JPH07134132A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】小型かつ安価で組立工数も少ない走査型プロー
ブ顕微鏡を提供する。 【構成】フレーム１４の上部に固定された圧電体スキャ
ナー１６の下端にセンサーユニット２０が取り付けられ
ている。センサーケース２２の内部には、レーザー光源
３０、コリメートレンズ３２、光軸に対して４５度の角
度で配置されたハーフミラー３４、その透過光をカンチ
レバー２６に集光するための集光レンズ３６とミラー３
８が設けられている。センサーケース２２にはハーフミ
ラー３４の上方に開口２４が形成されている。その上方
に反射ミラー４４が、その反射方向に集光レンズ４６と
ポジションディテクター４８が配置されている。ポジシ
ョンディテクター４８には受光面上のビームの位置を求
めるプリアンプ５０が接続されており、これには圧電体
スキャナーの非直線性を補正するようにスキャナードラ
イバー１８を制御するための演算回路５２が接続されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子間力顕微鏡などの走
査型プローブ顕微鏡に関する。とくに、ヒステリシスや
クリープ等による圧電体スキャナーの非線形的な変位を
補正する構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡などの走
査型プローブ顕微鏡では、柔軟なカンチレバーの自由端
に設けた探針を試料の表面に沿って走査し、その間に探
針が受ける力により生じるカンチレバーの自由端の変位
を求め、この変位を走査信号とあわせて処理することに
より試料表面の情報を得ている。

【０００３】試料表面に対して探針を走査する手段のひ
とつに、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などを材料と
したチューブ型の圧電体スキャナーがある。一般にこの
ような圧電体スキャナーは、チューブ状に形成した圧電
体の内周面に単一の共通電極を設け、外周面に周方向に
四つの駆動電極を設けて構成されている。この圧電体ス
キャナーは、四つの駆動電極への印加電圧を適宜制御す
ることにより、全体を屈曲あるいは伸縮させることがで
き、これにより端部を三次元的に変位させることができ
る。このような圧電体スキャナーを用いた走査型プロー
ブ顕微鏡では、圧電体スキャナーの端部に探針または試
料を支持し、この端部を変位させることにより走査を行
なっている。

【０００４】圧電体スキャナーは、駆動電圧と変位の特
性にヒステリシスを有し、また電圧が印加された状態で
はクリープ現象を示すことが知られている。このため、
前述したように圧電体スキャナーを用いて探針や試料を
移動させる場合、圧電体スキャナーの端部に支持された
探針または試料の移動特性は非直線性を示すものとな
る。この非直線性は、走査型プローブ顕微鏡においては
観察像のゆがみとして現れ、定量的な測定の妨げとな
る。この非直線性を補正する手段を備えた走査型プロー
ブ顕微鏡がいくつか提案されている。

【０００５】近年、走査型プローブ顕微鏡は、その用途
が広がるにつれて、試料の大きさ（面積）や質量の制約
を受けることなく、試料の表面形状を正確に測定できる
ことが望まれている。

【０００６】このような要求に応える走査型プローブ顕
微鏡の一例を図２に示す。コの字状をしたフレーム１４
の下部に、試料１０を載置するための試料ステージ１２
が設けられている。この試料ステージ１２は粗動機構を
有し、試料１０を大幅に移動させることができる。

【０００７】フレーム１４の上部には、前述したチュー
ブ型の圧電体スキャナー１６が取り付けられており、そ
の下端にセンサーユニット２０が取り付けられている。
圧電体スキャナー１６は、スキャナードライバー１８か
らの駆動電圧信号にしたがって、センサーユニット２０
を三次元方向に移動させる。

【０００８】センサーユニット２０は、センサーケース
２２、カンチレバー２６、レーザー光源３０、コリメー
トレンズ３２、集光レンズ３６、ミラー３８、光位置検
出器４０、検出器アンプ４２で構成されている。センサ
ーケース２２は、圧電体スキャナー１６の下端に取り付
けられ支持されている。カンチレバー２６は、センサー
ケース２２の下面にわずかに傾けて取り付けられてお
り、自由端部の下面に探針２８を有し、その上面は鏡面
状になっている。センサーケース２２の内部には、レー
ザー光源３０、その射出光を平行光束に変えるコリメー
トレンズ３２、この平行光束を集束光束に変える集光レ
ンズ３６、この集束光束をカンチレバー２６の自由端部
に向けて反射するミラー３８が設けられている。このと
き、集光レンズ３６とカンチレバー２６の相対位置およ
び集光レンズ３６の焦点距離は、集束光束がカンチレバ
ー２６の自由端部の上面で集光するように選んである。
光位置検出器４０は、カンチレバー２６からの反射光が
入射する位置においてセンサーケース２２に固定されて
いる。光位置検出器４０は分割された受光面を持ち、各
受光面に入射したビームの光量差を求める検出器アンプ
４２が接続されている。

【０００９】レーザー光源３０から射出された光は、コ
リメートレンズ３２を通過することにより平行光束とな
ったのち、集光レンズ３６を通過して集束光束となり、
ミラー３８で反射され、カンチレバー２６の自由端部の
上面に集光する。カンチレバー２６からの反射光は光位
置検出器４０に入射し、その入射位置はカンチレバー２
６の自由端部の変位に応じて変化する。光位置検出器４
０は例えば分割された受光面を持っており、各受光面に
入射したビームの光量差を検出器アンプ４２で求めるこ
とによって、カンチレバー２６の自由端部の変位を知る
ことができる。

【００１０】フレーム１４の上部には、圧電体スキャナ
ー１６とは独立した位置に、センサーケース２２の上面
に設けた反射ミラー６８に向けて参照ビームを射出する
半導体レーザー６０が設けられている。半導体レーザー
６０と反射ミラー６８の間には、光源側から順に、コリ
メートレンズ６２、偏光ビームスプリッター６４、１／
４波長板６６が配置されていて、これらは共にフレーム
１４に固定されている。偏光ビームスプリッター６４か
らの光を集束する集光レンズ４６、これを通過した光を
受けるポジションディテクター４８がフレーム１４に固
定されている。ポジションディテクター４８にはプリア
ンプ５０が接続されており、その出力は演算回路５２を
経て、スキャナードライバー１８に入力される。

【００１１】半導体レーザー６０から射出された参照ビ
ームはコリメートレンズ６２により平行光束となり、偏
光ビームスプリッター６４と１／４波長板６６を通過
し、反射ミラー６８に照射される。反射ミラー６８から
の反射光は再び１／４波長板６６を通過して偏光ビーム
スプリッター６４に入射する。このビームは、１／４波
長板６６を二度通過することで、その偏光面が半導体レ
ーザー６０の射出する直線偏光と直交している直線偏光
となっているため、偏光ビームスプリッター６４におい
て右方に反射される。反射されたビームは集光レンズ４
６によってポジションディテクター４８の受光面上に集
光される。

【００１２】圧電体スキャナー１６を用いてセンサーユ
ニット２０を走査した際、その移動量に応じて、参照ビ
ームの光軸に対して反射ミラー６８が傾く。この反射ミ
ラー６８の傾斜に伴なって、ポジションディテクター４
８の受光面上におけるビームの入射位置が変化する。プ
リアンプ５０は、ポジションディテクター４８からの信
号を受けて入射ビームの変位を求める。この変位情報に
より反射ミラー６８の傾斜角、すなわち反射ミラー６８
が固定されているセンサーケース２２を支持している圧
電体スキャナー１６の変位状態を検出することができ
る。

【００１３】前述したように圧電体スキャナー１６は、
その電圧駆動時に発生するヒステリシスやクリープ等に
よって、その移動特性は非直線性を示す。このため、セ
ンサーケース２２を介して間接的に圧電体スキャナー１
６に固定された探針２８には、実際の走査変位と所望の
走査変位との間で偏差が生じる。

【００１４】演算回路５２は、この偏差を計算し、これ
を補正するための制御信号をスキャナードライバー１８
に送る。スキャナードライバー１８は、この制御信号に
応じて、駆動電圧を変化させ、圧電体スキャナー１６の
走査変位および圧電体スキャナー１６にセンサーケース
２２を介して間接的に固定された探針２８の走査変位が
所望の状態となるようにフィードバック制御を行なう。

【００１５】このように構成された従来の装置において
は、試料表面を走査する探針２８は、その変位を検出す
る光学系と共に一体化したセンサーユニット２０として
スキャナー１６の下端に支持されているので、試料表面
の観察は、この探針２８を含むユニット全体を走査して
行なわれる。このため、試料の大きさ（面積）や重量
は、前述のセンサーユニットとは関係なく、自由度が高
い。また、圧電体スキャナー１６とは独立に設けた半導
体レーザー６０から発せられた参照ビームをセンサーユ
ニット２０に当て、その反射光の位置変化を検出するこ
とで圧電体スキャナー１６の実際の走査変位を求め、所
定の演算処理によりスキャナーの電圧駆動時に発生する
ヒステリシスやクリープ等による走査変位の非直線性を
補正するフィードバック制御を行なうことができる。こ
の構成により、光ディスク等の試料を細断することな
く、その表面形状を正確に測定することが可能となる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】このような非直線性補
正システムを備えた走査型プローブ顕微鏡においては、
次に述べるようないくつかの問題がある。第一に、非直
線性補正システムは、半導体レーザー６０、コリメート
レンズ６２、偏光ビームスプリッター６４、１／４波長
板６６、反射ミラー６８、集光レンズ４６、ポジション
ディテクター４８を構成要素に含んでおり、複雑な構成
になっていると共にその占有容積も大きいものとなって
いる。これは、装置の大型化を招いているとともに、耐
振動特性の観点からしても好ましくはない。

【００１７】第二に、非直線性補正システムの構成要素
に含まれている偏光ビームスプリッターや１／４波長板
などの光学素子は比較的高価なため、装置の高コストの
原因ともなっている。

【００１８】第三に、装置を実際に組み立てる際、半導
体レーザーのビームを平行光束に変えたり参照ビームの
光軸を合わせたりするための調整項目が多いため、また
探針の変位を検出する光学系の調整も行なわなければな
らないため、その組み立てが調整工数の多いものとなっ
ている。本発明は、非直線性補正システムの構成を簡略
化することで、小型かつ安価で組立時の工数も少ない走
査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、カンチレバーに支持された探針、この探針の
変位を検出する探針変位検出光学系を含むセンサーユニ
ットと、センサーユニットを試料の観察表面に対して走
査する圧電体スキャナーと、探針変位検出光学系の光源
が射出するビームの一部を分離して参照ビームとしてセ
ンサーユニットの外部に射出させる手段と、参照ビーム
の位置変化を検出する参照ビーム位置変化検出手段と、
参照ビーム位置変化検出手段で検出した参照ビームの位
置変化に基づいて圧電体スキャナーの走査変位を求める
演算手段とを備えている。

【００２０】

【作用】探針の変位を検出する光学系の光源が射出する
ビームは、ハーフミラー等を用いて二本に分けられ、一
方は探針の変位を検出するためのビームとして使用さ
れ、他方はセンサーユニットの外部に射出され、非直線
性補正システムのための参照ビームとして使用される。
このハーフミラーは、例えば、レーザー光源の射出する
ビームを平行光束に変えるためのコリメートレンズと、
平行光束を集束光束に変えてカンチレバー上に集光する
ための集光レンズとの間に配置される。ハーフミラーで
反射された光は、センサーユニットのケースに設けた開
口を通って外部空間に平行光束として射出され、その光
軸方向は圧電体スキャナーの走査変位に応じて変化す
る。その位置変化は、ポジションディテクターなどの参
照ビーム位置変化検出手段で検出され、その検出信号に
従って圧電体スキャナーの走査変位が演算手段で求めら
れる。

【００２１】

【実施例】次に本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施例
について図１を参照しつつ説明する。試料１０を載せる
ための試料ステージ１２は、コ字状のフレーム１４の下
部に設けられている。試料ステージ１２は粗動機構を有
していて、試料１０の観察位置を特定する際には試料を
大きく移動させる。

【００２２】チューブ型の圧電体スキャナー１６は、そ
の上端がフレーム１４の上部に固定されている。下端に
はセンサーユニット２０が取り付けられていて、試料１
０の上方にセンサーユニット２０を三次元方向に移動可
能に支持している。スキャナードライバー１８は駆動信
号を圧電体スキャナー１６に供給し、センサーユニット
２０を三次元方向に移動させる。

【００２３】センサーユニット２０は、センサーケース
２２、カンチレバー２６、レーザー光源３０、コリメー
トレンズ３２、ハーフミラー３４、集光レンズ３６、ミ
ラー３８、光位置検出器４０、検出器アンプ４２で構成
されている。センサーケース２２は、圧電体スキャナー
１６の下端に取り付けられており、その下面にカンチレ
バー２６が若干傾けた状態で取り付けられている。カン
チレバー２６は、上面が鏡面になっており、自由端部の
下面に探針２８が設けられている。

【００２４】センサーケース２２の内部には、レーザー
光源３０、その射出光を平行光束に変えるコリメートレ
ンズ３２、光軸に対して４５度の角度で配置されたハー
フミラー３４、ハーフミラー３４を透過した平行光束を
集束光束に変える集光レンズ３６、この集束光束をカン
チレバー２６の自由端部に向けて反射するミラー３８が
光の進行方向に順に設けられている。集束光束はカンチ
レバー２６の自由端部の上面において集光するように、
集光レンズ３６の焦点距離および集光レンズ３６とカン
チレバー２６の相対位置が選んである。カンチレバー２
６の自由端部の上面で反射された光が向かう位置には、
光位置検出器４０が配置されており、これはセンサーケ
ース２２に固定されている。光位置検出器４０は例えば
分割受光面を持つフォトディテクターなどで構成され、
各受光面に入射したビームの光量差を求める検出器アン
プ４２が接続されている。

【００２５】センサーケース２２には、ハーフミラー３
４の上方に当たる位置に開口２４が形成されている。こ
の開口２４の上方には、開口２４を通って射出された平
行光束を右方に反射する反射ミラー４４がフレーム１４
に固定されている。反射ミラー４４で反射された平行光
束の進行方向には、平行光束を集束光束に変える集光レ
ンズ４６と、その集束光束の集光位置にはポジションデ
ィテクター４８がフレーム１４に固定されている。ポジ
ションディテクター４８には、その受光面上における入
射ビームの位置を求めるプリアンプ５０が接続されてい
る。このプリアンプ５０には、その出力に基づいて圧電
体スキャナー１６に要求している所望の走査変位と実際
の走査変位との偏差を求め、これを補正するようにスキ
ャナードライバー１８を制御するための演算回路５２が
接続されている。

【００２６】レーザー光源３０から射出された光は、コ
リメートレンズ３２を通過して平行光束となり、ハーフ
ミラー３４に入射する。ハーフミラー３４は、入射した
平行光束の一部を上方に向けて反射する。ハーフミラー
３４を通過した平行光束は、集光レンズ３６を通過して
集束光束となり、ミラー３８で反射され、カンチレバー
２６の自由端部の上面に集光される。カンチレバー２６
からの反射光は光位置検出器４０に入射し、その入射位
置はカンチレバー２６の自由端部の変位に応じて変化す
る。光位置検出器４０は分割受光面を持ち、検出器アン
プ４２において各受光面に入射したビームの光量差を調
べることで、カンチレバー２６の自由端部の変位を求め
られる。

【００２７】ハーフミラー３４で反射された平行光束
は、センサーケース２２に設けた開口２４を通ってセン
サーユニット２０の外部に参照ビームとして射出され
る。参照ビームは、フレーム１４に固定されている反射
ミラー４４で再び反射され、集光レンズ４６を通過する
ことで集束光束に変わり、ポジションディテクター４８
の受光面に集光する。

【００２８】センサーユニット２０外部に射出される参
照ビームは、圧電体スキャナー１６を用いてセンサーユ
ニット２０を走査した際にその移動量に応じて光軸が傾
斜する。この結果、ポジションディテクター４８の受光
面上におけるビームの入射位置が変化する。この変化は
プリアンプ５０で求められ、その変位情報は演算回路５
２に入力され、圧電体スキャナー１６の電圧駆動時に発
生するヒステリシスやクリープ等による走査変位の非直
線性を補正するためのフィードバック制御が行なわれ
る。

【００２９】本発明は、前述の実施例に何等限定される
ものではなく、種々多くの変形や改良が可能である。例
えば、前述の実施例では、センサーユニットから射出さ
れた参照ビームを反射ミラーを用いてポジションディテ
クターに向けているが、この反射ミラーの位置にポジシ
ョンディテクターを配置することで反射ミラーを省いて
もよい。

【００３０】

【発明の効果】本発明の構成によれば、非直線性補正シ
ステムを含めた装置の構成が簡略化されるので、装置の
小型軽量化が実現でき、これにより耐振動特性の向上が
図れる。

【００３１】また、従来では必要であった半導体レーザ
ーや偏光ビームスプリッター、１／４波長板などの比較
的高価な部品が不要となり、全体の部品点数が少なくな
るので、装置のコストダウンが実現できる。

【００３２】非直線性補正システムの参照ビームを探針
の変位検出光学系のビームと共用しているので、平行光
束の整形や光軸合わせ等の作業は変位検出光学系につい
てのみ行なうだけでよく、組立や調整の手間が少なくて
済むようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走査型プローブ顕微鏡の実施例の
構成を示す図である。

【図２】走査型プローブ顕微鏡の従来例の構成を示す図
である。

【符号の説明】

１６…圧電体スキャナー、２０…センサーユニット、２
４…開口、２６…カンチレバー、２８…探針、３０…レ
ーザー光源、３４…ハーフミラー、４８…ポジションデ
ィテクター、５０…プリアンプ、５２…演算回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カンチレバーに支持された探針、この探
   針の変位を検出する探針変位検出光学系を含むセンサー
   ユニットと、 センサーユニットを試料の観察表面に対して走査する圧
   電体スキャナーと、 探針変位検出光学系の光源が射出するビームの一部を分
   離して参照ビームとしてセンサーユニットの外部に射出
   させる手段と、 参照ビームの位置変化を検出する参照ビーム位置変化検
   出手段と、 参照ビーム位置変化検出手段で検出した参照ビームの位
   置変化に基づいて圧電体スキャナーの走査変位を求める
   演算手段とを備えている走査型プローブ顕微鏡。