JPH06241716A - 走査型トンネル顕微鏡のサーボ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査型トンネル顕微鏡において、測定領域の
凹凸状態が激しく変化する場合であっても、衝突を生じ
ることなく高速の走査速度で短時間に測定を行い良好な
追従性を実現する。 【構成】 探針１と試料２との間で保持すべき一定距離
を規定する基準値が設定され(10,11) 、測定領域で設定
された各測定箇所で探針の高さ位置を制御することに関
し、探針・試料間の距離を表すトンネル電流が前記基準
値と一致するようにサーボ制御を行うように構成され(1
5)、さらにサーボ制御に関与する部分において、しきい
値が設定されかつ当該しきい値に基づき基準値とトンネ
ル電流の間のサーボエラーの大きさを判定する比較手段
(18,19,20)と、この比較手段の出力に基づき、サーボエ
ラーがしきい値を越えたときサーボ制御のゲインを増加
させるサーボゲイン調整手段(12,13) を設けるように構
成される。

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の
サーボ制御装置に関し、特に、フィードバックゲインを
サーボエラーの大きさに応じて調整し、試料面の凹凸程
度に応じて最適な凹凸追従動作を探針に行わせるように
した走査型トンネル顕微鏡のサーボ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭとい
う）では、試料表面に探針を原子レベルの間隔で接近さ
せ、測定領域に関し探針にＸＹ平面にて平面走査を行わ
せながら、探針をその軸方向（Ｚ軸方向）に移動させ
て、探針を試料面に対し前進または後退させ、探針と試
料面との間隔を常に定められた一定の微小距離に維持す
る制御が行われる。探針のＺ軸方向の位置の制御では、
測定領域にて予め定められた複数の測定箇所において、
探針・試料間の距離を一定に保持するためのサーボ制御
が行われる。各測定箇所におけるＺ軸方向の探針位置制
御は、サーボ制御を適当数繰返すことにより、探針位置
が試料表面から一定距離になるように調整する。探針・
試料間が一定距離になるように探針位置が決定された
ら、サーボ制御状態を保持したまま、隣の次の測定箇所
に探針を移動させる。各測定箇所における探針のＺ軸方
向移動に関するサーボ制御繰返し数、すなわち探針走査
の移動速度が全体の測定時間を決定する。

【０００３】探針の走査制御および高さ制御を行うた
め、探針のアクチュエータであるＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向
の圧電素子に対し、伸縮動作のための駆動量が与えられ
る。この駆動信号が、試料表面の凹凸状態を表す測定デ
ータとして記憶され、利用される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＳＴＭでは、測定しよ
うとする試料面の起伏が大きい場合には、試料表面に探
針が衝突しないように探針を慎重に移動させる必要があ
る。そこで各測定箇所における高さ方向の移動のための
サーボ制御繰返し数は、一般的に多くなるように設定さ
れ、この結果、全体の測定時間が長くなる。

【０００５】一方、試料面の凹凸状態を考慮せず、高速
スキャン状態の保持させた状態で、探針走査および探針
の接近・退避の各動作を行わせると、試料面が起伏の大
きい場合には、探針のＺ軸方向のサーボ制御が追いつか
ず、探針が試料表面に衝突する。

【０００６】従来、測定中に試料表面の凹凸状態に応じ
て走査速度を制御した走査型トンネル顕微鏡が提案され
ている（特開平３−１８０７０２号）。この走査型トン
ネル顕微鏡では、測定中に探針軸方向変位量の時間微分
値を検出し、この値を利用して凹凸形状を判定し、凹凸
形状に応じて走査速度を設定するように構成される。し
かし実時間で時間微分値を計算し走査速度の制御を行う
ので、凹凸形状の変化が激しい場合には、その追従性に
遅れが生じる場合がある。また、凹凸が大きい場合は、
走査速度を遅くするため測定時間が長くなる。

【０００７】またＳＴＭでは、基本的に、測定時間が長
くなると、探針を移動させるための制御系の設定条件が
微妙に変動するために、できる限り短時間で測定を完了
することが望まれる。

【０００８】本発明の目的は、測定領域の凹凸状態が激
しく変化する場合であっても、衝突を生じることなく高
速の走査速度で短時間に測定を行うことができ、良好な
追従性を達成する走査型トンネル顕微鏡のサーボ制御装
置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型トン
ネル顕微鏡のサーボ制御装置は、探針・試料間で保持す
べき一定距離を規定する基準値が設定され、測定領域で
設定された各測定箇所で探針の高さ位置を制御すること
に関し、探針・試料間の距離を表すトンネル電流が前記
基準値と一致するようにサーボ制御を行うように構成さ
れ、さらに、しきい値が設定されかつ当該しきい値に基
づき基準値とトンネル電流の間のサーボエラーの大きさ
を判定する比較手段と、この比較手段の出力に基づき、
サーボエラーがしきい値を越えたときサーボ制御のゲイ
ンを増加させるサーボゲイン調整手段を設けるように構
成される。

【００１０】

【作用】本発明では、ＳＴＭのサーボ制御装置において
サーボゲインを変化可能な構成とし、検出されたトンネ
ル電流と基準値との差すなわちサーボエラーが、設定さ
れたしきい値よりも大きくなったときに、サーボゲイン
を大きくし、探針の軸方向の移動量を大きくし、すなわ
ち試料表面の凹凸に対する追従性を凹凸程度に応じて高
め、もって高速な走査速度を実現するものである。

【００１１】

【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。図１は、ＳＴＭの探針部分の構成と、探針
の位置制御のための構成と、探針により得られる測定デ
ータを検出・処理する部分の構成を示している。図１を
参照してＳＴＭの要部構成および動作を説明する。図１
において、１は導電性を有する探針であり、探針１の先
端は鋭く尖り、試料２の表面に臨んでいる。探針１は図
示しないトライポッドヘッドにおいて相互に直角になる
ように配置された棒状の微動用圧電素子３，４，５の交
差部に取り付けられる。圧電素子３はＸ軸方向の微動に
関与するアクチュエータ、圧電素子４はＹ軸方向の微動
に関与するアクチュエータ、圧電素子５はＺ軸方向の微
動に関与するアクチュエータである。また探針１は、ト
ライポッドヘッドを取り付けた図示しない手動装置、ス
テッピングモータ、またはストロークの大きな粗動用圧
電素子等によって、所要のトンネル電流が検出される距
離まで試料２の表面に近づけられる。

【００１２】探針１と試料２の間に電源６が接続される
ことによって、それらの間に必要なバイアス電圧が印加
される。この状態で探針１を試料２に近づけ、探針１と
試料２の間の距離が所要の微小距離になると、それらの
間にトンネル電流が流れる。導電性の探針１に流れるト
ンネル電流は、トンネル電流検出部７で検出され、その
後トンネル電流・距離変換部８によって、検出されたト
ンネル電流は探針１と試料２の間の距離に変換される。
通常の凹凸形状の測定では、測定領域での探針１の走査
において、設定された複数の測定箇所のそれぞれで、探
針１の軸方向の位置制御においてサーボ制御を実行し、
検出されるトンネル電流が最終的に定められた一定値に
保持されるように探針１の高さ位置を制御する。

【００１３】かかる制御を行うため、次段のサーボ制御
装置では、トンネル電流・距離変換部８から出力される
距離データを入力し、この距離データが内部に予め設定
される基準の一定距離と一致するようにサーボ制御を複
数回繰返して行い、これによって、探針・試料間の距離
が、定められた一定距離に保持されるようにＺ軸方向の
圧電素子５の伸縮動作量を制御する。

【００１４】サーボ制御装置は、図１に示すように、ト
ンネル電流・距離変換部８の出力信号を絶対値化する絶
対値回路９、絶対値回路９の出力信号を入力すると共に
第１の基準電圧設定器１０からの基準電圧を入力する第
１の比較器１１、比較器１１の出力電圧を増幅する第１
のゲイン回路１２（ゲインＧ１）、ゲイン回路１２の出
力信号を増幅するもので、通常はゲインが１に設定され
必要な場合にのみ所要の高いゲインが設定される第２の
ゲイン回路１３（ゲインＧ２）、ゲイン回路１３の出力
信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１４、Ａ／Ｄ変換器
１４の出力信号に基づいてサーボ制御信号を生成するサ
ーボ回路１５、サーボ回路１５の出力信号をＤ／Ａ変換
するＤ／Ａ変換器１６、Ｄ／Ａ変換器１６の出力信号を
駆動レベルまで増幅するアンプ１７によって構成され
る。アンプ１７から出力される駆動信号は圧電素子５に
供給される。上記構成において、ゲイン回路１２に設定
されるゲインＧ１は、外部から与えられる信号Ｓ１によ
り任意の値に調整可能である。またゲイン回路１３のゲ
インＧ２は、第２の比較器１８の出力信号によって連続
的にまたは段階的に変化するように構成される。比較器
１８の２入力のうち、一方には絶対値回路１９を通って
絶対値化された比較器１１の出力信号が入力され、他方
の入力には第２の基準電圧設定器２０で設定されるしき
い値電圧が入力される。また基準電圧設定器１０，２０
は、それぞれ、設定値を任意に変更することが可能であ
る。

【００１５】比較器１１では、トンネル電流の検出で得
られた実際の探針・試料間の距離と、基準電圧設定器１
０で電圧信号として設定された基準の一定距離とが比較
され、サーボエラーが出力される。比較器１８では、サ
ーボエラーと、基準電圧設定器２０で電圧信号として設
定されたしきい値とが比較され、サーボエラーがしきい
値よりも大きくなったときに高レベルの電圧信号が出力
される。試料面の測定領域の凹凸程度が標準的なもので
ある場合には、比較器１１から出力されるサーボエラー
も標準的な大きさとなる、すなわちしきい値よりも小さ
くなるので、ゲイン回路１３のゲインＧ２は１に保持さ
れ、サーボエラーはゲイン回路１２で決まるゲインＧ１
のみで増幅されて、サーボ回路１５に送られ、サーボ制
御に用いられる。このように、サーボエラーがしきい値
よりも小さいときには、比較器１８の出力は低レベルに
あって、ゲイン回路１３のゲインＧ２を前述のごとく１
に保持する。しかし凹凸程度が激しい場合には、サーボ
エラーがしきい値よりも大きくなり、そのため比較器１
８の出力信号が高レベルになって、ゲイン回路１３のゲ
インＧ２を大きい値に設定する。この結果、比較器１１
から出力されるサーボエラーは、ゲイン回路１２，１３
に基づいて決まるゲイン（Ｇ１×Ｇ２）で増幅され、サ
ーボ回路１５に送られる。これによって、凹凸程度が激
しい場合には、よりいっそう高い追従性が発揮される状
態でサーボ制御が行われるようになる。すなわち、サー
ボ制御の応答性が高められ、探針の凹凸変化に対する追
従性が高められる。

【００１６】図１に示したサーボ制御装置は、一般的に
は、マイコン等を利用したディジタルサーボとして構成
される。またハード回路で構成することもできる。また
本実施例で、特に追加された構成部分、すなわち、絶対
値回路１９と基準電圧設定器２０と比較器１８とゲイン
回路１３からなる部分は、マイコンを利用した構成、ハ
ード構成のいずれを用いても可能である。

【００１７】試料２の測定面における探針１のＸ軸およ
びＹ軸の各方向の走査のための移動は、走査制御部２１
と走査部２２によって行われる。走査制御部２１は、マ
イコン等を利用して機能手段として構成され、測定対象
領域で探針を走査移動させる制御信号を出力する。走査
部２２は、Ｘ軸方向用の圧電素子３とＹ軸方向用の圧電
素子４に対して伸縮用駆動信号を与え、これらの圧電素
子３，４の伸縮動作によって探針１の二次元的走査が行
われる。走査部２２は、圧電素子３に駆動信号を与える
Ｄ／Ａ変換器２３およびアンプ２４と、圧電素子４に駆
動信号を与えるＤ／Ａ変換器２５およびアンプ２６とを
含んでいる。

【００１８】また走査制御部２１からサーボ回路１５に
は、サンプリング信号Ｓ２が提供される。サンプリング
信号Ｓ２は、測定領域の各測定箇所（サンプリング箇
所）のタイミングを指定するための信号である。

【００１９】２７は測定データ記憶部であり、２８はデ
ータ処理部、２９はモニタ部である。測定データ記憶部
２７にもサンプリング信号が提供され、このタイミング
で、サーボ回路１５からサーボのための制御信号が入力
され、記憶される。実際に、測定データ記憶部２７に
は、その他に探針１を走査移動させるための制御信号も
空間座標データとして記憶される。

【００２０】Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の圧電素子３，４，
５による探針１の移動に伴い、圧電素子３，４，５の負
荷電圧、すなわち各圧電素子の伸縮量を空間座標として
測定データ記憶部２７に記憶する。測定データ記憶部２
７に記憶された探針１の位置データは、適宜に取り出さ
れ、データ処理部２８に供給される。データ処理部２８
では、試料２の測定面の凹凸形状についての画像処理を
行い、画像処理で得られたデータを用いてモニタ部２９
に試料２の表面凹凸情報として表示する。なお出力装置
としてのモニタ部２９は一例であり、例えばプリンタを
用いることもできる。上記の測定データ記憶部２７とデ
ータ処理部２８は、マイコンにおけるＣＰＵとメモリに
よって構成される。

【００２１】上記の構成において、探針１と試料２の間
にトンネル電流が流れる場合に、探針１と試料２の間の
距離は原子レベルの１ｎｍ程度であり、試料表面の凹凸
状態を検出するためには、この距離を一定に保つように
圧電素子５の動作を制御することが必要である。トンネ
ル電流は、探針・試料間の距離の変化に敏感であり、こ
れによって高い分解能を得ることができる。ＳＴＭの上
記構成に基づけば、その一連の動作により、試料２の測
定面の原子レベルの微細な凹凸形状に関する情報を得る
ことができる。

【００２２】上記ＳＴＭの動作を詳しく説明する。図２
（Ｂ）は試料２の表面２ａの凹凸形状の例を示し、図２
（Ａ）は表面２ａをなぞって探針１を走査移動させたと
きに発生するサーボエラーの変化を示す。図２の
（Ａ），（Ｂ）において、横軸方向は位置を表し、両図
において横軸は一致しているものとする。図２（Ａ）の
縦軸はサーボエラーを示し、一点鎖線３１で示すように
前述のしきい値が±Δｅとして設定されている。なお図
１では、絶対値回路が入っているため極性が一方向のみ
であるが、図２では判りやすくするため絶対値回路なし
の場合を示す。試料表面２ａにおいて凹凸変化の小さい
範囲ではサーボエラーはしきい値で設定された範囲に収
まっているが、凹凸変化が激しい箇所３２ではサーボエ
ラーがしきい値を越えてしまう部分３３が生じる。

【００２３】かかる測定の走査状態において、例えば絶
対値回路１９、基準電圧設定器２０、比較器１８、ゲイ
ン回路１３からなる部分を含まず、ゲイン回路１２での
みサーボエラーを増幅するように構成された従来の一般
的なサーボ制御装置で制御されるＳＴＭでは、図３に示
すように探針軌跡３４が形成される。探針軌跡３４は、
複数のデータサンプリングポイント３４ａを破線で繋い
だものである。探針軌跡３４で明らかなように、凹凸変
化の激しい箇所では、サーボエラーが大きくなり過ぎて
いるにも拘らず、ゲイン回路のゲインは一定であるの
で、探針軌跡が凹凸形状に正確に追従できていない。前
述の先行文献（特開平３−１８０７０２号）による走査
型トンネル顕微鏡でも同様な追従性の問題が起きると予
想される。このため、その部分で走査速度を遅くする処
理を行っている。

【００２４】これに対して、前述した本実施例のサーボ
制御装置では、サーボエラーがしきい値を越えたときに
は、ゲイン回路１３のゲインＧ２がゲイン回路１２のゲ
インＧ１に追加され、全体としてゲインが必要な分だけ
増大する。従って、しきい値を越えたサーボエラーに対
してはより大きなゲインで増幅することとなり、探針１
のＺ軸方向の移動の変位量を大きくして凹凸形状への追
従性を高める。その結果、図４に示す探針軌跡３５で明
らかなように、精度よく試料表面２ａの凹凸形状を追従
した状態で走査を行うことができる。３５ａは、探針軌
跡３５のデータサンプリングポイントである。またサー
ボエラーがしきい値が越えない範囲内での走査では、従
来のサーボ制御装置と同じ動作特性を有する。

【００２５】図５は、サーボエラーの大きさ（縦軸）と
サーボ制御による追従時間（横軸）との関係を示すグラ
フである。図５によれば、サーボエラーがしきい値４１
よりも小さい範囲では、ゲインＧ１によって決まる係数
に基づきサーボエラーの大きさに比例してサーボ制御に
よる追従時間が決まる。サーボエラーがしきい値４１よ
りも大きくなった範囲では、ゲインが大きくなり（Ｇ１
＋Ｇ２）、サーボ制御による追従時間をより短縮する方
向で、追従特性が決定される。その後、サーボエラーが
しきい値の範囲内に入ったときには、再びゲインＧ１に
よって決まる係数に基づいてサーボエラーの大きさに比
例してサーボ制御による追従時間が決まる。

【００２６】サーボエラーがしきい値よりも大きくなっ
た場合に、サーボエラーを増幅するためのゲイン回路の
ゲインの変え方は、種々の方法を採用することができ
る。例えば、しきい値の下側範囲と上側範囲の２段階で
ゲインを変える方法や、下側範囲では標準的なサーボ制
御として一定の標準的なゲインを設定しておき、一方上
側範囲ではサーボエラーが大きくなればなるほどゲイン
を大きくするように設定する方法等を挙げることができ
る。また、ゲイン回路で設定されるゲインの値は、連続
的な値として設定することができるし、離散値で段階的
に設定することもできる。

【００２７】図６は、ゲイン回路の他の構成示す。この
例では、ゲイン回路１２に対してゲイン回路４２を並列
に接続し、比較器１８の出力のレベルに応じて切替器４
３を切替え、接続関係を変更するように構成している。
通常の標準的な凹凸ではゲイン回路１２を使用し、凹凸
変化が大きくなり、しきい値を越えたときには、切替器
４３の接続を切り替えて大きなゲインＧ３のゲイン回路
４２を使用する。かかる構成でも、前述と同様な効果を
発揮できる。

【００２８】ゲイン回路におけるゲインを凹凸変化の程
度に応じて変化・調整する構成については、その他に類
似した任意な構成を用いることができる。

【００２９】前記実施例はＳＴＭについて説明したが、
探針を備え、サーボ制御装置によって探針をその軸方向
に位置制御するように構成された走査型探針顕微鏡に対
して一般的に適用できるのはもちろんである。

【００３０】

【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、サーボエラーを増幅するための、ＳＴＭのサーボ
制御装置内に設けられたゲイン回路のゲインを、しきい
値を設定することによりサーボエラーとしきい値との大
小関係に基づき変化させるように構成したため、測定領
域の表面に凹凸変化の大きい箇所が含まれていたとして
も、凹凸変化の大きい箇所では前記ゲインを大きくして
探針の凹凸変化に対する追従性を高め、走査速度の高速
性を保ちながら、全体として精度の高い測定を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の要部構成
を示す構成図である。

【図２】試料表面の一例とサーボエラーの一例を示す図
である。

【図３】従来の走査型トンネル顕微鏡による探針軌跡を
示す図である。

【図４】本発明の走査型トンネル顕微鏡による探針軌跡
を示す図である。

【図５】サーボエラーとサーボ制御による追従時間との
関係を示す図である。

【図６】ゲイン回路の他の実施例を示す回路図である。

【符号の説明】

１ …探針 ２ …試料 ３，４，５ …圧電素子 ６ …電源 ７ …トンネル電流検出部 ８ …トンネル電流・距離変換部 １１ …第１の比較器 １８ …第２の比較器 ２０ …基準電圧設定器（しきい値設定
器） １２，１３，４２ …ゲイン回路 １５ …サーボ回路 ２１ …走査制御部 ２７ …測定データ記憶部 ２８ …データ処理部 ２９ …モニタ部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針・試料間で保持すべき一定距離を規
   定する基準値が設定され、測定領域で設定された各測定
   箇所での探針の高さ位置制御で、探針・試料間の距離を
   表すトンネル電流が前記基準値と一致するようにサーボ
   制御を行う走査型トンネル顕微鏡のサーボ制御装置にお
   いて、 しきい値が設定され、当該しきい値に基づいて前記基準
   値と前記トンネル電流の間のサーボエラーの大きさを判
   定する比較手段と、この比較手段の出力に基づき前記サ
   ーボエラーが前記しきい値を越えたとき前記サーボ制御
   のゲインを増加するサーボゲイン調整手段とを設けたこ
   とを特徴とする走査型トンネル顕微鏡のサーボ制御装
   置。