JPH07159419A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】制御偏差を所望の許容偏差値以下に保持させる
ことによって、高精度な測定値を得ることが可能な走査
型プローブ顕微鏡を提供する。 【構成】試料２の表面に沿って走査される探針４と、こ
の探針の変位又は探針と試料との間を流れるトンネル電
流を検出する検出器６と、この検出器から出力された検
出信号に基づいて探針の変位を制御する制御回路８と、
この制御回路から出力された制御信号に基づいて探針を
動作させる駆動素子１０と、探針を試料表面の沿って相
対的に走査させるスキャナ１２と、このスキャナを制御
する走査制御回路１４と、制御回路から出力された制御
信号を時系列的に記憶するデータ取込み回路１６と、制
御回路から出力された制御偏差信号Ｓ１に基づいて、走
査制御回路及びデータ取込み回路を作動制御する制御偏
差判定回路１８と、データ取込み回路に記憶されたデー
タを表示する表示器２０とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料の表面情報を測定
する走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、探針と試料との間の距離を制御す
る手段としては、例えば、走査型原子間力顕微鏡では、
通常の比例積分制御に基づいた手段が適用されており、
また、特開平２−２６５１５５号公報に示すような走査
型トンネル顕微鏡では、隣接する走査線は互いに類似し
たものとなることを利用した一種の予測制御に基づいた
手段が適用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法では、制御偏差を所望の許容偏差値以下に制御でき
る保証はなく、測定値に誤差が含まれてしまうという問
題がある。本発明は、このような問題点を解決するため
になされており、その目的は、制御偏差を所望の許容偏
差値以下に収束維持させることによって、高精度な測定
値を得ることが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供する
ことにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料の表
面に沿って走査される探針と、この探針の変位又は前記
探針と前記試料との間を流れるトンネル電流を検出する
検出器と、この検出器から出力された検出信号に基づい
て前記探針の変位を制御する制御回路と、この制御回路
から出力された制御信号に基づいて前記探針を動作させ
る駆動素子と、前記探針を前記試料の表面の沿って相対
的に走査させるスキャナと、このスキャナを制御する走
査制御回路と、前記制御回路から出力された制御信号を
時系列的に記憶するデータ取込み回路と、前記制御回路
から出力された制御偏差信号の値が所定の許容偏差値以
下に収束維持されるまで走査を停止させておくように、
走査制御回路及びデータ取込み回路に対する作動制御可
能な制御偏差判定回路とを備える。

【０００５】また、本発明には、走査開始前に上記制御
偏差信号の値が許容偏差値以下に収束維持されるよう
に、上記制御回路の制御系パラメータを予め設定するこ
とによって、走査時間を短縮化させる手段が設けられて
いる。

【０００６】

【作用】本発明によれば、制御偏差判定回路を介して走
査制御回路及びデータ取込み回路に対する作動制御を行
うことによって、制御回路から出力された制御偏差信号
の値が所定の許容偏差値以下に収束維持されるまで走査
が停止される。

【０００７】また、走査開始前に上記制御偏差信号の値
が許容偏差値以下に収束維持されるように、上記制御回
路の制御系パラメータを予め設定することによって、走
査時間が短縮化される。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の原理について説明した後、こ
の原理を適用した各実施例について説明する。図１に
は、本発明の原理に係る走査型プローブ顕微鏡の構成が
概略的に示されている。

【０００９】図１に示すように、本原理の走査型プロー
ブ顕微鏡は、試料２の表面に沿って走査される探針４
と、探針４の変位又は探針４と試料２との間を流れるト
ンネル電流を検出する検出器６と、この検出器６から出
力された検出信号に基づいて探針４の変位を制御する制
御回路８と、この制御回路８から出力された制御信号に
基づいて探針４を動作させる駆動素子１０と、探針４を
試料２表面の沿って相対的に走査させるスキャナ１２
と、このスキャナ１２を制御する走査制御回路１４と、
制御回路８から出力された制御信号を時系列的に記憶す
るデータ取込み回路１６と、制御回路８から出力された
制御偏差信号Ｓ１に基づいて、走査制御回路１４及びデ
ータ取込み回路１６を作動制御する制御偏差判定回路１
８と、データ取込み回路１６に記憶されたデータを表示
する表示器２０とを備えている。

【００１０】このような構成によれば、走査制御回路１
４を介してスキャナ１２を制御することによって、探針
４を試料２表面に対して相対的に走査させた場合、検出
器６は、探針４の変位又は探針４と試料２との間に流れ
るトンネル電流を検出して、その検出信号を制御回路８
へ出力する。

【００１１】制御回路８は、入力した検出信号に基づい
て、所定の制御信号を駆動素子１０に出力し、探針４の
変位又は探針４と試料２との間を流れるトンネル電流を
一定の値に維持させるように駆動素子１０を制御する。

【００１２】このとき、制御回路８からは制御偏差信号
Ｓ１が出力されるが、制御偏差判定回路１８は、制御偏
差信号Ｓ１に基づいて、走査停止信号Ｓ２及びデータ取
込み開始信号Ｓ３を出力する。

【００１３】具体的には、走査停止信号Ｓ２は、制御偏
差信号Ｓ１の値が所望の測定結果を得ることが可能な許
容偏差値以下に収束維持したことが判定されるまでの
間、制御偏差判定回路１８から走査制御回路１４へ出力
され続ける。従って、この間スキャナ１２の作動は停止
制御される。

【００１４】また、データ取込み開始信号Ｓ３は、制御
偏差信号Ｓ１の値が所望の測定結果を得ることができ得
る許容偏差値以下に収束維持したことが判定されるまで
の間、制御偏差判定回路１８からデータ取込み回路１６
へ出力されない。従って、この間データ取込み回路１６
の作動は停止制御される。

【００１５】いま、制御偏差信号Ｓ１の値が上記許容偏
差値以下に収束維持されたとき、制御偏差判定回路１８
は、データ取込み回路１６へデータ取込み開始信号Ｓ３
を出力した後、走査制御回路１４に対する走査停止信号
Ｓ２の出力状態を停止する。

【００１６】この結果、データ取込み回路１６が作動
し、このとき制御回路８から出力された制御信号は、デ
ータ取込み回路１６へ時系列的に記憶される。そして、
走査停止信号Ｓ２の出力停止によって、スキャナ１２を
介して探針４の試料２表面に対する走査が開始される。

【００１７】なお、データ取込み回路１６に記憶された
データは、表示器２０上に表示されることになる。この
ように、本原理によれば、制御偏差が所定の許容偏差値
以下に収束維持するまで走査を停止させておくことがで
きるため、従来の方法では含まれてしまうような測定誤
差を最小限に抑えることが可能となる。

【００１８】また、走査時間は、基本的に各測定点にお
いて制御偏差信号Ｓ１の値が上記許容偏差値以下に収束
するまでの時間に依存しているため、短時間で走査を行
う必要がある場合には、許容偏差値を大きく設定すれば
よく、また、高精度な測定を行う必要がある場合には、
許容偏差値を小さく設定すればよい。このように本原理
によれば、走査時間と測定制度との間のトレードオフ制
御を極めて簡単に行うことが可能となる。従って、単調
な表面形状と複雑な表面形状が混在する試料を測定する
場合、例えば許容偏差値を複雑な表面形状部分に対応し
て設定することによって、表面形状が単調な測定領域で
は制御偏差が短時間で収束して速い走査が可能となり、
且つ、表面形状が複雑な測定領域では走査速度が低下し
て高精度な測定が可能となる。

【００１９】次に、上記原理を適用した本発明の第１の
実施例に係る走査型プローブ顕微鏡について、図２を参
照して説明する。なお、本実施例の説明に際し、上記原
理と同一の構成には同一符号を付して、その説明を省略
する。

【００２０】図２に示すように、本実施例の走査型プロ
ーブ顕微鏡は、試料２の表面に沿って走査される探針４
と、探針４の変位を検出する変位検出器２２と、この検
出器２２から出力された検出信号に基づいて探針４の変
位を制御する制御回路８と、この制御回路８から出力さ
れた制御信号に基づいて探針４を動作させる駆動素子１
０と、探針４を試料２表面の沿って相対的に走査させる
スキャナ１２と、このスキャナ１２を制御する走査制御
回路１４と、制御回路８から出力された制御信号を時系
列的に記憶するデータ取込み回路１６と、制御回路８か
ら出力された制御偏差信号Ｓ１に基づいて、走査制御回
路１４及びデータ取込み回路１６を作動制御する制御偏
差判定回路１８と、データ取込み回路１６に記憶された
データを表示する表示器２０とを備えている。

【００２１】制御回路８は、所望の目標値を設定可能な
目標値設定器２４と、変位検出器２２から出力され増幅
器２６によって増幅された検出信号の値と上記目標値と
を差演算する引算器２８と、この引算器２８から出力さ
れた引算信号（即ち、絶対値信号）を積分する積分器３
０と、引算器２８から出力された引算信号を比例増幅す
る比例増幅器３２と、積分器３０及び比例増幅器３２か
ら出力された積分信号及び比例増幅信号に対して加演算
を施す加算器３４とを備えている。

【００２２】データ取込み回路１６は、加算器３４から
出力された加算信号即ち制御信号をＡ／Ｄ変換するＡ／
Ｄ変換器３６と、このＡ／Ｄ変換器３６から出力された
デジタル信号を時系列的に記憶するメモリ３８とを備え
ている。

【００２３】なお、メモリ３８に記憶されるデータは、
走査領域に対応した３次元データである。表示器２０
は、メモリ３８に記憶された３次元データに対して画像
処理を施す画像化回路４０と、この画像化回路４０から
出力された画像信号に基づいて、メモリ３８に記憶され
たデータを視覚的に３次元表示するディスプレイ（ＣＲ
Ｔ）４２とを備えている。

【００２４】また、制御偏差判定回路１８は、制御回路
８から出力される制御偏差信号Ｓ１（具体的には、引算
器２８から出力される引算信号即ち絶対値信号）の値に
基づいて、走査停止信号Ｓ２及びデータ取込み開始信号
Ｓ３を出力するように構成されている。

【００２５】具体的には、引算器２８から出力される絶
対値信号Ｓ１の値が、所望の許容偏差値を設定可能な許
容偏差設定器４６によって設定された許容偏差値以下に
収束維持されるまでの間、制御偏差判定回路１８から走
査制御回路１４へ走査停止信号Ｓ２が出力され続ける。
従って、この間スキャナ１２の作動は、走査駆動回路４
４を介して停止制御される。

【００２６】また、上記絶対値信号Ｓ１の値が許容偏差
値以下に収束維持されるまでの間、制御偏差判定回路１
８からデータ取込み回路１６へデータ取込み開始信号Ｓ
３は出力されない。より詳細には、上記データ取込み開
始信号Ｓ３は、Ａ／Ｄ変換開始信号であって、このＡ／
Ｄ変換開始信号Ｓ３が出力されない間は、Ａ／Ｄ変換器
３６は停止状態にあり、結果、この間データ取込み回路
１６の作動は停止制御されることになる。

【００２７】なお、上記絶対値信号Ｓ１の値が許容偏差
値以下に収束維持される時間は、収束時間設定器４８に
よって適宜設定することが可能である。このような構成
によれば、走査開始スイッチ５０を入れると、走査制御
回路１４は、走査駆動回路４４を介してスキャナ１２を
２次元制御する。この結果、探針４が、試料２表面に沿
って相対的に２次元走査される。

【００２８】走査開始前の静止状態では、探針４の位置
は、目標値設定器２４で設定された目標位置に位置付け
られているため、制御偏差判定回路１８は、走査制御回
路１４へ走査停止信号Ｓ２を出力していない。

【００２９】走査が開始されて探針４が新たな測定点に
移動されると、探針４は、その測定点において試料２と
の間で原子間力を受けて変位する。この変位の変化は変
位検出器２２によって検出され、その検出信号は、増幅
器２６によって増幅された後、引算器２８に入力され
る。

【００３０】引算器２８は、上記検出信号の値と上記目
標値との間で差演算を施す。引算器２８から出力された
引算信号は、積分器３０及び比例増幅器３２を介して加
算器３４に入力され、ここで加演算が施される。

【００３１】このような制御回路８（実際には、加算器
３４）から出力された制御信号即ち加算信号は、駆動回
路５２へ出力される。そして、この駆動回路５２は、加
算信号に基づいて、探針４と試料２表面との間の距離が
一定に維持されるように、駆動素子１０を制御する。従
って、制御回路８から出力される加算信号は、試料２の
凹凸高さに比例している。

【００３２】このとき、制御偏差判定回路１８は、引算
器２８から出力される絶対値信号即ち制御偏差信号Ｓ１
の値を許容偏差値に対して判定し続けており、制御偏差
信号Ｓ１の値が許容偏差値以下に収束維持されるまでの
間、走査停止信号Ｓ２を走査制御回路１４へ出力し続け
ると共に、Ａ／Ｄ変換開始信号Ｓ３をＡ／Ｄ変換器３６
へ出力しない。従って、この間走査は停止状態に維持さ
れると共に、制御回路８から出力された加算信号即ち制
御信号に対する記憶処理は行われない。

【００３３】いま、収束時間設定器４８によって設定さ
れた収束時間に対応するように、引算器２８から出力さ
れた絶対値信号即ち制御偏差信号Ｓ１の値が許容偏差値
以下に収束維持されたとき、制御偏差判定回路１８から
Ａ／Ｄ変換器３６へＡ／Ｄ変換開始信号Ｓ３が出力され
る。

【００３４】この結果、制御回路８から出力された加算
信号即ち制御信号は、Ａ／Ｄ変換器３６を介してデジタ
ル信号に変換された後、メモリ３８に時系列的に記憶さ
れる。メモリ３８に記憶された３次元データは、画像化
回路４０を介して画像処理が施された後、ＣＲＴ４２上
に３次元表示される。

【００３５】続いて、制御偏差判定回路１８は、上記Ａ
／Ｄ変換が終了するのを待って、次に、走査制御回路１
４に対する走査停止信号Ｓ２の出力状態を解除する。こ
の結果、再び、スキャナ１２が作動して、探針４を次に
測定すべき測定点に移動させ、新たな走査を開始する。

【００３６】本実施例において、制御偏差信号Ｓ１の値
が許容偏差値以下に収束維持されることを制御偏差収束
の条件としているのは、制御偏差のオーバーシュートや
ハンチングが収束されるのを待つためである。また、制
御偏差判定回路１８の時間設定は、測定に使用する探針
４の特性、試料２の特性、駆動素子１０の特性等によっ
て規定される。

【００３７】以上は、測定点１点当りの動作説明である
が、実際には、上記の動作を測定領域内の各測定点で繰
り返し行って試料の微細３次元形状を測定する。なお、
本実施例の効果は、上述した原理の効果と同様であるた
め、その説明は省略する。

【００３８】次に、上記原理を適用した本発明の第２の
実施例に係る走査型プローブ顕微鏡について、図３を参
照して説明する。なお、本実施例の説明に際し、第１の
実施例と同一の構成には同一符号を付して、その説明を
省略する。

【００３９】図３に示すように、本実施例の走査型プロ
ーブ顕微鏡は、走査開始前に、上記制御偏差信号Ｓ１の
値が許容偏差値以下に収束維持されるように制御回路８
の制御系パラメータを予め設定することによって、走査
時間を短縮化させることを目的として構成されており、
この目的を達成するために、インパルス発生器５４と偏
差収束時間測定器５６とを備えている。

【００４０】このような構成によれば、まず、インパル
ス発生器５４を作動させて、所定のパルスを加算器３４
へ出力する。加算器３４は、積分器３０及び比例増幅器
３２から出力された積分信号及び比例増幅信号と上記パ
ルスとを加演算する。

【００４１】走査停止状態では、上記積分信号及び比例
増幅信号は、安定状態にあるが、加算器３４から出力さ
れた加算信号が入力された駆動回路５２は、パルス成分
に基づいて、駆動素子１０にパルス状の振動を与える。
これは制御回路８の制御系にインパルス応答を生じさせ
るためである。

【００４２】このとき、探針４は、駆動素子１０のパル
ス状振動に対応して変位する。探針４の変位は、変位検
出器２２によって検出された後、その検出信号は、増幅
器２６を介して引算器２８に入力される。

【００４３】このとき、引算器２８から出力される引算
信号即ち制御偏差信号Ｓ１の値は、許容偏差値よりも大
きくなるため、制御偏差判定回路１８から走査制御回路
１４へ走査停止信号Ｓ２が出力される。なお、走査制御
回路１４は、停止状態にあるため、走査停止信号Ｓ２が
入力されても動作上の変化は生じない。

【００４４】引算器２８を介して制御回路８に入力され
た検出信号に基づいて、制御回路８は、発生している制
御偏差を除去するように動作を開始する。このとき、偏
差収束時間測定器５６は、走査停止信号Ｓ２が出力され
ている時間を測定し表示する。

【００４５】即ち、例えば積分器３０の時定数及び比例
増幅器３２のゲイン等の制御系パラメータの設定が不適
切な場合には、偏差収束時間測定器５６に表示される表
示値は大きくなる。

【００４６】従って、偏差収束時間測定器５６に表示さ
れる表示値が小さくなるように、制御回路８の制御系パ
ラメータの設定制御が行われる。そして、最適な制御系
パラメータの設定が完了したとき、制御偏差判定回路１
８は、走査制御回路１４への走査停止信号Ｓ２の出力状
態を解除する。

【００４７】このように、本実施例によれば、走査開始
前に、制御偏差を除去できるような最適な制御系パラメ
ータを初期設定させることができるため、走査時におけ
る走査時間を短縮化させることが可能となる。なお、他
の効果は、上記原理と同様であるため、その説明は省略
する。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、制御偏差が所定の許容
偏差値以下に収束維持するまで走査を停止させておくこ
とができるため、従来の方法では含まれてしまうような
測定誤差を最小限に抑えることができる走査型プローブ
顕微鏡を提供することが可能となる。

【００４９】また、本発明の走査型プローブ顕微鏡によ
れば、走査開始前に制御偏差信号の値が許容偏差値以下
に収束維持されるように、制御回路の制御系パラメータ
を予め設定することができるため、走査時間を短縮化さ
せることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理に係る走査型プローブ顕微鏡の構
成を概略的に示す図。

【図２】本発明の第１の実施例に係る走査型プローブ顕
微鏡の構成を概略的に示す図。

【図３】本発明の第２の実施例に係る走査型プローブ顕
微鏡の構成を概略的に示す図。

【符号の説明】

２…試料、４…探針、６…検出器、８…制御回路、１０
…駆動素子、１２…スキャナ、１４…走査制御回路、１
６…データ取込み回路、１８…制御偏差判定回路、２０
…表示器、Ｓ１…制御偏差信号。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 信明 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の表面に沿って走査される探針と、 この探針の変位又は前記探針と前記試料との間を流れる
   トンネル電流を検出する検出器と、 この検出器から出力された検出信号に基づいて前記探針
   の変位を制御する制御回路と、 この制御回路から出力された制御信号に基づいて前記探
   針を動作させる駆動素子と、 前記探針を前記試料の表面の沿って相対的に走査させる
   スキャナと、 このスキャナを制御する走査制御回路と、 前記制御回路から出力された制御信号を時系列的に記憶
   するデータ取込み回路と、 前記制御回路から出力された制御偏差信号の値が所定の
   許容偏差値以下に収束維持されるまで走査を停止させて
   おくように、走査制御回路及びデータ取込み回路に対す
   る作動制御可能な制御偏差判定回路とを備えていること
   を特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 走査開始前に上記制御偏差信号の値が許
   容偏差値以下に収束維持されるように、上記制御回路の
   制御系パラメータを予め設定することによって、走査時
   間を短縮化させる手段を備えていることを特徴とする請
   求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 上記許容偏差値を所望の値に設定可能な
   許容偏差設定器を備えていることを特徴とする請求項１
   又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。