JP3118106B2 - Probe scanning method and probe scanning device for scanning probe microscope - Google Patents

Probe scanning method and probe scanning device for scanning probe microscope

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JP3118106B2
JP3118106B2 JP04353551A JP35355192A JP3118106B2 JP 3118106 B2 JP3118106 B2 JP 3118106B2 JP 04353551 A JP04353551 A JP 04353551A JP 35355192 A JP35355192 A JP 35355192A JP 3118106 B2 JP3118106 B2 JP 3118106B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は走査型探針顕微鏡の探針
走査方法および探針走査装置に関し、特に、単一の微動
機構を用いて走査範囲が広い場合および狭い場合のいず
れにおいても常に同じ高い測定分解能での測定を可能に
する走査型探針顕微鏡の探針走査方法および探針走査装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a probe scanning method and a probe scanning apparatus for a scanning probe microscope, and more particularly, to a probe scanning method using a single fine movement mechanism, regardless of whether the scanning range is wide or narrow. The present invention relates to a probe scanning method and a probe scanning device of a scanning probe microscope that enable measurement with the same high measurement resolution.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型探針顕微鏡は、一般的に、試料の
測定対象領域に対し極めて小さい間隔で接近させた探針
を有し、この探針で試料表面を走査しながら例えば探針
と試料表面の間に作用する物理量を検出し、この物理量
を利用して試料表面の微細凹凸形状を測定する機能を有
する。走査型探針顕微鏡では利用する物理量に応じて各
種タイプが存在し、例えばトンネル電流を利用する走査
型トンネル顕微鏡(以下STMという)や原子間力を利
用する原子間力顕微鏡が代表的な装置である。以下で
は、説明の便宜上STMを例にとって説明する。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope generally has a probe which is brought close to an area to be measured of a sample at a very small interval. It has a function of detecting a physical quantity acting between sample surfaces and measuring a fine uneven shape on the sample surface using the physical quantity. There are various types of scanning probe microscopes depending on the physical quantity to be used. For example, a scanning tunneling microscope (hereinafter referred to as STM) using a tunnel current and an atomic force microscope using an atomic force are typical devices. is there. Hereinafter, an STM will be described as an example for convenience of description.

【0003】従来のSTMの要部構成を、図7を参照し
て説明する。図7において51は試料、52は試料51
の表面に臨む探針、53は探針51を取り付ける微動機
構である。微動機構53は、一体型の3次元微動機構で
あり、互いに直角に配置された3つの棒状の圧電素子5
4,55,56を有する。圧電素子54はX軸方向用ア
クチュエータ、圧電素子55はY軸方向用アクチュエー
タ、圧電素子56はZ軸方向用のアクチュエータであ
る。圧電素子54,55は探針52を試料表面に沿って
走査させる作用を有し、圧電素子56は探針・試料間の
距離を調整する作用を有する。
A configuration of a main part of a conventional STM will be described with reference to FIG. 7, reference numeral 51 denotes a sample, and 52 denotes a sample 51.
And 53, a fine movement mechanism for attaching the probe 51. The fine movement mechanism 53 is an integrated three-dimensional fine movement mechanism, and includes three rod-shaped piezoelectric elements 5 arranged at right angles to each other.
4,55,56. The piezoelectric element 54 is an actuator for the X-axis direction, the piezoelectric element 55 is an actuator for the Y-axis direction, and the piezoelectric element 56 is an actuator for the Z-axis direction. The piezoelectric elements 54 and 55 have the function of scanning the probe 52 along the sample surface, and the piezoelectric element 56 has the function of adjusting the distance between the probe and the sample.

【0004】探針52と試料51の間には、電源57に
よって数ボルトのバイアス電圧が印加される。探針・試
料間にバイアス電圧が印加された状態で、探針52が試
料51の表面にオングストローム単位の距離にて接近す
ると探針・試料間にトンネル電流Iが流れる。このトン
ネル電流Iは、探針52と試料51の間の距離と指数関
数的な関係を有する。トンネル電流Iは、トンネル電流
検出・変換回路58で検出され、探針・試料間の距離に
対応する電圧に変換される。距離に対応する当該電圧
は、Z軸サーボ回路59に供給される。Z軸サーボ回路
59は、探針・試料間の距離を、予め設定された一定距
離に保持するため、圧電素子56の伸縮量を制御するた
めの回路である。Z軸サーボ回路59は、内部に前記一
定距離に対応する基準電圧を有し、トンネル電流検出・
変換回路58から供給される検出電圧を基準電圧と比較
し、当該検出電圧が基準電圧と一致するように探針52
のZ軸方向の位置を変化させるための制御信号を圧電素
子56の駆動信号として出力する。これにより、探針・
試料間の距離を予め設定された一定距離に保持する。
[0004] A bias voltage of several volts is applied between the probe 52 and the sample 51 by a power supply 57. When a bias voltage is applied between the probe and the sample and the probe 52 approaches the surface of the sample 51 at a distance of angstrom unit, a tunnel current I flows between the probe and the sample. This tunnel current I has an exponential relationship with the distance between the probe 52 and the sample 51. The tunnel current I is detected by a tunnel current detection / conversion circuit 58 and is converted into a voltage corresponding to the distance between the probe and the sample. The voltage corresponding to the distance is supplied to the Z-axis servo circuit 59. The Z-axis servo circuit 59 is a circuit for controlling the amount of expansion and contraction of the piezoelectric element 56 in order to maintain the distance between the probe and the sample at a predetermined constant distance. The Z-axis servo circuit 59 has a reference voltage corresponding to the certain distance inside, and detects a tunnel current.
The detection voltage supplied from the conversion circuit 58 is compared with a reference voltage, and the probe 52 is adjusted so that the detection voltage matches the reference voltage.
Is output as a drive signal for the piezoelectric element 56. This allows the probe
The distance between the samples is kept at a predetermined constant distance.

【0005】60はXY走査回路、61はXY走査制御
部である。XY走査制御部61は、X軸方向およびY軸
方向のそれぞれについて独立に圧電素子54,55の伸
縮動作を制御するための信号をディジタル信号として生
成し出力する。XY走査回路60では、X軸圧電素子5
4とY軸圧電素子55のそれぞれに対し、X軸D/Aコ
ンバータ62Xとアンプ63Xの組、Y軸D/Aコンバ
ータ62Yとアンプ63Yの組が備えられる。各A/D
コンバータ62X,62Yはバスラインでその入力側に
与えられる所定ビット数のディジタル制御信号をアナロ
グ信号に変換し、各アンプ63X,63Yはこのアナロ
グ信号を駆動信号レベルまで増幅する。XY走査回路6
0のこれらの組をなす回路は、XY走査制御部61から
与えられた各ディジタル信号を、圧電素子を動作させる
アナログ駆動信号に変換し、対応する圧電素子54,5
5に供給する。
Reference numeral 60 denotes an XY scanning circuit, and reference numeral 61 denotes an XY scanning control unit. The XY scanning controller 61 generates and outputs digital signals for controlling the expansion and contraction of the piezoelectric elements 54 and 55 independently in the X-axis direction and the Y-axis direction. In the XY scanning circuit 60, the X-axis piezoelectric element 5
A set of an X-axis D / A converter 62X and an amplifier 63X and a set of a Y-axis D / A converter 62Y and an amplifier 63Y are provided for each of the Y-axis piezoelectric element 55 and the Y-axis piezoelectric element 55. Each A / D
The converters 62X and 62Y convert a digital control signal of a predetermined number of bits applied to the input side of the bus line into an analog signal, and the amplifiers 63X and 63Y amplify the analog signal to a drive signal level. XY scanning circuit 6
The circuits forming these sets of 0 convert each digital signal provided from the XY scan control unit 61 into an analog drive signal for operating the piezoelectric element, and the corresponding piezoelectric element 54,5.
5

【0006】上記の微動機構53の各圧電素子54〜5
6と、各圧電素子54〜56の伸縮動作を制御するZ軸
サーボ回路59とXY走査制御部61の構成とに基づい
て、探針52は、試料51の測定面を走査すると共にそ
の高さ位置が調整される。圧電素子56を介して探針5
2の高さを調整するZ軸サーボ回路59の制御量は、試
料表面の高さ情報として測定データ記憶部64に取り込
まれる。またXY走査回路60の各アンプ63X,63
Yから出力される信号量は、探針52の走査位置情報と
して測定データ記憶部64に取り込まれる。このように
して得られる探針52の移動に関するX,Y,Zの空間
座標データに基づいて、データ処理部65は試料51の
走査面の各位置における表面凹凸情報を得る。かかる表
面凹凸情報は、画像として表示装置66の画面に表示さ
れ、その後において表面解析に使用される。
Each of the piezoelectric elements 54 to 5 of the fine movement mechanism 53
6 and the configuration of the Z-axis servo circuit 59 for controlling the expansion and contraction operation of each of the piezoelectric elements 54 to 56 and the configuration of the XY scanning controller 61, the probe 52 scans the measurement surface of the sample 51 and its height. The position is adjusted. The probe 5 via the piezoelectric element 56
The control amount of the Z-axis servo circuit 59 for adjusting the height of 2 is taken into the measurement data storage unit 64 as height information of the sample surface. The amplifiers 63X and 63 of the XY scanning circuit 60
The signal amount output from Y is taken into the measurement data storage unit 64 as scanning position information of the probe 52. The data processing unit 65 obtains surface unevenness information at each position on the scan surface of the sample 51 based on the spatial coordinate data of X, Y, and Z relating to the movement of the probe 52 obtained in this manner. Such surface unevenness information is displayed as an image on the screen of the display device 66, and is subsequently used for surface analysis.

【0007】なお上記の構成において、例えばXY走査
制御部61、測定データ記憶部64、データ処理部65
は、コンピュータからなる演算・制御部67において、
機能手段としてソフト的に実現される。
In the above configuration, for example, the XY scanning control section 61, the measurement data storage section 64, the data processing section 65
Is a calculation / control unit 67 including a computer.
It is realized as software as a functional means.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】前述した従来のSTM
におけるXY走査回路60の回路構成に基づけば、ST
Mの測定分解能に関し、次のような問題が提起される。
ここでSTMの測定分解能とは、表示装置66の画面上
に測定面の凹凸像を表示するにあたり、画像を描くため
の目盛りの細かさ、換言すれば、測定データのサンプリ
ング数をいう。この測定分解能は、走査用圧電素子のス
トロークの変化単位量すなわち走査ピッチで決定される
ので、走査精度ということもできる。
The conventional STM described above.
Based on the circuit configuration of the XY scanning circuit 60 in ST,
Regarding the measurement resolution of M, the following problems are raised.
Here, the measurement resolution of the STM refers to the fineness of a scale for drawing an image when displaying an uneven image of the measurement surface on the screen of the display device 66, in other words, the number of samplings of the measurement data. Since the measurement resolution is determined by the unit of change of the stroke of the scanning piezoelectric element, that is, the scanning pitch, it can also be called the scanning accuracy.

【0009】微動機構53における走査用圧電素子5
4,55で、そのストロークを最大に変化させることの
できる段階数は、D/Aコンバータ62X,62Yで取
り扱えるディジタル信号のビット数に基づいて決められ
る。例えばこのビット数が16ビットの場合には、状態
を216通りに連続的に変化させることができるので、段
階数は216=65536となる。また圧電素子54,5
5のストロークを変化させる場合において、ストローク
を変化させる走査ピッチは、最大ストローク(フルスト
ローク)を前記段階数(216=65536)で割ること
により求まる。この走査ピッチを、以下「最小走査ピッ
チ」という。最小走査ピッチは、D/Aコンバータ62
X,62Yの1 digitに対応し、従来の走査回路の構成
では、最小走査ピッチは常に一定値に保持される。一
方、圧電素子54,55における印加電圧すなわちアン
プ63X,63Yの出力電圧に関連づけて考えると、例
えば印加電圧の範囲が0〜100ボルトであるとき、圧
電素子のストロークを変えるため印加電圧を変化させる
単位電圧も、100ボルトを前記段階数で割ることによ
って、固定的に決まっている。
The scanning piezoelectric element 5 in the fine movement mechanism 53
In 4,55, the number of stages that can change the stroke to the maximum is determined based on the number of bits of the digital signal that can be handled by the D / A converters 62X and 62Y. For example, when the number of bits is 16 bits, the state can be continuously changed in 2 16 ways, so that the number of stages is 2 16 = 65536. Also, the piezoelectric elements 54 and 5
In the case of changing the stroke of No. 5, the scanning pitch for changing the stroke is obtained by dividing the maximum stroke (full stroke) by the number of steps (2 16 = 65536). This scanning pitch is hereinafter referred to as “minimum scanning pitch”. The minimum scanning pitch is the D / A converter 62
In the configuration of the conventional scanning circuit corresponding to 1 digit of X and 62Y, the minimum scanning pitch is always kept at a constant value. On the other hand, when considering the applied voltage at the piezoelectric elements 54 and 55, that is, the output voltages of the amplifiers 63X and 63Y, for example, when the range of the applied voltage is 0 to 100 volts, the applied voltage is changed to change the stroke of the piezoelectric element. The unit voltage is also fixedly determined by dividing 100 volts by the number of steps.

【0010】従って、圧電素子54,55の伸縮動作に
基づいて試料51の表面を走査し測定を行う場合に、各
圧電素子54,55の伸縮動作に関し設定されたストロ
ークの大きさ(以下走査幅という)に基づいて、X軸方
向およびY軸方向の走査精度、換言すれば測定分解能が
決まる。例えば試料表面における走査範囲を、圧電素子
54,55の各走査幅を最大ストロークとして、この最
大ストロークで定まる走査範囲であると仮定する。この
走査で得られる測定データを用いて表示装置66の画面
に走査面の凹凸像を表示すると、最小走査ピッチで決ま
るサンプリング数の測定データで画像を作成できる。従
って測定データの数は最大になり、最も分解能の高い測
定となる。また試料表面における走査範囲を、圧電素子
54,55の各走査幅を最大ストロークよりも小さいス
トロークとして、このストロークで定まる走査範囲であ
ると仮定する。この場合には、走査ピッチは上記と同じ
最小走査ピッチであるので、走査で得られる測定データ
の数が少なくなり、そのため測定分解能が低くなる。こ
のように、圧電素子54,55の各走査幅が小さくなる
ほど、表示画面に表示される画像の精度は粗くなる。
Therefore, when scanning and measuring the surface of the sample 51 based on the expansion and contraction operation of the piezoelectric elements 54 and 55, the size of the stroke set for the expansion and contraction operation of each of the piezoelectric elements 54 and 55 (hereinafter referred to as the scanning width) ), The scanning accuracy in the X-axis direction and the Y-axis direction, in other words, the measurement resolution is determined. For example, it is assumed that the scanning range on the sample surface is a scanning range determined by the maximum stroke with each scanning width of the piezoelectric elements 54 and 55 being the maximum stroke. When an uneven image of the scanning surface is displayed on the screen of the display device 66 using the measurement data obtained by this scanning, an image can be created with the measurement data of the sampling number determined by the minimum scanning pitch. Therefore, the number of measurement data is maximized, and the measurement has the highest resolution. Further, it is assumed that the scanning range on the sample surface is a scanning range determined by this stroke, with each scanning width of the piezoelectric elements 54 and 55 being a stroke smaller than the maximum stroke. In this case, since the scanning pitch is the same minimum scanning pitch as described above, the number of measurement data obtained by scanning decreases, and the measurement resolution decreases. As described above, the smaller the scanning width of the piezoelectric elements 54 and 55, the lower the accuracy of the image displayed on the display screen.

【0011】次に、上記の内容について定量的な説明を
加える。例えば、設定されたX軸方向の走査幅(以下X
軸走査幅という)をX軸方向の最大ストローク(以下X
軸最大ストロークという)の1/10とする場合には、
X軸走査幅の走査に関して、X軸D/Aコンバータ62
Xの特性で決まる最高の測定分解能の1/10しか使用
していないことになる。すなわち、X軸最大ストローク
に対してその走査幅が小さければ小さいほど、分解能が
劣化する。X軸D/Aコンバータ62Xで与えられる最
高の測定分解能がX1であるとするとき、設定されるX
軸走査幅に応じて測定分解能Xaは次式で与えられる。
Next, the above contents will be described quantitatively. For example, a set scan width in the X-axis direction (hereinafter referred to as X
Axis scan width) is the maximum stroke in the X-axis direction (hereinafter X
In the case of 1/10 of the maximum shaft stroke),
Regarding the scanning of the X-axis scanning width, the X-axis D / A converter 62
This means that only 1/10 of the highest measurement resolution determined by the characteristic of X is used. That is, the smaller the scanning width of the X-axis maximum stroke, the lower the resolution. Assuming that the highest measurement resolution provided by X-axis D / A converter 62X is X1, X
The measurement resolution Xa is given by the following equation according to the axial scanning width.

【数1】Xa=X1×(X軸走査幅)/(X軸の最大ス
トローク) このことは、Y軸方向の走査幅の設定においても同様に
して成り立つ。すなわち、Y軸方向の最高の測定分解能
Y1および測定分解能Yaに関して次の式が成立する。
Xa = X1 × (X-axis scanning width) / (maximum stroke of X-axis) This holds true in the setting of the scanning width in the Y-axis direction. That is, the following expression holds for the highest measurement resolution Y1 and the maximum measurement resolution Ya in the Y-axis direction.

【数2】Ya=Y1×(Y軸走査幅)/(Y軸の最大ス
トローク)
## EQU2 ## Ya = Y1.times. (Y-axis scanning width) / (Maximum stroke of Y-axis)

【0012】上記のごとく従来のSTMでは、D/Aコ
ンバータ62X,62Yの特性によって測定分解能が規
定され、走査用圧電素子による走査幅を最大ストローク
で使っている間は高い測定分解能を保持できて問題ない
が、走査幅が最大ストロークよりも小さくなると、走査
幅が小さくなるほどその測定分解能が低下するという問
題を有する。
As described above, in the conventional STM, the measurement resolution is defined by the characteristics of the D / A converters 62X and 62Y, and a high measurement resolution can be maintained while the scanning width of the scanning piezoelectric element is used at the maximum stroke. Although there is no problem, when the scanning width is smaller than the maximum stroke, there is a problem that the measuring resolution is reduced as the scanning width becomes smaller.

【0013】また一般的に、微動機構では、走査用圧電
素子のストロークの大きさに応じて測定対象領域の広さ
が決まる。例えば、最大数μmのストロークを有する圧
電素子では高い分解能で測定できるが、広い領域を測定
できない。反対に、最大数十μmのストロークを有する
圧電素子では、広い領域を測定できるが、原子レベルの
高い分解能を期待することできない。そこで、従来のS
TMでは、各種範囲の測定を可能にするため、複数種類
の微動機構を用意し、これらを必要に応じて選択して使
用していた。従って、構造が複雑になると共に、部品点
数が多くなり、コストが高くなるという問題を有してい
た。
In general, in the fine movement mechanism, the size of the measurement target area is determined according to the size of the stroke of the scanning piezoelectric element. For example, a piezoelectric element having a maximum stroke of several μm can measure at a high resolution, but cannot measure a wide area. Conversely, a piezoelectric element having a maximum stroke of several tens of μm can measure a wide area, but cannot expect a high resolution at the atomic level. Therefore, the conventional S
In TM, a plurality of types of fine movement mechanisms were prepared to enable measurement in various ranges, and these were selected and used as needed. Therefore, there is a problem that the structure becomes complicated, the number of parts increases, and the cost increases.

【0014】本発明の目的は、単一の微動機構を用い
て、原子レベルの走査幅の走査範囲から数十μmの比較
的広い走査幅の走査範囲に対し常に同じ高い測定分解能
で測定できる走査型探針顕微鏡の探針走査方法および探
針走査装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a scanning device capable of always performing measurement with the same high measurement resolution from a scanning range having a scanning width of an atomic level to a scanning range having a relatively wide scanning width of several tens of μm using a single fine movement mechanism. An object of the present invention is to provide a probe scanning method and a probe scanning device for a probe microscope.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型探針
顕微鏡の探針走査方法および探針走査装置は、次のよう
に構成される。試料表面で探針に走査を行わせるための
圧電素子に関連してD/Aコンバータとアンプを含む走
査回路を設け、走査制御部から与えられた走査制御用デ
ィジタル信号をD/Aコンバータでアナログ信号に変換
し、このアナログ信号をアンプで増幅して駆動信号に変
え、この駆動信号を圧電素子に与えて探針を移動させる
ことで探針を走査させる方法であり、この方法におい
て、さらに、D/Aコンバータの出力側にその出力信号
を増幅する可変ゲインアンプを付加し、これにより、圧
電素子の最大ストロークで決まる最大走査範囲の中で走
査範囲を任意に設定したとき、この走査範囲に対応して
決まる圧電素子の走査幅とその最大ストロークとの比に
基づいて、D/Aコンバータの特性で決まる最高の測定
分解能が常に保持されるように、可変ゲインアンプのゲ
インを変化させ調整することにより、探針走査を行うよ
うにした。この探針走査方法で、さらに、設定された任
意の走査範囲についてオフセットが存在することを考慮
して、可変ゲインアンプの出力信号に、オフセットに対
応するシフト信号を含ませることも可能である。探針走
査装置としては、同様にして、探針走査用の圧電素子に
関連してD/Aコンバータを含む走査回路を設け、この
走査回路で、走査制御部から与えられた走査制御用ディ
ジタル信号に基づき駆動用アナログ信号に生成する構成
を有するものであることを前提として、D/Aコンバー
タの出力信号を増幅する可変ゲインアンプと、任意の走
査範囲を設定する場合において圧電素子について設定さ
れた走査幅とその最大ストロークとの比に基づいて、D
/Aコンバータの特性で決まる最高の測定分解能を常に
保持するように、可変ゲインアンプのゲインを変化させ
調整する制御手段とを備えるように構成される。また前
記の構成において、さらに、可変ゲインアンプの出力信
号に加えられるシフト信号を出力するオフセット設定器
と、このオフセット設定器に必要なオフセット量を設定
する指令を与える制御手段とを備えることも可能であ
る。さらに、可変ゲインアンプの出力信号にシフト信号
を加えて得られる信号を増幅して駆動信号を生成するア
ンプを追加することも好ましい。可変ゲインアンプ自体
に、所要のゲインレベルを設定して駆動信号を生成する
ように構成することも勿論可能である。他のアンプの変
更例として、一方の入力端子に可変ゲインアンプの出力
信号を入力し、他方の入力端子にシフト信号を入力する
アンプを備えることもできる。さらに、可変ゲインアン
プとアンプを、走査範囲の平面を定義する2つの軸のそ
れぞれの圧電素子に対応して設け、かつオフセット設定
器は、2つの軸について共通の単一ユニットとして形成
することもできる。
A probe scanning method and a probe scanning apparatus for a scanning probe microscope according to the present invention are configured as follows. A scanning circuit including a D / A converter and an amplifier is provided in connection with a piezoelectric element for causing the probe to scan on the surface of the sample, and a digital signal for scanning control given from the scanning control unit is analogized by the D / A converter. This is a method of scanning the probe by converting the analog signal into a drive signal by amplifying the analog signal with an amplifier, and applying the drive signal to the piezoelectric element to move the probe. In this method, A variable gain amplifier for amplifying the output signal is added to the output side of the D / A converter, so that when the scanning range is arbitrarily set in the maximum scanning range determined by the maximum stroke of the piezoelectric element, Based on the ratio between the corresponding scan width of the piezoelectric element and its maximum stroke, the highest measurement resolution determined by the characteristics of the D / A converter is always maintained. By adjusting by changing the gain of the gain amplifier, and to perform probe scanning. In this probe scanning method, it is also possible to include a shift signal corresponding to the offset in the output signal of the variable gain amplifier in consideration of the fact that an offset exists in an arbitrary set scanning range. Similarly, as the probe scanning device, a scanning circuit including a D / A converter is provided in relation to the probe scanning piezoelectric element, and a scanning control digital signal given from the scanning control unit is provided by the scanning circuit. The variable gain amplifier amplifies the output signal of the D / A converter, and the piezoelectric element is set when an arbitrary scanning range is set, on the premise that the piezoelectric element is configured to generate a driving analog signal based on the following. Based on the ratio of the scan width to its maximum stroke, D
Control means for changing and adjusting the gain of the variable gain amplifier so as to always maintain the highest measurement resolution determined by the characteristics of the / A converter. Further, in the above configuration, it is possible to further comprise an offset setting device for outputting a shift signal added to the output signal of the variable gain amplifier, and a control means for giving a command for setting the required offset amount to the offset setting device. It is. Furthermore, it is preferable to add an amplifier that amplifies a signal obtained by adding a shift signal to the output signal of the variable gain amplifier to generate a drive signal. Of course, the variable gain amplifier itself can be configured to set a required gain level to generate a drive signal. As another modification example of the amplifier, an amplifier that inputs the output signal of the variable gain amplifier to one input terminal and inputs the shift signal to the other input terminal may be provided. Furthermore, a variable gain amplifier and an amplifier may be provided for each piezoelectric element of the two axes defining the plane of the scanning range, and the offset setting device may be formed as a single unit common to the two axes. it can.

【0016】[0016]

【作用】本発明では、探針微動機構における走査に関与
する圧電素子に関連して設けられた走査回路内のD/A
コンバータの出力側に可変ゲインアンプを付設する構成
を採用することで、試料表面で設定された任意の走査範
囲を走査型探針顕微鏡の探針に走査させる場合におい
て、可変ゲインアンプのゲインを適切に調整し、D/A
コンバータの特性で決まる最も高い測定分解能が常に発
揮されるようにしている。従って、広さの異なる複数の
走査範囲のそれぞれを測定する場合に、単一の走査用圧
電素子ユニットを用いて、常に高い測定分解能を保持し
た状態で、測定を行うことができる。また任意に設定さ
れた走査範囲についてオフセットが存在する場合であっ
ても、探針側のみで走査に関連する移動を行うように構
成したものでは、オフセットに関連する移動を行うため
のシフト信号を生成するオフセット設定器を付設するよ
うに構成したため、これにも対処することができる。
According to the present invention, a D / A in a scanning circuit provided in association with a piezoelectric element involved in scanning in the probe fine movement mechanism is provided.
By using a configuration in which a variable gain amplifier is attached to the output side of the converter, the gain of the variable gain amplifier can be adjusted appropriately when the scanning range set on the sample surface is scanned by the probe of the scanning probe microscope. Adjust to D / A
The highest measurement resolution determined by the characteristics of the converter is always exerted. Therefore, when each of a plurality of scanning ranges having different widths is measured, measurement can be performed using a single scanning piezoelectric element unit while always maintaining high measurement resolution. Further, even if an offset exists for an arbitrarily set scanning range, a shift signal for performing the movement related to the offset is provided by a configuration configured to perform the movement related to the scanning only on the probe side. Since the configuration is such that an offset setting device to be generated is provided, this can be dealt with.

【0017】[0017]

【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。本発明の特徴は、探針52の走査に関係す
るX軸方向およびY軸方向の各圧電素子54,55に対
し駆動信号を与えるXY走査回路60とこれに関連する
構成にあるので、装置構成の図示としては、XY走査回
路60とこれに関連する部分についての実施例のみを示
し、走査型探針顕微鏡の全体構成の図示は省略する。図
1と図2は走査範囲と走査幅を説明するための図、図3
〜図6はそれぞれXY走査回路60の実施例を示す図で
ある。図3〜図6において、図7で説明した要素と実質
的に同一の要素には同一の符号を付している。なお本実
施例では、試料と探針の位置関係を変えるにあたって、
探針側のみで位置変化を行う例について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The feature of the present invention resides in an XY scanning circuit 60 that supplies a driving signal to each of the piezoelectric elements 54 and 55 in the X-axis direction and the Y-axis direction related to the scanning of the probe 52 and a configuration related thereto. 1 shows only the embodiment of the XY scanning circuit 60 and the parts related thereto, and the illustration of the entire configuration of the scanning probe microscope is omitted. 1 and 2 are diagrams for explaining a scanning range and a scanning width.
6 to 6 are diagrams each showing an embodiment of the XY scanning circuit 60. 3 to 6, elements substantially the same as the elements described in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. In this embodiment, when changing the positional relationship between the sample and the probe,
An example in which the position is changed only on the probe side will be described.

【0018】図1において、Lx0はX軸圧電素子54の
最大ストロークを示し、Ly0はY軸圧電素子55の最大
ストロークを示す。従ってLx0,Ly0で決まる範囲R1
は最大面積の走査範囲となる。また範囲R2は、走査範
囲R1の部分領域であり、ストロークLx1,Ly1で決ま
る走査範囲である。走査範囲R2は、原点Oを含むの
で、オフセットは存在せず、これに配慮しなくても良
い。走査範囲R1,R2で比較すると、最小走査ピッチ
が一定である場合、測定データのサンプリング数が多い
走査範囲R1を測定する方が、サンプリング数が少ない
走査範囲R2を測定するよりも測定分解能が高い。本実
施例では、最小走査ピッチを、走査範囲の広さすなわち
圧電素子54,55の各ストロークの大きさ(走査幅)
に応じて変化させ、各種走査範囲の測定において、XY
走査回路内で使用されるD/Aコンバータの特性で決ま
る最高の測定分解能が常に保持されるように構成する。
In FIG. 1, Lx0 indicates the maximum stroke of the X-axis piezoelectric element 54, and Ly0 indicates the maximum stroke of the Y-axis piezoelectric element 55. Therefore, the range R1 determined by Lx0 and Ly0
Is the scanning range of the maximum area. The range R2 is a partial area of the scanning range R1, and is a scanning range determined by the strokes Lx1 and Ly1. Since the scanning range R2 includes the origin O, there is no offset, and it is not necessary to consider this. Comparing the scanning ranges R1 and R2, when the minimum scanning pitch is constant, measuring the scanning range R1 having a large number of samplings of the measurement data has a higher measurement resolution than measuring the scanning range R2 having a small number of samplings. . In this embodiment, the minimum scanning pitch is determined by the width of the scanning range, that is, the size of each stroke of the piezoelectric elements 54 and 55 (scanning width).
XY in the measurement of various scanning ranges.
The maximum measurement resolution determined by the characteristics of the D / A converter used in the scanning circuit is always maintained.

【0019】XY走査用の圧電素子54,55の最大ス
トロークで決まる最大走査範囲R1の中に部分的に含ま
れる任意の走査範囲に対して常に同じ高い測定分解能で
測定を行えるための第1の構成例を、図1および図3を
参照して説明する。図3には、演算・制御部67および
その内部のXY走査制御部61、XY走査回路60、微
動機構53、その内部のX軸圧電素子54およびY軸圧
電素子55が示される。本実施例では、XY走査回路6
0の内部構成、およびXY走査制御部61からの制御に
関する構成に特徴がある。
A first method for always performing measurement with the same high measurement resolution for an arbitrary scanning range partially included in the maximum scanning range R1 determined by the maximum stroke of the XY scanning piezoelectric elements 54 and 55. A configuration example will be described with reference to FIG. 1 and FIG. FIG. 3 shows an arithmetic / control section 67, an XY scanning control section 61 therein, an XY scanning circuit 60, a fine movement mechanism 53, and an X-axis piezoelectric element 54 and a Y-axis piezoelectric element 55 therein. In this embodiment, the XY scanning circuit 6
0 and the configuration related to control from the XY scanning control unit 61.

【0020】本発明の要旨は、最大の走査範囲R1の中
において走査範囲が任意に設定されたときに、当該走査
範囲の広さに応じて、D/Aコンバータ62X,62Y
で本来的に決まる最小走査ピッチを変更するという考え
方にある。まずこの考え方について説明する。図1で示
した走査範囲R2は、オフセットを考慮しなくても済む
場合の例である。X軸およびY軸の各圧電素子54,5
5の最大ストロークを前述の通りLx0,Ly0とし、走査
範囲R2に対応する各圧電素子54,55のストローク
をLx1,Ly1とする。
The gist of the present invention is that, when the scanning range is arbitrarily set in the maximum scanning range R1, the D / A converters 62X and 62Y correspond to the width of the scanning range.
The idea is to change the minimum scanning pitch originally determined by. First, this concept will be described. The scanning range R2 shown in FIG. 1 is an example in which it is not necessary to consider the offset. X-axis and Y-axis piezoelectric elements 54, 5
The maximum stroke of No. 5 is Lx0, Ly0 as described above, and the strokes of the piezoelectric elements 54, 55 corresponding to the scanning range R2 are Lx1, Ly1.

【0021】以下では、説明の便宜上、X軸用圧電素子
54を例にとって説明する。圧電素子54の最大ストロ
ークLx1と、XY走査回路60内のX軸A/Dコンバー
タ62X(図3に示す)が本来的に有する測定分解能に
基づいて、最小走査ピッチが定められる。圧電素子54
の走査幅が最大ストロークであるとし、最大の走査範囲
R1を測定する場合には、D/Aコンバータ62Xから
出力される信号を増幅する可変ゲインアンプ2(図3に
示す)に設定されるゲイン(Ax)は、圧電素子54に
おいて最大ストロークを達成するための最大ゲインAx0
であることが必要である。このとき、探針は圧電素子5
4によってX軸方向に最小走査ピッチで移動し、最小走
査ピッチで決まる各測定箇所で測定データをサンプリン
グする。次に、圧電素子54の走査幅をLx1に設定し、
走査範囲R2を測定する場合を想定する。この場合、可
変ゲインアンプ2のゲインを最大ゲインAx0のままに保
持すると、走査ピッチは前述の最小走査ピッチのままに
保持される。その結果、かかる状態で圧電素子54のス
トロークを変化させて走査幅Lx1に関し探針をX軸方向
に走査させると、最小走査ピッチで測定データのサンプ
リングを行うので、測定データの数は、最大ストローク
の場合に比較して、Lx1/Lx0の比に従って減少する。
そのため、得られる測定データの数が減少する分、測定
分解能が低減することになる。換言すれば、可変ゲイン
アンプ2のゲインが最大ゲインAx0に保持された状態で
は、走査ピッチは最小走査ピッチに保持されるので、圧
電素子54の走査幅すなわちストロークの範囲が小さく
なる程、測定分解能が小さくなる。そこで、圧電素子5
4の走査幅が小さく設定されるときには、データサンプ
リング数が最大ストロークの場合と同じ数に保持される
ように、最小走査ピッチをさらに小さくすれば、測定分
解能を一定に保持できることが分かる。そこで、可変ゲ
インアンプ2のゲインAxを、圧電素子54の走査幅の
減少に対応させて小さくするように構成することが必要
となる。具体的に、圧電素子54の走査幅が、最大スト
ロークに比較して、例えばLx1/Lx0の比で小さくなる
場合には、同時に可変ゲインアンプ2のゲインを最大ゲ
インAx0に対してそのLx1/Lx0になるように小さく変
化させれば、X軸方向のデータサンプリング数を常に最
大の一定値に保持でき、そのため測定分解能を最も高い
状態(D/Aコンバータ62Xの特性で決まる測定分解
能)に保持できる。
In the following, for convenience of explanation, the X-axis piezoelectric element 54 will be described as an example. The minimum scanning pitch is determined based on the maximum stroke Lx1 of the piezoelectric element 54 and the measurement resolution inherently provided by the X-axis A / D converter 62X (shown in FIG. 3) in the XY scanning circuit 60. Piezoelectric element 54
Is the maximum stroke, and when measuring the maximum scanning range R1, the gain set in the variable gain amplifier 2 (shown in FIG. 3) for amplifying the signal output from the D / A converter 62X. (Ax) is the maximum gain Ax0 for achieving the maximum stroke in the piezoelectric element 54.
It is necessary to be. At this time, the probe is the piezoelectric element 5
4 moves at the minimum scanning pitch in the X-axis direction and samples measurement data at each measurement point determined by the minimum scanning pitch. Next, the scanning width of the piezoelectric element 54 is set to Lx1,
Assume that the scanning range R2 is measured. In this case, when the gain of the variable gain amplifier 2 is maintained at the maximum gain Ax0, the scanning pitch is maintained at the aforementioned minimum scanning pitch. As a result, when the probe is scanned in the X-axis direction with respect to the scanning width Lx1 by changing the stroke of the piezoelectric element 54 in such a state, the measurement data is sampled at the minimum scanning pitch. As compared with the case of (1), the value decreases according to the ratio of Lx1 / Lx0.
Therefore, as the number of obtained measurement data decreases, the measurement resolution decreases. In other words, in a state where the gain of the variable gain amplifier 2 is held at the maximum gain Ax0, the scanning pitch is held at the minimum scanning pitch. Therefore, as the scanning width of the piezoelectric element 54, that is, the stroke range becomes smaller, the measurement resolution becomes smaller. Becomes smaller. Therefore, the piezoelectric element 5
When the scan width of 4 is set small, it can be seen that the measurement resolution can be kept constant by further reducing the minimum scan pitch so that the number of data samplings is kept the same as in the case of the maximum stroke. Therefore, it is necessary to reduce the gain Ax of the variable gain amplifier 2 in accordance with the decrease in the scanning width of the piezoelectric element 54. Specifically, when the scanning width of the piezoelectric element 54 becomes smaller than the maximum stroke by, for example, the ratio of Lx1 / Lx0, the gain of the variable gain amplifier 2 is simultaneously reduced with respect to the maximum gain Ax0 by Lx1 / Lx0. , The number of data samplings in the X-axis direction can always be held at the maximum constant value, so that the measurement resolution can be held at the highest state (measurement resolution determined by the characteristics of the D / A converter 62X). .

【0022】上記の考え方に基づき図3に示される構成
が採用される。X軸D/Aコンバータ62Xの入力側に
は、演算・制御部67のXY走査制御部61から、X軸
圧電素子54の伸縮量を決定するためのデータがバス1
を介してディジタル形式で与えられる。D/Aコンバー
タ62Xは、入力されたデータをD/A変換する。D/
Aコンバータ62Xから出力されるアナログ信号は、次
段の可変ゲインアンプ2で所要のレベルに増幅される。
この可変ゲインアンプ2のゲインAxは変化させること
ができ、XY走査制御部61からバス1を介してゲイン
指令を受け、必要なゲインに調整される。ゲイン指令に
基づく可変ゲインアンプ2のゲインAxの調整は、次の
ように行われる。測定のため任意に設定された走査範囲
で、X軸圧電素子54による走査幅が最大ストロークL
x0に設定される場合には、可変ゲインアンプ2のゲイン
は最大ゲインAx0になるように設定される。従って、最
大ゲインに設定するためのゲイン指令が、XY走査制御
部61から可変ゲインアンプ2に対してバス1を介して
与えられる。圧電素子54による走査幅がストロークL
x1に設定される場合には、可変ゲインアンプ2のゲイン
は(Lx1/Lx0)・Ax0に設定される。この場合にも、
同様に、当該ゲインに設定するためのゲイン指令が、X
Y走査制御部61から可変ゲインアンプ2に対して与え
られる。このように、D/Aコンバータ62Xの出力側
に設けられた可変ゲインアンプ2に基づき、走査範囲に
対応して決まる圧電素子54の走査幅に応じてそのゲイ
ンを適切な値に調整するようにしたため、X軸方向の測
定分解能について常に最高の一定分解能を保持させるこ
とができる。可変ゲインアンプ2から出力された信号
は、アンプ3で所要のレベルまでパワーを高め、駆動信
号として圧電素子54に供給される。
The configuration shown in FIG. 3 is employed based on the above concept. On the input side of the X-axis D / A converter 62X, data for determining the amount of expansion and contraction of the X-axis piezoelectric element 54 is transmitted from the XY scanning control unit 61 of the calculation / control unit 67 to the bus 1.
Is provided in digital form via The D / A converter 62X performs D / A conversion on the input data. D /
The analog signal output from the A converter 62X is amplified to a required level by the variable gain amplifier 2 at the next stage.
The gain Ax of the variable gain amplifier 2 can be changed, and a gain command is received from the XY scanning control unit 61 via the bus 1 and adjusted to a required gain. Adjustment of the gain Ax of the variable gain amplifier 2 based on the gain command is performed as follows. In the scanning range arbitrarily set for the measurement, the scanning width by the X-axis piezoelectric element 54 is the maximum stroke L
When set to x0, the gain of the variable gain amplifier 2 is set to be the maximum gain Ax0. Therefore, a gain command for setting the maximum gain is provided from the XY scanning control unit 61 to the variable gain amplifier 2 via the bus 1. The scanning width by the piezoelectric element 54 is the stroke L
When set to x1, the gain of the variable gain amplifier 2 is set to (Lx1 / Lx0) .Ax0. Again, in this case,
Similarly, the gain command for setting the gain is X
Provided to the variable gain amplifier 2 from the Y scan control unit 61. As described above, based on the variable gain amplifier 2 provided on the output side of the D / A converter 62X, the gain is adjusted to an appropriate value according to the scanning width of the piezoelectric element 54 determined according to the scanning range. As a result, it is possible to always maintain the highest constant resolution in the measurement resolution in the X-axis direction. The signal output from the variable gain amplifier 2 has its power increased to a required level by the amplifier 3 and is supplied to the piezoelectric element 54 as a drive signal.

【0023】Y軸方向の圧電素子55に関しても、同様
な構成が設けられる。すなわち、Y軸コンバータ62Y
に対してその出力側に可変ゲインAyを有する可変ゲイ
ンアンプ4が設けられる。可変ゲインアンプ4のゲイン
は、XY走査制御部61からバス1を介して与えられる
ゲイン指令に基づき、走査範囲に対応して決まるY軸圧
電素子55の走査幅に応じて、適切なゲインに調整され
る。調整の仕方は、前述したX軸圧電素子54の場合と
同じである。可変ゲインアンプ4から出力された信号
は、アンプ5で所要レベルに増幅され、駆動信号として
Y軸方向の走査のためのY軸圧電素子55に供給され
る。
A similar configuration is provided for the piezoelectric element 55 in the Y-axis direction. That is, the Y-axis converter 62Y
A variable gain amplifier 4 having a variable gain Ay is provided on the output side. The gain of the variable gain amplifier 4 is adjusted to an appropriate gain according to the scanning width of the Y-axis piezoelectric element 55 determined according to the scanning range, based on a gain command given from the XY scanning controller 61 via the bus 1. Is done. The manner of adjustment is the same as in the case of the X-axis piezoelectric element 54 described above. The signal output from the variable gain amplifier 4 is amplified to a required level by the amplifier 5 and supplied as a drive signal to the Y-axis piezoelectric element 55 for scanning in the Y-axis direction.

【0024】上記の説明で、可変ゲインアンプ2,4の
それぞれのゲインを調整するための指令は、XY走査制
御部61から与えられるようにしたが、演算・制御部6
7の内部に、当該機能を実行する制御手段を、可変ゲイ
ンアンプのゲイン調整手段として設けるようにしても良
い。
In the above description, the command for adjusting the respective gains of the variable gain amplifiers 2 and 4 is given from the XY scanning control unit 61.
7, a control unit for executing the function may be provided as a gain adjustment unit of the variable gain amplifier.

【0025】なお図3に示されるように、可変ゲインア
ンプ2に対しX軸オフセット設定器6が並設される。X
軸オフセット設定器6は、XY走査制御61からバス1
を介してオフセット設定指令を受け、設定されたオフセ
ット量に対応するシフト信号を出力する。このシフト信
号は、可変ゲインアンプ2の出力信号に加算される。こ
のX軸オフセット設定器6は、測定しようとする任意の
走査範囲がオフセットされている場合に、原点の位置を
その走査範囲に対応させてシフトさせるための手段であ
る。同様にして、可変ゲインアンプ4に対してもY軸オ
フセット設定器7が並設される。
As shown in FIG. 3, an X-axis offset setting device 6 is provided in parallel with the variable gain amplifier 2. X
The axis offset setting device 6 sends the bus 1 from the XY scanning control 61.
, And outputs a shift signal corresponding to the set offset amount. This shift signal is added to the output signal of the variable gain amplifier 2. The X-axis offset setting device 6 is a means for shifting the position of the origin in accordance with the scanning range when an arbitrary scanning range to be measured is offset. Similarly, a Y-axis offset setting device 7 is also provided for the variable gain amplifier 4.

【0026】次に図2を参照して、任意に設定された走
査範囲R3の場合の例について説明する。走査範囲R3
は、オフセットを考慮しなければならない例である。走
査範囲R3で、各軸方向の走査幅は走査範囲R2の場合
と同じとし、X軸方向がLx1、Y軸方向がLy1である。
走査範囲R2に比較して、走査範囲R3では、原点がO
からO1にシフトしたものとして考える必要がある。そ
こで、図2で明らかなようにX軸方向のオフセット量x
2、Y軸方向のオフセット量をy2とする。
Next, an example in the case of an arbitrarily set scanning range R3 will be described with reference to FIG. Scan range R3
Is an example where the offset must be considered. In the scanning range R3, the scanning width in each axis direction is the same as that in the scanning range R2, and the X-axis direction is Lx1 and the Y-axis direction is Ly1.
Compared to the scanning range R2, the origin is O in the scanning range R3.
Need to be considered as having shifted from to O1. Therefore, as is apparent from FIG. 2, the offset amount x in the X-axis direction
2. Let y2 be the offset amount in the Y-axis direction.

【0027】走査範囲R3を測定領域として走査する場
合に、図3に示したXY走査回路60において、可変ゲ
インアンプ2,4の各ゲインの設定に関しては、走査幅
が同じであるので、前記実施例の場合と同じである。次
に走査範囲R3については、オフセット量x2,y2だ
けシフトさせて探針の走査を開始しなければならない。
そこで、X軸オフセット設定器6にはオフセット量x2
が設定され、x2に相当するシフト信号が出力されて、
可変ゲインアンプ2の出力信号に加えられる。またY軸
オフセット設定器7にはオフセット量y2が設定され、
y2に相当するシフト信号が出力されて、可変ゲインア
ンプ4の出力信号に加えられる。以上の構成によって、
圧電素子54,55に与えられる駆動信号は、オフセッ
ト量に対応するシフト信号を含んでオフセットに対処し
かつ可変ゲインアンプ2,4で設定されるゲインに基づ
き所要分解能を保持する走査ピッチを達成する信号とな
り、走査範囲R3を高い測定分解能で測定することがで
きる。
In the case where the scanning range R3 is scanned as a measurement area, in the XY scanning circuit 60 shown in FIG. 3, the setting of each gain of the variable gain amplifiers 2 and 4 has the same scanning width. Same as in the example. Next, in the scanning range R3, the scanning of the probe must be started by shifting by the offset amounts x2 and y2.
Therefore, the X-axis offset setting device 6 has an offset amount x2
Is set, and a shift signal corresponding to x2 is output.
It is added to the output signal of the variable gain amplifier 2. An offset amount y2 is set in the Y-axis offset setting device 7,
A shift signal corresponding to y2 is output and added to the output signal of variable gain amplifier 4. With the above configuration,
The drive signals supplied to the piezoelectric elements 54 and 55 include a shift signal corresponding to the offset amount to cope with the offset and achieve a scanning pitch that maintains a required resolution based on the gain set by the variable gain amplifiers 2 and 4. It becomes a signal, and the scanning range R3 can be measured with a high measurement resolution.

【0028】上記の説明で、X軸およびY軸のオフセッ
ト設定器6,7のそれぞれのオフセット量を設定するた
めの指令は、XY走査制御部61から与えられるように
したが、演算・制御部67の内部に、当該機能を実行す
る制御手段を、オフセット量設定指令手段として設ける
ようにしても良い。
In the above description, the commands for setting the offset amounts of the X-axis and Y-axis offset setting units 6 and 7 are given from the XY scanning control unit 61. Control means for executing the function may be provided as an offset amount setting command means inside the 67.

【0029】上記の構成によって、最大領域の走査範囲
R1内で任意に設定される走査範囲に関して、測定分解
能がD/Aコンバータの特性で決まる最高の測定分解能
に常に保持されるように可変ゲインアンプ2,4の可変
ゲインを調整し、かつオフセットが存在するときにはこ
のオフセットに対処するようにX軸オフセット設定器6
およびY軸オフセット設定器7の設定量を決定する。こ
れによって、任意の走査範囲に対して、D/Aコンバー
タ62X,62Yのそれぞれで決まる最高の測定分解能
を常に保った状態で測定を行うことができる。
With the above arrangement, a variable gain amplifier is provided so that the measurement resolution is always maintained at the highest measurement resolution determined by the characteristics of the D / A converter for the scanning range arbitrarily set within the scanning range R1 of the maximum area. The X-axis offset setting unit 6 adjusts the variable gains 2 and 4 and, when an offset exists, copes with the offset.
And the set amount of the Y-axis offset setting device 7 is determined. Thus, the measurement can be performed in an arbitrary scanning range while always maintaining the highest measurement resolution determined by each of the D / A converters 62X and 62Y.

【0030】なお、図3に示された回路構成では、アン
プ3,5の入力側にて反転入力端子(−)に信号が入
り、非反転入力端子(+)はアースされている。従っ
て、この回路構成は、走査範囲のオフセットに関連する
シフトを行うとき、プラス側の一方の方向にのみシフト
させるのに適した回路である。
In the circuit configuration shown in FIG. 3, a signal enters the inverting input terminal (-) on the input side of the amplifiers 3 and 5, and the non-inverting input terminal (+) is grounded. Therefore, this circuit configuration is a circuit suitable for shifting only in one direction on the plus side when performing a shift related to the offset of the scanning range.

【0031】図4に、一例として、可変ゲインアンプ2
とX軸オフセット設定器6の具体的な回路を示す。可変
ゲインアンプ2とX軸オフセット設定器6は基本的に同
じ回路構成のアンプで形成され、その可変抵抗2a,6
aの抵抗値を、バス1で送られてくる指令値に基づき変
えることによって、適切なゲインまたはオフセット量が
設定される。なおX軸オフセット設定器6の入力側に
は、入力電圧を供給する電源8が接続される。
FIG. 4 shows a variable gain amplifier 2 as an example.
2 shows a specific circuit of the X-axis offset setting device 6. The variable gain amplifier 2 and the X-axis offset setting device 6 are basically formed of amplifiers having the same circuit configuration, and their variable resistors 2a, 6
By changing the resistance value of “a” based on the command value sent by the bus 1, an appropriate gain or offset amount is set. A power supply 8 for supplying an input voltage is connected to the input side of the X-axis offset setting device 6.

【0032】前記実施例では、試料側ではなく探針側で
移動を行い、両者の相対的位置関係を変化させ、探針に
試料の走査範囲を走査させる構成について説明した。し
かし、例えばオフセットに対処するためのシフトに関す
る移動については、試料ステージでその移動を行うよう
に構成することもできる。このような構成では、XY走
査回路60において、X軸オフセット設定器6とY軸オ
フセット設定器7を設ける必要はない。
In the above-described embodiment, the configuration in which the probe is moved not on the sample side but on the probe side to change the relative positional relationship between the two, and the probe scans the scanning range of the sample has been described. However, for a movement related to a shift to cope with an offset, for example, the movement may be performed on the sample stage. In such a configuration, it is not necessary to provide the X-axis offset setting device 6 and the Y-axis offset setting device 7 in the XY scanning circuit 60.

【0033】次に、図5を参照して、XY走査回路60
の他の実施例について説明する。この実施例では、前記
実施例で説明したアンプ3,5の代わりに、アンプ1
1,12を設けている。アンプ11では、その反転入力
端子に可変ゲインアンプ2の出力信号が入力され、非反
転入力端子にX軸オフセット設定器6の出力信号が入力
される。また同様に、アンプ12では、その反転入力端
子に可変ゲインアンプ4の出力信号が入力され、非反転
入力端子にY軸オフセット設定器7の出力信号が入力さ
れる。その他の構成については、図3で示された構成と
実質的に同じである。
Next, referring to FIG. 5, an XY scanning circuit 60
Another embodiment will be described. In this embodiment, an amplifier 1 is used instead of the amplifiers 3 and 5 described in the above embodiment.
1, 12 are provided. In the amplifier 11, the output signal of the variable gain amplifier 2 is input to its inverting input terminal, and the output signal of the X-axis offset setting device 6 is input to its non-inverting input terminal. Similarly, in the amplifier 12, the output signal of the variable gain amplifier 4 is input to its inverting input terminal, and the output signal of the Y-axis offset setting device 7 is input to its non-inverting input terminal. The other configuration is substantially the same as the configuration shown in FIG.

【0034】上記の構成によれば、X軸方向およびY軸
方向のオフセットに対応してシフトを行う場合に、原点
を中心にしてプラス側またはマイナス側にシフトを行う
ことが可能となる。
According to the above configuration, when shifting is performed in accordance with the offset in the X-axis direction and the Y-axis direction, it is possible to shift to the plus side or the minus side with respect to the origin.

【0035】図6を参照して、XY走査回路60の他の
実施例を説明する。この実施例では、X軸オフセット設
定器6とY軸オフセット設定器7を設けず、その代わり
にX,Y軸オフセットコントロールユニット21を設け
ると共に、アンプ22,23を接続している。アンプ2
2の非反転入力端子には、可変ゲインアンプ2の出力信
号が入力され、アンプ23の非反転入力端子には可変ゲ
インアンプ4の出力信号が入力される。またアンプ2
2,23のそれぞれの反転入力端子には、X,Yオフセ
ットコントロールユニット21の出力信号が入力され
る。その他の構成は、他の実施例の場合と同じである。
Referring to FIG. 6, another embodiment of the XY scanning circuit 60 will be described. In this embodiment, the X-axis offset setting device 6 and the Y-axis offset setting device 7 are not provided. Instead, an X- and Y-axis offset control unit 21 is provided, and amplifiers 22 and 23 are connected. Amplifier 2
2, the output signal of the variable gain amplifier 2 is input to the non-inverting input terminal, and the output signal of the variable gain amplifier 4 is input to the non-inverting input terminal of the amplifier 23. Also amplifier 2
Output signals of the X, Y offset control unit 21 are input to the inverting input terminals 2 and 23, respectively. Other configurations are the same as those of the other embodiments.

【0036】上記の構成によれば、オフセットのための
シフト量を設定する手段として、X軸およびY軸のそれ
ぞれに設ける必要がなく、単一のコントロールユニット
で各軸のオフセットに対処でき、回路構成を簡素にでき
る。またアンプ22,23の構成によれば、原点を中心
にプラス側またはマイナス側のいずれにもシフトさせる
ことができる。
According to the above configuration, it is not necessary to provide a shift amount for the offset on each of the X-axis and the Y-axis, and a single control unit can deal with the offset of each axis. The configuration can be simplified. Further, according to the configuration of the amplifiers 22 and 23, the shift can be made to either the plus side or the minus side about the origin.

【0037】記実施例では、走査型探針顕微鏡の一例と
してSTMについて説明したが、探針を備え、試料と探
針との相対的な位置関係を走査用の圧電素子を利用して
変化させ、試料表面上の走査範囲を探針に走査させるそ
の他の走査型探針顕微鏡にも本発明の構成を適用するこ
とができる。また可変ゲインアンプに対して、駆動信号
を生成するためのパワーアンプとしての別のアンプを設
けたが、可変ゲインアンプ自体にパワーアンプとしての
機能を併せて持たせることも可能である。
In this embodiment, the STM has been described as an example of the scanning probe microscope. However, the probe is provided, and the relative positional relationship between the sample and the probe is changed by using the scanning piezoelectric element. The configuration of the present invention can be applied to other scanning probe microscopes in which a probe scans a scanning range on a sample surface. Although another amplifier as a power amplifier for generating a drive signal is provided for the variable gain amplifier, the variable gain amplifier itself may have a function as a power amplifier.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、走査用圧電素子の走査回路に含まれるD/Aコン
バータに可変ゲインアンプを付設し、圧電素子の走査幅
に対応して所定条件の下で可変ゲインアンプのゲインを
変化させるように構成したため、広さが異なる複数の走
査範囲のそれぞれの測定にあたって、常にD/Aコンバ
ータの特性で決まる最高の測定分解能を保持した状態で
測定を行うことができる。また単一の微動機構を用い
て、原子レベルの走査幅から数十μmの比較的に広い走
査幅に至る走査範囲、すなわち広さの異なる複数の走査
範囲を高い測定分解能で測定することができる。またオ
フセット設定器を付設するように構成したため、走査範
囲の設定においてオフセットが存在する場合であって
も、かかる走査範囲に対応して各圧電素子の走査幅を設
定し、かつ高い測定分解能で走査を行うことができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, the D / A converter included in the scanning circuit of the scanning piezoelectric element is provided with a variable gain amplifier so as to correspond to the scanning width of the piezoelectric element. Since the gain of the variable gain amplifier is configured to be changed under predetermined conditions, in each of a plurality of scanning ranges having different widths, the highest measurement resolution determined by the characteristics of the D / A converter is always maintained. A measurement can be made. Using a single fine movement mechanism, a scanning range from an atomic level scanning width to a relatively wide scanning width of several tens of μm, that is, a plurality of scanning ranges having different widths can be measured with high measurement resolution. . In addition, since the offset setting device is provided, even if there is an offset in the setting of the scanning range, the scanning width of each piezoelectric element is set corresponding to the scanning range, and the scanning is performed with high measurement resolution. It can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】オフセットを考慮しない走査範囲を説明するた
めの図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining a scanning range in which an offset is not considered.

【図2】オフセットを考慮した走査範囲を説明するため
の図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a scanning range in consideration of an offset.

【図3】XY走査回路の実施例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing an embodiment of an XY scanning circuit.

【図4】可変ゲインアンプとオフセット設定器の具体的
回路を示す回路図である。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a specific circuit of a variable gain amplifier and an offset setting device.

【図5】XY走査回路の他の実施例を示す回路図であ
る。
FIG. 5 is a circuit diagram showing another embodiment of the XY scanning circuit.

【図6】XY走査回路の他の実施例を示す回路図であ
る。
FIG. 6 is a circuit diagram showing another embodiment of the XY scanning circuit.

【図7】従来の走査型探針顕微鏡の一般的な構成を示す
構成図である。
FIG. 7 is a configuration diagram showing a general configuration of a conventional scanning probe microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 …バス 2,4 …可変ゲインアンプ 3,5 …アンプ 6 …X軸オフセット設定器 7 …Y軸オフセット設定器 11,12 …アンプ 21 …X,Y軸オフセットコントロ
ールユニット 22,23 …アンプ 53 …微動機構 54 …X軸圧電素子 55 …Y軸圧電素子 60 …XY走査回路 61 …XY走査制御部 62X …X軸D/Aコンバータ 62Y …Y軸D/Aコンバータ 67 …演算・制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Bus 2,4 ... Variable gain amplifier 3,5 ... Amplifier 6 ... X-axis offset setting device 7 ... Y-axis offset setting device 11,12 ... Amplifier 21 ... X, Y-axis offset control unit 22,23 ... Amplifier 53 ... Fine movement mechanism 54 X-axis piezoelectric element 55 Y-axis piezoelectric element 60 XY scanning circuit 61 XY scanning control unit 62X X-axis D / A converter 62Y Y-axis D / A converter 67 arithmetic / control unit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 7/00 - 7/34 102 G01B 21/00 - 21/32 G01N 37/00 H01J 37/28 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 7/ 00-7/34 102 G01B 21/00-21/32 G01N 37/00 H01J 37/28

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 探針走査用の圧電素子に関連してD/A
コンバータとアンプを含む走査回路を設け、走査制御部
から与えられた走査制御用ディジタル信号を前記D/A
コンバータでアナログ信号に変換し、このアナログ信号
を前記アンプで増幅して駆動信号に変え、この駆動信号
を前記圧電素子に与えて探針を走査のため移動させるよ
うにした走査型探針顕微鏡の探針走査方法において、 前記D/Aコンバータの出力信号を増幅する可変ゲイン
アンプを付加し、前記圧電素子の最大ストロークで決ま
る最大走査範囲の中で走査範囲を任意に設定したとき、
この走査範囲に対応して決まる前記圧電素子の走査幅と
前記圧電素子の最大ストロークとの比に基づいて、前記
D/Aコンバータの特性で決まる測定分解能を保持する
ように、前記可変ゲインアンプのゲインを調整すること
を特徴とする走査型探針顕微鏡の探針走査方法。
1. D / A related to a piezoelectric element for scanning a probe
A scanning circuit including a converter and an amplifier is provided, and a digital signal for scanning control provided from a scanning control unit is supplied to the D / A
The analog signal is converted into an analog signal by a converter, the analog signal is amplified by the amplifier and converted into a drive signal, and the drive signal is applied to the piezoelectric element to move the probe for scanning. In the probe scanning method, when a variable gain amplifier for amplifying an output signal of the D / A converter is added and a scanning range is arbitrarily set within a maximum scanning range determined by a maximum stroke of the piezoelectric element,
The variable gain amplifier is controlled to maintain a measurement resolution determined by characteristics of the D / A converter based on a ratio between a scanning width of the piezoelectric element and a maximum stroke of the piezoelectric element determined according to the scanning range. A probe scanning method for a scanning probe microscope, comprising: adjusting a gain.
【請求項2】 請求項1記載の走査型探針顕微鏡の探針
走査方法において、設定された前記任意の走査範囲につ
いてオフセットが存在するとき、前記可変ゲインアンプ
の出力信号に、前記オフセットに対応するシフト信号を
含ませることを特徴とする走査型探針顕微鏡の探針走査
方法。
2. The probe scanning method for a scanning probe microscope according to claim 1, wherein when an offset exists in the set arbitrary scanning range, an output signal of the variable gain amplifier corresponds to the offset. A probe scanning method for a scanning probe microscope, comprising:
【請求項3】 探針走査用の圧電素子に関連してD/A
コンバータを含む走査回路を設け、この走査回路で、走
査制御部から与えられた走査制御用ディジタル信号に基
づき駆動用アナログ信号を生成するように構成された走
査型探針顕微鏡の探針走査装置において、 前記D/Aコンバータの出力信号を増幅する可変ゲイン
アンプと、前記圧電素子について設定された走査幅とそ
の最大ストロークとの比に基づいて、前記D/Aコンバ
ータの特性で決まる測定分解能を保持するように、前記
可変ゲインアンプのゲインを調整する制御手段とを備え
ることを特徴とする走査型探針顕微鏡の探針走査装置。
3. A D / A related to a piezoelectric element for scanning a probe.
A scanning circuit including a converter is provided. In the scanning circuit of the scanning probe microscope configured to generate a driving analog signal based on the scanning control digital signal given from the scanning control unit, the scanning circuit includes: A variable gain amplifier for amplifying an output signal of the D / A converter, and a measurement resolution determined by characteristics of the D / A converter based on a ratio between a scanning width set for the piezoelectric element and a maximum stroke thereof. And a control means for adjusting the gain of the variable gain amplifier.
【請求項4】 請求項3記載の走査型探針顕微鏡の探針
走査装置において、前記可変ゲインアンプの出力信号に
加えられるシフト信号を出力するオフセット設定器と、
このオフセット設定器に必要なオフセット量を設定する
指令を与える制御手段とを備えることを特徴とする走査
型探針顕微鏡の探針走査装置。
4. The probe scanning device for a scanning probe microscope according to claim 3, wherein an offset setting device that outputs a shift signal added to an output signal of the variable gain amplifier;
Control means for giving a command for setting a required offset amount to the offset setting device. A probe scanning device for a scanning probe microscope, comprising:
【請求項5】 請求項4記載の走査型探針顕微鏡の探針
走査装置において、前記可変ゲインアンプの出力信号に
前記シフト信号を加えて得られる信号を増幅して駆動信
号を生成するアンプを備えることを特徴とする走査型探
針顕微鏡の探針走査装置。
5. The probe scanning device for a scanning probe microscope according to claim 4, wherein an amplifier for generating a drive signal by amplifying a signal obtained by adding the shift signal to an output signal of the variable gain amplifier is provided. A probe scanning device for a scanning probe microscope, comprising:
【請求項6】 請求項3記載の走査型探針顕微鏡の探針
走査装置において、オフセットに対応するシフト信号を
出力するオフセット設定器と、このオフセット設定器に
必要なオフセット量を設定する指令を与える制御手段
と、一方の入力端子に前記可変ゲインアンプの出力信号
を入力し、他方の入力端子に前記シフト信号を入力する
アンプを備えることを特徴とする走査型探針顕微鏡の探
針走査装置。
6. A probe scanning device for a scanning probe microscope according to claim 3, wherein an offset setting device for outputting a shift signal corresponding to the offset, and a command for setting an offset amount necessary for the offset setting device. And a control means for inputting the output signal of the variable gain amplifier to one input terminal and an amplifier for inputting the shift signal to the other input terminal. .
【請求項7】 請求項6記載の走査型探針顕微鏡の探針
走査装置において、前記可変ゲインアンプと前記アンプ
は、走査範囲の平面を定義する2つの軸のそれぞれの圧
電素子に対応して設けられ、前記オフセット設定器は、
前記2つの軸について共通の単一ユニットとして形成さ
れることを特徴とする走査型探針顕微鏡の探針走査装
置。
7. A probe scanning apparatus for a scanning probe microscope according to claim 6, wherein said variable gain amplifier and said amplifier correspond to respective piezoelectric elements on two axes defining a plane of a scanning range. Provided, the offset setting device,
A probe scanning device for a scanning probe microscope, wherein the probe scanning device is formed as a single unit common to the two axes.
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