JP4851375B2

JP4851375B2 - 位相フィードバックａｆｍの制御方法及び位相フィードバックａｆｍ

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Publication number: JP4851375B2
Application number: JP2007076228A
Authority: JP
Inventors: 真一北村
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: US7836757B2; JP2008232984A; US20080229813A1

Description

本発明は位相フィードバックＡＦＭの制御方法及び位相フィードバックＡＦＭに関し、更に詳しくは加振電圧の振幅を制御して、カンチレバーの振幅を一定にすることができる位相フィードバックＡＦＭの制御方法及び位相フィードバックＡＦＭに関する。
する。

走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、探針と試料とを接近させた状態で探針を試料に対して相対的に走査する際に、探針から試料へ局所的刺激を発生させ、その刺激に対する試料表面からの局所的応答を測定することによって試料の表面を観察する顕微鏡である。ＳＰＭには、その物理量の測定方法の違いから、探針と試料間に流れる電流を検出する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、試料表面と探針との間に働くいろいろな力を検出する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、試料表面の磁気分布を測定する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）をはじめ、試料表面の摩擦力、粘性、弾性、電位等を測定する多くの種類の顕微鏡が実用化されている。

ＮＣ−ＡＦＭ（Noncontact Atomic Force Microscope ）は、ＳＰＭの一つであり、探針と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と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。カンチレバーの見かけ上の固有振動数の検出には、その固有振動数或いはその近傍の周波数で振動させ、固有振動数を直接（ＦＭ検出法）、或いは振幅や位相変化として間接的に検出する（スロープ検出法）方法がある。スロープ検出法では、一般的に振幅変化を使用しているが、本発明では位相変化を使用したＮＣ−ＡＦＭを用いる。

図２は従来装置の構成例を示す図であり、スロープ検出法を用いたＮＣ−ＡＦＭの例を示している。カンチレバー１の背面には、レーザダイオード（ＬＤ）２からのレーザ光が照射され、その反射光は光検出器（ＰＤ：Photo Detector）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。

一方、オシレータ５からの加振信号が加振用ＰＺＴ６に供給され、カンチレバー１はオシレータ５からの加振周波数で発振する。オシレータ５からの出力振幅で設定される電気信号に変換されたカンチレバー１の発振信号は、プリアンプ４を介してアンプディテクタ７に入力され、その振幅に相当する電圧を出力する。このアンプディテクタ７としては、例えばロックインアンプやＲＭＳ−ＤＣ回路（交流信号を実効値の直流に変換する回路）が使用されている。

探針と試料１７間に作用する力の勾配Ｆとバネ定数ｋのカンチレバーの固有振動数ｆｏ間には、
ｆｏ∝√（ｋ−Ｆ）
の関係があり、ｆｏの変化（周波数シフト）はほぼＦに相当し、固有振動数付近での一定周波数での発振では、固有振動数の変化は振幅の変化として表れる。

その振幅に相当する信号は、誤差増幅器（エラーアンプ）８によりその振幅が予め設定された振幅（基準信号（Ｒｅｆ．Ｖ）１２の出力）になるように、フィルタ９、Ｚピエゾ駆動用のＰＺＴドライバ１０を介してＰＺＴスキャナ１１のＺ動が制御される。一定に保持される振幅変化は、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（Topography Signal）に相当し、スキャン信号Ｘ，Ｙ１３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（凹凸像）が得られる。

このようなスロープ検出法によるＮＣ−ＡＦＭでは、カンチレバー１の固有振動数の変化として位相信号を同時に表示することがある。この位相信号は、オシレータ５の参照信号とプリアンプ４から出力されるカンチレバー１の発振信号との位相差であり、カンチレバー１の固有振動数の変化としては振幅変化より感度が高い。位相信号としては、位相検出器（Phase Detector）１４よりにより演算される。位相検出器１４としては、例えばフェーズコンパレータが用いられる。また、高感度な位相信号を振幅信号の代わりにフィードバックに使用することがある。この場合、位相検出器１４の出力Ｖ_Phaseと、アンプディテクタ７の出力Ｖ_Ampの何れか一方を、スイッチＳＷで選択し、誤差増幅器８に入力するようにする。

従来のこの種の装置としては、走査は探針の共振周波数近傍でプローブを振動振幅が一定となるように探針と試料表面との間隔を制御するフィードバック制御を行ない、試料と探針間の力変調に基づいて変化する探針の振動の振幅から弾性を求め、プローブの振動の位相から粘性を測定する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２０００−３４６７８４号公報（段落００１７〜００２１、図２）

従来の装置では、位相信号を探針と試料間距離の制御信号として使用した場合、位相信号の変化と同時に振幅の変化も生じてしまい、振幅が変化した分、得られる凹凸像は真の表面形状からずれてしまうという問題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、得られる凹凸像が真の表面形状を示すような位相フィードバックＡＦＭの制御方法及び位相フィードバックＡＦＭを提供することを目的としている。

カンチレバーの発振振幅を検出し、その振幅が予め設定された振幅と同じになるように、カンチレバーの加振電圧の振幅をフィードバック制御するようにした。
（１）請求項１記載の発明は、カンチレバーの固有振動数付近の一定周波数でカンチレバーを加振し、該カンチレバーをその周波数で発振させ、その加振信号とカンチレバーの発振信号との位相差を一定に保持するように探針と試料間距離を制御するようにした位相フィードバックＡＦＭにおいて、カンチレバーの変位信号の出力と、カンチレバーを加振するための発振器の出力と、基準となるカンチレバーの振幅に相当する信号を入力し、カンチレバーの発振信号の振幅が予め設定された振幅になるようにフィードバックをかけるようにしたことを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、カンチレバーの固有振動数付近の一定周波数でカンチレバーを加振し、該カンチレバーをその周波数で発振させ、その加振信号とカンチレバーの発振信号との位相差を一定に保持するように探針と試料間距離を制御するようにした位相フィードバックＡＦＭにおいて、カンチレバーの変位信号の出力と、カンチレバーを加振するための発振器の出力と、基準となるカンチレバーの振幅に相当する信号を入力して所定の演算を行なうアンプ・コントローラと、該アンプ・コントローラの出力を受けてカンチレバーの発振信号の振幅が予め設定された振幅になるように発振器の出力を制御するフィードバック回路とを設けたことを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、カンチレバーの発振振幅を検出し、その振幅が予め設定された振幅と同じになるように、カンチレバーの加振電圧の振幅を制御することにより、カンチレバーの発振振幅が一定に保持されるため、高感度に正確な試料表面の形状を観察することができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、カンチレバーの発振振幅を検出し、その振幅が予め設定された振幅と同じになるように、カンチレバーの加振電圧の振幅を制御することにより、カンチレバーの発振振幅が一定に保持されるため、高感度に正確な試料表面の形状を観察することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態を示す構成図である。図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１はその先端に探針（図示せず）が取り付けられたカンチレバー、２はレーザ光をカンチレバー１の背面に照射するレーザダイオード（ＬＤ）、３はカンチレバー１から反射された変調レーザ光を受けて電気信号に変換する光検出器（Photo detector）、１７は探針がその上に配置される試料である。６はその先端にカンチレバー１が取り付けられ、該カンチレバーＰＺＴ１を駆動する加振用ＰＺＴである。

４は光検出器３の出力を受けて増幅するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）機能を持ったプリアンプである。５は発振器である。１４はその一方の入力にプリアンプ４の出力を、他方の入力にオシレータ５の出力を受けて２つの信号の位相差を出力する位相検出器、８は位相検出器１４の出力である位相差信号を受けて、基準信号（Ｒｅｆ．Ｖ）１２との差分を出力する誤差増幅器、９は該誤差増幅器８の出力を受けるフィルタである。１０は該フィルタ９の出力を受けて、フィルタ９の出力信号に応じてＰＺＴスキャナ１１のＺ動を制御するＰＺＴドライバである。１５は、プリアンプ４の出力（カンチレバーの変位信号の出力）と、オシレータ５の出力と、基準信号（Ａｍｐ．Ｒｅｆ）１６を受けてＡＧＣ（Automatic Gain Control）信号を出力し、加振用ＰＺＴ６を加振するアンプ・コントローラである。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

カンチレバー１は加振用ＰＺＴ６により加振されている。そして、該カンチレバー１の背面にはレーザダイオード２からのレーザ光が照射される。そして、その変調された反射光は、光検出器３により検出される。この光てこ方式により光検出器３により検出されたカンチレバー１の振動変位は、バンドパスフィルタが内蔵されたプリアンプ４に入力され、増幅される。アンプ・コントローラ１５には、このプリアンプ４の出力（変調された加振信号）と、オシレータ５からの基準の加振信号と、プリアンプ４の出力に対応する基準信号（実効値（ＲＭＳ値）等の直流値）Ａｍｐ．Ｒｅｆ１６とが入力されている。

アンプ・コントローラ１５は、プリアンプ４の出力を受けてＲＭＳ値等の直流値に変換する。そして、この変換した直流値と基準信号Ａｍｐ．Ｒｅｆ１６とが等しくなるように、オシレータ５の振幅を調整する。そして、調整された信号に基づく信号ＡＧＣを加振用ＰＺＴ６に印加して加振する。この結果、プリアンプ４の出力は、予め設定されたカンチレバー１の発振振幅に保持される。

振幅が一定に制御されたカンチレバー１の発振信号は、プリアンプ４を介して位相検出器１４に入り、一方位相検出器１４の他方の入力にはオシレータ５の出力が入っている。そして、カンチレバー１の発振信号とオシレータ５からの加振信号の参照信号との位相差に相当する信号を位相差信号として出力する。

ここで、この位相差信号は、探針と試料間の力の勾配を反映した信号であり、誤差増幅器８に入る。誤差増幅器８には基準信号（Ｒｅｆ．Ｖ）１２が入力されており、位相差信号と基準信号１２との差分が一致するようにフィードバック信号がフィルタ９とＰＺＴドライバ１０を介してＰＺＴスキャナ１１に印加されそのＺ動が制御される。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（Topography Signal）に相当し、スキャン信号（Ｘ，Ｙスキャン）１２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、凹凸信号が得られる。この凹凸信号は、所定の表示装置乃至は記録装置により入力され、画像として観察される。

ここで、カンチレバー１の探針（図示せず）を試料１７に接近させると、探針と試料間の相互作用（以下、単に力と呼ぶ）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。この周波数シフトは、固有振動数付近での一定周波数による加振状態では、カンチレバー１の振幅変化、加振信号とカンチレバー１の振動との位相差として現れる。この位相差を一定に保つように、探針と試料間距離をＺピエゾで制御しつつ、Ｘ，Ｙスキャン信号１３をＰＺＴスキャナ１１に供給する。そして、ＰＺＴスキャナ１１をＸＹ２次元方向にスキャンさせ、その時のＺ動を輝度信号とする凹凸像を観察する。

ここで、位相を変化させた際には、カンチレバー１の振幅の変化も伴うので、アンプ・コントローラ１５によりカンチレバー振動振幅が予め設定された基準信号（Ａｍｐ．Ｒｅｆ）１６になるようにオシレータ５からの加振信号の振幅が制御される。本発明で得られた画像の確認は、画像を見ながら位相の変化を除々に大きくさせ、必要とされる解像度まで変化させる。

本発明によれば、より高感度な位相信号を探針−試料間制御用の信号として使用するフィードバック（光検出器１４→フェーズディテクタ１４→誤差増幅器８→フィルタ９→ＰＺＴドライバ）で、ＦＭ検出と同等の高分解能が得られる。また、位相変化に伴う振幅の変化を別のフィードバック回路（光検出器３→プリアンプ４→アンプ・コントローラ１５→加振用ＰＺＴ６）により振幅が常に一定に保持されているため、正確な表面形状が得られる。

本発明の一実施の形態を示す構成図である。従来装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１カンチレバー
２レーザダイオード
３光検出器
４プリアンプ
６加振用ＰＺＴ
８誤差増幅器
９フィルタ
１０ＰＺＴドライバ
１１ＰＺＴスキャナ
１４位相検出器
１５アンプ
１７試料

Claims

カンチレバーの固有振動数付近の一定周波数でカンチレバーを加振し、該カンチレバーをその周波数で発振させ、その加振信号とカンチレバーの発振信号との位相差を一定に保持するように探針と試料間距離を制御するようにした位相フィードバックＡＦＭにおいて、
カンチレバーの変位信号の出力と、カンチレバーを加振するための発振器の出力と、基準となるカンチレバーの振幅に相当する信号を入力し、
カンチレバーの発振信号の振幅が予め設定された振幅になるようにフィードバックをかける、
ようにしたことを特徴とする位相フィードバックＡＦＭの制御方法。
カンチレバーの固有振動数付近の一定周波数でカンチレバーを加振し、該カンチレバーをその周波数で発振させ、その加振信号とカンチレバーの発振信号との位相差を一定に保持するように探針と試料間距離を制御するようにした位相フィードバックＡＦＭにおいて、
カンチレバーの変位信号の出力と、カンチレバーを加振するための発振器の出力と、基準となるカンチレバーの振幅に相当する信号を入力して所定の演算を行なうアンプ・コントローラと、
該アンプ・コントローラの出力を受けてカンチレバーの発振信号の振幅が予め設定された振幅になるように発振器の出力を制御するフィードバック回路と、
を設けたことを特徴とする位相フィードバックＡＦＭ。