JP3349779B2 - スキャナシステム及びこれを用いた走査型顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業状の利用分野】 本発明は、例えば、走査トンネ
ル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などの
走査型プローブ顕微鏡に適用され、プローブのような走
査部材を試料に走査させるスキャナシステムに関し、ま
た、このスキャナシステムを用いる走査型プローブ顕微
鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば特開昭６２−１３０３０２号公報
における「サンプル表面の像を形成する方法及び装置」
のように、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ）など、簡単な構成で原子サイズレベルの
高い縦横分解能を有する走査型プローブ顕微鏡が提案さ
れている。

【０００３】このような走査型プローブ顕微鏡で高い分
解能を実現するためには、プローブと試料との相対位置
を精度良くコントロールできるようなスキャナシステム
が必要である。一般には、スキャナシステムには圧電体
を用いた、トライポッド型またはチューブ型の圧電体ス
キャナが用いられている。

【０００４】このようなチューブ型の圧電体スキャナ
（チューブスキャナ）は、例えばチューブ状に形成され
た圧電体の内周面に単一の共通電極を設けるとともに、
外周面にはその周方向に４つの駆動電極を設けてなる。
かくして４つの駆動電極への電圧印加を適宜制御するこ
とにより、屈曲や伸縮などにより圧電体の自由端部を３
次元的に変位させることができる。圧電体の自由端部に
ステージを固着し、このステージにプローブまたは試料
を支持することにより、圧電体の端部の変位によってプ
ローブにより試料を走査させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧電体は、電
圧駆動を行ったときの変位にヒステリシスやクリープ等
の現象を示すことが良く知られている。従って、前述の
ような圧電体スキャナを用いてプローブや試料を走査さ
せた場合、ステージ（すなわちプローブや試料）の移動
特性は非直線性（電圧ー変位非線形特性）を示す。この
ような非直線性は、走査型プローブ顕微鏡においては、
観測像の歪みとして現れ、定量的な測定の妨げとなると
いう不具合がある。なお、走査部材としては、プローブ
のみならず、電子ビーム、光ビーム、超音波ビームをこ
こから放出する、例えば開口を有する他の部材が知られ
ている。

【０００６】本発明の目的は、圧電体の変位に生じるヒ
ステリシスやクリープ等による影響を除去し、良好な走
査を行うことが可能なスキャナシステムと、このスキャ
ナシステムを用いる走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、走査型顕微鏡
に用いられるスキャナシステムであり、また、このスキ
ャナシステムを用いる走査型プローブ顕微鏡であり、走
査部材と試料とを相対的に走査するためのスキャナと、
このスキャナの固定端部に対する自由端部の変位を検出
するために、この自由端部に設けられたミラーと、前記
固定端部からミラーに光を照射して、ミラーの傾き角を
検出することにより、スキャナのｘｙ変位を検出する光
学式変位検出手段とを備えたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】スキャナの自由端部の変位を光学的に検出する
ことにより、この検出信号でスキャナ特有の変位を補償
することができるようにの走査型顕微鏡を構成すること
ができる。

【０００９】

【実施例】 以下、図面を参照して本発明の第１の実施
例につき説明する。図１はこの実施例に係るスキャナシ
ステムの概略構成を一部破断して示す図である。図中、
符号１はチューブ型の圧電体スキャナ（以下、スキャナ
と称する）を示す。このスキャナ１は、詳細な構成の図
示は省略しているが、チューブ状に、即ち、両端が開口
した円筒状に形成された圧電体の内周面に単一の共通電
極を設けるとともに、外周面にはその周方向に４つの駆
動電極を設けてなる。このスキャナ１は、その下端が固
定台２の上に固定されている。そして、このスキャナ１
の上端、即ち自由端には、ステージ３が開口を閉塞する
ようにして固定されている。このステージ３は上面と下
面とが正確に平行となるように形成されている。そし
て、このステージ３の下面には平面鏡４が、反射面を下
に向けて固定されている。前記固定台２には、スキャナ
１と同軸的に透孔２ａが上面から下面に貫通するように
形成されている。この透孔２ａ内には、１／４波長板
５、並びにコリメータレンズ６が、前記平面鏡４と光軸
を一致いるようにして、配置されている。前記１／４波
長板５は、透孔２ａの上方小径部に、また、コリメータ
レンズ６は下方大径部に夫々位置するようにして前記固
定台２に固定されている。そして、このコリメータレン
ズ６の下方には、図示しない支持手段により支持されて
偏光ビームスプリッタ７が配置されている。さらに、こ
の偏光ビームスプリッタ７の下方には、後述するポジシ
ョンディテクタ９が配設されている。この偏光ビームス
プリッタ７の側方には、光源８が配置されており、偏光
ビームスプリッタ７は、光源８より発せられた特定の振
動面を持った成分の光ビームを平面鏡４側へと反射す
る。また、偏光ビームスプリッタ７は、平面鏡４で反射
し戻ってきた光ビームを透過して、前記ポジションディ
テクタ９へと導く。

【００１０】前記光源８は、半導体レーザ８ａと、この
半導体レーザ８ａの射出側に順次設けられたレンズ８ｂ
と、スペーシャルフィルタ８ｃとよりなる。半導体レー
ザ８ａから発せられた光ビームはレンズ８ｂによってス
ペーシャルフィルタ８ｃの開口部に集光されて、このス
ペーシャルフィルタ８ｃを透過した光ビームは発散光と
なって偏光ビームスプリッタ７へと入射する。尚、符号
１０は、半導体レーザ８ａに電気的に接続されて、これ
を駆動して発光させるためのＬＤドライバを示す。

【００１１】前記ポジションディテクタ９は、受光面が
レンズ６の焦点面に位置するように配置され、即ち、レ
ンズからスペーシャルフィルタ８ｃと等光学距離の所に
配置され、偏光ビームスプリッタ７を透過した光ビーム
により受光面に集光スポットが形成される。そして、こ
のポジションディテクタ９は、この集光スポットの位置
を検出する。

【００１２】符号１１は、後述する非直線性補正手段１
１ａを有するスキャンコントローラを示す。このスキャ
ンコントローラ１１の入力側には、第１並びに第２の波
形発生器１２、１３、及び演算回路１６の出力側が接続
されており、第１の波形発生器１２で発生されるＸ方向
の参照電圧および第２の波形発生器１３で発生されるＹ
方向の参照電圧に対して所定の処理（後述するフィード
バック制御のための処理や、スキャナ１の動きをＸＹ方
向から回転させたりずらしたりするための処理など）を
行い、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれの制御信号を出力
する。このＸ方向およびＹ方向のそれぞれの制御信号
は、これの出力側に接続されたスキャナドライバ１４へ
と供給される。これらスキャンコントローラ１１と、第
１並びに第２の波形発生器１２、１３と、スキャナドラ
イバ１４とによりスキャナ駆動／制御部１８が構成され
ている。

【００１３】このスキャナドライバ１４の出力側は、前
記スキャナ１に接続されており、供給される制御信号に
て指示される状態にスキャナ１を変位させるように、ス
キャナ１の４つの駆動電極への選択的な電圧印加を行
う。

【００１４】前記ポジションディテクタ９の出力側と演
算回路１６の入力側との間には、プリアンプ１５が接続
され、ポジションディテクタ９の出力信号（スポットの
位置を示す信号）を増幅し、演算回路１６へ供給する。
演算回路１６は、増幅された、ポジションディテクタ９
の出力信号からスキャナ１の変位状態を求め、この変位
状態を示す変位信号をスキャンコントローラ１１に供給
する。

【００１５】前記スキャンコントローラ１１の非直線性
補正手段１１ａは、演算回路１６から供給される変位信
号に基づいて、生成する制御信号に所定の補正を加え
る。前記ポジションディテクタ９は、十字線を堺として
図２に示すように、縦受光面が４つの領域Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄに分割されており、各領域に入社する光ビームの光量
に対応する電気信号を得るようになった既知の４分割ホ
トディテクターよりなる。上記ポジションディテクタ９
と、ブリアンプ１５と、演算回路１６とでスキャナ変位
検出部１９が構成されている。

【００１６】次に、以上のように構成されたスキャナシ
ステムの動作を説明する。まず、スキャナドライバ１４
がスキャナ１の４つの駆動電極のいずれにも電圧を印加
していない状態では、スキャナ１は変位しておらず、基
準状態にある。またスキャナドライバ１４が、スキャン
コントローラ１１から出力される制御信号に基づいてス
キャナ１の４つの駆動電極に選択的に電圧印加を行う
と、その電圧印加の状態に応じた変位がスキャナ１に生
じる。

【００１７】光源８のスペーシャルフィルタ８ｃを透過
した、一方向の直線偏光成分を有する発散光ビームは、
偏光ビームスプリッタ７によって反射されて、レンズ６
に入射する。このレンズ６で入射発散光ビームは平行光
にされて、１／４波長板５に入射する、この１／４波長
板５で入射光ビームの直線偏光成分は円偏光成分に変換
される。１／４波長板５を透過した円偏光成分を有する
光ビームは、固定台２の透孔２ａを出てスキャナ１の内
部へと入り、平面鏡４へ入射する。この入射光ビームは
平面鏡４で反射されて再度１／４波長板５に入射する。
光ビームは１／４波長板５で、前記ビームスプリッタ７
で反射されて１／４波長板５に入射する光ビームの直線
偏光成分とは方位角が９０°回転した直線偏光成分を有
する光ビームとなって射出される。この射出平行光ビー
ムは、レンズ６で収束されながら偏光ビームスプリッタ
７を透過してポジションディテクタ９に入射し、ポジシ
ョンディテクタ９の受光面に集光スポットを形成する。

【００１８】ここで、スキャナ１が変位していない場
合、集光スポットはポジションディテクタ９の受光面の
中央に形成される。即ち、夫々等しい光量の光ビームを
４つの領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに入射させている。

【００１９】一方、スキャナ１が例えば図２に示すよう
に変位している場合、スキャナ１の内部に入射した光ビ
ームの光軸に対して平面鏡４が傾いている（例えば、Ｘ
方向にスキャナ１が変位した場合には平面鏡４はＹ軸を
中心として傾斜する）。従って、光ビームは、平面鏡４
に、斜めに入射し、これとは反対方向に反射される。具
体的には、スキャナ１の先端が基準状態に対してθの傾
きを有している場合、平面鏡４に入射した光ビームは、
入射光とは２θの角度をもって反射する。

【００２０】平面鏡４で反射された光ビームは、１／４
波長板５で直線偏光とされたのち、レンズ６および偏光
ビームスプリッタ７を通って集光しながらポジションデ
ィテクタ９に入射し、ポジションディテクタ９の受光面
に集光スポットを形成するのに際して、光ビームは平面
鏡４において、入射光ビームに対して２θの角度で反射
しているために、集光スポットの形成位置は平面鏡４の
傾き方向に応じてポジションディテクタ９の中心からず
れる。

【００２１】ここで、ポジションディテクタ９上でのス
ポットの形成位置のずれ量ｄと平面鏡４の傾き角θとの
間には、 ｄ（θ）＝ｆ・ｔａｎ（２θ）＝２・ｆ・θ …（１） なる関係がある。この式で、ｆはレンズ６の焦点距離で
ある。

【００２２】同様に、Ｙ方向にスキャナ１が変位した場
合には平面鏡４はＸ軸を中心として傾斜するので、この
ときの傾斜角度をψとすると、このときのＹ方向の変位
量は次式で表される。

【００２３】 ｄ（ψ）＝ｆ・ｔａｎ（２φ）＝２・ｆ・ψ …（２） 従って、ポジションディテクタ９によりスポットの形成
位置のずれ量ｄを、各領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄへの入射光量
の比較から、検出することにより、前記（１）式並びに
（２）式に基づいて平面鏡４の傾き角θ並びにψを求め
ることができる。また、スポットのずれ方向は平面鏡４
の傾き方向に対応するので、演算回路１６ではポジショ
ンディテクタ９の出力信号に基づいて平面鏡４の傾き方
向を求める。演算回路１６では、ポジションディテクタ
９の出力信号に基づいて上記の演算を行うことにより、
平面鏡４の傾き角θ並びに／もしくはψを求める。かく
して演算回路１６では、平面鏡４の傾き角（θ，ψ）お
よび傾き方向、すなわちステージ３の傾き角および傾き
方向が特定され、ステージ３の状態が検出される。

【００２４】演算回路１６は、このように求めた情報
を、ステージ３のＸ方向およびＹ方向のそれぞれの変位
を表すモニタ信号に変換し、スキャンコントローラ１１
に与える。具体的には、ポジションディテクタ９の４つ
の受光領域のそれぞれでの受光情報をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄと
すると、 ｄｘ＝（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ） …（３） ｄｙ＝（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ） …（４） なる式に基づいてモニタ信号ｄｘ，ｄｙを得、これをス
キャンコントローラ１１に与える。

【００２５】スキャンコントローラ１１では、第１並び
に第２の波形発生器１２，１３のそれぞれから出力され
る基準波形に基づき、ステージ３を所定状態に変位させ
るべくＸ方向およびＹ方向のそれぞれの制御信号を生成
し、この状態で非直線性制御手段１１ａがモニタ信号を
監視し、現在所望とするステージ３の状態とモニタ信号
が示す実際のステージ３の状態との偏差を求める。所望
とするステージ３の状態と実際のステージ３の状態との
間には、スキャナ１を構成する圧電体の変位に生じるヒ
ステリシスやクリープ等によって偏差が生じるので、非
直線性制御手段１１ａはこの偏差を求めるのである。そ
して、非直線性制御手段１１ａは、この偏差を補償する
ように制御信号を変化させる。すなわち、演算回路１６
にて求められる実際のステージ３の状態が所望とする状
態となるようにフィードバック制御を行う。

【００２６】かくして本実施例によれば、実際のステー
ジ３の状態（傾き角θおよび傾き方向）が光学的に検出
され、この検出される実際のステージ３の状態が所望の
状態となるようにフィードバック制御がなされるので、
スキャナ１を構成する圧電体の変位にヒステリシスやク
リープ等が生じていても、これがステージ３の変位に影
響することが防止され、ステージ３の状態を良好に制御
できる。

【００２７】具体的には、スキャナ１に４分割の電極を
有する長さ１５ｍｍのチューブスキャナを、レンズ６に
顕微鏡用の５倍対物レンズ（焦点距離３５．９ｍｍ）を
それぞれ用いてシステムを構成し、２００Ｖの電圧でス
キャナ１を駆動したとき、他の変位系と変位角計とを用
いたＸ方向の変位の測定結果の比較より、このときのス
キャナ１のＸ方向の変位１．３μｍに対してステージ３
の傾きθ＝０．３５秒であった。（１）式より、これは
ポジションディテクタ９上のスポットの形成位置のずれ
量ｄとして０．１２μｍである。これを基準としてフィ
ードバック制御を実施したところ、ヒステリシスのない
ＸＹ走査が実現できた。

【００２８】また、ＳＴＭやＡＦＭにおいては、ステー
ジ３はＺ方向（図における上下方向）にも変位させる
が、本実施例では平面鏡４に平行光ビームを入射してい
ることにより、（１）式並びに（２）式から分かるよう
にＺ方向の動きに影響されずに、Ｘ，Ｙ方向についての
みの変位を検出することが可能である。

【００２９】また本実施例によれば、ステージ３の変位
を光学的に検出しているので、スキャナ１の駆動電圧な
どに起因するノイズ混入がなく、安定的な検出が行え
る。磁気センサや容量センサを用いた場合には、かなり
の高電圧であるスキャナ１の駆動電圧などの影響による
ノイズの混入が懸念される。

【００３０】また本実施例では、ステージ３の変位の検
出のために光の干渉を利用していない。光干渉を利用す
る場合、一波長あるいは半波長を越えるような変位に対
しては、サイン波様に変化するセンサ光強度の山の数を
数えることになるが、インクリメント方式であるために
スキャナ１の変位が急速である場合にカウントミスなど
が避けられず、誤差の原因になるが、本実施例ではこれ
を回避することができる。

【００３１】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではない。例えば上記実施例では、フィードバック制
御を行っているが、例えばＳＴＭやＡＦＭの場合には、
演算回路１６からのモニタ信号に合わせて、ＸＹ座標を
新たにコンピュータ上におこし、このＸＹ座標上にＳＴ
Ｍ信号やＡＦＭ信号を再配置するような画像処理を行う
ことによっても本発明の目的を達成することができる。

【００３２】また上記実施例では、光源８に半導体レー
ザ８ａを配しているが、ＬＥＤなどの他の発光手段を適
用することも可能であり、ＬＥＤを適用した場合には干
渉による悪影響が生じることがないので、１／４波長板
５を省略し、偏光ビームスプリッタ７の代りにハーフミ
ラーを用いることができ、構成を簡単にすることができ
る。

【００３３】上記実施例において、スキャナ１のＸＹ動
作方向と、ポジションディテクタ９のＸＹ方向とは一致
させることが好ましい。両者を一致させない場合、ポジ
ションディテクタ９の出力信号に対して処理を行ってそ
の構成を行うことが必要となる。

【００３４】以上説明した第１の実施例のシステムスキ
ヤンナによれば、ステージに設けられた例えば平面鏡な
どの反射手段と、この反射手段に平行光ビームを入射す
る、例えば光源、ビームスプリッタおよび１／４波長板
よりなる光源手段と、前記反射手段からの反射光ビーム
を集光し、所定面上にスポットを形成する例えばレンズ
などの集光手段と、前記所定面上に配置され、前記所定
面上での前記スポットの位置を検出する例えばポジショ
ンディテクタなどのスポット検出手段と、このスポット
検出手段により検出された前記スポットの位置に基づい
て、前記ステージの傾斜角度を求める例えば演算回路な
どの傾斜角度演算手段とを具備するので、圧電体の変位
に生じるヒステリシスやクリープ等による影響を除去
し、良好な走査を行うことが可能なスキャナシステムと
なる。

【００３５】以下、図３を参照して、本発明の第２の実
施例に係わるスキャナシステムを原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）に適用した場合について説明する。この実施例並び
にこれから説明する他の実施例において、第１の実施例
と実質的に同じ部材、並びに先行する実施例と実質的に
同じ部材は、同一符号を付して、説明を省略する。

【００３６】図３は、本発明の第２の実施例に係る圧電
体変位検出装置の構成を示す図である。同図に示すよう
に、マイクロコンピュータ２２の出力側にはホストコン
ピュータ２１とＺ制御部２４、Ｘ制御部２５、Ｙ制御部
２６の入力側にそれぞれ接続されており、夫々の制御部
２４乃至２６の出力側は、ＸＹＺ駆動用円筒型圧電体に
より構成されたスキャナ１の夫々対応する電極に接続さ
れている。これら部材でスキャナ駆動／制御部が構成さ
れている。前記スキャナ１上に支持されたステージ３上
には、被測定物である試料３０が載置されている。この
試料３０の上方にはカンチレバー２８が設けられてい
る。このカンチレバー２８の自由端には、先端が前記試
料３の上面と極く僅かの間隔を有するようにして走査部
材、即ち、プローブが支持されている。このカンチレバ
ー２８は、カンチレバー２８のＺ方向、即ち上下方向の
変位量を測定し、この変位量に対応する変位アナログ信
号を出力するカンチレバー変位検出部２７に接続されて
いる。このカンチレバー変位検出部２７の出力側はＡ／
Ｄ変換部２３を介しての前記マイクロコンピュータ２２
の入力側に接続されている。

【００３７】スキャナ１の下方に設けられたスキャナ変
位検出部１９ａの出力側は上記Ｚ制御部２４の入力側に
接続されている。このような構成において、カンチレバ
ー変位検出部２７は、試料の上面の凹凸等に対応し、試
料と探針との間に生じる原子間力なよる探針のＺ方向の
変位を、即ち、カンチレバー２８の自由端の変位を検出
し、変位信号Ｓ１をＡ／Ｄ変換部２３を介して、マイク
ロコンピュータ２２に出力する。この出力信号にもとず
いて、ホストコンピュータ２１は、マイクロコンピュー
タ２２から転送された測定データを格納し試料の表面状
態を示す画像を形成する。また、マイクロコンピュータ
２２は、Ｘ制御部２５、Ｙ制御部２６を介して、ＸＹＺ
駆動用円筒圧電体１を２次元走査するように制御しなが
ら測定を行い、その測定データを同時にホストコンピュ
ータ２１に転送する。

【００３８】上記マイクロコンピュータ２２は、Ａ／Ｄ
変換部２３から読み出される情報に基づいて、Ｚ制御部
２４を介してスキャナ１をＺ方向に伸縮させる。このと
きに、変位信号Ｓ１を一定値に保つようにＺ制御し、当
該Ｚ制御データを測定データとする。但し、Ｚ制御部２
４はスキャナ変位検出部１９ａから検出されたＺ変位信
号Ｓ５がフィードバックされるように構成されているの
で、Ｚ制御データとスキャナの変位の関係は直線的にマ
イクロコンピュータ２２により補正されており、画像形
成されたＺ方向凹凸情報は精度良く再現されている。

【００３９】次に、図４を参照して、Ｚ方向変位検出機
構の光学系について説明する。同図に示すように、スキ
ャナ１はその下端が鏡体３３の下部を構成するに固定台
２に固定されており、その上端にはステージ３が配置さ
れている。そして、このステージ３の下面にはフォトデ
ィテクタ３２ａが受光面を下向きに固定されている。前
記固定台２の上面にはスキャナ１と同軸的に固定穴が形
成されており、この内部には、レーザダイオード３２ｅ
とコリメータレンズ３２ｄが前記フォトディテクタ３２
ａと光軸を等しくして、固定されている。レーザダイオ
ード３２ｅから発光された光ビームはコリメータレンズ
３２ｄによって平行光ビームとなって、スキャナ１の内
側を上方に向かうように、両者は配置されている。

【００４０】前記スキャナ１内にはこれと同軸的に光学
系支持部３２ｃが設けられており、この上端には、前記
フォトディテクタ３２ａと対面するようにして集光レン
ズ３２ｂが装着されている。この集光レンズ３２ｂは、
前記コリメータレンズ３２ｄからの平行光ビームをフォ
トディテクタ３２ａに向かって集光するように位置合わ
せされているが、この集光レンズ３２ｂとフォトディテ
クタ３２ａとは、集光レンズ３２ｂの焦点距離よりも短
くかつ、図５に示すように、受光面４１よりも集光スポ
ット４２の方が大きくなるように、所定間隔を有して配
置されている。

【００４１】このように、第２の実施例のシステムで
は、従来の走査型プローブ顕微鏡の試料微動機構である
スキャナ１の上端、即ち、自由端に受光素子であるフォ
トディテクタ３２ａを付加し、更に、この下側に光源で
あるレーザーダイオード３２ｅと該レーザーダイオード
３２ｅから発光された光ビームをフォトディテクタ３２
ａへ集光するコリメータレンズ３２ｂとが付加されてい
る。このフォトディテクタ３２ａの受光面を集光レンズ
３２ｂの焦点位置より内側にずらして、集光スポットが
受光面より大きくなるように調整されている。

【００４２】そして、従来と同様に、試料表面と探針先
端を一定距離に保つように、Ｚ方向制御（Ｚサーボ）部
２４によってスキャナ１を伸縮させて、試料３０をＺ方
向に移動させながら２次元方向にＸＹ走査すると、フォ
トディテクタ３２ａで検出した光量の変化がスキャナ１
の伸縮の変化となり、フォトディテクタ３２ａで検出し
た光量を、試料表面の凹凸信号として画像形成すること
によって、精度良く凹凸情報を得ることができる。

【００４３】図５（ａ）ないし（ｃ）は、上記スキャナ
１がＺ方向に伸縮したときの受光面４１と集光スポット
４２との関係を示す図である。図５（ａ）は、スキャナ
１がＺ方向に縮んだとき、図５（ｂ）は、スキャナ１が
標準長のとき、図５（ｃ）は、スキャナ１がＺ方向に伸
びたときの様子をそれぞれ示す。この図から理解できる
ように、上記スキャナ１のＺ方向への伸縮に従って、集
光スポット４２の直径が変化する。この結果、受光面４
１で受光する光量Ｐもスキャンナの伸縮にしたがって変
化し、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）の状態での受光光量
をそれぞれＰａ，Ｐｂ，Ｐｃとすると、 Ｐａ＜Ｐｂ＜Ｐｃ の関係が成り立つ。従って、スキャナ１のＺ方向の変位
をフォトディテクタ３２ａで受光する光量の変化から検
出することができる。

【００４４】次に、図６を参照して、第３の実施例を説
明する。この実施例の場合、第２の実施例の構成と比べ
ると、スキャナ変位検出部１９ａの出力側はＺ制御部２
４に接続されているのではなく、出力側が接続、Ａ／Ｄ
変換部５１を介してマイクロコンピュータ２２に接続さ
れる点が相違する。

【００４５】このマイクロコンピュータ２２は、Ｘ制御
部２５、Ｙ制御部２６を介して、スキャナ１を２次元走
査するように制御しながら、カンチレバー変位検出部２
７並びにＡ／Ｄ変換部２３を介して送られてきた変位測
定データをホストコンピュータ２１に転送する。

【００４６】マイクロコンピュータ２２は、Ａ／Ｄ変換
部２３から読み出される情報に基づいて、Ｚ制御部２４
を介してスキャナ１をＺ方向に伸縮させる。即ち、変位
信号Ｓ１を一定値に保つようにＺ制御し、そのＺ制御デ
ータを測定データとする。スキャナ変位検出部１９ａで
測定されたＺ変位信号Ｓ５はＡ／Ｄ変換部５１へ出力さ
れ、このＡ／Ｄ変換部５１から読み出したＺ変位データ
は測定データとして画像が形成されるので、この実施例
においても第２の実施例と同様の効果を得ることができ
る。

【００４７】次に、第４の実施例を図７（ａ）〜（ｃ）
並びに図８を参照して説明する。この実施例では、図８
に示すように、図３に示す実施例と比べて、スキャナ変
位検出部１９ｂからの信号は、Ｚ制御部２４にのみ供給
されるのではなく、Ｚ制御部２４、Ｘ制御部２５、Ｙ制
御部２６にそれぞれ信号Ｓ５〜Ｓ７としてフィードバッ
クされるように、これら制御部とスキャナ変位検出部１
９ｂに接続されている。この実施例では、Ｚ制御部２４
はスキャナ変位検出部１９ｂから検出されたＺ変位信号
Ｓ５がフィードバックされるように構成され、Ｘ制御
部、Ｙ制御部２６はスキャナ変位検出部１９ｂから検出
されたＸ変位信号Ｓ６と、Ｙ変位信号Ｓ７とがフィード
バックされるように構成されているので、Ｘ，Ｙ，Ｚ制
御データとスキャナ変位の関係は直線的に補正されてお
り、画像形成された凹凸情報は３次元とも精度良く再現
されている。尚、各変位信号Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７を直接Ａ
／Ｄ変換部へ出力し、Ａ／Ｄ変換したデータを測定デー
タとして画像形成しても同様の効果が得られる。

【００４８】この実施例では、図７に示すように、光学
式変位検出手段は、受光素子として、その受光面が中央
に位置する中心受光領域４１ａと、この周辺に位置し、
Ｘ方向並びにＹ方向に夫々対称な４つの周辺受光領域４
１ｂ〜４１ｅとに、５分割されたフォトディテクタ３２
ａを用い、このフォトディテクタ３２ａは、スキャナ１
のどのＺ方向変位状態においても、集光スポット４２が
全受光面よりも小さくて、中央受光面４１ａよりも大き
くなるように設定されている。

【００４９】そして、ＸＹＺ走査では、中央受光領域４
１ａで検出した光量の変化がスキャナ１のＺ方向の伸縮
の変化となり、周辺受光領域４１ｂ〜４１ｅで検出した
光量の差分の変化がＸ変位、Ｙ変位となるので、中央受
光面で検出した光量を、試料表面の凹凸信号とし、Ｘ対
称受光領域、Ｙ対称受光領域の各々の光量差をＸ信号、
Ｙ信号として画像形成することにより、精度良く３次元
情報を得ることができる。

【００５０】図７（ａ）は試料を図中、“＋Ｘ方向”に
走査したとき、図７（ｂ）は試料が走査中心位置にある
とき、図７（ｃ）は試料が図中、“−Ｘ方向”に走査し
たときの様子をそれぞれ示す図である。

【００５１】図７（ａ）乃至（ｃ）に示されるように、
走査に従って集光スポット４２がフォトディテクタ３２
ａの受光面上を移動して、各周辺受光領域４１ｂ〜ｅで
受光する光量Ｐも変化している。このとき、夫々の受光
領域４１ａ〜４１ｅでの受光量をそれぞれＰａ〜Ｐｅと
し、 Ｐｘ＝（Ｐｂ＋Ｐｃ）−（Ｐｄ−Ｐｅ） …（５） とすると、図７（ａ）〜（ｃ）のＰｘの大きさをＰｘ１
〜Ｐｘ３とすると、次式のような関係が成立する。

【００５２】 Ｐｘ１＜Ｐｘ２＜Ｐｘ３ …（６） このとき、Ｘ方向の変位を上記Ｐｘで表すことができ
る。Ｙ方向の変位も同様にもとめられる。この結果、ス
キャナ１のフォトディテクタ３２ａで受光する周辺受光
領域面４１ｂ〜４１ｅの光量の演算値の変化から２次元
方向の変位を検出することができる。また、第２実施例
と同様にして、中央受光領域４１ａの光量の変化を検出
することで、スキャナ１のＺ方向の変位を検出すること
ができる。

【００５３】次に、第１の実施例と同様に、ステージに
平面鏡が設けられた形式の光学式変位センサーを使用し
た第５の実施例に係わるスキャナシステムを原子間力顕
微鏡について、図９並びに図１０を参照している。

【００５４】まず、図９に示すように、この実施例の光
学式変位センサーでは、固定台２には、スキャナ１内に
突出するようにして、筒状のレンズ保持機構６０が設け
られ、この上端にコリメータレンズ６が平面鏡４と所定
間隔を有して対面するように装着されている。このレン
ズ保持機構６０には、スキャナ１に対して、これと同軸
的に上下方向に移動調節されるようにレンズ位置調整機
構６１が設けられている。この機構６１により、コリメ
ータレンズ６の焦点が平面鏡４上となるように、両者間
の距離が調整される。

【００５５】前記レンズ保持機構６０の下側にはビーム
スプリッタ７が配置され、また、このビームスプリッタ
７の側方には、ＬＤドライバ１０により駆動され半導体
レーザ８ａと、このレーザからの射出光ビームを平行光
ビームに整形するコリメータレンズ８ｂとからなる光源
８が配置されている。

【００５６】前記ビームスプリッター７は、コリメータ
レンズ８ｂからの平行光ビームが入射され、これを上方
に垂直に反射する反射面を有する異形プリズム６４と、
この反射光ビームを透過すると共に、平面鏡４からの反
射光ビームを直角に反射する第１のハーフミラー６２
と、この第１のハーフミラー６２からの反射光ビームを
透過光ビームと反射光ビームとに分離する第２のハーフ
ミラー６３とにより構成されている。

【００５７】前記第２のハーフミラー６３の透過側に
は、ここからの反射光ビームに対して、ほぼ臨界角にな
るように設定された反射面を有する臨界角プリズム６５
が配置されている。前記第２のハーフミラー６３と臨界
角プリズムとの反射側には、フォトダイオードで形成さ
れた第１並びに第２のポジションディテクタ９ａ，９ｂ
が夫々配置されている。これらポジションディテクタ９
ａ，９ｂの受光面は、図９に示すように、夫々４つの受
光領域ｂ１〜ｂ４，ａ１〜ａ４に分離されている。

【００５８】次に、上記構成のスキャナシステムの動作
を以下に説明する。スキャナ１の４つの電極に選択的に
電圧を印加して、スキャナ１を駆動する。このときに、
光源８から射出された平行光ビームよりなる楕円ビーム
は異形プリズム６４で整形されて真円ビームとなって、
上方に反射される。この反射平行光ビームは第１のハー
フミラー６２を透過してコリメータレンズ６に、レンズ
保持機構６０内を通って、入射する。この入射光ビーム
は、このコリメータレンズ６により、ステージ３の下面
に取着された平面鏡４の表面に集光されると共に反射さ
れる。この反射光ビームはコリメータレンズ６によって
平行光ビームとなって第１のハーフミラー６２に入射
し、ここで反射されて第２のハーフミラー６３に入射す
る。この入射光ビームは、第２のハーフミラー６３によ
り、第１のポジションディテクタ９ａへと反射され、こ
の受光面に第１の集光スポットＡ１を形成する第１の光
ビームと、透過される第２の光ビームとに分離される。
この第２の光ビームは臨界角プリズム６５で第２のポジ
ションディテクタ９ｂへと反射され、この受光面に第２
の集光スポットＡ１を形成する。

【００５９】この実施例においても、第１の実施例と同
様の原理により、スキャナ１のＸ方向並びにＹ方向の変
位が、ポジションディテクタ上の集光スポットの変位と
して検出される。この場合、第１のポジションディテク
タ９ａと、第２のポジションディテクタ９ｂとには、同
じ変位ｄ（ψ）で、同じ光量の集光スポットＡ１，Ａ２
が形成されるが、Ｚ方向に変位されると、これに従って
第２のポジションディテクタ９ｂの集光スポットＡ２の
光量は変化する。この理由を以下に説明する。

【００６０】平面鏡４の位置はコリメータレンズ６の焦
点位置からずれるので、臨界角プリズム６５で反射され
た光ビームの光量が、平面鏡４のＺ方向の変位に応じて
変化する。この結果、第２のポジションディテクタ９ｂ
に入射する集光スポットＡ２の光量が変化するので、こ
の変化量を求めれば、Ｚ方向の変位を知ることができ
る。このように臨界角を用いて、光軸方向の変位を検出
する方法は、例えば、特開昭５６−７２４６号により知
られている。

【００６１】例えば、スキャナ１が＋Ｚ方向に変位した
とき、臨界角プリズム６５により反射された第２のポジ
ションディテクタ９ｂへの入射光ビームの集光スポット
Ａ２は中心から受光領域ａ１，ａ２側の部分の光量が減
少し、受光領域ａ３，ａ４側の部分の光量が変化しない
真円となる。このように、第２のポジションディテクタ
９ｂ上での真円の集光スポットの光量分布の差量ｄ
（Ｚ）を測定することにより、スキャナ１の＋Ｚ方向の
変位量を検出することができる。

【００６２】上記原理により、ＸＹＺ方向の各変位をこ
の実施例では、検出することができるが、各方向の変位
が、他の方向の変位検出に及ぼす影響は以下に説明する
ように無視することができる。

【００６３】Ｚ変位検出にＸＹ変位が及ぼす影響に関し
て；臨界角プリズム６５への入射光ビームに対する臨界
角は、紙面に平行な平面内の角度であるために、スキャ
ナ１の紙面内の角度変化ψの影響を受けるが、スキャナ
１の紙面に垂直な面内の角度変化θの影響は受けない。
そこで前者の角度変化ψの影響のみを考慮すればよい。
即ち、スキャナ１がＸＹＺ方向に同時に変位したとき、
第２のポジションディテクタ９ｂ上での集光スポットＡ
２のＹ方向の変位量は、スキャナ１のＺ方向の変位とＹ
方向の変位との両方の情報を含む。一方、第１のポジシ
ョンディテクタ９ａ上での集光スポットＡ１のＹ方向の
変位量は、スキャナ１のＹ方向の変位の情報のみを検出
する。従って、第２のポジションディテクタ９ｂの出力
情報から第１のポジションディテクタ９ａの出力情報を
以下のように減算することにより、スキャナ１のＺ方向
の変位のみを検出することができる。ここで、第１のポ
ジションディテクタ９ａの４つの受光領域ｂ１〜ｂ４の
受光量をＢ１〜Ｂ４、また第２のポジションディテクタ
９ｂの４つの受光領域ａ１〜ａ４の受光量をＡ１〜Ａ４
とすると、Ｚ方向の変位量ｄＺは次式で表される。

【００６４】ｄＺ＝（Ａ３＋Ａ４）−（Ａ１＋Ａ２） −ｋ［（Ｂ３＋Ｂ４）−（Ｂ１＋Ｂ２）］ …（７） ここで、ｋは適当な定数である。

【００６５】ＸＹ変位検出にＺ変位が及ぼす影響に関し
て；上述した原理により、スキャナ１がＸ方向みに変位
したときには、角度変化θを伴い、そのときの第１のポ
ジションディテクタ９ａ上での集光スポットＡ１の変位
量ｄ（θ）は、第１の実施例で説明した（１）式のよう
に成る。ここで、スキャナ１がＸ方向とＺ方向とに同時
に変位したときには、（１）式は、次のように成る。

【００６６】 ｄ（θ）＝２・（ｆ＋Ｚ）・θ …（８） 具体的には、ｆ＝４ｍｍ，Ｚ＝０．００５ｍｍ程度であ
るために、ｄ（θ）は、Ｚ方向の変位がないときに比べ
て、０．１パーセント程度しか変わらない。従って、Ｘ
方向の変位の検出に及ぼすＺ方向の変位の影響は、無視
できる。Ｙ方向の変位の検出に及ぼすＺ方向の変位の影
響についても同様のことがいえる。従って、スキャナ１
がＸ方向と、Ｙ方向と、Ｚ方向とに同時に変位したとき
のＸ方向と、Ｙ方向との変位は、夫々次のような演算を
することにより求められる。

【００６７】 Ｘ＝（Ｂ１＋Ｂ３）−（Ｂ２＋Ｂ４） …（９） Ｙ＝（Ｂ３＋Ｂ４）−（Ｂ１＋Ｂ２） …（１０） かくして、この実施例のシステムで、スキャナ１、即
ち、ステージ３のＸＹＺ方向の３次元的な位置を光学的
につねにモニターすることができる。

【００６８】次に、図１０を参照して上記光学式変位セ
ンサーを使用したスキャナシステムを説明する。図中、
符号７１は、光学系ユニットを示し、前記ビームスプリ
ッタ７と、光源８と、第１並びに第２のポジションディ
テクタ９ａ，９ｂとを有する。これら第１並びに第２の
ポジションディテクタ９ａ，９ｂからの測定信号は、プ
リアンプ１５で、それぞれ増幅されて、演算回路１６に
入力される。この演算回路１６で、前記（７）式、
（９）式並びに（１０）式に従って、入力信号の演算が
行われてスキャナ１のＸＹＺ方向の変位が求められる。
この演算処理情報は、スキャンコントローラ１１に入力
される。このスキャンコントローラ１１の入力側には、
Ｚ方向の参照電圧を発生する第３の波形発生器７０が、
第１並びに第２の波形発生器１２、１３と同様に接続さ
れている。このスキャンコントローラ１１では第１ない
し第３の波形発生器１２、１３、７０で発生されるＸ方
向、Ｙ方向並びにＺ方向の参照電圧に対して所定の処理
（フィードバック制御のための処理や、スキャナ１の動
きをＸＹ平面で回転させたり、ずらしたりするための処
理など）を行い、Ｘ方向、Ｙ方向並びにＺ方向のそれぞ
れの制御信号を出力する。これら制御信号は、スキャナ
ドライバ１４に入力され、このスキャナドライバ１４は
供給された制御信号にて指示された状態にスキャナ１を
変位させるようにスキャナ１の電極に電圧を選択的に印
加する。

【００６９】この実施例においても、スキャンコントロ
ーラ１１は、第１の実施例と同様に、演算回路１６から
供給される変位信号に基づいて、生成する制御信号に所
定の補正を加える非直線性補正手段１１ａを有してい
る。

【００７０】上記第５の実施例のＡＭＦの動作は、Ｚ方
向の変位の補正を付加した以外は、第１の実施例の動作
と同じようになされ、ステージ３の状態を３次元的に制
御することができる。

【００７１】また、図９に示すスキャナシステムを用い
れば、ステージ３上に固定した物の位置を３次元的に所
望の状態になるように制御できる。例えば、ステージ３
の上面にミラーを固定すれば、ミラーのθ、ψ方向の角
度変位やＺ方向の変位を所望の状態になるように制御で
きる等、このスキャナシステムは汎用性がある。さら
に、この実施例では、第１の実施例で説明した効果を有
することは自明であろう。

【００７２】次に、図１０に示したスキャナシステムを
応用した走査型プローデ顕微鏡（ＳＴＭ）を図１１を参
照して説明する。図１１中、符号８０はプローブを示
し、このプローブ８０は、これと試料３０との間に働く
相互作用、例えば、トンネル電流、摩擦力、磁気力、原
子間力、によりＺ方向に変異可能となっている。そし
て、このに変位はプローブ変位センサー８１により検出
される。このプローブ変位センサー８１の出力側は前記
スキャンコントローラ１１の入力側に接続されている。
また、前記演算回路１６の出力側は、試料３０のＳＰＭ
像を表示するためのＳＰＭ表示装置８２に接続されてい
る。

【００７３】実際のＳＰＭ測定に際しては、スキャナ１
のＸＹ方向の変位のみ、光学式変位センサーによる検出
信号にしたがって、フィードバック制御を行い、スキャ
ナ１のＺ方向の変位はプローブ変位センサー８１による
検出信号にしたがってフィードバック制御を行ってい
る。

【００７４】スキャンコントローラ１１では、第１並び
に第２の波形発生器１２，１３の夫々から出力される基
準波形に基づき、ステージ３を所定状態に変位させるよ
うにＸ，Ｙ方向の夫々の制御信号を生成しているが、こ
の状態で非直線性制御手段１１ａが演算回路１６から得
られる変位信号を監視し、現在所望とするステージ３の
状態と、ＸＹ変位信号が示す実際のステージ３の状態と
の偏差が求められる。そして、非直線性制御手段１１ａ
により、この偏差を補償するようにＸＹ方向の制御信号
が変化される。即ち、演算回路１６で求められる実際の
ステージ３の走査が所望の走査となるようにＸＹ方向の
フィードバック制御が行われる。

【００７５】上述したようなＸＹ走査を行うことによっ
て、試料３０は、プローブ８０により走査される。この
ときに、試料３０とプローブ８０との間に働く相互作用
により、プローブ８０が変位し、この変位はプローブ変
位センサー８１により検出され、この変位に応じた変位
信号がスキャンコントローラ１１に供給される。同時
に、プローブ８０の位置が所望の状態になるように、第
３の波形発生器７０から基準信号がスキャンコントロー
ラ１１に与えられる。この結果、スキャンコントローラ
１１により、プローブ変位センサー８１からのプローブ
変位信号と、波形発生器７０からの基準信号との偏差が
求められ、この偏差を補償するようなＺ信号がスキャナ
ドライバ１４を介してスキャナ１に供給される。かくし
て、プローブ８０と試料３０との間に働く相互作用が、
第３の波形発生器７０から出力される基準信号にしたが
って一定値になるようにスキャナ１はＺ方向に変位去れ
る。このＺ方向の変位量は、プローブ８０と試料３０と
の間に働く相互作用に比例するので、このＺ方向の変位
量をＭＩＱ≧することにより、相互作用の分布状態、即
ち、ＳＰＭ像が得られる。

【００７６】次にＳＰＭ像の表示方法について説明す
る。上述したようにＳＰＭ測定中に、演算回路１６から
得られるＸ信号とＹ信号とは、走査中のプローブ８０に
対する試料３０の位置を示し、また、Ｚ信号は、プロー
ブ８０と試料３０との間に働く相互作用を示すので、こ
れら信号をＳＰＭ像表示装置８２に与え、表示させるこ
とによりＳＰＭ像が得られる。

【００７７】このときに得られるＳＰＭ像は、スキャナ
１のＸＹＺ方向の変位を直接、この光学式変位センサー
により、モニターすることにより得られるので、３次元
的に歪みのない像となる。また、このとき、ＳＰＭ像表
示装置８２に与えられるＸＹ信号は演算回路１６からの
信号ではなく、波形成型器１２，１３からの信号が与え
られても全く同じ結果が得られるので、ＳＰＭ像表示装
置８２の入力側を、波形発生器の出力側に接続しても良
い。

【００７８】次に、第７の実施例に係わるスキャナシス
テムを応用した走査型プローブ顕微鏡（ＳＴＭ）を図１
２を参照して説明する。この実施例では、スキャナ１は
上端が、図示しない固定台に固定されており、下端が自
由端となっている。そして、このスキャナ１の上方に光
学系ユニット７１が設けられ、また、下端にステージ３
が取着されている。このステージ３の上面に平面鏡４が
固定されており、この平面鏡４により、光学系ユニット
７１からコリメータレンズ６を介して入射する光ビーム
は光学系ユニット７１に反射される。この光学系ユニッ
ト７１は、前記実施例と同じように反射光ビームからス
キャナ１の変位を検出し、プリアンプ１５に出力する。

【００７９】前記ステージ３の下面には、プローブ８０
が下方に向けて、その基端で取着されている。このプロ
ーブ８０の先端近くの下方には、試料台８３が設けられ
ている。この試料台８３の上面には、プローブ８０の先
端と微小間隔を有するようにして試料３０が支持されて
いる。

【００８０】この実施例の装置においても、第５の実施
例と同様のＳＰＭ測定を行うことにより、ゆがみのない
ＳＰＭ像が得られる。さらに、この実施例の装置では、
第５の実施例のもののようなプローブスキャン型のＳＰ
Ｍを用いても測定できないような大きな試料をＳＰＭ測
定できる効果がある。従って、大きな試料をＳＰＭ測定
したときのＳＰＭ像の３次元的なゆがみも補正できる。

【００８１】次に、第８の実施例に係わるＳＰＭ装置
を、図１３を参照して説明する。この実施例の装置は、
図１１に示す第５の実施例のものと、スキャナ１のＸＹ
走査をフィードバック制御しない点を除いては、実質的
に同じである。即ち、第１並びに第２の波形成型器１
２，１３から夫々出力されるＸ基準信号並びにＹ基準信
号により、スキャナ１はオープン制御される。ただし、
第５の実施例の場合と同様に、スキャナ１のＺ方向の変
位は、プローブ変位センサー８１からの信号にもとず
き、フィードバック制御され、また、このときには、演
算回路１６からは、プローブ８０に対する試料３０のＸ
Ｙ座標に対応したＸＹ信号、並びに、ＸＹ座標における
スキャナ１のＺ変位信号がＳＰＭ像表示装置８２に与え
られる。このＺ変位信号は、第５の実施例の場合と同様
に、試料３０とプローブ８０との間の相互作用に比例し
た信号になっている。

【００８２】この第８の実施例の装置においても、ＳＰ
Ｍ像表示装置８２にプローブ８０のＸ位置と、Ｙ位置と
が、その位置においてプローブ８０に働く相互作用情報
が供給される。そして、このＳＰＭ像表示装置８２によ
り、プローブ８０のＸＹ位置の情報にしたがって、プロ
ーブ８０に働く相互作用情報をマッピングすれば前記実
施例と同様にゆがみのないＳＰＭ像が得られる。

【００８３】第８の実施例の装置においては、スキャン
コントローラ１１にスキャナ１のＸ方向とＹ方向とに対
する非直線性制御手段を設ける必要がないので構成が簡
単となる。

【００８４】次に、第９の実施例に係わる装置を図１４
を参照して説明する。この実施例の装置は、図８に示す
第４の実施例のものと、光学式変位センサー内の第２の
ハーフミラー６３と第１のポジションディテクタ９ａと
の間に臨界角プリズム９０が付加されている点を除いて
は、実質的に同じである。このような構成にすることに
より、ハーフミラー６３で分岐された光ビームが、夫々
臨界角プリズム６５、９０を通るので、第１のポジショ
ンディテクタ９ａ上での集光スポットＡ１と，第２のポ
ジションディテクタ９ｂ上での集光スポットＡ２とは光
量、並びに位置の変化量が同じになる。。このため、こ
の実施例では、夫々のポジションディテクタ９ａ，９ｂ
からの出力信号を演算した結果の誤差が、原理的にはゼ
ロになるという効果がある。

【００８５】次に、スキャナ１のＸＹＺ方向の変位の検
出方法について説明する。スキャナ１がψ、並びにθ方
向に回動変位したときの、第２のポジションディテクタ
９ｂ上の第２の集光スポットＡ２の変位と、スキャナ１
がＺ方向に変位したしたときの第２の集光スポットＡ２
の光量分布の変化は第４の実施例の場合と同じである。
したがって、スキャナ１がψ、並びにθ方向に変位とき
の、この第２の集光スポットの変位量をｄ（ψ），ｄ
（θ）とし、スキャナ１がＺ方向に変位したときの第２
の左右の光量分布の差をｄ（ｚ）とすると、以下のよう
な演算を行うことにより、ｄ（ψ），ｄ（θ）、ｄ
（ｚ）を求めることができる。

【００８６】 ｄ（ψ）＝（Ａ３＋Ａ４）−（Ａ１＋Ａ２） …（１１） ｄ（θ）＝（Ａ１＋Ａ３）−（Ａ２＋Ａ４） …（１２） ｄ（ｚ）＝（Ａ３＋Ａ４）−（Ａ１＋Ａ２） …（１３） 上記（１１）式と（１３）式とにより、 ｄ（ψ）＋ｄ（ｚ）＝２｛（Ａ３＋Ａ４）−（Ａ１＋Ａ２）｝ …（１４） また、第１のポジションディテクタ９ａ上の集光スポッ
トの位置と光量分布も、スキャナ１のψ，θ、Ｚ方向の
変位に対して、同じように変化し、ｄ（ψ），ｄ
（θ）、ｄ（ｚ）は以下ののようになる。

【００８７】 ｄ（ψ）＝（Ｂ２＋Ｂ４）−（Ｂ１＋Ｂ３） …（１５） ｄ（θ）＝（Ｂ１＋Ｂ２）−（Ｂ３＋Ｂ４） …（１６） ｄ（ｚ）＝（Ｂ１＋Ｂ３）−（Ｂ２＋Ｂ４） …（１７） 上記（１５）式と（１６）式とにより、 ｄ（ψ）−ｄ（ｚ）＝２｛（Ｂ２＋Ｂ４）−（Ｂ１＋Ｂ３）｝ …（１８） また、上記（１４）式と（１８）式とにより、 ２・ｄ（ψ）＝２｛（Ａ３＋Ａ４）−（Ａ１＋Ａ２）＋
（Ｂ２＋Ｂ４）−（Ｂ１＋Ｂ３）｝ …（１９） そして、上記（１４）式と（１８）式とにより、 ２・ｄ（ｚ）＝２［（Ａ３＋Ａ４）−（Ａ１＋Ａ２）−
｛Ｂ２＋Ｂ４）−（Ｂ１＋Ｂ３）｝］…（２０） また、上記（８）式と（１２）式とにより、 ２・ｄ（θ）＝（Ａ１＋Ａ３）−（Ａ２＋Ａ４）＋（Ｂ
１＋Ｂ２）−（Ｂ３＋Ｂ４） …（２１） となる。

【００８８】ここで、ｄ（θ）、ｄ（ψ），ｄ（ｚ）
は、スキャナ１のＸ，Ｙ，Ｚ方向の変位に比例するの
で、 Ｘ＝（Ａ１＋Ａ３）−（Ａ２＋Ａ４）＋（Ｂ１＋Ｂ２）
−（Ｂ３＋Ｂ４） …（２２） Ｙ＝（Ａ３＋Ａ４）−（Ａ１＋Ａ２）＋（Ｂ２＋Ｂ４）
−（Ｂ１＋Ｂ３） …（２３） Ｚ ＝２［（Ａ３＋Ａ４）−（Ａ１＋Ａ２）−｛（Ｂ２
＋Ｂ４）−（Ｂ１＋Ｂ３）｝］…（２４） となる。この（２２）式と、（２３）式と、（２４）式
とによりスキャナ１のＸ方向と、Ｙ方向と、Ｚ方向との
変位を検出することができる。

【００８９】このように、この実施例では、光学式変位
センサーのハーフミラー６３と、第１のポジションディ
テクタ９ａとの間に、臨界プリズム９０を付加されてい
るので、両ポジションディテクタ９ａ，９ｂ上での夫々
の集光スポットの光量と位置の変化量とが同じになり、
このために、夫々のポジションディテクタからの出力を
演算した結果の誤差も原理的にはゼロになり、より精密
な測定ができる効果がある。

【００９０】この第９実施例の装置のように、光学式変
位センサー内の第２のハーフミラー６３と第１のポジシ
ョンディテクタ９ａとの間に臨界角プリズム９０を付加
する技術は、第５ないし第８実施例の装置にも適用でき
ることはもちろんである。

【００９１】尚、上記夫々の実施例では、装置全体を小
形にするために、スキャナ１の変位を測定するための測
定光ビームを円筒状のスキャナ１内を通すようにした
が、このような構成に本発明の技術は限定されるもので
はなく、図１５に示すように、平面鏡４をスキャナ１の
外側でステージ３の下面に装着しても良い。この場合に
はコリメータレンズ６並びに光学系ユニット７１もスキ
ャナ１の外側に配置することにより、部品の配置、保守
点検が容易となる効果がある。この場合にも、平面鏡４
の位置は、ステージ３の下側に限定されるものではな
く、例えば、ステージ３の上面に固定して、光学系ユニ
ット７１をこれの上方に配置しても良い。

【００９２】図１６は、本発明の基本思想であるスキャ
ナを構成する圧電体の変位の補正をしない場合の、圧電
体への印加電圧と、圧電体の変位との関係を示す。この
図で理解できるように、印加電圧の増減に従って、圧電
体は直線的には変形しない。

【００９３】上記実施例では、走査部材としてプローブ
を使用したが、顕微鏡の種類に応じて他の形態のものが
使用され、電子ビーム、光ビーム、超音波ビームをここ
から放出する、例えば開口を有する他の部材でも良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係るスキャナシステムの概略構
成を一部破断して示す図である。

【図２】図１に示すスキャナシステムの光学系ユニット
を、スキャナが変形された状態で示す図である。

【図３】本発明の第２の実施例に係る、スキャナシステ
ムを使用した走査型プローブ顕微鏡を示す図である。

【図４】図３に示す装置のＺ方向変位検出機構を示す図
である。

【図５】（ａ）ないし（ｃ）は、図４に示すＺ方向変位
検出機構の動作を説明するための図で、受光面と集光ス
ポットとの夫々ことなる位置関係を示す。

【図６】図６は、第３の実施例に係わる走査型プローブ
顕微鏡を説明するための図である。

【図７】（ａ）ないし（ｃ）は、第４の実施例の走査型
プローブ顕微鏡の変位検出機構の動作を説明するための
図で、受光面と集光スポットとの夫々ことなる位置関係
を示す。

【図８】図７に示す動作原理にもとずく、第４の実施例
に係わる走査型プローブ顕微鏡の全体を概略的に示す図
である。

【図９】第５の実施例に係わるスキャナシステムを示す
図である。

【図１０】図９に示すスキャナシステムを使用した走査
型プローブ顕微鏡を概略的に示す図である。

【図１１】第６の原子間力顕微鏡を概略的に示す図であ
る。

【図１２】第７の原子間力顕微鏡を概略的に示す図であ
る。

【図１３】第８の原子間力顕微鏡を概略的に示す図であ
る。

【図１４】第９の原子間力顕微鏡を説明するための図
で、（ａ）は全体を概略的に示し、（ｂ）は第１のポジ
ションディテクタの平面図、そして（ｃ）は第２のポジ
ションディテクタの平面図である。

【図１５】本発明に係わるスキャナシステムの変形例を
説明する図である。

【図１６】従来の装置での、圧電体への印加電圧と圧電
体の変位との関係を示す線図である。

【符号の説明】

１… 圧電体スキャナ、３…ステージ、４…平面鏡、６
…コリメータレンズ、８…光源、９…ポジションディテ
クタ、１１…スキャンコントローラ、１２…第１の波形
発生器、１３…第２の波形発生器、１４…スキャナドラ
イバ、１６…演算回路、１９…スキャナ変位検出部、３
０…試料、８０…プローブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八木 明 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−6405（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−1517（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 21/30 G01B 11/26 H01J 37/28

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走査部材と試料とを相対的に走査するた
   めのスキャナと、 このスキャナの固定端部に対する自由端部の変位を検出
   するために、この自由端部に設けられたミラーと、 前記固定端部からミラーに光を照射して、ミラーの傾き
   角を検出することにより、スキャナのｘｙ変位を検出す
   る光学式変位検出手段とを備えたことを特徴とするスキ
   ャナシステム。
2. 【請求項２】 前記ミラーと前記光学式変位検出手段と
   は、前記スキャナの内側に光路を有する請求項１記載の
   スキャナシステム。
3. 【請求項３】 前記ミラーと前記光学式変位検出手段と
   は、前記スキャナの外側に光路を有する請求項１もしく
   は２記載のスキャナシステム。
4. 【請求項４】 前記固定端部からミラーに照射される光
   は、平行光である請求項１ないし３のいずれか１記載の
   スキャナシステム。
5. 【請求項５】 前記固定端部からミラーに照射される光
   は、コリメータレンズで得る請求項４記載のスキャナシ
   ステム。
6. 【請求項６】 前記光学式変位検出手段は、４分割ホト
   ディテクタを有する請求項１ないし５のいずれか１記載
   のスキャナシステム。
7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれか１に記載の
   スキャナシステムを用いる走査顕微鏡。