JPH10153602A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】任意に設定したサンプリング範囲の全域に亘っ
て常に等間隔に分割したサンプリングパルスを生成可能
な走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【解決手段】アナログ振幅波形のデジタルカウンタ値Ａ
を出力してアクチュエータ２を変位させるアップダウン
カウンタ６と、デジタルカウンタ値に基づいて、サンプ
リング範囲全域を等分割したサンプリングパルスを生成
するサンプリングパルス生成手段２６とを備え、この生
成手段は、デジタルカウンタ値とアナログ振幅波形半周
期のサンプリングパルス数Ｂを乗算する第１の乗算器２
８と、現在のサンプリングパルス数をカウントするアッ
プカウンタ３０と、このカウンタの第２のカウンタ値Ｄ
とアナログ振幅波形の振幅値Ｃを乗算する第２の乗算器
３２と、これら乗算結果に比較演算処理を施す比較器３
４と、比較演算結果に基づいてサンプリングパルスを出
力する第３のナンドゲート回路３６を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば原子オーダ
ーの分解能で試料の表面情報等を測定することが可能な
走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰ
Ｍ）として、例えば走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等が知られており、いずれの
顕微鏡においても、３軸方向（例えば、図５に示すＸＹ
Ｚ方向）に高い分解能が要求される。

【０００３】このため、図５に示すように、走査型プロ
ーブ顕微鏡（図示しない）には、探針を試料に対して相
対的に移動させるアクチュエータ（例えば圧電体スキャ
ナ）２が設けられている。なお、同図では、探針及び試
料は図示しない。

【０００４】走査型プローブ顕微鏡によって試料の表面
情報等を測定する場合、一般的には、ＳＰＭ測定開始前
にフォースカーブ測定と呼ばれる試料に対する探針圧設
定プロセスが行われる。そして、探針圧設定プロセスに
おいて設定した探針圧を維持するように、アクチュエー
タ２をフィードバック制御しながら探針を試料に沿って
ＸＹ走査することによってＳＰＭ測定が行われる（仮
に、ＸＹ走査プロセスという）。

【０００５】このような探針圧設定プロセス及びＸＹ走
査プロセスにおいて、アクチュエータ２には、電圧印加
回路（図５参照）から三角波形の電圧（図３参照）が印
加されるが、この印加電圧（三角波）の振幅や周期は、
試料や測定状況に応じて変化させている。

【０００６】電圧印加回路は、マイクロコンピュータ４
と、このマイクロコンピュータ４からの信号に基づい
て、アクチュエータ２をＸ方向又はＹ方向又はＺ方向に
変位させるアップダウンカウンタ６とを備えており、ア
ップダウンカウンタ６は、デジタル／アナログ変換器
（Ｄ／Ａ）８からローパスフィルタ１０を介してアクチ
ュエータ２に接続されている。

【０００７】また、アクチュエータ２のアナログ振幅
（アナログ印加電圧）の初期カウンタ値Ｋと最終カウン
タ値Ｊは、マイクロコンピュータ４によって予め設定さ
れ、その初期カウンタ値Ｋがアップダウンカウンタ６の
ロード用端子（LOAD）に入力され、その最終カウンタ値
Ｊが比較器１２に入力される。

【０００８】比較器１２には、アップダウンカウンタ６
から出力されるデジタルカウンタ値Ａが入力されてお
り、このデジタルカウンタ値Ａと最終カウンタ値Ｊとの
間の比較演算結果に基づいて、マイクロコンピュータ４
のアナログ振幅の初期カウンタ値Ｋと最終カウンタ値Ｊ
を更新するように制御されている。

【０００９】また、電圧印加回路には、マイクロコンピ
ュータ４によって設定されたトリガタイミングに同期し
てトリガ信号Ｐ（図２（ａ）参照）を出力するトリガ生
成手段（具体的には、クロック信号発生器）１４が設け
られている。

【００１０】クロック信号発生器１４は、第１及び第２
のナンドゲート回路１６，１８を介してアップダウンカ
ウンタ６のアップ端子（UP）及びダウン端子（DOWN）に
接続されている。

【００１１】なお、第１のナンドゲート回路１６には、
マイクロコンピュータ４からのディレクション信号Ｅ
（図２（ｃ）参照）がインバータ２０を介して入力され
るようになっており、一方、第２のナンドゲート回路１
８には、ディレクション信号Ｅが直接入力されるように
なっている。なお、ディレクション信号Ｅは、一定のタ
イミングで“Ｌ”から“Ｈ”に反転しているものとする
（図２（ｃ）参照）。

【００１２】以下、探針圧設定プロセスやＸＹ走査プロ
セスにおいて、アクチュエータ２を一定時間Ｔ（図２
（ｂ）参照）内で且つＸ方向又はＹ方向又はＺ方向に一
定範囲で変位させながら一定間隔でサンプリングする場
合について図５を参照して説明する。

【００１３】まず、図２（ｂ）に示すように、アクチュ
エータ２のアナログ振幅（アナログ印加電圧）Ｍの初期
カウンタ値ＫをＭ１とし最終カウンタ値ＪをＭ２とし、
アクチュエータ２を初期カウンタ値Ｍ１から最終カウン
タ値Ｍ２まで変位させる場合について説明する。

【００１４】この場合、クロック信号発生器１４から出
力されたトリガ信号即ちクロック信号Ｐ（図２（ａ）参
照）は、ディレクション信号Ｅによってゲートをかけら
れた後、アップ信号Ｇ１又はダウン信号Ｇ２となってア
ップダウンカウンタ６のアップ端子（UP）又はダウン端
子（DOWN）に入力される。

【００１５】具体的には、いま、マイクロコンピュータ
４から“Ｌ”のディレクション信号Ｅが出力されている
ものとすると、第１のナンドゲート回路１６には、イン
バータ２０を介して信号“Ｈ”が入力され、一方、第２
のナンドゲート回路１８には、信号“Ｌ”が入力され
る。この場合、第２のナンドゲート回路１８からダウン
端子（DOWN）に出力されるダウン信号Ｇ２は、常時
“Ｈ”に固定され、一方、第１のナンドゲート回路１６
からアップ端子（UP）に出力されるアップ信号Ｇ１は、
クロック信号Ｐのクロックタイミングに同期して“Ｌ”
と“Ｈ”が交互に繰り返される。

【００１６】この場合、アップダウンカウンタ６は、
“Ｌ”のディレクション信号が出力されている時間中、
例えばクロック信号Ｐの立ち上がりタイミングに同期し
たアップ用デジタルカウンタ値Ａを出力する（図２
（ａ），（ｂ），（ｃ）参照）。

【００１７】続いて、アップ用デジタルカウンタ値Ａ
は、デジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ）８を介してア
ップ用アナログ電圧信号（図２（ｂ）参照）に変換され
た後、ローパスフィルタ１０を介してアクチュエータ２
に印加される。

【００１８】このとき、アクチュエータ２に印加される
三角波状電圧（図３参照）によって、アクチュエータ２
は、Ｘ方向又はＹ方向又はＺ方向に変位することにな
る。また、“Ｌ”のディレクション信号が出力されてい
る時間中、アップダウンカウンタ６からのアップ用デジ
タルカウンタ値Ａは、比較器１２にも出力されており、
比較器１２は、アナログ振幅Ｍの最終カウンタ値Ｍ２
（＝Ｊ）とデジタルカウンタ値Ａとを比較演算する。そ
して、これら双方の値Ｍ２，Ａが等しくなったとき、更
新信号Ｒをマイクロコンピュータ４に出力する。このと
き、アクチュエータ２は、アナログ振幅Ｍのうち、初期
カウンタ値Ｍ１（＝Ｋ）から最終カウンタ値Ｍ２までＸ
方向又はＹ方向又はＺ方向に変位したことになる。

【００１９】次に、更新信号Ｒの出力タイミングに同期
して、マイクロコンピュータ４は、新たな初期カウンタ
値Ｋ（＝Ｍ２）をアップダウンカウンタ６のロード用端
子（LOAD）に出力すると共に、新たな最終カウンタ値Ｊ
（＝Ｍ１）を比較器１２に出力する。

【００２０】このとき、マイクロコンピュータ４から
“Ｈ”のディレクション信号Ｅが出力され、第１のナン
ドゲート回路１６には、インバータ２０を介して信号
“Ｌ”が入力される。そして、第２のナンドゲート回路
１８には、信号“Ｈ”が入力される。この場合、アップ
ダウンカウンタ６は、“Ｈ”のディレクション信号Ｅが
出力されている時間中、例えばクロック信号Ｐの立ち上
がりタイミングに同期したダウン用デジタルカウンタ値
Ａを出力する。この結果、アクチュエータ２は、アナロ
グ振幅Ｍのうち、初期カウンタ値Ｍ２から最終カウンタ
値Ｍ１までＸＹ方向又はＺ方向に変位することになる。

【００２１】このようにアナログ振幅（Ｍ１〜Ｍ２）に
亘ってアクチュエータ２を時間Ｔ内でアナログ振幅させ
ている間（図２（ｂ）参照）、第１のナンドゲート回路
１６から出力されるアップ信号Ｇ１と第２のナンドゲー
ト回路１８から出力されるダウン信号Ｇ２は、１／ｎ分
周器２２を介して反転入力型ノア回路２４に入力され
る。そして、この反転入力型ノア回路２４から出力され
るサンプリングパルスに基づいて、試料の表面情報等が
測定されることになる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、サンプリン
グパルスに基づいて測定された試料の表面情報等は、画
像メモリ（図示しない）に格納してモニタ表示されるた
め、通常、サンプリングパルス数は、例えば２５６や５
１２等の一定値となっている。

【００２３】これに対して、アクチュエータ２のアナロ
グ振幅Ｍは、試料の種類や測定状況（測定範囲）等に応
じて任意に設定される。このため、任意に設定されたア
ナログ振幅Ｍは、上記サンプリングパルス数によって割
り切れるような切りの良い値となるとは限らない。

【００２４】従って、従来のような１／ｎ分周器２２に
よってサンプリングパルス数を設定した場合、割り切れ
ずに残った部分がサンプリングできない誤差値となり、
結果的に、設定したアナログ振幅とは異なる振幅データ
が測定値に取り込まれ、正確な測定データを得ることが
困難になってしまうといった問題が生じる。

【００２５】本発明は、このような課題を解決するため
に成されており、その目的は、任意に設定したサンプリ
ング範囲の全域に亘って常に等間隔に分割したサンプリ
ングパルスを生成可能な走査型プローブ顕微鏡を提供す
ることにある。

【００２６】

【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、アクチュ
エータを所定方向に所定量だけ変位させるように、任意
に設定したアナログ振幅波形の第１のカウンタ値を出力
する第１のカウンタと、この第１のカウンタから出力さ
れる第１のカウンタ値に基づいて、任意に設定したサン
プリング範囲の全域に亘って常に等間隔に分割したサン
プリングパルスを生成可能なサンプリングパルス生成手
段とを備えている。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る走査型プローブ顕微鏡について、図１〜図４を参照し
て説明する。本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡は、
１／ｎ分周器２２（図５参照）の代わりにサンプリング
パルス生成手段２６を備えて構成したことを特徴として
おり、このサンプリングパルス生成手段２６は、任意に
設定したサンプリング範囲の全域に亘って常に等間隔に
分割したサンプリングパルスを生成するように制御され
ている。なお、他の構成は、上記従来の走査型プローブ
顕微鏡（図５参照）と同一であるため、同一符号を付し
て、その説明を省略する。

【００２８】図１に示すように、本実施の形態の走査型
プローブ顕微鏡は、アクチュエータ２を所定方向に所定
量だけ変位させるように、任意に設定したアナログ振幅
波形の第１のカウンタ値Ａ（即ち、デジタルカウンタ値
Ａ）を出力する第１のカウンタ（即ちアップダウンカウ
ンタ６）と、このアップダウンカウンタ６から出力され
る第１のカウンタ値Ａに基づいて、任意に設定したサン
プリング範囲の全域に亘って常に等間隔に分割したサン
プリングパルスを生成可能なサンプリングパルス生成手
段２６とを備えている。

【００２９】サンプリングパルス生成手段２６は、第１
のカウンタ値Ａとアナログ振幅波形半周期に生成させる
サンプリングパルス数Ｂとに所定の乗算処理を施す第１
の乗算器２８と、現在のサンプリングパルス数（図２
（ｅ）参照）をカウントする第２のカウンタ３０（即
ち、アップカウンタ３０）と、このアップカウンタ３０
から出力される第２のカウンタ値Ｄとアナログ振幅波形
の振幅値Ｃとに所定の乗算処理を施す第２の乗算器３２
と、第１及び第２の乗算器２８，３２の夫々の乗算結果
に比較演算処理を施す比較器３４と、この比較器３４の
比較演算結果に基づいて、サンプリング範囲の全域に亘
って等間隔に分割したサンプリングパルスを出力する出
力手段３６（即ち、第３のナンドゲート回路３６）とを
備えている。

【００３０】アップカウンタ３０には、ディレクション
信号Ｅ（図２（ｃ）参照）が入力されており、信号
“Ｌ”，“Ｈ”の反転タイミングに同期して、第２のカ
ウンタ値Ｄがクリア（初期化）されるように制御されて
いる。

【００３１】比較器３４は、 Ｄ／Ａ≦Ｂ／Ｃ …（１） なる比較演算処理を実行するように制御されている。

【００３２】そして、第３のナンドゲート回路３６は、
条件式（１）を満足したときに、サンプリングパルスを
出力するように制御されている。なお、本実施の形態に
おいて、上記サンプリングパルス数Ｂ及びアナログ振幅
波形の振幅値Ｃは、夫々、マイクロコンピュータ４によ
って予め設定されているものとする。そして、サンプリ
ングパルス数Ｂは、アナログ振幅波形の半周期（アナロ
グ振幅波形の１周期Ｔ（図２（ｂ）参照）の半分の時
間）に第３のナンドゲート回路３６から出力させるべき
サンプリングパルス数を意味しており、一方、アナログ
振幅波形の振幅値Ｃは、図２（ｂ）のアナログ振幅Ｍの
初期カウンタ値と最終カウンタ値の差｜Ｍ２−Ｍ１｜を
意味している。

【００３３】以下、本実施の形態に適用したサンプリン
グパルス生成手段２６の動作について説明する。まず、
マイクロコンピュータ４から“Ｌ”のディレクション信
号Ｅが出力されているものとすると（図２（ｃ）参
照）、アップダウンカウンタ（第１のカウンタ）６から
出力されたデジタルカウンタ値（第１のカウンタ値）Ａ
は、第１の乗算器２８に入力された後、サンプリングパ
ルス数Ｂと乗算（Ａ×Ｂ）される。

【００３４】同時に、アップカウンタ（第２のカウン
タ）３０から出力された第２のカウンタ値Ｄ（現在のサ
ンプリングパルス数（図２（ｅ）参照））は、第２の乗
算器３２に入力された後、アナログ振幅波形の振幅値Ｃ
と乗算（Ｃ×Ｄ）される。

【００３５】続いて、これら第１及び第２の乗算器２
８，３２の乗算結果は、比較器３４に入力された後、 （Ａ×Ｂ）≧（Ｃ×Ｄ） …（２） なる比較演算処理が施される。そして、この条件式
（２）を満足されたとき比較器３４から信号“Ｈ”が出
力され、これに対して、上記条件式を満足しないとき比
較器３４から信号“Ｌ”が出力される（図２（ｄ）参
照）。

【００３６】図２（ｄ），（ｅ）に示すように、比較器
３４から信号“Ｌ”が出力された場合、第３のナンドゲ
ート回路３６からは、信号“Ｈ”のみが出力される。こ
れに対して、比較器３４から信号“Ｈ”が出力された場
合には、第３のナンドゲート回路３６からは、クロック
信号Ｐ（図２（ａ）参照）に同期した“Ｈ，Ｌ”の反転
信号即ちサンプリングパルスが出力される。

【００３７】このとき、第３のナンドゲート回路３６か
ら出力されたサンプリングパルスの立上がり成分が、ア
ップカウンタ３０によってカウントされ、その第２のカ
ウンタ値Ｄが、現在のサンプリングパルス数を示すこと
となる。

【００３８】具体的には、マイクロコンピュータ４から
“Ｌ”のディレクション信号Ｅが出力されている間（図
２（ｂ）の時間ｔ１〜ｔ２の間）、サンプリングパルス
の立上がり成分をクロック信号Ｐに従って｛１，２，
３，４…｝とカウントする（図２（ｅ）参照）。なお、
本実施の形態では、その一例として、サンプリングパル
ス数は、｛１〜４｝となっている。

【００３９】この結果、アナログ振幅Ｍの初期カウンタ
値Ｍ１から最終カウンタ値Ｍ２に亘る振幅（サンプリン
グ範囲）について等間隔に分割したサンプリングパルス
を出力させることが可能となる。

【００４０】次に、マイクロコンピュータ４から“Ｈ”
のディレクション信号Ｅが出力されたとき、アップカウ
ンタ３０の第２のカウンタ値Ｄは、クリア（初期化）さ
れ、再び、上述した信号処理プロセスと同様に、サンプ
リングパルスが｛１，２，３…｝とカウントし直される
ことになる。

【００４１】なお、この場合には、アップダウンカウン
タ（第１のカウンタ）６から出力されたダウン用デジタ
ルカウンタ値が第１のカウンタ値Ａとなるが、上記同様
に、（Ａ×Ｂ）≧（Ｃ×Ｄ）なる比較演算処理に基づい
て出力されたサンプリングパルスは、アナログ振幅Ｍの
初期カウンタ値Ｍ２から最終カウンタ値Ｍ１に亘る振幅
（サンプリング範囲）について等間隔に分割したサンプ
リングパルスとなる（図２（ｂ），（ｅ）参照）。

【００４２】このように本実施の形態によれば、任意に
設定したサンプリング範囲の全域（即ち、アナログ振幅
波形の１周期Ｔ（図２（ｂ）参照）の振幅全域）に亘っ
て常に等間隔に分割したサンプリングパルスを生成する
ことができるため、常に正確な測定データを得ることが
可能となる。

【００４３】なお、図４に示すように、横軸にアナログ
振幅Ｍの振幅値Ｃ、縦軸にサンプリングパルス数をとる
と、直線Ｓは、アナログ振幅Ｍの全域（｜Ｍ２−Ｍ１
｜）で等間隔にサンプリングパルスが出力されているこ
とを意味する。即ち、上述した条件式（１），（２）
は、夫々、「図４中斜線部分の値となっているときは、
サンプリングパルスを出力し、そうでないときはサンプ
リングパルスを出力しない」という制御を行うことを意
味している。従って、本実施の形態に適用したサンプリ
ングパルス生成手段２６によれば、理想直線Ｓに沿うよ
うにサンプリングパルスを出力させることが可能とな
る。

【００４４】また、本発明は、上述した実施の形態に限
定されることは無く、新規事項を追加しない範囲で種々
変更することが可能である。例えば、トリガ生成手段
（クロック信号発生器１４）の代わりに例えばマイクロ
コンピュータ４のタイマー割り込み素子（図示しない）
を用いると共に、第１のカウンタ（アップダウンカウン
タ６）及び第２のカウンタ（アップカウンタ３０）の代
わりにマイクロコンピュータ４のレジスタ（図示しな
い）を用いても良い。この場合、タイマー割り込み素子
の割り込みタイミングに同期して上記条件式（１），
（２）の比較演算処理が行われ、サンプリングパルス
は、マイクロコンピュータのポート（図示しない）から
直接出力されることになる。

【００４５】このような変形例によれば、マイクロコン
ピュータ４のソフトウェアによって上述した信号処理を
行うことができるため、第１及び第２の乗算器２８，３
２や比較器３４等から成る複雑な回路構成を簡略化でき
る点で有効である。なお、他の効果は、上記実施の形態
と同様であるため、その説明は省略する。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、任意に設定したサンプ
リング範囲の全域に亘って常に等間隔に分割したサンプ
リングパルスを生成可能な走査型プローブ顕微鏡を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態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】（ａ）は、クロック信号発生器から出力された
クロック信号の出力状態を示す図、（ｂ）は、アップダ
ウンカウンタから出力されたカウンタ値の出力状態を示
す図、（ｃ）は、マイクロコンピュータから出力された
ディレクション信号の出力状態を示す図、（ｄ）は、比
較器から出力された信号の出力状態を示す図、（ｅ）
は、サンプリングパルス生成手段から出力されたサンプ
リングパルスの出力状態を示す図。

【図３】アクチュエータに印加される三角波形の電圧の
特性を示す図。

【図４】サンプリングパルス数とアナログ振幅の振幅値
との関係を示す図。

【図５】従来の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】

６ アップダウンカウンタ ２６ サンプリングパルス生成手段 ２８ 第１の乗算器 ３０ アップカウンタ ３２ 第２の乗算器 ３４ 比較器 ３６ 第３のナンドゲート回路 Ａ デジタルカウンタ値（第１のカウンタ値） Ｂ サンプリングパルス数 Ｃ アナログ振幅波形の振幅値 Ｄ 第２のカウンタ値

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アクチュエータを所定方向に所定量だけ
   変位させるように、任意に設定したアナログ振幅波形の
   第１のカウンタ値を出力する第１のカウンタと、 この第１のカウンタから出力される第１のカウンタ値に
   基づいて、任意に設定したサンプリング範囲の全域に亘
   って常に等間隔に分割したサンプリングパルスを生成可
   能なサンプリングパルス生成手段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】 前記サンプリングパルス生成手段は、 前記第１のカウンタ値と前記アナログ振幅波形の半周期
   に生成させるサンプリングパルス数とに所定の乗算処理
   を施す第１の乗算器と、 現在のサンプリングパルス数をカウントする第２のカウ
   ンタと、 この第２のカウンタから出力される第２のカウンタ値と
   前記アナログ振幅波形の振幅値とに所定の乗算処理を施
   す第２の乗算器と、 前記第１及び第２の乗算器の夫々の乗算結果に比較演算
   処理を施す比較器と、 この比較器の比較演算結果に基づいて、サンプリング範
   囲の全域に亘って等間隔に分割したサンプリングパルス
   を出力する出力手段と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】 前記比較器は、前記第１のカウンタ値を
   Ａ、前記第２のカウンタ値をＤ、前記アナログ振幅波形
   の半周期に生成させるサンプリングパルス数をＢ、前記
   アナログ振幅波形の振幅値をＣとすると、 Ｄ／Ａ≦Ｂ／Ｃ なる比較演算処理を実行するように制御されており、 また、前記出力手段は、前記条件式を満足したときに、
   サンプリングパルスを出力するように制御されているこ
   とを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微
   鏡。