JP3764917B2 - High frequency micro vibration measurement device - Google Patents
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Description
本発明は、物体の微小振動、特に周波数が1MHz〜10GHz程度の高周波振動を測定するのに好適な高周波微小振動測定装置に関する。この高周波微小振動測定装置は、圧電素子・マイクロマシンデバイス・薄膜等の機械特性の測定、物体表面や内部の欠陥や異方性を評価するための超音波振動の測定、あるいは原子間力顕微鏡(AFM)の力センサや加速度センサに用いられる微小力の測定等に用いることができる。 The present invention relates to a high-frequency micro-vibration measuring apparatus suitable for measuring micro-vibration of an object, particularly high-frequency vibration having a frequency of about 1 MHz to 10 GHz. This high-frequency microvibration measuring device is used to measure the mechanical properties of piezoelectric elements, micromachine devices, thin films, etc., to measure ultrasonic vibrations to evaluate defects and anisotropy on the object surface and inside, or to use an atomic force microscope (AFM). ) For measuring a micro force used for a force sensor or an acceleration sensor.
物体の微小振動を測定することは、上記のように様々な分野において必要とされている。上記測定においては、0.1nm以下の振動を検出できるような高い精度が要求されることがある。例えば、圧電素子では、電子機器の小型化に伴って素子も小型化しているため、共振周波数が増大し、また、振動の振幅が小さくなっている。また、マイクロモータやナノ振動子といったマイクロマシンデバイスの性能を確認するためにその回転や振動を測定する際には、それらの振動の振幅は数nmのオーダー、共振周波数は数GHzのオーダーとなる。これらの測定はいずれも、振動の振幅の分解能が0.1nm以下、検出帯域幅が1MHz以上という条件で行う必要がある。 Measuring the minute vibrations of an object is required in various fields as described above. In the measurement described above, high accuracy that can detect vibrations of 0.1 nm or less may be required. For example, in the piezoelectric element, since the element is also miniaturized as the electronic device is miniaturized, the resonance frequency is increased and the amplitude of vibration is reduced. Also, when measuring the rotation and vibration of micromachine devices such as micromotors and nano-vibrators, the amplitude of those vibrations is on the order of several nanometers, and the resonance frequency is on the order of several GHz. All of these measurements must be performed under the condition that the vibration amplitude resolution is 0.1 nm or less and the detection bandwidth is 1 MHz or more.
また、AFMにおいても同様に、高分解能で広帯域幅の振動測定が必要となる場合がある。AFMでは、カンチレバー先端部に探針を設けて、その探針で試料表面付近を走査する。その際、探針の先端の原子と試料表面の原子の間に作用する力（原子間力）が一定になるように探針又は試料を上下させ、その上下動から試料表面の像を得ることができる。ここで、カンチレバーの共振周波数が前記原子間力に対応して変化することから、カンチレバーを励振しつつこの共振周波数を測定してそれが一定になるように上記上下動を行えばよい。カンチレバーの共振周波数が高いほど、原子間力による周波数の変化量が大きくなるため分解能が高くなる。原子スケールの像を観測するためには、0.1nm以下の分解能が必要となる。 Similarly, in AFM, vibration measurement with high resolution and wide bandwidth may be required. In AFM, a probe is provided at the tip of the cantilever, and the vicinity of the sample surface is scanned with the probe. At that time, the probe or the sample is moved up and down so that the force (atomic force) acting between the atom at the tip of the probe and the atom on the sample surface is constant, and an image of the sample surface is obtained from the vertical movement. Can do. Here, since the resonance frequency of the cantilever changes corresponding to the interatomic force, it is only necessary to measure the resonance frequency while exciting the cantilever and move it up and down so that it becomes constant. The higher the resonant frequency of the cantilever, the higher the resolution because the amount of change in frequency due to the atomic force increases. In order to observe an atomic scale image, a resolution of 0.1 nm or less is required.
非特許文献１には、このような高精度の微小振動測定において用いられるセンサの１つとして、光てこセンサについて記載されている。光てこセンサは、測定対象物にレーザ光を照射することにより、対象物の振動により反射光の検出位置が振動することを用いて、対象物の振動を検出するものである。反射光の検出器を測定対象物から遠く離れた位置に置くことにより、この変化を拡大して検出することができるため、「光てこ」と呼ばれる。この光てこセンサでは、レーザ光が照射される位置の微小な変化を捉えて高い分解能で測定するために、光検出器の感度を高く設定する必要がある。この場合、振動数が高くなると光検出器の検出感度が低下するため、おおむね周波数が1MHzを超える場合には振動数を測定することが困難であった。 Non-Patent Document 1 describes an optical lever sensor as one of the sensors used in such high-precision microvibration measurement. The optical lever sensor detects the vibration of the object by using the fact that the detection position of the reflected light vibrates due to the vibration of the object by irradiating the measurement object with laser light. This change is called “optical lever” because it can be detected by enlarging this change by placing the reflected light detector at a position far away from the object to be measured. In this optical lever sensor, it is necessary to set the sensitivity of the photodetector high in order to capture a minute change in the position irradiated with the laser light and perform measurement with high resolution. In this case, since the detection sensitivity of the photodetector decreases as the frequency increases, it is difficult to measure the frequency when the frequency generally exceeds 1 MHz.
非特許文献２には、AFMのカンチレバーの共振周波数を測定する装置について記載されている。この装置では、カンチレバーに取りつけたトランスデューサに周波数ωの正弦波の電気信号を送信することにより、カンチレバーを励振する。このカンチレバーに、レーザダイオードから周波数ω1=ω+ωHでON/OFFされる光を照射し、その反射光をフォトダイオードで検出して電気信号に変換する。この電気信号はロックイン検出器に入力され、周波数ωHの成分の振幅強度A及び位相φが取り出される。ここで、これらA及びφは探針先端−試料表面の距離により決まるため、これらA又はφが一定となるように探針又は試料を上下させることにより、この上下方向の移動距離から試料表面の像を形成することができる。この方法によると、カンチレバーの共振周波数の検出を行わないため、共振周波数が高くその測定が困難な場合でも、A又はφの測定により試料表面の像を得ることができる。 Non-Patent Document 2 describes an apparatus for measuring the resonance frequency of an AFM cantilever. In this device, a cantilever is excited by transmitting a sine wave electrical signal having a frequency ω to a transducer attached to the cantilever. This cantilever is irradiated with light that is turned ON / OFF at a frequency ω 1 = ω + ω H from a laser diode, and the reflected light is detected by a photodiode and converted into an electric signal. This electric signal is input to the lock-in detector, and the amplitude intensity A and phase φ of the component of frequency ω H are extracted. Here, since these A and φ are determined by the distance between the tip of the probe and the sample surface, by moving the probe or sample up and down so that A or φ is constant, An image can be formed. According to this method, since the resonance frequency of the cantilever is not detected, an image of the sample surface can be obtained by measuring A or φ even when the resonance frequency is high and measurement is difficult.
しかし、この方法では、カンチレバーの振動周波数に含まれる情報を得ることはできない。また、上記の圧電素子やマイクロマシンの性能測定のように振動周波数を求めることが必須の場合には、この方法を適用することができない。 However, this method cannot obtain information included in the vibration frequency of the cantilever. In addition, this method cannot be applied when it is essential to obtain the vibration frequency as in the performance measurement of the piezoelectric element or the micromachine.
本発明が解決しようとする課題は、高周波であって微小な振動を測定することができる振動測定装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a vibration measuring apparatus capable of measuring minute vibrations at a high frequency.
上記課題を解決するために成された本発明に係る高周波微小振動測定装置は、物体の振動周波数ωを測定するための装置であって、
a)所定の変調周波数ω m で強度変調した光を発生させて測定対象の物体に照射する光発生部と、
b)測定対象の物体により反射された光を受光して検出し、前記強度変調及び受光面積の変化により生じる、検出光の強度変化に係るうなり周波数（ω−ω m ）を算出することにより該振動周波数ωを求める検出部と、
を備えることを特徴とする。
A high-frequency micro-vibration measuring apparatus according to the present invention made to solve the above problems is an apparatus for measuring a vibration frequency ω of an object,
a) a light generating unit that generates an intensity-modulated light at a predetermined modulation frequency ω m and irradiates an object to be measured;
b) receiving and detecting the light reflected by the object to be measured, and calculating the beat frequency (ω−ω m ) related to the intensity change of the detected light caused by the intensity modulation and the change of the light receiving area. A detection unit for obtaining a vibration frequency ω ;
It is characterized by providing.
上記高周波微小振動測定装置は、AFMに好適に用いることができる。本発明に係るAFMは、カンチレバーに固定された探針を試料表面に近づけてカンチレバーの共振周波数ωを測定することにより、試料表面の像を得る原子間力顕微鏡において、
所定の変調周波数ω m で強度変調した光を発生させてカンチレバーに照射する光発生部と、
該カンチレバーにより反射された光を受光して検出し、前記強度変調及び受光面積の変化により生じる、検出光の強度変化に係るうなり周波数（ω−ω m ）を算出することにより該共振周波数ωを求める検出部と、
を有する高周波微小振動測定装置を備えることを特徴とする。
The high-frequency microvibration measuring apparatus can be suitably used for AFM. The AFM according to the present invention is an atomic force microscope that obtains an image of the sample surface by measuring the resonance frequency ω of the cantilever by bringing the probe fixed to the cantilever close to the sample surface.
A light generating unit that generates light that is intensity-modulated at a predetermined modulation frequency ω m and irradiates the cantilever;
The light reflected by the cantilever is received and detected, and the resonance frequency ω is calculated by calculating the beat frequency (ω−ω m ) related to the intensity change of the detection light caused by the intensity modulation and the change of the light receiving area. A detection unit to be obtained;
A high-frequency microvibration measuring device having the above is provided.
本発明の高周波微小振動測定装置は、振動周波数ωで振動する物体に光を照射して、その物体により反射される光の応答からωを求めるものである。
光発生部はこの照射光を生成するものであり、照射光を測定対象の物体に照射することができる位置に配置する。照射光には所定の変調周波数ωmで強度変調したものを用いる。このような強度変調された光は、例えば周波数ωmの正弦波や方形波等の波形を有する電気信号をレーザダイオードに入力することにより得ることができる。照射光の周波数（波長）は任意である。
The high-frequency microvibration measuring apparatus of the present invention irradiates light on an object that vibrates at a vibration frequency ω, and obtains ω from the response of light reflected by the object.
The light generation unit generates the irradiation light and is disposed at a position where the irradiation target can be irradiated with the irradiation light. Irradiation light that has been intensity-modulated at a predetermined modulation frequency ω m is used. Such intensity-modulated light can be obtained, for example, by inputting an electric signal having a waveform such as a sine wave or a square wave having a frequency ω m to the laser diode. The frequency (wavelength) of irradiation light is arbitrary.
検出部は、測定対象の物体により反射された光（反射光）を受光する。測定対象物が振動すると、検出部が受光する光のスポットの位置も振動する。検出部が反射光を受光する領域の境界が光のスポットの振動範囲内に配置されるように該領域を設定することにより、その領域に含まれるスポットの面積は周波数ωで変化する。更に、反射光は照射光と同じように周波数ωmで強度変調されている。これら２つの変化が重ね合わされるため、前記所定領域内で検出される光の強度は周波数（ω−ωm）のうなりを有するものとなる。 The detection unit receives light (reflected light) reflected by the object to be measured. When the measurement object vibrates, the position of the light spot received by the detection unit also vibrates. By setting the region so that the boundary of the region where the detection unit receives the reflected light is disposed within the vibration range of the light spot, the area of the spot included in the region changes at the frequency ω. Further, the intensity of the reflected light is modulated at the frequency ω m in the same manner as the irradiation light. Since these two changes are superimposed, the intensity of the light detected in the predetermined region has a beat of frequency (ω−ω m ).
検出部には、分割フォトダイオードを用いることができる。分割フォトダイオードは、受光部（フォトダイオード）が複数の領域に分割されたものである。この領域の境界が光のスポットの振動範囲内に配置されるように分割フォトダイオードの位置を設定する。各領域のフォトダイオードは受光量に比例した大きさの電流を出力する。この電流を、例えば電圧に変換して領域間の電圧の差をとる。こうして得られた信号には、測定対象物の振動の寄与と強度変調の寄与が重ね合わされ、周波数（ω-ωm）で時間変化する。この電圧信号を例えば高速フーリエ変換（FFT）すれば周波数（ω-ωm）の値を測定することができる。 A split photodiode can be used for the detection unit. The divided photodiode is obtained by dividing a light receiving portion (photodiode) into a plurality of regions. The position of the divided photodiode is set so that the boundary of this region is disposed within the vibration range of the light spot. The photodiode in each region outputs a current having a magnitude proportional to the amount of received light. This current is converted into a voltage, for example, to obtain a voltage difference between the regions. In the signal obtained in this way, the contribution of the vibration of the measurement object and the contribution of the intensity modulation are superimposed, and change with time at the frequency (ω−ω m ). If this voltage signal is subjected to, for example, a fast Fourier transform (FFT), the value of the frequency (ω−ω m ) can be measured.
本発明の高周波微小振動測定装置においては、反射光に含まれるうなりの周波数（ω−ωm）を測定することにより、測定対象の物体の振動周波数ωを求めることができる。ここで、ωmを適切に設定することにより、測定されるうなりの周波数（ω−ωm）を1MHz以下に抑えることができる。そのため、従来の装置では検出器の精度上測定が困難であった、ωが1MHz以上である場合にも、本発明の装置によれば測定を行うことができる。なお、ωmはLDを変調可能な最大周波数以下に制限されるため、本発明の装置により測定可能な振動周波数ωの上限は10GHz程度である。 In the high frequency micro vibration measuring apparatus of the present invention, the vibration frequency ω of the object to be measured can be obtained by measuring the beat frequency (ω−ω m ) included in the reflected light. Here, by appropriately setting ω m , the measured beat frequency (ω−ω m ) can be suppressed to 1 MHz or less. Therefore, even in the case where ω is 1 MHz or more, which is difficult to measure with a conventional apparatus due to the accuracy of the detector, the apparatus of the present invention can perform the measurement. Since ω m is limited to the maximum frequency that can modulate the LD, the upper limit of the vibration frequency ω that can be measured by the apparatus of the present invention is about 10 GHz.
本発明の高周波微小振動測定装置においては、従来の装置と比較して感度が低下する要因はないため、従来の装置と同程度の大きさの振動、即ち0.1nm以下の大きさの振動を測定することが可能である。 In the high-frequency microvibration measuring device of the present invention, there is no factor that lowers the sensitivity as compared with the conventional device, and therefore vibration of the same magnitude as that of the conventional device, that is, vibration of 0.1 nm or less is measured. Is possible.
本発明の高周波微小振動測定装置は、AFMに好適に用いることができる。AFMは、探針を試料表面付近で走査し、探針と試料表面の間に働く力により探針に生じる物理量の変化を測定して試料表面の像を得るものである。この力の測定方法にはいくつかあるが、本発明は、探針を有するカンチレバーの共振周波数ωを測定するものに適用される。即ち、探針にこの力が作用することによりカンチレバーの共振周波数がわずかに変化するため、共振周波数ωを測定することにより探針−試料表面間の距離を見積もることができる。 The high-frequency microvibration measuring apparatus of the present invention can be suitably used for AFM. AFM scans a probe in the vicinity of a sample surface and measures a change in a physical quantity generated in the probe by a force acting between the probe and the sample surface to obtain an image of the sample surface. Although there are several methods for measuring this force, the present invention is applied to a method for measuring the resonance frequency ω of a cantilever having a probe. That is, when the force acts on the probe, the resonance frequency of the cantilever slightly changes. Therefore, the distance between the probe and the sample surface can be estimated by measuring the resonance frequency ω.
本発明では、このカンチレバーの共振周波数を高周波微小振動測定装置により測定する。光発生部は周波数ωmで振幅変調した光を発生させてカンチレバーに照射する。そして、検出部は、カンチレバーにより反射される光を受光して、上記の方法により、この反射光の強度に現れるうなりの周波数（ω−ωm）を検出する。これにより、カンチレバーの共振周波数ωを求めることができる。 In the present invention, the resonance frequency of the cantilever is measured by a high-frequency microvibration measuring device. The light generation unit generates light that is amplitude-modulated at a frequency ω m and irradiates the cantilever. The detector receives the light reflected by the cantilever and detects the beat frequency (ω−ω m ) appearing in the intensity of the reflected light by the above method. Thereby, the resonance frequency ω of the cantilever can be obtained.
従来のAFMでは、原子間力が働かない時の共振周波数が数十から数百kHz程度であるカンチレバーを用いていた。それに対して、本発明のAFMでは従来よりも共振周波数の高いカンチレバーを用いることができる。これにより、周波数測定の精度を向上させることができるため、本発明のAFMでは従来よりも測定感度を高めることができる。即ち、従来よりも鮮明な像を得ることができ、あるいは、従来よりも測定を高速化することができる。 In the conventional AFM, a cantilever having a resonance frequency of about several tens to several hundreds of kHz when the atomic force does not work is used. On the other hand, in the AFM of the present invention, a cantilever having a higher resonance frequency than the conventional can be used. Thereby, since the accuracy of frequency measurement can be improved, the measurement sensitivity can be increased in the AFM of the present invention as compared with the prior art. That is, a clearer image than the conventional one can be obtained, or the measurement can be performed at a higher speed than the conventional one.
また、非特許文献２では、カンチレバーを周波数ω2で励振して、このカンチレバーに、振幅を周波数ω1=ω2+ωHで変調した光を照射し、反射波のうなりの周波数ωHの成分の振幅と位相をロックイン検出器で検出している。これは本願のように周波数を検出するものとは異なる。振幅や位相を測定するよりも周波数を測定した方が、探針が試料表面の極近傍に接近したときに生じる変化量が大きいため、非特許文献2のAFMよりも本発明のAFMの方がより高精度に探針の位置制御を行うことができ、より高い空間分解能が得られる。 Further, Non-Patent Document 2, and exciting the cantilever in the frequency omega 2, the cantilever is irradiated with light modulated amplitude at the frequency ω 1 = ω 2 + ω H , the beat frequency omega H of the reflected wave The component amplitude and phase are detected by a lock-in detector. This is different from what detects the frequency as in the present application. Because the amount of change that occurs when measuring the frequency rather than measuring the amplitude or phase is greater when the probe approaches the vicinity of the sample surface, the AFM of the present invention is more than the AFM of Non-Patent Document 2. The probe position can be controlled with higher accuracy, and higher spatial resolution can be obtained.
本発明の第１実施例として、高周波微小振動測定装置の一例について、図１及び図２を用いて説明する。この装置は、被測定物１０の振動の周波数ωを測定するためのものであり、光発生部１１と検出部１２から構成される。 As a first embodiment of the present invention, an example of a high-frequency minute vibration measuring apparatus will be described with reference to FIGS. This apparatus is for measuring the frequency ω of vibration of the device under test 10, and comprises a light generator 11 and a detector 12.
光発生部１１は、レーザーダイオード(LD)１４とLDドライバ１５から成る。LDドライバ１５は、後述のように時間変動する電流信号をLD１４に供給するものである。LD１４は、供給される電流信号に比例した強度（振幅）のレーザ光を発振するものである。 The light generator 11 includes a laser diode (LD) 14 and an LD driver 15. The LD driver 15 supplies a current signal that varies with time to the LD 14 as described later. The LD 14 oscillates laser light having an intensity (amplitude) proportional to the supplied current signal.
検出部１２は、分割フォトダイオード１６と周波数検出回路１７を有する。検出部１２の詳細な構成を図２に示す。
分割フォトダイオード１６は、２つの領域２１ａ及び２１ｂに２分割された受光部を有する。各受光部２１ａ及び２１ｂは、光が入射すると、各受光部が受けた光の強度に比例した大きさの電流を出力する。各受光部が受ける光の強度は、各受光部が受ける光の面積分率とこの光の強度の積に比例する。
The detection unit 12 includes a divided photodiode 16 and a frequency detection circuit 17. A detailed configuration of the detection unit 12 is shown in FIG.
The divided photodiode 16 has a light receiving portion that is divided into two regions 21a and 21b. When the light is incident, each of the light receiving units 21a and 21b outputs a current having a magnitude proportional to the intensity of the light received by each light receiving unit. The intensity of light received by each light receiving unit is proportional to the product of the area fraction of light received by each light receiving unit and the intensity of this light.
周波数検出回路１７は、光から変換されたこの電流に基づき、この光の強度のうなりの周波数（ω−ωm）を算出する。この周波数検出回路１７は、２つの電流−電圧変換回路２２ａ及び２２ｂ、差動増幅回路２３及びFFTアナライザ２４から成る。電流−電圧変換回路２２ａ及び２２ｂは、入力される電流をこれに比例した大きさの電圧信号に変換して出力するものであり、差動増幅回路２３は、２つの電圧信号の差を出力するものである。また、FFTアナライザ２４は、電圧信号を高速フーリエ変換するものである。 The frequency detection circuit 17 calculates the beat frequency (ω−ω m ) of the intensity of the light based on the current converted from the light. The frequency detection circuit 17 includes two current-voltage conversion circuits 22a and 22b, a differential amplifier circuit 23, and an FFT analyzer 24. The current-voltage conversion circuits 22a and 22b convert an input current into a voltage signal having a magnitude proportional to the input current, and the differential amplification circuit 23 outputs a difference between the two voltage signals. Is. The FFT analyzer 24 performs a fast Fourier transform on the voltage signal.
LD１４及び分割フォトダイオード１６は、振動しない鏡面が被測定物１０の位置にあると仮定した時に、LD１４から発振してその鏡面により反射される光が分割フォトダイオード１６の受光部２１ａ及び２１ｂの境界に入射するように配置する。 When the LD 14 and the divided photodiode 16 are assumed to have a mirror surface that does not vibrate at the position of the DUT 10, the light oscillated from the LD 14 and reflected by the mirror surface is the boundary between the light receiving portions 21 a and 21 b of the divided photodiode 16. It arrange | positions so that it may inject into.
本実施例の高周波微小振動測定装置の動作を説明する。光発生部１１では、LDドライバ１５が周波数ωmで大きさが変化する電流信号Isを生成する。この電流信号Isは、図３に示すように、周波数ωmの高周波電流Ifと直流バイアス電流Ibとの和で表されるものである。LD１４は電流信号Isから、周波数ωmで強度が変調されたレーザ光を生成する。そして、LD１４はこの光を被測定物１０の表面に照射する。 The operation of the high-frequency microvibration measuring apparatus according to this embodiment will be described. In the light generator 11, the LD driver 15 generates a current signal Is whose magnitude changes at the frequency ω m . This current signal Is, as shown in FIG. 3, is represented by the sum of the high frequency current If frequency omega m and the DC bias current Ib. The LD 14 generates laser light whose intensity is modulated at the frequency ω m from the current signal Is. The LD 14 irradiates the surface of the DUT 10 with this light.
このレーザ光は被測定物１０の表面において反射され、分割フォトダイオード１６に入射する。この時、分割フォトダイオード１６に入射したレーザ光は、被測定物１０の振動による影響を受けることにより、入射光のスポット２０の位置が受光部２１ａ及び２１ｂの境界付近で振動する。そのため、各受光部２１ａ及び２１ｂが受ける光の強度は、被測定物１０の振動に対応して変化する。各受光部２１ａ及び２１ｂは光の強度に比例した強度の電流を出力する。電流−電圧変換回路２２ａ及び２２ｂは、それぞれ受光部２１ａ及び２１ｂからこの電流を入力し、その電流の大きさに比例した大きさの電圧信号を出力する。差動増幅回路２３は、電流−電圧変換回路２２ａ及び２２ｂから２つの電圧信号を入力して、その差を電圧信号として出力する。 This laser light is reflected on the surface of the DUT 10 and enters the split photodiode 16. At this time, the laser light incident on the split photodiode 16 is affected by the vibration of the DUT 10, so that the position of the spot 20 of the incident light vibrates near the boundary between the light receiving portions 21a and 21b. For this reason, the intensity of the light received by each of the light receiving portions 21 a and 21 b changes corresponding to the vibration of the DUT 10. Each of the light receiving portions 21a and 21b outputs a current having an intensity proportional to the intensity of light. The current-voltage conversion circuits 22a and 22b receive the current from the light receiving units 21a and 21b, respectively, and output a voltage signal having a magnitude proportional to the magnitude of the current. The differential amplifier circuit 23 receives two voltage signals from the current-voltage conversion circuits 22a and 22b and outputs the difference between them as a voltage signal.
こうして得られた電圧信号には、被測定物１０の振動に対応した入射光の強度変化が反映される。FFTアナライザ２４は、この電圧信号を高速フーリエ変換して、周波数スペクトルを得る。この周波数スペクトルのピーク位置の周波数から、光の強度のうなりの周波数（ω−ωm）を求めることができる。そして、周波数ωmは既知であるため、被測定物１０の振動の周波数ωを求めることができる。 The voltage signal thus obtained reflects the change in the intensity of the incident light corresponding to the vibration of the DUT 10. The FFT analyzer 24 performs a fast Fourier transform on this voltage signal to obtain a frequency spectrum. From the frequency at the peak position of the frequency spectrum, the beat frequency (ω−ω m ) of the light intensity can be obtained. Since the frequency ω m is known, the frequency ω of the vibration of the device under test 10 can be obtained.
本実施例で用いたようなPDでは、周波数がおおむね1MHzを超える場合には測定が困難である。しかし、本実施例の高周波微小振動測定装置によると、被測定物１０が1MHzを超える高い周波数ωで振動している場合にも、レーザ光の強度の変調周波数ωmを適切に設定すれば、うなりの周波数（ω−ωm）を1MHzよりも低くすることができるため、この（ω−ωm）を測定することによりωを求めることができる。 In the PD as used in the present embodiment, measurement is difficult when the frequency exceeds approximately 1 MHz. However, according to the high-frequency micro-vibration measuring apparatus of the present embodiment, even when the DUT 10 vibrates at a high frequency ω exceeding 1 MHz, if the modulation frequency ω m of the intensity of the laser beam is appropriately set, Since the beat frequency (ω−ω m ) can be made lower than 1 MHz, ω can be obtained by measuring this (ω−ω m ).
次に、本発明の第２実施例として、AFMの一例について図４を用いて説明する。この装置は、探針３１１を有するカンチレバー３１を試料３０に近づけ、探針３１１の先端の原子と試料３０表面の原子の間に働く原子間力によるカンチレバー３１の共振周波数ωの変化を測定するものである。共振周波数ωの測定には、以下に示す構成を用いる。 Next, as a second embodiment of the present invention, an example of AFM will be described with reference to FIG. In this apparatus, a cantilever 31 having a probe 311 is brought close to a sample 30 and a change in the resonance frequency ω of the cantilever 31 due to an atomic force acting between an atom at the tip of the probe 311 and an atom on the surface of the sample 30 is measured. It is. The following configuration is used for measuring the resonance frequency ω.
APC(Automatic Power Control)ドライバ３２は所定の大きさの直流電流を、高周波発生装置３３は周波数ωmの高周波電流を、それぞれ出力するものである。バイアスティー３４は、これら２つの電流信号を足し合わして、図３に示すような電流信号を出力する。LD３５及びPD３６は第１実施例のものと同様である。また、プリアンプ３７は上記電流−電圧変換回路２２ａ、２２ｂ、及び差動増幅回路２３を組み合わせたものである。 APC and (Automatic Power Control) driver 32 direct current of a predetermined magnitude, high-frequency generator 33 is a high frequency current of a frequency omega m, and outputs, respectively. The bias tee 34 adds these two current signals and outputs a current signal as shown in FIG. The LD 35 and PD 36 are the same as those in the first embodiment. The preamplifier 37 is a combination of the current-voltage conversion circuits 22 a and 22 b and the differential amplifier circuit 23.
本実施例のAFMの動作を説明する。APCドライバ３２、高周波発生装置３３及びバイアスティー３４により、図３に示すような電流信号を生成し、LD３５に入力する。それによりLD３５は周波数ωmで強度変調されたレーザ光を生成し、それをカンチレバー３１に照射する。この光はカンチレバー３１の表面において反射され、PD３６に入力される。この光はPD３６及びプリアンプ３７により、第１実施例と同様に周波数（ω−ωm）のうなりを有する電圧信号を得る。更に電圧信号をローパスフィルタ３８に通し、高周波数のノイズをカットする。この電圧信号から、カンチレバー３１の共振周波数ωを求めることができる。 The operation of the AFM of this embodiment will be described. A current signal as shown in FIG. 3 is generated by the APC driver 32, the high frequency generator 33 and the bias tee 34 and input to the LD 35. Accordingly, the LD 35 generates laser light whose intensity is modulated at the frequency ω m and irradiates the cantilever 31 with it. This light is reflected on the surface of the cantilever 31 and input to the PD 36. As for this light, a voltage signal having a beat of frequency (ω−ω m ) is obtained by the PD 36 and the preamplifier 37 as in the first embodiment. Further, the voltage signal is passed through a low-pass filter 38 to cut high frequency noise. From this voltage signal, the resonance frequency ω of the cantilever 31 can be obtained.
試料から十分距離を離した時のカンチレバーの共振周波数をω0は、そのバネ定数kを用いてω0=ck1/2と表される(cはカンチレバーの質量に依存する定数)。カンチレバーが原子間力Fを受けると、その共振周波数ωは、ω=c(k+dF/dZ)1/2に変化する(zは探針−試料表面間の距離)。このωを上記の方法で測定することにより、探針−試料表面間の距離を求めることができる。 Omega 0 the resonance frequency of the cantilever when released sufficient distance from the sample is expressed as ω 0 = ck 1/2 using the spring constant k (c is a constant which depends on the mass of the cantilever). When the cantilever receives the atomic force F, the resonance frequency ω changes to ω = c (k + dF / dZ) 1/2 (z is the distance between the probe and the sample surface). By measuring this ω by the above method, the distance between the probe and the sample surface can be obtained.
カンチレバー３１と試料３０の相対位置を水平方向(図４の左右方向及び紙面の前後方向)に走査しながら上記測定を行う。その際、測定した共振周波数ωをフィードバックして、共振周波数ωが一定になるようにカンチレバー３１と試料３０の高さ方向の相対位置を変化させながら測定する。この高さ方向の相対位置が試料表面の凹凸を表すため、試料３０の表面の像を得ることができる。 The above measurement is performed while scanning the relative position of the cantilever 31 and the sample 30 in the horizontal direction (the left-right direction in FIG. 4 and the front-rear direction in the drawing). At that time, the measured resonance frequency ω is fed back, and measurement is performed while changing the relative position in the height direction of the cantilever 31 and the sample 30 so that the resonance frequency ω becomes constant. Since the relative position in the height direction represents irregularities on the sample surface, an image of the surface of the sample 30 can be obtained.
以下、本実施例のAFMにより金(111)表面の測定を行った結果を示す。
まず、測定に用いた、集束イオンビーム法により作製されたカンチレバーの顕微鏡写真を図５に示す。カンチレバー４１の先端に探針４２が形成されている。このカンチレバー４１では、試料から十分距離を離した時の共振周波数ω0は5.5MHzである。これは従来のAFMにおいて用いられているカンチレバーのω0よりも1桁大きい。
Hereinafter, the results of measurement of the gold (111) surface by the AFM of this example are shown.
First, FIG. 5 shows a photomicrograph of a cantilever produced by the focused ion beam method used for measurement. A probe 42 is formed at the tip of the cantilever 41. In the cantilever 41, the resonance frequency ω 0 when it is sufficiently away from the sample is 5.5 MHz. This is an order of magnitude larger than the cantilever ω 0 used in conventional AFMs.
本実施例では、カンチレバーに照射するレーザ光の強度変調周波数ωmを5.4MHzとして測定を行った。試料表面のある位置において得られた、プリアンプ３７及びローパスフィルタ３８での処理後の電圧信号の一例を図６に示す。この図の横軸のスケールは、1目盛あたり10μsecである。この図より、10μsec強の周期が見られる。このデータをFFTアナライザによりフーリエ変換したものを図７に示す。周波数が84.89kHzである位置においてピークが見られることから、周波数(ω−ωm)は84.89kHzである。従って、この時のカンチレバーの共振周波数ωは、5.48489MHzとなる。 In this example, the measurement was performed with the intensity modulation frequency ω m of the laser light irradiated to the cantilever set to 5.4 MHz. An example of the voltage signal after processing by the preamplifier 37 and the low-pass filter 38 obtained at a certain position on the sample surface is shown in FIG. The scale on the horizontal axis in this figure is 10 μsec per scale. From this figure, a period of just over 10 μsec can be seen. FIG. 7 shows the result of Fourier transform of this data using an FFT analyzer. Since a peak is seen at a position where the frequency is 84.89 kHz, the frequency (ω−ω m ) is 84.89 kHz. Accordingly, the resonance frequency ω of the cantilever at this time is 5.48489 MHz.
本実施例で得られた金(111)表面のAFM像を図８に示す。この図では、同一測定点について走査速度を変化させて測定を行った結果を示している。図に示した数値が小さい程、より走査速度を速くして測定を行っている。最も測定時間が短い右下のものにおいても、試料表面のAFM像が得られている。 An AFM image of the gold (111) surface obtained in this example is shown in FIG. In this figure, the result of having measured by changing the scanning speed about the same measurement point is shown. The smaller the numerical value shown in the figure, the higher the scanning speed, and the measurement is performed. An AFM image of the sample surface is also obtained at the lower right with the shortest measurement time.
１０…被測定物
１１…光発生部
１２…検出部
１４、３５…LD
１５…LDドライバ
１６…分割フォトダイオード
１７…周波数検出回路
２１ａ、２１ｂ…受光部
２２ａ、２２ｂ…電流−電圧変換回路
２３…差動増幅回路
２４…FFTアナライザ
３０…試料
３１…カンチレバー
３１１…探針
３２…APCドライバ
３３…高周波発生装置
３４…バイアスティー
３６…PD
３７…プリアンプ
３８…ローパスフィルタ
４１…カンチレバー
４２…探針
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... DUT 11 ... Light generation part 12 ... Detection part 14, 35 ... LD
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 ... LD driver 16 ... Split photodiode 17 ... Frequency detection circuit 21a, 21b ... Light-receiving part 22a, 22b ... Current-voltage conversion circuit 23 ... Differential amplification circuit 24 ... FFT analyzer 30 ... Sample 31 ... Cantilever 311 ... Probe 32 ... APC driver 33 ... High frequency generator 34 ... Bias tee 36 ... PD
37 ... Preamplifier 38 ... Low-pass filter 41 ... Cantilever 42 ... Probe
Claims (4)
a)所定の変調周波数ω m で強度変調した光を発生させて測定対象の物体に照射する光発生部と、
b)測定対象の物体により反射された光を受光して検出し、前記強度変調及び受光面積の変化により生じる、検出光の強度変化に係るうなり周波数（ω−ω m ）を算出することにより該振動周波数ωを求める検出部と、
を備えることを特徴とする高周波微小振動測定装置。 An apparatus for measuring the vibration frequency ω of an object,
a) a light generating unit that generates an intensity-modulated light at a predetermined modulation frequency ω m and irradiates an object to be measured;
b) receiving and detecting the light reflected by the object to be measured, and calculating the beat frequency (ω−ω m ) related to the intensity change of the detected light caused by the intensity modulation and the change of the light receiving area. A detection unit for obtaining a vibration frequency ω ;
A high-frequency micro-vibration measuring apparatus comprising:
所定の変調周波数ω m で強度変調した光を発生させてカンチレバーに照射する光発生部と、
該カンチレバーにより反射された光を受光して検出し、前記強度変調及び受光面積の変化により生じる、検出光の強度変化に係るうなり周波数（ω−ω m ）を算出することにより該共振周波数ωを求める検出部と、
を有する高周波微小振動測定装置を備えることを特徴とする原子間力顕微鏡。 In an atomic force microscope that obtains an image of the sample surface by measuring the resonance frequency ω of the cantilever by bringing the probe fixed to the cantilever close to the sample surface,
A light generating unit that generates light that is intensity-modulated at a predetermined modulation frequency ω m and irradiates the cantilever;
The light reflected by the cantilever is received and detected, and the resonance frequency ω is calculated by calculating the beat frequency (ω−ω m ) related to the intensity change of the detection light caused by the intensity modulation and the change of the light receiving area. A detection unit to be obtained;
An atomic force microscope comprising a high-frequency microvibration measuring device having
所定の変調周波数ω m で強度変調した光を測定対象の物体に照射し、反射された光を受光して検出し、前記強度変調及び受光面積の変化により生じる、検出光の強度変化に係るうなり周波数（ω−ω m ）を算出することにより該振動周波数ωを求めることを特徴とする高周波微小振動測定方法。 A method for measuring the vibration frequency ω of an object,
Irradiates the object to be measured with light whose intensity is modulated at a predetermined modulation frequency ω m , receives and detects the reflected light, and beats related to the intensity change of the detected light caused by the intensity modulation and the change in the light receiving area. A high-frequency micro-vibration measuring method characterized in that the vibration frequency ω is obtained by calculating a frequency (ω−ω m ) .
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