JPH0436602A - 走査プローブ制御装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、全体として、位置制御サーボシステム用制御
装置、殊に、走査用マイクロメカニカル計器を位置制御
するための適応フィードバック制御システムに関する。

〔従来の技術〕

従来より、機械加工装置とモータ駆動装置用に産業上、
種々の位置制御サーボシステムが開発されている。工具
の送り速度を変更してワークピースの体積や断面積の変
化を適応的に調節するためのシステムが知られている。

即ち、大きな位置誤差値を計算するためにサーボ信号を
積分するアップ／ダウンデジタルコンピュータを活用し
て放電加工制御装置を位置決めする制御システムが知ら
れている。デジタル速度カウンタを使用して機械を加速
すべきか減速すべきかを判断するミシン用デジタル速度
制御システムもまた公知である。トンネル走査顕微鏡に
おけるトンネル効果度数を測定して一定に維持する閉ル
ープ制御システムも公知である。位置信号を積分するか
７１する従来の計器は普通の場合、実際の位置を判断す
るためのアナログ積分回路と、同位置に対応するデジタ
ル値を判断するアナログデジタル変換器と、本位置を指
令位置と比較する論理回路と、位置誤差値を判断した後
それをデジタルアナログ変換器によりアナログ変換器に
変換し機械位置を補正するデジタルカウンタとを使用し
ている。

トンネル走査顕微鏡プローブの位置決めの如く、極端に
高速で正確な位置補正を要する位置制御システムの場合
、位置制御装置の移動軸に沿う相対運動速度を調節する
ために適応フィードバック回路を備えたかかる高精度で
応答性の高い位置制御システムを設けることが望ましい
であろう。また、時間のかかる中間のアナログデジタル
変換器を要するアナログ集積回路を不用にする回路設計
を使用することも同様に望ましいことであろう。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、トンネル電流がセンサプローブと隣接ターゲ
ツト面間のギャップを横切って流れる走査用トンネル顕
微鏡の如き計器Ｓこついてセンサプローブと隣接面間の
ｔ目射運動を制御するための改良された走査用マイクロ
メカニカルプローブで、所望のギヤノブサイズを維持す
る上で従来のものより相当有効で従来技術において得ら
れなかった高解像度走査をより一貫させたものを提供す
る。

フィードバック制御機構は、プローブギヤツブの大きさ
を調節するために使用される高速力が効率的なアップ／
ダウンカウンタ機構と共に、感応計器の高精度と速度を
確保することができる。センサ回路はギャップを横切る
トンネル電流の大きさを判断し、トンネル電流を基準値
と比較し、少なくとも２つの位置条件のうちの一つを示
す位置誤差信号を発生する。アップ／ダウンカウンタは
誤差信号を積分して実行中の上下誤差カウントを維持し
、位置制御機構は上下誤差カウントに呼応じてそのギャ
ップを調節する。

手短かに、そして−船釣な形で表現すれば、本発明によ
る走査装置は、プローブと隣接面の相対位置決めに応じ
て変化するパラメータを測定するセンサで、少なくとも
２つの離散的な位置条件のう−ちの一つを表示する誤差
信号を発生するものと、誤差信号を積分し、誤差カウン
ト信号を発生する手段と、誤差カウント信号に応答して
プローブと表面の相対的位置決めを制御する位置制御サ
ーボとを備える。

プローブ制御システムシよ少なくとも一つの調節可能な
りロックを備え、プローブとターゲット表面間の軸に対
して垂直な面内におけるラスタ走査速度を制御する適応
フィードバック制御機構で、上記クロックが操作上セン
サに接続され、クロ。

りのクロック速度が誤差信号に呼応じて調節させるよう
になったものを含んでいる。適応フィードバック制御機
構は、プローブとターゲツト面間のライン内の垂直軸に
沿うプローブの垂直位置決め速度と、水平面内のラスタ
走査速度を制御するようにすることが最も望ましい。

本発明の他の面ならびに利点は以下の詳述と本発明の特
徴を例解する添附図面より明らかとなろつ。

〔実施例〕

図面に示すように、本発明は走査用トンネル顕微鏡にお
ける如くセンサプローブと隣接するターゲツト面と組合
せて用いる走査用マイクロメカニカルプローブ制御シス
テムで、トンネル電流がセンサプローブとターゲツト面
間のギャップを横切って流れるようになったものに具体
化される。センサプローブとターゲツト面間に接続され
たギャップ検出回路はギャップを横切るトンネル電流を
測定し、測定された電流をプリセットもしくはダイナミ
ックに決定できる基準電流値ど比較して、少なくとも２
つの可能な位置条件のうちの一つを表示する誤差信号を
発生する。誤差信号は一般的にいって放電電流がスレシ
ョルド値より少ないかあるいはそれよりも大もしくは等
しいかを示す２値信号である。その後、誤差信号はアッ
プ／ダウンカウンタにより受取られ、誤差信号をデジタ
ル形に積分する。デジタルカウントはその後、アナログ
信号に変換され、同信号はその後、センサプローブとタ
ーゲツト面間の距離を制御する位置制御サーボ機構↓こ
よって受取られる。

走査用トンぶル顕微鏡：ま全体としてセンサプローブを
プローブとターゲツト面間のＺ軸に対して垂直なＸ−Ｙ
面内で走査するため、Ｚ軸アップ／ダウンカウンタのク
ロックサンプリング速度を加速もしくは減速し、ＸとＹ
軸に沿う走査速度を制御するＸ、Ｙ軸りロックを加減速
するための適応フィードバック制御システムを含めるこ
とも望ましい。この適応フィードバンク制御はラスタ走
査が進行するにつれて走査用トンネル顕微鏡プローブが
ターゲツト面内の高度変化に対して迅速かつ正確に反応
するようにすることによって一貫して高い解像度を有す
るために最適のギャップ距離を維持することができる。

以下、本発明は典型的な走査用トンネル顕微鏡に関して
説明するが、本発明の位置決め制御と適応フィードバッ
ク制御は、走査用キャパシタンス顕微鏡、原子力顕微鏡
、走査用磁気顕微鏡、走査用熱顕微鏡、もしくは所望ギ
ャップや原子力顕微鏡の場合の如く、ターゲツト面にあ
たるプローブの所望の力を維持するに役立つその池の走
査マイクロメカニカル計器と共に使用して常に計器の高
解像度を達成する際にも等しく適しているであろう。か
くして、オペレータもしくはシステム自体によってダイ
ナミックにひとたび最適センサ解像度の基準値が設定さ
れると、その解像度はサンプル全体の走査中に維持する
ことができる。

本発明によれば、それ故、センサプローブと隣接ターゲ
ツト面間の相対運動を制御する走査用マイクロメカニカ
ルプローブ制御システムで、操作上センサプローブとタ
ーゲツト面間に接続されプローブと面の相対的位置決め
に応じて変化するパラメータを測定し、２つの可能な離
散的位置条件のうちの一つを表示する誤差信号を生成す
るようになったセンサ手段と、誤差信号を積分し上下カ
ウント信号を生成するアップ／ダウンカウンタと、プロ
ーブと面の上下カウント信号に応じた相対的位置決めを
制御する位置制御サーボとより成るものが提供される。

本発明は、また、センサプローブと隣接するターゲツト
面間の相対運動制御用の走査用マイクロメカニカルプロ
ーブ制御システムで、センサプローブとターゲツト面間
に接続され、プローブと面の相対的位置決めに応じて変
化するパラ、ｌ−夕を測定するためのセンサ手段で、少
なくとも２つの可能な離散的位置条件の一つを表示する
誤差信号を発生するようになったものと、誤差信号を積
分し上下カウント信号を生成する手段と、少なくとも一
つのラスタクロック手段を備え、センサプローブとター
ゲツト面間の軸に対して垂直な面内で走査するラスタ速
度を制御する適応フィードバック制御手段でラスタクロ
ソクが操作上同手段に接続され、ラスタクロック手段の
クロック速度が誤差信号に呼応じて調節されるようにな
ったものと、上下カウント信号に応じてプローブと表面
の相対位置を制御する位置制御サーボと、から成るもの
を提供する。

図面に示すように、トンネル走査顕微鏡１０は、センサ
プローブと隣接ターゲツト面１６間のギャップ１２を横
切るトンネル電流の通過を検出する。

ギャップ電圧源１５はセンサプローブとターゲット間に
一定の電圧を提供する。その際、電流の流れる値はプロ
ーブとターゲット間のギヤ１．プの大きさが変化するに
つれて変化する。ギヤツブを横切って放電された電流は
ライン１７に沿ってギャップ検出回路１８へ運ばれそこ
で測定電流と基準電流値が比較され、比較の結果を表わ
すデジタル信号が発生する。検出電子装置は、測定電流
が基準電流よりも低くギャップが大きすぎることを示す
状態が、測定電流が基準電流よりも大きいか等しいかに
ギヤツブの大きさが小さすぎることを示す状態の何れか
を示す２値デジタル信号を発生することが望ましい。セ
ンサ装置によってその他のデジタルコードを発生できる
ことも容易であることはいうまでもない。例えば、２ビ
ツトコードを使用して上記した通りに小さすぎるが、あ
るいは大きすぎるかのギャップサイズ状態を選択的に示
す信号を発生させることもできよう。ギャップ検出回路
により発生させられたデジタルギャップ検出誤差信号は
積分回路２２によって受取られ、同回路２２は、ライン
２４上にアナログ信号を生成し、蓄積された誤差信号を
表示しプローブ位置制御サーボ２６に対してギヤノブサ
イズの補正調節を行うように命する。

トンふル顕微鏡検出プローフは、集積回路からのアナロ
グカウント命令信号に応じてプローブとターゲットの面
間のＺ軸に沿って線形の上下並行運動を行うように取付
けるのが望ましい。ギャップサイズを極度に精密に調節
するには、センサプローブを圧電トランスジューサ、普
通には電圧をかけた時Ｚ軸に沿って延びる圧電セラミッ
クスタックと共に取付けるのが望ましい。かくして、ギ
ヤツブが比較的大きい場合、ギヤツブを横切る電流は比
較的低く、積分回路内のカウントは低下する。それに対
応する電圧増加は圧電トランスジューサに対して向けら
れ、ギャップサイズを適当に理想値に調節する。その代
わりに、センサプローブを逆に圧電トランスジューサに
より取付けてギヤツブが増加するにつれて積分回路のカ
ウントが小さくなり、圧電トランスジューサの電圧レヘ
ルがそ孔に応じて低くなりギャップの大きさを小さくす
るようにすることもできよう。サーボモータの如き、Ｚ
軸に沿ってセンサを移動させるためのより精度の低い装
置を使用することもできよう。

Ｚ＠二二対して垂直なＸＹ面内の並行運動は同様にして
実行することが望ましい。かくして、Ｘ圧電トランスジ
ューサに対する電圧を制御するためのデジタル波形がク
ロック３０により提供されるクロックパルスと同期して
ラスタＸ２８によりつくりだされ、圧電位置制御サーボ
３２のＸ軸に沿って拡大と縮小がつくりだされる。同様
にして、ラスタＹ３４は、クロック３６のクロックパル
スと同期してＹ圧電トランスジューサに対する電圧を制
御し、Ｙ軸に沿う圧電制御サーボ３８の拡大と縮小をつ
くりだす走査デジタル波形をつくりだす。

第２図について述べると、ギャップ検出回路は、ライン
１７によって走査トンネル顕微鏡プローブ先端４０もし
くは直接、走査されるターゲット基板に接続される。ギ
ャップセンサ回路はピックアップアンプ４２、同アンプ
により増幅された測定電流をオペレータもしくは電流ス
レショルド９定回路４６によりダイナミノククこ決定さ
れる基＄電流と比較する差動アンプ４４を備える。現在
、望ましいギャップ検出回路においては、論理エンコー
ダ４８が１状態が電流レヘルがスレショルド基準値を下
潮わることを示し、他の２値状態が、測定値か基準電流
より大きいかそれに等しいことを示す２値誤差信号をつ
くりだす。この２値信号はその後、積分回路のアップ／
ダウンカウンタ５２に出力される。その代わり、２ビツ
トもしくはそれより以上のビットコードを使用してギャ
ップサイズが小さすぎる、大きすぎる、あるいは規定し
た通りであるかを示す信号、もしくは何処で多重スレシ
ョルドが使用されるかを示す信号を使用し、プローブ位
置に関するより正確な情報を有するデジタルコードを生
成することができよう。

アップ／ダウンカウンタ５２は調節可能クロック５４の
クロック率で決定される割合で２値エンコーダからの２
値信号をサンプリングし、カウント限界設定回路５０に
より決定される上下カウント限界の間にルジスタ内の２
値誤差信号の経過カウントを蓄積し、レジスタ（普通の
場合、１６ビノトレジスタ）が、カウントがその最小値
から最大値を通過する時に整数値をドラマチックに変化
させることを防止するようにする。デジタルアナログ変
換器５６はアップ／ダウンカウンタからの経過カウント
をアンプ５８により増幅されるアナログコマンド信号へ
変換し、アップ／ダウンＺ軸サーボに対してセンサプロ
ーブギャップの並行調節を行うよう命令する。

第４．５．６図について述べると、本発明は積分器のク
ロック率を調節し、Ｘ、Ｙラスタ波形の生成を制御する
クロック率を調節するフィードバック制御回路を備える
ことによって、ギャップサイズを大きく調節する必要が
ある場合に、Ｚ軸のアップ／ダウンカウンタのサンプリ
ング率を大きくし、ＸとＹのラスタ走査パターンのクロ
ック率小さくしてギャップサイズ調節中に高解像度を確
保するようにする。逆に、ギヤツブサイズを殆んどもし
くは全く調節する必要がない時は、ＸとＹ（７５−７ス
タ走査パターンのクロック率は正規の比率に戻して増加
させることができる。このようにして、走査プロセス全
体にわたって最適ギャップサイズを効率的に維持するこ
とができる。

第４．５．６図に示すように、ギャップ検出誤差信号は
ギャップ検出回路１８′からアップ／ダウンカウンタ５
２のクロック５４へ出力され、アップ／ダウンカウンタ
のサンプリング率を調節する。同様に、フィードバック
ライン６２はＹ軸うスタクロックに接続され、ライン６
４はＸ軸うスタクロックに接続され、２値ギャップ誤差
信号に応じてＸＹ面に沿って並行走査パターンの調節を
行うようになっている。このようにクロック率を連続的
に調節することによって、クロック５４．３６．３０は
それ自体積分回路として動作し、アップ／ダウンカウン
タ内に維持されるカウントに比例するそれらのクロック
率を調節する。最も現在の望ましい実施例では、独立の
電流レベル比較を提供する別個の電流設定回路６８を有
する別個の差動アンプ６６は、独立に積分クロックに出
力されるＺ軸上上運動用の別個の論理エンコーダ７０と
、ＸＹ両軸ラうククロソク用論理エンコーダ７２に対し
て信号を生成する。

Ｘ；Ｙラスタスキャナの走査デジタル波形を同期化する
方法を示すのは、第７図に示すタイミングダイヤグラム
である。クロックパルス７４がＸとＹのラスタクロソク
により発生させられる時、Ｘ軸圧重位置制御サーボの比
較的スローな運動がＸ波形７６により命ぜられ、一方、
比較的高速の前後走査パターンがＹ軸波形７８により命
ぜられる。ＸとＹのラスタ走査波形は組になって、全体
として矩形の面積を数回カバーする走査パターンを発生
し、プローブ失端のターゲツト面へ至る距離を表わす高
解像度データをつくりだし、同データは、ターゲツト面
の微視的な位相マツプを作成するために使用することが
できる。

上記に鑑みて、本発明の走査用マイクロメカニカルプロ
ーブ制御システムはトンネル走査顕微鏡の如き計器につ
いて最適の解像度を維持するに望ましいパラメータを維
持する上で有益であることが実証された。また、本発明
が検出回路と位置決め回路のサンプリングと走査速度を
適応フィードバック制御し、ギャップサイズの調節中に
高解像度を維持することも重要である。フィードバック
制御機構は、プローブギャップのサイズを調節するため
に使用される高速かつ効率的なアップ／ダウンカウンタ
機構と共に、感応計器の高精度と速度を確保することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はトンネル走査顕微鏡の位置制御回路のフィード
バック電子装置の概略線図、 第２図はギャップ検出回路（第１図）の概略図、第３図
は第１図の積分回路の概略線図、第４図は適応フィード
バック制御回路を含む代替例の概略線図、 第５図は第４図のセンサ回路の概略線図、第６図は第４
図の積分回路の概略線図、及び第７図は位置制御装置の
ラスタ走査波形のタイミング線図である。 ・トンネル走査顕微鏡、 ・隣接ターゲツト面、 ・ギャップ、 ・ライン１ 、ギャップ検出回路、 ・積分回路、 ・プローブ位置制御サーボ、 ・クロック、 ・ラスタＸ、 ・ラスタＹ、 ・論理エンコーダ、 ・調節可能クロック、 ・アンプ／ダウンカウンタ。 手 続 補 正 畜（方式） １、事件の表示 平成２年持許Ｎ第１４４２６０号 ２、発明の名称 走査プローブ制御装置 ３、補正をする者 事件との関係

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. （１）プローブと隣接面間の相対運動を制御する走査装
   置において、 上記プローブと隣接面間に操作上接続され上記プローブ
   と隣接面の相対的位置に応じて変化するパラメータを測
   定するセンサ手段と、 上記パラメータを基準スレショルドと比較し、少なくと
   も２つの可能な離散的な位置条件のうちの一つを表示す
   る誤差信号を発生する手段と、上記誤差信号を積分し、
   誤差カウント信号を発生する手段と、 上記プローブと隣接面の上記誤差カウント信号に対する
   相対的位置を制御する位置制御サーボ手段と、 から成る前記装置。
2. （２）上記誤差信号を積分する手段がアナログ積分器を
   備える請求項１の装置。
3. （３）上記誤差信号を積分する手段がデジタル積分器よ
   り成る請求項１の装置。
4. （４）上記センサ手段が２状態の誤差信号を発生し、そ
   のうち誤差信号の一状態が、測定パラメータが上記基準
   スレショルドよりも小さく、他の状態が測定パラメータ
   が基準スレショルドより大きいかもしくはそれに等しい
   ことを示すようになった請求項１の装置。
5. （５）上記パラメータがトンネル電流で、上記センサ手
   段が基準トンネル電流を測定されたトンネル電流と比較
   する手段と、上記測定されたトンネル電流と基準トンネ
   ル電流間の差に基づいて２値誤差信号を発生する手段を
   備える請求項１の装置。
6. （６）基準トンネル電流を測定電流と比較する手段が基
   準トンネル電流をセットする手段を備える請求項５の装
   置。
7. （７）上記誤差信号の積分手段が増減分されたカウント
   をストアするレジスタを含むデジタルカウンタであって
   、上記カウントの上下限界を設定する手段を含む手段を
   備える請求項１の装置。
8. （８）上記誤差信号積分手段が上記誤差信号を積分する
   サンプリング速度を制御する調節可能クロックを備える
   請求項１の装置。
9. （９）上記プローブと隣接面間のプローブ軸に対して垂
   直な面内の上記隣接面に対する上記プローブのラスタ走
   査速度を制御する少なくとも一つの調節可能ラスタクロ
   ック手段を備える適応フィードバック制御手段を更に備
   え、上記調節可能クロック手段がセンサ手段に対して操
   作上接続され、調節可能クロック手段のクロック速度が
   上記誤差信号に応じて調節可能である請求項１の装置。
10. （１０）上記誤差信号の積分手段が、上記誤差信号に応
    じて誤差信号を積分する上記手段のサンプリング速度を
    制御する調節可能クロックを備え、上記適応フィードバ
    ック制御手段が、上記プローブのプローブ軸に対して垂
    直な第２軸に沿う上記隣接面に対するラスタ走査速度を
    制御する第１の調節可能ラスタクロックと、誤差信号に
    応答して上記プローブ軸と第２軸に対する第３軸に沿う
    ラスタ走査速度を制御する第２の調節可能ラスタクロッ
    クとを備える請求項９の装置。
11. （１１）第１の軸に沿って整合するプローブと隣接面間
    の相対運動を制御する走査用マイクロメカニカルプロー
    ブ制御装置において、上記プローブと隣接面間に操作上
    接続され、上記プローブと隣接面の相対的位置に応じて
    変化するパラメータを測定し、上記パラメータを基準ス
    レショルドと比較し、少なくとも２つの可能な離散的位
    置条件の一つを表示する誤差信号を発生するセンサ手段
    と、 上記誤差信号を積分し誤差カウント信号を生成する手段
    と、 第１の軸に対して垂直な面内の上記プローブと隣接面間
    の相対運動をラスタ走査する速度を制御する少なくとも
    一つのラスタクロック手段を備え、上記ラスタクロック
    手段が操作上上記センサ手段に接続され、上記ラスタク
    ロック手段のクロック速度が上記誤差信号に呼応して調
    節されるようになった適応フィードバック制御手段と、 上記誤差カウント信号に呼応して上記第１軸に沿い上記
    プローブと隣接面の相対的位置を制御する位置制御サー
    ボ手段と、 を備える前記装置。
12. （１２）上記センサ手段が２状態誤差信号を発生し、そ
    のうち、２値誤差信号の一状態が上記測定パラメータが
    上記スレショルド基準値よりも小さく、他の状態が上記
    測定パラメータが基準スレショルドよりも大きいかもし
    くはそれと等しいことを示すようになった請求項１１の
    制御装置。
13. （１３）上記測定パラメータがトンネル電流で、上記誤
    差信号が上記測定トンネル電流と基準トンネル電流間の
    差に基づく請求項１１の制御装置。
14. （１４）上記センサ手段が上記基準電流を設定する手段
    を備える請求項１３の制御装置。
15. （１５）上記誤差信号を積分する手段が増減分カウント
    をストアするレジスタを含むデジタルカウンタを備え、
    上記カウントの上下限を設定する手段を内臓する請求項
    １１の制御装置。
16. （１６）上記誤差信号を積分する手段が上記誤差信号を
    サンプリングする速度を制御する調節可能クロックを備
    える請求項１１の制御装置。