JPH10282117A - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope

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JPH10282117A
JPH10282117A JP8311297A JP8311297A JPH10282117A JP H10282117 A JPH10282117 A JP H10282117A JP 8311297 A JP8311297 A JP 8311297A JP 8311297 A JP8311297 A JP 8311297A JP H10282117 A JPH10282117 A JP H10282117A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an accurate image even if the image is scanned speedily when sampling a moving image by previously generating the amount of operation to a Z-directional drive mechanism on a next scanning based on image data that are obtained by previous scannings. SOLUTION: Data on amount of operation in Z direction of a probe 2 at each scanning position of a sample W are stored at an image memory 5. A part 7 for generating a signal on the amount of foresight operation reads the previous amount-of-operation signal of the image memory 5, uses an xy scanning signal on a next scanning as a timing signal, and generates an amount-of- foresight-operation signal so that the same amount of z-axis operation can be obtained at the same xy scanning position. Then, the amount-of-operation signal from a controller 24 and the amount-of-foresight-operation signal from the part 7 for generating a signal on the amount of foresight operation are added by an addition point 32 and a signal after the addition is supplied to a piezoelectric driver 22 as the amount-of-operation signal, thus increasing the probability following the surface of the sample W faithfully due to the Z-direction drive mechanism and obtaining a highly accurate image information at a relatively high scanning speed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は走査型トンネル顕微
鏡や原子間力顕微鏡をはじめとする、走査型プローブ顕
微鏡に関する。
The present invention relates to a scanning probe microscope, such as a scanning tunnel microscope and an atomic force microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡(STM)や原子
間力顕微鏡(AFM)等の走査型プローブ顕微鏡におい
ては、一般に、探針または試料をxy方向(試料表面に
沿う2次元方向)に走査するとともに、その走査中に、
探針と試料間に作用するトンネル電流や原子間力等の特
定の物理量を検出し、その検出値が設定値と一致するよ
うに探針または試料をz方向(探針と試料の接近/離隔
方向)に駆動制御し、そのz方向への刻々の制御操作量
を各走査位置における試料表面の画像データとして、C
RT等の表示器に表示する。
2. Description of the Related Art In a scanning probe microscope such as a scanning tunneling microscope (STM) or an atomic force microscope (AFM), a probe or a sample is generally scanned in xy directions (two-dimensional directions along the sample surface). And during that scan,
A specific physical quantity such as a tunnel current or an atomic force acting between the probe and the sample is detected, and the probe or the sample is moved in the z direction (approach / separation between the probe and the sample) so that the detected value matches the set value. Direction), and the control amount in the z direction is used as image data of the sample surface at each scanning position as C data.
Display on a display such as RT.

【0003】このような走査型プローブ顕微鏡により、
反応の活性な表面や生体膜等の動画像を採取して、その
構造の時間的変化を追跡することが行われている。現
在、例えば1画面が256×256画素の分解能で、約
10nm平方の領域の走査を5画面/秒の走査速度でデ
ータ採取して、十分なコントラストの画像が得られてい
る。
With such a scanning probe microscope,
2. Description of the Related Art A moving image of an active surface of a reaction, a biological membrane, or the like is collected, and a temporal change of the structure is tracked. At present, for example, one screen has a resolution of 256 × 256 pixels and data of a scan of an area of about 10 nm square is collected at a scan speed of 5 screens / sec, and an image with a sufficient contrast is obtained.

【0004】また、このような動画像の採取以外の使用
においても、走査型プローブ顕微鏡の走査速度を高める
工夫が種々行われている。走査型プローブ顕微鏡におけ
る走査速度は、通常、トンネル電流や原子間力を一定に
保つように動作するz方向への駆動を司るサーボ系の追
従特性に応じて選択されるのであるが、分析試料の表面
状態や、設定されている走査速度に応じて、適応的にサ
ーボ系の定数を自動的に切り換えるようにしたものが知
られている。すなわち、1画面の走査領域内において、
凹凸の激しい領域が局在している場合があり、単に走査
速度を高くしたのでは、凹凸の激しい領域においてz方
向制御を司るサーボ系が追いつかず、トンネル電流や原
子間力等の特定の物理量が設定値から偏差した状態で走
査が行われ、測定精度が低下する。上記の対策では、こ
のような凹凸の激しい領域において、サーボ系の定数を
高応答側に自動的に切り換えることで、偏差を少なくし
ている。
[0004] Various uses have been made to increase the scanning speed of a scanning probe microscope even in uses other than the collection of moving images. The scanning speed in a scanning probe microscope is usually selected according to the tracking characteristics of a servo system that drives in the z direction that operates so as to keep the tunnel current and the interatomic force constant. There is known a system in which constants of a servo system are automatically and adaptively switched according to a surface state and a set scanning speed. That is, within the scanning area of one screen,
There may be localized areas with severe irregularities.If the scanning speed is simply increased, the servo system that controls the z-direction cannot keep up with the areas with severe irregularities, and specific physical quantities such as tunnel currents and interatomic forces. Is scanned in a state where is deviated from the set value, and the measurement accuracy is reduced. In the above countermeasure, the deviation is reduced by automatically switching the constant of the servo system to the high response side in such a region with severe unevenness.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】動画像の採取において
は、変化の激しい構造を調べるために、上記した走査速
度よりも更に高速走査をしたい要求が強い。
In capturing moving images, there is a strong demand for scanning at a higher speed than the above-described scanning speed in order to investigate a structure that changes rapidly.

【0006】また、動画像以外の使用においても走査速
度の更なる高速化と測定精度の高精度化が望まれてい
る。本発明の第1の目的は、動画像の採取に際して従来
に比してより高速に走査しても高精度の画像を得ること
のできる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
[0006] Further, even in uses other than moving images, it is desired to further increase the scanning speed and to increase the measurement accuracy. A first object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of obtaining a high-precision image even when scanning at a higher speed than before in capturing a moving image.

【0007】また、本発明の第2の発明は、z方向への
制御を司るサーボ系の定数を変更する方法を用いること
なく、高い走査速度で高精度の画像を得ることのできる
走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
A second aspect of the present invention is a scanning probe capable of obtaining a high-precision image at a high scanning speed without using a method of changing a constant of a servo system for controlling in the z direction. It is to provide a microscope.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】第1の目的を達成するた
め、請求項1に係る発明は、その実施の形態を表す図1
に示すように、試料Wの表面に沿うxy方向に当該試料
Wまたは探針2を走査するxy方向走査系10と、探針
2と試料Wとが接近/離隔するz方向に探針または試料
を駆動するz方向駆動機構21およびそのサーボ制御系
20を備え、探針2と試料Wをxy方向に相対的に走査
しつつ、これらの間に作用する特定の物理量が一定とな
るようにz方向駆動機構21を制御し、そのz方向駆動
機構21に与えた操作量から試料表面の画像データを得
て表示器6に表示する走査型プローブ顕微鏡において、
既に採取した試料表面の画像データに基づき、次の走査
時にz方向駆動機構21,22に与えるべき操作量を予
見的に生成して、サーボ制御系20の操作量信号に重畳
させる手段(予見操作量発生回路7,加算点23)を備
えていることによって特徴づけられる。
Means for Solving the Problems In order to achieve the first object, the invention according to claim 1 is an embodiment of the invention shown in FIG.
, An xy direction scanning system 10 for scanning the sample W or the probe 2 in the xy direction along the surface of the sample W, and a probe or a sample in the z direction where the probe 2 and the sample W approach / separate. And a servo control system 20 for driving the probe 2 and scanning the probe 2 and the sample W relatively in the xy directions so that a specific physical quantity acting between them is constant. In a scanning probe microscope that controls the direction driving mechanism 21 and obtains image data of the sample surface from the operation amount given to the z-direction driving mechanism 21 and displays the image data on the display 6,
Means for predictively generating an operation amount to be given to the z-direction drive mechanisms 21 and 22 at the next scan based on the image data of the sample surface already collected, and superimposing the operation amount on the operation amount signal of the servo control system 20 (foreseeing operation It is characterized by having a quantity generation circuit 7 and an addition point 23).

【0009】この請求項1に係る発明は、動画像の採取
時には試料Wの同一領域を繰り返し走査することに着目
して、前回までの走査により得られた画像データをもと
に次回の走査時におけるz方向駆動機構21,22への
操作量を予見的に生成することで、実質的な系の追従性
を高めようとするものである。
The present invention according to claim 1 focuses on repeatedly scanning the same area of the sample W at the time of capturing a moving image, and performs the next scanning based on the image data obtained by the previous scanning. The operation amount to the z-direction drive mechanisms 21 and 22 is generated in a foreseeable manner, thereby substantially improving the followability of the system.

【0010】すなわち、試料表面の経時的変化の態様に
は種々のものが考えられるが、走査領域が全面的に瞬時
にして一変してしまう場合を除いて、例えば微細な凹凸
パターン等、前回までに得られた画像データと、次回に
得るであろう画像データとは少なくともその一部におい
て共通または類似している部分が多いと考えられる。従
って、同一領域を繰り返し走査することにより動画像を
採取する場合には、単純なサーボ制御系によるz方向制
御よりも、前回までに得た画像データにより、次回の走
査においてz方向駆動機構21,22に供給すべき操作
量を予見してサーボ制御系20の操作量信号に重畳する
ことにより、同じ走査速度に設定しても、特定物理量の
設定値と検出値の偏差が減少する確率が高くなり、これ
によってz方向駆動機構21,22はより忠実に試料W
の表面に追従する確率が高くなり、比較的高い走査速度
のもとに高精度の画像情報が得られる。
That is, there are various possible changes in the surface of the sample over time. Unless the scanning area is completely changed instantaneously, for example, a fine concavo-convex pattern or the like may be used. It is considered that there are many common or similar parts in at least a part of the image data obtained in (1) and the image data to be obtained next time. Therefore, when a moving image is collected by repeatedly scanning the same area, the z-direction driving mechanism 21 and the next scanning in the next scanning are performed by the image data obtained up to the previous time rather than the z-direction control by the simple servo control system. Foreseeing the operation amount to be supplied to 22 and superimposing it on the operation amount signal of the servo control system 20, even if the same scanning speed is set, there is a high probability that the deviation between the set value of the specific physical amount and the detection value decreases. As a result, the z-direction driving mechanisms 21 and 22 more faithfully
The probability of following the surface is increased, and highly accurate image information can be obtained at a relatively high scanning speed.

【0011】一方、第2の目的を達成するため、請求項
2に係る発明は、その実施の形態を表す図2に示すよう
に、試料Wの表面に沿うxy方向に当該試料Wまたは探
針2を走査するxy方向走査系10と、探針1と試料W
とが接近/離隔するz方向に探針2または試料Wを駆動
するz方向駆動機構21,22およびそのサーボ制御系
20を備え、探針2と試料Wをxy方向に相対的に走査
しつつ、これらの間に作用する特定の物理量を検出し
て、その検出値が設定値に一致するようにz方向駆動機
構21を制御し、そのz方向駆動機構21に与えた操作
量から試料表面の画像データを得て表示器6に表示する
走査型プローブ顕微鏡において、走査中に上記物理量の
設定値と検出値との偏差を記憶する記憶手段8と、その
記憶手段8の内容に基づき、上記画像データを補正する
画像補正手段9を備えていることによって特徴づけられ
る。
On the other hand, in order to achieve the second object, the invention according to claim 2 is directed to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2. An xy-direction scanning system 10 for scanning 2, a probe 1 and a sample W
Are provided with z-direction driving mechanisms 21 and 22 for driving the probe 2 or the sample W in the z direction in which the probe 2 approaches / separates and the servo control system 20 thereof, while relatively scanning the probe 2 and the sample W in the xy directions. , A specific physical quantity acting between them is detected, and the z-direction drive mechanism 21 is controlled so that the detected value coincides with the set value. In a scanning probe microscope that obtains image data and displays the image data on a display unit 6, a storage unit 8 that stores a deviation between a set value of the physical quantity and a detected value during scanning, and the image based on the content of the storage unit 8. It is characterized by having image correction means 9 for correcting data.

【0012】この請求項2に係る発明においては、走査
中における物理量の設定値と検出値との偏差を逐次記憶
しておき、z方向駆動機構21,22の追従性の低下に
起因する試料画像のz方向情報の精度低下分をその偏差
の大小によって補正することで、比較的高い速度で走査
しても高精度の画像を得ようとするものである。
According to the second aspect of the present invention, the deviation between the set value of the physical quantity and the detected value during scanning is sequentially stored, and the sample image caused by the decrease in the followability of the z-direction driving mechanisms 21 and 22 is stored. By correcting the decrease in accuracy of the z-direction information according to the magnitude of the deviation, it is possible to obtain a high-accuracy image even when scanning at a relatively high speed.

【0013】すなわち、サーボ制御系20からの操作量
信号により動作するz方向駆動機構21,22の試料表
面に対する追従性は、系の応答が一定である場合におい
て、サーボ制御系20における検出値と設定値との偏差
の大きさに高い関連性がある。従って、走査中における
刻々の偏差を記憶して、その偏差の大小に応じて画像デ
ータの各画素を補正することにより、高い走査速度のも
とに得た画像データを高精度のデータに変換することが
できる。なお、偏差の大きさと補正量との関係は、例え
ば特定物理量の探針−試料間距離の依存性をあらかじめ
調べておき、また、例えば走査速度を種々に変更して凹
凸の異なる試料表面を実験的に測定する等によって、試
料表面の状態に関連した系の特性を経験的に求めること
により、あらかじめ設定しておくことができる。
That is, the followability of the z-direction drive mechanisms 21 and 22 operated by the operation amount signal from the servo control system 20 to the sample surface is different from the detection value in the servo control system 20 when the response of the system is constant. There is a high correlation between the magnitude of the deviation from the set value. Therefore, the image data obtained at a high scanning speed is converted into high-precision data by storing the instantaneous deviation during scanning and correcting each pixel of the image data according to the magnitude of the deviation. be able to. The relationship between the magnitude of the deviation and the correction amount is determined, for example, by examining in advance the dependence of the specific physical quantity on the distance between the probe and the sample. It can be set in advance by empirically determining the characteristics of the system related to the state of the sample surface by performing a measurement or the like.

【0014】また、第2の目的を達成するための他の構
成としての請求項3に係る発明は、その実施の形態を表
す図3に示すように、試料Wの表面に沿うxy方向に当
該試料Wまたは探針2を走査するxy方向走査系100
と、探針2と試料Wとが接近/離隔するz方向に探針ま
たは試料を駆動するz方向駆動機構21,22およびそ
のサーボ制御系20を備え、探針1と試料Wをxy方向
に相対的に走査しつつ、これらの間に作用する特定の物
理量を検出して、その検出値が設定値に一致するように
z方向駆動機構21を制御し、そのz方向駆動機構21
に与えた操作量から試料表面の画像データを得て表示器
6に表示する走査型プローブ顕微鏡において、走査過程
で上記物理量の設定値と検出値との偏差があらかじめ設
定された所定範囲内に収まっているか否かを刻々と判別
する判別手段101を備えるとともに、xy方向走査系
100は、偏差が所定範囲内に収まっていると判別され
ているときに限り次画素への走査ステップを実行するよ
うに構成されていることによって特徴づけられる。
According to a third aspect of the present invention, as another configuration for achieving the second object, as shown in FIG. An xy direction scanning system 100 for scanning the sample W or the probe 2
And z-direction driving mechanisms 21 and 22 for driving the probe or the sample in the z-direction in which the probe 2 and the sample W approach / separate from each other, and a servo control system 20 for moving the probe 1 and the sample W in the xy directions. While scanning relatively, a specific physical quantity acting between them is detected, and the z-direction drive mechanism 21 is controlled so that the detected value matches the set value.
In a scanning probe microscope that obtains image data of the sample surface from the manipulated variables given to the operator and displays the image data on the display 6, the deviation between the set value of the physical quantity and the detected value falls within a predetermined range during the scanning process. And an xy direction scanning system 100 executes a scan step for the next pixel only when it is determined that the deviation is within a predetermined range. It is characterized by being constituted in.

【0015】この請求項3に係る発明は、試料Wの表面
状態に応じて、実質的に走査速度を随時に変更すること
により、z方向駆動機構21,22の試料表面に対する
追従性を保証しつつ走査を行うことで、走査の平均速度
を高くして高精度の画像を得ようとするものである。
According to the third aspect of the present invention, the scanning speed is substantially changed at any time according to the surface condition of the sample W, so that the followability of the z-direction driving mechanisms 21 and 22 to the sample surface is ensured. The scanning is performed while increasing the average scanning speed to obtain a highly accurate image.

【0016】すなわち、検出値と設定値との偏差が所定
範囲内に収まるまでxy方向走査系100の次画素への
走査ステップの実行を行わないようにすること、換言す
れば偏差が所定範囲内に収まったことを確認した上で次
画素への走査ステップを行うことで、試料の表面状態お
よび設定された走査速度に係わらず、トンネル電流ない
しは原子間力等の物理量が設定値に対して常に所定範囲
内に収まるようなz方向制御が行われ、高精度の試料表
面画像が得られる。
That is, the step of scanning the next pixel of the xy direction scanning system 100 is not executed until the deviation between the detected value and the set value falls within the predetermined range. In other words, the deviation is within the predetermined range. By performing the scanning step to the next pixel after confirming that the current value is within the range, the physical quantity such as the tunnel current or the atomic force is always set to the set value regardless of the surface state of the sample and the set scanning speed. The z-direction control is performed so as to fall within a predetermined range, and a highly accurate sample surface image is obtained.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】図1は請求項1に係る発明を走査
型トンネル顕微鏡に適用した実施の形態の構成図で、機
械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図と
を併記して示す図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment in which the invention according to claim 1 is applied to a scanning tunneling microscope. Both a schematic diagram showing a mechanical configuration and a block diagram showing an electrical configuration are shown. FIG.

【0018】試料Wを試料台1上に載せられ、それに対
向して探針2が配置されている。試料台1は、圧電素子
をアクチュエータとするxy方向駆動部11とxy方向
走査回路12からなるxy方向走査系10により、探針
2に対して、試料Wの表面に沿った2次元方向であるx
y方向に走査が与えられる。
A sample W is placed on a sample table 1, and a probe 2 is disposed opposite to the sample W. The sample stage 1 is in a two-dimensional direction along the surface of the sample W with respect to the probe 2 by an xy direction scanning system 10 including an xy direction driving unit 11 using a piezoelectric element as an actuator and an xy direction scanning circuit 12. x
A scan is provided in the y direction.

【0019】探針2は、同じく圧電素子をアクチュエー
タとすz方向駆動部21と、そのz方向駆動部21を制
御するための後述するサーボ制御系20並びに予見操作
量信号発生部7により、試料台1に対して接近/離隔す
る方向であるz方向に移動される。
The probe 2 is made up of a sample by a z-direction drive unit 21 also using a piezoelectric element as an actuator, a servo control system 20 for controlling the z-direction drive unit 21 and a preview operation amount signal generation unit 7 which will be described later. It is moved in the z direction, which is a direction approaching / separating from the table 1.

【0020】探針2と試料Wとの間には、トンネル電圧
電源3によって所定の電位差が与えられ、この電位差に
よって探針2と試料Wとの間に流れるトンネル電流は、
トンネル電流増幅回路4によって増幅された後、サーボ
制御系20に対してトンネル電流検出値として取り込ま
れる。
A predetermined potential difference is given between the probe 2 and the sample W by the tunnel voltage power supply 3, and a tunnel current flowing between the probe 2 and the sample W due to the potential difference is
After being amplified by the tunnel current amplifying circuit 4, it is taken into the servo control system 20 as a detected tunnel current value.

【0021】サーボ制御系20は、z方向駆動部21の
圧電素子に対して駆動用の電圧信号を供給する圧電ドラ
イバ22と、その圧電ドライバ22に対して加算点23
を通じて操作量信号を供給するコントローラ24と、そ
のコントローラ24に対してトンネル電流設定値を供給
するためのトンネル電流設定器25を主たる構成要素と
し、コントローラ24は、そのトンネル電流設定値とト
ンネル電流増幅回路4からのトンネル電流検出値との偏
差εを入力し、その偏差εに応じた操作量信号を発生
し、加算点23を通じて圧電ドライバ22に供給する。
The servo control system 20 includes a piezoelectric driver 22 for supplying a driving voltage signal to the piezoelectric element of the z-direction driving unit 21, and an addition point 23 for the piezoelectric driver 22.
And a tunnel current setting unit 25 for supplying a tunnel current setting value to the controller 24 as main components. The controller 24 includes a tunnel current setting value and a tunnel current amplification value. The deviation ε from the detected value of the tunnel current from the circuit 4 is input, an operation amount signal corresponding to the deviation ε is generated, and supplied to the piezoelectric driver 22 through the addition point 23.

【0022】圧電ドライバ22に対して供給される操作
量信号は、A−D変換器(図示せず)でデジタル化され
た後に画像メモリ5に格納される。画像メモリ5には、
同時に、xy方向走査系10による試料台1のxおよび
y方向への刻々の走査データも供給されており、上記し
た操作量信号はxy走査データと関連づけて画像メモリ
5に格納され、従って、この画像メモリ5には、試料W
の各走査位置における探針2のz方向操作量データが格
納されていくことになる。この画像メモリ5の内容は、
CRT6によって画像化されて試料WのSTM像とな
る。
The operation amount signal supplied to the piezoelectric driver 22 is stored in the image memory 5 after being digitized by an AD converter (not shown). In the image memory 5,
At the same time, the scan data of the sample stage 1 in the x and y directions by the xy direction scanning system 10 is also supplied, and the operation amount signal is stored in the image memory 5 in association with the xy scan data. The sample W is stored in the image memory 5.
Is stored in the z direction operation amount data of the probe 2 at each scanning position. The contents of this image memory 5 are
An image is formed by the CRT 6 and becomes an STM image of the sample W.

【0023】さて、この実施の形態の特徴は、前記した
加算点23により、コントローラ24からの操作量信号
と予見操作量信号発生部7とが加算され、その加算後の
信号が圧電ドライバ22に対して操作量信号として供給
される点である。
The feature of this embodiment is that the operation amount signal from the controller 24 and the preview operation amount signal generating section 7 are added by the addition point 23, and the added signal is sent to the piezoelectric driver 22. On the other hand, it is supplied as an operation amount signal.

【0024】予見操作量信号発生部7は、画像メモリ5
に格納されている前回の各走査位置における操作量信
号、換言すれば前回の画像データを用いて、次回に供給
すべき操作量を予見的に生成して出力する機能を有する
もので、この例では、前回の走査時における刻々の操作
量と同じ操作量が次の走査時において圧電ドライバ22
に供給されるように予見操作量信号が生成される。具体
的には、画像メモリ5内に格納されている前回の操作量
信号を読みだし、次の走査時におけるxy走査信号をタ
イミング信号に用いて、同じxy走査位置で同じz方向
操作量が得られるように予見操作量信号が生成される。
なお、この予見操作量信号の与え方は、z方向のバイア
スのドリフトが生じやすいため、変化量に対応した与え
方を行うことが望ましい。
The foreseeable manipulated variable signal generator 7 is provided with an image memory 5
This has a function of predictively generating and outputting the operation amount to be supplied next time using the operation amount signal at the previous scanning position stored in the previous operation, in other words, using the previous image data. Then, the same operation amount as the momentary operation amount in the previous scan is applied to the piezoelectric driver 22 in the next scan.
, A preview manipulated variable signal is generated. Specifically, the previous operation amount signal stored in the image memory 5 is read out, and the same z-direction operation amount is obtained at the same xy scanning position by using the xy scanning signal at the next scanning as the timing signal. A foreseeable manipulated variable signal is generated so as to be operated.
It should be noted that it is desirable to give the preview operation amount signal in accordance with the amount of change because bias drift in the z direction is likely to occur.

【0025】以上の本発明の実施の形態において、加算
点23で予見操作量信号発生部7からの予見操作量信号
がコントローラ24からの操作量信号に対して加算され
るのは、試料Wの同じ領域を繰り返し測定して動画像を
得る場合においてのみであり、以下、そのような動画像
の採取時における動作について述べる。
In the above embodiment of the present invention, the reason why the preview operation amount signal from the preview operation amount signal generator 7 is added to the operation amount signal from the controller 24 at the addition point 23 is that the sample W This is only in the case where a moving image is obtained by repeatedly measuring the same area. Hereinafter, an operation at the time of collecting such a moving image will be described.

【0026】試料Wの同じ領域を繰り返し測定する場
合、試料Wの表面状態に全く変化がなく、かつ、何らの
外乱が存在していない場合には、各走査位置において前
回と同じ操作量が与えられるような予見走査量信号の供
給により、トンネル電流設定器25からの設定値とトン
ネル電流増幅回路4からの検出値が一致するが故に偏差
εは生じず、また、前回と同じ画像データが得られるは
ずである。試料Wの表面状態が変化した場合、あるいは
何らかの外乱が存在している場合には、上記のような予
見走査量信号を供給することにより、表面状態の変化部
分ないしは外乱の影響のある部分のみの走査中に偏差ε
が発生する。
When the same area of the sample W is repeatedly measured, if there is no change in the surface state of the sample W and no disturbance is present, the same operation amount as the previous time is given at each scanning position. As a result, the deviation ε does not occur because the set value from the tunnel current setting unit 25 and the detection value from the tunnel current amplifier circuit 4 match, and the same image data as the previous time is obtained. Should be done. When the surface state of the sample W changes, or when some kind of disturbance is present, by supplying the above-mentioned preview scanning amount signal, only the part where the surface state changes or only the part affected by the disturbance is provided. Deviation ε during scanning
Occurs.

【0027】さて、試料Wの同領域の繰り返し測定に際
して、1回目の測定においては画像メモリ5にデータが
格納されていないから、圧電ドライバ22にはサーボ制
御系20のコントローラ24からの操作量信号が供給さ
れ、従来の走査型トンネル顕微鏡と全く同様の測定が行
われる。2回目以降の測定に際しては、画像メモリ5に
格納されている前回の操作量と同等の操作量が各走査位
置において加算点23に供給される。試料Wの表面状態
が前回の状態から変化している場合には、外乱による影
響を除いた場合、探針2がその変化部分を走査中におい
てのみ偏差εが生じ、圧電ドライバ22に供給される操
作量信号が前回のものに対して変化し、画像データが変
化するが、それ以外の領域の走査中には偏差εが生じな
い。従って、加算点23および予見操作量信号発生部7
のない通常のサーボ制御系20を用いる場合のように、
一定のトンネル電流設定値に対するトンネル電流検出値
との偏差εが生じたときにこれを打ち消すように動作す
る場合に比して、この実施の形態において現れる偏差ε
の量が小さくなる確率が高く、探針2の試料Wの表面に
対する追従性は、走査速度を同じとした場合にはより良
好なものとなり、同等の追従性でいい場合には走査速度
をより高速化することが可能となる。
When data is not stored in the image memory 5 in the first measurement when the same area of the sample W is repeatedly measured, the operation amount signal from the controller 24 of the servo control system 20 is transmitted to the piezoelectric driver 22. Is supplied, and the same measurement as that of the conventional scanning tunneling microscope is performed. In the second and subsequent measurements, an operation amount equivalent to the previous operation amount stored in the image memory 5 is supplied to the addition point 23 at each scanning position. When the surface state of the sample W has changed from the previous state, the deviation ε occurs only when the probe 2 scans the changed portion when the influence of the disturbance is removed, and is supplied to the piezoelectric driver 22. The operation amount signal changes with respect to the previous operation, and the image data changes, but no deviation ε occurs during scanning of other areas. Therefore, the addition point 23 and the preview operation amount signal generation unit 7
As in the case of using the normal servo control system 20 without
Compared to a case where the deviation ε from the detected value of the tunnel current with respect to the constant tunnel current set value is operated to cancel the deviation ε, the deviation ε that appears in this embodiment is
Is more likely to be small, and the followability of the probe 2 to the surface of the sample W is better when the scanning speed is the same, and when the same followability is sufficient, the scanning speed is higher. It is possible to increase the speed.

【0028】ここで、予見走査量信号の生成の仕方は、
以上のように同じ走査位置において前回の操作量と同じ
操作量が得られるようにするほか、前回の操作量に対し
て、前回走査時における刻々の偏差量や、探針の動特性
を加味した操作量を与える方法、あるいは、過去何回か
の操作量の平均値が得られるようにする等の変形が可能
である。
Here, the method of generating the preview scanning amount signal is as follows.
As described above, in addition to obtaining the same operation amount as the previous operation amount at the same scanning position, the deviation amount at the time of the previous scan and the dynamic characteristics of the probe are added to the previous operation amount. Modifications such as a method of giving an operation amount or obtaining an average value of several operation amounts in the past are possible.

【0029】また、上記のようにして得られた同じ領域
での時系列画像を、同一画素間で差分演算を行うことに
よって得た差分像を表示する機能を付加すれば、測定領
域中における試料表面の変化領域の認識が容易化され
る。また、このような差分画像を表示する画面上で、操
作者が指定した任意の領域に走査領域を変更できる機能
を設けることは、動画像の採取による試料の分析作業の
容易化を図るうえで極めて有効である。
Further, by adding a function of displaying a difference image obtained by performing a difference operation between the same pixels on the time-series image in the same region obtained as described above, the sample in the measurement region can be obtained. Recognition of the change area on the surface is facilitated. In addition, providing a function of changing the scanning area to an arbitrary area designated by the operator on a screen displaying such a difference image is intended to facilitate the work of analyzing a sample by collecting a moving image. Extremely effective.

【0030】次に、請求項2に係る発明の実施の形態に
ついて述べる。図2はその発明を走査型トンネル顕微鏡
に適用した構成図であり、機械的構成を表す模式図と電
気的構成を表すブロック図とを併記して示している。
Next, an embodiment of the invention according to claim 2 will be described. FIG. 2 is a configuration diagram in which the invention is applied to a scanning tunneling microscope, and shows a schematic diagram illustrating a mechanical configuration and a block diagram illustrating an electrical configuration.

【0031】この図2においては、図1に示したものと
同等の機能を有する部材については同一の符号を付し
て、その詳細な説明を省略する。この実施の形態の特徴
は、探針2のz方向への駆動を司るサーボ制御系20の
トンネル電流設定値とトンネル電流検出値との偏差ε
が、コントローラ24に供給されると同時に、偏差メモ
リ8に刻々と格納されるとともに、その偏差メモリ8の
内容を用いて、画像メモリ5の各画素データが画像補正
部9によって補正されたうえでCRT6に表示される点
である。
In FIG. 2, members having the same functions as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The feature of this embodiment is that the deviation ε between the tunnel current set value and the detected tunnel current value of the servo control system 20 that controls the driving of the probe 2 in the z direction.
Is supplied to the controller 24 and simultaneously stored in the deviation memory 8. Each pixel data in the image memory 5 is corrected by the image correction unit 9 using the contents of the deviation memory 8. This is the point displayed on the CRT 6.

【0032】サーボ制御系20の定数が一定である場
合、走査中における刻々の偏差εの大きさは、試料Wの
表面の凹凸に対する探針2のz方向への追従性に強い関
連性があり、偏差εが大きければ大きいほど追従性は悪
くなる。そこで、この偏差εと追従性との関係をあらか
じめ実験的に調べ、また、トンネル電流の探針2−試料
W間の距離依存性を調べておき、あるいは、同じサンプ
ルを走査速度を十分に遅くして偏差εが0またはその近
傍を維持するようにして得た画像データを基準として、
その同じ領域をより高速の走査速度のもとに走査したと
きの偏差εの大きさと画像データから、偏差εの量と画
像の補正量との関係を表す補正係数を求めておけば、そ
の補正係数と刻々の偏差εを用いて画像データを補正す
ることができる。
When the constant of the servo control system 20 is constant, the magnitude of the instantaneous deviation ε during scanning has a strong relationship with the followability of the probe 2 in the z direction with respect to the unevenness of the surface of the sample W. , The greater the deviation ε, the worse the tracking performance. Therefore, the relationship between the deviation ε and the followability is experimentally examined in advance, the dependence of the tunnel current on the distance between the probe 2 and the sample W is examined, or the scanning speed of the same sample is sufficiently reduced. Then, based on the image data obtained by maintaining the deviation ε at or near 0,
If a correction coefficient representing the relationship between the amount of the deviation ε and the amount of image correction is obtained from the magnitude of the deviation ε and the image data when the same area is scanned at a higher scanning speed, the correction can be performed. Image data can be corrected using the coefficient and the instantaneous deviation ε.

【0033】すなわち、偏差メモリ8には、刻々の偏差
εがxy方向走査信号と合わせて格納され、従ってこの
偏差メモリ8には、画像メモリ5に格納されている各画
素データに対応してそれぞれの画素データを得たときの
偏差εが格納される。この各画素ごとの偏差εと、あら
かじめあらかじめ求めておいた補正係数を用いることに
より、比較的高速の走査速度のもとに得た画素データ
を、実質的に偏差εが0またはその近傍を維持できるよ
うな走査速度のもとに得られるであろう画素データに補
正することができ、高い走査速度で高精度のSTM像が
得られる。
That is, the deviation memory 8 stores the instantaneous deviation ε together with the xy-direction scanning signal. Therefore, the deviation memory 8 stores the deviation ε corresponding to each pixel data stored in the image memory 5. Is stored when the pixel data is obtained. By using the deviation ε of each pixel and a correction coefficient obtained in advance, pixel data obtained at a relatively high scanning speed can be substantially maintained at a deviation ε of 0 or near. Pixel data that can be obtained at a scanning speed that can be obtained can be corrected, and a high-precision STM image can be obtained at a high scanning speed.

【0034】以上の実施の形態において、偏差メモリ8
に記憶した刻々の偏差εを画像とともに表示する機能を
設けても、画像の信頼性を表す目安となり得る。次に、
請求項3に係る発明の実施の形態について述べる。図3
はその機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロ
ック図とを併記して示す構成図であり、この図3におい
ても、図1,図2に示したものと同等の機能を有する部
材については、同一の符号を付してその詳細な説明を省
略する。
In the above embodiment, the deviation memory 8
Even if a function of displaying the instantaneous deviation ε stored in the image together with the image is provided, it can be a measure of the reliability of the image. next,
An embodiment of the invention according to claim 3 will be described. FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram showing both a schematic diagram showing the mechanical configuration and a block diagram showing the electrical configuration. In FIG. 3, members having the same functions as those shown in FIGS. Are given the same reference numerals and their detailed description is omitted.

【0035】この実施の形態の特徴は、探針2のz方向
への駆動を司るサーボ制御系20のトンネル電流設定値
とトンネル電流検出値との偏差εが、あらかじめ設定さ
れている所定範囲内に収まっているか否かを判別する偏
差量判別部101を設けるとともに、その偏差量判別部
101により偏差εが所定範囲内に収まっていると判断
されたときにのみ、xy方向走査系100が次画素への
ステップ走査を行うようにした点に特徴がある。
The feature of this embodiment is that the deviation ε between the tunnel current setting value and the tunnel current detection value of the servo control system 20 that controls the driving of the probe 2 in the z direction is within a predetermined range. The xy direction scanning system 100 is provided only when the deviation amount determination unit 101 determines that the deviation ε is within a predetermined range. The feature is that step scanning is performed on pixels.

【0036】すなわち、図4にこの実施の形態の走査時
における動作を表すフローチャートを示すように、偏差
量判別部101は所定の微小インターバルごとに刻々と
偏差εを取り込み、その偏差εの値が所定範囲内に収ま
っているか否かを判別する。xy方向走査系100のx
y方向走査回路120は、偏差εが所定範囲内に収まっ
ているときに限ってxy方向駆動部11に対してx方向
への走査指令を継続的に出力するが、偏差εが所定範囲
内に収まっていない状態では、走査指令を与えずに停止
させたまま上記インターバルで偏差εを取り込み、偏差
εが所定範囲内に収まるまで時間待ちをする。
That is, as shown in the flowchart of FIG. 4 showing the operation at the time of scanning in this embodiment, the deviation amount discriminating unit 101 takes in the deviation ε every predetermined minute interval, and the value of the deviation ε is It is determined whether it is within a predetermined range. x of the xy direction scanning system 100
The y-direction scanning circuit 120 continuously outputs a scanning command in the x-direction to the xy-direction driving unit 11 only when the deviation ε falls within a predetermined range. In the state where the deviation ε is not settled, the deviation ε is fetched at the above-mentioned interval while the scanning is stopped without giving a scan command, and time is waited until the deviation ε falls within a predetermined range.

【0037】従って、この例におけるxy方向走査回路
120からxy方向駆動部11に対して供給される走査
用の電圧信号は、図5(A)に例示するように、試料W
の表面状態等に応じて適宜にステップ走査の有無が繰り
返され、この種の装置における通常の走査用の電圧信号
が同図(B)に示されるように定常的に変化していくの
と相違したものとなる。
Accordingly, the scanning voltage signal supplied from the xy-direction scanning circuit 120 to the xy-direction driving unit 11 in this example is, as illustrated in FIG.
The presence or absence of step scanning is repeated as appropriate according to the surface condition of the device, and the difference is that the voltage signal for normal scanning in this type of apparatus constantly changes as shown in FIG. It will be.

【0038】この実施の形態によれば、xy方向走査系
100は、実質的に、偏差εが所定範囲内に収まってい
ることを確認したうえで、次画素へのステップ走査を行
うことになり、換言すれば偏差εが所定範囲内に収まっ
ていることを保証したうえで走査を行うことになり、画
像メモリ5には高精度の画像データが蓄積されていくこ
とになる。従って、当初の走査速度を比較的高速度に設
定していても、試料Wの表面状態に適応して走査速度が
自動的に変化しつつ、高精度のSTM像が得られる。
According to this embodiment, the xy-direction scanning system 100 performs step scanning to the next pixel after confirming that the deviation ε is substantially within a predetermined range. In other words, scanning is performed after assuring that the deviation ε is within a predetermined range, and high-precision image data is accumulated in the image memory 5. Therefore, even if the initial scanning speed is set to a relatively high speed, a high-precision STM image can be obtained while the scanning speed automatically changes according to the surface state of the sample W.

【0039】なお、以上の各実施の形態においては、各
発明を走査型トンネル顕微鏡に適用した例を示したが、
原子間力顕微鏡等、探針と試料との相互作用により得ら
れる他の物理量を検出する走査型プローブ顕微鏡に対し
ても、各発明を等しく適用し得ることは勿論である。
In each of the above embodiments, an example in which each invention is applied to a scanning tunnel microscope has been described.
Of course, each invention can be equally applied to a scanning probe microscope that detects other physical quantities obtained by the interaction between the probe and the sample, such as an atomic force microscope.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上のように、請求項1に記載の発明に
よれば、前回までの走査により得た画像データを用い
て、次回の走査時におけるz方向(探針と試料との接近
/離隔方向)への操作量を予見的に生成してz方向駆動
機構を制御するから、動画像の採取時のように試料の同
一領域を繰り返し測定する場合に、通常のサーボ制御系
を用いたフィードバック制御により特定物理量を一定に
保つ場合に比して、偏差量が小さくなる確率が高く、探
針と試料間のz方向への追従性が向上する結果、比較的
高速の走査速度によって高精度の画像が得られる。
As described above, according to the first aspect of the present invention, the z direction (approach / proximity between the probe and the sample) in the next scan is determined using the image data obtained by the previous scan. Since the z-direction drive mechanism is controlled by predictively generating the operation amount in the (separation direction), a normal servo control system is used when repeatedly measuring the same area of the sample as when collecting a moving image. Compared to the case where the specific physical quantity is kept constant by feedback control, the deviation amount is more likely to be small, and the followability between the probe and the sample in the z direction is improved. As a result, high accuracy is achieved by a relatively high scanning speed. Is obtained.

【0041】また、請求項2に記載の発明によれば、z
方向への制御を司るサーボ制御系における特定物理量の
設定値と検出値との偏差を刻々と記憶し、その記憶内容
を用いて各走査位置における画像データを補正するか
ら、偏差量が大きくなるような高速の走査速度に設定し
ても高精度の画像を得ることができる。
According to the second aspect of the present invention, z
The deviation between the set value and the detected value of the specific physical quantity in the servo control system that controls the direction is stored every moment, and the image data at each scanning position is corrected using the stored contents, so that the deviation amount becomes large. Even if the scanning speed is set to a very high scanning speed, a high-precision image can be obtained.

【0042】更に、請求項3に記載の発明によれば、z
方向への制御を司るサーボ制御系における特定物理量の
設定値と検出値との偏差が、あらかじめ設定された所定
範囲内に収まっている状態でのみ、xy方向への走査が
次画素へとステップ走査するように構成しているから、
偏差の大きさが所定範囲内に収まっていることを実質的
に保証したうえで、試料の表面状態等に適応して走査速
度を自動的に変化させつつ画像データを取り込むから、
無駄のない走査速度のもとに高精度の画像を得ることが
できる。
According to the third aspect of the present invention, z
Scanning in the xy direction is step-scanned to the next pixel only when the deviation between the set value and the detected value of the specific physical quantity in the servo control system that controls the direction is within a predetermined range. Because it is configured to
Since the magnitude of the deviation is substantially guaranteed to be within a predetermined range, the image data is taken in while automatically changing the scanning speed according to the surface condition of the sample, etc.
A high-precision image can be obtained at a scan speed without waste.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】請求項1に係る発明の実施の形態の構成図で、
機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図
とを併記して示す図
FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of the invention according to claim 1,
Diagram showing both a schematic diagram showing a mechanical configuration and a block diagram showing an electrical configuration.

【図2】請求項2に係る発明の実施の形態の構成図で、
機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図
とを併記して示す図
FIG. 2 is a configuration diagram of an embodiment of the invention according to claim 2,
Diagram showing both a schematic diagram showing a mechanical configuration and a block diagram showing an electrical configuration.

【図3】請求項3に係る発明の実施の形態の構成図で、
機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図
とを併記して示す図
FIG. 3 is a configuration diagram of an embodiment of the invention according to claim 3,
Diagram showing both a schematic diagram showing a mechanical configuration and a block diagram showing an electrical configuration.

【図4】図3の実施の形態の動作を示すフローチャートFIG. 4 is a flowchart showing the operation of the embodiment of FIG. 3;

【図5】図3の実施の形態のxy方向走査回路120か
ら出力される走査用電圧信号波形の例の説明図
FIG. 5 is an explanatory diagram of an example of a scanning voltage signal waveform output from the xy direction scanning circuit 120 according to the embodiment of FIG. 3;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 試料台 10 xy方向走査系 11 xy方向駆動部 12,120 xy方向走査回路 2 探針 20 サーボ制御系 21 z方向駆動部 22 圧電ドライバ 23 加算点 24 コントローラ 25 トンネル電流設定器 3 トンネル電圧電源 4 トンネル電流増幅回路 5 画像メモリ 6 CRT 7 予見操作量信号発生部 8 偏差メモリ 9 画像補正部 101 偏差量判別部 W 試料 REFERENCE SIGNS LIST 1 sample stage 10 xy-direction scanning system 11 xy-direction driving unit 12, 120 xy-direction scanning circuit 2 probe 20 servo control system 21 z-direction driving unit 22 piezoelectric driver 23 addition point 24 controller 25 tunnel current setting unit 3 tunnel voltage power supply 4 Tunnel current amplifier circuit 5 Image memory 6 CRT 7 Preview operation amount signal generation unit 8 Deviation memory 9 Image correction unit 101 Deviation amount discrimination unit W Sample

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料の表面に沿うxy方向に当該試料ま
たは探針を走査するxy方向走査系と、探針と試料とが
接近/離隔するz方向に探針または試料を駆動するz方
向駆動機構およびそのサーボ制御系を備え、探針と試料
をxy方向に相対的に走査しつつ、これらの間に作用す
る特定の物理量が一定となるようにz方向駆動機構を制
御し、そのz方向駆動機構に与えた操作量から試料表面
の画像データを得て表示器に表示する走査型プローブ顕
微鏡において、既に採取した試料表面の画像データに基
づき、次の走査時にz方向駆動機構に与えるべき操作量
を予見的に生成して、上記サーボ制御系の操作量信号に
重畳させる手段を備えていることを特徴とする走査型プ
ローブ顕微鏡。
1. An xy-direction scanning system that scans a sample or a probe in an xy direction along a surface of the sample, and a z-direction drive that drives the probe or the sample in a z-direction in which the probe approaches / separates from the sample. A mechanism and its servo control system are provided, and while the probe and the sample are relatively scanned in the xy directions, a z-direction drive mechanism is controlled so that a specific physical quantity acting between them is constant, and the z-direction driving mechanism is controlled. In a scanning probe microscope that obtains image data of the sample surface from the amount of operation given to the drive mechanism and displays it on the display, based on the image data of the sample surface already collected, the operation to be given to the z-direction drive mechanism at the next scan A scanning probe microscope comprising means for predictively generating an amount and superimposing the amount on the operation amount signal of the servo control system.
【請求項2】 試料の表面に沿うxy方向に当該試料ま
たは探針を走査するxy方向走査系と、探針と試料とが
接近/離隔するz方向に探針または試料を駆動するz方
向駆動機構およびそのサーボ制御系を備え、探針と試料
をxy方向に相対的に走査しつつ、これらの間に作用す
る特定の物理量を検出して、その検出値が設定値に一致
するようにz方向駆動機構を制御し、そのz方向駆動機
構に与えた操作量から試料表面の画像データを得て表示
器に表示する走査型プローブ顕微鏡において、走査中に
上記物理量の設定値と検出値との偏差を記憶する記憶手
段と、その記憶手段の内容に基づき、上記画像データを
補正する画像補正手段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. An xy-direction scanning system for scanning the sample or the probe in the xy direction along the surface of the sample, and a z-direction drive for driving the probe or the sample in the z direction where the probe approaches / separates from the sample. A mechanism and its servo control system are provided, and while scanning the probe and the sample relatively in the xy directions, a specific physical quantity acting between them is detected, and z is set so that the detected value matches the set value. A scanning probe microscope that controls a directional driving mechanism, obtains image data of a sample surface from an operation amount given to the z-direction driving mechanism, and displays the image data on a display unit. A scanning probe microscope, comprising: storage means for storing a deviation; and image correction means for correcting the image data based on the contents of the storage means.
【請求項3】 試料の表面に沿うxy方向に当該試料ま
たは探針を走査するxy方向走査系と、探針と試料とが
接近/離隔するz方向に探針または試料を駆動するz方
向駆動機構およびそのサーボ制御系を備え、探針と試料
をxy方向に相対的に走査しつつ、これらの間に作用す
る特定の物理量を検出して、その検出値が設定値に一致
するようにz方向駆動機構を制御し、そのz方向駆動機
構に与えた操作量から試料表面の画像データを得て表示
器に表示する走査型プローブ顕微鏡において、走査過程
で上記物理量の設定値と検出値との偏差があらかじめ設
定された所定範囲内に収まっているか否かを刻々と判別
する判別手段を備えるとともに、上記xy方向走査系
は、偏差が所定範囲内に収まっていると判別されている
ときに限り次画素への走査ステップを実行するように構
成されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. An xy-direction scanning system for scanning the sample or the probe in the xy direction along the surface of the sample, and a z-direction drive for driving the probe or the sample in the z direction where the probe approaches / separates from the sample. A mechanism and its servo control system are provided, and while scanning the probe and the sample relatively in the xy directions, a specific physical quantity acting between them is detected, and z is set so that the detected value matches the set value. A scanning probe microscope that controls a directional drive mechanism, obtains image data of the sample surface from an operation amount given to the z-direction drive mechanism, and displays the image data on a display device. In addition to the determination means for determining whether the deviation is within a predetermined range set in advance, the xy-direction scanning system is provided only when it is determined that the deviation is within the predetermined range. To the next pixel A scanning probe microscope configured to perform a scanning step.
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