JP2004226238A

JP2004226238A - 試料の表面形状観察装置

Info

Publication number: JP2004226238A
Application number: JP2003014468A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kitamura; 真一北村
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: JP4027809B2

Abstract

【課題】ＮＣ−ＡＦＭのフィードバック信号を周波数から位相信号に切り換えることができるようにする。
【解決手段】変位検出手段２〜４の検出信号を入力し周波数を電圧に変換して出力すると共に該電圧を電圧コントロール発振器により周波数信号に変換して入力側にフィードバックする周波数−電圧変換手段７と、電圧コントロール発振器の周波数信号により加振手段６を制御する制御手段５と、電圧コントロール発振器の出力電圧をスキャン手段１１のＺ動制御にフィードバックするフィードバック手段８〜１０と、電圧コントロール発振器を周波数固定に切り換える切り換え手段２４とを備え、周波数−電圧変換手段７のフィードバックループをオープン状態に切り換え可能にし、切り換え手段により最高分解能の手前で、ＦＭ検出から位相フィードバックへ変更することができるようにする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、探針を先端に有し他端を固定して前記探針が試料の表面に近接支持されるカンチレバーと、前記試料と前記探針との間を相対的にＸ，Ｙスキャンするスキャン手段と、前記試料と前記探針との距離を相対的に変化させるＺ動駆動手段と、前記カンチレバーを固有振動数で加振する加振手段と、前記カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段とを備え、前記探針・試料間距離を制御することにより前記試料の表面形状を観察する試料の表面形状観察装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＣ−ＡＦＭ（ＮｏｎｃｏｎｔａｃｔＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：非接触原子間力顕微鏡）は、ＳＰＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査プローブ顕微鏡）の１つであり、探針・試料間の相互作用によるカンチレバーの見かけ上の固有振動数の変化を検出し、それを一定に保持するように探針・試料間距離を制御することで表面形状を観察する装置である（例えば、特許文献１参照）。かかる装置において、カンチレバーの見かけ上の固有振動数の検出には、その固有振動数、あるいはその近傍の周波数で振動させ、固有振動数を直接する方法（ＦＭ検出法）、あるいは振幅や位相変化として間接的に検出する方法（スロープ検出法）がある。
【０００３】
従来の表面形状を観察する装置について説明する。図３は従来の試料の表面形状観察装置の構成例を示す図、図４はＦＭデモジュレータとして用いるＰＬＬの構成例を示す図である。
【０００４】
図３において、カンチレバー１の背面には、光源（ＬＤ）２からのレーザー光が照射され、その反射光は、光検出器（ＰＤ）３により検出される。この光てこ方式によりカンチレバー１の振動変位が検出され、バンドパスフィルタが内蔵されたプリアンプ４により電気的に増幅される。電気信号に変換されたカンチレバー１の変位信号は、アッテネータ５を介して加振用ＰＺＴ６に入力されるループが組まれている。図示していないが、このループには、フェーズシフタも組み込まれており、カンチレバー１の固有振動数で正帰還発振するように設定されている。アッテネータ５では、ＡＧＣ等によりカンチレバー１の振動振幅、あるいは加振用ＰＺＴ６に入力される電圧振幅が一定になるように制御されている。
【０００５】
発振波形は途中分岐されて、ＦＭデモジュレータ１７に入力され、その発振周波数ｆ_０に相当する電圧Ｖ_ｆ０に変換して出力する（ｆ／Ｖ変換；ｆ_０からＶ_ｆ０に変換）。ＦＭデモジュレータ１７としてはＰＬＬ（ＰｈａｓｅｄＬｏｃｋＬｏｏｐ）が一般的に使用されている。探針・試料間に作用する力の勾配Ｆとバネ定数ｋのカンチレバー１の固有振動数ｆ_０には、
ｆ_０∝√（ｋ−Ｆ）
の関係があり、ｆ_０の変化（周波数シフト）はほぼＦに相当する。ｆ／Ｖ変換された周波数に相当する信号は、誤差増幅器８によりその周波数が固有振動数からある一定量シフトするようにフィルタ９、Ｚピエゾドライバ１０を介してＰＺＴスキャナ１１のＺ動が制御される。
【０００６】
一定に保持される周波数シフトは、基準電圧（Ｒｅｆ．Ｖ）１２によって設定される。この時のＺ動を制御している信号（フィルタ９の出力）が表面の凹凸（トポグラフィ信号）に相当し、スキャン信号（Ｘ，Ｙスキャン）１３によりＰＺＴスキャナ１１が２次元的にスキャンされ、その時のＺ動を輝度信号とすることでＴｏｐｏ像（表面凹凸像）が得られる。
【０００７】
ＦＭデモジュレータ１７であるＰＬＬは、図４に示すように位相比較器２１とフィルタ２２とＶＣＯ（ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌＯｓｃｉｌａｔｏｒ：電圧コントロール発振器）２５から構成されている。カンチレバー１の固有周波数付近の発振信号を制御できるように設定されているＶＣＯ２５からの発振波形と、カンチレバー１の固有振動数で発振している信号ｆ_０は、位相比較器２１に入力され、その位相信号は、フィルタ効果が大きい（時定数が大きい）フィルタ２２を介してＶＣＯ２５の制御信号となる。このループは、常に位相差がゼロとなるようなフィードバックループとなる。フィルタ２２の出力が一般にＮＣ−ＡＦＭでの周波数シフト信号として用いられるため、周波数の変化をより高感度に検出でき、且つこのフィードバックループを安定に働かせるためにフィルタ２２は、フィルタ効果が大きい（時定数が大きい）定数を選ぶ必要がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開平０８−１６６３９６公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の試料の表面形状観察装置では、ＰＬＬ内で常に位相差がゼロとなるようなフィードバックループとなり、フィルタ２２の出力が一般にＮＣ−ＡＦＭでの周波数シフト信号として用いられるため、このフィードバックループを安定に働かせるには、フィルタ２２にフィルタ効果の大きい（時定数の大きい）定数を選ぶ必要がある。そのため、ＦＭ検出法では、この帯域が探針・試料間距離制御のフィードバックの帯域を決定しており、３００ｋＨｚ程度の固有振動数のカンチレバーで数ｋＨｚの帯域しか得られない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、ＮＣ−ＡＦＭのフィードバック信号を周波数から位相信号に切り換えることができるようにするものである。
【００１１】
そのために本発明は、探針を先端に有し他端を固定して前記探針が試料の表面に近接支持されるカンチレバーと、前記試料と前記探針との間を相対的にＸ，Ｙスキャンするスキャン手段と、前記試料と前記探針との距離を相対的に変化させるＺ動駆動手段と、前記カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段とを備え、前記探針・試料間距離を制御することにより前記試料の表面形状を観察する試料の表面形状観察装置において、前記変位検出手段の検出信号を入力し周波数を電圧に変換して出力すると共に該電圧を電圧コントロール発振器により周波数信号に変換して前記入力側にフィードバックする周波数−電圧変換手段と、前記周波数−電圧変換手段の電圧コントロール発振器の周波数信号により前記加振手段を制御する制御手段と、前記周波数−電圧変換手段の出力電圧をＺ動駆動手段にフィードバックするフィードバック手段と、前記周波数−電圧変換手段の電圧コントロール発振器を周波数固定に切り換える切り換え手段とを備え、前記周波数−電圧変換手段のフィードバックループをオープン状態に切り換え可能に構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
【実施の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る試料の表面形状観察装置の実施の形態を示す図、図２はＦＭデモジュレータで採用されているＰＬＬの実施の形態を示す図である。図中、図中、１はカンチレバー、２は光源、３は光検出器、４はプリアンプ、５はアッテネータ、６は加振用ＰＺＴ、７はＰＬＬ、８は誤差増幅器、９、２２はフィルタ、１０はＺピエゾドライバ、１１はＰＺＴスキャナ、１２は基準電圧、１３はＸ，Ｙスキャン信号、１４は試料、１５はトポグラフィ信号、２１は位相比較器、２３はＶＣＯ、２４はホールドオン／オフスイッチを示す。
【００１３】
図１において、カンチレバー１は、先端に探針を有しその探針が試料１２の表面に近接支持されて他端が固定された弾性体からなり、その背面には、光源（ＬＤ）２からのレーザー光が照射され、その反射光は、光検出器（ＰＤ）３により検出される。この光てこ方式の変位検出手段によりカンチレバー１の振動変位が検出され、バンドパスフィルタが内蔵されたプリアンプ４により電気的に増幅される。電気信号に変換されたカンチレバー１の変位信号は、ＰＬＬ７、アッテネータ５を介して加振用ＰＺＴ６に入力されるループが組まれている。図示していないが、このループには、フェーズシフタも組み込まれており、カンチレバー１の固有振動数で正帰還発振するように設定されている。アッテネータ５では、ＡＧＣ等によりカンチレバー１の振動振幅、あるいは加振用ＰＺＴ６に入力される電圧振幅が一定になるように制御されている。
【００１４】
ＰＬＬ７において、図２に示すように位相比較器２１、フィルタ２２、ＶＣＯ（ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌＯｓｃｉｌａｔｏｒ：電圧コントロール発振器）２３からなるＰＬＬとしてのフィードバックループは従来のものと同じ周波数−電圧変換手段であり、発振波形（ｆ_{０ｉｎ}）とＶＣＯ２３の出力（ｆ_{０ｏｕｔ}）が同位相（周波数）になるようにフィードバックされているが、ＶＣＯ２３の出力（ｆ_{０ｏｕｔ}）がカンチレバー１の加振にも利用されている。さらに、ＶＣＯ２３は、発信器の周波数を固定できるホールドオン／オフスイッチ２４がＳＰＭ制御系から制御されるようになっている。通常のＦＭ検出においては、ホールドオン／オフスイッチ２４はオフされている（従来と同様にＰＬＬのフィードバックが動作する）。
【００１５】
ＰＬＬ７内のフィルタ２２は、カンチレバー１の発振周波数ｆ_０に相当する電圧Ｖ_ｆ０を出力する（ｆ／Ｖ変換；ｆ_０からＶ_ｆ０に変換）。探針・試料間に作用する力の勾配Ｆとバネ定数ｋのカンチレバー１の固有振動数ｆ_０には、
ｆ_０∝√（ｋ−Ｆ）
の関係があり、ｆ_０の変化（周波数シフト）はほぼＦに相当する。ｆ／Ｖ変換された周波数に相当する信号は、誤差増幅器８によりその周波数が固有振動数からある一定量シフトするようにフィルタ９、Ｚピエゾドライバ１０を介してＰＺＴスキャナ１１のＺ動が制御される。
【００１６】
一定に保持される周波数シフトは、基準電圧（Ｒｅｆ．Ｖ）１２によって設定される。この時のＺ動を制御している信号（フィルタ９の出力）が表面の凹凸（トポグラフィ信号１５）に相当し、スキャン信号（Ｘ，Ｙスキャン１３）によりＰＺＴスキャナ１１が２次元的にスキャンされ、その時のＺ動を輝度信号とすることでＴｏｐｏ像が得られる。
【００１７】
次に、動作を説明する。まず、カンチレバー１の探針を試料１４に接近させると、探針・試料間の相互作用（以下、単に力という）によりカンチレバー１の固有振動数が見かけ上シフトするので、数Ｈｚ以下の周波数シフトが認められるまでカンチレバー１の探針を試料１４に接近させる。数Ｈｚ以下の周波数シフトが認められた時点で、スキャン信号（Ｘ，Ｙスキャン１３）をＰＺＴスキャナ１１に供給し２次元的にスキャンさせ、その時のＺ動を輝度信号とするＴｏｐｏ像を観察する。このときは、周波数シフトが小さすぎるため試料１４表面の大きな変化に対応したＴｏｐｏ像しか観察されない。
【００１８】
更に、画像を観察しながら周波数シフトを大きくしていくと、分解能が徐々に上がるので、原子像とか観察対象物が見える前の周波数シフトの段階でホールドオン／オフスイッチ２４をオンにする。この瞬間にＰＬＬ７の出力が周波数シフトから位相信号に切り替わり、ＰＬＬ７のループがオープン状態となる。
【００１９】
このホールドオン／オフスイッチ２４のオンの切り替えにリンクさせ、必要に応じてＮＣ−ＡＦＭのフィードバックの極性の反転やフィルタ２２の帯域変更を行う。すなわち、切り替え前が基準電圧（Ｒｅｆ．Ｖ）１２のプラス側で探針・試料間距離が小さくなったとすると、切り替え後はマイナス側で探針・試料間距離が小さくなる。したがって、切り替えた後、画像を観察しながら更に基準電圧（Ｒｅｆ．Ｖ）１２の設定を探針が近づく側へ、目的とする分解能まで徐々に変化させることができる。
【００２０】
真空中は、カンチレバー１のＱ値が非常に大きくなるためＮＣーＡＦＭとしてはＦＭ検出法が一般化しており、その周波数検出にはＰＬＬが使用されている。そして、ＰＬＬ内は、上記のように位相比較器２１、フィルタ２２、ＶＣＯ２３で構成されており、入力信号と同じ周波数（位相差）になるようループが組まれている。ここで、ＶＣＯ２３の周波数を固定することにより、位相信号を取り出すことができる。
【００２１】
本実施形態では、この点に着目してＰＬＬ内のＶＣＯの周波数を固定し、ＰＬＬのフィードバックループをオープン状態に切替可能にするホールドオン／オフスイッチ２４を用いている。このホールドオン／オフスイッチ２４により、オフにしてＦＭ検出法で原子像観察可能な周波数シフト付近までシフトさせた後、オフからオンにしてＶＣＯの周波数を固定しＰＬＬのフィードバックループをオープン状態にすることができるので、ＮＣーＡＦＭのフィードバック信号を周波数（Ｖ_ｆ０）から位相信号に切り換えることができる。
【００２２】
このように位相信号、すなわちカンチレバーの加振波形とその振動波形との差をフィードバック信号に使用すると、フィードバックループがない分、カンチレバーの見かけ上の固有振動数変化を効率よく検出でき、高感度化が可能となり、ＦＭ検出法でＦＭデモジュレータとして使用されているＰＬＬのフィードバック発振波形をカンチレバーの加振信号に使用するとより効果がある。
【００２３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、ＰＺＴスキャナにより２次元的にＸ，Ｙスキャンすると共にＺ動駆動したが、スキャン手段により試料と探針との間を相対的にＸ，Ｙスキャンし、これとは別に試料と探針との距離を相対的に変化させるＺ動駆動手段を設けるように構成してもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、探針を先端に有し他端を固定して探針が試料の表面に近接支持されるカンチレバーと、試料と探針との間を相対的にＸ，Ｙスキャンするスキャン手段と、試料と探針との距離を相対的に変化させるＺ動駆動手段と、カンチレバーを固有振動数で加振する加振手段と、カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段とを備え、探針・試料間距離を制御することにより試料の表面形状を観察する試料の表面形状観察装置において、変位検出手段の検出信号を入力し周波数を電圧に変換して出力すると共に該電圧を電圧コントロール発振器により周波数信号に変換して入力側にフィードバックする周波数−電圧変換手段と、周波数−電圧変換手段の電圧コントロール発振器の周波数信号により加振手段を制御する制御手段と、周波数−電圧変換手段の出力電圧をＺ動駆動手段にフィードバックするフィードバック手段と、周波数−電圧変換手段の電圧コントロール発振器を周波数固定に切り換える切り換え手段とを備え、周波数−電圧変換手段のフィードバックループをオープン状態に切り換え可能に構成したので、切り換え手段により最高分解能の手前で、ＦＭ検出から位相フィードバックへ変更することができ、ＰＬＬのフィードバックがなくなる分、高感度検出が可能になる。しかも、フィードバックがなくなる分ＰＬＬ内のフィルタ効果を小さくすることができるため、広帯域化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る試料の表面形状観察装置の実施の形態を示す図である。
【図２】ＦＭデモジュレータで採用されているＰＬＬの実施の形態を示す図である。
【図３】従来の試料の表面形状観察装置の構成例を示す図である。
【図４】ＦＭデモジュレータとして用いるＰＬＬの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１…カンチレバー、２…光源、３…光検出器、４…プリアンプ、５…アッテネータ、６…加振用ＰＺＴ、７…ＰＬＬ、８…誤差増幅器、９、２２…フィルタ、１０…Ｚピエゾドライバ、１１…ＰＺＴスキャナ、１２…基準電圧、１３…Ｘ，Ｙスキャン信号、１４…試料、１５…トポグラフィ信号、２１…位相比較器、２３…ＶＣＯ、２４…ホールドオン／オフスイッチ

Claims

探針を先端に有し他端を固定して前記探針が試料の表面に近接支持されるカンチレバーと、前記試料と前記探針との間を相対的にＸ，Ｙスキャンするスキャン手段と、前記試料と前記探針との距離を相対的に変化させるＺ動駆動手段と、前記カンチレバーを固有振動数で加振する加振手段と、前記カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段とを備え、前記探針・試料間距離を制御することにより前記試料の表面形状を観察する試料の表面形状観察装置において、前記変位検出手段の検出信号を入力し周波数を電圧に変換して出力すると共に該電圧を電圧コントロール発振器により周波数信号に変換して前記入力側にフィードバックする周波数−電圧変換手段と、前記周波数−電圧変換手段の電圧コントロール発振器の周波数信号により前記加振手段を制御する制御手段と、前記周波数−電圧変換手段の出力電圧をＺ動駆動手段にフィードバックするフィードバック手段と、前記周波数−電圧変換手段の電圧コントロール発振器を周波数固定に切り換える切り換え手段とを備え、前記周波数−電圧変換手段のフィードバックループをオープン状態に切り換え可能に構成したことを特徴とする試料の表面形状観察装置。