CN101711342A - 用于快速扫描探针显微术的闭环控制器和方法 - Google Patents

用于快速扫描探针显微术的闭环控制器和方法 Download PDF

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Abstract

一种操作度量器件的方法，包括：使用执行器(110)以扫描频率产生探针(14)与样本(22)之间的相对运动。该方法还包括：使用在检测到的运动中表现噪声的位置传感器(108)检测执行器的运动，并且使用反馈回路(104)和前馈算法(120)控制执行器(110)的位置。在该实施例中，控制步骤使得执行器位置中的噪声与在扫描带宽上的位置传感器所表现的噪声相比而被衰减。扫描频率可高达第一扫描器谐振频率的三分之一或大于300Hz。

Description

用于快速扫描探针显微术的闭环控制器和方法
政府利益声明
本发明在美国政府的支持下受到以下机构的资助：NIST/ATP(奖金#70NANB4H3055)。美国拥有本发明中的特定权益。
技术领域
优选实施例涉及用于扫描探针显微镜(SPM)的控制器，更具体地，涉及用于使得能够在保持用于获得高质量样本数据的能力的同时改进扫描速度的SPM的控制器。
背景技术
扫描探针显微镜(例如原子力显微镜(AFM))通过以下方式来进行操作：在测量样本的一个或多个特性的同时提供测量探针与样本之间的相对扫描运动。在图1中示意性示出了典型的AFM系统。AFM 10使用包括探针14的探针装置12，该探针14具有悬臂15。在探针-样本相互作用被测量的同时，扫描器24产生探针14与样本22之间的相对运动。以此方式，可以获得样本的图像或其它测量。扫描器24典型地包括一个或多个执行器，该执行器通常产生三个正交方向(XYZ)上的运动。扫描器24通常是单个集成单元，其包括一个或多个执行器(例如压电管执行器)，用于沿着全部三个轴移动样本或探针。替代性地，扫描器可以是多个单独的执行器的装配。一些AFM将扫描器分离为多个组件，例如移动样本的XY扫描器和移动探针的Z执行器。
在普通的配置中，探针14一般被耦合到用于在悬臂15的谐振频率处或在接近于悬臂15的谐振频率处驱动探针14的振荡执行器或驱动器16。替代性的布置测量悬臂15的偏转、扭转或其它运动。探针14通常是微制造的具有集成的尖端17的悬臂。
通常，在SPM控制器20的控制下从AC信号源18施加电信号，以使得执行器16(或者替代性地是扫描器24)驱动探针14振荡。探针-样本相互作用典型地经由控制器20所进行的反馈而受到控制。注意，执行器16可以被耦合到扫描器24和探针14，但可以被集成地形成有探针14的悬臂15作为自激励悬臂/探针的一部分。
所选的探针14通常被振荡，并且随着通过检测如上文所述的探针14的振荡的一个或多个特性的变化来监测样本特性而被与样本22相接触。在这点上，典型地使用偏转检测设备25来将光束定向成朝向探针14的后侧，然后该光束被朝向检测器26(例如四象限光电检测器)反射。注意，设备25的感测光源典型地是激光二极管，通常是可见光激光二极管或红外激光二极管。还可以通过其它光源(例如He-Ne或其它激光源、超级发光二极管(SLD)、LED、光纤或可以被聚焦成小斑点的任何其它光源)来产生感测光束。随着光束平移穿过检测器26，适当的信号被发送到控制器20，控制器20处理该信号以确定探针14的振荡的变化。通常，控制器20产生控制信号，用于保持尖端与样本之间的相对恒定的相互作用(或臂15的偏转)，典型地用于保持探针14的振荡的设定点特性。例如，控制器20通常用于将振荡幅度保持在设定点值AS，以确保尖端与样本之间的通常恒定的力。替代性地，可以使用设定点相位或设定点频率。
也可以在控制器20和/或单独的控制器或所连接的控制器或单机控制器的系统中设置工作站，该工作站从控制器接收收集到的数据，并处理扫描期间所获得的数据，以执行点选择、曲线拟合以及距离确定运算。工作站可以将作为结果的信息存储在存储器中，将其用于附加的计算，和/或将其显示在合适的监视器上，和/或通过有线方式或无线方式将其发送到另一计算机或装置。存储器可以包括任何计算机可读数据存储介质，示例包括但不限于计算机RAM、硬盘、网络存储器、闪存驱动器或CD ROM。注意，扫描器24通常包括压电叠堆(piezoelectric stack)(在此通常称为“压电叠堆(piezo stack)”)或压电管，用于产生测量探针与样本表面之间的相对运动。压电叠堆是基于施加到布置在叠堆上的电极的电压而在一个或多个方向上移动的装置。压电叠堆通常用于与机械弯曲相组合，其中机械弯曲用于对压电叠堆的运动进行引导、约束和/或放大。此外，如同在2007年3月16日提交的标题为“Fast-Scanning SPM Scanner andMethod of Operating Same”的共同未决申请11/687,304中描述的那样，弯曲用于增大一个或多个轴中的执行器的硬度。执行器可以被耦合到探针、样本或被耦合到它们二者。最典型地，以在水平平面或XY平面上驱动探针或样本的XY执行器和在垂直方向或Z方向上移动探针或样本的Z执行器的形式来提供执行器装配。
随着SPM的实用性继续发展，已经出现了对以更大的速度对不同类型的样本进行成像以改进样本测量吞吐量(例如大于每小时20个样本)和/或以比当前可用的更高的时间分辨率来测量纳米尺度的工艺的需要。尽管AFM成像提供了高的空间分辨率(纳米尺度)，但其通常具有低的时间分辨率。特别是对于大于几微米的扫描尺寸，典型的高质量AFM图像花费数分钟来进行获取。
若干因素可能限制成像速度，包括悬臂响应时间、X方向、Y方向和Z方向上的可用扫描器带宽、驱动扫描器的高压放大器的功率和带宽、悬臂力感测的速度、以及解调系统和跟踪力反馈系统。
典型地，以在样本上的不同位置处记录的测量的排列来构建SPM图像。例如，图像可以包含在样本上的不同的XY位置的排列上测量的相对样本高度的局部值。替代性的测量可以包括幅度、相位、悬臂的频率、电磁力、摩擦力、样本的硬度等。
在这点上，探针与样本之间的相对定位是非常重要的。所获取的数据的质量以及作为结果的图像取决于获知数据被收集之处的精确位置的系统。其遵从的是：位置误差导致图像劣化，这是经由以较大带宽操作AFM而加剧的问题。
在这点上的显著的挑战在于：压电叠堆、管和其它类型的SPM执行器并不是完美的。当考虑到期望的扫描运动时，理想的行为将是：执行器移动基本上与所施加的电压或其它控制信号线性地成比例。反之，包括压电叠堆的执行器通常以非均匀的方式移动，这意味着它们的灵敏度(例如几纳米的运动相对于所施加的电压)可能随电压增加而变化。此外，执行器的漂移、滞后和蠕变促使进一步地损及对探针和/或样本的精确定位。对于滞后，例如，对于增量电压变化的响应将取决于施加到执行器的先前电压的历史。因此滞后可以导致大的在先运动，从而损及对于所命令的运动的响应(甚至在很多分钟以后)。在施加了命令电压之后，压电可以移动期望的距离，但由于蠕变影响而继续不可控地移动。这种影响可以大于所命令的运动的10％，从而导致了实质上的定位误差。
注意，无论AFM的探针装置是耦合到执行器(即，其中探针装置在三个正交的方向上移动的情况)还是样本被耦合到执行器，都存在这些问题。此外，尽管已知的解决方案尝试克服上述的问题，但是它们却并不完美。
例如，在尝试补偿控制器和执行器的限制时，已经实现了驱动SPM执行器的某些开环方法，并且由此限制期望的扫描移动与实际的移动之间的不良跟踪。例如，可以通过以下方式来校准执行器：例如将电压施加到X-Y执行器，然后测量样本或探针行进的实际距离。然后可以创建查找表，然后在操作中，可以通过对施加到X-Y执行器和/或Z执行器的电压进行监测来估计执行器位置。在另一开环替代方式中，可以使用严格的数学技术来对扫描器及其运动进行建模。
更具体地，在这点上，转到图2，开环解决方案典型地涉及提供施加到AFM 40的执行器或扫描器42的唯一的驱动信号uo 41，以提供AFM探针与样本之间的扫描运动。驱动信号例如源自模型或查找表，并且对应于期望的执行器的运动。驱动信号uo旨在产生基本上跟踪期望的运动的实际的扫描器运动，以产生均匀的扫描。参见例如Veeco Instruments公司所拥有的美国专利5,557,156，其描述了将具有由一组预先校准的数据所限定的形状的非线性驱动电压施加到压电执行器，以驱动该压电执行器进行基本上为线性的运动。该组数据也可以被称为扫描表。该技术已经成功用于克服执行器非线性，但是校准过程是麻烦的，并且其并未充分地解决漂移和蠕变。此外，执行器响应大大取决于扫描速度，并且随着SPM扫描速度增加而日益需要复杂的校准和查找表。当扫描器回转以用于扫描下一行或者偏移到不同位置时，可以激励出瞬时响应。这种瞬时性可以损及数据完整性。例如，图2所示的瞬时性43可以存在于典型的光栅扫描驱动41的转向点处。注意，为了使得在转向点处的瞬时性最小，可以采用替代性的驱动。如图3所示，AFM 44可以采用在转向点处变圆的驱动45。这种解决方案以相对低的扫描速率对于缓和瞬时性而操作良好，但在大多数情况下，在较高的扫描速率时，扫描器运动(如曲线46所示)仍旧不跟随期望的轨迹(与三角波形47相对应的光栅扫描)。此外，由于这种倒圆处理，因此驱动的可用范围受到限制。
由于这种开环方案可能是复杂的，并且通常仍然不提供可接受的位置精度，因此，特别是在较高的扫描速度时，某些SPM采用闭环位置控制。这种系统通过在反馈布置中使用辅助位置传感器来改进精确度，用于主动地监测执行器移动(即，用于确定实际移动正遵循所命令的移动的程度)，并动态地调整被施加到适当的SPM执行器的控制信号。这样，执行器可以以线性方式而受驱动，以跟随预定的轨迹，并且同时补偿非线性、滞后和漂移。结果，可以获得更精确的图像。然而，位置控制反馈的带宽通常是有限的(稍后讨论)，并且用于检测实际的扫描器运动的传感器所引入的噪声可以通过反馈回路而使得图像质量劣化，由此进一步限制了AFM的在扫描期间跟踪快速命令信号且因此以较大速度产生可接受的图像的能力。由于噪声限制，许多位置控制反馈系统在小的扫描尺寸时是禁用的。总之，在较高的成像速度时，位置反馈系统的性能通常使得SPM系统性能劣化。
返回到闭环位置控制的细节，我们返回到图4。闭环控制系统50用于驱动执行器，以在使得位置误差最小的同时跟随期望的轨迹。产生基准波形51作为用于期望的扫描器运动的模型，在该示例中为三角波。位置传感器54测量扫描器52的实际移动，并将所感测到的信号发送到求和块56(例如数字求和电路或模拟求和电路)，该求和块56产生表示扫描器的期望运动与实际的扫描器移动之间的差别的误差信号。若干辅助的位移传感器或位置传感器已经被提出和/或被用于监测执行器移动，包括线性可变位移换能器(LVDT)、电容传感器、应变仪和电感传感器、以及光学传感器(包括例如光学位移传感器(ODS)和光学干涉仪)。可以使用提供取决于相对位置的可预测且可校准的输出的、任何替代性的传感器。这些传感器典型地操作作为与扫描器相关联的闭环控制器的一部分，以校正期望的移动与实际的移动之间的差别。
响应于被用于驱动扫描器的误差信号，诸如比例积分(PI)控制器之类的控制器58(或者例如双积分器)产生控制信号uc。已经利用由数字信号处理器(DSP)运行的所有的模拟电子回路和数字反馈回路、现场可编程门阵列(FPGA)、以及其它的嵌入式控制器和数字计算装置(包括个人计算机)来实现控制器。控制信号操作用于补偿例如由于蠕变和漂移而导致的由扫描器产生的所测量的位置误差。
尽管对于使得对扫描器的用于跟踪期望运动的能力具有不利影响的系统条件的影响最小化是有用的，但是传统的控制系统50的带宽是受限的。存在若干对于传统的位置控制系统中的限制的原因，包括扫描器谐振和位置传感器噪声以及带宽限制。
首先，必须考虑扫描器的谐振特性。三角波基准波形51中的每个回转产生对扫描器的基本冲击力，该基本冲击力可以激励出不期望的寄生谐振。这些谐振也可以耦合在各轴之间，并且表现在悬臂的相对于样本的相对运动中的所测量的运动中。如先前结合图3所示的开环系统所说明的那样，传统的AFM扫描慢得足以将不期望的振荡的幅度减少到可接受的水平，和/或损及某些扫描范围，以使得三角波基准的顶部和底部变圆。SPM扫描器不能在不产生不期望的振荡的情况下以高速扫描大区域，这对于以较大速度操作SPM是主要的瓶颈。
此外，这些谐振限制了控制器58可以如何快速地操作的程度。如果在相移180度的情况下存在大于1的增益，则反馈回路将变得不稳定。扫描器的简单机械谐振将在谐振峰值处累积90度相移和基本的增益放大。控制器58的增益(因此带宽)对于补偿扫描器的机械谐振的相移和增益是受限的。甚至在不稳定性的条件之前，欠阻尼谐振也可以导致扫描器的实际运动中的振荡和过冲。结果，传统的位置控制反馈回路的操作受限于扫描器的最低观测谐振的小部分或“基本谐振频率”。注意，最低观测谐振最常见地是依赖于轴的，其中响应的耦合典型地存在于轴间，由此限制扫描器/执行器的最低观测谐振。
此外，传感器54将噪声引入系统，该噪声损及控制器的满意地跟踪期望的运动的能力。图4示意性示出了传感器噪声的影响。(实际上，当然，传感器噪声伴随着信号)。将扫描器的真实位置和传感器噪声(信号55)与基准和由控制器58处理的作为结果的误差进行比较。控制器由此尝试使得扫描器响应于真实位置误差和不期望的传感器噪声二者，因此产生信号53所示的执行器运动。反馈带宽内的所有传感器噪声因此对应地损及作为结果的图像。控制信号uc虽然补偿了包括热漂移和蠕变的系统动态，但是因为经由感测方案所引入的附加高频噪声而可能不产生期望的扫描器运动。传感器噪声典型地是带宽的函数，因此位置传感器电子和/或控制器可以限制采样后的位置传感器信号的带宽，以减少这种噪声的图像。然而，受限的传感器带宽的影响典型地是传感器输出中的相移相对于扫描器的实际运动的累积。这些相移于是限制了控制器58可以采用的最大增益和带宽。在此情况下，传感器噪声和带宽的实际影响在于：扫描速度必须被对应地减少，以保持位置噪声的可接受的水平，以用于获取高质量的数据。
若干小组也已经开发出了通过开发基于模型的控制方案来克服扫描器的不期望的谐振的影响的方案。例如，该主题的作者包括Stemmer、Schitter、Ando、Salapaka和Zou。在典型的基于模型的用于SPM的控制器中，测量扫描器的动态特性，并且设计最优的闭环控制方案，以在宽的带宽上保持反馈回路的稳定性。典型的第一步骤是系统标识，这是映射扫描器的幅度和相位相对于频率的响应且定义被称为“传递函数”的特性的过程。该传递函数可以被用在实现最高扫描器带宽的控制器中，同时还尝试最小化由于不期望的谐振而产生的振荡。在这点上，典型的闭环控制策略包括文献中所描述的H-infinity或H2控制器。替代性的方案旨在包括将冲击瞬时性加到所定时的控制波形，以克服在三角波回转处的冲击。例如，冲击力可以在与基本谐振的振荡周期的一半相对应的时间时被施加到扫描器。破坏性干扰将出现在两个冲击的结果之间，并且使得不期望的振荡快速衰减。也就是说，因为这种闭环方案旨在在宽的带宽上操作，所以与传感器噪声相关联的问题继续限制系统性能。
基于开环模型的控制器在补偿扫描器谐振的同时将仍然经受系统内不期望的运动，包括扫描器非线性、蠕变和热漂移。因此，这种系统中的跟踪仍然不完美。为了容纳劣化的图像质量，已经开发出了开环前馈控制器，其尝试对诸如非线性、蠕变和热漂移之类的系统因素进行建模，使得作为结果的数据产生优化的驱动波形。这种与前馈控制器相关联的模型难以控制，并且典型地更少地产生理想的结果，主要是因为创建适合于所有期望的成像条件的可工作模型的困难。这种成像条件通常产生机械环境中的变化，因此产生模型中使用的传递函数的变化。最终，非常难以通过这些开环方案来实现非线性运动的产生。因此，期望进行改进。
最后，最常见地，AFM的设计必须操纵低噪声性能(例如开环)与图像定位精度(例如闭环)之间的折衷。根据一种类型的开环AFM扫描控制器，控制方案利用校准的扫描器和对应的输入信号(例如修正的三角波)，该控制方案被配置为在扫描时考虑系统不规则性(例如谐振)。因为外部结构(例如辅助传感器)得以最小化，所以这种利用前馈模型的开环系统使得由于系统噪声而产生的对定位的不利影响最小。然而，扫描器的精确操作以及最终的图像精度受控于系统的用于精确表征扫描器以及另外地考虑环境影响(例如漂移和蠕变)的能力。这最常见地是困难的任务，典型地产生不完美的结果，使得不能精确建模或预测特定环境条件。此外，由于该困难，这种系统对于很多应用而言不是足够强健的。如果校准是精确的且在使用中始终保持恒定，则开环前馈方案在补偿扫描器非线性方面可能是有效的，但其仍然未解决在线性三角扫描的转向点处由冲击力所引入的谐振失真。
因此，扫描探针显微术领域需要如下的控制器：该控制器有助于以低噪声跟踪快速的扫描器移动，同时还补偿位置偏移操作条件(例如热漂移和蠕变)。理想地，期望最小化传感器噪声对系统性能的影响的闭环扫描器。
发明内容
本发明通过以下方式使用开环位置控制器或闭环位置控制器来克服现有技术的AFM的缺点：结合使得被反馈传感器引入到控制方案的高频噪声衰减的闭环反馈控制器而使用自适应前馈算法。反馈回路操作在低带宽(小于扫描频率)处，但足以补偿由于诸如热漂移和蠕变之类的现象而引入的低频位置误差。迭代地采用前馈算法来在最小时间量中实现阈值误差(例如初始扫描范围的大约1％的峰值误差)。可以实现明显大于当前AFM扫描控制器所支持的扫描速度的扫描速度(从几赫兹到利用本发明的几十赫兹甚至几百赫兹)，而不损及图像质量。
根据一个实施例的第一方面，一种操作度量器件的方法，包括：使用执行器以扫描频率产生探针与样本之间的相对运动。该方法包括：使用将噪声引入执行器运动的位置传感器检测执行器的运动，并使用反馈回路和前馈算法控制执行器的位置。控制的前馈部分通过自适应地(例如迭代地)优化前馈波形来执行高带宽位置跟踪。例如，可以在改变扫描尺寸、扫描角和速度时执行自适应优化。在一个实施例中，传感器响应被通过多个运动周期而取平均(也可以采用数据平滑)，从而基本上减少传感器噪声的影响。一旦前馈算法实现了最小扫描误差或阈值扫描误差，则最终的前馈波形(例如扫描表)就用于以开环方式驱动扫描器，但仍然如同其以闭环方式运行那样地保留传感器的线性。这种操作允许在各种扫描尺寸上的高速扫描，包括很小的扫描尺寸，而没有传感器噪声的不利影响。
更具体地，前馈算法包括：使用基于反转的控制算法，其使用与执行器相关联的传递函数。从基于反转的控制算法推导出的扫描器驱动预测在重复扫描的回转处的影响动态，并通过修正的驱动补偿该影响，使得扫描器的物理运动基本上精确地跟随基准的轨迹。在该实施例的另一方面中，基于反转的控制算法迭代地产生校正，其对于补偿执行器的非线性的控制信号有贡献。
根据该实施例的又一方面，该控制信号在不大于约10次的每次迭代10个扫描行的迭代之后产生小于总扫描范围的约1％的峰值位置误差。更优选地，该控制信号在不大于约5次迭代之后产生小于总扫描范围的约1％的峰值位置误差。
在该实施例的再一方面中，扫描频率至少是执行器的基本谐振频率的1/100(优选地是1/10)。更优选地，扫描频率至少是执行器的基本谐振频率的1/3。
根据该实施例的另一方面，执行器的谐振频率大于约900Hz，并且扫描频率至少是约10Hz，但是优选地，扫描频率至少是约100Hz。更优选地，扫描频率至少是约300Hz。
根据本发明的又一方面，一种操作度量器件的方法，包括：利用执行器在从几十纳米至几十微米的所选扫描尺寸上以扫描频率产生探针与样本之间的相对运动，并使用位置传感器检测执行器的运动。该方法还包括：利用反馈回路和前馈算法中的至少一个来控制该产生步骤，以基本上跟随基准信号，从而实现与基准信号相比的相对运动的积分位置误差小于扫描尺寸的约1％。在此情况下，通过在迭代期间对数据取平均，位置传感器噪声的贡献被减少到小于约1埃RMS。在一个实施例中，扫描带宽等于扫描频率的约至少七倍。
在该实施例的另一方面中，反馈回路的带宽远小于扫描频率，基本上仅足以校正由于压电蠕变而产生的非常慢的漂移。
在该实施例的再一方面中，扫描探针显微镜(SPM)包括以扫描频率产生探针与样本之间的相对运动的执行器。SPM还包括位置传感器，该位置传感器检测执行器的运动并产生高频噪声，而控制器基于所检测到的运动而产生位置控制信号。在该实施例中，控制器在等于扫描频率的至少七倍的噪声带宽内使得噪声衰减到小于约1埃RMS。
在该实施例的另一方面中，前馈算法包括：使用基于反转的控制算法，该控制算法被迭代地使用，以产生对于补偿执行器的非线性的控制信号有贡献的扫描驱动波形的校正。在一个实施例中，该校正是扫描表。
根据该实施例的又一方面，一种操作度量器件的方法，包括：使用执行器以扫描频率产生探针与样本之间的相对运动。该方法还包括：使用位置传感器检测执行器的运动，该位置传感器在检测到的运动中表现出噪声。该方法还使用反馈回路和前馈算法二者补偿执行器的位置误差，其中反馈回路的带宽小于扫描频率。
在又一实施例中，一种操作度量器件的方法，包括：使用执行器以扫描频率产生探针与样本之间的相对运动。该方法还包括：使用位置传感器检测执行器的运动，该位置传感器在检测到的运动中表现出噪声。使用反馈回路和自适应前馈算法来控制执行器的位置。更具体地，该控制步骤在等于扫描频率的至少七倍的噪声带宽上使得检测到的运动中的噪声对于执行器运动的影响衰减。此外，该自适应前馈算法响应于所检测到的执行器的运动而重复地更新该产生步骤。
根据该实施例的另一方面，自适应前馈算法迭代地确定对于所述产生步骤的校正。注意，该产生步骤包括：使用作为三角波的基准信号，并且该方法可以包括使用窗来减少三角波中的波动。在一个示例中，使用Hanning窗。
从以下详细描述和附图中，本发明的这些和其它的特征和优点对于本领域技术人员而言将变得明显。然而，应理解，详细描述和具体示例在指示本发明优选实施例的同时是通过说明性而非限制性的方式给出的。在不脱离本发明精神的情况下，可以在本发明的范围内进行很多改变和变型，并且本发明包括所有这种修改。
附图说明
附图中示出本发明的优选的示例性实施例，其中相似标号始终表示相似的部分，并且其中：
图1是示出了现有技术的扫描探针显微镜(SPM)的框图，适当地标记有“现有技术”；
图2是示出了现有技术的开环SPM扫描器的框图，适当地标记有“现有技术”；
图3是示出了替代性的现有技术的开环SPM扫描器的框图，适当地标记有“现有技术”；
图4是示出了现有技术的闭环SPM扫描器的框图，适当地标记有“现有技术”；
图5是根据优选实施例的利用低增益反馈和高带宽前馈算法来提供均匀的扫描器运动的控制器的框图，并且示意性地示出了基本上从执行器运动中消除的传感器噪声；
图6是根据优选实施例的具有并行前馈控制回路的闭环扫描器的框图；
图7是示出了图6的控制器的自适应前馈算法的运算的流程图；
图8是示出了用于前馈算法的初始扫描表的产生的框图；
图9A和图9B是示出了执行器的传递函数的图，并且分别包括幅度响应和相位响应；
图10是示出了图6所示的控制器的性能(尤其是在减少定位误差方面)的图；
图11是示出了图10中的图的放大版本的图；
图12是示出了图7的前馈算法的运算(有校准和无校准)的图；
图13是示出了位置传感器噪声功率密度相对于操作频率的图，并且示出了对于期望的噪声衰减而选择的扫描带宽；
图14A、图14B和图14C示出了采用根据本实施例的控制器的AFM所取得的样本图像；以及
图15A、图15B和图15C示意性地示出了使用优选实施例的具有尖锐边缘的样本的图像。
具体实施方式
本发明针对一种闭环SPM扫描器，其具有与并行前馈控制回路组合的低带宽反馈控制回路，其改进AFM扫描速度，同时保持定位完整性，从而使得以较高扫描速度典型可见的图像劣化最小。更具体地，前馈算法使用基于反转的算法来智能地控制在高带宽处施加到扫描器的驱动信号，使得实际的扫描运动跟踪期望的扫描器运动。并且，通过操作具有相对低增益的反馈控制回路，基本上使得因高频噪声(例如传感器噪声)而产生的不利定位影响最小。总之，在最小图像劣化的情况下实现开环SPM性能(即，低噪声)。
为了突出实施例的优点，开始参照图4和图5。在图4中，由于用于典型AFM的标准控制器58包括高增益反馈回路，该高增益反馈回路测量和监测扫描执行器的相比于基准信号的移动，以尝试保持期望路径中的均匀运动(例如光栅扫描)。虽然进行操作以提供相对均匀且线性的执行器运动，但反馈回路中所使用的传感器将噪声分量“n”引入控制器58所处理的检测到的运动55。结果，执行器运动虽然基本上是线性的，但被传感器信号92所引入的噪声所损及。因此，对应数据可能(典型地会)产生劣化的图像，尤其是在小的扫描尺寸时。此外，受限的反馈带宽在较高的扫描速率时导致增加的跟踪误差，在较高的扫描速率时产生失真的图像。参照图5，其示意性地示出了本发明实施例的设备，控制器90类似地获取包括传感器噪声“n”的传感器信号，但控制器包括具有前馈组件的架构，该前馈组件结合以低增益(即，低带宽，例如小于扫描频率)操作的反馈组件而操作，以使得传感器噪声对被施加到扫描执行器的控制信号的影响最小，因此执行器运动94更精确地跟随期望的基准信号96。在传感器信号92的高频部分(即，噪声)被衰减的情况下，图像劣化明显减小。总之，尽管具有闭环扫描器的现有技术AFM可以包括在高达约2nmRMS的范围中的传感器噪声，但控制器90使得传感器噪声衰减，使得传感器噪声可以在扫描期间保持为小于约0.1nm RMS。结果，可以实现更大的扫描速度，而不使得图像质量劣化，即，执行器的位置误差在扫描尺寸的1％以内。
现在将描述控制器的一种实现方式，其以高扫描频率操作，并在拒绝位置传感器噪声的同时使得扫描器105的蠕变、热漂移和动态的影响最小。如图6所示，控制器100被配置为采用表示期望的扫描运动的基准波形、信号或数据集“R”(例如三角波)，在操作期间通过使用比较块112而将该期望的扫描运动与扫描器105的执行器110的所测量的运动进行比较。执行器110可以耦合到图1所示的探针或样本，或者可以包括将运动提供给探针或样本中的任一个或二者的组件的组合。注意，探针14一般是微制造的具有集成尖端的悬臂。探针替代性地可以是在扫描探针显微镜(SPM)中使用的任何宽场(wide field)的探针，包括但不限于扫描隧道显微镜尖端、用于磁力显微镜、电力显微镜、表面电势显微镜、化学力显微镜的探针、具有碳纳米管或碳纳米纤维的探针、以及用于基于光阑或无光阑的近场扫描光学显微镜的探针。
该实施例中的控制器100采用补偿来自低频源的位置误差(例如蠕变和漂移)的相对慢速的反馈回路104、以及补偿扫描器动态和/或非线性的前馈回路102。
当扫描器105执行锯齿形光栅扫描时，回转运动对应于减速力和加速力的大的增加。如上所述，这种力包含很多高频激励，该高频激励可以使得扫描器不可控地谐振。当这种谐振运动被叠加在扫描器的线性运动上时，图像将是失真的，在回转角附近的数据中显示出波动。并且严重的谐振可能导致贯穿整个图像的波动影响。如图3所示，为了减少在回转处的尖锐角的影响，基准波形R可以被低通滤波，以在峰值处产生变圆的形状。在一个实施例中，通过将在扫描频率f1处的三角波的前四个傅立叶项一起相加来合成基准波形R。该前四个傅立叶分量包括基频f1以及在3f1、5f1和7f1处的三个泛音，其给出了线性三角波的良好近似，其中有可能的例外是在峰值处的更平滑的过渡。可以根据期望的在回转处的线性与冲击力之间的折衷来使用更多或更少的傅立叶分量。在一个实施例中，窗口技术(例如但不限于Hanning窗)被用于调整傅立叶分量，以减少因有限数量的傅立叶分量而导致的波动量。通过应用这种窗，波动幅度可以被减少到波动幅度的1/20。
因为热漂移和压力蠕变典型地出现在基本上不同于扫描器运动和扫描器动态的时间，所以反馈环与前馈环之间的工作分配是有可能的。热漂移和压力蠕变具有秒至小时量级的时间常数，对应于大约0.1Hz至10-5Hz的频率。另一方面，典型传统AFM具有102Hz范围的范围中的扫描器动态，其中，快速AFM具有103至104Hz或更高的动态。典型AFM扫描速度范围对于传统AFM从大致0.1Hz至10Hz，并且对于更高速度AFM高达10Hz至104Hz。因此，通常选择低带宽反馈环，其被布置为具有小于扫描频率的但高于与漂移和蠕变关联的频率的带宽。作为示例，对于以30Hz扫描的SPM系统，1Hz的反馈带宽良好地大于补偿漂移和蠕变所需的带宽，但仍然良好地小于扫描频率。
例如图4所示的现有技术反馈环典型地被布置为具有控制器58，其具有充分大于最大扫描频率的带宽，从而它们可以忠实地再现基准波形51。这种宽带宽需求将更大部分的传感器噪声引入扫描器的运动。然而，在当前实施例中，反馈环的低带宽基本上使得传感器噪声对于扫描器/执行器运动的影响衰减。
为了以示例示出这种效果，考虑以10Hz扫描频率f1操作并且经受随机传感器噪声的扫描器。为了忠实地再现三角波基准波形，闭环带宽至少是基准波形的频率的若干倍。如上所述，如果期望至少使得良好再现三角波的前四个傅立叶分量，则现有技术反馈环将需要具有7f1或大致70Hz的扫描带宽。然而，例如，如果仅需要反馈环来补偿蠕变和/或漂移，则可以选取0.1Hz的带宽。在简单情况下，传感器噪声是白噪声。因此，切割从70Hz至0.1Hz的反馈带宽可以导致使得传感器噪声对执行器位置衰减 70 0.1 = 26 的因子。对于以比如500Hz的扫描频率进行操作的高速AFM，传感器噪声影响方面的改进在图3的反馈环架构上可以是几乎200的因子。
注意，本发明并不要求该示例中用于估计噪声衰减系数的7f1的带宽。反之，其仅用作方便的基准来估计传感器噪声对执行器位置的影响方面的减少情况。取决于扫描波形所期望的精度，可以将扫描带宽选择为大于或小于7f1。较高的扫描带宽增加了用于构建扫描波形的傅立叶分量的数量。
可以通过任何若干方式来测量执行器位置中的噪声。例如，可以测量驱动执行器的控制信号u(图6)的电压噪声，并且将其乘以执行器灵敏度。所指定的噪声带宽中的总噪声可以用于表征系统的噪声性能。注意，我们区分术语“扫描带宽”和“噪声带宽”。噪声带宽定义执行噪声测量的带宽。通过指定目的是噪声估计的噪声带宽，我们说明系统的扫描带宽不是相同的。还要注意，通常，在噪声分析之前，将从数据移除三角波形。
或者，我们可以测量地形(topographic)特征的位置中的噪声，例如SPM图像中观测到的石墨表面上的阶跃边缘的位置。传统闭环AFM图像可以示出这种阶跃边缘上1nm至若干nm的噪声，而本发明可以实现小于的噪声，关于质量开环扫描器的操作。
返回反馈系统，环104采用闭环反馈控制器106(PI控制块，例如，以数字方式或通过模拟电路实现的)以及传感器108，传感器108响应于输入信号u而产生表示扫描执行器110的检测到的运动的信号109。注意，大噪声分量与检测到的运动109关联。使用已知AFM控制器，正是这种噪声在图4中系统53所示的执行器位置中引入噪声。然而，当使用该实施例的控制器时，图6中信号107所表示的执行器位置跟随标号R所表示的期望的扫描运动的轨迹。总之，与已知AFM控制器相反，与和检测到的运动关联的噪声(信号109)相比与执行器位置关联的噪声(信号107)得以显著减少，如图6示意性地(分解)示出的那样。
在一个实施例中，闭环反馈控制器106仅包含积分增益，用于传感器噪声和低稳定状态误差的高拒绝。在该实施例中，积分增益的值被设置为提供控制带宽足够低以允许传感器噪声的基本拒绝，而足够高的带宽以补偿低频蠕变和/或漂移。在该实施例中，设置积分增益，从而反馈带宽通常低于扫描频率。例如，或者，控制器106可以是PI或PID控制器。其也可以是更复杂的基于模型的控制器，其除了反馈之外还使用关于系统特性的先验知识、非线性和/或滞后行为。
基于比较块112所确定的位置误差，反馈控制器106产生适当的控制信号ufb。比较块112可以包括模拟电路和/或数字计算元件，其创建表示基准波形与测量的执行器轨迹之间的误差的信号和/或数据。(注意，以下将讨论对于来自前馈分支102的u(即uff)的贡献。)控制器106体地ufb——操作为补偿定义期望扫描器运动的基准信号“R”与传感器108的输出信号所表示的实际扫描执行器扫描器运动之间的低频位置误差。结果，因蠕变和/或热漂移而导致的关于相对探针-样本定位的不利效果是最小的。此外，通过在低带宽处进行操作，传感器噪声(高频噪声)对于控制信号u并且因此对于执行器运动的不利定位影响是最小的，如上所述。在一个实施例中，用于x轴、y轴和z轴的执行器110是耦合到具有不同硬度量的弯曲的压电叠堆，如在题为“Fast-Scanning SPM Scannerand Method of Operating Same”的于2007年3月16日提交的序列号11/687,304的共同未决申请中描述的那样。然而，执行器也可以采用任何数量的替换激励技术，包括压电管或其它压电设备、以电致伸缩、磁致伸缩、静电、感应和/或音圈驱动机构所形成的执行器、以及响应于输入信号而产生运动的执行器，但不限于此。例如，在压电管的情况下，执行器110可以通过自身构成扫描器。执行器110还可以是包含其它组件(例如引导和/或放大执行器运动的弯曲元件)的扫描器105的组件。实际上，执行器和其它扫描器组件二者的动态可以另外限制最大扫描频率。本发明可以用于产生单独执行器以及更复杂扫描器组装的改进的性能。
位置传感器108最一般地产生指示执行器110的位置的信号。合适的位置传感器也可以产生指示执行器速度的信号，其然后可以被积分(例如通过处理器)，以确定相对执行器位置。位置传感器可以被布置为：直接测量执行器的运动，或者测量执行器所移动的分离基准点或表面的位置。位置传感器108还可以包括预放大器和/或信号调节，其将来自传感器的原始信号放大、线性化和/或解调为控制器可以更好地使用的信号。
我们现在参照前馈算法的运算。再次参照图6，控制器100的前馈分支102利用前馈控制算法120，以在最小扫描器谐振失真的情况下有助于高速扫描。通常，前馈算法是使用系统的特性的先验知识来估计产生期望的输出所需的控制信号的算法。前馈控制算法120在以下进一步详细描述，但主要使用执行器(或扫描器单元)动态的知识(即非线性等)来产生驱动执行器110沿着期望的轨迹的扫描器控制信号u的前馈分量uff。
在一个实施例中，执行器110受训练于将驱动执行器接近基准波形的波形uff的第一估计。例如，这种估计可以来自先前测量或初始校准步骤。控制器100更新驱动波形uff，以通过产生更新后的扫描控制波形uff来使得扫描位置中的高频误差最小(比较块112的输出)。在一个实施例中，波形uff包含抑制扫描器的寄生谐振的振荡和/或校正执行器中的非线性的元素。已知的前馈控制算法的形式通常已经在Stemmer，Schitter，Ando，Salapaka，Devasia，and Zou，for example G.Schitter et al.，“A new controlstrategy for high-speed atomic force microscopy，Nanotechnology 15(2004)108-114；Q.Zou et al.，“Control Issues in High-speed AFM for BiologicalApplications：Collagen Imaging Example，Asian J Control 2004June；6(2)：164-178；and S.Devasia，et al.，“Nonlinear Inversion-Based OutputTracking，”IEEE Transactions on Automatic Control，Vol.41，No.7(pp.930-942)(1996)中描述，其中每一文献通过引用而清楚地合并到此。
更具体地说，在此情况下，控制器100的前馈分支102操作为通过考虑在AFM扫描期间执行器110和/或整个扫描器105的动态(即，非线性)来减少例如周期性误差，包括高频位置误差。在一个实施例中，前馈算法120是自适应算法，下文中有时称为基于反转的迭代控制(IIC)算法，其使用传感器误差而进行操作，以确定用于校正位置误差的适当控制信号uff。IIC算法反转扫描器或执行器的传递函数。基于传感器误差和先前控制信号，IIC计算新的控制信号uff，其有可能减少在扫描上的测量的位置误差。在Zou et al.in“Precision tracking of driving wave forms forinertial reaction devices”，Review of Scientific Instruments 76023701(pp.203701-1-203701-9)，(2005)中描述了一种这样的IIC算法。在一个实施例中，扫描控制信号uff被计算作为扫描表，或者一组控制值被计算作为扫描位置和/或时间的函数。与扫描执行器关联的扫描表被重复更新，以产生适当的uff，从而使得位置误差尽可能快地达到最小。
参照图7，进一步详细讨论前馈算法120的运算。当发起AFM操作时，用户典型地在样本上运行调查扫描。当标识感兴趣区域时，用户输入偏移、扫描尺寸和速度，并且基于例如这些用户输入以及传递函数反转(以下关于图8进一步描述)通过先前存储的参数或建模的扫描表在块121确定初始扫描表。然后使用这些扫描表执行测试扫描(块122)，并且测量相对于目标基准的位置误差。算法然后在块124确定相对于扫描尺寸的位置误差是否小于某个百分比“x”。如果小于，则控制器100的前馈分支102的操作在块126终止，其中，使用当前扫描表补偿位置误差，以产生适当的uff。如果不小于，则控制器通过组合当前误差与新调整的模型来发起新的迭代，以产生新的扫描表，从而进一步减少误差。在块128中，新的扫描表通过前馈算法的下一迭代“i+1”而得以确定。更具体地说，在块122中，这种新的产生扫描表用于驱动扫描器(即校正得以确定，以更新驱动)，并且新的扫描误差然后再次与误差裕量“x”进行比较。可选地，可以通过执行多个周期的扫描来对传感器误差取平均，如前所述，以基本上减少对于误差确定的噪声贡献。继续迭代将把误差基本上减少到小于“x”，并且最终扫描表在当前用户输入参数下变为用于扫描器的驱动表。前馈算法将进行迭代，直到当前扫描表产生小于所选“x”百分比的位置误差。实际上，最终迭代误差的准则通常设置为小于整个图像尺寸的大约1％，对应于512个像素扫描行中数据的一些像素。
在一个实施例中，图7中判决块124所使用的位置误差是在扫描波形上的峰值误差。其可选地可以是在扫描波形上的积分误差、积分误差的子集、RMS误差、或者和所命令的位置与位置传感器所测量的位置之间的差有关的任何其它数据或计算。
在某些实施例中，如以下结合图10-图12进一步讨论的那样，峰值误差对于总扫描尺寸的理想阈值大约是1％，并且位置噪声在等于大约七倍扫描频率的噪声带宽内小于大约1埃RMS。这种结果可以通过前馈算法的大约3-4次迭代而得以实现，并且在某些情况下可以通过初始扫描波形而得以实现。实际上，这说明，位置误差可以在大约2秒内减少到1％阈值。产生最小图像降级的稳定定位此后得以保持在高带宽，其中，uff波形/信号/数据组在高带宽控制定位，并且ufb校正低带宽位置误差(例如热漂移和压力蠕变)。注意，对于更高的扫描速度，可能花费若干次迭代(例如多于5次)来收敛到1％阈值。然而，在多数情况下，可以在小于5秒内(优选地小于2秒)达到阈值。
参照图8，说明示出用于产生由前馈算法120所处理的初始扫描表140的组件。初始扫描表140的第一组件正标识与作为整体的执行器110和扫描器关联的一个或多个传递函数142(多个传递函数可以对于多个轴而被采用，并且可能耦合在各轴之间，以捕获其动态)。传递函数142表示执行器110的动态。当驱动波形(例如三角波)应用于扫描执行器110，典型地在频率范围上，并且以传感器测量执行器的运动时，扫描执行器产生特定响应，传递函数。图9A和图9B以图线示出传递函数。图9A示出当在频率范围上扫描恒定幅度驱动信号时执行器的幅度响应。图9B示出扫描器的对应相位响应。注意，传递函数可以基于操作条件而改变，并且扫描器动态代表多于传递函数(其定义动态的线性部分)。注意，预先确定的传递函数用作整个方案的一部分，以优化驱动波形uff。
可以通过传统系统标识方法来获得传递函数。例如，通过以已知频率和幅度的信号来激励扫描器，由驱动信号所划分的扫描器响应定义在该频率处的增益和相位。通过贯穿期望的范围而扫描频率，可以测量传递函数，其为作为用于扫描器的频率的函数的增益和相位。当以白噪声激励扫描器或从系统建模时，还可以通过响应的增益和相位对其进行测量。图9A和图9B示出执行器具有在接近1kHz的频率处的动态。
传递函数更具体地表示执行器对于特定输入的期待响应。在操作中，前馈算法120操作为反转传递函数，并且基于误差(图6中块112的输出)和先前扫描表，确定适当的扫描表，以提供适当的控制信号uff，从而在此情况下补偿位置误差。
进一步参照图8，初始扫描表还通过用户选择的参数144(例如扫描尺寸、扫描角以及操作频率)而得以定义。注意，使用优选实施例，在保持位置稳定性的同时，可以实现高达至少三分之一的扫描执行器的谐振频率的扫描频率。对于图9A和图9B所示的扫描器，这说明可以实现大约300Hz的扫描速度。这完全对比于典型地在单一Hz范围中扫描的已知AFM。也可以由校准的扫描器文件146来定义初始扫描表。虽然不一定操作优选实施例，但校准的与扫描执行器关联的数据可以用在产生扫描表中。这些校准的数据是通过以具有已知线性维度的一组特征扫描样本而获取的。最终，可以通过保存的与扫描执行器关联的扫描表来修改用于当前测量的初始扫描表。例如，可以采用与扫描执行器执行的先前实验对应的扫描表信息来产生在操作中更精确地反映实际执行器响应的初始扫描表，潜在地提供在前馈算法的第一次迭代时实现阈值误差的对应更大的机会。图12示出校准的效果，以下进一步讨论。
图10-图12示出控制器100的性能。垂直轴表示对应信号的电压信号，而横轴是以毫秒为单位的时间。所有信号在图6中在不同测试点处同时被采样。图10示出标记“基准信号1”的第一曲线，其为示出扫描器的期望运动的纯三角波(例如光栅扫描)。曲线“驱动信号2”示出由控制器产生以校正探针-样本位置误差的驱动信号uff。驱动信号(即uff)产生标记“传感器信号”的传感器信号，其与目的在于由扫描器产生的纯三角波形(即基准信号)基本一致。纯三角信号或波形(基准信号)与感测到的执行器运动“传感器信号”之间的误差产生“误差信号”所表示的误差轮廓。通过使用控制器100的前馈控制算法120组合低带宽反馈与高频误差补偿，“误差信号”得以保持为最小。对于图10所示的情况，在前馈算法120的大约3-4次迭代中完成该误差量。
图11示出图10所示的执行器响应的垂直轴中的放大(blown up)形式。更具体地说，波形“迭代前的误差信号(ESBI)”和“迭代后的误差信号(ESAI)”示出与通过控制器100驱动执行器关联的误差。更具体地说，波形“ESBI”示出在前馈算法120的第一运算之后的初始误差。虽然开始时相对大，但在大约前馈算法的3至4次迭代之后，误差减少到波形ESAI示意性示出的误差。该误差量小于以高速度进行扫描而不使得图像质量降级所需的阈值，即，位置误差理想地小于扫描尺寸的1％。注意，ESBI示出误差典型地在光栅扫描的转换点处最大，因此，不明显地影响由所获取的数据产生的所得图像。
参照图12，示出根据本发明一个实施例的对于快速扫描用于实现所选误差量的前馈算法120的迭代次数。对于未校准扫描器的情况，在此情况下用于实现总扫描尺寸的1％最大误差的迭代数量是大约前馈算法的7至8次迭代。然而，如上所述，在校准扫描器的情况下，可以在3至4次迭代中实现1％阈值。在两种情况中的任一种情况下，都可以在发起扫描的大约2秒之内执行高完整性快速扫描。
总之，本发明的控制器100和关联的控制算法可以将传统AFM扫描器的扫描速度提高得大于一个数量级。低带宽反馈控制器基本上消除了定位误差的低频或DC分量的影响，而基于自适应的前馈控制算法120使得对于与高频传感器动态和非线性关联的执行器位置的不利影响最小。由每一控制分支所产生的两个信号ufb和uff被组合以提供控制信号u，其产生以大于扫描器(执行器)的基本谐振频率的1/100(并且优选地大于扫描器的谐振频率的1/10，更优选地，1/3)的改进后的速度跟随基准的基本上线性的扫描器运动，如图5所示。对于在预期应用中可使用的典型压电执行器(大约900Hz的谐振频率)，这说明以300Hz进行扫描而不损害图像质量是可能的。
图13示意性示出控制器100的操作，图13是噪声密度对于扫描器频率的图表。如图所示，如果将扫描带宽设置在适当的频率处，则可以采用对于扫描器控制信号u的前馈贡献uff来补偿高频位置误差。反馈控制环及其对于扫描器控制信号u的贡献ufb操作在低带宽处，足以校正对于位置误差(例如蠕变和热漂移)的低带宽贡献。以此方式，来自反馈环的位置传感器的噪声及其对于噪声密度的贡献基本上被最小化。例如，在使得位置传感器噪声的影响最小的同时，可以将扫描带宽设置为大约七倍扫描频率。总之，通过在低带宽处操作反馈环104(图6)，位置传感器所引入的噪声被最小化到图13示意性示出的区域150。结果，在通过操作为提供用于高频位置误差的校正的前馈算法120以明显较大速度进行扫描的同时，图像完整性并没有明显降级。
图14A-图14C示出本发明提供的更精确的定位的一个实际效果。图14A示出要以高分辨率成像的具有标记了“A”的感兴趣区域的校准光栅(10微米节距尺寸、100微米扫描尺寸、10Hz)的样本。为了在以高频操作执行器的同时从图14A所示的探针-样本位置移动到变焦位置“A”，应将位置误差基本上保持在例如优选实施例所实现的扫描尺寸的大约1％。在此情况下，区域“A”将处于变焦位置中。这与已知AFM及其关联控制技术形成对比，假定在高扫描频率时误差较大，例如在比如大约10％的范围中。在此情况下，从100x100μm扫描范围移动到1x1μm子区域将产生大约10μm的误差，这个量大得不允许AFM可靠地定位探针和样本，从而区域“A”仍然处于所命令的探针-样本位置内。图14B示出使用前述控制器的变焦位置“A”(近似5微米区域)。参照图14C，与使用该控制器的图14B所示的区域的新的扫描关联的图像(在10Hz处大约3.2微米扫描)示出扫描器的低噪声和精确定位，而没有蠕变。
参照图15A-图15C，示出使用已知AFM以及本发明的噪声对于探针-样本定位的影响。对应样本图像是使用具有开环位置控制器(图15A)以及闭环位置控制器(图15B)的AFM成像的边缘特征，其中，图15C的图像示出使用包括本发明的AFM所获得的图像。更具体地说，图15A示出假定缺少位置传感器的情况下具有低噪声的边缘特征(幅度200)。图15B是使用处理传感器噪声由此产生有噪声图像的传统闭环控制器的边缘图像。如图所示，噪声210明显大于噪声200，如期望的那样。图15C是使用本发明获得的图像，其中，在实现开环成像的噪声性能的同时，保持闭环控制器的相同定位精度和线性。换句话说，与闭环噪声210相比，执行器噪声220明显减少，并且在图15A所示的开环噪声200的范围中更多。
虽然以上描述了执行本发明的发明人所预期的最佳模式，但本发明的实践不限于此。例如，对于十分小的扫描尺寸(例如几十至几百纳米)，可以完全不用IIC控制算法的自适应过程，以避免计算的发散。应理解，在不脱离本发明构思之下的精神和范围的情况下，可以进行本发明的特征各种添加、修改和重新布置。

Claims (43)

1.一种操作度量器件的方法，包括：
使用执行器以扫描频率产生探针与样本之间的相对运动；
使用位置传感器检测执行器的运动，其中所述位置传感器在检测到的运动中表现噪声；
使用反馈回路和前馈算法控制所述执行器的位置；以及
其中所述控制步骤使得所述执行器位置中的噪声与在约为扫描频率的七倍的噪声带宽中的检测到的运动中的噪声相比而被衰减。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述前馈算法包括使用基于反转的控制算法。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述基于反转的控制算法使用与所述执行器相关联的至少一个传递函数。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述基于反转的控制算法自适应地产生对于补偿所述执行器的非线性和动态中的至少一个的控制信号有贡献的校正。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述控制信号在不大于约10次的每次迭代10个扫描行的迭代之后产生小于总扫描范围的约1％的峰值位置误差。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述控制信号在不大于约5秒之后产生小于总扫描范围的约1％的峰值位置误差。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描频率至少是执行器的基本谐振频率的1/100。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述扫描频率至少是执行器的基本谐振频率的1/10。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述扫描频率至少是执行器的基本谐振频率的1/3。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述执行器的谐振频率大于约100Hz，所述扫描频率至少是约10Hz。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述扫描频率至少是约100Hz。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述扫描频率至少是约300Hz。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述反馈回路的带宽小于所述扫描频率。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述反馈回路的带宽小于约10Hz。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制步骤使得所述执行器位置中的噪声在等于所述扫描频率的约七倍的噪声带宽内衰减为小于约1埃RMS。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述步骤包括使用PI控制器。
17.一种操作度量器件的方法，包括：
利用执行器在扫描尺寸上以扫描频率产生探针与样本之间的相对运动；
使用位置传感器检测所述执行器的运动；以及
利用反馈回路和前馈算法中的至少一个控制所述产生步骤，以基本上遵循基准信号来实现与小于所述扫描尺寸的大约1％的基准信号相比的相对运动的位置误差、以及等于至少所述扫描频率的大约七倍的噪声带宽内的小于大约1埃RMS的定位噪声。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述前馈算法是自适应前馈算法，所述自适应前馈算法响应于位置误差来估计所述执行器的传递函数，并至少部分地基于所述传递函数调整所述产生步骤。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述执行器的响应取决于操作条件。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述操作条件是扫描频率、大小、角度和偏移中的至少一个。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述扫描频率大于约10Hz。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述扫描频率大于约30Hz。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述扫描频率大于约100Hz。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述扫描频率大于约300Hz。
25.根据权利要求17所述的方法，其中所述反馈回路的带宽小于所述扫描频率。
26.根据权利要求17所述的方法，其中所述反馈回路的带宽小于约10Hz。
27.根据权利要求17所述的方法，其中所述前馈算法包括：使用基于反转的控制算法，并且迭代地产生对于用于补偿所述执行器的非线性和动态中的至少一个的控制信号有贡献的校正。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述控制信号在不大于大约5秒之后产生小于总扫描范围的大约1％的峰值位置误差。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述校正是波形。
30.根据权利要求17所述的方法，其中所述位置误差是积分位置误差。
31.一种扫描探针显微镜(SPM)，包括：
执行器，所述执行器以扫描频率产生探针与样本之间的相对运动；
传感器，所述传感器检测所述执行器的运动并产生噪声；
控制器，所述控制器基于检测到的运动产生位置控制信号；
其中，所述控制器使得所述执行器位置中的噪声在约为所述扫描频率的七倍的噪声带宽中衰减为小于约1埃RMS。
32.根据权利要求31所述的扫描探针显微镜，还包括前馈算法，并且其中所述控制器包括反馈回路，所述反馈回路使得所述执行器位置中的噪声与所述传感器表现的噪声相比而被衰减。
33.根据权利要求32所述的扫描探针显微镜，其中所述反馈回路的带宽小于所述扫描频率。
34.根据权利要求32所述的扫描探针显微镜，其中所述前馈算法包括：使用基于反转的控制算法，并且迭代地产生对于用于补偿所述执行器的非线性和动态中的至少一个的控制信号有贡献的校正。
35.根据权利要求34所述的扫描探针显微镜，其中所述校正是扫描表。
36.根据权利要求31所述的扫描探针显微镜，其中所述扫描频率至少是所述执行器的基本谐振频率的1/100。
37.根据权利要求36所述的扫描探针显微镜，其中所述扫描频率至少是所述执行器的基本谐振频率的1/10。
38.根据权利要求37所述的扫描探针显微镜，其中所述扫描频率至少是所述执行器的基本谐振频率的1/3。
39.根据权利要求31所述的扫描探针显微镜，其中所述扫描频率大于约10Hz。
40.一种操作度量器件的方法，包括：
使用执行器以扫描频率产生探针与样本之间的相对运动；
使用位置传感器检测执行器的运动，其中所述位置传感器在检测到的运动中表现噪声；
使用反馈回路和自适应前馈算法控制所述执行器的位置；以及
其中所述控制步骤使得所述执行器位置中的噪声与在约为扫描频率的七倍的噪声带宽中的检测到的运动中的噪声相比而被衰减；
其中所述自适应前馈算法响应于所述执行器的检测到的运动而重复地更新所述产生步骤。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述自适应前馈算法迭代地确定用于所述产生步骤的校正。
42.根据权利要求40所述的方法，其中所述产生步骤包括使用基准信号，所述基准信号是三角波。
43.根据权利要求42所述的方法，还包括使用窗来减少所述三角波中的波动。
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