JP6185701B2

JP6185701B2 - 形状測定装置

Info

Publication number: JP6185701B2
Application number: JP2012227728A
Authority: JP
Inventors: 義将鈴木
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2032-10-15
Also published as: JP2014081228A

Description

本発明は探針を使用した形状測定装置に関し、特に、形状測定時において例えば走査手段に発生する熱によって生起する測定誤差を低減させることが可能な形状測定装置に関する。

測定対象の表面の微細形状の測定装置は、通常、走査型プローブ顕微鏡などが使用される。例えば、従来から良く知られる走査型プローブ顕微鏡の装置として、原子間力顕微鏡がある。その原子間力顕微鏡を使用した測定対象表面の形状測定は、まず測定対象の表面と探針との間に働く原子間力を検出し、次いでその原子間力を一定に保つように探針を測定対象の表面上を走査する。そして、その原子間力を一定に保つ制御の下、測定対象の表面を走査させた探針の変位量を原子間力顕微鏡内の適切な検出手段で測定することによって測定対象の表面の凹凸形状は正確に測定される（例えば特許文献１）。

また、上記の測定装置が有する探針の変位量を測定する方法は、以下に示すような方法が公知である。例えば、レーザー光および位置検出可能な光センサを用いた光てこ方式による測定（例えば特許文献１，２）、フォーカス誤差検出方式による測定（例えば特許文献３）、光ファイバー干渉方式による測定（例えば特許文献４，５）などが挙げられる。

ここで、上記の光てこ方式は、例えば特許文献１の図１に示される構成の装置が使用される。それは、カンチレバーの平面に照射して得られる反射光を、遠方に配置した位置検出可能な光センサによって検出できるように各部材が配置され、その構成によってカンチレバーの一端に設けた探針は測定対象試料の凹凸に追従して上下方向に変位し、その探針の変位に応じて撓んだカンチレバーの平面からの反射光の角度変化が測定される。そして、反射光の角度変化が遠方で拡大することを利用して、反射光の変位量は遠方に配置した光センサによって精度良く検出される。
従って、光てこ方式の形状測定装置はその光センサで検出した反射光の変位量（角度変化）とカンチレバーの探針の変位量との相関関係を利用して、測定対象の表面上に存在する微細な凹凸部位の高さ情報が算定できる。このようにして、測定者は光てこ方式の形状測定装置により求めた各測定点での測定試料の表面の高さ情報に基づいて総合的に測定試料の表面の形状を評価することによって、その測定対象の表面の１次元および２次元の凹凸形状を取得することができる。

ところで、微細形状測定装置は原子間力のような非常にミクロな測定力を利用して測定対象表面の形状情報を取得するため、より高精度な測定が要求される。
この要求に応えるために、例えば特許文献４では測定子に直角三面反射体を設け、その直角三面反射体からの複数の反射光を検出する技術が提案されている。その技術によれば、形状測定時の測定子の捻じれによる変位量を直角三面反射体からの複数の反射光の変位量から取得し、形状の測定結果の値からその捻じれ量を差し引くことで正確な測定結果のみを得ることができるとしている。

一方、上記の要求に基づいて本発明者らが検討を行った結果、探針を測定対象表面上に走査させて得られた形状測定値は、探針の上下の変位量と走査手段の移動によって生ずる探針の上下の変位量の誤差成分との合算値であることを本発明に先立って明らかにしている（特許文献６）。そこでは、上記の走査手段の移動による誤差の影響を低減するために、走査手段に対して相対的に固定された位置関係を有する参照面を備えた形状測定装置を利用する技術が提案されている。

図４は特許文献６に記載の形状測定装置８０の構成を概略的に示す図である。この形状測定装置８０を用いる形状測定方法について簡単に説明すると、まずレーザー光源５０から出射された可干渉光はコリメータレンズ５２を透過することで平行光になる。その後、ビームスプリッタ５４を透過した平行光は、参照鏡２６により透過光と反射光に分離される。その参照鏡２６で反射された反射光は参照光として利用する。
他方、その参照鏡２６を透過した透過光はλ／４板６０を透過した後、集光レンズ６２によってカンチレバー１６の測定部位１６ａ（探針１４の取り付け面とは反対側の面で探針１４の取り付け部位の中心に対応する位置）へ集光される。その測定部位１６ａに集光された光は、測定対象の表面の凹凸形状に追従して上下方向に変位する探針１４と共に変位する測定部位１６ａによって反射され、透過光の光路上へ戻ることになる。
そして、その測定部位１６ａで反射された光を測定光とするが、その測定光は集光レンズ６２とλ／４板６０を透過して参照鏡２６へ入射する。測定光は再度λ／４板６０を透過したために、参照光に対して直交する偏波面を持つ偏光光に変換される。

そして、測定光が参照鏡２６を透過することにより、測定光と参照鏡２６で反射された参照光とが直交した偏波面をもつ合成光となり、その後、合成光はビームスプリッタ５４の反射面で位相検出器６４の方向へ反射され、その位相検出器６４によってその合成光が検出される。その検出された合成光の中から参照光と測定光の位相差情報を解析することによって、探針１４と参照鏡２６との相対的な位置関係が明らかになる。
カンチレバー１６に取り付けられた探針８は走査手段としての水平走査ステージ１８の駆動によって測定対象４０の表面上で水平走査されるが、探針１４は測定対象４０の表面の形状に追従して上下動するためにカンチレバー１６が撓み、カンチレバー１６の測定部位１６ａからの反射光である測定光には探針１４の変位量が加わる。その測定光に含まれる探針１４の変位量に基づいて、カンチレバー１６の撓みが一定となるように、形状測定装置８０は弾性ヒンジ２０ａと圧電素子２０ｂとからなるＺ方向駆動機構２０を上下方向に作動させる。

なお、ベースプレート２からの高さの基準である基準部材１０は支柱７２へ水平に固定されており、その下面に参照鏡２６が取り付けられている。また参照鏡２６は基準部材１０の上面に取り付けてもよい。そうすることによって、参照鏡２６と測定対象４０の表面とは固定された位置関係が維持され、かつ参照鏡２６と測定対象４０とは水平走査ステージ１８またはＺ方向駆動機構２０に対して独立しているので、水平走査ステージ１８およびＺ方向駆動機構２０に移動誤差が大きく生じたとしても、合成光内に含まれる参照光を基準とすることで移動誤差に影響されない正確な探針８の位置情報を捕捉することが出来る。
このように、特許文献６に記載の移動誤差の低減機能を備えた形状測定装置８０は、参照光を基準にし、測定対象の表面の凹凸に追従して変位する探針の測定部位からの反射光である測定光の信号を評価することにより、原理的には水平ステージ１８およびＺ方向駆動機構２０による移動誤差の影響を受けない測定方法を提供することができるものである。

特開２００２−１８１６８７号公報特開平９−７２９２４号公報特開平９−６１４４１号公報特開平７−３０１５１０号公報特許第３０８１９７９号公報特開２００８−７６２２１号公報

しかしながら、特許文献６の発明者３人の中の１人である本発明者は上記の方法の実施を重ねていく中で、特許文献６で取り上げた移動誤差の成分とは異なる移動誤差の成分が存在することを見出した。
以前から移動誤差が非常に少ない高精度な走査手段の製作が考えられているが、移動誤差を生じない走査手段を開発することは現実的に不可能であり、かつそのような理想的な走査手段が開発されたとしても、それは極めて高価であることが予測される。したがって、走査手段の高精度化は本発明の課題解決の手段としては採用しなかった。
また、走査手段で発生する移動誤差の影響を排除することが可能であるとされているものとして特許文献４があるが、特許文献４の図１〜図６に示されている直角三面反射体５６を用いた複雑な装置機構は汎用性に乏しいと考えられる。

上記の状況に鑑みて、本発明者は移動誤差の低減について鋭意検討を重ねた結果、測定時に走査手段などの移動によって生じた熱が周辺環境の温度変化を招き、それが移動誤差に繋がっていることを見出した。
例えば、測定中に周辺環境の温度変化によって移動誤差を引き起こす部材としては測定対象に対する位置および姿勢が固定された基準部材を支える支柱の長さなどが挙げられる。ここで支柱の熱膨張による基準部材の位置の変化についてより具体的に記述すれば、たとえ熱膨張率の低い材料であっても、微細な測定対象表面の凹凸形状に対する基準部材の位置の変化は無視できない。
例えば、温度に依存して変化する支柱の伸び量（Δｄ）は次の（数１）で示される。

（数１）
Δｄ＝α×ｄ×ΔＴ
上記（数１）において、αは熱膨張係数（／℃）、ｄは支柱の長さ（ｍｍ）、ΔＴは周辺温度の変化量（℃）である。
それぞれの変数に、以下に示す数値を当てはめて具体的な計算を行うと次のようになる。すなわち、支柱に使用している金属の熱膨張率α＝１８．７×１０^−６［／℃］、支柱の長さｄ＝５０［ｍｍ］、周辺温度の変化ΔＴ＝１［℃］である時、支柱の伸び量Δｄは（数２）で示される。
（数２）
Δｄ＝１８．７×１０^−６［／℃］×５０［ｍｍ］×１［℃］
＝９３５［ｎｍ］

特に微細な対象物の形状測定を行う分野において、この支柱の長さの温度変化に伴う誤差は無視できない。事実、形状測定結果に対して周辺環境の温度変化による基準部材などの熱膨張および熱収縮は大きな影響を与えていた。
ここで、本発明では周辺温度変化による測定値の変化を「温度ドリフト量」と呼ぶ。その温度ドリフトは、特に基準部材が装置周辺の温度変化に応じて生ずる長さの変化を指すが、別段、基準部材に限られるものでなく、それ以外の構成要素が周辺温度の変化によって熱膨張、熱収縮する際の影響も考慮するものである。

測定装置の周辺温度は測定時間や設置環境により刻々と変化するために、構成要素の各部材に高精度な温度センサを形状測定装置に付加するだけでは周辺温度の正確な測定はできなかった。例えば構成要素の各部材に温度センサを取り付けてリアルタイムに温度をモニターし、そのリアルタイムの温度測定結果を（数１）に基づいて計算することで構成要素の各部材の温度ドリフト量を計算するという方法であるが、それらの部材は形状測定装置の基準部材を支える支柱と同じ材質であるとは限らない。
そのため、それら構成部材毎の熱膨張率、または熱伝導率を明らかにし、測定時間内で温度変化が起きた時刻に合わせて各部材の温度ドリフト量を計算しなければならず、そのような方法は現実的ではない。また、たとえ温度のモニター結果と形状測定装置を構成する各部材の金属の熱膨張率とに基づいて形状測定結果から温度ドリフト量を差し引くように補正したとしても、その補正値はあくまでその手法による値であり、その実測値から周辺温度変化による形状測定装置の各部材の微小な移動に基づく移動誤差の影響を完全には取り除くことはできない。

一方で、形状測定装置を構成する部材を熱膨張率の小さい低膨張率の合金などにすることも考えられるが熱膨張率を完全にゼロとすることはできない。さらには低膨張率の合金は非常に高価であり、かつ加工し難いため、形状測定装置を構成する各部材に低膨張率の合金を使用することも現実的ではない。

本発明は上記の課題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は測定対象の表面形状に追従するように探針を走査させる時の探針の変位を光波干渉式変位計で測定する形状測定装置において、装置周辺に温度変化が起きたとしても、形状測定結果から周辺温度の変化による移動誤差を差し引くことで高精度な測定結果を取得し得る形状測定装置を提供することにある。

上述した従来の課題について、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、第一光波干渉式変位計により探針の変位量を測定すると同時に、測定対象に対して位置および姿勢が変化しないように保持された基準部材と測定対象を載置する載置台との間の距離の温度ドリフト量を第二光波干渉式変位計によって測定し、第一光波干渉式変位計によって測定された探針の変位量から探針の変位量に含まれる温度ドリフト量を差し引くことで、周辺温度変化による移動誤差を原理的にキャンセルできることを見出して本発明を完成するに至った。

すなわち、上記の目的を達成するために本発明の形状測定装置は、測定対象の表面を走査する探針を備えたカンチレバーと、そのカンチレバーを走査させる走査手段と、測定対象の走査時において、測定対象に対して位置と姿勢が変化しないように設けられた基準部材と、その基準部材に取り付けられた参照鏡と上記のカンチレバーとの相対変位を測定する第一光波干渉式変位計と、上記の測定対象とその基準部材との間の距離の変化から、温度ドリフト量を測定する第二光波干渉式変位計と、を備え、探針の変位量を前記温度ドリフト量で補正することを特徴とする。

第一光波干渉式変位計と第二光波干渉式変位計との間で、光源および参照鏡を共用し、測定対象が載置されている載置面には、光源から照射された光を反射させる反射鏡が設けられることを特徴とする。
光源からの光を前記カンチレバーに集光する集光レンズを備え、集光レンズは前記カンチレバーと共に走査される。

第二光波干渉式変位計は、光源からの光の一部を参照鏡へ入射して得られる反射光を第二参照光とし、参照鏡を透過した後、反射鏡へ入射して得られる反射鏡からの反射光を第二測定光とし、第二参照光と第二測定光との合成光を検出することによって、その合成光に含まれる位相差に基づき基準部材と測定対象との間の距離の変化を温度ドリフト量として測定する。

第一光波干渉式変位計は、光源からの光の一部を参照鏡に入射して得られる反射光を第一参照光とし、参照鏡を透過した後、カンチレバーに入射して得られるカンチレバーからの反射光を第一測定光とし、第一参照光と第一測定光との合成光を検出することによって、その合成光に含まれる位相差に基づき前記探針の変位量を測定する。

上記のカンチレバーに代えて、集光レンズによって集光される光を、測定対象の表面に照射する光プローブとして測定対象の表面を走査させ、参照鏡と測定対象との間の距離の変化から、測定対象の表面形状を測定する。

本発明の形状測定装置は、載置台、基準部材、探針、走査手段、第一光波干渉式変位計、第二光波干渉式変位計、および記憶手段を備えることにより、第一光波干渉式変位計によって基準部材と探針間の距離の変化に基づいた探針の変位量をリアルタイムに取得し、また、第二光波干渉式変位計によって基準部材と載置台との間の距離の変化量を温度ドリフト量としてリアルタイムに取得し、それら探針の変位量および温度ドリフト量とが記憶手段に記憶され、その探針の変位量に含まれる温度ドリフト量を差し引いて補正するため、測定環境の温度変化によって影響されることなく測定対象表面の凹凸形状を測定することが可能である。

また、本発明の形状測定装置の第一光波干渉式変位計と第二光波干渉式変位計とは光源を共用しており、かつ参照鏡も共用しているので安価である。
また、本発明は温度センサなどを使用しないため、センサ用ケーブルの張力による影響を受けることなく形状測定が可能であり、さらに本発明の形状測定装置の各構成要素に熱膨張係数の小さい材料を使用する必要がなく、恒温室のような温度環境も必要としない。

第一実施例の形状測定装置の構成要素を示す図である。形状測定中の周辺温度環境の変化によって生じる参照鏡とカンチレバーとの間の距離の温度ドリフトが探針変位量の測定結果に影響を与えることを概念的に示す図である。第二実施例の形状測定装置の構成要素の示す図である。基準部材を使用して形状測定を行う従来の形状測定装置の構成要素を示す図である。

＜第一実施例＞
図１は第一実施例の形状測定装置１００の構成要素を示す図である。形状測定装置１００はベースプレート１０２、載置台１０４、可動光学ベース１０６、可動光学ベース支持部材１０８、高さ位置の基準部材１１０、反射鏡１１２、探針１１４を備えたカンチレバー１１６、走査手段としての水平走査ステージ１１８、Ｚ方向駆動機構１２０、第一光波干渉式変位計１２２、第二光波干渉式変位計１２４、第二の光波干渉式変位計が共用する参照鏡１２６、記憶手段１２８、演算手段１３０、制御手段１３２、および解析手段１３４を備えている。
ここで、上記の形状測定装置１００は水平走査ステージ１１８を操作してカンチレバー１１６の探針１１４をＸ方向へ水平に走査する時のカンチレバー１１６の自由端側の背面において探針１１４に対応する測定部位１１６ａのＺ方向の変位を測定することを想定している。

載置台１０４は測定対象１４０および反射鏡１１２を設置するための台座であり、ベースプレート１０２上に設置されている。可動光学ベース１０６は可動光学ベース支持部材１０８を介してベースプレート１０２に設置されており、さらに可動光学ベース１０６には第一光波干渉式変位計１２２と第二光波干渉式変位計１２４とが設けられている。これにより、探針１１４の走査時において第一光波干渉式変位計１２２と第二光波干渉式変位計１２４とは位置及び姿勢は変化しない。
基準部材１１０は支柱１７２を介してベースプレート１０２に固定されており、走査時においても載置台１０４および測定対象１４０に対する位置および姿勢は変化しない。なお、この基準部材１１０は、ベースプレート１０２と可動光学ベース１０６の間で、且つ、第一光波干渉式変位計１２２、および第二光波干渉式変位計１２４が有する光路上に位置するように設けられている。
反射鏡１１２は第二光波干渉式変位計１２４の光路上の反射鏡であり、載置台１０４上に設置される。反射鏡１１２の大きさは、載置台１０４上に載置される測定対象１４０の表面の測定領域の面積と同程度以上であることが好ましい。
探針１１４は測定対象１４０の表面の凹凸に追従して上下に変位するが、これに応じ得るようにカンチレバー１１６はＺ方向（上下方向）に可撓性を有する。カンチレバー１１６の一方の端部は、固定端１１６ｂとしてＺ方向駆動機構１２０に固定され、他方の端部の下面（載置台１０４に対向する側）には、探針１１４が取り付けられている。そして、カンチレバー１１６の探針１１４が取り付けられた側と反対側の位置（カンチレバー１１６の上面の探針１１４に対応する位置）を、測定部位１１６ａとしている。

水平走査ステージ１１８は可動光学ベース１０６と可動光学ベース支持部材１０８との間に設けられ、カンチレバー１１６に取り付けられた探針１１４を測定対象１４０の表面に沿ってＸ方向に走査させる。Ｚ方向駆動機構１２０は水平走査ステージ１１８に連結され、弾性ヒンジ１２０ａと圧電素子１２０ｂとを有する。このため、Ｚ方向駆動機構１２０によりカンチレバー１１６の固定端１１６ｂはＺ方向へ移動され得る。
第一光波干渉式変位計１２２と第二光波干渉式変位計１２４とが共用する参照鏡１２６は、基準部材１１０の下面（載置台１０４に対向する面）に固定されているので、形状測定時において測定対象１４０に対する位置及び姿勢は変化しない。
第一光波干渉式変位計１２２は、測定対象１４０の表面の凹凸に追従して上下に変位する探針１１４と参照鏡１２６との間の距離の変位量である探針変位量を測定して、その探針変位量を記憶手段１２８および演算手段１３０へ出力し、また第二光波干渉式変位計１２４は、周辺温度変化による反射鏡１１２と参照鏡１２６との間の距離のＺ方向の相対的な変位量、すなわち温度ドリフト量を測定して、その温度ドリフト量を記憶手段１２８および演算手段１３０へ出力する。

記憶手段１２８は第一光波干渉式変位計１２２から出力される上記の探針変位量、および第二光波干渉式変位計１２４から出力される上記の温度ドリフト量を同時に記憶する。また、記憶手段１２８はカンチレバー１１６の撓み量の設定値などの制御に必要な基準パラメータを予め記憶し、記憶手段１２８に記憶されているその撓み量の設定値を必要に応じて演算手段１３０へ出力する。
演算手段１３０はカンチレバー１１６の撓み量を第一光波干渉式変位計１２２で得られた探針変位情報と記憶手段１２８に記憶されている撓み量の設定値との間での差を算出することで、形状測定時のＺ方向の駆動制御に必要な制御量を決定し、その制御量を制御手段１３２へ出力する。制御手段１３２は演算手段１３０から出力された制御量に応じて、Ｚ方向駆動機構１２０の駆動を制御することにより、カンチレバー１１６の固定端１１６ｂのＺ位置を制御する。解析手段１３４には記憶手段１２８に記憶された測定量（すなわち、探針変位量およびその温度ドリフト量）が同時に入力されると共に、水平走査ステージ１１８のＸおよびＹ方向のＸＹ変位量も制御手段１３２を介して入力される。解析手段１３４はそれら上記の測定量およびＸＹ変位量に基づいて算出した測定対象１４０の表面の凹凸形状情報を不図示のモニターへ出力する。

第一光波干渉式変位計１２２は、光源１５０と、コリメータレンズ１５２と、ビームスプリッタ１５４と、ミラー１５６と、ビームスプリッタ１５８と、参照鏡１２６と、λ／４板１６０と、集光レンズ１６２と、第一光波干渉式変位計１２２に内蔵されている変位量検出器１６４とから構成されている。
集光レンズ１６２はカンチレバー１１６と所定の位置関係を有している。また、集光レンズ１６２は参照鏡１２６を透過した平行光をカンチレバー測定部位１１６ａに集光すると共に、その測定部位１１６ａからの反射光である測定光を再度平行光にする。

第二光波干渉式変位計１２４は、光源１５０と、コリメータレンズ１５２と、ビームスプリッタ１５４と、ミラー１５２と、ビームスプリッタ１６８と、参照鏡１２６と、λ／４板１６０と、反射鏡１１２と、第二光波干渉式変位計に内蔵されている温度ドリフト量検出器１７０とから構成されている。すなわち、第一光波干渉式変位計１２２および第二光波干渉式変位計１２４は、光源１５０、コリメータレンズ１５２、ビームスプリッタ１５４、参照鏡１２６およびλ／４板１６０を共用している。

測定対象１４０はベースプレート１０２上に設置された載置台１０４上に載置され、参照鏡１２６はベースプレート１０２に支柱１７２を介して連結された基準部材１１０に設けられているため、探針１１４が測定対象１４０の表面を走査する間は測定対象１４０と参照鏡１２６との位置および姿勢に変化はない。同様に、反射鏡１１２もベースプレート１０２上に設置された載置台１０４上に載置されることから、探針１１４の走査の間は、反射鏡１１２と参照鏡１２６両者の位置及び姿勢の変化は生じない。
カンチレバー１１６の固定端１１６ｂは水平走査ステージ１１８に設けられたＺ方向駆動機構１２０に固定されているので、カンチレバー１１６をＸＹＺの任意の方向への移動や、カンチレバー１１６に取り付けられた探針１１４をＸ方向へのみ移動させる一次元の走査が可能である。
さらに第一光波干渉式変位計１２２および第二光波干渉式変位計１２４は可動光学ベース１０６に取り付けられているので、水平走査ステージ１１８の走査中は上記の第一光波干渉式変位計１２２と、第二光波干渉式変位計１２４と、カンチレバー１１６と、集光レンズ１６２との位置関係が固定された状態でＸ方向へ移動される。

形状測定装置１００は概略以上のように構成されるが、以下にその作用を説明する。
測定対象１４０の表面の凹凸に応じて上下に変位する探針１１４のＺ方向の変位量の大きさは基準部材１１０に取り付けられた参照鏡１２６を基準として測定されるため、高精度な測定を行うことができる。その際にカンチレバー１１６の撓み量が一定となるようにカンチレバー１１６の固定端１１６ｂをＺ方向に上下させながら測定対象１４０の表面において探針１１４を走査することにより、高精度な測定を実現することができる。
そして、反射鏡１１２は測定対象１４０の表面の測定対象領域と同程度以上の面積を有しているので、探針１１４が測定対象１４０の表面の凹凸を走査している間は反射鏡１１２と参照鏡１２６との間の温度ドリフト量は第二光波干渉式変位計１２４によって測定することができる。
また、探針１１４の変位量を変位量検出器１６４により測定し、また、走査中における参照鏡１２６の温度ドリフト量を温度ドリフト量検出器１７０により測定する。その探針変位量から温度ドリフト量を差し引くことによって、走査手段に発生する温度ドリフト量に関する誤差の影響は原理的にキャンセルできる。

上記の作用を一層具体的に説明すると、図１に示す参照鏡１２６および載置台１０４はそれぞれベースプレート１０２に固定された状態にあるので、反射鏡１１２と測定対象１４０と参照鏡１２６との三者の位置関係は一定である。また、カンチレバー１１６の固定端１１６ｂおよび集光レンズ１６２はそれぞれＺ方向駆動機構１２０に固定されているために、それらの位置関係も一定である。
従って、水平走査ステージ１１８が走査される間において、第一光波干渉式変位計１２２、第二光波干渉式変位計１２４、およびＺ方向駆動機構１２０はそれらの間の位置関係を変えることなくＸ方向へ走査することができる。
ここで、光源１５０からの可干渉光（レーザー光）はコリメータレンズ１５２により平行光にされた後、ビームスプリッタ１５４の反射面によって第一光波干渉式変位計１２２用の光と第二光波干渉式変位計１２４用の光とに分離される。

＜第一光波干渉式変位計＞
ビームスプリッタ１５４の反射面で反射され、次いでミラー１５６によって反射され、更にビームスプリッタ１５８を透過した光はカンチレバー１１６の測定部位１１６ａへ導光されるが、その光の一部は光路上の参照鏡１２６で反射されて第一の参照光となり、他方、参照鏡１２６を透過した光はλ／４板１６０を透過した後、カンチレバー１１６の測定部位１１６ａにおいて反射される。その反射光である第一の測定光は、集光レンズ１６２によって再度平行光化された後、再びλ／４板１６０を透過して参照光と直交する偏波面となり参照鏡１２６へ至り、その参照鏡１２６を透過した後に第一の測定光と第一の参照光とが合わさった合成光が形成される。その合成光が変位量検出器１６４に入射することによって、変位量検出器１６４では、第一の測定光と第二の参照光の位相差が検出される。
そして、第一の測定光と第一の参照光との間の位相差に基づいて演算された参照鏡１２６を基準とした探針１１４のＺ方向の変位情報、すなわち探針変位量が解析手段１３４へ送信される。さらに、解析手段１３４は、制御手段１３２からＸＹ方向の変位量も同時に取得していることから、解析手段１３４はそれら探針変位量およびＸＹ方向の変位量に基づいた測定対象１４０の表面の凹凸形状の情報が不図示のモニター画面上へ表示される。

しかしながら、形状測定中の水平走査ステージ１１８の移動によって発生する熱や、測定用レーザー光によって発生する熱が測定試料１４０周辺の温度を上昇させる。そして、その温度上昇が基準部材１２０や支柱１７２の長さの伸びを生起させる。
それら部材の長さや厚みの温度ドリフト量により、測定の前後または測定中の参照鏡１２６と測定対象１４０との間の位置関係が変化するために、解析手段１３４と変位量検出器１６４で検出した探針１１４の変位の原因が、測定対象１４０の凹凸形状に応じたカンチレバーの撓みによるものであるのか、それとも、参照鏡１２６と探針１１４との間の距離が周辺環境の変化に応じて変化したものであるのか、区別をすることができず、測定時間の増加に伴いその形状測定結果の精度が下がるものであった。

上記の形状測定結果の精度の低下を解決することが重要であるが、本実施例では支柱１７２などを構成する材質を高価な低熱膨張のものを使用すること、また、複数の温度モニタを使用することなく、測定時の探針１１４の変位量に含まれる温度ドリフト量の補正を行うことにした。すなわち、本実施例では測定時の探針１１４の変位量に含まれる温度ドリフト量は以下のようにして取得される。

＜第二光波干渉式変位計＞
ビームスプリッタ１５４を透過し、次いでビームスプリッタ１６８を透過した光は、まず光路上の参照鏡１２６で反射されて第二の参照光となり、また参照鏡１２６を透過した光はλ／４板１６０を透過した後に載置台１０４上に設置された反射鏡１１２で反射される。その反射鏡１１２からの反射光は再びλ／４板１６０を透過した後、参照鏡１２６の上方へ透過して第二の参照光と直交した偏波面を持つ第二の測定光となる。その第二の測定光は参照鏡１２６を透過した後に第二の参照光と合わさり、合成光となる。その合成光が温度ドリフト量検出器１７０に入射することによって、温度ドリフト量検出器１７０では、第二の測定光と第二の参照光の位相差が検出される。その位相差情報に基づいて、反射鏡１０４と参照鏡１２６との間の距離の温度ドリフト量が演算され、演算された温度ドリフト量は記憶手段１２８を介して解析手段１３４へ送信される。

そして、解析手段１３４において、第一光波干渉式変位計１２２により得られた探針変位量から温度ドリフト量を差し引いた差分が計算される。その結果、形状測定中の温度ドリフトが生起したとしても、リアルタイムに検出された温度ドリフト量を使用して探針変位量が補正されるため、探針１１４の正確な変位量を取得することができる。さらに、その補正された探針１１４の変位量に基づいてカンチレバー１１６の撓み量の変化も求めることができる。
本実施例では、このようにして求められたカンチレバー１１６の撓み量の変化Δξが一定となるように、カンチレバー１１６の固定端１１６ｂをＺ軸駆動機構１２０により制御することで、走査時に探針１１４が測定対象１４０の表面から浮き上がってしまうことも回避することができる。

以下に、探針１１４の変位量、および反射鏡１１２と参照鏡１２６との間の温度ドリフト量に基づいて、走査中のカンチレバー１１６の撓み量を常に一定とするための制御方法を、図２を参照して説明する。図２は測定対象１４０の表面は理想的な平坦面であり、その理想的な平坦面上をカンチレバー１１６のＺ方向を変化させずに走査した時に生起する温度ドリフト量を概念的に示す図である。

まず、図２（Ａ）を参照して、測定対象１４０の表面上の任意の測定開始点から探針１１４の走査が開始される。この開始点での参照鏡１２６からカンチレバー１１６の測定部位１１６ａまでの距離をｈ_０とし、参照鏡１２６から反射鏡１１２までの距離をｌ_０とし、周辺環境温度をＴ_０（℃）とする。
探針１１４を走査の開始点からＸ方向へ走査すると、複数の発熱体の影響を受けて周辺環境の温度はＴ_０からＴ_１へ変化するが、参照鏡１２６からカンチレバー１１６の測定部位１１６ａまでの間の距離は図２（Ｂ）に示すようにｈ_０からｈ_１へ減少する。
このとき、もし第一光波干渉式変位計１２２だけを使用して、ｈ_０からｈ_１への変化量をリアルタイムに測定していたとすれば、測定対象１４０の表面が平らであるにも拘らず、その変化量がそのままカンチレバー１１６の撓み量として検出される。この周辺温度による撓み量は、図４に示す一つの光波干渉式変位計のみを使用した形状測定装置５０では、探針の変位つまり測定対象１４０の表面形状によるものであるとして扱われてしまう。

そこで、本発明は周辺環境の温度変化に基づく参照鏡１２６の高さ方向の位置の温度ドリフト量として参照鏡１２６から反射鏡１１２までの距離の変化量（Δｌ＝ｌ_０―ｌ_１）を測定している。これにより、カンチレバー１１６の温度ドリフトによるカンチレバー１１６の見掛けの撓み量Δξは、以下の数式に基づいてキャンセルされる。
（数３）
Δξ＝（ｈ_０―ｈ_１）―Δｌ
＝０

このように本実施例では、カンチレバー１１６の測定部位１１６ａの変位量から測定対象表面の形状測定装置の構成要素の移動に伴って発生する周辺温度の上昇による温度ドリフトを取り除くことができる。すなわち、本実施例では、測定対象１４０の表面の凹凸情報を正確に取得するため、参照鏡１２６を基準として求めた温度ドリフト量で生じるカンチレバー１１６の見掛けの撓み量をキャンセルさせた状態で、カンチレバー１１６に取り付けられた探針１１４によって測定対象１４０の表面の凹凸を走査することができる。
この結果、本実施例は、形状測定中の周辺温度環境の昇温降温に関わらず、探針１１４の正確な変位量を取得できると共に、温度ドリフトに基づくカンチレバーの見かけ上の撓みによるＺ軸方向駆動機構１１６の誤動作も防ぐこともできる。

また、本実施例は、カンチレバー１１６の撓み量に応じて定まる探針１１４と測定対象１４０との間に働く測定力（原子間力）の測定量についても、以下のようにコントロールできる。
例えば、図２に示したカンチレバー１１６と測定対象１４０表面との間に距離が変化していないにもかかわらず、温度ドリフトによって見かけ上の撓み量が変化する。
しかしながら、実際には、走査中のカンチレバー１１６には撓みの変化は生起しておらず、その撓み量と測定力との関係に差異が生じる。
本実施例では、この差異を温度ドリフト量の測定結果を使用することによって、測定力が一定に保たれるように測定対象１４０の表面と探針１１４との間の距離を制御することも可能である。
従って、本実施例は、第一光波干渉式変位計１２２による探針１１４の変位量に含まれる温度ドリフト量を第二光波干渉式変位計１２４により測定し、その変位量を温度ドリフト量で補正することができるので、従来よりも一層の移動誤差の低減が可能となった。
また、本発明は複数の温度センサ等を用いることなく温度ドリフト量を正確に求めることができるため、コストの大幅な削減および装置構成の簡素化を図ることができる。

＜第二実施例＞
図３は第二実施例の形状測定装置２００の構成要素を示す図である。ここで、第一実施例と対応する部位には符号１００を加えて示し、それらの説明を省略する。
第二実施例は測定対象表面を走査させるプローブとして、第一実施例で使用した探針１１４およびカンチレバー１１６に代えて、光プローブ２１４を使用している。そのため第一光波干渉式変位計２２２で使用する可干渉光は集光レンズ２６６によって、直接に測定対象２４０の表面の集光部位２４０ａへ集光させる。そのため、同図に示す参照鏡２２６で反射された光は参照光となり、またその集光部位２４０ａからの反射光は参照鏡２２６を透過して測定光となる。第一実施例と同様に参照光と測定光との間で干渉光を形成させて検出し、それら参照光と測定光との間の位相差情報を解析することによって測定対象２４０の表面形状を測定することが出来る。

第二実施例の第一光波干渉式変位計２２２は、光源２５０から出射された可干渉光がコリメータレンズ２５２を透過して平行光とされた後、ビームスプリッタ２５４の反射面によって反射され第一光波干渉式変位計２２２の光路に導光される。ミラー２５６で反射され、更にビームスプリッタ２５８を透過した光の一部は、参照鏡２２６により反射されて参照光となり、また参照鏡２２６を透過した光は、λ／４板２６０を透過した後、集光レンズ２６２を経て測定対象２４０の集光部位２４０ａに照射されると同時に、その集光部位２４０ａによって反射される。その集光部位２４０ａからの反射光である測定光は、集光レンズ２６２によって、再度平行光化された後、再びλ／４板２６０を透過して、参照光と直交した偏波面となり参照鏡２２６を透過することで参照光と合わさった合成光となる。
その合成光は、その第一光波干渉式変位計２２２に内蔵されている変位量検出器２６４によって、参照光と測定光の位相差が検出され、その位相差情報に基づいて、光プローブ２１４と参照鏡２２６との間の距離のＺ方向の変位情報が演算され、演算された温度ドリフト量は記憶手段２２８を介して解析手段２３４へ送信される。その検出結果に基づいて解析手段２３４は、測定対象２４０の表面の凹凸形状に追従したＺ方向の変位情報を得ることができるので、その表面の凹凸情報を把握することができる。

そして、第二実施例の第二光波干渉式変位計２２４によれば、第一光波干渉式変位計２２２により得られた測定対象２４０の表面の凹凸による変位量に含まれる温度ドリフト量は、参照鏡２２６と反射鏡２１２との間の距離から測定することができる。
その測定対象２４０の表面の凹凸による変位量から上記の温度ドリフト量を差し引くことで、第一実施例と同様に測定対象２４０表面の正確な凹凸情報を取得することができる。
また、本実施例では、探針およびカンチレバーを動作させる必要がないので装置の簡素化を図ることができ、かつ測定対象の表面に傷をつけることもない。
なお、本実施形態では、周辺温度変化による測定値の変化の補正について説明したが、
大気圧や湿度による測定値の変化を補正する際にも本発明の形状測定装置が適用可能である。

本発明は探針または光プローブを使用した形状測定装置に関し、特に、形状測定中に発生する移動誤差を低減させることができる。

１００、２００形状測定装置
１０２、２０２ベースプレート１２４、２２４第二光波干渉式変位計
１０４、２０４載置台１２６、２２６参照鏡
１０６、２０６可動光学ベース支持部材１２８、２２８記憶手段
１０８、２０８可動光学ベース１３０、２３０演算手段
１１０、２１０基準部材１３２、２３２制御手段
１１２、２１２反射鏡１３４、２３４解析手段
１１４探針１４０、２４０測定対象
１１６カンチレバー１５０、２５０光源
２１４光プローブ１６０、２６０ λ／４板
１１８、２１８水平走査ステージ１６２、２６２集光レンズ
１２０、２２０Ｚ方向駆動機構１７２、２７２支柱
１２２、２２２第一光波干渉式変位計

Claims

測定対象の表面を走査する探針を備えたカンチレバーと、
前記カンチレバーを走査させる走査手段と、
前記測定対象の走査時において、前記測定対象に対して位置と姿勢が変化しないように設けられた基準部材と、
前記基準部材に取り付けられた参照鏡と前記カンチレバーとの相対変位を測定する第一光波干渉式変位計と、
前記測定対象を載置する載置台の載置面に位置する反射鏡と前記基準部材に取り付けられた参照鏡との間の距離の変化から、温度ドリフト量を測定する第二光波干渉式変位計と、を備え、
前記第一光波干渉式変位計と前記第二光波干渉式変位計との間で、光源および前記参照鏡を共用し、
前記参照鏡から測定対象までの距離と該参照鏡から反射鏡までの距離は略同一であって、
前記探針の変位量を前記温度ドリフト量で補正することを特徴とする形状測定装置。
請求項１に記載の形状測定装置において
前記光源からの光を前記カンチレバーに集光する集光レンズを備え、
前記集光レンズは前記カンチレバーと共に走査されることを特徴とする形状測定装置。
請求項１および請求項２のいずれか１項に記載の形状測定装置において、
前記第二光波干渉式変位計は、前記光源からの光の一部を前記参照鏡へ入射して得られる反射光を第二参照光とし、
前記参照鏡を透過した後、前記反射鏡へ入射して得られる前記反射鏡からの反射光を第二測定光とし、
前記第二参照光と前記第二測定光との合成光を検出することによって、当該合成光に含まれる位相差に基づき前記基準部材と前記測定対象との間の距離の変化を温度ドリフト量として測定することを特徴とする形状測定装置。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の形状測定装置において
前記第一光波干渉式変位計は、前記光源からの光の一部を前記参照鏡に入射して得られる反射光を第一参照光とし、
前記参照鏡を透過した後、前記カンチレバーに入射して得られるカンチレバーからの反射光を第一測定光とし、
前記第一参照光と前記第一測定光との合成光を検出することによって、当該合成光に含まれる位相差に基づき前記探針の変位量を測定することを特徴とする形状測定装置。
測定対象の表面を走査しながら集光レンズによって集光された光を測定対象の表面に照射するとともに、該測定対象を反射した光を集光する光プローブと、
前記光プローブを走査させる走査手段と、
前記測定対象の走査時において、前記測定対象に対して位置と姿勢が変化しないように設けられた基準部材と、
前記基準部材に取り付けられた参照鏡と前記測定対象との相対変位を測定する第一光波干渉式変位計と、
前記測定対象を載置する載置台の載置面に位置する反射鏡と前記基準部材に取り付けられた参照鏡との間の距離の変化から、温度ドリフト量を測定する第二光波干渉式変位計と、を備え、
前記第一光波干渉式変位計と前記第二光波干渉式変位計との間で、光源および前記参照鏡を共用し、
前記参照鏡から測定対象までの距離と該参照鏡から反射鏡までの距離は略同一であって、
前記光プローブの変位量を前記温度ドリフト量で補正することを特徴とする形状測定装置。