JPH0518708A - Probe scanning device - Google Patents

Probe scanning device

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JPH0518708A
JPH0518708A JP21219091A JP21219091A JPH0518708A JP H0518708 A JPH0518708 A JP H0518708A JP 21219091 A JP21219091 A JP 21219091A JP 21219091 A JP21219091 A JP 21219091A JP H0518708 A JPH0518708 A JP H0518708A
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scanning
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Hiroko Sasaki
浩子 佐々木
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
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Abstract

PURPOSE:To compensate nonlinear displacement of an actuator which exists in a scanning type probe microscope latently and improve quantitative accuracy. CONSTITUTION:A conversion table which corresponds to an actuator and the scope of scanning of a probe scanning device is formed by scanning standard sample in advance in data translators 24, 27. An image buffer 22 stores sample data per scanning point which is obtained at scanning point when sample is scanned. The data translators 24, 27 convert each scanning point by the conversion table which is prepared in advance, and generate the data on the converted scanning point. An operational circuit 25 corrects sample data in accordance with the data on scanning point from the data translators 24, 27.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
(STM)のような走査型プローブ顕微鏡(SXM)に
係り、特に、そのようなSXMに用いられる探針走査装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope (SXM) such as a scanning tunneling microscope (STM), and more particularly to a probe scanning device used in such an SXM.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、走査型トンネル顕微鏡(STM)
は、原子スケールの分解能を持つ顕微鏡として利用が進
んでいる。また、このようなSTMと同等又はそれに近
い分解能を持つ同種の顕微鏡として、原子間力顕微鏡
(AFM)や磁気力顕微鏡(MFM)等が知られてい
る。これらの顕微鏡を総称して、走査型プローブ顕微鏡
(SXM)と言い、実用化が進められている。
2. Description of the Related Art In recent years, a scanning tunneling microscope (STM)
Is being used as a microscope with atomic scale resolution. Further, an atomic force microscope (AFM), a magnetic force microscope (MFM), and the like are known as the same type of microscope having a resolution equivalent to or close to that of the STM. These microscopes are collectively referred to as a scanning probe microscope (SXM) and are being put to practical use.

【0003】上記SXMは、探針走査装置を内蔵し、導
電性試料と探針やカンチレバー等のプローブとの間に電
圧を印加し、両者間の距離を1nm以下に接近させ、試
料表面の凸凹による距離変化をトンネル電流で検出し、
Z方向アクチュエータによって距離一定となるようにフ
ィードバック制御しながら、X,Y,Z方向にプローブ
を駆動するアクチュエータによってプローブをX,Y方
向に数nm〜数10μmの範囲をラスタスキャン駆動し
て、このフィードバック制御信号をXY走査に同期させ
て試料の三次元画像化を達成している。
The above-mentioned SXM has a built-in probe scanning device and applies a voltage between the conductive sample and a probe such as a probe or a cantilever to bring the distance between them to 1 nm or less so that the sample surface becomes uneven. The change in distance due to is detected by the tunnel current,
While performing feedback control so that the distance is constant by the Z-direction actuator, the actuator that drives the probe in the X, Y, and Z directions drives the probe in the X and Y directions in a range of several nanometers to several tens of μm by raster scan driving. The feedback control signal is synchronized with the XY scan to achieve three-dimensional imaging of the sample.

【0004】このようなSXMは、数nm〜数10μm
におよぶ走査領域を極めて高い分解能で測定しているわ
けだが、測定画像には走査範囲に応じアクチュエータの
非線形変位による歪みが存在している。このため、従来
の探針走査装置は、予め走査範囲を補正するためのRO
Mを備えていた。
Such an SXM has a size of several nm to several tens of μm.
Although the scanning area extending over the range is measured with extremely high resolution, distortion due to the nonlinear displacement of the actuator exists in the measurement image depending on the scanning range. For this reason, the conventional probe scanning device has an RO for correcting the scanning range in advance.
It was equipped with M.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】アクチュエータの歪み
の原因としては、アクチュエータのヒステリシスやクリ
ープの非線形性がある。さらにアクチュエータの非線形
変位は、走査範囲によっても変位の仕方が変わる上、ア
クチュエータの個体間でも大きな差がある。従って、一
意的な方法では補正することが難しい。
Causes of actuator distortion include actuator hysteresis and creep non-linearity. Further, the non-linear displacement of the actuator varies depending on the scanning range, and there is a large difference between the individual actuators. Therefore, it is difficult to correct by a unique method.

【0006】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、走査型プローブ顕微鏡に潜在的に存在するアクチュ
エータの非線形な変位を補正し定量精度をあげることを
可能とする探針走査装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and provides a probe scanning apparatus capable of correcting non-linear displacement of an actuator potentially existing in a scanning probe microscope to improve quantitative accuracy. The purpose is to provide.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明による探針走査装
置は、二次元空間を走査し、試料表面の物理的情報を三
次元像とする走査形プローブ顕微鏡用の探針走査装置で
あって、予め標準試料の走査により該探針走査装置の走
査手段及び走査範囲に対応した走査標準テーブルを作成
しておく走査標準テーブル作成手段と、試料を走査する
時の走査点で得られた各走査点毎の試料データを、上記
走査標準テーブル作成手段により作成された上記走査標
準テーブルに基づいて更正された走査点に対応するよう
移動させる演算手段とを備えている。
A probe scanning device according to the present invention is a probe scanning device for a scanning probe microscope, which scans a two-dimensional space and converts physical information of a sample surface into a three-dimensional image. , Scanning standard table creating means for creating a scanning standard table corresponding to the scanning means and the scanning range of the probe scanning device by scanning the standard sample in advance, and each scan obtained at the scanning point when scanning the sample The sample data for each point is moved so as to correspond to the scanning point corrected based on the scanning standard table created by the scanning standard table creating means.

【0008】あるいは、本発明による探針走査装置は、
二次元空間を走査し、試料表面の物理的情報を三次元像
とする走査形プローブ顕微鏡用の探針走査装置であっ
て、予め標準試料の走査により該探針走査装置の走査手
段及び走査範囲に対応した走査標準テーブルを作成して
おく走査標準テーブル作成手段と、試料を走査する際
に、上記走査標準テーブル作成手段により作成された上
記走査標準テーブルに基づいて更正された走査点に、上
記走査手段により探針を移動させる演算手段とを備えて
いる。
Alternatively, the probe scanning device according to the present invention is
A probe scanning device for a scanning probe microscope, which scans a two-dimensional space to form a three-dimensional image of physical information on a sample surface, wherein a scanning means and a scanning range of the probe scanning device are prepared by previously scanning a standard sample. Scanning standard table creating means for creating a scanning standard table corresponding to, and at the time of scanning the sample, at the scanning point corrected based on the scanning standard table created by the scanning standard table creating means, And a calculation means for moving the probe by the scanning means.

【0009】[0009]

【作用】本発明の探針走査装置は、走査標準テーブル作
成手段により、予め標準試料の走査により該探針走査装
置の走査手段及び走査範囲に対応した走査標準テーブル
を作成しておく。そして、この走査標準テーブルに基づ
いて、演算手段により、試料を走査する時の走査点で得
られた各走査点毎の試料データを移動させるようにして
いる。あるいは試料を走査する際に、上記走査標準テー
ブルに基づいて更正された走査点に、走査手段により探
針を移動させるようにしている。
In the probe scanning apparatus of the present invention, the scanning standard table creating means creates the scanning standard table corresponding to the scanning means and the scanning range of the probe scanning apparatus by scanning the standard sample in advance. Then, based on this scanning standard table, the calculating means moves the sample data for each scanning point obtained at the scanning point when the sample is scanned. Alternatively, when the sample is scanned, the probe is moved by the scanning means to the scanning point corrected based on the scanning standard table.

【0010】[0010]

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.

【0011】図1は本発明の第1の実施例の構成を示す
図である。走査型プローブ顕微鏡(SXM)10に於い
ては、探針(プローブ)11は試料12に対向して、X
Y走査駆動回路13によりX及びY方向に走査される試
料台14の移動によって試料表面を移動する。探針11
と試料12の距離dの変位rは、探針11に係合された
変位検出器15によって検出され、その検出出力は距離
dを一定にするようにZ駆動体16を制御するサーボ回
路17に入力される。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a first embodiment of the present invention. In the scanning probe microscope (SXM) 10, the probe (probe) 11 faces the sample 12 and
The sample surface is moved by the movement of the sample table 14 which is scanned in the X and Y directions by the Y scan drive circuit 13. Probe 11
The displacement r of the sample 12 and the distance d of the sample 12 is detected by the displacement detector 15 engaged with the probe 11, and the detection output is sent to the servo circuit 17 which controls the Z driving body 16 so as to keep the distance d constant. Is entered.

【0012】一般に、サーボ回路17のアナログ出力
(又はA/D変換器18、選択切換回路23を経た画像
バッファ22の出力)は、XY走査に同期してCRT1
9に三次元像として表示される。
Generally, the analog output of the servo circuit 17 (or the output of the image buffer 22 via the A / D converter 18 and the selection switching circuit 23) is synchronized with the XY scanning by the CRT1.
9 is displayed as a three-dimensional image.

【0013】本実施例に於いては、サーボ回路17のア
ナログ出力は、A/D変換器18によりA/D変換さ
れ、そのデジタル信号が、走査範囲を決定するXカウン
タ20又はYカウンタ21により制御される画像バッフ
ァ22に入力される。
In the present embodiment, the analog output of the servo circuit 17 is A / D converted by the A / D converter 18, and the digital signal thereof is output by the X counter 20 or the Y counter 21 which determines the scanning range. It is input to the controlled image buffer 22.

【0014】すなわち、変位検出器15からの検出信号
は、画像バッファ22内にデジタル信号f(i,j)
(但し、j=1,2,3,…,J、i=1,2,…,
I)とに走査ライン1本毎にXカウンタ20の出力タイ
ミングに合わせて取り込まれ、ビット列として扱われ
る。例えば、信号f(100,4)は4番めの走査ライ
ンで100番めの走査点のデジタル振幅値を示してい
る。
That is, the detection signal from the displacement detector 15 is the digital signal f (i, j) in the image buffer 22.
(However, j = 1, 2, 3, ..., J, i = 1, 2 ,.
In addition, I) is fetched for each scanning line in accordance with the output timing of the X counter 20 and treated as a bit string. For example, the signal f (100,4) indicates the digital amplitude value of the 100th scanning point on the 4th scanning line.

【0015】図2の(A)は、SXM10の走査の際の
格子点を示し、走査ラインJ本、各走査ライン毎にI個
の走査点を持っている。同図に於いて、Xカウンタ20
及びYカウンタ21の出力タイミングは、実際にはX,
Y方向の変位に対応するものである。同図に於いて、X
方向についてはI走査点を表わす長さを持ち、Y方向に
ついてはJ走査ラインの表わす長さを持つと考える。図
2の(B)は、三次元像のj番目のラインのデジタル振
幅値f(i,j)を示す図である。
FIG. 2A shows grid points at the time of scanning by the SXM 10, which has J scanning lines and I scanning points for each scanning line. In the figure, the X counter 20
The output timing of the Y counter 21 is actually X,
This corresponds to the displacement in the Y direction. In the figure, X
It is considered that the direction has a length representing an I scan point, and the Y direction has a length representing a J scan line. FIG. 2B is a diagram showing the digital amplitude value f (i, j) of the j-th line of the three-dimensional image.

【0016】また、図2の(A)に於いて、X,Yカウ
ンタ20,21の出力タイミングは、X,Y方向の変位
x,yに対応し、x=mx (i),y=my (j)で表
現できるものである。但し、x=mx (j)はi走査点
目までのx方向のアクチュエータの変位量、y=m
y (j)はj走査ラインまでのy方向のアクチュエータ
の変位量である。従って、(i,j)に於けるデジタル
信号値f(i,j)は、f(i,j)=f(m
x (i),my (j))=f(x,y)で表わすことが
できる。これらに於いて、x=mx (i),y=m
y (j)は、i,jに対応して離散的な値を取る。
In FIG. 2A, the output timings of the X and Y counters 20 and 21 correspond to the displacements x and y in the X and Y directions, and x = m x (i), y = It can be expressed by m y (j). However, x = mx (j) is the displacement amount of the actuator in the x direction up to the i-th scanning point, y = m
y (j) is the displacement amount of the actuator in the y direction up to the j scan line. Therefore, the digital signal value f (i, j) at (i, j) is f (i, j) = f (m
can be represented by x (i), m y ( j)) = f (x, y). In these, x = m x (i), y = m
y (j) takes discrete values corresponding to i and j.

【0017】ところで、アクチュエータの変位は、ヒス
テリシスやクリープその他の要因から非線形である。図
2の(C)及び(D)は、X,Y各方向のXカウンタ2
0,Yカウンタ21の出力i,jと実際のX,Y方向の
変位量mx (i),my (j)の関係を示す図である。
ここで、mx (i)は、X方向のXカウンタ20の出力
iに対応するアクチュエータの変位量、my (j)はY
方向のYカウンタ21の出力jに対応するアクチュエー
タの変位量である。このようにX,Y方向の変位量mx
(i),my (j)は、X,Yカウンタ20,21の出
力に対して線形でない。従って、f(i,j)=f(m
x (i),my (j))は、図2の(A)に示すような
正方格子上の信号値ではなく、図3の(A)に示すよう
な格子の格子点上のデータである。ここで、i=0,
1,…,I、j=0,1,…,J(整数)、m
x (i),my (j)は実数である。つまり、試料12
表面の構造を正確に表わす画像は、f(x,y)=f
(mx (i),my (j))であり、このときのx−y
座標に於けるデータの配列は、正方格子を成形していな
い。
By the way, the displacement of the actuator is non-linear due to hysteresis, creep and other factors. 2C and 2D show an X counter 2 in each of the X and Y directions.
0, the output i of the Y counter 21, the actual X and j, Y direction displacement m x (i), is a diagram showing the relationship m y (j).
Here, m x (i) is the displacement amount of the actuator corresponding to the output i of the X counter 20 in the X direction, and m y (j) is Y
It is the displacement amount of the actuator corresponding to the output j of the Y counter 21 in the direction. Thus, the amount of displacement m x in the X and Y directions
(I) and m y (j) are not linear with respect to the outputs of the X and Y counters 20 and 21. Therefore, f (i, j) = f (m
x (i), m y ( j)) is not a signal value on a square lattice as shown in FIG. 2 (A), with the data on the lattice points of a lattice as shown in FIG. 3 (A) is there. Where i = 0,
1, ..., I, j = 0, 1, ..., J (integer), m
x (i), m y ( j) is a real number. That is, sample 12
An image that accurately represents the structure of the surface is f (x, y) = f
A (m x (i), m y (j)), x-y at this time
The array of data in coordinates does not form a square grid.

【0018】ところが、CRT19への表示は、X,Y
カウンタ20,21の出力i,jをタイミングとして図
3の(B)のような正方格子点(xc ,yc )上の配列
となっている。この時、(xc ,yc )と(x,y)と
は一致していないのだが、ここではf(x,y)を=f
(xc ,yi )(i=0,1,…,I、j=0,1,
…,J、xc =lx (i)=αi、yc =ly (j)=
βj、ijは整数)の値としてデータ列を表示してい
る。従って、CRT19に表示される画像のX,Y方向
のスケールと実際の画像のXY方向のスケール(つまり
アクチュエータの変位量)は一致しない。図3の(A)
のようなデータを図3の(B)のように表示するため
に、表示された画像には歪みが生じてしまう。また、歪
みが生じると同時に、X,Y方向のスケールが表示画像
と実際の構造とで一致しないことになる。
However, the display on the CRT 19 is X, Y
The outputs i and j of the counters 20 and 21 are arranged on the square lattice points (x c , y c ) as shown in FIG. At this time, (x c , y c ) and (x, y) do not match, but here f (x, y) = f
(X c , y i ) (i = 0, 1, ..., I, j = 0, 1,
..., J, x c = l x (i) = αi, y c = l y (j) =
The data strings are displayed as βj and ij values. Therefore, the scale of the image displayed on the CRT 19 in the X and Y directions does not match the scale of the actual image in the XY directions (that is, the displacement amount of the actuator). Figure 3 (A)
Since such data is displayed as shown in FIG. 3B, the displayed image is distorted. Further, at the same time as the distortion occurs, the scales in the X and Y directions do not match between the display image and the actual structure.

【0019】このようなアクチュエータの変位の非線形
性に伴う画像の歪み及びX,Yスケールの校正は、選択
切換回路23、データトランスレータ24,27、及び
演算回路25を用いて、以下に示すステップで行うこと
ができる。
The image distortion due to the non-linearity of the displacement of the actuator and the calibration of the X and Y scales are performed using the selection switching circuit 23, the data translators 24 and 27, and the arithmetic circuit 25 in the following steps. It can be carried out.

【0020】ステップ1 画像バッファ22内のデータ列f(i,j)は、選択切
換回路23を経てデータトランスレータ24に入力され
る。データトランスレータ24は、Xカウンタ20の出
力値iに対応したアクチュエータの変位量の校正曲線
(x=mx (i))から計算された変位量の変換テーブ
ルを有しており、Xカウンタ20のタイミングと同期し
て、 i → x=mx (i) なる変換をリアルタイムで実行して、f(x,j)を演
算回路25に出力する。つまり、画像バッファ22から
送られたデータ配列f(i,j)は、f(x,j)=f
(mx (i),j)に書き換えられて、演算回路25に
出力される。
Step 1 The data string f (i, j) in the image buffer 22 is input to the data translator 24 via the selection switching circuit 23. The data translator 24 has a displacement amount conversion table calculated from a calibration curve (x = m x (i)) of the displacement amount of the actuator corresponding to the output value i of the X counter 20. In synchronization with the timing, the conversion of i → x = m x (i) is executed in real time, and f (x, j) is output to the arithmetic circuit 25. That is, the data array f (i, j) sent from the image buffer 22 is f (x, j) = f
It is rewritten as ( mx (i), j) and output to the arithmetic circuit 25.

【0021】ステップ2 演算回路25に於いては、f(x,j)=f(m
x (i),j)(i=0,1,2,…,I)の値からf
(xc ,j)=f(lx (i),j)を演算によって求
める。つまり、表示のx方向の格子点(xc )上のf
(xc ,j)に対応する値が測定データとしては存在し
ないので、次のような方法によって計算する。
Step 2 In the arithmetic circuit 25, f (x, j) = f (m
f from the value of x (i), j) (i = 0, 1, 2, ..., I)
(X c , j) = f (l x (i), j) is calculated. That is, f on the grid point (x c ) in the x direction of the display
Since the value corresponding to (x c , j) does not exist as measurement data, it is calculated by the following method.

【0022】図4に示すように、 f(xc ,j)=(1/ΔX){Δxi+1 ×f(mx (i+1),j) +Δxi ×f(mx (i),j)} で、f(xc ,j)を計算する。但し、ΔXはデータ間
の距離(変位)に対応し、ΔX×Iが画像ではx方向の
変位量に相当するものである。
As shown in FIG. 4, f (x c , j) = (1 / ΔX) {Δx i + 1 × f (m x (i + 1), j) + Δx i × f (m x (i), j)} to calculate f (x c , j). However, ΔX corresponds to the distance (displacement) between the data, and ΔX × I corresponds to the amount of displacement in the x direction in the image.

【0023】また、 Δxi+1 =|mx (i+1)−lx (i+1)| Δxi =|mx (i)−lx (i)| である。いま、ここでは、f(xc ,j)=f(l
x (i),j)の値を、f(mx (i),j)とf(m
x (i+1),j)の測定データの信号値を用いて線形
補間を行っているが、これはスプライン補間等を行って
も良い。
Further, Δx i + 1 = | m x (i + 1) -l x (i + 1) | Δx i = | m x (i) -l x (i) | Now, here, f (x c , j) = f (l
The values of x (i), j) are converted into f (m x (i), j) and f (m
Although linear interpolation is performed using the signal value of the measurement data of x (i + 1), j, spline interpolation or the like may be performed.

【0024】つまり、演算回路25に於いては、Yカウ
ンタ21のタイミングで、データトランスレータ24か
ら送られたデータ配列f(x,j)からXカウンタ20
のタイミングiで補間を行い、f(xc ,j)を画像バ
ッファ26に出力する。
That is, in the arithmetic circuit 25, at the timing of the Y counter 21, from the data array f (x, j) sent from the data translator 24 to the X counter 20.
Interpolation is performed at the timing i, and f (x c , j) is output to the image buffer 26.

【0025】ステップ3 画像バッファ26内のデータ列f(xc ,j)は、yカ
ウンタ21のタイミングjでデータトランスレータ27
に入力される。データトランスレータ27は、Yカウン
タ21の出力値jに対応したアクチュエータの変位量の
校正曲線(y=my (j))から計算された変位量の変
換テーブルを有しており、Yカウンタ21のタイミング
と同期して、
Step 3 The data string f (x c , j) in the image buffer 26 is transferred to the data translator 27 at the timing j of the y counter 21.
Entered in. The data translator 27 has a displacement amount conversion table calculated from a calibration curve (y = m y (j)) of the displacement amount of the actuator corresponding to the output value j of the Y counter 21, and In sync with the timing,

【0026】j → y=my (j) なる変換をリアルタイムで実行して、f(xc ,y)を
演算回路25に出力する。上記ステップ1同様、画像バ
ッファ26から送られたデータ配列f(xc ,j)は、
f(xc ,y)=f(xc ,my (j))に書き換えら
れて、再び演算回路25に出力される。
The conversion j → y = m y (j) is executed in real time, and f (x c , y) is output to the arithmetic circuit 25. Similar to step 1 above, the data array f (x c , j) sent from the image buffer 26 is
f (x c, y) = f is rewritten to (x c, m y (j )), it is outputted again to the arithmetic circuit 25.

【0027】ステップ4 演算回路25に於いては、f(xc ,y)=f(xc
y (j))(j=0,1,…,J)の値からf
(xc ,yc )=f(xc ,ly (j))を上記ステッ
プ2と同様の方法で求める。y方向の格子点(yc )上
のf(xc,yc )に対応する値が測定データとしては
存在しないので、上記ステップ2と同様の演算で計算す
る。
Step 4 In the arithmetic circuit 25, f (x c , y) = f (x c ,
f from the value of m y (j)) (j = 0, 1, ..., J)
(X c, y c) obtaining in = f (x c, l y (j)) the same as in step 2 of the method. y-direction of the grid points (y c) on the f (x c, y c) the value corresponding to the absence as measurement data, calculated in the same operation as in step 2.

【0028】 f(xc ,yc )=(1/ΔY){Δyi+1 ×f(xc ,my (j+1)} +Δyi ×f(xc ,my (j))} で、f(xc ,yc )を計算する。但し、ΔYはデータ
間の距離に対応し、ΔY×Jが画像ではy方向の変位量
に相当するものである。
In [0028] f (x c, y c) = (1 / ΔY) {Δy i + 1 × f (x c, m y (j + 1)} + Δy i × f (x c, m y (j))} , F (x c , y c ) where ΔY corresponds to the distance between the data and ΔY × J corresponds to the amount of displacement in the y direction in the image.

【0029】また、 Δyi+1 =|my (j+1)−ly (j+1)| Δyi =|my (j)−lj (j)|[0029] In addition, Δy i + 1 = | m y (j + 1) -l y (j + 1) | Δy i = | m y (j) -l j (j) |

【0030】このステップ4に於いて、演算回路25
は、Xカウンタ20のタイミングiでデータトランスレ
ータ27から送られたデータ配列f(xc ,j)からY
カウンタ21のタイミングjで補間を行い、f(xc
c )を画像バッファ26に出力する。このようにして
得られたf(xc ,yc )は、X,Y各方向の歪みが除
去されて、画像バッファ21からCRT19に出力され
る。出力されたデータ配列f(xc ,yc )は、上記ス
テップ1〜ステップ4の処理によって次のように表現で
きる。
In step 4, the arithmetic circuit 25
Is Y from the data array f (x c , j) sent from the data translator 27 at the timing i of the X counter 20.
Interpolation is performed at the timing j of the counter 21, and f (x c ,
y c ) is output to the image buffer 26. The f (x c , y c ) thus obtained is output from the image buffer 21 to the CRT 19 after the distortion in each of the X and Y directions is removed. The output data array f (x c , y c ) can be expressed as follows by the processing of steps 1 to 4 described above.

【0031】 f(xc ,yc )=(1/ΔY){Δyj+1 ×R(Δyj+1 ) ×f(xc ,my (j+1)+Δyj ×R(Δyj ) ×f(xc ,my (j))} =(1/ΔX)(1/ΔY)[Δyj+1 ×R(Δyj+1 ) ×{Δxi+1 ×R(Δxi+1 ) ×f(mx (i+1),my (j+1)+Δxi ×R(Δxi )×f(mx (i),my (j+1))} +Δyj ×R(Δyj )×{Δxi+1 ×R(Δxi+1 ) ×f(mx (i+1),my (j))+Δxi ×R(Δxi )×f(mx (i),my (j))}][0031] f (x c, y c) = (1 / ΔY) {Δy j + 1 × R (Δy j + 1) × f (x c, m y (j + 1) + Δy j × R (Δy j) × f (x c , m y (j))} = (1 / ΔX) (1 / ΔY) [Δy j + 1 × R (Δy j + 1 ) × {Δx i + 1 × R (Δx i + 1 ) × f (m x (i + 1), m y (j + 1) + Δx i × R (Δx i) × f (m x (i), m y (j + 1))} + Δy j × R (Δy j) × {Δx i +1 × R (Δx i + 1 ) × f (m x (i + 1), m y (j)) + Δx i × R (Δx i) × f (m x (i), m y (j))}]

【0032】いま、演算回路25に於いて、線形補間を
実行するときは、 R(k)=1 スプライン補間をするときは、
Now, in the arithmetic circuit 25, when performing linear interpolation, when performing R (k) = 1 spline interpolation,

【0033】[0033]

【数1】 で表わすことができる。[Equation 1] Can be expressed as

【0034】データトランスレータ24,27が有する
アクチュエータの校正テーブルは、次のようにして生成
する。アクチュエータの変位量は、数μm以上の領域で
は、電気マイクロやファイバセンサ等の計測器を用いて
測定することができる。しかしながら、変位量の校正曲
線を精度よく決定したり、1μm以下の狭い領域の校正
曲線の決定には、構造の明らかな(xy方向の構造のサ
イズが精度よく決まっている)標準サンプルを用いる。
すなわち、標準サンプルを測定し、その測定結果から校
正曲線を算出する。
The calibration table of the actuator included in the data translators 24 and 27 is generated as follows. The displacement amount of the actuator can be measured using a measuring instrument such as an electric micro or a fiber sensor in a region of several μm or more. However, a standard sample having a clear structure (the size of the structure in the xy direction is accurately determined) is used to accurately determine the displacement amount calibration curve or to determine the calibration curve in a narrow region of 1 μm or less.
That is, a standard sample is measured, and a calibration curve is calculated from the measurement result.

【0035】例えば、ピッチ3600本のグレーティン
グを標準サンプルとして校正曲線を求めてみる。図5の
(A)は、3600本のグレーティングの格子に垂直な
方向の断面を表わしている。この構造の理想的なトンネ
ル電流のトレース、つまりアクチュエータが線形に変位
しているときのトレースは、図5の(B)に示すような
ものである(具体的には、測定画像のx方向の断面形状
である)。
For example, a calibration curve is obtained by using a grating having a pitch of 3600 as a standard sample. FIG. 5A shows a cross section in a direction perpendicular to the grating of 3600 gratings. An ideal tunnel current trace of this structure, that is, a trace when the actuator is linearly displaced is as shown in FIG. 5B (specifically, in the x direction of the measurement image). The cross-sectional shape).

【0036】しかし、実際の測定では、アクチュエータ
の非線形変位のために、図5の(C)のようなトレース
になる。同図のようなトレースをもとにアクチュエータ
の校正曲線を計算する。計算の方法は以下の通りであ
る。
However, in the actual measurement, the trace as shown in FIG. 5C is obtained due to the non-linear displacement of the actuator. The calibration curve of the actuator is calculated based on the trace as shown in the figure. The calculation method is as follows.

【0037】図6に示したのは、グレーティングの格子
に垂直な方向に走査して得られたトンネル電流のトレー
スである。このトレースに於いて、構造のピーク位置を
求めて、それぞれx0 ,x1 ,…,xn とする。実際の
グレーティングの構造に於いては、各格子の間隔は等し
い。つまり、d=xn+1 −xn は一定になっているはず
である。この条件を用いて、最小二乗法を行ない、m次
のアクチュエータの校正曲線を計算する。通常、3次〜
4次の曲線で測定結果をよく校正できる。また、走査範
囲が数nm程度の小さい領域での校正には、グラファイ
トやSi等の結晶表面を標準試料として用いる。
FIG. 6 is a trace of the tunnel current obtained by scanning in the direction perpendicular to the grating of the grating. In this trace, the peak position of the structure is obtained and set as x 0 , x 1 , ..., X n , respectively. In the actual grating structure, the intervals between the gratings are equal. That is, d = x n + 1 −x n should be constant. Using this condition, the least squares method is performed to calculate the calibration curve of the m-th order actuator. Usually 3rd-
The measurement results can be calibrated well with a quartic curve. For calibration in a small scanning range of about several nm, a crystal surface of graphite or Si is used as a standard sample.

【0038】次に、本発明の第2の実施例につき説明す
る。上記第1の実施例では、A/D変換器18により
X,Yカウンタ20,21の出力i,jのタイミングで
取り込んだデータf(i,j)は、一旦画像バッファ2
2に蓄えた後(あるいは、直接CRT19へ表示を行な
った後)、x,y方向の変位量の校正を行う回路により
x,y方向の校正を行なうようにしている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the data f (i, j) fetched by the A / D converter 18 at the timings of the outputs i, j of the X, Y counters 20,21 are temporarily stored in the image buffer 2.
After the data is stored in 2 (or after being directly displayed on the CRT 19), the circuit for calibrating the displacement amount in the x and y directions performs the calibration in the x and y directions.

【0039】本第2の実施例では、画像バッファにデー
タを蓄えることなく、Yカウンタ21の出力jのタイミ
ングと同期して、取り込んだラインデータf(i,j)
(jは一定)を直接データトランスレータ24に送り、
x方向の校正を、測定と同時に行なえるようにしたもの
である。校正は、以下で述べるようなステップで実施す
ることができる。また、図7にその概念図を示す。
In the second embodiment, the captured line data f (i, j) is synchronized with the timing of the output j of the Y counter 21 without storing the data in the image buffer.
(J is constant) is directly sent to the data translator 24,
The calibration in the x direction can be performed simultaneously with the measurement. The calibration can be performed in steps as described below. Further, FIG. 7 shows a conceptual diagram thereof.

【0040】ステップ1 Xカウンタ20のタイミングiと同期してA/D変換さ
れたデータは、Yカウンタ21のタイミングjと同期し
てデータトランスレータ24に送られる。データトラン
スレータ24は、Xカウンタ20の出力iに対応したx
方向のアクチュエータの変位量の校正のための変換テー
ブルを有しており、Xカウンタ20のタイミングと同期
して、
Step 1 The data A / D converted in synchronization with the timing i of the X counter 20 is sent to the data translator 24 in synchronization with the timing j of the Y counter 21. The data translator 24 outputs x corresponding to the output i of the X counter 20.
It has a conversion table for calibrating the displacement amount of the actuator in the direction, in synchronization with the timing of the X counter 20,

【0041】i → x=mx (i) なる変換をリアルタイムで実行して、f(x,j)を演
算回路25に出力する。つまり、A/D変換されたx走
査のデータ列f(i,j)は、f(x,j)=f(mx
(i),j)に書き換えられて、演算回路25に出力さ
れる。
The conversion i → x = m x (i) is executed in real time and f (x, j) is output to the arithmetic circuit 25. That is, the A / D-converted x-scan data string f (i, j) is f (x, j) = f (m x
It is rewritten as (i), j) and output to the arithmetic circuit 25.

【0042】ステップ2 演算回路25に於いては、前述した第1の実施例と同様
の演算処理を行ない、Yカウンタ21のタイミングjで
データトランスレータ24から送られたデータ配列f
(x,j)から、Xカウンタ20のタイミングiと同期
して補間データf(xc ,j)を選択切換回路23に出
力する。選択切換回路23では、出力データf(xc
j)をCRT19に送り表示を行なうか、画像バッファ
26へ送るかの選択を行なう。
Step 2 In the arithmetic circuit 25, the same arithmetic processing as in the first embodiment described above is performed, and the data array f sent from the data translator 24 at the timing j of the Y counter 21.
The interpolation data f (x c , j) is output from (x, j) to the selection switching circuit 23 in synchronization with the timing i of the X counter 20. In the selection switching circuit 23, the output data f (x c ,
j) is sent to the CRT 19 for display or to the image buffer 26.

【0043】ステップ3 画像バッファ26内のデータ列f(xc ,j)は、Xカ
ウンタ20のタイミングでデータトランスレータ27に
入力され、Yカウンタ21の出力値jと同期して、
Step 3 The data string f (x c , j) in the image buffer 26 is input to the data translator 27 at the timing of the X counter 20, and in synchronization with the output value j of the Y counter 21,

【0044】j → y=my (j) なる変換をリアルタイムで実行する。その結果、データ
配列f(xc ,j)がf(xc ,y)=F(xc ,my
(j))に書き換えられ、再び演算回路25に出力され
る。 ステップ4
The conversion j → y = m y (j) is executed in real time. As a result, data sequence f (x c, j) is f (x c, y) = F (x c, m y
It is rewritten as (j)) and output again to the arithmetic circuit 25. Step 4

【0045】演算回路25に於いては、前述した第1の
実施例と同様の演算処理を行ない、Xカウンタ20のタ
イミングiでデータトランスレータ27から送られたデ
ータ配列f(xc ,y)から、Yカウンタ21のタイミ
ングjと同期して補間データf(xc ,yc )を選択切
換回路23に出力する。選択切換回路23からは、CR
T19に送られ、校正されたデータとして表示される。
In the arithmetic circuit 25, the same arithmetic processing as in the first embodiment described above is performed, and the data array f (x c , y) sent from the data translator 27 at the timing i of the X counter 20 is used. , And outputs the interpolation data f (x c , y c ) to the selection switching circuit 23 in synchronization with the timing j of the Y counter 21. From the selection switching circuit 23, CR
It is sent to T19 and displayed as calibrated data.

【0046】次に、本発明の第3の実施例を説明する。
上記第1及び第2の実施例に於いては、X,Yカウンタ
20,21のタイミングで得られたデジタル信号列f
(i,j)に対して、アクチュエータの校正曲線から得
られたデータ変換テーブルをもとにデータのx,y座標
の校正を行ない、画像の歪みを除去していた。本第3の
実施例に於いては、アクチュエータの校正曲線から得ら
れたxy走査信号の変換テーブルから、xy走査信号を
変換してxyのスケールの校正、画像の歪みの除去を行
なうものである。つまり、画像バッファ22に蓄えられ
たデジタル信号列f(i,j)のxyスケールは校正さ
れており、CRT19に表示されるデータには歪みが生
じていない。
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
In the first and second embodiments, the digital signal train f obtained at the timings of the X and Y counters 20 and 21.
For (i, j), the x and y coordinates of the data were calibrated based on the data conversion table obtained from the calibration curve of the actuator to remove the image distortion. In the third embodiment, the xy scanning signal is converted from the conversion table of the xy scanning signal obtained from the calibration curve of the actuator to calibrate the xy scale and remove the image distortion. . That is, the xy scale of the digital signal sequence f (i, j) stored in the image buffer 22 is calibrated, and the data displayed on the CRT 19 is not distorted.

【0047】このような方法は、図8に示すようなアク
チュエータの変位の非線形性を校正するためのxy走査
信号の校正テーブルを有するデータトランスレータ28
をxy走査駆動回路13の後に入れることで実施するこ
とができる。
Such a method has a data translator 28 having a calibration table of xy scanning signals for calibrating the non-linearity of the displacement of the actuator as shown in FIG.
Can be carried out by inserting after the xy scan drive circuit 13.

【0048】上記第1及び第2の実施例に於いては、
X,Yカウンタ20,21のタイミングi,jと同期し
てxy駆動回路13から図9の(A)に示すようなxy
走査信号Vx (i),Vy (j)を出力していた。ここ
で、Vx (i),Vy (j)は図9の(A)に示すよう
なi,jのタイミングに比例している。つまり、走査信
号は三角波になっている。このときの走査範囲は、Vx
(i)及びVy (j)の振幅で決まっている。
In the above first and second embodiments,
In synchronization with the timings i and j of the X and Y counters 20 and 21, the xy drive circuit 13 outputs xy as shown in FIG.
The scanning signals V x (i) and V y (j) were output. Here, V x (i) and V y (j) are proportional to the timings of i and j as shown in FIG. That is, the scanning signal is a triangular wave. The scanning range at this time is V x
It is determined by the amplitudes of (i) and V y (j).

【0049】本第3の実施例に於いては、xy走査の駆
動回路13の出力Vx (i),Vy(j)の後に、デー
タトランスレータ28を入れ、Vx (i),Vy (j)
を図9の(A)のように変換して、xy方向の走査を行
なう。このデータトランスレータ28は、アクチュエー
タの非線形変位を補正し、xy方向の変位が線形になる
ように、xy駆動回路13の出力Vx (i),V
y (j)を校正するための変換テーブルを有している。
従って、xy走査駆動回路13からのxyの駆動の電圧
は図9の(B)のように非線形になるが、x,yカウン
タ20,21の出力i,jに対して、x,y各方向の変
位は線形になっている。つまり、歪みのない画像が、デ
ータとしてCRT19に表示され画像バッファ22に保
存されることになる。
[0049] In the third embodiment, the output V x in the xy scan drive circuit 13 (i), after the V y (j), containing the data translator 28, V x (i), V y (J)
Is converted as shown in FIG. 9A, and scanning in the xy directions is performed. The data translator 28 corrects the non-linear displacement of the actuator and outputs V x (i), V of the xy drive circuit 13 so that the displacement in the xy direction becomes linear.
It has a conversion table for calibrating y (j).
Therefore, although the xy drive voltage from the xy scan drive circuit 13 becomes non-linear as shown in FIG. 9 (B), the x, y counters 20 and 21 outputs i, j respectively in x, y directions. The displacement of is linear. That is, an image without distortion is displayed on the CRT 19 as data and stored in the image buffer 22.

【0050】図10は、温度補償機能を更に有する本発
明の第4の実施例の構成を示す図である。本第4の実施
例のSXM10に於いては、探針11は、試料12に対
向してXY走査駆動回路13によりX及びY方向に走査
され、この走査によって試料表面を移動する。探針11
と試料12の距離dの変位rは、探針11に係合された
変位検出器15によって検出され、その検出出力は、距
離dを一定にするようにZ駆動体29を制御するサーボ
回路17に入力される。一般に、サーボ回路17のアナ
ログ出力あるいは画像バッファ22のデジタル出力は、
X,Y走査に同期してCRT19に三次元画像として表
示される。
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the fourth embodiment of the present invention which further has a temperature compensation function. In the SXM 10 of the fourth embodiment, the probe 11 is scanned in the X and Y directions by the XY scanning drive circuit 13 so as to face the sample 12, and the sample surface is moved by this scanning. Probe 11
The displacement r of the sample 12 and the distance d of the sample 12 is detected by the displacement detector 15 engaged with the probe 11, and the detection output is a servo circuit 17 for controlling the Z driving body 29 so as to keep the distance d constant. Entered in. Generally, the analog output of the servo circuit 17 or the digital output of the image buffer 22 is
It is displayed as a three-dimensional image on the CRT 19 in synchronization with the X and Y scans.

【0051】本第4の実施例に於いては、サーボ回路1
7のアナログ出力は、A/D変換器18によりA/D変
換され、そのデジタル信号が走査範囲を決定するXカウ
ンタ20又はYカウンタ21により制御される画像バッ
ファ22に入力される。
In the fourth embodiment, the servo circuit 1
The analog output 7 is A / D converted by the A / D converter 18, and the digital signal is input to the image buffer 22 controlled by the X counter 20 or the Y counter 21 which determines the scanning range.

【0052】変位検出器15からの検出信号は、画像バ
ッファ22内にデジタル信号f(i,j)(但し、i=
1,2,3,…,I、j=1,2,3,…,J)として
走査ライン1本毎にXカウンタ20の出力タイミングに
合わせて取り込まれて、ビット列として扱われる。例え
ば、f(100,5)は、5番目の走査ラインで100
番目の走査点のデジタル振幅値を示している。
The detection signal from the displacement detector 15 is a digital signal f (i, j) (where i =
1, 2, 3, ..., I, j = 1, 2, 3, ..., J) are fetched for each scanning line at the output timing of the X counter 20 and treated as a bit string. For example, f (100,5) is 100 at the 5th scan line.
The digital amplitude value of the th scanning point is shown.

【0053】ところで、アクチュエータ30のX,Y方
向の変位は、XY駆動回路13により行なわれる。アク
チュエータ30は、X,Y各方向の電極に電圧を印加す
ることで変位をする。この印加電圧VX (i),V
Y (j)は、演算回路31からX,Yカウンタ20,2
1のカウンタ出力i,jと同期して出力される基準温度
b に於ける制御信号
The displacement of the actuator 30 in the X and Y directions is performed by the XY drive circuit 13. The actuator 30 is displaced by applying a voltage to the electrodes in each of the X and Y directions. This applied voltage V X (i), V
Y (j) is the X, Y counter 20, 2 from the arithmetic circuit 31.
A control signal at the reference temperature T b output in synchronization with the counter outputs i and j of 1.

【0054】[0054]

【数2】 に従ってXY駆動回路13から出力される。[Equation 2] Is output from the XY drive circuit 13.

【0055】図11の(A)及び(B)は、X,Yカウ
ンタ20,21のカウンタ出力に同期したXY駆動回路
13の電圧出力VX (i),VY(j)を示したもの
で、このときのVX (i),VY (j)は、アクチュエ
ータ30の非線形変位が補正されるように出力されるた
め、i,jに対してリニアに変位していない。しかし、
X (i),VY (j)をアクチュエータ30に印加し
たときのアクチュエータ30の変位量mX (i),mY
(j)は、図11の(C)及び(D)に示すとおり、
i,jに対しリニアに変位する。このようにアクチュエ
ータの非線形変位を補正するように印加電圧を設定する
のは、前述した第3の実施例のようにして行なうことが
できる。
11A and 11B show the voltage outputs V X (i) and V Y (j) of the XY drive circuit 13 synchronized with the counter outputs of the X and Y counters 20 and 21, respectively. Since V X (i) and V Y (j) at this time are output so that the nonlinear displacement of the actuator 30 is corrected, they are not linearly displaced with respect to i and j. But,
Displacement amounts m X (i) and m Y of the actuator 30 when V X (i) and V Y (j) are applied to the actuator 30.
(J) is as shown in (C) and (D) of FIG.
It is linearly displaced with respect to i and j. The setting of the applied voltage so as to correct the non-linear displacement of the actuator can be performed as in the third embodiment described above.

【0056】XY駆動回路13は、D/A変換器及びそ
のD/A変換出力を増幅するための増幅器により構成さ
れる。D/A変換出力及び増幅率を決めるのは、演算回
路31から送信される上記数2に示した制御信号であ
る。
The XY drive circuit 13 is composed of a D / A converter and an amplifier for amplifying the D / A converted output. What determines the D / A conversion output and the amplification factor is the control signal shown in the above equation 2 transmitted from the arithmetic circuit 31.

【0057】XY駆動回路13を構成するD/A変換器
と増幅器は、以下のように動作する。いま、D/A変換
器として±10VP-P 出力の14ビットのものを用いる
とする。このとき、D/A変換器の出力電圧の分解能
は、1.2mVであり、圧電定数10nm/Vのアクチ
ュエータ30を用いるとすれば、XY変位の分解能は
0.12オングストロームである。このアクチュエータ
30をX方向に0.5nmステップで100nmまで変
位させるとすると、mX (1)=0.5,mX (2)=
1.0,…,mX (200)=100nmとなり、それ
ぞれの変位に対応する出力電圧がXY駆動回路13から
X (1),VX (2),…,VX (200)と出力さ
れている。
The D / A converter and the amplifier constituting the XY drive circuit 13 operate as follows. Now, it is assumed that a 14-bit D / A converter with ± 10 V PP output is used. At this time, the resolution of the output voltage of the D / A converter is 1.2 mV, and if the actuator 30 having the piezoelectric constant of 10 nm / V is used, the resolution of the XY displacement is 0.12 angstrom. Assuming that the actuator 30 is displaced in the X direction in steps of 0.5 nm to 100 nm, m x (1) = 0.5, m x (2) =
1.0, ..., M X (200) = 100 nm, and the output voltage corresponding to each displacement is output from the XY drive circuit 13 as V X (1), V X (2), ..., V X (200). Has been done.

【0058】ところで、SXMに於いて、走査範囲は数
nm〜数10μmと幅が広い。上述のようなD/A変換
器とアクチュエータを用いても、最大200nmの走査
範囲しか得られないため、D/A変換器の出力を増幅す
る必要がある。つまり、走査領域に応じゲインを10
倍,100倍に切り換えて出力振幅も10倍,100倍
と増やすようにする。
By the way, in the SXM, the scanning range is as wide as several nm to several tens of μm. Even if the D / A converter and the actuator as described above are used, only a scanning range of 200 nm at the maximum can be obtained, so that it is necessary to amplify the output of the D / A converter. That is, the gain is set to 10 according to the scanning area.
The output amplitude is increased to 10 times and 100 times by switching to 100 times and 100 times.

【0059】以上のようにD/A変換器の出力電圧VX
(i),VY (j)及び増幅器の倍率は、走査範囲に応
じて変わるものであるが、これは演算回路31によって
制御される。即ち、演算回路31は、設定された走査範
囲を得るように、X,Yカウンタ20,21の出力タイ
ミングi,jに同期してXY駆動回路12に上記数2に
示したような制御信号及び増幅率を送信する。
As described above, the output voltage V X of the D / A converter
The magnifications of (i), V Y (j) and the amplifier vary depending on the scanning range, which is controlled by the arithmetic circuit 31. That is, the arithmetic circuit 31 synchronizes with the output timings i and j of the X and Y counters 20 and 21 to the XY drive circuit 12 so as to obtain the set scanning range. Send amplification factor.

【0060】上記数2に示したような制御信号は、基準
温度Tb に於ける、走査範囲に応じてD/A変換器から
電圧が出力されるように決められているデジタル信号列
である。
The control signal as shown in the above equation 2 is a digital signal train which is determined so that the voltage is output from the D / A converter according to the scanning range at the reference temperature T b. .

【0061】演算回路31は、数2に示したようなデジ
タル信号列が走査範囲に応じていくつか用意されて記憶
してあるROMと、どのテーブルを出力し、増幅率をど
の様に設定するかを判断して、XY駆動回路13に出力
するための選択回路等を有している。
The arithmetic circuit 31 outputs a ROM in which a plurality of digital signal sequences as shown in Formula 2 are prepared and stored according to the scanning range, which table is output, and how the amplification factor is set. It has a selection circuit and the like for determining whether or not and outputting to the XY drive circuit 13.

【0062】先に述べたようなアクチュエータを例に取
ると、走査範囲20nm,200nm,2μm,20μ
mを走査するための電圧をXY駆動回路13に出力させ
るためには、演算回路31は、次の数3に示すような内
容をデジタル信号としてXY駆動回路13に送信する。
Taking the actuator described above as an example, the scanning range is 20 nm, 200 nm, 2 μm, 20 μ.
In order to output the voltage for scanning m to the XY drive circuit 13, the arithmetic circuit 31 transmits the content as shown in the following Expression 3 to the XY drive circuit 13 as a digital signal.

【0063】[0063]

【数3】 [Equation 3]

【0064】つまり、走査の前に、増幅器の場合率を送
り、次に走査信号として上記数2に示すようなデジタル
信号列をX,Yカウンタ20,21のカウンタ出力i,
jと同期して送信する。ROM内に記憶できる制御信号
That is, before scanning, a rate is sent in the case of an amplifier, and then a digital signal sequence as shown in the above equation 2 is used as a scanning signal, and the counter output i of the X, Y counters 20 and 21
It is transmitted in synchronization with j. Control signal sequence that can be stored in ROM

【0065】[0065]

【数4】 のテーブル数は、テーブルの大きさ(サイズ)とROM
の記憶容量によるが、例えばROMが64Kバイトで、
制御信号のテーブル
[Equation 4] The number of tables is the size of the table and the ROM
Depending on the storage capacity of, for example, ROM is 64K bytes,
Control signal table

【0066】[0066]

【数5】 [Equation 5]

【0067】のサイズが512バイトのときで、128
個のテーブルが記憶できることになる。記憶させるテー
ブルの数を多くしたいときは、ROMのメモリを拡張す
れば良い。以上のような方法で、指定した走査範囲に応
じたアクチュエータ30の変位を行なうことができる。
If the size of 512 bytes is 128
Each table can be stored. To increase the number of tables to be stored, the ROM memory may be expanded. With the method described above, the actuator 30 can be displaced according to the designated scanning range.

【0068】ところで、SXMの特徴として、大気中,
真空中,液体中,等、測定環境を問わない点が挙げら
れ、各種の環境での測定が行なわれている。その中の一
つに、液体ヘリウム(lqヘリウム)や液体窒素を用い
て低温にし、低温下での測定を行なうものがある。この
ような低温下での測定は、超伝導物質等に対し盛んに行
なわれている。
By the way, as a feature of SXM, in the atmosphere,
There is a point that the measurement environment does not matter, such as in vacuum or in liquid, and measurement is performed in various environments. One of them is to measure at low temperature by using liquid helium (lq helium) or liquid nitrogen to lower the temperature. The measurement at such a low temperature is actively carried out for superconducting substances and the like.

【0069】低温での測定では、寒剤の温度(つまり、
lqHeの場合4.2K,lqN2の場合77K)のみ
ならず、寒剤の温度〜常温あるいは高温までの範囲で温
度を変えて測定を行なうことが要求されている。
For low temperature measurements, the temperature of the cryogen (ie,
In addition to 4.2 K for lqHe and 77 K for lqN 2 , it is required to carry out the measurement by changing the temperature in the range from the temperature of the cryogen to room temperature or high temperature.

【0070】一方、アクチュエータ30は、温度が下が
ることで、変位量が低下することが知られており、例え
ば、液体ヘリウム温度(4.2K)では、常温の1/1
0〜1/20になる。そのために、同じD/A変換器の
出力VX (i),VY (j)をアクチュエータ30に印
加しても、温度が異なるとアクチュエータの変位量つま
り走査範囲が違ってしまう。従って、異なる温度で同じ
走査範囲を得るためには、温度によってXY駆動回路に
送る数4に示したような制御信号を、その温度でのアク
チュエータ30の変位に合わせて変える必要がある。
On the other hand, it is known that the displacement amount of the actuator 30 decreases as the temperature decreases. For example, at the liquid helium temperature (4.2 K), the displacement amount is 1/1
It will be 0-1 / 20. Therefore, even if the same outputs V X (i) and V Y (j) of the D / A converter are applied to the actuator 30, if the temperature is different, the displacement amount of the actuator, that is, the scanning range is different. Therefore, in order to obtain the same scanning range at different temperatures, it is necessary to change the control signal sent to the XY drive circuit depending on the temperature as shown in equation 4 according to the displacement of the actuator 30 at that temperature.

【0071】例えば、液体ヘリウム温度(4.2K)
で、アクチュエータ30の変位量が常温の場合の1/1
0になるとすると、低温で200nm走査させるために
は、常温に於いて2μm走査させるときのアクチュエー
タへの印加電圧(室温で200nm走査させるための1
0倍の電圧)を印加する必要があり、そのために演算回
路31は、制御信号を選択して送信する。
For example, liquid helium temperature (4.2K)
So, the displacement of the actuator 30 is 1/1
If it becomes 0, in order to scan at 200 nm at low temperature, the voltage applied to the actuator when scanning at 2 μm at room temperature (1 for scanning at 200 nm at room temperature)
It is necessary to apply a voltage of 0 times), and therefore the arithmetic circuit 31 selects and transmits a control signal.

【0072】測定点付近の温度Tは、検出器32が検出
し、演算回路31に送る。演算回路31は、この送られ
てきた測定温度Tに於けるアクチュエータ30の変位曲
線を基に、数2に示したような制御信号を、以下の手順
で出力する。
The temperature T near the measurement point is detected by the detector 32 and sent to the arithmetic circuit 31. The arithmetic circuit 31 outputs a control signal as shown in Formula 2 based on the sent displacement curve of the actuator 30 at the measured temperature T in the following procedure.

【0073】図12は、各温度に於けるアクチュエータ
30の変位曲線を示している。温度は、t=t0
1 ,t2 ,…,tn の順で高くなる。同図に於いて、
0 だけアクチュエータ30を変位させるとき、アクチ
ュエータ30への印加電圧は、温度に応じて、V0 ,V
1 ,…となる。
FIG. 12 shows the displacement curve of the actuator 30 at each temperature. The temperature is t = t 0 ,
It becomes high in order of t 1 , t 2 , ..., T n . In the figure,
When the actuator 30 is displaced by l 0 , the applied voltage to the actuator 30 is V 0 , V depending on the temperature.
1 , ...

【0074】同図に於いて、基準温度はt=t4 の曲線
で示され、つまりt=t4 におけるアクチュエータ30
の変位曲線に対応した制御信号のテーブルが演算回路3
1のROMに記憶されている。このとき、t=t0 でl
0 だけアクチュエータ30を変位させるためには、V0
だけアクチュエータ30に電圧を印加する必要がある。
0 の電圧を出力するための制御信号は、基準温度に於
いてl0 ’のアクチュエータ30を変位させるものであ
り、この対応関係は図13に示す通りで、選択回路内に
記憶されている。
[0074] In the figure, the reference temperature is indicated by curve for t = t 4, the actuator 30 in other words t = t 4
The control signal table corresponding to the displacement curve of
No. 1 ROM. At this time, l at t = t 0
In order to displace the actuator 30 by 0 , V 0
Only the voltage needs to be applied to the actuator 30.
The control signal for outputting the voltage of V 0 is for displacing the actuator 30 of l 0 'at the reference temperature, and this correspondence is as shown in FIG. 13, and is stored in the selection circuit. .

【0075】また、図12は、連続的に描いてあるが、
温度毎の変位曲線のテーブルにあっては、温度,変位
量,電圧値は離散的である。従って、選択回路では、各
パラメータを選択回路内に記憶されている値の中から値
の近い2つのデータを用いて補間する処理が行なわれ
る。最終的に出力される制御信号は、近いものを選択し
て出力する。
Further, although FIG. 12 is drawn continuously,
In the table of the displacement curve for each temperature, the temperature, the amount of displacement, and the voltage value are discrete. Therefore, the selection circuit performs a process of interpolating each parameter by using two pieces of data whose values are close to each other among the values stored in the selection circuit. The control signal finally output selects and outputs the closest one.

【0076】このようにすることにより、同じ走査範囲
で温度を変えながら連続的に測定を行なうための探針走
査装置、及び温度によるアクチュエータの変位量の変化
を補正し、温度を変化させても一定の走査範囲で探針を
走査させる探針走査装置を提供することができる。
By doing so, the probe scanning device for continuously measuring while changing the temperature in the same scanning range, and the change in the displacement amount of the actuator due to the temperature are corrected and the temperature is changed. It is possible to provide a probe scanning device that scans the probe in a constant scanning range.

【0077】なお、演算回路31のROM内に記憶され
ている制御信号のテーブルは、前述の別の実施例に関し
て述べたように、標準サンプルの測定を行なって作成す
ることができる。また、1μm以上の広い領域のテーブ
ルを作成する際には、アクチュエータの変位量を調節測
定することでも調べることができる。SXMでは、走査
領域のレンジが広いので、標準サンプルは、いくつか用
意しておく必要がある。
The control signal table stored in the ROM of the arithmetic circuit 31 can be created by measuring the standard sample as described in the above-mentioned another embodiment. Further, when creating a table of a wide area of 1 μm or more, it is possible to check by adjusting the displacement amount of the actuator. Since the SXM has a wide scan range, it is necessary to prepare some standard samples.

【0078】演算回路31内の選択回路に記憶させるア
クチュエータの変位曲線は、次のような手順で測定を行
なうことで生成する。 (1)温度を一定に保ち、標準サンプルの測定を行な
う。 (2)印加電圧を変化させ、走査範囲を算出する。 アクチュエータの変位量は、温度によって大きく違うの
で、印加電圧のステップは、温度毎に変える。(また、
アクチュエータのタイプによっても変位量は異なるの
で、その点も考慮する。) 上述の方法を繰り返し、図12のような変位曲線のテー
ブルを作成する。
The displacement curve of the actuator to be stored in the selection circuit in the arithmetic circuit 31 is generated by performing the measurement in the following procedure. (1) Keep the temperature constant and measure a standard sample. (2) The applied voltage is changed and the scanning range is calculated. Since the amount of displacement of the actuator greatly differs depending on the temperature, the step of applied voltage is changed for each temperature. (Also,
The amount of displacement also differs depending on the type of actuator, so consider that point as well. ) The above method is repeated to create a table of displacement curves as shown in FIG.

【0079】変位曲線を調べる温度の間隔は、SXM測
定の温度変化を行なう際の精度にもよるが、SXM測定
の際の温度変化のステップと同程度、精度を問わない場
合には2倍又はそれ以上の間隔で良い。変位曲線が調べ
られていない温度の変位曲線は、制御信号の出力の際
に、測定温度前後の変位曲線から補間を行なって出力す
るので問題とはならない。
The temperature interval for examining the displacement curve depends on the accuracy when changing the temperature of the SXM measurement, but is approximately the same as the step of temperature change during the SXM measurement, or doubles when the accuracy does not matter. Greater intervals are acceptable. A temperature displacement curve for which a displacement curve has not been examined does not pose a problem because the displacement curve before and after the measured temperature is interpolated and output when the control signal is output.

【0080】[0080]

【発明の効果】本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡
に潜在的に存在するアクチュエータの非線形な変位を補
正し定量精度をあげることを可能とする探針走査装置を
提供することができる。すなわち、走査装置の演算回路
で組込まれたアクチュエータ個体間及び走査範囲毎に補
正するので、正確な試料の情報を提供することができ
る。
According to the present invention, it is possible to provide a probe scanning device capable of correcting non-linear displacement of an actuator potentially existing in a scanning probe microscope and improving quantitative accuracy. That is, since the correction is performed for each individual actuator incorporated in the arithmetic circuit of the scanning device and for each scanning range, accurate sample information can be provided.

【0081】また、本発明によれば、同じ走査範囲で温
度を変えながら連続的に測定を行なうための探針走査装
置、及び温度によるアクチュエータの変位量の変化を補
正し、温度を変化させても一定の走査範囲で探針を走査
させる探針走査装置を提供することができる。
Further, according to the present invention, the probe scanning device for continuously measuring while changing the temperature in the same scanning range, and the change in the displacement amount of the actuator due to the temperature are corrected to change the temperature. It is also possible to provide a probe scanning device which scans the probe in a constant scanning range.

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

【図1】本発明の第1の実施例のブロック構成図であ
る。
FIG. 1 is a block configuration diagram of a first embodiment of the present invention.

【図2】(A)はSXMの走査の際の格子点を示す図、
(B)は三次元像のj番目のラインのデジタル振幅値f
(i,j)を示す図、(C)はX方向のXカウンタの出
力iと実際のX方向の変位量mx (i)の関係を示す図
で、(D)はY方向のYカウンタの出力jと実際のY方
向の変位量my (j)の関係を示す図である。
FIG. 2A is a diagram showing grid points during SXM scanning;
(B) is the digital amplitude value f of the j-th line of the three-dimensional image
(I, j) is a diagram, (C) is a diagram showing a relationship between an output i of the X counter in the X direction and an actual displacement amount m x (i) in the X direction, and (D) is a Y counter in the Y direction. is a diagram showing the relationship between the output j and the actual Y-direction displacement amount m y (j).

【図3】(A)は実際の走査点の位置関係を示す図、
(B)はCRTに表示されるべき走査点の位置関係を示
す図である。
FIG. 3A is a diagram showing a positional relationship of actual scanning points,
(B) is a diagram showing a positional relationship of scanning points to be displayed on the CRT.

【図4】図1中の演算回路に於ける演算処理に使用され
るパラメータを説明するための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining parameters used for arithmetic processing in the arithmetic circuit in FIG.

【図5】(A)はグレーティングの格子に垂直な方向の
断面を表わす図、(B)は(A)に示す構造の理想的な
トンネル電流のトレースを示す図、(C)は(A)に示
す構造の実際の測定により得られるトレースを示す図で
ある。
5A is a diagram showing a cross section in a direction perpendicular to a grating of a grating, FIG. 5B is a diagram showing an ideal tunnel current trace of the structure shown in FIG. 5A, and FIG. It is a figure which shows the trace obtained by the actual measurement of the structure shown in FIG.

【図6】グレーティングの格子に垂直な方向に走査して
得られたトンネル電流のトレースを示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a trace of a tunnel current obtained by scanning in a direction perpendicular to a grating of a grating.

【図7】本発明の第2の実施例のブロック構成図であ
る。
FIG. 7 is a block configuration diagram of a second embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第3の実施例のブロック構成図であ
る。
FIG. 8 is a block configuration diagram of a third embodiment of the present invention.

【図9】(A)はデータトランスレータの出力V
x (i),Vy(j)を示す図、(B)はxy走査駆動
回路からのxyの駆動の電圧を示す図である。
FIG. 9A is an output V of the data translator.
FIG. 3B is a diagram showing x (i) and V y (j), and FIG. 3B is a diagram showing voltages for driving xy from the xy scanning drive circuit.

【図10】本発明の第4の実施例のブロック構成図であ
る。
FIG. 10 is a block diagram of a fourth embodiment of the present invention.

【図11】(A)及び(B)はそれぞれX,Yカウンタ
のカウンタ出力に同期したXY駆動回路の電圧出力VX
(i),VY (j)を示す図であり、(C)及び(D)
はそれぞれVX (i),VY (j)を印加したときのア
クチュエータの変位量mX(i),mY(j)を示す図で
ある。
11A and 11B are voltage outputs V X of an XY drive circuit synchronized with counter outputs of X and Y counters, respectively.
It is a figure which shows (i), VY (j), (C) and (D).
FIG. 4 is a diagram showing displacement amounts m X (i) and m Y (j) of the actuator when V X (i) and V Y (j) are applied, respectively.

【図12】各温度に於けるアクチュエータの変位曲線を
示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a displacement curve of an actuator at each temperature.

【図13】温度と変位量に応じた制御信号の値を表わす
テーブルを示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing a table showing values of control signals according to temperature and displacement amount.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…走査型プローブ顕微鏡、18…A/D変換器、2
0…Xカウンタ、21…Yカウンタ、22,26…画像
バッファ、23…選択切換回路、24,27,28…デ
ータトランスレータ、25…演算回路,30…アクチュ
エータ、31…演算回路、32…温度検出器。
10 ... Scanning probe microscope, 18 ... A / D converter, 2
0 ... X counter, 21 ... Y counter, 22, 26 ... Image buffer, 23 ... Selection switching circuit, 24, 27, 28 ... Data translator, 25 ... Operation circuit, 30 ... Actuator, 31 ... Operation circuit, 32 ... Temperature detection vessel.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 二次元空間を走査し、試料表面の物理的
情報を三次元像とする走査形プローブ顕微鏡用の探針走
査装置に於いて、 予め標準試料の走査により該探針走査装置の走査手段及
び走査範囲に対応した走査標準テーブルを作成しておく
走査標準テーブル作成手段と、 試料を走査する時の走査点で得られた各走査点毎の試料
データを、上記走査標準テーブル作成手段により作成さ
れた上記走査標準テーブルに基づいて更正された走査点
に対応するよう移動させる演算手段と、 を具備することを特徴とする探針走査装置。
1. A probe scanning device for a scanning probe microscope, which scans a two-dimensional space to form a three-dimensional image of physical information on the surface of a sample. The scanning standard table creating means for creating a scanning standard table corresponding to the scanning means and the scanning range, and the scanning standard table creating means for the sample data for each scanning point obtained at the scanning point when the sample is scanned And a calculation unit that moves the scanning point corresponding to the calibrated scanning point table based on the scanning standard table created by.
【請求項2】 試料を走査する時の走査点で得られた各
走査点毎の試料データを保存するバッファをさらに具備
し、 上記演算手段は、各走査点を上記走査標準テーブル作成
手段により作成された上記走査標準テーブルで更正し、
更正された走査点データを生成する第1の演算部と、上
記第1の演算部により演算された上記走査点データに従
って、上記試料データを移動させる第2の演算部とを有
することを特徴とする請求項1に記載の探針走査装置。
2. A buffer for storing sample data for each scanning point obtained at the scanning point when the sample is scanned, wherein the computing means creates each scanning point by the scanning standard table creating means. Calibrated with the above scanning standard table,
It has a 1st calculating part which produces | generates the corrected scanning point data, and a 2nd calculating part which moves the said sample data according to the said scanning point data calculated by the said 1st calculating part, It is characterized by the above-mentioned. The probe scanning device according to claim 1.
【請求項3】 二次元空間を走査し、試料表面の物理的
情報を三次元像とする走査形プローブ顕微鏡用の探針走
査装置に於いて、 予め標準試料の走査により該探針走査装置の走査手段及
び走査範囲に対応した走査標準テーブルを作成しておく
走査標準テーブル作成手段と、 試料を走査する際に、上記走査標準テーブル作成手段に
より作成された上記走査標準テーブルに基づいて更正さ
れた走査点に、上記走査手段により探針を移動させる演
算手段と、 を具備することを特徴とする探針走査装置。
3. A probe scanning device for a scanning probe microscope which scans a two-dimensional space to form a three-dimensional image of physical information on the surface of the sample. A scanning standard table creating means for creating a scanning standard table corresponding to the scanning means and the scanning range, and when the sample is scanned, it is calibrated based on the scanning standard table created by the scanning standard table creating means. A probe scanning apparatus comprising: a computing unit that moves the probe to the scanning point by the scanning unit.
【請求項4】 上記走査手段の温度を検出する温度検出
手段と、 上記走査標準テーブル作成手段により作成された走査標
準テーブルの温度依存性を記した温度変換テーブルを記
憶する温度変換テーブル記憶手段と、 をさらに具備し、 上記演算手段は、上記走査標準テーブルに基づいた走査
点の更正に加えて、上記温度変換テーブル記憶手段に記
憶された温度変換テーブルを参照して上記温度検出手段
で検出された上記走査手段の温度に応じた温度補償を行
なうことを特徴とする請求項3に記載の探針走査装置。
4. A temperature detecting means for detecting the temperature of the scanning means, and a temperature conversion table storage means for storing a temperature conversion table indicating the temperature dependence of the scanning standard table created by the scanning standard table creating means. In addition to the correction of the scanning point based on the scanning standard table, the arithmetic means is detected by the temperature detecting means with reference to the temperature conversion table stored in the temperature conversion table storage means. 4. The probe scanning device according to claim 3, wherein temperature compensation is performed according to the temperature of the scanning means.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006210171A (en) * 2005-01-28 2006-08-10 Jeol Ltd Method for calibrating scanning width of charged particle beam, microscope using charged particle beam, and sample for calibrating charged particle beam

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5509300A (en) * 1994-05-12 1996-04-23 Arizona Board Of Regents Acting For Arizona State University Non-contact force microscope having a coaxial cantilever-tip configuration
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