JPH05164510A - Scanning type tunnel microscope - Google Patents
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- JPH05164510A JPH05164510A JP32907291A JP32907291A JPH05164510A JP H05164510 A JPH05164510 A JP H05164510A JP 32907291 A JP32907291 A JP 32907291A JP 32907291 A JP32907291 A JP 32907291A JP H05164510 A JPH05164510 A JP H05164510A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡に
係り、特に、各測定箇所での探針の軸方向位置制御の迅
速性及び精度を高めた走査型トンネル顕微鏡に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning tunneling microscope, and more particularly to a scanning tunneling microscope having improved swiftness and accuracy of axial position control of a probe at each measurement point.
【０００２】[0002]
【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡で探針は、測定を
行う試料表面の領域に、トンネル電流が流れる程度の極
めて微少な距離にて接近され、且つ試料表面の当該領域
をある範囲で走査するように、位置制御される。走査で
の探針の位置制御では、探針を測定表面に平行に移動さ
せる位置制御と、走査移動の間、凹凸形状の試料表面か
ら探針を一定距離の位置に保持するための探針軸方向の
位置制御が行われる。探針の先端が、試料ステージに設
置された試料の測定表面に対して、原子レベルの距離に
接近すると、トンネル電流が流れる。このトンネル電流
の値は、探針と試料表面の距離に依存する。そこで、サ
ーボ制御を用いてトンネル電流の値が一定になるように
探針の位置を制御することで、試料表面の凹凸状態を測
定することが可能となる。2. Description of the Related Art In a scanning tunneling microscope, a probe approaches a region of a sample surface to be measured at an extremely small distance such that a tunnel current flows, and scans the region of the sample surface in a certain range. So that the position is controlled. In the position control of the probe during scanning, position control is performed to move the probe parallel to the measurement surface, and the probe axis for holding the probe at a constant distance from the uneven sample surface during scanning movement. Directional position control is performed. When the tip of the probe approaches the measurement surface of the sample set on the sample stage at an atomic level distance, a tunnel current flows. The value of this tunnel current depends on the distance between the probe and the sample surface. Therefore, by using servo control to control the position of the probe so that the value of the tunnel current becomes constant, it becomes possible to measure the uneven state of the sample surface.
【０００３】探針の空間的な位置座標は、探針の基端か
ら先端に向かう軸方向をＺ軸とし、このＺ軸に直角な平
面内に含まれ且つ互いに直交する位置関係にある２方向
をそれぞれＸ軸及びＹ軸とすることにより、これらの
Ｘ，Ｙ，Ｚの座標値によって決定される。かかる空間座
標を用いて、ＣＲＴモニタに、測定した試料表面の鳥瞰
図を表示したり、Ｚ座標に対する輝度変調像を表示す
る。こうして得られた走査型トンネル顕微鏡による画像
は試料面の凹凸形状の情報を反映したものであり、この
画像によって試料面における原子レベルでの微細な形状
を測定し、解析することができる。With respect to the spatial position coordinates of the probe, the axial direction from the base end to the tip of the probe is the Z axis, and the two directions are included in a plane perpendicular to the Z axis and are in a positional relationship orthogonal to each other. Are defined as the X axis and the Y axis, respectively, and are determined by the X, Y, and Z coordinate values. Using such spatial coordinates, a bird's-eye view of the measured sample surface is displayed on the CRT monitor, and a brightness modulation image for the Z coordinate is displayed. The image obtained by the scanning tunneling microscope thus obtained reflects the information of the uneven shape of the sample surface, and the fine shape at the atomic level on the sample surface can be measured and analyzed by this image.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上記の走査型トンネル
顕微鏡において、探針にトンネル電流が流れるように探
針を試料表面に接近させた状態で測定表面を走査すると
き、探針は、測定表面上で所定の間隔で設定された複数
の測定箇所で、探針のＺ軸方向の位置制御を行う。各測
定箇所でのＺ軸方向の位置制御は、所定のトンネル電流
値が検出されるまで、複数回繰り返し行われる。この繰
り返し数は、予め一定回数に設定されている。その結
果、各測定箇所で、同一回数のＺ軸方向の位置制御が繰
り返されるため、全体として測定時間は長くなる。In the above scanning tunneling microscope, when the measurement surface is scanned with the probe being close to the sample surface so that a tunnel current flows through the probe, the probe is The position control of the probe in the Z-axis direction is performed at a plurality of measurement points set at a predetermined interval above. The position control in the Z-axis direction at each measurement point is repeated a plurality of times until a predetermined tunnel current value is detected. The number of repetitions is set to a fixed number in advance. As a result, since the same number of times of position control in the Z-axis direction is repeated at each measurement location, the measurement time becomes long as a whole.
【０００５】本発明の目的は、上記の問題に鑑み、各測
定箇所での探針のＺ軸方向の位置制御を迅速且つ正確に
行い、もって各測定箇所での測定時間を短くし、全体と
しての測定時間を短縮する走査型トンネル顕微鏡を提供
することにある。In view of the above problems, the object of the present invention is to quickly and accurately control the position of the probe in the Z-axis direction at each measurement point, thereby shortening the measurement time at each measurement point, and overall. An object of the present invention is to provide a scanning tunneling microscope that shortens the measurement time.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型トン
ネル顕微鏡は、試料に対し配置される探針と、探針と試
料の距離を変化させる第１移動機構と、探針を試料表面
に沿って移動させる第２移動機構と、探針と試料との間
にトンネル電流を生じさせるための電圧を印加する電圧
印加手段と、トンネル電流を検出するトンネル電流検出
手段と、検出されるトンネル電流を一定値に保持するた
め第１移動機構を制御し探針と試料の間の距離を調整す
るサーボ制御手段と、第２移動機構を制御して試料表面
で探針を走査させる走査手段と、探針で得られた試料表
面のデータを記録・処理するデータ処理手段を備え、試
料の測定表面上一定間隔で設定された測定箇所で停止し
た状態で、サーボ制御手段によるサーボ制御で探針の位
置制御を繰り返し行いトンネル電流値の検出を繰返し行
うように構成されるもので、複数の測定箇所で計測した
試料表面の凹凸情報に関するデータを記憶する記憶手段
と、少なくとも１つの測定箇所の測定データから、これ
から測定しようとする測定箇所における凹凸状態を予測
する予測手段を備えるように構成される。各測定箇所で
のトンネル電流の検出のための位置制御は、それ以前の
測定箇所での測定で得られた凹凸情報に基づいて予測す
ることにより行うため、位置制御が簡単化する。前記の
構成において、好ましくは、予測のための測定データ
は、これから測定しようとする測定箇所に近い測定箇所
の測定データである。前記の構成において、好ましく
は、予測に使用される測定データが２つであるとき、そ
れらの平均値を測定データとして使用する。前記構成に
おいて、好ましくは、予測のために使用される前述の複
数の測定箇所は、これから測定しようとする測定箇所の
それ以前に存する１ライン分の測定箇所である。この１
ラインに相当する領域は、測定表面の走査領域に基づい
て定義される。A scanning tunneling microscope according to the present invention includes a probe arranged on a sample, a first moving mechanism for changing a distance between the probe and the sample, and the probe on the sample surface. A second moving mechanism for moving along, a voltage applying means for applying a voltage for generating a tunnel current between the probe and the sample, a tunnel current detecting means for detecting the tunnel current, and a detected tunnel current For controlling the first moving mechanism to adjust the distance between the probe and the sample in order to maintain a constant value, and a scanning means for controlling the second moving mechanism to scan the sample surface with the probe. It is equipped with a data processing unit that records and processes the sample surface data obtained by the probe, and stops at the measurement points set at regular intervals on the measurement surface of the sample. Repeat position control It is configured to repeatedly detect a large tunnel current value, and a storage means for storing data relating to the unevenness information of the sample surface measured at a plurality of measurement points, and measurement data from at least one measurement point from now on. It is configured to include a prediction unit that predicts the unevenness state at the measurement location to be measured. The position control for detecting the tunnel current at each measurement point is performed by making a prediction based on the unevenness information obtained by the measurement at the previous measurement point, so that the position control is simplified. In the above-mentioned configuration, preferably, the measurement data for prediction is the measurement data of the measurement point near the measurement point to be measured. In the above configuration, preferably, when there are two measurement data used for prediction, the average value of them is used as the measurement data. In the above configuration, preferably, the aforementioned plurality of measurement points used for prediction are measurement points for one line existing before the measurement point to be measured. This one
The area corresponding to the line is defined based on the scanning area of the measuring surface.
【０００７】[0007]
【作用】本発明では、試料の測定表面を探針で走査しな
がら、設定された複数の測定箇所のそれぞれの凹凸形状
の測定を行うに当たり、これから測定しようとする測定
箇所から遡ってそれ以前の例えば１ライン分の凹凸形状
のデータを記憶するように構成し、これらの測定データ
を用いて測定しようとする測定箇所の凹凸状態を予測
し、測定の探針位置制御を行う前に、予測された位置に
探針を迅速に移動する。かかる動作により各測定箇所
で、位置制御を行うに当たり、位置制御の初期位置は、
測定対象である表面近傍の真の位置に近くセットされ、
その結果その後の位置制御において迅速且つ正確に凹凸
形状を精度良く測定することができる。According to the present invention, when the uneven surface shape of each of a plurality of set measurement points is measured while scanning the measurement surface of the sample with the probe, the measurement point to be measured is traced back to the previous measurement point. For example, it is configured to store the data of the unevenness shape for one line, predict the unevenness state of the measurement point to be measured using these measurement data, and predict it before performing the probe position control of the measurement. Move the probe to the desired position quickly. When performing position control at each measurement location by such operation, the initial position of position control is
Set near the true position near the surface to be measured,
As a result, in the subsequent position control, the uneven shape can be measured quickly and accurately with high precision.
【０００８】[0008]
【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は本発明に係る走査型トンネル顕微鏡
の全体システムを概略的に示す構成図で、特に、走査型
トンネル顕微鏡の探針周辺部分の構成と、探針の位置制
御を行うための装置構成、及び探針により得られる測定
データ検出・処理部の構成を示している。図１において
１は探針であり、探針１の先端は鋭く尖り、試料２の測
定表面に臨んでいる。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３本の微動用圧電素子３，４，５の交差固定部に取
付けられている。探針１の位置を変化させるに当たり、
圧電素子３はＸ軸方向の移動に関与するアクチュエー
タ、圧電素子４はＹ軸方向の移動に関与するアクチュエ
ータ、圧電素子５はＺ軸方向の移動に関与するアクチュ
エータである。圧電素子３，４，５は、測定時に、探針
１を微少に移動させるための移動機構である。更に、圧
電素子３，４，５を備えるトライポッドヘッドは、粗動
用の移動機構に取り付けられる。粗動用移動機構は、イ
ンチワームやステッピングモータ等で形成され、既知で
ある。本図ではその図示を省略している。粗動用移動機
構は、探針１を、主に、例えばトンネル電流が検出され
る位置まで試料表面に接近させるために使用される。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an entire system of a scanning tunnel microscope according to the present invention. In particular, a configuration of a portion around a probe of a scanning tunnel microscope and a device configuration for performing position control of the probe, And the configuration of the measurement data detection / processing unit obtained by the probe. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a probe, and the tip of the probe 1 is sharply pointed and faces the measurement surface of the sample 2. The probe 1 is attached to a cross-fixing portion of three rod-shaped fine-movement piezoelectric elements 3, 4 and 5 arranged at right angles to each other in a tripod head (not shown). When changing the position of the probe 1,
The piezoelectric element 3 is an actuator involved in movement in the X-axis direction, the piezoelectric element 4 is an actuator involved in movement in the Y-axis direction, and the piezoelectric element 5 is an actuator involved in movement in the Z-axis direction. The piezoelectric elements 3, 4, 5 are moving mechanisms for moving the probe 1 minutely during measurement. Further, the tripod head including the piezoelectric elements 3, 4, and 5 is attached to the moving mechanism for coarse movement. The coarse movement mechanism is formed of an inchworm, a stepping motor, or the like, and is well known. The illustration is omitted in this figure. The coarse movement mechanism is mainly used to bring the probe 1 closer to the sample surface, for example, to a position where a tunnel current is detected.
【０００９】前述の粗動用移動機構を駆動させ、探針１
が試料２の表面に接近し、探針１と試料２との距離が原
子レベルの所定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。ただしこの場合に、トンネル電流が
流れるためには、探針１と試料２との間に所定の電圧が
印加されていることが条件となる。図１において電圧印
加手段は明示されていないが、通常、トンネル電流検出
部６内に設けられる。所定のトンネル電流が検出された
位置で、探針１は、その移動を停止する。この場合、前
述の粗動用移動機構の動作は原則的に最終的な停止状態
は保持される。発生したトンネル電流は、トンネル電流
検出部６で検出され、検出されたトンネル電流は、電流
・距離変換部７によって、探針１と試料２の間の距離を
表す信号に変換される。次に実行される試料表面の形状
測定のための走査移動で、探針１と試料２の表面の間隔
は一定距離に保持される。そこで、走査移動時におい
て、次段のサーボ回路８は、電流・距離変換部７から出
力された距離信号を入力し、電流・距離変換部７で検出
される距離が一定値に保持されるように、Ｚ軸方向の圧
電素子５の伸縮動作を制御する機能を有する。The coarse movement moving mechanism described above is driven to drive the probe 1
When approaches the surface of the sample 2 and the distance between the probe 1 and the sample 2 becomes a predetermined minute distance at the atomic level, a tunnel current flows between them. However, in this case, in order for the tunnel current to flow, it is a condition that a predetermined voltage is applied between the probe 1 and the sample 2. Although the voltage application means is not shown in FIG. 1, it is usually provided in the tunnel current detection unit 6. The probe 1 stops its movement at a position where a predetermined tunnel current is detected. In this case, the operation of the coarse movement moving mechanism described above is basically kept in the final stopped state. The generated tunnel current is detected by the tunnel current detector 6, and the detected tunnel current is converted by the current / distance converter 7 into a signal representing the distance between the probe 1 and the sample 2. The scanning movement for the shape measurement of the sample surface to be performed next keeps the distance between the surfaces of the probe 1 and the sample 2 constant. Therefore, during scanning movement, the servo circuit 8 at the next stage receives the distance signal output from the current / distance converter 7 so that the distance detected by the current / distance converter 7 is maintained at a constant value. In addition, it has a function of controlling the expansion / contraction operation of the piezoelectric element 5 in the Z-axis direction.
【００１０】試料２の表面における探針１のＸ軸及びＹ
軸の各方向の走査は、走査部９によって行われる。走査
部９は、Ｘ軸方向用の圧電素子３とＹ軸方向用の圧電素
子４に対して制御信号を与え、これらの圧電素子３，４
の伸縮動作によって試料２の測定表面上で２次元的に走
査を行う。The X axis and Y of the probe 1 on the surface of the sample 2
Scanning in each direction of the axis is performed by the scanning unit 9. The scanning unit 9 gives a control signal to the piezoelectric element 3 for the X-axis direction and the piezoelectric element 4 for the Y-axis direction, and these piezoelectric elements 3, 4
The two-dimensional scanning is performed on the measurement surface of the sample 2 by the stretching operation of.
【００１１】走査移動時におけるＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向
の圧電素子３，４，５の伸縮動作による探針１の移動に
伴って、圧電素子３，４，５に印加される電圧、すなわ
ち各圧電素子の伸縮量を空間座標として記憶部１０に記
憶する。記憶部１０に記憶された探針１の位置データ
は、適宜に処理部１１に取り出され、この処理部１１で
試料２の観測表面の凹凸形状についての画像処理を行
い、モニタ部１２に試料２の表面の凹凸情報として表示
する。上記の記憶部１０と処理部１１によって、画像処
理のための演算処理部１３が構成される。図示例では、
探針１の動作制御系ということで演算処理部１３を説明
したが、実際上、演算処理部１３はマイクロコンピュー
タで形成される。The voltage applied to the piezoelectric elements 3, 4, and 5 as the probe 1 moves due to the expansion and contraction of the piezoelectric elements 3, 4, and 5 in the X, Y, and Z axis directions during scanning movement. That is, the expansion / contraction amount of each piezoelectric element is stored in the storage unit 10 as spatial coordinates. The position data of the probe 1 stored in the storage unit 10 is appropriately taken out by the processing unit 11, and the processing unit 11 performs image processing on the uneven shape of the observation surface of the sample 2, and the monitor unit 12 performs the image processing. It is displayed as unevenness information on the surface of the. The storage unit 10 and the processing unit 11 described above constitute an arithmetic processing unit 13 for image processing. In the example shown,
Although the arithmetic processing unit 13 has been described as an operation control system of the probe 1, the arithmetic processing unit 13 is actually formed by a microcomputer.
【００１２】上記の装置構成において、探針１と試料２
との間にトンネル電流が流れる場合に、探針１と試料２
の距離は、通常、原子レベルの１ｎｍ程度であり、試料
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とされ
る。トンネル電流は探針１と試料２の間の距離の変化に
敏感であり、これにより顕微鏡として高い分解能を得る
ことができる。In the above device configuration, the probe 1 and the sample 2
When a tunnel current flows between the probe 1 and the sample 2
The distance is usually about 1 nm at the atomic level, and it is necessary to control the operation of the piezoelectric element 5 so as to keep this distance constant in order to detect the uneven state of the sample surface. The tunnel current is sensitive to a change in the distance between the probe 1 and the sample 2, and thus a high resolution can be obtained as a microscope.
【００１３】上記の構成を有する走査型トンネル顕微鏡
では、一連の動作により、試料２の測定表面の凹凸形状
に関する情報を得ることができる。この凹凸形状の情報
を得るためには、測定表面において走査が行われる軌道
上に予め複数の測定箇所が設定され、これらの測定箇所
それぞれで探針１の走査のための移動を停止し、探針１
と試料２の表面との距離を一定に保つためのサーボ制御
がサーボ回路８によって複数回繰り返して行われる。こ
の繰り返し回数は、従来装置の場合、予め一定の回数に
決められていた。従って、位置制御を機械的に複数回繰
り返す従来の制御方法では、各測定箇所での測定のため
の位置制御に時間を要し、走査時間が長くなるという傾
向があった。With the scanning tunneling microscope having the above-mentioned structure, it is possible to obtain information on the uneven shape of the measurement surface of the sample 2 by a series of operations. In order to obtain the information on the uneven shape, a plurality of measurement points are set in advance on the track on which the scanning is performed on the measurement surface, and the movement of the probe 1 for scanning is stopped at each of these measurement points, Needle 1
Servo control for maintaining a constant distance between the surface of the sample 2 and the surface of the sample 2 is repeated a plurality of times by the servo circuit 8. In the case of the conventional device, the number of repetitions was previously set to a fixed number. Therefore, in the conventional control method in which the position control is mechanically repeated a plurality of times, there is a tendency that the position control for the measurement at each measurement location requires time and the scanning time becomes long.
【００１４】一方本実施例では、更に、サーボ回路８に
対してラインデータメモリ１４が付設される。このライ
ンデータメモリは、実際の装置構成上はサーボ回路８の
内部に設けられる。ラインデータメモリ１４では、探針
１の測定のための走査動作において、測定しようとする
箇所から遡って例えば１ライン分における測定箇所の測
定データを記憶している。この「１ライン」は測定領域
に対応して定義される領域である。測定しようとする測
定箇所で測定のための位置制御を行う場合、ラインデー
タメモリ１４に格納された１ライン分の測定箇所のデー
タに基づいてこれから測定しようとするデータを予測す
る。そして、探針１を予測データの示す位置に移動させ
た後、探針１と試料２の表面との距離を所定の一定距離
にする位置制御が行われる。この結果、各測定箇所での
測定動作が迅速化され、測定時間が短くなり、全体とし
て測定時間が短縮される。On the other hand, in this embodiment, a line data memory 14 is additionally provided for the servo circuit 8. This line data memory is provided inside the servo circuit 8 in the actual device configuration. In the line data memory 14, in the scanning operation for measuring the probe 1, the measurement data of, for example, one line worth of measurement data is stored retroactively from the measurement position. This "1 line" is an area defined corresponding to the measurement area. When the position control for measurement is performed at the measurement point to be measured, the data to be measured is predicted based on the data of the measurement point for one line stored in the line data memory 14. Then, after moving the probe 1 to the position indicated by the prediction data, position control is performed so that the distance between the probe 1 and the surface of the sample 2 is set to a predetermined constant distance. As a result, the measurement operation at each measurement point is accelerated, the measurement time is shortened, and the measurement time is shortened as a whole.
【００１５】次に、前述の図１と図２及び図３とを参照
して各測定箇所における位置制御について説明する。図
２は、探針１によって走査される試料２の測定表面の一
例を示す。１５は測定表面の領域を表す矩形であり、こ
の例では、説明の簡易化のために矩形の領域を仮定し
た。走査領域１５におけるＺi,j はｉ行ｊ列に存在する
これから測定しようとする箇所のＺ軸方向の凹凸データ
の予測値であり、Ｚi-1,j はｉ−１行ｊ列目の測定箇所
での凹凸形状の測定値、Ｚi,j-1 はｉ行ｊ−１列目の測
定値である。図から明らかなように、矩形の走査領域１
５において、横方向にＸ軸方向が定義され、縦方向にＹ
軸方向が定義される。従って、「ｉ」はＸ軸上の座標で
あり、「ｊ」はＹ軸上の座標である。Ｘ軸方向の範囲は
原点ＯからNX-1まで、Ｙ軸方向の範囲は原点ＯからNY-1
である。ここで、NXはＸ軸方向の測定箇所の数であり、
NYはＹ軸方向の測定箇所の数である。Next, the position control at each measurement point will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 3 described above. FIG. 2 shows an example of the measurement surface of the sample 2 scanned by the probe 1. Reference numeral 15 is a rectangle representing an area of the measurement surface, and in this example, a rectangular area is assumed for simplification of description. Z i, j in the scanning region 15 is the predicted value of the unevenness data in the Z-axis direction at the position to be measured existing in the i-th row and the j-th column, and Z i-1, j is the i−1-th row and the j-th column. The measured value of the uneven shape at the measurement point, Z i, j−1, is the measured value at the i-th row and the j−1-th column. As is clear from the figure, the rectangular scanning area 1
5, the X-axis direction is defined in the horizontal direction and the Y-axis direction is defined in the vertical direction.
The axial direction is defined. Therefore, "i" is the coordinate on the X axis and "j" is the coordinate on the Y axis. The range in the X-axis direction is from the origin O to NX-1, and the range in the Y-axis direction is from the origin O to NY-1.
Is. Where NX is the number of measurement points in the X-axis direction,
NY is the number of measurement points in the Y-axis direction.
【００１６】また図において、斜線で示した領域１６は
ラインデータメモリ１４に記憶される１ラインに相当す
る凹凸データの領域を示し、この領域に含まれる測定箇
所の凹凸データがラインデータメモリ１４に格納されて
いる。領域１６の１ラインは、Ｘ軸方向の１ラインであ
る。Further, in the figure, a shaded area 16 indicates an area of unevenness data corresponding to one line stored in the line data memory 14, and the unevenness data of the measurement points included in this area is stored in the line data memory 14. It is stored. One line in the area 16 is one line in the X-axis direction.
【００１７】この実施例では、これから凹凸形状を測定
しようとする測定箇所において、最初の探針１をセット
するＺ軸方向の位置Ｚi,j の値を、測定によって既に得
られた値Ｚi-1,j ，Ｚi,j-1 を用いて予測して求める。In this embodiment , the value of the position Z i, j in the Z-axis direction where the first probe 1 is set at the measurement point where the uneven shape is to be measured is the value Z i already obtained by the measurement. -1, j , Z i, j-1 is used for prediction.
【００１８】次に図３を参照して、測定表面である領域
１５を、原点Ｏを出発点として走査・測定する動作に関
し、探針１のＺ軸方向の制御処理のフローを説明する。
このフローチャートで使用される記号について説明す
る。ｉ，ｊ，Ｚi,j については前述の通りで、フローチ
ャートでは変数として使用される。Ｍi はラインデータ
メモリ１４でのｉ番目の各データ、ＮＸはＸ軸方向のデ
ータ点数、ＮＹはＹ軸方向のデータ点数をそれぞれ表
す。Next, with reference to FIG. 3, a flow of control processing of the probe 1 in the Z-axis direction will be described with respect to the operation of scanning and measuring the area 15 which is the measurement surface with the origin O as a starting point.
The symbols used in this flowchart will be described. i, j, Z i, j are as described above, and are used as variables in the flowchart. M i represents each i-th data in the line data memory 14, NX represents the number of data points in the X-axis direction, and NY represents the number of data points in the Y-axis direction.
【００１９】ステップＳ１及びステップＳ２では変数
ｉ，ｊについて初期値の設定を行い、ステップＳ３で、
走査部９に基づき圧電素子３，４を動作させてＸ，Ｙ方
向の位置制御を行い、ｉ及びｊの各値に対応する（Ｘ，
Ｙ）の測定位置に探針１を移動させる。これらのステッ
プＳ１，Ｓ２，Ｓ３で実行される内容は、図２において
測定が原点、すなわちＸ＝０，Ｙ＝０の位置から測定の
ための走査が開始されることを意味する。それ以後の測
定では、Ｘ軸方向にＸ＝０からＸ＝NX−１まで走査し、
次にＹを順次にインクリメントしてＹ＝０からＹ＝NY−
１まで、それぞれでＸ軸方向の走査を繰返すという走査
動作を行う。実際のＸ，Ｙ座標はｉ，ｊの値に測定箇所
の間の距離を乗じたものである。ステップＳ４は判定ス
テップであり、このステップでは変数ｉ，ｊの値の状態
を判定する。そしてｉ，ｊの値の組合せに応じてステッ
プＳ４１〜Ｓ４４のいずれかのステップが実行される。
ステップＳ４及びステップＳ４１〜Ｓ４４の組合せによ
り、各測定箇所における測定のためのＺ軸方向の位置制
御において凹凸予測を行い、位置データを与える。ただ
しｉ＝０，ｊ＝０の場合には、測定を開始する最初の箇
所であり、従って過去の測定データを有していないの
で、予測を行うことができない。そこでステップＳ４１
では、予測のための処理を行わない。他のステップＳ４
２〜Ｓ４４ではそれぞれの条件に応じてラインデータメ
モリ１２に格納された測定データのうち最適なデータ又
は２つのデータを平均して得られたデータを、各測定箇
所の位置制御の最初の位置データとしてＺi,j にセット
する。In steps S1 and S2, initial values are set for variables i and j, and in step S3,
The piezoelectric elements 3 and 4 are operated on the basis of the scanning unit 9 to perform position control in the X and Y directions, corresponding to respective values of i and j (X,
The probe 1 is moved to the measurement position of Y). The contents executed in these steps S1, S2, and S3 mean that the measurement is started from the origin in FIG. 2, that is, the position of X = 0, Y = 0. In the subsequent measurements, scan from X = 0 to X = NX-1 in the X-axis direction,
Next, Y is sequentially incremented and Y = 0 to Y = NY-
Up to 1, the scanning operation of repeating scanning in the X-axis direction is performed. The actual X and Y coordinates are the values of i and j multiplied by the distance between the measurement points. Step S4 is a determination step, in which the state of the values of variables i and j is determined. Then, any one of steps S41 to S44 is executed according to the combination of the values of i and j.
By the combination of step S4 and steps S41 to S44, unevenness prediction is performed in position control in the Z-axis direction for measurement at each measurement location, and position data is given. However, in the case of i = 0 and j = 0, it is the first point where the measurement is started, and therefore, since there is no past measurement data, prediction cannot be performed. Then step S41
Then, the process for prediction is not performed. Other steps S4
In 2 to S44, the optimum data among the measurement data stored in the line data memory 12 according to each condition or the data obtained by averaging two data is used as the first position data for the position control of each measurement point. As Z i, j .
【００２０】先ず、ｉ＝０，ｊ＝０の場合には、前述の
通り予測は不可能であるので、ステップＳ４５を実行
し、粗動機構を用いて所定のトンネル電流が検出される
まで探針１を試料表面まで接近させる。次に、ステップ
Ｓ６でサーボ回路８と圧電素子５によるＺ軸方向の位置
制御を行って凹凸データを求め、Ｚi,j を決定する。決
定されたＺi,j はステップＳ７でラインデータメモリ１
４にＭi として格納される。ｊ＝０且つｉ＜ＮＸである
ので、ステップＳ８，Ｓ９を実行して、ｉを１としてス
テップＳ３に戻る。First, in the case of i = 0 and j = 0, the prediction is impossible as described above. Therefore, step S45 is executed, and the coarse movement mechanism is used to search until a predetermined tunnel current is detected. The needle 1 is brought close to the sample surface. Next, in step S6, position control in the Z-axis direction is performed by the servo circuit 8 and the piezoelectric element 5 to obtain unevenness data, and Z i, j is determined. The determined Z i, j is the line data memory 1 in step S7.
4 is stored as M i . Since j = 0 and i <NX, steps S8 and S9 are executed, i is set to 1, and the process returns to step S3.
【００２１】ステップＳ３ではＸ、Ｙの各軸方向の位置
制御が行われ、次の測定箇所（ｉ＝１，ｊ＝０の位置）
への走査移動が行われる。そしての次のステップ４を実
行する。この場合、ｉ≠０，ｊ＝０であるので、ステッ
プＳ４２を実行する。ステップＳ４２では、１つ前の測
定箇所で測定された測定データがＭi-1 に格納されてい
るので、この測定データを予測位置データとしてＺi,j
に入れる。ステップＳ５では、このＺi,j のデータを用
いて探針１をサーボ回路８で位置制御して予測位置に移
動させる。探針１が予測位置に移動すると、ステップＳ
６で当該測定箇所における凹凸形状を測定するためのＺ
軸方向の位置制御が行われ、Ｚi,j が決定される。決定
された測定データＺi,j はステップＳ７でラインデータ
メモリ１４のＭi に格納する。このとき、ラインデータ
メモリ１４にはＭi-1 とＭi の測定データが格納されて
いる。次にｉを２にセットして（ステップＳ８）、ステ
ップ９を経てステップＳ３に戻る。その後、ｉがＮＸに
なるまで、上記のステップＳ３，Ｓ４，Ｓ４２，Ｓ５〜
Ｓ８が繰返される。ｉがＮＸになると、探針１はＸ軸方
向の走査移動に関し、走査領域を飛び出すことになる。
そこで、次にはステップＳ１０でｊを１として、ステッ
プ１１を経てステップＳ２で再びｉを０として、走査領
域１５におけるｉ＝０，ｊ＝１の位置に探針を移動させ
る（ステップＳ３）。In step S3, position control in each of the X and Y axis directions is performed, and the next measurement position (position of i = 1, j = 0)
A scan move to. Then, the following step 4 is executed. In this case, since i ≠ 0 and j = 0, step S42 is executed. In step S42, since the measurement data measured at the immediately preceding measurement location is stored in M i-1 , this measurement data is used as the predicted position data Z i, j.
Put in. In step S5, the position of the probe 1 is controlled by the servo circuit 8 using the data of Z i, j to move it to the predicted position. When the probe 1 moves to the predicted position, step S
Z for measuring the uneven shape at the measurement point in 6
Axial position control is performed to determine Z i, j . The determined measurement data Z i, j is stored in M i of the line data memory 14 in step S7. At this time, the line data memory 14 stores the measured data of M i-1 and M i . Next, i is set to 2 (step S8), and after step 9, the process returns to step S3. Then, until i becomes NX, the above steps S3, S4, S42, S5
S8 is repeated. When i becomes NX, the probe 1 jumps out of the scanning region with respect to the scanning movement in the X-axis direction.
Therefore, next, j is set to 1 in step S10, i is set to 0 again in step S2 after step 11, and the probe is moved to the position of i = 0 and j = 1 in the scanning region 15 (step S3).
【００２２】次のステップＳ４では、ｉ＝０，ｊ＝１と
判定されるので、ステップＳ４３が実行される。ステッ
プＳ４３では、測定データＭi （ｉ＝０）が予測位置デ
ータとしてＺi,j に入る。これは、図２においてｉ＝
０，ｊ＝１の位置の測定箇所の予測位置データとして
は、真下のｉ＝０，ｊ＝０の位置の測定箇所の測定デー
タが用いられることを意味する。その後、前記と同様
に、予測位置データＺi,j により探針１を迅速且つ正確
にＺ軸方向位置制御を行い、予測位置に移動させる。そ
して、更にステップＳ６〜Ｓ９が行われる。ステップＳ
９ではｉは再び１になるので、ステップＳ３に移行す
る。またステップＳ６で、新たな測定で決定された予測
データＺi,j は、ラインデータメモリ１４のＭｉに格納
される。このとき旧い予測データは破棄され、新しい予
測データが格納される。その後の測定において、ライン
データメモリ１４の各データは次々に新しい予測データ
に更新される。In the next step S4, since it is determined that i = 0 and j = 1, step S43 is executed. In step S43, the measurement data M i (i = 0) enters Z i, j as predicted position data. This is i =
This means that the measurement data of the measurement position at the position i = 0, j = 0 directly below is used as the predicted position data of the measurement position at the position of 0, j = 1. Thereafter, similarly to the above, the probe 1 is quickly and accurately controlled in the Z-axis direction by the predicted position data Z i, j and moved to the predicted position. Then, steps S6 to S9 are further performed. Step S
In 9, i becomes 1 again, so that the process proceeds to step S3. In step S6, the prediction data Z i, j determined by the new measurement is stored in Mi of the line data memory 14. At this time, the old prediction data is discarded and new prediction data is stored. In the subsequent measurement, each data in the line data memory 14 is updated to new prediction data one after another.
【００２３】ステップＳ３に戻ると、探針１は走査移動
により次の測定箇所に移動する。この測定箇所はｉ＝
１，ｊ＝１で、ｉ≠０，ｊ≠０である。従ってステップ
４４が実行される。この測定箇所における状況を、ライ
ンデータメモリ１４における過去の予測データの蓄積と
いう観点で見ると、図２で示される測定箇所１７の状況
と同じである。かかる場合には、ステップＳ４４に移行
し、Ｍi-1 とＭi の平均値（Ｍi-1 ＋Ｍi ）／２が予測
データとしてＺi,j に入る。その後は、この予測データ
を用いて、前記と同様にステップＳ５〜Ｓ７が実行され
る。そしてｉを２にして、ステップＳ３に戻る。Returning to step S3, the probe 1 moves to the next measurement position by scanning movement. This measurement point is i =
1, j = 1, i ≠ 0, j ≠ 0. Therefore, step 44 is executed. From the viewpoint of accumulating past prediction data in the line data memory 14, the situation at this measurement point is the same as the situation at the measurement point 17 shown in FIG. In such a case, the process proceeds to step S44, and the average value (M i-1 + M i ) / 2 of M i-1 and M i enters Z i, j as the prediction data. After that, steps S5 to S7 are executed in the same manner as described above using this prediction data. Then, i is set to 2, and the process returns to step S3.
【００２４】以後前記と同様にして、走査領域１５の最
終の測定箇所（ｉ＝ＮＸ−１，ＮＹ−１）に至るまで、
測定箇所間の走査動作及び各測定箇所でのＺ軸方向の位
置制御による測定動作が行われる。Thereafter, similarly to the above, until the final measurement point (i = NX-1, NY-1) of the scanning region 15 is reached,
A scanning operation between measurement points and a measurement operation by position control in the Z-axis direction at each measurement point are performed.
【００２５】要約すると、測定表面である走査領域１５
で、先ずｊ＝０，ｉ＝０〜ＮＸ−１で定義される第１の
ラインにて、ｉをインクリメントして、走査移動しなが
ら各測定箇所で停止して凹凸形状を測定する。その際、
ラインデータメモリ１４には、測定箇所で得られた測定
データがその直後の測定箇所の予測データとして使用す
る目的で格納される。従って、各測定箇所では、第１番
の測定箇所を除き、直前の測定箇所で測定データが予測
データとして使用される。次にｊ＝１，ｉ＝０〜ＮＸ−
１で定義される第２のラインを、同様に走査・測定す
る。こうして、ｊをインクリメントしながら、各ライン
を走査・測定する。各測定箇所では、前述の通り、位置
に対応して定義される予測データを使用して、先ず予測
位置に位置制御が行われ、その後に精度の高いＺ軸方向
の位置制御を行って、当該箇所の凹凸形状を測定する。In summary, the scanning area 15 which is the measurement surface
Then, first, in the first line defined by j = 0 and i = 0 to NX-1, i is incremented, and the uneven shape is measured by stopping at each measurement position while scanning and moving. that time,
The line data memory 14 stores the measurement data obtained at the measurement point for the purpose of using it as prediction data of the measurement point immediately after that. Therefore, at each measurement location, except for the first measurement location, the measurement data at the immediately preceding measurement location is used as the prediction data. Next, j = 1, i = 0 to NX-
The second line defined by 1 is similarly scanned and measured. In this way, each line is scanned and measured while incrementing j. At each measurement point, as described above, the predicted data defined corresponding to the position is used to first perform the position control at the predicted position, and then perform the highly accurate Z-axis direction position control. Measure the uneven shape of the spot.
【００２６】上記の処理中において、ステップＳ６の処
理終了時に記憶部１０に測定データＺi,j を伝送し、走
査領域１５全体の凹凸情報を格納する。During the above process, at the end of the process of step S6, the measurement data Z i, j is transmitted to the storage unit 10 and the unevenness information of the entire scanning region 15 is stored.
【００２７】前記実施例では、測定しようとする測定箇
所の予測データを、それよりも前に測定された１ライン
中に含まれる少なくとも１箇所の測定箇所であって、測
定しようとする測定箇所に最も近い測定箇所のものを使
用している。しかし、使用される測定データについては
これに限定されず、ラインデータメモリ１４に記憶され
るいずれの測定データを使用することも可能である。In the above-mentioned embodiment, the predicted data of the measuring point to be measured is set to at least one measuring point included in one line measured before that, and the predicted data is to be measured. The nearest measurement point is used. However, the measurement data used is not limited to this, and any measurement data stored in the line data memory 14 can be used.
【００２８】以上のフローチャートを実行する手段とし
ては、前記の演算処理部１３にその機能を持たせるよう
に構成することもできるし、別の専用の中央処理装置を
設けるように構成することもできる。このような、図３
のフローチャートを実行する手段を、装置として、機能
手段で表現すると、所定の過去の測定データを記憶する
記憶手段（ラインデータメモリ１４）と、所定の過去の
測定データに基づき次の測定箇所の初期位置を予測する
予測手段とから構成される。As means for executing the above flow chart, the arithmetic processing unit 13 may be provided with its function, or another dedicated central processing unit may be provided. .. As shown in FIG.
When the means for executing the flowchart of FIG. 3 is expressed as a functional means as a device, a storage means (line data memory 14) for storing predetermined past measurement data and an initial stage of the next measurement point based on the predetermined past measurement data. It comprises a prediction means for predicting the position.
【００２９】[0029]
【発明の効果】本発明によれば、走査型トンネル顕微鏡
において、試料の測定表面において離散的に配置された
複数の測定箇所を走査移動しながら、各測定箇所でＺ軸
方向に位置制御をして凹凸形状を測定する場合に、各測
定箇所におけるＺ軸方向の位置制御の開始点の設定で過
去の測定データを予測データとして使用したため、探針
のＺ軸方向の位置制御が迅速に且つ正確に行うことがで
き、走査領域での測定時間を延長させることなく、高精
度な凹凸形状の測定データを得ることができる。According to the present invention, in the scanning tunneling microscope, the position of each measurement point is controlled in the Z-axis direction while the plurality of measurement points arranged discretely on the measurement surface of the sample are scanned and moved. When measuring uneven shapes by using the past measurement data as predictive data by setting the starting point of the Z-axis position control at each measurement location, the position control of the probe in the Z-axis direction is quick and accurate. Therefore, highly accurate measurement data of the uneven shape can be obtained without extending the measurement time in the scanning region.
【図１】本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の全体シス
テムの要部を概略的に示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a main part of an entire system of a scanning tunneling microscope according to the present invention.
【図２】試料の測定表面である走査領域の例を示す平面
図である。FIG. 2 is a plan view showing an example of a scanning region which is a measurement surface of a sample.
【図３】本発明による各測定箇所でのＺ軸方向の位置制
御の処理フローを示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing a processing flow of position control in the Z-axis direction at each measurement point according to the present invention.
１ 探針 ２ 試料 ３，４，５ 圧電素子 ６ トンネル電流検出部 ７ 電流・距離変換部 ８ サーボ回路 ９ 走査部 １０ 記憶部 １１ 処理部 １２ モニタ部 １３ 演算処理部 １４ ラインデータメモリ １５ 走査領域 1 Probe 2 Sample 3, 4, 5 Piezoelectric Element 6 Tunnel Current Detection Section 7 Current / Distance Conversion Section 8 Servo Circuit 9 Scan Section 10 Storage Section 11 Processing Section 12 Monitor Section 13 Calculation Processing Section 14 Line Data Memory 15 Scanning Area
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽崎 栄市 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社日立 製作所那珂工場内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Sakae Hasaki 882 Igemo, Katsuta City, Ibaraki Prefecture Inside the Naka Factory of Hitachi, Ltd.
Claims (4)
探針と前記試料の距離を変化させる第１移動機構と、前
記探針を試料表面に沿って移動させる第２移動機構と、
前記探針と前記試料の間にトンネル電流を生じさせるた
めの電圧を印加する電圧印加手段と、前記トンネル電流
を検出するトンネル電流検出手段と、検出される前記ト
ンネル電流を一定値に保持するため前記第１移動機構を
制御し前記探針と前記試料の間の距離を調整するサーボ
制御手段と、前記第２移動機構を制御して試料表面で前
記探針を走査させる走査手段と、前記探針で得られた試
料表面のデータを記録・処理するデータ処理手段を備
え、試料の測定表面上或る間隔で設定された測定箇所で
停止した状態で、前記サーボ制御手段によるサーボ制御
で探針の位置制御を繰返し行いトンネル電流値の検出を
行う走査型トンネル顕微鏡において、複数の前記測定箇
所で計測した試料表面の凹凸情報に関するデータを記憶
する記憶手段と、少なくとも１つの測定箇所の測定デー
タから、これから測定しようとする測定箇所における凹
凸状態を予測する予測手段を備えることを特徴とする走
査型トンネル顕微鏡。1. A probe arranged to face a sample, a first moving mechanism for changing a distance between the probe and the sample, and a second moving mechanism for moving the probe along a sample surface. ,
A voltage applying means for applying a voltage for generating a tunnel current between the probe and the sample, a tunnel current detecting means for detecting the tunnel current, and for holding the detected tunnel current at a constant value. Servo control means for controlling the first moving mechanism to adjust the distance between the probe and the sample; scanning means for controlling the second moving mechanism to scan the probe on the sample surface; The probe is provided with data processing means for recording and processing the data of the sample surface obtained by the needle, and in a state of being stopped at the measurement points set at a certain interval on the measurement surface of the sample, by the servo control by the servo control means. In a scanning tunneling microscope for detecting the tunnel current value by repeatedly performing the position control of the above, the storage means for storing the data on the unevenness information of the sample surface measured at the plurality of measurement points, From the measurement data of Kutomo one measurement location, the scanning tunneling microscope, characterized in that it comprises a prediction means for predicting the irregularity at the measurement point to be now measured.
おいて、予測のための前記測定データは、これから測定
しようとする測定箇所に近い測定箇所の測定データであ
ることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。2. The scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the measurement data for prediction is measurement data of a measurement point close to a measurement point to be measured from now on. ..
おいて、前記測定データが２つであるとき、それらの平
均値を予測のための測定データとして使用することを特
徴とする走査型トンネル顕微鏡。3. The scanning tunneling microscope according to claim 2, wherein when the number of the measurement data is two, an average value thereof is used as the measurement data for prediction.
おいて、前記複数の測定箇所は、これから測定しようと
する測定箇所に至る前に存する１ライン分に含まれる測
定箇所であることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。4. The scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the plurality of measurement points are measurement points included in one line existing before reaching a measurement point to be measured. Scanning tunneling microscope.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32907291A JPH05164510A (en) | 1991-12-12 | 1991-12-12 | Scanning type tunnel microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32907291A JPH05164510A (en) | 1991-12-12 | 1991-12-12 | Scanning type tunnel microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05164510A true JPH05164510A (en) | 1993-06-29 |
Family
ID=18217307
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32907291A Pending JPH05164510A (en) | 1991-12-12 | 1991-12-12 | Scanning type tunnel microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05164510A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1045253A2 (en) * | 1999-03-31 | 2000-10-18 | Agency of Industrial Science and Technology of Ministry of International Trade and Industry | Prober for electrical measurements and method of measuring electrical characteristics with said prober |
-
1991
- 1991-12-12 JP JP32907291A patent/JPH05164510A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1045253A2 (en) * | 1999-03-31 | 2000-10-18 | Agency of Industrial Science and Technology of Ministry of International Trade and Industry | Prober for electrical measurements and method of measuring electrical characteristics with said prober |
| EP1045253A3 (en) * | 1999-03-31 | 2003-12-17 | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Independent Administrative Institution | Prober for electrical measurements and method of measuring electrical characteristics with said prober |
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