JP4027809B2 - 試料の表面形状観察装置 - Google Patents
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Description
【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(Noncontact Atomic Force Microscope:非接触原子間力顕微鏡)は、SPM(Scanning Probe Microscope: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f0 に相当する電圧Vf0に変換して出力する(f/V変換;f0 からVf0に変換)。FMデモジュレータ17としてはPLL(Phased Lock Loop) 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f0 には、
f0 ∝√(k−F)
の関係があり、f0 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(Voltage Control Oscilator: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f0 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(Voltage Control Oscilator: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(f0 in)とVCO23の出力(f0 out )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(f0 out )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f0 に相当する電圧Vf0を出力する(f/V変換;f0 からVf0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f0 には、
f0 ∝√(k−F)
の関係があり、f0 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(Vf0)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 (1)
- 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。
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