(57)【要約】【課題】歪のないＸＹ位置情報とともに、正確なＺ位置情報を得ることが可能であるコンパクトなスキャナシステム、およびこれを用いたプローブ顕微鏡装置を提供する。【解決手段】３次元方向に移動可能なステージ２を備えるスキャナ１と、光源２０と、この光源からの照射光を反射するために、ステージ２に設けられた測定鏡２４と、測定鏡２４によって反射された光を検出し、この検出された反射光の相対的な位相変化に基づいて、ステージ２の鉛直方向への変位量情報を取得する縞計数系２９と、測定鏡２４によって反射された光を検出し、この検出された反射光に基づいて、測定鏡２４の相対的な傾きの変化情報を取得する角度検出系２８とを備えるスキャナシステムにより課題の解決を図る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物を載置させる変位可能なステージを備えた、走査部材と該測定対象物とを相対的に走査させるスキャナと、
光を照射する照射手段と、
前記ステージに設けられ、前記照射手段により照射された照射光を反射する反射手段と、
該反射手段によって反射された光である第１の反射光の相対的な位相変化に基づいて、前記ステージの鉛直方向への変位量の情報を示す変位情報を取得する変位情報取得手段と、
前記反射手段によって反射された光である第２の反射光に基づいて、該反射手段の相対的な傾きの変化の情報を示す角度変化情報を取得する角度変化情報取得手段と、
を備えることを特徴とするスキャナシステム。
【請求項２】
前記スキャナは、該スキャナの内側に前記反射手段を有することを特徴とする請求項１記載のスキャナシステム。
【請求項３】
前記変位情報取得手段は、所定の光と前記第２の反射光との干渉による干渉縞の相対的な変化量を取得することを特徴とする請求項１記載のスキャナシステム。
【請求項４】
前記ステージは、鉛直方向へのみ変位することを特徴とする請求項１記載のスキャナシステム。
【請求項５】
請求項１、２、３、及び４のうちのいずれか１つに記載のスキャナシステムを用いる走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小変位を得るために用いられるスキャナシステムに関し、例えば、ナノメートルオーダーの分解能で試料表面情報を得る走査型プローブ顕微鏡に用いられるスキャナシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の徹細情報をナノメートルオーダーの縦横分解能で観察できる装置であり、試料表面を検出するプローブや試料表面間の相互作用により、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の様々な種類が存在し、試料表面の高分解能観察に広く用いられている。
【０００３】
これらの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高い分解能でコントロールできるスキャナシステムが必要であり、この種のスキャナシステムとして、円筒型圧電素子を３軸駆動アクチュエータとして用いた圧電体スキャナ（チューブスキャナ）がある。チューブスキャナは円筒状の圧電素子の周方向に４枚の分割電極を有し、各電極への電圧印加を適宜制御することにより、屈曲や伸縮により、圧電体の自由端部を３次元的に変位させるものである。
【０００４】
図３は、この圧電体スキャナを用いた従来の走査型プローブ顕微鏡について示すものである。スキャナ１の上端にはステージ２が固定されており、この上に試料３が載置されている。試料３にカンチレバー４を近づけると、試料３とカンチレバー４との間に働く相互作用、例えば、原子間力によって、カンチレバー４の自由端が変位する。
【０００５】
カンチレバー変位センサ５はこの変位量を検出し、変位信号Ｓ１をＺスキャンドライバ６に出力する。Ｚスキャンドライバ６はカンチレバー変位信号Ｓ１を予め定めた一定値に保つように、スキャナ１を駆動するＺ駆動信号Ｓｚを出力し、スキャナ１はこれを受けて試料３をＺ方向に移動させる。
【０００６】
つまり、Ｚスキャンドライバ６は、試料３とカンチレバー４の間の距離を制御し、両者の間に働く相互作用が一定に維持されるようにフィードバック制御を行う。一方、スキャンコントローラ７はＸＹ走査のためのＸ走査信号ＴｘとＹ走査信号ＴｙをＸＹスキャンドライバ８に出力する。
【０００７】
ＸＹスキャンドライバ８は、Ｘ，Ｙ走査信号Ｔｘ，Ｔｙに応じ、スキャナ１への印加電圧Ｓｘ，Ｓｙを変えて、スキャナの屈曲動作により、試料３のＸＹ走査を行う。
また、スキャンコントローラ７からはＸ，Ｙ走査信号Ｔｘ，Ｔｙに基づいて、データ取り込み用のタイミングパルスＰｘ，Ｐｙがサンプリング部９に出力される。サンプリング部９はこのタイミングパルスに応じて、Ｚ駆動信号Ｓｚ、つまりＺ変位信号をサンプリングする。サンプリング部９でサンプリングされたＺ変位信号は画像信号として画像メモリ１０に保存され、図示しないＣＲＴなどに像が表示される。
【０００８】
上述のように原子間力によるカンチレバー４の撓みを制御対象とするなら、得られる情報は試料３の３次元形状情報である。
しかしなから、このチューブ型圧電体スキャナに代表されるスキャナ１は高分解能で駆動させることが可能である反面、印加電圧に対するスキャナ１の変位特性は直線的でなく、例えば、図４に示すようにヒステリシス形状を有する。また、電圧印加時間の経過と共に変位量が変化していくクリープ現象も示す。
【０００９】
従来の測定方法では、印加電圧を一定の幅で変化させながら、Ｚ駆動信号Ｓｚをサンプリングし、画像化している。このため、ヒステリシスやクリープ現象による影響により、得られる像は歪んだものとなり、また、再現性も良くない。
この欠点を解消するために、ステージの傾きを四分割フォトダイオードを用いて検出してＸＹ方向の変位に換算し、これに基づいて補正したＸＹ駆動信号をスキャナに供給するフィードバック制御が提案されている（例えば、特許文献１。）。
【００１０】
この方法により、ＸＹ方向の非線形性は解消され、歪みのない像が再現性良く得られるようになった。
また、ＸＹＺ３軸にレーザー干渉測長計を配置し、スキャナ１の変位を直接検出し、ＸＹ位置を制御し、Ｚは測長値により高さ情報を得る手段も提案されている（例えば、非特許文献１）。
【００１１】
【特許文献１】
特許第３３４９７７９号公報（第１−１１頁、第１−１６図）
【非特許文献１】
「Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  ｔｕｂｅ  ｓｃａｎｎｅｒ                ｆｏｒ  ａ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｂｙ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ」，Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，英国，１９９５年，第６号，ｐ．１２１−１２６
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
昨今、走査型プローブ顕微鏡の有する高い空間分解能から、薄膜段差測定、微細粗さ計測等において、特にその高さ情報が重要視され、ＸＹ方向の線形さとともに、Ｚ方向の測定データの確かさが重要となってくる場合がある。このようなケースでは、従来の装置ではＺ方向には圧電体のヒステリシスが残り、正確な高さ情報が得られなかった。
【００１３】
また、非特許文献１では、３軸にレーザー干渉計を配していることからシステムは大型化、複雑化してしまうという欠点があった。
上記の課題に鑑み、本発明では、歪のないＸＹ位置情報とともに、正確なＺ位置情報を得ることが可能であるコンパクトなスキャナシステム、およびこれを用いたプローブ顕微鏡装置を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、請求項１記載の発明によれば、測定対象物を載置させる変位可能なステージを備えた、走査部材と該測定対象物とを相対的に走査させるスキャナと、光を照射する照射手段と、前記ステージに設けられ、前記照射手段により照射された照射光を反射する反射手段と、該反射手段によって反射された光である第１の反射光の相対的な位相変化に基づいて、前記ステージの鉛直方向への変位量の情報を示す変位情報を取得する変位情報取得手段と、前記反射手段によって反射された光である第２の反射光に基づいて、該反射手段の相対的な傾きの変化の情報を示す角度変化情報を取得する角度変化情報取得手段と、を備えることを特徴とするスキャナシステムを提供することによって達成できる。
【００１５】
このように構成することによって、歪のないＸＹ位置情報とともに、正確なＺ位置情報を得ることができる。
また上記課題は、請求項２記載の発明によれば、前記スキャナは、該スキャナの内側に前記反射手段を有することを特徴とする請求項１記載のスキャナシステムを提供することによって達成できる。
【００１６】
このように構成することによって、スキャナシステムの圧電体の内部スペースを有効活用できる。
また上記課題は、請求項３記載の発明によれば、前記変位情報取得手段は、所定の光と前記第２の反射光との干渉による干渉縞の相対的な変化量を取得することを特徴とする請求項１記載のスキャナシステムを提供することによって達成できる。
【００１７】
このように構成することによって、Ｚ方向の変位情報を取得することができる。
また上記課題は、請求項４記載の発明によれば、前記ステージは、鉛直方向へのみ変位することを特徴とする請求項１記載のスキャナシステムを提供することによって達成できる。
【００１８】
このように構成することによって、本スキャナシステムはＺ方向の一軸にのみ極めて高い真直度を持って移動することができる。
また上記課題は、請求項５記載の発明によれば、請求項１、２、３、及び４のうちのいずれか１つに記載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よって達成できる。
【００１９】
このように構成することによって、請求項１〜４に記載したスキャナシステムを走査型プローブ顕微鏡に用いることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態としては、測定対象物を移動させるスキャナと、この測定対象物の変位を検出するよう設けられた変位検出システムとを備えており、変位検出システムは前記測定対象物近傍に配置された反射手段と、反射手段に対し光を照射する光源と、反射手段からの反射光の位相変化から測定対象物の変位を検出する変位検出系と、反射光の一部を取り出し、反射光の角度変化を検出する角度検出系とからなることを特徴とするスキャナシステムであり、このスキャナシステムを用いた走査型プローブ顕微鏡装置である。
【００２１】
それでは、本発明の実施の形態にかかるスキャナシステムに関して、走査型プローブ顕微鏡に組み込んだ実施例を以下に示す。なお、説明に際し、従来例に示された構成と同一の部位に関しては、同一の符号を用い、その説明を省略する。
（実施例１）
図１は、本実施例におけるスキャナシステムの構造の概要を示す。同図に示すように、スキャナ１の自由端側に固定されたステージ２裏側には、測定鏡２４が取り付けられている。また、スキャナ１の固定端側にはレーザー光源２０、偏光ビームスプリッタ２１、１／４波長板２２ａ，２２ｂ、参照鏡２３、コーナーキューブ２５、ビームスプリッタ２６がそれぞれ固定され配置されている。
【００２２】
レーザー光源２０より出射される光は偏光ビームスプリッタ２１に入射する。偏光ビームスプリッタ２１を透過した光は、参照光として１／４波長板２２ｂを介し、参照鏡２３で反射し、再度１／４波長板２２ｂを介して偏光ビームスプリッタ２１に入射する。
【００２３】
このとき、再度入射した偏光ビームスプリッタの偏光状態は偏光ビームスプリッタ２１透過時とは９０度回転した直線偏光となっているので、偏光ビームスプリッタ２１で反射され、コーナーキューブ２５を介し、偏光ビームスプリッタ２１で反射、再度１／４波長板２２ｂを介し、参照鏡２３に入射する。参照鏡２３で反射した光は再び１／４波長板２２ｂを介し、偏光ビームスプリッタ２１を透過する。
【００２４】
同様にレーザー光源２０より出射し、偏光ビームスプリッタ２１で反射した光は、上記の参照鏡に反射した光と同様の偏光状態変化により１／４波長板２２ａ、コーナーキューブ２５を介し、測定鏡２４で２度反射され、上記の参照鏡２３経由の反射光と重なって出射し、縞計数系２９に入射する。縞計数系２９では、測定鏡２４と参照鏡２３とからの反射光による干渉縞から、ホモダイン検波により位相差を検出している。
【００２５】
ここで、測定鏡２４に入射する光の測定鏡２４上の位置２４ａ，２４ｂは、カンチレバー４による測定点を通る垂線のミラー面上Ｐを間に対称な位置に調整されている。また、測定鏡２４に導かれる光路側には途中、ビームスプリッタ２６があり、測定鏡２４からの一度目の反射光を分岐し、４分割フォトディテクタ２７に導くように配置されている。４分割フォトディテクタ２７に入射された反射光は、４分割フォトディテクタ２７の受光面に集光スポットを形成する。
【００２６】
ここで、４分割フォトディテクタ２７の受光面は、４等分された領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４から構成され、それら４つの領域が受光面中央で接するように構成されている。ステージ２が変位していない場合、集光スポットは４分割フォトディテクタ２７の受光面の中央に形成される。すなわち、それぞれ等しい光量を４つの領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に入射させている。また、この４分割フォトディテクタ２７は、角度検出系２８に接続されている。
【００２７】
ここで、ステージ２のＺ方向（上下方向）への変位量の検出について説明する。スキャナ１に所定の電圧を印加すると、スキャナ１の自由端側はＺ方向へ伸縮する。例えば、スキャナ１の自由端、すなわちステージ２が上方向へｄｚ変位したとすると、測定鏡２４により２度反射される光路の長さは、４・ｄｚ増加する。
【００２８】
したがって、縞計数系２９に入射する測定鏡２４と参照鏡２３からの両反射光の間にはα＝（４・ｄｚ）・２π／λ（λ：波長）の位相差が含まれる。この両反射光の干渉光強度Ｉは、次式で表される。
Ｉ＝Ａ２＋｛１＋ｃｏｓ（４．ｄｚ・２π／λ）｝          （１）
ここで、Ａは振幅である。
【００２９】
式（１）から、ステージ２がＺ方向へｄｚ＝λ／４変化する毎に繰り返される強度変化を計数することで、ステージ２のＺ方向変位ｄｚを測定することができる。
上記で得られた測定結果をサンプリング部９にＺ変位信号として出力する。サンプリング部９でＺ変位信号は画像信号として画像メモリ１０に保存され、図示しないＣＲＴなどに像が表示される。
【００３０】
なお、測定鏡２４に対する測定光の位置はカンチレバー４測定点Ｐをはさんで対称にアライメントされているので、Ｚ変位測定点Ｐはカンチレバー４測定点の垂線上にあることとなり、幾何学的な誤差は最小な配置となっている。このため、ステージ２が角度を持った場合でも、Ｚ方向の測定は高い精度で行うことが可能となっている。
【００３１】
次に、角度検出系２８では、４分割フォトディテクタ２７上の反射光のＸＹ方向位置変化を出力する。４分割フォトディテクタ２７に入射する光は、測定鏡２４によって一度反射された光であり、スキャナ１の自由端端面角、すなわちステージ２の傾斜角の影響を含んでいる。スキャナ１が屈曲動作によりＸ方向へΔｄｘ変位すると共に、ステージ２がＸ方向へθ傾いた影響を測定鏡２４から４分割フォトディテクタ２７までの光路長Ｌとすると、
Δｄｘ＝Ｌ×ｔａｎ（２θ）＝２Ｌθ            （２）
のずれを生ずることとなる。
【００３２】
同様に、Ｙ方向へスキャナ１が変位した場合には測定鏡２４はＸ軸を中心として傾斜するので、ステージ２のＹ方向への傾斜角度をφとすると、このときのＹ方向の変位量は次式で表される。
Δｄｙ＝Ｌ×ｔａｎ（２φ）＝２Ｌφ            （３）
したがって、４分割フォトディテクタ２７によりスポットの形成位置のずれ量Δｄｘｙを、４分割フォトディテクタ２７の各領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４への入射光量の比較から検出することにより、式（２）と式（３）に基づいて測定鏡２４の傾斜角度θおよびφを求めることができる。
【００３３】
ここで、スポットのずれ量Δｄｘｙは測定鏡２４の傾き方向に対応するので、角度検出系２８では、４分割フォトディテクタ２７の出力信号に基づいて、式（２）、式（３）の演算を行うことにより、測定鏡２４の傾斜角度θおよびφを算出する。このようにして、角度検出系２８では、測定鏡２４の傾斜角度（θ，φ）と傾斜方向、すなわちＸ方向への変位量とＹ方向への変位量を算出することができる。
【００３４】
このようにして、角度検出系２８はこの反射光の位置ずれからＸＹ変位を検出し、出力する。これにより、角度検出系２８からはＸＹ変位が得られ、縞計数系２９からはＺ変位の値が得られる。
角度検出系２８は、４分割フォトディテクタ２７から出力された信号より、ステージ２のＸ方向、Ｙ方向のそれぞれの変位を表すモニタ信号Ｒｘ，Ｒｙに変換し、スキャンコントローラ３０に与える。具体的には、分割フォトディテクタ２７の４つの受光領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４での受光情報をそれぞれＲｄ１，Ｒｄ２，Ｒｄ３，Ｒｄ４とすると、モニタ信号Ｒｘ，Ｒｙは、
Ｒｘ＝（Ｒｄ１＋Ｒｄ４）−（Ｒｄ２＋Ｒｄ３）          （４）
Ｒｙ＝（Ｒｄ１＋Ｒｄ２）−（Ｒｄ３＋Ｒｄ４）          （５）
で表される。このモニタ信号Ｒｘ，Ｒｙは、上記のΔｄｘ，Δｄｙに対応する情報であり、式（２），（３）よりそれぞれ、θ，φが算出される。算出された傾斜角度θ，φの情報は、スキャンコントローラ３０に出力される。
【００３５】
スキャンコントローラ３０では、ＸＹ変位情報として得られたステージ２の傾斜角度θ，φに基づいて、現在位置と目標位置とのずれをＸＹスキャンドライバ８にＸ，Ｙ走査信号Ｔｘ，Ｔｙとして送出することでＸＹ位置の制御を行っている。ここで、このずれ量の検出方法の１つに、例えば、所望とするステージ２の状態とモニタ信号が示す実際のステージ２の状態との偏差を求める方法がある。
【００３６】
所望とするステージ２の状態と実際のステージ２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変位が生じるので、ＸＹスキャンドライバ８はこの偏差を求め、この偏差を補償するように走査信号Ｔｘ，Ｔｙを変化させる。このようにして、実際のステージ２の状態が所望する状態となるようにフィードバック制御を行う。
【００３７】
以上より、角度検出系２８で得られたＸＹ変位により、ＸＹ方向の位置歪みは発生することなく、また、カンチレバー４による表面追従は縞計数系２９により検出した正確なＺ変位により測定結果とすることができる。
（実施例２）
本実施例は、実施例１の変形例である。本実施例では、Ｚ方向の変位に特化したスキャナシステムについて説明する。
【００３８】
図２は、本実施例におけるスキャナシステムの構造の概要を示す。本実施例では、実施例１と異なり、角度検出系２８の出力側はＸＹスキャンドライバ８に接続されており、角度検出系２８からＸＹ変位を示すＸＹ変位値がＸＹスキャンドライバ８に出力される。
【００３９】
ＸＹスキャンドライバ８では従来例におけるＺスキャンドライバ同様、角度検出系２８から出力されたＸＹ変位値が予め設定された一定値となるようにスキャナ１に電圧の印加を行う。この場合の設定値は、電圧を印加しない場合のＸＹ変位値に等しくする。これにより、スキャナ１の自由端、すなわちステージ２のＸＹ方向への移動は固定され、ＸＹ変位は生じない。
【００４０】
以上より、ステージ２はＺ方向の一軸にのみ極めて高い真直度を持って移動せしめることが可能となり、縞計数系２９から出力されるＺ変位値からは微小な幾何学誤差（アッベ誤差）をも排除することが可能となり、極めて高い確かさを持ってＺ変位を得ることが可能となる。
【００４１】
なお、実際にプローブ顕微鏡として動作させるには、図示しないＸＹ方向の移動ステージによりカンチレバー４と試料３の相対位置関係を変化させることで１次元、あるいは２次元に移動させ、試料３の高さ方向の正確な変化を得ることが可能である。
【００４２】
また、なお、実施例１，２で用いた干渉計に限定されることはなく、例えば、フィゾー干渉計やマイケルソン干渉計その他の干渉計を用いてもよい。また、実施例１，２では位置情報の取得にホモダイン法を用いているが、光源をヘテロダイン光源とするヘテロダイン法を用いることも可能である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、コンパクトなスキャナシステムの構成において、歪のないＸＹ位置情報のもと、正確なＺ位置情報を得ることが可能であり、およびこれを用いたプローブ顕微鏡装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１におけるスキャナシステムの構造の概要を示す図である。
【図２】実施例２におけるスキャナシステムの構造の概要を示す図である。
【図３】圧電体スキャナを用いた走査型プローブ顕微鏡の従来例を示す図である。
【図４】従来の印加電圧に対するスキャナの変位特性をグラフ化した図である。
【符号の説明】
１      スキャナ
２      ステージ
３      試料
４      カンチレバー
５      カンチレバー変位センサ
６      Ｚスキャンドライバ
８      ＸＹスキャンドライバ
９      サンプリング部
１０    画像メモリ
２０    レーザー光源
２１    偏光ビームスプリッタ
２２ａ，２２ｂ  １／４波長板
２３    参照鏡
２５    コーナーキューブ
２６    ビームスプリッタ
２７    ４分割フォトディテクタ
２８    角度検出系
２９    縞計数系
３０    スキャンコントローラ
【図１】
2004333441.tif 000003
【図２】
2004333441.tif 000004
【図３】
2004333441.tif 000005
【図４】
2004333441.tif 000006