JPH085644A

JPH085644A - 表面形状測定装置

Info

Publication number: JPH085644A
Application number: JP15806894A
Authority: JP
Inventors: Shinya Aoyanagi; 真也青柳
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-06-15
Filing date: 1994-06-15
Publication date: 1996-01-12

Abstract

(57)【要約】【目的】小型で、触針の位置決めを容易にできる触針
位置決め機構を対物レンズに配設した表面形状測定装置
を提供する。【構成】表面形状測定装置において、ばね部材２を対
物レンズ５の光軸上に水平移動する移動機構１２、１
６、１７と、前記ばね部材２の上面を前記対物レンズ５
の焦点に合わせる調整機構１４、１５とを、前記対物レ
ンズ５に取り付けて構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面形状測定装置に係
り、より詳しくは被測定物の表面形状を走査する触針と
対物レンズとの距離を一定に制御してなる表面形状測定
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】触針式の表面形状測定装置は、その構成
が原子間力顕微鏡と近似している。原子間力顕微鏡の原
理は、先端を充分に鋭くした検出チップと試料間に働く
原子間力を、前記検出チップが取り付けられているばね
要素の変位として測定し、前記ばね要素の変位量を一定
に保つための制御信号を形状情報として、前記試料表面
の形状を測定するものである。

【０００３】触針式の表面形状測定装置との相違は、測
定中のセンサの圧力が表面形状測定装置の場合は数ミリ
グラムであるのに対し、原子間力顕微鏡の場合はマイク
ログラム以下と小さいこと、原子間力顕微鏡は表面形状
測定装置よりも観察範囲は狭いが分解能が非常に高いこ
となどが挙げられる。

【０００４】ここでは、従来技術として特開平４−１５
１７号公報所載の原子間力顕微鏡について、図７を用い
て具体的に説明する。先端に検出チップ１０２を付設し
たばね要素１０３、投光側集光レンズａ１０８が微動素
子１０４先端に取り付けられ、反射ミラー１１０および
フォトディテクター１１１の検出系と、半導体レーザ１
０６は、微動素子１０４とは別置して設けられ、試料１
０１は粗動機構１０５に固定される。微動素子１０４に
対する負荷を軽減するため反射ミラー１１０、フォトデ
ィテクター１１１、半導体レーザ１０６はフレーム１１
４側に設け、半導体レーザ１０６からのレーザ光は光フ
ァイバー１０７によって微動素子１０４先端に導く。ば
ね要素１０３は支持部材１１２にばね１１３によって押
圧され、集光レンズａ１０８からの出射光軸に対し傾い
て固定される。

【０００５】ファイバー１０７からの光は集光レンズａ
１０８によりばね要素１０３先端部に集光され、その反
射光はフレーム１１４内に設けられた２分割のフォトデ
ィテクター１１１にミラー１１０を介して入射される。
このように構成された変位検出系は試料面内方向を走査
する際に微動素子１０４に設けられた光源系とフレ−ム
１１４に設けられた受光系との位置関係が変化するため
得られる画像データに歪みが発生するが、予め面内方向
の走査量と変位検出系の出力との関係を調べ、測定後に
ソフトウェアにより補正することで充分に対応可能であ
る。これは微動素子として一般的に用いられる圧電素子
の非線形性の補正処理と同じである。

【０００６】微動素子部に隣接して金属顕微鏡１１５が
設けられている。粗動機構１０５はｘｙｚ３軸方向のパ
ルスステージで構成され、試料１０１を金属顕微鏡１１
５と原子間力顕微鏡との間で搬送する。このような構成
により金属顕微鏡１１５で予め大まかな観察をした後、
より詳細に観察したい部分を原子力間顕微鏡で見るとい
うことが可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の原子力間顕
微鏡を表面形状測定装置としてみた場合に、次のような
共通の問題点がある。すなわち、ばね要素１０３は支持
部材１１２にばね１１３によって押圧され、集光レンズ
ａ１０８からの出射光軸に対して傾いて固定されてい
る。このため、位置調整はばね要素１０３を適当な位置
にずらせて、検出チップ１０２を適切な位置に移動する
ので、微調整が難しく、ばね要素１０３の取り付け・交
換のとき、位置調整に手間がかかるという問題点があっ
た。

【０００８】本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされ
たもので、請求項１、２または３に係る発明の目的は、
小型で、触針の位置決めを容易にできる触針位置決め機
構を対物レンズに配設した表面形状測定装置を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１、２または３に係る発明は、測定対象物の
表面形状を走査する触針と、該触針を支持するばね部材
と、該ばね部材の上面にレーザ光を照射するレーザ光源
と、前記ばね部材からの反射光を受けて前記測定対象物
に対する垂直方向の前記触針の変位量を検出するセンサ
と、前記レーザ光源からのレーザ光を前記ばね部材の上
面に集光するとともに、その反射光をも集束する対物レ
ンズと、前記センサからの信号により前記ばね部材と前
記対物レンズとの距離を一定に保つように前記対物レン
ズを動かす微動機構とを有する表面形状測定装置におい
て、前記ばね部材を前記対物レンズの光軸上に水平移動
する移動機構と、前記ばね部材の上面を前記対物レンズ
の焦点に合わせる調整機構とを、前記対物レンズに取り
付けて構成したことを特徴とする。

【００１０】

【作用】請求項１、２または３に係る発明の作用は、ば
ね部材の上面にレ−ザ光が照射されるように、移動機構
によりばね部材を対物レンズの光軸上に水平移動させ、
つぎに、反射光が対物レンズに合焦するように、調整機
構により垂直方向に微調整することにより、触針の取り
付け・交換を容易とする。請求項２に係る発明の作用
は、上記作用に加え、ばね部材の移動機構は互いに直交
する２つの方向にそれぞれ一対の支持体を有し、対物レ
ンズの光軸が該支持体間の空間を通るように構成したの
で、微動機構が支える部分の重量バランスがよくなり、
精度よく作動する。請求項３に係る発明の作用は、上記
作用に加え、触針の傾動機構により触針を被測定物の表
面に合わせて自由に傾けることができる。

【００１１】

【実施例１】図１〜図２は第１実施例を示し、図１は表
面形状測定装置の一部を破裁した正面図、図２は触針の
位置調整機構を示す斜視図である。

【００１２】図１において、１は触針で試料４０の表面
形状を走査する。触針１は弾性材料からなるばね部材２
および磁性材料からなるホルダ３と一体化され触針部３
５を形成する。触針部３５は、ばね部材２の上面が水平
になるように、磁石１８により保持されている。触針１
が試料４０の表面を走査するとき、ばね部材２は触針１
の上下動に従って、ホルダ３より先端の部分が撓む。４
はセンサ部で、レーザ光を投射する半導体レーザ３１
と、投射したレーザ光を透過し、反射して戻るレーザ光
を９０°反射するハーフミラー３２と、投受光とも９０
°反射する反射ミラー３３と、ハーフミラー３２からの
レーザ光を受光して触針の垂直方向の変位量を検出する
センサ３４とからなり、函体７に配設されている。

【００１３】函体７はフレーム１０に沿って垂直方向
（Ｚ方向）に移動自在な粗動ステージ８上に配設され、
紙面垂直方向（Ｘ方向）に移動自在となっている。５は
対物レンズで、センサ部４からのレ−ザ光をばね部材２
の上面に集光し、その上面にて反射し戻ったレ−ザ光を
集束してセンサ部４に送る。６は円筒状の圧電素子から
なる微動素子で、下端にて対物レンズ５と、上端にて函
体７と連設している。

【００１４】９は微動ステージで、フレーム１０の下部
に配設され、試料４０を搭載し、互いに水平に直交する
ＸおよびＹの方向に動かすことができる。またフレーム
１０の上部には、対物レンズ５の光軸上に光学顕微鏡１
１が配設され、試料４０を観察し得るとともに、触針部
３５の位置調整のときも観察しながら行うことができ
る。

【００１５】１４は垂直板バネ機構で、対物レンズ５の
側面に垂設され、その下端にＬ字部材１２を連設する。
垂直板バネ機構１４は、図２に示すように、弾性硬質材
料（たとえば、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ４０２，炭素工具
鋼など）に穴４１と切込み４２を数カ所設け、一対の支
持体たる板バネ４３を平行に形成し、その下端はほぼ平
行に上下動自在となっている。また垂直板バネ機構１４
の上部には、板バネ４３の先端を押してＺ方向に変位す
るように、Ｚネジ１５が螺合している。これにより、ば
ね部材２の上面を対物レンズ５の焦点に合わせる調整機
構を形成する。

【００１６】Ｌ字部材１２は、内側角部に水平板バネ機
構１３を固着し、Ｌ字形のそれぞれ先端付近にＸネジ１
６とＹネジ１７とを螺合している。水平板バネ機構１３
は、前記弾性硬質材料からなる正方形の板材の中央を十
字形に抉って空間４４を形成するとともに、空間４４と
正方形の板材外形がなす４ヶ所の薄壁部は、支持体たる
一対の板バネ４３をＸおよびＹの方向に形成する。Ｘネ
ジ１６とＹネジ１７とを、回すことにより、Ｌ字部材１
２の固着部と対角線上にある部位が、水平方向に変位し
て、移動端４５を形成する。この移動端４５の下面に磁
石１８を固着し、さらに磁石１８の下面に前記の触針部
３５が磁力により支持される。触針部３５を取り付ける
際は、触針１が中央の空間４４に突出するように配置す
る。これにより、ばね部材２を対物レンズの光軸上に水
平移動する移動機構を形成する。

【００１７】つぎに、本実施例の作用について説明す
る。図１において、半導体レーザ３１から放射されたレ
ーザ光は、ハーフミラー３２を透過し、反射ミラー３３
にて９０°反射して降下し、対物レンズ５の光軸を通っ
てばね部材２の上面に集光する。その上面から反射され
たレーザ光は、再び対物レンズ５により集束され、反射
ミラー３３を経て、ハーフミラー３２により反射して、
センサ３３に達する。

【００１８】この状態にて、微動ステージ９をＸおよび
Ｙ方向に走査すると、試料４０の表面形状に従って触針
１が上下動する。触針１を支持するばね部材２の上面が
上下動するので、レーザ光の反射位置が変位し、その変
位をセンサ３４が光学的に検出して、図示しない制御装
置により電気信号に変え、微動素子６に伝える。微動素
子６はばね部材２の上面と対物レンズ５との距離が相対
的に一定になるようＺ方向に伸縮する。このときの微動
素子６の伸縮量によって試料４０の表面形状を測定す
る。

【００１９】また、触針１の保管後の取り付け、破損に
よる交換は、触針部３５ごと磁石１８に着脱する。測定
の際は、触針１の動きをセンサ３４で検出するため、触
針部３５の取り付け後または交換後に、ばね部材２の上
面を対物レンズ５の集光点に合わせる。ばね部材２を対
物レンズ５の光軸上に移動するには、Ｘネジ１６、Ｙネ
ジ１７によりそれぞれＸ，Ｙ方向の位置調整を行う。ま
た、ばね部材２の上面を対物レンズ５の集光点に合わせ
るには、Ｚネジ１５によりＺ方向の位置調整を行う。な
お、ばね部材２のＸ，Ｙ方向の位置調整の際は、函体７
内の反射ミラー３３をＸ方向に移動させて、対物レンズ
５の光軸上に、光学顕微鏡１１の光軸を合わせ、ばね部
材２の先端上面を観察しながら行う。また、試料４０の
表面を、直接光学顕微鏡で観察するときは、函体７から
触針１に至る部分全体を粗動ステージ８上でＸ方向に移
動させる。

【００２０】本実施例の効果について説明する。触針部
３５の取り付け・交換後、ばね部材２の上面を対物レン
ズ５の光軸上に位置調整する際、水平方向および垂直方
向の位置調整が容易に、かつ精度良く行うことができ
る。また、対物レンズ５の光軸が水平板バネ機構１３の
中心を通るので、重量バランスがよく、微動素子６が精
度良く高速に作動する。さらに、本実施例の特有の効果
として、水平板バネ機構１３が一つの部材で形成されて
いるため、触針の位置決め機構が、小型で軽量に構成で
きる。

【００２１】なお、本実施例では、水平・垂直板バネ機
構１３、１４の弾性硬質材料にＳＵＳ３０４などを挙げ
たが、さらに、他の鉄鋼材料、黄銅、青銅などの銅合金
が挙げられる。また、板バネ４３は機械加工により形成
されているが、板バネ４３の部分のみを弾性硬質材料の
部材とし、他の部分は異種材料で形成してから溶接、ロ
ー付けなどにより一体化してもよい。

【００２２】また磁石１８は直接水平板バネ機構１２に
固着されているが、その間に圧電素子を介装して、Ｚ方
向の微調整に使用してもよい。さらに、微動素子６は円
筒状の圧電素子としているが、柱状の圧電素子を複数
本、対物レンズの光軸を中心とした円周上に列設しても
よい。

【００２３】

【実施例２】図３〜図４は第２実施例を示し、図３は表
面形状測定装置の正面図、図４は触針の位置調整機構を
示す斜視図である。

【００２４】本実施例は、触針の位置調整機構を除いて
は、第１実施例と同じであるので、同一の部材には同一
の符号を付し説明を省略する。図３および図４におい
て、触針１の位置調整機構を構成する垂直板バネ機構１
４は、第１実施例と同一である。この垂直板バネ機構１
４は対物レンズ５の側面に垂設され、その下端にＹ方向
板バネ機構１９を連設する。さらに、Ｙ方向板バネ機構
１９は、その先端下部にＸ方向板バネ機構２０を連設す
る。また、Ｘ方向板バネ機構２０は、その先端下部に磁
石１８を固着し、触針部３５を着脱自在に保持する。

【００２５】Ｙ方向板バネ機構１９とＸ方向板バネ機構
２０の構造は同一であり、第１実施例と同一の前記弾性
硬質材料により形成する。図４に示すように、支持体た
る一対の板バネ４３を形成するため、穴４１、切込み４
２を設け、中央には、正方形の空間４４を形成する。ま
たＹ方向板バネ機構１９には、Ｙ方向手前側面にＹネジ
１７を螺合し、Ｘ方向板バネ機構２０には、Ｘ方向右側
面にＸネジ１６を螺合し、それぞれの先端部を動かすこ
とができる。Ｘ方向板バネ機構２０の先端下部は、触針
部３５を保持して、水平移動機構の移動端４５を形成す
る。また、Ｙ方向板バネ機構１９およびＸ方向板バネ機
構２０の正方形の空間４４には、対物レンズ５が挿通さ
れ、その先端はＸ方向板バネ機構２０の下面より僅かに
突出している。

【００２６】本実施例の作用は基本的に第１実施例と同
じであり、特有の作用のみ説明する。図３および図４に
おいて、Ｙ方向板バネ機構１９のＹネジ１７を回すと、
触針部３５のばね部材２がＸ方向板バネ機構２０と一体
となってＹ方向に動く。Ｘ方向板バネ機構２０のＸネジ
１６を回すと、触針部３５のばね部材２がＸ方向に動
く。また垂直板バネ機構１４のＺネジ１５を回すと、触
針部３５のばね部材２がＹ方向板バネ機構１９およびＸ
方向板バネ機構２０と一体にＺ方向に動く。これらの動
作により、ばね部材２を対物レンズ５に対して位置決め
する。本実施例では、Ｙ方向板バネ機構１９とＸ方向板
バネ機構２０とが重合し、垂直方向に厚くなっている
が、対物レンズ５とラップする構造により、欠点を補っ
ている。

【００２７】本実施例の効果は基本的に第１実施例と同
じであり、特有の効果のみ説明する。対物レンズ５はＹ
方向板バネ機構１９およびＸ方向板バネ機構２０の正方
形の空間４４に挿通しているので、両板バネ機構１９・
２０のスペースが有効に使え、触針の位置調整機構全体
がコンパクトになり、粗動ステージ８のＺ方向のストロ
ークが大きくとれる。

【００２８】なお、本実施例のＹ方向・Ｘ方向板バネ機
構１９、２０の弾性硬質材料の材質および板バネ４３の
構造についての変形例は、第１実施例と同様である。

【００２９】

【実施例３】図５〜図６は第３実施例を示し、図５は表
面形状測定装置の正面図、図６は触針の位置調整機構を
示す斜視図である。

【００３０】本実施例は、触針の位置調整機構を除いて
は、第１実施例と同じであるので、同一の部材には同一
の符号を付し説明を省略する。図５および図６におい
て、２３は中央に角形の空間４４を設けたＹステージ
で、支持体たる一対のガイドシャフト２４ＢとＹネジ１
７により、Ｘステージ２２の内側に移動自在に保持され
ている。ガイドシャフト２４ＢはＸステージ２２に固着
され、Ｙステージ２３に挿嵌している。Ｙネジ１７はＹ
ステージ２３と螺合し、Ｘステージ２２と遊嵌してい
る。Ｙネジ１７を回すとＹステ−ジ２３がＹ方向に動
く。さらに、Ｘステージ２２は、支持体たる一対のガイ
ドシャフト２４ＡとＸネジ１６により、Ｚステージ２１
の内側に移動自在に保持されている。ガイドシャフト２
４ＡはＺステージ２１に固着され、Ｘステージ２２に挿
嵌している。Ｘネジ１６はＸステージ２２と螺合し、Ｚ
ステージ２１と遊嵌している。Ｘネジ１６を回すとＸス
テージ２２がＸ方向に動く。また、Ｙステージ２３とＸ
ステージ２２の間のＹネジ１７の周りと、Ｘステージ２
２とＺステージ２１の間のＸネジ１６の周りには、それ
ぞれコイルバネ２６を挟装している。Ｙステージ２３の
下面には磁石１８が固着され、触針部３５を着脱自在に
保持する。これにより、ばね部材２の水平移動機構を形
成する。

【００３１】Ｚステージ２１の上面には、対物レンズ５
に懸架するためのネジ穴２１Ａが３ヶ所設けられ、Ｙ方
向の手前側下部には、Ｙネジ１７をにげるための切欠き
２８が設けられている。Ｚステージ２１は、Ｙステージ
２３の空間４４に対物レンズ５の光軸が通るように、対
物レンズ５のフランジ５Ａを挿通し、バネ２５を挟装し
た３本の傾動ネジ２７が、ネジ穴２１Ａに螺合すること
により３点で懸架されている。これにより、ばね部材２
のＺ方向の位置調整機構および傾動機構を形成する。

【００３２】本実施例の作用は基本的に第１実施例と同
じであり、特有の作用のみ説明する。図５および図６に
おいて、Ｙネジ１７を回すと、触針部３５のばね部材２
がＹステージ２３と一体となってＹ方向に動く。Ｘネジ
１６を回すと、触針部３５のばね部材２がＹステージ２
３およびＸステージ２２と一体となってＸ方向に動く。
また、３本の傾動ネジ２７をそれぞれ回すと、Ｚステー
ジ２１のＺ方向の位置調整と、傾き調整ができる。これ
らの操作により、ばね部材２の上面を対物レンズ５に対
して位置決めする。

【００３３】本実施例の効果は基本的に第１実施例と同
じであり、特有の効果のみ説明する。３本の傾動ネジ２
７により、Ｚステージ２１の傾き調整ができるので、触
針２１の傾きを試料の形状に合わせて調整することがで
きる。

【００３４】なお、本実施例では、コイルバネ２６をＸ
ネジ１６およびＹネジ１７の周りに挟装しているが、一
対のガイドシャフト２４Ａおよび２４Ｂの周りに挟装し
て、Ｘネジ１６およびＹネジ１７にてＸステージ２２お
よびＹステージ２３を動かすように構成してもよい。ま
た、本実施例では、水平位置決め機構にＹステージ２３
とＸステージ２２をＺステージ２１内に装備している
が、これに替えて、第１実施例におけるＬ字部材１２と
水平板バネ機構１３とをＺステージ２１の下部に設けて
もよい。さらに、第２実施例におけるＹ方向板バネ機構
１９とＸ方向板バネ機構２０とをＺステージ２１の下部
に設けても同様な効果が得られる。

【００３５】

【発明の効果】請求項１〜３に係る発明によれば、触針
の取り付け・交換後、位置調整する際、水平方向および
垂直方向の位置調整が容易に、かつ精度良く行うことが
できる。請求項２に係る発明によれば、上記効果に加
え、対物レンズの光軸が一対の支持体間の中心を通るの
で、重量バランスがよく、微動素子が精度良く高速に作
動する。請求項３に係る発明によれば、上記効果に加
え、傾動機構により、触針の傾きを試料の形状に合わせ
て調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の表面形状測定装置の一部を破裁した
正面図である。

【図２】実施例１の触針の位置調整機構を示す斜視図で
ある。

【図３】実施例２の表面形状測定装置を示す正面図であ
る。

【図４】実施例２の触針の位置調整機構を示す斜視図で
ある。

【図５】実施例３の表面形状測定装置を示す正面図であ
る。

【図６】実施例３の触針の位置調整機構を示す斜視図で
ある。

【図７】従来技術の原子力間顕微鏡を示す正面図であ
る。

【符号の説明】

１触針２ばね部材３ホルダ４センサ部５対物レンズ６微動素子７函体８粗動ステージ９微動ステージ１０フレーム１１光学顕微鏡１２Ｌ字部材１３水平板バネ機構１４垂直板バネ機構１５Ｚネジ１６Ｘネジ１７Ｙネジ１８磁石３１半導体レーザ３２ハーフミラー３３反射ミラー３４センサ３５触針部４０試料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物の表面形状を走査する触針
と、該触針を支持するばね部材と、該ばね部材の上面に
レーザ光を照射するレーザ光源と、前記ばね部材からの
反射光を受けて前記測定対象物に対する垂直方向の前記
触針の変位量を検出するセンサと、前記レーザ光源から
のレーザ光を前記ばね部材の上面に集光するとともに、
その反射光をも集束する対物レンズと、前記センサから
の信号により前記ばね部材と前記対物レンズとの距離を
一定に保つように前記対物レンズを動かす微動機構とを
有する表面形状測定装置において、前記ばね部材を前記対物レンズの光軸上に水平移動する
移動機構と、前記ばね部材の上面を前記対物レンズの焦
点に合わせる調整機構とを、前記対物レンズに取り付け
て構成したことを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】前記移動機構は互いに直交する２つの方
向にそれぞれ一対の支持体を有し、前記対物レンズの光
軸は該支持体間の空間を通るように構成したことを特徴
とする請求項１記載の表面形状測定装置。
【請求項３】前記移動機構に、前記触針の傾動機構を
設けたことを特徴とする請求項１記載の表面形状測定装
置。