JPH05164511A - Scanning type tunnel microscope - Google Patents

Scanning type tunnel microscope

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JPH05164511A
JPH05164511A JP32907391A JP32907391A JPH05164511A JP H05164511 A JPH05164511 A JP H05164511A JP 32907391 A JP32907391 A JP 32907391A JP 32907391 A JP32907391 A JP 32907391A JP H05164511 A JPH05164511 A JP H05164511A
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JP
Japan
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probe
sample
scanning
tunnel current
measurement
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Application number
JP32907391A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuhiko Fukuchi
康彦 福地
Akira Hashimoto
昭 橋本
Eiichi Hazaki
栄市 羽崎
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Hitachi Ltd
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Publication date
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

PURPOSE:To shorten a measuring time and to improve measuring precision by a method wherein time speed of scanning of a probe on the surface of a sample is determined automatically in accordance with the state of indentation of the sample surface. CONSTITUTION:When a probe 1 approaches the surface of a sample 2 at a distance of an atomic level, a tunnel current flows and a tunnel current detector 5 detects this current and gives it to a servo control device 6. The device 6 makes the probe l follow the indentation of the surface of the sample, while a control for scanning an area to be measured is conducted by a scanning device 7. The device 6 gives a data processing device 9 the control data used for a control on the position of the probe 1 in the direction of the axis Z, as positional data. Meanwhile, the scanning device 7 gives the device 9 the control data for a control on scanning of the probe 1 in each direction of the axes X and Y, as the positional data. Using these data, the device 9 makes a data display device 10 display an image of the sample 2. A servo state detecting- deciding device 8 receives the data of the detector 5 as an input and controls operations of the devices 6 and 7.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡に
係り、特に、トンネル電流の検出値に基づき実行される
サーボ制御の状態を検知することにより、試料表面の凹
凸状態に応じて最適な走査速度を自動的に設定し、全体
として測定時間を短縮した走査型トンネル顕微鏡に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning tunneling microscope, and more particularly, it detects an optimum servo control state based on a detected value of a tunnel current so that an optimum scanning can be performed according to the unevenness of a sample surface. The present invention relates to a scanning tunneling microscope in which the speed is automatically set and the measurement time is shortened as a whole.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡の基本的な構成及
び動作は次の通りである。観察対象である試料の表面に
対し、導電性の探針を、粗動機構及び微動機構からなる
移動機構を用いて、原子レベルの距離(ナノメートルの
オーダ)で接近させる。探針と試料表面との間に所定量
のトンネル電流が流れた状態にて、探針は静止状態にな
る。次に前記の所定量のトンネル電流が流れた状態で、
走査装置を動作させ、測定表面に沿って前記微動機構を
用いて二次元平面的な走査動作を行わせる。このとき、
探針を流れるトンネル電流は、予め定められた一定量に
設定されるように制御される。トンネル電流の値は、探
針と試料表面との距離に対応しているから、トンネル電
流を一定にするためには、試料表面と探針との距離を一
定に保持する必要がある。そのために探針から検出され
るトンネル電流を取り込み、このトンネル電流が増減す
るときには、その電流値が設定された一定値に保持する
ように試料表面に対する探針の離間距離を調整する必要
がある。このために、サーボ制御機構が設けられる。試
料の測定表面に沿って探針を走査させるとき、探針は、
試料表面から一定の距離を保持するように、探針軸方向
について位置制御される。このため、探針は試料表面の
凹凸に追従するような形で走査移動を行う。従って、試
料表面を追従するために、探針をその軸方向に微動させ
た位置データを、信号処理系で収集・記憶しデータ処理
すれば、試料表面の原子レベルの凹凸情報を得ることに
なる。この凹凸情報を用いて画像を作成すれば、試料表
面の原子レベルの凹凸の画像を作ることができる。
2. Description of the Related Art The basic structure and operation of a scanning tunneling microscope are as follows. The conductive probe is brought close to the surface of the sample to be observed at an atomic level distance (on the order of nanometers) by using a moving mechanism including a coarse moving mechanism and a fine moving mechanism. The probe is stationary when a predetermined amount of tunnel current flows between the probe and the sample surface. Next, with the above-mentioned predetermined amount of tunnel current flowing,
The scanning device is operated to perform a two-dimensional planar scanning operation using the fine movement mechanism along the measurement surface. At this time,
The tunnel current flowing through the probe is controlled so as to be set to a predetermined constant amount. Since the value of the tunnel current corresponds to the distance between the probe and the sample surface, in order to keep the tunnel current constant, it is necessary to keep the distance between the sample surface and the probe constant. Therefore, the tunnel current detected from the probe is taken in, and when the tunnel current increases or decreases, it is necessary to adjust the distance between the probe and the sample surface so that the current value is maintained at the set constant value. For this purpose, a servo control mechanism is provided. When scanning the probe along the measurement surface of the sample, the probe
The position is controlled in the axial direction of the probe so as to maintain a constant distance from the sample surface. Therefore, the probe moves in a scanning manner so as to follow the irregularities on the sample surface. Therefore, in order to follow the sample surface, if the position data obtained by finely moving the probe in its axial direction is collected and stored in the signal processing system and data processing is performed, atomic level unevenness information on the sample surface can be obtained. .. If an image is created using this unevenness information, it is possible to create an image of the unevenness at the atomic level on the sample surface.

【0003】上記の探針の試料表面上の走査移動で、試
料表面を測定する箇所は一定の間隔で離散的に複数の箇
所が設定される。従って、探針は各測定箇所間で一定距
離を直線的に移動し、測定箇所で停止し、試料表面に接
近する。かかる動作を繰り返しながら走査移動を行う。
各測定箇所では、探針と試料表面を一定の離間距離に保
持するため、探針を軸方向に制御する。このとき探針に
は、トンネル電流が流れ、この検出されたトンネル電流
に基づいてサーボ制御が適用される。このサーボ制御に
よる探針の接近又は退避の動作は、各測定箇所におい
て、測定表面の凹凸状態に関係なく予め定められた回数
試みられる。従って、かかる探針の走査移動では、各測
定箇所における停止時間及び各測定箇所間の移動時間
は、試料表面の凹凸状態に関係なく一定であった。すな
わち、走査時間(測定時間)は試料表面の凹凸状態に無
関係に一定であった。特定の試料に対する最適な上記の
一定走査時間は、従来、予備的な粗い測定を繰り返し行
うことにより、試行錯誤的に決定していた。
By the scanning movement of the probe on the sample surface, a plurality of points are discretely set on the sample surface at fixed intervals. Therefore, the probe linearly moves a fixed distance between the measurement points, stops at the measurement points, and approaches the sample surface. The scanning movement is performed while repeating such operations.
At each measurement point, the probe is controlled in the axial direction in order to keep the probe and the sample surface at a constant distance. At this time, a tunnel current flows through the probe, and servo control is applied based on the detected tunnel current. The operation of approaching or retracting the probe by this servo control is attempted at a predetermined number of times at each measurement location regardless of the unevenness of the measurement surface. Therefore, in such scanning movement of the probe, the stop time at each measurement point and the movement time between each measurement point were constant regardless of the unevenness of the sample surface. That is, the scanning time (measurement time) was constant regardless of the unevenness of the sample surface. The optimum constant scanning time for a specific sample has heretofore been determined by trial and error by repeating preliminary rough measurements.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従来の走査型トンネル
顕微鏡における走査速度の設定は、オペレータが決定す
る方式である。オペレータは、最適な速度を見出だすま
で、何回も試行錯誤の予備測定を行う必要があった。特
に、最適な走査速度は、試料表面の凹凸状態によって異
なるため、試料の種類が変わる度に行う必要があった。
一方、1つの試料の表面においても、測定領域の場所に
応じて凹凸状態が一様ではなく、その際には凹凸の著し
い箇所に対応して比較的に低い走査速度を選択しなけれ
ばならなかった。なぜなら、走査速度を高く設定する
と、サーボ制御が追従不可能で有効に行えなくなり、探
針と試料との接触又は衝突が生じ、双方が損傷したり、
又は、探針と試料との離間距離が大きくなり過ぎ、測定
データを得ることができなくなるという不具合を生じる
からである。従って走査速度を低く設定した場合には、
試料表面の凹凸状態に関係なく走査速度が全体として低
いので、1回の測定に多大な時間を必要とした。
The scanning speed in the conventional scanning tunneling microscope is set by the operator. The operator had to make many trial and error preliminary measurements until he found the optimal speed. In particular, the optimum scanning speed depends on the unevenness of the surface of the sample, so it has to be performed every time the type of sample changes.
On the other hand, even on the surface of one sample, the uneven state is not uniform depending on the location of the measurement region, and at that time, a relatively low scanning speed must be selected corresponding to the location where the unevenness is remarkable. It was Because, if the scanning speed is set high, the servo control cannot follow effectively and cannot be performed effectively, contact or collision between the probe and the sample occurs, and both are damaged,
Alternatively, the distance between the probe and the sample becomes too large, which causes a problem that measurement data cannot be obtained. Therefore, if the scanning speed is set low,
Since the scanning speed as a whole was low regardless of the unevenness of the sample surface, a large amount of time was required for one measurement.

【0005】本発明の目的は、探針の試料表面における
走査速度が試料表面の凹凸状態に応じて自動的に決まる
ように構成し、もってオペレータの操作の簡便化、走査
移動を高速化することにより1回の測定時間の短縮化、
探針等の損傷の防止、測定精度の向上を企図した走査型
トンネル顕微鏡を提供することにある。
An object of the present invention is to configure the scanning speed of the probe on the sample surface to be automatically determined according to the unevenness of the sample surface, thereby facilitating the operation of the operator and speeding up the scanning movement. Shortens one measurement time by
It is an object of the present invention to provide a scanning tunneling microscope which is intended to prevent damage to a probe or the like and improve measurement accuracy.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型トン
ネル顕微鏡は、探針と、探針と試料の距離を微小に変化
させる第1移動機構と、探針を試料表面に沿って移動さ
せる第2移動機構と、探針と試料との間にトンネル電流
を生じさせるため電圧を印加する電圧印加手段と、トン
ネル電流を検出するトンネル電流検出手段と、測定され
るトンネル電流を一定値に保持するため第1移動機構を
制御し探針と試料の間の距離を調整するサーボ制御手段
と、第2移動機構を制御して試料表面で前記探針を走査
させる走査手段と、探針で得られた試料表面のデータを
記録・処理するデータ処理手段を備え、試料の測定表面
上一定間隔で設定された測定箇所で走査移動を停止した
状態で、サーボ制御手段によるサーボ制御を伴いながら
トンネル電流値の検出動作を繰返し行う構成を有するも
のであり、更に、サーボ制御手段で行われる各測定箇所
でのトンネル電流の検出値の入力及びサーボ制御の動作
の繰返し数を、各測定箇所の凹凸状態の激しさに応じて
自動的に決定し、当該応答形状の激しさに応じて変化さ
せるように構成される。前記構成において、より具体的
構成として、好ましくは、トンネル電流検出手段の検出
したトンネル電流値を入力し、このトンネル電流値から
サーボ制御状態を検出・判定し、トンネル電流値が所定
の一定値になったとき、サーボ制御手段によるサーボ制
御の停止し、走査手段に走査移動を開始させるサーボ状
態検出・判定手段を設けるように構成される。前記の構
成において、更に好ましくは、トンネル電流値の検出動
作に要する時間は、凹凸の小さい測定箇所では短く、大
きい測定箇所で長くなり、全体の測定時間は短縮するよ
うに構成されるものである。
A scanning tunneling microscope according to the present invention comprises a probe, a first moving mechanism for minutely changing the distance between the probe and the sample, and the probe moving along the surface of the sample. A second moving mechanism, a voltage applying means for applying a voltage to generate a tunnel current between the probe and the sample, a tunnel current detecting means for detecting the tunnel current, and a measured tunnel current held at a constant value. In order to achieve this, servo control means for controlling the first moving mechanism to adjust the distance between the probe and the sample, scanning means for controlling the second moving mechanism to scan the probe surface on the sample surface, and Data processing means for recording and processing the sampled surface of the sample, with the scanning movement stopped at the measurement points set at regular intervals on the measurement surface of the sample, the tunneling current with servo control by the servo control means. Of value In addition, the number of repetitions of the operation of inputting the detected value of the tunnel current and the servo control at each measurement point performed by the servo control means is set to the The response shape is automatically determined according to the intensity, and is changed according to the intensity of the response shape. In the above configuration, as a more specific configuration, preferably, the tunnel current value detected by the tunnel current detection means is input, the servo control state is detected / determined from this tunnel current value, and the tunnel current value becomes a predetermined constant value. When this happens, the servo control by the servo control means is stopped and the scanning means is provided with a servo state detecting / determining means for starting the scanning movement. In the above-mentioned configuration, more preferably, the time required for the detection operation of the tunnel current value is short at a measurement site with small unevenness and long at a measurement site with a large unevenness, and the overall measurement time is shortened. ..

【0007】[0007]

【作用】本発明では、試料の測定表面に沿って探針が走
査移動しながら、予め設定された各測定箇所で停止し、
停止状態で測定表面にサーボ制御の下で所定のトンネル
電流値を検出するまで接近等の動作を行う。サーボ制御
に基づき所定トンネル電流値検出のための接近等の測定
動作において、Z軸方向の微動機構(第1移動機構)で
接近又は退避の動作を所定の時間間隔で繰返し、設定さ
れた電流値範囲内に属するときに所定のトンネル電流値
になったものとして測定動作を終了し、次の測定箇所に
移動する。従って、測定箇所の凹凸状態が小さい場合に
は早く所定のトンネル電流値に到達し、測定時間は短く
なる。測定箇所の凹凸状態が大きい場合には測定時間
は、相対的に長くなる。しかし、従来の如く、各測定箇
所においてその凹凸状態に無関係に常に一定の測定時間
を設定した測定方式に比較し、測定時間全体としては、
短縮化される。
In the present invention, while the probe scans and moves along the measurement surface of the sample, it stops at each preset measurement point,
In the stopped state, the operation such as approaching is performed on the measurement surface under servo control until a predetermined tunnel current value is detected. In a measurement operation such as an approach for detecting a predetermined tunnel current value based on servo control, a fine movement mechanism (first moving mechanism) in the Z-axis direction repeats an approach or retract operation at predetermined time intervals to set a current value. When it falls within the range, the measurement operation is ended assuming that the predetermined tunnel current value is reached, and the process moves to the next measurement point. Therefore, when the unevenness of the measurement location is small, the predetermined tunnel current value is reached quickly and the measurement time is shortened. When the unevenness of the measurement location is large, the measurement time becomes relatively long. However, compared to the conventional measurement method in which a constant measurement time is always set at each measurement point regardless of the unevenness of the surface, the overall measurement time is
It is shortened.

【0008】[0008]

【実施例】添付図面に基づいて本発明の最適な実施例を
説明する。図1は本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の
システム構成を示すブロック図、図2は試料に対する探
針の移動状態を説明するための斜視図、図3はサーボ状
態検出・判定手段において実行される処理を示すフロー
チャートである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An optimum embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a system configuration of a scanning tunneling microscope according to the present invention, FIG. 2 is a perspective view for explaining a moving state of a probe with respect to a sample, and FIG. 3 is executed by a servo state detecting / determining means. It is a flowchart which shows a process.

【0009】図1において1は探針であり、2は試料で
ある。探針1は、試料2に対して、先端部が試料2の測
定表面に対してほぼ直角の角度で臨むように配置され
る。探針1は、導電性の部材で作られる。図示例では探
針1は縦置き、試料2は横置きで配置される。しかし、
この配置姿勢は任意に選択することができる。
In FIG. 1, 1 is a probe and 2 is a sample. The probe 1 is arranged so that the tip of the probe 1 faces the measurement surface of the sample 2 at a substantially right angle. The probe 1 is made of a conductive member. In the illustrated example, the probe 1 is placed vertically and the sample 2 is placed horizontally. But,
This arrangement posture can be arbitrarily selected.

【0010】探針1は微動機構3に取り付けられる。こ
の微動機構3は、図中垂直方向にのみ探針を1を移動さ
せる。この理由で、微動機構3を垂直方向微動機構を呼
ぶ。垂直方向微動機構3は探針1と試料2との離間距離
を変化させる。4は水平方向微動機構である。この水平
方向微動機構4は探針1を二次元的に移動させるための
微動機構で、探針1の走査動作を行う時に使用される。
垂直方向微動機構3と水平方向微動機構4は一体化され
ている。この2つの微動機構が一体化された構造は、例
えばトライポッド微動素子として既知である。説明の便
宜上、微動機構の具体的構造の図示は省略する。
The probe 1 is attached to the fine movement mechanism 3. The fine movement mechanism 3 moves the probe 1 only in the vertical direction in the figure. For this reason, the fine movement mechanism 3 is called a vertical fine movement mechanism. The vertical fine movement mechanism 3 changes the distance between the probe 1 and the sample 2. Reference numeral 4 is a horizontal fine movement mechanism. The horizontal fine movement mechanism 4 is a fine movement mechanism for moving the probe 1 two-dimensionally, and is used when performing a scanning operation of the probe 1.
The vertical fine movement mechanism 3 and the horizontal fine movement mechanism 4 are integrated. The structure in which the two fine movement mechanisms are integrated is known as, for example, a tripod fine movement element. For convenience of explanation, illustration of a specific structure of the fine movement mechanism is omitted.

【0011】トライポッド微動素子について概説する。
この微動素子は、試料2の表面に垂直な方向(Z軸方向
とする)とこれに直角で試料表面に水平なX軸及びY軸
の各方向について、それぞれ圧電素子を備える。従っ
て、合計で3つの圧電素子を備える。Z軸方向圧電素子
の伸縮動作で、試料2の表面と探針1との離間距離を変
化させる。すなわち試料に対する探針の接近・離反(又
は前進・後退)を行う。また、X軸及びY軸の各方向の
圧電素子の伸縮動作で試料の測定表面の走査を行う。
X,Y,Zの各軸方向は図2に示される。微動機構3,
4の各軸方向の変位に関係する圧電素子は、探針1に0.
01nmから数μmの変位を行わせるための微動用圧電素
子である。上記の垂直方向微動機構3及び水平方向微動
機構4は、更に大きな移動量の移動を可能にする粗動機
構4に取り付けられる。粗動機構4によって探針1と試
料2との位置関係を設定することができる。粗動機構に
ついては詳述しない。
The tripod fine movement element will be briefly described.
This fine movement element includes piezoelectric elements in a direction perpendicular to the surface of the sample 2 (referred to as Z-axis direction) and in each direction of the X axis and the Y axis perpendicular to the direction and horizontal to the sample surface. Therefore, a total of three piezoelectric elements are provided. The distance between the surface of the sample 2 and the probe 1 is changed by the expansion / contraction operation of the Z-axis direction piezoelectric element. That is, the probe is moved toward and away from the sample (or moved forward and backward). Further, the measurement surface of the sample is scanned by the expansion and contraction operation of the piezoelectric element in each direction of the X axis and the Y axis.
The X-, Y-, and Z-axis directions are shown in FIG. Fine movement mechanism 3,
The piezoelectric element related to the displacement in each axial direction of No. 4 is 0.
It is a fine-motion piezoelectric element for displacing from 01 nm to several μm. The vertical fine movement mechanism 3 and the horizontal fine movement mechanism 4 described above are attached to the coarse movement mechanism 4 that enables movement of a larger movement amount. The coarse movement mechanism 4 can set the positional relationship between the probe 1 and the sample 2. The coarse movement mechanism will not be described in detail.

【0012】探針1と試料2との間には、トンネル電流
検出器5が配設される。トンネル電流検出器5は、内部
にトンネル電流を流すための電源を備える。この電源は
探針1と試料2との間に0.01〜数ボルト程度の電圧を印
加する。探針1が試料2の表面に対し原子レベルの距離
で接近すると、トンネル電流が流れる。トンネル電流検
出器5は、トンネル電流を検出し、所要の電気信号に変
換し、次段のサーボ制御装置6に与える。サーボ制御装
置6は、探針1の垂直方向の微動を制御するための指令
信号を垂直方向微動機構3に与える。Z軸方向の圧電素
子を含む垂直方向微動機構3では、サーボ制御装置6に
含まれるサーボ回路によって、トンネル電流が常に予め
設定された一定値(基準値)になるように制御される。
従って、探針1と試料2の測定表面との距離を一定にす
るサーボ制御が行われる。こうして、サーボ制御装置6
は、試料表面の凹凸に探針1を追従させる。またX軸及
びY軸の各方向の圧電素子を含む水平方向微動機構4に
対しては、走査装置7によって測定が必要とされる領域
を走査する制御が行われる。
A tunnel current detector 5 is arranged between the probe 1 and the sample 2. The tunnel current detector 5 includes a power supply for passing a tunnel current inside. This power source applies a voltage of about 0.01 to several volts between the probe 1 and the sample 2. When the probe 1 approaches the surface of the sample 2 at an atomic level distance, a tunnel current flows. The tunnel current detector 5 detects the tunnel current, converts it into a required electric signal, and supplies it to the servo control device 6 in the next stage. The servo control device 6 gives a command signal for controlling the vertical fine movement of the probe 1 to the vertical fine movement mechanism 3. In the vertical direction fine movement mechanism 3 including the piezoelectric element in the Z-axis direction, the servo circuit included in the servo control device 6 controls the tunnel current so that the tunnel current always becomes a preset constant value (reference value).
Therefore, servo control is performed to keep the distance between the probe 1 and the measurement surface of the sample 2 constant. Thus, the servo control device 6
Causes the probe 1 to follow the unevenness of the sample surface. Further, the horizontal fine movement mechanism 4 including the piezoelectric elements in the respective directions of the X axis and the Y axis is controlled by the scanning device 7 so as to scan the region where the measurement is required.

【0013】上記において、走査装置7によって実行さ
れる走査動作は予めプログラムにより決められている。
走査動作では、図4の×印に示されるように、例えば1
nmの間隔にて離散的に測定箇所が設定されている。探
針1は、各測定箇所にて停止状態で試料の測定表面との
離間距離が一定(L)となるように位置制御が行われ
る。各測定箇所におけるサーボ制御装置6によるZ軸方
向の位置制御では、複数回の接近又は後退の移動を繰り
返して、探針と測定表面との離間距離が設定された一定
値になるように制御される。測定箇所の間の移動では、
離間距離に関する制御を行わず、所定の速度で移動す
る。
In the above, the scanning operation executed by the scanning device 7 is predetermined by a program.
In the scanning operation, as indicated by the mark X in FIG.
The measurement points are discretely set at intervals of nm. The probe 1 is position-controlled so that the distance between the probe 1 and the measurement surface of the sample is constant (L) in a stopped state at each measurement location. In the position control in the Z-axis direction by the servo control device 6 at each measurement location, the approaching and retracting movements are repeated a plurality of times so that the distance between the probe and the measurement surface is controlled to a set constant value. It When moving between measurement points,
It moves at a predetermined speed without controlling the distance.

【0014】サーボ制御装置6は、探針1のZ軸方向の
位置制御に使用された制御データを位置データとしてデ
ータ処理装置9に与える。一方、走査装置7は探針1の
X軸及びY軸の各方向の走査制御のための制御データを
位置データとしてデータ処理装置9に与える。データ処
理装置9は、与えられた探針1のX,Y,Zの各軸方向
の位置データを用いてデータ表示装置10に試料2の測
定表面に関する画像を表示させる。
The servo control device 6 gives the control data used for position control of the probe 1 in the Z-axis direction to the data processing device 9 as position data. On the other hand, the scanning device 7 gives control data for scanning control of the probe 1 in each of the X-axis and Y-axis directions to the data processing device 9 as position data. The data processing device 9 causes the data display device 10 to display an image relating to the measurement surface of the sample 2 using the given position data of the probe 1 in the X-, Y-, and Z-axis directions.

【0015】図1において8はサーボ状態検出・判定装
置を示す。サーボ状態検出・判定装置8は、トンネル電
流検出器5で検出されたトンネル電流値に対応するデー
タを入力し、このデータに基づきサーボ制御装置6と走
査装置7の動作を制御する。具体的に、サーボ状態検出
・判定装置8は所定の演算と演算結果の判定を行い、判
定の結果に応じてサーボ制御装置6によるサーボ制御を
停止させ、更に走査装置7に対し走査移動の許可を指令
する。かかる制御によって、サーボ状態検出・判定装置
8は、探針1の各測定箇所に要する測定時間を、当該測
定箇所の凹凸状態に応じて短縮し、全体として走査速度
を早め、測定時間を短縮する。サーボ制御装置6、走査
装置7、サーボ状態検出・判定装置7によって実行され
る制御内容は、図3のフローチャートに示される。
In FIG. 1, reference numeral 8 shows a servo state detecting / determining device. The servo state detecting / determining device 8 inputs data corresponding to the tunnel current value detected by the tunnel current detector 5, and controls the operations of the servo control device 6 and the scanning device 7 based on this data. Specifically, the servo state detection / judgment device 8 makes a predetermined calculation and a judgment of the calculation result, stops the servo control by the servo control device 6 according to the result of the judgment, and further permits the scanning device 7 to perform scanning movement. Command. By such control, the servo state detection / judgment device 8 shortens the measurement time required for each measurement point of the probe 1 in accordance with the uneven state of the measurement point, accelerates the scanning speed as a whole, and shortens the measurement time. .. The control contents executed by the servo control device 6, the scanning device 7, and the servo state detection / judgment device 7 are shown in the flowchart of FIG.

【0016】図3のフローチャートに従って、サーボ状
態検出・判定装置8で実行される制御を説明する。この
フローチャートでは、各測定箇所で所定トンネル電流を
検出するにあたり、走査装置7による探針1の走査移動
が完了し、探針1が特定の測定箇所に停止したことを条
件に実行される。所定のトンネル電流が検出される前に
走査装置7による移動が行われると、探針1と試料2が
接触し、双方が損傷を受けたり、測定データの精度が低
下するからである。垂直方向微動機構3は試料の表面形
状に正確に追従するため、測定中激しく伸縮動作を行う
ことを強いられる。しかし、実際は、アクチュエータと
しての圧電素子は時定数を有するので、伸縮動作の応答
性が制限される。トンネル電流は1nmという微小な距
離の下で流れる電流であり、探針と試料との離間距離が
大きいとトンネル電流を検出することができない。こう
して、各測定箇所で、走査装置7による走査移動を停止
させた状態で、トンネル電流が所定の一定値になるまで
サーボ制御装置6によるサーボ制御が継続される。
The control executed by the servo state detecting / judging device 8 will be described with reference to the flowchart of FIG. In this flowchart, when the predetermined tunnel current is detected at each measurement point, the scanning movement of the probe 1 by the scanning device 7 is completed, and it is executed on condition that the probe 1 is stopped at a specific measurement point. This is because, if the scanning device 7 moves before the predetermined tunnel current is detected, the probe 1 and the sample 2 come into contact with each other, and both are damaged, or the accuracy of the measurement data decreases. Since the vertical direction fine movement mechanism 3 accurately follows the surface shape of the sample, it must be violently expanded and contracted during the measurement. However, in reality, since the piezoelectric element as the actuator has a time constant, the response of the expansion / contraction operation is limited. The tunnel current is a current that flows under a minute distance of 1 nm, and if the distance between the probe and the sample is large, the tunnel current cannot be detected. In this way, the servo control by the servo control device 6 is continued until the tunnel current reaches a predetermined constant value while the scanning movement by the scanning device 7 is stopped at each measurement point.

【0017】フローチャートにおいて、ステップ31で
走査装置7の走査動作休止の指令を出す。
In the flowchart, in step 31, a command to suspend the scanning operation of the scanning device 7 is issued.

【0018】ステップ38とステップ40は、トンネル
電流検出器5で検出したトンネル電流値(実際は、後述
されるようにトンネル電流値It のN回の平均値)が、
設定されたトンネル電流値の範囲に入ったか否かを判定
するステップである。ステップ38では範囲の上限値と
比較される。トンネル電流値が上限値よりも大きいとき
には、試料表面に近付き過ぎなので、ステップ39を実
行して探針1を試料2の表面から遠ざける。そしてステ
ップ32に戻り、トンネル電流値を測定するステップ群
32〜37を実行する。ステップ40では範囲の下限値
と比較される。トンネル電流値が下限値よりも小さいと
きには、試料表面から離れ過ぎなので、ステップ41を
実行して探針1を試料2の表面に近付ける。そしてステ
ップ32に戻り、トンネル電流値を測定するステップ群
32〜37を実行する。
In steps 38 and 40, the tunnel current value detected by the tunnel current detector 5 (actually, the average value of N times of the tunnel current value I t as described later) is
This is a step of determining whether or not the tunnel current value has fallen within the set tunnel current value range. In step 38, the upper limit of the range is compared. When the tunnel current value is larger than the upper limit value, it is too close to the sample surface, and therefore step 39 is executed to move the probe 1 away from the surface of the sample 2. Then, the process returns to step 32, and steps 32 to 37 for measuring the tunnel current value are executed. In step 40, the lower limit of the range is compared. When the tunnel current value is smaller than the lower limit value, it is too far from the sample surface, so step 41 is executed to bring the probe 1 closer to the surface of the sample 2. Then, the process returns to step 32, and steps 32 to 37 for measuring the tunnel current value are executed.

【0019】測定されたトンネル電流値が設定された電
流値範囲に入った時、ステップ42に移行し、走査装置
7に対して次の測定箇所に移動することを許可する指令
を出力する。
When the measured tunnel current value falls within the set current value range, the process proceeds to step 42 and outputs a command for permitting the scanning device 7 to move to the next measurement position.

【0020】フローチャートにおいてステップ32〜4
1で実行される処理は、測定箇所でのサーボ制御装置6
による探針1のZ軸方向の位置制御であり、探針1にて
所定値のトンネル電流が流れるまでのサーボ制御のため
の処理である。ステップ32〜37は、トンネル電流を
平均値として算出するためのフローである。ステップ3
2では変数Aを設定し、これを0におく。次に加算設定
回数Nを設定する。ステップ33〜36では、トンネル
電流It をトンネル電流検出器5からN回入力して加算
して加算値を変数Aに格納する。ステップ37で、N回
の入力値の加算値Aの平均を求め、当該平均値を変数A
の中に格納する。そして、前述の如くこの値Aと、所定
のトンネル電流値を決める電流値範囲とをステップ3
8,40で比較し、所定のトンネル電流値になったか否
かを判定する。
Steps 32-4 in the flow chart
The process executed in No. 1 is the servo control device 6 at the measurement point.
This is a process for position control of the probe 1 in the Z-axis direction by means of the servo control until the tunnel current of a predetermined value flows in the probe 1. Steps 32 to 37 are a flow for calculating the tunnel current as an average value. Step 3
In 2, the variable A is set and set to 0. Next, the number N of times of addition setting is set. At step 33-36, and stores the added value to the variable A are added to input N times the tunneling current I t from the tunnel current detector 5. In step 37, the average of the added values A of the input values N times is calculated, and the average value is set to the variable A.
Stored in. Then, as described above, this value A and the current value range that determines the predetermined tunnel current value are set in step 3
The comparison is made at 8 and 40 to determine whether or not a predetermined tunnel current value is reached.

【0021】上記の如く処理する理由は、トンネル電流
の値は、通常ノイズが含まれているため瞬時値で判定す
ると誤判定を生じるおそれがあり、そのため加算平均を
用いることとした。
The reason for processing as described above is that the tunnel current value usually contains noise, and therefore an erroneous determination may occur if it is determined by an instantaneous value. Therefore, the averaging is used.

【0022】各測定箇所で探針1による測定動作を、上
述の如くサーボ制御状態を検出・判定して制御すること
により、測定表面の凹凸状態に応じて各測定箇所での測
定時間が自動的に決まり、全体として走査装置7による
走査速度が速くなり、全体としての測定時間が短縮され
る。図5に、走査速度の短縮化に関するイメージを示
す。走査速度の程度を観念的に矢印の長さで表してい
る。試料2の測定表面において、凹凸の小さい平坦な領
域2aでは走査速度は大きく、凹凸の大きい領域2bで
は走査速度は小さくなる。しかし従来では、平坦な領域
でも、凹凸の大きい領域に合わせて走査速度が設定され
ていたので、本発明による制御では、全体として走査速
度を高めることができる。
By controlling the measurement operation by the probe 1 at each measurement point by detecting and determining the servo control state as described above, the measurement time at each measurement point is automatically determined according to the unevenness of the measurement surface. Therefore, the scanning speed of the scanning device 7 is increased as a whole, and the overall measurement time is shortened. FIG. 5 shows an image regarding reduction of the scanning speed. The degree of the scanning speed is conceptually expressed by the length of the arrow. On the measurement surface of the sample 2, the scanning speed is high in the flat area 2a with small unevenness, and the scanning speed is low in the area 2b with large unevenness. However, in the past, even in a flat area, the scanning speed was set in accordance with an area having large unevenness, so that the control according to the present invention can increase the scanning speed as a whole.

【0023】[0023]

【発明の効果】本発明によれば、測定表面の凹凸状態に
応じて自動的に最適な走査速度が決定されるため、測定
時間が短縮化でき、またオペレータが試行錯誤的に走査
速度を選択するという手間を省くことができる。更に、
探針等の損傷の防止、測定精度の向上を達成することが
できる。
According to the present invention, since the optimum scanning speed is automatically determined according to the unevenness of the measurement surface, the measurement time can be shortened and the operator can select the scanning speed by trial and error. You can save the trouble of doing. Furthermore,
It is possible to prevent damage to the probe and improve the measurement accuracy.

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

【図1】本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の要部構成
を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of a scanning tunneling microscope according to the present invention.

【図2】探針と試料の表面との移動関係を説明するため
の斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view for explaining a moving relationship between a probe and a surface of a sample.

【図3】サーボ制御及びサーボ状態検出・判定制御の手
順を説明するためのフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart for explaining a procedure of servo control and servo state detection / judgment control.

【図4】走査動作及び各測定箇所を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a scanning operation and respective measurement points.

【図5】測定表面の凹凸状態に応じた走査速度の示す説
明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the scanning speed according to the unevenness of the measurement surface.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 探針 2 試料 3 垂直方向微動機構 4 水平方向微動機構 5 トンネル電流検出器 6 サーボ制御装置 7 走査装置 8 サーボ状態検出・判定装置 9 データ処理装置 1 probe 2 sample 3 vertical fine movement mechanism 4 horizontal fine movement mechanism 5 tunnel current detector 6 servo control device 7 scanning device 8 servo state detection / judgment device 9 data processing device

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽崎 栄市 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社日立 製作所那珂工場内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Sakae Hasaki 882 Igemo, Katsuta City, Ibaraki Prefecture Inside the Naka Factory of Hitachi, Ltd.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 探針と、前記探針と試料の距離を微小に
変化させる第1移動機構と、前記探針を試料表面に沿っ
て移動させる第2移動機構と、前記探針と前記試料との
間にトンネル電流を生じさせるため電圧を印加する電圧
印加手段と、前記トンネル電流を検出するトンネル電流
検出手段と、検出される前記トンネル電流を一定値に保
持するため前記第1移動機構を制御し前記探針と前記試
料の間の距離を調整するサーボ制御手段と、前記第2移
動機構を制御して試料表面で前記探針を走査させる走査
手段と、前記探針で得られた試料表面のデータを記録・
処理するデータ処理手段を備え、試料の測定表面上一定
間隔で設定された測定箇所で走査移動を停止した状態
で、前記サーボ制御手段によるサーボ制御を伴いながら
トンネル電流値の検出動作を繰返し行う走査型トンネル
顕微鏡において、前記サーボ制御手段で行われる各測定
箇所でのトンネル電流の検出値の入力及びサーボ制御の
動作の繰返し数が、各測定箇所の凹凸状態に応じて自動
的に決まるように構成したことを特徴とする走査型トン
ネル顕微鏡。
1. A probe, a first moving mechanism for minutely changing the distance between the probe and the sample, a second moving mechanism for moving the probe along the sample surface, the probe and the sample. A voltage applying means for applying a voltage to generate a tunnel current between the first and second moving mechanisms, a tunnel current detecting means for detecting the tunnel current, and a first moving mechanism for holding the detected tunnel current at a constant value. Servo control means for controlling and adjusting the distance between the probe and the sample, scanning means for controlling the second moving mechanism to scan the probe on the sample surface, and a sample obtained by the probe Record surface data
A scan that includes data processing means for processing, and in which the tunneling current value detection operation is repeated while servo control is performed by the servo control means while the scanning movement is stopped at measurement points set at regular intervals on the measurement surface of the sample. In a scanning tunnel microscope, the number of repetitions of the tunnel current detection value input and servo control operation at each measurement location performed by the servo control means is automatically determined according to the unevenness state at each measurement location. A scanning tunneling microscope characterized by the above.
【請求項2】 請求項1記載の走査型トンネル顕微鏡に
おいて、前記トンネル電流検出手段の検出したトンネル
電流値を入力し、このトンネル電流値からサーボ制御状
態を検出・判定し、トンネル電流値が前記一定値になっ
たとき、前記サーボ制御手段にサーボ制御の停止を指令
し、前記走査手段に走査移動開始を指令するサーボ状態
検出・判定手段を設けたことを特徴とする走査型トンネ
ル顕微鏡。
2. The scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the tunnel current value detected by said tunnel current detecting means is input, and the servo control state is detected / determined from this tunnel current value, and the tunnel current value is said. A scanning tunneling microscope comprising: a servo state detecting / judging means for instructing the servo control means to stop servo control and for instructing the scanning means to start scanning movement when a predetermined value is reached.
【請求項3】 請求項1又は2記載の走査型トンネル顕
微鏡において、前記トンネル電流値の検出動作に要する
時間は、凹凸の小さい測定箇所では短く、大きい測定箇
所で長くなり、全体の測定時間は短縮することを特徴と
する走査型トンネル顕微鏡。
3. The scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the time required for the operation of detecting the tunnel current value is short at a measurement site with small unevenness and long at a measurement site with a large unevenness, and the total measurement time is Scanning tunneling microscope characterized by shortening.
JP32907391A 1991-12-12 1991-12-12 Scanning type tunnel microscope Pending JPH05164511A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8796654B2 (en) 2008-07-31 2014-08-05 Shimadzu Coporation Scan device for microscope measurement instrument

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