DE102020210290B3

DE102020210290B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Biegebalkens in einer geschlossenen Regelschleife

Info

Publication number: DE102020210290B3
Application number: DE102020210290.2A
Authority: DE
Inventors: Christof Baur; Florian Demski
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2040-08-14
Also published as: US11630124B2; US11965910B2; US20230251285A1; US20220082583A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens (150) in zumindest einer geschlossenen Regelschleife (180), wobei die Vorrichtung (100) aufweist: (a) zumindest eine erste Schnittstelle (110), die ausgebildet ist, zumindest eine Regelgröße (160, 575) der zumindest einen Regelschleife (180) zu empfangen; (b) zumindest eine programmierbare logische Schaltung (120), die ausgebildet ist, eine Regelabweichung (545) der zumindest einen Regelschleife (180) mit einer Bittiefe (400) zu verarbeiten, die größer ist als die Bittiefe (400) der Regelgröße (160, 575); und (c) zumindest eine zweite Schnittstelle (130), die ausgebildet ist, eine Stellgröße (170, 565) der zumindest einen Regelschleife (180) bereitzustellen.

Description

1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens in zumindest einer geschlossenen Regelschleife.
2. Stand der Technik
Rastersondenmikroskope tasten mit einer Messsonde eine Probe bzw. deren Oberfläche ab und liefern damit Messdaten zum Erzeugen einer Darstellung der Topographie der Probenoberfläche. Die Ortsauflösung moderner Rastersondenmikroskope liegt in lateraler Richtung im Subnanometerbereich und in vertikaler Richtung im zweistelligen Pikometerbereich. Im Folgenden werden Rastersondenmikroskope durch SPM - Englisch für Scanning Probe Microscope - abgekürzt. Je nach Art der Wechselwirkung zwischen der Messspitze einer Messsonde und der Probenoberfläche werden verschiedene SPM-Typen unterschieden.
Beim Rasterkraftmikroskop (AFM für Atomic Force Microscope oder SFM für Scanning Force Microscope) wird eine Messspitze einer Messsonde durch atomare Kräfte der Probenoberfläche, typischerweise attraktive Van-der-Waals-Kräfte und/oder repulsive Kräfte der Austauschwechselwirkung, ausgelenkt. Die Auslenkung der Messspitze ist proportional zu der zwischen der Messspitze und der Probenoberfläche wirkenden Kraft und diese Kraft wird zum Bestimmen der Oberflächentopographie der Probe verwendet.
Neben dem AFM gibt es eine Vielzahl weiterer Gerätetypen, die für spezielle Anwendungsgebiete eingesetzt werden, wie beispielsweise Rastertunnelmikroskope, Magnetkraftmikroskope oder optische und akustische Rasternahfeldmikroskope.
Rastersondenmikroskope können in verschiedenen Betriebsarten eingesetzt werden. In einem ersten Kontaktmodus wird die Messspitze einer Messsonde auf die Probenoberfläche aufgesetzt und in diesem Zustand über die Probenoberfläche gescannt oder gerastert. Dabei kann die Auslenkung eines Biegebalkens, eines Federbalkens oder eines Cantilevers der Messsonde, der die Messspitze trägt, gemessen werden und zum Abbilden der Probenoberfläche benutzt werden. In einem zweiten Kontaktmodus wird die Auslenkung des Cantilevers in einer geschlossenen Regelschleife oder Rückkopplungsschleife konstant gehalten und der Abstand des SPM wird der Kontur der Probenoberfläche nachgeführt, um die Auslenkung des Biegebalkens konstant zu halten. In diesen beiden Betriebsarten unterliegen zum einen die Messspitzen der Messsonden durch den direkten mechanischen Kontakt mit der Probenoberfläche einer starken Abnutzung und zum anderen können empfindliche Proben, beispielsweise biologisches Material, durch den Kontakt mit der Messspitze beschädigt oder gar zerstört werden.
In einer dritten Betriebsart, dem Nicht-Kontakt-Modus, wird die Messspitze in einen definierten Abstand von der Probenoberfläche gebracht und der Cantilever der Messsonde wird zu einer Schwingung angeregt, typischerweise bei oder in der Nähe der Resonanzfrequenz des Cantilevers. Sodann wird die Messsonde, deren Schwingung mittels einer geschlossenen Regelschleife kontrolliert wird, über die Oberfläche der Probe gescannt. Da bei dieser Betriebsart die Messspitze nicht in Kontakt mit der Probe kommt, ist deren Abnutzung gering. Die Ortsauflösung des SPMs ist in diesem Betriebsmodus jedoch geringer als in den Kontakt-Betriebsarten und zudem ist das Bestimmen der Oberflächenkontur aufgrund der kurzen Reichweite der zwischen der Probenoberfläche und der Messsonde wirkenden Kräfte schwierig.
In einer vierten Betriebsart, dem intermittierenden Modus (oder tapping mode™), wird der Biegebalken oder der Cantilever einer Messsonde ebenfalls in eine erzwungene Schwingung versetzt, aber der Abstand zwischen dem SPM und der Probenoberfläche wird so gewählt, dass die an dem Biegebalken angebrachte Messspitze die Probenoberfläche nur während eines geringen Teils einer Schwingungsperiode erreicht. Aus der durch die Wechselwirkung der Messsonde mit der Probenoberfläche hervorgerufenen Änderung der Frequenz, der Amplitude und/oder der Phase der erzwungenen Schwingung wird die Kontur der Oberfläche der Probe abgeleitet. Der intermittierende Modus stellt einen Kompromiss der drei oben genannten Betriebsarten eines Rastersondenmikroskops dar.
Neben den oben aufgeführten Betriebsarten gibt es weitere Möglichkeiten mit einer Messsonde eine Probenoberfläche abzutasten. Beispielsweise sind in dem Step-in Betriebsmodus die laterale Bewegung und die vertikale Bewegung einer Messsonde des SPMs zeitlich separiert. In diesem Betriebsmodus kann eine Oberfläche einer Probe mit großer Präzision abgetastet werden. Aufgrund der sequenziellen lateralen und vertikalen Bewegung der Messsonde dauert ein Abtastvorgang verglichen mit den oben erläuterten Betriebsarten jedoch deutlich länger.
Bei allen Betriebsarten ist es von zentraler Bedeutung, dass die Messspitze der Messsonde bei deren Annäherung an die Probenoberfläche zur Vorbereitung eines Abtastvorgangs einer Probe nicht in unbeabsichtigter Weise in Kontakt mit der Probenoberfläche kommt. Durch eine unkontrollierte Wechselwirkung zwischen der Messsonde und der Probenoberfläche kann eine Probe und/oder die Messsonde beschädigt oder gar zerstört werden. Dies gilt ebenfalls, wenn die Betriebsart eines Rastersondenmikroskops geändert wird, während sich die Messspitze der Messsonde im Wechselwirkungsbereich mit einer Probe befindet. Während des Schaltens zwischen zwei Betriebsarten kann es zu einem kurzzeitigen Verlust der Kontrolle der Bewegung des Biegebalkens bzw. des Cantilevers durch das Rastersondenmikroskop kommen. Deshalb vermeidet ein SPM normalerweise ein Schalten der Betriebsart im angenäherten Zustand der Messsonde an eine Probenoberfläche.
Neben einer Messspitze zum Untersuchen einer Probe kann ein Biegebalken auch einen Mikromanipulator oder einen Nanomanipulator zum Bearbeiten einer Probenoberfläche aufnehmen oder aufweisen. Mikromanipulatoren benötigen einerseits ein behutsames Annähern an die Probenoberfläche; deshalb wird der Annäherungsprozess häufig unter Verwendung der intermittierenden Betriebsart ausgeführt. Nach dem Abschluss des Annäherungsprozesses wird sodann in eine Kontaktbetriebsart umgeschaltet, in der der Mikromanipulator in Kontakt mit der Probenoberfläche steht, um letztere zu bearbeiten. Wie bereits oben ausgeführt, kann es beim Umschalten zwischen verschiedenen Betriebsarten zu einem kurzzeitigen Kontrollverlust der Messsonde durch das SPM kommen, beispielsweise durch das Öffnen einer geschlossenen Regelschleife und/oder das Auftreten von Schalttransienten oder Schalt- bzw. Spannungsspitzen.
Typischerweise verwenden Kontaktbetriebsarten eines SPM weiche Biegebalken oder Cantilever, d.h. Biegebalken deren Federkonstante klein ist. Weiche Biegebalken können jedoch für Mikromanipulatoren nicht oder nur sehr eingeschränkt eingesetzt werden, da die Kräfte, die durch weiche Biegebalken auf die Probe übertragen werden können, für ein Bearbeiten der Probe in der Regel nicht ausreichend sind. Der Einsatz harter Biegebalken oder Cantilever ist jedoch mit der Schwierigkeit verbunden, dass aufgrund eines Kontrollverlusts während des Umschaltens der Betriebsart bei an die Probenoberfläche angenähertem Mikromanipulator die Gefahr einer Beschädigung der Probe und/oder des Mikromanipulators besonders groß ist.
Ferner können sich Rastersondenmikroskope dem allgemeinen Trend nicht entziehen, die Signalverarbeitung in immer stärkerem Maße vom analogen in den digitalen Bereich zu verlagern. In dem Artikel „Digital feedback controller for force microscope cantilevers‟, Rev. of Scientific Instruments, 77, 043707-1 bis 043707-8, doi: 10.1063/1.2183221, beschreiben die Autoren C.L. Degen et al. einen schnellen digitalen Rückkopplungsregler, der auf einem digitalen Signalprozessor (DSP) basiert, und der zur aktiven Schwingungsdämpfung eines Cantilevers eines Magnetresonanzkraftmikroskops eingesetzt wird.
Im ersten Schritt der Entwicklung hin zu einer digitalen Regelung eines Rastersondenmikroskops mittels einer oder mehrerer Regel- oder Rückkopplungsschleifen wurde die Signaldemodulation, d.h. die Amplituden- oder die Frequenzdemodulation, noch als analoge Schaltung ausgeführt, während die Steuerung eines SPM von einem digitalen Signalprozessor (DSP) übernommen wurde. Die Signaldemodulation, beispielsweise zum Betreiben einer geschlossenen Regelschleife, erfordert eine Signalverarbeitungsgeschwindigkeit, die die Fähigkeiten eines DSPs in der Regel überschreitet. Ferner war der Einsatz herkömmlicher digitaler Schaltungen zur Signaldemodulation von SPMs aufgrund der für diese Aufgabe benötigten riesigen Anzahl von Logik-Gattern oder einfach Gattern bisher häufig nicht möglich.
Mit der Verfügbarkeit von modernen im Feld programmierbaren Gatteranordnungen (FPGA, Field Programmable Gate Array) änderte sich die Situation hinsichtlich der Signaldemodulation, stand doch nunmehr eine digitale Schaltung mit einer großen Gatteranzahl für die Aufgabe der Signaldemodulation zur Verfügung. Die US-Patentschrift US 8 925 376 B2 beschreibt ein Rasterkraftmikroskop, bei dem ein FPGA die Signalerzeugung und Signaldemodulation übernimmt, und ein DSP zur Steuerung des Rasterkraftmikroskops eingesetzt wird. Die US-Patentschrift US 8 459 102 B2 beschreibt ein digitales System zum Einstellen eines Gütefaktors eines resonanten Systems, das sich aus einer Kombination eines FPGAs zur Signalerzeugung und aus einem DSP zum Einstellen der Güte einer Messsonde eines Rasterkraftmikroskops zusammensetzt.
Ein Rasterkraftmikroskop mit mehreren programmierbaren digitalen Schaltungen, etwa einem DSP und einem FPGA, weist eine große Komplexität auf. Zudem beeinträchtigt die notwendige Datenübertragung zwischen dem FPGA und dem DSP eine enge Synchronisation und ein deterministisches Zeitverhalten, die notwendig sind, um eine Störungs- und Transienten-freie Kontrolle des FPGAs durch den DSP zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten.
Die Publikation D. Barretino et al: „CMOS-based monolithic controllers for smart sensors comprising micromembranes and microcantilevers‟, IEEE Transactions on Circuits and Systems I, Regulär Papers, Bd. 54, Nr. 1, S. 141-152, Jan. 2007 präsentiert Design-Überlegungen und Implementierungen monolithisch integrierter Regler für intelligente Sensoren und Mikrocantilever. Fünf Regelungstechniken werden besprochen und die klassische Regelungstechnik wird für das Design der Regler ausgewählt. Die Implementierung eines analogen proportionalen Reglers und eines digitalen PID-Reglers werden im Detail beschrieben. Der erste Regler wird zum Regeln der Temperatur einer Mikroheizplatte einer monolithisch integrierten Metalloxid-Gassensor-Anordnung eingesetzt. Der zweite Regler wird zum Regeln einer Cantilever-Auslenkung eines monolithisch integrierten Atomkraftmikroskops einsetzt. Die Regler und die Mikrosensoren werden in einer 0,8 µm CMOS-Technologie in Kombination mit Post-CMOS Mikrobearbeitung hergestellt. Die chemischen Messungen und das Abbilden im Kontaktmodus bestätigen die ausgezeichnete Leistungsfähigkeit der monolithisch integrierten Regler.
Die EP 3 121 709 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen einer In-Phase-Komponente und einer Quadratur-Komponente, die von einem Lock-in Verstärker bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Eingangssignals; Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Referenzsignals, wobei das zweite Referenzsignal um 90° gegenüber dem ersten Referenzsignal verschoben ist; Berechnen einer In-Phase-Komponente mit dem Lock-in Verstärker, wobei das Berechnen zumindest ein Multiplizieren des ersten Referenzsignals mit dem Eingangssignal und ein Tiefpassfiltern des Ergebnisses umfasst, um die In-Phase-Komponente zu erzeugen; Berechnen der Quadratur-Komponente mit dem Lock-in Verstärker, wobei das Berechnen zumindest ein Multiplizieren des zweiten Referenzsignals mit dem Eingangssignal und Tiefpassfiltern des Ergebnisses umfasst, um die Quadratur-Komponente zu erzeugen; und Berechnen der Phase unter Verwendung der In-Phase-Komponente und der Quadratur-Komponente mit Hilfe eines CORDIC Algorithmus.
Die Offenlegungsschrift US 2008 / 0 140 343 A1 beschreibt einen voll digitalen Cantilever-Regler, der in allen Rasterkraftmikroskopsystemen eingesetzt werden kann. Er kann viele relevante Experimente zur Cantilever-Regelung in der Rasterkraftmikroskopie ausführen. Der digitale Regler ist in der Geschwindigkeit vergleichbar mit analogen Komponenten, insbesondere wenn Experimente ausgeführt werden, die sehr kleine Frequenzverschiebungen auflösen müssen. Er ist in dem Sinne kompakt, dass die digitale Implementierung analoge Komponenten ersetzt, die mit der Cantilever-Signalverarbeitung und Regelung verknüpft sind. Er weist eine minimale thermische Drift auf, die zumindest eine Größenordnung geringer ist, verglichen mit der analoger Komponenten. Er stellt eine Anzahl bedeutsamer Abstimmungsparameter zur Verfügung, ebenso wie eine Nutzer-freundliche Nutzerschnittstelle zum Abstimmen der Abstimmungsparameter und zum Ausführen verschiedener Arten von Experimenten.
Die US-Patentschrift US 8 286 261 B2 beschreibt eine Pulsed-Force-Betriebsart eines Rastersondenmikroskops, bei der die Kombination aus einem FPGA und einem DSP durch einen leistungsstarken FPGA ersetzt ist.
Ein DSP verwendet häufig eine Gleitkomma-Arithmetik, wohingegen ein FPGA typischerweise eine Festkomma-Arithmetik benutzt. Beim Übergang von einer Kombinationslösung aus einem DSP und einem FPGA zu einer Ein-Chip-Lösung, d.h. einer reinen FPGA-Lösung, tritt die Schwierigkeit auf, Gleitkomma-Rechenwerke (FP-ALU, Floating Point Arithmetic Logic Unit) in einer Festkomma-Arithmetik zu realisieren. Diese Schwierigkeit beinhaltet typischerweise den Umgang mit einer riesigen Anzahl von Logik-Gattern.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe sich die oben erläuterten Schwierigkeiten beim Realisieren einer digitalen Regelung für einen Biegebalken zumindest zum Teil vermeiden lassen.
3. Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 17 gelöst. In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens in zumindest einer geschlossenen Regelschleife auf: (a) zumindest eine erste Schnittstelle, die ausgebildet ist, zumindest eine Regelgröße der zumindest einen Regelschleife zu empfangen; (b) zumindest eine programmierbare logische Schaltung, die ausgebildet ist, eine Regelabweichung der zumindest einen Regelschleife mit einer Bittiefe zu verarbeiten, die größer ist als die Bittiefe der Regelgröße; und (c) zumindest eine zweite Schnittstelle, die ausgebildet ist, eine Stellgröße der zumindest einen Regelschleife bereitzustellen.
Die Bittiefe, die Bitbreite oder die Auflösung eines digitalen Signals entspricht der Anzahl von Bits, die zur Darstellung der ganzen Zahlen eines Intervalls in einer binären Darstellung benötigt werden. Beispielsweise ermöglicht eine Bittiefe von 8 Bits die binäre Darstellung der ganzen Zahlen des Intervalls von 0 bis 255 oder mit Vorzeichen von -128 bis +127.
Die zumindest eine Regelgröße kann eine Position des zumindest einen Biegebalkens anzeigen. Die Stellgröße kann den zumindest einen Biegebalken in eine vorgegebene Position bringen.
Eine Regelung wird in dieser Anmeldung durch die folgenden Größen definiert: Eine Führungsgröße w(t) oder ein Soll-Wert beschreibt beispielsweise eine z-Position des Biegebalkens oder eine Auslenkung bzw. eine Biegung des Biegebalkens als Funktion der Zeit bezüglich einer Referenzposition. Die Regelgröße y(t) oder der Ist-Wert gibt in dem beschriebenen Beispiel die gemessene z-Position des Biegebalkens als Funktion der Zeit an. Die Regelabweichung e(t) oder die Fehlergröße ergibt sich aus der Differenz der Führungsgröße bzw. des Soll-Wertes und der Regelgröße bzw. des Ist-Wertes: e(t) = w(t) - y(t). Die Stellgröße u(t) bezeichnet das von einem Regler aus der Regelabweichung e(t) ermittelte Signal, um den Ist-Wert y(t) mit dem Soll-Wert w(t) in Übereinstimmung zu bringen.
In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Komponenten einer programmierbaren digitalen Schaltung so ausgelegt werden, dass weder der Wertebereich für die Regelabweichung e(t) noch der die Regelung charakterisierenden Parameter oder eines der internen digitalen Signale zur Ermittlung der Stellgröße u(t) für die zumindest eine Regelschleife der programmierbaren logischen Schaltung zu irgendeinem Zeitpunkt eingeschränkt werden müssen, um einen Überlauf einer Komponente der programmierbaren logischen Schaltung zu verhindern. Ein solches Design der programmierbaren logischen Schaltung ist aufgrund der verfügbaren großen Anzahl von Logik-Gattern möglich. Derzeit sind programmierbare logische Schaltungen mit mehreren Millionen Logik-Einheiten erhältlich.
Aufgrund der Verfügbarkeit des vollen Wertebereichs der Regelabweichung e(t) sowie der Parameter der Regelung kann die programmierbare logische Schaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch kleine Regelabweichungen e(t) bzw. Fehlersignale sicher verarbeiten. Dadurch wird eine sehr präzise Kontrolle der Bewegung eines Biegebalkens ermöglicht. Gleichzeitig bleibt der Aufwand für die Darstellung und die Verarbeitung des Soll- und des Ist-Wertes des Biegebalkens unverändert. Folglich bildet die Auslegung einer programmierbaren digitalen Schaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einen bestmöglichen Kompromiss zwischen der Genauigkeit mit der die Stellgröße u(t) erzeugt wird, auf der einen Seite, und, auf der anderen Seite, der Bittiefe sowie der Geschwindigkeit mit der die Soll-Werte w(t) und Ist-Werte y(t) des Biegebalkens abgetastet werden. Typischerweise werden digitale Signalprozessoren mit einer Bittiefe von 8, 16 oder 32 Bit eingesetzt. Mit einer in eine erfindungsgemäße Vorrichtung implementierten programmierbaren logischen Schaltung lassen sich auch andere, an eine spezifische Anwendung angepasste Bittiefen realisieren.
Die Stellgröße der zumindest einen Regelschleife kann eine Bittiefe aufweisen, die der Bittiefe der Regelgröße der zumindest einen Regelschleife entspricht.
Dies bedeutet, die zumindest eine erste Schnittstelle und die zumindest eine zweite Schnittstelle weisen die gleiche Bittiefe auf.
Die Stellgröße der zumindest einen Regelschleife kann eine Bittiefe aufweisen, die größer ist als die Bittiefe der Regelgröße der zumindest einen Regelschleife.
Falls diese Bedingung erfüllt ist, stellt die programmierbare logische Schaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dem Biegebalken ein digitales Signal mit einer Auflösung oder einer Bittiefe bereit, die größer ist als das über das an der ersten Schnittstelle empfangene Signal der Regelgröße y(t). Die Bittiefe der Stellgröße kann zum Beispiel gleich der Bittiefe sein, mit der die Regelabweichung verarbeitet wird.
Die Regelgröße der zumindest einen Regelschleife kann auch eine Bittiefe aufweisen, die größer als die Bittiefe der Stellgröße der zumindest einen Regelschleife ist.
Die zumindest eine erste Schnittstelle kann zumindest einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC, Analog Digital Converter) umfassen. Der ADC der ersten Schnittstelle setzt das analoge Signal der rückgeführten Regelgröße in ein digitales Signal um und stellt dieses der programmierbaren logischen Schaltung bereit, so dass letzterer die erläuterte Regelgröße mit einer vorgegebenen Bittiefe bereitgestellt wird. Die Bittiefe der Regelgröße kann durch die Bittiefe des ADC bestimmt sein. Die Bittiefe, mit der die programmierbare logische Schaltung eine Regelabweichung verarbeitet, kann größer sein als die Bittiefe der Regelgröße.
Die zumindest eine zweite Schnittstelle kann zumindest einen Digital-Analog-Umsetzer (DAC, Digital Analog Converter) umfassen. Der DAC der zweiten Schnittstelle wandelt, die von der programmierbaren logischen Schaltung erzeugte, digitale Stellgröße u(t) in ein analoges Signal der Stellgröße um, das den Biegebalken zu einer Bewegung veranlasst, beispielsweise eine Schwingung des Biegebalkens in z-Richtung, d.h. senkrecht zu einer Probenoberfläche auszuführen.
Die Bittiefe des zumindest einen Analog-Digital-Umsetzers (ADC) kann der Bittiefe des zumindest einen Digital-Analog-Umsetzers (DAC) entsprechen. Diese Konfiguration ist derzeit bevorzugt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht auf eine solche Anordnung beschränkt.
Die zumindest eine programmierbare logische Schaltung kann eine Datenverringerungseinheit aufweisen, die ausgebildet ist, die Bittiefe der Stellgröße der zumindest einen Regelschleife in Übereinstimmung mit der Bittiefe der Regelgröße der Regelschleife zu bringen.
Damit ermöglicht die Datenverringerungseinheit der programmierbaren logischen Schaltung, dass die digitalen Signale der ersten und der zweiten Schnittstelle eine gemeinsame Bittiefe aufweisen.
Die Datenverringerungseinheit kann ausgebildet sein, die Bittiefe der zumindest einen Stellgröße der zumindest einen Regelschleife durch Weglassen eines Bits mit einem niedrigsten Stellenwert oder durch Weglassen mehrerer Bits mit den niedrigsten Stellenwerten zu verringern.
Die Datenreduktion erfolgt in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach der Berechnung der Stellgröße aus der Regelabweichung, d.h. in der Nähe des Ausgangs der programmierbaren logischen Schaltung und nicht bereits zu Beginn der Berechnung, um einen unkontrollierten Überlauf einer digitalen Schaltungskomponente zu verhindern. Diese Auslegung der programmierbaren logischen Schaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weist zwei Vorteile auf: Zum einen ermöglicht diese eine Berechnung der Stellgröße aus der Regelabweichung mit größtmöglicher Präzision und zum anderen wird eine mögliche Datenreduktion in systematischer Weise ausgeführt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner zumindest eine dritte Schnittstelle aufweisen, die ausgebildet ist zum Eingeben zumindest eines Parameters zum Einstellen der zumindest einen Regelschleife.
Die zumindest eine dritte Schnittstelle kann zumindest einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) aufweisen. Die Bittiefe des ADC der dritten Schnittstelle kann an den Wertebereich bzw. die Bittiefe des zumindest einen Parameters angepasst werden. Die dritte Schnittstelle benötigt keinen ADC falls der zumindest eine Parameter der programmierbaren logischen Schaltung bereits in digitaler Form bereitgestellt wird. Dies ist typischerweise der Fall.
Der zumindest eine Parameter kann eine Bittiefe aufweisen, die kleiner oder gleich der Bittiefe der Regelgröße der zumindest einen Regelschleife ist.
Eine Multiplikation des zumindest einen Parameters mit der Regelabweichung der zumindest einen Regelschleife kann die Bittiefe einer Dateneingabe in die Datenverringerungseinheit bestimmen. Eine Multiplikation des zumindest einen Parameters mit der Regelabweichung der zumindest einen Regelschleife kann die Bittiefe der Stellgröße der zumindest einen Regelschleife bestimmen.
Wie bereits oben ausgeführt, erlaubt es die erfindungsgemäße Vorrichtung, dass weder die Regelabweichung noch der eine oder die mehreren Parameter, die die Einstellung der Regelung des Biegebalkens festlegen, in ihren Wertebereichen eingeschränkt werden müssen. Eine mögliche Datenreduktion für die Stellgröße u(t) erfolgt erst nach deren Berechnung.
Der zumindest eine Parameter kann einen Parameter eines Reglers zum Regeln der zumindest einen Regelschleife umfassen.
Der Regler kann einen PID-Regler umfassen. Die Abkürzung PID steht für einen proportionalen, einen integrierenden und einen differenzierenden Anteil des Reglers. Ein proportionaler, integrierender und ein differenzierender Anteil werden auch als proportionaler, integrierender und differenzierender Term oder Glied bezeichnet. Der Regler kann eine Parallelstruktur eines proportionalen, eines integrierenden und/oder eines differenzierenden Anteils umfassen. Vorzugsweise umfasst der Regler einen PI-Regler. Ferner ist es günstig, wenn der I-Anteil des PI-Reglers dessen Regelverhalten bestimmt.
Der zumindest eine Parameter kann zumindest ein Element aus der Gruppe umfassen: eine Verstärkung des Reglers, eine Nachstellzeit des Reglers und eine Vorhaltzeit des Reglers.
Die zumindest eine programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, den zumindest einen Parameter mit der Regelabweichung zu multiplizieren, ohne vorher eine Datenverringerung auszuführen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner zumindest eine vierte Schnittstelle aufweisen, die ausgebildet ist zum Eingeben einer Führungsgröße für die zumindest eine Regelschleife.
Die Führungsgröße kann eine Bittiefe aufweisen, die der Bittiefe der Regelgröße entspricht. Die zumindest eine vierte Schnittstelle kann einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die Führungsgröße w(t) oder die Soll-Größe eine Bittiefe aufweist, die größer oder kleiner als die Bittiefe der Regelgröße y(t) ist.
Die erste Schnittstelle kann einen Analog-Digital-Wandler und die zweite Schnittstelle kann einen Digital-Analog-Wandler umfassen, und eine Abtastrate des Analog-DigitalWandlers kann größer sein als eine Umwandlungsrate des Digital-Analog-Wandlers.
Die Abtastrate kann einen Faktor 4, bevorzugt einen Faktor 16, mehr bevorzugt einen Faktor 64, und am meisten bevorzugt einen Faktor 256 größer sein als die Umwandlungsrate.
Die Umwandlungsrate eines Digital-Analog-Wandlers wird auch als dessen Auflösung bezeichnet, d.h. die Breite der Stufen oder auch die Anzahl der Stufen bzw. die Anzahl der Stellen pro Zeiteinheit.
Die programmierbare logische Schaltung ist erfindungsgemäß ausgebildet, den zumindest einen Biegebalken in zumindest zwei der folgenden Betriebsarten zu betreiben: einen Kontakt-Modus, einen Nicht-Kontakt-Modus, einen intermittierenden Modus und einen Step-in-Modus.
Da eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen Biegebalken in verschiedenen Betriebsarten betreiben kann, ist diese dafür geeignet, in einem Rastersondenmikroskop eingesetzt zu werden, das eine Probe und/oder eine Probenoberfläche durch Abtasten untersucht. Darüber hinaus kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung ebenfalls zum Bearbeiten einer Probe verwendet werden, indem ein steifer Biegebalken einen Mikro- oder einen Nanomanipulator in kontrollierter Art und Weise bezüglich einer Probe bewegt.
Überdies kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bearbeiten einer Probe, beispielsweise durch mechanisches Entfernen von Material, zum Einsatz gebracht werden.
Die programmierbare logische Schaltung ist weiterhin erfindungsgemäß ausgebildet, zwischen zumindest zwei der Betriebsarten des Biegebalkens umzuschalten, ohne eine Kontrolle über eine Position des Biegebalkens zu verlieren. Die Position kann eine vertikale Position des Biegebalkens relativ zu einer Referenzposition oder zu einer Probenoberfläche umfassen.
Dieser Aspekt der oben definierten Vorrichtung ermöglicht ein Transienten- und/oder Spannungsspitzen-freies Umschalten zwischen verschiedenen Betriebsarten einer Messsonde und/oder eines Mikromanipulators eines Rastersondenmikroskops. Dieser Aspekt kann in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung implementiert werden, unabhängig davon, ob diese das Merkmal b. realisiert oder nicht.
Durch eine unterbrechungsfreie Kontrolle des Biegebalkens stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung sicher, dass eine Beschädigung des Biegebalkens bzw. einer an dem Biegebalken befestigten Messspitze oder eines Mikromanipulators und/oder eine Beschädigung oder gar eine Zerstörung einer empfindlichen Probe während eines Umschaltvorgangs der Betriebsart des Biegebalkens unterbleibt. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn sich der Biegebalken während des Umschaltens im Wechselwirkungsbereich mit der Probe befindet.
Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, vor einem Umschalten der Betriebsart des Biegebalkens die Stellgröße der zumindest einen Regelschleife auf einen vorgegebenen Wert zu setzen. Vorzugsweise bewirkt der vorgegebene Wert der Stellgröße keine Auslenkung des Biegebalkens. Dies bedeutet, die Stellgröße friert den Zustand des Biegebalkens ein.
Indem eine Oszillation des Biegebalkens vor dem Umschalten von dessen Betriebsart gestoppt wird, wird eine der möglichen Ursachen für einen kurzzeitigen unkontrollierten Zustand des Biegebalkens während der Umschaltphase vermieden. Zeitgleich mit dem Abschalten der Oszillation des Biegebalkens wird die Regelung in einen Haltemodus gebracht, d.h. deren Zustand wird eingefroren. Würde der Regler nicht in einen Haltemodus versetzt, würde die detektierte riesige Regelabweichung bewirken, dass der Regler versuchten würde, die Regelabweichung durch Ändern der Stellgröße zu beseitigen.
Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, einen proportionalen Anteil der Regelung der zumindest einen Regelschleife nach einem Umschalten einer Betriebsart von einem Wert Null ausgehend zu starten.
Durch das Starten des P-Anteils der Regelung nach einem Umschalten der Betriebsart des Biegebalkens von einem verschwindenden Anteil ausgehend, wird verhindert, dass durch eine sprungförmige Änderung der Stellgröße der Biegebalken als Reaktion auf die disruptive Änderung in unbeabsichtigter Weise in Kontakt mit der Probe kommen kann.
Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, eine Verschiebung des Biegebalkens zu einer Probenoberfläche hin und/oder von der Probenoberfläche weg über eine vorgegebene Distanz mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit auszuführen. Die Verschiebung des Biegebalkens kann sowohl mit als auch ohne überlagerte Oszillation des Biegebalkens ausgeführt werden. Vorzugsweise wird die Verschiebung des Biegebalkens in z-Richtung ohne dessen Oszillation ausgeführt. In diesem Zustand kann die Position des Biegebalkens relativ zu der Probenoberfläche in einfacherer Weise kontrolliert werden.
Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, einen proportionalen Anteil der Regelung der zumindest einen Regelschleife in jeder Betriebsart des Biegebalkens von einem Wert Null ausgehend zu starten. Durch diese Maßnahme kann sichergestellt werden, dass die Regelschleife die von dem Soll-Wert vorgegebene Bewegung des Biegebalkens zum frühestmöglichen Zeitpunkt regelt, d.h. die Rückkopplungsschleife geschlossen werden kann. Unerwünschte unkontrollierbare transiente Bewegungen des Biegebalkens können so zuverlässig verhindert werden.
Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, vor einem Umschalten der Betriebsart des Biegebalkens den proportionalen Anteil der Regelung auf Null zu verringern. Dadurch kann vermieden werden, dass die durch die programmierbare logische Schaltung implementierte Regelung als Folge eines Betriebsartwechsels einen oder mehrere Schalttransienten und/oder einen oder mehrere Spannungsspitzen erzeugt, die eine unerwünschte unkontrollierbare Bewegung des Biegebalkens hervorrufen.
Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, vor einem Umschalten der Betriebsart einen lateralen Scan des Biegebalkens zu stoppen. Dies stellt eine weitere Vorsichtsmaßnahme dar, um zu vermeiden, dass ein Wechsel der Betriebsart des Biegebalkens diesen und/oder die Probe schädigen kann.
Die Regelgröße kann eine Bittiefe von 16 Bit aufweisen, der zumindest eine Parameter kann eine Bittiefe von 8 Bit aufweisen und die programmierbare logische Schaltung kann die Regelabweichung mit einer Bittiefe von 32 Bit verarbeiten. Ferner kann die Regelgröße eine Bittiefe von 16 Bit aufweisen, der zumindest eine Parameter kann eine Bittiefe von 8 Bit aufweisen und die programmierbare logische Schaltung kann die Regelabweichung mit einer Bittiefe von 24 Bit verarbeiten. Die Datenverringerungseinheit der programmierbaren logischen Schaltung kann die Bittiefe der Regelgröße auf 16 Bit begrenzen.
Die programmierbare logische Schaltung kann zumindest ein Element aus der Gruppe umfassen: eine programmierbare logische Anordnung (PLA, Programmable Logic Device), eine komplexe programmierbare logische Vorrichtung (CPLD, Complex Programmable Logic Device) und eine im Feld programmierbare Gatteranordnung (FPGA, Field Programmable Gate Array).
Der zumindest eine Biegebalken kann ein Element aus der Gruppe umfassen: einen Cantilever mit einer Messspitze eines Rastersondenmikroskops, eine Sondenanordnung für ein Rastersondenmikroskop mit zumindest zwei Sonden, die verschiedene Messspitzen zum Untersuchen und/oder zum Bearbeiten einer Probe aufweisen, und zumindest einen Mikromanipulator zum Bearbeiten einer Probe. Das Bearbeiten der Probe kann das Entfernen eines Partikels von einer Oberfläche einer Probe umfassen. Ferner kann das Bearbeiten einer Probe mit Hilfe eines Mikromanipulators ein mechanisches Abtragen von Material der Probe umfassen. Der Mikromanipulator kann mittels elektrostatischer Wechselwirkung mit einem Partikel in Wechselwirkung treten. Der Mikromanipulator kann eine Spitze aufweisen, die durch elektrostatische Wechselwirkung mit einem Partikel in Wechselwirkung tritt.
Der Biegebalken kann Silizium (Si) und/oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) umfassen. Der Biegebalken kann eine beliebige Form umfassen. Insbesondere kann der Biegebalken einen V-förmigen Cantilever umfassen. Zudem kann ein Biegebalken auf zwei Seiten eingespannt sein und die Messspitze kann in der Mitte zwischen den beiden Einspannbereichen zu einer Schwingung angeregt werden. Der zweiseitig eingespannte Biegebalken kann von einer eingespannten oder von beiden eingespannten Bereichen zu einer Schwingung angeregt werden.
Die Länge des Biegebalkens kann einen Bereich von 1 µm bis 3000 µm, bevorzugt, 10 µm bis 1000 µm, mehr bevorzugt 50 µm bis 500 µm, und am meisten bevorzugt 100 µm bis 300 µm umfassen. Die Breite des Biegebalkens kann einen Bereich von 0,5 µm bis 1000 µm, bevorzugt 2 µm bis 300 µm, mehr bevorzugt 5 µm bis 100 µm, und am meisten bevorzugt 10 µm bis 60 µm umfassen. Die Dicke des Biegebalkens kann einen Bereich von 0,1 µm bis 20 µm, bevorzugt 0,3 µm bis 10 µm, mehr bevorzugt 0,6 µm bis 5 µm, und am meisten bevorzugt von 1 µm bis 3 µm umfassen.
Eine Federkontante des Biegebalkens kann einen Bereich von 0,1 N/m bis 10000 N/m, bevorzugt 1 N/m bis 2000 N/m, mehr bevorzugt 10 N/m bis 700 N/m, und am meisten bevorzugt 30 N/m bis 200 N/m umfassen.
Die Spitze des Mikromanipulators kann eine Kohlenstoffspitze umfassen. Die Kohlenstoffspitze kann ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassen.
Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, den Biegebalken in z-Richtung in einer Regelschleife zu betreiben. Die z-Richtung kann die Richtung einer Probennormalen sein. Ferner kann die Vorrichtung ausgebildet sein, eine Bewegung des Biegebalkens in einer ersten und/oder in einer zweiten lateralen Richtung in einer ersten und/oder einer zweiten Regelschleife zu betreiben. Die erste und/oder die zweite laterale Richtung können Richtungen entlang der Probenoberfläche sein. Es ist auch möglich, den Biegebalken in z-Richtung in einer geschlossenen Regelschleife zu betreiben und eine Bewegung des Biegebalkens in einer ersten und/oder in einer zweiten lateralen Richtung zu steuern.
Die Regelgröße kann eine Änderung einer auf den Biegebalken wirkenden Kraft umfassen. Ferner kann die Regelgröße eine Änderung einer Auslenkung des Biegebalkens umfassen.
Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, eine lithographische Maske durch Abtasten mit einem Biegebalken, der in einer geschlossenen Regelschleife betrieben wird, zu untersuchen. Der Biegebalken kann eine Spitze oder eine Messspitze umfassen, durch die der Biegebalken mit einer Probe in Wechselwirkung treten kann. Die Messspitze kann an dem freien Ende des Biegebalkens angebracht sein. Die lithographische Maske kann ein Element aus der Gruppe umfassen: eine transmissive Maske, eine reflektive Maske und einen Stempel für eine Nanoprägelithographie.
Die Vorrichtung kann ein Modell maschinellen Lernens beinhalten, das trainiert worden ist, den zumindest einen Parameter einer Regelung einzustellen.
Überdies kann die Vorrichtung ein Modell maschinellen Lernens beinhalten, das trainiert worden ist, eine Führungsgröße zumindest einer Regelschleife der zumindest einen programmierbaren logischen Schaltung bereitzustellen. Dadurch wird ein Auto-Tuning des bzw. der Regelparameter des Reglers ermöglicht.
Ein Rastersondenmikroskop kann zumindest eine Vorrichtung nach einem der oben beschriebenen Aspekte umfassen.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens in zumindest einer geschlossenen Regelschleife die Schritte auf: (a) Empfangen zumindest einer Regelgröße der zumindest einen Regelschleife; (b) Verarbeiten einer Regelabweichung der zumindest einen Regelschleife mit einer Bittiefe, die größer ist als die Bittiefe der Regelgröße; und (c) Bereitstellen einer Stellgröße der zumindest einen Regelschleife.
Ein Computerprogramm kann Anweisungen umfassen, die ein Computersystem veranlassen, die Schritte des oben beschriebenen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm von dem Computersystem ausgeführt wird.
Figurenliste
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei

1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Regelschleife zum Regeln eines Biegebalkens veranschaulicht;
2 im oberen Teilbild schematisch eine Messsonde zum Untersuchen einer Probe und im unteren Teilbild schematisch einen Mikromanipulator zum Bearbeiten einer Probe darstellt;
3 schematisch eine Sondenanordnung wiedergibt, die Messsonden zum Untersuchen einer Probe und Sonden oder Mikromanipulatoren zum Bearbeiten einer Probe aufweist;
4 ein Beispiel einer digitalen Repräsentation einer ganzen Zahl > o samt zugehöriger Bittiefe präsentiert;
5 schematisch eine Parallelarchitektur eines PID-Reglers veranschaulicht;
6 im oberen Teilbild schematisch die Stellgröße eines P-Gliedes eines PID-Reglers wiedergibt und im unteren Teilbild die Stellgröße eines I-Gliedes eines PID-Reglers für das Beispiel einer konstanten, positiven Regelabweichung veranschaulicht;
7 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Implementierung eines integrierenden Anteils eines PID-Reglers oder eines I-Reglers in einer gemischten analogen und digitalen Auslegung oder Architektur illustriert;
8 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der Implementierung eines integrierenden Anteils eines PID-Reglers wiedergibt, bei der eine Regelabweichung mit einer Bittiefe verarbeitet wird, die größer ist als die Bittiefe, mit der die Regelgröße dargestellt wird;
9 schematisch eine Realisierung eines PID-Reglers gemäß dem Stand der Technik präsentiert;
10 schematisch eine erfindungsgemäße Auslegung eines PI-Reglers darstellt;
11 in einer Tabelle Simulationsergebnisse des in der 8 präsentierten I-Reglers zusammenfasst;
12 schematisch ein Schaubild eines PI-Reglers auf einer Registertransferebene darstellt; und
13 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens in zumindest einer geschlossenen Regelschleife präsentiert.

5. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden derzeit bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens an dem Beispiel des Betreibens einer geschlossenen Regel- oder Rückkopplungsschleife eines Biegebalkens eines Rasterkraftmikroskops genauer erläutert. Diese können jedoch für alle Arten von Rastersondenmikroskopen eingesetzt werden, die einen Biegebalken oder einen Cantilever aufweisen. Ferner werden nachfolgend Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Untersuchens und/oder des Bearbeitens einer lithographischen Maske im Detail ausgeführt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Vielmehr können diese zum Untersuchen und/oder Bearbeiten beliebiger Proben mit einer Messsonde und/oder einem Mikromanipulator in einer geschlossenen Regelschleife eingesetzt werden.
Das Konzept der vorliegenden Anmeldung, nämlich ein Fehlersignal mit einer größeren Auflösung oder Bittiefe zu verarbeiten als die digitalisierten Messsignale auf deren Basis das Fehlersignal bestimmt wurde, ist nicht auf das Betreiben von Biegebalken oder Cantilevern in geschlossenen Regelschleifen beschränkt. Vielmehr kann dieses Konzept allgemein zum präzisen Steuern oder Regeln von Messvorgängen und/oder Bearbeitungsprozessen eingesetzt werden.
Die 1 zeigt schematisch einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung 100, die eine programmierbare logische Schaltung 120 beinhaltet. Die programmierbare logische Schaltung (PLD, Programmable Logic Device) 120 kann eine programmierbare logische Anordnung (PLA, Programmable Logic Array), eine komplexe logische Vorrichtung (CPLD, Complex Programmable Logic Device) und/oder eine im Feld programmierbare Gatteranordnung (FPGA, Field Programmable Gate Array) umfassen. Die PLD 120 kann maskenprogrammierbar, einmalig programmierbar (OTP, One Time Programmable), mittels EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) programmierbar, mittels EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) bzw. Flash programmierbar und/oder mittels SRAM (Static Random Access Memory) programmierbar sein. In dem in der 1 wiedergegebenen Beispiel realisiert die programmierbare logische Schaltung 120 einen Regler 140. Der beispielhafte Regler 140 der 1 wird vorzugsweise als PI-Regler implementiert, wobei P den proportionalen und I den integrierenden Anteil des Reglers 140 bezeichnen.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine erste Schnittstelle 110. Die erste Schnittstelle 110 ist in dem in der 1 dargestellten Beispiel mittels der Verbindung 115 mit einem Vierquadranten-Detektor 165 eines optischen Detektionssystems 172 verbunden. Das optische Detektionssystem 172 detektiert die Position des Biegebalkens 150. Im Detail bestimmt das optische Detektionssystem 172 die Position des freien Endes 153 des Biegebalkens 150 oder des Cantilevers 150 bezogen auf eine Referenzposition. Typischerweise wird die Position des freien Endes 153 des Biegebalkens 150 bezüglich einer Oberfläche einer Probe 190 ermittelt. Zum Bestimmen der Position misst der Vierquadranten-Detektor 165 oder ein anderer positionssensitiver Detektor (in der 1 nicht gezeigt) des optischen Detektionssystems 172 eine Krümmung, Verbiegung oder eine Auslenkung des freien Endes 153 des Cantilevers 150.
Zu diesem Zweck strahlt eine Lichtquelle 175, die vorzugsweise eine LED (Light Emitting Diode) oder ein Laser-System umfasst, einen Lichtstrahl 177 auf das freie Ende 153 des Biegebalkens 150. Der von der Oberseite des Biegebalkens reflektierte Lichtstrahl 167 wird von dem Vierquadranten-Detektor 165 des optischen Detektionssystems 172 detektiert. In dem in der 1 veranschaulichten Beispiel bestimmt der Vierquadranten-Detektor 165 die z-Position des Biegebalkens 150. Der Vierquadranten-Detektor 165 stellt die gemessene z-Position des Biegebalkens 150 als Regelgröße y_A(t) 160 über die erste Schnittstelle 110 der Vorrichtung 100 bereit.
Die erste Schnittstelle 110 der Vorrichtung 100 kann einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC, Analog Digital Converter) 105 beinhalten. Der ADC 105 setzt das analoge Messsignal des Vierquadranten-Detektors 165 in ein digitales Signal um. Wichtige Parameter des ADC 105 sind seine Bittiefe und seine maximale Abtastraste. Diese Parameter dominieren die Quantisierungsfehler bei der AD-Wandlung der von dem optischen Detektionssystem 172 gemessenen Regelgröße 160.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine zweite Schnittstelle 130. Über diese Schnittstelle 130 stellt die programmierbare logische Schaltung 120 die für die Regelung der z-Position des Biegebalkens 150 ermittelte Stellgröße 170 über die Verbindung 135 dem Biegebalken 150 bereit. Die zweite Schnittstelle 130 kann einen Digital-Analog-Umsetzer (DAC, Digital Analog Converter) 125 beinhalten. Der DAC 125 wandelt das von der PLD 120 generierte digitale Signal in eine analoge Stellgröße 170. Vorzugsweise weist der DAC 125 eine gleiche oder ähnliche Bittiefe und Abtastraste wie der ADC 105 auf. Es ist aber auch möglich, dass sowohl die Abtastrate wie auch die Bittiefe des ADC 105 und des DAC 125 signifikant unterschiedlich sind.
Der Biegebalken 150 oder der Cantilever 150 ist an einem Piezo-Element 155 befestigt. Das Piezo-Element kann die z-Position des Biegebalkens 150 verändern. Das Piezo-Element 155 kann den Biegebalken 150 in definierter Form senkrecht zur Probenoberfläche bewegen. Insbesondere kann das Piezo-Element 155 den Biegebalken 150 bzw. dessen freies Ende 153 in eine Schwingung versetzen. Vorzugsweise wird der Biegebalken 150 in eine Schwingung bei oder in der Nähe seiner Eigenfrequenzen angeregt. An der Unterseite des freien Endes 153 weist der Cantilever 150 eine Messspitze 152 auf. Die Messspitze 152 bildet zusammen mit dem Biegebalken 150 eine Messsonde.
Mit der Messspitze 152 kann die Messsonde die Oberfläche 198 einer Probe 190 abtasten. Die Probe 190 kann beispielsweise eine Fotomaske 191 sein. In dem in der 1 dargestellten Beispiel weist die Fotomaske 191 ein Substrat 192 und ein Pattern-Element 197 auf. Die Fotomaske 191 kann eine transmissive oder eine reflektive Maske umfassen. Ferner kann die Fotomaske 191 einen Stempel einer Nanoprägelithographie umfassen.
Ferner kann die Vorrichtung 100 eine dritte Schnittstelle 185 aufweisen, über die der programmierbaren logischen Schaltung 120 der bzw. die Parameter für die Regelung der z-Position des Biegebalkens 150 bereitgestellt werden. Die dritte Schnittstelle 185 kann einen ADC 183 umfassen, falls der bzw. die Parameter als analoge Signale der Vorrichtung 100 bereitgestellt werden.
Zudem kann die Vorrichtung 100 eine vierte Schnittstelle 195 umfassen. Die Führungsgröße oder der Soll-Wert w(t) für die Regelung kann der Vorrichtung 100 bzw. der programmierbaren logischen Schaltung 120 zugeführt werden. Falls der Soll-Wert der Regelung als analoges Zeitsignal verfügbar ist, weist die vierte Schnittstelle 195 einen ADC 193 auf, der das analoge Signal der Führungsgröße digitalisiert.
In dem in der 1 dargestellten Beispiel erhält die Regelschleife 180 die Regelgröße 160 von dem optischen Detektionssystem 172. Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass der Biegebalken 150 einen Sensor aufweist, der die Regelgröße 160 y_A(t) der Regelschleife 180 misst und über die erste Schnittstelle 105 der programmierbaren logischen Schaltung 120 der Vorrichtung 120 bereitstellt.
Das obere Teilbild der 2 zeigt schematisch eine Messsonde 200, die zum Untersuchen einer Probe, etwa der lithographischen Maske 190 der 1 ausgelegt ist. Die Messsonde 200 umfasst ein Halteelement 210 oder eine Halteplatte 210, mit deren Hilfe die Messsonde 200 an einem Messkopf eines Rastersondenmikroskop befestigt werden kann (in der 2 nicht wiedergegeben). Beispielsweise kann das Halteelement 210 der Messsonde 200 an dem Piezo-Element 155 der 1 fixiert werden. Der Cantilever 220 der Messsonde trägt an seinem freien Ende eine Messspitze 230, die zum Abtasten der Fotomaske 190 eingesetzt werden kann. Die Messsonde 200 kann in einer der oben erläuterten Betriebsarten eingesetzt werden. Ihrem Einsatzzweck entsprechend weist der Biegebalken 220 der Messsonde 200 eine kleine Federkonstante im Bereich von 100 N/m auf, sodass bereits eine geringe Wechselwirkung der Messspitze 230 von dem Detektionssystem 172 detektiert werden kann.
Das untere Teilbild der 2 präsentiert schematisch einen Mikromanipulator 250 oder einen Nanomanipulator 250. Der Mikromanipulator 250 ist ähnlich aufgebaut wie die Messsonde 200. Allerdings weist der Mikromanipulator 250 zwei wesentliche Unterschiede zu der Messsonde 200 auf. Zum einen ist die Federkonstante des Biegebalkens 260 oder des Cantilevers 260 des Mikromanipulators 250 deutlich größer als die der Messsonde 200. Damit kann der Mikromanipulator 250 größere Kräfte auf eine Probe 190, etwa die Fotomaske 191, übertragen als die Messsonde 200. Zum anderen weist die Messspitze 270 des Cantilevers 260 an deren Spitze 280 eine lange dünne nadelförmige Spitze 290, die im Fachgebiet „Whisker“ genannt wird. Mit der nadelförmigen Spitze 290 kann der Mikromanipulator 250 beispielsweise einen Partikel von der Oberfläche 198 der Fotomaske 191 aufnehmen.
Die 3 präsentiert schematisch eine Sondenanordung 300, die fünf Sonden aufweist. Wie bereits in der 2 erläutert, weist die Sondenanordnung 300 ein Halteelement 310 auf zum Befestigen der Sondenanordnung 300 an einem Messkopf eines Rastersondenmikroskops (in der 3 nicht gezeigt). Die beispielhafte Sondenanordnung 300 der 3 umfasst zwei weiche Cantilever 315 und 325, die unterschiedliche Messspitzen 320 und 330 aufweisen. Diese beiden Sonden der Sondenanordnung 300 sind dazu ausgelegt, eine Probe durch Abtasten in einer der oben erläuterten Betriebsarten zu untersuchen. Die Cantilever oder Biegebalken 335, 345, 355 der Sondenanordnung 300 weisen verglichen mit den Cantilevers 315 und 325 eine große Federkonstante auf. Ferner haben die Messspitzen 340, 350, 360 der Cantilever 335, 345, 355 unterschiedlichen Formen, die dafür vorgesehen sind, durch mechanischen Kontakt mit der Probe, diese zu bearbeiten, beispielsweise durch Abtragen von Material von der Oberfläche der Probe. Somit können die einzelnen spezifischen Sonden der Sondenanordnung 300 in sequenzieller Abfolge sowohl zum Analysieren einer Probe als auch zum Bearbeiten der Probe 190 eingesetzt werden, ohne beispielsweise die Messsonde 200 gegen einen Mikromanipulator 250 austauschen zu müssen.
Die 4 zeigt die Zahlendarstellung im Dualsystem, d.h. einem auf der Basis zwei beruhendem Stellenwertsystem. Bei dieser Darstellung einer Ziffer Z in der Form Z = a_n·2ⁿ.+ a_n-1·2^n-1 + ... + a₁·2¹.+ a₀·2⁰ können die Koeffizienten a₀ bis a_n nur die Werte 0 oder 1 annehmen. In dem Beispiel der 4 weist die binäre Zahl eine Bittiefe 400 von 8 Bit auf. Das Bit mit dem geringsten Stellenwert 410 (englisch: LSB, Least Significant Bit) steht ganz rechts in der binären Darstellung und das Bit mit dem höchsten Stellenwert 420 (englisch: MSB, Most Significant Bit) ist das am weitesten links stehende Bit. Die Anzahl der Bits, d.h. die Bittiefe 400 wird auch als Bitbreite oder Auflösung bezeichnet. Die Bittiefe 400 bestimmt die größte Ziffer, die in einem Binärsystem in einer Ganzzahldarstellung dargestellt werden kann. Bei einer Bittiefe von 8 sind dies beispielsweise die ganzen Zahlen 0 bis 255 ohne Vorzeichen (unsigned integer) und mit Vorzeichen (signed integer) das Intervall von -128 bis 127.
Die 5 gibt ein schematisches Blockschaltbild einer Regelschleife 180 wieder, die von einem PID-Reglers 500 betrieben wird. Der PID-Regler 500 umfasst einen P- (proportionalen) Regler 510, einen I- (integrierenden) Regler 520 und einen D- (differenzierenden) Regler 530 in Parallelschaltung. Eine Reihenschaltung des P-, I- und D-Gliedes des PID-Reglers 500 ist ebenfalls möglich (in der 5 nicht gezeigt).
Von entscheidender Bedeutung für eine störungsfreie Funktion eines PID-Reglers 500 ist die Addition der Ausgangssignale 550, 555, 560 der einzelnen Regler 510, 520, 530. Falls der PID-Regler 500 in analoger Schaltungstechnik realisiert wird, wird typischerweise eine Parallelschaltung der P-, I- und D-Regler 510, 520, 530 gewählt, wenn ein elektrisches Stromsignal als Regelgröße 575 und Stellgröße 565 eingesetzt wird. Wird hingegen die Regelschleife 180 mit Hilfe eines elektrischen Spannungssignals betrieben, ist eine Reihen- oder Serienschaltung der Regler 510, 520, 530 vorteilhaft.
Die Führungsgröße 540 oder der Soll-Wert 540 w(t) wird dem PID-Regler 500 von außen vorgegeben. In dem Beispiel der 1 kann dies der zeitliche Verlauf des Abstands der Messspitze 152 des Biegebalkens 150 von der Oberfläche 198 einer Probe 190, etwa einer Fotomaske 191 sein. Wie bereits oben ausgeführt, wird der Abstand der Messspitze 152 des Biegebalkens 150 in der Regel durch Ermitteln der Krümmung, Verbiegung oder Auslenkung von dessen freiem Ende 152 bestimmt. Wie ebenfalls bereits im Kontext der 1 diskutiert, wird die von dem Detektionssystem 172 gemessene Regelgröße 575 oder der Ist-Wert 575 y(t) auf den Eingang des Reglers 500 rückgeführt und von der Führungsgröße 540 bzw. dem Soll-Wert 540 abgezogen. Die dadurch bestimmte Regelabweichung 545 e(t) = w(t) - y(t) wird den einzelnen Gliedern 510, 520, 530 des PID-Reglers 500 zugeführt.
Das P-Glied 510 des PID-Reglers 500 reagiert mit einer sprunghaften Verstärkung der Regelabweichung 545 oder des Fehlersignals 545 gemäß der Beziehung: u(t) = K_P·e(t) mit dem Verstärkungsfaktor 515 Kp. Dieses Verhalten ist im oberen Teilbild 610 der 6 illustriert. Das Teilbild 610 der 6 gibt eine ideale Ausgabe der Stellgröße 565 eines P-Reglers 510 wieder. Eine Implementierung des P-Gliedes 510 mit realen Bauteilen führt zu einem oder mehreren überschießenden Transienten der Stellgröße 565 u(t), bevor die Verstärkung des P-Gliedes 510 den durch den Verstärkungsfaktor 515 Kp vorgegebenen Wert annimmt (in dem Teilbild 610 der 6 nicht gezeigt). Die Reaktion der Messspitze 152 des Biegebalkens 150 auf eine abrupte Änderung der Stellgröße 565 y(t) ist deshalb gar nicht oder nur sehr schwer zu kontrollieren.
Bei einer erfindungsgemäßen Implementierung eines Reglers 140 zum Betreiben einer geschlossenen Regelschleife 180 in Form einer programmierbaren logischen Schaltung wird deshalb die Regelung immer mit einem verschwindenden Anteil des P-Gliedes 510 gestartet, um einen kurzzeitigen unkontrollierbaren Zustand des freien Endes 153 des Biegebalkens 150 und damit der Messspitze 152 des Biegebalkens 150 zu vermeiden. Insbesondere wird vor einem Umschalten der Betriebsart des Biegebalkens 150 der Verstärkungsfaktor 515 Kp auf Null gesetzt.
Das I-Glied 520 des PID-Reglers 500 wirkt durch eine zeitliche Integration der Regelabweichung 545 oder des Fehlersignals 545 auf die Stellgröße 565: $u (t) = \frac{1}{T_{N}} \int_{0}^{t} e (τ) d τ,$
wobei der Verstärkungsfaktor 525 K_I durch die Nachstellzeit T_N bestimmt ist: K_I = 1/T_N. Eine zeitlich konstante Regelabweichung 545 e(t) = C führt von einem Anfangswert der Stellgröße u_i(t) ausgehend zu einem linearen Anstieg der Stellgröße 565: u(t) = u_i(t) + K_I·C·t. Das untere Teilbild 650 der 6 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf der Stellgröße 565 für ein I-Glied 520 für die Bedingungen: e(t) = C und u_i(t) = 0.
In einer erfindungsgemäßen Implementierung eines Reglern 140 mit Hilfe einer programmierbaren logischen Schaltung 120 wird vor einem Umschalten zwischen zwei Betriebsarten des Biegebalkens 150 die Regelung eingefroren. Dies bedeutet, die Stellgröße 170, 565 u(t) wird auf dem letzten Zahlenwert festgehalten: u(t) = u(t₀). Erreicht wird dieser Zustand indem die Regelabweichung oder das Fehlersignal 545 zum Zeitpunkt t₀ zu Null gesetzt wird: e(t₀) = 0. Dadurch kann zuverlässig verhindert werden, dass die Stellgröße 565 des I-Gliedes 520 des PID-Reglers 500 einen Schaltransienten erzeugt, der in einer unkontrollierten Bewegung der Messsitze 152 des Biegebalkens 150 resultiert.
Das D-Glied 530 des PID-Reglers 500 bildet einen Differenzier: $u (t) = T_{V} \cdot \frac{d}{d t} e (t),$
wobei die Vorhaltzeit T_N der Verstärkung K_D 535 oder dem Differenzierbeiwert K_D 535 entspricht. Das D-Glied 530 reagiert nicht auf die Größe der Regelabweichung 545 sondern nur auf deren Änderungsgeschwindigkeit. Aufgrund des differentiellen Verhaltens hat das D-Glied 530 des PID-Reglers 500 die Eigenschaft, schnelle Änderungen der Regelabweichung 545 in noch schnellere Änderungen der Stellgröße 565 für die Regelschleife 180 umzusetzen.
Es ist ein zentraler Punkt der in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtung 100, dass diese unter allen Umständen ein sicheres Umschalten zwischen verschiedenen Betriebsarten des Biegebalkens 150 ermöglicht. Insbesondere soll dies auch unter der Bedingung gelten, dass die Messspitze 152 des Biegebalkens 150 sich im Wechselwirkungsbereich mit der Probe 190 befindet. Deshalb verzichtet ein in dieser Anmeldung beschriebener Regler 140 vorzugsweise auf die Implementierung eines D-Gliedes 530. Vielmehr realisiert der Regler 140 einen PI-Regler mit den oben beschriebenen Eigenschaften. Aus den oben erläuterten Gründen ist es günstig, wenn das I-Glied 520 des PI-Reglers dessen Regelverhalten dominiert oder bestimmt.
Die 7 veranschaulicht ein Beispiel der Realisierung eines I-Reglers 700 oder eines I-Gliedes 700 in einer hybriden Schaltung, die einen analogen 750 und einen digitalen Anteil 770 aufweist. Das I-Glied 520 umfasst als wesentliche Komponenten im analogen Schaltungsteil 750 zwei Komparatoren 710 und 720 und im digitalen Schaltungsteil 770 einen Zähler 730 sowie einen Digital-Analog Umsetzer (DAC) 740. Der Zähler 730 kann als Integrator betrachtet werden, der innerhalb eines Zeitintervalls seinen Inhalt um eine Einheit ändert, d.h. erhöht bzw. vermindert oder seinen Inhalt nicht ändert.
Die Komparatoren 710 und 720 sind in dem in der 7 dargestellten Beispiel analoge Bauteile. Deshalb können der Soll-Wert w(t) und der Ist-Wert y(t) den Komparatoren 719, 720 der hybriden Schaltung als analoge Signale zugeführt werden. Somit kommt diese Implementierung ohne Analog-Digital-Umsetzer (ADC) für die Signale w(t) und y(t) aus.
Die beiden Komparatoren 710 und 720 weisen Schwellenwerte auf, die durch eine Totzone DB (Dead Band) voneinander getrennt sind. Falls die Differenz zwischen dem Soll-Wert w(t) und dem Ist-Wert, d.h. die Regelabweichung e(t), innerhalb der Totzone ist, ändern sich die Ausgänge der Komparatoren 710 und 720 nicht. Der Komparator 710 erhöht den Inhalt des Zählers 730 innerhalb eines Taktzyklus um eine Einheit, wenn der Unterschied zwischen der Führungsgröße oder dem Soll-Wert w(t) und der Regelgröße oder dem Ist-Wert y(t) größer als das Intervall der Totzone ist. Ist hingegen der Unterschied zwischen dem Ist-Wert y(t) und dem Soll-Wert w(t) kleiner als das Intervall der Totzone, veranlasst der Komparator 720 eine Verringerung des Inhalts des Zählers 730 innerhalb des Taktzyklus um eine Einheit.
Da der Inhalt des Zählers 730 sich innerhalb eines Taktes um nicht mehr als eine Einheit ändert, arbeitet das I-Glied 700 der 7 in jedem Betriebszustand ohne Transienten. Zudem kommt das I-Glied 700 mit einem Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 740 aus. In dem Beispiel der 7 weisen der Zähler 730 und der DAC 740 jeweils eine Bittiefe von 16 Bit auf. Es ist selbstredend auch möglich, das I-Glied 700 für andere Bittiefen auszulegen. Die in der 7 angegebene Konfiguration weist jedoch Nachteile bei großen Regelabweichungen e(t) auf. Auch in diesen Fällen reagiert das I-Glied 700 nur durch Ändern der Stellgröße u(t) um eine Einheit innerhalb eines Taktzyklus.
Die 8 präsentiert eine vollständig digitale Implementierung eines I-Gliedes 800 oder eines I-Reglers 800 in einer programmierbaren logischen Schaltung 120 der Vorrichtung 100. In dem in der 8 dargestellten Beispiel weisen der Analog-Digital-Umsetzer (ADC) 810 für die Regelgröße y(t) und der Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 890 für die Stellgröße u(t) jeweils eine Bittiefe von 16 Bit auf. Diese Bittiefe ist lediglich beispielhaft und für eine erfindungsgemäße Auslegung einer Vorrichtung 100 zum Betreiben einer Regelschleife 180 nicht zwingend. Ferner ist es nicht notwendig, dass der ADC 810 die gleiche Bittiefe aufweist, wie der DAC 890. Ferner ist es nicht notwendig, dass die Regelgröße y(t) und/oder die Stellgröße u(t) eine Bittiefe in Form einer Potenz 2ⁿ aufweist. Vielmehr kann mit Hilfe der programmierbaren logischen Schaltung 120 eine beliebige Bittiefe für die Regelgröße und/oder die Stellgröße realisiert werden.
In der in der 8 dargestellten beispielhaften Realisierung des I-Reglers 800 sind die Bestimmung der Regelabweichung e(t) und die Multiplikation der Regelabweichung oder des Fehlersignals e(t) gegenüber dem Blockdiagramm des Reglers 500 der 5 vertauscht. In dem Beispiel der 8 wird die digitalisierte Regelgröße y(t), die eine Bittiefe von 16 Bit aufweist, mit dem Verstärkungsfaktor K_I oder der Nachstellzeit T_N des I-Gliedes 800 multipliziert. Der Parameter 830 K_I weist im diskutierten Beispiel eine Bittiefe oder eine Bitbreite von 8 Bit auf. Das Produkt aus beiden Zahlen K_I·y(t) weist eine Bittiefe von 24 Bit auf. Dies entspricht der Summe der Bittiefen der beiden Faktoren. Dieses Phänomen wird in der englischsprachigen Literatur als „bit growth“ bezeichnet.
Die Führungsgröße oder der Soll-Wert w(t), die der Subtraktionseinheit 850 zugeführt wird - um in dem Beispiel der 8 die Vertauschung von Multiplikation und Subtraktion zu kompensieren - wird ebenfalls mit dem Verstärkungsfaktor K_I multipliziert, wodurch die Bittiefe dieses Eingangssignals 840 Ki-w(t) von 16 Bit auf 24 Bit erhöht wird. Die Subtraktionseinheit 850 liefert die mit dem Verstärkungsfaktor K_I multiplizierte Fehlerabweichung Ki-e(t) mit einer Bittiefe von 24 Bit. Dieses Signal wird in dem Accumulator 860 synchron mit dem Taktsignal 895 numerisch integriert, d.h. als Funktion der Zeit aufsummiert. Die Integriereinheit 860 weist eine Bittiefe oder eine Bitbreite von 24 Bit auf. Damit ist der Akkumulator 860 dafür ausgelegt, das mit dem Verstärkungsfaktor K_I 840 multiplizierte Fehlersignal e(t) oder die Regelabweichung e(t) ohne jede Beschränkung eines oder beider Faktoren der Multiplikation zu integrieren.
Damit umgeht ein entsprechend der vorliegenden Anmeldung ausgelegtes Integrierglied 800, die Beschränkungen, die ein auf 16 Bit beschränkter Akkumulator 860, d.h. ein auf 16 Bit beschränktes Register des Prozessors der programmierbaren logischen Schaltung 120 aufweist. Vielmehr ermöglicht der I-Regler 800 der 8 die Integration auch kleiner Regelabweichungen e(t) und damit eine hoch präzise Ermittlung einer Stellgröße 870 u(t).
Beim Einsatz eines 24 Bit breiten oder tiefen DAC kann, die Stellgröße 870 ohne jede Näherung als analoges Signal u_A(t) dem Piezo-Element 155 zum Bewegen des Biegebalkens 150 bereitgestellt werden. Diese Ausführungsform ist in der 8 nicht dargestellt. Vielmehr wird in der 8 das 24 Bit tiefe Signal des Akkumulators 860 auf eine 16 Bit breite oder tiefe Stellgröße 870 reduziert, indem die 8 Bits mit den geringsten Stellenwerten abgeschnitten werden. Die Stellgröße 870 u(t) mit den 16 Bits mit den höchsten Stellenwerten des Akkumulators 860 werden dem DAC 890 zugeführt, der dieses Signal in ein analogen Stellgrößensignal u_A(t) umsetzt. Je nach Bedarf kann das Ausgangsignal des Akkumulators 860, das die Stellgröße der Regelschleife 180 bereitstellt, auf eine Bittiefe verringert werden, die zwischen der Bittiefe des Accumulators 860 und der Bitbreite des ADC 810 liegt. Falls die Anforderungen an die Präzision der Regelschleife nicht besonders hoch sind, kann zum Generieren des analogen Stellgrö-ßensignals ein DAC eingesetzt werden, dessen Bittiefe geringer ist als die Bittiefe des ADC 810.
Die 9 zeigt die Auslegung 900 eines PID-Reglers 500 in einer programmierbaren logischen Schaltung 120 einer Vorrichtung 100 nach dem Stand der Technik. Dieser wird anhand von 16 Bit tiefen digitalen Signalen erläutert. Dies bedeutet, der ADC 810 und der DAC 890 weisen jeweils eine Bittiefe von 16 Bit auf. Dieser Sachverhalt ist in der 9 durch die jeweils am Eingang bzw. am Ausgang angegebene Zahl 16 symbolisiert. Wie bereits oben ausgeführt, wird der Ist-Wert oder die digitalisierte Regelgröße y(t) von dem Soll-Wert oder der digitalisierten Führungsgröße w(t) durch die Einheit 850 subtrahiert. Die so erzeugte Regelabweichung e(t) wird einem oder mehreren Gliedern 510, 520, 530 des PID-Reglers 500 zugeführt. Das bzw. die verschiedenen Glieder 510, 520, 530 des PID-Reglers 500 sind in der 9 durch Rückführungs- oder Rückkopplungs-Register 920 symbolisiert. In den Rückkopplungs-Registern 920 wird die 16 Bit breite Regelabweichung e(t) mit den 8 Bit breiten Parametern oder Verstärkungsfaktoren K_P 515 und K_I 525 des proportionalen 510 und des integrierenden Anteils 520 des PID-Reglers 500 multipliziert. Um einen Überlauf der 16 Bit breiten Rückkopplungs-Register 920 durch die Multiplikation zu verhindern, müssen die zulässigen Wertebereiche für die Regelabweichung e(t) und/oder die Parameter K_P 515 und K_I 525 limitiert werden. Dies schränkt die Präzision für die Bestimmung der Stellgröße u(t) für die Regelschleife 180 aus der Regelabweichung e(t) drastisch ein.
Die 10 gibt eine Implementierung 1000 eines PI-Reglers in einer programmierbaren logischen Schaltung 120 an, die die oben erörterten Einschränkungen vermeidet. In der in der 10 präsentierten Auslegung 1000 weisen die Rückkopplungs-Register 1060 eine Bittiefe von 24 Bit auf. Das Produkt aus der Regelabweichung e(t) und den Parametern 515, 525 bzw. Verstärkungsfaktoren Kp und K_I kann ohne Einschränkung verarbeitet werden. Erst am Ende des Bearbeitungsprozesses wird die digitalisierte Stellgröße u_F(t) von einer 24 Bit-Darstellung auf eine Bittiefe von 16 Bit reduziert. Die Datenreduktion geschieht in systematischer Weise in der Datenverringerungseinheit 1050 durch das Eliminieren der Bits mit den geringsten Stellenwerten (LSBs). Damit trotz der vorgenommenen Datenverringerung der PI-Regler der 10 schnell reagieren kann, ist es vorteilhaft, einen ADC 810 zu verwenden, dessen Abtastrate wesentlich größer als die Umwandlungsrate des DAC 890 ist. Der Unterschied in den Taktraten des ADC 810 und des DAC 890 könnte beispielsweise einen Faktor 128 betragen, etwa 2,56 MHz für den ADC 890 und 20 kHz für den DAC 890.
Die 11 gibt eine Tabelle wieder, die Simulationsergebnisse des I-Reglers 800 der 8 zusammenfasst. In der ersten Spalte sind verschiedene Werte der Führungsgröße oder der Soll-Werte, die dem I-Regler 800 vorgegeben werden, zusammengefasst. Der Zahlenbereich dieser Größe reicht von 1 bis 32767, der größten mit Vorzeichen behafteten 16 Bit Ziffer. Die zweite Spalte gibt die eingestellten Werte des Parameters 525 K_I wieder. Diese weisen die beiden Extremwerte auf, nämlich den kleinsten Zahlenwert in den oberen vier Zeilen und den größten Zahlenwert in den untersten zwei Zeilen der Tabelle. In der dritten Spalte sind die Werte der Regelabweichung e(t) zusammengefasst. Die Zahlenwerte für die Regelabweichung überstreichen ebenfalls den kompletten Wertebereich, der mit einer Bittiefe von 16 Bit dargestellt werden kann.
Die vierte Spalte und die sechste Spalte reproduzieren den Inhalt des Akkumulators 860 nach 128 bzw. nach 256 Taktzyklen. Die fünfte und die siebte Spalte geben die auf 16 Bit reduzierte Stellgröße u(t) wieder, wobei die 8 Bits mit den geringsten Stellenwerten gestrichen wurden. Aus der Tabelle der 11 ist ersichtlich, dass der Akkumulator 860 mit den durch die Multiplikation von e(t) und K_I entstehenden riesigen Zahlenwerten umgehen kann und diese am Ausgang des I-Reglers 800 zu einem glatten problemlosen Signalverlauf führen. Eine Ausnahme bildet lediglich die extreme Situation maximaler Regelabweichung e(t) bei gleichzeitig maximalem Wert des Parameters K_I 525. Ein Überlauf des Accumulators 860 tritt nur bei extremen Werten der Regelabweichung und nach 256 Taktzyklen auf. Der I-Regler 800 sollte die extremen Werte der Regelabweichung e(t) jedoch zeitnah korrigieren, bevor diese nach 256 Taktzyklen zu einem Überlauf des Akkumulators 860 führen.
Die 12 zeigt ein schematisches Schaubild eines PI-Reglers 1200 auf Registertransferebene (RTL, Register Transfer Level). Zum Realisieren des anhand der 8 beschriebenen I-Gliedes 800 beinhaltet der PI-Regler 1200 den Multiplizierer 1210, der die Regelabweichung e(t), die in einer 16 Bit-Darstellung vorliegt, mit dem Parameter K_I 525 des Reglers, der eine Bittiefe von 8 Bit aufweist, ohne Einschränkung multiplizieren kann. Das 24 Bit breite oder tiefe Produkt wird von dem 32 Bit breiten Akkumulator 1220 integriert. Der Akkumulator 1220 gibt die 16 Bits mit den höchsten Stellenwerten als Stellgröße des integrierenden Gliedes u_I(t) an den Addierer 1225 weiter. Die 16 Bit mit den niedrigen Stellenwerten verwirft der Accumulator 1220.
Neben einem integrierenden Glied 1210, 1220 beinhaltet der PI-Regler 1200 der 12 auch einen proportionalen Anteil. Hierfür weist der P-Regler 1200 den Multiplizierer 1230 auf. Die Problematik eines proportionalen Anteils, insbesondere im Hinblick auf ein Umschalten der Betriebsart des Biegebalkens 150 ist oben bereits im Kontext der 5 detailliert diskutiert worden. Aus den angegebenen Gründen soll in dem PI-Regler 1200 der integrierende Anteil 1210, 1220 dessen Regelverhalten bestimmen. Deshalb ist in dem PI-Regler der 12 der Multiplizierer 1230 lediglich mit einer Bittiefe von 16 Bit ausgeführt. Es ist natürlich auch möglich, den proportionalen Zweig des PI-Reglers 1200 bei Bedarf in einer größeren Bittiefe auszuführen. Die Stellgröße des proportionalen Anteils up(t) und des integrierenden Gliedes u_i(t) werden von dem Addierer 1225 zur Stellgröße u(t) kombiniert.
Als Regelgröße w(t) kann der PI-Regler 1200 die Änderung der auf den Biegebalken wirkenden Kraft einsetzen. Dies ist in der 12 durch den Pfeil 1240 symbolisiert. Alternativ kann der PI-Regler 1200 die Auslenkung des freien Endes 153 des Biegebalkens 152 als Regelgröße y(t) 160 verwenden. Im Detail wird in dem Nicht-Kontakt-Modus typischerweise die Amplitude und/oder die Frequenzverschiebung des oszillierenden Biegebalkens 150 als Regelgröße 160 benutzt. In der 12 ist der Einsatz dieser Größe als Regelgröße 160 durch den Pfeil 1250 veranschaulicht.
Die Pfeile 1260 und 1270 zeigen an, dass in dem PI-Regler 1200 sowohl der Verstärkungsfaktor Kp 515 des proportionalen Anteils als auch der Verstärkungsfaktor K_I 525 des integrierenden Gliedes bei Bedarf auf Null gesetzt werden kann. Dadurch können in allen Betriebszuständen des PI-Reglers 1200 das Auftreten von Schalttransient zuverlässig verhindert werden.
Schließlich gibt die 13 gibt ein Ablaufdiagramm 1300 eines Verfahrens wieder, das zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens 150 in zumindest einer geschlossen Regelschleife 180 eingesetzt werden kann. Das Verfahren beginnt bei 1310. Bei Schritt 1320 wird zumindest eine Regelgröße 160 der zumindest einen Regelschleife 180 empfangen. Die Regelgröße 160 kann von einer ersten Schnittstelle 110 der Vorrichtung 100 empfangen werden.
Im nächsten Schritt 1330 wird eine Regelabweichung 545 der zumindest einen Regelschleife 180 mit einer Bittiefe 400 verarbeitet, die größer ist als die Bittiefe 400 der Regelgröße 160. Das Verarbeiten der Regelabweichung 545 kann mit zumindest einer programmierbaren logischen Schaltung 120 der Vorrichtung 100 erfolgen. Sodann wird bei Schritt 1340 eine Stellgröße 170 der zumindest einen Regelschleife 180 bereitgestellt. Das Bereitstellen der Stellgröße 170 kann mit Hilfe einer zweiten Schnittstelle 130 der Vorrichtung 100 erfolgen. Schließlich endet das Verfahren bei Schritt 1350.

Claims

Vorrichtung (100) zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens (150) in zumindest einer geschlossenen Regelschleife (180), aufweisend: a. zumindest eine erste Schnittstelle (110), die ausgebildet ist, zumindest eine Regelgröße (160, 575) der zumindest einen Regelschleife (180) zu empfangen; b. zumindest eine programmierbare logische Schaltung (120), die ausgebildet ist, eine Regelabweichung (545) der zumindest einen Regelschleife (180) mit einer Bittiefe (400) zu verarbeiten, die größer ist als die Bittiefe (400) der Regelgröße (160, 575), wobei die programmierbare logische Schaltung (120) ausgebildet ist, den zumindest einen Biegebalken (150) in zumindest zwei der folgenden Betriebsarten zu betreiben: einen Kontakt-Modus, einen Nicht-Kontakt-Modus, einen intermittierenden Modus und einen Step-in-Modus, und wobei die programmierbare logische Schaltung (120) ausgebildet ist, zwischen zumindest zwei der Betriebsarten des Biegebalkens (150) umzuschalten, ohne eine Kontrolle über eine Position des Biegebalkens (150) zu verlieren; und c. zumindest eine zweite Schnittstelle (130), die ausgebildet ist, eine Stellgröße (170, 565) der zumindest einen Regelschleife (180) bereitzustellen.
Vorrichtung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Stellgröße (170, 565) der zumindest einen Regelschleife (180) eine Bittiefe (400) aufweist, die der Bittiefe (400) der Regelgröße (160, 575) der zumindest einen Regelschleife (180) entspricht.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Stellgröße (170, 565) der zumindest einen Regelschleife (180) eine Bittiefe (400) aufweist, die größer ist als die Bittiefe (400) der Regelgröße (170, 575) der zumindest einen Regelschleife (180).
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine programmierbare logische Schaltung (120) eine Datenverringerungseinheit (1050) aufweist, die ausgebildet ist, die Bittiefe (400) der Stellgröße (170, 565) der zumindest einen Regelschleife (180) in Übereinstimmung mit der Bittiefe (400) der Regelgröße (160, 575) der zumindest einen Regelschleife (180) zu bringen.
Vorrichtung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Datenverringerungseinheit (1050) ausgebildet ist, die Bittiefe (400) der zumindest einen Stellgröße (170, 565) der zumindest einen Regelschleife (180) durch Weglassen eines Bits mit einem niedrigsten Stellenwert (410) oder durch Weglassen mehrerer Bits mit den niedrigsten Stellenwerten zu verringern.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: zumindest eine dritte Schnittstelle (185), die ausgebildet ist zum Eingeben zumindest eines Parameters (515, 525, 535) zum Einstellen der zumindest einen Regelschleife (180).
Vorrichtung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zumindest eine Parameter (515, 525, 535) eine Bittiefe (400) aufweist, die kleiner oder gleich der Bittiefe (400) der Regelgröße (160, 575) der zumindest einen Regelschleife (180) ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der zumindest eine Parameter (515, 525, 535) zumindest ein Element aus der Gruppe umfasst: eine Verstärkung des Reglers (515), eine Nachstellzeit des Reglers (525), und eine Vorhaltzeit des Reglers (535).
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die zumindest eine programmierbare logische Schaltung (120) ausgebildet ist, den zumindest einen Parameter (515, 525, 535) mit der Regelabweichung (545) zu multiplizieren, ohne vorher eine Datenverringerung auszuführen.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schnittstelle (110) einen Analog-Digital-Umsetzer (105) und die zweite Schnittstelle (130) einen Digital-Analog-Umsetzer (125) umfasst, und wobei eine Abtastrate des Analog-Digital-Umsetzers (105) größer ist als eine Umwandlungsrate des Digital-Analog-Umsetzers (125).
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die programmierbare logische Schaltung (120) ausgebildet ist, vor einem Umschalten der Betriebsart des Biegebalkens (150) die Stellgröße (170, 565) der zumindest einen Regelschleife (180) auf einen vorgegebenen Wert zu setzen.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die programmierbare logische Schaltung (120) ausgebildet ist, einen proportionalen Anteil der Regelung (1230) der zumindest einen Regelschleife (180) nach einem Umschalten einer Betriebsart von einem Wert Null ausgehend zu starten.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die programmierbare logische Schaltung (120) ausgebildet ist, eine Verschiebung des Biegebalkens (150) zu einer Probenoberfläche (198) hin und/oder von der Probenoberfläche (198) weg über eine vorgegebene Distanz mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit auszuführen.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die programmierbare logische Schaltung (120) zumindest ein Element aus der Gruppe umfasst: eine programmierbare logische Anordnung (PLA, Programmable Logic Array), eine komplexe programmierbare logische Vorrichtung (CPLD, Complex Programmable Logic Device), und eine im Feld programmierbare Gatteranordnung (FPGA, Field Programmable Gate Array).
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Biegebalken (150) ein Element aus der Gruppe umfasst: einen Cantilever mit einer Messspitze (200) eines Rastersondenmikroskops, eine Sondenanordnung (300) für ein Rastersondenmikroskop mit zumindest zwei Sonden, die verschiedene Messspitzen zum Untersuchen und/oder zum Bearbeiten einer Probe (190) aufweisen, und zumindest einen Mikromanipulator (250) zum Bearbeiten einer Probe (190).
Rastersondenmikroskop, das zumindest eine Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Verfahren (1300) zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens (150) in zumindest einer geschlossenen Regelschleife (180), das Verfahren (1300) die Schritte aufweisend: a. Empfangen zumindest einer Regelgröße (160, 575) der zumindest einen Regelschleife (180); b. Verarbeiten einer Regelabweichung (545) der zumindest einen Regelschleife (180) mit einer Bittiefe (400), die größer ist als die Bittiefe (400) der Regelgröße (160, 575) mit zumindest einer programmierbaren logischen Schaltung (120), wobei die programmierbare logische Schaltung (120) ausgebildet ist, den zumindest einen Biegebalken (150) in zumindest zwei der folgenden Betriebsarten zu betreiben: einen Kontakt-Modus, einen Nicht-Kontakt-Modus, einen intermittierenden Modus und einen Step-in-Modus, und wobei die programmierbare logische Schaltung (120) ausgebildet ist, zwischen zumindest zwei der Betriebsarten des Biegebalkens (150) umzuschalten, ohne eine Kontrolle über eine Position des Biegebalkens (150) zu verlieren; und c. Bereitstellen einer Stellgröße (170, 565) der zumindest einen Regelschleife (180).
Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, die ein Computersystem veranlassen, die Schritte des Verfahrens des Anspruchs 17 auszuführen, wenn das Computerprogramm von dem Computersystem ausgeführt wird.