JPH04238202A - Scanning type probe microscope and control method thereof - Google Patents

Scanning type probe microscope and control method thereof

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JPH04238202A
JPH04238202A JP3005028A JP502891A JPH04238202A JP H04238202 A JPH04238202 A JP H04238202A JP 3005028 A JP3005028 A JP 3005028A JP 502891 A JP502891 A JP 502891A JP H04238202 A JPH04238202 A JP H04238202A
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JP
Japan
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scanning
signal
sample
feedback
feedback control
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Pending
Application number
JP3005028A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenji Yamazaki
謙治 山▲崎▼
Yasuhiro Torii
鳥居 康弘
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06Circuits or algorithms therefor
    • G01Q10/065Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself

Abstract

PURPOSE:To observe a high-accuracy image at a high speed in a scanning type probe microscope. CONSTITUTION:A probe 2a is scanned in the X, Y directions via the scanning control of a scanning wave-form generating circuit 4 by an X, Y, Z-axis piezoelectric element 2b, and it is controlled in the Z direction via the feedback control of a feedback control circuit 3. Signals of the scanning wave-form generating circuit 4 and the feedback control circuit 3 are interlinked, the scanning speed is decreased when the absolute value of the feedback signal of the feedback control is large, the scanning speed is increased when the absolute value of the feedback signal is small, thus the scanning speed is changed in response to the aspect ratio of local irregularities on the surface of a sample 1.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、鋭く尖らせた探針を試
料表面に接近させ、探針と試料表面との距離に依存する
物理量を検出することにより、表面形状や材料分析など
を行う走査型プローブ顕微鏡およびその制御方法に関す
るものである。
[Industrial Application Field] The present invention allows surface shape and material analysis to be performed by bringing a sharply pointed probe close to the sample surface and detecting physical quantities that depend on the distance between the probe and the sample surface. This invention relates to a scanning probe microscope and its control method.

【0002】0002

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡の一種である走査
型トンネル顕微鏡(以下STMと略記する)や原子間力
顕微鏡(以下AFMと略記する)は、物質の表面を原子
オーダーの高分解能で観察できるということで近年注目
されており、以下の原理に基づいている。すなわち、鋭
く尖らせた探針の先端を試料表面から1nm程度の距離
に接近させると、STMの場合、探針と試料の間に電圧
を印加した状態でトンネル現象による電流(トンネル電
流)が試料・探針間に流れ、またAFMの場合、試料・
探針間に原子間力が働く。このトンネル電流や原子間力
等の物理量は試料・探針間距離に大きく依存するので、
探針をXY方向にラスタースキャンさせながらこの物理
量を検出し、これが一定になるように探針をZ方向にフ
ィードバック制御することにより、原子オーダーで試料
の表面形状や表面状態分布が観察できる。このとき、X
Y方向の走査制御と試料・探針間距離の制御は、両方と
もアナログ方式で行うもの、走査制御のみディジタル方
式で行うもの、両制御ともディジタル方式で行うものと
があるが、ディジタル制御の方が信号処理の融通性があ
るため、主流になりつつある。
[Prior Art] Scanning tunneling microscopes (hereinafter abbreviated as STM) and atomic force microscopes (hereinafter abbreviated as AFM), which are types of scanning probe microscopes, are capable of observing the surfaces of substances with high resolution on the atomic order. This has attracted attention in recent years, and it is based on the following principles. In other words, in the case of STM, when the tip of a sharply pointed probe is brought close to a distance of about 1 nm from the sample surface, a current due to a tunneling phenomenon (tunnel current) flows through the sample while a voltage is applied between the probe and the sample.・Flow between the probes, and in the case of AFM, the sample
Atomic force acts between the probes. Physical quantities such as tunneling current and atomic force greatly depend on the distance between the sample and the tip, so
By detecting this physical quantity while raster-scanning the probe in the X and Y directions, and by feedback controlling the probe in the Z direction so that this quantity remains constant, the surface shape and surface state distribution of the sample can be observed on the atomic order. At this time, X
Scan control in the Y direction and control of the sample-to-probe distance are both performed using an analog system, scan control only using a digital system, and both controls performed using a digital system. is becoming mainstream due to its flexibility in signal processing.

【0003】さて、従来の走査型プローブ顕微鏡のうち
、ディジタル制御を採用する走査型トンネル顕微鏡の例
を、図8に示すディジタルインスツルメント社製のna
noscope2の構成図で説明する。この従来例を構
成するものとして、18は試料、19aは探針、19b
は探針19aをX,Y,Zの3方向に制御するX,Y,
Z軸圧電素子、20aはA/D変換器、20b〜20e
はD/A変換器、21はDSP部(ディジタルシグナル
プロセッサ部)、22は制御用コンピュータである。
Now, among conventional scanning probe microscopes, an example of a scanning tunneling microscope that employs digital control is the NA manufactured by Digital Instruments Co., Ltd. shown in FIG.
This will be explained using a configuration diagram of noscope2. This conventional example includes a sample 18, a probe 19a, and a probe 19b.
control the probe 19a in the three directions of X, Y, and Z;
Z-axis piezoelectric element, 20a is an A/D converter, 20b to 20e
21 is a D/A converter, 21 is a DSP section (digital signal processor section), and 22 is a control computer.

【0004】このような従来例を動作させるには、まず
、DSP部21の制御によって、トンネルバイアス電圧
用D/A変換器20eを介して、試料18にトンネルバ
イアス電圧を印加する。この状態で探針19aの先端を
試料18の表面に接近させると、トンネル電流が試料1
8・探針19a間に流れる。このトンネル電流は試料1
8・探針19a間距離に大きく依存するので、探針19
aを圧電素子19bでXY方向に走査しながら、トンネ
ル電流が一定になるように探針19aをZ方向に圧電素
子19bでフィードバック制御することにより、原子オ
ーダーで試料18の表面形状が観察できる。
To operate such a conventional example, first, under the control of the DSP unit 21, a tunnel bias voltage is applied to the sample 18 via the tunnel bias voltage D/A converter 20e. When the tip of the probe 19a approaches the surface of the sample 18 in this state, a tunnel current is generated on the sample 18.
8. Flows between the probe 19a. This tunnel current is sample 1
8. Since it largely depends on the distance between the probes 19a, the distance between the probes 19a
The surface shape of the sample 18 can be observed on the atomic order by feedback-controlling the probe 19a in the Z direction using the piezoelectric element 19b so that the tunneling current becomes constant while scanning the probe 19a in the X and Y directions using the piezoelectric element 19b.

【0005】次の、このフィードバック制御をもう少し
詳しく説明する。つまり、探針19aに流れるトンネル
電流をA/D変換器20aが増幅、ディジタル信号化し
たものをDSP部21が受け取る。DSP部21は、こ
のトンネル電流信号と予め制御用コンピュータ22から
示されている設定電流値を比較し、これらが一致するよ
うに試料18・探針19a間距離を調節するZ印加電圧
信号を、予め制御用コンピュータ22から指示された表
式で計算し、Z印加電圧用D/A変換器20bに出力す
る。DSP部21は、このZ印加電圧信号等を制御用コ
ンピュータ22にも転送する。Z印加電圧用D/A変換
器20bはこのディジタル信号をアナログ信号に変換し
増幅して、圧電素子19bのZ印加端子に出力する。ま
た、DSP部21は、予め制御用コンピュータ22から
指示された方法で、探針19aをX,Y方向にラスター
スキャンさせるための掃引信号をX,Y掃引用D/A変
換器20c,20dに出力する。X,Y掃引用D/A変
換器20c,20dは、各々このディジタル信号をアナ
ログ信号に変換し増幅して、圧電素子19bのX,Y印
加端子に出力する。制御用コンピュータ22は、DSP
部21に指示した掃引信号とDSP部21から転送され
たZ印加電圧信号等のデータを関連付け、3次元データ
として記憶,表示する。
Next, this feedback control will be explained in more detail. That is, the A/D converter 20a amplifies the tunnel current flowing through the probe 19a and converts it into a digital signal, which is then received by the DSP unit 21. The DSP unit 21 compares this tunnel current signal with a set current value indicated in advance by the control computer 22, and sends a Z applied voltage signal to adjust the distance between the sample 18 and the probe 19a so that they match. It is calculated using a table format instructed in advance by the control computer 22 and output to the Z applied voltage D/A converter 20b. The DSP section 21 also transfers this Z applied voltage signal and the like to the control computer 22. The Z applied voltage D/A converter 20b converts this digital signal into an analog signal, amplifies it, and outputs it to the Z applied terminal of the piezoelectric element 19b. Further, the DSP unit 21 sends a sweep signal for raster scanning the probe 19a in the X and Y directions to the X and Y sweep D/A converters 20c and 20d in a manner instructed in advance by the control computer 22. Output. The X, Y sweep D/A converters 20c, 20d each convert this digital signal into an analog signal, amplify it, and output it to the X, Y application terminals of the piezoelectric element 19b. The control computer 22 is a DSP
The sweep signal instructed to the section 21 is associated with data such as the Z applied voltage signal transferred from the DSP section 21, and the data is stored and displayed as three-dimensional data.

【0006】次に、試料表面の形状とX掃引信号、Z印
加電圧信号の関係を図9に示す。X掃引信号は図9(b
)に示すように一定の走査速度の三角波であり、よって
探針は、X方向に一定の速度で往復を繰り返す。試料表
面が仮に図9(a)に示す形状である場合、フィードバ
ック制御によりZ印加電圧信号は、図9(a)に倣った
波形になり、試料表面の形状を示す。
Next, FIG. 9 shows the relationship between the shape of the sample surface, the X sweep signal, and the Z applied voltage signal. The X sweep signal is shown in Figure 9(b)
) is a triangular wave with a constant scanning speed, so the probe repeatedly moves back and forth in the X direction at a constant speed. If the sample surface has the shape shown in FIG. 9(a), the Z applied voltage signal has a waveform similar to that shown in FIG. 9(a) due to feedback control, indicating the shape of the sample surface.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術による走査型トンネル顕微鏡(STM)では、
探針のX,Y方向への走査は試料・探針間距離に関する
フィードバック制御とは無関係に制御される。つまり、
走査速度は一つの顕微鏡像の収集中、常に一定であり、
試料表面の局所的な凹凸のアスペクト比には依存しない
。そこで、走査速度などの設定については、探針を試料
表面に衝突させないために、試料の観察部分中で凹凸の
アスペクト比の最も大きな部分で、フィードバック制御
が追従するように、値を決めなければならず、アスペク
ト比の大きな部分が一箇所でもあると走査速度をかなり
遅くしなければならない。逆に、走査速度に対し大きな
アスペクト比の部分が観察部分中に1箇所でもあると、
そこで探針が試料表面に接触し、探針先端が変形してし
まうという問題があった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the scanning tunneling microscope (STM) according to the above-mentioned conventional technology,
The scanning of the probe in the X and Y directions is controlled independently of feedback control regarding the distance between the sample and the probe. In other words,
The scanning speed is always constant during the collection of one microscopic image,
It does not depend on the aspect ratio of local unevenness on the sample surface. Therefore, in order to prevent the probe from colliding with the sample surface, settings such as the scanning speed must be set so that the feedback control follows the part with the highest aspect ratio of the unevenness in the observed part of the sample. However, if there is even one part with a large aspect ratio, the scanning speed must be considerably slowed down. On the other hand, if there is even one part in the observation area that has a large aspect ratio relative to the scanning speed,
There was a problem in that the probe came into contact with the sample surface and the tip of the probe became deformed.

【0008】また、フィードバック制御の係数について
は、アスペクト比の大きな部分に適当な値とすると、ア
スペクト比の小さな部分ではフィードバック制御が発振
しやすくなる。逆に、アスペクト比の小さな部分で発振
しない様にフィードバック制御の係数を小さくするとア
スペクト比の大きな部分で探針が試料表面に衝突してし
まうという問題があった。このような問題は、走査型プ
ローブ顕微鏡での観察に必要以上の時間がかかるという
ことを招くだけでなく、探針先端の変形により顕微鏡像
の空間分解能や正確度、信憑性を下げることを意味する
Furthermore, if the feedback control coefficient is set to an appropriate value for a portion with a large aspect ratio, the feedback control will easily oscillate in a portion with a small aspect ratio. Conversely, if the feedback control coefficient is made small so as not to oscillate in areas with a small aspect ratio, there is a problem in that the probe collides with the sample surface in areas with a large aspect ratio. Such problems not only cause observations with a scanning probe microscope to take longer than necessary, but also reduce the spatial resolution, accuracy, and credibility of microscopic images due to deformation of the tip of the probe. do.

【0009】また、STMの場合、汚れや酸化などによ
り試料表面の一部が絶縁物質となっていると、探針が絶
縁物質部分に差し掛かった際、探針先端が絶縁物質表面
に接触するまで近付けてもトンネル電流が流れないため
、探針は試料に押し付けられ探針先端がつぶれて、高い
空間分解能を失ってしまう。つまり、試料表面のごく一
部が絶縁物質となっていることにより、像全体が安定に
観察できないという問題があった。
In addition, in the case of STM, if a part of the sample surface is an insulating material due to dirt or oxidation, when the probe approaches the insulating material part, the tip of the probe will not touch the surface of the insulating material. Even when brought close, no tunneling current flows, so the probe is pressed against the sample, crushing the tip of the probe and losing high spatial resolution. In other words, since only a small portion of the sample surface is made of an insulating material, there is a problem in that the entire image cannot be observed stably.

【0010】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、正確度の高い像を高速
で観察でき、また、試料表面の一部に物理的に観察に都
合の悪い性質の部分がある場合でも、その他のほとんど
の部分では適正に観察できる走査型プローブ顕微鏡およ
びその制御方法を提供することにある。
The present invention was made to solve the above problems, and its purpose is to enable highly accurate images to be observed at high speed, and to provide a part of the sample surface that is physically convenient for observation. An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope and a control method thereof, which allow proper observation of most other parts even if there are parts with bad properties.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の走査型プローブ顕微鏡においては、試料と
、探針部と、該試料・探針部間の該試料表面の面内方向
の相対的位置を走査制御する走査制御部と、該試料・探
針部間の該試料表面に垂直な方向の相対的位置をフィー
ドバック制御するフィードバック制御部とから構成され
ている走査型プローブ顕微鏡において、前記走査制御部
が前記フィードバック制御部の信号を取り込み該信号に
関連付けて前記走査制御を行うことを特徴としている。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the scanning probe microscope of the present invention includes a sample, a probe, and an in-plane direction of the sample surface between the sample and the probe. In a scanning probe microscope, the scanning probe microscope is comprised of a scanning control unit that scans and controls the relative position of the sample and the probe, and a feedback control unit that feedback controls the relative position of the sample and the probe in a direction perpendicular to the sample surface. , the scanning control section is characterized in that the scanning control section takes in a signal from the feedback control section and performs the scanning control in association with the signal.

【0012】また、同じく上記の目的を達成するため、
本発明の走査型プローブ顕微鏡の制御方法においては、
走査制御およびフィードバック制御がディジタル制御で
あり、前記フィードバック制御の帰還信号の絶対値が一
定値以上の場合、その時点の走査点で一旦走査を止めて
引き続き前記フィードバック制御を行い、前記帰還信号
の絶対値が一定の時間または一定の回数以内に前記一定
値より小さくなった時点で前記走査点を次の走査点へ進
め、前記帰還信号の絶対値が一定値以上であることが前
記一定の時間または一定の回数以上であった場合、一旦
前記試料・探針部間距離を大きくし、走査点を次の走査
点へ進めることを特徴としている。
[0012] Also, in order to achieve the above object,
In the scanning probe microscope control method of the present invention,
Scanning control and feedback control are digital controls, and when the absolute value of the feedback signal of the feedback control is a certain value or more, the scanning is temporarily stopped at the scanning point at that point, and the feedback control is continued, and the absolute value of the feedback signal is When the value becomes smaller than the certain value within a certain time or a certain number of times, the scanning point is advanced to the next scanning point, and the absolute value of the feedback signal is greater than or equal to the certain value for the certain period of time or a certain number of times. If the number of scans exceeds a certain value, the distance between the sample and the probe is temporarily increased, and the scanning point is advanced to the next scanning point.

【0013】[0013]

【作用】本発明の走査型プローブ顕微鏡およびその制御
方法では、走査制御部とフィードバック制御部との信号
を結び付け、フィードバック制御の帰還信号の絶対値が
大きいときには、走査の速度を小さくし、帰還信号の絶
対値が小さい時には、走査の速度を大きくすることによ
り、試料表面の局所的な凹凸のアスペクト比に応じて走
査の速度を変化させることを特徴としている。これによ
り、像観察の時間を短縮し、また観察部分全面に渡り、
適切なフィードバック制御の条件での観察を可能にする
[Operation] In the scanning probe microscope and the control method thereof of the present invention, signals from the scanning control section and the feedback control section are connected, and when the absolute value of the feedback signal of the feedback control is large, the scanning speed is decreased, and the feedback signal is When the absolute value of is small, the scanning speed is increased, thereby changing the scanning speed in accordance with the aspect ratio of local irregularities on the sample surface. This reduces the time for image observation, and also covers the entire observation area.
Enables observation under conditions of appropriate feedback control.

【0014】また、フィードバック制御の帰還信号の絶
対値が一定の値以上であることが一定の時間または一定
の回数以上であった場合、その部分は観察に都合の悪い
性質であると判断し、測定をスキップして次の走査点へ
走査を進めることにより、探針が試料表面に衝突するの
を回避して、試料表面の観察部分の一部に物理的に観察
に都合の悪い性質の部分がある場合でも、その他のほと
んどの部分での適正な観察を可能にする。
[0014] Furthermore, if the absolute value of the feedback signal of the feedback control is equal to or greater than a predetermined value for a predetermined period of time or a predetermined number of times, it is determined that that portion has a property that is not convenient for observation; By skipping the measurement and proceeding to the next scanning point, the tip collides with the sample surface and avoids parts of the sample surface that are physically inconvenient for observation. Even if there are some areas, it is possible to properly observe most other areas.

【0015】[0015]

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。
Embodiments Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0016】図1は本発明の第1の実施例を示す構成図
である。本実施例はSTMの構成を示し、本実施例を構
成するものとして、1は試料、2aは探針、2bはXY
Z軸圧電素子、3はフィードバック制御回路、4は走査
波形発生回路、5はバイアス電圧発生回路、6はストレ
ージオシロスコープを示す。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. This example shows the configuration of STM, and this example includes 1 a sample, 2a a probe, 2b an XY
A Z-axis piezoelectric element, 3 a feedback control circuit, 4 a scanning waveform generation circuit, 5 a bias voltage generation circuit, and 6 a storage oscilloscope.

【0017】上記において、バイアス電圧発生回路5は
試料1にバイアス電圧を印加する。この状態で、圧電素
子2bを制御して探針2aの先端を試料1の表面に接近
させると、試料1・探針2a間にトンネル電流が流れ、
この信号をフィードバック制御回路3が受け取る。フィ
ードバック制御回路3は、トンネル電流信号と予め設定
してある設定電流値の差の信号を差分回路で求め、これ
を帰還信号とするフィードバック制御の結果をZ印加電
圧信号として圧電素子2bのZ印加端子とストレージオ
シロスコープ6に出力する。つまり、トンネル電流信号
と設定電流信号の差である帰還信号を予め設定した時定
数で積分し、これに帰還信号に比例する信号を加えるな
どした信号を増幅し、Z印加電圧信号として出力する。 走査波形発生回路4は、フィードバック制御回路3の帰
還信号を入力し、後で述べる方法で発生するX,Y掃引
信号を圧電素子2bのX,Y印加端子に出力する。スト
レージオシロスコープ6は、フィードバック制御回路3
から入力したZ印加電圧信号と走査波形発生回路4から
入力したX,Y掃引信号を関連付け、3次元図形や濃淡
図として顕微鏡像を表示する。
In the above, the bias voltage generation circuit 5 applies a bias voltage to the sample 1. In this state, when the tip of the probe 2a approaches the surface of the sample 1 by controlling the piezoelectric element 2b, a tunnel current flows between the sample 1 and the probe 2a.
The feedback control circuit 3 receives this signal. The feedback control circuit 3 uses a difference circuit to obtain a signal representing the difference between the tunnel current signal and a preset current value, and uses the feedback control result as a feedback signal to apply Z to the piezoelectric element 2b as a Z applied voltage signal. Output to terminal and storage oscilloscope 6. That is, the feedback signal, which is the difference between the tunnel current signal and the set current signal, is integrated with a preset time constant, a signal proportional to the feedback signal is added thereto, and the resulting signal is amplified and output as a Z applied voltage signal. The scanning waveform generating circuit 4 inputs the feedback signal from the feedback control circuit 3 and outputs X, Y sweep signals generated by a method described later to the X, Y application terminals of the piezoelectric element 2b. The storage oscilloscope 6 has a feedback control circuit 3
The Z applied voltage signal inputted from the scanning waveform generation circuit 4 is associated with the X, Y sweep signals inputted from the scanning waveform generation circuit 4, and the microscopic image is displayed as a three-dimensional figure or a gray scale diagram.

【0018】図2は、上記実施例に使用する走査波形発
生回路4の一部の構成図である。図において、8aは入
力端子、8bは出力端子、9は絶対値回路、10は矩形
波発生回路、11は符号変換回路、12は加算・積分回
路を示している。
FIG. 2 is a block diagram of a part of the scanning waveform generating circuit 4 used in the above embodiment. In the figure, 8a is an input terminal, 8b is an output terminal, 9 is an absolute value circuit, 10 is a rectangular wave generation circuit, 11 is a code conversion circuit, and 12 is an addition/integration circuit.

【0019】上記において、絶対値回路9は、入力端子
8aでフィードバック制御回路の帰還信号を入力し、帰
還信号の絶対値の信号を符号変換回路11に出力する。 一方、矩形波発生回路10は矩形波を発生しており、符
号変換回路11はこの矩形波と逆の符号を持つ帰還信号
の絶対値の信号を加算・積分回路12に出力する。この
信号は加算・積分回路12で矩形波と加算,積分され、
出力端子8bからX掃引信号として出力される。X掃引
信号は矩形波発生回路10にも出力され、矩形波発生回
路10はX掃引信号が特定の値になった時点で発生する
矩形波の符号を反転させる。帰還信号の絶対値が大きい
ときは、加算・積分回路12で矩形波と打ち消しあって
積分されるので、出力されるX掃引信号の傾きが小さく
なり、逆に帰還信号の絶対値が小さいときは、X掃引信
号の傾きが大きくなるので、走査の速度が、フィードバ
ック制御の帰還信号の絶対値に対し、単調減少の関係で
変化する。Y掃引信号に関しても加算・積分回路の積分
時定数を変えるだけで、同様の構成で良い。
In the above, the absolute value circuit 9 inputs the feedback signal of the feedback control circuit at the input terminal 8a, and outputs the absolute value of the feedback signal to the code conversion circuit 11. On the other hand, the rectangular wave generation circuit 10 generates a rectangular wave, and the sign conversion circuit 11 outputs a signal of the absolute value of the feedback signal having the opposite sign to the rectangular wave to the addition/integration circuit 12. This signal is added and integrated with the rectangular wave in the addition/integration circuit 12,
It is output as an X sweep signal from the output terminal 8b. The X sweep signal is also output to the rectangular wave generating circuit 10, and the rectangular wave generating circuit 10 inverts the sign of the generated rectangular wave when the X sweep signal reaches a specific value. When the absolute value of the feedback signal is large, the addition/integration circuit 12 cancels out the rectangular wave and integrates it, so the slope of the output X sweep signal becomes small; conversely, when the absolute value of the feedback signal is small, , the slope of the X sweep signal increases, so the scanning speed changes in a monotonically decreasing relationship with respect to the absolute value of the feedback signal of the feedback control. The same configuration may be used for the Y sweep signal by simply changing the integration time constant of the addition/integration circuit.

【0020】以上のように構成した第1の実施例の動作
および作用を述べる。
The operation and effects of the first embodiment configured as above will be described.

【0021】図3(a),(b),(c)は、その動作
説明用の図であり、試料表面の形状とフィードバック制
御の帰還信号、X掃引信号、Z印加電圧信号の関係を示
している。試料が図3(a)に示した形状である場合、
フィードバック制御の帰還信号は図3(b)の(b−1
)に示したようになり、試料形状の凹凸のアスペクト比
が高い部分では帰還信号の絶対値が大きくなりX掃引信
号の傾きが小さくなるので、X掃引信号は図3(b)の
(b−2)に示したようになる。よって、Z印加電圧信
号はフィードバック制御の結果、図3(c)のようにな
り、試料形状の凹凸のアスペクト比の局所的な変化に関
わらず滑らかな波形となる。ストレージオシロスコープ
6はX掃引信号とZ印加電圧信号を関連付けて表示する
ので、図3(a)に示した試料形状の像を再現する。 このように試料表面の局所的な凹凸に応じて、フィード
バック制御の帰還信号が変化するので、アスペクト比の
大きい部分では走査速度を小さくし、アスペクト比の小
さい部分では走査速度を大きくするというように、走査
速度の自動変化を実現できる。
FIGS. 3(a), (b), and (c) are diagrams for explaining the operation, and show the relationship between the shape of the sample surface, the feedback signal of the feedback control, the X sweep signal, and the Z applied voltage signal. ing. When the sample has the shape shown in Figure 3(a),
The feedback signal of the feedback control is (b-1) in Fig. 3(b).
), the absolute value of the feedback signal increases and the slope of the X-sweep signal decreases in the part where the aspect ratio of the unevenness of the sample shape is high, so the X-sweep signal becomes (b- 2). Therefore, as a result of the feedback control, the Z applied voltage signal becomes as shown in FIG. 3(c), and has a smooth waveform regardless of local changes in the aspect ratio of the unevenness of the sample shape. Since the storage oscilloscope 6 displays the X sweep signal and the Z applied voltage signal in association with each other, it reproduces the image of the sample shape shown in FIG. 3(a). In this way, the feedback signal for feedback control changes depending on the local unevenness of the sample surface, so the scanning speed is reduced in areas with a large aspect ratio, and increased in areas with a small aspect ratio. , automatic change of scanning speed can be realized.

【0022】以上は、アナログ制御による実施例である
が、図8に示したディジタル制御の構成でもDSP部2
1で実行するソフトウエアを書き換えることにより、試
料表面の凹凸のアスペクト比が大きく、帰還信号の絶対
値が大きいときに、走査の速度を小さくし、アスペク比
が小さく、帰還信号の絶対値が小さいときに、走査の速
度を大きくすることができる。
The above is an example using analog control, but even with the digital control configuration shown in FIG.
By rewriting the software executed in step 1, when the aspect ratio of the irregularities on the sample surface is large and the absolute value of the feedback signal is large, the scanning speed is reduced, and the aspect ratio is small and the absolute value of the feedback signal is small. Sometimes the speed of scanning can be increased.

【0023】上記のように試料の凹凸に応じて、走査速
度を変化させられることの効果としては、試料の一部に
大きなアスペクト比の部分がある場合、小さなアスペク
ト比の部分の走査速度は速くて良いので像全体の観察時
間は少なくてすむということにある。また、アスペクト
比の大きな部分で探針が試料表面に接触することが避け
られるし、フィードバック制御の条件は比較的アスペク
ト比の小さい部分に適切なように設定すれば、アスペク
ト比の大きい部分でも走査速度が小さくなるので、試料
全体に渡って適切なフィードバック制御条件での観察が
実現でき、顕微鏡像の正確度や信憑性が上がるというこ
とにある。
As described above, the effect of being able to change the scanning speed according to the unevenness of the sample is that when a part of the sample has a large aspect ratio, the scanning speed for the small aspect ratio part is faster. This means that the time needed to observe the entire image is reduced. In addition, it is possible to avoid contact of the probe with the sample surface in areas with a large aspect ratio, and if the feedback control conditions are set appropriately for areas with a relatively small aspect ratio, it is possible to scan even areas with a large aspect ratio. Since the speed is reduced, it is possible to observe the entire sample under appropriate feedback control conditions, which increases the accuracy and credibility of the microscopic image.

【0024】次に、本発明の第2の実施例を説明する。Next, a second embodiment of the present invention will be explained.

【0025】図4は、その構成を示すSTMの構成図で
ある。本実施例を構成するものとして、1は試料、2a
は探針、2bはXYZ軸圧電素子、13aはフィードバ
ック制御回路、13bはA/D変換器、14aは絶対値
回路、14bはしきい値回路、14cはアンド回路、1
4d,14eは三角波発生回路、14f,14gはD/
A変換器、15はバイアス電圧発生回路、16はインタ
ーフェイス、17は制御用コンピュータである。
FIG. 4 is a block diagram of the STM showing its structure. As components of this example, 1 is a sample, 2a
1 is a probe, 2b is an XYZ-axis piezoelectric element, 13a is a feedback control circuit, 13b is an A/D converter, 14a is an absolute value circuit, 14b is a threshold circuit, 14c is an AND circuit, 1
4d and 14e are triangular wave generation circuits, 14f and 14g are D/
15 is a bias voltage generation circuit, 16 is an interface, and 17 is a control computer.

【0026】上記において、試料1、探針2a、XYZ
軸圧電素子2b、フィードバック制御回路13a、バイ
アス電圧発生回路15は、順に実施例1の図1における
試料1、探針2a、XYZ軸圧電素子2b、フィードバ
ック制御回路3、バイアス電圧発生回路5と同様の機能
を持つものである。フィードバック制御回路13aは、
A/D変換器13bとインターフェイス16を介して制
御用コンピュータ17にZ印加電圧信号を出力する。絶
対値回路14aは、フィードバック制御回路13aから
入力したフィードバック制御の帰還信号にローパスフィ
ルタをかけた後、絶対値を取った信号に変換する。しき
い値回路14bは、絶対値回路14aが変換した信号が
、一定のしきい値以下であるときには1の信号を出力し
、一定のしきい値以上であるときには0の信号を出力す
る。アンド回路14cは、この1または0の信号と、制
御用コンピュータ17からインターフェイス16を介し
て入力されるパルス信号のアンド(論理積)をタイミン
グ信号として三角波発生回路14dに出力する。三角波
発生回路14dは、一定間隔のパルス信号を入力してい
る場合に三角波をディジタル信号として発生する回路で
、ここではアンド回路14cからタイミング信号のパル
スを受け取ったときのみ、振幅の範囲内で波形増分だけ
増加させたX掃引信号を出力し、走査を次の走査点へ進
める。この振幅及び波形増分は予め制御用コンピュータ
17からインターフェイス16を介して与えられる。 D/A変換器14fはディジタルのX掃引信号をアナロ
グに変換し、圧電素子2bのX印加端子に出力する。三
角波発生回路14dが、出力波形の1往復ごとにパルス
信号を三角波発生回路14eに出力することで、三角波
発生回路14e及びD/A変換器14gは、Y掃引信号
を圧電素子2bのY印加端子に出力する。制御用コンピ
ュータ17はインターフェイス16を介して、フィード
バック制御回路13aから入力したZ印加電圧信号と、
三角波発生回路14d,14eから入力したX,Y掃引
信号を関連付け、3次元図形や濃淡図として顕微鏡像を
表示,記憶する。
In the above, sample 1, probe 2a, XYZ
The axial piezoelectric element 2b, the feedback control circuit 13a, and the bias voltage generation circuit 15 are the same as the sample 1, the probe 2a, the XYZ-axis piezoelectric element 2b, the feedback control circuit 3, and the bias voltage generation circuit 5 in FIG. 1 of Example 1 in this order. It has the following functions. The feedback control circuit 13a is
A Z applied voltage signal is output to the control computer 17 via the A/D converter 13b and the interface 16. The absolute value circuit 14a applies a low-pass filter to the feedback signal of the feedback control inputted from the feedback control circuit 13a, and then converts the signal into a signal having an absolute value. The threshold circuit 14b outputs a signal of 1 when the signal converted by the absolute value circuit 14a is below a certain threshold, and outputs a signal of 0 when the signal is above a certain threshold. The AND circuit 14c outputs the AND (logical product) of this 1 or 0 signal and the pulse signal inputted from the control computer 17 via the interface 16 to the triangular wave generation circuit 14d as a timing signal. The triangular wave generating circuit 14d is a circuit that generates a triangular wave as a digital signal when a pulse signal at a constant interval is input.Here, the triangular wave generating circuit 14d generates a triangular wave within the amplitude range only when receiving the timing signal pulse from the AND circuit 14c. Output the incremented X sweep signal to advance the scan to the next scan point. This amplitude and waveform increment are given in advance from the control computer 17 via the interface 16. The D/A converter 14f converts the digital X sweep signal into an analog signal and outputs it to the X application terminal of the piezoelectric element 2b. The triangular wave generating circuit 14d outputs a pulse signal to the triangular wave generating circuit 14e every round trip of the output waveform, so that the triangular wave generating circuit 14e and the D/A converter 14g transmit the Y sweep signal to the Y application terminal of the piezoelectric element 2b. Output to. The control computer 17 receives the Z applied voltage signal input from the feedback control circuit 13a via the interface 16,
The X and Y sweep signals inputted from the triangular wave generation circuits 14d and 14e are associated, and the microscopic image is displayed and stored as a three-dimensional figure or a gray scale diagram.

【0027】以上のように構成した第2の実施例の動作
および作用を述べる。
The operation and effect of the second embodiment configured as above will be described.

【0028】図5(a),(b),(c),(d),(
e)はその動作を説明するための波形図であって、フィ
ードバック制御の帰還信号の絶対値としきい値回路の出
力信号,パルス信号,タイミング信号,X掃引信号の関
係を示している。フィードバック制御の帰還信号の絶対
値が図5(a)に実線で示したものであり、しきい値回
路14bのしきい値が破線で示したものである場合、し
きい値回路14bの出力信号は図5(b)のようになり
、これと制御用コンピュータ17からのパルス信号が図
5(c)のパルス信号とのアンド(論理積)であるタイ
ミング信号は図5(d)の様になる。このときX掃引信
号は図5(e)の様になり、フィードバック制御の帰還
信号の絶対値が一定値以上のときには一旦走査が停止し
、帰還信号の絶対値が一定値より小さくなった時点で走
査を次の走査点へ進めることになる。つまり、試料形状
の凹凸のアスペクト比の大きい部分ではフィードバック
制御が追従するまで走査を停止し、最終的に得られるデ
ータは帰還信号の絶対値が十分小さい場合のものとなる
FIGS. 5(a), (b), (c), (d), (
e) is a waveform diagram for explaining the operation, and shows the relationship between the absolute value of the feedback signal of the feedback control, the output signal of the threshold circuit, the pulse signal, the timing signal, and the X sweep signal. When the absolute value of the feedback signal of the feedback control is shown by the solid line in FIG. 5(a) and the threshold value of the threshold circuit 14b is shown by the broken line, the output signal of the threshold circuit 14b is as shown in FIG. 5(b), and the timing signal obtained by ANDing this and the pulse signal from the control computer 17 with the pulse signal of FIG. 5(c) is as shown in FIG. 5(d). Become. At this time, the X sweep signal becomes as shown in Fig. 5(e), and when the absolute value of the feedback signal of feedback control is above a certain value, the scanning is temporarily stopped, and when the absolute value of the feedback signal becomes smaller than the certain value. The scan will proceed to the next scan point. In other words, scanning is stopped until the feedback control follows a portion of the sample shape with a large aspect ratio, and the data finally obtained is obtained when the absolute value of the feedback signal is sufficiently small.

【0029】これにより、Z印加電圧信号について、帰
還信号の絶対値がある値以下の条件で収集されたといこ
とが保証される。これは得られたデータの正確度が高い
ことを意味する。さらに、X方向の走査点間を十分小さ
くし、フィードバック制御系数を小さめに設定すること
で、試料表面の局所的な凹凸に応じて、アスペクト比の
大きい部分では遅く、アスペクト比の小さい部分では速
くというように、走査速度の自動変化を実現できる。
This ensures that the Z applied voltage signal is collected under conditions in which the absolute value of the feedback signal is less than or equal to a certain value. This means that the accuracy of the obtained data is high. In addition, by making the distance between scanning points in the X direction sufficiently small and setting the feedback control system to a small value, the scanning speed can be adjusted to be slower in areas with a large aspect ratio and faster in areas with a small aspect ratio, depending on the local unevenness of the sample surface. In this way, automatic changes in scanning speed can be realized.

【0030】次に、本発明の第3の実施例を説明する。Next, a third embodiment of the present invention will be described.

【0031】図6は、その実施例を示すフローチャート
である。前述の第2の実施例は、アナログ制御によるフ
ィードバック制御部とディジタル制御による走査制御部
を用いた実施例であるが、本実施例は、図8に示したD
SP部21を用いたオールディジタル制御の構成でもD
SP部21で実行するソフトウエアを書き換えることに
より、同様の制御方法を実現する例である。図6はDS
P部21で実行するソフトウエアのフローチャートであ
って、Iはトンネル電流信号値、ZはZ印加電圧信号値
である。Istはトンネル電流がこの値に一定となる様
に探針をZ方向にフィードバック制御する値で(I−I
st)はフィードバック制御の帰還信号となる。ΔIは
帰還信号の許容誤差、Fは帰還信号(I−Ist)から
Z印加電圧信号値を求めるフィードバック制御関数であ
る。
FIG. 6 is a flowchart showing this embodiment. The second embodiment described above is an embodiment using a feedback control section using analog control and a scanning control section using digital control, but this embodiment uses D shown in FIG.
Even with an all-digital control configuration using the SP unit 21, D
This is an example in which a similar control method is realized by rewriting the software executed by the SP section 21. Figure 6 shows the DS
This is a flowchart of software executed by the P section 21, where I is a tunnel current signal value and Z is a Z applied voltage signal value. Ist is a value that feedback controls the probe in the Z direction so that the tunnel current remains constant at this value (I-I
st) becomes a feedback signal for feedback control. ΔI is a tolerance of the feedback signal, and F is a feedback control function for determining the Z applied voltage signal value from the feedback signal (I-Ist).

【0032】DSP部21は、フィードバック制御とし
て、トンネル電流信号Iを入力し、予め与えられている
フィードバック制御関数FにIを代入,計算し、Z=F
(I−Ist)をZ印加電圧信号として出力する。以降
は走査制御で、帰還信号(I−Ist)の絶対値が△I
より小さい、つまり、トンネル電流が十分に設定電流に
近い場合には、走査を次の走査点へ進める。帰還信号の
絶対値が△Iより大きい場合は、試料表面の凹凸のアス
ペクト比が大きい部分であると判断し、同一の走査点で
フィードバック制御を繰り返す。何度かフィードバック
制御を繰り返し、帰還信号の絶対値がΔIより小さくな
ったら、次の走査点へ走査を進める。
The DSP unit 21 inputs the tunnel current signal I as feedback control, substitutes I into a feedback control function F given in advance, calculates Z=F
(I-Ist) is output as a Z applied voltage signal. After that, scanning control is performed so that the absolute value of the feedback signal (I-Ist) is △I
If it is smaller, ie, the tunneling current is sufficiently close to the set current, the scan advances to the next scan point. If the absolute value of the feedback signal is larger than ΔI, it is determined that the aspect ratio of the unevenness on the sample surface is large, and feedback control is repeated at the same scanning point. Feedback control is repeated several times, and when the absolute value of the feedback signal becomes smaller than ΔI, scanning proceeds to the next scanning point.

【0033】例えば、フィードバックの帰還信号の絶対
値が図5(a)に示したものである場合、X掃引信号は
図5(e)の様になり、フィードバック制御の帰還信号
の絶対値が一定値以上のときには一旦走査を停止し、帰
還信号の絶対値が一定値より小さくなった時点で走査を
次の走査点へ進めることになる。つまり、試料形状の凹
凸のアスペクト比の大きい部分ではフィードバック制御
が追従するまで走査を停止し、最終的に得られるデータ
は帰還信号の絶対値が十分小さい場合のものとなる。
For example, when the absolute value of the feedback signal of feedback control is as shown in FIG. 5(a), the X sweep signal becomes as shown in FIG. 5(e), and the absolute value of the feedback signal of feedback control is constant. When the absolute value of the feedback signal is greater than the fixed value, scanning is temporarily stopped, and when the absolute value of the feedback signal becomes smaller than a certain value, scanning is advanced to the next scanning point. In other words, scanning is stopped until the feedback control follows a portion of the sample shape with a large aspect ratio, and the data finally obtained is obtained when the absolute value of the feedback signal is sufficiently small.

【0034】このように、Z印加電圧信号について、帰
還信号の絶対値がある値以下の条件で収集されたという
ことが保証され、これは得られたデータの正確度が高い
ことを意味する。さらに、X方向の走査点間を十分小さ
くし、フィードバック制御係数を小さめに設定すること
で、試料表面の局所的な凹凸に応じて、アスペクト比の
大きい部分では遅く、アスペクト比の小さい部分では速
くというように、走査速度の自動変化を実現できる。
In this way, it is guaranteed that the Z applied voltage signal is collected under conditions in which the absolute value of the feedback signal is less than or equal to a certain value, which means that the accuracy of the obtained data is high. Furthermore, by making the distance between the scanning points in the X direction sufficiently small and setting the feedback control coefficient to a small value, the scanning speed is slow in areas with a large aspect ratio and fast in areas with a small aspect ratio, depending on the local unevenness of the sample surface. In this way, automatic changes in scanning speed can be realized.

【0035】試料の凹凸に応じて、走査速度を変化させ
られることの効果としては、試料の一部に大きなアスペ
クト比の部分がある場合、小さなアスペクト比の部分の
走査速度は速くて良いので像全体の観察時間は少なくて
すむ。また、アスペクト比の大きな部分で探針が試料表
面に接触することが避けられるし、フィードバック制御
の条件は比較的アスペクト比の小さい部分に適切なよう
に設定すれば、アスペクト比の大きい部分でも走査速度
が小さくなるので、試料全体に渡って適切なフィードバ
ック制御条件での観察が実現でき、顕微鏡像の正確度や
信憑性を向上させることができる。
The effect of being able to change the scanning speed according to the unevenness of the sample is that if a part of the sample has a large aspect ratio, the scanning speed for the small aspect ratio part can be fast, so the image The total observation time is short. In addition, it is possible to avoid contact of the probe with the sample surface in areas with a large aspect ratio, and if the feedback control conditions are set appropriately for areas with a relatively small aspect ratio, it is possible to scan even areas with a large aspect ratio. Since the speed is reduced, it is possible to observe the entire sample under appropriate feedback control conditions, and the accuracy and credibility of the microscopic image can be improved.

【0036】次に、本発明の第4の実施例を説明する。Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.

【0037】図7は、その実施例を示すディジタル制御
STMのフィードバック制御および、走査制御の方法の
フローチャートであって、本実施例も図8に示したディ
ジタル制御STMの構成で、実現可能である。本実施例
も第3の実施例と同様に、フィードバック制御および走
査制御の計算はDSP部21が行う。図7において、I
はトンネル電流信号値、ZはZ印加電圧信号値である。 Istはトンネル電流がこの値に一定となる様に探針を
Z方向にフィードバック制御する値で(I−Ist)は
フィードバック制御の帰還信号となる。ΔIは帰還信号
の許容誤差、mは帰還信号が連続して許容誤差以上であ
った回数、nは同一走査点でフィードバック制御を繰り
返す最大回数、ΔZはmがn以上となった場合、走査を
次の走査点へ進める際に試料・探針間距離を一旦大きく
する為にZ印加電圧信号に加える値である。Fは帰還信
号(I−Ist)からZ印加電圧信号値を求めるフィー
ドバック制御関数である。
FIG. 7 is a flowchart of a method of feedback control and scanning control of a digital control STM showing an example thereof, and this example can also be realized with the configuration of the digital control STM shown in FIG. . In this embodiment, similarly to the third embodiment, calculations for feedback control and scanning control are performed by the DSP unit 21. In FIG. 7, I
is the tunnel current signal value, and Z is the Z applied voltage signal value. Ist is a value for feedback controlling the probe in the Z direction so that the tunnel current is constant at this value, and (I-Ist) is a feedback signal for feedback control. ΔI is the tolerance error of the feedback signal, m is the number of times the feedback signal is continuously greater than or equal to the tolerance error, n is the maximum number of times feedback control is repeated at the same scanning point, and ΔZ is the number of times that scanning is stopped when m is greater than or equal to n. This is a value added to the Z applied voltage signal in order to temporarily increase the distance between the sample and the probe when proceeding to the next scanning point. F is a feedback control function that determines the Z applied voltage signal value from the feedback signal (I-Ist).

【0038】DSP部21は、まずフィードバック制御
として、トンネル電流信号Iを入力し、予め与えられて
いるフィードバック制御関数FにIを代入,計算し、Z
=F(I−Ist)をZ印加電圧信号として出力する。 以降は全て走査制御で、帰還信号(I−Ist)の絶対
値がΔIより小さい、つまり、トンネル電流が十分に設
定電流に近い場合には、走査を次の走査点へ進める。帰
還信号の絶対値がΔIより大きい場合は、試料表面の凹
凸のアスペクト比が大きい部分である可能性があるので
、同一の走査点でフィードバック制御を繰り返す。何度
がフィードバック制御を繰り返し、帰還信号の絶対値が
ΔIより小さくなったら、次の走査点へ走査を進める。 もし、同一の走査点で、帰還信号の絶対値がΔIより大
きいことがn回(例えば2回以上100回以下程度)以
上続いた場合は、試料表面のその部分は絶縁物質に覆わ
れているなど、観察に適さない状態にあると判断し、そ
の走査点での観察をあきらめ、Z=Z+ΔZをZ印加電
圧信号として出力して探針を引き上げ、走査を次の走査
点へ進める。
As feedback control, the DSP section 21 first inputs the tunnel current signal I, substitutes I into a feedback control function F given in advance, calculates Z.
=F(I-Ist) is output as a Z applied voltage signal. From then on, all scanning is controlled, and if the absolute value of the feedback signal (I-Ist) is smaller than ΔI, that is, if the tunnel current is sufficiently close to the set current, scanning is advanced to the next scanning point. If the absolute value of the feedback signal is larger than ΔI, there is a possibility that the aspect ratio of unevenness on the sample surface is large, so feedback control is repeated at the same scanning point. When the feedback control is repeated several times and the absolute value of the feedback signal becomes smaller than ΔI, scanning proceeds to the next scanning point. If the absolute value of the feedback signal is larger than ΔI at the same scanning point for n times or more (for example, 2 times or more and 100 times or less), that part of the sample surface is covered with an insulating material. etc., it is determined that the scanning point is not suitable for observation, gives up on observation at that scanning point, outputs Z=Z+ΔZ as a Z applied voltage signal, pulls up the probe, and advances scanning to the next scanning point.

【0039】このようにして、試料表面の一部に絶縁物
質など観察に適さない部分がある場合に、電流が流れる
まで探針を試料に押しつけることなしに、走査を次の走
査点へ進めることができる。また、測定を試料を局所的
な凹凸に応じて、アスペクト比の大きい部分では遅く、
アスペクト比の小さい部分では速くというように、走査
速度の自動変化を実現できる。試料表面の一部に絶縁物
質があっても探針先端をつぶすことなく、走査を次の走
査点へ進めることの効果としては、大気中などで試料表
面の一部が酸化されていたり、汚れが付着している条件
でSTM観察する場合に、探針先端をつぶすことなく高
い空間分解能を保ったままで、試料表面のほとんどの導
電性の部分を観察することができるということにある。 試料の凹凸に応じて、走査速度を変化させられることの
効果としては、試料の一部に大きなアスペクト比の部分
がある場合、小さなアスペクト比の部分の走査速度は速
くて良いので像全体の観察時間は少なくてすむことにあ
る。また、アスペクト比の大きな部分では探針が試料表
面に接触することが避けられるし、フィードバック制御
の条件は比較的アスペクト比の小さい部分に適切なよう
に設定すれば、アスペクト比の大きい部分でも走査速度
が小さくなるので、試料全体に渡って適切なフィードバ
ック制御条件での観察が実現でき、顕微鏡像の正確度や
信憑性が上がるということにある。
In this way, if there is a part of the sample surface that is not suitable for observation, such as an insulating material, it is possible to advance scanning to the next scanning point without pressing the probe against the sample until a current flows. I can do it. In addition, the measurement is slow in areas with a large aspect ratio, depending on the local unevenness of the sample.
It is possible to realize automatic changes in scanning speed, such as increasing speed in areas with small aspect ratios. Even if there is an insulating material on a part of the sample surface, the scanning can proceed to the next scanning point without crushing the tip of the probe. When performing STM observation under conditions in which particles are attached, it is possible to observe most of the conductive parts of the sample surface while maintaining high spatial resolution without crushing the tip of the probe. The effect of being able to change the scanning speed according to the unevenness of the sample is that if there is a part of the sample with a large aspect ratio, the scanning speed of the part with a small aspect ratio can be fast, making it easier to observe the entire image. The key is to have less time. In addition, it is possible to avoid contact of the probe with the sample surface in areas with a large aspect ratio, and if the feedback control conditions are set appropriately for areas with a relatively small aspect ratio, it is possible to scan even areas with a large aspect ratio. Since the speed is reduced, it is possible to observe the entire sample under appropriate feedback control conditions, which increases the accuracy and credibility of the microscopic image.

【0040】なお、以上に挙げた本発明の実施例は、S
TMについての説明であったが、原子間力顕微鏡(AF
M)やフォトンSTMなど、他の走査型プローブ顕微鏡
のフィードバック制御部と走査制御部について同様の構
成および制御により同様の効果が得られるものである。 また、以上に挙げた本発明の実施例は、走査制御部が探
針を駆動することにより、試料・探針間の試料表面の面
内方向の相対的位置を制御する例であったが、走査制御
部が試料を駆動することにより、試料・探針間の試料表
面の面内方向の相対的位置を制御する場合にもフィード
バック制御部と走査制御について同様の構成および制御
により同様の効果が得られるものである。このように本
発明は、その主旨に沿って種々に応用され、種々の実施
態様を取り得るものである。
[0040] The above-mentioned embodiments of the present invention are based on S
The explanation was about TM, but the atomic force microscope (AF
Similar effects can be obtained by using similar configurations and controls for the feedback control section and scanning control section of other scanning probe microscopes such as M) and photon STM. Furthermore, in the embodiments of the present invention described above, the relative position of the sample surface in the in-plane direction between the sample and the probe is controlled by the scanning control unit driving the probe. Even when the scan control unit drives the sample to control the relative position in the in-plane direction of the sample surface between the sample and the probe, the same effect can be achieved by using the same configuration and control for the feedback control unit and scan control. That's what you get. As described above, the present invention can be applied in various ways and can take various embodiments in accordance with the gist thereof.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
走査型プローブ顕微鏡およびその制御方法によれば、試
料の凹凸に応じて、走査速度を変化させることにより、
試料の一部に大きなアスペクト比の部分があっても、小
さなアスペクト比の部分の走査速度は速くできるので、
像全体の観察時間を短く抑えられる。また、アスペクト
比の大きな部分で探針が試料表面に接触することが避け
られ、フィードバック制御の条件は比較的アスペクト比
の小さい部分に適切なように設定すれば、アスペクト比
の大きい部分でも走査速度が小さくなるので、試料全体
に渡って適切なフィードバック制御条件での観察が実現
でき、顕微鏡像の正確度や信憑性が上がる。
Effects of the Invention As is clear from the above explanation, according to the scanning probe microscope and its control method of the present invention, by changing the scanning speed according to the unevenness of the sample,
Even if there is a part of the sample with a large aspect ratio, the scanning speed of the part with a small aspect ratio can be increased.
The observation time for the entire image can be kept short. In addition, it is possible to avoid contact of the probe with the sample surface in areas with a large aspect ratio, and if the feedback control conditions are set appropriately for areas with a relatively small aspect ratio, the scanning speed can be increased even in areas with a large aspect ratio. Since the image size becomes smaller, it is possible to observe the entire sample under appropriate feedback control conditions, increasing the accuracy and credibility of the microscopic image.

【0042】また、フィードバック制御の帰還信号の絶
対値が一定の値以上であることが一定の時間または一定
の回数以上であった場合、試料・探針間距離を大きくし
、走査を次の走査点へ進めることにより、試料表面の一
部に物理的に観察に都合の悪い性質の部分がある場合で
も、探針先端をつぶすことなく、高い空間分解能を保っ
たまま、その他のほとんどの部分から適正に顕微鏡像が
得られる。
[0042] Furthermore, if the absolute value of the feedback signal in feedback control is greater than or equal to a certain value for a certain period of time or a certain number of times, the distance between the sample and the probe is increased, and the scanning is repeated to the next scanning. By advancing to the point, even if there is a part of the sample surface that is physically inconvenient for observation, it can be seen from most other parts without crushing the tip of the sample and maintaining high spatial resolution. A proper microscopic image can be obtained.

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

【図1】本発明の第1の実施例を示す構成図FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図2】上
記第1の実施例に用いる走査波形発生回路の一部の回路
FIG. 2 is a circuit diagram of a portion of the scanning waveform generation circuit used in the first embodiment.

【図3】(a),(b),(c)は上記第1の実施例の
動作を示す試料表面の形状とフィードバック制御の帰還
信号,X掃引信号,Z印加電圧信号の関係例を示す図
[Fig. 3] (a), (b), and (c) show examples of the relationship between the shape of the sample surface and the feedback signal of the feedback control, the X sweep signal, and the Z applied voltage signal, showing the operation of the first embodiment. figure


図4】本発明の第2の実施例を示す構成図
[
FIG. 4 is a configuration diagram showing a second embodiment of the present invention

【図5】(a
),(b),(c),(d),(e)は上記第2の実施
例の動作を示すフィードバック制御の帰還信号と、しき
い値回路の出力信号,パルス信号,タイミング信号,X
掃引信号の関係例を示す図
[Figure 5] (a
), (b), (c), (d), and (e) are the feedback signals of the feedback control indicating the operation of the second embodiment, the output signal of the threshold circuit, the pulse signal, the timing signal, and
Diagram showing an example of the relationship between sweep signals

【図6】本発明の第3の実施
例を示すフローチャート
FIG. 6 is a flowchart showing a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第4の実施例
を示すフローチャート
FIG. 7 is a flowchart showing a fourth embodiment of the present invention.

【図8】ディジタル制御による従
来の走査型トネンル顕微鏡の構成図
[Figure 8] Configuration diagram of a conventional scanning tunnel microscope using digital control

【図9】(a),(b)は試料表面の形状と従来の走査
型トネンル顕微鏡のX掃引信号の例を示す波形図
[Figure 9] (a) and (b) are waveform diagrams showing the shape of the sample surface and an example of the X-sweep signal of a conventional scanning tunnel microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…試料、2a…探針、2b…XYZ軸圧電素子、3…
フィードバック制御回路、4…走査波形発生回路、5…
バイアス電圧発生回路、6…ストレージオシロスコープ
、8a…入力端子、8b…出力端子、9…絶対値回路、
10…矩形波発生回路、11…符号変換回路、12…加
算・積分回路、13a…フィードバック制御回路、13
b…A/D変換器、14a…絶対値回路、14b…しき
い値回路、14c…アンド回路、14d,14e…三角
形発生回路、14f,14g…D/A変換器、15…バ
イアス電圧発生回路、16…インターフェイス、17…
制御用コンピュータ、18…試料、19a…探針、19
b…XYZ軸圧電素子、20a…A/D変換器、20b
〜20e…D/A変換器、21…DSP部、22…制御
用コンピュータ。
1... Sample, 2a... Probe, 2b... XYZ-axis piezoelectric element, 3...
Feedback control circuit, 4...Scanning waveform generation circuit, 5...
Bias voltage generation circuit, 6... Storage oscilloscope, 8a... Input terminal, 8b... Output terminal, 9... Absolute value circuit,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Rectangular wave generation circuit, 11... Code conversion circuit, 12... Addition/integration circuit, 13a... Feedback control circuit, 13
b...A/D converter, 14a...Absolute value circuit, 14b...Threshold value circuit, 14c...AND circuit, 14d, 14e...Triangle generation circuit, 14f, 14g...D/A converter, 15...Bias voltage generation circuit , 16...interface, 17...
Control computer, 18... Sample, 19a... Probe, 19
b...XYZ-axis piezoelectric element, 20a...A/D converter, 20b
~20e...D/A converter, 21...DSP section, 22...control computer.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  試料と、探針部と、該試料・探針部間
の該試料表面の面内方向の相対的位置を走査制御する走
査制御部と、該試料・探針部間の該試料表面に垂直な方
向の相対的位置をフィードバック制御するフィードバッ
ク制御部とから構成されている走査型プローブ顕微鏡に
おいて、前記走査制御部が前記フィードバック制御部の
信号を取り込み該信号に関連付けて前記走査制御を行う
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
1. A scan control unit that scans and controls the relative position of the sample and the probe in the in-plane direction of the sample surface between the sample and the probe; In a scanning probe microscope, the scanning probe microscope is configured to include a feedback control section that performs feedback control of a relative position in a direction perpendicular to the sample surface, wherein the scanning control section takes in a signal from the feedback control section and controls the scanning in association with the signal. A scanning probe microscope that is characterized by the ability to:
【請求項2】  走査制御における試料・探針部間の該
試料表面の面内方向の相対的位置についての走査速度を
、該試料・探針部間の該試料表面に垂直な方向の相対的
位置をフィードバック制御するための帰還信号をパラメ
ータとする関数で制御することを特徴とする走査型プロ
ーブ顕微鏡の制御方法。
2. In scan control, the scanning speed with respect to the relative position in the in-plane direction of the sample surface between the sample and the probe is determined by the relative position between the sample and the probe in the direction perpendicular to the sample surface. A method for controlling a scanning probe microscope, characterized in that the control method uses a function that uses a feedback signal as a parameter for feedback control of a position.
【請求項3】  請求項2記載の走査型プローブ顕微鏡
の制御方法において、走査制御がディジタル制御であり
、フィードバック制御を行うための帰還信号の絶対値が
一定値以上の場合、その時点の走査点で一旦走査を止め
て引き続き前記フィードバック制御を行い、前記帰還信
号の絶対値が前記一定値より小さくなった時点で前記走
査点を次の走査点へ進めることを特徴とする走査型プロ
ーブ顕微鏡の制御方法。
3. In the method for controlling a scanning probe microscope according to claim 2, when the scanning control is digital control and the absolute value of the feedback signal for performing feedback control is greater than or equal to a certain value, the scanning point at that time Control of a scanning probe microscope characterized in that scanning is temporarily stopped at and then the feedback control is performed, and when the absolute value of the feedback signal becomes smaller than the constant value, the scanning point is advanced to the next scanning point. Method.
【請求項4】  請求項2記載の走査型プローブ顕微鏡
の制御方法において、走査制御およびフィードバック制
御がディジタル制御であり、前記フィードバック制御の
帰還信号の絶対値が一定値以上の場合、その時点の走査
点で一旦走査を止めて引き続き前記フィードバック制御
を行い、前記帰還信号の絶対値が一定の時間または一定
の回数以内に前記一定値より小さくなった時点で前記走
査点を次の走査点へ進め、前記帰還信号の絶対値が一定
値以上であることが前記一定の時間または一定の回数以
上であった場合、一旦前記試料・探針部間距離を大きく
し、走査点を次の走査点へ進めることを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡の制御方法。
4. A method for controlling a scanning probe microscope according to claim 2, wherein the scanning control and the feedback control are digital controls, and when the absolute value of the feedback signal of the feedback control is a certain value or more, the scanning at that point once stopping scanning at a point and continuing to perform the feedback control, and advancing the scanning point to the next scanning point when the absolute value of the feedback signal becomes smaller than the certain value within a certain time or a certain number of times; If the absolute value of the feedback signal is equal to or greater than a predetermined value for the predetermined time or a predetermined number of times, the distance between the sample and the probe is temporarily increased, and the scanning point is advanced to the next scanning point. A method for controlling a scanning probe microscope, characterized in that:
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170010902A (en) * 2009-12-01 2017-02-01 브루커 나노, 인코퍼레이션. Method and apparatus of operating a scanning probe microscope

Cited By (2)

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KR20170010902A (en) * 2009-12-01 2017-02-01 브루커 나노, 인코퍼레이션. Method and apparatus of operating a scanning probe microscope
KR101852475B1 (en) * 2009-12-01 2018-06-11 브루커 나노, 인코퍼레이션. Method and apparatus of operating a scanning probe microscope

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