(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単色光を、測定面（１３）に向かう方向に進行する測定光と、該測定光に直交する方向に進行する参照光とに分割する分割手段（７）と、
該参照光を測定光と平行で測定面（１３）に向かう方向に反射する反射手段（１７）と、
前記測定面（１３）で反射された後、前記分割手段（７）により前記参照光とは反対の方向へ反射された測定光と、前記測定面（１３）で反射された測定光と平行な方向に戻ってきた前記参照光とを合成する合成手段（１６）と、を備えたマイケルソン干渉計を基本とした微細形状測定装置であって、
直角三面が互いに直交するコーナポイント（Ｏ）を前記測定面（１３）に向け、且つ、測定面（１３）に向かう測定光軸を回転中心にして配された直角三面鏡を想定し、
前記反射手段（１７）により測定面（１３）に向かう反射された参照光の光路に対応する鏡面位置を含み、且つ、前記測定光が通過する、前記コーナポイント（Ｏ）に対応する空間位置を含む範囲を除いた鏡面位置に、前記直角三面鏡に対応する各鏡面部（２１、２２、２３）を配置したことを特徴とする微細形状測定装置。
【請求項２】
前記仮想的な直角三面鏡内側の前記測定面に向かう測定光が通過する円状空間の測定光軸上に対物レンズを配置することを特徴とする請求項１に記載の微細形状測定装置。
【請求項３】
背面に反射鏡が付設された触針を有する触針式センサが、該反射鏡を前記測定面として配設されていると共に、前記対物レンズの焦点が該測定面に一致されていることを特徴とする請求項２に記載の微細形状測定装置。
【請求項４】
前記分割手段、反射手段及び合成手段が、ベース上に固定されたフレーム側板に支持されたフレーム天板に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の微細形状測定装置。
【請求項５】
前記各鏡面部が、一体形成された直角三面フレームが有する互いに直交する３つの貼板にそれぞれ固定され、該直角三面フレームの側壁の外側が、前記フレーム天板に上端が固定された支持板に、それぞれ板ばねを介して支持されていることを特徴とする請求項４に記載の微細形状測定装置。
【請求項６】
前記直角三面フレームの下端は、前記ベース上に水平方向に移動可能なステージ上に滑動可能に支持されていることを特徴とする請求項５に記載の微細形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細形状測定装置に係り、特に加工部品の表面粗さや、格子、スケール、マイクロレンズ等の微細形状の測定に適用して好適な微細形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の微細形状測定装置としては、ヘテロダイン方式のレーザ干渉計により、横方向（Ｘ軸）と縦方向（Ｚ軸又は高さ方向）の微細形状の座標を数値で直接測定するものが非特許文献１、２に記載されている。
【０００３】
図１は、この微細形状測定装置の概要を示し、Ｘ軸の干渉計により測定対象物が載置されたＸ軸ステージの横方向の移動量が測定される。又、Ｚ軸の干渉計１００は、装置フレームを構成する側板１０１に支持された天板１０２に固定され、該干渉計により対物レンズを介してレーザを測定対象物に投光した際の反射光を基に表面の微細形状の高さ又は深さが測定される。なお、Ｚ軸の干渉計の奥には、これと一体で動く顕微鏡が取付けられている。これは測定開始前に、予め試料の測定箇所を選択するために使用され、Ｚ軸の干渉計と交互にスライドして切替えることができるようになっている。
【０００４】
又、他の微細形状測定装置としては、以下に説明する図２に示すヘテロダイン干渉計を用いた原子間力顕微鏡が特許文献１に記載されている。
【０００５】
直線偏光レーザ発振器５０からの出力を光アイソレータ５２でＳ偏光とし、ビームスプリッタ５４によって測定光と参照光とに分岐する。音響光学変調器５６（８０．０ＭＨｚ）、音響光学変調器５８（８０．１ＭＨｚ）によって差し引き１００ｋＨｚの変調を受けた参照光と、１／２波長板６０でＰ偏光に変換された測定光は、偏光ビームスプリッタ６２によって、再び一本に合成される。測定光の周波数をｆｐ、参照光の周波数をｆｓとすると、ビームスプリッタ６４を透過し偏光板６５で干渉されて光電変換器６６で検出されるこれら２本のレーザの干渉周波数ｆＢは、
ｆＢ＝｜ｆｐ−ｆｓ｜（＝１００ｋＨｚ）
と表される。
【０００６】
一方、ビームスプリッタ６４で反射された光はビームエキスパンダ６８、ミラー７０を経て、二重焦点レンズ７２に入射し、再び測定光と参照光とに二分される。
【０００７】
二重焦点レンズ７２は図３に示すように一軸性の複屈折結晶材料である方解石８０を光学ガラス８２で挟み込んだ三枚組レンズであり、入射する光線の偏光方向によって焦点距離が異なる。常光線８４に対する焦点距離がほぼ無限大、異常光線８６に対する焦点距離は有限であり対物レンズ７４の前焦点の位置８８に合うように設計される。
【０００８】
入射する光線のうち、Ｐ偏光成分（測定光）が常光線、Ｓ偏光成分（参照光）が異常光線に相当するように二重焦点レンズ７２を光軸回りに回転させて角度を合わせ、測定光と参照光とを分離する。対物レンズ７４から出た参照光は平行光線として試料７５表面上に照射され、測定光はカンチレバ７６表面上にフォーカスする。
【０００９】
カンチレバ７６からの測定光の反射光、試料７５表面からの参照光の反射光は、表面粗さや外乱の影響を受けて、以下のように変化する。
【００１０】
測定光：ｆｐ＋△ｆｐ＋△ｆｄ
参照光：ｆｓ＋△ｆｄ
【００１１】
ここで△ｆｐはカンチレバ７６のたわみ、すなわち試料７５の表面粗さによる周波数変化成分、△ｆｄは外乱による周波数変化成分である。前記２つの反射光は、対物レンズ７４、二重焦点レンズ７２、ミラー７０、ビームエキスパンダ６８、ビームスプリッタ６４を経て、偏光板７７で干渉され、測定用光電変換器７８によりビート信号（周波数ｆＤ）として検出される。検出された周波数ｆＤは、両者に共通な外乱による周波数変化成分△ｆｄが相殺されて、ｆＤ＝｜ｆｐ−ｆｓ＋△ｆｐ｜となり、これと基準用光電変換器６６で検出された基準周波数ｆＢとから純粋な表面粗さのみによる周波数変化成分△ｆｐが求められる。変位Ｚｓは次式で表される。
【００１２】
Ｚｓ＝（λ／２）∫△ｆｐｄｔ
△ｆｐは基準光と測定光の位相差として計数される。
【００１３】
【特許文献１】特開平７−８３６０８号公報
【非特許文献１】谷村、豊田：レーザ干渉計を応用した非接触微細形状測定装置、精密機械、５０，１０（１９８４）８７／９１．
【非特許文献２】Ｙ．Ｔanimura，Ｋ．Ｔoyoda：Ｍicro−Ｓhapes  and  Ｔheir  Ｅdge  Ｓignals  Ｍeasured  by  Ｌaser  Ｉnterferometer，Ｐroceeding  of  the  ＩＳＭＱＣ，（Ｔokyo  1984）１５８／１６３．
【非特許文献３】谷村、山本：レーザ干渉親ねじリード測定器、精密機械、３７，９（１９７１）３１／３７．
【非特許文献４】Ｙ．Ｔanimura，Ａ．Ｙamamoto：Ｌead  Ｍeasuring  Ｍachine  for  Ｌeadscrews  with  Ｌaser  Ｉnterferometer，Ｂull．of  ＪＳＰＥ，６，２（１９７２）４５／５０．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、前記非特許文献１、２に記載されている微細形状測定装置には以下の問題がある。
【００１５】
１）図１に示す微細形状測定装置の構造では、フレーム天板１０２や側板１０１等が熱膨張の影響を受け、干渉計本体１００から測定対象物の表面までの距離が時間経過と共にゆっくり変化するため、信頼性の高い測定ができない。
【００１６】
２）図１に示す微細形状測定装置の干渉計本体１００の配置では、装置フレームをいかに頑丈に作っても、フレーム天板１０２に多少でも力を加えると全体が変形し、干渉計本体１００から測定対象物の表面までの距離が微妙に変化するので、高精度な測定ができない。
【００１７】
３）モータを駆動させ、Ｘステージを移動あるいは停止させるとき、モータからの振動やトルク伝達の変動がＸステージの運動に影響を与え、浮き上がり、あるいは沈み込みの現象を生じさせる。その影響が現われた段差試料（測定対象物）の測定結果の例が図４で、形状測定に悪影響を及ぼしていることがわかる。なお参考のため、それらの悪影響が現われない場合の測定結果例を図５に示す。
【００１８】
又、前記特許文献１に記載されている原子間力顕微鏡には、以下の問題がある。
【００１９】
１）前記図２、図３に示したような専用に設計された特殊な光学系を採用しているため、全体に光学系が複雑で、コストがかさむ。
【００２０】
２）フィゾー型の干渉計の採用で参照光と測定光がほとんど同一光路を通り、光学的に安定であるという利点はある。しかし、一般に凹凸を持った加工面の測定の場合、測定対象物の表面に平行光として入射した参照光が反射し、再び参照光として使用されるので、その波面は表面の凹凸で乱れる。そのため、干渉信号のＳ／Ｎ比の低下につながり、測定対象物の表面粗さには限界があり、鏡面に近い表面の微小な凹凸の測定に限られる。
【００２１】
３）カンチレバー式スタイラスのミラー上で反射する測定光の迷光が参照光に混在する。又、カンチレバーによって遮られた部分だけ参照光の強度が低下する。
【００２２】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、光学系を簡単にした上で、熱膨張、振動、機構の運動性能の変動等の外乱の影響を排除（低減）し、信頼性の高い高精度な微細形状測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、単色光を、測定面（１３）に向かう方向に進行する測定光と、該測定光に直交する方向に進行する参照光とに分割する分割手段（７）と、該参照光を測定光と平行で測定面（１３）に向かう方向に反射する反射手段（１７）と、前記測定面（１３）で反射された後、前記分割手段（７）により前記参照光とは反対の方向へ反射された測定光と、前記測定面（１３）で反射された測定光と平行な方向に戻ってきた前記参照光とを合成する合成手段（１６）と、を備えたマイケルソン干渉計を基本とした微細形状測定装置であって、直角三面が互いに直交するコーナポイント（Ｏ）を前記測定面（１３）に向け、且つ、測定面（１３）に向かう測定光軸を回転中心にして配された直角三面鏡を想定し、前記反射手段（１７）により測定面（１３）に向かう反射された参照光の光路に対応する鏡面位置を含み、且つ、前記測定光が通過する、前記コーナポイント（Ｏ）に対応する空間位置を含む範囲を除いた鏡面位置に、前記直角三面鏡に対応する各鏡面部（２１、２２、２３）を配置したことにより、前記課題を解決したものである。
【００２４】
本発明は、又、前記仮想的な直角三面鏡内側の前記測定面に向かう測定光が通過する円状空間の測定光軸上に対物レンズを配置するようにしてもよい。この場合、背面に反射鏡が付設された触針を有する触針式センサが、該反射鏡を前記測定面として配設されていると共に、前記対物レンズの焦点が該測定面に一致されているようにしてもよい。
【００２５】
又、本発明においては、前記分割手段、反射手段及び合成手段が、ベース上に固定されたフレーム側板に支持されたフレーム天板に固定されているようにしてもよい。
【００２６】
本発明は、又、前記各鏡面部が、一体形成された直角三面フレームが有する互いに直交する３つの貼板にそれぞれ固定され、該直角三面フレームの側壁の外側が、前記フレーム天板に上端が固定された支持板に、それぞれ板ばねを介して支持されているようにしてもよく、更にこの場合、前記直角三面フレームの下端は、前記ベース上に水平方向に移動可能なステージ上に滑動可能に支持されているようにしてもよい。
【００２７】
ここで、まず本発明の原理を説明しておく。  
【００２８】
本発明における最大のポイントは次の点にある。即ち、非特許文献３、４にも記載されているように、
（１）図６にイメージを示した直角三面鏡１の光路において、互いに直交する直角三面（ＡＯＢ、ＡＯＣ、ＢＯＣ）は、三平面の交点であるコーナポイントＯを回転中心としていかように回転しても、入射光の基点Ｍ０から直角三面鏡１で３回反射し、再び入射光と平行な方向に反射されて進む光路長の和は、Ｍ０に対応する入射方向の基点Ｏ２からコーナポイントＯまでの往復光路に等しい。即ち、
Ｍ０Ｍ１＋Ｍ１Ｍ２＋Ｍ２Ｍ３＋Ｍ３Ｍ４＝２ＯＯ２
であるという固有の性質を持っている。
【００２９】
一方、Ｍ０Ｍ１＝Ｏ１Ｏ２＝Ｍ３Ｍ４である。従って、
Ｍ１Ｍ２＋Ｍ２Ｍ３＝２ＯＯ１
である、という幾何光学的性質を利用する点。
【００３０】
（２）一方、図６の直角三面鏡１をレーザが入射する方向（正面）から見ると、該直角三面鏡１の断（端）面は図７に示すように一辺の長さがａの正三角形ＡＢＣを形成している。図８はその側面図である。図７において、光路Ｍ１Ｍ２及びＭ２Ｍ３を妨げないコーナポイントＯを中心とする直径ａ／３の円状（筒状）空間が存在する点。前記非特許文献３、４には、この原理を利用して長尺のねじ測定装置を実現したことが記載されている。
【００３１】
本発明においては、以上説明した直角三面鏡１のこれら２つの幾何光学的性質を利用し、マイケルソン干渉計における参照光をＭ１Ｍ２＋Ｍ２Ｍ３の光路に、測定光を２ＯＯ１の光路に対応させ、又光路Ｍ１Ｍ２及びＭ２Ｍ３を妨げないコーナポイントＯを中心とした空間に直径がａ／３より小さい対物レンズを配置するという構造をとることによって、レーザ干渉計で測長する場合の反射体として直角三面鏡１を使い、その光路とその幾何光学的性質を巧みに利用し、「外乱に頑健な微細形状測定装置」を実現している。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、「直角三面鏡で３回の入射・反射を繰り返す光路長の和は、最初の入射点と同じ位置の基点からコーナポイントまでの光路長の往復距離に等しい」という直角三面鏡１の幾何光学的性質を利用し、それぞれの光路長をマイケルソン干渉計の参照光と測定光に対応させたことにより、外乱に頑健な微細形状測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００３４】
図９は、本発明に係る一実施形態の微細形状測定装置を光軸断面で見た正面図、図１０は図９の測定装置をＡＡ’断面で見た時の側面図、図１１は図９の測定装置をＢＢ’断面から下方の光路を中心に透視した平面図である。図１２は図９の測定装置をＢＢ’断面で見た直角三面フレーム天蓋である。
【００３５】
便宜上、この図１２に示した直角三面フレーム天蓋２から説明する。
【００３６】
この天蓋２は、前記図７に示した直角三面鏡の正三角形ＡＢＣに対応する断面部の一部を覆う板部材であり、レーザが入射する第一孔３、レーザが反射して出てくる第二孔４、及び後述する対物レンズを固定するための固定用ねじ５が貫通加工してある。
【００３７】
次いで、光学系の構成について説明する。
【００３８】
光学系の全体はマイケルソン干渉計の構成を成している。図９において、レーザ光源から出射した平行で、４５°に傾いて設定された直線偏光６は、偏光ビームスプリッタ（分割手段）７のＯ２点で紙面に平行な振動面を持つＰ偏光成分（測定光）８と、紙面に直角（垂直）な振動面を持つＳ偏光成分（参照光）９の２つに分離（分割）される。
【００３９】
Ｐ偏光成分８は偏光ビームスプリッタ７を通過した後、λ／４板１０によって円偏光１１にされる。この円偏光１１のレーザは、前記直角三面フレーム天蓋２に固定されている対物レンズ１２によって測定対象面（測定面）１３のＯ点に絞られる。Ｏ点は又、幾何学的に直角三面鏡のコーナポイントのＯ点に対応する空間位置にある。なお、以下の説明では、測定対象面１３は、測定する上面以外に対象物自体をも意味するものとする。
【００４０】
測定対象面１３から反射した円偏光１４のレーザはマイケルソン干渉計の光学系では測定光に相当し、再びλ／４板１０を通過すると、今度はＳ偏光成分１５となり、偏光ビームスプリッタ７のＯ２点及び偏光ビームスプリッタ１６のＭ４点で反射され、Ｐ方向へ向かう。
【００４１】
一方、偏光ビームスプリッタ７のＯ２点でＰ偏光成分８に直交する方向に反射されたＳ偏光成分９は直角プリズム（反射手段）１７のＭ０点でＰ偏光成分８に平行な方向に反射され、同様にλ／４板１０を通過して円偏光１８となり、直角三面鏡１を成す３つの平面鏡（鏡面部）Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３で順次反射され、λ／４板１０を再び通過してＰ偏光成分１９となって偏光ビームスプリッタ（合成手段）１６のＭ４点を通過する。重なり合った両成分１５、１９は偏光板２０を通過して干渉縞をＱに生成する。
【００４２】
次に、機構系の構成について説明する。
【００４３】
図９において、直角三面鏡１を成す３つの平面鏡Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は、互いに直角を成す（直交する）３つの貼板２１、２２、２３の板面に貼付固定される。貼板２１、２２、２３は一体の直角三面フレーム２４を成し、その両サイドの側板２４Ａ、２４Ａが左右に１対ずつある平行板ばね２５と２６を介して支持板２７と２８にしっかりと固定されている。支持板２７と２８はフレーム天板２９に上端部が固定され、支持されている。従って、直角三面フレーム２４は平行板ばね２５と２６によって左右方向の運動が拘束され、上下方向にある程度自由度のある状態で結合され、保持されている。
【００４４】
直角三面フレーム２４の底部２４Ｂ下側には先端（下端）に半球状の鋼球を持つ足３０と３１が左右に取付けられており、コーナポイントＯ点に対し、互いに等距離の位置にある。左右の鋼球先端はそれぞれ鏡面状態の基準平面３２と３３に軽い力で接触し、滑動可能に支持されている。軽い接触力は２対の平行板ばね２５と２６によって与えられる。基準平面３２や３３はほぼ測定対象面１３と高さが揃っている。なお、この基準平面３２や３３も、基準となる上面以外に部材自体をも意味するものとする。
【００４５】
モータ３４はカップリング３５を介して、前記測定対象面１３や左右の基準平面３２、３３が載置されているステージ３６を左右に移動させる。このモータ３４はベース上に固定され、ステージ３６は同一ベース上を水平方向に移動可能に載置されている。従って、モータ３４を駆動し、ステージ３６を左右に移動させると、測定対象面１３の微細形状が非接触状態で走査測定される。但し、測定可能な測定対象面１３の凹凸は、前記非特許文献１、２で明らかにされているように、対物レンズ１２の倍率に依存し、倍率６０〜１０倍の対物レンズでは、振幅で５０μｍ以下、傾きで±５°以下の範囲に限られる。
【００４６】
対象とする測定対象面１３では測定可能な範囲が振幅で５０μｍあれば十分であるが、傾きの制限は解決しなければならない。
【００４７】
そこで、前記特許文献１に説明されている粗さ測定装置のように、図９の中央に固定されている対物レンズ１２の鏡筒に、図１３の触針式センサ３７を適宜取り付けるようにする。触針式センサ３７の円形フレーム３８は対物レンズ１２から取り外し可能で、ねじ３９で鏡筒に固定することにより、触針４０で測定対象面１３をなぞることができる。
【００４８】
触針４０の背面には小反射鏡４１が付設され、その反射鏡位置をコーナポイントＯに対応させると共に、同位置と対物レンズ１２の焦点を対応（一致）させて測定対象面１３の上下動（凹凸）を測定する。この方法によって測定対象面１３の微細形状の傾きの制限を除去することができる。なお、触針４０は円形フレーム３８の一端に接合した板ばね４２で上下動可能に支えられている。
【００４９】
以上の光学系と機構系の構成を備えた本実施形態の微細形状測定装置について、図９の正面図を中心に、図１０の側面図や図１１の平面図を参考にしながら、作用効果を説明する。
【００５０】
（１）測定対象物の外乱（上下動、微振動、傾き）の除去について
モータ３４を駆動し、カップリング３５を介してステージ３６を移動させるとき、ステージ３６の上下の浮き沈みや外部からの微振動は基準平面３２や３３の上下動となり、直角三面フレーム２４を上下させる。直角三面フレーム２４の上下動は平行板ばね２５と２６の可撓性によって機械的に吸収される。
【００５１】
一方、同時に測定対象面１３も等量だけ上下動するので、結果として参照光の光路長：Ｍ０Ｍ１＋Ｍ１Ｍ２＋Ｍ２Ｍ３＋Ｍ３Ｍ４と、測定光の光路長：２ＯＯ２は相対的に何等変化しない。従って、測定対象面１３の微細形状測定には何等影響を与えない。なお、図９のＭ１Ｍ２＋Ｍ２Ｍ３の空間における光路長が２ＯＯ１の光路長に等しいことは、既に図６で説明したとおりであり、非特許文献３、４にも説明されている。
【００５２】
更に、ステージ３６が移動中に微妙に傾き変化を起こしながら移動しても、測定対象面１３のコーナポイントＯが左右の基準平面３２と３３の中心に位置しているので、傾きにより左右の基準平面３２や３３に異なる上下変位があってもその平均値が影響することとなり、やはり参照光と測定光の光路長は等量の変化であり、測定対象面１３の微細形状測定には何等影響を与えない。
【００５３】
（２）フレーム側板の上下方向への熱膨張の除去について
前記フレーム天板２９をベース上に支持固定している左右のフレーム側板４３や４４が温度変化によって上下に伸縮する影響について述べる。
【００５４】
まず簡単のために、伸縮の基点を測定対象面１３に位置するコーナポイントＯにとる。温度上昇によってフレーム側板４３や４４が熱膨張によってΔＬ上へ伸びたとする。このとき、フレーム天板２９に固定されている偏光ビームスプリッタ７のＯ２点はΔＬだけ上へ変位する。同様に、フレーム天板２９に固定されている直角プリズム１７のＭ０点や偏光ビームスプリッタ１６のＭ４点もΔＬだけ上へ変位する。
【００５５】
従って、結局はマイケルソン干渉計の参照光に相当するＯ２Ｍ０＋（Ｍ０Ｍ１＋ΔＬ）＋Ｍ１Ｍ２＋Ｍ２Ｍ３＋（Ｍ３Ｍ４＋ΔＬ）の光路長の和と、その測定光に相当する２（ＯＯ２＋ΔＬ）＋Ｏ２Ｍ４の光路長は等しいので、測定対象面１３の微細形状測定には何の影響も与えない。
【００５６】
但し、厳密に言えば支持板２７や２８の熱膨張もあるが、フレームと同じ材料で作製されていると考えれば、熱膨張量をフレーム側板４３と４４で代表できる。互いの材料が異なっていてもその相対的な熱膨張量の影響と考えられるので、材料の差異を考慮する必要はない。
【００５７】
（３）フレーム天板の左右方向への熱膨張の除去について
フレーム天板２９が温度変化によって左右へ伸縮する影響について述べる。簡単のため、伸縮の基点を偏光ビームスプリッタ７の点Ｏ２にとる。温度上昇するとフレーム天板２９が左右に等量ずつΔＬだけ伸びるとする。このとき、マイケルソン干渉計の参照光に相当する光路長の和はＯ２Ｍ０＋Ｍ０Ｍ１＋Ｍ１Ｍ２＋Ｍ２Ｍ３＋Ｍ３Ｍ４＋ΔＬであり、その測定光に相当する光路長の和は２ＯＯ２＋Ｏ２Ｍ４＋ΔＬとなり、等しく変化する。
【００５８】
このことは、レーザが３次元空間を反射しながら走る直角三面鏡１の光路ではわかり難いので、直角三面鏡１と同様の性質を持つ２次元空間で解析できる図１４の直角二面鏡４５（俗に言う直角プリズム）でその光路長の変化を説明する。なお、対応関係の理解を容易にするため、図１４では図９と対応すると思われる光学部品や位置は同じ符号で表わすことにする。
【００５９】
図１４において、熱膨張前では
参照光の光路長Ｏ２Ｍ０＋Ｍ０Ｍ１＋Ｍ１Ｍ３＋Ｍ３Ｍ４
＝測定光の光路長２Ｏ２Ｏ＋Ｏ２Ｍ４
である。
【００６０】
熱膨張後に、フレーム天板２９が左右にΔＬ伸びたとすると、参照光の光路長はＯ２Ｍ０’＋Ｍ０’Ｍ１’＋Ｍ１’Ｍ３’＋Ｍ３’Ｍ４’、一方、測定光の光路長は２Ｏ２Ｏ＋Ｏ２Ｍ４’と変化する。ここで、Ｏ２Ｍ０’＝Ｏ２Ｍ０＋ΔＬ、Ｍ０’Ｍ１’＝Ｍ０Ｍ１−ΔＬ、Ｍ１’Ｍ３’＝Ｍ１Ｍ３＋２ΔＬ、Ｍ３’Ｍ４’＝Ｍ３Ｍ４−ΔＬ、Ｏ２Ｍ４’＝Ｏ２Ｍ４＋ΔＬ、であることが図１４から容易に理解できる。
【００６１】
結局、熱膨張後においても、
参照光の光路長Ｏ２Ｍ０’＋Ｍ０’Ｍ１’＋Ｍ１’Ｍ３’＋Ｍ３’Ｍ４’
＝測定光の光路長２Ｏ２Ｏ＋Ｏ２Ｍ４’
が成り立っており、測定対象面１３の微細形状測定に対してフレーム天板２９の左右方向への熱膨張の影響を受けない。
【００６２】
但し、図１４における直角二面鏡４５に左右への熱膨張量があると参照光の光路長に影響を与えるので、図９、図１０、図１１に示す直角三面フレーム天蓋２、貼板２１、２２、２３、直角三面フレーム２４はインバー（invar）等の低熱膨張材で製作しておくことが有効である。
【００６３】
以上、詳述した本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【００６４】
（１）「直角三面鏡で３回の入射・反射を繰り返す光路長の和は、最初の入射点と同じ位置の基点からコーナポイントまでの光路長の往復距離に等しい」という直角三面鏡１の幾何光学的性質を利用し、それぞれの光路長をマイケルソン干渉計の参照光と測定光に対応させたことにより、外乱に頑健な微細形状測定装置を提供することができる。
【００６５】
（２）直角三面鏡１の断面の正三角形の一辺がａの場合、コーナポイントを中心とする幾何光学的な空間に、直径がａ／３より小さい対物レンズ１２を配置したことにより、直角三面鏡１で３回の入射・反射を繰り返して進むレーザの光路を妨げないようにできる。
【００６６】
（３）前記図１３に示したように、触針４０の背面に付設された小反射鏡４１を、コーナポイントＯに対応させると共に、該反射鏡４１に対物レンズ１２の焦点が一致するように触針式センサ３７を取付けることにより、アッベの原理以上に厳密に、スケール（レーザ干渉計の測定光）の測定点（直角三面鏡１のコーナポイントＯ）と、測定物（測定対象面１３）の測定点Ｏ’とを完全に空間の１点で合致させた配置とすることができる。従来知られているアッベの原理に従えば、スケールと測定物を一直線上に配置するので、それぞれの測定点は必ず空間で分離した位置に配置されることから、外乱の影響を受け易いことになる。
【００６７】
（４）偏光ビームスプリッタ７のＯ２点で２分割された直線偏光のレーザビーム（Ｐ偏光成分８とＳ偏光成分９）が再び偏光ビームスプリッタ１６のＭ４点で重なり合うまでの参照光と測定光の空間での光路長が全く等しいので、干渉縞発生の際のビジビリティ（可視度）を十分に高めた配置のマイケルソン干渉計の光学系とすることができる。
【００６８】
（５）測定対象物を搭載したステージ３６の浮き沈みや外部からの微振動等による上下動があると、直角三面フレーム２４の上下動は２対の平行板ばね２５と２６によって機械的に吸収される。又測定対象面１３も直角三面フレーム２４と同時に等しく上下動する。即ち、直角三面鏡１の参照光と測定光の光路長はそれぞれ等量で変化するので、測定対象面１３の微細形状測定には何等の影響も与えないという特徴が発揮できる。
【００６９】
（６）測定対象面１３の位置を基点に、測定装置を構成するフレーム全体が熱膨張によって上下に伸縮しても、偏光ビームスプリッタ７を基点にフレーム天板２９が熱膨張によって左右に伸縮しても、マイケルソン干渉計を構成している直角三面鏡１の参照光路と測定光路は等量で変化する。従って、測定対象面１３の微細形状測定には何等の影響も与えないという特徴を有する。
【００７０】
（７）フレーム天板２９に上下の外力を加えて変形させても、マイケルソン干渉計を構成する参照光と測定光の光路長は等しく変化するので、測定対象面１３の微細形状測定には何等の影響も与えないという特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】非特許文献１に記載されている微細形状測定装置を示す正面図
【図２】特許文献１に記載されている原子間顕微鏡の要部を示す斜視図
【図３】図２の一部を拡大して示す断面図
【図４】非特許文献１、２に記載されている微細形状測定装置による、外乱の影響を受けた場合の段差試料の測定結果を示す線図
【図５】非特許文献１、２に記載されている微細形状測定装置による、外乱の影響がほとんど無い場合の段差試料の測定結果を示す線図
【図６】直角三面鏡の鳥瞰的な光路を示すイメージ図
【図７】直角三面鏡の理論的な寸法と光路長を示す入射方向からの正面図
【図８】直角三面鏡の理論的な寸法と光路長を示す側面図
【図９】本発明に係る一実施形態の微細形状測定装置の構造を模式的に示す正面図
【図１０】本発明に係る一実施形態の微細形状測定装置の構造を模式的に示す側面図
【図１１】本発明に係る一実施形態の微細形状測定装置の構造を模式的に示す平面図
【図１２】直角三面フレーム天蓋を示す平面図
【図１３】対物レンズに取り付けた触針式センサを模式的に示す正面図
【図１４】フレーム天板が左右に熱膨張を受けた場合の直角二面鏡の光路変化を示す線図
【符号の説明】
【００７２】
１…直角三面鏡
２…直角三面フレーム天蓋
３…レーザが入射する孔
４…レーザが反射して出てくる孔
５…対物レンズ固定用ねじ
６…４５°に傾いて設定された直線偏光
７…偏光ビームスプリッタ
８…Ｐ偏光成分
９…Ｓ偏光成分
１０…λ／４板
１１…円偏光
１２…対物レンズ
１３…測定対象面
１４…円偏光
１５…Ｓ偏光成分
１６…偏光ビームスプリッタ
１７…直角プリズム
１８…円偏光
１９…Ｐ偏光成分
２０…偏光板
２１、２２、２３…貼板
２４…直角三面フレーム
２５、２６…平行板ばね
２７、２８…支持板
２９…フレーム天板
３０、３１…足
３２、３３…基準平面
３４…モータ
３５…カップリング
３６…ステージ
３７…触針式センサ
３８…円形フレーム
３９…ねじ
４０…触針
４１…小反射鏡
４２…板ばね
４３、４４…フレーム側板
４５…直角二面鏡
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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