JP2018165690A - 走査型プローブ顕微鏡、及びその走査方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えた速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動部と、前記引離し動作中において、所定の振幅における前記カンチレバーの振動を、当該カンチレバーの(高次の周波数を含む)共振周波数で検出した場合に、前記プローブが前記試料表面に対して離間したと判定する判定部と、当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、を備える。
【選択図】図7
Description
以下、本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡を、図面を用いて説明する。なお、図面において、同一又は類似の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く場合がある。また、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。
図1は、第1の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Aの概略構成の一例を示す図である。図1に示すように、走査型プローブ顕微鏡Aは、カンチレバー2、試料台4、移動駆動部5、変位検出部6、及び制御装置7を備えている。
Z方向駆動装置51は、試料台4を水平面に垂直な方向(Z方向)に移動させる。例えば、Z方向駆動装置51は、圧電素子である。
なお、Z方向駆動装置51及びXYスキャナー52は、相対的に3次元形状観察の走査が可能な構成であれば、配置関係は問わない。
光照射部61は、カンチレバー2の裏面に形成された図示しない反射面に対してレーザ光L1を照射する。
以下に、第1の実施形態に係るカンチレバー2のたわみ量とねじれ量との検出方法について、図1及び図2を用いて、説明する。図2は、斜面を有する試料Sと、カンチレバー2との斜視図である。
ここで、中心位置からのスポット位置の変化量は、ねじれ量やたわみ量に依存する。具体的には、カンチレバー2が+Z方向にたわんだ場合には、光検出部62の受光面27におけるレーザ光L2の反射スポットは、+β方向に変化する。また、カンチレバー2が−Z方向にたわんだ場合には、光検出部62の受光面27におけるレーザ光L2の反射スポットは、−β方向に変化する。一方、カンチレバー2が+Y方向にねじれ量が発生した場合には、光検出部62の受光面27におけるレーザ光L2の反射スポット位置は、+α方向に変化する。また、カンチレバー2が−Y方向にねじれ量が発生した場合には、光検出部62の受光面27におけるレーザ光L2の反射スポットは、−α方向に変化する。
図1に示すように、制御装置7は、判定部42、駆動制御部43、及び測定部44を備える。
判定部42は、光検出部62から出力される第1検出信号が示すたわみ量が、第1の範囲を超えた場合に、プローブ2aが試料表面に接触したと判定する。
判定部42は、引離し動作中において、所定の振幅におけるカンチレバー2の振動を、当該カンチレバーの共振周波数で検出した場合に、プローブ2aが試料表面に対して離間したと判定する。なお、所定の振幅とは、カンチレバー2のフリー状態の位置を基準として、プローブ2aが試料表面に接触している状態におけるカンチレバー2の変位よりも小さい範囲である。
図5は、通常の速度で、試料Sをプローブ2aから引き離す方向に動作させた場合における、カンチレバー2の様子を示す図である。図6は、第1の実施形態に係る引離し動作(カンチレバー2の応答速度を超えた速度で試料Sをプローブ2aから引き離す方向に動作させた場合)における、カンチレバー2の様子を示す図である。図5(a),図6(a)は、−Y方向から見たカンチレバー2の側面図を示し、図5(b),図6(b)は、−X方向から見たカンチレバー2の側面図を示す。
一方、第1の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Aは、第1検出信号がドリフトした場合であっても、逐次、プローブ2aが試料表面に対して離間したか否かを判定する。そのため、走査型プローブ顕微鏡Aは、ドリフトの影響を受けずに、最適な引離し距離で動作することができる。
積層圧電素子510の一端には、板バネ511を介して試料台4及び試料Sが設けられている。また、積層圧電素子510の他端には、板バネ512を介して台530が設けられている。この台530の重さは、試料台4及び試料Sの重さに相当する。
そして、Z方向駆動装置51を固定する場合には、支持板521,522のそれぞれの重心で固定する。したがって、Z方向駆動装置51は、引離し動作中であっても、周囲に振動を伝わらないようにすることができる。
以下に、第2の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Bについて、図面を用いて説明する。第2の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Bは、第1の実施形態に係る「離間判定処理」とは異なり、カンチレバー2のたわみ方向の速度変化に基づいて離間判定処理を行う。なお、第2の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Bの「接触判定処理」は、第1の実施形態に係る「接触判定処理」と同様の処理を行う。
ここで、判定部42Bは、カンチレバー2のたわみ量Vdと試料Sをプローブ2aから引き離した距離Hとの比(Vd/H)から、カンチレバー2のたわみ方向の速度変化を算出することができる。また、判定部42Bは、カンチレバー2のたわみ量Vdを微分することでカンチレバー2のたわみ方向の速度変化を算出することができる。
また、判定部42Bは、カンチレバー2の応答速度以下の速度で試料Sをプローブ2aから引き離す引離し動作中において、カンチレバー2の速度方向が反転した場合に、プローブ2aが試料表面から離間したと判定する。
ここで、図10(a)に示すように、プローブ2aと試料Sとの間の吸着力が存在しない場合には、プローブ2aと試料表面とが離間すると、カンチレバー2のたわみ量の変化、すなわちカンチレバー2の速度は、フリー状態でほぼ0となる。そのため、判定部42Bは、カンチレバー2の応答速度以下の速度で試料Sをプローブ2aから引き離す引離し動作中において、カンチレバー2のたわみ方向の速度が所定値以下になる場合には、プローブ2aが試料表面から離間したと判定する。これにより、判定部42Bは、プローブ2aと試料Sとの間の吸着力が存在しない場合において、プローブ2aと試料Sとの離間を確実に検出することができる。なお、この所定値は、プローブ2aと試料表面とが接触している場合における、カンチレバー2のたわみ方向の速度未満の値である。
以下に、第3の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Cについて、図面を用いて説明する。第3の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Cは、第1の実施形態に係る「離間判定処理」と異なり、カンチレバー2における振動の振幅の増加又はその振動の振動周波数の変化に基づいて離間判定処理を行う。なお、第3の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Cの「接触判定処理」は、第1の実施形態に係る「接触判定処理」と同様の処理を行う。
カンチレバー2は、基端が固定さており、先端(プローブ2a)が自由端となっている。そのため、プローブ2aが試料表面に接触していない場合、すなわち離間している場合には、カンチレバー2は、熱振動により大きな振幅で共振することとなる。以下において、基端が固定端であり、先端(プローブ2a)が自由端であるカンチレバー2の状態を、片持ちの状態と称する。
熱振動により共振するカンチレバー2の共振周波数は、片持ちの状態と両持ちの状態とで異なる。したがって、プローブ2aが試料表面に接触している状態から、プローブ2aが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、カンチレバー2の共振周波数が変化することになる。以下、片持ちの状態であるカンチレバー2の共振周波数を片持ち共振周波数と称する。一方、両持ちの状態であるカンチレバー2の共振周波数を両持ち共振周波数と称する。
以下に、第4の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Dについて、図面を用いて説明する。第4の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Dは、加振部3を備え、第1の実施形態に係る「離間判定処理」と異なり、カンチレバー2における、たわみ方向又はねじれ方向の所定の周波数における振幅の変化に基づいて離間判定処理を行う。なお、第4の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Cの「接触判定処理」は、第1の実施形態に係る「接触判定処理」と同様の処理を行う。
判定部42Dは、光検出部62から出力される第1検出信号及び第2検出信号に基づいて、プローブ2aが試料表面に対して離間したか否かを判定する離間判定処理を行う。具体的には、判定部42Dにおける離間判定処理は、カンチレバー2における、たわみ方向又はねじれ方向の加振周波数における振幅の変化に基づいて、プローブ2aの試料表面に対する離間を判定することである。
第4の実施形態に係る離間判定処理は、大別して、「カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の非共振周波数における振幅の減少量を検出する方法」、「カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の増加量を検出する方法」、「カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の減少量を検出する方法」、の3通りがある。
この方法では、加振周波数は、カンチレバー2の非共振周波数に設定される。そして、加振部3は、引離し動作中において、試料Sとカンチレバー2とを非共振周波で相対的に微小振動させる。この場合において、プローブ2aが試料表面に接触している状態では、プローブ2aを支点としてカンチレバー2の角度が変化する。すなわち、光てこ式を用いた検出方式では、カンチレバー2の角度変化が、カンチレバー2の大きな振幅として検出される。
この方法では、加振周波数は、片持ち共振周波数に設定される。そして、加振部3は、引離し動作中において、試料Sとカンチレバー2とを片持ち共振周波数で相対的に微小振動させる。この場合において、プローブ2aが試料表面に接触している状態では、カンチレバー2は両持ちの状態となる。そのため、カンチレバー2は、加振部3により片持ち共振周波数で加振されても、共振することがなく、小さな振幅で振動する。
ただし、たわみ方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、たわみ方向における、カンチレバー2の片持ち共振周波数である。一方、水平方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、水平方向における、カンチレバー2の片持ち共振周波数である。
この方法では、加振周波数は、両持ち共振周波数に設定される。そして、加振部3は、引離し動作中において、試料Sとカンチレバー2とを両持ち共振周波数で相対的に微小振動させる。この場合において、プローブ2aが試料表面に接触している状態では、カンチレバー2は両持ちの状態となる。そのため、カンチレバー2は、加振部3により両持ち共振周波数で加振されることで共振し、大きな振幅で振動する。
ただし、たわみ方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、たわみ方向における、カンチレバー2の両持ち共振周波数である。一方、水平方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、水平方向における、カンチレバー2の両持ち共振周波数である。
一方、微小な振幅を共振周波数(片持ち共振周波数、両持ち共振周波数)で加える方法は、非共振より小さな振幅で検出が可能となるので、凹凸形状の測定への影響が少ない。
以下に、第5の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Eについて、図面を用いて説明する。第5の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Eは、第4の実施形態と同様に加振部3を備え、第1の実施形態に係る「離間判定処理」と異なり、カンチレバー2におけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、加振部3で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて離間判定処理を行う。なお、第5の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Cの「接触判定処理」は、第1の実施形態に係る「接触判定処理」と同様の処理を行う。
判定部42Eは、光検出部62から出力される第1検出信号及び第2検出信号に基づいて、プローブ2aが試料表面に対して離間したか否かを判定する離間判定処理を行う。具体的には、判定部42Eにおける離間判定処理は、引離し動作中において、カンチレバー2におけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、加振部3で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて、プローブ2aの試料表面に対する離間を判定することである。
この方法では、加振周波数は、片持ち共振周波数に設定される。そして、加振部3は、引離し動作中において、試料Sとカンチレバー2とを片持ち共振周波数で相対的に微小振動させる。この場合において、プローブ2aが試料表面に接触している状態では、カンチレバー2は両持ちの状態となる。そのため、カンチレバー2は、加振部3により片持ち共振周波数で加振されても、共振することがなく、非共振で振動する。したがって、カンチレバー2における振動の位相と、加振部3で加振する加振周波数の位相との位相差は小さい。
ただし、たわみ方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、たわみ方向における、カンチレバー2の片持ち共振周波数である。一方、水平方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、水平方向における、カンチレバー2の片持ち共振周波数である。
これにより、本発明の一実施形態における走査型プローブ顕微鏡は、次の測定点の上空までの移動においてプローブ2aが試料に衝突することを回避可能となる。
2 カンチレバー
3 加振部
5 移動駆動部
6 変位検出部
7 制御装置
42 判定部
43 駆動制御部
44 測定部
51 Z方向駆動装置(駆動部)
52 XYスキャナー(スキャナー部)
Claims (14)
- 試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えた速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、所定の振幅における前記カンチレバーの振動を、当該カンチレバーの(高次の周波数を含む)共振周波数で検出した場合に、前記プローブが前記試料表面に対して離間したと判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。 - 前記所定の振幅は、前記カンチレバーに力が加わっていない状態の熱振動等による振幅を基準として、前記プローブが前記試料表面に接触している状態におけるカンチレバーの変位よりも小さい範囲である請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えない速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーのたわみ方向の速度変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。 - 前記判定部は、前記カンチレバーのたわみ方向の速度が所定値以下になった場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項3に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記判定部は、前記カンチレバーの速度方向が反転した場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項3に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける振動の振幅の変化又は前記振動の振動周波数の変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。 - 試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、前記試料と前記カンチレバーとを所定の周波数で相対的に振動させる加振部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記所定の周波数における振幅の変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。 - 前記所定の周波数は、前記カンチレバーの非共振周波数であって、
前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記非共振周波数における振幅の減少量が所定値を超える場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項7に記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 前記所定の周波数は、前記カンチレバーが前記試料に接触した状態における前記カンチレバーの共振周波数であって、
前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の振幅の減少量が所定値を超える場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項7に記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 前記所定の周波数は、前記カンチレバーの共振周波数であって、
前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記共振周波数における振幅の増加量が所定値を超えた場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項7に記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーを共振周波数で加振する加振部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、前記加振部で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。 - 試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーにおいて、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えた速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動ステップと、
前記引離し動作中において、所定の振幅における前記カンチレバーの振動を、当該カンチレバーの(高次の周波数を含む)共振周波数で検出した場合に、前記プローブが前記試料表面に対して離間したと判定する判定ステップと、
当該判定ステップにより離間したと判定された時点で前記駆動ステップによる前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御ステップと、
を備える走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法。 - 試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで走査する走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーにおいて、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えない速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動ステップと、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーのたわみ方向の速度変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定ステップと、
当該判定ステップにより離間したと判定された時点で前記駆動ステップによる前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御ステップと、
を備える走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法。 - 前記駆動制御ステップでは、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる場合に、前記プローブと前記試料表面とが離間しているか否かを判定する、請求項12又は請求項13に記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法。
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