JPH07244058A

JPH07244058A - 表面形状測定装置

Info

Publication number: JPH07244058A
Application number: JP6058099A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Nakamura; 泰中村; Haruo Ogawa; 治男小川; Shinya Aoyanagi; 真也青柳
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-03-03
Filing date: 1994-03-03
Publication date: 1995-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】試料の質量が大きな場合であっても高精度か
つ高速に測定することができる表面形状測定装置を提供
することを目的とする。【構成】一端を固定したバネ部材３で支持された探針
２と、対物レンズ４を介して探針２の変位を光学的に検
出する変位センサ７とを有し、探針２で試料１表面を走
査して、試料１表面の表面形状を測定する表面形状測定
装置において、変位センサ７の出射光を平行とするとと
もに、探針２と対物レンズ４とを同一に一方向以上微動
させる微動機構５と、これを駆動する駆動回路６とを具
備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子間力顕微鏡や磁気
力顕微鏡など試料面に探針を近づけて試料から受ける物
理量から試料表面を観察する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の表面形状測定装置として
は、特開平４−１６１８０８号公報に記載されているも
のが知られている。この装置は、図７に示す如く、一端
を固定したバネ部材１０３で支持した探針１０２を試料
１０１の測定面に近接させることにより前記バネ部材１
０３を撓ませ、この撓み量を対物レンズ１０４を介し変
位センサ１０５により検出するものであって、この時に
コンピュータ１０８と高圧アンプ１０７によりＸＹＺ微
動ステージ１０６をＸＹ方向に動作させ、所望の試料面
上を走査しながら変位センサ１０５によるＺ方向の出力
が一定になるようＸＹＺ微動ステージ１０６をＺ方向に
制御し、このＺ方向の制御量をコンピュータ１０８で取
り込み表示することにより試料１０１の表面形状を測定
するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の従来
の装置では、変位センサの出力が一定になるようＸＹＺ
微動ステージをＺ方向に試料を制御するため、数百グラ
ム以上の大きな質量を持つ試料を測定する場合には、試
料が重すぎることによって制御の動作特性が悪くなり、
測定誤差を生じることがあるという問題点があった。ま
た、動作特性が悪くなることにより、ＸＹＺ微動ステー
ジをゆっくりとＸＹ方向に移動することになるから、試
料面上の走査速度が低下して、高速な測定が出来ないと
いう問題点もあった。

【０００４】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、試料の質量が大きな場合であっても高精度かつ高速
に測定することができる表面形状測定装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の表面形状測定装置では、一端を固定したバネ
部材で支持された探針と、対物レンズを介して前記探針
の変位を光学的に検出する変位センサとを有し、前記探
針で試料表面を走査して、前記試料表面の表面形状を測
定する表面形状測定装置において、前記変位センサの出
射光を平行とするとともに、前記探針と前記対物レンズ
とを同一に一方向以上微動させる微動機構と、これを駆
動する駆動回路とを具備したことを特徴としている。

【０００６】この場合、前記変位センサは光源と、この
光を前記対物レンズを介して前記バネ部材上に投光する
光学部材と、前記バネ部材上で反射した反射光の入射角
度により出射強度が変化するプリズムと、この光強度分
布を検出するセンサと、このセンサ出力より前記バネ部
材の変位を検出する信号回路とで構成するとよい。

【０００７】また、前記微動機構は円筒型圧電素子で構
成し、この円筒内に配置した保持部材により前記対物レ
ンズを弾性保持するとよい。

【０００８】

【作用】上記構成からなる本発明の表面形状測定装置で
は、図１に示す如く、対物レンズ４とバネ部材３とを一
体的に保持して微動させ、バネ部材３先端に取付けた探
針２で試料１の測定面を走査する。

【０００９】探針２を試料１に対向して配置し、接近或
いは接触させることにより両者の間に物理量を作用さ
せ、バネ部材３を変位させる。この物理量は具体的に
は、ＡＦＭでは原子間力として、磁気力顕微鏡では磁気
力として作用する。バネ部材３の変位量は、バネ部材３
と一体に保持された対物レンズ４を介し変位センサ７で
検出される。対物レンズ４は、変位センサ７から出射さ
れた平行光束をバネ部材８上に集光させ、その反射光を
変位センサ７に戻す。変位センサ７は、戻ってきた光束
の入射角の変化を検出することで変位量を検出する。従
って、対物レンズ４とバネ部材３の位置関係が変化しな
いよう一体的に保持し、微動機構５で微動させることに
より、微動機構５による光束の入射角の変化は起こら
ず、前記物理量によるバネ部材３の変位だけが検出され
る。

【００１０】微動機構５は、バネ部材３に保持されてい
る探針２を少なくともＺ方向以上に微動させ、駆動回路
６は微動機構５を動作せしめる回路であり、例えば試料
面の２次元走査においては、Ｘ，Ｙ方向の走査信号を発
生させ、これと同期して微動機構５を動作させ、変位セ
ンサ７の信号を読み取ることで試料１の表面形状を測定
する。また、微動機構５が３方向の場合は、上記ＸＹ方
向に加えＺ方向に微動可能に構成し、バネ部材３の変位
が一定になるようＺ方向を制御し、この制御量をもって
表面形状を測定する。このように、対物レンズ４、バネ
部材３、探針２でＺ方向の微動部を構成したため、制御
特性が向上し、測定精度の向上および測定速度の向上が
図れる。また、試料１の質量に影響されない制御が行え
る。

【００１１】以下、添付図面を参照して本発明に係る表
面形状測定装置の実施例を説明する。なお、図面の説明
において同一の要素には同一符号を付し、重複する説明
を省略する。

【００１２】

【実施例１】まず、本発明の実施例１を説明する。図２
は表面形状測定装置を示す全体立面図である。図示の通
りこの装置は、基部９によって、ＸＹステージ８，ＸＹ
Ｚアクチュエータ１３，変位センサ７，ダイクロックミ
ラー１９，および観察部１７が支持される構造になって
いる。ＸＹステージ８上にはＺ調整機構１０が置かれ、
この上に試料１を載置する。Ｚ調整機構１０はＺ方向に
動作し、圧電素子およびリニアモータ等で構成する。

【００１３】探針２は、試料１に対向配置し、一端を調
整機構１１で固定したバネ部材３の自由端部に保持す
る。調整機構１１は、簡単な板ばねと送りネジ或いは圧
電素子によりＸＹＺ方向に動作可能に構成し、保持部材
１２により対物レンズ４と一体的に保持され、ＸＹＺア
クチュエータ１３でＸ，Ｙ，Ｚ方向に動作する。ＸＹＺ
アクチュエータ１３は、３個の圧電素子を垂直に組み合
わせたトライポッド型微動機構で簡単に構成できる。

【００１４】試料１の表面と対物レンズ４と観察部１７
とは、光学的結像関係が成り立つように配置し、試料１
の表面像をモニタテレビ１８で表示する。ダイクロック
ミラー１９は、対物レンズ４の上部に配置し観察部１７
の光軸を分離せしめるもので、分離された光軸上に変位
センサ７を配置する。

【００１５】変位センサ７の構成を図６に示す。光源７
２は、半導体レーザー等で構成する。レンズ７３は、光
源７２の出射端に配置する。プリズム７４は、偏光プリ
ズムで構成し、前記光源７２からの入射光の偏光方向に
対しプリズム７４の偏光方向が直角になるように配置す
る。７１は１／４波長板、８０はハーフプリズムであ
る。

【００１６】光源７２からの光は、レンズ７３、プリズ
ム７４、波長板７１を通り、前記観察部の光軸へ出射す
る。反射光は、１／４波長板７１、プリズム７４とプリ
ズム８０を通過して、プリズム７５とプリズム７６に入
射する。プリズム７５とプリズム７６は、臨界角プリズ
ムであり、前記反射光の光軸に対し、プリズム反射面が
ほぼ臨界角となるように設定されている。

【００１７】センサ７７，センサ７８は２分割された受
光面を有する光電センサで構成され反射光の光軸を中心
にして配置する。差分回路７９と差分回路８１および差
分回路８２は、市販のオペレーショナルアンプ等で構成
し、センサ７７の出力は差分回路７９を通り差分回路８
２に入力する。センサ７８の出力は差分回路８１を通っ
て差分回路８２に入力する。そして、差分回路８２の出
力を変位センサ７の出力とする。

【００１８】次にバネ部材３の構成を説明する。バネ部
材３は数μｍ〜数１００μｍ厚の薄い燐青銅の薄片等の
弾性体で構成し、探針２はダイヤモンドを加工し先端を
先鋭化して構成する。または、半導体製作技術により製
作された窒化シリコン等で構成する。変位センサ７から
の出力は、Ａ／Ｄ変換器１６を通してコンピュータ１５
に入力する。ＸＹＺアクチュエータ１３の制御入力は、
コンピュータ１５の信号をＤ／Ａ変換器１４と高圧アン
プ２０を通し入力させる。Ａ／Ｄ変換器１６は、一般に
市販されているアナログデジタル変換器、Ｄ／Ａ変換器
１４はデジタルアナログ変換器である。

【００１９】このように構成された実施例の表面形状測
定装置の動作を説明すれば次の通りである。ＸＹステー
ジ８は、試料１をＸＹ方向に移動させ所望する測定位置
まで試料１を移動させる。移動の際、試料表面上を光学
的に観察できるようにするため観察部１７と、対物レン
ズ４、モニタテレビ１８を配置する。ダイロックミラー
１９は、光波長選択性を利用し、変位センサ７で使用し
ている波長の光を反射し、前記観察部１７で使用してい
る可視光を透過する働きをする。

【００２０】Ｚ調整機構１０は、探針２と試料１の間隔
を調整せしめ、試料１と探針２との間に働く力を設定す
るようにバネ部材３の変位量を調整する機能を持つ。試
料面を探針２によりＸＹ方向に走査するためＸＹ各々周
波数の違うノコギリ波信号をコンピュータ１５で発生さ
せ、この信号をＤ／Ａ変換器１４によりデジタルからア
ナログ変換を行い、更に高圧アンプで圧電素子を駆動で
きる電圧にしたあと、ＸＹＺアクチュエータ１３に入力
する。このＸＹ方向の走査によりバネ部材３は、試料表
面の凹凸に対応した変位変化を生じる。

【００２１】次に変位変化の検出について説明する。変
位センサ７からの出射光を、ダイクロックミラー１９で
反射し対物レンズ４でバネ部材３上に投光する。この反
射光は、投光時と逆の光路を経て変位センサ７に戻る。
この時、バネ部材３の変位により投射光の焦点位置がズ
レ、変位センサ７に戻り光入射角が発散光或いは収束光
となって変化する。この変化を変位センサ７で検出す
る。

【００２２】変位センサ７内部では、図６に示すように
光源７２より出射されたレーザー光が、レンズ７３によ
って平行光束に変換され、例えばＰ偏光で偏光プリズム
７４に入射する。偏光プリズム７４に入射したレーザー
光は、偏光プリズム７４で反射して波長板７１に導かれ
る。波長板７１に入射したレーザー光は、円偏光に変換
された後、変位センサ７から出射する。出射された光
は、バネ部材３上で反射し変位センサ７に入射光として
戻る。

【００２３】変位センサ７への入射光は、波長板７１を
通り、Ｓ偏光となってプリズム７４に入射する。プリズ
ム７４に入射した光は透過してプリズム８０に導かれ、
ここで２分割され、それぞれプリズム７５、プリズム７
６に入射する。プリズム７５、プリズム７６に入射した
レーザー光は、それぞれのプリズム反射面で反射してセ
ンサ７７、センサ７８に入射し、光量が検出される。

【００２４】この時入射光が平行光の場合、プリズム７
５、プリズム７６のプリズム反射面は、全反射になりセ
ンサ７７，７８上の光量は全面均一になる。また、入射
光が発散光の場合、プリズムへの入射角が入射光軸より
上側の光線は平行光の時と比べて小さくなり、反射率が
低下する。入射光の光軸より下側の光線は入射角が大き
くなるので、反射率が増加する。また、入射光が収束光
の場合、発散光の時と逆の状態となる。その結果、セン
サ７７に入射する光量分布が変化し、２分割された受光
量の出力量差を差分回路７９で求めることにより入射角
度の変化を検出することができる。センサ７８、差分回
路８１も同様の作用をする。

【００２５】したがって、発散光の場合、差分回路７９
の出力は、プラス方向に変化し、差分回路８１の出力
は、マイナス方向に変化する。これら出力を差分回路８
２で（差分回路７９の出力−差分回路８１の出力）を演
算することにより、発散光の発散角が大きくなると出力
は増加する。同様に収束光の場合、反対に減少する。し
たがって、差分回路８２の出力は、バネ部材３の変位量
に比例した出力が得られる。この変位量を一定にするた
め、差分回路８２の出力が一定になるようＸＹＺアクチ
ュエータ１３をＺ方向に制御し、この制御量を前記走査
と同期してＡ／Ｄ変換器１６でアナログデジタル変換し
てコンピュータ１５に取り込むことにより試料表面の表
面形状を得ることができる。調整機構１１は、前記投射
光がバネ部材３上に焦点を結び、かつ探針２の保持位置
に来るようにバネ部材３を調整する機能をもつ。

【００２６】本実施例によれば、調整機構を保持部材と
バネ部材の間に配置したことにより、バネ部材上の変位
センサ投射光の集光位置を調整できる。これにより種々
のバネ部材をつけることができる。また、観察部により
試料面上を観察できるため、測定部位が目視できる。

【００２７】

【実施例２】次に、本発明の実施例２を説明する。図３
は表面形状測定装置を示す全体立面図である。図におい
て、基部９は、円筒型圧電アクチュエータ２６の一端部
を保持し、円筒型圧電アクチュエータ２６の他端部に保
持部材２１を構成する。保持部材２１は対物レーザー４
と、調整機構１１を固定し、調整機構１１には、バネ部
材３を配置する。

【００２８】本実施例に用いられる円筒型アクチュエー
タ２６を図４に示す。圧電材料を中空円筒形状に加工
し、内面に単一電極５１を備え、外面に４分割電極５２
を備える。保持部材２１は、円筒状に加工され、円筒型
アクチュエータ２６の円筒内部に構成され、更にその内
部に対物レンズ４を構成する。保持部材２１と円筒型ア
クチュエータ２６との保持部位近くに切りかき部２７を
設ける。その他の構成は、実施例１と同様である。

【００２９】次に、図４を参照して円筒型アクチュエー
タ２６の作用を説明する。内面の単一電極５１と、４分
割電極５２との間に高圧アンプ２０からの電圧が加えら
れた場合、圧電効果によりＺ方向に変位する。また４分
割電極５２の各々に選択的に電圧が印加されると、円筒
型アクチュエータ２６が湾曲し、４分割電極５２に印加
された電圧の比に対してＸＹ方向に変位する。これによ
り円筒型アクチュエータ２６に取り付けられた保持部材
２１はＸＹＺ方向動作し、したがって、探針２を試料１
表面上で走査或いはトレースさせることができる。

【００３０】ここで保持部材２１は、ＸＹＺ方向に光束
に動作させるため、小型計量にする必要がある。このた
め、図４に示すように、円筒アクチュエータ２６の内部
に円筒型に加工した保持部材２１を構成し、同様な理由
で対物レンズ４を保持部材２１の内部に配置する。保持
部材２１の切り欠き部２７は、円筒型アクチュエータ２
６が上記湾曲をしたとき、保持部材２１の歪みを除去す
るための弾性部であり、これにより対物レンズ４をＸＹ
方向に平行に動作させる。

【００３１】ＸＹ方向動作についての円筒型アクチュエ
ータ２６と高圧アンプ２０とＤ／Ａ変換器１４とコンピ
ュータ１５の作用は、実施例１と同様である。Ｚ方向の
作用を以下に説明する。試料１の表面の凹凸変化により
変動する探針２の変位を一定にするため、円筒型アクチ
ュエータ２６のＺ方向動作をコンピュータ１５で制御す
る。

【００３２】すなわち、探針２の変位を変位センサ７で
検出し、このアナログ信号をＡ／Ｄ変換器１６でデジタ
ル信号に変換し、コンピュータ１５に取り込む。さらに
コンピュータは、この信号が一定になるようにＤ／Ａ変
換器１４と高圧アンプ２０を使い円筒型アクチュエータ
２６を制御する。これにより試料１と探針２との間に働
く前記物理量は、一定になり試料１を傷つけることなく
測定できる。前記制御の方法は、一般的な比例、積分制
御で構成でき、実施例では、コンピュータによる制御を
示したが、周知のアナログ回路による制御でも簡単に構
成できる。

【００３３】本実施例によれば、円筒型アクチュエータ
の円筒内に対物レンズを配置したので小型軽量化を図る
ことができる。

【００３４】

【実施例３】次に、本発明の実施例３を説明する。図５
は表面形状測定装置を示す全体立面図である。ＸＹ走査
機構２４は、Ｚ調整機構１０の上に構成し、試料１を保
持する。高圧アンプ２０の出力は、円筒型アクチュエー
タ２６とＸＹ走査機構２４に入力する。ＸＹ走査機構２
４は、積層型圧電素子と平行板ばねで簡単に構成でき
る。また、市販のＸＹステージ等を用いてもよい。他の
構成は実施例２と同様である。

【００３５】ＸＹ走査機構２４は、試料１をＸＹ方向に
走査する作用をし、相対的には、実施例１に示した探針
２をＸＹ方向に走査するのと同じ働きをする。実施例２
で示した円筒型圧電素子２６での走査は最大数１０μｍ
と小さい。このため、数１００μｍの走査を行うためＸ
Ｙ走査機構２４を試料１側に配置する。ＸＹ走査機構２
４と高圧アンプ２０、Ｄ／Ａ変換器１４、コンピュータ
１５の作用は実施例２のＸＹ方向の作用と同様である。
Ｚ方向の制御は、円筒型アクチュエータ２６のＺ微動に
より行う。その他作用は実施例２と同様である。

【００３６】本実施例によれば、ＸＹ走査の機構をＺ方
向微動部と分離したことにより、Ｘ，Ｙ方向の走査範囲
が拡大でき、より広範囲な表面形状を測定することがで
きる利点がある。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の表面形状測
定装置によれば、試料の質量によらず高速制御が可能な
表面形状測定ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面形状測定装置を示す模式図であ
る。

【図２】本発明の実施例１による表面形状測定装置を示
す全体立面図である。

【図３】本発明の実施例２による表面形状測定装置を示
す全体立面図である。

【図４】円筒型アクチュエータを示す斜視図である。

【図５】本発明の実施例３による表面形状測定装置を示
す全体立面図である。

【図６】変位センサの構成を説明する図である。

【図７】従来の表面形状測定装置を示す模式図である。

【符号の説明】

１試料２探針３バネ部材４対物レンズ５微動機構６駆動回路７変位センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端を固定したバネ部材で支持された探
針と、対物レンズを介して前記探針の変位を光学的に検
出する変位センサとを有し、前記探針で試料表面を走査
して、前記試料表面の表面形状を測定する表面形状測定
装置において、前記変位センサの出射光を平行とすると
ともに、前記探針と前記対物レンズとを同一に一方向以
上微動させる微動機構と、これを駆動する駆動回路とを
具備したことを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】前記変位センサが光源と、この光を前記
対物レンズを介して前記バネ部材上に投光する光学部材
と、前記バネ部材上で反射した反射光の入射角度により
出射強度が変化するプリズムと、この光強度分布を検出
するセンサと、このセンサ出力より前記バネ部材の変位
を検出する信号回路とで構成されたことを特徴とする請
求項１記載の表面形状測定装置。
【請求項３】前記微動機構が円筒型圧電素子であっ
て、この円筒内に配置した保持部材により前記対物レン
ズを弾性保持したことを特徴とする請求項１または２記
載の表面形状測定装置。