JPH06103177B2 - 表面形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 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。

［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 Mic
roscope）が提案されている。（G.Binning,C.F.Quate a
nd Ch.Gerber,Phys.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。

［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。

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、Ｙ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。Ｙ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（Ｚ方向）に移動可能な、トライポッドステージ
８が載置されている。このトライポッドステージ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Ｚ粗動ステージ11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
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には光ファイバー束17
が接続され、この光ファイバー束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2
0,触針子支持用板バネ21,触針子22全体を、対物レンズ1
4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バネ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。

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Ｙ微動ステージ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26a,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、
Ｙテーブル28がその両端を挾持されている。このＹ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。Ｙ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,30bの両端相互間には、矩形状の板ばね3
1A,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Ｙ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微動ステージ6,X微動ステージ７は、上記
のようにそれぞれＹ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34a,34b,34cを当
てがった状態でねじ止めされる。

第３図は、トライポッドステージ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微動用圧電アクチュエータ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
これらの各アクチュエータ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。

上記構成のトライポッドステージ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,Z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。取付けベース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15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,40
b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。

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50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。

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4
2,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、CC
D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、コンピュータ59で演算処理されてディスプレイ
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
の表面測定が対物レンズ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、ほ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。

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の取付け台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、アクチュエータ固定
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。

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、アクチュエータ固定部材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。

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。

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,トライポッド
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80
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,Z軸フィードバックコント
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Ｚ軸フィードバックコントロー
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ポッドステージ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
御信号を高圧アンプ80を介してトライポッドステージ８
のＺ軸に供給するものとなっている。またトライポッド
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。
またコンピユータ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CRT88と、測定結果をハ
ードコピーするためのプロッタ89とが接続されている。

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カメラ16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、上記コントローラ91にはカラー
モニタ92（第５図のビデオモニタ60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。一般的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 結果出力 上記手順について、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15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ァイバー束
17を通して、落射投光管13に射することにより、触針子
22の裏面の光学像をTVカメラ16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Ｚ軸アクチュエータ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、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
値的に行なうことが可能となる。

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15から一定の距離にあるように、トライポッドステ
ージ８のＺ軸がＺ軸フィードバックコントローラ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Ｚ軸制御信号から検出することができ
る。

ここで、トライポッドステージ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、トライポッドステージ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、トライポッドステージ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Ｚ軸フィードバックコント
ローラ84によるトライポッドステージ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ポッドステージ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
ライポッドステージ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、電圧値から高さの値に変換され、かつ較正さ
れる。

測定データは、コンピュータ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、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。

結果出力 手順でコンピュータCRT88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、CRT
メニュ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S1〜ステップS23に
示す操作手順にしたがって行なわれる。なおステップS
8,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,OFF」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S18
の「Ｚ軸ステージ傾き補正移動」ではトライポッド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S11,S23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S31〜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S33の「走査範囲入力」
では２×2,4×4,…40×40［μm²］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「CRT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S61の「走査
範囲内の〜ファイルにセーブ」では、測定位置（X1,Y
1）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図はトライポ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……Ｚ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。

フロントページの続き (72)発明者 内野 文雄 東京都渋谷区幡ケ谷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 東京都渋谷区幡ケ谷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 東京都渋谷区幡ケ谷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 東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。