JPH08210809A - スキャナシステム及びこのスキャナシステムの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】測定範囲全域に亘って高感度にスキャナ変位を
検出することが可能なスキャナシステムを提供する。 【構成】測定試料が載置可能なステージ１を所定方向に
移動させるチューブ型圧電体スキャナ（スキャナ）３
と、レーザー光源１１と、このレーザー光源からの光を
平行光束に変換するコリメータレンズ１０と、この平行
光束を所定角度だけ変向させるレーザー光変向器９と、
所定角度だけ変向した平行光束が照射された反射鏡２か
ら反射した反射光を４分割フォトディテクタ（４ＰＤ）
８上に集光させる集光レンズ７と、ステージを所定方向
に一定間隔で移動させるように、４ＰＤ上に集光した反
射光のスポット位置に基づいて、スキャナを駆動制御す
る制御回路１４とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば走査型トンネル
顕微鏡や原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡に組
み込まれたスキャナシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、試料に対する高精度な測定が行わ
れるように、走査型プローブ顕微鏡には、種々のスキャ
ナシステムが適用されている。このスキャナシステムの
一例としては、試料を載置可能なステージを所定方向に
所定量だけ移動させるチューブ型圧電体が知られてい
る。このチューブ型圧電体には、その内周面に設けられ
た電極と、その外周面を周方向に４等分した位置に夫々
設けられた４個の駆動電極とを備えている。このような
チューブ型圧電体は、４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、所定方向に所定量だけ３次元
的に変位させることができるように構成されている。

【０００３】このようなスキャナシステムにおいて、ス
キャナの変位は、以下のように検出されている。即ち、
チューブ型圧電体の裏面に設けられた反射鏡から反射し
た反射光を集光レンズによって例えば４分割フォトディ
テクタ（以下、４ＰＤと称する）に集光させる。このと
き、チューブ型圧電体が変位すると、４ＰＤ上において
反射光のスポット位置が変化する。４ＰＤは、受光位置
に対応した電気信号を出力するように構成されているた
め、反射光のスポット位置の変化に対応して、４ＰＤか
らの信号出力が変化する。そこで、かかる信号出力の変
化を検出することによって、スキャナ変位が検出されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図２
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、スキャナシステ
ムにおいて、スキャナ変位Ｆと信号出力Ｐとの間には、
以下のような関係があることが知られている。

【０００５】図２（Ａ），（Ｃ）に示すように、集光レ
ンズ（図示しない）の焦点位置に４ＰＤ８を配置させた
場合、この４ＰＤ８の受光領域８ａ，８ｂに集光された
反射光のスポット径は、極めて小さくなる。この状態で
チューブ型圧電体（図示しない）を変位させた場合、４
ＰＤ８の中心に対してスポットＳは相対的に大きくずれ
ることになるため、信号出力Ｐは大きく変化する。この
結果、スキャナ変位Ｆの検出感度は大きくなる。

【０００６】しかしながら、スポットＳが微少量ｄだけ
移動しただけで、例えば４ＰＤ８の図２（Ａ）中向って
左側の受光領域８ａからスポット位置が外れてしまうた
め、スキャナ変位量の測定範囲、即ち最大信号許容レベ
ルＤ（ダイナミックレンジ）は、極めて限定されてしま
うことになる（図２（Ｃ）の特性曲線Ｐ１参照）。

【０００７】また、図２（Ｂ），（Ｃ）に示すように、
集光レンズの非焦点位置に４ＰＤ８を配置させた場合、
この４ＰＤ８の受光領域８ａ，８ｂに集光された反射光
のスポット径は、比較的大きくなる。この状態でチュー
ブ型圧電体を変位させた場合、４ＰＤ８の中心に対して
スポットＳは相対的に大きくずれることはないため、信
号出力Ｐはあまり変化しない。この結果、スキャナ変位
Ｆの検出感度は小さくなってしまう。

【０００８】しかしながら、スポットＳがある程度（例
えば、上記微少量ｄ）移動しても、そのスポット位置
は、４ＰＤ８の受光領域８ａ，８ｂから外れることはな
いため、スキャナ変位量の測定範囲、即ち最大信号許容
レベルＤ（ダイナミックレンジ）は、ある程度広がるこ
とになる（図２（Ｃ）の特性曲線Ｐ２参照）。

【０００９】このように、従来のスキャナシステムで
は、スポット径の大きさによって、検出感度のダイナミ
ックレンジとの間に相反の関係が存在している。このた
め、高い検出感度を維持しつつ、ダイナミックレンジＤ
の広いスキャナシステムの開発が望まれている。

【００１０】本発明は、このような要望に答えるために
成されており、その目的は、測定範囲全域に亘って高感
度にスキャナ変位を検出することが可能なスキャナシス
テムを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明のスキャナシステムは、測定試料が載
置可能なステージを所定方向に移動させるスキャナと、
前記ステージに設けられた反射鏡に平行光束を照射する
光源手段と、この光源手段と前記反射鏡との間の光路中
に配置され、前記光源手段から出射された前記平行光束
を所定角度だけ変向させる変向手段と、所定角度だけ変
向した前記平行光束が照射された前記反射鏡から反射し
た反射光を光検出器上に集光させる集光手段と、前記ス
テージを所定方向に一定間隔で移動させるように、前記
光検出器上に集光した前記反射光のスポット位置に基づ
いて、前記スキャナを駆動制御する制御回路とを備えて
いる。

【００１２】

【作用】光源手段から出射された平行光束は、変向手段
によって所定角度だけ変向された後、反射鏡及び集光手
段を介して光検出器上に集光される。このとき、制御回
路は、光検出器上に集光した反射光のスポット位置に基
づいて、ステージを所定方向に一定間隔で移動させるよ
うにスキャナを駆動制御する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係るスキャナシス
テムについて、添付図面を参照して説明する。図１
（Ａ），（Ｂ）に示すように、本実施例のスキャナシス
テムは、測定試料（図示しない）が載置可能なステージ
１を所定方向に移動させるチューブ型圧電体スキャナ３
（以下、単にスキャナと称する）と、ステージ１に設け
られた反射鏡２に平行光束を照射する光源手段と、この
光源手段と反射鏡２との間の光路中に配置され、光源手
段から出射された平行光束を所定角度だけ変向させる変
向手段と、所定角度だけ変向した平行光束が照射された
反射鏡２から反射した反射光を光検出器即ち４分割フォ
トディテクタ８（以下、単に４ＰＤと称する）上に集光
させる集光手段と、ステージ１を所定方向に一定間隔で
移動させるように、４ＰＤ８上に集光した反射光のスポ
ット位置に基づいて、スキャナ３を駆動制御する制御回
路１４とを備えている。

【００１４】具体的には、制御回路１４は、変向手段に
よって平行光束を所定角度だけ変向させたことによっ
て、４ＰＤ８上に集光される反射光のスポット位置が初
期位置（即ち、４ＰＤ８の中心位置）から変位した際、
このスポット位置を初期位置に復帰させるように、スキ
ャナ３を駆動制御するステージ駆動信号出力手段（図示
しない）を備えている。

【００１５】スキャナ３は、その上部にステージ１を搭
載した状態で固定台４上に設けられており、制御回路１
４に電気的に接続されたスキャナドライバ１５によって
所定方向に所定角度θだけ変位するように制御される。

【００１６】光源手段には、レーザー光源１１と、この
レーザー光源１１から出射されたレーザー光を平行光束
に変換するコリメータレンズ１０とが設けられている。
変向手段には、制御回路１４に電気的に接続されたスキ
ャンコントローラ１２によって駆動制御されるレーザー
光変向器９が設けられており、このレーザー光変向器９
は、制御回路１４から出力される目標変位信号に基づい
て、コリメータレンズ１０から出射した平行光束を所定
角度だけ変向させるように構成されている。

【００１７】集光手段には、ステージ１の裏面に設けら
れた反射鏡２から反射した反射光を４ＰＤ８上に集光さ
せる集光レンズ７が設けられている。また、集光レンズ
７及び４ＰＤ８は、集光レンズ７の焦点位置と４ＰＤ８
の受光面８ａ，８ｂ（図１（Ｂ），（Ｃ）参照）とが一
致するように固定台４内に配置されており、この固定台
４には、更に、レーザー光変向器９を介して出力された
平行光束を反射鏡２方向に反射するビームスプリッタ６
と、このビームスプリッタ６から反射された平行光束の
偏光成分を変換可能な４分の１波長板（以下、λ／４板
と称する）５とが設けられている。

【００１８】このため、レーザー光変向器９を介して出
射された平行光束が、例えば方位角４５°の直線偏光の
平行光束であると仮定すると、このような平行光束は、
ビームスプリッタ６から反射した後、λ／４板５によっ
て円偏光に変換された状態で反射鏡２に照射される。こ
の反射鏡２から反射した反射光は、先の円偏光を維持し
た状態で再びλ／４板５に照射される。λ／４板５に照
射された反射光は、このλ／４板５によって直線偏光に
変換された状態でビームスプリッタ６に出射される。こ
のとき、ビームスプリッタ６に出射された反射光は、そ
の偏光方向が最初の直線偏光に対して９０°ずれた直線
偏光に変換されている。このため、かかる反射光は、ビ
ームスプリッタ６を透過した後、集光レンズ７によって
４ＰＤ８上に集光されることになる。

【００１９】また、４ＰＤ８は、集光レンズ７によって
集光された反射光のスポット位置に対応したスポット位
置検出信号を出力するように構成されていると共に、プ
リアンプ１３を介して制御回路１４に電気的に接続され
ている。このため、４ＰＤ８から出力されたスポット位
置検出信号は、プリアンプ１３で増幅された後、制御回
路１４においてスキャナシステム制御用の信号に変換さ
れることになる。

【００２０】次に、本発明の技術的思想について説明し
た後、上述した本実施例の動作について説明する。い
ま、図１（Ｂ）に示すように、スキャナ３が変位したと
き、ステージ１が水平面に対して角度θだけ傾斜するた
め、反射鏡２も角度θだけ傾斜する。

【００２１】この状態において、無変向の平行光束（即
ち、所定角度だけ変向されることなくレーザー光変向器
９から出射された平行光束）が、ビームスプリッタ６を
介して反射鏡２に入射されたとき、この平行光束は、そ
の入射角に対して角度２θだけ傾斜した方向に反射され
る。

【００２２】このとき、反射鏡２から集光レンズ７を介
して４ＰＤ８上に集光された反射光のスポット位置は、
反射鏡２の傾斜角度θに対応して、初期位置（即ち、ス
キャナ３が変位していないときに、４ＰＤ８の受光領域
８ａ，８ｂの中心位置に形成されているスポット位置）
からずれている（図１（Ｃ）参照）。

【００２３】ここで、初期位置に対するずれ量をｄとす
ると、このずれ量ｄと傾斜角度θとの関係は、 ｄ＝ｆｔａｎ２θ …（１） ｆ；集光レンズ７の焦点距離 と規定される。

【００２４】従って、４ＰＤ８から出力されるスポット
位置検出信号に基づいて、制御回路１４が検出したずれ
量ｄを上記（１）式に代入することによって、反射鏡２
の傾斜角度θを算出することが可能となる。

【００２５】本実施例のスキャナシステムでは、スキャ
ナ３の変位が高感度に検出されるように、４ＰＤ８上に
集光されるスポット径は、ビームウエストの寸法程度に
極めて小さくなっている。

【００２６】このため、わずかなずれ量ｄによって、そ
のスポット位置が４ＰＤ８の受光領域８ａ，８ｂから外
れてしまうため、ダイナミックレンジが極めて限定され
てしまうことになる。

【００２７】従って、高感度で広いダイナミックレンジ
を維持するために、スポット位置は、常時４ＰＤ８の中
心即ち初期位置近傍に位置付けられていることが好まし
い。そこで、図２（Ｄ）に示すように、スキャナ３が変
位してステージ１が角度θだけ傾斜したとき、レーザー
光変向器９を介して平行光束を所定角度θだけ変向させ
ることにより、集光レンズ７によって集光された反射光
のスポット位置を４ＰＤ８の中心即ち初期位置に復帰さ
せることができる。

【００２８】換言すれば、予め設定された角度θずつ平
行光束を変向させるようにレーザー光変向器９を制御す
ると共に、平行光束が変向される毎に、スポット位置を
初期位置に復帰させるようにスキャナ３を変位させるこ
とによって、スキャナ３の変位状態にかかわらず、４Ｐ
Ｄ８上に形成されるスポット位置は、常に初期位置近傍
（即ち、受光領域８ａ，８ｂから外れない位置）に位置
付けられる。

【００２９】具体的には以下の動作を繰り返すことにな
る。即ち、レーザー光変向器９によって予め設定された
角度θだけ平行光束を傾斜させた後、４ＰＤ８から出力
されるスポット位置検出信号に基づいて、スポット位置
を初期位置に復帰させるように、スキャナ３を変位させ
る。そして、再び、レーザー光変向器９によって予め設
定された角度θだけ平行光束を傾斜させた後、同様にス
ポット位置を初期位置に復帰させるようにスキャナ３を
変位させる。

【００３０】このような動作を繰り返した場合でも、ス
キャナ３の変位は、常に、４ＰＤ８上におけるスポット
位置の初期位置近傍のずれ量となって表されるため、ス
ポット位置が、４ＰＤ８の受光領域８ａ，８ｂから外れ
ることはない。

【００３１】この結果、高い検出感度を維持しつつ、ダ
イナミックレンジＤの広いスキャナシステムが実現され
ることになる。次に、このような技術的思想に基づいて
構成された本実施例のスキャナシステムの動作を図３の
フローチャート及び図１を参照して説明する。

【００３２】測定試料（図示しない）に対する走査が行
われる場合（Ｓ１）、予め設定された角度θだけ平行光
束を傾斜させるように、制御回路１４からスキャンコン
トローラ１２へ目標変位信号が出力される（Ｓ２）。

【００３３】スキャンコントローラ１２は、目標変位信
号に基づいて、レーザー光変向器９へ角度信号を出力す
る（Ｓ３）。この結果、レーザー光源１１からコリメー
タレンズ１０を介して出射した平行光束は、レーザー光
変向器９によって、角度θだけ変向される（Ｓ４）。

【００３４】レーザー光変向器９からビームスプリッタ
６に照射された平行光束は、ステージ１の裏面に配置さ
れた反射鏡２から反射された後、集光レンズによって４
ＰＤ８に集光される。このとき、４ＰＤ８は、スポット
位置に対応したスポット位置検出信号を出力する（Ｓ
５）。

【００３５】４ＰＤ８から出力されたスポット位置検出
信号は、プリアンプ１３で増幅された後、制御回路１４
においてスキャナシステム制御用の信号に変換される。
このとき、スポット位置が初期位置からずれていること
が検出された場合（Ｓ６）、スポット位置を初期位置に
復帰させるように、制御回路１４からスキャナドライバ
１５へステージ駆動信号が出力される（Ｓ７）。

【００３６】スキャナドライバ１５は、ステージ駆動信
号に基づいて、スキャナ３を変位させて、４ＰＤ８上の
スポット位置を初期位置に復帰させる（Ｓ８）。このと
き、４ＰＤ８から出力されるスポット位置検出信号に基
づいて、制御回路１４は、スポット移動状態を監視する
（Ｓ５）。そして、スポット位置が初期位置に復帰した
とき（Ｓ６）、ステージ駆動信号の出力を停止する。

【００３７】この後、制御回路１４は、次の走査を行う
ために（Ｓ１）、角度θだけ平行光束を傾斜させるよう
に、スキャンコントローラ１２へ目標変位信号を出力す
る（Ｓ２）。

【００３８】このとき、スキャンコントローラ１２によ
ってレーザー光変向器９を制御して（Ｓ３）、平行光束
を角度θだけ変向すると（Ｓ４）、４ＰＤ８上に形成さ
れるスポット位置は、初期位置からずれたものとなる。
制御回路１４は、４ＰＤ８から出力されるスポット位置
検出信号に基づいて（Ｓ５，Ｓ６）、スポット位置を初
期位置に復帰させるように、スキャナドライバ１５を駆
動制御する（Ｓ７）。この結果、スポット位置は、初期
位置に復帰される（Ｓ８）。

【００３９】本実施例では、このような動作を繰り返し
た場合でも、スキャナ３の変位は、常に、初期位置近傍
におけるずれ量となって表れるため、スポット位置が、
４ＰＤ８の受光領域８ａ，８ｂから外れることはない。

【００４０】この場合、スキャナ３の変位は、常に、４
ＰＤ８上に形成されたスポット位置と初期位置との間の
ずれ量として検出することができる。従って、レーザー
光変向器９によって平行光束を角度θだけ傾斜させ、そ
のとき形成されるスポット位置を初期位置に復帰させる
ようにスキャナ３を変位する動作を繰り返すことによっ
て、ステージ１を所定方向に一定間隔で高精度に移動さ
せることが可能となる。即ち、測定試料上の走査点が測
定範囲全域に亘って一定間隔に維持されるため、測定試
料の表面情報を高精度な３次元像として得ることが可能
となる。

【００４１】このように、本実施例によれば、４ＰＤ８
上に形成されるスポット位置を測定範囲全域に亘って常
に初期位置近傍に維持させることができるため、高い検
出感度を維持しつつ、且つ、ダイナミックレンジＤを広
くすることが可能となる。この結果、測定範囲全域に亘
って高感度にスキャナ変位を検出することが可能なスキ
ャナシステムを提供することができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、所定角度だけ変向させ
た平行光束によって光検出器上に形成されたスポット位
置に基づいてスキャナが駆動制御されるため、ステージ
を所定方向に一定間隔で移動させることが可能となる。
この結果、測定範囲全域に亘って高感度にスキャナ変位
を検出することができるスキャナシステムを実現するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は、本発明の一実施例に係るスキャナシ
ステムの構成を概略的に示す図、（Ｂ）は、スキャナが
変位した際に４ＰＤ上のスポット位置がずれた状態を示
す図、（Ｃ）は、４ＰＤ上のスポット位置のずれ状態を
拡大して示す図。

【図２】（Ａ）は、集光レンズの焦点位置に４ＰＤを配
置させた場合のスポット位置のずれ状態を示す図、
（Ｂ）は、集光レンズの非焦点位置に４ＰＤを配置させ
た場合のスポット位置のずれ状態を示す図、（Ｃ）は、
スキャナ変位と４ＰＤの信号出力との関係を示す図、
（Ｄ）は、レーザー光変向器を介して平行光束を所定角
度だけ変向させることにより、集光レンズによって集光
された反射光のスポット位置を初期位置に復帰させた状
態を示す図。

【図３】本発明の一実施例に係るスキャナシステムの動
作を示すフローチャート。

【符号の説明】

１…ステージ、２…反射鏡、３…チューブ型圧電体スキ
ャナ（スキャナ）、７…集光レンズ、８…４分割フォト
ディテクタ（４ＰＤ）、１０…コリメータレンズ、１１
…レーザー光源、１４…制御回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定試料が載置可能なステージを所定方
   向に移動させるスキャナと、 前記ステージに設けられた反射鏡に平行光束を照射する
   光源手段と、 この光源手段と前記反射鏡との間の光路中に配置され、
   前記光源手段から出射された前記平行光束を所定角度だ
   け変向させる変向手段と、 所定角度だけ変向した前記平行光束が照射された前記反
   射鏡から反射した反射光を光検出器上に集光させる集光
   手段と、 前記ステージを所定方向に一定間隔で移動させるよう
   に、前記光検出器上に集光した前記反射光のスポット位
   置に基づいて、前記スキャナを駆動制御する制御回路と
   を備えていることを特徴とするスキャナシステム。
2. 【請求項２】 前記制御回路には、前記変向手段によっ
   て前記平行光束を所定角度だけ変向させたことによっ
   て、前記光検出器上に集光される前記反射光のスポット
   位置が初期位置から変位した際、このスポット位置を初
   期位置に復帰させるように、前記スキャナを駆動制御す
   る手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記
   載のスキャナシステム。
3. 【請求項３】 測定試料が載置可能なステージを所定方
   向に移動させるスキャナを備えたスキャナシステムの制
   御方法であって、 平行光束を出射する出射工程と、 前記平行光束を所定角度だけ変向する変向工程と、 所定角度だけ変向した前記平行光束を前記ステージの反
   射鏡に照射することによって、この反射鏡から反射した
   反射光を光検出器上に集光する集光工程と、 前記ステージを所定方向に一定間隔で移動させるよう
   に、前記光検出器上に集光した前記反射光のスポット位
   置に基づいて、前記スキャナを駆動制御する制御工程と
   を有することを特徴とするスキャナシステムの制御方
   法。