JP3860120B2 - 測定装置における移動の切り離し及び測定のための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）及びその他の関連する測定装置に関する。より詳細には、本発明はプローブのＸＹ平面における移動を測定する装置及び方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡は一般に生物学的試料或いは半導体試料等の試料の表面形状を、オングストロームの単位まで高精度に測定するために利用される。図１Ａ，１Ｂには２個の走査型プローブ顕微鏡の一般的な形状が示されている。走査型プローブ顕微鏡は尖った針を有する測定プローブ組立物を試料表面に走査しつつ、表面の１個以上の性質を測定するように作動する。図１Ａ，１Ｂに示された例は原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）であり、測定プローブ組立物１２は尖った針１４を有し、針１４は可撓性カンチレバー１６に取り付けられる。一般的には、圧電管（以後、圧電管という）等のアクチュエータが用いられて、測定プローブ１２と試料表面とを相対的に移動させる。圧電管は、管（図１Ｃの符号２９）の内側及び外側に載置された電極に電圧が付与された時に、１つ以上の方向に移動する装置である。

図１Ａにおいて、測定プローブ組立物１２が圧電管アクチュエータ１８に取り付けられることにより、プローブが支持体２２に固定された試料２０上を走査させられる。図１Ｂは別の実施形態を示しており、プローブ組立物１２は所定位置に保持されており、圧電管アクチュエータ２４に結合された試料２０がその下を走査させられる。図１Ａ，１ＢのいずれのＡＦＭの例においても、レーザ光線２６がカンチレバー１６の裏側で反射させられて位置感知検出器２８に向けられることにより、カンチレバー１６の屈曲が測定される。

これらの装置において依然として懸念されていることは、如何に装置の精度を向上させるかということである。これらの顕微鏡ではオングストロームの単位まで表面形状を測定可能であるため、試料及びプローブの相対的な配置が重要である。図１Ｃは図１Ａの装置の作動を示しているが、いわゆるＸ軸及びＹ軸移動部、すなわちより一般的にはＸ−Ｙ管である圧電管アクチュエータ１８の上部３０に載置された電極２９に適切な電圧（Ｖｘ或いはＶｙ）が付与されると、その上部は図示されたＸ軸及びＹ軸の２軸方向に屈曲する。電極２９の向こう側にある管１８の下部３２に電圧（Ｖｚ）が付与されると、いわゆるＺ軸移動部、すなわちより一般的にはＺ管である下部が概して縦方向に延出或いは収縮される。このようにして、部分３０、３２及びプローブ（或いは試料）が左右、前後、そして上下に移動させられる。このような装置では、３段階で自由に移動することができる。図１Ａに示す装置では、一端が顕微鏡枠（例えば図１Ｄの３４）に固定されており、管１８の自由端は試料２０に対して３直交方向に移動し得る。

残念なことに、圧電管及び他種類のアクチュエータには欠点がある。例えば、圧電管は意図された方向のみに移動しないことがある。図１Ｄは好適ではないが多く発生する場合を示している。（図１Ｃに符号２９が付された内側電極及び外側電極の間に適正な電圧が付与されることにより）圧電管アクチュエータ１８はＺ方向に移動するように基準されたが、その基準に応答して、Ｚ管１８はＺ方向だけでなくＸ方向及び・或いはＹ方向にも移動する。図１ＤにΔＸとして示されたこのような好ましくない寄生移動により、走査型プローブ顕微鏡により得られる測定精度が制限される。Ｙ方向における同様の寄生移動もまた多く生じる。寄生移動の程度は管の構造及び管素材の不均一さに応じて変化するが、一
般的に本装置により要求される精度を得るために排除することはできない。

圧電管により駆動されたプローブ或いは試料２０の移動を監視する現在の方法は、このようなＸ及びＹ方向の誤差を補償する程発展していない。この装置では一般的に、Ｘ−Ｙ管及びＺ管に電圧を付与した後に実際にプローブが移動した距離を測定することにより較正が行われる。従って、Ｘ−Ｙ管及びＺ管に付与された電圧により圧電管の自由端の位置が推測される。しかしながら、プローブ（図１Ｂに示す装置では試料）が配置されたＺ管によりもたらされる（Ｘ、Ｙ）位置の誤差は必然的に予測不可能であるので、Ｚ管或いはＸ−Ｙ管に付与された電圧を測定するだけでは排除することはできない。

さらに、圧電管やその他の種類のアクチュエータは概して、既知の電圧が付与されたときに、意図された方向へ予期された方法で移動しない。付与された電圧と正確に比例してアクチュエータが移動するのが理想的な作動である。その代わりに、圧電管を含むアクチュエータは非線的に移動する。すなわち、感度（例えば付与電圧毎の移動ナノメートル）は電圧が増加する毎に変化する。また、感度はヒステリシスの影響も受ける。最も一般的なのは、増加する電圧変化への応答性は、それまでにアクチュエータに付与されてきた電圧の過程に依存する。従って、ヒステリシスの影響により大きく且つ重大な移動が引き起こされ、基準された移動への応答性に数分後まで影響を与える。

また、走査型プローブ顕微鏡における縦方向の測定は一般的に、上昇或いは降下する試料の表面に応答してプローブを上方或いは下方へ移動させることにより実施される。例えば、ＡＦＭがタッピングモードで作動させられる際には、実際の縦方向の測定値は、試料の表面をたたく時に一定の震動振幅を維持するためにプローブが縦方向に移動した平均距離であり、一方、ＡＦＭが接触モードで作動させられる際には、縦方向の測定値は、カンチレバーの針と試料表面の間において特定の大きさの力を維持するためにプローブが移動した距離である。この距離は、圧電管に付与された電圧を記録した後、管の較正された感度ナノメートル毎ボルトを掛けることにより数学的に計算される。しかしながら、上述したように、この感度は一定ではなく、管にこれまでに付与された電圧に依存する。そのため、管に付与された電圧を利用して管の縦方向の移動を計算すると、常に実際の移動に対して誤差が生じることになる。このような誤差は直接的に試料表面の形状を測定する際の誤差となる。

従って、測定装置のアクチュエータ（例えばＺ管）によりもたらされる不都合な寄生移動を最小化することにより、プローブ或いは試料の移動を正確に測定及び制御する装置及び方法が必要とされる。特に、不都合な寄生移動が最小化されるのならば、意図されたプローブの移動が実現されるとともに、装置はＸＹアクチュエータに付与される電圧に応答してＸ方向及び・或いはＹ方向へのプローブの実際の移動を正確に測定及び追跡することができる。

本発明は長手状アクチュエータの縦軸と略直交する方向への測定プローブの移動（例えばＸＹ平面への移動）を測定する装置及び方法を提供する。その装置は、アクチュエータに接続された基準構造体に載置されている対物レンズ（例えば一組のマイクロレンズ）を有する光学検出装置を含み、基準構造体は、例えばＳＰＭ或いは観測記録装置などの測定装置のアクチュエータ（例えばＺ管）によりもたらされる寄生移動に関連する悪影響を最小化する。光ビームが光源により発生させられて、対物レンズを通り位置センサに向けられる。位置センサは、ＸＹアクチュエータに付与された電圧信号に応答したプローブ組立物の実際の移動を示すビームの位置変化を検出する。

本発明の実施形態における第一の特徴として、測定装置の組立物は、第１直交方向及び
第２直交方向に制御によって移動する第１アクチュエータステージと、第１アクチュエータステージ近傍に設けられて第１及び第２直交方向と直交する第３直交方向へと制御によって移動する第２アクチュエータステージとを備えたアクチュエータを有する。また、組立物は第１端部及び第２端部を備えた基準構造体を有し、第１端部は第２アクチュエータステージの移動に対して固定される。組立物はまた、第２アクチュエータステージに結合されるとともに、基準構造体の第２端部に固定された多棒連結組立物にも結合されている結合部材を含む。第２アクチュエータステージ及び結合部材は、連結組立物を第２アクチュエータステージの第１及び第２方向への移動から略切り離して第３直交方向へ移動させる。組立物は更に、基準構造体の第２端部に固定された対物レンズを含む。対物レンズは光源及び位置センサの間にあり、位置センサは第１アクチュエータステージの第１及び第２方向への移動を測定する。

本発明の他の特徴として、組立物は固定端部及び固定端部に対して３直交方向へ移動するように構成された自由端部を備えた縦軸を有するアクチュエータと、相互に相対的に移動させられる第１連結部材及び第２連結部材を有する多棒連結装置とを含み、第１連結部材は基準構造体に固定されているとともに、第２連結部材はアクチュエータの縦軸と略平行な方向へ移動させられる。組立物は更に、第１端部及び第２端部を有する結合部材を含み、第１端部はアクチュエータの自由端付近においてアクチュエータに固定されており、第２端部は第２連結部材に固定される。結合部材はアクチュエータの縦軸と略平行な方向への転位によって平行移動する。組立物は更に基準構造体に固定される対物レンズを含み、対物レンズは光源と位置センサの間にあり、位置センサは少なくともアクチュエータの縦軸と略直角な一方向への対物レンズの転位を測定する。

本発明の実施形態における更なる特徴として、少なくともアクチュエータ縦軸と略直角な一方向への長手状アクチュエータの移動を測定する方法において、プローブ組立物をプローブ支持組立物上で支持する工程と、プローブ支持組立物をその第１端部において測定装置の基準構造体に支持する工程とを含み、基準構造体は実質的に長手状アクチュエータの縦方向の伸長或いは収縮に反応しない。また、基準構造体を長手状アクチュエータの縦管の屈曲から切り離す工程と、長手状アクチュエータの縦方向への伸長及び収縮部分を駆動する工程と、駆動工程を実行した結果として縦方向への伸長及び収縮部分において縦方向への屈曲及び横方向への屈曲を同時に生じさせる工程と、プローブ支持組立物へ縦方向の屈曲を伝達しつつ、同時に管の縦方向への伸長及び収縮部分に生じた横方向への屈曲によりプローブ支持組立物が横方向へ屈曲しないようにする工程と、基準構造体に固定された対物レンズの移動を測定する工程とを含み、対物レンズは光源と位置センサの間にある。

本発明の実施形態における更なる特徴として、測定装置のアクチュエータの移動を測定する光学装置は、アクチュエータに結合された基準構造体に固定される対物レンズと、光ビームを発生させる光源と、光学測定装置は対物レンズの移動に応じてビームの位置を変更し、ビームを検出して少なくともアクチュエータの縦軸と略直角な一方向へのアクチュエータの移動を示す転位信号を出力する位置センサとを含む。

本発明の実施形態における更なる特徴として、測定装置のアクチュエータの移動を測定する方法において、アクチュエータに結合された基準構造体に載置される対物レンズを提供する工程と、対物レンズの移動を測定する工程とを含み、対物レンズの移動は少なくともアクチュエータの縦軸と略直角な一方向へのアクチュエータの移動を示す。

本発明の実施形態における更なる特徴として、測定装置のアクチュエータの移動を測定する光学装置において、対物レンズと、アクチュエータに結合された基準構造体に固定されている光源と、光源は光ビームを発生させ、光学測定装置は光源の移動に応じてビーム
の位置を変更し、ビームを検出して少なくともアクチュエータの縦軸と略直角な一方向へのアクチュエータの移動を示す転位信号を出力する位置センサとを含む。

本発明の実施形態における更なる特徴として、測定装置のアクチュエータの移動を測定する光学装置において、対物レンズと、光ビームを発生させる光源と、アクチュエータに結合された基準構造体に固定される位置センサとを含み、光学測定装置は静止している光ビームに対する位置センサの位置を変更し、位置センサは少なくともアクチュエータの縦軸と略直角な一方向へのアクチュエータの移動を示す転位信号を出力する。

本発明に係る上記或いはそれ以外の目的、特徴、効果は、以下の詳細な説明と図面から本技術分野に属する者には理解できる。しかしながら、詳細な説明や特定の例は本発明の好適な実施形態を示しているが、一例に過ぎず、それらに限定されるべきではない。本発明の精神から逸脱することなく請求の範囲内において多くの変更や修正を行うことができ、本発明はそのような修正を含むものである。

初めに、図２には走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）１００が示されている。顕微鏡はアクチュエータ組立物１０４が取り付けられる支持体１０２を備えた架台を有する。また、試料台１０６が支持体１０２に固定されており、試料１０８を収容するように形成されている。アクチュエータ組立物１０４はアクチュエータ１１０と、基準組立物１１１とを含み、基準組立物１１１は他の構造体の中でアクチュエータ１１０を包囲する長手状の基準構造体１１２と、プローブ組立物１１３とを有する。基準構造体１１２は管状であるとともに、アクチュエータ１１０の縦軸と略同一軸線上にある縦軸を有するのが好ましい。アクチュエータ１１０は圧電性或いは電歪性であり、管アクチュエータ或いはナノ位置決めシステム分野において周知である他の種類のアクチュエータが用いられる。

プローブ組立物１１３は、アクチュエータ装置１０４の下方自由端１０５において取り付けられているとともに、取り付けられる針１１５を備えたカンチレバー１１４を有する。制御に際して、針１１５が試料１０８の表面に亘り走査されることにより、試料の表面特性（例えば形状）を判定する。走査はプログラム制御信号（例えば適正電圧）により駆動されるアクチュエータ１１０により操作されて、典型的にはセンサ１０９から送信される閉ループ信号に応答して、アクチュエータ１１０によりプローブ組立物１１３を延出及び収縮させ、即ちカンチレバー１１４を試料に近づけ或いは遠ざけるように移動させるとともに、アクチュエータ１１０が試料１０８の表面に亘り２次元において横方向に移動させられる。その結果、アクチュエータ１１０は好ましくはプログラム制御に基づいて、３直交方向にカンチレバー１１４を移動させる。便宜上、プローブ組立物１１３を試料１０８に向けて延出し或いは試料１０８から収縮させることをＺ方向の移動というとともに、試料表面に亘る横方向の動きをＸ方向及びＹ方向の移動という。Ｘ軸及びＹ軸は互いに直交するとともに、試料１０８の表面と実質的に平行な面を形成する。この定義は単に３直交方向を示すために便宜的に利用される。

次に、本実施形態の相違点を説明するために図３を参照する。図３には、アクチュエータ１１０の圧電Ｚ管２２２の移動を監視する測定装置が示されている。好ましくは、測定装置１２０は操舵機構１２２を有するとともに、アクチュエータ１１０と基準枠１２４とを結合し、枠１２４はアクチュエータ１１０に対して固定される。また、操舵機構１２２はプローブ組立物（図示なし）が取り付けられるプローブ支持組立物として作用する。制御に際してけられる。操舵機構１２２は、アクチュエータ１１０の移動に応じて光ビームの方向を変化させる。検出センサ１２８はこのビームの方向変化を検出する。この場合、管２２２はＺ管であるため、光ビームの方向変化はアクチュエータの縦方向の移動を示す。

詳細には、操舵機構１２２はＺ管２２２に取り付けられる第１端部と第２端部１３２とを備えた結合棒すなわち第１連結部材１３０を有する移動可能な棒組立物を含む。操舵機構１２２はまた、対向する端部を備えた移動棒すなわち第２連結部材１３４を有する。その第１端部は第１旋回点１３３において連結部材１３０の第２端部１３２に回転可能に取り付けられる。移動棒１３４の反対側の端部は点１３６において固定基準枠１２４に回転可能に取り付けられる。移動棒１３４の表面１３８は光ビーム「Ｌ」を反射させるように形成されている。第２反射面は或る角度において固定基準枠１２４の内面１４２に取り付けられる固定鏡１４０を有し、移動棒１３４に向けて入力光ビーム「Ｌ」を偏光させる。また、光ビームを受け入れるために、固定基準枠１２４は入力光ビームを受け入れるように形成された第１孔１４４と、棒１３４により反射させられた後のビームを固定基準枠１２４を通り検出器１２８に向けるように形成された第２孔１４６とを有する。

制御に際しては、アクチュエータ１１０の作動に応じて（例えば、図３において「Ａ」と印されたＺ方向へ）、アクチュエータの移動は結合棒１３０を介して移動棒１３４に伝達される。これにより、移動棒１３４は第２旋回点１３６を中心として概して時計回りに回転する。その結果、発光ビームはＺ管２２２の非作動時と異なる角度で検出器１２８に向けて偏向させられる。この光ビーム「Ｌ」の方向変更は、図３において「Ｂ」線により示されており、アクチュエータの移動量を示す。詳細には、アクチュエータ１１０がプローブ（図示していないが、移動棒１３４の底面１３９に結合されるのが好ましい）をＺ方向に移動させると、偏向光ビームがセンサ１２８と接触する位置を記すことによりシステムによりＺ方向における移動量が検出される。

図３Ａから図３Ｃには、図３に示す測定装置１２０の他の実施形態が示されている。図３Ａにおいて、測定装置１５０は圧電アクチュエータ組立物１５２と相対的に固定された光源１２６を含む。圧電アクチュエータ組立物１５２は、下部Ｚ管アクチュエータ部すなわちステージ１５６に結合された上部Ｘ−Ｙアクチュエータ部すなわちステージ１５４を含む。この場合、Ｚ管１５６の移動が監視される。

測定装置１５０はまた、Ｚ管１５６に結合されるレンズ１５８を有する。特に、レンズ１５８が光源と光源１２６の略反対側に配置されるセンサ１２８の中間となるように光源１２６は配置される。制御に際しては、Ｚ管１５６が作動させられて特定方向（この場合「Ｚ」）に移動させられると、レンズ１５８はそれに対応して移動する。センサ１２８は光源１２６と同様に固定されているので、レンズ１５８から出力された「Ｌ」光ビームがセンサ１２８と接触する位置の測定は、アクチュエータ１５２の移動を示すことになる。レンズの倍率は以下の式と等しい。

Ｍ＝ｌ＋ｉ／ｏ ・・・（式１）
ここで、ｉはセンサ１２８からレンズ１５８の主面までの直交距離であり、ｏはレンズ１５８の主面から光源１２６までの直交距離である。

図３Ｂでは、図３Ａのようにレンズ１５８ではなく光源１２６がアクチュエータ１５２に取り付けられており、アクチュエータ１５２の移動が測定される（この場合、Ｚアクチュエータ１５６）。本実施形態では、測定装置１５１は取付台１６２を介してアクチュエータ１５６に取り付けられる光源１２６と、アクチュエータ１５２及び光源１２６と相対的に固定されるセンサ１２８とを有する。また、レンズ１６４は光源１２６及びセンサ１２８の中間に配置されており、その倍率は以下の式と略等しい。

Ｍ＝ｉ／ｏ ・・・（式２）
ここで、ｉはレンズ１６４の主面とセンサ１２８の間の直交距離であり、ｏは光源１２６
とレンズ１６４の主面の間の直交距離である。Ｚ管が作動させられると共に光源１２６も移動して、光線はレンズ１６４を通過し、Ｚ管１５６が作動させられていない時に光線がセンサ１２８に向けられる点から離れた点に向けられる。センサ１２８はこの移動を検出して、アクチュエータ１５６の移動量を示す対応した信号を出力する。

図３Ｃは光学測定装置の更に別の実施形態を示しており、測定装置１５３はアクチュエータ１１０（例えば圧電管２２２）及び固定枠１２４（好ましくは管状でありアクチュエータ１１０を包囲する）の間において、アクチュエータ１１０及び管状の固定枠すなわち基準構造体１２４の縦軸と概して平行な方向に「Ｌ」光ビームを向ける。測定装置１５３は対向する両端部を有する連結部材１７０を含み、その第１端部は第１旋回点１７４においてアクチュエータ１１０（例えばＺアクチュエータ）と結合されており、第２端部は第２旋回点１７６において固定枠１２４と回転可能に結合されている。制御に際しては、光ビーム「Ｌ」が連結部材１７０の反射面１７８に向けられると、ビームは固定枠１２４の内面に向けて反射させられる。図３の実施形態と同様に、固定枠１２４は反射ビームの通路となる孔１８０を有しており、ビームをセンサ１２８と衝突させる。アクチュエータ１１０が作動させられると、連結部材１７０は回転して、ビームが反射させられる角度が変化する。これにより、反射或いは出力させられたビームはアクチュエータの非作動時とは異なる位置においてセンサ１２８と衝突する。センサ１２８により検出された位置は、上述したようにアクチュエータ１１０の移動量を示す。

アクチュエータの寄生移動の最小化
図４には、アクチュータによりもたらされて、そのアクチュエータに結合された片持ちプローブに伝達される移動を、アクチュエータの意図された方向以外の方向への移動から確実に分離する、すなわちアクチュエータの寄生移動から確実に分離する装置２００を示す。一般的に、アクチュエータ１１０は可撓性棒すなわち部材（すなわち結合部材２０６）を介して湾曲部２０４と連結されている。結合部材２０６は意図された方向のみの移動を伝達するように形成されており、これによりアクチュエータ１１０等の計測装置における寄生移動に関連する悪影響を最小化する。図４においては、例えばアクチュエータ１１０はＺ管アクチュエータであることが好ましい。従って、この場合には結合部材２０６はアクチュエータ１１０により発生させられるＺ方向の移動を伝達するが、Ｘ及びＹ方向の移動は概して伝達しないように構成される。図４における他の説明においては、アクチュエータ１１０はＺ管アクチュエータである。

次に、装置２００は湾曲部２０４も取り付けられる固定基準構造体２０８を有する。湾曲部２０４は４本棒連結装置を有する平行四辺形であることが好ましく、棒連結装置は、対向する縦方向の連結部材２１０、２１２が力、従って棒２０６により縦すなわちＺ方向に伝達される移動に応じてＸＹ平面に略直交する状態を維持するべく移動するように構成されている。湾曲部２０４によるこの移動は、図７を参照して以下に詳述するように、点２１５、２１６、２１７、２１８を中心とした回転である。

また、湾曲部２０４の対向する縦連結部材がこのように確実に移動するように、可撓性部材２０６はアクチュエータ１１０の縦方向の移動を伝達する程度の剛性を有するが、例えば湾曲部２０４からアクチュエータ１１０のＸ−Ｙ方向における寄生移動を切り離す程度の柔軟性を有するように構成される。可撓性部材２０６は例えば長さが約３ミリメートル、直径が０．２ミリメートルとされる。プローブ２１４は湾曲部２０４の連結部材２１０に結合される。その結果、ＳＰＭのプローブ２１４はアクチュエータ１１０の作動に応じて略意図された方向、この場合にはＺ方向のみに移動する。本実施形態においては、基準枠２０８はＸ−Ｙアクチュエータ組立物（例えば図５の符号２２０）に結合されているので、基準枠２０８はＸ−Ｙアクチュエータ組立物と共に移動して、この意図されたＸ−Ｙ方向の移動を湾曲部２０４に伝達する。その結果、プローブ２１４はＸ及びＹ方向に移
動することが可能となる。棒２０６はＸ及びＹ方向への移動に応じて概して柔軟性を有しているので、棒２０６により上記Ｘ−Ｙ方向への意図された移動が阻害されることはない。このような切り離し装置は図２、図５、図７のＡＦＭに採用されており、従って、装置の詳細な記述及びその作用は共に以下に詳述する。

図２及び図７に示すように、電磁放射線源１２６（例えばレーザ）は支持体１０２に固定されている。制御に際しては、源１２６がアクチュエータ組立物１０４の下部１０５に光を向け、検出器１２８は源１２６からの光線を下部１０５において反射した後に受光することにより、アクチュエータの移動量を検知する。しかも電磁放射線検出器１２８は支持体１０２と相対的に固定されており、測定装置３００の一部（代わりに、例えば図３の符号１２０を参照）として設けられることにより、アクチュエータ１１０の少なくとも一部の移動量を判定する。

図７を詳細に説明すると、測定装置の源１２６は、組立物１０４の下部１０５の方向へビームを偏向させるように配置された鏡３０２に略垂直に光ビームを向ける。光源１２６と鏡３０２の間に焦点レンズ３０４を配置するのが好ましい。その後ビームは鏡３０６を介してセンサ１２８（例えば位置検知光ダイオード）の方向へ偏向させられる。より精確な測定を実施するために、円柱形状を有するレンズ３０８が鏡３０６とセンサ１２８の間（或いは源１２６とセンサ１２８の間の所望する位置）に配置されてもよい。

図２及び図７に示すように、例えば試料表面における形状変化を監視し、ＳＰＭ操作モードに応じて適切なフィードバックを実施するために、電磁放射線源１０７（図２）は支持体１０２に固定される。源１０７はアクチュエータ１１０を介してプローブ組立物１１３に設けられたカンチレバー１１４の表面に支持された鏡１１７に放射線を向ける。次に、鏡１１７は検出器１０９（図２）に放射線を向ける。代わりに、鏡１１７はカンチレバー１１４後側（前側）の磨かれた部分であってもよい。検出器１０９はプローブ１１４により反射させられた光線を受光した後、例えば本技術分野において周知のようにプローブ１１４の偏向を表す信号を出力する。

ＸＹ平面におけるアクチュエータの移動の光学的検知
アクチュエータ組立物１０４全体が図５に詳細に示されている。再度、アクチュエータ組立物１０４はアクチュエータ１１０（圧電管が好ましい）及び基準組立物１１１を有しており、後述するように基準組立物１１１は基準構造体１１２、結合取付台２２８、可撓性棒結合部材２３０、湾曲部２３２及び細穴が形成された円盤２５０を有する、
本発明の実施形態においては、アクチュエータ１１０は２部分により形成されており、その１個はプログラム制御に基づいてアクチュエータの軸と直角な平面上を横方向に屈曲するように構成された第１部分２２０である。このため、これをＸ−Ｙ管という。アクチュエータ１１０はまた、プログラム制御に基づいて管の縦軸と略平行な方向に延出或いは収縮するように構成されたＺ管アクチュエータ２２２を有する。これらのアクチュエータの制御手段に関する記述は、例えば米国特許第６，００８，４８９号及び他の関連する明細書に記載されている。

圧電アクチュエータ１１０の２個の管２２０、２２２は、アクチュエータ１１０を包囲するようにアクチュエータ１１０に固定された円形の鍔部２２４の近辺において端部同士が結合されている。組立物１０４はＸ−Ｙ管２２０の上部に固定されたフランジ２２６により走査型プローブ顕微鏡の枠１０２（図２）に結合されるのが好ましい。本実施形態においては、基準組立物１１１の管状部材すなわち長手状基準構造体１１２は、アクチュエータ１１０の少なくともＺ管の周囲において延出し、鍔部２２４に固定される。鍔部２２４はまた、上部及び下部アクチュエータ部分において或いはそれらの接合点の付近でアクチュエータ１１０に固定される。Ｘ−Ｙ管２２０はプログラム制御に基づいて駆動される
と、アクチュエータ１１０の縦軸と略直角な方向に屈曲する。鍔部２２４及び構造体１１２はＸ−Ｙ管２２０の底部付近においてアクチュエータに固定されているのでそれらもまた横方向に屈曲する。

他方では、Ｚ管２２２がプログラム制御に基づいて駆動されても鍔部２２４を延出させたり収縮させたりすることはない。従って、構造体１１２は鍔部２２４に結合されているので、延出或いは収縮することはない。Ｚ管２２２は構造体１１２と相対的に延出或いは収縮することにより、Ｚ管２２２の下端（自由端）における両者の相対位置が実質的に変化することになる。

半球形の結合取付台２２８がＺ管２２２の下端に固定されており、Ｚ管２２２が延出及び収縮するときにＺ管２２２と共に移動する。基準組立物１１１はまた、結合取付台２２８に固定される可撓性棒結合部材２３０を有する。棒２３０はＺ管２２２が延出及び収縮するのに応じて構造体１１２に対して延出或いは収縮するように構成される。

本発明の実施形態においては、光学測定装置５１０はＸ−Ｙアクチュエータ２２０に付与される電圧信号に応じて、Ｘ及び・或いはＹ方向（例えばＸＹ平面）におけるプローブ組立物１１３の移動を測定する。光学測定装置５１０は基準枠１１２に固定される対物レンズ５１２、光源５１４及び位置センサ５１６を有する。対物レンズ５１２の移動は基準枠１１２の移動に依存する一方、光源５１４及び位置センサ５１６は静止している。対物レンズ５１２は光源５１４及び位置センサ５１６の間に位置する。

制御に際しては、可撓性棒結合部材２３０及び基準構造体１１２によりプローブ組立物１１３とＸ−Ｙアクチュエータ２２０の下部とがＸＹ平面において堅固に機械的に連結されることから、上述したように、ＸＹ平面においてＺ管２２２によりもたらされる誤差を最小化することができる。従って、基準構造体１１２の移動は、Ｘ−Ｙアクチュエータ２２０に付与される電圧信号に応じたＸＹ平面におけるプローブ組立物１１３の正確な移動を示すことになる。同様に、基準構造体１１２に載置された対物レンズ５１２の移動はＸＹ平面におけるプローブ組立物１１３の移動に対応する。

光学測定装置５１０は光源５１４及び位置センサ５１６の間に光学倍率を与える。制御に際して、Ｘ−Ｙアクチュエータ組立物２２０が電圧信号に応じて作動させられて、特定の方向（例えばＸ及び・或いはＹ方向）に移動させられることにより、基準構造体１１２及び対応する対物レンズ５１２が移動させられる。位置センサ５１６及び光源５１４はいずれも固定されているので、光源５１４から出力される電磁放射線ビーム（例えば光ビーム）が対物レンズ５１２を通して位置センサ５１６と接触する位置は、プローブ組立物１１３の移動を示す。特に、対物レンズ５１２により与えられる倍率は以下の式に基づく。

Ｍ＝ｌ＋ｉ／ｏ・・・（式３）
ここで、ｉは対物レンズ５１２の主面から位置センサ５１６までの直交距離であり、ｏは対物レンズ５１２の主面から光源１５４までの直交距離である。対物レンズ５１２により与えられる光学倍率では、信号に係数Ｍを掛け合わせることにより信号とノイズの比率が増加する（例えば対物レンズ５１２のＸ及び／又はＹ方向における移動マイクロメータ毎にＭ＝５であるならば、光ビームは位置センサ５１６を横切り５マイクロメータだけ移動しており、従って信号とノイズの比率は係数５だけ増加する）。

対物レンズ５１２は更に、Ｚ管２２２の付近において基準構造体１１２の内面５２０と反対側に位置する外面５１８に固定される独立した一対のマイクロレンズ（例えば３個）を有する。

位置センサ５１６はＸＹ位置センサ（例えばシリコーンフォトダイオード）であり、光ビームの位置を検出するとともに、Ｘ−Ｙアクチュエータ２２０に付与される電圧信号に応じてプローブ組立物１１３の（例えば、アクチュエータ１５２の縦軸と略直角な方向への）移動を示す移動信号を発生する。

図５Ａ及び図５Ｂは、図５に示す測定装置５１０の別の実施形態を示すものである。図５Ａにおいて、測定装置５４０は、基準構造体１１２に固定される光源５４４と、対物レンズ５４２と、位置センサ５４６を有する。この場合、光源５４４の移動は基準構造体１１２の移動に依存している一方、対物レンズ５４２及び位置センサ５４６は静止させられている。対物レンズ５４２は光源５４４と位置センサ５４６の間に位置する。本実施形態においてレンズの倍率は以下の式に等しい。

Ｍ＝ｉ／ｏ・・・（式４）
ここで、ｉは対物レンズ５４２の主面と位置センサ５４６の間の直交距離であり、ｏは光源５４４と対物レンズ５４２の主面の間の直交距離である。

図５Ｂにおいて、測定装置５６０は光源５６４、対物レンズ５６２、及び基準構造体１１２に固定される位置センサ５６６を有する。この場合、位置センサ５６６の移動は基準構造体１１２の移動に依存する一方、光源５６４及び対物レンズ５６２は静止させられている。本実施形態において、対物レンズの倍率はなく、従って倍率は以下の式に等しい。

Ｍ＝ｌ・・・（式５）
図７において、可撓性棒結合部材２３０の下端はプローブ支持組立物すなわち基準組立物１１１の湾曲部２３２に固定されている。湾曲部２３２は固形の素材塊により形成されるとともに、アルミニウム或いは同様の軽合金から構成されるのが好ましい。湾曲部２３２は概して移動棒組立物すなわち４本棒連結装置の形状を有する。これらの連結部材は図７において２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄとして示されている。

可撓性棒結合部材２３０は湾曲部２３２の連結部材２３２Ｂに固定されている。例えばＺ管２２２がＡ方向に収縮する時には、棒２３０はＺ管２２２の自由端と共に移動する。Ｚ管２２２が収縮するので、棒２３０はアクチュエータの上端に向けて上方へ引っ張られる。これにより、連結部材２３２ＢはＺ管２２２の端部が上方へ移動する距離と略同じ距離だけ上方へ移動する。

連結部材２３２Ｂは可撓性接続部２３３及び２３４においてそれぞれ連結部材２３２Ａ及び２３２Ｃに支持されている。連結部材２３２Ａ及び２３２Ｃはそれぞれ可撓性接続部すなわち連結装置２３６及び２３８において連結部材２３２Ｄと結合されている。連結部材２３２Ｂが図７の鎖線に示すように弛緩位置から上方（再度Ａ方向）に引き上げられると、連結部材２３２Ａ及び２３２Ｃは連結部材２３２Ｂにより一端が上方へ屈曲させられる。連結部材２３２Ａ及び２３２Ｃの他端は接続部２３６及び２３８の周囲を概して回転する（鎖線に示す）。

連結部材２３２Ａ及び２３２Ｃは略同じ長さを有することが好ましく、相互に平行とされる。同様に、連結部材２３２Ｄ及び２３２Ｂは略同じ長さを有し、相互に平行とされるのが好ましい。連結部材２３２Ｄは構造体１１２の下端に固定される。Ｚ管２２２が上方或いは下方へ移動する時には構造体１１２は（Ｚ管２２２の上方においてアクチュエータ１１０に固定された鍔部２２４に接続されているため）上方或いは下方へ移動しないので、Ｚ管２２２の上方或いは下方への伸長或いは収縮により、湾曲部２３２の４本棒連結装置は接続部２３３、２３４、２３６、２３８の周囲を屈曲する。好ましくは、各連結部材の厚みｔ１は約０．９ミリメートルであり、各接続部の厚みｔ２は約０．０８ミリメート
ルである。

従って、連結部材２３２Ａ〜２３２Ｄにより構成される４本棒連結装置が上方或いは下方へ屈曲させられる時には、平行四辺形の配置を形成するとともに、連結部材２３２Ｂは実質的に回転することなく、移動するだけである。その結果、好ましくは連結部材２３２Ｂは単に上方或いは下方へ移動するだけとなる。

制御に際しては、源１２６からの電磁放射線は測定装置３００の鏡２４０により反射されるのであるが、鏡２４０は湾曲部２３２、特に連結部材２３２Ｄに載置されている。この光線は下方へ反射されて、再度、今度は湾曲部２３２、特に連結部材２３２Ｃに固定された鏡２４２により反射される。鏡２４２により反射された光線は検出器１２８に向けられ、検出器２３８は反射光が検出器１２８と衝突した位置を示す信号を出力する。検出器１２８により出力される信号は、湾曲部２３２の４本棒連結装置の屈曲の程度に応じて変化する。

詳細には、図７における湾曲部２３２の弛緩位置と鎖線により示される上方への屈曲位置とを比較すると、連結部材２３２Ｂの上方への屈曲により連結部材２３２Ｃは接続部２３８の周囲を回転する。これにより、鏡２４２は接続部２３８の周囲を回転する。この鏡２４２の移動によりビームは、湾曲部が弛緩位置にある状態で鏡２４２を反射させられる時と異なる角度において、鏡２４２を反射させられる。その結果、鎖線により示されるように、ビームは検出器１２８上において当初の位置から離れた位置に移動する。検出器１２８と衝突する光線の位置が変化することにより検出器１２８により出力される信号が変化し、これにより、連結部材２３２Ｄが固定された構造体１１２の自由端に対して連結部材２３２Ｂが上方或いは下方へ移動していることを示す。

特に、鏡２４０、２４２は、検出器１２８により検知される光線が部材１１２の横方向の屈曲を略免れるように、相互に配置されることが好ましい。図面に示される実施形態においては、このような屈曲を免れるために個々に及び集合的に貢献する幾つかの構造的部材がある。特に、測定装置３００の鏡２４０に衝突する光線の通路と略平行な通路において検出器１２８に光線を戻すように鏡２４０及び２４２が配置されており、従って、コーナーキューブレトロリフレクターに類似したものを形成する。Ｚ管２２２が移動すると、鏡２４０、２４２は移動した状態であっても概して直交関係を維持し、従って、Ｚ方向の移動を正確に測定することができる。この精度に貢献する他の特徴としては、鏡２４０と衝突する光線の通路と、鏡２４２を反射させられた光線の通路とが試料（図２において符号１０８）の表面と略並行とされている。

例えばＸ―Ｙ管２２０（図５）が作動することにより、構造体１１２が試料の表面を横切って横に屈曲した時には、鏡２４０及び２４２もまた屈曲する。これは部材１１２に対してＺ管２２２が上方或いは下方へ移動しているか否かに拘らず実行される。ビームの鏡２４０への入力方向或いは鏡２４２からの出力方向及びこれらの鏡の相対的な位置決めに起因して、検出器１２８に衝突する信号は実質的に横方向への屈曲により変化することがなく、検出器１２８は湾曲部２３２の高さを示す信号を出力し続ける。従って、試料上のプローブは概してエラーを有することがない。

したがって、上述の装置は意図されたＺ方向へのＺ管２２２の移動を切り離すが、アクチュエータ組立物１０４の下端１０５の自由な横方向への移動を許容するために利用される。アクチュエータ組立物１０４の下端において、基準構造体１１１は４個の取付ピン２５２（図６）を備えた差込円盤２５０を有しており、差込円盤２５０は連結部材２３２Ｂの下部に固定される。また、プローブ組立物１１３はピン２５２が差し込まれ或いは引き抜かれるプローブ基板１０１（図７の鎖線で示す）を有し、プローブ基板１０１は差込円
盤２５０上で保持される。プローブ組立物１１３はまた、プローブ基板１０１に一端が固定されたカンチレバー１１４と、カンチレバー１１４の自由端に取り付けられた針１１５とを有する。

図２及び図７に示すように、光源１０７（図２）は光を発生させ、その光はアクチュエータ１１０を通り下方へ移動し、鏡１１７により反射させられて検出器１０９（図２）に戻される。カンチレバー１１４が取付ピンの周囲を上方或いは下方へ屈曲させられる時は常に、鏡１１７はカンチレバー１１４の固定端の周囲を回転し、光源１０７により発生させられた光線は検出器１０９に対して移動する。この移動により、検出器１０９により発生させられるカンチレバー１１４の屈曲の大きさの変化を示す信号が変化して、プローブ組立物１１３と試料表面１０９の間の力及び・或いは距離の関係も変化する。

一般的には、試料表面の異なる位置における種々の形状の高さを決定するために、プローブ組立物１１３は試料１０８の表面を横方向に横切り移動する。制御に際して、プローブを横方向に移動させるために、Ｘ−Ｙ管２２０（図５）に電気信号が付与されると、アクチュエータ組立物１０４の下部１０５は試料に対して屈曲させられる。Ｘ−Ｙ管２２０は付与される信号に応じて、プローブ組立物１１３を試料表面に亘る２直交方向へ移動させる。

Ｚ方向を切り離す装置の他の実施形態では、図４及び図７に示す平行四辺形の湾曲部を利用するのではなく、円盤形状の湾曲部すなわち図８Ａに示す薄膜３１０が採用される。薄膜３１０はその外辺部において基準構造体１１２に結合されており、外辺部湾曲領域を形成する周縁接続部すなわち細長溝３１２を有する。更に、薄膜３１０はプローブ組立物（例えば図２の符号１１３）が取り付けられる底面３１４を有する。薄膜３１０は細長溝３１２における撓みに起因して、縦方向の力に応じてその力がプローブ組立物に伝達されるのを許容するが、Ｚ管２２２のＸ−Ｙ方向への移動を切り離すことにより、Ｚアクチュエータにより生じるプローブ組立物の移動は確実にＺ上に保持される。

結合部材すなわち部材２３０は制御に際して、例えばＸ方向及びＹ方向への転位に応じて概して可撓性を有するとともに、Ｚ方向への転位に応じては概して剛性を有するものであり、アクチュエータ１１０を薄膜３１０と結合するために利用される。薄膜３１０はその周縁全体において基準構造体１１２と結合されているので、アクチュエータ１１０の縦軸と直交する方向への転位には概して反応せず、このような転位をプローブ組立物から切り離す。上記Ｘ方向及びＹ方向への転位は可撓性を有する結合部材２３０により吸収されるので、Ｚ管２２２の寄生移動の影響を最小化することができる。反対に、アクチュエータ１１０により発生させられて基準構造体１１２により伝達される横方向への移動は、要求されたとおりにプローブへ伝達される。理想的には、図８Ｂに示す薄膜３１０は金属或いはポリマー或いはその他の適切な材料により構成される。

図８Ｂは図８Ａに示されたものと同様にＺ方向を切り離す湾曲部の他の実施形態を示すものであり、互いに略直交するように配置された一対の十字線３２２、３２４がそれらの対向端部において取付リング３２６に取り付けられており、取付リング３２６は基準構造体（例えば図８Ａの符号１１２）に取り付けられる。また、アクチュエータ１１０と十字線３２２、３２４の交差点とを結合するために結合要素、すなわち部材（図８Ａの符号２３０）が採用されている。更に、プローブ組立物は十字線３２２、３２４に結合されており、十字線３２２、３２４に対応した態様で動く。

円盤型の部材３１０と同様に、十字線３２２、３２４は概してＸ方向及びＹ方向への転位を切り離すとともにＺ方向への転位を伝達するために利用される。制御に際して、十字線３２２、３２４及び部材２３０は相互に作用して、取り付けられたＺ管アクチュエータ
により発生させられる縦方向の移動を取り付けられたカンチレバープローブに伝達するが、Ｚ管アクチュエータのＸ−Ｙ方向への転位（これらの転位は概して部材２３０により吸収される）を切り離す。これにより、プローブ組立物の移動は確実に概してＺ上に保持される。

続いて、図９には本発明におけるアクチュエータ組立物１０４の別の実施形態が示されている。詳細には、アクチュエータ組立物４００はＸ−Ｙ方向への移動（例えばＸ−Ｙアクチュエータ２２０のＸ−Ｙ方向への移動）をＺアクチュエータ２２２によりもたらされる縦方向への移動量の測定値から切り離す。アクチュエータ組立物４００はアクチュエータ１１０と基準組立物４０１とプローブ組立物（図示なし）とを有し、アクチュエータ１１０は圧電管アクチュエータを有するのが好ましい。更に、圧電管アクチュエータはＸ−Ｙ管２００及びＺ管２２２を有する。

基準組立物４０１は締金４０４を備えた円形取付台４０２と、アクチュエータ２２０、２２２の縦軸と略平行に且つその縦軸から離れた縦軸を備えたロッド４０６を有する。締金４０４はロッド４０６の第１端部４０８をアクチュエータ１１０の結合部材２２４と結合するために採用される。ロッド４０６の第２端部４１０は基準構造体４０１の湾曲部４１２と結合されている。湾曲部４１２はＺ管２２２に結合されている。湾曲部４１２は２個の接続部４１４、４１６を有する。また、鏡４１８、４２０はその反射面が概して相互に直交するように湾曲部４１２に取り付けられており、図７と共に上述した構造と同様に、コーナーキューブレトロレフレクターに類似した構造を形成する。反射部材４１８、４２０は前面鏡であることが好ましい。

制御に際して、光源１２６により発生させられた光ビームは鏡４２０に向けられる。鏡４２０は鏡４１８に向けてビームを反射させる。また、鏡４１８は検出器１２８に向けてビームを反射させて、縦方向の屈曲量を測定する。Ｚ管２２２が作動させられると、湾曲部４１２の鏡４１８が取り付けられた部分が接続部４１４、４１６の周囲を回転し、鏡４１８は移動量を示す角度においてビームを反射させる。特に、試料を走査するための（例えばＸ−Ｙ管２２０により発生させられる）アクチュエータ１１０の横方向への移動は、Ｚ方向の測定から切り離される。とりわけ、ロッド４０６はＺ管２２２の頂部上でアクチュエータ１１０の一点において締金４０４により取り付けられているので、Ｚ管２２２の移動から独立している。その結果、ロッド４０６はＸ−Ｙ管２２０が駆動させられている時には移動するが、Ｚ管２２２が駆動させられている時には移動しない。湾曲部４１６がＺ管２２２の縦方向への移動に応じて接続部４１６、４１８の周囲を回転すると、プローブの縦方向への移動はＸ−Ｙ管２２０により同時に生じる移動にも拘らず正確に測定される。これは、主として常時鏡４１８、４２０が概して相互の直交関係を維持していることに起因する。その結果、Ｚ方向の測定は管２２０により生じるＸ−Ｙ方向への移動から切り離される。

次に、表面の高さを決定するために、表面上方にある（或いは表面に接触する）プローブの高さが監視されるとともに制御される。
図２及び図７に示すように、ある制御モードにおいて、針１１５は試料と接触しており、カンチレバー１１４が試料上を移動することにより生じる僅かな屈曲が測定される。これを接触モードという。針１１５が上方へ屈曲すると、カンチレバー１１４及び鏡１１７が移動する。このような鏡１１７の位置変化により反射光は検出器１０９を横切り移動する（図２）。検出器１０９の出力はＺ管２２２にフィードバックされる。従って、カンチレバー１１４の撓みは検出器１０９により出力される信号の関数である。一般的な制御において、カンチレバー１１４の撓み量は、検出器１０９の出力に基づく信号に応じてＺ管２２２を延出或いは収縮させる（例えば伸長或いは短縮させる）ことにより一定に維持される。針１１５がカンチレバー１１４を上方へ撓ませるような表面の凹凸に到達して、光
を検出器１０９に対して偏向させた時には、ＳＰＭはカンチレバー１１４を試料表面上或いは上方の同じ位置に戻そうとする。このようなカンチレバー１１４を元の屈曲に復帰させるためにＺ管２２２を延出或いは収縮させる性能は、図１０に示すデータ取得及び制御モジュール５００により与えられる。

タッピングモードＴＭ制御において、発振器（図示なし）は典型的には共振周波数で或いはその付近の周波数でカンチレバー１１４を上下に震動させる。プローブ組立物１１３が試料表面に接近した時には、表面１０８及び針１１５の相互作用により震動の大きさ（或いは位相）が変化する。鏡１１７により反射させられる放射線の角度もそれに従い大きさが変化して、検出器１０９上に生じる反射光の位置が変化させられる。次に検出器１０９は大きさの変化を示す信号を出力して、その信号を図１０に詳細に示す制御回路構成に入力する。次に制御回路構成は制御信号をＺ管２２２に供給して、カンチレバー１１４が所望する震動振幅に戻るまで針１１５を上下に移動させてＺ管２２２の長さを調節する。従って制御信号は試料１０８の表面形状を表す。

図１０に示すように、制御回路構成５００は圧電管アクチュエータ等のアクチュエータ１１０の部分２２０、２２２、検出器１２８、１０９、及び光源１２６、１０７と接続されている。制御回路構成５００は、アクチュエータドライバ５０４及び光源ドライバ５０６と接続されて、それらを駆動するデータ取得及び制御モジュール５０２を有する。アクチュエータドライバ５０４はアクチュエータ１１０の管アクチュエータ２２０、２２２に接続されている。ドライバ５０４はＸ−Ｙ管２２０を横方向へ移動させるとともにＺ管２２２を縦方向に伸長或いは収縮させるために必要な高電圧信号を出力する。光源ドライバは放射線源１２６、１０７と接続されてそれらを駆動する。制御モジュール５０２はまた検出信号調節器５０８に接続されてそこから信号を受信する。信号調節器５０８は２個の放射線検出器１２８、１０９から未処理の信号を受信して、その信号を制御モジュール５０２により読み込みが可能な信号に変換する。

制御モジュール５０２は制御回路５００の作動すなわちアクチュエータ１１０の作動を制御する一連の指示を有する。これには、検出信号調節器５０８から送信されて検出器１０９、１２８に入力された放射線を示す信号を受信し処理するための指示も含まれる。また、アクチュエータドライバ５０４に適切な信号を送信してアクチュエータドライバ５０４にアクチュエータ１１０の管２２０、２２２へ適切な高電圧信号を出力させるための指示も含まれる。モジュール５０２はまた、光源１０７、１２６により発光させられる放射線を光源ドライバ５０６により適切に制御するように、信号を出力してその信号を光源ドライバ５０６に送信するための指示も含む。

制御モジュール５０２は検出器１０９により出力される信号の変化を監視し、その信号の変化に基づいて、接触モードではカンチレバー１１４が上方或いは下方へ屈曲したと判定し、タッピングモードでは震動振幅が増加或いは減少したと判定する。この信号に応じて、コントローラ５０２は検出器１０９により出力される信号が元のレベルに戻るまでプローブ組立物１１３を上昇或いは下降させる。これを実行するために、制御モジュール５０２は信号を出力して、その信号を圧電管アクチュエータ１１０のＺ管２２２に適用することにより、Ｚ管２２２は信号に応じて収縮或いは伸長する。このような収縮或いは伸長により、可撓性棒結合部材２３０は上方或いは下方へ引っ張られて、それに伴い連結部材２３２Ｂが上方へ引っ張られるか或いは下方へ押される。連結部材２３２Ｂはカンチレバー１１４の固定端に機械的に結合されており、その固定端を棒２３０と共に移動させる。このようなカンチレバー１１４の固定端の移動により、鏡１１７は元の向きに復帰させられて、検出器１０９に向けられる光は元の信号レベルを生じさせる。このような復帰した信号レベルは制御モジュール５０２により感知されて、Ｚ管２２２に付与される信号の変化が停止させられる。つまり、高度情報はＺ管２２２に付与される電圧から判断される。
すなわち、カンチレバーを一定の振幅或いは屈曲に維持するための通常のフィードバック処理の一部としてＺ管２２２に供与される電圧が、データ獲得及び制御モジュール５０２により試料凹凸高度を示すものとして読み込まれる。

本発明の新規原理に伴い、正確なＺ高度情報が検出器１２８から個々に伝送されつつ、上述した通常のフィードバック処理が続けられる。すなわち、制御モジュール５０２は以下の方法に従いプローブ組立物１１３の高さを判定するために、検出器１２８により出力される信号を利用する。再度述べるが、針１１５が試料１０８の表面を亘り移動させられて、凹凸に到達する。これまでの場合のように、これは接触モードにおいてはカンチレバー１１４を上方へ撓ませ、また、タッピングモードにおいてはカンチレバー１１４の震動振幅を減少させて、検出器１０９において信号を変化させる。また、コントローラ５０２は部分２２２に入力される信号を変化させることにより、部分２２２を収縮させる。これにより、湾曲部２３２は上方へ移動させられる。図７に示すように、このような上方への移動により、鏡２４２は下方へ且つ鏡２４０から外側へ離れるよう屈曲させられて、源１２６から出力される光は検出器１２８の異なる部分に向けられる。検出器１２８に向けられた光は湾曲部２３２の高さの関数であり、すなわちカンチレバー１１４の固定端の高さの関数である。従って、このような場合は、制御モジュール５０２は検出器１２８より出力される信号を読み込み、湾曲部２３２（すなわちプローブ組立物１１３）の高度を直接判定する。

本実施形態ではまた、Ｚ管２２２が収縮或いは伸長する時の横方向の屈曲に起因する他の位置誤差をも防ぐ。このようなことは、試料１０８の表面高度だけでなく、高度測定が実施された位置を判定するほとんどの測定工程において重要である。本発明の背景技術において詳述したように、Ｚ管２２２は収縮或いは伸長した時に横方向へ屈曲するので望ましくない。基準構造体１１２が設けられていなければ、プローブは試料の表面に亘り僅かに前方、後方、左方向、或いは右方向へ制御されて、直接上方或いは下方へ移動させられない。湾曲部２３２及びプローブ自体と共に上方及び下方へ移動する連結部材２３２ＢはこのようなＺ管２２２の横方向への屈曲から切り離されている。連結部材２３２ＢはＺ管２２２の伸長及び収縮をプローブへ伝達するのみである。

湾曲部２３２の４本棒状連結装置により、プローブ自体が部材１１２に対して上方及び下方へ移動する。Ｚ管２２２が伸長或いは収縮する時に、横方向の移動を吸収するとともに、プローブ組立物１１３にその横方向の移動が伝達されないようにするのは可撓性棒結合部材２３０である。可撓性棒結合部材２３０はその全長に亘り側方へ僅かに屈曲する程度の柔軟性を有する。可撓性棒結合部材２３０は、部材２３０の横方向への屈曲がシステムに大きな誤差をもたらすことなく生じる程度の長さを有する。このようにして、部材１１２は圧電アクチュエータ１１０の縦方向の移動から切り離されているが、（Ｘ，Ｙ）平面の移動を湾曲部２３２へ伝達する。可撓性棒結合部材２３０、湾曲部２３２、そして特に連結部材２３２ＢはＺ管２２２の伸長及び収縮により生じる横方向への移動から切り離されるが、概してＺ管２２２の上下方向への移動を繰り返してその移動をプローブ組立物１１３に伝達する。

本願の範囲は上記実施形態に関する詳述により限定されるのではなく、以下の請求の範囲により限定されるだけである。

走査針を利用するとともに３軸圧電アクチュエータ組立物を有する従来の原子間力顕微鏡を示す部分側面図。 走査針を利用するとともに３軸圧電アクチュエータ組立物を有する従来の原子間力顕微鏡を示す部分側面図。 原子間力顕微鏡の従来の圧電管アクチュエータを示す斜視図。 所定方向、この場合はＺ方向へ移動するように構成された圧電アクチュエータ組立物の寄生移動を示す正面図。 本発明の走査プローブ顕微鏡組立物を示す側面図。 本発明の圧電アクチュエータの意図された移動を測定する光学検出装置の主要部を示す側断面図。 図３に示された光学検出装置の他の実施形態を示す概念図。 図３に示された光学検出装置の他の実施形態を示す概念図。 図３に示された光学検出装置の他の実施形態を示す概念図。 本発明に係る走査プローブ顕微鏡のプローブ組立物から顕微鏡の特定の意図された方向以外への移動を切り離すための装置の主要部を示す側断面図。 本発明の一実施形態に係る光学測定装置を有する図２の圧電アクチュエータ組立物を示す側断面図。 図５に示された光学測定装置の他の実施形態を示す側断面図。 図５に示された光学測定装置の他の実施形態を示す側断面図。 図５の圧電アクチュエータ組立物の下部を拡大して示す斜視図。 アクチュエータ及び対応する湾曲部の移動を鎖線に示す、図５の圧電アクチュエータ組立物の下部を示す主要部側断面図。 図４に示された装置の別の実施形態を示す断面図。 図４に示された装置の別の実施形態を示す斜視図。 本発明の別の実施形態を示す主要部側断面図。 発光検出器を監視し、圧電アクチュエータを制御し、且つ試料表面における走査点の３次元位置を示すデータを保存するように構成された制御回路を示す概略図。

Claims (37)

1. 第１直交方向及び第２直交方向へ制御によって移動する第１アクチュエータステージと、第１アクチュエータステージに隣接して設けられるとともに第１及び第２直交方向と直交する第３方向へ制御によって移動される第２アクチュエータステージとを有したアクチュエータと、
   第１端部及び第２端部を有する基準構造体と、第１端部は第２アクチュエータステージの移動に対して固定されていることと、
   第２アクチュエータステージに結合されるとともに基準構造体の第２端部に固定された多棒連結組立物に結合された結合部材と、前記第２アクチュエータステージ及び前記結合部材は、連結組立物を第１及び第２直交方向への第２アクチュエータステージの移動から切り離す方式で第３直交方向へ移動させるべく形成されていることと、
   基準構造体の第２端部に固定された対物レンズと、同対物レンズは光源と位置センサとの間にあり、前記位置センサは第１アクチュエータステージの第１及び第２方向への移動を測定することとからなる、測定装置組立物。
2. 前記第１アクチュエータステージの第１方向及び第２方向への移動は基準構造体に平行移動される請求項１に記載の組立物。
3. 前記基準構造体の第１方向及び第２方向への移動は対物レンズに平行移動される請求項２に記載の組立物。
4. 前記光源及び前記位置センサは静止している請求項３に記載の組立物。
5. 前記位置センサはシリコンフォトダイオードである請求項１に記載の組立物。
6. 前記対物レンズは更に一組のマイクロレンズを有する請求項１に記載の組立物。
7. マイクロレンズにより信号とノイズの比率を増加させるような光学倍率が与えられることを特徴とする請求項６に記載の組立物。
8. 倍率は式Ｍ＝ｌ＋ｉ／ｏであり、ここで、ｉは前記１組のマイクロレンズの主面から位
   置センサまでの直交距離であり、ｏは前記１組のマイクロレンズの主面から光源までの直交距離である請求項７に記載の組立物。
9. 前記光源から前記マイクロレンズを通り位置センサに指向される電磁放射線ビームの移動には、係数Ｍが乗じられる請求項８に記載の組立物。
10. 前記基準構造体及び前記結合部材によって前記第１方向及び第２方向での堅固な機械連結が提供される請求項１に記載の組立物。
11. 前記基準構造体は、前記アクチュエータ近傍の内面及び外面をさらに有する請求項１に記載の組立物。
12. 前記対物レンズは前記基準構造体の外面に載置される請求項１１に記載の組立物。
13. 固定端と、同固定端に対して３つの直交方向に相対移動するように形成された自由端とを有する縦軸を備えたアクチュエータと、
    互いに相対して平行移動すべく相互に拘束された第１連結部材及び第２連結部材を有する多棒連結装置と、前記第１連結部材は基準構造体に固定され、及び前記第２連結部材は前記アクチュエータの縦軸とほぼ平行方向に平行移動するように拘束されていることと、
    第１端部及び第２端部を有する結合部材と、前記第１端部はその自由端近傍においてアクチュエータに固定されているとともに、前記第２端部は前記第２連結部材に固定されていることと、前記結合部材は前記アクチュエータの縦軸とほぼ平行な方向の転位を平行移動するように形成されていることと、
    基準構造体に固定された対物レンズと、同対物レンズは光源と位置センサの間にあり、前記位置センサは前記アクチュエータの縦軸と略直角の少なくとも１つの方向における対物レンズの転位を測定することとからなる組立物。
14. 前記光源及び前記位置センサは静止している請求項１３に記載の組立物。
15. 前記対物レンズは一組のマイクロレンズをさらに有する請求項１３に記載の組立物。
16. 前記一組のマイクロレンズは信号対ノイズ比を増加させるための光学倍率を提供する請求項１５に記載の組立物。
17. 倍率は式Ｍ＝ｌ＋ｉ／ｏであり、ここでｉは前記一組のマイクロレンズの主面から前記位置センサまでの直交距離であり、ｏは前記一組のマイクロレンズの主面から前記光源までの直交距離である請求項１６に記載の組立物。
18. 前記光源から前記一組のマイクロレンズを通り前記位置センサを指向する電磁放射線ビームの移動には係数Ｍが乗じられる請求項１７に記載の組立物。
19. 前記組立物は走査型プローブ顕微鏡である請求項１３に記載の組立物。
20. 前記アクチュエータは圧電アクチュエータ又は電歪アクチュエータである請求項１３に記載の組立物。
21. 長手方向軸を有し、及び顕微鏡の枠と結合するように形成された第１端部と、プローブ組立物に結合するように形成された自由端部とを備えるとともに、適切な電気的刺激が付与されたときに３つの直交方向へ制御可能に移動するように形成されている長手状アクチュエータと、プローブ組立物とを有した測定装置組立物において長手状アクチュエータの
    縦軸と略直角の少なくとも１つの方向へのアクチュエータの移動を測定するための方法であって、
    前記プローブ組立物をプローブ支持組立物により支持する工程と、
    長手状アクチュエータの縦方向への伸長或いは収縮の影響を受けることがほぼないような、測定装置の基準構造体によって、前記プローブ支持組立物をその第１端部において支持する工程と、
    前記基準構造体を長手状アクチュエータに設けられた長手管の屈曲から切り離す工程と、
    長手状アクチュエータの縦方向への伸長及び収縮部分を駆動する工程と、
    駆動工程を実行した結果、長手方向への伸長及び収縮部分を縦方向及び横方向に同時に屈曲させる工程と、
    プローブ支持組立物に縦方向への屈曲を伝達すると同時に、管の縦方向への伸長及び収縮部分に生じた横方向への屈曲による、プローブ支持組立物の横方向への屈曲を阻止する工程と、
    前記基準構造体に固定され、光源及び位置センサの間にある対物レンズの移動を測定する工程とからなる、長手状アクチュエータの縦軸と略直角の少なくとも１つの方向へのアクチュエータの移動を測定するための方法。
22. 前記対物レンズは前記基準構造体の外面に固定されており、光源及び位置センサは静止している請求項２１に記載の方法。
23. 前記対物レンズの平行移動は、プローブ組立物のアクチュエータの縦軸に略直角な少なくとも１つの方向への移動を示すことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
24. 前記プローブ支持組立物の第１端部は多棒連結装置を介して前記基準構造体に接続されている請求項２１に記載の方法。
25. 測定装置におけるアクチュエータの移動を測定する装置において、前記測定装置は、
    ３つの直交方向に平行移動するアクチュエータに結合された基準構造体に固定される対物レンズと、
    光ビームを発生させる光源と、前記測定装置は対物レンズの移動に応じてビームの位置を変化させることと、
    ビームを検知し、少なくともアクチュエータの縦軸と略直角な一方向におけるアクチュエータの移動を示す転位信号を発生させる位置センサとからなり、前記基準構造体は前記３つの直交方向のうちの少なくとも１つに平行移動可能でない測定装置。
26. 前記光源はレーザである請求項２５に記載の装置。
27. 前記対物レンズは光源と位置センサとの間にある請求項２５に記載の装置。
28. 前記光源及び位置センサは静止している請求項２７に記載の装置。
29. 前記基準構造体は管状であり、且つアクチュエータをほぼ包囲している請求項２５に記載の装置。
30. 前記基準構造体はアクチュエータ近傍の内面と、外面とを有する請求項２９に記載の装置。
31. 前記対物レンズは前記基準構造体の外面に載置されている請求項３０に記載の装置。
32. 前記測定装置は走査型プローブ顕微鏡である請求項２５に記載の装置。
33. 前記アクチュエータは圧電アクチュエータ又は電歪アクチュエータである請求項２５に記載の装置。
34. 測定装置におけるアクチュエータの移動を測定する方法において、
    試料を分析するときに結合されたカンチレバーを３つの直交方向に平行移動させるアクチュエータに結合された基準構造体に載置される対物レンズを提供する工程と、
    前記対物レンズの移動を測定する工程とからなり、前記対物レンズの移動はアクチュエータの縦軸と略直角の少なくとも１つの方向におけるアクチュエータの移動を示しており、前記基準構造体は前記３つの直交方向のうちの少なくとも１つに平行移動可能でない測定方法。
35. 前記測定工程は、
    静止している光源から光ビームを発生させる工程と、
    対物レンズの移動に応じて光ビームの方向を変更する工程と、
    位置センサによりビームの位置を検出する工程と、
    アクチュエータの移動を示す転位信号を出力する工程とを更に有する請求項３４に記載の方法。
36. 測定装置におけるアクチュエータの移動を測定する装置において、前記光学測定装置は、
    対物レンズと、
    前記アクチュエータに結合されるとともに、同アクチュエータの長手方向軸にほぼ一致する中心長手方向軸を有する長尺状基準構造体と、
    アクチュエータに結合された基準構造体に固定される光源と、同光源は光ビームを発生させ、且つ光学測定装置は光源の移動に応じてビームの位置を変更することと、
    ビームを検出して、アクチュエータの縦軸と略直角の少なくとも１つの方向におけるアクチュエータの移動を示す転位信号を出力する位置センサとからなり、前記アクチュエータは３つの直交方向に平行移動し、及び前記基準構造体は前記３つの直交方向のうちの少なくとも１つに平行移動可能でない測定装置。
37. 測定装置におけるアクチュエータの移動を測定する装置において、前記測定装置は、
    対物レンズと、
    前記アクチュエータに結合されるとともに、同アクチュエータの長手方向軸にほぼ一致する中心長手方向軸を有する長尺状基準構造体と、前記アクチュエータは試料のスキャンの間にそれに結合されたカンチレバーを平行移動させることと、
    光ビームを発生させる光源と、
    アクチュエータに結合された基準構造体に固定される位置センサと、測定装置は光線に対する位置センサの位置を変更するものであることと、前記位置センサは少なくともアクチュエータの縦軸と略直角な一方向におけるアクチュエータの移動を示す転位信号を出力することとからなる装置。

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