JP4146251B2

JP4146251B2 - 試料表面観察装置

Info

Publication number: JP4146251B2
Application number: JP2003014467A
Authority: JP
Inventors: 真一北村
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: JP2004226237A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、探針を先端に有し該探針が試料の表面に近接配置されるカンチレバーと、試料と探針とを相対的に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、カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段の検出信号によりカンチレバーを固有振動数で正帰還発振させる加振手段とを備え、変位検出手段の検出信号をＺ動駆動手段にフィードバックすると共にカンチレバーと試料との間の電位値としてフィードバックすることにより、非接触原子間力顕微鏡像と電位像を観察できるようにした試料表面観察装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＰＭ（Scanning Probe Microscope:走査プローブ顕微鏡）の１つでありその中のＮＣ−ＡＦＭ（Noncontact Atomic Force Microscope: 非接触原子間力顕微鏡）技術を応用したＳＫＰＭ（Scanning Kelvin Probe Force Microscope: 走査ケルビンプローブフォース顕微鏡）等に関するものとして、試料表面の電位分布等を観察する表面観察装置がある（例えば、特許文献１参照）。ＳＫＰＭ等は、メイン信号であるＮＣ−ＡＦＭのフィードバック信号に同時に検出する静電気力等の信号を重畳させており、その検出において大気中ではＳｌｏｐｅ検出法を用いるが、真空中ではＦＭ検出法を用いるのが一般的である。
【０００３】
図３は従来の試料表面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２からのレーザー光が照射され、その反射光は、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、ＰＬＬ（Phased Lock Loop) で構成されているＦＭデモジュレータ７に入力され、その発振周波数ｆ₀に相当する電圧Ｖ_f0に変換して出力する（ｆ／Ｖ変換；ｆ₀からＶ_f0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（フィードバック１）。
【０００６】
一定に保持される周波数シフトは、基準電圧（Ref.Ｖ）１４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像が得られる。
【０００７】
カンチレバー１の固有振動数ｆ₀は、探針・試料間の静電気力によってもシフトする。導電性のカンチレバー１にオシレータ１６及び誤差増幅器１７からの電圧［Ｖ_DC＋Ｖ_ACｓｉｎ（ωｔ）］を印加した場合、接地された試料１２と探針（カンチレバー１）との間に電位差が生じ静電気力が作用する。印加電圧の交流成分の周波数がＦＭデモジュレータ７の動作帯域より小さく、且つフィードバック１の帯域を越えた値（追従できない値）に設定されれば、ＦＭデモジュレータ７の出力Ｖ_f0にその交流成分による変調が現れる。この信号をロックインアンプ１５で、ωを参照信号として検出すると、ω成分の振幅に相当する出力が得られる。この出力がゼロのときカンチレバー（探針）・試料間の静電気力が最小となり、この状態を維持するように直流電圧Ｖ_DCが誤差増幅器１７から加算器１８を経て、カンチレバー（探針）１の電位としてフィードバックされる（フィードバック２）。このＶ_DCが探針に対する試料表面のＣＰＤであり、試料表面のＴｏｐｏ信号と同時に表示することで、ＮＣ−ＡＦＭ像１９と電位像２０が同時観察される。
【０００８】
ＦＭデモジュレータ７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)２３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ＶＣＯ２３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ＶＣＯ２３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。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−２３５８８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ｆ／Ｖ変換に使用されているＰＬＬ内のフィルタ２２は、周波数の変化をより高感度で検出でき、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、比較的時定数の大きなフィルタが用いられているので、結果としてｆ／Ｖ変換の帯域を数ｋＨｚまで落とすことになる。そのため、ＳＫＰＭによる静電気力等のＮＣ−ＡＦＭのフィードバック信号に重畳させＴｏｐｏ像と同時に他の物理量をロックインアンプを用いて検出する場合、その変調周波数がｆ／Ｖ変換の帯域に制限され、より利得を稼ぐための高周波数変調ができない。
【００１１】
【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像と電位像の同時観察において高感度での周波数の変化の検出と検出利得の向上を図るものである。
【００１２】
そのために本発明は、探針を先端に有し該探針が試料の表面に近接配置されるカンチレバーと、前記試料と前記探針とを相対的に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、該変位検出手段の検出信号により前記カンチレバーを固有振動数で正帰還発振させる加振手段とを備え、前記変位検出手段の検出信号をＺ動駆動手段にフィードバックすると共に前記カンチレバーと試料との間の電位値としてフィードバックすることにより、非接触原子間力顕微鏡像と電位像を観察できるようにした試料表面観察装置において、前記変位検出手段の検出信号を入力とする位相比較器とフィルタを有し前記位相比較器とフィルタにより周波数シフトを電圧に変換して周波数が前記カンチレバーの固有振動数より一定量シフトするように前記Ｚ動駆動手段をＺ動駆動する第１のフィードバック手段と、前記第１のフィードバック手段の前記フィルタを通さずに前記位相比較器の出力を取り出してロックイン検出し前記カンチレバーと試料との間の電位差としてフィードバックする第２のフィードバック手段とを備えたことを特徴とし、前記位相比較器の出力を前記フィルタよりフィルタ効果の小さい第２のフィルタを介してロックイン検出するようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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表面観察装置の実施の形態を示す図、図２は本発明に係る試料表面観察装置のＦＭデモジュレータを構成するＰＬＬの実施の形態を示す図である。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ＦＭデモジュレータ、８、１７は誤差増幅器、９、２２、２４はフィルタ、１０はピエゾドライバ、１１はＰＺＴスキャナ、１２は試料、１３はＸ，Ｙスキャン、１４は基準電圧、１５はロックインアンプ、１６はオシレータ、１８は加算器、１９はＮＣ−ＡＦＭ像、２０は電位像、２１は位相比較器、２３はＶＣＯを示す。
【００１４】
図１において、カンチレバー１は、探針を先端に有しその探針が試料１２の表面に近接配置され、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。この光てこ方式の振動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、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。
【００１５】
電気信号に変換されたカンチレバー１の発振波形は途中分岐されて、ＰＬＬで構成されているＦＭデモジュレータ７に入力され、その発振周波数ｆ₀に相当する電圧Ｖ_f0に変換して出力する。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（第１のフィードバック手段）。
【００１６】
一定に保持される周波数シフトは、基準電圧（Ref.Ｖ）１４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像が得られる。ＰＺＴスキャナ１１は、接地された試料１２をＸ，Ｙスキャン及びＺ動駆動するスキャン手段である。
【００１７】
カンチレバー１の固有振動数ｆ₀は、探針・試料間の静電気力によってもシフトする。導電性のカンチレバー１にオシレータ１６及び誤差増幅器１７からの電圧［Ｖ_DC＋Ｖ_ACｓｉｎ（ωｔ）］を印加した場合、試料１２と探針（カンチレバー１）との間に電位差が生じ静電気力が作用する。ＦＭデモジュレータ７の位相比較器２１の動作帯域は、カンチレバー１の固有振動数（数１００ｋＨｚ）より十分大きいため、印加電圧の交流成分の周波数は、カンチレバー１の固有振動数より小さく、且つフィードバック１の帯域を越えた値（追従できない値）に設定されれば、位相比較器２１の出力Ｖ_f0にその交流成分による変調が含まれる。この信号をロックインアンプ１５で、ωを参照信号として検出すると、ω成分の振幅に相当する出力が得られる。この出力がゼロのときカンチレバー１の探針・試料間の静電気力が最小となり、この状態を維持するように直流電圧Ｖ_DCが誤差増幅器１７から加算器１８を経て、カンチレバー１の探針の電位としてフィードバックされる（第２のフィードバック手段）。このＶ_DCが探針に対する試料表面のＣＰＤであり、試料表面のＴｏｐｏ信号と同時に表示することで、ＮＣ−ＡＦＭ像１９と電位像２０が同時観察される。
【００１８】
本実施形態におけるＰＬＬは、図２に示すように位相比較器２１、フィルタ２２、ＶＣＯ２３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であるが、位相比較器２１の出力から重畳信号検出用の出力を取り出している。その出力には、必要に応じてフィルタ２４を設ける。この出力を図１に示すロックインアンプ１５の入力に接続することにより、従来より高利得で電位信号が検出でき、その結果電位分解能が向上したＮＣ−ＡＦＭ像１９と電位像２０が同時観察できるようにしている。
【００１９】
本実施形態では、このようにＦＭデモジュレータ７、誤差増幅器８、フィルタ９、Ｚピエゾドライバ１０からなる第１のフィードバック手段において、変位検出手段（２〜４）の検出信号を入力とするＦＭデモジュレータ７の位相比較器２１、フィルタ２２で周波数シフトを電圧に変換して周波数がカンチレバー１の固有振動数より一定量シフトするようにスキャン手段のＰＺＴスキャナ１１をＺ動制御している。そして、ロックインアンプ１５、オシレータ１６、誤差増幅器１７、加算器１８からなる第２のフィードバック手段において、第１のフィードバック手段の位相比較器２１の出力を直接取り出してフィルタ２４を介してロックイン検出しカンチレバー１の電位にフィードバックしている。
【００２０】
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動駆動を行うようにしたが、スキャン手段により試料と探針とを相対的にＸ，Ｙスキャンし、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構成としてもよい。
【００２１】
【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、ＮＣ−ＡＦＭの画像信号であるカンチレバーの固有振動数の周波数シフト信号に重畳させ、その後段でロックイン検出していた静電気力等の信号検出において、周波数シフトを電圧変換するＰＬＬ内でその帯域を制限していたフィルタを通さない信号、すなわち位相比較器の出力を直接ロックイン検出することで重畳信号の変調周波数を高くすることができ、その検出利得を向上させることができる。また、位相比較器の出力を直接取り出しＰＬＬ内のフィルタよりフィルタ効果の小さいフィルタを介してロックイン検出することで重畳信号の変調周波数を高くすることができ、その検出利得の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る試料表面観察装置の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明に係る試料表面観察装置のＦＭデモジュレータを構成するＰＬＬの実施の形態を示す図である。
【図３】従来の試料表面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…ＦＭデモジュレータ、８、１７…誤差増幅器、９、２２、２４…フィルタ、１０…ピエゾドライバ、１１…ＰＺＴスキャナ、１２…試料、１３…Ｘ，Ｙスキャン、１４…基準電圧、１５…ロックインアンプ、１６…オシレータ、１８…加算器、１９…ＮＣ−ＡＦＭ像、２０…電位像、２１…位相比較器、２３…ＶＣＯ

Claims

探針を先端に有し該探針が試料の表面に近接配置されるカンチレバーと、前記試料と前記探針とを相対的に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、該変位検出手段の検出信号により前記カンチレバーを固有振動数で正帰還発振させる加振手段とを備え、前記変位検出手段の検出信号をＺ動駆動手段にフィードバックすると共に前記カンチレバーと試料との間の電位値としてフィードバックすることにより、非接触原子間力顕微鏡像と電位像を観察できるようにした試料表面観察装置において、前記変位検出手段の検出信号を入力とする位相比較器とフィルタを有し前記位相比較器とフィルタにより周波数シフトを電圧に変換して周波数が前記カンチレバーの固有振動数より一定量シフトするように前記Ｚ動駆動手段をＺ動駆動する第１のフィードバック手段と、前記第１のフィードバック手段の前記フィルタを通さずに前記位相比較器の出力を取り出してロックイン検出し前記カンチレバーと試料との間の電位差としてフィードバックする第２のフィードバック手段とを備えたことを特徴とする試料表面観察装置。
前記位相比較器の出力を前記フィルタよりフィルタ効果の小さい第２のフィルタを介してロックイン検出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の試料表面観察装置。