JP2654506B2 - 仕事関数測定方法 - Google Patents

仕事関数測定方法

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、STM(走査型トンネル顕微鏡)において、
試料表面及び探針間のトンネル電流を目標基準値に制御
するためのZ軸制御系に利用される。さらにSTM(走査
型トンネル顕微鏡)の基本原理を応用した科学機器、分
析機器及び、仕事関数を算出することを目的とする計測
機器等に利用される。
〔発明の概要〕
本発明は、制御系が、閉ループの状態で、該制御系を
構成する単数あるいは複数の伝達要素の伝達特性又は伝
達関数を測定する方法を応用したものである。
制御系が閉ループの状態で、制御系内に信号を加算し
た時の、他の複数点における信号振幅値を演算する方
法、又は前記目標基準値を変化させた時の、他の複数点
による信号振幅値を演算する方法に関するものである。
前記加算信号又は目標基準値変化にかかる基本波周波
数は、該制御系の開ループ周波数特性における0dB交差
点付近の周波数であり、かつ制御対象の応答帯域内であ
る。すなわち制御対象の機械的又は電気的共振周波数の
どちらか低い方より低く、かつ共振による周波数特性の
ピークが関与しない値に選定される。
本発明は、前記複数点において、検出される該基本波
周波数の信号振幅値を直接に電子回路で演算もしくは2
値データに変換後のデータをCPU内で演算する方法に関
するものである。
〔従来の技術〕
一般に制御系を構成する単数あるいは複数の伝達要素
の伝達特性又は伝達関数を測定する方法としては、第2
図に示すように、制御系を一時間ループ状態にし、前記
単数あるいは複数の伝達要素を介在する2点の信号を演
算し算出していた。
該伝達要素を介在する2点の信号の振幅値の比を算出
する場合も前記伝達特性又は伝達関数を測定する方法に
包括される。
第2図は一般的な伝達関数測定時の制御系ブロック線
図である。
制御系は、開ループ時にS1は開放又はサンプルホール
ド回路等により閉ループ時の制御電圧は保持される。開
ループの状態で伝達要素G2(S)の伝達関数を測定する
場合には、A2(S)/A0(S)の値を演算する。また伝
達要素G2(S)・G3(S)の伝達関数を測定する場合に
は、A3(S)/A0(S)の値を演算する。
第2図において、任意の2点間の振幅値比を算出する
場合も前記伝達関数測定法と同様であることは明らかで
ある。
STM(走査型トンネル顕微鏡)において、探針及び試
料間の仕事関係の測定は一般に第2図に記載のブロック
線図による方法に準じている。
尚、STMによる前記探針及び試料間のトンネル電流値
を制御するいわゆるZ軸制御系に第2図のブロック図を
対応させると、目標値、基準値VRは設定トンネル電流
値、G1(S)はPI制御器、G2(S)は探針制御用圧電素
子の駆動用増幅器及び圧電素子の電圧→変位伝達関数、
G3(S)は変位→トンネル電流変換部及び対数増幅器で
ある。従ってA2(S)は探針の変位量となる。
次に仕事関数φの測定方法について具体化した図が、
第3図のブロック図である。各点の信号名称及び構成要
素は第2図に対応している。しかし該信号名称及び構成
要素に関しては周波数特性は考慮しない、例えば加算信
号A0(S)の基本波周波数より前記圧電素子の共振周波
数は十分高く、前記増幅器等も十分広帯域であるとす
る。
第3図に示した構成要素において、 は近似式である。(aは定数) 第2図のブロック図を総合すると、 (1)式−(2)式を求めると、 (3)式により仕事関数φを求めると、 (4)式よりφの値は、前記加算記号の振幅と、出力信
号A3(S)の振幅の比により算出される。
以上が仕事関数φを算出する原理である。
〔発明が解決しようとする問題点〕
前記従来技術の項記載の方法においては、該制御系が
開ループ状態で計測及び演算を行うために次の2つの問
題点が存在する。
第1の問題点は、該制御系が開ループ状態における制
御対象の挙動である。
開ループ状態における制御対象の挙動は外乱に依存さ
れ、特に超精密な位置決め精度を必要とする制御系にお
いては、外乱による影響は非常に大きい。
特にSTMにおいては、温度ドリフトあるいは外部振動
等の外乱による探針位置の移動は、開ループ状態では非
常に顕著になり、最悪の場合には該探針が試料に衝突す
る結果となる。従ってSTMのような超精密な位置決め精
度を必要とする制御系においては、計測及び演算を目的
とする開ループ状態時間の制限を余儀なくされる。
第2の問題点は、該制御系が開ループ状態→閉ループ
状態へ切り換わる瞬間の過渡状態での該制御系及び制御
対象の挙動である。開ループ状態において外乱の影響に
より位置誤差が生じるために制御電圧にも誤差が生じ、
該制御電圧の誤差は前記サンプルホールド回路等により
保持されている電圧との誤差となる。当然ながら該誤差
は開ループ状態時間が長い程大きくなる。
開ループ→閉ループ状態の切換時には、該誤差に起因
する制御対象へのステップ印加により、該制御系は該制
御対象の伝達特性に依存するステップ応答となる。従っ
て該制御対象の共振周波数のQ値が大きい場合にはオー
バシュートが生じるため、該制御対象の挙動は、伝達特
性に依存した不安定な状態となり、起精密な位置決め制
御に与える影響は大きい。
STMにおいては、前記オーバシュート等、不安定な状
態が原因となり探針の試料への衝突が起きる場合があ
る。
〔問題点を解決するための手段〕
前記第1及び第2の問題点を同時に解決するために、
本発明では制御系が閉ループの状態で該制御系を構成す
る単数あるいは複数の伝達要素の伝達特性又は伝達関数
を測定する方法を応用した。
本発明では、制御系が閉ループの状態で制御系内に信
号を加算した時の、他の複数点における信号振幅値を演
算する方法、又は目標基準値もしくは他の基準値を変化
させた時の、他の複数点における信号振幅値を演算する
方法により仕事関数φを算出するものである。
〔作用〕
前記本発明に基づいた閉ループ状態での仕事関数の算
出方法により、前記第1の問題点すなわち外乱等を起因
とする制御対象の挙動、特に制御位置の移動は該制御系
の閉ループ特性に依存され著しく低減される。さらに、
前記第2の問題点すなわち過渡状態での挙動であるが、
本発明に基づいた方法では制御系ループを断続する必要
はなく、明らかに論外である、 〔実施例〕 以下に本発明の実施例を図面等に基づいて説明する。
第1図は本発明に基づいた仕事関数測定法に係るブロ
ック図である。
第1図はSTMにおける前記Z軸制御系の一般的かつ概
略のブロック図に基づいており、構成要素9,10,11,12で
構成されるループは、前記従来技術の項に記載の第2図
及び第3図と基本的な構成は同様である。
第1図に基づき次の3つの実施例が考えられる。ブロ
ック13の仕事関数φ演算ブロック図については、3つの
実施例について共通であり後述する。
(実施例1) 第1図に基づいて一定周波数で変化するA0信号を加算
した場合の信号S1及びS2の振幅比より仕事関数φを算出
する。該算出方法については、後述の実施例A又は実施
例Bに基づく。
前記A0信号の周波数は、第4図における範囲aにほぼ
設定され、Z軸制御系の応答は0dB付近であり、かつ第
4図に記載したように制御対象の特性において、共振周
波数f0より十分低周波に設定される。
前記A0信号は、任意のスペクトルを有する波形である
が、一般的には三角波、正弦波、方形波が望ましい。ま
た正弦波以外の場合には、基本波周波数が、第4図にお
ける範囲aにほぼ設定され、かつ制御対象の共振周波数
f0より十分低周波に設定される。
本実施例の場合、目標基準値VR及びバイアス電圧VT
値は、仕事関数測定時には一定値に保持される。
(実施例2) 第3図に基づいて、目標基準値VRを一定周波数で変化
させ、信号S1及びS2の振幅比より仕事関数φを算出す
る。該算出方法については、後述の実施例A又は実施例
Bに基づく。
前記目標基準値VRの波形及び周波数は、実施例1に準
じる。
本実施例の場合、加算信号A0及びバイアス電圧VTの値
は、仕事関数測定時には一定値に保持される。
(実施例3) 第3図に基づいて、バイアス電圧VTを一定の周波数で
変化させ、信号S1及びS2の振幅比より仕事関数φを算出
する。該算出方法については、後述の実施例A又は実施
例Bに基づく。
前記バイアス電圧VTの波形及び周波数は、実施例1に
準じる。
本実施例の場合、加算信号A0及び目標基準値VRの値
は、仕事関数測定時には一定値に保持される。
次に、仕事関数算出方法に関しては2つの方法が考え
られる。第1の方法は、制御系内の信号の振幅値を直接
に電子回路を介在させて演算結果を電気信号として出力
する方法であり、その概略ブロック図を第5図に示し、
その実施例を実施例Aとする。第2の方法として制御系
内の信号の振幅値を2値データに変換して変換後のデー
タをCPU内で演算する方法に基づいた実施例を実施例B
とする。又、CPU内での演算アルゴリズムを第7図に示
す。
(実施例A) 以下第5図に基づいて仕事関数φ演算部について説明
する。
信号S1は、前記第1図における探針制御用圧電素子駆
動電圧であり、実際の探針位置変位量にほぼ線形に対応
する。また、信号S2は対数増幅器12の出力である。
信号S1及び信号S2はAC結合された増副器14及び15にア
ナログ演算可能な最適レベル化される。ここでAC結合増
幅器14及び15は同一利得である。さらに信号S3及び信号
S4のエンベロープすなわち振幅値は、エンベロープ検出
器16及び17により検出される。該振幅値P及びQは、ア
ナログ割算器によりR=Q/Pが算出される。さらにアナ
ログ掛算器19によりφ=1R2が算出される。
本実施例に基づく仕事関数φの算出式は、前記(4)
式に準じている。(4)式に示した係数Kは、電圧源又
は電流源21により発生され、アナログ掛算器又は利得可
変増幅器20において仕事関数φ=K・φ1が算出され
る。
次に信号A0又はVR又はVTは発振器22により発生され、
少なくとも仕事関数測定時には前記然るべき位置に加算
される。
(実施例B) 以下第6図及び第7図に基づいて仕事関数φ演算部に
ついて説明する。
信号S1及び信号S2は、前記実施例Aと同様に振幅値P
及びQが検出される。該振幅値P及びQはA→D変換器
27及び28により2値データに変換される。ここで、振幅
値Pはnビットの2値データD0U、振幅値Qはnビット
の2値データD0Lにそれぞれ変換される。CPU30はここで
は、コンピュータシステム全般を表しており、2nビット
データ処理可能なシステムであるとする。
前記2値データD0Uは上位nビット、D0Lは下位ビット
として扱われる。上位及び下位の逆も当然可能である。
前記2値データは、CPU30よりアドレスデコーダ31を
介在するタイミングT1により、データラッチ及びレジス
タ29においてラッチされレジスタに書き込まれ、CPU30
の2nビットのデータD0となる。
実施例Aと同様に、信号A0又はVR又はVTは発振器33に
より発生され、少なくとも仕事関数測定時には前記然る
べき位置に加算される。また加算のタイミングは、CPU3
0よりアドレスデコーダ31を介在するタイミングT2によ
り設定され、スイッチ32は開閉される。
そして前記データD0を処理し仕事関数φを算出するに
至るまでのCPU30におけるアルゴリズムは第7図に示さ
れる。順次説明すると、データD0はレジスタ29よりCPU3
0に読み込まれた後、下位データ、上位データ及び前記
(4)式における定数Kは夫々変数x、変数y、変数k
に割り当てられた後、前記実施例Aと同様にプログラム
上(V)ルーチンにて演算が行われ仕事関数φは算出さ
れる。ここで仕事関数φの値は変数Wに割り当てられて
おり、その後の処理は任意である。
以上実施例としては、実施例1〜3と実施例A〜Bを
夫々組み合わせることにより6通り存在する。
〔発明の効果〕
従来技術の項記載の方法に比し、本発明に基づいた方
法においては、制御系を閉ループ状態にて仕事関数の測
定が可能であるため、特にSTM装置等においては、該装
置動作時にリアルタイムで仕事関数の測定が可能とな
り、該装置動作時における仕事関数φ値の変化に対応し
た補正が可能となる。すなわちSTM装置等の動作時にお
いて、試料表面上各所の仕事関数φ値を本発明に基づい
た方法により測定し、リアルタイムで前記Z軸制御系の
ループ利得を補正することは有効である。
また、従来技術の項記載の方法においては、仕事関数
の測定は断続的であるが、本発明に基づいた方法におい
ては、連続的に仕事関数の測定は可能となる。従って、
STM装置等における試料表面の仕事関数φ値分布が正確
かつ容易に測定でき、該試料表面状態の物理学的考案に
関する用途にも本発明に基づいた方法は有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に基づいた仕事関数測定法に係るブロッ
ク図。 第2図は一般的な伝達関数測定時の制御系ブロック図。 第3図は仕事関数測定に係るブロック図。 第4図はZ軸制御系開ループ利得特性及び制御対象の周
波数特性図。 第5図は実施例Aに基づいたブロック図。 第6図は実施例Bに基づいたブロック図。 第7図は実施例Bに基づいた仕事関数算出に係るCPUに
於けるアルゴリズムの説明図。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】制御系が閉ループの状態で、目標基準値に
    一定周波数で変化する信号を加算した後、少なくとも1
    つの伝達要素を介在させて前記目標基準値にフィードバ
    ックさせる回路において前記伝達要素を通る前と後との
    信号の振幅を演算した結果より仕事関数を算出すること
    を特徴とする仕事関数測定方法。
  2. 【請求項2】前記演算は、前記伝達要素を通る前と後と
    の信号の振幅の比を求めることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の仕事関数測定方法。
  3. 【請求項3】前記加算信号の周波数は、前記制御系の開
    ループ周波数特性における0dB交差点付近の周波数であ
    り、かつ、制御対象の応答帯域内であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項または第2項記載の方法。
  4. 【請求項4】前記前と後との信号の振幅値を電子回路に
    入力させ演算結果を電気信号として出力することを特徴
    とする特許請求の範囲第1項から第3項にいずれか記載
    の仕事関数測定方法。
  5. 【請求項5】前記前と後との信号の振幅値を2値データ
    に変換し変換後のデータをCPU内で演算することを特徴
    とする特許請求の範囲第1項から第3項にいずれか記載
    の仕事関数測定方法。
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