JP3764917B2 - 高周波微小振動測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、物体の微小振動、特に周波数が1MHz〜10GHz程度の高周波振動を測定するのに好適な高周波微小振動測定装置に関する。この高周波微小振動測定装置は、圧電素子・マイクロマシンデバイス・薄膜等の機械特性の測定、物体表面や内部の欠陥や異方性を評価するための超音波振動の測定、あるいは原子間力顕微鏡(AFM)の力センサや加速度センサに用いられる微小力の測定等に用いることができる。

物体の微小振動を測定することは、上記のように様々な分野において必要とされている。上記測定においては、0.1nm以下の振動を検出できるような高い精度が要求されることがある。例えば、圧電素子では、電子機器の小型化に伴って素子も小型化しているため、共振周波数が増大し、また、振動の振幅が小さくなっている。また、マイクロモータやナノ振動子といったマイクロマシンデバイスの性能を確認するためにその回転や振動を測定する際には、それらの振動の振幅は数nmのオーダー、共振周波数は数GHzのオーダーとなる。これらの測定はいずれも、振動の振幅の分解能が0.1nm以下、検出帯域幅が1MHz以上という条件で行う必要がある。

また、AFMにおいても同様に、高分解能で広帯域幅の振動測定が必要となる場合がある。AFMでは、カンチレバー先端部に探針を設けて、その探針で試料表面付近を走査する。その際、探針の先端の原子と試料表面の原子の間に作用する力（原子間力）が一定になるように探針又は試料を上下させ、その上下動から試料表面の像を得ることができる。ここで、カンチレバーの共振周波数が前記原子間力に対応して変化することから、カンチレバーを励振しつつこの共振周波数を測定してそれが一定になるように上記上下動を行えばよい。カンチレバーの共振周波数が高いほど、原子間力による周波数の変化量が大きくなるため分解能が高くなる。原子スケールの像を観測するためには、0.1nm以下の分解能が必要となる。

非特許文献１には、このような高精度の微小振動測定において用いられるセンサの１つとして、光てこセンサについて記載されている。光てこセンサは、測定対象物にレーザ光を照射することにより、対象物の振動により反射光の検出位置が振動することを用いて、対象物の振動を検出するものである。反射光の検出器を測定対象物から遠く離れた位置に置くことにより、この変化を拡大して検出することができるため、「光てこ」と呼ばれる。この光てこセンサでは、レーザ光が照射される位置の微小な変化を捉えて高い分解能で測定するために、光検出器の感度を高く設定する必要がある。この場合、振動数が高くなると光検出器の検出感度が低下するため、おおむね周波数が1MHzを超える場合には振動数を測定することが困難であった。

非特許文献２には、AFMのカンチレバーの共振周波数を測定する装置について記載されている。この装置では、カンチレバーに取りつけたトランスデューサに周波数ωの正弦波の電気信号を送信することにより、カンチレバーを励振する。このカンチレバーに、レーザダイオードから周波数ω₁=ω+ω_HでON/OFFされる光を照射し、その反射光をフォトダイオードで検出して電気信号に変換する。この電気信号はロックイン検出器に入力され、周波数ω_Hの成分の振幅強度A及び位相φが取り出される。ここで、これらA及びφは探針先端−試料表面の距離により決まるため、これらA又はφが一定となるように探針又は試料を上下させることにより、この上下方向の移動距離から試料表面の像を形成することができる。この方法によると、カンチレバーの共振周波数の検出を行わないため、共振周波数が高くその測定が困難な場合でも、A又はφの測定により試料表面の像を得ることができる。

しかし、この方法では、カンチレバーの振動周波数に含まれる情報を得ることはできない。また、上記の圧電素子やマイクロマシンの性能測定のように振動周波数を求めることが必須の場合には、この方法を適用することができない。

日本国特許庁編,"標準技術集, 表面構造の原子領域分析, 光てこ方式",[online],日本国特許庁,[平成16年3月15日検索],インターネット<URL:http://www.jpo.go.jp/shiryou/s_sonota/hyoujun_gijutsu/spm/3_b_3_b1.htm> E. Dupas 他、"High-frequency mechanical spectroscopy with an atomic force microscope"、レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメンツ、(米国)、アメリカン・インスティテュート・オブ・フィジックス、2001年10月、第72巻、第10号、3891〜3897ページ（E. Dupas et al., Review of scientific instruments, American Institute of Physics, 2001, vol. 72, No. 10, pp. 3891-3897）

本発明が解決しようとする課題は、高周波であって微小な振動を測定することができる振動測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る高周波微小振動測定装置は、物体の振動周波数ωを測定するための装置であって、
a)所定の変調周波数ω _m で強度変調した光を発生させて測定対象の物体に照射する光発生部と、
b)測定対象の物体により反射された光を受光して検出し、前記強度変調及び受光面積の変化により生じる、検出光の強度変化に係るうなり周波数（ω−ω _m ）を算出することにより該振動周波数ωを求める検出部と、
を備えることを特徴とする。

上記高周波微小振動測定装置は、AFMに好適に用いることができる。本発明に係るAFMは、カンチレバーに固定された探針を試料表面に近づけてカンチレバーの共振周波数ωを測定することにより、試料表面の像を得る原子間力顕微鏡において、
所定の変調周波数ω _m で強度変調した光を発生させてカンチレバーに照射する光発生部と、
該カンチレバーにより反射された光を受光して検出し、前記強度変調及び受光面積の変化により生じる、検出光の強度変化に係るうなり周波数（ω−ω _m ）を算出することにより該共振周波数ωを求める検出部と、
を有する高周波微小振動測定装置を備えることを特徴とする。

発明の実施の形態及び効果

本発明の高周波微小振動測定装置は、振動周波数ωで振動する物体に光を照射して、その物体により反射される光の応答からωを求めるものである。
光発生部はこの照射光を生成するものであり、照射光を測定対象の物体に照射することができる位置に配置する。照射光には所定の変調周波数ω_mで強度変調したものを用いる。このような強度変調された光は、例えば周波数ω_mの正弦波や方形波等の波形を有する電気信号をレーザダイオードに入力することにより得ることができる。照射光の周波数（波長）は任意である。

検出部は、測定対象の物体により反射された光（反射光）を受光する。測定対象物が振動すると、検出部が受光する光のスポットの位置も振動する。検出部が反射光を受光する領域の境界が光のスポットの振動範囲内に配置されるように該領域を設定することにより、その領域に含まれるスポットの面積は周波数ωで変化する。更に、反射光は照射光と同じように周波数ω_mで強度変調されている。これら２つの変化が重ね合わされるため、前記所定領域内で検出される光の強度は周波数（ω−ω_m）のうなりを有するものとなる。

検出部には、分割フォトダイオードを用いることができる。分割フォトダイオードは、受光部（フォトダイオード）が複数の領域に分割されたものである。この領域の境界が光のスポットの振動範囲内に配置されるように分割フォトダイオードの位置を設定する。各領域のフォトダイオードは受光量に比例した大きさの電流を出力する。この電流を、例えば電圧に変換して領域間の電圧の差をとる。こうして得られた信号には、測定対象物の振動の寄与と強度変調の寄与が重ね合わされ、周波数（ω-ω_m）で時間変化する。この電圧信号を例えば高速フーリエ変換（FFT）すれば周波数（ω-ω_m）の値を測定することができる。

本発明の高周波微小振動測定装置においては、反射光に含まれるうなりの周波数（ω−ω_m）を測定することにより、測定対象の物体の振動周波数ωを求めることができる。ここで、ω_mを適切に設定することにより、測定されるうなりの周波数（ω−ω_m）を1MHz以下に抑えることができる。そのため、従来の装置では検出器の精度上測定が困難であった、ωが1MHz以上である場合にも、本発明の装置によれば測定を行うことができる。なお、ω_mはLDを変調可能な最大周波数以下に制限されるため、本発明の装置により測定可能な振動周波数ωの上限は10GHz程度である。

本発明の高周波微小振動測定装置においては、従来の装置と比較して感度が低下する要因はないため、従来の装置と同程度の大きさの振動、即ち0.1nm以下の大きさの振動を測定することが可能である。

本発明の高周波微小振動測定装置は、AFMに好適に用いることができる。AFMは、探針を試料表面付近で走査し、探針と試料表面の間に働く力により探針に生じる物理量の変化を測定して試料表面の像を得るものである。この力の測定方法にはいくつかあるが、本発明は、探針を有するカンチレバーの共振周波数ωを測定するものに適用される。即ち、探針にこの力が作用することによりカンチレバーの共振周波数がわずかに変化するため、共振周波数ωを測定することにより探針−試料表面間の距離を見積もることができる。

本発明では、このカンチレバーの共振周波数を高周波微小振動測定装置により測定する。光発生部は周波数ω_mで振幅変調した光を発生させてカンチレバーに照射する。そして、検出部は、カンチレバーにより反射される光を受光して、上記の方法により、この反射光の強度に現れるうなりの周波数（ω−ω_m）を検出する。これにより、カンチレバーの共振周波数ωを求めることができる。

従来のAFMでは、原子間力が働かない時の共振周波数が数十から数百kHz程度であるカンチレバーを用いていた。それに対して、本発明のAFMでは従来よりも共振周波数の高いカンチレバーを用いることができる。これにより、周波数測定の精度を向上させることができるため、本発明のAFMでは従来よりも測定感度を高めることができる。即ち、従来よりも鮮明な像を得ることができ、あるいは、従来よりも測定を高速化することができる。

また、非特許文献２では、カンチレバーを周波数ω₂で励振して、このカンチレバーに、振幅を周波数ω₁=ω₂+ω_Hで変調した光を照射し、反射波のうなりの周波数ω_Hの成分の振幅と位相をロックイン検出器で検出している。これは本願のように周波数を検出するものとは異なる。振幅や位相を測定するよりも周波数を測定した方が、探針が試料表面の極近傍に接近したときに生じる変化量が大きいため、非特許文献2のAFMよりも本発明のAFMの方がより高精度に探針の位置制御を行うことができ、より高い空間分解能が得られる。

本発明の第１実施例として、高周波微小振動測定装置の一例について、図１及び図２を用いて説明する。この装置は、被測定物１０の振動の周波数ωを測定するためのものであり、光発生部１１と検出部１２から構成される。

光発生部１１は、レーザーダイオード(LD)１４とLDドライバ１５から成る。LDドライバ１５は、後述のように時間変動する電流信号をLD１４に供給するものである。LD１４は、供給される電流信号に比例した強度（振幅）のレーザ光を発振するものである。

検出部１２は、分割フォトダイオード１６と周波数検出回路１７を有する。検出部１２の詳細な構成を図２に示す。
分割フォトダイオード１６は、２つの領域２１ａ及び２１ｂに２分割された受光部を有する。各受光部２１ａ及び２１ｂは、光が入射すると、各受光部が受けた光の強度に比例した大きさの電流を出力する。各受光部が受ける光の強度は、各受光部が受ける光の面積分率とこの光の強度の積に比例する。

周波数検出回路１７は、光から変換されたこの電流に基づき、この光の強度のうなりの周波数（ω−ω_m）を算出する。この周波数検出回路１７は、２つの電流−電圧変換回路２２ａ及び２２ｂ、差動増幅回路２３及びFFTアナライザ２４から成る。電流−電圧変換回路２２ａ及び２２ｂは、入力される電流をこれに比例した大きさの電圧信号に変換して出力するものであり、差動増幅回路２３は、２つの電圧信号の差を出力するものである。また、FFTアナライザ２４は、電圧信号を高速フーリエ変換するものである。

LD１４及び分割フォトダイオード１６は、振動しない鏡面が被測定物１０の位置にあると仮定した時に、LD１４から発振してその鏡面により反射される光が分割フォトダイオード１６の受光部２１ａ及び２１ｂの境界に入射するように配置する。

本実施例の高周波微小振動測定装置の動作を説明する。光発生部１１では、LDドライバ１５が周波数ω_mで大きさが変化する電流信号Isを生成する。この電流信号Isは、図３に示すように、周波数ω_mの高周波電流Ifと直流バイアス電流Ibとの和で表されるものである。LD１４は電流信号Isから、周波数ω_mで強度が変調されたレーザ光を生成する。そして、LD１４はこの光を被測定物１０の表面に照射する。

このレーザ光は被測定物１０の表面において反射され、分割フォトダイオード１６に入射する。この時、分割フォトダイオード１６に入射したレーザ光は、被測定物１０の振動による影響を受けることにより、入射光のスポット２０の位置が受光部２１ａ及び２１ｂの境界付近で振動する。そのため、各受光部２１ａ及び２１ｂが受ける光の強度は、被測定物１０の振動に対応して変化する。各受光部２１ａ及び２１ｂは光の強度に比例した強度の電流を出力する。電流−電圧変換回路２２ａ及び２２ｂは、それぞれ受光部２１ａ及び２１ｂからこの電流を入力し、その電流の大きさに比例した大きさの電圧信号を出力する。差動増幅回路２３は、電流−電圧変換回路２２ａ及び２２ｂから２つの電圧信号を入力して、その差を電圧信号として出力する。

こうして得られた電圧信号には、被測定物１０の振動に対応した入射光の強度変化が反映される。FFTアナライザ２４は、この電圧信号を高速フーリエ変換して、周波数スペクトルを得る。この周波数スペクトルのピーク位置の周波数から、光の強度のうなりの周波数（ω−ω_m）を求めることができる。そして、周波数ω_mは既知であるため、被測定物１０の振動の周波数ωを求めることができる。

本実施例で用いたようなPDでは、周波数がおおむね1MHzを超える場合には測定が困難である。しかし、本実施例の高周波微小振動測定装置によると、被測定物１０が1MHzを超える高い周波数ωで振動している場合にも、レーザ光の強度の変調周波数ω_mを適切に設定すれば、うなりの周波数（ω−ω_m）を1MHzよりも低くすることができるため、この（ω−ω_m）を測定することによりωを求めることができる。

次に、本発明の第２実施例として、AFMの一例について図４を用いて説明する。この装置は、探針３１１を有するカンチレバー３１を試料３０に近づけ、探針３１１の先端の原子と試料３０表面の原子の間に働く原子間力によるカンチレバー３１の共振周波数ωの変化を測定するものである。共振周波数ωの測定には、以下に示す構成を用いる。

APC(Automatic Power Control)ドライバ３２は所定の大きさの直流電流を、高周波発生装置３３は周波数ω_mの高周波電流を、それぞれ出力するものである。バイアスティー３４は、これら２つの電流信号を足し合わして、図３に示すような電流信号を出力する。LD３５及びPD３６は第１実施例のものと同様である。また、プリアンプ３７は上記電流−電圧変換回路２２ａ、２２ｂ、及び差動増幅回路２３を組み合わせたものである。

本実施例のAFMの動作を説明する。APCドライバ３２、高周波発生装置３３及びバイアスティー３４により、図３に示すような電流信号を生成し、LD３５に入力する。それによりLD３５は周波数ω_mで強度変調されたレーザ光を生成し、それをカンチレバー３１に照射する。この光はカンチレバー３１の表面において反射され、PD３６に入力される。この光はPD３６及びプリアンプ３７により、第１実施例と同様に周波数（ω−ω_m）のうなりを有する電圧信号を得る。更に電圧信号をローパスフィルタ３８に通し、高周波数のノイズをカットする。この電圧信号から、カンチレバー３１の共振周波数ωを求めることができる。

試料から十分距離を離した時のカンチレバーの共振周波数をω₀は、そのバネ定数kを用いてω₀=ck^1/2と表される(cはカンチレバーの質量に依存する定数)。カンチレバーが原子間力Fを受けると、その共振周波数ωは、ω=c(k+dF/dZ)^1/2に変化する(zは探針−試料表面間の距離)。このωを上記の方法で測定することにより、探針−試料表面間の距離を求めることができる。

カンチレバー３１と試料３０の相対位置を水平方向(図４の左右方向及び紙面の前後方向)に走査しながら上記測定を行う。その際、測定した共振周波数ωをフィードバックして、共振周波数ωが一定になるようにカンチレバー３１と試料３０の高さ方向の相対位置を変化させながら測定する。この高さ方向の相対位置が試料表面の凹凸を表すため、試料３０の表面の像を得ることができる。

以下、本実施例のAFMにより金(111)表面の測定を行った結果を示す。
まず、測定に用いた、集束イオンビーム法により作製されたカンチレバーの顕微鏡写真を図５に示す。カンチレバー４１の先端に探針４２が形成されている。このカンチレバー４１では、試料から十分距離を離した時の共振周波数ω₀は5.5MHzである。これは従来のAFMにおいて用いられているカンチレバーのω₀よりも1桁大きい。

本実施例では、カンチレバーに照射するレーザ光の強度変調周波数ω_mを5.4MHzとして測定を行った。試料表面のある位置において得られた、プリアンプ３７及びローパスフィルタ３８での処理後の電圧信号の一例を図６に示す。この図の横軸のスケールは、1目盛あたり10μsecである。この図より、10μsec強の周期が見られる。このデータをFFTアナライザによりフーリエ変換したものを図７に示す。周波数が84.89kHzである位置においてピークが見られることから、周波数(ω−ω_m)は84.89kHzである。従って、この時のカンチレバーの共振周波数ωは、5.48489MHzとなる。

本実施例で得られた金(111)表面のAFM像を図８に示す。この図では、同一測定点について走査速度を変化させて測定を行った結果を示している。図に示した数値が小さい程、より走査速度を速くして測定を行っている。最も測定時間が短い右下のものにおいても、試料表面のAFM像が得られている。

本発明に係る高周波微小振動測定装置の一実施例を示す概略構成図。 本実施例における検出部１２の概略構成図。 LDに入力される電流信号の一例を示すグラフ。 本発明に係る原子間力顕微鏡の一実施例を示す概略構成図。 本実施例のAFMにおいて用いたカンチレバーの顕微鏡写真。 本実施例のAFMにおいて得られた、(ω−ω_m)成分を含む電圧信号の一例を示すグラフ。 図６のデータをフーリエ変換した結果を示すグラフ。 本実施例のAFMにおいて得られたAu(111)面のAFM像。

符号の説明

１０…被測定物
１１…光発生部
１２…検出部
１４、３５…LD
１５…LDドライバ
１６…分割フォトダイオード
１７…周波数検出回路
２１ａ、２１ｂ…受光部
２２ａ、２２ｂ…電流−電圧変換回路
２３…差動増幅回路
２４…FFTアナライザ
３０…試料
３１…カンチレバー
３１１…探針
３２…APCドライバ
３３…高周波発生装置
３４…バイアスティー
３６…PD
３７…プリアンプ
３８…ローパスフィルタ
４１…カンチレバー
４２…探針

Claims (4)

1. 物体の振動周波数ωを測定するための装置であって、
   a)所定の変調周波数ω _m で強度変調した光を発生させて測定対象の物体に照射する光発生部と、
   b)測定対象の物体により反射された光を受光して検出し、前記強度変調及び受光面積の変化により生じる、検出光の強度変化に係るうなり周波数（ω−ω _m ）を算出することにより該振動周波数ωを求める検出部と、
   を備えることを特徴とする高周波微小振動測定装置。
2. 前記検出部が、分割フォトダイオードを有することを特徴とする請求項１に記載の高周波微小振動測定装置。
3. カンチレバーに固定された探針を試料表面に近づけてカンチレバーの共振周波数ωを測定することにより、試料表面の像を得る原子間力顕微鏡において、
   所定の変調周波数ω _m で強度変調した光を発生させてカンチレバーに照射する光発生部と、
   該カンチレバーにより反射された光を受光して検出し、前記強度変調及び受光面積の変化により生じる、検出光の強度変化に係るうなり周波数（ω−ω _m ）を算出することにより該共振周波数ωを求める検出部と、
   を有する高周波微小振動測定装置を備えることを特徴とする原子間力顕微鏡。
4. 物体の振動周波数ωを測定するための方法であって、
   所定の変調周波数ω _m で強度変調した光を測定対象の物体に照射し、反射された光を受光して検出し、前記強度変調及び受光面積の変化により生じる、検出光の強度変化に係るうなり周波数（ω−ω _m ）を算出することにより該振動周波数ωを求めることを特徴とする高周波微小振動測定方法。