JPH09133688A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な光学的構成で且つ高分解能に変位測定可
能なコンパクトな走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【解決手段】カンチレバー２２をステージ２４上の試料
２６に対して走査させるように、所定方向に所定量だけ
変位制御されるチューブスキャナ２８と、このチューブ
スキャナの変位量を光学的に測定するための測定用レー
ザー光を出射する光源３０と、チューブスキャナの変位
量を光学的に測定する測長光学系とを備えており、この
測長光学系には、チューブスキャナに取り付けられ且つ
光源からの測定用レーザー光を互いに位相の異なる複数
の光に変換して射出する変位測定補助部材３２と、これ
ら複数の光を干渉させることによって、チューブスキャ
ナの変位量を光学的に測定する変位測定系とが設けられ
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、試料を原子オーダ
ーの分解能で観察するために用いられる走査型プローブ
顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の走査型プローブ顕微鏡と
して、例えば走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡等
が知られているが、これら顕微鏡には、３軸方向に高い
分解能が要求されている。そして、この要求を実現する
ために、これら顕微鏡には、プローブと試料とを相対的
に走査させるアクチュエータが設けられている。

【０００３】アクチュエータとしては、ピエゾ素子等の
駆動分解能の高い圧電素子が用いられているが、その一
例として３軸方向に移動可能な円筒型圧電素子（即ち、
チューブスキャナ）が知られている。

【０００４】以下、このようなチューブスキャナを備え
た走査型プローブ顕微鏡について、図３を参照して説明
する。図３に示すように、チューブスキャナ２は、ＸＹ
スキャンコントローラ４からのＸ及びＹトリガ信号の出
力タイミングに基づいて、Ｘ軸及びＹ軸スキャンドライ
バ６，８から出力される駆動信号によって、試料１０が
載置されたステージ１２をＸＹ軸方向に変位させるよう
に制御されている。

【０００５】ステージ１２の変位に伴って試料１０がプ
ローブ１４に対して相対的に走査されると、試料１０表
面とプローブ１４先端との間に働く相互作用によってプ
ローブ１４の撓み量が変化して、プローブ１４先端がＺ
軸方向に変位する。

【０００６】プローブ１４先端の変位量は、Ｚ軸変位セ
ンサ１６によって検出され、その検出信号がＺ軸スキャ
ンドライバ１８に出力される。このとき、Ｚ軸スキャン
ドライバ１８は、Ｚ軸変位センサ１６の出力が予め設定
した値になるように、チューブスキャナ２にＺ軸駆動信
号を出力する。

【０００７】このようにチューブスキャナ２に対するフ
ィードバック制御が行われている間、ＸＹスキャンコン
トローラ４からのＸ及びＸトリガ信号の出力タイミング
に基づいて、サンプリング部２０には、Ｚ軸スキャンド
ライバ１８からのＺ軸駆動信号がサンプリングされる。
そして、サンプリングされたＺ軸駆動信号は、画像処理
が施された後、表示装置（図示しない）上にＳＰＭ像と
して表示されることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このようなチューブス
キャナは、所定電圧を印加することによって所定方向に
変位するように構成されているが、これら印加電圧と変
位量との間の関係は、チューブスキャナのヒステリシス
現象やクリープ現象等によって、非直線的な特性を奏す
る。このため、試料とプローブとの相対位置を高精度に
位置決めすることが困難になっている。しかも、上述し
たような非直線性による影響は、ＳＰＭ像の歪みとなっ
て現れるため、試料の表面情報を定量的に測定すること
ができなくなってしまう。

【０００９】ＳＰＭ像の歪みを解消させるために、直接
チューブスキャナの変位を測定する方法が考えられる。
なお、チューブスキャナの変位量は極めて微量であるた
め、その変位測定には、高分解能且つ直線性の良い測定
方法を用いる必要がある。

【００１０】このような高分解能な測定方法としては、
例えば、レーザー干渉測長器を用いた測定方法が考えら
れる。このようなレーザー干渉測長器によってチューブ
フキャナの３軸方向の変位量を測定する場合、走査型プ
ローブ顕微鏡には、Ｘ軸及びＹ軸方向の変位量を測定す
るために試料表面に対して平行に配置した測定光学系
と、Ｚ軸方向の変位量を測定するために試料表面に対し
て鉛直方向に配置した測定光学系とを増設しなければな
らない。この結果、走査型プローブ顕微鏡の光学的構成
が増大して、装置全体が大型化してしまうといった問題
がある。

【００１１】また、夫々の測定光学系は、その光路がプ
ローブ近傍で互いに接近する関係上、プローブ近傍に測
定光学系が近接し、光路構成が複雑化してしまうといっ
た問題もある。

【００１２】更に、このような光学的構成の増大と光路
の複雑化は、測定光学系相互のアライメントエラーの要
因となり、変位測定時の測定誤差を増大させるといった
問題も発生する。

【００１３】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされており、その目的は、簡単な光学的構成で且
つ高分解能に変位測定可能なコンパクトな走査型プロー
ブ顕微鏡を提供することにある。

【００１４】

【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、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、プローブ
を試料に対して走査させるように、所定方向に所定量だ
け変位制御される圧電素子と、この圧電素子の変位量を
光学的に測定するための測定用レーザー光を出射する光
源と、前記圧電素子の変位量を光学的に測定する測長光
学系とを備えており、この測長光学系には、前記圧電素
子に取り付けられ且つ前記光源からの測定用レーザー光
を互いに位相の異なる複数の光に変換して射出する変位
測定補助部材と、この変位測定補助部材から射出された
前記複数の光を干渉させることによって、前記圧電素子
の変位量を光学的に測定する変位測定系とが設けられて
いる。

【００１５】また、本発明において、前記変位測定系に
は、前記光源から出射された測定用レーザー光を前記変
位測定補助部材方向へ分岐させる光路分岐用部材と、こ
の光路分岐用部材から射出した測定用レーザー光の偏光
方向を変換するための偏光板と、前記変位測定補助部材
によって位相差が与えられて射出された複数の光を干渉
させることによって、前記圧電素子の変位量を光学的に
測定する変位測定用レーザー測長系とが設けられてい
る。

【００１６】更に、本発明において、前記光路分岐用部
材は、互いに直交する３軸方向の前記圧電素子の変位量
が夫々独立して光学的に測定されるように、３つの光路
分岐用偏光ビームスプリッタから構成されており、ま
た、前記変位測定補助部材は、前記３つの光路分岐用偏
光ビームスプリッタを介して伝波された測定用レーザー
光を夫々位相の異なる複数の光に変換して射出するよう
に、３つの変位測定補助部材から構成されている。

【００１７】このような構成において、光源から出射し
た測定用レーザー光は、互いに直交する３軸方向の圧電
素子の変位量が夫々独立して光学的に測定されるよう
に、光路分岐用部材の３つの光路分岐用偏光ビームスプ
リッタによって３つの測定用レーザー光に変換された
後、圧電素子に取り付けられた変位測定補助部材の３つ
の変位測定補助部材に伝波される。３つの変位測定補助
部材に伝波された３つの測定用レーザー光は、夫々、位
相の異なる複数の光に変換された後、夫々の変位測定補
助部材から変位測定用レーザー測長系に伝波される。そ
して、変位測定用レーザー測長系において、位相差が与
えられた複数の光を干渉させることによって、圧電素子
の３軸方向の変位量が光学的に測定される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る走査型プローブ顕微鏡について、図１及び図２を参照
して説明する。なお、図１には、本実施の形態の走査型
プローブ顕微鏡の全体の構成が示されており、図２に
は、圧電素子即ちチューブスキャナ周辺の構成が示され
ている。

【００１９】図１及び図２に示すように、本実施の形態
の走査型プローブ顕微鏡は、プローブ即ちカンチレバー
２２をステージ２４上の試料２６に対して走査させるよ
うに、所定方向に所定量だけ変位制御されるチューブス
キャナ２８と、このチューブスキャナ２８の変位量を光
学的に測定するための測定用レーザー光を出射する光源
３０と、チューブスキャナ２８の変位量を光学的に測定
する測長光学系とを備えており、この測長光学系には、
チューブスキャナ２８に取り付けられ且つ光源３０から
の測定用レーザー光を互いに位相の異なる複数の光に変
換して射出する変位測定補助部材３２と、この変位測定
補助部材３２から射出された複数の光を干渉させること
によって、チューブスキャナ２８の変位量を光学的に測
定する変位測定系とが設けられている。

【００２０】チューブスキャナ２８は、ＸＹスキャンコ
ントローラ３４からのＸ及びＹトリガ信号の出力タイミ
ングに基づいて、Ｘ軸及びＹ軸スキャンドライバ３６，
３８から出力される駆動信号によって、ＸＹ軸方向に駆
動制御されている。

【００２１】このようなチューブスキャナ２８には、ス
テージ２４に対面する側面上に変位測定補助部材３２が
固定されており、カンチレバー２２は、その基端が変位
測定補助部材３２に支持されている。

【００２２】このような構成によれば、チューブスキャ
ナ２８をＸＹ軸方向に駆動させて変位測定補助部材３２
を移動させることによって、ステージ２４上の試料２６
に沿ってカンチレバー２２をＸＹ走査させることができ
る。

【００２３】カンチレバー２２を試料２６に沿ってＸＹ
走査させている間、試料２６表面とカンチレバー２２先
端との間に働く相互作用によってカンチレバー２２の撓
み量が変化して、カンチレバー２２先端がＺ軸方向に変
位する。

【００２４】カンチレバー２２先端のＺ軸方向の変位量
は、例えば光てこ法等を適用したＺ軸変位センサ４０に
よって検出され、その検出信号がＺ軸スキャンドライバ
４２に出力される。このとき、Ｚ軸スキャンドライバ４
２は、Ｚ軸変位センサ４０の出力が予め設定した値にな
るように、チューブスキャナ２８にＺ軸駆動信号を出力
する。

【００２５】このようなフィードバック制御が行われて
いる間、カンチレバー２２と試料２６との間の相対的な
ＸＹＺ軸方向の変位量は、測長光学系によって、光学的
に測定されることになる。

【００２６】図２に示すように、この測長光学系に設け
られた変位測定補助部材３２及び変位測定系は、それら
の光軸が光源３０の光軸と同一平面上になるように、位
置決めされている。

【００２７】変位測定系には、光源３０から出射された
測定用レーザー光を変位測定補助部材３２方向へ分岐さ
せる光路分岐用部材４４と、この光路分岐用部材４４か
ら射出した測定用レーザー光の偏光方向を変換するため
のλ／４板４６と、変位測定補助部材３２によって位相
差が与えられて射出された複数の光（本実施の形態で
は、参照光及び変位測長光）を干渉させることによっ
て、チューブスキャナ２８の変位量を光学的に測定する
変位測定用レーザー測長系とが設けられている。

【００２８】光路分岐用部材４４は、チューブスキャナ
２８のＸＹＺ軸方向の変位量が夫々独立して光学的に測
定されるように、Ｘ軸光路分岐用偏光ビームスプリッタ
（以下、Ｘ軸光路分岐用ＰＢＳという）４４ａと、Ｙ軸
光路分岐用偏光ビームスプリッタ（以下、Ｙ軸光路分岐
用ＰＢＳという）４４ｂと、Ｚ軸光路分岐用偏光ビーム
スプリッタ（以下、Ｚ軸光路分岐用ＰＢＳという）４４
ｃとから構成されている。

【００２９】変位測定用レーザー測長系は、チューブス
キャナ２８のＸＹＺ軸方向の変位量が夫々独立して光学
的に測定されるように、Ｘ軸変位測定用レーザー測長器
４８ａと、Ｙ軸変位測定用レーザー測長器４８ｂと、Ｚ
軸変位測定用レーザー測長器４８ｃとから構成されてい
る。

【００３０】このような構成において、Ｘ軸光路分岐用
ＰＢＳ４４ａとλ／４板４６とＸ軸変位測定用レーザー
測長器４８ａとによって、Ｘ軸測長センサ５０ａ（図１
参照）が構成され、また、Ｙ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｂ
とλ／４板４６とＹ軸変位測定用レーザー測長器４８ｂ
とによって、Ｙ軸測長センサ５０ｂ（図１参照）が構成
され、また、Ｚ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｃとλ／４板４
６とＺ軸変位測定用レーザー測長器４８ｃとによって、
Ｚ軸測長センサ５０ｃ（図１参照）が構成されている。

【００３１】このような構成によれば、光源３０から出
射された測定用レーザー光は、光路分岐用部材４４に入
射した後、まず、Ｙ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｂによって
２方向に分割される。その一方の測定用レーザー光は、
Ｙ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｂから反射することによっ
て、光路分岐用部材４４からＹ軸変位測定用レーザー光
となって射出され、その他方の測定用レーザー光は、Ｙ
軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｂを透過した後、Ｚ軸光路分岐
用ＰＢＳ４４ｃによって２方向に分割される。

【００３２】その一方の測定用レーザー光は、Ｚ軸光路
分岐用ＰＢＳ４４ｃから反射することによって、光路分
岐用部材４４からＺ軸変位測定用レーザー光となって射
出され、その他方の測定用レーザー光は、Ｚ軸光路分岐
用ＰＢＳ４４ｃを透過した後、Ｘ軸光路分岐用ＰＢＳ４
４ａによって２方向に分割される。

【００３３】その一方の測定用レーザー光は、Ｘ軸光路
分岐用ＰＢＳ４４ａから反射することによって、光路分
岐用部材４４からＸ軸変位測定用レーザー光となって射
出され、その他方の測定用レーザー光は、Ｘ軸光路分岐
用ＰＢＳ４４ａを透過した後、光路分岐用部材４４から
外方へ射出される。

【００３４】一方、変位測定補助部材３２は、Ｘ軸，Ｙ
軸及びＺ軸変位測定用レーザー光を夫々位相の異なる参
照光と変位測長光に変換して射出することを目的とし、
Ｘ軸変位測定補助部材と、Ｙ軸変位測定補助部材と、Ｚ
軸変位測定補助部材とを一体成形することにより構成さ
れている。また、これらＸ，Ｙ，Ｚ軸変位測定補助部材
には、射出されるレーザー光が夫々直交するように、後
述するＸ軸変位測定用偏光ビームスプリッタ５２ａ、Ｙ
軸変位測定用偏光ビームスプリッタ５２ｂ、Ｚ軸変位測
定用偏光ビームスプリッタ５２ｃが設けられている。

【００３５】Ｘ軸変位測定補助部材は、Ｘ軸変位測定用
レーザー光を参照光とＸ軸変位測長光とに分割するＸ軸
変位測定用偏光ビームスプリッタ（以下、Ｘ軸変位測定
用ＰＢＳという）５２ａと、このＸ軸変位測定用ＰＢＳ
５２ａから反射した参照光を再びＸ軸変位測定用ＰＢＳ
５２ａ方向へ反射する参照光用反射面５４と、Ｘ軸変位
測定用ＰＢＳ５２ａを透過したＸ軸変位測長光を再びＸ
軸変位測定用ＰＢＳ５２ａ方向へ反射するＸ軸変位測長
光用反射面５６とを備えている。なお、Ｘ軸変位測長光
用反射面５６は、ステージ２４に固定されている。

【００３６】Ｙ軸変位測定補助部材は、Ｙ軸変位測定用
レーザー光を参照光とＹ軸変位測長光とに分割するＹ軸
変位測定用偏光ビームスプリッタ（以下、Ｙ軸変位測定
用ＰＢＳという）５２ｂと、このＹ軸変位測定用ＰＢＳ
５２ｂを透過した参照光を再びＹ軸変位測定用ＰＢＳ５
２ｂ方向へ反射する参照光用反射面５８と、Ｙ軸変位測
定用ＰＢＳ５２ｂから反射したＹ軸変位測長光を再びＹ
軸変位測定用ＰＢＳ５２ｂ方向へ反射するＹ軸変位測長
光用反射面６０とを備えている。なお、Ｙ軸変位測長光
用反射面６０は、ステージ２４に固定されている。

【００３７】Ｚ軸変位測定補助部材は、Ｚ軸変位測定用
レーザー光を参照光とＺ軸変位測長光とに分割するＺ軸
変位測定用偏光ビームスプリッタ（以下、Ｚ軸変位測定
用ＰＢＳという）５２ｃと、このＺ軸変位測定用ＰＢＳ
５２ｃを透過した参照光を再びＺ軸変位測定用ＰＢＳ５
２ｃ方向へ反射する参照光用反射面６２と、Ｚ軸変位測
定用ＰＢＳ５２ｃから反射したＺ軸変位測長光を再びＺ
軸変位測定用ＰＢＳ５２ｃ方向へ反射するＺ軸変位測長
光用反射面６４とを備えている。なお、Ｚ軸変位測長光
用反射面６４は、チューブスキャナ８を固定している部
材（図示しない）の裏面に固定されている。

【００３８】また、λ／４板４６は、その光軸（一般的
には、結晶軸）が、光源３０からの測定用レーザー光の
偏光方向に対して４５°の角を成すように配置されてい
るものとする。

【００３９】このような構成によれば、Ｘ軸光路分岐用
ＰＢＳ４４ａから反射されたＸ軸変位測定用レーザー光
は、λ／４板４６を介して、その偏光方向が４５°回転
された後、Ｘ軸変位測定用ＰＢＳ５２ａによって参照光
とＸ軸変位測長光とに分割される。

【００４０】参照光は、参照光用反射面５４から反射し
た後、再び、Ｘ軸変位測定用ＰＢＳ５２ａからλ／４板
４６を介してＸ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ａに入射され
る。Ｘ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ａに入射した参照光の偏
光方向は、λ／４板４６によって元の射出光とは９０°
異なったものに変換されている。従って、かかる参照光
は、Ｘ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ａを透過した後、Ｘ軸変
位測定用レーザー測長器４８ａに入射されることにな
る。

【００４１】一方、Ｘ軸変位測長光は、Ｘ軸変位測長光
用反射面５６から反射した後、再び、Ｘ軸変位測定用Ｐ
ＢＳ５２ａからλ／４板４６を介してＸ軸光路分岐用Ｐ
ＢＳ４４ａに入射される。Ｘ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ａ
に入射したＸ軸変位測長光の偏光方向は、λ／４板４６
によって元の射出光とは９０°異なったものに変換され
ている。従って、かかるＸ軸変位測長光は、Ｘ軸光路分
岐用ＰＢＳ４４ａを透過した後、Ｘ軸変位測定用レーザ
ー測長器４８ａに入射されることになる。

【００４２】Ｘ軸変位測定用レーザー測長器４８ａに入
射した参照光とＸ軸変位測長光とは、Ｘ軸変位測定用レ
ーザー測長器４８ａ内において、互いに重ね合わされ
る。この場合、Ｘ軸変位測定用レーザー測長器４８ａに
入射した参照光とＸ軸変位測長光とは、その位相即ち光
路長が異なっているため、互いに干渉を起こして干渉縞
となって現れる。

【００４３】このような干渉現象は、Ｘ軸方向へのチュ
ーブスキャナ２８の変位量の２倍に相当する光路差とな
って現れることになる。従って、Ｘ軸変位測定用レーザ
ー測長器４８ａ内に発生する干渉現象の変化を光学的に
検知することによって、チューブスキャ２８ナのＸ軸方
向への変位量を高分解能に測定することができる。

【００４４】同様に、Ｙ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｂから
反射されたＹ軸変位測定用レーザー光は、λ／４板４６
を介して、その偏光方向が４５°回転された後、Ｙ軸変
位測定用ＰＢＳ５２ｂによって参照光とＹ軸変位測長光
とに分割される。

【００４５】参照光は、参照光用反射面５８から反射し
た後、再び、Ｙ軸変位測定用ＰＢＳ５２ｂからλ／４板
４６を介してＹ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｂに入射され
る。Ｙ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｂに入射した参照光の偏
光方向は、λ／４板４６によって元の射出光とは９０°
異なったものに変換されている。従って、かかる参照光
は、Ｙ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｂを透過した後、Ｙ軸変
位測定用レーザー測長器４８ｂに入射されることにな
る。

【００４６】一方、Ｙ軸変位測長光は、Ｙ軸変位測長光
用反射面６０から反射した後、再び、Ｙ軸変位測定用Ｐ
ＢＳ５２ｂからλ／４板４６を介してＸ軸光路分岐用Ｐ
ＢＳ４４ｂに入射される。Ｙ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｂ
に入射したＹ軸変位測長光の偏光方向は、λ／４板４６
によって元の射出光とは９０°異なったものに変換され
ている。従って、かかるＹ軸変位測長光は、Ｙ軸光路分
岐用ＰＢＳ４４ｂを透過した後、Ｙ軸変位測定用レーザ
ー測長器４８ｂに入射されることになる。

【００４７】Ｙ軸変位測定用レーザー測長器４８ｂに入
射した参照光とＹ軸変位測長光とは、Ｙ軸変位測定用レ
ーザー測長器４８ｂ内において、互いに重ね合わされ
る。この場合、Ｙ軸変位測定用レーザー測長器４８ｂに
入射した参照光とＹ軸変位測長光とは、その位相即ち光
路長が異なっているため、互いに干渉を起こして干渉縞
となって現れる。

【００４８】このような干渉現象は、Ｙ軸方向へのチュ
ーブスキャナ２８の変位量の２倍に相当する光路差とな
って現れることになる。従って、Ｙ軸変位測定用レーザ
ー測長器４８ｂ内に発生する干渉現象の変化を光学的に
検知することによって、チューブスキャナ２８のＹ軸方
向への変位量を高分解能に測定することができる。

【００４９】また、同様に、Ｚ軸光路分岐用ＰＢＳ４４
ｃから反射されたＺ軸変位測定用レーザー光は、λ／４
板４６を介して、その偏光方向が４５°回転された後、
Ｚ軸変位測定用ＰＢＳ５２ｃによって参照光とＺ軸変位
測長光とに分割される。

【００５０】参照光は、参照光用反射面６２から反射し
た後、再び、Ｚ軸変位測定用ＰＢＳ５２ｃからλ／４板
４６を介してＺ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｃに入射され
る。Ｚ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｃに入射した参照光の偏
光方向は、λ／４板４６によって元の射出光とは９０°
異なったものに変換されている。従って、かかる参照光
は、Ｚ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｃを透過した後、Ｚ軸変
位測定用レーザー測長器４８ｃに入射されることにな
る。

【００５１】一方、Ｚ軸変位測長光は、Ｚ軸変位測長光
用反射面６４から反射した後、再び、Ｚ軸変位測定用Ｐ
ＢＳ５２ｃからλ／４板４６を介してＸ軸光路分岐用Ｐ
ＢＳ４４ｃに入射される。Ｚ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ｃ
に入射したＺ軸変位測長光の偏光方向は、λ／４板４６
によって元の射出光とは９０°異なったものに変換され
ている。従って、かかるＺ軸変位測長光は、Ｚ軸光路分
岐用ＰＢＳ４４ｃを透過した後、Ｚ軸変位測定用レーザ
ー測長器４８ｃに入射されることになる。

【００５２】Ｚ軸変位測定用レーザー測長器４８ｃに入
射した参照光とＺ軸変位測長光とは、Ｚ軸変位測定用レ
ーザー測長器４８ｃ内において、互いに重ね合わされ
る。この場合、Ｚ軸変位測定用レーザー測長器４８ｃに
入射した参照光とＺ軸変位測長光とは、その位相即ち光
路長が異なっているため、互いに干渉を起こして干渉縞
となって現れる。

【００５３】このような干渉現象は、Ｚ軸方向へのチュ
ーブスキャナ２８の変位量の２倍に相当する光路差とな
って現れることになる。従って、Ｚ軸変位測定用レーザ
ー測長器４８ｃ内に発生する干渉現象の変化を光学的に
検知することによって、チューブスキャナ２８のＺ軸方
向への変位量を高分解能に測定することができる。

【００５４】上述したように測定されたＸＹＺ軸方向へ
のチューブスキャナ２８の変位量は、Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ
軸変位測定用レーザー測長器４８ａ，４８ｂ，４８ｃに
よって所定の電気信号に変換された後、図１に示すよう
に、Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸測長センサ５０ａ，５０ｂ，５
０ｃからサンプリングパルス発生部６６及びサンプリン
グ部６８へ出力されることになる。

【００５５】このとき、サンプリング部６８は、サンプ
リングパルス発生部６６から所定タイミングで出力され
るサンプリングパルスに基づいて、Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸
測長センサ５０ａ，５０ｂ，５０ｃから出力される電気
信号をサンプリングする。

【００５６】そして、サンプリング部６８にサンプリン
グされたＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸測長センサ５０ａ，５０
ｂ，５０ｃからの電気信号は、所定の表示装置（図示し
ない）によって画像処理が施された後、試料２６のＳＰ
Ｍ像として表示されることになる。

【００５７】このように本実施の形態の走査型プローブ
顕微鏡によれば、カンチレバー２２を支持するチューブ
スキャナ２８の近傍に配置された変位測定補助部材３２
及びＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸測長センサ５０ａ，５０ｂ，５
０ｃによって、チューブスキャナの変位量を高分解能に
測定することができる。変位測定補助部材３２が一体成
形されているため、部品点数を抑えることが可能にな
り、また、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向へのレーザー光の直角指向
性を容易に実現することができる。そして、光学的構成
の簡略化と光路の単純化を実現し、測定光学系相互のア
ライメントエラーの発生要因を減少させつつ、変位測定
時の測定誤差を大幅に減少させることができる。この結
果、本実施の形態によれば、チューブスキャナ２８のヒ
ステリシス現象やクリープ現象等の影響を受けることな
く、高分解能且つ歪みの無いＳＰＭ像を再現性よく得る
ことが可能となる。

【００５８】なお、本発明は、上述した実施の形態の構
成に限定されることはなく、新規事項を追加しない範囲
でその仕様を種々変更することが可能である。例えば、
カンチレバー２２を移動させる代わりに、ステージ２４
を移動させるように、チューブスキャナ２８をステージ
２４に固定させてもよい。また、光路分岐用部材４４の
Ｘ軸光路分岐用ＰＢＳ４４ａを透過した測定用レーザー
光をデッドパスエラー等の補正手段（図示しない）への
入力光をして用いることもできる。更に、変位測定補助
部材３２の内部に構成した干渉計を各軸の光路中に配置
させてもよい。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な光学的構成で且
つ高分解能に変位測定可能なコンパクトな走査型プロー
ブ顕微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る走査型プローブ顕
微鏡の全体の構成を示す図。

【図２】本実施の形態に適用されたチューブスキャナ周
辺の構成を示す斜視図。

【図３】従来の走査型プローブ顕微鏡の全体の構成を示
す図。

【符号の説明】

２２…カンチレバー、２４…ステージ、２６…試料、２
８…チューブスキャナ、３０…光源、３２…変位測定補
助部材。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブを試料に対して走査させるよう
   に、所定方向に所定量だけ変位制御される圧電素子と、 この圧電素子の変位量を光学的に測定するための測定用
   レーザー光を出射する光源と、 前記圧電素子の変位量を光学的に測定する測長光学系と
   を備えており、 この測長光学系には、前記圧電素子に取り付けられ且つ
   前記光源からの測定用レーザー光を互いに位相の異なる
   複数の光に変換して射出する変位測定補助部材と、この
   変位測定補助部材から射出された前記複数の光を干渉さ
   せることによって、前記圧電素子の変位量を光学的に測
   定する変位測定系とが設けられていることを特徴とする
   走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記変位測定系には、前記光源から出射
   された測定用レーザー光を前記変位測定補助部材方向へ
   分岐させる光路分岐用部材と、この光路分岐用部材から
   射出した測定用レーザー光の偏光方向を変換するための
   偏光板と、前記変位測定補助部材によって位相差が与え
   られて射出された複数の光を干渉させることによって、
   前記圧電素子の変位量を光学的に測定する変位測定用レ
   ーザー測長系とが設けられていることを特徴とする請求
   項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記光路分岐用部材は、互いに直交する
   ３軸方向の前記圧電素子の変位量が夫々独立して光学的
   に測定されるように、３つの光路分岐用偏光ビームスプ
   リッタから構成されており、また、前記変位測定補助部
   材は、前記３つの光路分岐用偏光ビームスプリッタを介
   して伝波された測定用レーザー光を夫々位相の異なる複
   数の光に変換して射出するように、３つの変位測定補助
   部材から構成されていることを特徴とする請求項２に記
   載の走査型プローブ顕微鏡。