专利名称：悬臂的振动特性测定方法
技术领域：
本发明涉及使其在悬臂谐振频率附近振动来使用的探头显微镜，特别涉及对悬臂的振动特性进行測定的情況。
背景技术：
近年来，由于使用半导体エ艺等的超精密技术的进步，具有板簧特性的悬臂被用于各种装置和传感器等，用于形状观察、质量、粘弹性、磁力等的各种测定。在扫描型探头显微镜(SPM :Scanning Probe Microscope)中，具有在单臂状态下被支承的悬臂,利用该悬臂前端的探针(探头)对试样表面进行扫描，測定作用于探针-试样间的隧道电流、原子间作用力、磁力、粘弾性等作为悬臂的挠曲量(位移)，由此，能够计测试样表面的形状和物性等并进行图像化，在宽领域中加以利用。 人们提出了许多如下的使用谐振模式(DFM)的測定方法使该扫描型探头显微镜中的悬臂在悬臂的谐振频率附近振动，检测其振幅、相位、频率的变化等，由此，高精度地检测弱カ和相互作用。这里，关于频率/振幅特性(Q曲线)測定，针对要使用的悬臂，在考虑到其响应性的时间内，对包含谐振频率的范围进行施振频率的扫描，进行频率/振幅特性(Q曲线)测定，检测谐振频率。在长时间进行扫描的情况下，最大振幅的频率与谐振频率一致，因此，能够检测振幅最大值的频率作为谐振频率(例如參照专利文献I)。下面，示出此前的一般的频率/振幅特性測定的例子。图7是示出大气中的此前的一般的频率/振幅特性測定的顺序的图。针对在大气中以谐振频率为30kHz、Q值为100左右的设计值制作的一般的悬臂，(i)最初，在频率范围20 40kHz内以扫描时间2sec进行测定后，(ii)以最大振幅为中心，在频率范围4kHz内以扫描时间2sec进行測定，(iii)最后，为了进ー步提高精度，在频率范围IkHz内以扫描时间2sec进行測定，(iv)检测其最大振幅的频率，由此测定谐振频率(參照图9)。该情况下，合计需要6sec的扫描时间。图8是示出真空中的此前的一般的频率/振幅特性測定的顺序的图。针对在真空中制作的谐振频率为300kHz的设计值、Q值预计在30000左右的一般的悬臂，(i)最初，在频率范围200 400kHz内以扫描时间60sec进行频率/振幅特性测定后，(ii)以上次的最大振幅为中心，在频率范围40kHz内以扫描时间60sec进行測定，(iii)以上次的最大振幅为中心，在频率范围4kHz内以扫描时间60sec进行測定，(iv)以上次的最大振幅为中心，在频率范围400Hz内以扫描时间60sec进行測定，(v)以上次的最大振幅为中心，在频率范围40Hz内以扫描时间60sec进行測定，(vi)检测其最大振幅的频率，由此测定谐振频率。该情况下，合计需要300seC的扫描时间。在真空中的情况下Q值变大，因此，需要大气中的数十 数百倍的扫描时间。专利文献I日本特开平07-174767号公报在谐振时的Q值较大的情况下，为了检测准确的谐振频率，必须延长扫描的时间而成为稳定的振动状态。在悬臂的谐振频率和Q值不明的情况下，无法适当估计进行扫描的时间和频率范围，因此，需要在慢慢对宽频率范围进行扫描的条件下进行频率/振幅特性測定。即使在大气中的悬臂的谐振频率和Q值的设计值明确的情况下，在溶液中使用时谐振频率和Q值也明显不同，难以推測。并且，虽然真空中的谐振频率是接近大气中的值，但是，Q值存在成为数十倍 数百倍的倾向，为了进行测定而需要较长时间。并且，也难以进行其推測。并且，在短时间的扫描中，由于产生响应延迟，因此，谐振频率的检测产生误差，在Q值较大的状态(真空中或轻气体中的环境等)下，该误差存在进ー步扩大的倾向。已知在真空中使用SPM，不会产生空气引起的粘性阻力，与大气中的情况相比，成为数十倍 数百倍左右的Q值。由此，作为进行扫描的时间，真空中的频率/振幅特性測定需要大气中的数十倍 数百倍左右，需要更长的时间。因此，在对具有未知振动特性的悬臂进行此前的频率/振幅特性測定的情况下， 需要选择考虑安全而进行花费长时间的測定，还是在短时间内进行测定而进行測定精度低的測定，出现无法在短时间内实施高精度測定的状況。并且，作为其他问题，即使是长时间的測定，也大多在悬臂的一次谐振频率附近产生多个峰值，有时无法选择真的谐振频率。并且，为了使悬臂振动，在对施振频率进行扫描而使施振器振动的情况下，以机械的方式与施振器连接的周边部(悬臂架、斜面块等)也振动，有时产生次生振动。次生振动也对悬臂的振动造成影响，在悬臂的谐振频率以外产生振幅的峰值，有时引起悬臂的谐振频率检测错误。
发明内容
本发明正是鉴于所述课题而完成的，其目的在于，在短时间内高精度地測定悬臂的谐振频率。并且，通过同时检测二次谐振频率，还能够判别是否是表示一次谐振频率的峰值。为了解决所述课题，本发明采用以下结构。S卩，本发明的特征在于，扫描型探头显微镜(SPM)设有悬臂、使所述悬臂振动的施振部、向所述施振部供给施振信号的施振信号发生器、对所述悬臂的位移进行检测的位移检测器、将从位移检测器输出的表示位移的振幅的交流信号转换为直流的电平信号的交流-直流转换机构、以及测定与施振频率对应的悬臂位移振幅的频率/振动特性检测机构，在所述扫描型探头显微镜(SPM)中，由施振信号发生器在包含悬臂的谐振频率的范围的频带中发生基于此前的“数十 数百分之一”的短时间的往复的扫频信号，由施振部使所述悬臂振动，计测去路和回路各自的振幅最大值的频率，检测其中间值作为悬臂的谐振频率。并且，通过反复进行I次以上的如下操作，能够提高悬臂的谐振频率的检测精度进行检測以上次检测到的谐振频率为基准，利用比包含上次检测到的谐振频率的上次的频带窄的范围的新频带，新发生往复的扫频信号，由施振部使所述悬臂振动，新计测去路和回路各自的振幅最大值的频率，检测其中间值作为悬臂的新谐振频率。并且，本发明能够在宽频率范围内高速进行扫描，因此，能够同时在短时间内检测悬臂的一次谐振频率和二次谐振频率。
进而，公知在一次谐振频率的6. 3倍的频率附近存在二次谐振频率，由此，通过确认其有无，能够判断是否是真的一次谐振频率。在同时检测到上次检测到的一次谐振频率和二次谐振频率后，针对各个谐振频率，反复进行I次以上的基于窄频率范围的往复扫描，由此，能够提高悬臂的一次谐振频率和二次谐振频率的检测精度进行检測。在单臂弹簧形状的悬臂的情况下，公知在一次谐振频率的6. 3倍附近产生基于ニ次谐振频率的振幅的峰值，在检测一次谐振频率时确认是否存在6. 3倍的二次谐振频率，由此，能够将谐振频率的检测错误防患于未然。根据本发明，发挥以下效果。
在本发明中，在进行往复扫描的情况下，得知在去路和回路中产生高速扫描造成的误差作为相同程度的延迟，由此，通过计测去路和回路各自的振幅最大值的频率，检测其中间值作为悬臂的谐振频率，由此，与要求以往精度时的測定相比，能够将误差少的谐振频率的測定时间缩短为数十 数百分之一(參照图6)。并且，根据本发明的測定方法，能够进行极短时间的測定，能够考虑以往的测定时间比(数十 数百分之一)进行多次的平均运算，能够进ー步提高精度。并且，特别地，在与大气中的情况相比Q值为数十 数百倍左右的真空中使用SPM的情况下，本发明的意义更明显，能够将进行频率/振幅特性測定的扫描的时间缩短为极短时间。这样，在本发明中，即使在悬臂的一次谐振频率附近产生多个峰值而无法选择真的谐振频率的情况下，通过谐振频率在短时间内结束的一次谐振频率和二次谐振频率的比较，能够判断是否是真的一次谐振频率，因此，能够期待防止频率的误识别，乃至防止測定的失败。特别地，在使用一次谐振频率和二次谐振频率(利用一次谐振频率进行基于FM控制的非接触模式的形状測定，利用二次谐振频率进行KFM測定等)的应用于SPM的測定方法中，在同时进行一次谐振频率和二次谐振频率的測定的情况下，本发明是极为有效的。
图I是扫描型探头显微镜的框图。图2是本发明的大气中的一般的频率/振幅特性測定的顺序。图3是本发明的真空中的一般的频率/振幅特性測定的顺序。图4是本发明的大气中的包含一次谐振频率的误判定的频率/振幅特性測定的顺序。图5是本发明的大气中的一次谐振频率和二次谐振频率的测定顺序。图6是本发明的高速的频率/振动特性(Q曲线)的往复测定例。图7是大气中的此前的一般的频率/振幅特性測定的顺序。图8是真空中的此前的一般的频率/振幅特性测定的顺序。图9是一般的频率/振动特性(Q曲线)的测定例。标号说明I :悬臂；2 :斜面块；3 :施振器；4 :施振信号发生器；5 :位移检测器；6 :交流-直流转换机构；7 :频率/振动特性检测机构；8 :悬臂芯片部；9 :悬臂芯片部按压件；10 :试样；11 :扫描仪；12 :粗动机构；13 :悬臂架；20 :Z控制电路；21 :施振信号发生器；22 :X、Y、Z输出放大器；23 :粗动控制电路；24 :探头显微镜控制器；30 :激光光源；31 :分色镜；32 :反射镜；40 :计算机；99 :探针。
具体实施例方式下面，參照图I说明本发明的悬臂和探头显微镜的第I实施方式。另外，在以下说明所使用的各图中，为了使各部件成为可识别的大�。菪枰实北涓吮壤�。悬臂I与悬臂芯片部8的侧面相接，构成单臂弹簧的 构造，悬臂芯片部8被悬臂芯片部按压件9按压到斜面块2上，斜面块2固定在施振器3上，施振器3通过来自施振信号发生器4的电信号而振动，使悬臂振动，悬臂的探针99的铅直方向的位移使从激光光源30照射的激光在分色镜31反射，向悬臂I的背面照射，悬臂的上下移动量反映在反射后的激光的光路变化中，在反射镜32反射，利用位移检测器5检测悬臂的移动量作为电信号，悬臂I的振动振幅对应于位移检测器的电信号的振幅，利用交流-直流转换机构6将电信号的振幅转换为与振幅大小对应的直流的电平信号，输入到探头显微镜控制器24的频率/振动特性检测机构7，来自施振信号发生器4的电信号也被输入到频率/振动特性检测机构7，向计算机40传递频率/振动特性，表示悬臂的振动振幅大小的直流的电平信号被输入到Z控制电路20，以使其与目标振幅一致的方式向X、Y、Z输出放大器22的Z信号部传递控制信号，以使悬臂的振动振幅成为目标振幅的方式使扫描仪11位移，ー边对探针99与试样10接触的力进行控制，ー边通过来自X和Y的输出放大器的信号使扫描仪位移而进行扫描，对表面的形状和物性值进行映射，由此，构成扫描型探头显微镜。探头显微镜控制器24和计算机40能够进行数据的高速通信，计算机40能够控制探头显微镜控制器24内的电路的动作条件，对测定出的数据进行取入控制，实现频率/振动特性、表面形状測定、表面物性測定、力曲线测定等。针对扫描仪的面内位移，(i)根据扫描仪的高度的位移，在计算机40上显示三维形状像，( )根据谐振状态的相位的值，在计算机40上显示相位像，(iii)根据振动振幅与目标值之差，在计算机40上显示误差信号像，(iv)根据探针试样间的物性值，在计算机40上显示多功能測定像，进行解析或处理，由此，作为探头显微镜进行动作。在利用扫描型探头显微镜进行试样表面的測定之前实施频率/振动特性的測定，用于设定进行测定的最佳条件。在进行FM控制的情况下，设定进行自激振荡的频率的初始值，在进行AM控制的情况下，设定施振频率和施振电压，在进行相位控制的情况下，设定能够检测相位信号的频率范围。接着，说明基于本实施方式的扫描型探头显微镜的測定方法。图2是示出大气中的本发明的一般的频率/振幅特性測定的顺序的图。针对在大气中以谐振频率为300kHz、Q值为300左右的设计值制作的一般的悬臂，(i)最初，在频率范围200 400kHz内以扫描时间O. 05sec进行往复测定后，(ii)以上次往复测定的各个最大值振幅频率的中间值为中心，在频率范围40kHz内以扫描时间O. 05sec进行往复測定，(iii)最后，为了进一步提闻精度，在频率范围4kHz内以扫描时间O. 2sec进行測定，检测最大值振幅频率的中间值，由此测定谐振频率。该情况下，合计为O. 4sec的扫描时间。
接着，图3是示出真空中的本发明的一般的频率/振幅特性測定的顺序的图。针对在真空中以谐振频率为300kHz的设计值制作的、Q值预计在30000左右的一般的悬臂，(i)最初，在频率范围200 400kHz内以扫描时间O. 05sec进行往复测定后，(ii)以上次往复测定的各个最大值振幅频率的中间值为中心，在频率范围40kHz内以扫描时间O. 05sec进行往复測定，(iii)以上次往复測定的各个最大值振幅频率的中间值为中心，在频率范围4kHz内以扫描时间O. 05sec进行往复測定，(iv)以上次往复测定的各个最大值振幅频率的中间值为中心，在频率范围400Hz内以扫描时间O. 05sec进行往复測定，(V)以上次往复测定的各个最大值振幅频率的中间值为中心，在频率范围40Hz内以扫描时间O. 05sec进行往复測定，(vi)以上次往复測定的各个最大值振幅频率的中间值为中心，最后，在频率范围40Hz内以扫描时间IOsec进行測定，检测最大振幅的频率，由此设为谐振频率。该情况下，合计为10. 5sec的扫描时间。接着，图4是示出大气中的本发明的包含一次谐振频率的误判定的频率/振幅特性測定的顺序的图。针对在大气中以谐振频率为30kHz、Q值为100左右的设计值制作的一般的悬臂，(i)最初，在频率范围I 300kHz内以扫描时间O. 05sec进行往复测定后，(ii) 检测上次往复測定的30kHz附近的各个最大值振幅频率的中间值作为一次谐振频率(fl)，检测189kHz附近的各个最大值振幅频率的中间值作为二次谐振频率(f2)，(iii)如果在Π的6. 3倍附近存在f2即公式I的条件成立，则转移到“(iv) ”，如果不成立，则进行悬臂安装的再次确认和再次測定(存在次生振动振幅的影响较大的可能性)，(iv)以上次往复測定的一次谐振频率为中心，在频率范围3kHz内以扫描时间O. 05sec进行往复測定，(v)最后，为了进一步提闻精度，在频率范围2kHz内以扫描时间O. 2sec进行测定，检测最大振幅的频率，由此设为谐振频率。该情况下,合计为O. 4sec的扫描时间。[公式I] (5. 8 X fl)彡 f2 彡(6. 8 X fl)接着，图5是示出大气中的本发明的一次谐振频率和二次谐振频率的测定顺序的图。针对在大气中以谐振频率为30kHz、Q值为100左右的设计值制作的一般的悬臂，(i)最初，在频率范围I 300kHz内以扫描时间O. 05sec进行往复测定后，(ii)检测上次往复测定的30kHz附近的各个最大值振幅频率的中间值作为一次谐振频率(fl)，检测189kHz附近的各个最大值振幅频率的中间值作为二次谐振频率(f2)，(iii)如果在fl的6. 3倍附近存在f2即上述公式I的条件成立，则转移到“(iv) ”，如果不成立，则进行悬臂安装的再次确认和再次測定(存在次生振动振幅的影响较大的可能性)，(iv)以上次往复測定的一次谐振频率为中心，在频率范围3kHz内以扫描时间O. 05sec进行往复測定，以上次往复测定的二次谐振频率为中心，在频率范围20kHz内以扫描时间O. 05sec进行往复測定，(vi)以上次往复测定的一次谐振频率为中心，在频率范围2kHz内以扫描时间O. 2sec进行測定，以上次往复测定的二次谐振频率为中心，在频率范围3kHz内以扫描时间O. 2sec进行測定，(vii)检测一次谐振频率附近的最大振幅的频率作为第I谐振频率，检测二次谐振频率附近的最大振幅的频率作为第2谐振频率。该情况下，合计为O. 7sec的扫描时间。如上所述，根据本发明的悬臂的振动特性測定方法，不管是在大气中还是在真空中，都是10秒左右以内的測定，即使在以往的Q值高的情况下，也能够在极短时间内进行。
权利要求
1.一种悬臂的振动特性測定方法，其中， 扫描型探头显微镜设有悬臂、使所述悬臂振动的施振部、向所述施振部供给施振信号的施振信号发生器、对所述悬臂的位移进行检测的位移检测器、将从位移检测器输出的表示位移的振幅的交流信号转换为直流的电平信号的交流-直流转换机构、以及測定与施振频率对应的悬臂位移振幅的频率/振动特性检测机构， 在所述扫描型探头显微镜中，由施振信号发生器在包含悬臂的谐振频率的范围的频带中发生往复的扫频信号，由施振部使所述悬臂振动，计测去路和回路各自的振幅最大值的频率，检测其中间值作为悬臂的谐振频率。
2.根据权利要求I所述的悬臂的振动特性測定方法，其中， 通过反复进行I次以上的如下操作来检测悬臂的谐振频率以所述检测到的谐振频率为基准，在比包含该谐振频率的所述频带窄的范围的新频带中，新发生往复的扫频信号，由施振部使所述悬臂振动，新计测去路和回路各自的振幅最大值的频率，检测其中间值作为悬臂的新谐振频率。
3.根据权利要求I所述的悬臂的振动特性測定方法，其中， 由施振信号发生器在包含所述悬臂的一次谐振频率和该一次谐振频率的大约6. 3倍附近的二次谐振频率的范围的频带中发生往复的扫频信号，由施振部使所述悬臂振动，计测去路和回路各自的低频侧的振幅最大值的频率，检测其中间值作为悬臂的一次谐振频率，计测位于一次谐振频率的6. 3倍附近的去路和回路各自的振幅最大值的频率，检测其中间值作为悬臂的二次谐振频率。
4.根据权利要求3所述的悬臂的振动特性測定方法，其中， 通过反复进行I次以上的如下操作来检测悬臂的一次谐振频率和二次谐振频率以所述检测到的一次谐振频率和该一次谐振频率的大约6. 3倍附近的二次谐振频率为基准，对于范围比包含所述检测到的一次谐振频率的所述频带窄的新频带的一次谐振频率的測定、以及范围比包含所述检测到的二次谐振频率的所述频带窄的新频带的二次谐振频率的测定，新发生往复的扫频信号，由施振部使所述悬臂振动，在一次谐振频率的測定和二次谐振频率的測定中，新计测去路和回路各自的振幅最大值的频率，检测其中间值作为悬臂的新的一次谐振频率和二次谐振频率。
5.根据权利要求3所述的悬臂的振动特性測定方法，其中， 在无法检测所述一次谐振频率的6. 3倍附近的二次谐振频率的情况下，判断为该检测到的一次谐振频率是误測定。
全文摘要
悬臂的频率/振动特性检测需要长时间，由此，存在设定测定条件时产生误差的问题。并且，可能产生一次谐振频率的检测错误。为此，本发明提供一种悬臂的振动特性测定方法，其特征在于，由施振信号发生器在包含悬臂的谐振频率的范围的频带中发生往复的高速扫频信号，使悬臂振动，计测去路和回路各自的振幅最大值的频率，检测其中间值作为悬臂的谐振频率。进而，通过在检测一次谐振频率时确认是否存在6.3倍的二次谐振频率，能够将谐振频率的检测错误防患于未然。
文档编号G01M7/02GK102692523SQ20121008042
公开日2012年9月26日 申请日期2012年3月23日 优先权日2011年3月25日
发明者繁野雅次, 鹿仓良晃 申请人:精工电子纳米科技有限公司
