JPH01100422A - 仕事関数測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【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２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イ云
連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ＯｄＢ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機的共振周波数の
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、ｗｉ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！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Ｓｌ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ａｔ（Ｓ）の伝達関数を測定す
る場合には、Ａｔ（ｓ）／Ａｏ（ｓ）の値を演算する。

また伝達要素Ｇｔ（Ｓ）　、ｃｓ（ｓ）の伝達関数を測
定する場合には、Ａ３（Ｓ）／ＡＯ（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
試料間の仕事関数の測定は一般に第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、Ｇ、（Ｓ）はＰＩ制御器、ｃｓ（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。

従うてＡＩ（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
Ａ６（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（、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、 −ａ　Ｊ　Ｚ Ｉｙ＝Ｖ、　・ｅｘｐ　　　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、 Ｖｏｗ　＝Ｇｓ　、ＬＯＧ＋。、（Ｖｔ　、ｅｘｐ”　
’１°ｈ°Ｖ＋＋）＝ＣＨ・ＬＯＧｔｏ　Ｖｔ−（ａ−
Ｊ−Ｇｚ　・Ｖｏｗ）　・ＬＯＧｔｏ（ｅｘｐ）　・−
・（ｌｔＶａｚ＝Ｇｓ　’　ＬＯＧ＋。（ｖ、　、、、
、、ａ゛Ｊ゛Ｇｔｌｌ°・）−Ｇ＋　・ＬＯＧｔｏ　Ｖ
Ｔ　　（ａ−Ｊ−Ｇｔ−Ｖａｔ）　・ＬＯＧｔｏ（ｅｘ
ｐ）−・・ｔｚ＋（１）式−（２）式を求めると、 Ｖ３１　　Ｖｓ＊＝ａ　ＨＧｔ　・（Ｖａｔ　　Ｖｏｗ
）　・ＬＯＧｔｏ（ｅｘｐ）　ＨＪ　　　・＝（３１（
３）式より仕事関数φを求めると、 （４）式よりφの値は、前記加算信号の振幅と、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−開ループ状
態へ切り換わる瞬間の過渡状態での該制部系及び制御対
象の挙動である。閉ループ状態において外乱の影響によ
り位置偏差が生じるために制御電圧にも偏差が生じ、該
制御電圧の偏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偏差となる。当然ながら該偏差は
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、該偏差が起因す
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、超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
を換算した時の、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ｍ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９．１０．１
）．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Ａ、信号を加算
した場合の信号Ｓ、及びＳ８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（。

前記Ａ６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ＯｄＢ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ｒ０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、−船釣には三角波、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
１゜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Ｖ、及びバイアス電圧Ｖ、
のイ直は、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Ｖえを一定周波数で変化
させ、信号Ｓ１及びＳ２の振幅比より仕事間数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Ｖ、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■７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■アを一定の周波数で
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ＶｌＯ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置にほぼ線形に対応
する。また、信号Ｓ２は対数増幅器１２の出力である。

信号ＳＩ及び信号Ｓ２はＡＣ結合された増幅器１４及び
１５により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Ｓ、及び信号Ｓ、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（ＪＰ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φ１＝Ｒ２が算出され
る。

本実施例に基づく仕事間数φの算出式は、前記（４）式
に準じている。（４）式に示した係数には、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。

次に信号へ〇又はｖ８又はｖ７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Ｓｌ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。該振幅値及びＱはＡ−Ｄ変換器
２７及び２８により２値デークに変換される。ここで、
振幅値Ｐはｎビットの２値データＤ。Ｕ、振幅値Ｑはｎ
ビットの２値データＤ。Ｌにそれぞれ変換される。ＣＰ
Ｕ３０はここでは、コンピュータシステム全般を表して
おり、２ｎビツ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Ｄ。Ｌ＋は上位れビット、ＤＯＬ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３
１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ビツトのデータＤ０となる。

実施例Ａと同様に、信号Ａ、又はＶ、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
、ＣＰＵ３０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ｂ０を処理し仕事間数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ＣＰＵ３０に読み込まれた後、下位データ、上位デ
ータ及び前記（４）式における定数には夫々変数Ｘ、変
数ｙ、変＠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間
数φは算出される。こ５で仕事間数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。

〔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３７Ｍ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３７Ｍ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〒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、３
７Ｍ装置等における試料表面の仕事関数φ値分布が生活
かつ容易に測定でき、該試料表面状態の物理学的考察に
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。 以上 出願人　セイコー電子工業株式会社 大記列Ｂに基ブいｈ仕事関数算出に係ろＣＰＵに於ｆす
る了ルコ゛リス゛ムの言ｔ、６月図第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御系内の信号の振幅を検出し、該振幅と制御系
   内の他の信号の振幅と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方法。
2. （２）上記第１項に記載した仕事関数を算出する手段と
   して、該信号の振幅値を直接に、電子回路を介在させ演
   算結果を電気信号として出力する方法。
3. （３）上記第１項に記載した仕事関数を算出する手段と
   して、該信号の振幅値を２値データに変換し、変換後の
   データをＣＰＵ内で演算する方法。