JPH06180226A - 探針走査型顕微鏡 - Google Patents

探針走査型顕微鏡

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JPH06180226A
JPH06180226A JP4332886A JP33288692A JPH06180226A JP H06180226 A JPH06180226 A JP H06180226A JP 4332886 A JP4332886 A JP 4332886A JP 33288692 A JP33288692 A JP 33288692A JP H06180226 A JPH06180226 A JP H06180226A
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JP
Japan
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sample
position control
actuator
circuit
output
Prior art date
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Pending
Application number
JP4332886A
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English (en)
Inventor
Tomoaki Nanko
智昭 南光
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 大きな測定領域の測定を行う場合はアクチュ
エータの非線形性を除去できる。 【構成】 探針または試料を走査する位置決め機構は、
圧電素子などから構成されるアクチュエータ、アクチュ
エータの移動量を検出する変位検出装置、変位検出装置
の出力と上位の位置制御装置からの第1の位置信号を基
にアクチュエータを位置決めする位置制御回路と位置制
御回路の出力を保持するサンプルホールド回路とその回
路の出力と上位の位置制御装置からの第2の位置信号を
加算する加算回路からなるXY位置制御回路を備え、大
きな測定領域の測定を行う場合には、上位の位置制御装
置からの第1の位置信号と変位検出装置の出力を基にア
クチュエータの位置決めを行い、小さな測定領域の測定
を行う場合には、サンプルホールド回路の出力に上位の
位置制御装置からの第2の位置信号を加算してアクチュ
エータの位置決めを行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
(以下、単にSTMという)や原子間力顕微鏡(以下、
単にAFMという)など、先端を鋭く尖らせた探針を試
料に対して微小距離まで近づけ、両者の間に流れるトン
ネル電流や両者の間に働く原子間力などの物理量を検出
し、探針を試料表面上を走査させることにより、試料の
形状や表面の物性などを測定するようにした探針走査型
顕微鏡に関し、特に、その測定性能を向上させるもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来の探針走査型顕微鏡においては、探
針または試料を走査するための位置決め機構として圧電
素子を用いたアクチュエータを使用し、試料表面内の方
向の位置決めは圧電素子に印加する電圧を変えることで
行っていた。このような構成において、一般的には、電
圧を等間隔で変化させ、位置決めを行い、また測定領域
を大きくしたときに現れる圧電素子に印加する電圧と変
形量との間のヒステリシスなどに起因する非線形な成分
の除去は、画像処理ソフトウェアにおいて補正すること
により行われていた。しかし、充分な精度を得るまでに
は至っていない。
【0003】また、特に測定領域の大きい装置において
は、アクチュエータの移動量を他の変位検出方式を用い
て検出し、その結果を基に位置決めを行うことで圧電素
子の非線形性を除去する方法も行われているが、この場
合、分解能はその変位検出方式に依存するため、探針走
査型顕微鏡本来の分解能が実現されていない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の課題を踏まえて成されたものであり、探針または試
料を走査するアクチュエータの位置決め機構において、
高分解能な測定を行うときには、探針走査型顕微鏡本来
の分解能を有し、かつ大きな測定領域の測定を行う場合
においては、アクチュエータの非線形性を除去すること
のできる探針走査型顕微鏡を提供することを目的とした
ものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成は、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕
微鏡などの先端を鋭く尖らせた探針を試料に対して微少
距離まで近づけ、両者の間に流れるトンネル電流や、両
者の間に働く原子間力などの物理量を検出し、前記探針
を前記試料表面上を走査させることにより、前記試料の
形状や表面の物性などを測定するようにした探針走査型
顕微鏡において、前記探針または試料を走査する位置決
め機構は、圧電素子などから構成されるアクチュエータ
と、このアクチュエータの移動量を検出する変位検出装
置と、この変位検出装置の出力と上位の位置制御装置か
らの第1の位置信号を基に前記アクチュエータを位置決
めする位置制御回路と、この位置制御回路の出力を保持
するサンプルホールド回路と、このサンプルホールド回
路の出力と前記上位の位置制御装置からの第2の位置信
号を加算する加算回路とからなるXY位置制御回路とを
備え、大きな測定領域の測定を行う場合には、前記位置
制御回路において、前記上位の位置制御装置からの第1
の位置信号と前記変位検出装置の出力を基に前記アクチ
ュエータの位置決めを行い、また、小さな測定領域の測
定を行う場合には、前記サンプルホールド回路におい
て、前記位置制御回路の出力を保持すると共に、前記加
算回路において、前記サンプルホールド回路の出力に前
記上位の位置制御装置からの第2の位置信号を加算して
前記アクチュエータの位置決めを行うことを特徴とす
る。
【0006】
【作用】本発明によれば、探針または試料を走査するア
クチュエータの位置決め機構において、大きな測定領域
の測定を行う場合においては、アクチュエータの変位量
を変位計により測定しながら位置決めを行い、高分解能
な測定を行うときは、従来の探針走査型顕微鏡と同様の
方法で位置決めを行うように構成している。
【0007】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
1は本発明の探針走査型顕微鏡の一実施例を示す構成図
である。なお、図1では、原子間力顕微鏡として図示し
ている。図1において、レーザ光源3より出力したレー
ザ光がカンチレバー状の探針1上に照射され、その反射
光が2分割フォトダイオード4に入射する。その出力が
変位検出回路5に入力され、その出力がサーボ回路6に
入力される。サーボ回路6の出力は、Zアクチュエータ
7に入力されると共に、フィルタ12を介してコンピュ
ータ14に取り付けられたA/D変換器141に入力さ
れる。また、コンピュータ14から位置制御をホールド
するためのサンプルホールド(以下、S/Hという)信
号と、D/A変換器142を介して、XY方向の走査信
号X1 ,X 2 ,Y1 ,Y2 がXY位置制御回路13に入
力される。このXY位置制御回路13には、X,Y方向
変位計10,11の出力が入力される。XY位置制御回
路13の出力は、X,Yアクチュエータ8,9に入力さ
れる。2は測定対象の試料である。
【0008】また、図2は図1装置に示すXY位置制御
回路13の具体的な構成を示す図である。なお、X,Y
方向は各々同様の構成であるため、図2ではX方向の構
成のみ示してある。図2において、コンピュータ14か
ら出力される第1の走査信号X1 は、位置制御回路13
1に入力される。また、位置制御回路131には、X方
向変位計10の出力が入力される。位置制御回路131
の出力は、S/H回路132を介して、加算回路133
に入力される。また、S/H回路132には、コンピュ
ータ14よりS/H信号が入力される。また、加算回路
133には、コンピュータ14よりの第2の走査信号X
2 が入力される。加算回路133の出力は、Xアクチュ
エータ8に入力される。
【0009】このような構成において、図1に戻り、図
1装置の動作を説明する。探針1と試料2は原子間力な
どの力が働く微小な距離まで近づけられる。探針1と試
料2との間に働く力により、カンチレバー状の探針1が
変形する。その変形をレーザ光源3から出射されるレー
ザ光の探針1からの反射光を2分割フォトダイオード4
で受光し、その2分割されている上下の検出素子それぞ
れに入射する光量から変位検出回路5で求める。また、
サーボ回路6により、この変位検出回路5の出力が一定
となるように、Zアクチュエータ7を制御する。この状
態で、コンピュータ14より、D/A変換器142を介
して、X,Y方向の走査信号X1 ,X2 ,Y1 ,Y2
出力し、XY位置制御回路13を介して、X,Yアクチ
ュエータ8,9を駆動し、探針1を試料2上を走査し、
そのときのZアクチュエータ7の制御信号であるサーボ
回路6の出力をフィルタ12を介して、A/D変換器1
41により、コンピュータ14に取り込むことにより、
試料2の形状を測定する。
【0010】次に、図2に示したXY位置制御回路13
の動作を説明する。まず、大きな測定領域を測定する場
合、コンピュータ14から第1の走査信号X1 が位置制
御回路131に入力される。位置制御回路131では、
第1の走査信号X1 とX方向変位計10の出力が一致す
るように、S/H回路132と加算回路133を介し
て、Xアクチュエータ8を駆動することにより、試料2
を位置決めする。このとき、S/H回路132は、位置
制御回路131の出力をホールドしない状態、また、第
2の走査信号X2 は所定の一定値が加算回路133に出
力されている。
【0011】次に、小さな測定領域を測定する場合に
は、上記の動作で測定したい位置に試料2を位置決めし
ておく。コンピュータ14よりのS/H信号により、S
/H回路132において、位置制御回路131の出力を
ホールドする。加算回路133においては、S/H回路
132の出力に第2の走査信号X2 を加算し、Xアクチ
ュエータ8を駆動し、試料2を位置決めする。
【0012】図3は本発明の探針走査形顕微鏡の他の実
施例を示す構成図である。なお、図3においては、図2
と同様にXY位置制御回路13のX方向について示した
ものである。図3において、まず、大きな測定領域を測
定する場合について説明する。コンピュータ14から走
査信号Xが位置制御回路131に入力される。位置制御
回路131では、走査信号XとX方向変位計10の出力
が一致するように、スイッチ136を介して、Xアクチ
ュエータ8を駆動することにより、試料2を位置決めす
る。
【0013】次に、小さな測定領域を測定する場合につ
いて説明する。上記動作により、測定したい位置に試料
2を位置決めしておく。コンピュータ14よりのS/H
信号により、S/H回路132において、位置制御回路
131の出力をホールドすると共に、スイッチ136を
加算回路133側に切り換える。S/H回路132の出
力は、フィルタ134でノイズを除去され、加算回路1
33に入力される。走査信号Xは、ゲインアンプ135
で信号の大きさを調整され、加算回路133に入力され
る。加算回路133で両者を加算し、スイッチ136を
介して出力する。この状態で、走査信号Xを変えて、試
料2の位置決めを行う。
【0014】この第2の実施例では、第1の実施例に比
べて、フィルタ134によりS/H回路132の出力の
ノイズが除去でき、また、第1の走査信号と第2の走査
信号を共通の出力を用いるため、D/A変換器142が
各方向1台で構成できるという利点がある。ただし、ス
イッチ136の切り換えを伴うため、その時に少し位置
決めが不安定になる可能性がある。
【0015】このように上記実施例によれば、探針また
は試料を走査するアクチュエータの位置決め機構におい
て、大きな測定領域の測定を行う場合においては、アク
チュエータの変位量を変位計により測定しながら位置決
めを行い、高分解能な測定を行うときは、従来の探針走
査型顕微鏡と同様の方法で位置決めを行うように構成し
ているので、大きな測定領域の測定では、アクチュエー
タの非線形性を除去することができ、高分解能な測定を
行うときには、探針走査型顕微鏡本来の分解能を有する
ことができる。
【0016】
【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに、本発明によれば、探針または試料を走査するアク
チュエータの位置決め機構において、高分解能な測定を
行うときには、探針走査型顕微鏡本来の分解能を有し、
かつ大きな測定領域の測定を行う場合においては、アク
チュエータの非線形性を除去することができ、探針走査
型顕微鏡の測定性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の探針走査型顕微鏡の一実施例を示す構
成図である。
【図2】図1装置に用いるXY位置制御回路の具体例の
構成図である。
【図3】図1装置に用いるXY位置制御回路の他の具体
例の構成図である。
【符号の説明】
1 探針 2 試料 7、8、9 アクチュエータ 10、11 変位計 13 XY位置制御回路 14 コンピュータ 131 位置制御回路 132 S/H回路 133 加算回路

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡
    などの先端を鋭く尖らせた探針を試料に対して微少距離
    まで近づけ、両者の間に流れるトンネル電流や、両者の
    間に働く原子間力などの物理量を検出し、前記探針を前
    記試料表面上を走査させることにより、前記試料の形状
    や表面の物性などを測定するようにした探針走査型顕微
    鏡において、 前記探針または試料を走査する位置決め機構は、 圧電素子などから構成されるアクチュエータと、 このアクチュエータの移動量を検出する変位検出装置
    と、 この変位検出装置の出力と上位の位置制御装置からの第
    1の位置信号を基に前記アクチュエータを位置決めする
    位置制御回路と、この位置制御回路の出力を保持するサ
    ンプルホールド回路と、このサンプルホールド回路の出
    力と前記上位の位置制御装置からの第2の位置信号を加
    算する加算回路とからなるXY位置制御回路とを備え、 大きな測定領域の測定を行う場合には、前記位置制御回
    路において、前記上位の位置制御装置からの第1の位置
    信号と前記変位検出装置の出力を基に前記アクチュエー
    タの位置決めを行い、また、小さな測定領域の測定を行
    う場合には、前記サンプルホールド回路において、前記
    位置制御回路の出力を保持すると共に、前記加算回路に
    おいて、前記サンプルホールド回路の出力に前記上位の
    位置制御装置からの第2の位置信号を加算して前記アク
    チュエータの位置決めを行うことを特徴とする探針走査
    型顕微鏡。
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