JPH03122506A - Scanning tunneling microscope - Google Patents

Scanning tunneling microscope

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JPH03122506A
JPH03122506A JP25961889A JP25961889A JPH03122506A JP H03122506 A JPH03122506 A JP H03122506A JP 25961889 A JP25961889 A JP 25961889A JP 25961889 A JP25961889 A JP 25961889A JP H03122506 A JPH03122506 A JP H03122506A
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JP
Japan
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sample
output
voltage
probe
servo
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Application number
JP25961889A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasushi Miyamoto
裕史 宮本
Takao Okada
孝夫 岡田
Tsugiko Takase
つぎ子 高瀬
Shuzo Mishima
周三 三島
Hiroko Ota
大田 浩子
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Priority to US07/591,457 priority patent/US5059793A/en
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

PURPOSE:To keep a servo system in a proper state at all times irrespective of the state of the surface of a sample by scanning a probe while adjusting a distance between the probe and the sample on the basis of a detection signal of a tunnel current. CONSTITUTION:A Z stage 14 is moved downward under the control of a CPU 1a and a tube scanner 15 is made to extend near a reference length and to reach a tunnel area. While a Z servo voltage from a servo circuit 19 is read by the CPU 1a through an A/D conversion element 7, thereafter, a Z D/A output of a D/A converter 31 is controlled to approach 0V. At a time point when the Z serve voltage becomes 0V, the Z D/A output of the converter 31 is fixed. As the result, a state brought about by impression of a voltage obtained by amplifying 20 an addition output of the Z D/A output and the Z servo voltage is held. In this way, a deviation of the impressed voltage based on the resolution of a rough motion from a reference voltage can be corrected (correction of the Z servo voltage) by adjusting the Z D/A output.

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、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) that can observe the surface of a sample on an atomic basis has been developed.

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lrv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。
Generally a metal probe (or probe needle) with a sharp tip
When the probes are placed as close as lrv to the surface of a conductive sample and a predetermined voltage is applied between these probes and the sample,
It is known that a tunnel current flows between the two.

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
の間隔距離を保って試料表面の凹凸をなぞることになる
。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。
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, when 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 traces the irregularities on the sample surface while maintaining a constant distance. Become. 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.

通常、このようなSTMにおける探針と試料との間の間
隔距離の調整には、サーボ回路が用いられている。この
サーボ回路は、前記探針と試料との間に流れるトンネル
電流を検出し、これにもとづいて前記探針と試料との間
の間隔距離が一定となるように前記アクチュエータの駆
動を制御するものである。
Normally, a servo circuit is used to adjust the distance between the probe and the sample in such an STM. This servo circuit detects a tunnel current flowing between the probe and the sample, and based on this detects the tunnel current flowing between the probe and the sample, controls the drive of the actuator so that the distance between the probe and the sample is constant. It is.

[発明が解決しようとする課8] 上記したように、従来のSTMにおいては、探針と試料
との間の間隔距離の調整がサーボ回路のみにより制御さ
れるようになっている。このため、試料の表面状態が悪
い場合には、意図した制御が行えないという欠点があっ
た。すなわち、試料の表面がたとえば傾斜されているも
のや、表面がうねっているもの、一部分に孔がおいてい
る場合など、トンネル電流にもとづくサーボ出力を表面
状態の出力としてCRT表示すると、CR7画面を有効
に利用できないばかりでなく、S7M画像が画面から外
れてしまう。このような場合、探針と試料との間の間隔
距離を制御するサーボ系で制御することが不適当もので
あり、得られるS7M画像が低分解能でしか表示できな
かったり、ダイナミックレンジが中央からずれることが
あった。
[Problem 8 to be Solved by the Invention] As described above, in the conventional STM, adjustment of the distance between the probe and the sample is controlled only by the servo circuit. Therefore, if the surface condition of the sample is poor, there is a drawback that the intended control cannot be performed. In other words, if the servo output based on the tunnel current is displayed on a CRT as the output of the surface condition when the surface of the sample is inclined, undulating, or has holes in some areas, the CR7 screen will be displayed. Not only can it not be used effectively, but the S7M image will be off the screen. In such cases, it is inappropriate to use a servo system to control the distance between the probe and the sample, and the resulting S7M image may only be displayed at low resolution, or the dynamic range may vary from the center. There were times when it would shift.

そこで、この発明は、試料の表面状態にかかわらず、探
針と試料との間の間隔距離を制御するサーボ系を常に適
正に保つ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。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a scanning tunneling microscope that can always maintain an appropriate servo system that controls the distance between the probe and the sample, regardless of the surface condition of the sample.

[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、探針と試料との間への電圧の印加
によって流れるトンネル電流を検出し、このトンネル電
流の検出信号にもとづいて、前記探針と前記試料との間
の間隔距離を距離調整手段にて調整(2ながら前記探針
を走査することにより、前記試料の表面状態を観察する
ものにおいて、前記探針と前記試料との間の間隔距離を
調、整する距離調整手段は、前記探針または前記試料を
支持する伸縮自在な圧電駆動体と、この圧電駆動体の伸
縮を、前記トンネル電流の検出信号が一定となるように
制御するサーボ回路と、サーボ出力において、所定の基
準位置に設定するために補正電圧を発生するだめのデジ
タル/アナログ変換器と、前記サーボ回路の出力と前記
デジタル/アナログ変換器の出力とを加算する加算回路
と、前記サーボ回路の出力をアナログ/デジタル変換す
るアナログ/デジタル変換器と、このアナログ/デジタ
ル変換器の出力にもとづいて前記デジタル/アナログ変
換器および前記加算回路を制御する制御回路とから構成
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 detects a tunneling current flowing by applying a voltage between a probe and a sample, Based on the detection signal of this tunnel current, the distance between the probe and the sample is adjusted by a distance adjusting means (2) The surface state of the sample is observed by scanning the probe. In the above, the distance adjusting means for adjusting the distance between the probe and the sample includes a piezoelectric drive body that supports the probe or the sample, and a piezoelectric drive body that can expand and contract the piezoelectric drive body. a servo circuit that controls the tunnel current detection signal to be constant; a digital/analog converter that generates a correction voltage to set a predetermined reference position at the servo output; and an output of the servo circuit. an addition circuit that adds the output of the digital/analog converter; an analog/digital converter that converts the output of the servo circuit from analog to digital; and an analog/digital converter that performs the digital/analog conversion based on the output of the analog/digital converter. and a control circuit that controls the adder circuit.

また、前記距、!Ii調整手段は、さらに前記サーボ回
路と前記アナログ/デジタル変換器との間に可変増幅器
を設けた構成とされている。
Also, the distance,! The Ii adjustment means further includes a variable amplifier provided between the servo circuit and the analog/digital converter.

さらに、前記距離調整手段の前記制御回路は、前記探針
と前記試料との間の間隔距離を微少変調するための変調
パターン発生回路を備え、この変調パターン発生回路の
出力により前記デジタル/アナログ変換器を制御するよ
う構成されている。
Furthermore, the control circuit of the distance adjustment means includes a modulation pattern generation circuit for finely modulating the distance between the probe and the sample, and the output of the modulation pattern generation circuit causes the digital/analog conversion. The device is configured to control the device.

[作 用] この発明は、上記した手段により、トンネル電流より得
られる表面状態に合わせて距離調整手段を作動させるよ
うにしているため、試料の表面状態に適したサーボ制御
が可能とされるものである。
[Function] This invention enables servo control suitable for the surface condition of the sample because the distance adjustment means is operated by the above-described means in accordance with the surface condition obtained from the tunnel current. It is.

また、アナログ/デジタル変換器へのサーボ回路の出力
を増幅させることができるようにしているため、試料表
面の微少な凹凸の変化を拡大して表示することが可能と
なるものである。
Furthermore, since the output of the servo circuit to the analog/digital converter can be amplified, it is possible to magnify and display minute changes in unevenness on the sample surface.

さらに、サーボ回路の時定数よりも高速度にてデジタル
/アナログ変換器の出力を変調させることができるよう
にしているため、試料表面の電子状態密度を測定する装
置(S T S)としての利用が可能となるものである
Furthermore, since the output of the digital/analog converter can be modulated at a higher speed than the time constant of the servo circuit, it can be used as a device for measuring the density of electronic states on the sample surface (STS). is possible.

・[実施例コ 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13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。
FIG. 13 shows the configuration of the STM (scanning tunneling microscope) of the present invention.

第13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(CPIB)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. 13, 1 is an 8-bit CPU (central processing unit) controller that controls the entire STM. This 8-bit CPU controller 1
An interface controller 2 is connected to the host computer 100 via an interface (CPIB).

また、8ビツトCPUコントローラ1には、Yステージ
移動用のパルスモータドライバ(P、M、D)3、Xス
テージ移動用のP、M、D4、走査カウンタ回路5、Z
ステージ移動用のP、M、D6、Z電極電圧信号または
トンネル電流の検出信号などをA/D (アナログ/デ
ジタル)変換するための12ビットA/D変換部7、バ
イアス電圧印加用の10ビツトD/A変換器8、および
2電圧加算用の16ビツトD/A変換器31が、それぞ
れ8ビツトデータバスを介して接続されている。
The 8-bit CPU controller 1 also includes a pulse motor driver (P, M, D) 3 for moving the Y stage, P, M, D4 for moving the X stage, a scanning counter circuit 5, a Z
A 12-bit A/D converter 7 for A/D (analog/digital) conversion of P, M, D6, and Z electrode voltage signals for stage movement or tunnel current detection signals, and a 10-bit A/D converter 7 for applying bias voltage. A D/A converter 8 and a 16-bit D/A converter 31 for adding two voltages are each connected via an 8-bit data bus.

16ビツトD/A変換器31は、8ビツトCPUコント
ローラ1から8ビツトデータバスを介して供給されるバ
イナリデータをアナログ信号(ZD/A出力)に変換す
るものである。
The 16-bit D/A converter 31 converts binary data supplied from the 8-bit CPU controller 1 via the 8-bit data bus into an analog signal (ZD/A output).

Yステージ移動用P、M、D3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 Y stage movement P, M, and D3 move according to the drive signal (pulse data) from the 8-bit CPU controller 1.
The stage moving P, M, and 9 are driven to move the Y stage 10 in the Y direction (towards the front and back in the figure).

Xステージ移動用P、M、D4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P
、M、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 movement P, M, and D4 correspond to the drive signal from the 8-bit CPU controller 1.
, M, and 11 to move the X stage 12 in the X direction (horizontal direction in the figure).

Zステージ移動用P、M、D6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 movement P, M, and D6 are
, M, 13 to move the Z stage 14 in the Z direction (vertical direction in the figure).

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(圧電駆動
体)15が取付けられており、このチューブスキャナ1
5の下面部には鋭利な先端形状を有する金属探針として
のトンネル探針(探触針)16が支持されている。そし
て、このトンネル探針16には、上記10ビツトD/A
変換器8によりバイアス電圧(v)が印加されるように
なっている。
A tube scanner (piezoelectric drive body) 15 that constitutes an actuator that can be driven in three-dimensional directions is attached to the lower surface of the second stage 14.
A tunnel probe (probe) 16 as a metal probe having a sharp tip shape is supported on the lower surface of the probe 5 . This tunnel probe 16 has the above-mentioned 10-bit D/A.
A bias voltage (v) is applied by 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、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、その表面に上記トン
ネル探針16が1nI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
CI)が流れる。
On the other hand, a sample 17 is placed on the upper surface of the X stage 12 facing the two stages 14. A tunnel current CI) flows through the sample 17 by applying a predetermined bias voltage with the tunnel probe 16 brought close to the surface of the sample 17 to about 1 nI.

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、上記
12ビットA/D変換部7、およびアプローチ検知瞬縮
回路32に供給される。
The tunnel current generated in the sample 17 is supplied to the servo circuit 19, the 12-bit A/D converter 7, and the approach detection instantaneous condensation circuit 32 via the tunnel current amplification preamplifier 18.

サーボ回路19は、プリアンプ18を介して供給される
トンネル電流の検出信号にもとづいて上記トンネル探針
16とサンプル17との間の間隔距離を一定に保つよう
なZ電極電圧信号(Zサーボ電圧)を生成し、これを上
記12ビットA/D変換部7またはZ電圧加算器(加算
回路)33に出力するものである。このサーボ回路19
は、Zサーボ電圧(たとえば、−10v〜+10■)を
生成するPI制御回路と、この2サーボ電圧の出力光を
切換えるアナログスイッチ回路とから構成されている。
The servo circuit 19 generates a Z electrode voltage signal (Z servo voltage) that keeps the distance between the tunnel probe 16 and the sample 17 constant based on the tunnel current detection signal supplied via the preamplifier 18. is generated and outputted to the 12-bit A/D converter 7 or the Z voltage adder (addition circuit) 33. This servo circuit 19
is composed of a PI control circuit that generates a Z servo voltage (for example, -10V to +10V) and an analog switch circuit that switches the output light of these two servo voltages.

加算器33は、上記16ビツトD/A変換器31からの
ZD/A出力と上記サーボ回路1つからの2サーボ電圧
出力とを加算し、これを上記アプローチ検知瞬縮回路3
2に出力するものである。
The adder 33 adds the ZD/A output from the 16-bit D/A converter 31 and the two servo voltage outputs from the one servo circuit, and adds this to the approach detection instantaneous condensation circuit 3.
This is what is output to 2.

アプローチ検知瞬縮回路32は、加算器33の加算出力
、または前記チューブスキャナ15が最縮となるように
あらかじめ設定された最縮電圧の2信号から1つを選択
し、これをZ電極印加用高圧増幅アンプ(HoV、Z)
20に出力するものである。このアプローチ検知瞬縮回
路32は、1信号を選択するためのアナログスイッチ回
路と、前記トンネル探針16のサンプル17の表面への
アプローチにより、上記プリアンプ18からのトンネル
電流を検知した際に上記アナログスイッチ回路を瞬間的
に切換えるフリップフロップ回路とから構成されている
The approach detection instantaneous condensing circuit 32 selects one from the addition output of the adder 33 or the two signals of the most condensed voltage preset so that the tube scanner 15 is most condensed, and applies this to the Z electrode. High voltage amplifier (HoV, Z)
20. This approach detection instantaneous condenser circuit 32 includes an analog switch circuit for selecting one signal and an analog switch circuit for selecting one signal, and an analog It consists of a flip-flop circuit that instantaneously switches the switch circuit.

H,V、  Z20は、上記アプローチ検知瞬縮回路3
2からの出力をたとえば10倍に増幅して上記チューブ
スキャナ15に印加するものであり、これにより上記チ
ューブスキャナ15がトンネル探針16とサンプル17
との間の間隔距離を変化させるべく伸縮される。この場
合、チューブスキャナ15は、Z電極への印加信号(V
z)がOVのときに基準長とされ、−100Vの印加に
て1μm縮み、+100Vの印加にて1μm伸びるよう
になっている。
H, V, Z20 are the approach detection instantaneous condensation circuit 3
The output from the tube scanner 15 is amplified by a factor of 10, for example, and applied to the tube scanner 15. This causes the tube scanner 15 to detect the tunnel probe 16 and the sample 17.
It is expanded and contracted to change the spacing distance between the two. In this case, the tube scanner 15 applies a signal (V
The reference length is set when z) is OV, and when -100V is applied, the length is shrunk by 1 μm, and when +100V is applied, it is extended by 1 μm.

12ビットA/D変換部7は、入力信号をデジタル(バ
イナリ)データに変換して8ビツトCPUコントローラ
1に出力するA/D変換器、このA/D変換器により変
換されたデジタルデータをリアルタイム断層像としてモ
ニタT V 34 Eで表示するためのリアルタイムラ
インメモリ回路などから構成されている。
The 12-bit A/D converter 7 is an A/D converter that converts an input signal into digital (binary) data and outputs it to the 8-bit CPU controller 1, and converts the digital data converted by this A/D converter into real-time data. It is composed of a real-time line memory circuit and the like for displaying a tomographic image on a monitor TV34E.

上記走査カウンタ回路5は、8ビツトCPUコントロー
ラ1から8ビツト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/ダウンを行い、
X方向の走査信号およびY方向の走査信号を生成するも
のである。
The scan counter circuit 5 counts up and down in accordance with a scan start signal supplied from the 8-bit CPU controller 1 via the 8-bit data bus.
It generates a scanning signal in the X direction and a scanning signal in the Y direction.

X方向の走査信号が供給される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+X電極印加用高圧増幅アン
プ(H,V、 十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、 十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、このチューブスキャナ15は上記トンネル
探針16の針先端がサンプル17の表面をX方向に走査
すべく変形される。
X-scan 16-bit D/A to which X-direction scanning signals are supplied
The converter 21 generates an analog voltage output (X applied voltage) corresponding to the input, and applies this to the −X electrode via a high voltage amplifier (H, V, 10X) 22 for applying the +X electrode and an inverting circuit 23. It is output to the high voltage amplification amplifier (H, V, -X) 24 for use. And these +X applied voltages, -
X applied voltage is H, V, 10X22. By applying voltage to the tube scanner 15 through H, V, and -X24, the tube scanner 15 is deformed so that the tip of the tunnel probe 16 scans the surface of the sample 17 in the X direction.

Y方向の走査信号が供給されるY走査16ビツ)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7>(H,V、+Y26.H,V、−Y28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、このチューブスキャナ15は上記トンネル
探針16の針先端がサンプル17の表面をY方向に走査
すべく変形される。
Y-scan 16-bit) D/A to which a Y-direction scanning signal is supplied
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
By applying the applied voltage 7>(H, V, +Y26, H, V, -Y28 to the tube scanner 15, respectively, the tube scanner 15 detects that the needle tip of the tunnel probe 16 is on the surface of the sample 17. is deformed to scan in the Y direction.

第1図は、この発明の第1の実施例における、距l&調
整手段としてのZ方向の走査系を取出して示すものであ
る。
FIG. 1 shows a Z-direction scanning system as a distance l&adjustment means in a first embodiment of the present invention.

この図において、1aは、上記8ビツトCPUコントロ
ーラ1を構成する制御回路としてのCPUである。また
、7aはA/D変換器、7bはリアルタイムラインメモ
リ回路であり、これらA/D変換器7aおよびリアルタ
イムラインメモリ回路7bにより前記12ビットA/D
変換部7が構成されている。
In this figure, 1a is a CPU serving as a control circuit constituting the 8-bit CPU controller 1. As shown in FIG. Further, 7a is an A/D converter, and 7b is a real-time line memory circuit, and these A/D converter 7a and real-time line memory circuit 7b are used to convert the 12-bit A/D
A conversion unit 7 is configured.

次に、このような構成におけるオートアプローチの方法
について説明する。
Next, an automatic approach method in such a configuration will be explained.

まず、CPolaの制御により、16ビツトD/A変換
器31のZD/A出力がOVにセットされる。また、サ
ーボ回路19のアナログスイッチ回路をオフし、2サー
ボ電圧が加算器33に出力されないようにする。さらに
、アプローチ検知瞬縮回路32が、加算器33からの加
算出力を選択するように設定される。これにより、H,
V、220を介してチューブスキャナ151;印加され
る電圧(Vz)は、OVとなる。したがって、チューブ
スキャナ15は、第2図(a)に示す如く、基準長のま
まとされる。
First, under the control of CPola, the ZD/A output of the 16-bit D/A converter 31 is set to OV. Further, the analog switch circuit of the servo circuit 19 is turned off to prevent the two servo voltages from being output to the adder 33. Furthermore, the approach detection instantaneous condensation circuit 32 is set to select the addition output from the adder 33. As a result, H,
The voltage (Vz) applied to the tube scanner 151 via V, 220 is OV. Therefore, the tube scanner 15 remains at the standard length as shown in FIG. 2(a).

この状態において、CPU1aによって2ステージ移動
用P、MD6が制御されると、P、M。
In this state, when the two stage movement P and MD6 are controlled by the CPU 1a, P and M.

13が駆動されることによりZステージ14が下方向に
移動される。すると、この2ステージ14の移動にとも
なってチューブスキャナ15が下降され、これによりト
ンネル探針16がサンプル17に近付けられる。この場
合、第2図(b)に示す如く、トンネル探針16は、上
記P、M。
13 is driven, the Z stage 14 is moved downward. Then, as the two stages 14 move, the tube scanner 15 is lowered, thereby bringing the tunnel probe 16 closer to the sample 17. In this case, as shown in FIG. 2(b), the tunnel probe 16 is connected to the above-mentioned points P and M.

13の分解能(たとえば、0.1μm)により徐々に移
動される。
13 (eg, 0.1 μm).

一方、このアプローチ時に、バイアス電圧の印加に対し
てトンネル電流が検出されたとする。すると、P、M、
13による2ステージ14の下降が停止されるとともに
、アプローチ検知瞬縮回路32内のアナログスイッチ回
路が鍛縮電圧(−10V)に切換えられる。これにより
、チューブスキャナ15には、H,V、z20によって
10倍に増幅された電圧(Vz−−100V)が印加さ
れる。この結果、第2図(c)に示す如く、チューブス
キャナ15が瞬時に縮められる。ただし、PlM、13
の分解能により、2ステージ14はΔだけ下がった状態
で停止される。
On the other hand, assume that during this approach, a tunnel current is detected in response to the application of the bias voltage. Then, P, M,
13 is stopped, and the analog switch circuit in the approach detection instantaneous compression circuit 32 is switched to the forging voltage (-10V). As a result, a voltage (Vz--100V) amplified ten times by H, V, and z20 is applied to the tube scanner 15. As a result, the tube scanner 15 is instantly retracted, as shown in FIG. 2(c). However, PlM, 13
Due to the resolution of , the second stage 14 is stopped at a position lowered by Δ.

また、このとき、サーボ回路19のアナログスイッチ回
路がオンされて、Zサーボ電圧が加算器33に送られる
ようになる。すると、CPU1aの制御により、16ビ
ツトD/A変換器31の2D/A出力が一10vにセッ
トされる。これにより、チューブスキャナ15には、1
6ビツトD/A変換器31からのZD/A出力(−10
V)とサーボ回路19からのZサーボ電圧(+ 9 V
)との加算出力をH,V、220にて10倍に増幅した
電圧Vz(−1QV)が印加されることになる。この結
果、第2図(d)に示す如く、チューブスキャナ15は
基準長近くまで伸ばされ、トンネル領域に達せられる。
Also, at this time, the analog switch circuit of the servo circuit 19 is turned on, and the Z servo voltage is sent to the adder 33. Then, under the control of the CPU 1a, the 2D/A output of the 16-bit D/A converter 31 is set to 110V. As a result, the tube scanner 15 has 1
ZD/A output from 6-bit D/A converter 31 (-10
V) and Z servo voltage from servo circuit 19 (+9 V
) is applied, and a voltage Vz (-1QV) is applied, which is obtained by amplifying the summed output by 10 times with H, V, and 220. As a result, as shown in FIG. 2(d), the tube scanner 15 is extended to nearly the reference length and reaches the tunnel region.

ただし、P、M、13の分解能のために、チューブスキ
ャナ15の長さは基準長よりも0〜0.1μm程度短く
なっている。
However, due to the resolution of P, M, and 13, the length of the tube scanner 15 is about 0 to 0.1 μm shorter than the reference length.

この後、サーボ回路19からの2サーボ電圧が12ビッ
トA/D変換部7を介してCPU1aで読取られながら
、16ビツトD/A変換器31のZD/A出力がOvに
近付くよう、制御される。
Thereafter, while the two servo voltages from the servo circuit 19 are read by the CPU 1a via the 12-bit A/D converter 7, the ZD/A output of the 16-bit D/A converter 31 is controlled so as to approach Ov. Ru.

そして、上記2サーボ電圧がOV(基準電圧)になった
時点で、16ビツトD/A変換器31のZD/A出力が
固定される。この結果、第2図(e)に示す如く、16
ビツトD/A変換器31からのZD/A出力(−1V)
とサーボ回路19からの2サーボ電圧(Ov)との加算
出力をH,V、2201.:て10倍に増幅した電圧V
z(−10V)の印加による状態が維持される。
Then, when the two servo voltages become OV (reference voltage), the ZD/A output of the 16-bit D/A converter 31 is fixed. As a result, as shown in FIG. 2(e), 16
ZD/A output (-1V) from bit D/A converter 31
and the two servo voltages (Ov) from the servo circuit 19 are added to H, V, 2201. : Voltage V amplified by 10 times
The state caused by the application of z (-10V) is maintained.

2サーボ電圧がOVの場合、A/D変換器7aの入力ダ
イナミックレンジを10v〜+IOVとすると、走査時
にはOvを中心とした凹凸データを取込むことが可能と
なる。また、この場合、得られるリアルタイム断層像と
しては、中心水平線を基準とした像がモニタTV34に
て表示されることになる。
2 When the servo voltage is OV, if the input dynamic range of the A/D converter 7a is 10V to +IOV, it becomes possible to capture unevenness data centered on Ov during scanning. Further, in this case, as the obtained real-time tomographic image, an image based on the central horizontal line will be displayed on the monitor TV 34.

このように、P、M、13などのステップ的な移動を行
う粗動機構を用いてトンネル探針16をサンプル17に
近付けていき、トンネル領域への突入時にチューブスキ
ャナ15を瞬時に縮め、また粗動を停止するとともに、
このときに2サーボ電圧の印加を開始してチューブスキ
ャナ15をほぼ基準長まで伸ばしてサーボ状態とした際
の、上記粗動の分解能による印加電圧Vzの基準電圧か
らのずれを、ZD/A出力を調整することで補正(2サ
ーボ電圧調整)できるようになるものである。
In this way, the tunnel probe 16 is brought closer to the sample 17 using the coarse movement mechanism that moves in steps such as P, M, 13, and the tube scanner 15 is instantly retracted when entering the tunnel area. Along with stopping coarse movement,
At this time, when the application of 2 servo voltages is started and the tube scanner 15 is extended almost to the reference length to enter the servo state, the deviation of the applied voltage Vz from the reference voltage due to the coarse movement resolution is calculated as the ZD/A output. Correction (two servo voltage adjustments) can be made by adjusting.

また、この方式によれば、粗動および微動を繰返してア
プローチする場合に比べ、高速にてSTM動作を開始す
ることが可能となるものである。
Furthermore, according to this method, it is possible to start the STM operation at a higher speed than when approaching by repeating coarse and fine movements.

第3図は、この発明の第2の実施例における、距離調整
手段としての2方向の走査系を取出して示すものである
FIG. 3 shows a two-direction scanning system as a distance adjusting means in a second embodiment of the invention.

この図において、7aはA/D変換器、7bはリアルタ
イムラインメモリ回路、7cは可変増幅器としての増幅
切換回路であり、これらA/D変換器7a、リアルタイ
ムラインメモリ回路7b。
In this figure, 7a is an A/D converter, 7b is a real-time line memory circuit, and 7c is an amplification switching circuit as a variable amplifier.These A/D converter 7a and real-time line memory circuit 7b.

および増幅切換回路7Cにより前記12ビットA/D変
換部7が構成されている。
The 12-bit A/D converter 7 is constituted by the amplification switching circuit 7C.

上記増幅切換回路7Cは、たとえば第4図に示すように
、数種類の抵抗を選択するアナログマルチプレクサ71
と反転増幅器72とを主体に構成されており、サーボ回
路19より供給されるZサーボ電圧を2n (n−0〜
4)倍に電圧増幅するものである。アナログマルチプレ
クサ71の選択切換えは、CPolaからの選択信号に
よって行われるようになっている。
The amplification switching circuit 7C includes, for example, an analog multiplexer 71 that selects several types of resistors, as shown in FIG.
and an inverting amplifier 72, and converts the Z servo voltage supplied from the servo circuit 19 to 2n (n-0 to
4) It amplifies the voltage twice. Selection switching of the analog multiplexer 71 is performed by a selection signal from CPola.

次に、このような構成におけるリアルタイム断層像の増
幅表示の方法について説明する。
Next, a method of amplifying and displaying a real-time tomographic image in such a configuration will be described.

あらかじめ観察したい凹凸の位置が定まっている場合、
上記した方法によってトンネル探針16をアプローチさ
せた後に、X、Y方向について1ラインだけ走査を行う
。そして、得られるリアルタイム断層像をモニタTV3
4に表示させ、これを観察することにより目標とする凹
凸の位置に正しくアプローチできたか否かを確認するこ
とができる。
If the position of the unevenness you want to observe is determined in advance,
After the tunnel probe 16 is approached by the method described above, only one line is scanned in the X and Y directions. Then, the real-time tomographic image obtained is monitored on TV3.
4, and by observing this, it is possible to confirm whether or not the target uneven position has been correctly approached.

ところで、上記モニタTV34に表示されたリアルタイ
ム断層像が、たとえば第5図に示すような凹凸の変化が
微少である場合には、CPU1aにより増幅切換回路7
cの増幅率が設定し直される。そして、再度、1ライン
走査が行われる。この結果、第6図に示すように、モニ
タTV34には、目標の凹凸が上記増幅切換回路7cの
設定増幅率に応じて2方向に拡大されたリアルタイム断
層像が表示される。すなわち、凹凸が微少な場合、たと
えばZサーボ電圧の変化が小さい場合には、これを±O
vを中心に電圧増幅した後にA/D変換器7aで取込む
ようにする。これにより、目標とする凹凸の位置に正し
くアプローチできたか否かを容易に確認することができ
るようになる。
By the way, when the real-time tomographic image displayed on the monitor TV 34 has a slight change in unevenness as shown in FIG.
The amplification factor of c is reset. Then, one line scanning is performed again. As a result, as shown in FIG. 6, a real-time tomographic image is displayed on the monitor TV 34 in which the target unevenness is enlarged in two directions according to the set amplification factor of the amplification switching circuit 7c. In other words, when the unevenness is minute, for example when the change in the Z servo voltage is small, it is
After amplifying the voltage around v, the A/D converter 7a captures the voltage. This makes it possible to easily confirm whether or not the target uneven position has been correctly approached.

また、増幅切換回路7Cの増幅率をX16倍に設定した
場合には、実質的に16ビツトの分解能を有するA/D
変換器にてデータの取込みを行った場合と同等な分解能
をもつ凹凸データを得ることができる。
Furthermore, when the amplification factor of the amplification switching circuit 7C is set to x16, the A/D has a resolution of 16 bits.
It is possible to obtain unevenness data with the same resolution as when data is captured using a converter.

このように、ZD/A出力によってZサーボ電圧が0■
となるようにオフセット分を補正してやることにより、
オフセット分も増幅されて飽和してしまうようなことな
く、凹凸が微少なサンプル17からでも高分解能のデー
タを取込むことができるようになるものである。
In this way, the Z servo voltage is set to 0 by the ZD/A output.
By correcting the offset so that
This makes it possible to acquire high-resolution data even from the sample 17 with minute irregularities without the offset being amplified and saturated.

次に、このような構成において、傾きのあるサンプル1
7に対して走査範囲を狭くし、その走査の中心位置を移
動して再走査する場合について説明する。
Next, in such a configuration, sample 1 with a slope
A case will be described in which the scanning range is narrowed compared to 7, and the center position of the scanning is moved to perform re-scanning.

たとえば今、第7図に示すように、傾きのあるサンプル
17において、10μm口の中心位置からトンネル探針
16を図示右方向に3.75μmはどサーボをかけたま
ま移動して、その位置を中心とする2、5μm口を再走
査するものとする。
For example, as shown in FIG. 7, for a sample 17 with an inclination, move the tunnel probe 16 3.75 μm to the right in the figure from the center position of the opening by 10 μm, with the servo applied. It is assumed that the central 2.5 μm aperture is rescanned.

この場合、8ビツトCPUコントローラ1によって走査
カウンタ回路5が制御されることにより、この走査カウ
ンタ回路5から10μm口の中心位置からのずれff1
(3,75μm)、および再走査の範囲(2,5μm)
に応じたX、Y方向の走査信号がそれぞれ出力される。
In this case, by controlling the scan counter circuit 5 by the 8-bit CPU controller 1, the deviation ff1 from the center position of the opening is calculated from the scan counter circuit 5 by 10 μm.
(3,75 μm), and rescan range (2,5 μm)
Scanning signals in the X and Y directions are respectively outputted.

そして、チューブスキャナ15がこれらの走査信号に対
応する各電圧の印加を受けて変形されることにより、ト
ンネル探針16はサーボがかけられた状態のまま、移動
される。
Then, the tube scanner 15 is deformed by the application of voltages corresponding to these scanning signals, so that the tunnel probe 16 is moved while being servoed.

このとき、サンプル17には傾きがあるため、第8図に
示す女瞑、チューブスキャナ15は62分だけ縮められ
る。すなわち、16ビツトD/A変換器31のZD/A
出力が−IV、サーボ回路19の2サーボ電圧がOvで
あり、これによりH,V、Z20で10倍に増幅された
電圧Vz(−10V)がチューブスキャナ15に印加さ
れている状態(第8図(a)参照)から、2サーボ電圧
が一4vとなり、これによりチューブスキャナ15に印
加される電圧Vzは一50Vに変化される(第8図(b
)参照)。
At this time, since the sample 17 has an inclination, the tube scanner 15 shown in FIG. 8 is shortened by 62 minutes. That is, ZD/A of the 16-bit D/A converter 31
The output is -IV, the second servo voltage of the servo circuit 19 is Ov, and the voltage Vz (-10V) amplified ten times by H, V, and Z20 is applied to the tube scanner 15 (eighth (See Figure 8(a)), the two servo voltages become 14V, and thereby the voltage Vz applied to the tube scanner 15 changes to 150V (see Figure 8(b).
)reference).

この状態において、上述したオートアプローチで説明し
たように、Zサーボ電圧をOvとするように16ビツト
D/A変換器31のZD/A出力が負方向に変化される
。そして、Zサーボ電圧がOVとなった時点で、16ビ
ツトD/A変換器31のZD/A出力が固定される。す
なわち、第8図(c)に示す如く、2サーボ電圧は一4
VからOvに、ZD/A出力は一1vから一5vにそれ
ぞれ変化されるが、チューブスキャナ15には同じ一5
0Vの電圧Vzが印加される。
In this state, as explained in the auto approach above, the ZD/A output of the 16-bit D/A converter 31 is changed in the negative direction so as to set the Z servo voltage to Ov. Then, when the Z servo voltage becomes OV, the ZD/A output of the 16-bit D/A converter 31 is fixed. That is, as shown in Fig. 8(c), the two servo voltages are equal to -4
The ZD/A output is changed from V to Ov, and the ZD/A output is changed from -1v to -5v, respectively, but the tube scanner 15 has the same -5v.
A voltage Vz of 0V is applied.

この結果、たとえば第9図にaで示すような凹凸が微少
な場合であっても、Zサーボ電圧を調整してやることに
より、±OVを中心に電圧増幅した後にA/D変換器7
aでデータの取込みを行うことができるようになる。こ
れにより、第9図にbで示すように、2.5μm口の範
囲に対して高分解能のデータ(リアルタイム断層像)を
得ることが可能となるものである。
As a result, even if the unevenness is minute as shown by a in FIG. 9, for example, by adjusting the Z servo voltage, the A/D converter 7 is
You can now import data using a. This makes it possible to obtain high-resolution data (real-time tomographic images) over a 2.5 μm aperture range, as shown by b in FIG.

第10図は、この発明の第3の実施例における、距離調
整手段としてのZ方向の走査系を取出して示すものであ
る。ここでは、トンネル探針16とサンプル1.7との
間の間隔距離を変調させてトンネル電流の取込みを行う
ことにより、STMをサンプル17の表面物性(サンプ
ル表面の電子状態密度)を測定するSTSとして利用し
ようとするものである。
FIG. 10 shows a Z-direction scanning system as a distance adjusting means in a third embodiment of the present invention. Here, by modulating the distance between the tunnel probe 16 and the sample 1.7 and capturing the tunnel current, STM is converted into STS which measures the surface properties of the sample 17 (electronic state density on the sample surface). It is intended to be used as a

すなわち、この距離調整手段の場合、8ビツトCPUコ
ントローラ1は、制御回路としてのCPU1aの他に、
変調パターン発生回路としての2変調パタ一ンデータ発
生器1bを有して構成されている。また、12ビットA
/D変換部7は、A/D変換器7a、リアルタイムライ
ンメモリ回路7b、増幅切換回路7 c sおよび信号
選択回路7dにより構成されている。
That is, in the case of this distance adjustment means, the 8-bit CPU controller 1 includes, in addition to the CPU 1a as a control circuit,
It is configured to include a two-modulation pattern data generator 1b as a modulation pattern generation circuit. Also, 12 bit A
The /D conversion unit 7 is composed of an A/D converter 7a, a real-time line memory circuit 7b, an amplification switching circuit 7cs, and a signal selection circuit 7d.

Z変調パターンブーツ発生器1bは、 roooooJからroooFHJ rooIFHJ、r003FHJまでのアップ/ダウン
カウンタ回路からなり、トンネル探針16の変調範囲に
合わせてアップ/ダウンするカウント幅を切換え、カウ
ンタ回路の出力バイナリデータを16ビツトD/A変換
器31に供給することにより、この16ビツトD/A変
換器31のZD/A出力を微少に変調させるものである
。この2変調パタ一ンデータ発生器1bにおけるカラタ
ン回路の動作開始、停止、カウント幅の切換えは、CP
olaからの信号により制御される。
The Z modulation pattern boot generator 1b consists of up/down counter circuits from roooooJ to roooFHJ, rooIFHJ, and r003FHJ, and switches the up/down count width according to the modulation range of the tunnel probe 16, and outputs binary data from the counter circuit. By supplying the signal to the 16-bit D/A converter 31, the ZD/A output of the 16-bit D/A converter 31 is slightly modulated. The operation start, stop, and switching of the count width of the Karatan circuit in this two-modulation pattern data generator 1b are performed by the CP.
It is controlled by signals from ola.

信号選択回路7dは、CPU1aからの信号によってZ
サーボ電圧(凹凸データ)またはトンネル電流の検出信
号(電圧変換されている)から1つを選択し、上記増幅
切換回路7Cに出力するものである。
The signal selection circuit 7d selects Z according to a signal from the CPU 1a.
One is selected from the servo voltage (unevenness data) or the tunnel current detection signal (voltage converted) and output to the amplification switching circuit 7C.

さらに、サーボ回路19には、PI制御/■制御のみの
切換回路と、■制御ゲイン切換回路とが付加されている
Further, the servo circuit 19 is provided with a switching circuit for only PI control/① control and a control gain switching circuit.

次に、このような構成におけるサンプル表面の電子状態
密度の測定方法について説明する。
Next, a method for measuring the electronic state density on the sample surface in such a configuration will be described.

まず、CPolaの制御によって、サーボ回路19がl
制御回路に切換えられるとともに、そのl制御回路の(
積分制御)ゲインがサンプル17の表面の凹凸を充分に
追従できるように設定される。
First, under the control of CPola, the servo circuit 19 is
At the same time, the control circuit (
Integral control) The gain is set so that the unevenness of the surface of the sample 17 can be sufficiently followed.

次いで、Z変調パターンブーツ発生器1bが上記I制御
によって追従する空間周波数、つまり像の変化する荒さ
よりも充分に高い周波数となるように制御され、これに
よりサーボ回路19の時定数よりも高速で16ビツトD
/A変換器31のZD/A出力が変調される。
Next, the Z modulation pattern boot generator 1b is controlled to have a spatial frequency that is followed by the I control, that is, a frequency that is sufficiently higher than the changing roughness of the image, and thereby is faster than the time constant of the servo circuit 19. 16 bit D
The ZD/A output of the /A converter 31 is modulated.

この後、サーボ回路19からのZサーボ電圧と16ビツ
トD/A変換器31からのZD/A出力とが加算器33
によって加算される。そして、この加算器33の加算出
力がHoV、220にて増幅されてチューブスキャナ1
5に印加される。
After this, the Z servo voltage from the servo circuit 19 and the ZD/A output from the 16-bit D/A converter 31 are sent to the adder 33.
is added by Then, the added output of this adder 33 is amplified by HoV 220 and sent to the tube scanner 1.
5.

この状態において、X−Y走査が行われる。すると、ト
ンネル探針16の針先端は、第11図に示すような軌跡
を描いてサンプル17の表面上を移動される。
In this state, X-Y scanning is performed. Then, the tip of the tunnel probe 16 is moved over the surface of the sample 17, drawing a trajectory as shown in FIG.

このとき、信号選択回路7dを制御して、A/D変換器
7aで取込む信号をZサーボ電圧からトンネル電流の検
出信号に切換える。そして、この信号のデータを、たと
えば第12図に示すポイント位置でサンプリングするこ
とにより、サンプル表面の電子状態密度が測定できる。
At this time, the signal selection circuit 7d is controlled to switch the signal taken in by the A/D converter 7a from the Z servo voltage to the tunnel current detection signal. Then, by sampling the data of this signal, for example, at the point positions shown in FIG. 12, the electronic state density on the sample surface can be measured.

この針先変調シーケンスは、サンプル表面の電子状態密
度を測定する方法として一般に公知であり、本発明の距
離調整手段により、その動作が可能となる。
This needle tip modulation sequence is generally known as a method for measuring the density of electronic states on the surface of a sample, and the distance adjustment means of the present invention enables its operation.

このように、16ビツトD/A変換器31のZD/A出
力の変調に合わせてトンネル電流の検出信号の取込みを
行うことで、STSとしての利用が可能とされるもので
ある。
In this way, by capturing the tunnel current detection signal in accordance with the modulation of the ZD/A output of the 16-bit D/A converter 31, it is possible to use it as an STS.

上記したように、トンネル電流より得られる表面状態に
合わせて距離調整手段を作動させることにより、試料の
表面状態に適したサーボ制御が行えるようにしている。
As described above, by operating the distance adjusting means in accordance with the surface condition obtained from the tunneling current, servo control suitable for the surface condition of the sample can be performed.

すなわち、トンネル探針をサンプルの表面にアプローチ
させた際の、粗動機構の分解能によるZ方向の印加電圧
の基準電圧からのずれを、サーボ電圧をOvとするよう
な電圧を与えてやることによって補正するようにしてい
る。これにより、アプローチにかかる動作の簡素化が図
れるとともに、サンプルの表面状態に合わせて、トンネ
ル探針の距離をサーボ制御することができる。したがっ
て、走査時においてはOVを中心とした凹凸データを取
込むことが可能となるため、リアルタイム断層像の分解
能が低下されたり、ダイナミックレンジが中央からずれ
るのを防止することができるようになる。
In other words, by applying a voltage that makes the servo voltage Ov, the deviation of the applied voltage in the Z direction from the reference voltage due to the resolution of the coarse movement mechanism when the tunnel probe approaches the surface of the sample is calculated. I am trying to correct it. This simplifies the approach operation and allows the distance of the tunnel probe to be servo-controlled in accordance with the surface condition of the sample. Therefore, during scanning, it is possible to capture unevenness data centered on the OV, so it is possible to prevent the resolution of the real-time tomographic image from being degraded and the dynamic range from shifting from the center.

また、Ovを中心に凹凸データを取込むことが可能とな
るため、それを増幅することにより、サンプル表面の微
少な凹凸の変化を拡大して表示することができるように
なるものである。
Moreover, since it becomes possible to capture unevenness data centered on Ov, by amplifying it, it becomes possible to enlarge and display minute changes in unevenness on the sample surface.

さらに、サンプルの表面状態に合わせて、トンネル探針
の距離をサーボ制御することができるため、トンネル探
針とサンプルとの間の間隔距離を変調させることにより
、サンプル表面の電子状態密度を測定するSTSとして
も利用できるようになるものである。
Furthermore, the distance of the tunnel probe can be servo-controlled according to the surface state of the sample, so by modulating the distance between the tunnel probe and the sample, the electronic density of states on the sample surface can be measured. It will also be possible to use it as an STS.

なお、上記した実施例においては、圧電駆動体により探
針を支持するように設けたが、これに限らず、たとえば
試料を支持するように設けることもできる。
In the above-described embodiments, the probe is supported by the piezoelectric driver, but the probe is not limited to this, and may be provided to support the sample, for example.

その他、この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 goes without saying that various other modifications can be made without departing from the gist of the invention.

[発明の効果] 以上、詳述したようにこの発明によれば、トンネル電流
より得られる表面状態に合わせて距離調整手段を作動さ
せるようにしているため、試料の表面状態にかかわらず
、探針と試料との間の間隔距離を制御するサーボ系を常
に適正に保つことができる走査型トンネル顕微鏡を提供
できる。
[Effects of the Invention] As detailed above, according to the present invention, the distance adjustment means is operated in accordance with the surface condition obtained from the tunneling current, so that the probe tip can be adjusted regardless of the surface condition of the sample. It is possible to provide a scanning tunneling microscope that can always maintain an appropriate servo system for controlling the distance between the sample and the sample.

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

図面はこの発明の一実施例を示すもので、第1図はこの
発明の第1の実施例を示す距離調整手段のブロック図、
第2図は第1の実施例におけるオートアプローチの方法
について説明するために示す図、第3図は第2の実施例
を示す距離調整手段のブロック図、第4図は増幅切換回
路を示す構成図、第5図および第6図は第2の実施例に
おけるリアルタイム断層像の増幅表示の方法について説
明するために示すもので、第5図は通常の大きさで表示
した場合を例に示す図、第6図は増幅して表示した場合
を例に示す図、第7図乃至第9図は第2の実施例におけ
る傾きのあるサンプルの一部分を再走査する場合の方法
について説明するために示すもので、第7図は再走査の
動作例を示す図、第8図は同じく制御例を示す図、第9
図は同じく表示例を示す図、第10図は第3の実施例を
示す距離調整手段のブロック図、第11図および第12
図は第3の実施例における動作を説明するために示すも
ので、第11図はトンネル探針の針先端の軌跡を示す図
、第12図はデータのサンプリングポイントを示す図、
第13図はSTMの構成を概略的に示すブロック図であ
る。 1・・・8ビツトCPUコントローラ、1a・・・CP
U(制御回路)、1b・・・Z変調パターンデータ発生
器(変調パターン発生回路)、7・・・12ビットA/
D変換部、7a・・・A/D変換器、7c・・・増幅切
換回路(可変増幅器)、13・・・Zステージ移動用P
、M、   14・・・Zステージ、15・・・チュー
ブスキャナ、16・・・トンネル探針、17・・・サン
プル(試料)、19・・・サーボ回路、31・・・16
ビツトD/A変換器、32・・・アプローチ検知闘縮回
路、33・・・加算器(加算回路) 34・・・モニタ
TV。
The drawings show an embodiment of the invention, and FIG. 1 is a block diagram of a distance adjusting means showing the first embodiment of the invention;
FIG. 2 is a diagram for explaining the auto-approach method in the first embodiment, FIG. 3 is a block diagram of the distance adjustment means in the second embodiment, and FIG. 4 is a configuration showing the amplification switching circuit. 5 and 6 are shown to explain the method of amplifying and displaying a real-time tomographic image in the second embodiment, and FIG. 5 is a diagram showing an example of displaying in a normal size. , FIG. 6 is a diagram showing an example of the case of amplification and display, and FIGS. 7 to 9 are shown to explain a method for rescanning a part of a tilted sample in the second embodiment. Fig. 7 is a diagram showing an example of rescanning operation, Fig. 8 is a diagram also showing a control example, and Fig. 9 is a diagram showing an example of rescanning operation.
10 is a block diagram of the distance adjustment means showing the third embodiment, and FIGS.
The figures are shown to explain the operation in the third embodiment, and FIG. 11 is a diagram showing the locus of the tip of the tunnel probe, FIG. 12 is a diagram showing data sampling points,
FIG. 13 is a block diagram schematically showing the configuration of the STM. 1...8-bit CPU controller, 1a...CP
U (control circuit), 1b...Z modulation pattern data generator (modulation pattern generation circuit), 7...12 bit A/
D conversion section, 7a... A/D converter, 7c... Amplification switching circuit (variable amplifier), 13... P for Z stage movement
, M, 14...Z stage, 15...tube scanner, 16...tunnel probe, 17...sample (specimen), 19...servo circuit, 31...16
Bit D/A converter, 32... Approach detection compression circuit, 33... Adder (addition circuit) 34... Monitor TV.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)探針と試料との間への電圧の印加によって流れる
トンネル電流を検出し、このトンネル電流の検出信号に
もとづいて、前記探針と前記試料との間の間隔距離を距
離調整手段にて調整しながら前記探針を走査することに
より、前記試料の表面状態を観察する走査型トンネル顕
微鏡において、前記探針と前記試料との間の間隔距離を
調整する距離調整手段は、 間隔距離を調整する伸縮自在な圧電駆動体と、この圧電
駆動体の伸縮を、前記トンネル電流の検出信号が一定と
なるように制御するサーボ回路と、 サーボ出力において、所定の基準位置に設定するために
補正電圧を発生するためのデジタル/アナログ変換部と
、 前記サーボ回路の出力と前記デジタル/アナログ変換部
の出力とを加算する加算回路と、前記サーボ回路の出力
をアナログ/デジタル変換するアナログ/デジタル変換
部と、 このアナログ/デジタル変換部の出力にもとづいて前記
デジタル/アナログ変換部および前記加算回路を制御す
る制御回路と からなることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
(1) Detecting a tunnel current flowing by applying a voltage between the probe and the sample, and adjusting the distance between the probe and the sample based on the detection signal of the tunnel current. In a scanning tunneling microscope that observes the surface condition of the sample by scanning the probe while adjusting the distance, the distance adjusting means for adjusting the distance between the probe and the sample adjusts the distance between the probe and the sample. A retractable piezoelectric drive body to be adjusted; a servo circuit that controls the expansion and contraction of the piezoelectric drive body so that the detection signal of the tunnel current is constant; a digital/analog converter for generating voltage; an adder circuit for adding the output of the servo circuit and the output of the digital/analog converter; and an analog/digital converter for converting the output of the servo circuit from analog to digital. A scanning tunneling microscope comprising: a control circuit that controls the digital/analog converter and the adder circuit based on the output of the analog/digital converter.
(2)前記距離調整手段は、さらに前記サーボ回路と前
記アナログ/デジタル変換部との間に可変増幅器を設け
てなることを特徴とする請求項(1)記載の走査型トン
ネル顕微鏡。
(2) The scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the distance adjustment means further includes a variable amplifier between the servo circuit and the analog/digital conversion section.
(3)前記距離調整手段の前記制御回路は、前記探針と
前記試料との間の間隔距離を微少変調するための変調パ
ターン発生回路を備え、この変調パターン発生回路の出
力により前記デジタル/アナログ変換部を制御すること
を特徴とする請求項(1)記載の走査型トンネル顕微鏡
(3) The control circuit of the distance adjustment means includes a modulation pattern generation circuit for slightly modulating the distance between the probe and the sample, and the output of the modulation pattern generation circuit causes the digital/analog The scanning tunneling microscope according to claim 1, characterized in that the converting section is controlled.
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