(57)【要約】【課題】被測定物の表面形状を高い精度で測定し得る表面形状測定装置を提供する。【解決手段】表面形状測定装置５００は、被測定物６００を支持する被測定物台５１０と、力感知部１００と、力感知部１００と被測定物６００を互いに近づけるまたは遠ざけるために力感知部１００と被測定物６００を相対的にＺ軸に沿って移動させるＺ走査機構５４０と、Ｚ軸に直交するＸ軸に沿って力感知部１００と被測定物６００を相対的に移動させるＸ走査機構５２０とを備えている。力感知部１００は、被測定物６００に近接されて被測定物６００から力を受けるプローブを含み、このプローブが被測定物６００から受ける力を感知する機能を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置であり、
前記被測定物を支持する被測定物台と、
前記被測定物に近接されて前記被測定物から力を受けるプローブを含み、前記プローブが前記被測定物から受ける力を感知する力感知部と、
前記力感知部と前記被測定物を互いに近づけるまたは遠ざけるために前記力感知部と前記被測定物を相対的に第一の軸に沿って移動させる第一の走査機構と、
前記第一の軸に直交する第二の軸に沿って前記力感知部と前記被測定物を相対的に移動させる第二の走査機構とを備えている表面形状測定装置。
【請求項２】
前記力感知部は、ベースと、前記ベースに片持ち支持されたカンチレバーとを備え、前記カンチレバーは、前記プローブを先端に有し、前記力に応じて弾性的にたわみ変形する請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記圧力感知部は、前記カンチレバーと前記ベースとによって構成された、前記カンチレバーのたわみ変形を感知する静電容量センサを有している請求項２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記圧力感知部は、前記カンチレバーと前記ベースのいずれか一方に設けられた、前記カンチレバーのたわみ変形を感知するセンサを有している請求項２に記載の表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面形状測定装置は、被測定物に接触させたプローブを被測定物の表面上で接触を保ちつつ走査しながら、プローブの３次元位置情報を検出してマッピングすることによって、被測定物の表面形状を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７一２６０４７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これまでの表面形状測定装置では、プローブは、高さ方向に直線的に移動可能に付勢された支持部材に支持され、被測定物に対する接触圧力を一定に保ちながら高さ方向に垂直な方向に走査される。接触圧力は、プローブの反対側に位置する支持部材の末端の変位を検出することによって感知される。つまり、プローブの走査は、プローブの接触圧力を一定に保ちながらおこなわれるのが理想であるが、実際にはプローブの接触圧力の高さ方向成分を一定に保ちながらおこなわれている。
【０００５】
平らに近い部分すなわち被測定物の表面の法線方向が高さ方向に対してなす角度が小さい部分では、プローブの接触圧力は高さ方向成分が大きく走査方向成分は小さいので、感知される力はプローブが実際に受ける力とそれほど変わらないが、急な部分すなわち被測定物の表面の法線方向が高さ方向に対してなす角度が大きい部分では、プローブの接触圧力は高さ方向成分が小さく走査方向成分が大きいので、感知される力はプローブが実際に受ける力よりもはるかに小さい。このため、プローブが実際に受ける力は、急な部分では平らに近い部分に比べて非常に大きくなる。
【０００６】
支持部材のプローブの近い部分は、被測定物の急な部分においてもプローブと測定物の接触を保つために、高さ方向に延びた細長い棒状となっている。この棒状の部分は剛性が低くしなりやすい。被測定物の急な部分では、前述したようにプローブの接触圧力は走査方向成分が大きいので、支持部材の棒状の部分が容易にしなる。これは、プローブの実際の３次元位置情報と、走査情報から得られるプローブの３次元位置情報との間に誤差を生み、測定精度を低下させる原因となっている。
【０００７】
本発明は、被測定物の表面形状を高い精度で測定し得る表面形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による表面形状測定装置は、被測定物を支持する被測定物台と、前記被測定物に近接されて前記被測定物から力を受けるプローブを含み、前記プローブが前記被測定物から受ける力を感知する力感知部と、前記力感知部と前記被測定物を互いに近づけるまたは遠ざけるために前記力感知部と前記被測定物を相対的に第一の軸に沿って移動させる第一の走査機構と、前記第一の軸に直交する第二の軸に沿って前記力感知部と前記被測定物を相対的に移動させる第二の走査機構とを備えている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、被測定物の表面形状を高い精度で測定し得る表面形状測定装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態による表面形状測定装置を概略的に示している。
【図２】図１に示される力感知部の側面図である。
【図３】図２に示される力感知部の正面図である。
【図４】図１と図２に示される力感知部の第１変形例による力感知部の側面図である。
【図５】図４に示される力感知部の正面図である。
【図６】図１と図２に示される力感知部の第２変形例による力感知部の側面図である。
【図７】図６に示される力感知部の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１に示すように、表面形状測定装置５００は、被測定物６００を支持する被測定物台５１０と、力感知部１００と、力感知部１００と被測定物６００を互いに近づけるまたは遠ざけるために力感知部１００と被測定物６００を相対的にＺ軸に沿って移動させるＺ走査機構５４０と、Ｚ軸に直交するＸ軸に沿って力感知部１００と被測定物６００を相対的に移動させるＸ走査機構５２０と、Ｚ軸とＸ軸に直交するＹ軸に沿って力感知部１００と被測定物６００を相対的に移動させるＹ走査機構５３０とを備えている。表面形状測定装置５００は、３次元表面形状測定の用途のためにＸ走査機構５２０とＹ走査機構５３０とを備えているが、２次元表面形状いわゆる断面形状測定の用途に対してはＹ走査機構５３０を備えていなくてよい。
【００１３】
力感知部１００は、その詳細は後述するが、被測定物６００に近接されて被測定物６００から力を受けるプローブを含んでおり、このプローブが被測定物６００から受ける力を感知する機能を有している。
【００１４】
被測定物台５１０は、被測定物６００を一定の位置に保つために、被測定物６００を保持する機構を備えていてもよい。この場合、被測定物台５１０は必ずしも図１に示すように下方に配置される必要はなく、表面形状測定装置５００はどのような向きに配置されてもよい。
【００１５】
Ｚ走査機構５４０は、力感知部１００をＺ軸に沿って移動可能に支持している。Ｚ走査機構５４０は、力感知部１００と被測定物６００を相対的にＺ軸に沿って移動させることができればよく、力感知部１００を移動させる代わりに、被測定物６００を移動させるように変更されてもよい。
【００１６】
Ｘ走査機構５２０は、力感知部１００を支持するＺ走査機構５４０をＸ軸に沿って移動可能に支持している。Ｘ走査機構５２０は、力感知部１００と被測定物６００を相対的にＸ軸に沿って移動させることができればよく、力感知部１００を移動させる代わりに、被測定物６００を移動させるように変更されてもよい。
【００１７】
Ｙ走査機構５３０は、被測定物６００を支持する被測定物台５１０をＹ軸に沿って移動可能に支持している。Ｙ走査機構５３０は、力感知部１００と被測定物６００を相対的にＹ軸に沿って移動させることができればよく、被測定物６００を移動させる代わりに、力感知部１００を移動させるように変更されてもよい。
【００１８】
表面形状測定装置５００はまた、Ｘ，Ｙ，Ｚ走査機構５２０，５３０，５４０を制御する制御部５５０と、制御部５５０に対する情報の入出力のための入出力部５６０とを備えている。たとえば、制御部５５０は、入出力部５６０を介して入力される指示や設定値などにしたがって、また力感知部１００によって感知される情報にしたがって、Ｘ，Ｙ，Ｚ走査機構５２０，５３０，５４０を制御する。制御部５５０はまた、Ｘ，Ｙ，Ｚ走査機構５２０，５３０，５４０の制御情報に基づいてプローブの３次元位置情報すなわちＸ，Ｙ，Ｚ座標を取得し、それらをマッピングして被測定物６００の表面形状を算出する。
【００１９】
力感知部１００は、図２と図３に示すように、ベース１１０と、ベース１１０に片持ち支持されたカンチレバー１３０とを備えている。
【００２０】
ベース１１０は、図２に示すように、側面から見て、全体として数宇の７に似た形状をしており、Ｚ走査機構５３０に固定される固定部１１２と、固定部１１２の端部から固定部１１２の側へ傾斜して延出している傾斜延出部１１４とを備えている。傾斜延出部１１４は、図３に示すように、正面から見て、等角台形形状をしている。
【００２１】
等角台形とは、底の両側の角が等しい台形を言う。つまり等角台形は、一組の対辺が平行であり、別の一組の対辺の長さが等しく、対角の和が１８０度である四辺形である。等角台形はたとえば、ニ等辺三角形の頂角を底辺に平行な直線で切り落とした形状である。なお等角台形は長方形を含み得る。
【００２２】
カンチレバー１３０は、図２に示すように、側面から見て、ベース１１０と同様に全体として数宇の７に似た形状をしており、ベース１１０の固定部１１２に固定される固定部１３２と、固定部１３２の端部から固定部１３２の側へ傾斜して延出している傾斜延出部１３４とを備えている。傾斜延出部１３４は、実質的に、ベース１１０の傾斜延出部１１４に対して平行に一定の間隔を置いて延びている。傾斜延出部１３４は、図３に示すように、正面から見て、ベース１１０の傾斜延出部１１４と相似な等角台形形状の台形延出部１３６と、台形延出部１３６の短い側の底から延出している長方形形状の方形延出部１３８と、方形延出部１３８の先端に位置する二等辺三角形形状のプローブ１４０とを有している。プローブ１４０の先端は、図２に示すように、ベース１１０の傾斜延出部１１４の先端面１１６を含む平面よりも前方に突出している。
【００２３】
カンチレバー１３０の傾斜延出部１３４およびベース１１０の傾斜延出部１１４の先端面１１６のＺ軸に対する傾斜角度は、たとえば、予想される被測定物６００のＺ軸に対する傾斜角度よりも小さく設定される。
【００２４】
プローブ１４０は、前述したように、被測定物６００に近接されて被測定物６００から力を受ける。カンチレバー１３０は、プローブ１４０が被測定物６００から受ける力に応じて弾性的にたわみ変形する。カンチレバー１３０は、原子間力レベルの力でたわみ変形を生じる。
【００２５】
ベース１１０とカンチレバー１３０は互いに電気的に絶縁され、ベース１１０の傾斜延出部１１４とカンチレバー１３０の傾斜延出部１３４は、たとえば互いに対向する面に電極を備え、またはそれら自体が導電物質で構成されており、静電容量センサを構成している。この静電容量センサは、プローブ１４０が被測定物６００から受ける力に応じて生じるカンチレバー１３０のたわみ変形に依存して静電容量が変化する。したがって、ベース１１０とカンチレバー１３０が構成する静電容量センサの静電容量変化を測定することによってカンチレバー１３０のたわみ変形すなわちプローブ１４０が被測定物６００から受ける力が感知される。つまり、力感知部１００は、カンチレバー１３０のたわみ変形を感知する静電容量センサを有している。
【００２６】
次に、表面形状測定における制御部５５０の動作について説明する。
【００２７】
１．Ｚ走査機構５３０を制御して力感知部１００のプローブ１４０を被測定物台５１０に設置された被測定物６００に近接たとえば接触させる。
【００２８】
２．被測定物６００へのプローブ１４０の近接または接触によって生じたカンチレバー１３０のたわみ変形すなわちプローブ１４０が被測定物６００から受ける力を力感知部１００の静電容量センサで感知し、それ以降、力感知部１００で感知された信号すなわち静電容量値を一定に維持するようにＺ走査機構５３０を制御する。
【００２９】
３．続いて、被測定物６００の表面上で力感知部１００のプローブ１４０をＸ，Ｙ軸に沿って走査たとえばラスター走査するようにＸ，Ｙ走査機構５２０，５３０を制御する。
【００３０】
４．Ｘ，Ｙ，Ｚ走査機構５２０，５３０，５４０の制御情報に基づいてプローブ１４０の３次元位置情報すなわちＸ，Ｙ，Ｚ座標を取得し、それらをマッピングして被測定物６００の表面形状を算出する。算出結果は、入出力部５６０へ出力する。
【００３１】
表面形状測定装置５００では、被測定物６００の近くに配置される力感知部１００が、被測定物６００から力を受けるプローブ１４０を含み、プローブ１４０が被測定物６００から受ける力を感知する機能を有している。力感知部１００は、プローブ１４０が被測定物６００から受ける力を、Ｚ軸に非平行な方向のプローブ１４０の移動として感知する。このため、力感知部１００が感知する力は、プローブ１４０が被測定物６００から実際に受ける力からのずれが少ない。つまり、プローブ１４０の実際のＸ，Ｙ，Ｚ座標と、Ｘ，Ｙ，Ｚ走査機構５２０，５３０，５４０の制御情報に基づいて算出されるプローブ１４０のＸ，Ｙ，Ｚ座標との間の誤差が少ない。
【００３２】
特に、力感知部１００は、プローブ１４０が被測定物６００から受ける力を、プローブ１４０を先端に有するカンチレバー１３０のたわみ変形として感知する。カンチレバー１３０のたわみ変形は、プローブ１４０が受ける力の方向にほとんど関係なく、プローブ１４０が受ける力の大きさを反映する。これは、プローブ１４０の実際のＸ，Ｙ，Ｚ座標と算出されるＸ，Ｙ，Ｚ座標との間の誤差を効果的に低減する。
【００３３】
さらに、カンチレバー１３０は、原子間力レベルの力でたわみ変形を生じる。つまり、カンチレバー１３０は、プローブ１４０が受ける力の非常に小さい変化に対しても敏感に反応してたわみ変形する。
【００３４】
したがって、表面形状測定装置５００は、被測定物６００の表面形状を高い精度で測定し得る。
【００３５】
この実施形態では、力感知部１００は、カンチレバー１３０のたわみ変形を感知するために、ベース１１０とカンチレバー１３０とによって構成された静電容量センサを有しているが、これに代えて、ベース１１０とカンチレバー１３０のいずれか一方に設けられた他のセンサを有していてもよい。カンチレバー１３０に設けられたセンサは、たとえば、カンチレバー１３０のたわみ変形に応じた電気抵抗変化を示す歪みゲージであってよい。また、ベース１１０に設けられたセンサは、たとえば、カンチレバー１３０のたわみ変形を検出する装置、たとえば光源とＰＳＤを組み合わせた装置であってよい。
【００３６】
また、プローブ１４０が被測定物６００から受ける力をカンチレバー１３０のたわみ変形として感知しているが、カンチレバー１３０を振動させてプローブ１４０を被測定物６００に近接させカンチレバー１３０の振動振幅の変化として感知してもよい。
【００３７】
力感知部１００の変形例を以下に示す。
【００３８】
（第１変形例）
第１変形例による力感知部２００は、図４と図５に示すように、ベース２１０と、ベース２１０に片持ち支持されたカンチレバー２３０とを備えている。
【００３９】
ベース２１０は、図４に示すように、側面から見て、Ｚ走査機構５３０に固定される固定部２１２と、固定部２１２の端部から固定部２１２の反対側へ傾斜して延出している傾斜延出部２１４とを備えている。傾斜延出部２１４は、図５に示すように、正面から見て、等角台形形状をしている。
【００４０】
カンチレバー２３０は、図４に示すように、側面から見て、ベース２１０の固定部２１２に固定される固定部２３２と、固定部２３２の端部から固定部２３２の反対側へ傾斜して延出している傾斜延出部２３４とを備えている。傾斜延出部２３４は、実質的に、ベース２１０の傾斜延出部２１４に対して平行に一定の間隔を置いて延びている。傾斜延出部２３４は、図５に示すように、正面から見て、ベース２１０の傾斜延出部２１４と相似な等角台形形状の台形延出部２３６と、台形延出部２３６の短い側の底から延出している長方形形状の方形延出部２３８と、方形延出部２３８の先端に位置する二等辺三角形形状のプローブ２４０とを有している。プローブ２４０の先端は、図４に示すように、ベース２１０の傾斜延出部２１４の先端面２１６を含む平面よりも前方に突出している。
【００４１】
ベース２１０とカンチレバー２３０は互いに電気的に絶縁され、ベース２１０の傾斜延出部２１４とカンチレバー２３０の傾斜延出部２３４は、たとえば互いに対向する面に電極を備え、またはそれら自体が導電物質で構成されており、カンチレバー２３０のたわみ変形を感知する静電容量センサを構成している。
【００４２】
（第２変形例）
第２変形例による力感知部３００は、図６と図７に示すように、ベース３１０と、ベース３１０に片持ち支持されたカンチレバー３３０とを備えている。
【００４３】
ベース３１０は、図６に示すように、側面から見て、直角三角形形状をしており、図７に示すように、正面から見て、等角台形形状をしている。
【００４４】
カンチレバー３３０は、図６に示すように、側面から見て、ベース３１０の上面３１２に固定される固定部３３２と、固定部３３２の端部から固定部３３２に垂直に下方へ延出している垂直延出部３３４とを備えている。垂直延出部３３４は、実質的に、ベース３１０の垂直側面３１４に対して平行に一定の間隔を置いて延びている。垂直延出部３３４は、図７に示すように、正面から見て、ベース３１０の垂直側面３１４と相似な等角台形形状の台形延出部３３６と、台形延出部３３６の短い側の底から延出している長方形形状の方形延出部３３８と、方形延出部３３８の先端に位置する二等辺三角形形状のプローブ３４０とを有している。プローブ３４０の先端は、図６に示すように、ベース３１０の傾斜側面３１６を含む平面よりも前方に突出している。
【００４５】
ベース３１０とカンチレバー３３０は互いに電気的に絶縁され、ベース３１０とカンチレバー３３０の垂直延出部３３４は、たとえば互いに対向する面に電極を備え、またはそれら自体が導電物質で構成されており、カンチレバー３３０のたわみ変形を感知する静電容量センサを構成している。
【００４６】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１００…力感知部、１１０…ベース、１１２…固定部、１１４…傾斜延出部、１１６…先端面、１３０…カンチレバー、１３２…固定部、１３４…傾斜延出部、１３６…台形延出部、１３８…方形延出部、１４０…プローブ、２００…力感知部、２１０…ベース、２１２…固定部、２１４…傾斜延出部、２１６…先端面、２３０…カンチレバー、２３２…固定部、２３４…傾斜延出部、２３６…台形延出部、２３８…方形延出部、２４０…プローブ、３００…力感知部、３１０…ベース、３１２…上面、３１４…垂直側面、３１６…傾斜側面、３３０…カンチレバー、３３２…固定部、３３４…垂直延出部、３３６…台形延出部、３３８…方形延出部、３４０…プローブ、５００…表面形状測定装置、５１０…被測定物台、５２０…Ｘ走査機構、５３０…Ｙ走査機構、５４０…Ｚ走査機構、５５０…制御部、５６０…入出力部、６００…被測定物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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