JPH04125403A - 走査型トンネル顕微鏡の動作点決定方法 - Google Patents
走査型トンネル顕微鏡の動作点決定方法Info
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- JPH04125403A JPH04125403A JP2244006A JP24400690A JPH04125403A JP H04125403 A JPH04125403 A JP H04125403A JP 2244006 A JP2244006 A JP 2244006A JP 24400690 A JP24400690 A JP 24400690A JP H04125403 A JPH04125403 A JP H04125403A
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- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 8
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 47
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract description 13
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Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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。
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、走査型トンネル顕微鏡にかかり、特に、試料
の凹凸形状を検出する２軸ピエゾの動作点を任意に、自
動的に変更する手法に関する。
の凹凸形状を検出する２軸ピエゾの動作点を任意に、自
動的に変更する手法に関する。
近年、材料研究を目的に、材料の極表面観察装置として
、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が大いに使われてき
ている。原子像の観察から表面凹凸の三次元計測まで可
能で、かつ、大気中、真空中、そして液中で観察するこ
とができる。従って、その応用範囲は無限と考えられて
いる。この走査型トンネル顕微鏡の原理については、ア
イ ビエム ジャーナル オブ リサーチ アンド デ
ブロプ：） ンｌ” （ＩＢＭ Ｊ、ＲＥＳ、ＤＥＶＥ
ＬＯＰ、ＶＯＬ、３０ Ｎα４ｐ３５５〜ｐ３６９ Ｊ
［ＬＹ １９８６）に記述されている。また、探針と試
料の接近方法や視野選択方法については、アプライド
フィジックス レター第４０巻（１９８２）第１７８頁
から第１８０頁（Ａρρ］。
、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が大いに使われてき
ている。原子像の観察から表面凹凸の三次元計測まで可
能で、かつ、大気中、真空中、そして液中で観察するこ
とができる。従って、その応用範囲は無限と考えられて
いる。この走査型トンネル顕微鏡の原理については、ア
イ ビエム ジャーナル オブ リサーチ アンド デ
ブロプ：） ンｌ” （ＩＢＭ Ｊ、ＲＥＳ、ＤＥＶＥ
ＬＯＰ、ＶＯＬ、３０ Ｎα４ｐ３５５〜ｐ３６９ Ｊ
［ＬＹ １９８６）に記述されている。また、探針と試
料の接近方法や視野選択方法については、アプライド
フィジックス レター第４０巻（１９８２）第１７８頁
から第１８０頁（Ａρρ］。
Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、４０（１９８２）ｐ１７８−ｐ１
８０）に記述されている。
８０）に記述されている。
上記従来技術は、三次元に移動可能なピエゾに取り付け
られた鋭い先端を有する探針と、試料表面との間を数ｎ
ｍオーダで一定にサーボ制御（２軸ピエゾ）しながら、
探針を試料面上二次元（Ｘ。
られた鋭い先端を有する探針と、試料表面との間を数ｎ
ｍオーダで一定にサーボ制御（２軸ピエゾ）しながら、
探針を試料面上二次元（Ｘ。
Ｙ軸ピエゾ）に走査し、試料の物理情報を検出するもの
である。この時、試料の測定範囲は、採用している各々
のピエゾの機械的な最大変位に依存している。従って、
測定したい試料の大きさ、及び高さ（あるいは深さ）に
よって、あらかじめ、各適切な最大変位を持つピエゾを
選択すると同時に、２軸ピエゾに関してはその動作点を
適切に選択しなければならない。この動作点の問題につ
いて、第２図を用いて詳細に説明する。第２図（ａ）は
、試料の凹部を測定している様子を示している。
である。この時、試料の測定範囲は、採用している各々
のピエゾの機械的な最大変位に依存している。従って、
測定したい試料の大きさ、及び高さ（あるいは深さ）に
よって、あらかじめ、各適切な最大変位を持つピエゾを
選択すると同時に、２軸ピエゾに関してはその動作点を
適切に選択しなければならない。この動作点の問題につ
いて、第２図を用いて詳細に説明する。第２図（ａ）は
、試料の凹部を測定している様子を示している。
図のように、探針は、試料との間隙を一定に保持しなが
ら試料表面を走査される。この結果、Ｚ軸ピエゾの変位
は（ｂ）図の実線で示す信号波形が必要となる。しかし
ながら、動作点が図示したような点に設定されていると
、Ｚ軸ピエゾの最大変位以上の変位が必要となり、Ｚ軸
ピエゾは応答できなくなり、正確な信号波形が得られな
くなる。
ら試料表面を走査される。この結果、Ｚ軸ピエゾの変位
は（ｂ）図の実線で示す信号波形が必要となる。しかし
ながら、動作点が図示したような点に設定されていると
、Ｚ軸ピエゾの最大変位以上の変位が必要となり、Ｚ軸
ピエゾは応答できなくなり、正確な信号波形が得られな
くなる。
この例の場合は動作点を下の方へ移動させれば正確な信
号波形が得られる。以」二のように、Ｚ軸ピエゾの適切
な動作点の選択が必要であり、これらの技法については
、前記両文献には、なんら具体的に記述されていない。
号波形が得られる。以」二のように、Ｚ軸ピエゾの適切
な動作点の選択が必要であり、これらの技法については
、前記両文献には、なんら具体的に記述されていない。
本発明の目的は、試料の表面凹凸に適応した動作点の選
択により、高精度測定が実行できる走査型１〜ンネル顕
微鏡を提供するものである。
択により、高精度測定が実行できる走査型１〜ンネル顕
微鏡を提供するものである。
」二記目的を達成するために、高さ（あるいは深さ）方
向のＺ軸移動手段として、２個の電気的には独立したピ
エゾを機械的に直列に接続し、１段をサーボ制御用に、
もう１段を動作点設定用に使用し、そして、サーボ制御
用ピエゾの動作点を検出する手段、任意の動作点を選択
する手段を有し、その両動作点を一致させるように動作
点設定用ピエゾを移動することにより、サーボ制御用ピ
エゾの動作点を変更できる構成により実現できる。
向のＺ軸移動手段として、２個の電気的には独立したピ
エゾを機械的に直列に接続し、１段をサーボ制御用に、
もう１段を動作点設定用に使用し、そして、サーボ制御
用ピエゾの動作点を検出する手段、任意の動作点を選択
する手段を有し、その両動作点を一致させるように動作
点設定用ピエゾを移動することにより、サーボ制御用ピ
エゾの動作点を変更できる構成により実現できる。
走査型トンネル顕微鏡のサーボ制御状態において、探針
と試料間の間隙は、一定となっている。
と試料間の間隙は、一定となっている。
従って、試料の任意の一点において、動作点設定用ピエ
ゾが伸長すると、サーボ制御用ピエゾは縮小する。逆に
、動作点設定用ピエゾが縮小するとサーボ制御用ピエゾ
が伸長することとなる。このように、動作点設定用ピエ
ゾの伸縮により、サーボ制御用ピエゾの動作点を任意に
決めることができる。そこで、サーボ制御用ピエゾの動
作点を検出する手段により動作点を認識し、任意の動作
点を選択する手段により、ユーザが動作点を選択すると
、その両動作点の差分が０となるようフィードバック信
号が動作点設定用ピエゾに供給されるため、サーボ制御
用ピエゾの動作点をユーザが選んだ動作点に一致させる
ことができる。
ゾが伸長すると、サーボ制御用ピエゾは縮小する。逆に
、動作点設定用ピエゾが縮小するとサーボ制御用ピエゾ
が伸長することとなる。このように、動作点設定用ピエ
ゾの伸縮により、サーボ制御用ピエゾの動作点を任意に
決めることができる。そこで、サーボ制御用ピエゾの動
作点を検出する手段により動作点を認識し、任意の動作
点を選択する手段により、ユーザが動作点を選択すると
、その両動作点の差分が０となるようフィードバック信
号が動作点設定用ピエゾに供給されるため、サーボ制御
用ピエゾの動作点をユーザが選んだ動作点に一致させる
ことができる。
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。
走査型トンネル顕微鏡は、第１図に示すように、試料、
面に垂直方向を２軸とし、試料面に水平方向を各々Ｘ、
Ｙ軸とするのが一般的である。そして、試料６と探針５
とのギャップは、最初に粗動用２軸ピエゾ制御回路］１
により、粗動用Ｚ軸ピエゾ（動作点設定用ピエゾ）を動
作させ、探針な試料にトンネル領域まで接近させる。こ
こで、試料と探針間に任意の電圧を印加することにより
、試料と探針間に数ｎＡのトンネル電流が流れる。この
１−ンネル電流は、試料と探針とのギャップの関数にな
っているため、トンネル電流が一定となるように、微動
用２軸ピエゾ２（サーボ制御用ピエゾ）にフィードバッ
ク制御を実施すれば、微動用２軸ピエゾの変位から試料
の凹凸情報を得ることができる。従って、Ｘ軸ピエゾ３
、Ｙ軸ピエゾ４を使って、探針を二次元に走査すれば、
試料表面の三次元情報を得ることができる。以上の原理
に基づいて、トンネル電流検出回路７は、微小なトンネ
ル電流を検出する回路、サーボ制御回路８は、Ｐ（比例
）、■ （積分）そして、Ｄ（微分）要素を含んだ制御
回路であり、トンネル電流が一定となるよう、微動用Ｚ
軸ピエゾ制御回路９に、任意の出力信号をフィードバッ
クする回路である。その出力信号に対応して、微動用Ｚ
軸ピエゾ制御回路により、微動用２軸ピエゾの伸縮を実
施し、トンネル電流を一定にする。従って、サーボ制御
回路の出力信号は、微動用Ｚ軸ピエゾの変位に対応して
いる。この信号をディジタル化し、ＣＰＵバス１３によ
り、Ｅ、Ｗ、Ｓ １２に転送し、そのデイスプレーに表
示すれば、試料表面の凹凸情報を観察することが可能と
なる。ここで、Ｘ、Ｙ走査回路１０は、枠側を二次元に
走査するための回路である。また、これらの全ての回路
は、エンジニアリング ワークステーションＥＷＳ １
２によりコントロールしている。
面に垂直方向を２軸とし、試料面に水平方向を各々Ｘ、
Ｙ軸とするのが一般的である。そして、試料６と探針５
とのギャップは、最初に粗動用２軸ピエゾ制御回路］１
により、粗動用Ｚ軸ピエゾ（動作点設定用ピエゾ）を動
作させ、探針な試料にトンネル領域まで接近させる。こ
こで、試料と探針間に任意の電圧を印加することにより
、試料と探針間に数ｎＡのトンネル電流が流れる。この
１−ンネル電流は、試料と探針とのギャップの関数にな
っているため、トンネル電流が一定となるように、微動
用２軸ピエゾ２（サーボ制御用ピエゾ）にフィードバッ
ク制御を実施すれば、微動用２軸ピエゾの変位から試料
の凹凸情報を得ることができる。従って、Ｘ軸ピエゾ３
、Ｙ軸ピエゾ４を使って、探針を二次元に走査すれば、
試料表面の三次元情報を得ることができる。以上の原理
に基づいて、トンネル電流検出回路７は、微小なトンネ
ル電流を検出する回路、サーボ制御回路８は、Ｐ（比例
）、■ （積分）そして、Ｄ（微分）要素を含んだ制御
回路であり、トンネル電流が一定となるよう、微動用Ｚ
軸ピエゾ制御回路９に、任意の出力信号をフィードバッ
クする回路である。その出力信号に対応して、微動用Ｚ
軸ピエゾ制御回路により、微動用２軸ピエゾの伸縮を実
施し、トンネル電流を一定にする。従って、サーボ制御
回路の出力信号は、微動用Ｚ軸ピエゾの変位に対応して
いる。この信号をディジタル化し、ＣＰＵバス１３によ
り、Ｅ、Ｗ、Ｓ １２に転送し、そのデイスプレーに表
示すれば、試料表面の凹凸情報を観察することが可能と
なる。ここで、Ｘ、Ｙ走査回路１０は、枠側を二次元に
走査するための回路である。また、これらの全ての回路
は、エンジニアリング ワークステーションＥＷＳ １
２によりコントロールしている。
以上説明した走査型トンネル顕微鏡の構成に、本発明は
、第１図に示すように、動作点検出回路１４、動作点規
定回路１５と動作点決定回路１６を新しく付加した。課
題の項で説明したように、微動用Ｚ軸ピエゾの最大変位
は決まっているために、動作点を微動用Ｚ軸ピエゾのＯ
から最大変位までのどこに決定するか重要である。従っ
て、サーボ制御時に微動用２軸ピ、ニジの動作点を検出
する必要がある。このため、微動用Ｚ軸ピエゾ制御回路
の出力を動作点検出回路に導き検出する。そして、その
検出された信号を動作点決定回路に入力する。次に、試
料の形状を推察する。つまり、測定対象とする試料の形
状が凹が支配的か、凸が支配的かにより、動作点を決め
る。第３図にその一例を示す。縦軸にピエゾの変位を横
軸にその時のピエゾに印加した制御電圧を示している。
、第１図に示すように、動作点検出回路１４、動作点規
定回路１５と動作点決定回路１６を新しく付加した。課
題の項で説明したように、微動用Ｚ軸ピエゾの最大変位
は決まっているために、動作点を微動用Ｚ軸ピエゾのＯ
から最大変位までのどこに決定するか重要である。従っ
て、サーボ制御時に微動用２軸ピ、ニジの動作点を検出
する必要がある。このため、微動用Ｚ軸ピエゾ制御回路
の出力を動作点検出回路に導き検出する。そして、その
検出された信号を動作点決定回路に入力する。次に、試
料の形状を推察する。つまり、測定対象とする試料の形
状が凹が支配的か、凸が支配的かにより、動作点を決め
る。第３図にその一例を示す。縦軸にピエゾの変位を横
軸にその時のピエゾに印加した制御電圧を示している。
図のように、凹凸が平均的に存在するような試料の場−
８＝ 合は、微動用２軸ピエゾの最大変位（破線）の１／２に
動作点を設定しく点線）、凹が支配的な試料は、その動
作点より大きく（−点鎖線）、凸が支配的な試料は逆に
１／２動作点より小さい値を選ぶ（二点鎖線）。そして
、この選択信号をＥＷＳからＣＰＵバスを介して、動作
点決定回路に入力する。動作点決定回路は、この２つの
入力信号を比較し、一致するように、粗動用Ｚ軸ピエゾ
制御回路を動作させる。つまり、微動用Ｚ軸ピエゾの動
作点をＣＰＵから設定した任意の動作点し；一致させる
ように、粗動用２軸ピエゾが伸縮されることとなる。
８＝ 合は、微動用２軸ピエゾの最大変位（破線）の１／２に
動作点を設定しく点線）、凹が支配的な試料は、その動
作点より大きく（−点鎖線）、凸が支配的な試料は逆に
１／２動作点より小さい値を選ぶ（二点鎖線）。そして
、この選択信号をＥＷＳからＣＰＵバスを介して、動作
点決定回路に入力する。動作点決定回路は、この２つの
入力信号を比較し、一致するように、粗動用Ｚ軸ピエゾ
制御回路を動作させる。つまり、微動用Ｚ軸ピエゾの動
作点をＣＰＵから設定した任意の動作点し；一致させる
ように、粗動用２軸ピエゾが伸縮されることとなる。
なお、上記説明は、動作点を３段階にて実施したが任意
に動作点を選択できることは明らかである。さらに、こ
れら動作点決定手法をハード構成で実施したが、ソフト
上においても実施できる。
に動作点を選択できることは明らかである。さらに、こ
れら動作点決定手法をハード構成で実施したが、ソフト
上においても実施できる。
例えば、微動用Ｚ軸ピエゾ制御回路から動作点をＣＰＵ
上に取り込み、その値と、ユーザが選んだ動作点との差
を求め、直接粗動用２軸ピエゾ制御回路に入力し、差が
Ｏになるまで実行するソフトを作ればよい。
上に取り込み、その値と、ユーザが選んだ動作点との差
を求め、直接粗動用２軸ピエゾ制御回路に入力し、差が
Ｏになるまで実行するソフトを作ればよい。
以上の動作により、サーボ制御されている微動用Ｚ軸ピ
エゾの動作点を任意に自動的に変更することが可能とな
る。
エゾの動作点を任意に自動的に変更することが可能とな
る。
本発明によれば走査型トンネル顕微鏡のＺ軸ピエゾの動
作点を適切に選択することができるため、従来に比べ、
凹凸の大きな試料にも対応できる走査型トンネル顕微鏡
を提供する。
作点を適切に選択することができるため、従来に比べ、
凹凸の大きな試料にも対応できる走査型トンネル顕微鏡
を提供する。
第１図は本発明の一実施例の基本的な構成図、第２図は
従来の問題点を表す図、第３図は本発明の動作点選択方
法の一例を示す図である。 １・・粗動用２軸ピエゾ、２ 微動用２軸ピエゾ、３・
・Ｘ軸ピエゾ、４・・・Ｙ軸ピエゾ、５ 探針、６試料
、７・・・トンネル電流検出回路、８ サーボ制御回路
、９・・・微動用Ｚ軸ピエゾ制御回路、１０・・・Ｘ、
Ｙ走査回路、１１・・粗動用２軸ピエゾ制御回路、１２
・・・ＥＷＳ、１３−ＣＰＵバス、１４動作点検出回路
、１５・・動作点設定回路、１６動作点決定回路。 第 図 （り 茅 図 ｔｂ）
従来の問題点を表す図、第３図は本発明の動作点選択方
法の一例を示す図である。 １・・粗動用２軸ピエゾ、２ 微動用２軸ピエゾ、３・
・Ｘ軸ピエゾ、４・・・Ｙ軸ピエゾ、５ 探針、６試料
、７・・・トンネル電流検出回路、８ サーボ制御回路
、９・・・微動用Ｚ軸ピエゾ制御回路、１０・・・Ｘ、
Ｙ走査回路、１１・・粗動用２軸ピエゾ制御回路、１２
・・・ＥＷＳ、１３−ＣＰＵバス、１４動作点検出回路
、１５・・動作点設定回路、１６動作点決定回路。 第 図 （り 茅 図 ｔｂ）
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、探針と試料のうち少なくとも１つを複数の移動手段
で支持し、探針と試料の相対位置をｎｍオーダに接近さ
せ、トンネル電流を生じせしめ、かつ、探針で試料面上
を二次元に走査し、試料の三次元情報を観察する所謂、
走査型トンネル顕微鏡において、上記複数の移動手段の
うち、サーボ制御に使用している第一の移動手段の動作
点をその他の移動手段により変化させることを特徴とす
る走査型トンネル顕微鏡の動作点決定方法。 ２、請求項第１項記載の走査型トンネル顕微鏡において
、前記第一の移動手段の動作点を試料の凹凸情報に対応
して、あらかじめ任意に定められた複数の動作点から選
択できる構成としたことを特徴とする走査型トンネル顕
微鏡の動作点決定方法。 ３、請求項第２項記載の走査型トンネル顕微鏡において
、前記動作点選択の構成として、サーボ制御時の前記第
一の移動手段の動作点を検出する手段、任意に動作点を
設定する手段、そして、その両動作点を比較する手段を
有し、その比較結果の信号により、他の移動手段を用い
て前記第一の移動手段の動作点を制御することを特徴と
する走査型トンネル顕微鏡の動作点決定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2244006A JPH04125403A (ja) | 1990-09-17 | 1990-09-17 | 走査型トンネル顕微鏡の動作点決定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2244006A JPH04125403A (ja) | 1990-09-17 | 1990-09-17 | 走査型トンネル顕微鏡の動作点決定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04125403A true JPH04125403A (ja) | 1992-04-24 |
Family
ID=17112314
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2244006A Pending JPH04125403A (ja) | 1990-09-17 | 1990-09-17 | 走査型トンネル顕微鏡の動作点決定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04125403A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102338811A (zh) * | 2010-07-28 | 2012-02-01 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 在纳米操作任务空间中基于概率预估的实时反馈方法 |
-
1990
- 1990-09-17 JP JP2244006A patent/JPH04125403A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102338811A (zh) * | 2010-07-28 | 2012-02-01 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 在纳米操作任务空间中基于概率预估的实时反馈方法 |
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