JPH06180208A - 走査型探針顕微鏡の探針走査方法および探針走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 単一の微動機構を用いて、比較的に広い走査
幅に至る各種の走査範囲に対し常にＤ／Ａコンバータの
特性で決まる高い測定分解能で測定することを可能にす
る。 【構成】 試料表面で探針52に走査を行わせるための圧
電素子54,55 に関連してＤ／Ａコンバータ62X,62Y を含
む走査回路60を設け、走査制御部61から与えられる走査
制御用ディジタル信号をＤ／Ａコンバータでアナログ信
号に変換し、Ｄ／Ａコンバータの出力側にその出力信号
を増幅する可変ゲインアンプ2,4 を設け、これにより、
圧電素子の最大ストロークで決まる最大走査範囲R1の中
で測定のための走査範囲を任意に設定したとき、この走
査範囲に対応して決まる圧電素子の走査幅とその最大ス
トロークとの比に基づいて、Ｄ／Ａコンバータの特性で
決まる最高の測定分解能が常に保持されるように、可変
ゲインアンプ62X,62Y のゲインを変化させ調整し、もっ
て探針走査を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型探針顕微鏡の探針
走査方法および探針走査装置に関し、特に、単一の微動
機構を用いて走査範囲が広い場合および狭い場合のいず
れにおいても常に同じ高い測定分解能での測定を可能に
する走査型探針顕微鏡の探針走査方法および探針走査装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型探針顕微鏡は、一般的に、試料の
測定対象領域に対し極めて小さい間隔で接近させた探針
を有し、この探針で試料表面を走査しながら例えば探針
と試料表面の間に作用する物理量を検出し、この物理量
を利用して試料表面の微細凹凸形状を測定する機能を有
する。走査型探針顕微鏡では利用する物理量に応じて各
種タイプが存在し、例えばトンネル電流を利用する走査
型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭという）や原子間力を利
用する原子間力顕微鏡が代表的な装置である。以下で
は、説明の便宜上ＳＴＭを例にとって説明する。

【０００３】従来のＳＴＭの要部構成を、図７を参照し
て説明する。図７において５１は試料、５２は試料５１
の表面に臨む探針、５３は探針５１を取り付ける微動機
構である。微動機構５３は、一体型の３次元微動機構で
あり、互いに直角に配置された３つの棒状の圧電素子５
４，５５，５６を有する。圧電素子５４はＸ軸方向用ア
クチュエータ、圧電素子５５はＹ軸方向用アクチュエー
タ、圧電素子５６はＺ軸方向用のアクチュエータであ
る。圧電素子５４，５５は探針５２を試料表面に沿って
走査させる作用を有し、圧電素子５６は探針・試料間の
距離を調整する作用を有する。

【０００４】探針５２と試料５１の間には、電源５７に
よって数ボルトのバイアス電圧が印加される。探針・試
料間にバイアス電圧が印加された状態で、探針５２が試
料５１の表面にオングストローム単位の距離にて接近す
ると探針・試料間にトンネル電流Ｉが流れる。このトン
ネル電流Ｉは、探針５２と試料５１の間の距離と指数関
数的な関係を有する。トンネル電流Ｉは、トンネル電流
検出・変換回路５８で検出され、探針・試料間の距離に
対応する電圧に変換される。距離に対応する当該電圧
は、Ｚ軸サーボ回路５９に供給される。Ｚ軸サーボ回路
５９は、探針・試料間の距離を、予め設定された一定距
離に保持するため、圧電素子５６の伸縮量を制御するた
めの回路である。Ｚ軸サーボ回路５９は、内部に前記一
定距離に対応する基準電圧を有し、トンネル電流検出・
変換回路５８から供給される検出電圧を基準電圧と比較
し、当該検出電圧が基準電圧と一致するように探針５２
のＺ軸方向の位置を変化させるための制御信号を圧電素
子５６の駆動信号として出力する。これにより、探針・
試料間の距離を予め設定された一定距離に保持する。

【０００５】６０はＸＹ走査回路、６１はＸＹ走査制御
部である。ＸＹ走査制御部６１は、Ｘ軸方向およびＹ軸
方向のそれぞれについて独立に圧電素子５４，５５の伸
縮動作を制御するための信号をディジタル信号として生
成し出力する。ＸＹ走査回路６０では、Ｘ軸圧電素子５
４とＹ軸圧電素子５５のそれぞれに対し、Ｘ軸Ｄ／Ａコ
ンバータ６２Ｘとアンプ６３Ｘの組、Ｙ軸Ｄ／Ａコンバ
ータ６２Ｙとアンプ６３Ｙの組が備えられる。各Ａ／Ｄ
コンバータ６２Ｘ，６２Ｙはバスラインでその入力側に
与えられる所定ビット数のディジタル制御信号をアナロ
グ信号に変換し、各アンプ６３Ｘ，６３Ｙはこのアナロ
グ信号を駆動信号レベルまで増幅する。ＸＹ走査回路６
０のこれらの組をなす回路は、ＸＹ走査制御部６１から
与えられた各ディジタル信号を、圧電素子を動作させる
アナログ駆動信号に変換し、対応する圧電素子５４，５
５に供給する。

【０００６】上記の微動機構５３の各圧電素子５４〜５
６と、各圧電素子５４〜５６の伸縮動作を制御するＺ軸
サーボ回路５９とＸＹ走査制御部６１の構成とに基づい
て、探針５２は、試料５１の測定面を走査すると共にそ
の高さ位置が調整される。圧電素子５６を介して探針５
２の高さを調整するＺ軸サーボ回路５９の制御量は、試
料表面の高さ情報として測定データ記憶部６４に取り込
まれる。またＸＹ走査回路６０の各アンプ６３Ｘ，６３
Ｙから出力される信号量は、探針５２の走査位置情報と
して測定データ記憶部６４に取り込まれる。このように
して得られる探針５２の移動に関するＸ，Ｙ，Ｚの空間
座標データに基づいて、データ処理部６５は試料５１の
走査面の各位置における表面凹凸情報を得る。かかる表
面凹凸情報は、画像として表示装置６６の画面に表示さ
れ、その後において表面解析に使用される。

【０００７】なお上記の構成において、例えばＸＹ走査
制御部６１、測定データ記憶部６４、データ処理部６５
は、コンピュータからなる演算・制御部６７において、
機能手段としてソフト的に実現される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来のＳＴＭ
におけるＸＹ走査回路６０の回路構成に基づけば、ＳＴ
Ｍの測定分解能に関し、次のような問題が提起される。
ここでＳＴＭの測定分解能とは、表示装置６６の画面上
に測定面の凹凸像を表示するにあたり、画像を描くため
の目盛りの細かさ、換言すれば、測定データのサンプリ
ング数をいう。この測定分解能は、走査用圧電素子のス
トロークの変化単位量すなわち走査ピッチで決定される
ので、走査精度ということもできる。

【０００９】微動機構５３における走査用圧電素子５
４，５５で、そのストロークを最大に変化させることの
できる段階数は、Ｄ／Ａコンバータ６２Ｘ，６２Ｙで取
り扱えるディジタル信号のビット数に基づいて決められ
る。例えばこのビット数が１６ビットの場合には、状態
を２¹⁶通りに連続的に変化させることができるので、段
階数は２¹⁶＝６５５３６となる。また圧電素子５４，５
５のストロークを変化させる場合において、ストローク
を変化させる走査ピッチは、最大ストローク（フルスト
ローク）を前記段階数（２¹⁶＝６５５３６）で割ること
により求まる。この走査ピッチを、以下「最小走査ピッ
チ」という。最小走査ピッチは、Ｄ／Ａコンバータ６２
Ｘ，６２Ｙの１ digitに対応し、従来の走査回路の構成
では、最小走査ピッチは常に一定値に保持される。一
方、圧電素子５４，５５における印加電圧すなわちアン
プ６３Ｘ，６３Ｙの出力電圧に関連づけて考えると、例
えば印加電圧の範囲が０〜１００ボルトであるとき、圧
電素子のストロークを変えるため印加電圧を変化させる
単位電圧も、１００ボルトを前記段階数で割ることによ
って、固定的に決まっている。

【００１０】従って、圧電素子５４，５５の伸縮動作に
基づいて試料５１の表面を走査し測定を行う場合に、各
圧電素子５４，５５の伸縮動作に関し設定されたストロ
ークの大きさ（以下走査幅という）に基づいて、Ｘ軸方
向およびＹ軸方向の走査精度、換言すれば測定分解能が
決まる。例えば試料表面における走査範囲を、圧電素子
５４，５５の各走査幅を最大ストロークとして、この最
大ストロークで定まる走査範囲であると仮定する。この
走査で得られる測定データを用いて表示装置６６の画面
に走査面の凹凸像を表示すると、最小走査ピッチで決ま
るサンプリング数の測定データで画像を作成できる。従
って測定データの数は最大になり、最も分解能の高い測
定となる。また試料表面における走査範囲を、圧電素子
５４，５５の各走査幅を最大ストロークよりも小さいス
トロークとして、このストロークで定まる走査範囲であ
ると仮定する。この場合には、走査ピッチは上記と同じ
最小走査ピッチであるので、走査で得られる測定データ
の数が少なくなり、そのため測定分解能が低くなる。こ
のように、圧電素子５４，５５の各走査幅が小さくなる
ほど、表示画面に表示される画像の精度は粗くなる。

【００１１】次に、上記の内容について定量的な説明を
加える。例えば、設定されたＸ軸方向の走査幅（以下Ｘ
軸走査幅という）をＸ軸方向の最大ストローク（以下Ｘ
軸最大ストロークという）の１／１０とする場合には、
Ｘ軸走査幅の走査に関して、Ｘ軸Ｄ／Ａコンバータ６２
Ｘの特性で決まる最高の測定分解能の１／１０しか使用
していないことになる。すなわち、Ｘ軸最大ストローク
に対してその走査幅が小さければ小さいほど、分解能が
劣化する。Ｘ軸Ｄ／Ａコンバータ６２Ｘで与えられる最
高の測定分解能がＸ１であるとするとき、設定されるＸ
軸走査幅に応じて測定分解能Ｘａは次式で与えられる。

【数１】Ｘａ＝Ｘ１×（Ｘ軸走査幅）／（Ｘ軸の最大ス
トローク） このことは、Ｙ軸方向の走査幅の設定においても同様に
して成り立つ。すなわち、Ｙ軸方向の最高の測定分解能
Ｙ１および測定分解能Ｙａに関して次の式が成立する。

【数２】Ｙａ＝Ｙ１×（Ｙ軸走査幅）／（Ｙ軸の最大ス
トローク）

【００１２】上記のごとく従来のＳＴＭでは、Ｄ／Ａコ
ンバータ６２Ｘ，６２Ｙの特性によって測定分解能が規
定され、走査用圧電素子による走査幅を最大ストローク
で使っている間は高い測定分解能を保持できて問題ない
が、走査幅が最大ストロークよりも小さくなると、走査
幅が小さくなるほどその測定分解能が低下するという問
題を有する。

【００１３】また一般的に、微動機構では、走査用圧電
素子のストロークの大きさに応じて測定対象領域の広さ
が決まる。例えば、最大数μｍのストロークを有する圧
電素子では高い分解能で測定できるが、広い領域を測定
できない。反対に、最大数十μｍのストロークを有する
圧電素子では、広い領域を測定できるが、原子レベルの
高い分解能を期待することできない。そこで、従来のＳ
ＴＭでは、各種範囲の測定を可能にするため、複数種類
の微動機構を用意し、これらを必要に応じて選択して使
用していた。従って、構造が複雑になると共に、部品点
数が多くなり、コストが高くなるという問題を有してい
た。

【００１４】本発明の目的は、単一の微動機構を用い
て、原子レベルの走査幅の走査範囲から数十μｍの比較
的広い走査幅の走査範囲に対し常に同じ高い測定分解能
で測定できる走査型探針顕微鏡の探針走査方法および探
針走査装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型探針
顕微鏡の探針走査方法および探針走査装置は、次のよう
に構成される。試料表面で探針に走査を行わせるための
圧電素子に関連してＤ／Ａコンバータとアンプを含む走
査回路を設け、走査制御部から与えられた走査制御用デ
ィジタル信号をＤ／Ａコンバータでアナログ信号に変換
し、このアナログ信号をアンプで増幅して駆動信号に変
え、この駆動信号を圧電素子に与えて探針を移動させる
ことで探針を走査させる方法であり、この方法におい
て、さらに、Ｄ／Ａコンバータの出力側にその出力信号
を増幅する可変ゲインアンプを付加し、これにより、圧
電素子の最大ストロークで決まる最大走査範囲の中で走
査範囲を任意に設定したとき、この走査範囲に対応して
決まる圧電素子の走査幅とその最大ストロークとの比に
基づいて、Ｄ／Ａコンバータの特性で決まる最高の測定
分解能が常に保持されるように、可変ゲインアンプのゲ
インを変化させ調整することにより、探針走査を行うよ
うにした。この探針走査方法で、さらに、設定された任
意の走査範囲についてオフセットが存在することを考慮
して、可変ゲインアンプの出力信号に、オフセットに対
応するシフト信号を含ませることも可能である。探針走
査装置としては、同様にして、探針走査用の圧電素子に
関連してＤ／Ａコンバータを含む走査回路を設け、この
走査回路で、走査制御部から与えられた走査制御用ディ
ジタル信号に基づき駆動用アナログ信号に生成する構成
を有するものであることを前提として、Ｄ／Ａコンバー
タの出力信号を増幅する可変ゲインアンプと、任意の走
査範囲を設定する場合において圧電素子について設定さ
れた走査幅とその最大ストロークとの比に基づいて、Ｄ
／Ａコンバータの特性で決まる最高の測定分解能を常に
保持するように、可変ゲインアンプのゲインを変化させ
調整する制御手段とを備えるように構成される。また前
記の構成において、さらに、可変ゲインアンプの出力信
号に加えられるシフト信号を出力するオフセット設定器
と、このオフセット設定器に必要なオフセット量を設定
する指令を与える制御手段とを備えることも可能であ
る。さらに、可変ゲインアンプの出力信号にシフト信号
を加えて得られる信号を増幅して駆動信号を生成するア
ンプを追加することも好ましい。可変ゲインアンプ自体
に、所要のゲインレベルを設定して駆動信号を生成する
ように構成することも勿論可能である。他のアンプの変
更例として、一方の入力端子に可変ゲインアンプの出力
信号を入力し、他方の入力端子にシフト信号を入力する
アンプを備えることもできる。さらに、可変ゲインアン
プとアンプを、走査範囲の平面を定義する２つの軸のそ
れぞれの圧電素子に対応して設け、かつオフセット設定
器は、２つの軸について共通の単一ユニットとして形成
することもできる。

【００１６】

【作用】本発明では、探針微動機構における走査に関与
する圧電素子に関連して設けられた走査回路内のＤ／Ａ
コンバータの出力側に可変ゲインアンプを付設する構成
を採用することで、試料表面で設定された任意の走査範
囲を走査型探針顕微鏡の探針に走査させる場合におい
て、可変ゲインアンプのゲインを適切に調整し、Ｄ／Ａ
コンバータの特性で決まる最も高い測定分解能が常に発
揮されるようにしている。従って、広さの異なる複数の
走査範囲のそれぞれを測定する場合に、単一の走査用圧
電素子ユニットを用いて、常に高い測定分解能を保持し
た状態で、測定を行うことができる。また任意に設定さ
れた走査範囲についてオフセットが存在する場合であっ
ても、探針側のみで走査に関連する移動を行うように構
成したものでは、オフセットに関連する移動を行うため
のシフト信号を生成するオフセット設定器を付設するよ
うに構成したため、これにも対処することができる。

【００１７】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。本発明の特徴は、探針５２の走査に関係す
るＸ軸方向およびＹ軸方向の各圧電素子５４，５５に対
し駆動信号を与えるＸＹ走査回路６０とこれに関連する
構成にあるので、装置構成の図示としては、ＸＹ走査回
路６０とこれに関連する部分についての実施例のみを示
し、走査型探針顕微鏡の全体構成の図示は省略する。図
１と図２は走査範囲と走査幅を説明するための図、図３
〜図６はそれぞれＸＹ走査回路６０の実施例を示す図で
ある。図３〜図６において、図７で説明した要素と実質
的に同一の要素には同一の符号を付している。なお本実
施例では、試料と探針の位置関係を変えるにあたって、
探針側のみで位置変化を行う例について説明する。

【００１８】図１において、Ｌx0はＸ軸圧電素子５４の
最大ストロークを示し、Ｌy0はＹ軸圧電素子５５の最大
ストロークを示す。従ってＬx0，Ｌy0で決まる範囲Ｒ１
は最大面積の走査範囲となる。また範囲Ｒ２は、走査範
囲Ｒ１の部分領域であり、ストロークＬx1，Ｌy1で決ま
る走査範囲である。走査範囲Ｒ２は、原点Ｏを含むの
で、オフセットは存在せず、これに配慮しなくても良
い。走査範囲Ｒ１，Ｒ２で比較すると、最小走査ピッチ
が一定である場合、測定データのサンプリング数が多い
走査範囲Ｒ１を測定する方が、サンプリング数が少ない
走査範囲Ｒ２を測定するよりも測定分解能が高い。本実
施例では、最小走査ピッチを、走査範囲の広さすなわち
圧電素子５４，５５の各ストロークの大きさ（走査幅）
に応じて変化させ、各種走査範囲の測定において、ＸＹ
走査回路内で使用されるＤ／Ａコンバータの特性で決ま
る最高の測定分解能が常に保持されるように構成する。

【００１９】ＸＹ走査用の圧電素子５４，５５の最大ス
トロークで決まる最大走査範囲Ｒ１の中に部分的に含ま
れる任意の走査範囲に対して常に同じ高い測定分解能で
測定を行えるための第１の構成例を、図１および図３を
参照して説明する。図３には、演算・制御部６７および
その内部のＸＹ走査制御部６１、ＸＹ走査回路６０、微
動機構５３、その内部のＸ軸圧電素子５４およびＹ軸圧
電素子５５が示される。本実施例では、ＸＹ走査回路６
０の内部構成、およびＸＹ走査制御部６１からの制御に
関する構成に特徴がある。

【００２０】本発明の要旨は、最大の走査範囲Ｒ１の中
において走査範囲が任意に設定されたときに、当該走査
範囲の広さに応じて、Ｄ／Ａコンバータ６２Ｘ，６２Ｙ
で本来的に決まる最小走査ピッチを変更するという考え
方にある。まずこの考え方について説明する。図１で示
した走査範囲Ｒ２は、オフセットを考慮しなくても済む
場合の例である。Ｘ軸およびＹ軸の各圧電素子５４，５
５の最大ストロークを前述の通りＬx0，Ｌy0とし、走査
範囲Ｒ２に対応する各圧電素子５４，５５のストローク
をＬx1，Ｌy1とする。

【００２１】以下では、説明の便宜上、Ｘ軸用圧電素子
５４を例にとって説明する。圧電素子５４の最大ストロ
ークＬx1と、ＸＹ走査回路６０内のＸ軸Ａ／Ｄコンバー
タ６２Ｘ（図３に示す）が本来的に有する測定分解能に
基づいて、最小走査ピッチが定められる。圧電素子５４
の走査幅が最大ストロークであるとし、最大の走査範囲
Ｒ１を測定する場合には、Ｄ／Ａコンバータ６２Ｘから
出力される信号を増幅する可変ゲインアンプ２（図３に
示す）に設定されるゲイン（Ａｘ）は、圧電素子５４に
おいて最大ストロークを達成するための最大ゲインＡx0
であることが必要である。このとき、探針は圧電素子５
４によってＸ軸方向に最小走査ピッチで移動し、最小走
査ピッチで決まる各測定箇所で測定データをサンプリン
グする。次に、圧電素子５４の走査幅をＬx1に設定し、
走査範囲Ｒ２を測定する場合を想定する。この場合、可
変ゲインアンプ２のゲインを最大ゲインＡx0のままに保
持すると、走査ピッチは前述の最小走査ピッチのままに
保持される。その結果、かかる状態で圧電素子５４のス
トロークを変化させて走査幅Ｌx1に関し探針をＸ軸方向
に走査させると、最小走査ピッチで測定データのサンプ
リングを行うので、測定データの数は、最大ストローク
の場合に比較して、Ｌx1／Ｌx0の比に従って減少する。
そのため、得られる測定データの数が減少する分、測定
分解能が低減することになる。換言すれば、可変ゲイン
アンプ２のゲインが最大ゲインＡx0に保持された状態で
は、走査ピッチは最小走査ピッチに保持されるので、圧
電素子５４の走査幅すなわちストロークの範囲が小さく
なる程、測定分解能が小さくなる。そこで、圧電素子５
４の走査幅が小さく設定されるときには、データサンプ
リング数が最大ストロークの場合と同じ数に保持される
ように、最小走査ピッチをさらに小さくすれば、測定分
解能を一定に保持できることが分かる。そこで、可変ゲ
インアンプ２のゲインＡｘを、圧電素子５４の走査幅の
減少に対応させて小さくするように構成することが必要
となる。具体的に、圧電素子５４の走査幅が、最大スト
ロークに比較して、例えばＬx1／Ｌx0の比で小さくなる
場合には、同時に可変ゲインアンプ２のゲインを最大ゲ
インＡx0に対してそのＬx1／Ｌx0になるように小さく変
化させれば、Ｘ軸方向のデータサンプリング数を常に最
大の一定値に保持でき、そのため測定分解能を最も高い
状態（Ｄ／Ａコンバータ６２Ｘの特性で決まる測定分解
能）に保持できる。

【００２２】上記の考え方に基づき図３に示される構成
が採用される。Ｘ軸Ｄ／Ａコンバータ６２Ｘの入力側に
は、演算・制御部６７のＸＹ走査制御部６１から、Ｘ軸
圧電素子５４の伸縮量を決定するためのデータがバス１
を介してディジタル形式で与えられる。Ｄ／Ａコンバー
タ６２Ｘは、入力されたデータをＤ／Ａ変換する。Ｄ／
Ａコンバータ６２Ｘから出力されるアナログ信号は、次
段の可変ゲインアンプ２で所要のレベルに増幅される。
この可変ゲインアンプ２のゲインＡｘは変化させること
ができ、ＸＹ走査制御部６１からバス１を介してゲイン
指令を受け、必要なゲインに調整される。ゲイン指令に
基づく可変ゲインアンプ２のゲインＡｘの調整は、次の
ように行われる。測定のため任意に設定された走査範囲
で、Ｘ軸圧電素子５４による走査幅が最大ストロークＬ
x0に設定される場合には、可変ゲインアンプ２のゲイン
は最大ゲインＡx0になるように設定される。従って、最
大ゲインに設定するためのゲイン指令が、ＸＹ走査制御
部６１から可変ゲインアンプ２に対してバス１を介して
与えられる。圧電素子５４による走査幅がストロークＬ
x1に設定される場合には、可変ゲインアンプ２のゲイン
は（Ｌx1／Ｌx0）・Ａx0に設定される。この場合にも、
同様に、当該ゲインに設定するためのゲイン指令が、Ｘ
Ｙ走査制御部６１から可変ゲインアンプ２に対して与え
られる。このように、Ｄ／Ａコンバータ６２Ｘの出力側
に設けられた可変ゲインアンプ２に基づき、走査範囲に
対応して決まる圧電素子５４の走査幅に応じてそのゲイ
ンを適切な値に調整するようにしたため、Ｘ軸方向の測
定分解能について常に最高の一定分解能を保持させるこ
とができる。可変ゲインアンプ２から出力された信号
は、アンプ３で所要のレベルまでパワーを高め、駆動信
号として圧電素子５４に供給される。

【００２３】Ｙ軸方向の圧電素子５５に関しても、同様
な構成が設けられる。すなわち、Ｙ軸コンバータ６２Ｙ
に対してその出力側に可変ゲインＡｙを有する可変ゲイ
ンアンプ４が設けられる。可変ゲインアンプ４のゲイン
は、ＸＹ走査制御部６１からバス１を介して与えられる
ゲイン指令に基づき、走査範囲に対応して決まるＹ軸圧
電素子５５の走査幅に応じて、適切なゲインに調整され
る。調整の仕方は、前述したＸ軸圧電素子５４の場合と
同じである。可変ゲインアンプ４から出力された信号
は、アンプ５で所要レベルに増幅され、駆動信号として
Ｙ軸方向の走査のためのＹ軸圧電素子５５に供給され
る。

【００２４】上記の説明で、可変ゲインアンプ２，４の
それぞれのゲインを調整するための指令は、ＸＹ走査制
御部６１から与えられるようにしたが、演算・制御部６
７の内部に、当該機能を実行する制御手段を、可変ゲイ
ンアンプのゲイン調整手段として設けるようにしても良
い。

【００２５】なお図３に示されるように、可変ゲインア
ンプ２に対しＸ軸オフセット設定器６が並設される。Ｘ
軸オフセット設定器６は、ＸＹ走査制御６１からバス１
を介してオフセット設定指令を受け、設定されたオフセ
ット量に対応するシフト信号を出力する。このシフト信
号は、可変ゲインアンプ２の出力信号に加算される。こ
のＸ軸オフセット設定器６は、測定しようとする任意の
走査範囲がオフセットされている場合に、原点の位置を
その走査範囲に対応させてシフトさせるための手段であ
る。同様にして、可変ゲインアンプ４に対してもＹ軸オ
フセット設定器７が並設される。

【００２６】次に図２を参照して、任意に設定された走
査範囲Ｒ３の場合の例について説明する。走査範囲Ｒ３
は、オフセットを考慮しなければならない例である。走
査範囲Ｒ３で、各軸方向の走査幅は走査範囲Ｒ２の場合
と同じとし、Ｘ軸方向がＬx1、Ｙ軸方向がＬy1である。
走査範囲Ｒ２に比較して、走査範囲Ｒ３では、原点がＯ
からＯ１にシフトしたものとして考える必要がある。そ
こで、図２で明らかなようにＸ軸方向のオフセット量ｘ
２、Ｙ軸方向のオフセット量をｙ２とする。

【００２７】走査範囲Ｒ３を測定領域として走査する場
合に、図３に示したＸＹ走査回路６０において、可変ゲ
インアンプ２，４の各ゲインの設定に関しては、走査幅
が同じであるので、前記実施例の場合と同じである。次
に走査範囲Ｒ３については、オフセット量ｘ２，ｙ２だ
けシフトさせて探針の走査を開始しなければならない。
そこで、Ｘ軸オフセット設定器６にはオフセット量ｘ２
が設定され、ｘ２に相当するシフト信号が出力されて、
可変ゲインアンプ２の出力信号に加えられる。またＹ軸
オフセット設定器７にはオフセット量ｙ２が設定され、
ｙ２に相当するシフト信号が出力されて、可変ゲインア
ンプ４の出力信号に加えられる。以上の構成によって、
圧電素子５４，５５に与えられる駆動信号は、オフセッ
ト量に対応するシフト信号を含んでオフセットに対処し
かつ可変ゲインアンプ２，４で設定されるゲインに基づ
き所要分解能を保持する走査ピッチを達成する信号とな
り、走査範囲Ｒ３を高い測定分解能で測定することがで
きる。

【００２８】上記の説明で、Ｘ軸およびＹ軸のオフセッ
ト設定器６，７のそれぞれのオフセット量を設定するた
めの指令は、ＸＹ走査制御部６１から与えられるように
したが、演算・制御部６７の内部に、当該機能を実行す
る制御手段を、オフセット量設定指令手段として設ける
ようにしても良い。

【００２９】上記の構成によって、最大領域の走査範囲
Ｒ１内で任意に設定される走査範囲に関して、測定分解
能がＤ／Ａコンバータの特性で決まる最高の測定分解能
に常に保持されるように可変ゲインアンプ２，４の可変
ゲインを調整し、かつオフセットが存在するときにはこ
のオフセットに対処するようにＸ軸オフセット設定器６
およびＹ軸オフセット設定器７の設定量を決定する。こ
れによって、任意の走査範囲に対して、Ｄ／Ａコンバー
タ６２Ｘ，６２Ｙのそれぞれで決まる最高の測定分解能
を常に保った状態で測定を行うことができる。

【００３０】なお、図３に示された回路構成では、アン
プ３，５の入力側にて反転入力端子（−）に信号が入
り、非反転入力端子（＋）はアースされている。従っ
て、この回路構成は、走査範囲のオフセットに関連する
シフトを行うとき、プラス側の一方の方向にのみシフト
させるのに適した回路である。

【００３１】図４に、一例として、可変ゲインアンプ２
とＸ軸オフセット設定器６の具体的な回路を示す。可変
ゲインアンプ２とＸ軸オフセット設定器６は基本的に同
じ回路構成のアンプで形成され、その可変抵抗２ａ，６
ａの抵抗値を、バス１で送られてくる指令値に基づき変
えることによって、適切なゲインまたはオフセット量が
設定される。なおＸ軸オフセット設定器６の入力側に
は、入力電圧を供給する電源８が接続される。

【００３２】前記実施例では、試料側ではなく探針側で
移動を行い、両者の相対的位置関係を変化させ、探針に
試料の走査範囲を走査させる構成について説明した。し
かし、例えばオフセットに対処するためのシフトに関す
る移動については、試料ステージでその移動を行うよう
に構成することもできる。このような構成では、ＸＹ走
査回路６０において、Ｘ軸オフセット設定器６とＹ軸オ
フセット設定器７を設ける必要はない。

【００３３】次に、図５を参照して、ＸＹ走査回路６０
の他の実施例について説明する。この実施例では、前記
実施例で説明したアンプ３，５の代わりに、アンプ１
１，１２を設けている。アンプ１１では、その反転入力
端子に可変ゲインアンプ２の出力信号が入力され、非反
転入力端子にＸ軸オフセット設定器６の出力信号が入力
される。また同様に、アンプ１２では、その反転入力端
子に可変ゲインアンプ４の出力信号が入力され、非反転
入力端子にＹ軸オフセット設定器７の出力信号が入力さ
れる。その他の構成については、図３で示された構成と
実質的に同じである。

【００３４】上記の構成によれば、Ｘ軸方向およびＹ軸
方向のオフセットに対応してシフトを行う場合に、原点
を中心にしてプラス側またはマイナス側にシフトを行う
ことが可能となる。

【００３５】図６を参照して、ＸＹ走査回路６０の他の
実施例を説明する。この実施例では、Ｘ軸オフセット設
定器６とＹ軸オフセット設定器７を設けず、その代わり
にＸ，Ｙ軸オフセットコントロールユニット２１を設け
ると共に、アンプ２２，２３を接続している。アンプ２
２の非反転入力端子には、可変ゲインアンプ２の出力信
号が入力され、アンプ２３の非反転入力端子には可変ゲ
インアンプ４の出力信号が入力される。またアンプ２
２，２３のそれぞれの反転入力端子には、Ｘ，Ｙオフセ
ットコントロールユニット２１の出力信号が入力され
る。その他の構成は、他の実施例の場合と同じである。

【００３６】上記の構成によれば、オフセットのための
シフト量を設定する手段として、Ｘ軸およびＹ軸のそれ
ぞれに設ける必要がなく、単一のコントロールユニット
で各軸のオフセットに対処でき、回路構成を簡素にでき
る。またアンプ２２，２３の構成によれば、原点を中心
にプラス側またはマイナス側のいずれにもシフトさせる
ことができる。

【００３７】記実施例では、走査型探針顕微鏡の一例と
してＳＴＭについて説明したが、探針を備え、試料と探
針との相対的な位置関係を走査用の圧電素子を利用して
変化させ、試料表面上の走査範囲を探針に走査させるそ
の他の走査型探針顕微鏡にも本発明の構成を適用するこ
とができる。また可変ゲインアンプに対して、駆動信号
を生成するためのパワーアンプとしての別のアンプを設
けたが、可変ゲインアンプ自体にパワーアンプとしての
機能を併せて持たせることも可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、走査用圧電素子の走査回路に含まれるＤ／Ａコン
バータに可変ゲインアンプを付設し、圧電素子の走査幅
に対応して所定条件の下で可変ゲインアンプのゲインを
変化させるように構成したため、広さが異なる複数の走
査範囲のそれぞれの測定にあたって、常にＤ／Ａコンバ
ータの特性で決まる最高の測定分解能を保持した状態で
測定を行うことができる。また単一の微動機構を用い
て、原子レベルの走査幅から数十μｍの比較的に広い走
査幅に至る走査範囲、すなわち広さの異なる複数の走査
範囲を高い測定分解能で測定することができる。またオ
フセット設定器を付設するように構成したため、走査範
囲の設定においてオフセットが存在する場合であって
も、かかる走査範囲に対応して各圧電素子の走査幅を設
定し、かつ高い測定分解能で走査を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】オフセットを考慮しない走査範囲を説明するた
めの図である。

【図２】オフセットを考慮した走査範囲を説明するため
の図である。

【図３】ＸＹ走査回路の実施例を示す回路図である。

【図４】可変ゲインアンプとオフセット設定器の具体的
回路を示す回路図である。

【図５】ＸＹ走査回路の他の実施例を示す回路図であ
る。

【図６】ＸＹ走査回路の他の実施例を示す回路図であ
る。

【図７】従来の走査型探針顕微鏡の一般的な構成を示す
構成図である。

【符号の説明】

１ …バス ２，４ …可変ゲインアンプ ３，５ …アンプ ６ …Ｘ軸オフセット設定器 ７ …Ｙ軸オフセット設定器 １１，１２ …アンプ ２１ …Ｘ，Ｙ軸オフセットコントロ
ールユニット ２２，２３ …アンプ ５３ …微動機構 ５４ …Ｘ軸圧電素子 ５５ …Ｙ軸圧電素子 ６０ …ＸＹ走査回路 ６１ …ＸＹ走査制御部 ６２Ｘ …Ｘ軸Ｄ／Ａコンバータ ６２Ｙ …Ｙ軸Ｄ／Ａコンバータ ６７ …演算・制御部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針走査用の圧電素子に関連してＤ／Ａ
   コンバータとアンプを含む走査回路を設け、走査制御部
   から与えられた走査制御用ディジタル信号を前記Ｄ／Ａ
   コンバータでアナログ信号に変換し、このアナログ信号
   を前記アンプで増幅して駆動信号に変え、この駆動信号
   を前記圧電素子に与えて探針を走査のため移動させるよ
   うにした走査型探針顕微鏡の探針走査方法において、 前記Ｄ／Ａコンバータの出力信号を増幅する可変ゲイン
   アンプを付加し、前記圧電素子の最大ストロークで決ま
   る最大走査範囲の中で走査範囲を任意に設定したとき、
   この走査範囲に対応して決まる前記圧電素子の走査幅と
   前記圧電素子の最大ストロークとの比に基づいて、前記
   Ｄ／Ａコンバータの特性で決まる測定分解能を保持する
   ように、前記可変ゲインアンプのゲインを調整すること
   を特徴とする走査型探針顕微鏡の探針走査方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の走査型探針顕微鏡の探針
   走査方法において、設定された前記任意の走査範囲につ
   いてオフセットが存在するとき、前記可変ゲインアンプ
   の出力信号に、前記オフセットに対応するシフト信号を
   含ませることを特徴とする走査型探針顕微鏡の探針走査
   方法。
3. 【請求項３】 探針走査用の圧電素子に関連してＤ／Ａ
   コンバータを含む走査回路を設け、この走査回路で、走
   査制御部から与えられた走査制御用ディジタル信号に基
   づき駆動用アナログ信号を生成するように構成された走
   査型探針顕微鏡の探針走査装置において、 前記Ｄ／Ａコンバータの出力信号を増幅する可変ゲイン
   アンプと、前記圧電素子について設定された走査幅とそ
   の最大ストロークとの比に基づいて、前記Ｄ／Ａコンバ
   ータの特性で決まる測定分解能を保持するように、前記
   可変ゲインアンプのゲインを調整する制御手段とを備え
   ることを特徴とする走査型探針顕微鏡の探針走査装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の走査型探針顕微鏡の探針
   走査装置において、前記可変ゲインアンプの出力信号に
   加えられるシフト信号を出力するオフセット設定器と、
   このオフセット設定器に必要なオフセット量を設定する
   指令を与える制御手段とを備えることを特徴とする走査
   型探針顕微鏡の探針走査装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の走査型探針顕微鏡の探針
   走査装置において、前記可変ゲインアンプの出力信号に
   前記シフト信号を加えて得られる信号を増幅して駆動信
   号を生成するアンプを備えることを特徴とする走査型探
   針顕微鏡の探針走査装置。
6. 【請求項６】 請求項３記載の走査型探針顕微鏡の探針
   走査装置において、オフセットに対応するシフト信号を
   出力するオフセット設定器と、このオフセット設定器に
   必要なオフセット量を設定する指令を与える制御手段
   と、一方の入力端子に前記可変ゲインアンプの出力信号
   を入力し、他方の入力端子に前記シフト信号を入力する
   アンプを備えることを特徴とする走査型探針顕微鏡の探
   針走査装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の走査型探針顕微鏡の探針
   走査装置において、前記可変ゲインアンプと前記アンプ
   は、走査範囲の平面を定義する２つの軸のそれぞれの圧
   電素子に対応して設けられ、前記オフセット設定器は、
   前記２つの軸について共通の単一ユニットとして形成さ
   れることを特徴とする走査型探針顕微鏡の探針走査装
   置。