸アクチユエータ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。

第７図（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２
２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２２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。

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は台７５に固定されている。取付
は台７５は、取り付は用ビス穴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。

上記のように構成することにより、取付は台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２
１が撓むことになる。

第８図は、本装置の測定部及びその制御を行う制御部の
構成を示すブロック図である。図の中央に示す高圧アン
プ８０はＹ微動ステージ６、Ｘ微動ステージ７、トライ
ポットステージ８及び触針子微動用Ｚ軸アクチュエータ
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８ｏ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ボード８１．８２．Ｚ微動調整部８３゜
２軸フイードバツクコントローラ８４が接続されている
。

センサコントローラ８５は触針子変位検出センサユニッ
ト１５のレー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ボード８６及び前記２軸フイードバツクコ
ントローラ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、センサーコントローラ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
ータが付設されている。

Ｚ軸フィードバックコントローラ８４は、センサコント
ローラ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ボッドステ
ージ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７ンブ８０を介してトライボッドス
テージ８のＺ軸に供給するものとなっている。またトラ
イボッドステージＺ軸制御信号をＡ／Ｄボード８６に入
力できるような接続もされている。

Ｄ／Ａボード８１，８２．及びＡ／Ｄボード８６は、コ
ンピュータ８７に接続されており、測定部走査系及び駆
動部のコントロール、高さ情報信号の処理等を行なうも
のとなっている。またコンピュータ８７には測定部操作
のためのメニューや、測定結果を表示するためのＣＲＴ
８８と、測定結果をハードコピーするためのプロッタ８
９とが接続されている。

ランプハウス調光装置ｔ９０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９
０はファイバー束１７によって落射投光管１３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。

ＴＶ左カメラ６は、ＴＶカメラ制御用のＴＶカメラコン
トローラ９１に接続されている。またＴＶ左カメラ６に
よって得られた画像を表示するために、上記コントロー
ラ９１にはカラーモニタ９２（第５図のビデオモニタ６
０に相当）が接続されている。

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。−船釣な操作手順としては次のとおり
である。

■触針子位置調整 ■測定位置設定 ■触針子と測定試料表面の接触 ■表面形状測定 ■測定データ処理及び結果表示 ■結果小出 力記手順について、以下に詳細に説明する。

■触針子位置調整 触針子２２の裏面が、触針子変位検出センサユニット１
５からのレーザ光焦点位置にくるように触針子２２の位
置を調整する。すなわち第１図（ａ）’（ｂ）の触針子
挿入機構１８で、触針子Ｘ−ｙ−ｚ移動機構１９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
。

ランプハウス調光装置９０からの照明光を光フアイバー
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の裏面の光学像をＴＶ左カメラ６でとらえ
、ＴＶカメラコントローラ９１を介して、カラーモニタ
９２上に表示する。

カラーモニタ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６７、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のレーザ光スポットが
焦点を結ぶように、触針子２２の位置を調整する。

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２軸アクチユエータ２
０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、触
針子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。

■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■の状態か
ら、触針子挿入機構１８により、触針子２２を対物レン
ズ１４の視野外に出す。カラーモニタ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粗動ステー
ジ１１を移動させ、測定試料の表面画像を得た後、Ｙ粗
動ステージ２およびＸ粗動ステージ３を手動で移動させ
、測定したい位置を触針子変位検出センサユニット１５
のレー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微動ステージ６およびＸ微動ス
テージ７にコンピュータ８７からの制御信号をＤ／Ａボ
ード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。

なお、触針子支持用板バネ２１の幅を数１０μｍ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。

■触針子と測定試料表面の接触 手順■の状態から、Ｚ粗動ステージ１１を上昇させ、触
針子挿入機構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、■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粗動ステージ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。

次に、センサコントローラ８５の出力信号を付属のメー
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軸アクチュエータ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
ローラ８５のモニタメータが振れるので、必要な位置に
触針子２２を設定する。この時モニタメータの振れ量に
より、触針子２２の試料への接触荷重を知ることができ
る。

なおＺ微動調整部８３をコンピュータ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ータ操作によ
り数値的に行なうことか可能となる。

■表面形状測定 ■の状態でセンサコントローラ８５の出力信号をＺ軸フ
ィードバックコントローラ８４に入力させ、Ｚ軸制御信
号をＡ／Ｄボード８６に入力させる。こうすることによ
り、センサコントローラ８５の出力信号が常に一定とな
るように、すなわち触針子裏面が常に触針子変位検出用
センサユニットユ５から一定の距離にあるように、トラ
イボッドステージ８のＺ軸が２軸フイードバツクコント
ローラ８４により、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２軸制御化号から検出
することができる。

ここで、トライボッドステージ８のＸ、Ｙ軸に、コンピ
ュータ８７からの制御信号をＤ／Ａボード８２、高圧ア
ンプ８０を介して与えて同ステージ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、トライボッドス
テージ８のＺ軸は上下に駆動される。また同駆動信号を
Ａ／Ｄボード８６を介してコンピュータ８７に取り込む
ことにより、試料表面の凹凸がコンピュータに格納され
ることになる。このとき試料表面の凹凸は、トライボッ
ドステージ８のＺ軸の移動量、例えば１０μｍ程度の範
囲まで測定することができる。

別の測定法として■の状態で２軸フイードバツクコント
ローラ８４によるトライボッドステージ８のＺ軸制御を
行なわずに、センサコントローラ８５の信号を試料表面
の凹凸信号として、直接Ａ／Ｄボード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。

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本分のデータを測定し、試料表面
の２次元走査面に対する傾きをコンピュータ８７により
計算し、測定のための走査のときにトライボッドステー
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。

また前記二つの測定法において、試料の２次元走査はト
ライボッドステージ８のＸ、Ｙ軸により行なったが、こ
れをＹ微動ステージ６、Ｘ微動ステージ７により行なっ
ても良い。ただしこの場合、手順■の位置微調手段とし
てＹ微動ステージ６゜Ｘ微動ステージ７を使用すること
はできない。

なお前記手順■、■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のレー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。

■測定データ処理および結果表示 手順■で測定が終了すると、コンピュータ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
ータとして蓄えられる。

なお高さ情報は、測定中において１ライン走査ごとに、
予めコンピュータ８７に記憶させておいた較正データに
基づき、電圧値がら高さの値に変換され、かつ較正され
る。

測定データは、コンビニータＣＲＴ８８上に表示される
メニューにしたがっての操作を行なうことにより、ＣＲ
Ｔ上に鳥かん図１等高線図等の形態で表示することがで
きる。

■結果出出 力順■でコンピュータＣＲＴ８ｇ上に表示された測定デ
ータは、上記ＣＲＴ８８上のメニューの操作により、コ
ンピュータ８７に接続されたプロッタ８９に出力するこ
とができる。

構成全体の作用について、上記手順■〜■を通して説明
したが、とくに手順■〜■は、その操作において、ＣＲ
Ｔメニニーを見ながらのコンピュータ操作ができるよう
に構成されている。

第９図は本装置で用いられるプログラム１００の構成を
示す図である。このプログラム１００はデータ測定機能
１０１のほか、測定データのファイル管理機能１０２．
測定データ処理機能１０３も付帯している。上記データ
ファイル管理機能により、コンピュータ８７に内蔵され
たハードディスク、フロッピーディスクとの測定データ
のやりとりを行なうこともできる。

第１０図は測定のための操作に関するフロー図であり、
第１１図は第１０図のステップＳ１における測定前処理
についての詳細なフロー図である。

第１０図に示すように測定はステップ８１〜ステツプＳ
２３に示す操作手順にしたがって行なわれる。なおステ
ップＳ８．Ｓ２０の「キャリブレーション」では基準デ
ータによる較正が行われる。

またステップＳ１２の「フィードバック　ＯＮ。

０ＦＦＪでは、ステージをＺ軸方向へ移動して常に同じ
高さに保持する操作が行なわれる。またステップ３１８
の「Ｚ軸ステージ傾き補正移動」ではトライボッド８の
Ｚ軸移動が行なわれる。またステップＳ２１の「測定デ
ータセーブ（１ライン）」ではコンピュータ８７のディ
スクへの記録が行なわれる。またステップＳｌｌ、３２
３の「測定後処理」では走査スポットを走査範囲の中心
原点（測定開始点）に戻す操作が行なわれる。

第１１図に示すように前処理はステップ５３１〜Ｓ６１
に示す操作手順にしたがって行なわれる。

なおステップ３１の「センサ出力のゲイン入力」ではセ
ンサコントローラの信号ゲインが設定される。ステップ
５３Ｂの「走査範囲入力」では２×２．４Ｘ４．・・・
４０Ｘ４０　［μＩＴ？］等の走査範囲の指定が行なわ
れる。ステップＳ３４の「走査スピード入力」ではマニ
ュアル切替えも含む５段階の走査スピードの指定が行な
われる。ステップＳ４１、Ｓ５０．Ｓ５６の「キャリブ
レーション」では変換テーブルを用いての電圧（Ｖ）−
高さ（μｍ）の変換が行なわれ、かつ較正が行なわれる
。ステップＳ４２のｒＣＲＴに波形を表示」では粗動ス
テージによる測定範囲の設定が行なわれる。ステップＳ
６１の「走査範囲内の〜ファイルにセーブ」では、測定
位置（Ｘｉ、Ｙｌ）にあってはステージのＺ方向移動に
より基準面が常に同じ高さにくるようにするための補正
テーブルの作成が行なわれる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでなく
、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能で
あることは勿論である。

［発明の効果］ この発明によれば、光学的変位検出手段をユニット化し
たので、この変位検出手段を容易に交換することができ
ると共に、触針子移動機構を上記光学的変位検出センサ
ユニットに設けたので、触針子移動機構の交換も同時に
行なうことができ、交換に伴う触針子の位置調整の手間
を削減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）〜第１１図は本発明の一実施例を示
す図で、第１図（ａ）（ｂ）は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、第２図はＸ微
動ステージおよびＹ微動ステージの構成を詳細に示す分
解斜視図、第３図はトライボッドステージの構成を示す
斜視図、第４図（ａ）（ｂ）は触針子変位検出センサユ
ニットの構成を示す上面図および側面図、第５図は上記
センサユニットを観察光学系等と共に示した光学系全体
の構成を示す図、第６図（ａ）（ｂ）は触針子ｘ−ｙ−
ｚ移動機構の構成を示す上面図およびそのＢ−Ｂ断面図
、第７図（ａ）（ｂ）は触針子および触針子支持用板バ
ネの構成を詳細に示す下面図および側面図、第８図は測
定部および制御部の構成を示すブロック図、第９図はコ
ンピュータ操作用プログラムの構成を示すブロック図、
第１０図および第１１図は測定のための操作手順に関す
るフロー図である。 ２・・・Ｙ粗動ステージ、３・・・Ｘ粗動ステージ、６
・・・Ｙ微動ステージ、７・・・Ｘ微動ステージ、８・
・・トライポットステージ、９・・・試料台、１１・・
・２粗動ステージ、１３・・・落射投光管、１４・・・
対物レンズ、１５・・・触針子変位検出センサユニット
、１８・・・触針子挿入機構、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
ータ、２１・・・触針子支持用板バネ、２２・・・触針
子。 第１図（ａ） 第１図（ｂ） 第３図 ７ら ／１） 第７図（ａ） 第７図（ｂ） 第４図（ａ） 第４図（Ｉ）） 第６図（ａ） 第　６　図（ｂ） 測定１０１ ？処理１０３

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ばね部材を介して支持された触針子で測定物の表
   面を走査することにより表面形状を測定する表面形状測
   定装置において、 装置本体に対して着脱自在に設けられ、測定対象物の高
   さ方向の変位を検出する光学的変位検出センサユニット
   と、 前記光学的変位検出センサユニットに設けられ、前記触
   針子をばね部材を介して前記光学的変位検出センサユニ
   ットの対物レンズにおける視野内の第１の位置および前
   記対物レンズの視野外に退避した第２の位置との間で移
   動自在に支持する触針子移動機構と、 を具備したことを特徴とする表面形状測定装置。
2. （２）前記触針子移動機構には、前記触針子を３軸方向
   に位置調整する位置調整手段が設けられていることを特
   徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. （３）前記触針子移動機構は、前記光学的変位検出セン
   サユニットに対して着脱自在に設けられていることを特
   徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。