JP3065768B2 - 走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡及び類似の測定装置 - Google Patents
走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡及び類似の測定装置Info
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- JP3065768B2 JP3065768B2 JP4022871A JP2287192A JP3065768B2 JP 3065768 B2 JP3065768 B2 JP 3065768B2 JP 4022871 A JP4022871 A JP 4022871A JP 2287192 A JP2287192 A JP 2287192A JP 3065768 B2 JP3065768 B2 JP 3065768B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡、
走査型原子間力顕微鏡及び類似の測定装置に関する。
走査型原子間力顕微鏡及び類似の測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来知られる走査型トンネル顕微鏡は、
例えば米国特許第４３４３９９３号明細書に示されてい
る。一般的には、走査型トンネル顕微鏡は、探針と試
料、探針を流れるトンネル電流が一定になるようにその
中心線方向（ｚ方向）に移動させるｚ方向微動部、探針
を試料面で走査するｘｙ微動部、探針を試料に対しトン
ネル電流の流れる領域にまで移動する粗動部、トンネル
電流を一定に保つようにｚ方向を制御する制御系、ｘｙ
平面を走査する走査系、得られた３次元データを表示す
る画像処理系から構成される。
例えば米国特許第４３４３９９３号明細書に示されてい
る。一般的には、走査型トンネル顕微鏡は、探針と試
料、探針を流れるトンネル電流が一定になるようにその
中心線方向（ｚ方向）に移動させるｚ方向微動部、探針
を試料面で走査するｘｙ微動部、探針を試料に対しトン
ネル電流の流れる領域にまで移動する粗動部、トンネル
電流を一定に保つようにｚ方向を制御する制御系、ｘｙ
平面を走査する走査系、得られた３次元データを表示す
る画像処理系から構成される。
【０００３】また走査型原子間力顕微鏡は、探針と試
料、探針と試料との間の原子間力が一定となるように試
料を移動させるｚ方向微動部、ｘｙ平面を走査するｘｙ
微動部、探針により原子間力を感知できるような領域に
まで探針を移動する粗動部、原子間力を一定に保つよう
にｚ方向を制御する制御系、ｘｙ平面を走査する走査
系、得られた３次元データを表示する画像処理系から構
成される。
料、探針と試料との間の原子間力が一定となるように試
料を移動させるｚ方向微動部、ｘｙ平面を走査するｘｙ
微動部、探針により原子間力を感知できるような領域に
まで探針を移動する粗動部、原子間力を一定に保つよう
にｚ方向を制御する制御系、ｘｙ平面を走査する走査
系、得られた３次元データを表示する画像処理系から構
成される。
【０００４】上記の制御系、走査系、画像処理系につい
ては、それぞれ専用のハードウェアを用いる方法と、コ
ンピュータを用いる方法とが知られている。
ては、それぞれ専用のハードウェアを用いる方法と、コ
ンピュータを用いる方法とが知られている。
【０００５】また、走査型トンネル顕微鏡や走査型原子
間力顕微鏡の類似の測定装置は、走査型トンネル顕微鏡
や走査型原子間顕微鏡と同様の構成で、探針と試料の間
の相互作用を一定になるように試料表面を走査すること
により試料表面の情報が得られる。例えば、磁気力を利
用した走査型磁気力顕微鏡などがある。
間力顕微鏡の類似の測定装置は、走査型トンネル顕微鏡
や走査型原子間顕微鏡と同様の構成で、探針と試料の間
の相互作用を一定になるように試料表面を走査すること
により試料表面の情報が得られる。例えば、磁気力を利
用した走査型磁気力顕微鏡などがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前記従来技術のそれぞ
れにおいては、探針の走査速度、探針−試料間のバイア
ス電圧、トンネル電流における目標電流値、目標原子間
力などの測定条件、制御系のサーボパラメータなどの制
御条件を、測定者が経験により設定していた。これらの
条件は、試料の仕事関数、試料の表面形状、特に試料の
局所的な傾斜角の最大値、探針の仕事関数、探針の曲率
半径、制御系の性能などに複雑に依存するものであり、
熟練した測定者以外の者にとっては、条件の選定が容易
ではないという問題があった。また、これらの条件の設
定が適切でない場合、正確な表面情報が得られなかった
り、探針を試料にぶつけて破壊してしまうというおそれ
があった。
れにおいては、探針の走査速度、探針−試料間のバイア
ス電圧、トンネル電流における目標電流値、目標原子間
力などの測定条件、制御系のサーボパラメータなどの制
御条件を、測定者が経験により設定していた。これらの
条件は、試料の仕事関数、試料の表面形状、特に試料の
局所的な傾斜角の最大値、探針の仕事関数、探針の曲率
半径、制御系の性能などに複雑に依存するものであり、
熟練した測定者以外の者にとっては、条件の選定が容易
ではないという問題があった。また、これらの条件の設
定が適切でない場合、正確な表面情報が得られなかった
り、探針を試料にぶつけて破壊してしまうというおそれ
があった。
【０００７】また、熟練者にとってもこれらの諸条件を
最適値に設定するためには、設定した条件に対して、一
度予備的に測定を行い、その結果から判断を行い、条件
を微調節するということを何度か行わなければならない
場合が多く、少なからぬ時間を要するという問題があっ
た。
最適値に設定するためには、設定した条件に対して、一
度予備的に測定を行い、その結果から判断を行い、条件
を微調節するということを何度か行わなければならない
場合が多く、少なからぬ時間を要するという問題があっ
た。
【０００８】本発明の目的は、走査型トンネル顕微鏡、
走査型原子間力顕微鏡及び類似の測定装置の諸条件の設
定を自動化することにより、熟練した測定者以外の者で
も迅速かつ精度の高い測定を行えるようにした走査型ト
ンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡及び類似の測定装
置を提供することにある。
走査型原子間力顕微鏡及び類似の測定装置の諸条件の設
定を自動化することにより、熟練した測定者以外の者で
も迅速かつ精度の高い測定を行えるようにした走査型ト
ンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡及び類似の測定装
置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、以下のように構成される。 （１）原子的なレベルの距離間隔で接近された探針と試
料の間の相互作用を利用して試料の表面の形状や性質を
測定する走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微
鏡、或いは走査型磁気力顕微鏡において、走査幅に関す
る情報を入力するとともに、試料の材質、試料の表面形
状、試料の面粗さ、試料の最大高さ、及び試料の最大傾
斜角のうちの少なくとも一つに関する情報を入力するデ
ータ入力部と、データ入力部により入力された走査幅に
関する情報と、試料の材質、試料の表面形状、試料の面
粗さ、試料の最大高さ、及び試料の最大傾斜角のうちの
少なくとも一つに関する情報とに基づいて、走査速度、
短針−試料間のバイアス電圧、トンネル電流の目標電流
値、目標原始間力、及び制御系のサーボパラメータのう
ちの少なくとも一つを設定する条件判定部とを備える。 （２）好ましくは、上記（１）において、条件判定部に
より設定された条件を関連する各部に出力する設定条件
出力部を備える。 （３）また、好ましくは、上記（２）において、データ
入力部は、試料の材質と形状に関連するデータや走査範
囲などを測定者が直接入力するマンマシンインターフェ
イスである。 （４）また、好ましくは、上記（２）において、データ
入力部は、測定試料を走査型トンネル顕微鏡で予備的に
走査することによりデータ入力を行う。 （５）また、好ましくは、上記（２）において、データ
入力部は、測定試料を走査型電子顕微鏡で測定すること
によりデータ入力を行う。 （６）また、好ましくは、上記（２）において、条件判
定部は、入力データを予め用意されたデータテーブルと
参照することにより条件判定を行う。 （７）また、好ましくは、上記（２）において、条件判
定部は、入力データを予め設定された関数に代入するこ
とにより条件判定を行う。
成するため、以下のように構成される。 （１）原子的なレベルの距離間隔で接近された探針と試
料の間の相互作用を利用して試料の表面の形状や性質を
測定する走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微
鏡、或いは走査型磁気力顕微鏡において、走査幅に関す
る情報を入力するとともに、試料の材質、試料の表面形
状、試料の面粗さ、試料の最大高さ、及び試料の最大傾
斜角のうちの少なくとも一つに関する情報を入力するデ
ータ入力部と、データ入力部により入力された走査幅に
関する情報と、試料の材質、試料の表面形状、試料の面
粗さ、試料の最大高さ、及び試料の最大傾斜角のうちの
少なくとも一つに関する情報とに基づいて、走査速度、
短針−試料間のバイアス電圧、トンネル電流の目標電流
値、目標原始間力、及び制御系のサーボパラメータのう
ちの少なくとも一つを設定する条件判定部とを備える。 （２）好ましくは、上記（１）において、条件判定部に
より設定された条件を関連する各部に出力する設定条件
出力部を備える。 （３）また、好ましくは、上記（２）において、データ
入力部は、試料の材質と形状に関連するデータや走査範
囲などを測定者が直接入力するマンマシンインターフェ
イスである。 （４）また、好ましくは、上記（２）において、データ
入力部は、測定試料を走査型トンネル顕微鏡で予備的に
走査することによりデータ入力を行う。 （５）また、好ましくは、上記（２）において、データ
入力部は、測定試料を走査型電子顕微鏡で測定すること
によりデータ入力を行う。 （６）また、好ましくは、上記（２）において、条件判
定部は、入力データを予め用意されたデータテーブルと
参照することにより条件判定を行う。 （７）また、好ましくは、上記（２）において、条件判
定部は、入力データを予め設定された関数に代入するこ
とにより条件判定を行う。
【００１０】また条件判定部は、データを判定するため
のアルゴリズムとデータ構造を備える。
のアルゴリズムとデータ構造を備える。
【００１１】
【作用】本発明による走査型トンネル顕微鏡、走査型原
子間力顕微鏡及び類似の測定装置では、データ入力部
が、測定者の直接入力や探針を予備測定することで、試
料の材質と形状に関連するデータや走査範囲などのデー
タを受けとり、そのデータから条件判定部が、測定条件
や制御条件の最適値を判定し、設定条件出力部が、得ら
れた最適条件を装置の関連する装置各部に出力し、その
条件で装置が測定を行う。これにより、非熟練者でも、
従来では熟練した測定者が長い時間をかけなければ得ら
れないかった最適条件で、測定することが可能となる。
本発明により熟練した測定者以外の者でも、迅速かつ精
度の高い測定を行うことができる。
子間力顕微鏡及び類似の測定装置では、データ入力部
が、測定者の直接入力や探針を予備測定することで、試
料の材質と形状に関連するデータや走査範囲などのデー
タを受けとり、そのデータから条件判定部が、測定条件
や制御条件の最適値を判定し、設定条件出力部が、得ら
れた最適条件を装置の関連する装置各部に出力し、その
条件で装置が測定を行う。これにより、非熟練者でも、
従来では熟練した測定者が長い時間をかけなければ得ら
れないかった最適条件で、測定することが可能となる。
本発明により熟練した測定者以外の者でも、迅速かつ精
度の高い測定を行うことができる。
【００１２】
【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。
て説明する。
【００１３】図１は本発明による走査型トンネル顕微鏡
の実施例を示す図である。走査型トンネル顕微鏡の構成
は、観察対象である試料１、試料表面に垂直に臨む導電
性を有する探針２、ｚ方向微動部３、ｘｙ微動部４、制
御系５、ｘｙ走査系６、画像処理系７からなる。これら
の従来の走査型トンネル顕微鏡と同じ構成である。微動
部３及び４は圧電素子によって形成される。本発明によ
る走査型トンネル顕微鏡は、上記構成に対してデータ入
力部９、条件判定部１０、設定条件出力部１１から構成
される自動条件設定系８が付加された構成になる。図２
は、この実施例が有する基本的なアリゴリズムをフロー
チャートで表したものである。このアルゴリズムは、デ
ータ入力ステップＳ１と条件判定ステップＳ２と設定条
件出力ステップＳ３から構成される。後述される各実施
例では、それらの各種変形例が示される。したがって、
図１に示される自動条件設定系８のデータ入力部９、条
件判定部１０、設定条件出力部１１は、基本的にソフト
的に実現される機能部分である。
の実施例を示す図である。走査型トンネル顕微鏡の構成
は、観察対象である試料１、試料表面に垂直に臨む導電
性を有する探針２、ｚ方向微動部３、ｘｙ微動部４、制
御系５、ｘｙ走査系６、画像処理系７からなる。これら
の従来の走査型トンネル顕微鏡と同じ構成である。微動
部３及び４は圧電素子によって形成される。本発明によ
る走査型トンネル顕微鏡は、上記構成に対してデータ入
力部９、条件判定部１０、設定条件出力部１１から構成
される自動条件設定系８が付加された構成になる。図２
は、この実施例が有する基本的なアリゴリズムをフロー
チャートで表したものである。このアルゴリズムは、デ
ータ入力ステップＳ１と条件判定ステップＳ２と設定条
件出力ステップＳ３から構成される。後述される各実施
例では、それらの各種変形例が示される。したがって、
図１に示される自動条件設定系８のデータ入力部９、条
件判定部１０、設定条件出力部１１は、基本的にソフト
的に実現される機能部分である。
【００１４】従来の走査型トンネル顕微鏡では、所定の
距離関係にある探針２と試料１の間に或る値のバイアス
電圧を印加し、その時に流れるトンネル電流が或る目標
電流値となるように制御系５で制御して、ｚ方向微動部
３で探針２を移動させる。この制御により、探針−試料
間の距離が一定の状態が保たれるようにする。この状態
で、ｘｙ走査系６で探針２を試料１の表面にて走査すれ
ば、探針２は試料１の表面形状をなぞるように動くこと
になる。このときの探針２の動きを画像処理系７で画像
化することにより、試料１の表面形状データを得ること
ができる。ここで、探針・試料間のバイアス電圧、トン
ネル電流の目標電流値、探針２の走査速度などの測定条
件や制御系５のサーボパラメータなどの制御条件は、測
定者が経験で得た最適値を予め設定する必要があるた
め、熟練した測定者以外の者では、設定に時間がかか
り、正確な測定ができないことがある。また、特に走査
速度が速すぎる場合には、探針２を試料１に衝突させて
しまい、測定された画像が大きく乱れてしまうという問
題がある。本発明では、自動条件設定系８が最適条件を
自動的に設定することにより、熟練した測定者以外の者
でも、迅速かつ精度の高い測定を行うことを可能とす
る。
距離関係にある探針２と試料１の間に或る値のバイアス
電圧を印加し、その時に流れるトンネル電流が或る目標
電流値となるように制御系５で制御して、ｚ方向微動部
３で探針２を移動させる。この制御により、探針−試料
間の距離が一定の状態が保たれるようにする。この状態
で、ｘｙ走査系６で探針２を試料１の表面にて走査すれ
ば、探針２は試料１の表面形状をなぞるように動くこと
になる。このときの探針２の動きを画像処理系７で画像
化することにより、試料１の表面形状データを得ること
ができる。ここで、探針・試料間のバイアス電圧、トン
ネル電流の目標電流値、探針２の走査速度などの測定条
件や制御系５のサーボパラメータなどの制御条件は、測
定者が経験で得た最適値を予め設定する必要があるた
め、熟練した測定者以外の者では、設定に時間がかか
り、正確な測定ができないことがある。また、特に走査
速度が速すぎる場合には、探針２を試料１に衝突させて
しまい、測定された画像が大きく乱れてしまうという問
題がある。本発明では、自動条件設定系８が最適条件を
自動的に設定することにより、熟練した測定者以外の者
でも、迅速かつ精度の高い測定を行うことを可能とす
る。
【００１５】第１の実施例を説明する。この実施例で
は、データ入力部９は、試料１の材質と形状に関連する
データや走査範囲などを測定者が直接入力するマンマシ
ンインターフェイスからなり、条件判定部１０は、入力
データを予め用意されたデータテーブルと参照すること
により条件判定を行う。
は、データ入力部９は、試料１の材質と形状に関連する
データや走査範囲などを測定者が直接入力するマンマシ
ンインターフェイスからなり、条件判定部１０は、入力
データを予め用意されたデータテーブルと参照すること
により条件判定を行う。
【００１６】図３に第１の実施例のフローチャートを示
す。まず、測定者がキーボードまたはマウスなどのマン
マシンインターフェイスを用いて、探針２の材質Ｔ、試
料１の材質Ｗや最大傾斜角α、測定走査幅ａの組からな
る入力データＮｉを入力する。試料１の最大傾斜角αに
ついては、何らかの手段で測定の前に情報を得ていると
する。条件判定部には、図４のＡ，Ｂに示されたよう
に、ｎ組の経験的な最適条件からなるデータテーブルが
用意されている。図４ではｎ＝７である。これは、入力
データＮｉの組に対して経験的に得られた最適条件の出
力データＳｉの組からなるテーブルである。図４は、制
御系を、比例動作、積分動作、微分動作の３つのパラメ
ータで制御しているときの例である。出力データＳｉと
しては試料−探針間のバイアス電圧Ｖ、目標電流値Ｉ、
走査速度ｓの３つの測定条件と制御系の比例動作パラメ
ータＰＰ、積分動作パラメータＩＰ、微分動作パラメー
タＤＰの３つの制御条件からなる。条件判定部は、入力
データＮに一番近い入力データＮｉを選定して、そのデ
ータナンバーｉの出力データＳｉを最適条件として設定
する。例えば、入力データＮとデータテーブル内の各入
力データＮｉとの距離ΔＲｉをたとえば数式１のように
算定し、その中でもっとも距離が小さいデータナンバー
ｉを一番近い入力データと判断して、その出力データＳ
ｉを最適条件とする。データテーブルは測定者が任意に
追加登録及び削除できるようにすることもでき、追加登
録に伴い、条件判定部のステップは、より適切な条件設
定ができるようになる。入力するデータは、上記のデー
タの代りに、上記のデータに関連する他のデータでもよ
い。たとえば、試料の仕事関数や面粗さを入力データと
することもできる。また、装置に応じて、制御条件のパ
ラメータは、比例動作、積分動作、微分動作の各パラメ
ータ以外のパラメータをとることもできるが、そのとき
も上記と同じに最適制御条件を設定することができる。
す。まず、測定者がキーボードまたはマウスなどのマン
マシンインターフェイスを用いて、探針２の材質Ｔ、試
料１の材質Ｗや最大傾斜角α、測定走査幅ａの組からな
る入力データＮｉを入力する。試料１の最大傾斜角αに
ついては、何らかの手段で測定の前に情報を得ていると
する。条件判定部には、図４のＡ，Ｂに示されたよう
に、ｎ組の経験的な最適条件からなるデータテーブルが
用意されている。図４ではｎ＝７である。これは、入力
データＮｉの組に対して経験的に得られた最適条件の出
力データＳｉの組からなるテーブルである。図４は、制
御系を、比例動作、積分動作、微分動作の３つのパラメ
ータで制御しているときの例である。出力データＳｉと
しては試料−探針間のバイアス電圧Ｖ、目標電流値Ｉ、
走査速度ｓの３つの測定条件と制御系の比例動作パラメ
ータＰＰ、積分動作パラメータＩＰ、微分動作パラメー
タＤＰの３つの制御条件からなる。条件判定部は、入力
データＮに一番近い入力データＮｉを選定して、そのデ
ータナンバーｉの出力データＳｉを最適条件として設定
する。例えば、入力データＮとデータテーブル内の各入
力データＮｉとの距離ΔＲｉをたとえば数式１のように
算定し、その中でもっとも距離が小さいデータナンバー
ｉを一番近い入力データと判断して、その出力データＳ
ｉを最適条件とする。データテーブルは測定者が任意に
追加登録及び削除できるようにすることもでき、追加登
録に伴い、条件判定部のステップは、より適切な条件設
定ができるようになる。入力するデータは、上記のデー
タの代りに、上記のデータに関連する他のデータでもよ
い。たとえば、試料の仕事関数や面粗さを入力データと
することもできる。また、装置に応じて、制御条件のパ
ラメータは、比例動作、積分動作、微分動作の各パラメ
ータ以外のパラメータをとることもできるが、そのとき
も上記と同じに最適制御条件を設定することができる。
【００１７】入力データＮの探針の材質、試料の材質、
試料の最大傾斜角、走査幅をそれぞれＴ，Ｗ，α，ａ，
とし、比較するｉ番めのデータテーブルの入力データＮ
ｉ（ｉ＝１，２，…ｎ）のそれぞれの値をＴｉ，Ｗｉ，
αｉ，ａｉ，とすると、入力データとデータテーブルｉ
番めとの距離ΔＲｉは、下式で与えられる。
試料の最大傾斜角、走査幅をそれぞれＴ，Ｗ，α，ａ，
とし、比較するｉ番めのデータテーブルの入力データＮ
ｉ（ｉ＝１，２，…ｎ）のそれぞれの値をＴｉ，Ｗｉ，
αｉ，ａｉ，とすると、入力データとデータテーブルｉ
番めとの距離ΔＲｉは、下式で与えられる。
【００１８】
【数１】
【００１９】第２の実施例を説明する。この実施例で
は、データ入力部９は、試料１の材質と形状に関連する
データや走査範囲などを測定者が直接入力するマンマシ
ンインターフェイスからなり、条件判定部１０は、入力
データを予め定められた関数で計算することにより条件
判定を行う。図５は、第２の実施例のフローチャートを
示す。
は、データ入力部９は、試料１の材質と形状に関連する
データや走査範囲などを測定者が直接入力するマンマシ
ンインターフェイスからなり、条件判定部１０は、入力
データを予め定められた関数で計算することにより条件
判定を行う。図５は、第２の実施例のフローチャートを
示す。
【００２０】トンネル効果においては、（数２）のよう
にトンネル電流Ｉは、探針２と試料１の距離ｚ、仕事関
数φ、バイアス電圧Ｖの関数であることより、測定者が
キーボードまたはマウスなどのマンマシンインターフェ
イスを用いて仕事関数φ、探針と試料の設定距離ｚ、及
びバイアス電圧Ｖか目標トンネル電流値Ｉのいずれかを
入力することにより、（数２）の関数を用いてバイアス
電流Ｖか目標トンネル電流値Ｉのいずれかの条件を選定
できる。例えば、簡単な近似として（数３）のような関
係が知られているので、この式をもちいて、Ｖ，φ，ｚ
を入力すれば、Ｉを設定することができ、Ｉ，φ，ｚを
入力すれば、Ｖを設定することができる。次に最適走査
速度ｓは、トンネル電流の変化分に大きく依存すること
が知られている。また、制御系の条件として、比例動作
パラメータＰＰ、積分動作パラメータＩＰ、微分動作パ
ラメータＤＰをとるとき、制御系の最適パラメータは、
試料の最大傾斜角αと走査速度ｓに大きく依存すること
が知られている。
にトンネル電流Ｉは、探針２と試料１の距離ｚ、仕事関
数φ、バイアス電圧Ｖの関数であることより、測定者が
キーボードまたはマウスなどのマンマシンインターフェ
イスを用いて仕事関数φ、探針と試料の設定距離ｚ、及
びバイアス電圧Ｖか目標トンネル電流値Ｉのいずれかを
入力することにより、（数２）の関数を用いてバイアス
電流Ｖか目標トンネル電流値Ｉのいずれかの条件を選定
できる。例えば、簡単な近似として（数３）のような関
係が知られているので、この式をもちいて、Ｖ，φ，ｚ
を入力すれば、Ｉを設定することができ、Ｉ，φ，ｚを
入力すれば、Ｖを設定することができる。次に最適走査
速度ｓは、トンネル電流の変化分に大きく依存すること
が知られている。また、制御系の条件として、比例動作
パラメータＰＰ、積分動作パラメータＩＰ、微分動作パ
ラメータＤＰをとるとき、制御系の最適パラメータは、
試料の最大傾斜角αと走査速度ｓに大きく依存すること
が知られている。
【００２１】以上ＮＩより（数４）のような関係が成り
立つ。この関係を具体的に定めた関数が求まれば、φ，
ｚ，αを入力することにより、制御系の最適パラメータ
を選定することができる。以上のことから、入力データ
の組、Ｖ，φ，ｚ，αまたはＩ，φ，ｚ，αを入力すれ
ば、最適パラメータの組、Ｉ，ｓ，ＰＰ，ＩＰ，ＤＰま
たはＶ，ｓ，ＰＰ，ＩＰ，ＤＰが計算できる。
立つ。この関係を具体的に定めた関数が求まれば、φ，
ｚ，αを入力することにより、制御系の最適パラメータ
を選定することができる。以上のことから、入力データ
の組、Ｖ，φ，ｚ，αまたはＩ，φ，ｚ，αを入力すれ
ば、最適パラメータの組、Ｉ，ｓ，ＰＰ，ＩＰ，ＤＰま
たはＶ，ｓ，ＰＰ，ＩＰ，ＤＰが計算できる。
【００２２】
【数２】Ｉ＝ｆ1 （Ｖ，φ，ｚ） Ｖ＝ｆ2 （Ｉ，φ，ｚ） ただし、Ｉ：トンネル電流値 Ｖ：試料−探針間のバイアス電圧 φ：仕事関数 ｚ：試料−探針間の距離
【００２３】
【数３】
【００２４】
【数４】ｓ＝ｇ（φ，ｚ） ＰＰ＝ｈ1 （ｓ，α） ＩＰ＝ｈ2 （ｓ，α） ＤＰ＝ｈ3 （ｓ，α） ただし、ｓ：走査速度 ＰＰ：比例動作パラメータ ＩＰ：積分動作パラメータ ＤＰ：微分動作パラメータ 入力するデータは上記のデータの代りに上記のデータに
関連する他のデータを選ぶこともできる。例えば、試料
の最大高さや面粗さを選ぶこともできる。また、他の依
存関係を考慮して、より複雑な関係式を用いて計算する
こともできる。
関連する他のデータを選ぶこともできる。例えば、試料
の最大高さや面粗さを選ぶこともできる。また、他の依
存関係を考慮して、より複雑な関係式を用いて計算する
こともできる。
【００２５】第３の実施例を図６を参照して説明する。
この実施例では、データ入力部９はマンマシンインター
フェイスと予備測定を行う走査型トンネル顕微鏡からな
り、条件判定部１０は、入力データを予め用意されたデ
ータテーブルと参照することにより条件判定を行う。こ
の場合、入力データにおいて、走査型トンネル顕微鏡の
予備走査を補助的に用いる。
この実施例では、データ入力部９はマンマシンインター
フェイスと予備測定を行う走査型トンネル顕微鏡からな
り、条件判定部１０は、入力データを予め用意されたデ
ータテーブルと参照することにより条件判定を行う。こ
の場合、入力データにおいて、走査型トンネル顕微鏡の
予備走査を補助的に用いる。
【００２６】まず、探針−試料間の距離を十分に離し
（十分大きくバイアス電圧と目標電流値を設定する）、
制御系のパラメータも十分安全なパラメータを選び、十
分遅い速度で試料１を予備走査する。その時は、試料全
体の傾向を調べるためなので、走査幅全域を精密に走査
する必要はなく、必要なサンプリング点数より少ないサ
ンプリング点数で測定することで、測定時間を短くでき
る。つまり通常、５１２×５１２点の測定を行うなら
ば、１２８×１２８点の予備走査でもよい。この予備走
査で、表面の形状の情報、すなわち試料の最大傾斜角α
が得られる。このデータと測定者が試料１の材質Ｗ、探
針１の材質Ｔ、走査幅ａのデータをマンマシンインター
フェイスより入力することにより、すでに第１の実施例
で説明したように、用意されたデータテーブルを用いて
最適条件を決定することができる。
（十分大きくバイアス電圧と目標電流値を設定する）、
制御系のパラメータも十分安全なパラメータを選び、十
分遅い速度で試料１を予備走査する。その時は、試料全
体の傾向を調べるためなので、走査幅全域を精密に走査
する必要はなく、必要なサンプリング点数より少ないサ
ンプリング点数で測定することで、測定時間を短くでき
る。つまり通常、５１２×５１２点の測定を行うなら
ば、１２８×１２８点の予備走査でもよい。この予備走
査で、表面の形状の情報、すなわち試料の最大傾斜角α
が得られる。このデータと測定者が試料１の材質Ｗ、探
針１の材質Ｔ、走査幅ａのデータをマンマシンインター
フェイスより入力することにより、すでに第１の実施例
で説明したように、用意されたデータテーブルを用いて
最適条件を決定することができる。
【００２７】第４の実施例を同じく図４を参照して説明
する。この実施例では、従来の走査型トンネル顕微鏡と
前述の自動設定系に加えて、走査型トンネル顕微鏡の走
査領域と同じ領域あるいはその領域を包含する領域を測
定する走査型電子顕微鏡からなる構成を有する。ここ
で、データ入力部９はマンマシンインターフェイスと予
備測定を行う走査型電子顕微鏡からなり、条件判定部１
０は、入力データを予め用意されたデータテーブルと参
照することにより条件判定を行う。この場合、入力デー
タにおいて、走査型電子顕微鏡の測定を補助的に用い
る。
する。この実施例では、従来の走査型トンネル顕微鏡と
前述の自動設定系に加えて、走査型トンネル顕微鏡の走
査領域と同じ領域あるいはその領域を包含する領域を測
定する走査型電子顕微鏡からなる構成を有する。ここ
で、データ入力部９はマンマシンインターフェイスと予
備測定を行う走査型電子顕微鏡からなり、条件判定部１
０は、入力データを予め用意されたデータテーブルと参
照することにより条件判定を行う。この場合、入力デー
タにおいて、走査型電子顕微鏡の測定を補助的に用い
る。
【００２８】走査型トンネル顕微鏡の走査領域を予め走
査型電子顕微鏡で測定することにより、試料１の最大傾
斜角αを得ることができる。例えば、走査型電子顕微鏡
の２次電子検出器を複数の箇所に設置して、その複数の
信号量を演算することにより、試料１の形状の情報を得
ることができる。得られた試料１の表面の最大傾斜角α
を入力データの一つとして用いる。このデータと測定者
が試料１の材質Ｗ、探針２の材質Ｔ、走査幅ａのデータ
をマンマシンインターフェイスより入力することによ
り、すでに第１の実施例で説明したように、用意された
データテーブルを用いて最適条件を決定することができ
る。
査型電子顕微鏡で測定することにより、試料１の最大傾
斜角αを得ることができる。例えば、走査型電子顕微鏡
の２次電子検出器を複数の箇所に設置して、その複数の
信号量を演算することにより、試料１の形状の情報を得
ることができる。得られた試料１の表面の最大傾斜角α
を入力データの一つとして用いる。このデータと測定者
が試料１の材質Ｗ、探針２の材質Ｔ、走査幅ａのデータ
をマンマシンインターフェイスより入力することによ
り、すでに第１の実施例で説明したように、用意された
データテーブルを用いて最適条件を決定することができ
る。
【００２９】前述の第３及び第４の実施例のフローチャ
ートは、両者を混合した状態で図６に示されている。こ
の２つの実施例は、試料の最大傾斜角が未知のものにつ
いて、特に有効な手段となる。また、条件判定部のアル
ゴリズムとして、データテーブルを用いる代りに、第２
の実施例で説明したような関係式を用いることも可能で
ある。
ートは、両者を混合した状態で図６に示されている。こ
の２つの実施例は、試料の最大傾斜角が未知のものにつ
いて、特に有効な手段となる。また、条件判定部のアル
ゴリズムとして、データテーブルを用いる代りに、第２
の実施例で説明したような関係式を用いることも可能で
ある。
【００３０】第５の実施例を図７を参照して説明する。
この実施例では、データ入力部９は、予備測定を行う走
査型トンネル顕微鏡からなり、条件判定部１０は、測定
条件や制御条件を変化させながら予備測定を行い、測定
される誤差量を十分小さい量にするような条件を選定す
ることにより条件判定を行う。
この実施例では、データ入力部９は、予備測定を行う走
査型トンネル顕微鏡からなり、条件判定部１０は、測定
条件や制御条件を変化させながら予備測定を行い、測定
される誤差量を十分小さい量にするような条件を選定す
ることにより条件判定を行う。
【００３１】図７に第５の実施例のフローチャートを示
す。まず、探針を走査せずに１点で制御した状態から測
定条件と制御条件の最適値を求める。この状態のとき、
探針−試料間に流れるトンネル電流は、例えば図８のよ
うになっている。この波形のもつ特性を示すある量が最
適状態の波形の特性を示す量に近づくようにバイアス電
圧Ｖ、目標電流値Ｉ、制御条件ＰＰ，ＩＰ，ＤＰをゆっ
くり変化させる。その中から、最も最適状態の波形に近
い状態を示す時の条件を最適条件とする。例えば、特性
量として、（数５）のように、電流誤差量ΔＥに着目し
て、この値が最小値をとるとき、または予め定めた一定
値以下になるときの測定条件、制御条件を最適条件と判
定する。
す。まず、探針を走査せずに１点で制御した状態から測
定条件と制御条件の最適値を求める。この状態のとき、
探針−試料間に流れるトンネル電流は、例えば図８のよ
うになっている。この波形のもつ特性を示すある量が最
適状態の波形の特性を示す量に近づくようにバイアス電
圧Ｖ、目標電流値Ｉ、制御条件ＰＰ，ＩＰ，ＤＰをゆっ
くり変化させる。その中から、最も最適状態の波形に近
い状態を示す時の条件を最適条件とする。例えば、特性
量として、（数５）のように、電流誤差量ΔＥに着目し
て、この値が最小値をとるとき、または予め定めた一定
値以下になるときの測定条件、制御条件を最適条件と判
定する。
【００３２】次に、走査時の波形から、すでに述べたよ
うに、波形の特性量に着目して、走査速度を除々に速く
して、最適状態に十分近いものを選ぶ。十分遅い走査速
度から始め、少しづつ速い走査速度で測定を行い、それ
ぞれの状態で電流誤差量ΔＥを求める。このΔＥをある
一定値以下にする走査速度のうち最も速い走査速度を最
適条件と判定する。以上で各最適条件が求まる。
うに、波形の特性量に着目して、走査速度を除々に速く
して、最適状態に十分近いものを選ぶ。十分遅い走査速
度から始め、少しづつ速い走査速度で測定を行い、それ
ぞれの状態で電流誤差量ΔＥを求める。このΔＥをある
一定値以下にする走査速度のうち最も速い走査速度を最
適条件と判定する。以上で各最適条件が求まる。
【００３３】以上のＶ，Ｉ，ＰＰ，ＩＰ，ＤＰ，ｓの各
値について、一番最初にどの値から始め、どのくらいづ
つ変化させるかは、装置の特性を考慮した固定の値を設
定しておくことも、また、第１の実施例のように、入力
されたデータとデータテーブルから初期値や変化値を求
めるようにすることも、第２の実施例のように、関数よ
り求めるようにすることもできる。
値について、一番最初にどの値から始め、どのくらいづ
つ変化させるかは、装置の特性を考慮した固定の値を設
定しておくことも、また、第１の実施例のように、入力
されたデータとデータテーブルから初期値や変化値を求
めるようにすることも、第２の実施例のように、関数よ
り求めるようにすることもできる。
【００３４】あるいは、最適走査速度を求めるには、
Ｖ，Ｉ，ＰＰ，ＩＰ，ＤＰの最適値が求まった時点で、
第３の実施例で説明したように、試料を十分ゆっくり走
査して、試料の最大傾斜角αを求め、この値とすでに決
定した条件から、走査速度を決定することもできる。例
えば、数式４のような関係から求めることができる。
Ｖ，Ｉ，ＰＰ，ＩＰ，ＤＰの最適値が求まった時点で、
第３の実施例で説明したように、試料を十分ゆっくり走
査して、試料の最大傾斜角αを求め、この値とすでに決
定した条件から、走査速度を決定することもできる。例
えば、数式４のような関係から求めることができる。
【００３５】また、停止時の最適状態と走査時の最適状
態が若干違うときは、走査時の波形の特性量により測定
条件や制御条件（Ｖ，Ｉ，ＰＰ，ＩＰ，ＤＰ）をもう一
度微調整することより、より適切な条件を設定できる。
態が若干違うときは、走査時の波形の特性量により測定
条件や制御条件（Ｖ，Ｉ，ＰＰ，ＩＰ，ＤＰ）をもう一
度微調整することより、より適切な条件を設定できる。
【００３６】また、探針−試料間に流れるトンネル電流
の波形のもつ特性を示す量については、電流誤差量だけ
ではなく、他の特性も考慮することもできる。例えば、
図８における電流波形の卓越周波数を特性量に加えるこ
ともできる。
の波形のもつ特性を示す量については、電流誤差量だけ
ではなく、他の特性も考慮することもできる。例えば、
図８における電流波形の卓越周波数を特性量に加えるこ
ともできる。
【００３７】
【数５】
【００３８】また、以上の５つの実施例は、本発明の走
査型トンネル顕微鏡の実施例について述べたが、測定条
件である目標電流値を目標原子間力の値あるいはその他
の相互作用の値と置き換えることによって、走査型原子
間力顕微鏡あるいはその他の類似の測定装置についても
同様に適用できる。
査型トンネル顕微鏡の実施例について述べたが、測定条
件である目標電流値を目標原子間力の値あるいはその他
の相互作用の値と置き換えることによって、走査型原子
間力顕微鏡あるいはその他の類似の測定装置についても
同様に適用できる。
【００３９】
【発明の効果】本発明によれば、入力データに従って、
測定条件や制御条件などの諸条件を自動的に設定するこ
とができ、熟練した測定者以外の者でも迅速かつ精度の
高い測定を行うことができる。
測定条件や制御条件などの諸条件を自動的に設定するこ
とができ、熟練した測定者以外の者でも迅速かつ精度の
高い測定を行うことができる。
【図１】本発明による走査型トンネル顕微鏡の実施例の
構成を示す図である。
構成を示す図である。
【図２】本発明による走査型トンネル顕微鏡の実施例の
基本動作のフローチャートである。
基本動作のフローチャートである。
【図３】本発明による走査型トンネル顕微鏡の第１実施
例のフローチャートである。
例のフローチャートである。
【図４】本発明による走査型トンネル顕微鏡の第１実施
例に用いるデータテーブルの一例を示す図である。
例に用いるデータテーブルの一例を示す図である。
【図５】本発明による走査型トンネル顕微鏡の第２実施
例のフローチャートである。
例のフローチャートである。
【図６】本発明による走査型トンネル顕微鏡の第３及び
第４の実施例のフローチャートである。
第４の実施例のフローチャートである。
【図７】本発明による走査型トンネル顕微鏡の第５実施
例のフローチャートである。
例のフローチャートである。
【図８】走査型トンネル顕微鏡の測定時において電流値
の時間変化を示す図である。
の時間変化を示す図である。
１ …試料 ２ …探針 ３ …ｚ方向微動部 ４ …ｘｙ微動部 ５ …制御系 ６ …ｘｙ走査系 ７ …画像処理系 ８ …自動条件設定系 ９ …データ入力部 １０ …条件判定部 １１ …設定条件出力部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 理 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社 日立製作所 那珂工場内 (72)発明者 福原 悟 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社 日立製作所 那珂工場内 (72)発明者 橋本 昭 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社 土浦工場内 (56)参考文献 特開 平３−18703（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−172509（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/00 - 7/34
Claims (7)
- 【請求項１】 原子的なレベルの距離間隔で接近された
探針と試料の間の相互作用を利用して試料の表面の形状
や性質を測定する走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間
力顕微鏡、或いは走査型磁気力顕微鏡において、 走査幅に関する情報を入力するとともに、試料の材質、
試料の表面形状、試料の面粗さ、試料の最大高さ、及び
試料の最大傾斜角のうちの少なくとも一つに関する情報
を入力するデータ入力部と、 前記データ入力部により入力された走査幅に関する情報
と、試料の材質、試料の表面形状、試料の面粗さ、試料
の最大高さ、及び試料の最大傾斜角のうちの少なくとも
一つに関する情報とに基づいて、走査速度、短針−試料
間のバイアス電圧、トンネル電流の目標電流値、目標原
始間力、及び制御系のサーボパラメータのうちの少なく
とも一つを設定する条件判定部と、 を備えることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡、走査
型原子間力顕微鏡、或いは走査型磁気力顕微鏡。 - 【請求項２】 請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡、
走査型原子間力顕微鏡、或いは走査型磁気力顕微鏡にお
いて、前記条件判定部により設定された条件を関連する
各部に出力する設定条件出力部を備えることを特徴とす
る走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡、或い
は走査型磁気力顕微鏡。 - 【請求項３】 請求項２記載の走査型トンネル顕微鏡、
走査型原子間力顕微鏡、或いは走査型磁気力顕微鏡にお
いて、前記データ入力部は、試料の材質と形状に関連す
るデータや走査範囲などを測定者が直接入力するマンマ
シンインターフェイスであることを特徴とする走査型ト
ンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡、或いは走査型磁
気力顕微鏡。 - 【請求項４】 請求項２記載の走査型トンネル顕微鏡、
走査型原子間力顕微鏡、或いは走査型磁気力顕微鏡にお
いて、前記データ入力部は、測定試料を走査型トンネル
顕微鏡で予備的に走査することによりデータ入力を行う
ことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間
力顕微鏡、或いは走査型磁気力顕微鏡。 - 【請求項５】 請求項２記載の走査型トンネル顕微鏡、
走査型原子間力顕微鏡、或いは走査型磁気力顕微鏡にお
いて、データ入力部は、測定試料を走査型電子顕微鏡で
測定することによりデータ入力を行うことを特徴とする
走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡、或いは
走査型磁気力顕微鏡。 - 【請求項６】 請求項２記載の走査型トンネル顕微鏡、
走査型原子間力顕微鏡、或いは走査型磁気力顕微鏡にお
いて、前記条件判定部は、入力データを予め用意された
データテーブルと参照することにより条件判定を行うこ
とを特徴とする走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力
顕微鏡、或いは走査型磁気力顕微鏡。 - 【請求項７】 請求項２記載の走査型トンネル顕微鏡、
走査型原子間力顕微鏡、或いは走査型磁気力顕微鏡にお
いて、前記条件判定部は、入力データを予め設定された
関数に代入することにより条件判定を行うことを特徴と
する走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡、或
いは走査型磁気力顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4022871A JP3065768B2 (ja) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | 走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡及び類似の測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4022871A JP3065768B2 (ja) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | 走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡及び類似の測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05223519A JPH05223519A (ja) | 1993-08-31 |
| JP3065768B2 true JP3065768B2 (ja) | 2000-07-17 |
Family
ID=12094761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4022871A Expired - Fee Related JP3065768B2 (ja) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | 走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡及び類似の測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3065768B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9408671B2 (en) | 2011-12-08 | 2016-08-09 | Parker Laboratories, Inc. | Biopsy grid |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1637845A2 (en) | 2004-09-15 | 2006-03-22 | Mitutoyo Corporation | Control parameter setting method in a measurement system |
| DE102007004423A1 (de) * | 2007-01-23 | 2008-07-31 | Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh | Steuerung eines Betriebes eines Koordinatenmessgerätes |
| JP2018173310A (ja) * | 2017-03-31 | 2018-11-08 | 国立大学法人京都工芸繊維大学 | 測定精度の評価方法、弾性率の測定方法、プログラム、および走査型プローブ顕微鏡システム |
-
1992
- 1992-02-07 JP JP4022871A patent/JP3065768B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9408671B2 (en) | 2011-12-08 | 2016-08-09 | Parker Laboratories, Inc. | Biopsy grid |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05223519A (ja) | 1993-08-31 |
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