3­3  電腦影像系統

本研究所發展的電腦影像系統係根據前述電子控制系統之架構所設計，基本原則是

「控制探針移動在一個設定的平面上，並讀取出每一個座標點的 Z 軸高度」。不過為了 得到較好品質的地形影像，以及讓操作者能更即時的了解掃描工作的進行，並針對不同 的樣品特性嘗試不同偏壓方式及穿隧電流參考值，以得到較有研究價值的圖形，我們加 入了各種調整參數及輔助資訊，完成之軟體介面如圖 3­11 所示。

圖  3­11  電腦影像系統畫面

電腦影像系統的使用者操作介面(user interface)可分為三個主要視窗：控制參數視窗  (Property)、掃描指示圖視窗(ScanMap)、繪製影像視窗(STMxx)。本系統採用多重文件介 面(multiple  document  interface,  MDI)視窗設計，將掃描功能按鈕設計於上方之工具列 中，使用者可以進行多次的掃描任務，每次所繪製的地形影像會獨立顯示於不同編號的

子視窗(child window)中，並可隨時選擇任一子視窗進行儲存動作。以下分別描述各視窗 功能以及本系統之特色，並針對設計概念與方法做進一步的說明。 

3­3­1  控制參數

可控制的參數共有九項，每項功能如圖 3­12 所示：

圖  3­12  參數畫面

在掃描任務開始前，使用者需要先設定穿隧電流的參考值大小(set current)，此值代 表掃描任務進行時探針與樣品之間的固定距離，最小單位為 0.01  nA，該值越大，則探 針與樣品距離越近，反之則越遠。掃描時探針與樣品間的距離需保持多少必須經由實驗 測試得知，雖然探針較接近樣品時，穿隧電流較大，能夠確實量測出樣品表面細節，但 是若是測量距離設定太近，探針可能在移動時，會有撞針的危險。

接著需設定樣品偏壓的大小(bias)，此值因為不同樣品的表面電性不同，會影響穿隧 電流的產生，所得到輸出的圖形特徵將有些微差異，使用者可自行調整。其次使用者可 透過  Area  屬性調整掃描區域的大小，掃描區域將被定義為一個  Area  ×  Area  的正方形 區域，而最大掃描範圍受到壓電材料大小與探針基座高度影響，在機械系統完成時即固

定。 

Dwelling Time 代表探針在每一個座標點停留的時間，時間設定愈小探針移動的速度 越快。但若掃描速度過快回饋電路所需的反應時間太少，探針無法完全與參考值達到回

3­3­2  掃描指示圖

如圖 3­14 本視窗顯示三個資訊：一為左方的探針高度位置(probe position)，在掃描 任務開始前，使用者必須做樣品安置及進針動作，此時探針會升到最長狀態，使用者操 作機台上之手動螺旋步進器，使得樣品接近探針，當兩者接近至一定距離之後，回饋系 統感測出穿隧電流，探針受控制而退後至與樣品保持一定距離，則進針動作完成。

圖  3­14  掃描指示圖。左方之線段表示探針目前高度資訊，用來作為進針步驟時之參 考；右方為最大掃描區域以及目前掃描區域，當掃描開始時代表探針的白色圓點將會 依由左至右、由上而下的順序移動。

二為右方的掃描區域指示圖(scanning area)，此視窗標示出最大可掃描區域及目前指 定掃描區域，當掃描工作進行時指定掃描區域內會以圓點指示出目前探針位置，掃描時 將會以由左至右、由上至下的方向逐一讀取地形高度。

最下方為掃描資訊的顯示列，Counter  為一個倒數的變數，其最大值為本任務總共 欲讀取的座標點數量 Points  ×  Points，使用者可從此得知目前掃描工作之進度。又因探 針在每一座標點上停留之時間為 Dwelling  Time 毫秒，故探針掃描整個區域所需的總時 間是可以由此估算出來。 

3­3­3  繪製影像

本研究發展的特色為一即時的控制系統，故繪製影像的動作是在掃描的過程中同時 掃描方向

進行，如圖 3­15 所示，但掃描工作是以毫秒為單位下進行大量進行電腦的 I/O 動作。當  Dweling Time 設定為 1 ms 時，一秒內將有 1000 次的 I/O 指令，而繪圖動作則因電腦速 度的不同可能會影響掃描時的讀取準確性。因此，為了得到品質較佳的圖形，不希望繪 圖的指令影響電腦輸入輸出指令動作，我們將繪製影像的程式安排在讀取一行資料後，

探針回程的時間當中進行。

圖  3­15  掃描輸出影像視窗。當探針讀取完一行資料後，將會即時繪製出一條輸出圖 形，圖中為程式測試階段所輸出的虛擬地形，深色部份代表地形較低的區域。

探針每趟自左方開始讀取 Z 軸資料自右方，所花時間為 Points  ×  Dwelling  Time 毫 秒，當探針要讀取下一行時，程式會控制探針回到下一行座標的最左方。在此回程當中 不會讀取 Z 軸資料，利用這短暫的期間，將會進行繪圖指令動作。因 Z 軸高度資料為一  16 bits 之值，其大小為 0 ~ 65535，繪圖指令會將其值重新對應到 0 ~ 255 的範圍並提高 對比，否則輸出圖形將無法辨別出地形的高地落差。同時為了讓輸出畫面較醒目，我們 會將顏色調整至偏紅色，此顏色為軟體調整的結果，電腦實際讀取出的 Z 軸資料僅為地 形高度值，並無樣品表面顏色。 

3­3­4  掃描流程

掃描任務開始後，程式會先依設定之參數計算本次掃描任務中，探針移動路徑座

標，接著輸出所設定之穿隧電流參考值(set  current)與樣品偏壓值(bais)，準備階段完成 後，即開始重覆輸出 Vx、Vy，與讀取 Z 軸高度之動作，每次輸出 Vx、Vy 的控制訊號 後，皆會等待一個 Dwelling  Time 的短暫時間，待回饋系統將探針穩定在一個固定的高 度。最後將所得資料輸出在繪製影像當中。演算流程如圖 3­16 所示。

START 

Loop Points * Points  Output  Wait Delay (ms) 

Output 

¬ more Delay times get more  stable data from Tip. 

¬ But the Tip will drift more  serious

3­3­5  輸出對比調整

自動對比功能是為了解決探針熱漂移現象所設計之功能，在實際掃描實驗中我們發 現，探針在掃描一段時間之後，容易因為工作溫度的提高造成穿隧電流逐漸變大，回饋 電路系統為了維持固定的穿隧電流量，會將探針往後退(定電流掃描模式)。最後所得到 的影像就會是一個越來越高(亮)的地形圖，如圖 3­17 之左方視窗。

當此功能打開時，我們設計一個新的演算法，將熱漂移所得到的上坡地形，重新拉 回到斜率為零的方式顯示出來，如圖 3­17 之右方視窗所示。

圖  3­17  自動對比功能。左方視窗為前次掃描所得的圖形，下半部明顯偏亮，代表探 針因漂移現象而出現之上坡地形；右方視窗則為開啟自動對比功能後所輸出的圖形，

此為虛擬資料所代表之地形，為一平面上有一溝槽。

去除斜率的演算法是以每條線為單位，首先以迴圈方式計算每條線之 Z 軸之平均高 度，接著算出平均高度上升的斜率，再來以水平線為基準求出每條線需要修正的偏移 量，最後再用迴圈重新計算每條線要顯示的高度，即為平坦化的影像，演算流程如圖 3­18  所示。

圖  3­18  自動對比演算流程圖 

3­3­6  掃描區域旋轉功能

為了因應特殊的實驗需求，我們設計讓掃描區域可以作適當旋轉的功能，當掃描的 目標區域要做一個旋轉角度時，程式會透過三角函數計算掃描路徑中的 X­Y 軸座標，如 圖 3­19 所示我們重新計算旋轉後各端點的座標。

圖  3­19  旋轉角度後之座標變化。P 為邊長(Points 參數)，r 為中心點與端點距離，A、 

B、C、D 點為旋轉後之端點座標。

路徑陣列中存放的是探針每一步所要移動的座標位置，因此我們利用圖  3­20  的座 標關係來計算路徑中每一點的 X­Y 軸座標數據。每條掃描路徑中座標點的數量是由解析 度(points)參數決定，程式會將每條掃描線的起點與終點座標依解析度之設定等分，將  X­Y 位置座標分別儲存於掃描路徑陣列當中，以供後續程式輸出之用。

圖  3­20  任意點之座標關係。圖中表示範圍中某一行的起點與終點的座標關係，將 X  與 Y 座標差等分為 p 份後，計算出該行所有路徑座標。 

3­3­7  參數設定檔

在掃描實驗中我們發現使用者經常會需要使用相同的參數掃描某件樣品，原因為該 樣品在某個設定的參數下所得的圖像品質較佳，這與樣品的電性有關，故使用者經常在 開啟掃描程式時，須要重新輸入前次掃描時所使用的參數。本系統設計將掃描參數視窗 的值於關閉程式時，自動存入設定檔中，並且在每次開啟程式時，自動將設定檔內容匯 入，增加實際操作上的便利性。

圖  3­21  參數設定檔內容。本系統會自動儲存掃描參數，以便下次開啟檔案時可以使 用前次掃描參數。 

3­3­8  存檔格式

檔案的儲存格式中，在檔頭裡包含本次掃描任務中的相關參數：解析度(points)、穿 隧電流參考值(set  current)、掃描速率(dwelling  time)、影像大小(area)等，檔案主體是掃 描工作中讀取到的地形高度資訊，每筆高度資料大小為 2 位元組，總數量為解析度的平 方倍。