JPH0980059A - スキャナーシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】カンチレバーと測定試料の間の相対位置を、振
動や熱ドリフトに殆ど影響されることなく、高い精度で
検出できるスキャナーシステムを提供する。 【解決手段】測定試料２８を載せるＸステージ２０とＹ
ステージ２１はベース２２の上に設けられている。カン
チレバー２７を取り付けるカンチレバー保持台２６はチ
ューブスキャナー２５の一端に固定されている。チュー
ブスキャナー２５の他端はチューブスキャナー固定台２
４に固定されている。チューブスキャナー固定台２４
は、Ｚガイド２３を介してベース２２に設けられてお
り、上下方向に移動できる。また、カンチレバー保持台
２６には、レーザー光源１６と集光レンズ１８が組み込
まれたセンサー固定台１７が取り付けられている。測定
試料２８の上には、センサー固定台１７の下方に当たる
位置に、スポット位置センサー１９が載置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡に用いられるスキャナーシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】測定試料を非常に高い分解能で測定する
装置として、例えば特開昭６２−１３０３０２号に開示
されている原子間力顕微鏡がある。これは、先端が非常
に尖った探針をその自由端に持つカンチレバーを利用
し、探針と試料表面の間に働く微弱な力（ほぼ試料面法
線方向に働く力）を検出して試料表面形状の三次元マッ
ピングを行なう装置である。

【０００３】従来、試料に対する高精度な測定が行なえ
るように、原子間力顕微鏡には、種々のスキャナーシス
テムが適用されている。このスキャナーシステムの一例
としては、円筒型圧電素子（チューブスキャナー）の自
由端に、試料を載せるステージを固定した構成が知られ
ている。この円筒型圧電素子は、その内周面に設けられ
た電極と、その外周面に周方向に四等分した位置にそれ
ぞれ設けられた四個の駆動電極とを備えており、四個の
駆動電極に印加される電圧を制御することによって、そ
の自由端を所定方向に所定量だけ三次元的に変位させる
ことが出来る。しかし、圧電素子を電圧駆動した場合、
ヒステリシスやクリープなどの現象が生じる。これらの
非線形な現象は測定像の歪みとなって現れてしまう。

【０００４】本出願人は、この様な不具合を解消するス
キャナーシステムを、特願平５−２４１４４２号におい
て既に提案している。このスキャナーシステムを組み込
んだ走査型プローブ顕微鏡を図２に示す。この装置で
は、スキャナー３の変位は次のようにして求められる。
レーザー光源１２から射出された光を、ステージ１の裏
面に設けられた反射鏡２に照射し、その反射光を集光レ
ンズ７によって、例えば四分割フォトディテクター８に
集光させる。スキャナー３が変位すると、四分割フォト
ディテクター８の光スポットの位置が変化する。四分割
フォトディテクター８は光スポットの位置に対応した電
気信号を出力するため、その出力信号を調べることによ
り、スキャナー３の変位が求められる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】スキャナーに変位検出
手段を組み合わせて、試料に対する高精度な測定を行な
おうとするとき、本来重要なのは試料とカンチレバーの
相対位置を求めることである。

【０００６】しかしながら、図２に示したスキャナーシ
ステムでは、固定台４に対するスキャナー３の相対変位
（厳密にはフォトディテクター８に対する反射鏡２の相
対変位）は測定しているが、カンチレバー１５と試料１
６の正確な相対変位は検出していない。カンチレバー１
５と試料１６の間の相対変位は、スキャナー３の動作の
みによらず、例えば周囲温度変化による熱ドリフトによ
っても生じるためである。図２の走査型プローブ顕微鏡
では、ステージ１からカンチレバー１５までの経路中に
はＺガイド９やベース１３、カンチレバー調整台１０、
積層型圧電素子１４などの多くの部品が存在する。この
ため、熱ドリフトによる影響は大きく無視できない。

【０００７】このような理由から、固定台４に対するス
キャナー３の変位を検出しても、それはカンチレバー１
５と試料１６の間の相対変位であるとは言えない。この
ため、カンチレバー１５と試料１６の間の相対変位を高
い精度で求められるスキャナーシステムの開発が望まれ
ている。

【０００８】本発明は、このような要望に応えるために
なされたもので、その目的は、測定試料とカンチレバー
の間の相対位置を高い精度で検出できるスキャナーシス
テムを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のスキャナーシス
テムは、自由端に探針を有するカンチレバーと、カンチ
レバーを保持する保持手段と、測定試料を設置する試料
台と、カンチレバーと測定試料の相対位置を検出する検
出手段と、カンチレバーと測定試料の位置関係をＸＹＺ
方向に相対的に変化させるスキャナーと、スキャナーを
所定の位置に移動させるための信号を発する変位信号発
生手段と、検出手段からの信号と前記変位信号発生手段
からの信号を比較する制御手段と、制御手段からの信号
に基づき前記ステージを駆動する駆動手段とを備えたス
キャナーシステムにおいて、検出手段が、保持手段に取
り付けられた第一の変位検出要素と、試料または試料台
の上に配置された第二の変位検出要素とを備えているこ
とを特徴とする。

【００１０】第一の変位検出要素と第二の変位検出要素
は近くに位置するため、カンチレバーと測定試料の間の
相対位置は、振動や熱ドリフトに殆ど影響されることな
く、高い精度で検出される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図１を参照しながら本発明
の実施の形態であるスキャナーシステムについて説明す
る。測定試料２８が載置されるＸステージ２０とＹステ
ージ２１はベース２２の上に設けられている。測定試料
２８は、Ｘステージ２０とＹステージ２１により、ＸＹ
平面内を移動可能である。カンチレバー２７を装着する
カンチレバー保持台２６はチューブスキャナー２５の一
端に固定されている。チューブスキャナー２５の他端は
スキャナー固定台２４に固定されている。スキャナー固
定台２４は、Ｚガイド２３を介してベース２２に設けら
れており、上下方向に移動できる。これにより、試料を
交換するときや厚い試料を測定するときなど、カンチレ
バー２７の高さを変える必要が生じた場合に、カンチレ
バー２７の高さを調節できる。

【００１２】また、カンチレバー保持台２６には、レー
ザー光源１６と集光レンズ１８が組み込まれたセンサー
固定台１７が取り付けられている。これが第一の変位検
出要素である。レーザー光源１６はＬＤドライバー２９
により駆動され、集光レンズ１８はレーザー光源１６の
射出光を集束し、次に述べるスポット位置センサー１９
の受光面に光スポットを形成する。

【００１３】測定試料２８の上には、センサー固定台１
７の下方に当たる位置に、スポット位置センサー１９が
載置される。このスポット位置センサー１９が第二の変
位検出要素である。スポット位置センサー１９は、その
受光面に形成された光スポットの位置を検出する。

【００１４】なお、第一の変位検出要素と第二の変位検
出要素の配置関係は逆であって構わないが、取り扱いの
都合上、本構成の方が好ましい。また、光源は、レーザ
ー光源に限るものではなく、ＬＥＤ等であっても一向に
構わない。

【００１５】測定試料２８とカンチレバー２７の間の走
査は、チューブスキャナー２５を電圧駆動することによ
り行なわれる。チューブスキャナー２５は、スキャナー
駆動手段３４により、その自由端がＸＹＺ方向に移動さ
れる。これによりカンチレバー２７がＸＹＺ方向に移動
する。

【００１６】次に、ＸＹ平面内におけるカンチレバー２
７と測定試料２８の相対位置の検出について説明する。
レーザー光源１６より発せられたレーザー光は集光レン
ズ１８によって集光され、スポット位置センサー１９の
受光面上に光スポットを形成する。チューブスキャナー
２５の屈曲動作により光スポット位置はスポット位置セ
ンサー１９の受光面上をＸＹ方向に移動する。この光ス
ポットの動きは、カンチレバー２７の動作に対応してい
る。従って、スポット位置センサー１９の受光面上の光
スポットの位置を、スポット位置判定手段３０を用いて
検出することにより、測定試料２８に対するカンチレバ
ー２７の位置が得られる。

【００１７】一般に、カンチレバー２７と光スポットの
移動量変化率は、詳細には、光スポットの形成位置がチ
ューブスキャナー２５の中心にないことや光軸のたおれ
などにより非線形なものとなる。そこで、より精度の高
い相対位置検出を行なうため、これをセンサー補正手段
３１によって補正線形化した後、制御回路３２へカンチ
レバー２７の変位信号として送る。

【００１８】コンピューター３３はカンチレバー２７を
所望の位置へ変位させるための変位信号を制御回路３２
に出力する。制御回路３２は、コンピューター３３から
の信号とセンサー歪補正手段３１からの信号とを比較
し、スキャナー駆動手段３４を通して、チューブスキャ
ナー２５を必要量だけ駆動する。このようにカンチレバ
ー２７の位置を制御回路３２にフィードバックすること
で、カンチレバー２７の正確な変位量を検出しながら、
カンチレバー２７を所望の位置に高い精度で位置決めす
ることができる。

【００１９】ここまでは、チューブスキャナー２５の駆
動による測定試料２８とカンチレバー２７の間の相対移
動量の検出について述べてきたが、実際には振動や周囲
温度の変化による熱ドリフトなどによっても、カンチレ
バー２７と測定試料２８の間に相対移動が生じる。

【００２０】これは、測定試料２８とカンチレバー２７
を結ぶ系の中に、Ｘステージ２０やＹステージ２１、ベ
ース２２、Ｚガイド２３などの多くの要素が介在するた
め、振動や熱ドリフトの影響を受け易い状態にあるから
である。

【００２１】ところが、図１のスキャナーシステムで
は、レーザー光源１６と集光レンズ１８が組み込まれて
いるセンサー固定台１７がカンチレバー２７の近くに配
置されており、スポット位置センサー１９が測定試料２
８の上に載置されていることから、振動や熱ドリフトの
影響を受け難い。言い換えれば、第一の変位検出要素と
第二の変位検出要素とが非常に近くに位置しているた
め、これにより検出されるカンチレバー２７と測定試料
２８の間の相対位置は精度の高いものとなる。

【００２２】このように、図１のスキャナーシステムに
よれば、ＸＹ平面内におけるカンチレバー２７と測定試
料２８の間の相対位置を、振動や熱ドリフトに殆ど影響
されることなく、高い精度で検出することができる。

【００２３】なお、図１のスキャナーシステムでは、第
一の変位検出要素はカンチレバー保持台２６の左側に固
定されているが、固定位置はここに限定されるわけでは
ない。また、スポット位置センサー１９は、本実施形態
では測定試料２８が大型であるため測定試料２８の上に
置かれたが、Ｘステージ２０の上に置いてもよい。さら
に、第一の変位検出要素は、離れた所にある光源からカ
ンチレバー保持台２６まで光を導き、スポット位置セン
サー１９に向けて光を射出する光ファイバーであっても
よい。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、カンチレバーと測定試
料の間の相対位置を、振動や熱ドリフトに殆ど影響され
ることなく、高い精度で検出できるスキャナーシステム
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスキャナーシステムを示す図である。

【図２】従来のスキャナーシステムを示す図である。

【符号の説明】

１６…レーザー光源、１７…センサー固定台、１８…集
光レンズ、１９…スポット位置センサー、２０…Ｘステ
ージ、２１…Ｙステージ、２５…チューブスキャナー、
２６…カンチレバー保持台、２７…カンチレバー、３０
…スポット位置判定手段、３２…制御回路、３３…コン
ピューター、３４…スキャナー駆動手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】自由端に探針を有するカンチレバーと、カ
   ンチレバーを保持する保持手段と、測定試料を設置する
   試料台と、カンチレバーと測定試料の相対位置を検出す
   る検出手段と、カンチレバーと測定試料の位置関係をＸ
   ＹＺ方向に相対的に変化させるスキャナーと、スキャナ
   ーを所定の位置に移動させるための信号を発する変位信
   号発生手段と、検出手段からの信号と前記変位信号発生
   手段からの信号を比較する制御手段と、制御手段からの
   信号に基づき前記ステージを駆動する駆動手段とを備え
   たスキャナーシステムにおいて、 検出手段が、保持手段に取り付けられた第一の変位検出
   要素と、試料または試料台の上に配置された第二の変位
   検出要素とを備えていることを特徴とするスキャナーシ
   ステム。