JP3975029B2

JP3975029B2 - 動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡及びその測定方法

Info

Publication number: JP3975029B2
Application number: JP19164099A
Authority: JP
Inventors: 尚史岡田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2019-07-06
Also published as: JP2001021477A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばフレームやカバー等の振動発生部から生じる機械振動を低減することによって、低ノイズの測定データを得ることが可能な動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡及びその測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）の一例として、ビニッヒ(Binnig)やローラー(Rohrer)等によって、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope ）が発明されている。しかし、ＳＴＭでは、観察できる試料が導電性の試料に限られている。そこで、サーボ技術を始めとするＳＴＭの要素技術を利用し、絶縁性の試料を原子オーダーの分解能で観察できる装置として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope ）が提案されている。
【０００３】
ＡＦＭ構造は、ＳＰＭの一つとして位置付けられており、例えば図３（ａ）に示すように、試料２をセット可能なステージ４と、試料２の表面情報を測定することが可能なセンサヘッド６とを備えている。ステージ４は、ベース８上に支持されており、センサヘッド６は、フレーム１０を介してベース８上に支持されている。そして、このようなＡＦＭ構造（ステージ４、センサヘッド６、フレーム１０）は、その全体がカバー１２によって覆われており、外界からの影響を受けないようになっている。
【０００４】
センサヘッド６には、先端が尖鋭化したカンチレバー１４と、このカンチレバー１４をステージ４上の試料２に対して相対的に駆動させる駆動機構（例えば、チューブ型ピエゾスキャナ、チューブ型圧電体スキャナ等；図示しない）と、カンチレバー１４の先端の変位を検出可能な変位センサ（図示しない）とが設けられており、駆動機構及びセンサヘッドは、夫々、制御部１６によって駆動制御されている。
【０００５】
このような構成において、ステージ４上にセットされた試料２に対してカンチレバー１４先端を近接させると、カンチレバー１４先端と試料２表面との間に働く相互作用（例えば、原子間力、接触力、粘性、摩擦力、磁気力等）によってカンチレバー１４先端が変位する。そして、このようなカンチレバー１４先端の変位を検出しながら、カンチレバー１４先端を試料２表面に沿って相対的に走査することによって、制御部１６は、センサヘッド６からの出力信号（具体的には、変位センサから出力された変位センサ信号）に基づいて、試料２の測定データ（例えば、表面凹凸情報）をモニタ１８上に三次元的に画像表示させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、走査型プローブ顕微鏡は、原子オーダーの分解能で試料２の表面情報を測定することができる装置であるため、例えば、騒音、空調装置の送風、床振動、走査型プローブ顕微鏡内部の駆動機構からの振動等のノイズの影響を受け易くなっている。そこで、従来では、精密除振台２０上に走査型プローブ顕微鏡の構成を配置することによって、床振動の影響を低減すると共に、カバー１２を設けることによって、騒音や空調装置の送風の影響を低減している。
【０００７】
しかしながら、カバー１２自体が振動したり、走査型プローブ顕微鏡内部の駆動機構からの振動によってフレーム１０が振動した場合、センサヘッド６には、フレーム１０の振動が直接作用すると共に、カバー１２の振動が間接的に作用する。そして、このような各種の振動がセンサヘッド６に作用すると、カンチレバー１４先端と試料２表面との間の相対変位を変化させることになり、その結果、各種の振動がセンサヘッド６からの出力信号に振動ノイズとなって混入し、その振動ノイズの影響によって、試料２の測定データを正確に得ることができなってしまう。
【０００８】
そこで、上述したような振動ノイズの影響を低減させる方法として、例えば特開平７−１４０１５３号公報には、フレームやカバー等の振動発生部の固有振動周波数を予め計測しておいて、測定時に、その固有振動周波数をセンサヘッドの出力信号から除去することによって、振動ノイズを低減させる方法が提案されている。
【０００９】
しかしながら、このような方法において、測定範囲を越えるような振動が振動発生部から生じた場合には、高分解能の測定データを得られなくなってしまうといった問題がある。例えば測定範囲が６μｍの走査型プローブ顕微鏡において、３μｍの振動が発生した場合、この３μｍの振動は、振動ノイズとしてセンサヘッドの出力信号から除去される。このため、実際の測定範囲は３μｍとなり、測定範囲が制限されてしまうため、高分解能の測定データを得られなくなってしまう。
【００１０】
また、上述したような振動ノイズの影響を低減させる他の方法として、フレームやカバー等の振動発生部に能動型動吸振器をセットして、振動発生部からの振動を能動型動吸振器によって相殺する方法が提案されている。
【００１１】
図３（ｂ）には、振動発生部Ｑ１と能動型動吸振器Ｑ２の物理モデルが直交座標ＸＹＺのＺ軸方向に沿って組み合わされた構成が示されている。
【００１２】
振動発生部Ｑ１は、基台２２上に構成されており、等価質量Ｍと、等価剛性Ｋと、等価減衰Ｃとによって表されている。また、能動型動吸振器Ｑ２は、振動発生部Ｑ１上に組み合わされており、錘ｍと、等価剛性Ｋ′と、アクチュエータ２４と、振動センサ２６と、アクチュエータ２４及び振動センサ２６を制御する制御部２８とによって表されている。
【００１３】
この場合、振動発生部Ｑ１が振動すると、その振動は、振動センサ２６によって検出され、このとき、制御部２８は、振動センサ２６から出力された振動信号に基づいてアクチュエータ２４を制御して、反力が振動発生部Ｑ１の振動を相殺するように能動型動吸振器Ｑ２の錘ｍを駆動させる。例えば振動発生部Ｑ１が＋Ｚ軸方向に振動した場合、能動型動吸振器Ｑ２の錘ｍを−Ｚ軸方向に駆動させることによって、振動発生部Ｑ１からの振動を能動型動吸振器Ｑ２によって相殺することができる。
【００１４】
しかしながら、このような構成では、アクチュエータ２４に加えて、振動センサ２６や制御部２８が別途必要となるため、部品点数が増加して製造コストが上昇してしまうといった問題がある。
【００１５】
本発明は、上述した課題を解決するために成されており、その目的は、ノイズを低減した測定データを正確に且つ高分解能に得ることが可能な低コストな動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡及びその測定方法を提供することにある。
【００１６】
【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、本発明の動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡は、試料に対して相対的にカンチレバーを走査して、試料の測定データを得ることが可能なセンサヘッドと、振動発生部に設けられ、且つ、振動発生部の振動を相殺して測定データに混入する振動ノイズを低減させることが可能な動吸振器と、センサヘッドの出力信号に基づいて、動吸振器を制御する動吸振器制御部とを備えている。
【００１７】
また、本発明の測定方法において、試料に対して相対的にカンチレバーを走査して、試料の測定データを得る間に、動吸振器制御部は、センサヘッドの出力信号に基づいて、振動発生部に設けられた動吸振器を制御して、振動発生部の振動を相殺して測定データに混入する振動ノイズを低減させる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態に係る動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡及びその測定方法について、図１を参照して説明する。
【００１９】
なお、本実施の形態の説明に際し、図３（ａ）で説明した構成と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００２０】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、走査型プローブ顕微鏡には、その振動発生部に、夫々、動吸振器制御部３０によって制御可能な動吸振器３２が設けられている。
【００２１】
本実施の形態において、振動発生部は、その一例として、フレーム１０及びカバー１２を想定しており、これらフレーム１０及びカバー１２に動吸振器３２が夫々配置されている。なお、これ以外に振動発生部が存在する場合には、それに合わせて動吸振器３２を配置させることは言うまでも無い。
【００２２】
動吸振器３２は、この動吸振器３２を振動発生部に取り付けるための取付台３４と、錘３６と、取付台３４上に設けられ且つ錘３６を駆動させるためのアクチュエータ３８と、このアクチュエータ３８の周囲に配置され且つ動吸振器３２の動作を安定化させるための粘弾性部材４０とを備えている。
【００２３】
アクチュエータ３８としては、例えば、圧電体、磁歪材、ボイスコイル等を利用することが可能であり、また、粘弾性部材４０としては、例えばゴム等を利用することが可能である。
【００２４】
このような動吸振器３２によれば、動吸振器制御部３０によって動吸振器３２（具体的には、アクチュエータ３８）を制御すると、そのアクチュエータ３８によって錘３６を所定方向に所定量だけ駆動させることができる。
【００２５】
また、走査型プローブ顕微鏡には、予め計測した振動発生部（フレーム１０、カバー１２）の固有振動周波数の近傍成分を、センサヘッド６の出力信号（具体的には、変位センサから出力された変位センサ信号）から抽出して、動吸振器制御部３０に出力することが可能なフィルタ（例えば、ノッチフィルタ、ハイパスフィルタ等）が設けられている。
【００２６】
フィルタには、フレーム１０の固有振動周波数の近傍成分を抽出するフレーム用フィルタ４２と、カバー１２の固有振動周波数の近傍成分を抽出するカバー用フィルタ４４とが含まれる。
【００２７】
本実施の形態では、振動発生部（フレーム１０、カバー１２）が１つの固有振動周波数で振動する場合を想定しており、その振動は、振動発生部の振動ノイズを反映したものとなる。
【００２８】
上述したような構成において、動吸振器制御部３０は、フィルタ（フレーム用フィルタ４２、カバー用フィルタ４４）によって抽出された振動発生部（フレーム１０、カバー１２）の固有振動周波数（即ち、振動ノイズ）の近傍成分に基づいて、動吸振器３２（具体的には、アクチュエータ３８）を制御して、反力が振動発生部の振動を相殺するように錘３６を駆動させる。
【００２９】
以下、本実施の形態の動作について、具体的に説明する。
【００３０】
カンチレバー１４先端を試料２表面に沿って相対的に走査しながら試料２を測定している状態において、振動発生部（フレーム１０、カバー１２）が、その固有振動周波数で振動すると、その振動によってカンチレバー１４先端と試料２表面との間の相対的な変位が変化して、その結果、振動発生部からの振動が、センサヘッド６の出力信号（変位センサから出力された変位センサ信号）に振動ノイズとなって混入する。
【００３１】
振動ノイズが混入したセンサヘッド６の出力信号（変位センサの変位センサ信号）は、続いて、フレーム用フィルタ４２及びカバー用フィルタ４４に入力される。このとき、フレーム用フィルタ４２では、フレーム１０の固有振動周波数の近傍成分が抽出され、一方、カバー用フィルタ４４では、カバー１２の固有振動周波数の近傍成分が抽出される。この場合、フレーム用フィルタ４２で抽出されたフレーム１０の固有振動周波数の近傍成分は、フレーム１０の振動に起因した振動ノイズを反映したノイズ成分（以下、フレームノイズ成分と言う）であり、一方、カバー用フィルタ４４で抽出されたカバー１２の固有振動周波数の近傍成分は、カバー１２の振動に起因した振動ノイズを反映したノイズ成分（以下、カバーノイズ成分と言う）である。
【００３２】
動吸振器制御部３０は、フレームノイズ成分に基づいて、フレーム１０に配置された動吸振器３２（アクチュエータ３８）を制御して、反力がフレーム１０の振動を相殺するように錘３６を駆動させると共に、また、カバーノイズ成分に基づいて、カバー１２に配置された動吸振器３２（アクチュエータ３８）を制御して、反力がカバー１２の振動を相殺するように錘３６を駆動させる。
【００３３】
具体的には、動吸振器制御部３０は、固有振動周波数で振動している振動発生部（フレーム１０、カバー１２）の位相とは逆位相となるように、動吸振器３２のアクチュエータ３８を制御して錘３６を駆動させる。この結果、振動発生部（フレーム１０、カバー１２）からの振動ノイズを低減した試料２の測定データを得ることができる。
【００３４】
なお、このような制御に際して、アクチュエータ３８を制御するための制御信号（逆位相、ゲイン）は、シミュレーションによって予め設定しておくことも可能であるが、実験的に設定することも可能である。
【００３５】
このように本実施の形態によれば、試料２の測定時に、センサヘッド６の出力信号（変位センサの変位センサ信号）から振動ノイズ（フレームノイズ成分、カバーノイズ成分）を抽出し、その振動ノイズに基づいて動吸振器３２を制御するだけで、振動ノイズを低減した測定データを正確に得ることができる。従って、従来技術のように振動センサや制御部を別途必要とすることが無いため、部品点数が減少して製造コストを軽減させることができる。更に、従来技術のようにセンサヘッド６の出力信号から振動ノイズを除去するといった信号処理を行う必要が無いため、測定データの信頼性を向上させることが可能となり、その結果、測定範囲を越えるような振動が振動発生部から生じた場合であっても、常に、高分解能な測定データを得ることができる。
【００３６】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡及びその測定方法について、図２を参照して説明する。
【００３７】
なお、本実施の形態の説明に際し、上述した第１の実施の形態と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３８】
図２に示すように、走査型プローブ顕微鏡には、センサヘッド６の出力信号（変位センサから出力された変位センサ信号）に基づいて、動吸振器３２｛具体的には、アクチュエータ３８（図１（ｂ）参照）｝を制御するための制御信号を動吸振器制御部３０に出力することが可能なフィルタ（例えば、ノッチフィルタ、ハイパスフィルタ等）が設けられている。
【００３９】
フィルタは、振動発生部（フレーム１０、カバー１２）の振動特性（例えば、１又はそれ以上の固有振動周波数等）に応じて、動吸振器３２（アクチュエータ３８）を制御する制御信号を出力するための伝達関数を適宜設定することができるように構成されている。
【００４０】
伝達関数を設定する方法は、実際に試料２を測定する前に、カンチレバー１４先端を試料２表面に近接させた状態で、或いは、カンチレバー１４先端を試料２表面に沿ってプレスキャンしながら、動吸振器制御部３０によって各動吸振器３２（アクチュエータ３８）を適当な振動信号で制御して、錘３６（図１（ｂ）参照）を駆動させ、振動発生部（フレーム１０、カバー１２）を振動させる。そして、振動発生部を振動させた状態において、振動発生部の振動信号と、センサヘッド６の出力信号（変位センサから出力された変位センサ信号）との関係（変位センサ信号／振動信号）を求めた後、この関係の逆関数（振動信号／変位センサ信号）を伝達関数として設定する。
【００４１】
また、フィルタには、フレーム１０に配置された動吸振器（アクチュエータ３８）を制御するための制御信号を出力するフレーム用フィルタ４６と、カバー１２に配置された動吸振器（アクチュエータ３８）を制御するための制御信号を出力するカバー用フィルタ４８とが含まれる。
【００４２】
なお、その他の構成は、上述した第１の実施の形態と同一であるため、その説明は省略する。
【００４３】
以下、本実施の形態の動作について、具体的に説明する。
【００４４】
カンチレバー１４先端を試料２表面に沿って相対的に走査しながら試料２を測定している状態において、振動発生部（フレーム１０、カバー１２）が振動すると、その振動によってカンチレバー１４先端と試料２表面との間の相対的な変位が変化して、その結果、振動発生部からの振動が、センサヘッド６の出力信号（変位センサの変位センサ信号）に振動ノイズとなって混入する。
【００４５】
振動ノイズが混入したセンサヘッド６の出力信号（変位センサの変位センサ信号）は、続いて、フレーム用フィルタ４６及びカバー用フィルタ４８に入力される。このとき、フレーム用フィルタ４６からは、上述した伝達関数（振動信号／変位センサ信号）に基づいて、フレーム１０に配置された動吸振器３２（アクチュエータ３８）を制御するための制御信号が出力され、一方、カバー用フィルタ４８からは、上述した伝達関数（振動信号／変位センサ信号）に基づいて、カバー１２に配置された動吸振器３２（アクチュエータ３８）を制御するための制御信号が出力される。
【００４６】
動吸振器制御部３０は、各々の制御信号に基づいて、フレーム１０に配置された動吸振器３２（アクチュエータ３８）を制御して、反力がフレーム１０の振動を相殺するように錘３６を駆動させると共に、カバー１２に配置された動吸振器３２（アクチュエータ３８）を制御して、反力がカバー１２の振動を相殺するように錘３６を駆動させる。この結果、振動発生部（フレーム１０、カバー１２）からの振動ノイズを低減した試料２の測定データを得ることができる。
【００４７】
このように本実施の形態によれば、振動発生部（フレーム１０、カバー１２）の振動特性に応じて、動吸振器３２（アクチュエータ３８）を制御する制御信号を出力するための伝達関数を適宜設定することが可能なフィルタ（フレーム用フィルタ４６及びカバー用フィルタ４８）を用いたことによって、振動発生部が１又はそれ以上の固有振動周波数を有する場合であっても、また、振動発生部の固有振動周波数が未知数であっても、振動発生部からの振動ノイズを低減した試料２の測定データを得ることができる。
【００４８】
なお、その他の効果は、上述した第１の実施の形態と同一であるため、その説明は省略する。
【００４９】
また、本発明は、上述した第１及び第２の実施の形態の構成に限定されることは無く、以下のように種々変更することが可能である。
【００５０】
上述した第１及び第２の実施の形態では、カンチレバー走査型のプローブ顕微鏡を想定して説明したが、これとは逆に、試料２をカンチレバー１４に対して移動させる試料走査型のプローブ顕微鏡にも、本発明の技術を適用することができる。また、上述した第１及び第２の実施の形態では、特に説明しなかったが、カンチレバー１４を所定の共振周波数で励振させながら測定するダイナミックモード測定や、カンチレバー１４を励振させること無く測定するスタティックモード測定にも、本発明の技術を適用することができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、ノイズを低減した測定データを正確に且つ高分解能に得ることが可能な低コストな動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡及びその測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡の構成を示す図、（ｂ）は、動吸振器の構成を示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡の構成を示す図。
【図３】（ａ）は、従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す図、（ｂ）は、振動発生部からの振動を能動型動吸振器によって相殺する方法を説明するための物理モデル。
【符号の説明】
２試料
６センサヘッド
１０フレーム
１２カバー
１４カンチレバー
３０動吸振器制御部
３２動吸振器

Claims

試料に対して相対的にカンチレバーを走査して、試料の測定データを得ることが可能なセンサヘッドと、
振動発生部に設けられ、且つ、振動発生部の振動を相殺して測定データに混入する振動ノイズを低減させることが可能な動吸振器と、
センサヘッドの出力信号に基づいて、動吸振器を制御する動吸振器制御部とを備えていることを特徴とする動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡。
試料に対して相対的にカンチレバーを走査して、試料の測定データを得ることが可能なセンサヘッドと、
振動発生部に設けられ、且つ、振動発生部の振動を相殺して測定データに混入する振動ノイズを低減させることが可能な動吸振器と、
振動発生部とセンサヘッド間の伝達関数に基づいて、動吸振器を制御する動吸振器制御部とを備えていることを特徴とする動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡。
動吸振器は、錘と、錘を駆動させるためのアクチュエータとを備えていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡。
動吸振器制御部は、固有振動周波数で振動している振動発生部の振動位相とは逆位相となるように、動吸振器のアクチュエータを制御して錘を駆動させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡。
アクチュエータは、少なくとも圧電体、磁歪材、ボイスコイルのいずれか一つを有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の動吸振器付き走査型プローブ顕微鏡。
走査型プローブ顕微鏡の測定方法であって、
試料に対して相対的にカンチレバーを走査して、
試料の測定データを得る間に、動吸振器制御部は、試料の測定データを得ることが可能なセンサヘッドの出力信号に基づいて、振動発生部に設けられた動吸振器を制御して、
振動発生部の振動を相殺して測定データに混入する振動ノイズを低減させることを特徴とする測定方法。
走査型プローブ顕微鏡の測定方法であって、
試料に対して相対的にカンチレバーを走査して、
試料の測定データを得る間に、動吸振器制御部は、試料の測定データを得ることが可能なセンサヘッドと振動発生部と間の伝達関数基づいて、振動発生部に設けられた動吸振器を制御して、
振動発生部の振動を相殺して測定データに混入する振動ノイズを低減させることを特徴とする測定方法。