JP5545987B2 - 光干渉測定装置および形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光干渉測定装置および形状測定装置に関し、特に、多重反射光による干渉ノイズの低減化に関する。

従来、先端の尖った探針（スタイラスとも呼ぶ。）を測定対象物に接触させ、または周期的に接触させながら走査することによって、測定対象物の表面形状を高い空間分解能で観察したり、表面形状を高精度に測定したりすることが可能な装置が多く知られている。例えば、機械加工した面などの表面粗さを定量的に測定する表面粗さ測定機や、表面凹凸を原子レベルで拡大観察する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のような走査型プローブ顕微鏡などがあり、所望する空間分解能に応じて様々な測定装置や顕微装置がある。

走査型プローブ顕微鏡において探針の変位を光波干渉式変位計で直接的に測定する方法が報告されている（例えば特許文献１、２参照）。この方法を図１に基づいて簡単に説明する。図１は、従来の微細形状測定装置１０の要部を示す構成図である。測定装置１０は、ワーク２０に対して位置及び姿勢が変化しないように保持された参照鏡１２と、ワーク２０の表面を走査しながら凹凸に応じて上下方向に変位する探針１４と、該探針１４の変位量を測定する変位計と、探針１４をワーク２０の表面に沿って走査させる走査手段と、を備える。

探針１４の走査によってもワーク２０に対する参照鏡１２の位置及び姿勢は変化しない。また、参照鏡１２に対向する反射面３６が探針に形成されている。レーザ光源７０からのレーザの一部は参照鏡１２を透過して探針の反射面３６に照射される。この反射面３６からの測定光５６は、参照鏡１２を反射した参照光５４と干渉する。変位計は、測定光５６と参照光５４との干渉光（以降、便宜的に干渉信号と呼ぶ場合がある。）を検出する検出手段３０を有し、検出干渉光に基づいて探針１４の上下方向への変位を取得する、いわゆる光波干渉式変位計である。
このように、ワーク２０との相対的な位置が変わらない参照鏡１２の位置を基準にして、形状に応じて変位する探針１４の変位量を光波干渉によって検出する方法が知られていた。

特開２００８−７６２２１号公報 特開２００８−５１６０２号公報

＜多重反射光＞
特許文献１、２に記載された従来の微細形状測定装置１００では、検出干渉光から探針１４の変位を正確に測定するには、測定光５６および参照光５４の干渉光である干渉信号のＳ／Ｎ比が十分高い必要がある。しかし、参照鏡１２とスタイラス１４の反射面３６とが一直線上に配置されている。つまり、参照鏡１２とスタイラス１４の反射面３６間に形成される測定光の光軸は、スタイラス１４の変位方向の移動軸に常に一致している。そのため、参照鏡１２とスタイラス１４間で発生する多重反射光７５が干渉ノイズとなって検出手段３０に入り、干渉信号のＳ／Ｎ比を下げてしまうという問題があった。干渉ノイズ発生の詳細については後述する。
このような問題は、図１の微細形状測定装置１００に限らず、従来の表面粗さ測定機や走査プローブ顕微鏡などに光波干渉式変位計を用いる場合にも共通する問題であった。

本発明は、前記従来技術に鑑みなされたものであり、その解決すべき課題は、測定に必要な干渉信号のＳ／Ｎを低下させることなく、高精度な光干渉測定を実行可能な光干渉測定装置および形状測定装置を提供することにある。

前記課題を解決するために本発明の請求項１に係る光干渉測定装置は、
対向する第一面と第二面を有し、前記第一面から内部を透過して第二面へ直角に入射される透過光の一部を前記第二面で反射して参照光にするとともに、反射しない前記透過光を第二面から出射する参照鏡と、
前記第二面から出射した透過光の進行方向に設けられ、該進行方向に沿って変位自在で、前記透過光をもと来た方向に反射する可変反射体と、
前記可変反射体からの反射光のうち前記参照鏡を透過する光を測定光として、該測定光と前記参照鏡の第一面から同方向に進む前記参照光とを干渉させて、該干渉光を検出する干渉光検出手段と、
検出干渉光に基づいて前記参照鏡に対する前記可変反射体の変位量を取得する変位量取得手段と、を備え、
さらに、前記参照鏡と可変反射体との間の光軸上に配置された光減衰手段を備え、
該光減衰手段は、前記参照鏡の第二面と前記可変反射体との間を往復する光を減衰させて、該参照鏡と可変反射体との間に生じる多重反射光に基づく前記検出干渉光中の干渉ノイズを低減することを特徴とする。

本発明の請求項２に係る形状測定装置は、ワークの表面形状に応じて所定方向に変位する探針の変位量を取得し、該取得変位量から前記ワーク表面の凹凸形状を測定する形状測定装置であって、
対向する第一面と第二面を有し、前記第一面から内部を透過して第二面へ直角に入射される透過光の一部を前記第二面で反射して参照光にするとともに、反射しない前記透過光を第二面から前記探針に向けて出射する参照鏡と、
前記探針と一体となって変位自在で、前記参照鏡からの前記透過光をもと来た方向に反射する可変反射体と、
前記可変反射体からの反射光のうち前記参照鏡を透過する光を測定光として、該測定光と前記参照鏡の第一面から同方向に進む前記参照光とを干渉させて、該干渉光を検出する干渉光検出手段と、
検出干渉光に基づいて前記参照鏡に対する前記探針の変位量を取得する変位量取得手段と、を備え、
さらに、前記参照鏡と可変反射体との間の光軸上に配置された光減衰手段を備え、
該光減衰手段は、前記参照鏡の第二面と前記可変反射体との間を往復する光を減衰させて、該参照鏡と可変反射体との間に生じる多重反射光に基づく前記検出干渉光中の干渉ノイズを低減することを特徴とする。

ここで、前記可変反射体は、前記探針を有するカンチレバーの表面に形成された反射面からなり、該反射面の反射率は、前記カンチレバーの素材の反射率であることが好ましい。あるいは、前記可変反射体の反射面の反射率は、該反射面に施された減反射層によって、前記カンチレバーの素材の反射率よりも小さいことが好ましい。
また、前記参照鏡の反射率は、該参照鏡の素材の反射率であることが好ましい。

さらに、前記光減衰手段の透過率を２０％〜４０％の範囲で設定することが好ましい。より好ましい前記光減衰手段の透過率は３０％である。
また、前記参照鏡の第一面へ直角に入射される入射光はレーザであり、前記光減衰手段は前記レーザと同じ波長帯の光を減衰させることが好ましい。さらに、前記参照鏡と変位反射体との間の同じ光路を用いて、観察像を観察することが好ましい。

本発明に係る光干渉測定装置の構成によれば、参照鏡と可変反射体との間に光減衰手段を配置したことによって、参照鏡と可変反射体との間で多重反射光が生じても、生じた多重反射光が光減衰手段で減少し、干渉信号に含まれる干渉ノイズが減衰する。従って、測定に必要な干渉信号のＳ／Ｎを低下させることなく、高精度な光干渉測定が可能となる。

測定光は、参照鏡と可変反射体との間を一往復するため、光減衰手段を２回透過する。一方、多重反射光の発生原因は、光減衰手段で減衰した測定光が参照鏡を透過しないで、参照鏡を反射し、再び探針に向かって進行する測定光の反射光である。前述の測定光の一往復分を含めると、１次の多重反射光は参照鏡と可変反射体との間を二往復することになり、光減衰手段を４回透過する。なお、２次の多重反射光は６回、３次の多重反射光は８回とｎ次の多重反射光は２（ｎ＋１）回も、光減衰手段を透過することになる。ここでは、干渉信号への影響が最も大きくなる１次の多重反射光に着目する。
このように、測定光の２回に対して、多重反射光は光減衰手段を４回も透過するので、多重反射光を測定光よりも大きな割合で減少させることになり、結果的に干渉信号に含まれる干渉ノイズを減衰させることができる。

従来の微細形状測定装置の要部を示す構成図である。 本発明の第一実施形態にかかる微細形状測定装置を示す全体構成図である。 前記微細形状測定装置の要部を示す構成図である。 多重反射光の影響を説明するグラフである。 前記微細形状測定装置の性能特性を説明する特性曲線図である。 本発明の第二実施形態にかかる微細形状測定装置を示す全体構成図である。

以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。
第一実施形態
図２に本発明の第一実施形態にかかる微細形状測定装置の全体構成を示す。
微細形状測定装置１０は、ワーク（測定対象物）２０の表面形状に応じて所定方向に変位する探針１４の変位量を取得し、該取得変位量からワーク表面の微細な凹凸形状を測定する装置であり、探針１４の変位に応じて変化する干渉光を検知することによって変位量を取得することに特徴がある。
すなわち、測定装置１０は、先端部の探針１４をＺ軸方向に変位可能に保持するカンチレバー２１と、対向する第一面１２Ａと第二面１２Ｂを有し探針１４を覆うように配置された参照鏡１２と、レーザ光源７０を有する干渉光学系２８と、干渉光学系２８からの干渉光を検出する検出手段３０と、探針１４をカンチレバー２１ごとワーク表面に沿って移動させるためにカンチレバー２１をＸＹ方向に移動させてワーク表面を走査する走査手段１８と、カンチレバー２１をＺ方向に移動させるＺ方向駆動手段４２と、制御手段としてのコントローラー４４とを備える。以下に、各構成の具体的な説明を行う。

探針１４は、可撓性を有するカンチレバー２１の自由端に設けられている。カンチレバー２１の基端は、Ｚ軸駆動手段４２に保持され、Ｚ方向に移動可能である。Ｚ軸駆動手段４２は走査手段１８に保持され、ＸＹ方向に移動可能となっている。探針１４は、これらカンチレバー２１、Ｚ軸駆動手段４２、走査手段１８によって、ワーク２０上を走査しながら、表面のＺ方向の凹凸をなぞることができる。さらに、探針１４の先端のＺ方向への変位軌跡を示す変位軸線３８と、干渉光学系２８および参照鏡１２によって形成される測定軸線４０とを一致させた状態で、ワーク表面を走査することができ、探針１４の変位量を高精度に取得できる。なお、走査手段１８としては、ワーク２１をＸＹ方向に移動する走査ステージであっても同様の効果が得られる。

干渉光学系２８は、光射出手段としてのレーザ光源７０と、ビームスプリッタ３４と、を備える。レーザ光源７０は、可干渉光（レーザ）をビームスプリッタ３４に向けて出射する。ビームスプリッタ３４は、プリズム型であり、レーザ光源７０からのレーザを透過するとともに、逆方向からの入射光を４５度方向に反射することができる接合面を有する。

参照鏡１２は、干渉光学系２８と探針１４との間に配置され、ビームスプリッタ３４からのレーザによって照射される。この参照鏡１２は、探針１４の変位量取得の基準として用いられ、ビームスプリッタ３４からのレーザを分割する光分割手段でもある。ここでは、第一面１２Ａ、第二面１２Ｂを有する平面型のビームスプリッタを用いる。前述のプリズム型のビームスプリッタ３４からのレーザは、第一面１２Ａへ入射される。第一面１２Ａから参照鏡内部を透過して第二面１２Ｂへ直角に入射されるレーザの一部は第二面１２Ｂを反射して参照光５４になる。この参照光５４は第一面１２Ａからビームスプリッタ３４に向けて戻る方向に進む。また、第二面１２Ｂを反射しないで、この第二面から参照鏡１２の外部に出射するレーザは、探針１４に向けて進む。参照鏡１２のサイズは、ワーク２０の測定領域と同程度である。参照鏡１２は、走査時において、ワーク２０に対して位置と姿勢とが変化しないように保持されている。本実施形態では、ワーク２０がベース２２上に設けられ、また、ベース２２には図示しない保持部材が固定されている。参照鏡１２は、この保持部材に保持され、その位置及び姿勢がワーク２０に対して固定された状態になっている。

参照鏡１２を透過したレーザは、測定軸線４０に沿って進行し、該測定軸線４０上に配置された探針１４を照射する。探針１４の表面には、レーザをもと来た方向に反射する反射面（特定部位）３６が形成されている。この反射面３６の法線方向は、測定軸線４０と一致する。すなわち、探針１４の反射面３６を反射したレーザは、再び測定軸線４０に沿って参照鏡１２に向かって進行する。反射面３６の反射光は、参照鏡１２を透過して、ビームスプリッタ３４を照射する。この反射面３６の反射光を測定光５６として用いる。
ビームスプリッタ３４は、上記の測定光５６と、前述の参照光５４とを検出手段３０に向けて反射する。検出手段３０は、測定光５６と参照光５４との干渉光を検出して、検出干渉光の強度情報をコントローラー４４に向けて出力する。

なお、探針１４に形成された反射面３６に代えて、水平状態にあるカンチレバー２１の背面において探針１４の中心軸上に位置するところに形成された反射面を用いてもよい。また、レーザを反射する特定部位としては、上記の反射面３６に代えて、探針１４とは別個に形成したレーザ反射体を用いてもよい。このレーザ反射体を探針１４もしくはカンチレバー２１の自由端に取り付けて、探針１４と一体でレーザ反射体を変位させれば、反射面３６の代わりとなる。

本実施形態では、以上のビームスプリッタ３４、参照鏡１２、探針１４の反射面３６、及び探針１４の先端が一直線上に配置されている。

コントローラー４４は、検出手段３０からの検出干渉光の強度情報に基づいて探針１４のＺ方向の変位量を取得する変位量取得手段４５と、走査手段１８を駆動させるＸＹ軸駆動回路４６と、Ｚ軸駆動手段４２を駆動させるＺ軸駆動回路４８と、解析手段５０と、を備える。Ｚ軸駆動回路４８は、変位量取得手段４５からのＺ方向の変位情報に基づいてＺ軸駆動手段４２を駆動し、また、変位情報を解析手段５０に向けて出力する。解析手段５０は、探針１４のＸＹ方向の座標情報およびＺ方向の変位情報に基づいてワーク表面の凹凸形状を解析するコンピュータである。

本実施形態にかかる微細形状測定装置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。なお以下においては、探針１４をＸ軸方向に走査してＺ方向の変位を測定する場合を説明する。
図２においては、走査時に、探針１４の変位軸線３８と、測定光５６の光路である測定軸線４０とを常に一致させた状態で、カンチレバー２１の探針１４でワーク２０の表面をなぞりながら、探針１４の反射面３６のＺ変位量を測定している。

図３に、測定光５４や参照光５６の経路を模式的に示す。なお、同図は、図２の測定装置の干渉光の測定部分を拡大した図である。図３にて、レーザ光源７０から出たレーザ（可干渉光）５２はコリメートレンズ７２で適当な径の平行光束になる。ビームスプリッタ３４を透過したレーザの一部は、参照鏡１２の第一面１２Ａから内部を透過して第二面１２Ｂで反射され、参照光５４になる。この参照光５４は、所定の偏光面を持つ直線偏光である。

また、ビームスプリッタ３４からのレーザ５２の残りの少なくとも一部は、参照鏡１２を透過したら第二面１２Ｂを反射せずに参照鏡１２の外部へ出る。参照鏡１２を透過したレーザ５２はλ／４波長板７４を透過して円偏光になり、集光レンズ６０で探針１４の反射面３６上に集光される。反射面３６を反射した円偏光は再びλ／４波長板７４を透過し直線偏光となる。このようにλ／４波長板７４を２回透過したレーザは、参照光５４と直交する偏光面を持った直線偏光となり、測定光５６として用いられる。この測定光５６は、参照鏡１２を透過することによって、参照光５４と重なり合って干渉光となる。この干渉光は、ビームスプリッタ３４で反射され、検出手段３０で観測される。本実施形態ではこの干渉光を干渉信号５８と呼ぶ。

この干渉信号５８は、探針１４の反射面３６のＺ変位に応じて、干渉強度変化（明暗）を示す。このような干渉強度情報（明暗情報）をもつ干渉信号５８が検出手段３０で光電変換される。このため検出手段３０の出力は、探針１４の反射面３６のＺ変位に応じて、つまり前記干渉強度の変化に応じて、変化する。この結果、変位量取得手段４５は、検出手段３０の出力変化に含まれる干渉強度変化を解析することにより、参照鏡１２と反射面３６との間の距離を取得し、探針１４の反射面３６のＺ変位を算出することができる。

ここで、本実施形態においては、カンチレバー２１の走査時に、探針１４の反射面３６のＺ変位が、探針１４の反射面３６の真上から観測されるように、変位観測位置を、ワーク２０に対して固定ではなく、探針１４のＸ方向（横方向）への走査に応じて移動している。本実施形態においては、ワーク２０及び参照鏡１２を静止した状態で、探針１４及びビームスプリッタ３４を走査しており、このような走査によっても、常に変位軸線３８と測定軸線４０とが常に一致している。
この結果、本実施形態においては、走査時は常に、探針１４の反射面３６の変位を、その真上から測定することができる。このため、本実施形態においては、コサイン誤差の発生を大幅に低減することができるので、探針１４の高精度な変位測定を行うことができる。

また、本実施形態においては、ワーク２０の測定領域と同程度のサイズを有する参照鏡１２をワーク２０に対して固定で設置している。このようなワーク２０に対して位置及び姿勢が固定な参照鏡１２を基準に、探針１４の反射面３６のＺ変位を測定している。
この結果、本実施形態においては、カンチレバー２１の走査時に運動誤差が生じた場合であっても、探針１４がワーク２０の表面に接触している状態であれば、カンチレバー２１に撓みが生じるだけで、該運動誤差がワーク２０の測定結果に重畳されるのを防ぐことができる。このため、本実施形態においては、探針１４の高精度な変位測定を行うことができる。

このようにして求められた探針１４のＺ方向への相対変位量、及び走査手段１８からのＸ方向への送り量に基づき、ワーク２０の表面形状を参照鏡１２に対する相対形状として得ているので、ワーク２０表面の微細な形状を高精度に測定することができる。

＜多重反射光について＞
一方で、干渉信号５８から探針１４の変位を正確に測定するには、干渉信号５８のＳ／Ｎ比が十分高い必要がある。また上記の通り、変位軸線３８と測定軸線４０とが常に一致しコサイン誤差を低減できるという利点があるが、そのため各光学素子は一直線上に設置されている。この光学素子は、ビームスプリッタ３４、参照鏡１２、探針１４の反射面３６を指す。従って、参照鏡１２の第二面１２Ｂと探針１４の反射面３６との間で発生した反射光が、ノイズとなって検出手段３０に入り、干渉信号のＳ／Ｎ比を下げるという問題があった。これについて、従来の装置を示す図１を用いて詳しく説明する。

図１にて、反射面３６で反射したレーザ（測定光５６）の一部は、参照鏡１２で反射され、同じ光路を辿って再び反射面３６で反射されて、多重反射光７５となる。この多重反射光７５が参照鏡１２を透過してビームスプリッタ３４側へ進行すると、参照光５４および測定光５６とともに検出手段３０で検出される。多重反射光７５は同じ偏光面を持つ参照光５４と干渉するため、その干渉光は干渉ノイズとなって干渉信号５８を劣化させてしまう。

図１の装置構成において、多重反射光７５の強度を算出してみる。干渉測定において干渉信号５８のコントラストを高くするには、参照光５４および測定光５６の各強度を等しくする必要があった。
参照光強度Ｉ_Ｒは、参照鏡１２の反射率Ｒ_ｒｅｆで決まる。ビームスプリッタ３４から参照鏡１２の第一面１２Ａへの入射光量を１として規格化すると、参照光強度をＩ_Ｒ＝Ｒ_ｒｅｆと表すことができる。次に、測定光強度Ｉ_Ｍは、参照鏡１２を透過した光が反射面３６で反射し、再び参照鏡１２を透過した後のレーザの強度であり、反射面３６の反射率をＲ_Ｃとすると、次式となる。

説明を簡単にするため、探針１４の反射面３６の反射率をＲ_Ｃ＝ 1 とし、参照光強度Ｉ_Ｒと測定光強度Ｉ_Ｍが等しいとすると、Ｉ_Ｒ＝Ｉ_Ｍは次の方程式で表される。

この方程式から、Ｒ_ｒｅｆ＝ 0.38 ( < 1 ) が得られるから、参照鏡の反射率を 38 ％にした場合に最大のコントラストが得られる。
また、干渉信号振幅Ａは次式で表される。

ここで、反射面３６の反射率を 100 ％（Ｒ_Ｃ＝ 1 ）とし、参照鏡の反射率を 38 ％（Ｒ_ｒｅｆ＝ 0.38 ）とする条件下で、多重反射光７５の強度Ｉ_Ｎを算出する。
図１のように多重反射光７５は、参照鏡１２を透過したレーザ５２が反射面３６で反射され、参照鏡１２で反射された後、再び反射面３６で反射されてから参照鏡１２を透過した光である。つまり、多重反射光７５は、測定光５６よりも参照鏡１２と反射面３６との間を１回だけ余計に往復した光であるから、その強度は、次式で表される。

多重反射光７５は、参照鏡１２を透過した後、同じ偏光面を持つ参照光５４と干渉し干渉ノイズになる。干渉ノイズの干渉強度振幅Ａ_Ｎを次式で表す。

これらの干渉強度振幅Ａ、Ａ_Ｎを用いて、干渉信号５８中の干渉ノイズの割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}を算出する。干渉ノイズの割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}は、上記と同様に干渉信号５８のコントラストを最大にするため参照鏡１２の反射率をＲ_ｒｅｆ＝ 0.38 とし、反射面３６の反射率をＲ_Ｃ＝ 1 とする条件下で次のようになる。

この結果、干渉ノイズの干渉信号振幅Ａ_Ｎの大きさは、本来必要とされる干渉信号振幅Ａの 61.6 ％にも達することが分かる。干渉信号と干渉ノイズ信号のシミュレーション結果を図４に示す。同図において、測定に必要な干渉信号（基本波で示す波形）および干渉ノイズ信号（倍波で示す波形）の各振幅は、上記で求めた割合（ 61.6 ％）を用いて示されている。
干渉信号を形成する測定光５６と参照光５４との光路差は、参照鏡１２と反射面３６との間の一往復分の光路長に相当する。一方、干渉ノイズを形成する多重反射光７５と参照光５４との光路差は、二往復分の光路長に相当する。従って、干渉ノイズの周期は、測定に必要とされる干渉信号の周波数の２倍になる。基本波および倍波は、これらを重ね合わせた図中の合成波となって検出手段３０で検出されることになる。このような干渉信号から正確な測定をすることは困難だった。

＜参照鏡とカンチレバー間に減衰フィルタを配置した構成＞
本発明で特徴的なことは、図３に示すように、参照鏡１２とカンチレバー２１との間の測定軸線上に減衰フィルタを設けて、多重反射光に基づく干渉ノイズを低減できるようにしたことである。減衰フィルタ７６は、光の透過量を制限するものであり本発明の光減衰手段に相当する。通常、ＮＤフィルタ（ｎｅｕｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｉｌｔｅｒ）と呼ばれる。

減衰フィルタ７６は、参照鏡１２と探針１４の反射面３６との間のいずれかの位置に設置されていればよい。本実施形態では、λ／４波長板７４と集光レンズ６０との間に減衰フィルタ７６を配置した。減衰フィルタ７６の透過率をＴ_ＮＤとすると、図３に示すように測定光５６は減衰フィルタ７６を２回透過するため、透過率の２条（Ｔ_ＮＤ ^２）に相当する割合まで光量が減衰する。しかし、多重反射光７５は減衰フィルタ７６を４回透過するため、透過率の４条（Ｔ_ＮＤ ^４）に相当する割合まで光量が減衰する。測定光５６と比較すると、多重反射光７５の減衰量は非常に大きくなる。
減衰フィルタ７６を設置した時の測定光５６の強度Ｉ_Ｍは、次式になる。

また、干渉信号振幅Ａは、前述と同様に次式で表される。

多重反射光７５は、参照鏡１２を透過した光が減衰フィルタ７６を透過後、反射面３６で反射され、再び減衰フィルタ７６を透過する。その後、この減衰フィルタ７６を２回透過した光は、さらに参照鏡１２の第二面１２Ｂで反射され、減衰フィルタ７６を透過し、反射面３６で再び反射される。反射面３６の反射光は、減衰フィルタ７６を透過し、参照鏡１２を透過する。このように多重反射光７５は、減衰フィルタ７６を４回透過した光であるので、その強度Ｉ_Ｎは、次式となる。

多重反射光７５は同じ偏光面を持つ参照光５４と干渉して、干渉ノイズとなる。干渉ノイズの干渉強度振幅Ａ_Ｎは、次式となる。

従って、減衰フィルタ７６を設置した時の干渉信号５８に含まれる干渉ノイズの割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}は、以下のようになる。

減衰フィルタ７６がない場合と同様に、干渉信号５８のコントラストを最大にするため参照鏡１２の反射率をＲ_ｒｅｆ＝ 0.38 とし、反射面３６の反射率をＲ_Ｃ＝ 1 とする条件下で、設置した減衰フィルタの透過率Ｔ_ＮＤ＝ 0.5の条件を加えると、上記の干渉ノイズの割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}は、次の値となる。

干渉ノイズの信号振幅Ａ_Ｎは、本来必要な干渉信号振幅Ａの 30.8 ％に相当し、減衰フィルタ７６のない場合の同割合が 61.8 ％であることと比べると、大幅に低減されたことが分かる。
通常は、測定光の光路上に減衰フィルタ７６を配置すると、測定光５６までもが減衰してしまうため、測定光の光路上への減衰フィルタ７６の配置は極力避けることが一般的な考えであった。

本実施形態によれば、測定光の光路上に敢えて減衰フィルタ７６を配置したことで、干渉ノイズの原因となる多重反射光を大幅に減衰させることができ、従来よりも干渉ノイズによる干渉信号の影響を小さくすることができる。
なお、減衰フィルタ７６は、市販のものからある程度自由に選ぶことが可能である。上式によると減衰フィルタの透過率Ｔ_ＮＤを小さくすると、干渉ノイズの割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}も小さくなる。しかし、後述のように、集光レンズ６０が、対象物２０の拡大観察用対物レンズを兼ね、干渉光学系と観察光学系とが同軸上に形成されている場合は、対象物２０の照明光を減衰させたくないため、減衰フィルタの透過率Ｔ_ＮＤを可能な限り大きくしたい。

＜探針の反射面の反射率の設定＞
また、上式によると、探針１４の反射面３６の反射率Ｒ_Ｃを変更することでも、多重反射光７５を低減させられることが分かる。
カンチレバー２１は一般的にシリコン(Ｓｉ)で形成される。探針１４が一体形成されているカンチレバー２１を用いる場合、反射面３６の反射率はＳｉの反射率で決まり、 35 ％程度になる。従来、反射面３６の反射率を高めるため、カンチレバー２１の表面にアルミニウム(Ａｌ)または金(Ａｕ)などをコーティングしていた。コーティングにより反射率Ｒ_Ｃは 75 〜 90 ％程度まで高くなる。

しかし、本実施形態では、反射率Ｒ_Ｃを素材であるシリコン(Ｓｉ)の反射率（ 35 ％程度）のままにすることが好ましい。上式を用いて干渉信号に含まれるノイズの割合を算出する。参照鏡１２の反射率をＲ_ｒｅｆ＝ 0.38、減衰フィルタの透過率をＴ_ＮＤ＝ 0.5、反射面３６の反射率をＲ_Ｃ＝ 0.35 とすると、干渉信号に含まれるノイズの割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}は、以下の値になる。

本実施形態によれば、干渉ノイズの信号振幅は、本来必要な干渉信号振幅の 18.2 ％まで削減される。減衰フィルタ７６を設置しただけで、反射面３６の反射率を従来のまま（Ｒ_Ｃ＝ 0.9 程度）とした場合よりも、さらに干渉ノイズを低減させることが可能になる。また、カンチレバー２１に増反射用のコーティングを施す必要がないため、コストメリットを得られる。

＜参照鏡の反射率の設定＞
また、上式によると、参照鏡１２の反射率Ｒ_ｒｅｆを変更することでも、多重反射光７５を低減させることができる。つまり、反射率Ｒ_ｒｅｆが 38 ％よりも小さい値の参照鏡１２を用いれば、干渉ノイズをさらに低減させることが可能である。例えば、参照鏡の反射率をＲ_ｒｅｆ＝ 0.1 とし、減衰フィルタの透過率をＴ_ＮＤ＝ 0.5 、反射面３６の反射率をＲ_Ｃ＝ 0.35 とすると、干渉信号に含まれるノイズの割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}は、以下の値となる。

干渉ノイズの信号振幅は、本来必要な干渉信号振幅の 9.3 ％まで削減され、干渉ノイズを低減させることが可能になる。ここで、反射率Ｒ_ｒｅｆの下限について説明する。参照鏡１２の反射率Ｒ_ｒｅｆは、反射コーティングを施さなければ、その素材の反射率で決まる。参照鏡１２は、合成石英（ＳｉＯ２）や一般的なＢＫ７（ホウケイ酸ガラス）などの硝材を素材として形成されている。例えば、参照鏡１２を合成石英（ＳｉＯ_２）で形成した場合、合成石英自体の反射率は約 4 ％である。参照鏡の反射率をＲ_ｒｅｆ＝ 0.04 として用いれば、反射コーティングを施す必要がなくなる。参照鏡１２のコストメリットを考えると、最適な反射率Ｒ_ｒｅｆの下限は、約 4 ％となる。

また、合成石英の反射率よりも高くしたい場合は、増反射コーティングを行い、反射率を低くしたい場合は、減反射コーティングを行うことで、参照鏡１２の反射率Ｒ_ｒｅｆをある程度任意の値に設定することが可能である。
一方、減衰フィルタ７６を設置すること、探針の反射面３６の反射率Ｒ_Ｃを下げること、または、参照鏡１２の反射率Ｒ_ｒｅｆを下げること、といった措置を講じた場合、干渉信号５８のコントラストおよび干渉信号強度は低下する。しかし干渉信号５８に含まれるノイズの割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}が低くなれば、干渉信号５８を電気的に増幅させることが可能であり、干渉信号５８のコントラストおよび干渉信号強度の低下という問題を回避できる。

＜各光学素子の特性値の最適な組合せ＞
以降、本発明の測定装置１０に用いる光学素子（参照鏡１２、減衰フィルタ７６、探針の反射面３６）の光学特性値の最適な組み合わせについて述べる。
図５は、各光学素子の特性値を組み合わせた場合のノイズの割合の変化を示すグラフである。これによると参照鏡１２の反射率Ｒ_ｒｅｆを下げると、ノイズ割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}が小さくなることが分かる。そして、参照鏡の反射率を、反射コーティングが要らない合成石英の反射率 4 ％に固定したとき（Ｒ_ｒｅｆ＝ 0.04 ）、反射面３６の反射率をＲ_Ｃ＝ 0.35、減衰フィルタの透過率をＴ_ＮＤ＝ 0.2 とする場合（図中の下から３本目のカーブ）のノイズ割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}は 2.4 ％となり、反射率をＲ_Ｃ＝ 0.9、透過率をＴ_ＮＤ＝ 0.1 とする場合（図中の下から２本目のカーブ）のノイズ割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}は 1.9 ％となる。つまり、ノイズ割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}が 0.5 ％（＝ 2.4 ％− 1.9 ％）しか変わらないにも関わらず、減衰フィルタの透過率Ｔ_ＮＤについては 10 ％から 20 ％に 2 倍高いものに代えることができる。集光レンズ６０を対象物２０の拡大観察用の対物レンズとして用いて、参照鏡１２やビームスプリッタ３４に観察用の照明光を通す場合には、透過率Ｔ_ＮＤが高い方が有利になる。
カンチレバーの反射面３６の反射率Ｒ_Ｃについては、素材であるシリコン(Ｓｉ)の反射率（ 35 ％）を反射コーティングなしで使用してもよいが、更には、反射面３６に減反射用のコーティングを行って、シリコン基材の反射率を更に低くする減反射層を形成してもよい。反射率Ｒ_Ｃが素材のままでの 35 ％よりも小さくすることで、他の条件が同じであってもノイズ割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}を更に低減させることができる。

また、例えば図５中の上から４本目と５本目のカーブを比較すると明らかなように、透過率Ｔ_ＮＤを高く設定しても、反射率Ｒｃの設定次第でノイズ割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}を低減し得ることが分かる。４本目のカーブは、反射率Ｒ_Ｃが 90 ％で、透過率Ｔ_ＮＤが 20 ％である場合を示し、５本目のカーブは、反射率Ｒ_Ｃが 35 ％で、透過率Ｔ_ＮＤが 30 ％である場合を示す。これらのカーブで参照鏡１２の反射率Ｒ_ｒｅｆが4 ％である時のノイズ割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}を比較すると、５本目のカーブの方が高い透過率Ｔ_ＮＤ（ 30 ％）であるにも関わらず、低い透過率Ｔ_ＮＤ（ 20 ％）の４本目のカーブよりも、ノイズ割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}を 0.25 ％低減させることができる。図５中の上から２本目と３本目のカーブを比較した場合にも同様の効果があることが判る。さらに、参照鏡１２の反射率Ｒ_ｒｅｆを大きくするにつれて、ノイズ割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}を低減できる効果は大きくなる。
なお、減衰フィルタ７６の透過率Ｔ_ＮＤは、10 〜 50 ％の範囲で設定することが好ましい。より好ましくは、20 〜 40 ％の範囲がよい。ノイズ割合を低くしたい場合には、透過率Ｔ_ＮＤを低くする。逆に観察光を多く透過させたいならば、ノイズ割合の許容範囲内で透過率Ｔ_ＮＤを高くすればよい。
図５からも分かるように、合成石英の反射率 4 ％をそのまま参照鏡１２の反射率Ｒ_ｒｅｆとして用いることで、反射コーティングが不要になり安価になる。一方、反射率Ｒ_ｒｅｆの上限については、ノイズ割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}をどの程度許容するかによって定まるものである。例えば、図５中の下から３本目のカーブの条件では、反射率Ｒ_ｒｅｆを略 15 ％以上に設定すると、ノイズ割合Ｎ_{ｒａｔｉｏ}が 5 ％を超える。このことから、反射率Ｒ_Ｃおよび透過率Ｔ_ＮＤの条件にもよるが、参照鏡１２の反射率Ｒ_ｒｅｆとしは、4 〜 40 ％の範囲で設定することがよく、より好ましくは、4 〜 15 ％の範囲で設定するのがよい。
また、図５からも分かるように、ノイズ割合を低減できる効果が得られる特性値の組み合わせの選択範囲が広いため、測定装置１０に用いる光学素子の配置構成に応じて、各光学素子の反射率および透過率の組み合わせを適宜選択することができる。

第二実施形態
図６は、本発明の第二実施形態に係る拡大観察機能付き微細形状測定装置を示す断面図である。
本実施形態の微細形状測定装置１１０は前述の図３で示した測定装置１０と略同じ構成であるが、拡大観察するための光学系が新たに付加されている点と、減衰フィルタ７６に代えてダイクロイックフィルタ７７が配置されている点と、がそれぞれ異なっている。ここでは、前述と異なる部材について説明する。

＜拡大観察機能＞
第１ビームスプリッタ３４と検出手段５８との間に第２ビームスプリッタ７８が設置されている。第２ビームスプリッタ７８は、第１ビームスプリッタ３４からの光束を分岐する。すなわち光束の一部を透過して検出手段５８に受光させるとともに、光束の他の一部を接合面で反射させる。第２ビームスプリッタ７８の反射光は、拡大観察のためのカメラ８１側に向けて進行する。反射光の進行方向には、結像レンズ７９、第３ビームスプリッタ８０、カメラ８１が順番に配置されている。

カメラ８１は、結像レンズ７９の焦点位置に設置され、照明されたワーク２０を拡大観察できるようになっている。拡大倍率は、集光レンズ６０と結像レンズ７９の焦点距離の比で決まる。例えば集光レンズ６０の焦点距離が 25 mm、結像レンズ７９の焦点距離が 250 mmであるとすると、拡大倍率は 10 倍になる。
第３ビームスプリッタ８０には、照明光源８２からの照明光が照射される。照明光は、第３ビームスプリッタ８０、第２ビームスプリッタ７８、第１ビームスプリッタ３４の順で反射され照明光を測定軸線に導入される。照明光源８２は一般的なハロゲンランプなどを用いた白色光源で構わない。照明光は干渉光学系に導入され、集光レンズ６０で集光されて対象物２０上を照射する。

図３の測定装置１０では、干渉光学系に多重反射光７５を減衰させるための減衰フィルタ７６を配置しているが、図６の拡大観察のための光学系を備えた本実施形態の測定装置１１０に同様に減衰フィルタ７６を用いると、減衰フィルタ７６が照明光も減衰してしまい、観察像が暗くなってしまう。

＜参照鏡とカンチレバー間にダイクロイックフィルタを配置した構成＞
本実施形態において特徴的なことは、減衰フィルタ７６に替えて、レーザ５２の波長帯のみを減衰させるダイクロイックフィルタ７７を設置したことである。レーザ５２による多重反射光の波長帯は、当然レーザの波長帯と一致するから、光減衰手段としてのダイクロイックフィルタ７７が多重反射光を減衰させ、レーザの波長帯でない照明光については減衰させない。
従って、本実施形態によれば、前記実施形態と同様に干渉ノイズを低減できるとともに、減衰フィルタを用いた場合よりも観察像が暗くならないで済む。なお、ダイクロイックフィルタ７７の減衰率は減衰フィルタ７６と同様に決定することができる。

なお、本発明の参照鏡としては、実施形態に示したような二つの面（１２Ａ、１２Ｂ）が互いに平行な平面型ビームスプリッタでもよいが、例えば第一面１２Ａをレーザの光軸に対して僅かに傾斜させたくさび型のビームスプリッタとしてもよい。くさび型の参照鏡を用いれば、第一面１２Ａを反射するカンチレバー２１側（裏面側）からの光を逃がすことができるので、第一面１２Ａを反射する反射光に起因するノイズの影響を防止することができる。
また、本発明は、測定対象物の表面形状を高い空間分解能で観察したり、表面形状を高精度に測定したりすることが可能な測定装置に広く適用できる。例えば、表面粗さ測定機や、表面凹凸を原子レベルで拡大観察する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のような走査型プローブ顕微鏡などに有効である。

１０ ：微細形状測定装置（光干渉測定装置、形状測定装置）
１２ ：参照鏡
１２Ａ ：第一面
１２Ｂ ：第二面
１４ ：探針
１８ ：走査手段
２０ ：ワーク（測定対象物）
２１ ：カンチレバー
３０ ：検出手段（干渉光検出手段）
３４ ：ビームスプリッタ
３６ ：探針の反射面（可変反射体）
３８ ：変位軸線
４０ ：測定軸線
４５ ：変位量取得手段
５２ ：レーザ
５４ ：参照光
５６ ：測定光
５８ ：干渉光（干渉信号）
６０ ：集光レンズ
７０ ：レーザ光源
７２ ：コリメートレンズ
７４ ：λ／４波長板
７５ ：多重反射光
７６ ：減衰フィルタ（光減衰手段）
７７ ：ダイクロイックフィルタ（光減衰手段）
７８ ：第二ビームスプリッタ
７９ ：結像レンズ
８０ ：第三ビームスプリッタ
８１ ：カメラ
８２ ：照明光源

Claims (5)

1. ワークの表面形状に応じて所定方向に変位する探針の変位量を取得し、該取得変位量から前記ワーク表面の凹凸形状を測定する形状測定装置であって、
   対向する第一面と第二面を有し、前記第一面から内部を透過して第二面へ直角に入射される透過光の一部を前記第二面で反射して参照光にするとともに、反射しない前記透過光を第二面から前記探針に向けて出射する参照鏡と、
   前記探針と一体となって変位自在で、前記参照鏡からの前記透過光をもと来た方向に反射する反射面を有する可変反射体と、
   前記可変反射体からの反射光のうち前記参照鏡を透過する光を測定光として、該測定光と前記参照鏡の第一面から同方向に進む前記参照光とを干渉させて、該干渉光を検出する干渉光検出手段と、
   検出干渉光に基づいて前記参照鏡に対する前記探針の変位量を取得する変位量取得手段と、を備え、
   さらに、前記参照鏡と可変反射体との間の光軸上に配置された光減衰手段を備え、
   該光減衰手段は、前記参照鏡の第二面と前記可変反射体との間を往復する光を減衰させて、該参照鏡と可変反射体との間に生じる多重反射光に基づく前記検出干渉光中の干渉ノイズを低減するものであって
   前記干渉ノイズであるＮ _{ｒａｔｉｏ} は、下記式（１）に従い、決定されることを特徴とする形状測定装置。
   （式１）
   

   

   （式中、Ｒ _ref は前記参照鏡の反射率を、Ｔ _ＮＤ は反射率減衰手段の透過率を、およびＲ _Ｃ は前記可変反射体の反射面の反射率を、それぞれ意味している。）
2. 請求項１に記載の形状測定装置において、
   前記参照鏡の反射率Ｒ _ref は４〜４０％の範囲で設定され、
   前記反射率減衰手段の透過率Ｔ _ＮＤ は１０〜２０％の範囲で設定され、
   更に、前記可変反射体の反射面の反射率Ｒ _Ｃ は３５〜９０％未満の範囲で設定されることを特徴とする形状測定装置。
3. 請求項１に記載の形状測定装置において、
   前記参照鏡の反射率Ｒ _ref は４〜４０％の範囲で設定され、
   前記反射率減衰手段の透過率Ｔ _ＮＤ は３０〜４０％の範囲で設定され、
   更に、前記可変反射体の反射面の反射率Ｒ _Ｃ は３５〜９０％未満の範囲で設定されることを特徴とする形状測定装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の形状測定装置において、前記参照鏡の第一面へ直角に入射される入射光はレーザであり、前記光減衰手段は前記レーザと同じ波長帯の光を減衰させることを特徴とする形状測定装置。
5. 請求項４記載の形状測定装置において、前記参照鏡と変位反射体との間の同じ光路を用いて、観察像を観察することを特徴とする形状測定装置。

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