JPH03122505A - Scanning tunneling microscope - Google Patents
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- JPH03122505A JPH03122505A JP25961789A JP25961789A JPH03122505A JP H03122505 A JPH03122505 A JP H03122505A JP 25961789 A JP25961789 A JP 25961789A JP 25961789 A JP25961789 A JP 25961789A JP H03122505 A JPH03122505 A JP H03122505A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
この発明は、たとえば試料の表面を原子単位で観察する
ことができる走査型トンネル顕微鏡に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a scanning tunneling microscope capable of observing, for example, the surface of a sample in units of atoms.
[従来の技術]
近時、被測定物としての試料の表面を原子単位で観察す
ることができる走査型トンネル顕微鏡(STM)が開発
されている。[Prior Art] Recently, a scanning tunneling microscope (STM) has been developed that can observe the surface of a sample as an object to be measured in units of atoms.
一般に、鋭い先端を有する金属探針(または、探触針)
を導電性の試料の表面に1nIM程度まで近付けて配置
し、これら探針と試料との間に所定の電圧を印加すると
、両者の間にトンネル電流が流れることが知られている
。このトンネル電流は、探針と試料との間の距離の変化
に敏感に反応し、大きく変化する。このトンネル電流の
この性質を利用して試料の表面を観察するようにしたの
が、いわゆるSTMである。すなわち、探針を3次元方
向に移動可能なアクチュエータに取付け、トンネル電流
が一定となるように探針を走査させると、上記探針は一
定の間隔を保って試料表面の凹凸をなぞることになる。Generally a metal probe (or probe needle) with a sharp tip
It is known that when a probe is placed as close as 1 nIM to the surface of a conductive sample and a predetermined voltage is applied between the probe and the sample, a tunnel current will flow between the probes and the sample. This tunneling current sensitively responds to changes in the distance between the probe and the sample and changes significantly. The so-called STM uses this property of tunneling current to observe the surface of a sample. In other words, if the probe is attached to an actuator that can move in three dimensions and the probe is scanned so that the tunneling current remains constant, the probe will trace the irregularities on the sample surface while maintaining a constant interval. .
このときの、探針の位置を3次元画像として出力するこ
とにより、試料表面における原子単位での形状の変化を
画像として観察することができるものである。By outputting the position of the probe at this time as a three-dimensional image, changes in the shape of the sample surface in atomic units can be observed as an image.
STMは超高分解能を有する顕微鏡であり、究極には原
子サイズで試料の表面形状や表面物性を観察することが
できる。したがって、試料における所望の部分を観察す
る場合には、まずその所望の部分を含む広範囲(数μm
)をあらかじめ大まかに観察し、次に所望の部分を観察
するという手順が必要となっている。STM is a microscope with ultra-high resolution, and can ultimately observe the surface shape and surface properties of a sample at atomic scale. Therefore, when observing a desired part of a sample, first, a wide range (several μm) including the desired part is observed.
) is required in advance to roughly observe the area and then observe the desired area.
また、広範囲走査の37M画像(3次元画像)を観察し
ている状態において、その一部分のみを拡大表示させて
詳細に観察したいというニーズが生じる場合もある。Furthermore, while observing a wide-range scanned 37M image (three-dimensional image), there may arise a need to enlarge and display only a portion of the image for detailed observation.
このような要求に対して、従来は、広範囲走査によって
得た所定の分解能をもったデータにもとづく画像を得た
後、狭い走査範囲に切換え、探針をトンネル電流が得ら
れる間隔以上に試料表面から持上げる。そして、パルス
モータなどを用いたX−Y粗動機構によって拡大したい
位置に走査の中心位置を合わせた後、持上げた探針をト
ンネル電流領域まで降し、再び走査を行って画像を表示
させるなどの方法がとられていた。To meet these demands, conventional methods have been to obtain images based on data with a predetermined resolution obtained through wide-range scanning, then switch to a narrow scanning range, and move the probe over the sample surface at intervals greater than the interval at which tunneling current can be obtained. lift it from Then, after aligning the scanning center position with the desired position using an X-Y coarse movement mechanism using a pulse motor, etc., the lifted probe is lowered to the tunnel current area, and scanning is performed again to display the image. method was used.
[発明が解決しようとする課題]
上記したように、従来のSTMにおいては、所望の一部
分のみを詳細に観察したいという要求に対して、広範囲
走査から狭範囲走査に切換え、探針を上下して走査の中
心位置を粗動機構によって拡大画像を得たい位置に合わ
せ、再度、走査して画像を形成させる方法の場合、試料
を移動するための粗動機構の精度が37M画像の信頼性
を左右する。実際に、粗動機構の精度はSTMの分解能
よりも極端に悪い。このように、広範囲走査を行った後
に探針を試料から離し、粗動機構を用いて試料を移動さ
せ、この後に再び探針を試料に近付けて37M画像の観
察を行うものでは、粗動機構の分解能や精度により位置
の再現性を保証できない。このため、正確に所望の位置
で拡大画像を得ることができないという欠点があった。[Problems to be Solved by the Invention] As mentioned above, in conventional STM, in response to a request to observe only a desired part in detail, the user switches from wide-range scanning to narrow-range scanning and moves the probe up and down. In the case of a method in which the center position of the scan is aligned with the position where you want to obtain an enlarged image using a coarse movement mechanism, and the image is formed by scanning again, the accuracy of the coarse movement mechanism for moving the sample determines the reliability of the 37M image. do. In fact, the accuracy of the coarse movement mechanism is extremely worse than the resolution of STM. In this way, after scanning a wide range, the probe is moved away from the sample, the sample is moved using the coarse movement mechanism, and then the probe is brought close to the sample again to observe the 37M image. Position reproducibility cannot be guaranteed due to resolution and accuracy. For this reason, there is a drawback that an enlarged image cannot be obtained precisely at a desired position.
そこで、この発明は、探針の上下操作にともなう粗動機
構を用いることなく、広範囲走査後の任意の位置に所望
の走査範囲に対する走査の開始位置を移動することがで
き、位置の再現性や拡大画像の信頼性を確保することが
できる走査型トンネル顕微鏡を提供することを目的とし
ている。Therefore, the present invention makes it possible to move the scanning start position for a desired scanning range to any position after wide-range scanning without using a coarse movement mechanism associated with vertical movement of the probe, thereby improving position reproducibility. The purpose of the present invention is to provide a scanning tunneling microscope that can ensure the reliability of magnified images.
[課題を解決するための手段]
上記の目的を達成するために、この発明の走査型トンネ
ル顕微鏡にあっては、被測定物の表面を原子単位で観察
することができるものにおいて、広範囲走査後における
、この広範囲内に含まれる所望の走査範囲の大きさを設
定する範囲設定データが入力されるビットシフタと、こ
のビットシフタの出力と前記広範囲走査の基準位置に対
する前記所望の走査範囲の基準位置データとをデジタル
加算する加算手段とを具備し、前記加算手段からの出力
を走査信号として用いることにより、走査範囲の変更お
よびその走査開始位置の変更を行うよう構成されている
。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the scanning tunneling microscope of the present invention is capable of observing the surface of an object to be measured in units of atoms, and after wide-range scanning, a bit shifter to which range setting data for setting the size of a desired scanning range included in this wide range is input, and an output of this bit shifter and reference position data of the desired scanning range with respect to a reference position of the wide range scanning; and an addition means for digitally adding , and is configured to change the scanning range and the scanning start position by using the output from the addition means as a scanning signal.
[作用コ
この発明は、上記した手段により、探針を被測定物から
離すことなく移動できるため、粗動機構の精度からくる
誤差などの影響を受けずに、広範囲走査における37M
画像の一部分に対応する範囲を再走査して拡大表示する
ことが可能となるものである。[Operation] This invention uses the above-mentioned means to move the probe without separating it from the object to be measured, so it is not affected by errors caused by the accuracy of the coarse movement mechanism, and it is possible to perform a 37M scan over a wide range.
This makes it possible to rescan a range corresponding to a part of the image and display it in an enlarged manner.
[実施例]
以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明
する。[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.
第1図は、この発明のSTM(走査型トンネル顕微鏡)
の構成を示すものである。Figure 1 shows the STM (scanning tunneling microscope) of this invention.
This shows the configuration of
第1図において、1はSTM全体の制御を司る8ビツト
CPU (セントラル・プロセシング・ユニット)コン
トローラである。この8ビツトCPUコントローラ1に
はインターフェイスコントローラ2が接続されており、
インターフェイス(GPIB)を介してホストコンピュ
ータ100が接続されるようになっている。In FIG. 1, 1 is an 8-bit CPU (Central Processing Unit) controller that controls the entire STM. An interface controller 2 is connected to this 8-bit CPU controller 1.
A host computer 100 is connected via an interface (GPIB).
また、8ビツトCPUコントローラ1には、Yステージ
[1用のパルスモータ(P、M、) ドライバ3、X
ステージ移動用のP、M、 ドライバ4、走査範囲の
切換えおよび走査の開始位置を可変する開始位置可変回
路(STM走査回路)5、Zステージ移動用のP、M、
ドライバ6、Z電極電圧信号またはトンネル電流信
号をA/D (アナログ/デジタル)変換するための1
2ビツトA/D変換器7、バイアス電圧印加用の10ビ
ツトD/A変換器8が、それぞれCPUデータバスを介
して接続されている。The 8-bit CPU controller 1 also includes pulse motors (P, M,) for the Y stage [1], drivers 3,
P, M, driver 4 for moving the stage, variable start position circuit (STM scanning circuit) 5 for switching the scanning range and varying the start position of scanning, P, M, for moving the Z stage,
driver 6, 1 for A/D (analog/digital) conversion of the Z electrode voltage signal or tunnel current signal;
A 2-bit A/D converter 7 and a 10-bit D/A converter 8 for applying bias voltage are connected to each other via a CPU data bus.
Yステージ移動用P、M、 ドライバ3は、8ビツト
CPUコントローラ1からの駆動信号(パルスデータ)
に応じてYステージ移動用P、M、9を駆動し、Yステ
ージ10をY方向(図の手前奥方向)に移動するもので
ある。The P, M, and driver 3 for moving the Y stage receive drive signals (pulse data) from the 8-bit CPU controller 1.
Accordingly, the Y stage moving P, M, and 9 are driven to move the Y stage 10 in the Y direction (front to back direction in the figure).
Xステージ移動用P、M、 ドライバ4は、8ビツト
CPUコントローラ1からの駆動信号に応じてXステー
ジ移動用P0M、11を駆動し、Xステージ12をX方
向(図の左右方向)に移動するものである。The X stage moving P, M, driver 4 drives the X stage moving P0M, 11 in accordance with the drive signal from the 8-bit CPU controller 1, and moves the X stage 12 in the X direction (horizontal direction in the figure). It is something.
Zステージ移動用P、M、 ドライバ6は、8ビツト
CPUコントローラ1からの駆動信号に応じてZステー
ジ移動用P、M、13を駆動し、Zステージ14をZ方
向(図の上下方向)に移動するものである。The Z stage moving P, M, driver 6 drives the Z stage moving P, M, 13 in response to the drive signal from the 8-bit CPU controller 1, and moves the Z stage 14 in the Z direction (vertical direction in the figure). It is something that moves.
上記2ステージ14の下面部には、3次元方向に駆動可
能なアクチュエータを構成するチューブスキャナ(圧電
素子)15が取付けられており、このチューブスキャナ
15の下面部には鋭利な先端形状を有する導電性の探針
(探触針)16が設けられている。そして、この探針1
6には、上記10ビツトD/A変換器8によりバイアス
電圧(Vバイアス)が印加されるようになっている。A tube scanner (piezoelectric element) 15 that constitutes an actuator that can be driven in three dimensions is attached to the lower surface of the two stages 14. A sexual probe (probe needle) 16 is provided. And this probe 1
6, a bias voltage (V bias) is applied by the 10-bit D/A converter 8.
一方、上記2ステージ14と対向するXステージ12の
上面には、被測定物としてのサンプル(試料)17が載
置されるようになっている。このサンプル17には、そ
の表面に上記探針16がlnm程度まで近付けられた状
態で所定のバイアス電圧が印加されることにより、トン
ネル電流(Jトンネル)が流れる。このサンプル17に
生じるトンネル電流は、トンネル電流増幅用プリアンプ
18を介してサーボ回路19および上記12ビツトA/
D変換器7に供給される。On the other hand, on the upper surface of the X stage 12 facing the two stages 14, a sample 17 as an object to be measured is placed. A tunnel current (J tunnel) flows through the sample 17 by applying a predetermined bias voltage to the surface of the sample 17 with the probe 16 brought close to the sample 17 to about 1 nm. The tunnel current generated in this sample 17 is transmitted to the servo circuit 19 and the above-mentioned 12-bit A/R via the tunnel current amplification preamplifier 18.
The signal is supplied to the D converter 7.
サーボ回路19は、プリアンプ18を介して供給される
トンネル電流信号が一定値となるようなZ電極電圧信号
(2印加電圧)を生成し、これを上記12ビツトA/D
変換器7およびZ電極印加用高圧増幅アンプ(H,V、
Z)20に出力するものである。このZ印加電圧が、H
,V、220を介して上記チューブスキャナ15に印加
されることにより、上記探針15とサンプル17の表面
との間隔が一定となるようにチューブスキャナ15が伸
縮される。The servo circuit 19 generates a Z electrode voltage signal (2 applied voltages) such that the tunnel current signal supplied via the preamplifier 18 has a constant value, and applies this to the 12-bit A/D.
Converter 7 and high voltage amplifier for applying Z electrode (H, V,
Z) 20. This Z applied voltage is H
, V, 220, the tube scanner 15 is expanded and contracted so that the distance between the probe 15 and the surface of the sample 17 is constant.
12ビツトA/D変換器7は、プリアンプ18を介して
供給されるトンネル電流信号をA/D変換して上記8ビ
ツトCPUコントローラ1に出力するものである。また
、サーボ回路19より供給されるZ電極電圧信号をA/
D変換して上記8ビツトCPUコントローラ1に出力す
るものである。The 12-bit A/D converter 7 A/D converts the tunnel current signal supplied via the preamplifier 18 and outputs it to the 8-bit CPU controller 1. In addition, the Z electrode voltage signal supplied from the servo circuit 19 is
The data is converted into D and output to the 8-bit CPU controller 1.
上記STM走査回路5は、ビットシフタとデジタル加算
器とを主体に構成されている。すなわち、このSTM走
査回路5は、8ビツトCPUコントローラ1からCPU
データバスを介して供給される走査開始信号にしたがっ
てカウントのアップ/ダウンを行う走査カウンタ回路(
走査用16ビツト出力カウンタ)51、この走査カウン
タ回路51からの出力を8ビツトCPUコントローラ1
から供給されるシフト数信号(範囲設定データ)に応じ
てLSB側に任意のビット数分だけシフトするビットシ
フト回路(走査範囲切換え用ビットシフタ)52.8ビ
ツトCPUコントローラ1から供給される走査オフセッ
ト値(基準位置データ)を保持するラッチ回路(走査オ
フセット16ビツトデークラッチ回路)53.54、こ
のラッチ回路53の出力と前記ビットシフト回路52の
出力とを加算してたとえばX方向の走査信号を生成する
デジタル加算器(加算手段)55、および前記ラッチ回
路54の出力と前記ビットシフト回路52の出力とを加
算してたとえばY方向の走査信号を生成するデジタル加
算器(加算手段)56とから構成されている。The STM scanning circuit 5 is mainly composed of a bit shifter and a digital adder. In other words, this STM scanning circuit 5 operates from the 8-bit CPU controller 1 to the CPU
A scan counter circuit that counts up and down in accordance with the scan start signal supplied via the data bus.
16-bit output counter for scanning) 51, and the output from this scanning counter circuit 51 is sent to the 8-bit CPU controller 1.
A bit shift circuit (scanning range switching bit shifter) that shifts an arbitrary number of bits to the LSB side according to a shift number signal (range setting data) supplied from a 52.8-bit scanning offset value supplied from the CPU controller 1. A latch circuit (scanning offset 16-bit day latch circuit) 53, 54 that holds (reference position data), the output of this latch circuit 53 and the output of the bit shift circuit 52 are added to generate, for example, a scanning signal in the X direction. and a digital adder (adding means) 56 that adds the output of the latch circuit 54 and the output of the bit shift circuit 52 to generate, for example, a Y-direction scanning signal. has been done.
デジタル加算器55の出力は、X走査16ビツ)D/A
変換器21に供給される。このX走査16ビツトD/A
変換器21は、入力に対応するアナログ電圧出力(X印
加電圧)を生成し、これを+Xis極印加用高圧増幅ア
ンプ(H,V、+X)22および反転回路23を介して
−X電極印加用高圧増幅アンプ(H,V、−X)24に
出力するものである。そして、これら+X印加電圧、=
X印加電圧がH,V、+X22.H,V、−X24を介
して上記チューブスキャナ15にそれぞれ印加されるこ
とにより、上記探針16がサンプル17の表面における
所望の走査範囲を、上記基準位置データに対応する走査
開始位置にしたがってX方向に針先端が走査するように
、チューブスキャナ15が各電圧の印加を受けて変形さ
れる。The output of the digital adder 55 is an X-scan 16-bit) D/A
It is supplied to the converter 21. This X scanning 16 bit D/A
The converter 21 generates an analog voltage output (X applied voltage) corresponding to the input, and outputs the analog voltage output (X applied voltage) to the +Xis electrode via a high voltage amplifier (H, V, +X) 22 and an inversion circuit 23 for applying the −X electrode. It is output to the high voltage amplifier (H, V, -X) 24. And these +X applied voltages, =
X applied voltage is H, V, +X22. By applying voltages to the tube scanner 15 via H, V, -X24, the probe 16 scans a desired scanning range on the surface of the sample 17 according to the scanning start position corresponding to the reference position data. The tube scanner 15 is deformed by application of each voltage so that the needle tip scans in the direction.
デジタル加算器56の出力は、Y走査16ビツトD/A
変換器25に供給される。このY走査16ビツトD/A
変換器25は、入力に対応するアナログ電圧出力(Y印
加電圧)を生成し、これを+Y電極印加用高圧増幅アン
プ(H,V、+Y)26および反転回路27を介して−
Y電極印加用高圧増幅アンプ(H,V、−Y)28に出
力するものである。そして、これら+Y印加電圧、
−Y印加電圧がH,V、 十Y26.H,V、−Y2g
を介して上記チューブスキャナ15にそれぞれ印加され
ることにより、上記探針16がサンプル17の表面にお
ける所望の走査範囲を、上記基準位置データに対応する
走査開始位置にしたがってY方向に針先端が走査するよ
うに、チューブスキャナ15が各電圧の印加を受けて変
形される。The output of the digital adder 56 is a Y-scan 16-bit D/A
It is supplied to converter 25. This Y scanning 16 bit D/A
The converter 25 generates an analog voltage output (Y applied voltage) corresponding to the input, and converts this into a −
This signal is output to a high voltage amplification amplifier (H, V, -Y) 28 for applying voltage to the Y electrode. And these +Y applied voltages,
-Y applied voltage is H, V, 10Y26. H, V, -Y2g
The probe 16 scans a desired scanning range on the surface of the sample 17 in the Y direction in accordance with the scanning start position corresponding to the reference position data. The tube scanner 15 is deformed as each voltage is applied.
このように、範囲設定データが入力されるビットシフタ
の出力と基準位置データとのデジタル加算出力を走査信
号として用いることにより、探針16をサンプル17か
ら離したり、粗動機構などを使用することなく、走査範
囲およびその走査開始位置の変更を行うことができるよ
うになるものである。In this way, by using the digital addition output of the bit shifter output into which the range setting data is input and the reference position data as a scanning signal, the probe 16 can be moved away from the sample 17 or without using a coarse movement mechanism. , the scanning range and the scanning start position can be changed.
第2図は、STM走査回路5の構成をより詳細に示すも
のである。なお、便宜上、ここではX方向の走査系のみ
を図示して説明する。FIG. 2 shows the configuration of the STM scanning circuit 5 in more detail. For convenience, only the scanning system in the X direction will be illustrated and explained here.
X走査カウンタ回路51aは、8ビツトCPUコントロ
ーラ1からの走査開始信号にしたがってrooooHJ
からrFFFFHJまでの間でカウントのアップ/ダウ
ンを走査ライン数回繰返し、r 0000 o Jに達
したところでカウントを停止する。The X scan counter circuit 51a performs rooooHJ according to the scan start signal from the 8-bit CPU controller 1.
From rFFFFHJ to rFFFFHJ, counting is repeated several times for each scanning line, and when r 0000 o J is reached, counting is stopped.
X走査カウントビットシフト回路52aは、上記X走査
カウンタ回路51aから供給される16ビツトのカウン
ト値を、8ビツトCPUコントローラ1からのシフト数
信号に応じたビット数分だけLSB側にシフトし、MS
B側の空きビットに「0」を挿入したデータ(出力カウ
ント値)をXカウント値デジタル加算器55に出力する
。すなわち、このX走査カウントビットシフト回路52
aでは、たとえばX走査カウンタ回路51aからのカウ
ント値がrFFFFHJのとき、1ビツトシフト設定時
にはr7FFFHJを、また2ビツトシフト設定時には
r3FFFnJを出力カウント値として出力する。この
ように、ビットシフト数の設定を切換えることにより、
X走査カウントビットシフト回路52aからの出力カウ
ント値は、X走査カウンタ回路51aから供給されるカ
ウント値の1/2.1/4.1/8.・・・となる。し
たがって、]ビットシフト設定時、X走査カウント値は
、デジタル加算器55の出力では、If)000HJか
らr7FFFHJまでの間を走査ライン数回繰返したも
のとなる。The X-scan count bit shift circuit 52a shifts the 16-bit count value supplied from the X-scan counter circuit 51a to the LSB side by the number of bits corresponding to the shift number signal from the 8-bit CPU controller 1.
Data (output count value) with "0" inserted into the empty bits on the B side is output to the X count value digital adder 55. That is, this X scan count bit shift circuit 52
In case a, for example, when the count value from the X-scanning counter circuit 51a is rFFFFHJ, r7FFFHJ is output when a 1-bit shift is set, and r3FFFnJ is output when a 2-bit shift is set. In this way, by switching the bit shift number setting,
The output count value from the X-scan count bit shift circuit 52a is 1/2.1/4.1/8 of the count value supplied from the X-scan counter circuit 51a. ...becomes... Therefore, when the bit shift is set, the X-scan count value at the output of the digital adder 55 is obtained by repeating the range from If)000HJ to r7FFFHJ several times for the scan line.
Xカウント値デジタル加算器55は、上位側デジタル加
算器55aと下位側デジタル加算器55bとから構成さ
れており、X方向の走査オフセット16ビツトデータラ
ッチ回路53に8ビツトCPUコントローラ1により書
込まれたX走査のオフセット値と、上記X走査カウント
ビットシフト回路52aより供給される出力カウント値
とを、上位側と下位側とに別けて加算するものである。The X count value digital adder 55 is composed of an upper side digital adder 55a and a lower side digital adder 55b. The X-scan offset value and the output count value supplied from the X-scan count bit shift circuit 52a are added separately to the upper side and the lower side.
すなわち、上位側デジタル加算器55aでは、上記ラッ
チ回路53の上位側ラッチ回路53aから供給されるオ
フセット値の上位8ビツトと、X走査カウントビットシ
フト回路52aより供給される出力カウント値の上位8
ビツトとの加算が行われる。また、下位側デジタル加算
器55bでは、上記ラッチ回路53の下位側ラッチ回路
53bから供給されるオフセット値の下位8ビツトと、
X走査カウントビットシフト回路52aより供給される
出力カウント値の下位8ビツトとの加算が行われる。し
たがって、上記X走査カウントビットシフト回路52a
のビットシフト数が「1」に設定されている状態におい
て、たとえばラッチ回路53にオフセット値としてr4
000HJがラッチされている場合、デジタル加算器5
5の出力であるX走査カウントは、r40.oooJか
ら「BFFFHJまでの間を走査ライン数回繰返したも
のとなる。That is, the upper digital adder 55a uses the upper 8 bits of the offset value supplied from the upper latch circuit 53a of the latch circuit 53 and the upper 8 bits of the output count value supplied from the X-scan count bit shift circuit 52a.
Addition with bit is performed. Further, in the lower digital adder 55b, the lower 8 bits of the offset value supplied from the lower latch circuit 53b of the latch circuit 53,
The output count value supplied from the X-scan count bit shift circuit 52a is added to the lower 8 bits. Therefore, the X scan count bit shift circuit 52a
In a state where the bit shift number of is set to "1", for example, r4 is input to the latch circuit 53 as an offset value.
If 000HJ is latched, digital adder 5
The X-scan count, which is the output of r40. The scanning line from oooJ to BFFFHJ is repeated several times.
なお、このデジタル加算器55の出力が供給されるX走
査16ビツトD/A変換器21は、たとえば入力データ
としてro o o o□」が供給されたときにはrO
JVを、rFFFFoJ(7)ときにはrlOJVのX
印加電圧を出力するようになっている。Note that the X-scanning 16-bit D/A converter 21 to which the output of the digital adder 55 is supplied has rO
JV, rFFFFFoJ(7) and sometimes rlOJV
It outputs the applied voltage.
以上は、X方向に探針16を移動させるための系の構成
であるが、X方向に移動させるためのX方向の走査系も
同様な構成とされている。ただし、X方向の走査系の場
合、Y走査カラ2タ回路は、8ビツトCPUコントロー
ラ1からの走査開始信号にしたがってroooooJか
らrFFFFHJまでの間でカウントのアップ/ダウン
を1回だけ行うようになっている。すなわち、カウント
アツプ時のX走査クロックは、X走査クロック(走査ラ
イン数×2)を分周した周波数とされており、X方向の
走査が全ライン終了した時点でX走査クロックと同じ周
波数に切替わり、これによりカウントダウンが開始され
て、「0000H」に達したところでカウントを停止す
る。The above is the configuration of the system for moving the probe 16 in the X direction, but the X direction scanning system for moving the probe 16 in the X direction also has a similar configuration. However, in the case of an X-direction scanning system, the Y-scanning color 2-taper circuit only counts up and down once from rooooooJ to rFFFFHJ in accordance with the scan start signal from the 8-bit CPU controller 1. ing. In other words, the X-scanning clock during count-up has a frequency obtained by dividing the X-scanning clock (number of scanning lines x 2), and is cut to the same frequency as the X-scanning clock when all lines of scanning in the X direction are completed. Instead, a countdown is started, and the count is stopped when it reaches "0000H".
また、Y走査カウントビットシフト回路は、上記Y走査
カラ2タ回路から供給される16ビツトのカウント値を
nビットシフトすることにより、出力カウント値を1/
2nに切換えるようになっている。この場合、走査範囲
を正方形とするため、nの値(ビットシフト数)はX、
Yともに同じ値が設定される。Furthermore, the Y-scan count bit shift circuit shifts the 16-bit count value supplied from the Y-scan color two-tar circuit by n bits, thereby reducing the output count value by 1/1.
2n. In this case, since the scanning range is square, the value of n (number of bit shifts) is
The same value is set for both Y.
次に、上記した構成における動作について説明する。な
お、ここでは、最大走査範囲が10μm×10μmのS
TMを例に、まずは10μm口の広範囲走査を行い、そ
の87M画像の観察を行った後に、所望の点を基準にた
とえば2.5μm口の走査範囲を再走査する場合につい
て説明する。Next, the operation in the above configuration will be explained. Note that here, the maximum scanning range is 10 μm x 10 μm.
Taking TM as an example, a case will be described in which a wide range scan of 10 μm is first performed, the 87M image thereof is observed, and then a scanning range of, for example, 2.5 μm is rescanned based on a desired point.
たとえば今、探針16がサンプル17上の走査開始位置
(基準位置)にてサーボされている状態において、8ビ
ツトCPUコントローラ1から10μm口の広範囲走査
を指示する走査開始信号がCPUデータバスを介してS
TM走査回路5に供給されたとする。この場合、ビット
シフト回路52にはあらかじめ8ビツトCPUコントロ
ーラ1からのシフト数信号によりビットシフト数として
「0」が、またラッチ回路53.54にはそれぞれX走
査のオフセット値およびY走査のオフセット値としてr
oooooJが設定されているものとする。For example, when the probe 16 is currently being servoed at the scan start position (reference position) on the sample 17, a scan start signal instructing a wide range scan of 10 μm is sent from the 8-bit CPU controller 1 via the CPU data bus. TeS
Assume that the signal is supplied to the TM scanning circuit 5. In this case, the bit shift circuit 52 is set in advance as the bit shift number "0" by the shift number signal from the 8-bit CPU controller 1, and the latch circuits 53 and 54 are set with the X-scan offset value and the Y-scan offset value, respectively. as r
It is assumed that ooooooJ is set.
すると、STM走査回路5からは、上記走査開始信号に
したがって「0000H」から「FFFFH」までの間
のカウントアツプ/ダウンを走査ライン数回、たとえば
512回繰返したX走査カウント値がX走査16ビツト
D/A変換器21に、またroooooJからrFFF
FoJまでの間のカウントアツプ/ダウンを1回だけ行
ったX走査カウント値がX走査16ビツトD/A変換器
25にそれぞれ出力される。Then, the STM scanning circuit 5 outputs the X-scan count value obtained by repeating the count-up/down from "0000H" to "FFFFH" several times, for example, 512 times, in accordance with the above-mentioned scan start signal. to the D/A converter 21, and from rooooJ to rFFF
The X-scan count values, which are counted up and down only once until FoJ, are output to the X-scan 16-bit D/A converter 25, respectively.
これにより、上記X走査16ビツトD/A変換器21か
らは、STM走査回路5より供給されるX走査カウント
値に応じたX印加電圧(0〜10V)が出力され、これ
がX方向の走査信号としてチューブスキャナ15に印加
される。同様にして、上記Y走査16ビツトD/A変換
器25からは、STM走査回路5より供給されるX走査
カウント値に応じたY印加電圧(0〜10V)が出力さ
れ、これがX方向の走査信号としてチューブスキャナ1
5に印加される。As a result, the X-scanning 16-bit D/A converter 21 outputs an X applied voltage (0 to 10 V) corresponding to the X-scanning count value supplied from the STM scanning circuit 5, and this is used as the X-direction scanning signal. The signal is applied to the tube scanner 15 as follows. Similarly, the Y-scan 16-bit D/A converter 25 outputs a Y applied voltage (0 to 10 V) corresponding to the X-scan count value supplied from the STM scan circuit 5, and this is applied to the X-direction scan. Tube scanner 1 as signal
5.
この結果、チューブスキャナ15が、X方向に0μm〜
10μmの範囲で針先端を移動するように変形され、ま
たこの1回の移動にともなって順次X方向に0μm〜1
0μmの範囲で移動されることにより、第3図に示す如
く、サンプル17の10μm口の範囲Aを探針16が走
査することになる。As a result, the tube scanner 15 can move from 0 μm to 0 μm in the X direction.
The needle tip is deformed to move within a range of 10 μm, and with this one movement, it sequentially moves from 0 μm to 1 μm in the X direction.
By moving within a range of 0 μm, the probe 16 scans a range A of the 10 μm opening of the sample 17, as shown in FIG.
この走査におけるデータを、たとえば上記走査ライン数
と同じ512ポイントでサンプリングし、これによって
得られたS7M画像をホストコンピュータ100にてト
ップ・ビュー表示することにより、10μm口の広範囲
走査に対するサンプル17の表面における形状が観察で
きる。この場合、S7M画像は2次元(X、Y)表示で
あり、Z方向は明るさの変化(輝度)により表示される
ようになっている。The data in this scan is sampled at, for example, 512 points, which is the same as the number of scanning lines mentioned above, and the S7M image obtained thereby is displayed in top view on the host computer 100. The shape of can be observed. In this case, the S7M image is a two-dimensional (X, Y) display, and the Z direction is displayed by changing brightness (luminance).
ところで、上記S7M画像の観察時において、10μm
口の広範囲走査の基準位置である走査開始位置(OOO
Oo X0OCIO)I )に対して、X方向に400
0H(2,5μm) Y方向に5oooo (5μ
m)の位置(所望の点)を基準とする、2.5μm口の
範囲における画像を拡大表示して観察したい場合が生じ
たとする。By the way, when observing the S7M image above, 10 μm
The scan start position (OOO
Oo X0OCIO)I ), 400 in the X direction
0H (2.5μm) 5oooo (5μm) in the Y direction
Suppose that a case arises in which it is desired to enlarge and display an image within a range of 2.5 μm based on the position (desired point) of point (m) (desired point).
この場合、まず8ビツトCPUコントローラ1から、走
査範囲を2.5μmX2.5μmとする走査開始信号が
STM走査回路5に出力される。In this case, first, the 8-bit CPU controller 1 outputs a scan start signal to the STM scanning circuit 5 to set the scanning range to 2.5 μm×2.5 μm.
すなわち、8ビツトCPUコントローラ1からのシフト
数信号によってビットシフト回路52のビットシフト数
が「2」に設定される。また、このとき、X走査のオフ
セット値としてr4000HJがラッチ回路53に書込
まれるとともに、Y走査のオフセット値としてr800
0HJがラッチ回路54に書込まれる。That is, the bit shift number of the bit shift circuit 52 is set to "2" by the shift number signal from the 8-bit CPU controller 1. At this time, r4000HJ is written to the latch circuit 53 as an offset value for the X scan, and r800HJ is written as an offset value for the Y scan.
0HJ is written into the latch circuit 54.
すると、STM走査回路5では、走査カウンタ回路51
(正確には、X走査カウンタ回路51a)において、上
記走査開始信号にしたがってroooonJからrFF
FFHJまでの間のカウントアツプ/ダウンが走査ライ
ン数回、たとえば512回繰返され、そのカウント結果
であるX走査カウント値がビットシフト回路52(正確
には、X走査カウントビットシフト回路52a)に出力
される。Then, in the STM scanning circuit 5, the scanning counter circuit 51
(To be precise, in the X scan counter circuit 51a), rFF is input from roooonJ according to the scan start signal.
The count up/down until FFHJ is repeated several times for scanning lines, for example, 512 times, and the count result, the X-scan count value, is output to the bit shift circuit 52 (more precisely, the X-scan count bit shift circuit 52a). be done.
そして、このビットシフト回路52において、上記X走
査カウント値は上記したシフト数信号により設定されて
いるビットシフト数「2」に応じてビットシフトされた
後、デジタル加算器55に出力される。In the bit shift circuit 52, the X-scan count value is bit-shifted according to the bit shift number "2" set by the shift number signal, and then output to the digital adder 55.
上記ビットシフト回路52からの出力、つまりX方向の
出力カウント値は、このデジタル加算器55において、
上記ラッチ回路53に書込まれたX走査のオフセット値
r4000uJと加算されて、X走査16ビツトD/A
変換器21出力される。The output from the bit shift circuit 52, that is, the output count value in the X direction, is processed by the digital adder 55.
It is added to the X-scan offset value r4000uJ written in the latch circuit 53, and the X-scan 16-bit D/A
The converter 21 outputs.
一方、走査カウンタ回路51 (正確には、図示しない
Y走査カウンタ回路)からは、上記走査開始信号にした
がってro000+JからrFFFFHJまでの間のカ
ウントアツプ/ダウンが1回だけ行われたY走査カウン
ト値が、ビットシフト回路52(正確には、図示しない
Y走査カウントビットシフト回路)に出力される。On the other hand, the scan counter circuit 51 (more precisely, the Y scan counter circuit not shown) outputs a Y scan count value that has been counted up/down only once from ro000+J to rFFFFHJ in accordance with the scan start signal. , is output to the bit shift circuit 52 (more precisely, a Y-scan count bit shift circuit not shown).
そして、このビットシフト回路52において、上記Y走
査カウント値は上記したビットシフト数「2」に応じて
ビットシフトされた後、デジタル加算器56に出力され
る。In this bit shift circuit 52, the Y-scan count value is bit-shifted according to the above-described bit shift number "2" and then output to a digital adder 56.
このY方向の出力カウント値は、デジタル加算器56に
おいて、上記ラッチ回路54に書込まれたY走査のオフ
セット値r8000HJと加算されて、Y走査16ビツ
トD/A変換器25に出力される。This Y-direction output count value is added to the Y-scan offset value r8000HJ written in the latch circuit 54 in the digital adder 56 and output to the Y-scan 16-bit D/A converter 25.
これにより、上記X走査16ビツトD/A変換器21か
らは、デジタル加算器55より供給されるX走査カウン
ト値に応じたX印加電圧(2,5〜5.OV)が出力さ
れ、これがX方向の走査信号としてチューブスキャナ1
5に印加される。As a result, the X-scan 16-bit D/A converter 21 outputs an X applied voltage (2.5 to 5.OV) corresponding to the X-scan count value supplied from the digital adder 55, and this Tube scanner 1 as direction scanning signal
5.
同様にして、上記Y走査16ビツトD/A変換器25か
らは、デジタル加算器56より供給されるY走査カウン
ト値に応じたY印加電圧(5,0〜7.5V)が出力さ
れ、これがY方向の走査信号としてチューブスキャナ1
5に印加される。Similarly, the Y-scan 16-bit D/A converter 25 outputs a Y applied voltage (5.0 to 7.5 V) corresponding to the Y-scan count value supplied from the digital adder 56. Tube scanner 1 as a scanning signal in the Y direction
5.
この結果、チューブスキャナ15が、X方向に2.5μ
m〜5.0μmの範囲で針先端を移動するように変形さ
れ、またこの1回の移動にともなって順次Y方向に5.
0um〜7.5μmの範囲で移動されることにより、第
3図に示す如く、サンプル17の2,5μm口の範囲(
図示斜線部分)Bを探針16が走査することになる。As a result, the tube scanner 15 is 2.5μ in the X direction.
The needle tip is deformed so as to move in the range of m to 5.0 μm, and along with this one movement, it sequentially moves 5.0 m to 5.0 μm in the Y direction.
By moving in the range of 0um to 7.5μm, as shown in FIG.
The probe 16 scans the diagonally shaded area)B.
この場合、上記走査におけるデータを、たとえば上記走
査ライン数と同じ512ポイント、つまり10μm口の
広範囲走査と同じサンプル数である512ポイントでサ
ンプリングすることにより、部分的に高分解能の37M
画像を得ることができる。In this case, by sampling the data in the above scanning at 512 points, which is the same number of scanning lines as above, that is, the same number of samples as in a wide range scan of 10 μm aperture, a high resolution 37M
You can get the image.
上記したように、探針をサンプルから離すことなく移動
し得、広範囲走査における37M画像の一部分に対応す
る範囲を再走査して拡大表示できるようにしている。As described above, the probe can be moved without separating from the sample, and a range corresponding to a portion of the 37M image in wide-range scanning can be rescanned and enlarged for display.
すなわち、広範囲走査後における所望の走査範囲の大き
さを設定するシフト数信号をビットシフタに入力すると
ともに、このとットシフタの出力と前記広範囲走査の基
準位置に対する前記所望の走査範囲のX方向およびY方
向のオフセット値とをデジタル加算することにより得ら
れる加算出力を走査信号として用いることにより、探針
をサンプルから離したり、粗動機構などを使用すること
なく、走査範囲およびその走査開始位置の変更を行うこ
とができるようにしている。これにより、再アプローチ
の際に探針によってサンプルの表面を傷付けたり、粗動
機構の精度からくる誤差などの影響を受けずに、広範囲
走査における37M画像の一部分に対応する範囲を再走
査して拡大表示することが可能となる。したがって、得
られる37M画像は、画像処理により拡大表示される画
像に比して高分解能であり、真の形状変化をより忠実に
再現できるとともに、再走査に要する手間や時間の短縮
が可能とされるものである。That is, a shift number signal that sets the size of the desired scanning range after wide-range scanning is input to the bit shifter, and the output of this bit shifter and the X-direction and Y-direction of the desired scanning range with respect to the reference position of the wide-range scanning are input. By using the added output obtained by digitally adding the offset value of I'm trying to do what I can. This makes it possible to rescan the range corresponding to a portion of the 37M image during wide-range scanning without damaging the surface of the sample with the probe during re-approach or being affected by errors caused by the accuracy of the coarse movement mechanism. Enlarged display becomes possible. Therefore, the obtained 37M image has a higher resolution than an image enlarged and displayed through image processing, and can reproduce true shape changes more faithfully, as well as reduce the effort and time required for rescanning. It is something that
なお、この発明は上記実施例に限定されるものではなく
、発明の要旨を変えない範囲において、種々変形実施可
能なことは勿論である。It should be noted that the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the gist of the invention.
[発明の効果J
以上、詳述したようにこの発明によれば、ビットシフタ
の出力と基準位置データとのデジタル加算出力を走査信
号として用いるようにしているため、粗動機構を用いる
ことなく、広範囲走査後の任意の位置に所望の走査範囲
に対する走査の開始位置を移動することができ、位置の
再現性や拡大画像の信頼性を確保することができる走査
型トンネル顕微鏡を提供できる。[Effect of the Invention J As detailed above, according to the present invention, the output of the digital addition of the output of the bit shifter and the reference position data is used as a scanning signal. It is possible to provide a scanning tunneling microscope that can move the scanning start position for a desired scanning range to an arbitrary position after scanning, and that can ensure position reproducibility and reliability of enlarged images.
図面はこの発明の一実施例を示すもので、第1図はST
Mの構成を概略的に示すブロック図、第2図はSTM走
査回路の概略構成を示すブロック図、第3図は動作を説
明するために示す図である。
1・・・8ビツトCPUコントローラ、5・・・STM
走査回路、15・・・チューブスキャン、16・・・探
針、17・・・サンプル(被測定物)、52・・・ビッ
トシフト回路、55.56・・・デジタル加算器(加算
手段)。
第3図The drawings show one embodiment of this invention, and FIG.
FIG. 2 is a block diagram schematically showing the configuration of the STM scanning circuit. FIG. 3 is a diagram showing the operation. 1...8-bit CPU controller, 5...STM
Scanning circuit, 15...Tube scan, 16... Probe, 17... Sample (object to be measured), 52... Bit shift circuit, 55.56... Digital adder (adding means). Figure 3
Claims (1)
型トンネル顕微鏡において、 広範囲走査後における、この広範囲内に含まれる所望の
走査範囲の大きさを設定する範囲設定データが入力され
るビットシフタと、 このビットシフタの出力と前記広範囲走査の基準位置に
対する前記所望の走査範囲の基準位置データとをデジタ
ル加算する加算手段とを具備し、前記加算手段からの出
力を走査信号として用いることにより、走査範囲および
その走査開始位置の変更を行うことを特徴とする走査型
トンネル顕微鏡。[Claims] In a scanning tunneling microscope capable of observing the surface of an object to be measured in units of atoms, range setting data for setting the size of a desired scanning range included within this wide range after scanning a wide range. a bit shifter into which is input; and an adding means for digitally adding the output of the bit shifter and the reference position data of the desired scanning range with respect to the reference position of the wide range scanning, and the output from the adding means is used as a scanning signal. A scanning tunneling microscope characterized in that by using the scanning tunneling microscope, a scanning range and a scanning start position thereof can be changed.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25961789A JPH03122505A (en) | 1989-10-04 | 1989-10-04 | Scanning tunneling microscope |
US07/591,457 US5059793A (en) | 1989-10-04 | 1990-10-01 | Scanning tunneling microscope having proper servo control function |
DE69015943T DE69015943T2 (en) | 1989-10-04 | 1990-10-04 | Raster tunnel microscope with servo control function. |
EP90119079A EP0421437B1 (en) | 1989-10-04 | 1990-10-04 | Scanning tunneling microscope having proper servo control function |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25961789A JPH03122505A (en) | 1989-10-04 | 1989-10-04 | Scanning tunneling microscope |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03122505A true JPH03122505A (en) | 1991-05-24 |
Family
ID=17336568
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP25961789A Pending JPH03122505A (en) | 1989-10-04 | 1989-10-04 | Scanning tunneling microscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH03122505A (en) |
-
1989
- 1989-10-04 JP JP25961789A patent/JPH03122505A/en active Pending
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