JPH11153405A - スキャナーシステムの変位センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ステージの変位をダイナミックレンジや分解能
を切り換えて高精度に検出できる小型な構成のスキャナ
ーシステムの変位センサーを提供する。 【解決手段】チューブ型の圧電体スキャナー１０２は一
端が固定台１０４に固定され、自由端にはステージ１０
８が固定されており、その裏側には鏡１１０が固定され
ている。固定台１０４にはスキャナー１０２の内側に当
たる部分に開口ｍ１０６が形成されており、その下方に
１／４波長板１２０と偏光ビームスプリッター１２２と
二重焦点光学系１３０とポジションディテクター１２４
が順に配置されている。偏光ビームスプリッター１２２
の側方には光源１１２が配置されている。二重焦点光学
系１３０は、これに入射する光を比較的短い第一の焦点
と比較的長い第二の焦点のいずれかに適宜集光すること
ができる。ポジションディテクター１２４は二重焦点光
学系１３０の第一の焦点の近傍に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば走査トンネ
ル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走
査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に適用され、探針や試料
等を走査させるスキャナーの変位センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば特開昭６２−１３０３０２号にお
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）や原子間カ顕微鏡
（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（ＳＰＭ）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、プローブと試料の間の相対位
置を精度良くコントロールできるスキャナーが必要であ
る。一般にスキャナーにはトライポッド型やチューブ型
の圧電体スキャナーが用いられている。

【０００４】チューブ型の圧電体スキャナーは、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
極を有し、外周面にはその周方向に四つの駆動電極を有
している。四つの駆動電極への電圧印加を適宜制御する
ことにより、屈曲や伸縮によって圧電体スキャナーの端
部が三次元的に変位する。圧電体スキャナーの端部にス
テージを固定し、このステージに探針または試料を支持
することにより、圧電体スキャナーの端部の変位によっ
て探針または試料が走査される。

【０００５】圧電体スキャナーはＰＺＴ（チタン酸ジル
コン酸鉛）などにより形成されており、電圧駆動を行な
ったときの変位にヒステリシスやクリープ現象を示すこ
とがよく知られている。従って、圧電体スキャナーを用
いて探針や試料を走査させた場合、ステージ（すなわち
探針または試料）の移動特性は非直線性を示す。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、測
定像の歪みとして現れ、定量的な測定の妨げとなる。

【０００６】このような問題を解決するため、特開平６
−２２９７５３号は、ステージの変位量を光学的に検出
する光学式変位センサーを備えたスキャナーシステムを
開示している。この光学式変位センサーでは、ステージ
に設けた平面鏡に平行光束を照射し、その反射光をレン
ズにより集光し、ポジションディテクターに光スポット
を形成し、ポジションディテクターで検出されたスポッ
ト位置に基づいてステージの移動量を算出している。

【０００７】このような光学式変位センサーにおいて、
レンズとポジションディテクターの相対的な位置を変化
させ、ポジションディテクター上の光スポットの大きさ
を変えることにより、変位センサーのダイナミックレン
ジや分解能を可変にしたものが提案されている。その一
例が特開平７−９８２０６号に示されている。

【０００８】このようにダイナミックレンジや分解能を
変更できる変位センサーは、走査範囲（数ｎｍ〜１００
μｍ以上）が広いＳＰＭには非常に有効である。なぜな
ら、特開平６−２２９７５３号に示されている光学式変
位センサーを含め、通常の変位センサーの分解能はせい
ぜいダイナミックレンジの１／１００００程度である。
つまり、ダイナミックレンジ（ＳＰＭの最大走査幅）が
１００μｍ以上ある変位センサーでは、その分解能は
０．０１μｍ程度である。これは、一走査当たり約５０
０ポイントのデータを取り込むＳＰＭにおいて、変位セ
ンサーが有効な走査幅は５μｍ以上であることを意味す
る。従って、ＳＰＭで用いる変位センサーはダイナミッ
クレンジや分解能が可変である必要がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
７−９８２０６号に示された光学式変位センサーは、メ
カ的にレンズとポジションディテクターの相対位置を変
化させ、ダイナミックレンジや分解能を可変にしている
ため、機構が巨大化、複雑化するだけでなく、それが振
動ノイズの増加につながる。特開平７−９８２０６号に
示されるようなレンズを駆動するメカ機構による高精度
（ｎｍオーダー）な位置決めは難しい。従って、装置を
小さく高剛性にすることが必要なＳＰＭにおいては、こ
のような光学式変位センサーは望ましくない。

【００１０】本発明は、このような事情を考慮して成さ
れたものであり、その目的は機構の大型化や複雑化を伴
なうことなくダイナミックレンジや分解能を変更でき、
これにより広い走査範囲にわたってステージの位置検出
を高精度に行なえるスキャナーシステムの変位センサー
を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第一の主題に基づく本発
明によるスキャナーシステムの変位センサーは、ステー
ジの裏側に固定された鏡と、変位検出のための光ビーム
を射出する光源と、光源からの光ビームを鏡に導く手段
と、鏡で反射された光ビームを第一の焦点または第二の
焦点のいずれかに集光させる二重焦点光学系と、第一の
焦点または第二の焦点の近くに配置されたポジションデ
ィテクターで、二重焦点光学系による焦点の切り換えに
応じて受光面に形成されるスポットの径が切り換えられ
るポジションディテクターと、ポジションディテクター
の出カに基づいてステージの変位を算出する演算部とを
有している。

【００１２】第二の主題に基づく本発明によるスキャナ
ーシステムの変位センサーは、ステージの裏側に固定さ
れた平面鏡と、変位検出のための光ビームを射出する光
源と、光源からの光ビームを平面鏡に導く手段と、平面
鏡で反射された光ビームを収束性光ビームに変換するレ
ンズ手段と、収束性光ビームを二本に分割するビーム分
割手段と、分割された二本の収束性光ビームの各々の光
路上に一つずつ設けられた計二つのポジションディテク
ターで、その一方はレンズ手段の焦点の近くに配置され
ており、このためその受光面には比較的小さい光スポッ
トが形成され、他方の受光面には比較的大きい光スポッ
トが形成される、二つのポジションディテクターと、二
つのポジションディテクターのそれぞれの出力に基づい
てステージの変位を算出する演算部とを有している。

【００１３】第三の主題に基づく本発明によるスキャナ
ーシステムの変位センサーは、ステージの裏側に固定さ
れた平面鏡と、変位検出のための光ビームを射出する光
源と、光源からの光ビームを平面鏡に導く手段と、平面
鏡で反射された光ビームを収束性光ビームに変換するレ
ンズ手段と、収束性光ビームの光路上に配置されたポジ
ションディテクターと、平面鏡からポジションディテク
ターに至る間に設けられた絞り径を変更可能な絞りであ
り、入射する光ビームの径を適宜制限することによりポ
ジションディテクター上に形成される光スポットの大き
さを変更し得る絞り径を変更可能な絞りと、ポジション
ディテクターの出カに基づいてステージの変位を算出す
る演算部とを有している。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。まず、第一の実施の形
態によるスキャナーシステムについて説明する。図１
は、第一の実施の形態によるスキャナーシステムの概略
構成を一部破断して示している。

【００１５】チューブ型の圧電体スキャナー（チューブ
スキャナー）１０２は、その詳細な構造は図示してない
が、チューブ状に形成された圧電体を有し、その内周面
には単一の共通電極が設けられ、外周面には周方向に四
つまたは五つの駆動電極が設けられている。スキャナー
１０２は、その一端が固定台１０４に固定されている。

【００１６】スキャナー１０２の他端すなわち自由端に
はステージ１０８が固定されている。スキャナー１０２
は（図示しない）スキャナードライバーにより駆動さ
れ、その結果としてステージ１０８がｘ、ｙ、ｚの各方
向に変位される。

【００１７】ステージ１０８の裏側には鏡１１０が固定
されている。固定台１０４には、スキャナー１０２の内
側に当たる部分に開ロ１０６が形成されており、この開
ロ１０６を通して鏡１１０に光を導き入れることができ
る。

【００１８】開ロ１０６の下側には、１／４波長板１２
０と偏光ビームスプリッター１２２と二重焦点光学系１
３０とポジションディテクター１２４とが上方から順に
配置されている。また、偏光ビームスプリッター１２２
の側方には、これに入射する光を生成する光源１１２が
配置されている。

【００１９】光源１１２は半導体レーザー１１４とレン
ズ１１６を含み、半導体レーザー１１４はＬＤドライバ
ー１１８によって駆動され、半導体レーザー１１４から
発せられた発散光はレンズ１１６によって平行光に変換
され、この平行光は偏光ビームスプリッター１２２に入
射する。

【００２０】偏光ビームスプリツター１２２は、光源１
１２より発せられた光のｙ方向（紙面垂直方向）の振動
面を持つ成分の光を反射して鏡１１０に導くとともに、
鏡１１０で反射され戻って来る光のｘ方向（紙面平行方
向）の振動面を持つ成分の光を透過して二重焦点光学系
１３０へ導く。

【００２１】二重焦点光学系１３０は、これに入射する
光を比較的短い第一の焦点と比較的長い第二の焦点のい
ずれかに適宜集光することができる。この二重焦点光学
系１３０の具体的な構成については後述する。

【００２２】ポジションディテクター１２４は、二重焦
点光学系１３０の比較的短い第一の焦点の位置近傍に配
置されている。ポジションディテクター１２４は図２に
示されるように四つの受光素子を含んでおり、図１に示
されるように、これらの受光素子の出カＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
は演算回路１２６に入力される。

【００２３】演算回路１２６は、ポジションディテクタ
ー１２４の受光素子の出カＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに基づいて、
ポジションディテクター１２４の受光面に形成されるス
ポットの位置を算出する。演算回路１２６は、ｘ方向の
スポット位置の変位（ｘ方向のステージ１０８の変位）
を、 ｛（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）｝／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ） で求め、ｙ方向のスポット位置の変位（ｙ方向のステー
ジ１０８の変位）を、 ｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ） で求める。

【００２４】図３は、二重焦点光学系１３０の具体例を
示している。二重焦点光学系１３０は二重焦点レンズ１
３２と液晶素子１３４と電源１３６とスイッチ１３８と
で構成されている。液晶素子１３４はスイッチ１３８の
オン・オフに対応して液晶分子の配列が変わる。図３
（Ａ）に示されるように、スイッチ１３８のオンに対し
ては、液晶分子の配列がそろった状態になり、入射する
光をその偏光方向を変えることなく透過する。つまり、
ｘ方向の振動面を持つ入射光は透過後もｘ方向の振動面
を持つ。図３（Ｂ）に示されるように、スイッチ１３８
のオフに対しては、液晶分子の配列がねじれた状態にな
り、入射する光をその偏光方向を９０度回転させて透過
する。つまり、ｘ方向の振動面を持つ入射光は透過後に
ｙ方向の振動面を持つ。このように液晶素子１３４は、
スイッチ１３８のオン・オフに対応して、二重焦点レン
ズ１３２に入射する光の偏光方向を切り換える。

【００２５】二重焦点レンズ１３２は、結晶の配列方向
より屈折率が異なる複屈折結晶で作製されており、入射
する光の偏光方向によって異なる屈折率を有している。
すなわち、図３（Ａ）に示されるように、偏光方向がｘ
方向の光は二重焦点レンズ１３２によってＯＡで示され
る焦点位置に集光され、図３（Ｂ）に示されるように、
偏光方向がｙ方向の光は二重焦点レンズ１３２によって
ＯＢで示される焦点位置に集光される。この二重焦点光
学系では、焦点位置がＯＡとなる集光光線は常光線であ
り、焦点位置がＯＢとなる集光光線は異常光線である。
二重焦点レンズ１３２に使用される硝材は水晶に限ら
ず、方解石など、複屈折結晶なら制限はない。

【００２６】図４は、二重焦点光学系１３０の別の具体
例を示している。二重焦点光学系１３０はレンズ１４２
と液晶素子１４４と液晶駆動部１４６とで構成されてい
る。液晶駆動部１４６は、液晶素子１４４に印加する電
圧を供給する電源と、液晶素子１４４に対する電圧の印
加のオン・オフを切り換えるスイッチとを含んでおり、
液晶素子１４４は液晶駆動部１４６からの電圧印加の有
無に応じて屈折率が変化する。

【００２７】液晶素子１４４は電圧印加の有無に応じて
高い屈折率と低い屈折率の二状態をとる。例えば、電圧
印加のオフに対して液晶素子１４４は低い屈折率をと
り、これに入射する光はＯＡで示される焦点位置に集光
され、電圧印加のオンに対して液晶素子１４４は高い屈
折率をとり、これに入射する光はＯＢで示される焦点位
置に集光される。

【００２８】図５は、二重焦点光学系１３０の更に別の
具体例を示している。二重焦点光学系１３０は焦点可変
レンズ１５２と焦点制御部１６０とで構成されている。
焦点可変レンズ１５２は、電圧印加の有無に応じて屈折
率が変わる液晶部１５４を有し、これを挟んで対向する
透明板材がレンズ１５６と１５８で構成されている。つ
まり、この焦点可変レンズ１５２は機能的には図４の二
重焦点光学系におけるレンズ１４２と液晶素子１４４を
一体化したものに実質的に等しい。

【００２９】焦点可変レンズ１５２は、例えば、電圧印
加のオフに対して液晶部１５４は低い屈折率をとり、焦
点可変レンズ１５２に入射する光はＯＡで示される焦点
位置に集光され、電圧印加のオンに対して液晶部１５４
は高い屈折率をとり、焦点可変レンズ１５２に入射する
光はＯＢで示される焦点位置に集光される。

【００３０】二重焦点光学系１３０の具体例をいくつか
示したが、その構成はこれらに限らない。例えば、特開
昭６０−５０５１０号に開示されている液晶レンズを用
いてもよい。二重焦点光学系１３０は、焦点位置を適宜
切り換えられる機能を持つ集光光学系であれば、どのよ
うな構成であっても構わない。

【００３１】次に、以上のように構成された図１に示さ
れるスキャナーシステムの変位センサーの動作について
述べる。光源１１２のレンズ１１６で平行光とされた光
は、偏光ビームスプリッター１２２によって特定の偏光
成分が反射され、その反射光は一方向のみの偏光成分を
持つ直線偏光となる。この直線偏光は１／４波長板１２
０を通過することで円偏光となり、固定台１０４の開ロ
１０６を通ってスキャナー１０２の内部に設けられた鏡
１１０に到達する。鏡１１０で反射された光は再度１／
４波長板１２０を通過することで、１／４波長板１２０
に入射する前の直線偏光に対して直交する偏光面を持つ
直線偏光となる。このため、この直線偏光は偏光ビーム
スプリッター１２２で反射されずにこれを通過し、二重
焦点光学系１３０によって集光され、ポジションディテ
クター１２４の受光面にスポットを形成する。

【００３２】二重焦点光学系１３０から射出される光が
焦点位置ＯＡに集光する集光光線であれば、図６に示さ
れるように、ポジションディテクター１２４の受光面に
は比較的大きいスポットが形成され、焦点位置ＯＢに集
光する集光光線であれば、図７に示されるように、ポジ
ションディテクター１２４の受光面には比較的小さいス
ポットが形成される。

【００３３】スキャナー１０２が変位していない場合、
スポットはポジションディテクター１２４の受光面の中
央に形成される。すなわち、二重焦点光学系１３０から
の光が、焦点位置ＯＡに集光する集光光線であれば、図
６（Ａ）に示されるように、また、焦点位置ＯＢに集光
する集光光線であれば、図７（Ａ）に示されるように、
スポットはポジションディテクター１２４の受光面の中
央に位置する。

【００３４】一方、スキャナー１０２が変位している場
合、偏光ビームスプリッター１２２から鏡１１０へ向か
う光の入射方向に対して鏡１１０の面方向が傾斜するた
め、鏡１１０に入射した光は入射方向とは異なる方向に
反射される。このため、スポットはポジションディテク
ター１２４の受光面の中央からずれた位置に形成され
る。すなわち、二重焦点光学系１３０からの光が、焦点
位置ＯＡに集光する集光光線であれば、図６（Ｂ）に示
されるように、また、焦点位置ＯＢに集光する集光光線
であれば、図７（Ｂ）に示されるように、スポットはポ
ジションディテクター１２４の受光面の中央から移動す
る。

【００３５】スポットの中央からの移動量は、鏡１１０
の傾斜角度すなわちスキャナー１０２の自由端の変位量
に対応しており、この変位量は演算回路１２６において
前述した演算を行なうことによって求められる。

【００３６】図６（Ｂ）と図７（Ｂ）を比較して分かる
ように、スポットの大きさが異なるため、同じ鏡１１０
の傾斜すなわち同量のスキャナー１０２の変位に対し
て、演算回路１２６による演算結果は異なるものとな
る。言い換えれば、二重焦点光学系１３０で集光位置を
変えることによって、ダイナミックレンジと分解能が切
り換えられる。

【００３７】つまり、ポジションディテクター１２４の
受光面に大きいスポットを形成した場合には、大きいダ
イナミックレンジを得られる反面、ポジションディテク
ター１２４の単位面積当たりの受光量が低下するため、
変位検出の分解能は下がる。反対に、ポジションディテ
クター１２４の受光面に小さいスポットを形成した場合
には、ダイナミックレンジが小さくなる反面、ポジショ
ンディテクター１２４の単位面積当たりの受光量が増加
するため、変位検出の分解能は上がる。

【００３８】本実施形態では、光源１１２の発光手段に
半導体レーザー１１４を用いているが、ＬＥＤ等の他の
発光手段を適用してもよい。ＬＥＤを適用した場合には
干渉による悪影響が生じないので、１／４波長板１２０
を省略したり、偏光ビームスプリッター１２２の代わり
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。

【００３９】次に、第二の実施の形態によるスキャナー
システムについて説明する。図８は、第二の実施の形態
によるスキャナーシステムの概略構成を一部破断して示
している。

【００４０】チューブ型の圧電体スキャナー２０２は、
詳細な図示は省略しているが、チューブ状すなわち両端
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
共通電極を備え、外周面には駆動用電極を備えている。
一般に、駆動用電極は四個または五個からなっている。
スキャナー２０２は一端が固定台２０４に固定されてい
る。スキャナー２０２の自由端にはステージ２０８が固
定され、その裏側に平面鏡２１０が設けられている。

【００４１】スキャナー２０２の内側に位置する固定台
２０４の部分には開ロ２０６が設けられている。開ロ２
０６の下方には、１／４波長板２２０、偏光ビームスプ
リッター２２２、レンズ２３２、ハーフミラー２３４、
ポジションディテクター２３６が同軸上に配置されてい
る。偏光ビームスプリッター２２２の側方には半導体レ
ーザー２１４とコリメータレンズ２１６が配置され、ま
た、ハーフミラー２３４の側方にはポジションディテク
ター２３８が配置されている。

【００４２】ポジションディテクター２３６と２３８は
同じ構造を有しており、共に四分割された受光部を備え
ている。つまり、ポジションディテクター２３６は四つ
の受光部２３６ａと２３６ｂと２３６ｃと２３６ｄを有
し、ポジションディテクター２３８は四つの受光部２３
８ａと２３８ｂと２３８ｃと２３８ｄを有している。こ
れらの各受光部の出カは演算回路２４０に入力される。

【００４３】レンズ２３２からポジションディテクター
２３６までの光路長は、レンズ２３２からポジションデ
ィテクター２３８までの光路長に比較して短く設定され
ている。つまり、光学経路に関して、ポジションディテ
クター２３６はポジションディテクター２３８よりもレ
ンズ２３２の近くに配置されている。

【００４４】次に、このスキャナーシステムの変位セン
サーの動作について説明する。半導体レーザー２１４
は、ＬＤドライバー２１８からの電流供給を受けて、一
方向直線偏光成分を有する発散光ビームを生成する。半
導体レーザー２１４から射出された発散光ビームは、レ
ンズ２１６によって平行光ビームに変換され、偏光ビー
ムスプリッター２２２で反射される。その反射光は、１
／４波長板２２０を通過することで、直線偏光から円偏
光に変換される。この円偏光から成る平行光ビームは、
固定台２０４に形成された開ロ２０６を通ってスキャナ
ー２０２の内部に入り、平面鏡２１０に達し、そこで反
射される。

【００４５】その反射光ビームは再度１／４波長板２２
０を通過し、これにより、最初の直線偏光に対して方位
角が９０°回転した直線偏光となる。この直線偏光から
成るビームは偏光ビームスプリッター２２２を通過し、
レンズ２３２によって集束光ビームに変えられ、ハーフ
ミラー２３４によって二つに分割される。ハーフミラー
２３４を通過した収束光ビームはポジションディテクタ
ー２３６に入射し、一方、ハーフミラー２３４で反射さ
れた収束光ビームはポジションディテクター２３８に入
射する。

【００４６】ポジションディテクター２３８はレンズ２
３２の焦点面近傍に配置されており、ポジションディテ
クター２３６はそれよりもレンズ２３２寄りに配置され
ているため、ポジションディテクター２３６には、ポジ
ションディテクター２３８に形成されるスポットよりも
大きいスポットが形成される。

【００４７】スキャナー２０２が変位していない場合、
ポジションディテクター２３６と２３８に形成されるス
ポットはそれぞれの受光面の中心に形成される。すなわ
ち、四つの受光部２３６ａと２３６ｂと２３６ｃと２３
６ｄの各々に等しい光量のビームが入射し、同様に、四
つの受光部２３８ａと２３８ｂと２３８ｃと２３８ｄの
各々に等しい光量のビームが入射する。

【００４８】一方、スキャナー２０２が例えば図９に示
されるように変位している場合、スキャナー２０２の内
部に入射する光ビームの光軸に対して平面鏡２１０が傾
斜する。例えば、スキャナー２０２のｙ方向の変位に対
して、平面鏡２１０はｘ軸を中心に傾斜する。具体的に
は、スキャナー２０２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２１０に入射した光ビーム
は入射ビームに対して２θの角度をもって反射される。
その結果、ポジションディテクター２３６と２３８に形
成されるスポットは、平面鏡２１０の傾斜角に対応し
て、ポジションディテクター２３６と２３８の受光面の
中心からずれる。

【００４９】ここで、平面鏡２１０の傾斜角θとスポッ
トの移動量の関係について図１０を用いて説明する。ポ
ジションディテクター２３８はレンズ２３２の焦点面に
配置されており、両者の相対的な位置関係は概略的に図
１０（Ａ）で示される。また、ポジションディテクター
２３６はレンズ２３２の焦点面よりもレンズ寄りに配置
されており、両者の相対的な位置関係は概略的に図１０
（Ｂ）で示される。

【００５０】レンズ２３２とポジションディテクター２
３８の間隔をｆ1 （これはレンズ２３２の焦点距離に等
しい）とすると、平面鏡２１０の傾斜角θに対するポジ
ションディテクター２３８上のスポットの移動量ｄ1
（θ）はｄ1 （θ）＝ｆ1 ｓｉｎ（２θ）で与えられ
る。また、レンズ２３２とポジションディテクター２３
６の間隔をｆ2 とすると、平面鏡２１０の傾斜角θに対
するポジションディテクター２３６上のスポットの移動
量ｄ2 （θ）はｄ2 （θ）＝ｆ2 ｓｉｎ（２θ）で与え
られる。

【００５１】ｆ1 ＞ｆ2 であるから、同じ平面鏡２１０
の傾斜θに対して、ポジションディテクター２３８上の
スポットの移動量ｄ1 の方が、ポジションディテクター
２３６上のスポットの移動量ｄ2 よりも大きいことが分
かる。

【００５２】以上の議論は、図９において、スキャナー
２０２の自由端のｙ方向の変位に対応して、平面鏡２１
０に傾斜角θが生じるものとしてのものであるが、これ
はそのままｘ方向の変位に対しても適用できる。

【００５３】スキャナー２０２の自由端の傾斜角度はそ
の変位量に依存しており、従って、スキャナー２０２す
なわちステージ２０８の移動量はポジションディテクタ
ー２３６と２３８に形成されるスポットの移動量から求
められる。

【００５４】受光部２３６ａと受光部２３８ａの出カを
代表的にＡで表し、同様に、受光部２３６ｂと受光部２
３８ｂの出力を代表的にＢ、受光部２３６ｃと受光部２
３８ｃの出カを代表的にＣ、受光部２３６ｄと受光部２
３８ｄの出カを代表的にＤで表すと、スポットが各受光
部間の境界から外れない範囲において、スポットのｘ方
向の移動量（言い換えればステージ２０８のｘ方向の変
位）ｄｘは ｄｘ＝ｋ｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝ で求められ、スポットのｙ方向の移動量（言い換えれば
ステージ２０８のｙ方向の変位）ｄｙは ｄｙ＝ｋ｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝ で求められる。ここにｋは所定の比例定数ｋである。

【００５５】この演算は、演算回路２４０において、ポ
ジションディテクター２３６の受光部２３６ａと２３６
ｂと２３６ｃと２３６ｄの各出カおよびポジションディ
テクター２３８の受光部２３８ａと２３８ｂと２３８ｃ
と２３８ｄの各出力に対して行われる。

【００５６】図１０に示されるように、ポジションディ
テクター２３６の受光面に形成されるスポットはポジシ
ョンディテクター２３８の受光面に形成されるスポット
よりも大きく、また、前述したように、平面鏡２１０の
同じ傾斜に対するポジションディテクター２３８上のス
ポットの移動量の方がポジションディテクター２３６上
のスポットの移動量よりも大きいことから、ポジション
ディテクター２３８の受光部２３８ａと２３８ｂと２３
８ｃと２３８ｄの出力に基づいて得られる変位信号はダ
イナミックレンジは狭いが感度が高く、これとは反対
に、ポジションディテクター２３６の受光部２３６ａと
２３６ｂと２３６ｃと２３６ｄの出力に基づいて得られ
る変位信号は感度は低いがダイナミックレンジが広いこ
とが分かる。

【００５７】続いて、第三の実施の形態によるスキャナ
ーシステムについて説明する。図１１は、第三の実施の
形態によるスキャナーシステムの概略構成を一部破断し
て示している。

【００５８】チューブ型の圧電体スキャナー（チューブ
スキャナー）３０２は、詳細な構成の図示は省略してい
るが、チューブ状すなわ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
に外周面にその周方向に４つまたは５つの駆動電極を設
けて構成されている。このスキャナー３０２はその下端
が固定台３０４に固定されている。スキャナー３０２の
上端すなわち自由端にはステージ３０８が固定されてい
る。このステージ３０８に試料あるいはプローブが装着
される。

【００５９】ステージ３０８の下面には、平面鏡３１０
がその反射面を下に向けて固定されている。固定台３０
４には、スキャナー３０２と同軸に孔３０６が形成され
ており、１／４波長板３２０と偏光ビームスプリッター
３２０と平面鏡３１０と一直線上に配置されている。偏
光ビームスプリッター３２２の下方には、図示しない支
持部材により支持されている光源部３１２が配置されて
いる。この光源部３１２は、半導体レーザー３１４と、
これを駆動するためのＬＤドライバー３１８と、半導体
レーザー３１４の射出側に配置されたコリメータレンズ
３１６とで構成されている。

【００６０】偏光ビームスプリッター３２２の側方に
は、絞り径が可変な絞り３３０と、集光レンズ３３２
と、ポジションディテクター３３４とが一直線上に配置
されている。絞り３３０は、例えば、径の異なる複数の
開口が形成され回転可能に支持された円板で構成され
る。あるいは、複数の羽状の絞り板からなる虹彩絞りで
構成されてもよい。

【００６１】ポジションディテクター３３４は四つの受
光領域を有し、その中心が光軸上に位置するように配置
されている。ポジションディテクター３３４の受光領域
は、プリアンブ３３６を介して、その出力に基づいてス
キャナー３０２の変位を算出する演算回路３３８に接続
されている。

【００６２】スキャナー３０２を駆動するスキャナード
ライバー３４４は、波形発生器３４６で発生される基準
波形（基準電圧）に基づいて制御信号を生成するスキャ
ンコントローラー３４０に接続されている。このスキャ
ンコントローラー３４０は、演算回路３３８から入カさ
れる変位信号に基づいて、スキャナー３０２の非直線性
を補正する非直線性補正手段３４２を含んでいる。

【００６３】演算回路３３８は増幅されたポジションデ
ィテクター３３４の出力信号からスキャナー３０２の変
位を求め、その変位を示す変位信号をスキャンコントロ
ーラー３４０に供給する。スキャンコントローラー３４
０は、波形発生器３４６で発生される基準電圧に対して
所定の処理（後述するフィードバック制御のための処理
やスキャナー３０２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）を行ない、ｘ方向の制
御信号およびｙ方向の制御信号をスキャナードライバー
３４４へ出力する。その際、非直線性補正手段３４２
は、演算回路３３８から供給される変位信号に基づいて
生成される制御信号に所定の補正を加える。スキャナー
ドライバー３４４は、供給される制御信号に従ってスキ
ャナー３０２の四つの駆動電極に選択的に電圧印加を行
ない、スキャナー３０２を変位させる。

【００６４】次に、この様に構成されたスキャナーシス
テムの変位センサーの動作について述べる。スキャナー
ドライバー３４４がスキャナー３０２の四つの駆動電極
のいずれにも電圧を印加していない状態では、スキャナ
ー３０２は変位しておらず基準状態にある。また、スキ
ャナードライバー３４４がスキャンコントローラー３４
０から出カされる制御信号に基づいてスキャナー３０２
の四つの駆動電極に選択的に電圧印加を行なうと、その
電圧印加に応じてスキャナー３０２が変位する。

【００６５】光源部３１２から射出された直線偏光であ
る平行ビームは、偏光ビームスプリツター３２２を通っ
て１／４波長板３２０に入射する。この１／４波長板３
２０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。

【００６６】１／４波長板３２０を透過した光ビーム
は、固定台３０４の孔３０６を通って平面鏡３１０へ入
射する。この入射光ビームは平面鏡３１０で反射され
て、再度１／４波長板３２０に入射する。１／４波長板
３２０を透過した光ビームは、１／４波長板３２０の二
度の通過で、１／４波長板３２０に入射する前の直線偏
光成分とは直交した直線偏光成分を持つ光ビームとな
る。

【００６７】１／４波長板３２０を通過した光ビーム
は、偏光ビームスプリッター３２２で反射される。反射
された光ビームは、絞り径を変えることのできる絞り３
３０を介し、集光レンズ３３２に入射し、ポジションデ
ィテクター３３４の受光面に集光され、光スポットを形
成する。この光スポットは、ステージ３０８の傾斜すな
わちスキャナー３０２の変位に対応して、中心より変位
した位置に形成される。

【００６８】スキャナー３０２が図に示される様に変位
している場合、平面鏡３１０は、スキャナー３２０の内
部に入射した光ビームの光軸に対して傾きθを持つ。従
って、平面鏡３１０に入射した光ビームは、２θの角度
をもって反射される。

【００６９】平面鏡３１０で反射された光ビームは、１
／４波長板３２０および偏光ビームスプリツター３２２
を経て、絞り径を可変な絞り３３０に入射する。絞り３
３０の絞り径を小さくすることにより、例えば偏光ビー
ムスプリッター３２２の表面反射や１／４波長板３２０
などの表面反射により発生するノイズ光を除去し、測定
用の光ビームだけを取り出すことができる。絞り３３０
を通過した光は四つの受光領域を有するポジションディ
テクター３３４の受光面に光スポットを形成する。この
とき、光ビームは平面鏡３１０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、光スポットの形
成位置は平面鏡３１０の傾き方向に応じて変位する。

【００７０】ポジションディテクター３３４は、集光レ
ンズ３３２の焦点位置に配置すると、光スポットが小さ
いため、移動量が大きくなると蹴られ始め、移動検出範
囲が小さくなるため、若干光軸方向にずらしてある。つ
まり、ポジションディテクター３３４は、集光レンズ３
３２の焦点位置よりもレンズ３３２の近くに配置されて
いる。

【００７１】ポジションディテクター３３４の受光面上
における光スポットの受光面中心からの変位量Ｄは近似
的に Ｄ＝ｆｓｉｎ（２θ） で表される。ここにｆは集光レンズ３３２の焦点距離で
ある。

【００７２】ここで絞り３３０の径を図中に破線で示さ
れるように小さくすると、集光レンズ３３２から射出さ
れる光ビームの開口角が小さくなり、ポジションディテ
クター３３４の受光面上に形成される光スポット径が小
さくなる。その結果、光スポット径に対する変位量の比
が大きくなるので、高い分解能での測定が可能となる。
また、絞り３３０の径を大きくすると、集光レンズ３３
２から射出される光ビームの開口角が大きくなり、ポジ
ションディテクター３３４の受光面上に形成される光ス
ポット径が大きくなる。その結果、光スポット径に対す
る変位量の比が小さくなるので分解能は低下するが、広
い領域に渡って測定が可能である。

【００７３】ポジションディテクター３３４の受光面上
の光スポットの変位方向と変位量は平面鏡３１０の傾き
方向と傾き角に対応しており、平面鏡３１０の傾き方向
と傾き角はステージ３０８の変位方向と変位量に対応し
ている。演算回路３３８はポジションディテクター３３
４の出カ信号に対して所定の演算を行なうことにより、
ポジションディテクター３３４の受光面上の光スポット
の変位方向と変位量を算出し、光スポットの変位方向と
変位量から平面鏡３１０の傾き方向と傾き角を求め、平
面鏡３１０の傾き方向と傾き角からステージ３０８の変
位方向と変位量を求める。

【００７４】具体的には、ポジションディテクター３３
４の受光面上における光スポットのｘ方向の変位量ｄｘ
とｙ方向の変位量ｄｙは、ポジションディテクター３３
４の各受光領域の出力信号をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄと
して、 ｄｘ＝｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋
Ｄ） ｄｙ＝｛（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）｝／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋
Ｄ） で得られる。

【００７５】スキャンコントローラー３４０は、波形発
生器３４６から出カされる基準波形に基づいて、ステー
ジ３０８を所定状態に変位させるためのｘ方向の制御信
号とｙ方向の制御信号を生成する。所望のステージ３０
８の状態と実際のステージ３０８の状態との間には、ス
キャナー３０２を構成する圧電体の変位に生じるヒステ
リシスやクリープなどのために偏差が存在する。非線形
性補正手段３４２は、モニター信号を監視し、所望のス
テージ３０８の状態とモニター信号が示す実際のステー
ジ３０８の状態との偏差を求め、これを補償するよう
に、前述の生成された制御信号に補正を加える。すなわ
ち、スキャンコントローラー３４０は、演算回路３３８
で求められる実際のステージ３０８の状態が所望の状態
となるようにフィードバック制御を行なう。

【００７６】実際のステージ３０８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３０８の状態が所望の状態となるようにフ
ィードバック制御されるので、ステージ３０８の状態
は、スキャナー３０２を構成する圧電体の変位にヒステ
リシスやクリープなどの影響を受けないものとなり、ス
テージ３０８の状態が良好に制御される。

【００７７】次に、上述した第三の実施の形態のスキャ
ナーシステムの変形例について説明する。図１２は、こ
の変形例によるスキャナーシステムの概略構成を一部破
断して示している。図中、第三の実施の形態において既
に説明した部材と同じ部材は同じ参照符号で示し、その
詳しい説明は省略する。

【００７８】この変形例は、図１２から分かるように、
前述した第三の実施の形態のスキャナーシステム（図１
１）に、スキャン範囲を設定するスキャン範囲設定部３
４８と、設定されたスキャン範囲に応じて絞り３３０の
絞り径を調整する絞り調整部３５０とを付加した構成と
なっている。

【００７９】波形発生器３４６は、スキャン設定部３４
８で設定されるスキャン範囲に基づいて基準波形（基準
電圧）を生成する。また、絞り調整部３５０は、スキャ
ン設定部３４８で設定されたスキャン範囲に応じて、絞
り３３０の絞り径を変更する。具体的には、スキャン設
定部３４８において広いスキャン範囲が設定された場合
には、絞り調整部３５０は絞り径が大きくなるように絞
り３３０を調整し、スキャン設定部３４８において狭い
スキャン範囲が設定された場合には、絞り調整部３５０
は絞り径が小さくなるように絞り３３０を調整する。

【００８０】前述したように、絞り調整部８５０の絞り
径が大きい場合には、感度は低いが、平面鏡３１０の傾
き角の検出可能な範囲、言い換えればステージ３０８の
変位の検出可能な範囲は広い。逆に、絞り調整部３５０
の絞り径が小さい場合には、感度は高いが、平面鏡３１
０の傾き角の検出可能な範囲、言い換えればステージ３
０８の変位の検出可能な範囲は狭い。

【００８１】絞り調整部３５０は、検出可能なステージ
３０８の変位の範囲がスキャン範囲設定部３４８で設定
されるスキャン範囲に等しいかあるいはこれよりも僅か
に広くなるように、絞り３３０の絞り径を調整する。

【００８２】例えば、絞り３３０が複数の羽状の絞り板
からなる虹彩絞りで構成されている場合には、この条件
を最も良く満足するように絞り径が調整される。また、
絞り３３０が径の異なる複数の開口が形成され回転可能
に支持された円板で構成されている場合には、この条件
を満たす開口の中から適当な開口が光路上に配置され
る。

【００８３】このような絞り３３０の調整を行なうこと
により、スキャン範囲に合った最適な感度で、平面鏡３
１０の状態を検出するための信号を得ることができる。
ポジションディテクター３３４で検出される信号は、前
述した第三実施形態と全く同様に処理される。すなわ
ち、ポジションディテクター３３４で得られる情報に基
づいて実際のステージ３０８の状態（傾き角θおよび傾
き方向）を検出し、この検出される実際のステージ３０
８の状態が所望の状態となるようにフィードバック制御
する。これにより、ステージ８０８の状態は、スキャナ
ー３０２のヒステリシスやクリープなどの影響が除去さ
れ、良好に制御される。

【００８４】ここに説明した第三の実施の形態およびそ
の変形例では所望のステージ状態を得るためにフィード
バック制御を行なっているが、例えばＳＴＭやＡＦＭの
場合には演算回路３３８からのモニター信号に合わせて
ｘｙ座標を新たにコンピューター上におこし、このｘｙ
座標上にＳＴＭ信号やＡＦＭ信号を再配置する画像処理
を行なうことにより所望のステージ状態を得ることもで
きる。

【００８５】光源３１２の発光手段に半導体レーザー３
１４を用いているが、ＬＥＤ等の他の発光手段を適用し
てもよい。ＬＥＤを適用した場合には干渉による悪影響
が生じないので、１／４波長板３２０と偏光ビームスプ
リッター３２２に代えてハーフミラーを用いることがで
き、構成の簡略化を図ることができる。本発明は上述し
た実施の形態に何等限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で行なわれる全ての実施を含む。

【００８６】

【発明の効果】本発明によれば、機構の大型化や複雑化
を伴なうことなく、ダイナミックレンジや分解能を変更
できるスキャナーシステムの変位センサーが提供され
る。従って、このスキャナーシステムは、高い剛性が要
求される走査型プローブ顕微鏡に好適に適用でき、探針
または試料を支持するステージの変位を広範な走査範囲
にわたり高精度に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の実施の形態によるスキャナーシステムの
概略構成を一部破断して示している。

【図２】図１に示されるポジションディテクターに含ま
れる四つの受光素子を概略的に示している。

【図３】図１に示される二重焦点光学系のひとつの具体
例を示している。

【図４】図１に示される二重焦点光学系の別の具体例を
示している。

【図５】図１に示される二重焦点光学系の更に別の具体
例を示している。

【図６】焦点位置ＯＡに集光する集光光線によってポジ
ションディテクター上に形成されるスポットおよびスポ
ットの位置と鏡の傾斜の関係を示している。

【図７】焦点位置ＯＢに集光する集光光線によってポジ
ションディテクター上に形成されるスポットおよびスポ
ットの位置と鏡の傾斜の関係を示している。

【図８】第二の実施の形態によるスキャナーシステムの
概略構成を一部破断して示している。

【図９】図８に示される平面鏡の傾斜とポジションディ
テクター上に形成されるスポットの位置の関係を示して
いる。

【図１０】図８においてレンズから二つのポジションデ
ィテクターまでの距離とポジションディテクター上に形
成されるスポットの大きさの関係を示している。

【図１１】第三の実施の形態によるスキャナーシステム
の概略構成を一部破断して示している。

【図１２】図１１に示されるスキャナーシステムの変形
例の概略構成を一部破断して示している。

【符号の説明】

１１０ 鏡 １１２ 光源 １２０ １／４波長板 １２２ 偏光ビームスプリッター １２４ ポジションディテクター １２６ 演算回路 １３０ 二重焦点光学系

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チューブスキャナーの自由端に固定され
   たステージの変位を検出するスキャナーシステムの変位
   センサーであり、 ステージの裏側に固定された鏡と、 変位検出のための光ビームを射出する光源と、 光源からの光ビームを鏡に導く手段と、 鏡で反射された光ビームを第一の焦点または第二の焦点
   のいずれかに集光させる二重焦点光学系と、 第一の焦点または第二の焦点の近くに配置されたポジシ
   ョンディテクターで、二重焦点光学系による焦点の切り
   換えに応じて受光面に形成されるスポットの径が切り換
   えられるポジションディテクターと、 ポジションディテクターの出カに基づいてステージの変
   位を算出する演算部とを有しているスキャナーシステム
   の変位センサー。
2. 【請求項２】 チューブスキャナーの自由端に固定され
   たステージの変位を検出するスキャナーシステムの変位
   センサーであり、 ステージの裏側に固定された平面鏡と、 変位検出のための光ビームを射出する光源と、 光源からの光ビームを平面鏡に導く手段と、 平面鏡で反射された光ビームを収束性光ビームに変換す
   るレンズ手段と、 収束性光ビームを二本に分割するビーム分割手段と、 分割された二本の収束性光ビームの各々の光路上に一つ
   ずつ設けられた計二つのポジションディテクターで、そ
   の一方はレンズ手段の焦点の近くに配置されており、こ
   のためその受光面には比較的小さい光スポットが形成さ
   れ、他方の受光面には比較的大きい光スポットが形成さ
   れる、二つのポジションディテクターと、 二つのポジションディテクターのそれぞれの出力に基づ
   いてステージの変位を算出する演算部とを有しているス
   キャナーシステムの変位センサー。
3. 【請求項３】 チューブスキャナーの自由端に固定され
   たステージの変位を検出するスキャナーシステムの変位
   センサーであり、 ステージの裏側に固定された平面鏡と、 変位検出のための光ビームを射出する光源と、 光源からの光ビームを平面鏡に導く手段と、 平面鏡で反射された光ビームを収束性光ビームに変換す
   るレンズ手段と、 収束性光ビームの光路上に配置されたポジションディテ
   クターと、 平面鏡からポジションディテクターに至る間に設けられ
   た絞り径を変更可能な絞りであり、入射する光ビームの
   径を適宜制限することによりポジションディテクター上
   に形成される光スポットの大きさを変更し得る絞り径を
   変更可能な絞りと、 ポジションディテクターの出カに基づいてステージの変
   位を算出する演算部とを有しているスキャナーシステム
   の変位センサー。