JP3167495B2 - スキャナーシステム、及びそれを具備した走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型プローブ顕微鏡
において走査手段として使用するスキャナーシステムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】原子レベルの高い縦横方向分解能を有す
る表面検査装置として走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）
が提案されている。ＳＰＭとしては、走査型トンネル顕
微鏡（ＳＴＭ）と原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）がよく知ら
れており、ＡＦＭは絶縁体や半導体のパターン検査装置
としても使用できることから近年とくに注目されてい
る。

【０００３】一般にＳＰＭでは、その走査手段には移動
量を高精度に制御できる圧電体スキャナーを用いてい
る。圧電体スキャナーは、基本的に圧電体とその表面に
設けた電極とで構成され、電極に印加する電圧を制御す
ることによりｎｍオーダーで変位を制御することができ
る。圧電体スキャナーの中でも、円筒形状の圧電体を使
用したチューブスキャナーと呼ばれるものは、円筒形状
であることから剛性が高く、最近では圧電体スキャナー
の主流になっている。次にこのチューブスキャナーにつ
いて図面を参照しつつ説明する。

【０００４】チューブスキャナー１２は、図４に示すよ
うに、円筒形状の圧電体セラミックス１４と、その内周
面に設けた共通電極１６と、外周面に設けた四つの駆動
電極２２、２４、２６、２８とを有している。チューブ
スキャナー１２のＸＹ方向への駆動は、対向した二つの
電極２２と２４あるいは２６と２８には絶対値の等しい
逆極性の電圧を印加して行ない、その移動量（変位）は
印加電圧に基づく推定により算出している。例えば、共
通電極１６を０電位に保ち、駆動電極２２に＋φ（例え
ば＋１００Ｖ）、駆動電極に−φ（例えば−１００Ｖ）
を印加する。すると、駆動電極２２の側の圧電体は伸
び、駆動電極２４の側の圧電体は縮むため、その上端部
（ＳＰＭではここに試料台を取り付ける）が矢印ａの方
向に変位する。このようなチューブスキャナー１２で
は、共通電極１６と四つの駆動電極２２、２４、２６、
２８に印加する電圧の比を適当に変えることにより、上
端部を三次元的に移動させることができる。これによ
り、ＳＰＭにおいてプローブと試料の間で所望の走査が
行なえるようになる。

【０００５】チューブスキャナーとその周辺回路とから
なるスキャナーシステムは、チューブスキャナーとその
駆動回路とで開ループを構成する場合と、これにチュー
ブスキャナーの変位センサーを付加して閉ループを構成
する場合とがある。開ループの場合、構成が簡単なため
比較的安価にスキャナーシステムを構成できるという利
点がある。閉ループの場合、圧電体のヒステリシス等の
影響を除去できるため、高精度の走査を行なえるという
利点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般にチューブスキャ
ナー１２の圧電体１４は、図４（Ｂ）に示すように、厚
さが均一でなく、場所によるばらつきがある。このよう
なばらつきは製造上避けられないもので、現在入手でき
るチューブスキャナーでは５％程度のばらつきがあるの
が普通である。このような圧電体１４の厚さの不均一は
移動量（変位）の誤差の原因となる。例えば、共通電極
１６を０電位とし、四つの駆動電極２２、２４、２６、
２８に同じ電圧ψ（例えば＋１００Ｖ）に印加した場
合、駆動電極２２の側と駆動電極２４の側では圧電体１
４の内部に発生する電界の大きさが異なり、伸びる量が
異なってしまう。つまり、圧電体１４の厚さが理想的に
均一であればまっすぐ伸びるべきところが、厚さがばら
つきがあるためにまっすく伸びずに横方向（ＸＹ方向）
の変位成分を含んでしまい、不所望な変位となってしま
う。この現象は、図５において、圧電体１４のヒステリ
シスが、電極２２の側ではｄ＋のようになっているが、
電極２４の側ではｄ−のようになっているためであると
説明することができる。

【０００７】このように円筒形状の圧電体に厚さのばら
つきは、場所による圧電体の伸縮量の不均一を引き起こ
し、チューブスキャナーの特性のばらつきの原因とな
る。このようなチューブスキャナーの特性のばらつき
は、高精度の位置制御が要求されるＳＰＭにとっては極
めて好ましくない。

【０００８】ところで、特願平４−２２２９０２に記載
のスキャナーのＸＹ方向の変位測定用のセンサーを用い
てチューブスキャナーを閉ループ回路で駆動する場合、
ｘｙ方向に関してフィードバック制御が行なわれるた
め、チューブスキャナーの特性にばらつきがあってもｘ
ｙ方向の変位はよい精度で定められる。チューブスキャ
ナーでは円筒状の圧電体が反ることで変位が生じるた
め、ｘｙ方向に正方形に走査した場合、チューブスキャ
ナー上のある点の軌跡は理想的なチューブスキャナーで
あっても実際には球面となり、ｚ方向の動きが伴う。更
に実際のチューブスキャナーでは、特性のばらつきのた
め球面が歪んでしまう。従って、この閉ループ回路によ
る駆動では、瞬間瞬間のｘｙ座標値は正しいが、ｚ座標
値は理想値とは異なったものになっている。

【０００９】このような現象は、ｘｙｚ方向のいずれの
方向にも高い精度での測定が可能であるとされているＳ
ＰＭでは、ｚ方向での定量性を確保する上で甚だ好まし
くない。本発明は、円筒状圧電体の厚さのばらつきに起
因する動作誤差のないスキャナーシステムを提供するこ
とにある。

【００１０】

【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、円筒形状の圧電体、その内周面に設けた一つの
共通電極、外周面に設けた複数の駆動電極で構成される
チューブスキャナーと、チューブスキャナーの複数の駆
動電極にその特性に応じた互いに独立な走査信号を供給
する手段とを備えている。

【００１１】

【作用】本発明では、チューブスキャナーの各駆動電極
の部分の特性を予め調べておいて、その特性に応じて、
それぞれの部分の特性が揃うような互いに独立した走査
信号を各駆動電極に供給する。つまり、各駆動電極に
は、その部分の圧電体の厚さのばらつき等による影響を
予め考慮した走査信号が供給される。従って、チューブ
アクチュエーターは、特性のばらつきの影響を含んでい
ない動作をする。

【００１２】

【実施例】次に図面を参照しながら本発明の第一実施例
について説明する。本実施例のスキャナーシステムは、
図１に示すように、固定台５２に固定したチューブスキ
ャナー１２と、四つの走査信号発生回路３２、３４、３
６、３８と、各走査信号発生回路３２、３４、３６、３
８からの信号を増幅する高圧アンプ４２、４４、４６、
４８とを有している。チューブスキャナー１２は、図４
に示したように、円筒形状の圧電体１４と、その内周面
に設けた共通電極１６と、外周面に設けた四つの駆動電
極２２、２４、２６、２８とを有している。駆動電極２
２、２４、２６、２８には、それぞれ高圧アンプ４２、
４４、４６、４８から走査信号が供給される。

【００１３】 チューブスキャナー１２の特性検査を予
め行い、駆動電極２２、２４、２６、２８の各部分につ
いて印加電圧と変位の関係を調べておく。走査信号発生
回路３２、３４、３６、３８は、この検査結果に基づい
て、それぞれの電極２２、２４、２６、２８の部分の動
作特性が揃うような走査信号を出力する。この走査信号
は高圧アンプ４２、４４、４６、４８を介して増幅され
た後、チューブスキャナー１２の駆動電極２２、２４、
２６、２８に供給される。

【００１４】これによりチューブスキャナー１２は、そ
の変位に駆動電極２２、２４、２６、２８の各部分の特
性のばらつきによる誤差を含まない理想的な動作を行な
うようになる。

【００１５】本実施例では、走査信号発生回路は四系統
用意したが、ｘ方向とｙ方向の二系統にまとめ、それぞ
れから出力される信号を反転増幅および非反転増幅する
ことにより、四つの走査信号を得てもよい。ただし、こ
の場合はチューブスキャナー１２の各駆動電極２２、２
４、２６、２８の部分の特性に合わせるため、高圧アン
プ４２、４４、４６、４８のゲイン調整をそれぞれに対
して行なう必要がある。さらに、理想的な駆動を実現す
るためには、調整の自由度を上げるため、駆動電極の数
を四つから八つに増やすことも有効である。

【００１６】続いて、本発明の第二実施例について図２
を参照しつつ説明する。本実施例のスキャナーシステム
は、上述した第一実施例の構成に加えて、走査信号発生
回路３２、３４、３６、３８を制御するコンピューター
５８が設けられている。また、チューブスキャナー１２
は固定台５２とその内部に設けたＲＯＭ５４と共に一体
化されていて、一つのユニットを構成している。ＲＯＭ
５４には、そのユニットのチューブスキャナー１２の各
駆動電極２２、２４、２６、２８の部分の特性情報が書
き込まれており、この特性情報をコンピューターへと取
り出すためのコネクタ５６が設けられている。

【００１７】ＳＰＭ装置においてはチューブスキャナー
１２の交換はユニットごと行なわれる。新しいユニット
を所定位置に配置した後、ユニット内のＲＯＭ５４はコ
ネクタ５６を介してコンピューター５８に接続する。コ
ンピューター５８はＲＯＭ５６に書き込まれている情報
を読み込んで演算を行ない、チューブスキャナー１２の
各駆動電極２２、２４、２６、２８の部分の特性に合っ
た走査信号を各走査信号発生回路３２、３４、３６、３
８が出力するように制御する。

【００１８】このように、チューブスキャナーをユニッ
ト化し、その特性情報をＲＯＭ等のメモリー素子に予め
書き込んでおくことにより、故障などによりチューブス
キャナーを交換する際、装置への組み込みが簡単に行な
えるとともに、組み込み後の走査特性もすぐに理想的な
状態とすることができる。

【００１９】本実施例では、コンピューター５８は各走
査信号発生回路３２、３４、３６、３８を制御している
が、演算結果に基づいて高圧アンプ４２、４４、４６、
４８のゲイン調整を行なうようにしてもよい。例えば、
図中の高圧アンプ４２、４４、４６、４８は帰還抵抗を
調整することでゲイン調整できるようになっているが、
その抵抗を多回転の高精度可変抵抗器とし、その回転制
御をコンピューターからの指示に従ってモーターにより
行なうようにすれば、同様な効果が自動化されて実現で
きる。もちろん、ゲインがプログラマブルな高圧アンプ
を用いてもよい。

【００２０】本発明の第三実施例として、第一実施例の
スキャナーシステムを組み込んだＡＦＭを図３に示す。
本実施例のＡＦＭでは、臨界角方式の光学式変位センサ
ーを用いてカンチレバー６４の変位を測定している。こ
の光学式センサーは基本的に、半導体レーザー６８、コ
リメーターレンズ７０、偏光ビームスプリッター７２、
１／４波長板７４、ダイクロイックミラー７６、対物レ
ンズ７８、臨界角プリズム８０、二分割フォトダイオー
ド８２ａと８２ｂ、差動増幅器８４で構成されている。

【００２１】半導体レーザー６８から射出されたレーザ
ー光は、コリメーターレンズ７０により平行光になり、
偏光ビームスプリッター７２で反射され、１／４波長板
７４を通過して円偏光となり、ダイクロイックミラー７
６で反射され、対物レンズ７８により、探針６２の反対
側のカンチレバー６４の自由端部上面に集光される。そ
の反射光は、対物レンズ７８を通過し、ダイクロイック
ミラー７６で反射され、１／４波長板７４を通過し、半
導体レーザー６８の射出する光とは偏光方向が９０°異
なる直線偏光となって、偏光ビームスプリッター７２を
通過し、臨界角プリズム８０で反射され、二分割フォト
ダイオード８２ａと８２ｂに入射する。二分割フォトダ
イオード８２ａと８２ｂは受光光量に応じた電圧信号を
出力し、その差信号が差動増幅器８４から出力される。

【００２２】臨界角法では、カンチレバー６４の変位は
二分割フォトダイオード８２ａと８２ｂへの入射光量の
差として検出され、その差信号は差動増幅器８４から変
位信号として出力される。この変位信号はサーボコント
ロール回路８６に入力され、サーボコントロール回路８
６は、測定試料Ｓの凹凸に応じて生じるカンチレバー６
４の変位を一定に保つように、チューブスキャナー１２
を駆動するスキャナードライバー１０を制御する。ま
た、スキャナードライバー１０はコンピューター８８か
らの信号に基づいてｘｙ方向の走査信号をチューブスキ
ャナー１２に供給する。差動増幅器８４からの変位信号
はサーボコントルール回路８６を介してコンピューター
８８に入力され、コンピューター８８はこの変位信号を
スキャナードライバー１０から入力した走査信号に同期
させて処理してＡＦＭ像を構成し、モニター９０に表示
する。

【００２３】またＡＦＭは、測定試料Ｓを光学的に観察
する観察光学系を備えている。観察光学系は基本的に、
対物レンズ７８、照明光源９２、照明調光回路９２、レ
ンズ９６、ハーフミラー９８、接眼レンズ１００、ＣＣ
Ｄ固体撮像素子１０２、ＣＣＤコントロールユニット１
０４、テレビモニター１０６で構成されている。

【００２４】照明光源９４から射出された照明光はレン
ズ９６を通過した後、ハーフミラー９８で反射され、ダ
イクロイックミラー７６を通過し、対物レンズ７８によ
り集光され、試料Ｓの視野全体を照明する。試料Ｓから
反射光は、対物レンズ７８、ダイクロイックミラー７
６、ハーフミラー９８を通過し、結像レンズ１００で結
像され、ＣＣＤ固体撮像素子１０２で映像信号に変換さ
れ、テレビモニター１０６に表示される。

【００２５】スキャナードライバー１０は、図１の走査
信号発生回路３２、３４、３６、３８と高圧アンプ４
２、４４、４６、４８で構成されている。スキャナード
ライバー１０は、チューブスキャナー１２の特性のばら
つきを考慮した走査信号を駆動電極２２、２４、２６、
２８に供給する。さらにスキャナードライバー１０は、
走査信号に重畳させて、カンチレバー６４の変位を一定
に保つようにｚ方向位置を制御するｚ方向駆動信号を供
給している。

【００２６】このように、共通電極１６を一定の電位に
保ち、ｚ方向駆動信号を駆動電極２２、２４、２６、２
８に供給しているので、ｚ方向に関しては、ｚ方向駆動
信号を共通電極に供給した場合には特性のばらつきが原
因で発生するｘｙ方向への不所望な変位を含まない動作
が得られる。

【００２７】なお、ｚ方向駆動信号を共通電極に印加す
るとともに、ｚ方向駆動信号を反映させたｘｙ走査信号
を駆動電極に印加しても、上述したような理想的な走査
を実現できる。この場合、制御は複雑になるがスキャナ
ー駆動用の高圧アンプに耐圧の低い安価なものが使用で
きるという利点がある。

【００２８】また、本実施例のＡＦＭにチューブスキャ
ナー１２のｘｙｚ方向の変位を測定する変位センサーを
組み込み、この変位センサーを用いてフィードバック制
御を行なえば、さらに良好な走査が実現できる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、チューブスキャナーの
各駆動電極の部分の特性のばらつきの影響を含まない理
想的な動作を行なうスキャナーシステムが提供される。
これは、高精度の位置制御が要求されるＳＰＭ等に非常
に有益であり、測定精度の向上に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスキャナーシステムの第一実施例の構
成を示す。

【図２】本発明のスキャナーシステムの第二実施例の構
成を示す。

【図３】図１のスキャナーシステムを組み込んだＡＦＭ
の構成を示す。

【図４】チューブスキャナーの構成を示す斜視図（Ａ）
と上面図（Ｂ）である。

【図５】チューブスキャナーの特性を示すヒステリシス
曲線である。

【符号の説明】

１２…チューブスキャナー、１４…圧電体、１６…共通
電極、２２、２４、２６、２８…駆動電極、３２、３
４、３６、３８…走査信号発生回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊東 修一 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 (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１−101403（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/00 - 7/34 102 G01N 13/10 - 13/24 H01L 41/00 - 41/113

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒形状の圧電体、その内面に設けた一
   つの共通電極、外周面に設けた複数の駆動電極で構成さ
   れるチューブスキャナーと、 チューブスキャナーの複数の駆動電極に前記圧電体の特
   性に応じた互いに独立な走査信号を供給する手段を備
   え、特性のばらつきの影響を含まない動作をするスキャ
   ナーシステム。
2. 【請求項２】 前記チューブスキャナーと、各駆動電極
   の特性情報を書き込んだROMとを一体的に構成したこと
   を特徴とする請求項１に記載のスキャナーシステム。
3. 【請求項３】 前記ROMに書き込まれている情報を読み
   込んで演算を行うコンピューターを備え、各駆動電極の
   特性にあった走査信号を出力することを特徴とする請求
   項２に記載のスキャナーシステム。
4. 【請求項４】 前記演算の結果に基づいて走査信号を増
   幅する高圧アンプのゲイン調整を行うことを特徴とする
   請求項１ないし３のいずれか一つに記載のスキャナーシ
   ステム。
5. 【請求項５】 前記高圧アンプのゲインがプログラマブ
   ルであることを特徴とする請求項４に記載のスキャナー
   システム。
6. 【請求項６】 請求項１ないし４のいずれか一つに記載
   のスキャナーシステムを具備したことを特徴とする走査
   型プローブ顕微鏡。