JP5813966B2 - 変位検出機構およびそれを用いた走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
該方法を用いた、探針を試料表面で走査することで試料の表面形状や物性情報を観察する
ことが可能な走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
であり、これまでに様々な測定モードが提案されている。例えば、探針と試料間に流れる
トンネル電流を一定に保つことで表面形状を取得する走査型トンネル顕微鏡(以下、ST
M)や、探針と試料間の原子間力を検出することで表面形状を取得する原子間力顕微鏡(
以下、AFM)がある。AFMの中でも、カンチレバーの撓みを一定に保つことで表面形
状を取得するコンタクトモードや、カンチレバーを励振させその振幅を一定に保つことで
表面形状を取得するダイナミックフォースモード(以下、DFMモード)がある。一般的
に、コンタクトモードでは探針と試料とは常に接触しており、DFMモードでは探針と試
料とは間欠的に接触している。
特に探針に金属をコートした導電性カンチレバーを用いると試料表面の電気物性を測定す
ることが可能である。例えば、試料の表面電位を観察するケルビンフォース顕微鏡(以下
、KFM)、電気力を測定する電気力顕微鏡(以下、EFM)、磁気特性を観察できる磁
気力顕微鏡(以下、MFM)などが挙げられる。いずれの測定方法でも、探針を試料と非
接触状態に保ち、探針と試料表面との物理的相互作用をカンチレバーの変位として検出し
ている(例えば非特許文献1参照)。
物性情報を測定することが可能である。例えば、試料表面の静電容量変化を計測すること
ができる走査型非線形誘電率顕微鏡(以下、SNDM)が挙げられる。SNDMは、導電
性カンチレバーと試料間に交流電圧を印加することによる試料の静電容量変化を計測して
いる。静電容量変化の計測方法としては、導電性カンチレバーがLC共振器に取り付けら
れており、探針直下の静電容量変化をLC共振器の共振周波数変化に変換し、さらにこの
共振周波数変化をFM復調器などで電圧変化に変換することで、静電容量変化を電圧変化
として検出している(例えば特許文献1参照)。
とは、レーザーなどの光をカンチレバーの背面に照射し、その反射光の位置を検出するこ
とでカンチレバーの撓み(変位)を検出するものである。光を使わない方法としては、ピ
エゾ抵抗を利用したピエゾ抵抗型自己検知カンチレバーがある。この方式では、ピエゾ抵
抗体歪センサーをカンチレバーに搭載することで、カンチレバーの撓みをピエゾ抵抗体の
電気抵抗の変化として検出するものである(例えば特許文献2参照)。
。しかしながら、光が試料にも照射されるため物性測定する際にその光の影響を受ける場
合がある。特に試料表面の電位や電流などを計測する際には、試料そのものが光励起など
により物性値に変化をきたしてしまい正確な物性情報を測定できないことがある。また、
同様の理由により、試料に光を照射し、その光の有無による試料の物性情報の変化を測定
することも困難となることがある。
を使用していないため上述したような影響は無い。しかしながら、KFMなどの電気物性
を測定する際に様々な制限が生じる。例えば、使用するカンチレバーは、ピエゾ抵抗体を
備える必要があり複雑な構造や特別な製造過程が必要とされる。当然のことながら市販さ
れている一般的なカンチレバーを使用することはできない。また、電気物性測定では探針
に金属がコートされた導電性カンチレバーを使用するのが一般的であるが、探針が金属コ
ートされたピエゾ抵抗型自己検知カンチレバーはさらに複雑な構造や製造過程が必要とさ
れ、それを作製すること自体に困難性がある。また、KFMやEFMなど試料と探針間に
交流電場を印加するような測定では、印加している交流電場がピエゾ抵抗センサーにも印
加されてしまい、それによりピエゾ抵抗体に発生した変位電流が、レバーの変位信号に対
するノイズとして混入し正確な測定ができなくなる。この点については、探針と試料間に
作用する交流電場とピエゾ抵抗センサーに作用する交流電場との位相差を利用したKFM
の測定例が報告されているが、装置構成が複雑であり分解能も悪い(非特許文献2参照)
。
光てこ方式あるいは自己検知型のカンチレバーの変位検出方法とは異なる、新たな変位検
出機構ならびにそれを用いた走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
また、本発明では、別途の静電容量変化検出手段として、LC共振器とF−V変換器、またはLC共振器とFM復調器による、静電容量変化に基づくLC共振器の共振周波数の変化を電圧変化として評価するものとした。
また、本発明では、走査型プローブ顕微鏡において、上記の変位検出機構を利用した変位検出部を備えたものとした。
また、本発明では、光を遮断した状態で形状測定や物性測定が可能となり、光励起の影響を受けないことから、光の有無による試料の形状や物性情報の変化を比較可能とした。
図1には、本発明に第一の実施例に係わる走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を示す。
図2(a)に示したようなカンチレバーと試料表面とを、図2(b)に示すような平行平板コンデンサであると仮定すると、その静電容量は以下の数1で表される。
DFM測定に利用され、後者のロックインアンプはKFMやEFM測定に利用されることが多い。
試料台12は、探針と試料間に交流電場を印加する信号発生器15が接続されている。また、カンチレバー変位検出部7が検出したカンチレバーの変位情報をロックインアンプ14に送られ、信号発生器15と同じ周波数成分、または2倍以上周波数成分の振幅と位相を同期検出することができる。ここで検出した振幅や位相成分は、交流電場による探針と試料間に働く静電気力に起因したカンチレバーの振動振幅や位相成分であり、これらの信号がEFM測定により得られる情報となる。また、ロックインアンプ14により検出した振幅がゼロになるように、フィードバック回路16により直流バイアスを試料台12に印加することでKFM測定が可能となる。
当該顕微鏡は、物性照明装置17により試料または/および探針に光Lを照射できるようにした。このようにすることで、光Lを照射しない状態でEFM測定やKFM測定を行い、その後、光Lを照射した状態でEFM測定やKFM測定を行うことで、光の有無による試料表面の形状情報や物性情報を取得することが可能となる。また、照明装置17により光Lの強度を変化させることにより、該強度値あるいは差分によるKFM測定やEFM測定の結果の違いを観察することが可能となる。このようにすることで、試料表面の形状情報や物性情報の光強度依存性を測定することが可能となる。
2 探針
3 レバー部
4 レバー加振手段
5 LC共振器
6 F−V変換器
7 カンチレバー変位検出部
8 制御部
9 XY駆動部
10 Z駆動部
11 3次元アクチュエータ
12 試料台(基準)
13 表示部
14 ロックインアンプ
15 信号発生器
16 フィードバック回路
17 照明装置
S 試料(基準)
L 光
Claims (17)
- 先端に探針を有し、一定の振動を行うカンチレバーと、
前記探針の先端が対向する側に配置され、前記カンチレバーの位置の基準となる基準台と、を備え、
前記カンチレバーが前記基準台に向けて振動した際の当該カンチレバーの変位を検出するカンチレバーの変位検出機構であって、
前記カンチレバーの振動の変化に基づく該カンチレバーと前記基準台との間に生じる静電容量の変化を下記の数式により算出する静電容量変化検出手段を備え、
前記カンチレバーの変位を、前記静電容量の変化に基づいて評価することを特徴とするカンチレバーの変位検出機構。
- 前記静電容量変化検出手段が、静電容量センサーである請求項1に記載のカンチレバーの変位検出機構。
- 前記静電容量変化検出手段が、
該静電容量の変化に基づく前記カンチレバーの振動周波数及び/又は振動振幅検出手段と、
当該振動周波数及び/又は振動振幅に基づく電気信号検出手段とからなり、
前記静電容量の変化に基づく前記カンチレバーの振動周波数及び/又は振動振幅を認知し、更に、そのカンチレバーの振動周波数及び/又は振動振幅に基づく電気信号として前記カンチレバーの変位を評価する請求項1に記載のカンチレバーの変位検出機構。 - 前記振動周波数及び/又は振動振幅検出手段が、前記カンチレバーと電気的に接続されたLC共振器であり、前記静電容量の変化に基づく該LC共振器の共振周波数を検出する請求項3に記載のカンチレバーの変位検出機構。
- 前記電気信号検出手段が、前記振動周波数及び/又は振動振幅検出手段と電気的に接続されたF-V変換器またはFM復調器のいずれかであり、前記振動周波数及び/又は振動振幅に基づく電圧として検出する請求項3又は4に記載のカンチレバーの変位検出機構。
- 先端に探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーを振動させるレバー加振手段と、
前記探針の先端に対向する位置に備わる試料を載置する試料台と、前記試料表面と前記探針とを相対的にX,Y及びZ方向へ駆動させるXY駆動機構及びZ駆動機構と、前記カンチレバーの変位を検出するカンチレバー変位検出部と、当該カンチレバー変位検出部が検出したカンチレバーの変位情報から前記試料表面の形状データや物性データを採取する制御部と、を備えた走査型プローブ顕微鏡であって、
前記カンチレバー変位検出部が、請求項1〜5のいずれかに記載のカンチレバーの変位検出機構を備え、前記カンチレバーの変位により生じる振動の変化に伴う、前記カンチレバーと前記試料の表面との間の静電容量の変化に基づいて前記カンチレバーの変位を評価することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項6に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記カンチレバーの振動振幅と振動周波数と位相を検出するものである走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項6又は7に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記レバー加振手段により振動するカンチレバーの、前記レバー加振手段と同一周波数成分の振動振幅を検出するものである走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項6から8のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記レバー加振手段により振動するカンチレバーの、前記レバー加振手段との位相差を検出するものである走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項6から9のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記試料表面と前記探針との間に印加した交流電場により振動するカンチレバーの振動振幅と位相を検出するものである走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項10に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記試料表面と前記探針との間に印加した交流電場により振動するカンチレバーの、前記交流電場と同一の周波数成分の振動振幅を検出するものである走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項10又は11に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記試料表面と前記探針との間に印加した交流電場により振動するカンチレバーの、前記交流電場との位相差を検出するものである走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項10から12のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出部が、前記試料表面と前記探針との間に印加した交流電場により振動するカンチレバーの、前記交流電場の少なくとも2倍以上の周波数成分の振動振幅と位相を検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項6から13のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記試料表面及び/又は探針に光を照射するための照明装置を有するものである走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項14に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記照明装置から照射される光のオンとオフによる、試料表面の形状と物性情報の違いを検出するものである走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項14又は15のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記照明装置から照射される光の周波数の違いによる、試料表面の形状と物性情報の違いを検出するものである走査型プローブ顕微鏡。 - 請求項14から16のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記照明装置から照射される光の強度の違いによる、試料表面の形状と物性情報の違いを検出するものである走査型プローブ顕微鏡。
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