JPH02265155A - 走査型トンネル顕微鏡用フイードバック制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は走査型トンネル顕微鏡などのフィードバック制
御に関するものである。特に、本発明のフィードバック
制御は、フィードバックループの応答性を向上するため
に格納した！・ポグラフィ情報を使用するものである。

従来技術 典型的な走査型トンネル顕微鏡においては、ザンプル即
ち試料の表面から２乃至３個の原子性などの原子距離に
導電性チップ（先端部）が位置されている。このサンプ
ルは、典型的に、導体又は半導体である。この２乃至３
原子分の距離は、約１０八である。サンプルとチップと
の間に、トンネル電流と呼ばれる電流を流すことが可能
である。

このトンネル電流は、サンプルとチップとの間に印加さ
れるバイアス電圧に起因するものである。

通常、複数個の隣接する水平走査線によって形成される
ラスタースキャンを使用し且つチップの垂直位置を位置
決めするフィードバックループを使用してこのチップを
サンプルの表面に渡って走査させる。特に、トンネル電
流が一定値に保持されるようにチップの垂直位置が制御
される。チップの垂直位置は、通常、ピエゾ素子によっ
て制御される。特に、チップはピエゾ素子上に装着され
、目、つピエゾ素子に正及び負の電圧を印加することに
よって、該ピエゾ素子は膨張乃至は収縮し、その際にサ
ンプルと相対的にチップを下降乃至は上昇させる。フィ
ードバックを使用することによりトンネル電流を一定に
維持することにより、チップは前記表面の上方一定位置
に保持される。

一定のトンネル電流を維持することは、位置決め電圧と
呼ぶことが可能な正又は負の電圧をピエゾ素子へ印加す
ることによって達成される。従って、垂直位置決めピエ
ゾ素子へ印加される位置決め電圧をモニタすることによ
って、チップの垂直位置を記録することが可能である。

なぜならば、それは位置決め電圧と関係しているからで
ある。

この様に、チップの垂直位置を、チップが表面に沿って
走査されるに従い記録を行なって、サンプルと相対的な
チップの水平位置の関数としてザンプル表面の垂直位置
の記録を与える。チップの水平座標は、通常、Ｘ及びＹ
で与えられ、その垂直位置はＺで与えられる。従って、
チップの走査におけるＸ及びＹ位置をモニタすると共に
チップの高さのＺ位置を同時的にモニタすることにより
表面のトポグラフィ即ち地形の記録を得ることが可能で
ある。

サンプルと相対的なチップのＺ位置を制御するフィード
バックループが非常に精密であることが全ての走査型ト
ンネル顕微鏡にとって極めて重要である。これは、サン
プルとチップとの間を流れる電流は、チップが表面から
約１０八である場合にのみ発生ずるからである。チップ
か表面から離されると、トンネル電流は指数的に降下し
且つ例えばチップが表面から５八以上の非常に短い距離
動かされると、５倍降下することがある。通常、走査型
トンネル顕微鏡は、チップが表面から２０八を越えて離
されると動作不可能となる。なぜならば、その場合、ト
ンネル電流が小さすぎて測定不可能となるからである。

従って、チップの垂直位置はそれが表面に非常に近接状
態に維持されるように精密に制御されねばならないこと
が理解される。一つの方向において、その制御は非常に
近接したものでなければならないがチップは表面と接触
してはならず、又上述した如く、トンネル電流が測定不
可能なレベルへ降下するほどチップが表面から離れては
ならない。このことを達成し且つその際にサンプルのト
ポグラフィを走査型トンネル顕微鏡でマツピングするた
めに、チップの垂直位置を制御するフィトパックループ
は振動を発生ずることなしに精密且つ高速なものでなけ
ればならない。サンプルの走査即ちスキャニングは比較
的大きな司法を有するスキャンで行なわれることが望ま
しい。これらの−層大きなスキャンが同一の期間におい
て行なわれる場合、トポグラフィに追従するためにフィ
ードバックループはそれだけ高速のものでなければなら
ない。このことを達成することが不可能な場合、−層大
きなスキャンを与えるために走査速度を遅くせねばなら
ない。しかし、このことはスキャン即ち走査がかなり長
い時間かかることになるので好ましくない。一般的に、
スキャン速度が高速であればあるはと、良好である。

最近の走査型トンネル顕微鏡は、例えば９ミクロン×９
ミクロンのような比較的大きなスキャン即ち走査を可能
としている。この様な大きなスキャンを例えば１分など
の妥当に短い期間内に与えることが望ましい。このこと
を達成するために所要の走査速度を！ｊえ且っ所要の精
度でチップを表面に追従させることは非常に困難である
。

一般的に、従来技術におけるほとんどの走査型トンネル
顕微鏡は、チップの垂直位置を制御するループ用にアナ
ログフィードバックループを使用している。この様なア
ナログ信号においては、設定点電流及びサンプルとチッ
プとの間に流れる実際のトンネル電流との間の差である
誤差信号が発生される。この誤差信号は、フィードバッ
クルブにおいて使用されて、チップの位置を変化させ、
チップが表面に渡って走査される間、トンネル電流の値
を設定点値へ戻すように袖山する。例えば、チップが表
面に近接し過ぎると、トンネル電流は設定点値を越える
値を有し、且つフィードバックループはこの差を反映す
る誤差信号を受取り、その誤差信号を増幅し、且つそれ
を適切な極性で垂直駆動要素へ印加し、チップを表面か
ら上方へ」１昇させる。チップが表面から上昇されると
、これによりトンネル電流の値は下降されて設定点値へ
復帰される。

従来の走査型トンネル顕微鏡において一般的に使用され
るフィードバックのタイプは積分的及び比例的の両方で
ある。フィードバックの積分部分は平均誤差を常にゼロ
に維持するが、積分器が誤差信号における迅速な変動を
平滑化するので、フィードバックループの応答性を遅く
させる傾向がある。更に、積分器を使用することにより
、９００の位相シフトを発生し、それはフィードバック
ループにおいて幾分都合が悪い。例えば、位相シフトが
１８０°である場合、チップはトンネル電流と完全に位
相が反対であり、且つフィードバックは誤差を補正する
のに必要な方向と反対の方向にチップを駆動することと
なり振動を発生させるからである。

９０°の位相シフトはそれ程極端なものではないが、そ
れはフィードバックループにおいて不都合を発生させる
。更に、サンプルの正弦波表面に起因し２て正弦波変動
が誤差信号内に発生ずると、誤差信号を補正するために
垂直チップ位置の正弦波変動をＬＪえる必要がある。フ
ィードバックルブにおける位相シフト及び特に１８０°
の位相シフトは、チップを不都合な方向に駆動する場合
があり、全フィードバックを振動状態とさせることがあ
る。フィードバックループの安定な動作のための別の条
件として、フィードバックループの利得は妥当なレベル
に維持されねばならない。

従来のフィードバックループにおける上述した如き問題
を緩和するために、これらの従来のフィトパックループ
は比例的フィードバックを有しており、その場合、フィ
ードバックループにおける積分誤差に加えて誤差信号自
身を使用する。例えば、トンネル電流に誤差がある場合
、この誤差を増幅し、且つチップの位置決めのために印
加される。この比例的フィードバックは、それと関係す
る固有の位相シフトが存在しないという利点を有してお
り、従って、フィードバックループは、フィルタ、増幅
器、及びチップ駆動要素などのフィードバックループの
他の構成部品からの位相シフトの蓄積に影響を受けるこ
とかないということである。比例的フィードバックを使
用することにより、積分型フィードバックの場合よりも
高い周波数応答が得られる。

上述したフィードバックの異なった形態のものを従来の
走査型トンネル顕微鏡において使用し、フィードバック
ループ内に局所的誤差信号を形成する。特に、チップの
現在の水平位置において測定された誤差信号を使用して
基本的にその同一の水平位置におけるチップの垂直位置
を制御して一定のトンネル電流を維持する。サンプルの
トポグラフィが非常に急峻である場合、局所的誤差信号
が大きくなり、且つフィードバックループの利得が非常
に高くない限り、チップの垂直位置を十分高速に補正す
ることができず、且つチップはその際表面と衝突する場
合がある。この条件は明らかに回避せねばならない。チ
ップがサンプルの表面と衝突すると、これによりフィー
ドバックループは完全に悪影響を受け、不適切な画像が
発生される。

以上アナログフィードバックループについて説明したが
、このフィードバックループはデジタルフィードバック
ループとして形成することも可能であることを理解すべ
きである。この様なデジタルフィードバックループにお
いては、サンプルとチップとの間のトンネル電流をデジ
タル化させ１１つコンピュータに入力して、そこでトン
ネル電流のデジタル値を予め設定した値と比較し、誤差
信号をゼロとさせるためにはチップの垂直位置がどの様
な位置でなければならないかということを目算する。デ
ジタルフィードバックを使用する場合の一つの利点は、
今日デジタル処理を人手することが可能であるというこ
とである。この様なデジタル処理の場合、誤差信号の任
意の関数をワイドパックループ内に与えることが可能で
ある。例えば、デジタルフィードバックループの場合、
積分及び比例的フィードバックに加えて、例えば微分フ
ィードバックなとのその他の形式のフィードバックを使
用することが可能である。しかしながら、−殻内に、デ
ジタルフィードバックループを使用することは、アナロ
グフィードバックループにおいて使用される積分器及び
増幅器がコンピュタ内の数値計算によって置換えられる
ということを除いて、従来のアナログフィードバックル
ブと同一の一般的な結果を与えるに過ぎない。

基本的に、走査型トンネル顕微鏡に対するアナログ及び
デジタルフィードバックループは、両方とも、フィード
バックループがサンプルの表面の正確なトラッキングを
与えるために高い周波数応答を有することを必要とする
共通の問題を抱えている。更に、位相遅れがあると、そ
れは特に高い周波数において且つ利得か高い場合にフィ
ードバック応答において不安定性を発生させることがあ
る。これらの問題の全ては走査型トンネル顕微鏡の使用
を制限しており、特に、画像の向上をＶｊ、えるために
比較的遅いスキャン速度を必要としていた。特に、スキ
ャンの司法を一層大きくし且つこれらの大きなスキャン
を妥当な時間内に達成することが望まれる場合に、この
ことが当てはまる。

従って、従来の装置における上述した多くの問題を解消
するために走査型トンネル顕微鏡用のフィトバック制御
を改善することが望まれている。

目　　的 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、」二
連した如き従来技術の欠点を解消し、ワイドパックルー
プの応答性を向上させるために特に前に記録したトポグ
ラフィ情報を使用することにより走査型トンネル顕微鏡
用のフィードバック制御を改良することを目的としてい
る。

構成 本発明によれば、フィードバックの応答性が改善される
ので、走査型トンネル顕微鏡により調査中の物体のトポ
グラフ２即ち地形を一層正確に表わずことが可能である
。更に、走査型トンネル顕微鏡において本発明によって
Ｊｊえられる同一の利点は例えば原子力顕微鏡（ａｔｏ
ｍｉｃ　　ｆｏｒｃｅ　　ｍ１ｃｒｏｓｃｏｐｅｓ）な
どのその他の装置においても得られることを理解すべき
である。

本発明は、走査型トンネル顕微鏡の既に存在するＸＹラ
スタースキャンを利用することにより改良を与えている
。特に、典型的な場合において、Ｘ方向に沿ってのスキ
ャンが与えられ、次いでＹ方向か増分的に変化され且つ
Ｘ方向に別のスキャンが行なわれる。このことが、各Ｘ
走査線がＹ方向に多少増分された数百のこれらＸ方向の
走査線から典型的な画像が構成されるまで継続して行な
われる。理解される如く、このために、各走査線はトポ
グラフィ的に隣接するものと非常に類似しており、複数
個の逐次的な走査線は互いに類似しており、且つ隣接す
る走査線は互いに非常に類似している。

本発明においては、フィードバックループは、局所的誤
差信号であるチップの現在位置からのブタを使用するの
みならず、フィードバックルプはチップを垂直方向にお
いて位置決めさせるために現在位置近傍のトポグラフ２
イに関する格納した情報を組込む。従って、隣接する走
査線からの情報を使用することにより、フィードバック
回路がトポグラフィを予測することを可能とし、従って
、局所的誤差情報のみを使用する場合に可能であるより
も一層迅速に動作することを可能としている。最少にお
いても、本発明のフィードバックループは、局所的誤差
情報と、少なくとも前の走査線からの情報を使用するが
、多数の前の走査線からの情報又は全ての前の走査線か
らの情報を使用することも可能であることを理解すべき
である。

本発明は垂直制御が予測を行ない［１，つその際に、あ
る意味においては、走査速度を改善するのみならず走査
型Ｉ・ンネル顕微鏡の画像能力を向上させるために前方
を見ることに貢献する。

本発明は、多数の態様で実現することが可能であり、そ
の−例として、現在の走査線に対するフィードバックを
補充するために前の走査線からのデータを使用する本発
明を示すための二つの例について説明する。３番［」の
実施例は、逐次的なフレームに対し向上した画像形成機
能をｌｊえるために前のフレームからの情報を使用する
場合について説明する。前の走査線からのフィードバッ
クを補充する二つの実施例は、−殻内に、走査ヒステリ
シス及び利得ヒステリシスと呼ばれる。走査ヒステリシ
スは、前の走査線情報を使用して現在の走査線Ｚの値を
直接的に修正する。利得ヒステリシスは前の走査線情報
を使用して、現在の走査線に関し動作するフィードバッ
ク要素の利得を調節する。

実施例 以下、添ｆ４の図面を参考に、本発明の具体的実施の態
様について詳細に説明する。

第１図に示した如く、走査型トンネル顕微鏡は、ザンプ
ル即ち試料］２の表面上方約１ＯＡの位置に保持される
導電性チップ（先端部）１０を有している。このサンプ
ルは、通常、導体又は半導体である。サンプル１２とチ
ップ１０との間に印加されるバイアス電圧によってサン
プル１−２とチップ１０との間にトンネル電流が流れる
。

第２図に示した如く、チップ］０は、ラスクスキャン］
８によって示される如く、ラスクーの態様でサンプル１
２の表面１６上をスキャン即ち走査される。ラスタース
キャン１８は、Ｘ方向において一連の水平走査線２０に
よってＩｊえられており、各隣接する水平走査線はＸ方
向にインクリメン］・即ち増分されており、Ｙの増分距
離を距離２２て示しである。第３図に示した従来技術に
おいては、フィードバック制御がトンネル電流が一定に
保持されるようにチップ１０の垂直位置を位置決めする
。典型的に、チップ１０の垂直位置は、ピエゾ素子２４
によって制御され、該ピエゾ素子２４はＺ駆動を発生し
、即ちサンプル１２と相対的にチップ１０を上下させる
。特に、ピエゾ素子２４へ正又は負の電圧を印加するこ
とにより、該ピエゾ素子は膨張乃至は収縮して、その際
にサンプルと相対的にチップを」１下させる。

トンネル電流は差動増幅器２６へ印加され、該差動増幅
器２６は更に第３図に示した如くポテンシオメータ２８
から発生される設定点電流も受取る。差動増幅器２６の
出力は誤差信号である。従って、理解される如く、トン
ネル電流が設定点電流に等しい場合には、誤差信号はゼ
ロである。しかしながら、チップの位置に何らかの不正
確性があると、トンネル電流に変化が発生され、それは
トンネル電流と設定点電流との間に差異を発生し、その
際に増幅器２６から誤差信号が発生される。

この誤差信号は、関数発生器２つへ印加され、該関数発
生器２つは増幅器２６からの誤差信号の特性を修正する
。

上述した如く、この誤差は、誤差補正を向上し且つフィ
ードバックループの安定動作を与えるために、例えば積
分又は比例によって修正することが可能である。何れの
場合においても、関数発生器２９によって修正された誤
差信号はＺ駆動２４へ印加され、チップ１０の位置を変
化させて、チップがサンプル１２の表面１６に渡って走
査される際に、Ｉ・ンネル電流を設定点へ帰還させるべ
く補正する。フィードバックループにおいて一定の電流
を維持することにより、チップ１０は表面］６の上方の
一定の高さに維持される。従って、Ｚ駆動２４に対する
位置決め電圧は、スキャニングによってＩｊえられるＸ
及びＹ位置の関数として表面］６の垂直位置の記録をＩ
ｊえる。従って、Ｚ駆動２４へ印加される位置決め電圧
によって反映される如く、チップの垂直位置の記録は表
面のトポグラフィ即ち地形の記録である。−例として、
サンプル１２０表面］６を第４図に詳細に示しており、
「１．つＸ方向における複数個の走査線２０によって画
定されるべく示されており、各走査線はＹ増分２２だけ
離隔されており口つ垂直位置Ｚを有している。

第５図に示した如く、デジタルフィードバックを使用し
てフィードバック制御をＩｊ、えることも可能である。

特に、サンプル１２とチップ１０との間のトンネル電流
はＡ／Ｄ変換器３０によってデジタル化される。デジタ
ル化されたトンネル電流は、次いで、コンピュータ３２
へ印加され、コンピュータ３２は］・ンネル電流に対す
る所望のデジタル化した値に関する情報を有している。

次いて、コンピュータ３２は、エラー信号をゼロとさせ
るためにチップの垂直位置はどうあるべきであるかを８
１算する。このＪ１算結果はＤ／Ａ変換器３４を介して
供給され、Ｚ駆動２４に対する適切な垂直位置決め信号
を発生する。

上述した如く、デジタルフィードバックを使用すること
により、デジタル処理を使用することが可能であり、且
つ誤差信号の任意の関数をコンピュータ内に印加させる
ことが可能である。特に、アナログフィードバックと比
べて、デジタルフィードバックの場合には、積分、比例
及び微分フィトバックを一層簡単に達成させることが可
能である。しかしながら、第５図に示した如きデジタル
フィードバック制御は、アナログフィードバックループ
の積分器及び増幅器を単に数値計算によって置換えたも
のに過ぎず、デジタルフィードバックは利点を有するも
のであるが、これらの利点は主に向上されたデジタル処
理をＬｊえる能力におけるものである。特に、第６図に
示した如く、トンネル電流を表わす元のデジタル信号及
び設定点電流を表わす内部格納デジタル値から種々の数
値計算をコンピュータ内にＩｉえることが可能である。

本発明は、デジタルフィードバック制御を使用して一層
簡単に実現することが可能であるが、本発明はアナログ
フィードバック制御を使用して達成することも可能であ
ることを理解すべきである。

特に、本発明は、走査型トンネル顕微鏡のＸＹラスター
スキャンを利用するものである。第７図に示した如く、
複数個の典型的な隣接する走査線が示されており且つラ
インｎ、ｎ−１，ｎ−２゜ｎ−３として示しである。理
解される如く、典型的な画像は、各隣接するラインに対
しＹ方向に多少増分させながら数百のこれらの走査線か
ら発生される。しかしながら、第７図に示した如く、各
隣接する走査線はその隣のものにトポグラフィ的に即ち
地形的に類似しておりＪ］つ隣接する走査線には非常に
類似している。従って、本発明は、走査用チップの現在
の位置からのデータを使用するのみならず垂直方向にお
けるチップの位置決めを助けるために現在の位置の近傍
のトポグラフィの周りの格納した情報を使用してフィー
ドバック制御を与えるものである。従って、本発明は、
フィードバック回路がトポグラフィを予測することを可
能とし、且つ、フィードバックが局所的誤差信号情報の
みを使用した場合よりも格納した情報を使用することに
より一層迅速に動作することを可能としている。第８図
は、大略、本発明のフィトバック制御を示している。

第８図に示した如く、スキャナ３６は、トポグラフィを
測定するために、サンプル１２の表面１６に渡って走査
されるチップ１０のｘ、ｙ、ｚ位置を制御する。従って
、スキャナ３６は、Ｘ及びＹ方向の両方におけるチップ
１０の移動を与え、且つ第３図及び第５図に示したＺ駆
動２４を組込んでいる。第８図は、走査型トンネル顕微
鏡を示しているが、原子力顕微鏡も本発明の利点を組込
むことが可能であることを理解ずべきである。チップ１
０の各ＸＹ位置に対し、前に説明した態様で形成される
局所的誤差信号（Ｉ）がフィードバック制御器３８へ供
給される。理解される如く、このフィードバック制御器
はアナログ回路又はデジタル回路の何れかとすることが
可能であり又はフィードバック計算を実行するコンピュ
ータとすることも可能である。フィードバック制御器３
８は、更に、アナログ又はデジタルメモリ４０内に前に
格納されているトポグラフィに関する情報を受取る。

誤差情報及びトポグラフィ情報の両方を受取るフィード
バック制御器３８と同時に、メモリ４０に対してフィー
ドバック制御器３８の出力からのトポグラフィ情報及び
局所的誤差信号（Ｉ）によって表わされるトンネル電流
情報及びＸＹ制御器４２に基づく現在のチップのＸＹ位
置に対応する情報がロードされる。チップ１０に対する
ＸＹ座標は、メモリ４０に対するメモリアドレスを計算
するために使用することが可能であり、従って現在のト
ポグラフィ情報を、フィードバック回路及び特にフィー
ドバック制御器３８によって将来使用するために格納さ
れる。別法として、該メモリがファーストインファース
トアウ１−（ＦＩＦＯ）タイプのメモリである場合には
、アドレス情報は暗示的である。−例として、ファース
トインファストアウトメモリは、正確に１個の走査線の
長さであり、正確に１個の走査線だけ遅延して出力情報
を提供する。この様なメモリはアドレス計算を与えるた
めにＸ又はＹ情報を必要とすることはない。

上述した如く、該メモリを前の走査線のみに制限し且つ
その走査線の局所的誤差信号（１）及び／又はＺデータ
位置へ制限させることが可能である。しかしながら、理
解される如く、メモリ４０は全ての前の走査からのデー
タを有することが可能である。フィードバック制御器に
おいて使用され且つその際に任意のＸＹ位置に対するフ
ィードバックループにおいて使用される格納データの正
確な部分は、本システムがデジタルである場合にはフィ
ードバック制御器内にプログラム即ち書込むことが可能
であり、−力木システムがアナログである場合にはハー
トワイヤード構成とさせることが可能である。上述した
如く、最少の状態においては、メモリ４０は少なくとも
前の走査線からのデータを格納する。従って、第８図の
方式の部分４４は、少なくとも前の走査線からの情報及
び所望により一つ又はそれ以上の前の走査線からか又は
前の全部の走査線情報によってＺ位置制御信号を向上さ
せるためのフィードバックループを与えることが可能で
ある。

第９図は、走査ヒステリシスとして呼ぶことが可能であ
り目、つ現在の走査線Ｚ位置の値を直接的に修１１モす
るために前の走査線情報を使用する本発明の特定の実施
例を示している。第９図に示した如く、第８図に示した
全体的な装置の部分４４を詳細に示しである。第８図の
走査ヒステリシス方式は、Ｈｌ−で表わされた伝達関数
発生器４６を絹込んでおり、それは有限インパルスレス
ポンスフィルタ、無限インパルスレスポンスフィルタ、
及びリニア／対数変換器などの非線形要素などからなる
従来の走査型トンネル顕微鏡フィードバック発生器であ
る。最も簡（）１な場合は、Ｈｌが利得調節可能な積分
器である。調節可能な利得は、ブロック４６内に示して
あり且つそれは通常オペレータ又は自動制御機構の何れ
かによって与えられる。

ブロック４６によって示されたＨ１関数発生器は従来の
構成を有しており、［１，つその装置の詳細は走査型ト
ンネル顕微鏡のユーザにとって公知である。

関数発生器Ｈ１への人力は、前述した局所的誤差信号（
１）であり、この局所的誤差信号は更に走査線格納メモ
リ４８へ印加される。走査線格納メモリ４８は多数の前
の走査線を格納することが可能であるが、便宜」二、走
査線格納メモリ４８は直近の隣接走査線のみを格納すべ
く示されている。

走査線格納メモリ４８からの出力は、ブロック５０によ
って表わされる第二関数発生器Ｈ２へ印加される。特に
、関数発生器Ｈ２は、伝達関数を提供し、その伝達関数
は以前の即ち遅延した走査線データを７項へ変換し、そ
の７項はＺ出力へ直接的に（；Ｉ加される。特に、加算
器５２が関数発生器Ｈ１及びＨ２からの情報を加算し、
［１つこの加算情報はＺ出力として供給され走査用チッ
プのＺ位置を制御する。

関数発生器Ｈ２は、実際的に、以前の即ち遅延された走
査線誤差信号及び加算器５２からのＺ出力の組み合わせ
をフィルタする。これは、加算器５２からの出力は走査
線格納メモリ４８への入力としても印加されるので、理
解することか可能である。更に注意すべきことであるが
、走査線格納メモリ４８は、局所的誤差信号とＺデータ
と１対］以外の方法で結合させることがｎＪ能である。

例えば、Ｚデータと誤差信号データとの結合は、例えば
リニア乃至は対数変換なとの非線形動作を包含すること
が可能である。更に、Ｚデータ及び誤差信号データは、
走査線格納メモリ４８内において結合される前に、互い
に相対的に故意にシフトさせることが可能である。何れ
の場合においても、第９図に示した走査ヒステリシス方
式の全体的な特定の効果は、前の走査線か高かった場合
にはチップの現在の垂直位置を」１昇させ［１つ前の走
査線が低かった場合にはチップの現在の垂直位置を下降
さけることである。従って、このことは前の走査線情報
を使用して、所望の現在の垂直位置を予潤しＩＬつ不安
定性を導入することなしにフィードバックループへ改良
した応答性を与えている。

上述した如く、第９図に示した走査ヒステリシス方式は
、デジタル技術を使用して実現することが可能であり、
その際にフィードバック応答において芹しい改良が与え
られる。例えば、関数発生器Ｈ２は、前の走査線から、
現在計算されている２点に直接的に対向する２点に比例
する項を付加することが可能である。この様にして、次
式の如き関数を与えることが可能である。

Ｚ　（ｉ、ｊ）＝Ｈ１＋に−Ｚ　（ｉ、ｊ−１）尚、ｉ
及びｊはＸＹにおけるそれぞれの現在のチップの位置で
あり、且っＫは利得パラメータである。

第１０図は、利得ヒステリシスを与える本発明の実施例
を示している。第１０図の場合も、点線４４内に含まれ
るものは第８図における同様の部分に置換さ什ることが
可能である。第１０図の方式において、フィードバック
ループの利得はＺ及び前の走査線からの誤差信号データ
の関数である。

特に第１０図に示した如く、ブロック５０によって表わ
した関数発生器Ｈ２は、前の即ち遅延された走査線誤差
信号データ及び走査線格納メモリ４８によって与えられ
るＺデータを使用して、ブロック４６によって表わされ
る関数発生器Ｈ１の利得を修正する。関数発生器Ｈ］−
及びＨ２は前に説明したものと同様な構成を有している
。

第１０図の利得ヒステリシス実施例の特定の実施形態に
おいては、関数発生器Ｈ２が前の走査線Ｚデータの勾配
の大きさを使用して関数発生器Ｈ１の利得を修正する。

特に、この勾配の大きさが大きい場合、関数発生器Ｈ１
の利得が増加される。

前の走査線の勾配の大きさが小さい場合には、関数発生
器Ｈ１の利得が減少される。この様にして利得を制御す
ることにより、それが必要とされる場合にのみ、例えば
急峻な勾配でその他が低い利得の場合などにおいて高利
得を与える。トポグラフィの勾配の知識は、前のライン
からのメモリ４８内の格納されたデータから得られ、１
１つその際に前のラインからの格納データを使用して現
在のニう９ ラインに対してのＺ位置を制御するのに必要な利得を予
測する。

理解すべきことであるが、第１０図の利得ヒステリシス
方式は、関数発生器Ｈ２が関数発生器Ｈ１の利得を修正
するために一つ又はそれ以上の前の走査線の誤差信号の
大きさを使用するように構成することも可能である。特
に、遅延した一誤差信号を関数発生器５０によってフィ
ルタして、高周波数を除去することが可能であり、且つ
次いで該フィルタした誤差信号の大きさを使用して関数
発生器Ｈ１の利得を調節することが可能である。前の走
査線誤差信号が大きい場合には、その利得は増加される
。前の誤差走査線信号が小さい場合には、利得は減少さ
れる。従って、前のデータからの大きな誤差信号がそれ
が必要であることを表わす場合にのみ利得が（＝１加さ
れる。理解される如く、前の走査線からの情報を使用し
て現在の走査線のフィードバック制御を向上させること
が可能である。

本発明の前の実施例は、サンプルのトポグラフィを一層
正確に再現するためにフィードバックルブの応答性を向
上するべく前の走査線又は多数の前の走査線を使用する
ことに関して一般的に説明した。しかしながら、フィー
ドバックの一部として、前の完成したフレーム乃至は画
像からのデータを使用することが可能である。特に、走
査型トンネル顕微鏡の場合、完全な表面画像が周期的に
獲得され、例えば、大きなスキャンの場合、完全な表面
画像が３０秒毎に獲得することが可能である。画像の絵
が安定しており旧っ個々の画像毎にドリフトすることが
ない場合には、前の情報に基づいてトポグラフィに関し
実際に予測を行なうことが可能である。

従って、現在の位置の前のトポグラフィを前の又は現在
の位置のトポグラフィによって予測することが可能であ
る。例えば、垂直チップ位置の制御は、前のスキャン画
像から現在の位置を取り巻く区域を使用して到来するト
ポグラフィを予測することが可能である。このことを第
１１図に示しである。」二連した如く、この予測は画像
が画像毎にドリフトすることがないことに依存するもの
であるが、本走査方式がドリフトに対して補償を行なう
ことが可能であるようにドリフトの速度を旧弊するため
に現在の画像情報を格納した情報と比較することが可能
である。特に、ドリフトを相殺し且つ画像毎の表面の再
現性の高い画像を発生させるためにコンピュータ内に実
際のＹ走査をオフセットさせることが可能である。この
場合、第８図に示したフィードバック制御３８は、前の
画像に関する地形的情報を予測することが可能であり且
つトポグラフィがどの様なものであるかを予測し且つそ
れに従ってチップの垂直位置を調節することが可能であ
る。

走査がフレームからフレームへ又画像から画像へ継続し
て行なわれる場合、トポグラフィは各走査に関して一層
決定的なものとなり且つフィードバックは各走査に関し
一層精密になる。従って、完全な前の走査からの情報を
使用することは、現在の位置の先のトポグラフィを向上
させるか又は同一の位置を多数回走査し且つ各回におい
て表面の一層精密な画像を与えることによって現在の位
置の走査を向上させるために使用することが可能である
。

本発明の典型的な実施例ではデジタル技術を使用してい
るが、本発明はアナログ技術を使用して実施化すること
も可能であることを理解すべきである。例えば、アナロ
グ実施例を第１２図に示しである。第３図に示した如く
データ及びアナログフィードバック制御は、前のライン
からの（Ｊ加的な情報を（＝１加する別のフィードバッ
クループによって実現することが可能である。特に、関
数発生器５８の出力を使用して関数発生器５４の利得を
制御する。一つ又はそれ以上の前の走査線を格納する格
納装置５６は、前のデータを関数発生器５８へ供給する
。アナログ格納装置５６は、電荷結合素子（ＣＣＤ）又
は遅延線又はその他の形式の格納メモリとすることが可
能である。例えば関数発生器５８を介して別の信号処理
をこの付加的なフィードバックループに組込むことが可
能であり、且つ関数発生器５８の出力は関数発生器５４
へ利再制御と【７て供給される。従って、Ｚ駆動２４に
対する制御信号は、現在の位置に対する局所的誤差信号
のみならず、格納装置５６内に格納される前の走査線か
らの情報に従うものである。従って、（＝Ｊ加的なフィ
ードバックによってり、えられる情報は、通常のアナロ
グフィードバックループを向」二させて、スタンダード
な積分、比例、又は微分アナログフィードバックループ
よりもより良好にチップがトポグラフィに追従すること
を可能とさせる。

該して、本発明の向上したフィードバック制御は、サン
プルのスキャン即ち走査に関する格納した以前の知識か
らの情報を採取し、且つ特に、サンプルのトポグラフィ
の前の知識に関する情報を採取し、［１，つその情報を
走査用チップに対するフィードバック制御ループの一部
として包含させ、従ってチップは各現在の位置において
表面トポグラフィにより良好に追従することが可能であ
る。

トポグラフィを予測することにより、本方式はチップの
高さを調節し変化させるために局所的誤差信号のみに依
存することなしに一層良好なトポグラフィの追従を与え
ることを可能としている。その場合の予測は、格納した
トポグラフィ情報を使用して、フィードバックループの
応答性を増加させ且つ走査型トンネル顕微鏡による調査
中の物体のトポグラフィを一層正確に読取ることを可能
としている。

前述した如く、本発明は、走査型トンネル顕微鏡の動作
を向上するためたけでなく、例えば原子力顕微鏡などの
その他のタイプの装置の動作を向上するためにも使用す
ることが可能である。このタイプの装置は走査型トンネ
ル顕微鏡に類似しているが、原子力顕微鏡においては、
ダイヤモンドのチップ又はその他の鋭利で硬質のチップ
がサンプルのトポグラフィに渡って物理的に走行し、例
えばピエゾ装置などの装置を使用して表面に対するチッ
プの力を一定に保持することを確保する。

特に、その力は、通常、非常に小さな力であり、典型的
には、ダイヤモンドのチップは片持ち梁上に保持され、
その片持ち梁はピエゾ装置に接続される。次いで、チッ
プを一定の力で表面上に接触させ、その力はチップか表
面に接触する場合の片持ち梁の曲げによってＬｊえられ
る。ダイヤモンドのチップかトポグラフィに追従しばつ
片持ち梁か小量だけ上方又は下方へ屈曲すると、このこ
とがトンネル動作又は光ビームの偏向によって検知され
て誤差信号を発生し、その誤差信号を使用してフィード
バックループを制御してピエゾ装置を変化させて一定の
接触力を維持する。この様な原子力顕微鏡用のフィード
バックループも、本発明のフィードバック制御構成を包
含することが可能である。

上述した実施例の全てにおいて、サンプルが水平である
と仮定しチップが水平方向に走査され、且つフィードバ
ックループがチップの運動を垂直方向に制御するものと
仮定している。理解すべきことであるが、これらの方向
は任意的なものであり、サンプルは垂直に配向させるこ
とも可能であり、フィードバックループが水平方向に作
用するか又はその他の配向とさせることも可能である。

更に、理解すべきことであるが、サンプルをスキャン即
ち走査させ口つチップの代わりに垂直方向に移動させる
構成とすることも可能である。

以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
ではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種
々の変形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は走査型トンネル顕微鏡の動作を示した説明図、
第２図は走査型トンネル顕微鏡のチップ（先端部）のラ
スタースキャニングを示した説明図、第３図は従来のフ
ィードバック制御を示した説明図、第４図は走査型トン
ネル顕微鏡による表面トポグラフィによって発生される
画像を示した説明図、第５図は前のライン又は前のフレ
ームの向」−なしでのデジタル化フィードバック制御を
示した説明図、第６図は第５図におけるフィードバック
制御の一部を形成するコンピュータによって与えること
が可能な多数の旧弊を示した説明図、第７図は複数個の
隣接する走査線を示した説明図、第８図は本発明のフィ
ードバック制御に対する格納したトポグラフィ情報の向
上を使用する状態を示した概略ブロック図、第９図は本
発明の走査ヒステリシス実施例を示した説明図、第１０
図は本発明の利？１ノヒステリシス実施例を示した説明
図、第１１図は現在の位置の到来するトポグラフィを予
測するために前の走査フレームを使用する場合を示した
説明図、第１２図は本発明のアナログ実施例を示した説
明図、である。 （符号の説明） ］Ｏ：導電性チップ（先端部） １２：サンプル ］４：バイアス電圧 １８ニラスタースキヤン ２０：水平走査線 ２４：ピエゾ素子 ２６：差動増幅器 ２８：ポテンシオメータ ２つ、関数発生器 ３０　： ３２　： ３４　： ３８　・ ４８　。 ５２　＝ Ａ／Ｄ変換器 コンピュータ Ｄ／Ａ変換器 フィードバック制御器 アナログ／デジタルメモリ 走査線格納メモリ 加算器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、表面のトポグラフィを測定するためにその表面に渡
   って水平面内を走査されるチップの垂直位置を制御する
   フィードバックループ方式において、複数個の隣接する
   走査線に沿って該水平面内において前記表面に渡り前記
   チップを走査させるために前記チップに結合されている
   第一手段、前記複数個の隣接する走査線に沿っての個々
   の位置において前記チップと前記表面との間の相対的垂
   直位置に従って出力信号を発生するために前記チップ及
   び前記表面に結合されている第二手段、個々の位置にお
   ける前記チップの垂直位置を制御するための制御信号を
   発生する第三手段、後に検索するために個々の位置にお
   けるこれらの手段からの信号を格納するために前記第二
   及び第三手段の一方又は両方へ結合されている第四手段
   、及び前記チップ及び前記第三手段へ結合されており且
   つ前記制御信号に応答して前記チップを前記制御信号に
   従って所定の垂直位置へ制御する第五手段、を有してお
   り、前記第三手段が前記第二手段からの出力信号及び前
   記第四手段からの前に格納した信号に応答して個々の位
   置における前記チップの垂直位置を表わす制御信号を発
   生することを特徴とするフィードバックループ方式。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記第一手段が前
   記複数個の隣接する走査線に沿って走査を与えて、前記
   表面のトポグラフィの一連のフレームを発生し、前記制
   御信号が、前記第二手段からの出力信号及び前記第二手
   段からの出力信号と同一のフレームからの第三手段から
   の前に格納された信号によって形成されることを特徴と
   するフィードバックループ方式。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記制御信号が、
   各隣接する走査線に沿っての個々の位置における前記第
   二手段からの出力信号及び前の隣接する走査線からの個
   々の位置における前記第四手段からの前に格納した信号
   によって形成されることを特徴とするフィードバックル
   ープ方式。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記第一手段が前
   記複数個の隣接する走査線に沿って走査を与えて前記表
   面のトポグラフィの一連のフレームを発生し、且つ前記
   制御信号が一つのフレームからの前記第二手段からの出
   力信号及び前のフレームからの前記第四手段からの前の
   格納した信号によって形成されることを特徴とするフィ
   ードバックループ方式。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記第四手段から
   の前に格納した信号が前記第二手段からの前記出力信号
   を修正して、前記表面のトポグラフィを予測し、前記制
   御信号による前記チップの前記所定の垂直位置への制御
   を向上させることを特徴とするフィードバックループ方
   式。 ６、特許請求の範囲第５項において、前記第三手段の前
   記信号は、前記第二手段の出力へフィードバック機能を
   付与し且つそれを前記第四手段からの前に格納した信号
   と結合させて発生させることを特徴とするフィードバッ
   クループ方式。 ７、特許請求の範囲第５項において、前記第四手段から
   の前に格納した信号が前記第二手段からの前記出力信号
   の振幅を修正することを特徴とするフィードバックルー
   プ方式。 ８、特許請求の範囲第７項において、前記第四手段から
   の前に格納した信号が前記第二手段からの出力信号の絶
   対値を包含することを特徴とするフィードバックループ
   方式。 ９、特許請求の範囲第７項において、前記第四手段から
   の前に格納した信号が前記第三手段からの出力の勾配の
   絶対値を包含することを特徴とするフィードバックルー
   プ方式。 １０、特許請求の範囲第１項において、前記チップが一
   定の相対的垂直位置を持つべく制御されることを特徴と
   するフィードバックループ方式。 １１、特許請求の範囲第９項において、前記一定の相対
   的垂直位置が前記チップと表面との間の特定の距離であ
   ることを特徴とするフィードバックループ方式。 １２、走査型トンネル顕微鏡などにおける垂直軸制御の
   フィードバックループ特性を向上させるフィードバック
   制御方式において、ある表面のトポグラフィを測定する
   ために前記表面と相対的に位置決めさせるチップ部材、
   前記表面に渡って複数個の隣接する水平走査を与えるた
   めに前記チップに結合されている水平制御器、前記複数
   個の隣接する水平走査の期間中前記チップの垂直制御を
   与えるために前記チップに結合されている垂直制御器、
   前記複数個の隣接する水平走査の期間中実時間で前記表
   面と相対的な前記チップの垂直位置に従って発生される
   局所的誤差信号、前記格納した信号の遅延させたものを
   発生させるために前記表面トポグラフィ及び前記局所的
   誤差信号を表わす信号の一方又は両方を格納するための
   格納部材、前記チップの垂直位置の制御を向上させるた
   めに前記局所的誤差信号と前記遅延信号とを結合するこ
   とによって形成され且つ前記垂直制御器へ結合される垂
   直チップ制御信号、を有することを特徴とするフィード
   バック制御方式。 １３、特許請求の範囲第１２項において、前記水平制御
   器が前記複数個の隣接する水平走査を与えてフレームを
   形成し、且つ複数個のこの様なフレームを逐次的に与え
   且つ同一のフレームからの前記局所的誤差信号及び前記
   遅延信号を結合することによって前記制御信号を形成す
   ることを特徴とするフィードバック制御方式。 １４、特許請求の範囲第１２項において、前記遅延した
   誤差信号が前記局所的誤差信号と相対的に一つの水平走
   査分遅延されていることを特徴とするフィードバック制
   御方式。 １５、特許請求の範囲第１２項において、前記水平制御
   器が前記複数個の隣接する水平走査を与えてフレームを
   形成し、且つ複数個のこの様なフレームを逐次的に与え
   、且つ異なったフレームからの前記局所的誤差信号及び
   前記遅延した信号を結合することによって前記制御信号
   を形成することを特徴とするフィードバック制御方式。 １６、特許請求の範囲第１２項において、前記遅延した
   信号が前記局所的誤差信号と結合して、前記制御信号が
   前記チップの垂直位置を制御するに従い前記表面のトポ
   グラフィを予測することを特徴とするフィードバック制
   御方式。 １７、特許請求の範囲第１６項において、前記遅延した
   信号が前記局所的誤差信号の振幅を修正することを特徴
   とするフィードバック制御方式。 １８、特許請求の範囲第１７項において、前記遅延した
   信号が遅延した局所的誤差信号及び遅延した垂直制御信
   号の一方又は両方であることを特徴とするフィードバッ
   ク制御方式。 １９、特許請求の範囲第１７項において、前記遅延した
   信号が前記遅延した局所的誤差信号の絶対値であること
   を特徴とするフィードバック制御方式。 ２０、特許請求の範囲第１７項において、前記遅延した
   信号が前記垂直制御信号の勾配の絶対値であることを特
   徴とするフィードバック制御方式。 ２１、特許請求の範囲第１２項において、前記制御信号
   が前記チップの垂直位置を前記表面と相対的に一定に制
   御することを特徴とするフィードバック制御方式。 ２２、特許請求の範囲第２１項において、前記一定な相
   対的位置が前記走査型トンネル顕微鏡などの最適動作を
   与えるための所定位置であることを特徴とするフィード
   バック制御方式。 ２３、ある表面のトポグラフィを測定するために前記表
   面に渡って水平面内で走査されるチップの垂直位置を制
   御する方法において、複数個の隣接する走査線に沿って
   前記水平面内において前記表面に渡り前記チップを走査
   させ、前記複数個の隣接する走査線に沿った個々の位置
   において前記チップと前記表面との間の相対的垂直位置
   に従って出力信号を発生し、個々の位置において前記チ
   ップの垂直位置を表わす制御信号を発生し、前に格納し
   た信号を後に検索するために個々の位置において前記出
   力信号及び制御信号の一方又は両方を格納し、前記制御
   信号に従って前記チップを所定の相対的垂直位置に制御
   する、上記各ステップを有することを特徴とする方法。 ２４、特許請求の範囲第２３項において、前記複数個の
   隣接する走査線に沿っての走査が前記表面のトポグラフ
   ィの一連のフレームを発生し、且つ前記制御信号が前記
   出力信号及び同一のフレームからの前に格納した信号に
   よって形成されることを特徴とする方法。 ２５、特許請求の範囲第２４項において、前記制御信号
   が各隣接する走査線に沿っての個々の位置における出力
   信号及び前の隣接する走査線からの個々の位置における
   前に格納した信号によって形成されることを特徴とする
   方法。 ２６、特許請求の範囲第２３項において、前記複数個の
   隣接する走査線に沿っての走査が前記表面のトポグラフ
   ィの一連のフレームを発生し、且つ前記制御信号が一つ
   のフレームからの出力信号及び前のフレームからの前に
   格納した信号によって形成されることを特徴とする方法
   。 ２７、特許請求の範囲第２３項において、前記前に格納
   した信号が前記出力信号を修正して前記表面のトポグラ
   フィを予測して前記所定の垂直位置への前記制御信号に
   よって前記チップの制御を向上させることを特徴とする
   方法。 ２８、特許請求の範囲第２７項において、前記前に格納
   した信号が前記出力信号の振幅を修正することを特徴と
   する方法。 ２９、特許請求の範囲第２８項において、前記前に格納
   した信号が前記出力信号の絶対値を有することを特徴と
   する方法。 ３０、特許請求の範囲第２８項において、前記前に格納
   した信号が前記制御信号の勾配の絶対値を有することを
   特徴とする方法。 ３１、特許請求の範囲第２３項において、前記チップ及
   び表面が一定の相対的垂直位置を有するように制御され
   ることを特徴とする方法。 ３２、特許請求の範囲第３１項において、前記一定の相
   対的垂直位置が前記チップと表面との間の特定距離であ
   ることを特徴とする方法。 ３３、走査型トンネル顕微鏡などにおける垂直軸制御の
   フィードバックループ特性を向上させる方法において、
   ある表面のトポグラフィを測定するために前記表面と相
   対的に位置決めするチップ部材を設け、前記表面に渡っ
   て複数個の隣接する水平走査を与えるために水平制御を
   前記チップへ結合させ、前記複数個の隣接する水平走査
   に対し垂直制御を前記チップへ与え、前記複数個の隣接
   する水平走査の期間中実時間で前記表面と相対的な前記
   チップの垂直位置に従って局所的誤差信号を与え、前記
   格納した信号の遅延したものを発生するために前記局所
   的誤差信号又は前記表面トポグラフィを表わす信号の一
   方又は両方を格納し、前記チップの垂直位置の制御を向
   上させるために前記局所的誤差信号及び前記遅延信号を
   結合し且つ前記制御信号を前記垂直制御へ結合させるこ
   とによって垂直チップ制御信号を形成する、上記各ステ
   ップを有することを特徴とする方法。 ３４、特許請求の範囲第２８項において、前記水平制御
   が前記複数個の隣接する水平走査を与えてフレームを形
   成し、複数個のこの様なフレームを逐次的に与え、且つ
   前記局所的誤差信号及び同一のフレームからの遅延した
   信号を結合することによって前記制御信号を形成するこ
   とを特徴とする方法。 ３５、特許請求の範囲第２９項において、前記遅延した
   信号が前記局所的誤差信号と相対的に１個の水平走査分
   遅延されていることを特徴とする方法。 ３６、特許請求の範囲第２８項において、前記水平制御
   が前記複数個の隣接する水平走査を与えてフレームを形
   成し、且つ複数個のこの様なフレームを逐次的に与え、
   且つ前記局所的誤差信号及び異なったフレームからの遅
   延信号を結合することによって前記制御信号を形成する
   ことを特徴とする方法。 ３７、特許請求の範囲第２８項において、前記遅延した
   信号を前記局所的誤差信号と結合して、前記制御信号が
   前記チップの垂直位置を制御する間、前記表面のトポグ
   ラフィを予測することを特徴とする方法。 ３８、特許請求の範囲第３６項において、前記遅延した
   信号が、前記遅延した局所的誤差信号及び前記遅延した
   垂直制御信号の一方又は両方であることを特徴とする方
   法。 ３９、特許請求の範囲第３６項において、前記遅延した
   信号が、前記局所的誤差信号の振幅を修正することを特
   徴とする方法。 ４０、特許請求の範囲第３８項において、前記遅延信号
   が前記遅延した局所的誤差信号の絶対値であることを特
   徴とする方法。 ４１、特許請求の範囲第３８項において、前記遅延した
   信号が前記遅延した垂直制御信号の勾配の絶対値である
   ことを特徴とする方法。 ４２、特許請求の範囲第３２項において、前記制御信号
   が前記チップの垂直位置を前記表面と相対的に一定に制
   御することを特徴とする方法。 ４３、特許請求の範囲第４１項において、前記一定の相
   対的位置が前記走査型トンネル顕微鏡などの最適動作を
   与えるための所定位置であることを特徴とする方法。