(57)【要約】【課題】ナノメートルオーダの高精度で被対象物の形状等を測定可能な測定装置を提供する。【解決手段】測定装置１０は、第１のレーザ光２４を微粒子１２に照射する第１のレーザ光源１４と、第１のレーザ光と波長の異なる第２のレーザ光３４を微粒子に照射する第２のレーザ光源２８とを備える。第１のレーザ光の放射圧により微粒子をトラップした状態で、第２のレーザ光の強度を時間的に変化させる。微粒子を被測定物３６に接近させ、このとき光検出器５２が受光した反射光の強度に基づいて微粒子１２の振動の変化を検出することで、被測定物３６の部位の位置を測定することができる。【選択図】図１
2004012244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を照射するレーザ照射部と、
レーザ照射部より照射されたレーザ光の放射圧によりトラップされた微粒子と、
微粒子に照射するレーザ光の強度を変調させる制御部と、
微粒子を被測定物に相対的に移動する移動機構と、
微粒子からの反射光を受光する受光系と、
移動機構により微粒子を被測定物に接近させ、このとき受光系が受光した反射光の強度に基づいて、被測定物の位置を演算する演算部とを備えた測定装置。
【請求項２】
上記レーザ照射部は、第１のレーザ光を微粒子に照射する第１のレーザ照射ユニットと、第１のレーザ光と波長の異なる第２のレーザ光を微粒子に照射する第２のレーザ照射ユニットを有し、
上記制御部は、第１のレーザ照射部より照射された第１のレーザ光の放射圧により微粒子をトラップした状態で、第２のレーザ光の強度を時間的に変化させることを特徴とする請求項１の測定装置。
【請求項３】
上記第１のレーザ光としてリング状のビームが微粒子に照射され、上記第２のレーザ光は、リング状の第１のレーザ光の内側を通って微粒子に照射されることを特徴とする請求項２の測定装置。
【請求項４】
上記微粒子で反射した反射光は、第２のレーザ光のみを通過させるフィルタを介して受光系に受光させることを特徴とする請求項２又は３の測定装置。
【請求項５】
上記微粒子は上記レーザ照射部から照射されるレーザ光に対し透過であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の測定装置。
【請求項６】
上記微粒子は球体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の測定装置。
【請求項７】
上記微粒子はシリカであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の測定装置。
【請求項８】
レーザ光を照射してレーザ光の放射圧により微粒子をトラップし、微粒子に照射するレーザ光の強度を変調させながら、微粒子を被測定物に接近させ、このときの微粒子の振動状態をモニタし、このモニタ情報に基づいて被測定物の位置を演算することを特徴とする測定方法。
【請求項９】
上記微粒子の振動状態は、微粒子からの反射光の強度を検出することによりモニタすることを特徴とする請求項８の測定方法。
【請求項１０】
上記レーザ光は、互いに波長の異なる第１のレーザ光と第２のレーザ光からなり、
第１のレーザ光の放射圧により微粒子をトラップした状態で、第２のレーザ光の強度を変調させることを特徴とする請求項８の測定方法。
【請求項１１】
上記第１のレーザ光としてリング状のビームが微粒子に照射され、上記第２のレーザ光は、リング状の第１のレーザ光の内側を通って微粒子に照射されることを特徴とする請求項１０の測定方法。
【請求項１２】
上記微粒子の振動状態は、微粒子からの反射光の強度を検出することによりモニタすることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の測定方法。
【請求項１３】
上記微粒子で反射した反射光は、第２のレーザ光のみを通過させるフィルタを介して、光の強度を検出する光検出器に受光させることを特徴とする請求項１２の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光放射圧によりトラップした微粒子プローブを用いて被測定物、特にマイクロメートルオーダの微細形状の測定を行う測定装置及び方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
現在、マイクロマシン技術の発達により、マイクロメートルオーダの微細形状を有するマイクロ部品の製作が可能となっている。このようなマイクロ部品の形状・寸法の測定は顕微鏡を用いて行われるのが一般的であり、マイクロ部品のあらゆる部位を３次元的に定量評価する方法は未発達のままである。したがって、マイクロメートルオーダの微細形状をナノメートルオーダの精度で測定可能な３次元座標測定機（以下、ナノＣＭＭ（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ）という。）の開発が求められている。
【０００３】
従来のＣＭＭは、一般に、スタイラスの一端（先端）にプローブ球を設けるとともに、スタイラスの他端にばねを設けた構成を有し、プローブ球を被測定物に接触した際のプローブ球の位置から被測定物の所定部位の座標を求めるようになっている。このようなＣＭＭの仕様として、例えば、測定レンジが１ｍ３程度、プローブ径が５ｍｍ程度に対し、分解能が１μｍオーダ、被対象物との接触力が１０−１Ｎオーダとされているが、ナノＣＭＭの仕様として、例えば、測定レンジが１０ｍｍ３程度、プローブ径が１０μｍ程度に対し、１０ｎｍオーダの分解能、及び１０−５Ｎオーダの接触力が要求される。しかしながら、上記のような機械的な構成では、上記分解能及び接触力の仕様を満足することは困難である。
【０００４】
そこで、本発明は、ナノメートルオーダの高精度で被対象物の形状等を測定可能な測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【発明の概要】
上記目的を達成するために、請求項１に係る測定装置は、
レーザ光を照射するレーザ照射部と、
レーザ照射部より照射されたレーザ光の放射圧によりトラップされた微粒子と、
微粒子に照射するレーザ光の強度を変調させる制御部と、
微粒子を被測定物に相対的に移動する移動機構と、
微粒子からの反射光を受光する受光系と、
移動機構により微粒子を被測定物に接近させ、このとき受光系が受光した反射光の強度に基づいて、被測定物の位置を演算する演算部とを備えることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る測定装置は、請求項１の測定装置において、レーザ照射部は、第１のレーザ光を微粒子に照射する第１のレーザ照射ユニットと、第１のレーザ光と波長の異なる第２のレーザ光を微粒子に照射する第２のレーザ照射ユニットを有し、
制御部は、第１のレーザ照射部より照射された第１のレーザ光の放射圧により微粒子をトラップした状態で、第２のレーザ光の強度を時間的に変化させることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に係る測定装置は、請求項２の測定装置において、
第１のレーザ光としてリング状のビームが微粒子に照射され、第２のレーザ光は、リング状の第１のレーザ光の内側を通って微粒子に照射されることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る測定装置は、請求項２又は３の測定装置において、
微粒子で反射した反射光は、第２のレーザ光のみを通過させるフィルタを介して受光系に受光させることを特徴とする。
【０００９】
請求項５に係る測定装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の測定装置において、微粒子はレーザ照射部から照射されるレーザ光に対し透過であることを特徴とする。
【００１０】
請求項６に係る測定装置は、請求項１〜５のいずれかに記載の測定装置において、微粒子は球体であることを特徴とする。
【００１１】
請求項７に係る測定装置は、請求項１〜６のいずれかに記載の測定装置において、微粒子はシリカであることを特徴とする。
【００１２】
請求項８に係る測定方法は、レーザ光を照射してレーザ光の放射圧により微粒子をトラップし、微粒子に照射するレーザ光の強度を変調させながら、微粒子を被測定物に接近させ、このときの微粒子の振動状態をモニタし、このモニタ情報に基づいて被測定物の位置を演算することを特徴とする。
【００１３】
請求項９に係る測定方法は、請求項８の測定方法において、
微粒子の振動状態は、微粒子からの反射光の強度を検出することによりモニタすることを特徴とする。
【００１４】
請求項１０に係る測定方法は、請求項８の測定方法において、
上記レーザ光は、互いに波長の異なる第１のレーザ光と第２のレーザ光からなり、
第１のレーザ光の放射圧により微粒子をトラップした状態で、第２のレーザ光の強度を変調させることを特徴とする。
【００１５】
請求項１１に係る測定方法は、請求項１０の測定方法において、
第１のレーザ光としてリング状のビームが微粒子に照射され、第２のレーザ光は、リング状の第１のレーザ光の内側を通って微粒子に照射されることを特徴とする。
【００１６】
請求項１２に係る測定方法は、請求項１０又は１１の測定方法において、
微粒子の振動状態は、微粒子からの反射光の強度を検出することによりモニタすることを特徴とする。
【００１７】
請求項１３に係る測定方法は、請求項１２の測定方法において、
微粒子で反射した反射光は、第２のレーザ光のみを通過させるフィルタを介して、光の強度を検出する光検出器に受光させることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明において、方向を表す用語（「上方向」、「下方向」、「右方向」、「左方向」）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。
【００１９】
図１を参照して、全体を符号１０で示す測定装置は、微粒子プローブ１２と、レーザ光を出射するレーザ光源１４と、レーザ光源１４からのレーザ光を集光して微粒子１２に照射し光放射圧により微粒子１２をトラップするための集光レンズ１６（図の例では顕微鏡用対物レンズを用いている。）とを備える。レーザ光源１４として、発振モードすなわちＱ−ＳｗｉｔｃｈおよびＣＷが切り替え可能なＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられている。微粒子１２は、レーザ光に対し透過で、真球度の高い球体（例えば径が約１〜１０μｍ）である。微粒子１２の材料としてシリカが好適に使用できるが、その他ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ　ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ポリスチレンなどを用いてもよい。光源１４から集光レンズ１６に到る光路上には、遮光マスク１７、偏光ビームスプリッタ１８、及び偏光ビームスプリッタ２０が順に配置されている。遮光マスク１７はレーザ光をリング状に整形するためのものである。偏光ビームスプリッタ１８は、左方向に向かうＳ偏光成分を透過しＰ偏光成分を下方向に反射するとともに、下方向に向かうＳ偏光成分を左方向に反射しＰ偏光成分を透過する。偏光ビームスプリッタ２０は、左方向に向かうＳ偏光成分を下方向に反射しＰ偏光成分を透過するとともに、上方向に向かうＳ偏光成分を右方向に反射しＰ偏光成分を透過する。したがって、光源１４から左方向に出射したレーザ光は、遮光マスク１７を通過してリング状に整形され、偏光ビームスプリッタ１８でＳ偏光成分のみが左方向に透過し、偏光ビームスプリッタ２０で下方向に反射して、集光レンズ１６に入射する。
【００２０】
図２を参照して、集光レンズ１６により集光して微粒子１２に照射されるレーザ光２４は、微粒子１２と外部（大気）との境界面で反射・屈折するため、光放射圧が発生する。このような光放射圧の上方向の合力（トラップ力）Ｆｔが微粒子１２に対し自重Ｆｇ以上の力を作用することで、微粒子１２を保持できる。図２において微粒子１２の周囲に示した矢印は、各位置で微粒子１２に作用する光放射圧を示す。光軸２６付近のレーザ光により光放射圧が発生する場合、微粒子１２を押し下げる力が支配的なのに対し、本実施形態のようにリング状のレーザ光２４を用いた場合（より一般的には、光軸２６を中心とする中央部の強度がその周辺部よりも小さい光強度分布を有するレーザ光を用いる場合）、効率のよいトラッピングを行うことができる（本発明者らによる文献「レーザトラッピングを用いたナノ３次元検出プローブに関する研究−プローブの基本特性−」（１９９６年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集）参照）。
【００２１】
図１に戻って、測定装置１０はさらに、トラッピング用のレーザ光２４を照射する光源１４とは別のレーザ光源として、レーザダイオード（ＬＤ）２８を有する。ＬＤ２８から偏光ビームスプリッタ１８に向かう光路上には光変調器３０が配置され、光変調器３０には信号発生器３２が接続されている。光変調器３０として、例えば音響光学変調素子、電気光学変調素子、磁気光学変調素子などが用いられる。また、変調機能を有するＬＤドライバを用いても変調が可能である。信号発生器３２は、所定の周波数ｆで発振した信号を光変調器３０に入力し、これにより、ＬＤから出射したレーザ光３４は、周波数ｆの強度変調光として光変調器３４から出射される。レーザ光３４とレーザ光２４は、互いに波長が異なる。光変調器３０から出射されたレーザ光３４は下方向に進行し、偏光ビームスプリッタ１８でＳ偏光成分のみが左方向に反射する。偏光ビームスプリッタ１８で反射したＳ偏光成分は、リング状のレーザ光２４のＳ偏光成分の内側を、その光軸がレーザ光２４の光軸と等しくなった状態で左方向に進行する。このＳ偏光成分は、さらに偏光ビームスプリッタ２０で下方向に反射し、集光レンズ１６に入射する。
【００２２】
図３を参照して、レーザ光２４によりトラップされた微粒子１２には、さらに強度変調されたレーザ光３４が照射されることになる。この結果、トラップ力Ｆｔは周期的に変化することになり、微粒子１２に強制振動を引き起こすことができる。また、信号発生器３２で発振する信号の周波数ｆを調整することにより微粒子１２の振動の周波数を変えることができ、変調強度の大きさによって振幅を変えることができる。
【００２３】
図１に示すように、レーザ光２４によりトラップされた微粒子１２に対向して、被測定物３６を載置するための例えばガラスからなるステージ（平板）３８が配置してある。ステージ３８は、圧電アクチュエータ４０によりその高さ（上下方向（Ｚ方向）に関する位置）及び紙面に垂直なＸＹ平面内での位置が調整できるようにしてある。
【００２４】
圧電アクチュエータ４０を駆動して微粒子１２に被測定物３６を近づけた場合、微粒子１２と被測定物３６が十分離れていれば、図４（ａ）に示すように微粒子１２は、制御した振幅Ａで振動する。しかしながら、微粒子１２が被測定物３６に近接あるいは接触すると、図４（ｂ）に示すように、微粒子１２の振動は、被測定物３６との干渉により大きく減衰（振幅Ａ’＜＜Ａ）あるいは消滅する。このように、微粒子１２を被測定物３６に接近させ、微粒子１２の振動の変化を検出することで、被測定物３６の部位の３次元的な位置を測定することができる。
【００２５】
微粒子１２の振動状態を検出するために、本実施形態では、トラッピング用レーザ光２４の微粒子１２からの後方散乱光を利用する。具体的に、図１を参照して、偏光ビームスプリッタ２０を挟んで集光レンズ１６の反対側には、ＹＡＧレーザ１４から出射して微粒子で反射した光のみを透過させるフィルタ４２が配置してあり、レーザ光２４、３４が照射され微粒子１２で反射した光４４は、偏光ビームスプリッタ２０でそのＰ偏光成分が透過した後、フィルタ４２で強制振動用レーザ光３４に対応する光が除去され、トラッピング用レーザ２４に対応する光４６がそのまま通過する。この光４６は、ミラー４８で反射して集光レンズ５０に入射し、フォトディテクタ（ＰＤ）５２に集光される。ＰＤ５２から出力される検出信号は、ＦＦＴ（ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）アナライザ５４に送信される。ＦＦＴアナライザ５４で得られたパワースペクトル密度分布は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）５６に送られ、各種処理がなされてディスプレイ５８に表示される。後述する実験結果にも示されるように、微粒子１２は、パワースペクトル密度分布のピークに対応する周波数で振動しており、微粒子１２をＺ方向に被測定物３６に十分に近づけることで、このピークが消滅する。このときを位置検出基準とすることで被測定物３６の部位の位置を検出できる。
【００２６】
（実験１）
本発明者らは、以下の条件のもと図１に示す測定装置１０を用いて微粒子１２の振動状態（パワースペクトル）を検出した。微粒子の捕捉は、ガラス基板３８上に散布した多数の微粒子にレーザ光を照射することで行った。
【００２７】
・微粒子１２：径８μｍ、質量５×１０−１３ｋｇのシリカ（製品名真絲球ＳＷ８．０μ；触媒化成工業（株）社製）
・ＹＡＧレーザ１４：波長１０６４ｎｍ、ＴＥＭ００モード、ビーム径３．６ｍｍ、対物レンズ１６への入射パワー８００ｍＷ（製品名８１８ＳＴＱ−ＳＷ；Ｌｅｅ　Ｌａｓｅｒ社製）
・対物レンズ１６：開口度０．９５、作動距離（Ｗｏｒｋ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ）０．３０ｍｍ（（製品名ＮｉｋｏｎＣＦＩＣＥＰＩＰｌａｎ；ニコン社製）
・遮光マスク１７：レーザ遮光部分の径１．６ｍｍ
・ＬＤ２８：波長６８７ｎｍ、ビーム径１．０ｍｍ、対物レンズ１６への入射パワー３０ｍＷ、変調周波数２３Ｈｚ
・フィルタ４２：赤外透過フィルタ（製品名ＩＴＦ−５０Ｓ−９０ＲＭ−８５ＩＲ；シグマ光機社製）
【００２８】
ＰＤ５２から出力される検出信号の時間的変化を図５に示す。図に示すように、微粒子１２から反射される光の強度が周期的に変化していることから、微粒子１２が振動していることがわかる。ＰＤ５２からの出力信号からＦＴＴアナライザ５４により得られたパワースペクトル密度分布を図６に示す。図に示すように、変調周波数２３Ｈｚと略同一の周波数で微粒子１２を強制振動できることがわかる。なお、比較のため、変調を行わない場合のパワースペクトル密度分布を取得したが、図に示すようにピークは存在しなかった。
【００２９】
（実験２）
変調周波数として５００Ｈｚに設定した以外は実験１と同一の条件で、被測定物であるマイクロガラス球（直径１６８±８．４μｍ）への微粒子の接近実験を行った。ガラス球の中心軸から水平方向に４０μｍ離れた初期位置に微粒子を配置し、上方向にガラス球を移動させた。図７（ａ）は初期位置での微粒子とガラス球との位置関係を示し、図７（ｂ）はガラス球を上方向に４０００ｎｍ移動させたときの微粒子とガラス球との位置関係を示したものである。
【００３０】
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、ガラス球を初期位置から上方向に４９００ｎｍ移動させても、パワースペクトル密度分布のピークは変調周波数と同じ５００Ｈｚであったが、さらに移動する間にピークが小さくなり、図８（ｃ）に示すように４９２５ｎｍに達した時点でピークが消滅した。ガラス球を下方向に移動するとピークが再度現れた。図８（ｄ）は、初期位置から４９００ｎｍまで戻したときのパワースペクトル密度分布である。これは、微粒子を強制振動させるプローブを測定対象へ接近させ、パワースペクトル密度分布のピークが消滅する点を位置検出基準として用いることで、数十ｎｍ程度の分解能を得ることが可能であることを示している。
【００３１】
（実験３）
微粒子に対しＺ方向に外力Ｆを与えたときの微粒子のＺ方向の運動は、
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のように１自由度強制振動系としてモデル化できる。ここで、ｍは微粒子の質量、Ｄは空気による粘性減衰係数、ｋはばね定数である。そこで、外力Ｆとして調和的な力を与えた（すなわち、光変調器３２によるＬＤ３０の変調振幅を一定にしたまま周波数ｆを変化させる）場合の周波数応答を調べることで、振動系のばね定数を求めた。
【００３２】
周波数応答関数Ｈ（ｆ）は、
Ｈ（ｆ）＝１／［｛１−（ｆ／ｆｎ）２｝＋ｊ（２ζｆ／ｆｎ）］
で表される。ここで、ｆｎは固有振動数、ζ＝Ｄ／４πｍｆｎ、ｊは虚数である。
【００３３】
図９は、周波数ｆと周波数応答関数の絶対値｜Ｈ（ｆ）｜とについて４１点をプロットしたものである。また、４１点のデータから最小二乗法による回帰曲線を求めた。この曲線において｜Ｈ（ｆ）｜の最大値に対応する周波数が固有振動数に相当することから固有振動数ｆｎ＝７５９Ｈｚと求まり、
2004012244.tif 000004
よりばね定数ｋ＝１×１０−５Ｎ／ｍが得られた。これは、本発明に係る測定装置がナノＣＭＭの仕様として要求される１０−５Ｎオーダの接触力を実現できることを示している。
【００３４】
以上の説明は、本発明の一実施形態にかかるもので、本発明はこれに限らず種々改変可能である。例えば、上記実施形態では、トラッピング用及び強制振動用のレーザ光２４、３４にそれぞれＹＡＧレーザ１４及びＬＤ２８を光源として用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３５】
また、上記実施形態では、微粒子を鉛直方向（重力方向）に沿って振動させているが、水平方向その他の方向に沿って振動させてもよい。これを実現させるため、トラッピング用のレーザ光及び強制振動用のレーザ光の微粒子への照射方向は適宜選択される。このように鉛直方向以外の振動方向を有する微粒子プローブを用いれば、オーバハングなど種々の形状に対しても測定を行うことができる。
【００３６】
さらに、上記実施形態では、トラッピングの効率を上げるために、トラッピング用のレーザ光２４としてリング状に整形したものを用い、その内側に強制振動用のレーザ光３４を通過させているが、この構成は本発明を限定するものではなく、微粒子を振動できれば２つのレーザ光をどのように整形してもよく、また、２つのレーザ光の照射方向は同一である必要はない。
【００３７】
加えて、レーザ光は、トラッピング用と強制振動用の２本に分けずに、トラッピング用のレーザ光を照射して微粒子を捕捉した状態で、このレーザ光の強度変調を行うことによっても、微粒子に振動を行わせることができる。但し、この場合は、上記実施形態のようにトラッピング用のレーザ光が微粒子で反射した光を利用して微粒子の振動状態をモニタすることはできないため、別のモニタ手段が必要となる。例えば、トラッピング及び強制振動用とは無関係の光を微粒子に当てこの反射光をモニタする方法や、白色光干渉計を用いる方法が挙げられる。
【００３８】
さらにまた、レーザ光源から出射するレーザ光を複数の光路に切換え、各光路上に配置した集光レンズを介して種々の方向に向けて照射する構成とすることで、一つの測定装置で、種々の方向に沿って複数の微粒子を振動できるようにしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、ナノメートルオーダの高精度で被対象物の形状等を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る測定装置の一実施形態を示す概略図。
【図２】光放射圧による微粒子のトラッピング状態を示す図。
【図３】トラッピング用のレーザ光とともに強制振動用のレーザ光が照射された微粒子の状態を示す図。
【図４】微粒子と被対象物との位置関係に応じて微粒子の振動の状態が変化する様子を示す図。
【図５】実験１において、図１のＰＤから出力される検出信号の時間的変化を示すグラフであって、微粒子が振動している状態を表している。
【図６】実験１において、図１のＦＴＴアナライザにより得られるパワースペクトル密度分布を示すグラフ。
【図７】実験２において、被測定物であるマイクロガラス球と微粒子との位置関係を示す図。
【図８】実験２において、マイクロガラス球と微粒子とが所定の位置関係にある場合のパワースペクトル密度分布を示すグラフ。
【図９】実験３で得られた、周波数と周波数応答関数の絶対値との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０：測定装置、１２：微粒子プローブ、１４：トラッピング用レーザ光源、１６：集光レンズ、２８：強制振動用レーザ光源、３０：光変調器、３６：被測定物、５２：光検出器。
【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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【図８】
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【図９】
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