DE19516140A1 - Steuersystem für rastergebundene Meßdatenerfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur rasterförmigen Erfassung von Meßwerten, bei dem ein Mittel zur Messung der Werte rasterförmig bewegt wird und Werte an den Punkten des Rasters gemessen werden sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens.

Bekannt ist beispielsweise ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung im Zusammenhang mit ei­ nem Rastertunnelmikroskop. Bei einem Rastertunnelmikro­ skop wird eine Sonde rasterförmig über eine Probe be­ wegt und dabei die Höheninformation als Graustufe auf einem Bildschirm dargestellt. Rasterförmige Bewegung bedeutet, eine Bewegung erfolgt schrittweise nach einem Schema. Es entstehen auf diese Weise beispielsweise spiral- oder schlangenlinienförmige Bewegungsmuster. Die Sonde wird zu einem vorgesehenen Punkt der Probe bewegt und erfaßt dort einen Meßwert, der auf einem Bildschirm als Graustufe dargestellt wird. Anschließend werden die Koordinaten eines nächsten vorgesehenen Or­ tes auf der Probe berechnet, die Sonde wird zu diesem berechneten Punkt bewegt und wiederum wird ein Meßwert aufgenommen. Dieses Verfahren wird solange fortgesetzt, bis die Daten der Probe vollständig erfaßt worden sind.

Während der Erfassung kann der Anwender noch diverse Einstellungen vornehmen, die in relativ kurzer Zeitver­ zögerung in Aktion treten. Zum Beispiel kann die Ra­ stergeschwindigkeit oder die Rasterrichtung verändert werden.

Die Berechnung der Bewegungen erfordert eine hohe Re­ chenleistung. Im allgemeinen weist daher ein Rastertun­ nelmikroskop einen separaten Prozessor auf, der die Ortskoordinaten berechnet und die Steuerung der Bewe­ gung durchführt. Es ist ferner bekannt, ein externes Steuergerät einzusetzen, das nur die Aufgabe erfüllt, die Meßorte in vorgegebener Reihenfolge anzufahren. Darüber hinaus wird der zusätzliche Prozessor bzw. das Steuergerät eingesetzt, um nachträgliche Änderungen des Ablaufs der Messung zu ermöglichen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaf­ fen, bei dem auf einen externen Prozessor bzw. ein ex­ ternes Steuergerät verzichtet werden kann.

Die Erfindung wird gelöst gemäß dem beanspruchten Ver­ fahren bzw. mittels der beanspruchten Vorrichtung. Die Verfahren bzw. Vorrichtungen nach den rückbezogenen An­ sprüchen stellen vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung dar.

Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 werden die Raster­ punkte in Form von Ortskoordinaten gemäß einer festge­ legten Reihenfolge vor Beginn der rasterförmigen Bewe­ gungen abgespeichert. Die Bewegungen werden gemäß der Reihenfolge der gespeicherten Koordinaten ausgeführt. Diese Verfahrensweise hat zur Folge, daß die Bewegungen nicht mehr während einer laufenden Messung berechnet werden müssen. Es ist lediglich erforderlich, nach ei­ ner Erfassung eines Meßwertes die nächste Koordinate abzurufen und das Mittel zur Messung zu diesem Ort hin­ zubewegen. Auf diese Weise wird während der Messung Re­ chenzeit eingespart. Infolge der eingesparten Rechen­ zeit kann auf einen separaten Prozessor oder ein exter­ nes Steuergerät während der Messung verzichtet werden.

Wird das Verfahren beispielsweise durch den Prozessor eines Personalcomputers gesteuert, so ist es von Vor­ teil, einen Teil der gespeicherten Koordinaten vom ur­ sprünglichen Speicher einem Zwischenspeicher zuzufüh­ ren.

Die Zahl der entnommenen Koordinaten muß dabei dem zur Verfügung stehenden freien Speicherplatz im Zwischen­ speicher entsprechen, d. h., die Zahl darf nicht größer als der freie Speicherplatz sein. Die Informationen über die durchzuführenden Bewegungen werden dann dem Zwischenspeicher entnommen. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß dem Zwischenspeicher Koordinaten unab­ hängig von der beanspruchten Rechnerleistung entnommen werden kann. Der Prozessor steuert das Auffüllen des Zwischenspeichers, sobald Rechenzeit des Prozessors zur Verfügung steht.

Bewegungen gemäß einer gespeicherten Reihenfolge von Koordinaten durchzuführen, hat darüber hinaus den Vor­ teil, daß auf besonders einfache Weise eine Änderung der Bewegungsrichtung vorgenommen werden kann. Hierfür ist nicht erforderlich, die abgespeicherte Folge von Koordinaten zu ändern. Es wird lediglich eine geeignete Information, z. B. zwecks Richtungsänderung eine ent­ sprechende mathematische Verdrehung des Koordinatensy­ stems, mit den noch gespeicherten, also mit den noch nicht für Ausführung von Bewegungen verwendeten Koordi­ naten verknüpft. Die Verknüpfung erfolgt nach dem Aus­ lesen aus dem Speicher oder, soweit vorhanden, aus dem Zwischenspeicher sowie vor Ausführung der zugehörigen Bewegungen. Es müssen also keine Algorithmen zur Be­ rechnung neuer Ortskoordinaten geändert werden. Zur Durchführung sind somit keine Programmierkenntnisse er­ forderlich.

Informationen über erforderliche Änderungen werden zweckmäßigerweise zwischengespeichert. Auf diese Weise können die Änderungen unabhängig vom Prozessor abgeru­ fen werden.

Zweckmäßigerweise wird die Ortskoordinate vorrangig vor der Information über eine Änderung dem jeweiligen Spei­ cher entnommen. Vorrangig bedeutet, daß die Ortskoordi­ nate entnommen wird, sobald eine Messung erfolgt ist, unabhängig davon, ob ein dafür vorgesehener Zwischen­ speicher mit der Information über eine Änderung gefüllt ist oder nicht. Erst nachdem eine Ortskoordinate ent­ nommen worden ist und Zeit zur Verfügung steht, wird der Zwischenspeicher mit der Information über eine Än­ derung abgefragt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist ein Mittel zur Messung der Daten, ein Mittel zur Steue­ rung und Ausführung von rasterförmigen räumlichen Bewe­ gungen des Mittels zur Messung, ein Mittel geeignet zur Speicherung der Ortskoordinaten sowie Mittel geeignet zur Entnahme aus dem Speicher und Weitergabe der Orts­ koordianten an das Mittel zur Steuerung der schritt­ weisen Bewegungen auf. Beim Mittel zur Messung handelt es sich beispielsweise um eine Sonde eines Rastertun­ nelmikroskops. Als Mittel zur Steuerung und Ausführung von rasterförmigen räumlichen Bewegungen können Stell­ glieder zur Positionierung der Meßsonde, ein Digital­ analogkonverter sowie eine digitale Steuerung einge­ setzt werden. Die Ansteuerung der Stellglieder kann über einen Lichtwellenleiter erfolgen. Beim Mittel zur Speicherung der Ortskoordinaten kann es sich um den Ar­ beitsspeicher eines Personalcomputers (PCs) handeln. Die Entnahme der Ortskoordinaten aus dem Speicher und Weitergabe an das Mittel zur Steuerung kann mittels ei­ nes Prozessor eines PCs gesteuert werden.

Vorteilhaft ist der Einsatz eines Zwischenspeichers. Insbesondere ist hierfür der Einsatz eines Fifos geeig­ net. Es handelt sich dabei um ein Speichermedium, bei dem der Wert zuerst ausgegeben wird, der zuerst einge­ lesen worden ist. Das Fifo sollte die Flags Fifo full, Fifo half full, Fifo empty aufweisen. Mit Hilfe dieser Flags und einer dazugehörigen Interruptserviceroutine kann das Fifo selbständig von einem PC einen weiteren Block Ortskoordinaten anfordern, wenn das Fifo teilwei­ se entleert worden ist. Das Fifo sollte mit einem frei­ laufenden Frequenzgenerator angesteuert werden, der seinerseits in der Frequenz programmierbar ist. Die Frequenzeinstellung erfolgt über den Datenbus eines PCs. Gemäß der Taktfrequenz des Generators bewegt sich das Mittel zur Messung rasterförmig über die Probe.

Durch den Einsatz eines Zwischenspeichers kann ein be­ stimmtes Bewegungsprofil selbständig von der Steuerung abgefahren werden, ohne daß ein Prozessor oder Rechen­ leistung des PCs selber während der Bildaufnahme erfor­ derlich ist.

Der Einsatz eines Frequenzgenerators hat den Vorteil, daß die Geschwindigkeit unabhängig vom laufenden PC ge­ steuert werden kann. Er trägt also weiter dazu bei, Re­ chenleistung einzusparen.

Des weiteren ist es von Vorteil, einen Zwischenspei­ cher, insbesondere ein Fifo zur Zwischenspeicherung von Informationen über Änderungen einzusetzen. Bei den Än­ derungen handelt es sich insbesondere um Änderungen be­ züglich des Rasters oder bezüglich der Geschwindigkeit der Bewegungen. Auch kann hierüber eine bestimmte Orts­ koordinaten-Offsetspannung eingestellt werden. Der Ein­ satz des Zwischenspeichers hat den Vorteil, daß Ände­ rungen eingegeben werden können, ohne unmittelbar in den laufenden Betrieb einzugreifen. Die Steuerung des Bewegungsablaufs kann dann jedesmal, wenn Zeit zur Ver­ fügung steht, diesen Zwischenspeicher abfragen und die Änderungen ausführen. Auch dieser Vorgang erfolgt damit unabhängig von der Beanspruchung des Prozessors eines PCs. Wird sowohl ein Zwischenspeicher zur Speicherung der Ortskoordinaten als auch ein Zwischenspeicher zur Speicherung von Änderungen eingesetzt, so sollte eine Prioritätslogik vorgesehen sein, die wie folgt arbei­ tet.

Solange im ersten Zwischenspeicher mit den Ortskoordi­ naten aufgrund eines Taktsignals des Frequenzgenerators Ortskoordinaten ausgelesen werden, wird der Zwischen­ speicher mit den Änderungen nicht abgefragt. Steht je­ doch Zeit zur Verfügung, und das wird im Prinzip nach jedem Anfahren einer neuen Koordinate der Fall sein, so wird ein Meßwert aus dem zweiten Zwischenspeicher mit den Änderungen ausgelesen. Im Zwischenspeicher mit den Änderungen werden wesentlich weniger Daten gespeichert sein als im Fifo mit den Ortskoordinaten. Es ist bei­ spielsweise erfahrungsgemäß zwei- oder dreimal erfor­ derlich, während einer Bildaufnahme die Bewegungsrich­ tung zu ändern. Im allgemeinen werden im zweiten Fifo mit den Änderungen überhaupt keine Werte stehen. Trotz­ dem kann durch den Einsatz beider Zwischenspeicher da­ für gesorgt werden, daß kurzfristig Änderungsdaten je­ derzeit übertragen werden können. Ein Eingriff in den laufenden Betrieb ist möglich, ohne, wie bisher, Pro­ zessorleistung in Anspruch zu nehmen.

Die beanspruchten Vorrichtungen sind für jedes Meßgerät geeignet, welches entsprechende rasterförmige Messungen durchführt. Vorteilhaft wird eine solche Vorrichtung in einem Mikroskop eingesetzt, welches die zu betrachtende Probe rasterförmig analysiert. Beispiele hierfür sind Rasterelektronen-, Rasterkraft- oder Rastertunnelmikro­ skope.

Ausführungsbeispiel

In der Abbildung ist ein Personalcomputer 1 darge­ stellt, in dessen Arbeitsspeicher vor Beginn der Mes­ sung die ermittelten (x,y)-Koordinatenpaare gespeichert worden sind. Über eine Datenleitung 2 werden dem als Zwischenspeicher dienenden Fifo 3 blockweise (x,y)- Koordinatenpaare zugeführt. Blockweise bedeutet, daß es sich um mehrere Koordinatenpaare handelt. Die Größe des Blocks bzw. Anzahl der Paare übersteigt dabei nicht den im Fifo zur Verfügung stehenden freien Speicherplatz. Der PC fragt den Zustand des Fifos 3 ab und transfe­ riert Koordinatenpaare, soweit ihm Rechenzeit zur Ver­ fügung steht. Ein Frequenzgenerator 7 gibt dem Fifo 3 einen Takt vor. Gemäß dieser Taktfrequenz werden die im Fifo 3 befindlichen Koordinatenpaare ausgegeben und ge­ langen zunächst in eine Schaltung 8, die eine Priori­ tätslogik, einen Verstärker sowie einen Multiplizierer aufweist. In dieser Schaltung 8 können die Koordina­ ten, wie unten erläutert wird, eine Änderung erfahren. Die endgültigen Koordinatenpaare gelangen schließlich über eine Datenleitung 9 an eine Steuer- und Regelelek­ tronik mit einer Rastersonde 10. Die Rastersonde wird gemäß den Koordinaten bewegt. Angedeutet ist oberhalb der Probe 11 mittels Pfeile ein schlangenlinienförmiges Bewegungsmuster, welches verfahrensgemäß bewirkt werden kann. Die durch die rasterförmige Messung erhaltene Bildinformation gelangt über die Datenleitung 12 in ein als Zwischenspeicher dienendes Fifo 13. Sowie Rechen­ zeit zur Verfügung steht, werden die Bildinformationen aus Fifo 13 ausgelesen und auf dem Bildschirm des PCs 1 grafisch dargestellt.

Veränderliche Daten, wie Geschwindigkeit, Richtung oder Offset werden im PC 1 eingegeben und gelangen von dort über die Datenleitung 4 in das Fifo 5. Vom Fifo 5 ge­ langen die veränderlichen Daten, also Informationen über Änderungen, bei Abruf in die Schaltung 8. Abgeru­ fen werden die Informationen entsprechend der Priori­ tätslogik, d. h. zwischen zwei Auslesungen aus Fifo 3 bzw. sobald keine Übertragung aus Fifo 3 ansteht, wird Fifo 5 abgefragt.

Im Fifo 5 können beispielsweise folgende Informationen zwischengespeichert sein:

Die Geschwindigkeit, mit der die Sonde rasterförmig be­ wegt wird, soll verändert werden. In einem solchen Fall wird die Information, d. h. eine neue Taktfrequenz, über die Schaltung 8 an den Generator 7 weitergeleitet. Die Frequenz, mit der Ortskoordinaten aus Fifo 3 ausge­ lesen werden, verändert sich und damit die Geschwindig­ keit der rasterförmigen Bewegungen.

Die Richtung soll um einen Winkel α verändert werden. In einem solchen Fall beinhaltet das Fifo 5 Informatio­ nen über eine geeignete Koordinatentransformation. Die aus Fifo 3 ausgelesenen Koordinatenpaare (x,y) werden gemäß der in der Schaltung 8 durchgeführten Multiplika­ tion

X = x_*cos(α)+y_*sin(α)
Y = x_*sin(α)-y_*cos(α)

in die Koordinatenpaare (X,Y) transformiert, wodurch sich die Bewegungsrichtung um den Winkel α verändert.

Soll der Abstand zwischen zwei Punkten des Rasters ver­ ändert werden, so werden die Koordinatenpaare in der Schaltung 8 mit einem entsprechenden Faktor multipli­ ziert. Ist ein x/y - Offset erforderlich, so wird ein entsprechender Wert zu den Koordinaten in der Schaltung 8 addiert.

Claims (9)

1. Verfahren zur rasterförmigen Erfassung von Meßwerten, bei dem ein Mittel zur Messung der Werte rasterförmig bewegt wird und Werte an den Punkten des Rasters gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasterpunkte in Form von Ortskoordinaten gemäß einer Reihenfolge vor Beginn der rasterförmigen Bewegungen gespeichert und die Bewegungen gemäß der Reihenfolge der gespeicherten Koordinaten ausgeführt werden.

2. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der gespeicherten Koordinaten einem Zwischenspeicher zugeführt wird, wobei die Zahl der entnommenen Koordinaten dem zur Verfügung stehenden freien Speicherplatz im Zwischenspeicher entspricht und daß die Bewegungen gemäß den im Zwischenspeicher befindlichen Koordinaten ausgeführt werden.

3. Verfahren zur Änderung einer rasterförmigen Erfassung von Meßwerten bei einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen geändert werden, indem die gespeicherte Folge von Koordinaten nach dem Auslesen der gespeicherten Koordinaten aus dem Speicher oder Zwischenspeicher geändert und die Bewegungen gemäß den geänderten Koordinaten ausgeführt werden.

4. Verfahren zur Änderung einer rasterförmigen Erfassung von Meßwerten bei einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Information über eine Änderung zwischengespeichert wird und dem Zwischenspeicher die Information entnommen und gemäß dieser entnommenen Information die Änderung durchgeführt wird.

5. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Information über die Ortskoordinate vorrangig vor der Information über eine Änderung dem jeweiligen Speicher entnommen wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung eines der beanspruchten Verfahren mit einem Mittel zur Messung (10), mit Mitteln zur Steuerung und Ausführung von rasterförmigen, räumlichen Bewegungen des Mittels zur Messung, dadurch gekennzeichnet, da ß Mittel, geeignet zur Speicherung der Ortskoordinaten (3), sowie Mittel, geeignet zur Entnahme aus dem Speicher und Weitergabe der Ortskoordinaten an das Mittel zur Steuerung der schrittweisen Bewegungen, vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach vorhergehendem Vorrichtungsanspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Speicherung zumindest einen Haupt- und einen Zwischenspeicher (3), insbesondere ein FIFO als Zwischenspeicher, aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenspeicher (5), insbesondere ein FIFO, zur Zwischenspeicherung von Informationen über Änderungen, insbesondere Änderungen bezüglich des Rasters oder bezüglich der Geschwindigkeit der Bewegungen, vorgesehen ist.

9. Rasterförmig abtastendes Mikroskop mit einer Vorrichtung gemäß einem der Vorrichtungsansprüche.