JP4378532B2 - 櫛歯型プローブの駆動装置、原子間力顕微鏡装置および変位測定方法 - Google Patents
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請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の櫛歯型プローブの駆動装置において、前記特定周波数は、前記櫛歯ドライブが有する固有の共振周波数に近い周波数であって且つ櫛歯ドライブ機械系の特性がキャンセルされる周波数であることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の櫛歯型プローブの駆動装置において、前記アドミッタンス絶対値に替えて、アドミッタンスの位相角を用いることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の櫛歯型プローブの駆動装置において、前記アドミッタンスの位相角を検出する回路は、前記櫛歯ドライブを一辺に有する交流ブリッジを備えており、前記交流ブリッジのAC駆動端子には、前記直流電圧に特定周波数の交流電圧が重畳している櫛歯駆動電圧を印加し、前記交流ブリッジの平衡状態検出端子から得られる出力信号に基づいて前記アドミッタンスの位相角を検出することを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれか一項に記載の櫛歯型プローブの駆動装置において、アドミッタンスに替えて、インピーダンスを用いることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれか一項に記載の櫛歯型プローブの駆動装置を備え、前記櫛歯型プローブの可動部に探針を設けたことを特徴とする原子間力顕微鏡装置である。
請求項7に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれか一項に記載の櫛歯型プローブの駆動装置を用いる際に、前記櫛歯ドライブに振動を与え、その共振角周波数ω 0 を測定する工程と、前記共振角周波数ω 0 に近い機械系の特性がキャンセルされる発振角周波数ω 1 で前記櫛歯ドライブを振動させて前記可動部に加わる外力が零のときの基準イミタンスの絶対値I 0 を測定する工程と、前記発振角周波数ω 1 に定めて前記櫛歯ドライブを振振動させ、前記可動部に外力が加わったときのイミタンスの絶対値I 1 を測定する工程と、前記イミタンスの絶対値の変化量(I 1 −I 0 )から、前記可動部の前記外力による変位量を算出する工程と、を有することを特徴とする変位測定方法である。
図1は、本発明の実施の形態によるAFM装置全体の概略を示す構成図である。図2は、図1のAFM装置に用いられる櫛歯型プローブの構造を模式的に示す正面図である。図3は、図2に示す櫛歯型プローブの拡大斜視図である。図1〜図3では、XYZ直交座標で方向を表す。
i1=jω(C0+CS)e1+(E0C0/X0)ν1 (1)
f1=jωmν1+rfν1+kν1/jω+E0C0e1/X0 (2)
但し、i1は交流電流値、e1は入力交流電圧の振幅、ν1は可動部2の振動速度であり、f1、m、k、rfは、それぞれ櫛歯ドライブ10aに作用する外力、等価質量、バネ定数、機械系の摩擦抵抗(機械抵抗)である。また、E0は櫛歯ドライブ10aに加わる直流バイアス電圧、C0は初期状態の櫛歯状凹凸部のコンデンサ容量、CSは電極パッド等の浮遊容量、X0は初期状態の櫛歯間距離である。式(1),(2)より、外力が零の場合、櫛歯ドライブ10aのアドミッタンスの絶対値|Y|と角周波数ωの関係は最終的に式(3)のように表すことができる。ここで、A=E0C0/X0と置く。なお、アドミッタンスの絶対値|Y|には、式(3)のようにドットが付いている場合もあるが、|Y|と同じものであり、以下、同様とする。
アドミッタンス曲線y1は、電気・機械結合系の特性曲線であるが、アドミッタンス曲線y2は、機械系がない電気系のみの特性曲線であり、|Y|=ω(C0+CS)で表される。すなわち、アドミッタンス曲線y2は、式(3)において式(4)が成り立つときの特性曲線(実際には、1次関数なので直線)である。
A2−2ω(C0+CS)(ωm−k/ω)=0 (4)
式(4)を満たす角周波数ωを発振角周波数ω1と呼ぶと、発振角周波数ω1は、アドミッタンス曲線y1とy2の交点における角周波数である。発振角周波数ω1は、共振角周波数ω0に近い値であり、発振角周波数ω1で櫛歯ドライブ10aを駆動すると、上述したように、機械系の特性がキャンセルされ、電気系のみのアドミッタンス計測が可能となる。
|Y|=ω1(C0+CS) (6)
ΔY=A2Δk/ω1rf 2 (7)
したがって、アドミッタンスの変化ΔYを検出することにより、バネ定数の変化Δkを求め、結果的に櫛歯ドライブ10aに作用する外力の大きさあるいは可動部2の変位量を求めることができる。
i1/e1=jω[C0{1+(x1/X0)(E0/e1)}+CS] (8)
|Y1|=|i1/e1|=ω[C0{1+(x1/X0)(E0/e1)}+CS] (9)
式(9)から変位量x1は式(10)として導かれる。
x1=[{(|Y1|−ωCS)/ωC0−1}](e1/E0)X0 (10)
前述したように、A=E0C0/X0であるから、式(10)を変形して式(11)を得る。
x1=[{(|Y1|−ωCS)/ωC0−1}](C0e1/A) (11)
Y0=ω(C0+CS)とおけば、式(11)を変形して式(12)を得る。
x1={(|Y1|−|Y0|)/ωC0}(C0e1/A)=ΔY/ω(e1/A)
(12)
複数の櫛歯を有するアクチュエータでは、Aは、A=nbE0/dと書ける。ここで、nは櫛歯型プローブ10の櫛歯の数、bは櫛歯の厚さ、dは対向する櫛歯間のギャップである。Y1、Y0、C0、E0、e1は測定から求まり、bはSOIウエハの上部Si層の厚さに等しく、dはSEM観察により実測できるので、変位量x1が算出できる。なお、櫛歯間のギャップdには設計値があるが、その設計値と製造プロセス後に実測した値とが異なる場合は、後者を用いる方がAの値を正確に得ることができる。
(1)櫛歯型プローブ10の櫛歯ドライブ10aに振動を与え、その共振角周波数ω0を測定する。
(2)共振角周波数ω0に近い機械系の特性がキャンセルされる発振角周波数ω1で櫛歯ドライブ10aを振動させて可動部2に加わる外力が零のときの基準アドミッタンス値|Y0|を検出する。
(3)角周波数ωを発振角周波数ω1に定めて櫛歯ドライブ10aに振動を与え、可動部2に外力が加わったときのアドミッタンス値|Y1|を検出する。
(4)アドミッタンスの変化ΔY(=|Y1|−|Y0|)から、可動部2の外力による変位量を算出する。
図5は、実施の形態による櫛歯型プローブ10のアドミッタンス検出から信号処理までの装置構成の概略を示すブロック図である。アドミッタンスを検出するLCRメータ21は、ロックインアンプ24と、電流測定用回路25と、電圧測定用回路26とを有する。
図6は、工程A〜Eにおける櫛歯型プローブ10の状態を示す図であり、図6(a1)〜図6(a5)はそれぞれ工程A〜Eにおける櫛歯型プローブ10の平面図、図6(b1)〜図6(b5)はそれぞれ工程A〜Eにおける櫛歯型プローブ10の断面図、図6(c2)、図6(c5)はそれぞれ工程B、Eで用いられるマスクであり、図中、白い領域が遮蔽部分である。なお、図6(b1)〜図6(b4)はI−I線断面図、図6(b5)はII−II線断面図である。
工程Bでは、図6(c2)に示すマスク1を用い、SiN膜54の表面にフォトリソグラフィーでレジスト層55を形成する。
工程Dでは、上部Si層51が露出している領域に表面保護のための酸化膜56を厚さ0.5μm形成する。酸化方法は、高温の酸化雰囲気で加熱する熱酸化である。
工程Eでは、図6(c5)に示すマスク2を用い、酸化膜56の表面にフォトリソグラフィーでレジスト層57を形成する。図6(a5)の矢印Aで示す凹凸パターン部分は、将来、櫛歯状凹凸部1a,2aとなる部分である。図6(a5)には、将来、静止部1、可動部2となる部分も示す。
工程Gでは、パターニングされた酸化膜56をマスクの代用としてICP−RIE(inductively coupled plasma - reactive ion etching)により上部Si層51を厚さ方向にエッチングする。ICP−RIEによるエッチング作用は、SiO2層52で停止するので、可動部2、櫛歯状凹凸部1a,2aの厚さを均一且つ高精度に作製することができる。エッチングされた部分には、SiO2層52の表面が露出する。
工程Hでは、残存するレジスト層57を除去した後に、上部Si層51が露出している側壁に表面保護のための酸化膜58を熱酸化法で厚さ0.5μm形成する。
工程Jでは、レジスト層59をマスクとしてRIE(reactive ion etching)により、右側に残存しているSiN膜54を除去する。図7(a5)において右側に酸化膜56が露出している部分があるが、この部分はRIEではエッチングされずに残る。
工程Lでは、上部Si層51が露出している小さい斜面3aおよび可動部2の外周側面に対して表面保護のための熱酸化を施した後に、左側に残存しているSiN膜54を除去する。
工程Nでは、酸化膜56を除去した後に、櫛歯型プローブ10の外形形状に対応するマスクを用いて裏面からのパターンエッチングにより、下部Si層53とSiO2層52の不要部分Dを除去する。このパターンエッチングでは、可動部2の裏側の下部Si層53とSiO2層52を除去し、静止部1と枠部2bの裏側(図3の支持部4に相当する領域)はマスクで遮蔽し、下部Si層53とSiO2層52の除去を行わない。このように、SOIウエハの裏面からパターンエッチングすることにより、静止部1、可動部2、探針3および支持部4の各部品が完成し、櫛歯型プローブ10が完成する。
(1)櫛歯ドライブ10aは、成膜が難しい圧電体層のような機能性薄膜を有しないので、材料による製品ばらつきが小さい。
(2)櫛歯状凹凸部1a,2aの表面の電極膜以外はすべてSOIウエハから作製されるので、製造工程が単純であり、製品歩留まりが高い。
(3)櫛歯ドライブ10aを構成する櫛歯状凹凸部1aと2aは、相互に接触せず、静電力により間隔が規定されているので、振動による材料疲労はほとんど発生せず、耐久性が高い。
(4)アドミッタンス検出は、共振角周波数測定よりもバネ定数の変化Δkに対する変化率が大きいので、可動部2の変位を高精度で測定できる。特に、アドミッタンス検出は、共振角周波数が低くても高い感度が得られるので、マイクロマシン分野に適する検出方法である。
(1)高精度な変位測定ができるので、試料S表面の正確な凹凸情報を得ることができる。
(2)カンチレバーの屈曲振動に対し往復振動する構造であるので、多数の櫛歯型プローブ10を並列配置する場合に高密度に配置することができる。
2:可動部 2a:櫛歯状凹凸部
3:探針 4:支持部
5:ピエゾアクチュエータ 6:ステージ
7:交流電源 8:直流電源
10:櫛歯型プローブ 10a:櫛歯ドライブ
11:制御演算部 20:アドミッタンス検出器
51:上部Si層 52:SiO2層
53:下部Si層 100:AFM装置
S:試料
Claims (7)
- 第1の櫛歯状凹凸部を有する静止部と、前記第1の櫛歯状凹凸部と噛合する第2の櫛歯状凹凸部を有する可動部とを備えた櫛歯型プローブの駆動装置であって、
前記第1の櫛歯状凹凸部および前記第2の櫛歯状凹凸部から成る櫛歯ドライブに対して、直流電圧に特定周波数の交流電圧が重畳している櫛歯駆動電圧を印加する電源部と、
前記可動部に外力が作用しているとき、前記特定周波数における前記櫛歯ドライブのアドミッタンス絶対値を検出する検出回路と、
前記検出回路により検出されたアドミッタンス絶対値と、前記可動部に外力が作用していないとき前記櫛歯ドライブに生じる所定のアドミッタンス絶対値との偏差分を出力する偏差分出力回路と、
前記偏差分出力回路からの出力に基づいて前記静止部を所定方向に移動させるアクチュエータとを備え、
前記櫛歯型プローブにより試料表面の作用に基づく物理量を検出することを特徴とする櫛歯型プローブの駆動装置。 - 請求項1に記載の櫛歯型プローブの駆動装置において、
前記特定周波数は、前記櫛歯ドライブが有する固有の共振周波数に近い周波数であって且つ櫛歯ドライブ機械系の特性がキャンセルされる周波数である、ことを特徴とする櫛歯型プローブの駆動装置。 - 請求項1または2に記載の櫛歯型プローブの駆動装置において、
前記アドミッタンス絶対値に替えて、アドミッタンスの位相角を用いることを特徴とする櫛歯型プローブの駆動装置。 - 請求項3に記載の櫛歯型プローブの駆動装置において、
前記アドミッタンスの位相角を検出する回路は、前記櫛歯ドライブを一辺に有する交流ブリッジを備えており、
前記交流ブリッジのAC駆動端子には、前記直流電圧に特定周波数の交流電圧が重畳している櫛歯駆動電圧を印加し、前記交流ブリッジの平衡状態検出端子から得られる出力信号に基づいて前記アドミッタンスの位相角を検出する、ことを特徴とする櫛歯型プローブの駆動装置。 - 請求項1ないし4のいずれか一項に記載の櫛歯型プローブの駆動装置において、
アドミッタンスに替えて、インピーダンスを用いることを特徴とする櫛歯型プローブの駆動装置。 - 請求項1ないし5のいずれか一項に記載の櫛歯型プローブの駆動装置を備え、
前記櫛歯型プローブの可動部に探針を設けたことを特徴とする原子間力顕微鏡装置。 - 請求項1ないし5のいずれか一項に記載の櫛歯型プローブの駆動装置を用いる際に、前記櫛歯ドライブに振動を与え、その共振角周波数ω 0 を測定する工程と、
前記共振角周波数ω 0 に近い機械系の特性がキャンセルされる発振角周波数ω 1 で前記櫛歯ドライブを振動させて前記可動部に加わる外力が零のときの基準イミタンスの絶対値I 0 を測定する工程と、
前記発振角周波数ω 1 に定めて前記櫛歯ドライブを振振動させ、前記可動部に外力が加わったときのイミタンスの絶対値I 1 を測定する工程と、
前記イミタンスの絶対値の変化量(I 1 −I 0 )から、前記可動部の前記外力による変位量を算出する工程と、
を有することを特徴とする変位測定方法。
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