JP2009276318A - Stage scanner and scanning probe microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はステージスキャナ及び走査型プローブ顕微鏡に関し、更に詳しくは広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することができるステージスキャナと、このステージスキャナを用いた走査型プローブ顕微鏡に関する。 The present invention relates to a stage scanner and a scanning probe microscope, and more particularly to a stage scanner capable of ensuring a wide scanning range and realizing precise position control, and a scanning probe microscope using the stage scanner.
走査型原子間力顕微鏡など走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、探針を数ｎｍ程度の間隔で試料表面に近づけ、試料上で探針（プローブ）を走査して試料像を得る装置である。得られる顕微鏡像について、その分解能を決める重要な要素の一つとしては、ステージの位置制御精度が挙げられる。また、画像の視野は、ステージの走査範囲によって決定される。この場合においては、高い位置制御精度が可能であるという理由で、ピエゾを用いるのが一般的である。 A scanning probe microscope (SPM) such as a scanning atomic force microscope is an apparatus that obtains a sample image by scanning a probe (probe) on a sample by bringing the probe close to a sample surface at intervals of about several nanometers. One of the important factors that determine the resolution of the obtained microscopic image is stage position control accuracy. The field of view of the image is determined by the scanning range of the stage. In this case, a piezo is generally used because a high position control accuracy is possible.
ピエゾを用いた粗動・微動駆動素子の構成は、以下に示す非特許文献１に網羅されている。非特許文献１には、走査時に用いられる微動として以下のような方法が記載されている。
１）非特許文献１の３−Ｂ−１−ｂ３には、ピエゾ駆動素子の構成−直交配置型には、積層型ピエゾを３軸方向につなぎ合わせたステージが提案されている。
２）非特許文献１の３−Ｂ−１−ｂ２には、ピエゾ駆動素子の構成−チューブ型には、バイモルフ型ピエゾを筒状に並べたステージが提案されている。
Non-Patent
1) 3-B-1-b3 of Non-Patent
2) In 3-B-1-b2 of
ここで、直交配置型やチューブ型あるいはそれらを組み合わせた型によって、市販のＳＰＭ装置では、ｘｙｚ軸方向にそれぞれ最大２５０μｍ、２５０μｍ、２０μｍ程度の変位を発生することができるとされている。 Here, according to the orthogonal arrangement type, the tube type, or a combination of them, a commercially available SPM apparatus can generate displacements of about 250 μm, 250 μm, and 20 μm at maximum in the xyz axis direction, respectively.
また、調整時に用いられる粗動として、以下のような方法が記載されている。
ａ）メカニカルな「てこ」の原理を利用して、接近させる方法。
ｂ）３点支持系を構成するネジの内、１つの精密ピッチを有するネジを回転させて、接近させる方法。
ｃ）ピエゾのインパクト力を利用した慣性駆動法によるもの。
ｄ）静電吸着機構を設けたピエゾから構成されたインチワーム機構を用いるもの。
Moreover, the following methods are described as rough movement used at the time of adjustment.
a) A method of approaching using the principle of mechanical “lever”.
b) A method of rotating and approaching one screw having a fine pitch among the screws constituting the three-point support system.
c) According to the inertial drive method using the impact force of piezo.
d) Using an inchworm mechanism composed of a piezo provided with an electrostatic adsorption mechanism.
また、慣性駆動機構と微動機構とを使い分けた例として、測定前準備に粗動でステージの位置調整を実施し、画像測定中は微動でステージを走査する使い方が一般的に知られている（例えば非特許文献２〜４参照）。
本発明の目的は、ピエゾの粗動と微動を適宜連動させて、１）微動だけでは得られない広範囲に及ぶ走査範囲を確保し、２）かつ粗動だけでは得られない精密な位置制御を実現することである。非特許文献１の３−Ｂ−１−ｂで粗動・微動駆動素子の構成で述べられているピエゾの基本操作だけでは、その走査範囲に限界があり、微動のみの対応しかできない。
The object of the present invention is to appropriately link the coarse and fine movements of the piezo, 1) to secure a wide scanning range that cannot be obtained only by fine movement, and 2) for precise position control that cannot be obtained only by coarse movement. Is to realize. Only the basic operation of the piezo described in the configuration of the coarse / fine movement drive element in 3-B-1-b of
非特許文献１の３−Ｂ−２−ａ２粗動・微動機構−２に掲載されているインチワーム機構は、１ストロークの移動量（ステップ量）を微小にすることが可能であり、目標位置までの走査量に合わせてステップ量を適宜選べば前記１）と２）を満足できる。しかしながら、１軸において、インチワームを伸縮させるための積層ピエゾと、インチワームを固定するための積層ピエゾとを要し、更にＸＹＺのような３軸機構においては、軸の数だけ積層ピエゾの数が倍増する。このため、インチワーム機構を実現するための設置容積は大きくならざるを得ない。
The inchworm mechanism described in 3-B-2-a2 coarse movement / fine movement mechanism-2 of Non-Patent
慣性駆動機構はコンパクトでありながら走査範囲が広いという特徴を持つ。ここで、慣性駆動機構とは、ピエゾのインパクト力によってステージが移動する機構のことである（詳細後述）。しかしながら、ステップ量には下限が存在し、その機構のみでは微動はできない。慣性駆動機構と微動機構と使い分けた例として、前記非特許文献２〜４に見られるように、測定前準備に粗動でステージのの位置調整を実施し、画像測定中は微動でステージを走査する使い方が一般的である。これでは前記１）を満足することができない。
The inertial drive mechanism is characterized by a wide scanning range while being compact. Here, the inertial drive mechanism is a mechanism in which the stage moves by the impact force of the piezo (details will be described later). However, there is a lower limit in the step amount, and fine movement cannot be performed only by the mechanism. As an example of using the inertial drive mechanism and fine movement mechanism properly, as shown in Non-Patent
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、慣性駆動機構に対応したコンパクトなピエゾステージにおいて、位置センサーを備え、粗動と微動とを自動的に使い変えてステージをクローズドループ制御にすることによって、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することができるステージスキャナ及び走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such a problem, and is a compact piezo stage corresponding to an inertial drive mechanism, which is provided with a position sensor, and automatically switches between coarse movement and fine movement to close the stage in a closed loop. An object of the present invention is to provide a stage scanner and a scanning probe microscope capable of ensuring a wide scanning range and realizing precise position control.
（１）請求項１記載の発明は、その上にステージが載置されたピエゾよりなるピエゾステージと、該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサーと、該ステージ位置センサーから電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器と、ステージの目標とすべき位置信号を入力し、該位置信号と前記ステージ位置検出器から得られたステージ位置とを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力するクローズドループ制御器と、該クローズドループ制御器から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージに印加するピエゾドライバーと、を有して構成されることを特徴とする。
(1) The invention described in
（２）請求項２記載の発明は、その上にステージが載置されたピエゾよりなるピエゾステージと、該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサーと、該ステージ位置センサーから電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器と、ステージの目標とすべき位置信号を入力し、該位置信号と前記該ステージ位置検出器から得られたステージ位置とを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力すると共に、慣性駆動時の前後の時間間隔でダンピング時間が低下できるように小さいＱ値を、それ以外の時間において所望のＱ値を送信するクローズドループ制御器と、該クローズドループ制御器から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージに印加するピエゾドライバーと、カンチレバーの振動制御を実施することによって、カンチレバーのＱ値を所望の値に移すアクティブＱフィードバック部と、該アクティブＱフィードバック部で発生した電気信号をカンチレバーへ振動制御用に制御力として伝えるトランスデュサーと、を有して構成されることを特徴とする。
(2) The invention described in
（３）請求項３記載の発明は、前記クローズドループ制御器にステージの目標位置ｘｄを入力し、前記ステージ位置検出器から与えられる出力ｘｉとの差信号が所定の閾値以下になるようにクローズド制御することを特徴とする。 (3) In the invention according to claim 3, the target position xd of the stage is input to the closed loop controller, and the closed signal is output so that the difference signal from the output xi given from the stage position detector is below a predetermined threshold value. It is characterized by controlling.
（４）請求項４記載の発明は、前記ピエゾに印加する電圧の上下限値を設定し、設定された上下限値の間で前記クローズドループ制御を行なうことを特徴とする。
（５）請求項５記載の発明は、前記ピエゾへの印加電圧が前記上下限値をはみ出す場合には、慣性駆動機構の移動を実施する回数Ｎを所定の式に基づいて求め、所定の回数Ｎだけ慣性移動機構の移動を行なうことにより、ピエゾへの印加電圧が前記上下限値以内に収まるようにすることを特徴とする。
(4) The invention described in
(5) In the invention according to
（６）請求項６記載の発明は、前記ステージスキャナで試料を移動させ、当該試料のプローブ画像を得るようにしたことを特徴とする。 (6) The invention described in claim 6 is characterized in that a sample is moved by the stage scanner to obtain a probe image of the sample.
（１）請求項１記載の発明によれば、慣性駆動機構に対応したコンパクトなピエゾステージにおいて、ステージ位置センサーを備え、粗動と微動とを自動的に使い変えてステージをクローズドループ制御することによって、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することができる。
(1) According to the invention described in
（２）請求項２記載の発明によれば、慣性駆動機構に対応したコンパクトなピエゾステージにおいて、ステージ位置センサーを備え、粗動と微動とを自動的に使い変えてステージをクローズドループ制御することによって、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することができ、またアクティブＱフィードバックを行なうことにより、Ｑ値を高くすることができ、検出信号のＳ／Ｎが改善され、出力される画像の画質を向上させることができる。
(2) According to the invention described in
（３）請求項３記載の発明によれば、ステージの目標位置ｘｄと、ステージ位置検出器から与えられる出力ｘｉとの差信号が所定の閾値以下になるようにクローズド制御することにより、ステージを目標位置に合わせ込むことが可能になる。 (3) According to the invention described in claim 3, the stage is controlled by performing the closed control so that the difference signal between the target position xd of the stage and the output xi given from the stage position detector is not more than a predetermined threshold value. It becomes possible to adjust to the target position.
（４）請求項４記載の発明によれば、ピエゾに印加する電圧の上下限値を設定し、その範囲の中でステージを目標位置に合わせ込むことが可能となる。
（５）請求項５記載の発明によれば、ピエゾへの印加電圧が上下限値をはみ出す場合に、上下限値をはみ出さないように制御することが可能となる。
(4) According to the invention described in
(5) According to the invention described in
（６）請求項６記載の発明によれば、前記したステージスキャナを用いることで、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実施することができ、高精度の画質を得ることができる走査型プローブ顕微鏡を実現することができる。 (6) According to the invention described in claim 6, by using the above-described stage scanner, a wide scanning range can be secured and precise position control can be performed, and high-accuracy image quality can be obtained. A scanning probe microscope can be realized.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（実施の形態１）
この実施の形態１では、慣性駆動機能を持ったコンパクトなピエゾステージについて、ステージ位置をクローズドループすることによって、広範囲走査かつ位置精密制御を実施する方法について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
In the first embodiment, a method for performing wide-range scanning and precise position control by closing the stage position for a compact piezo stage having an inertial drive function will be described.
図１は本発明の第１の実施の形態を示す構成図で、ステージスキャナの構成を示している。図において、１はその上にステージ（図示せず）が載置されたピエゾよりなるピエゾステージ、２は該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサー、３は該ステージ位置センサー２から電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器、４はステージの目標とすべき位置信号ｘｄを入力し、該位置信号ｘｄと前記ステージ位置検出器３から得られたステージ位置ｘｉとを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力するクローズドループ制御器、５は該クローズドループ制御器４から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージ１に印加するピエゾドライバーである。以下、各構成要素について説明する。
１）ピエゾステージ１
ピエゾステージ１の条件として、ピエゾのインパクト力によってステージが移動する慣性駆動機構が備わっているものとする。その上にステージが載せられたピエゾは、電圧信号を印加すると伸縮する。伸縮の速度が遅いと静摩擦効果によってピエゾはステージを移動させることができる。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of the present invention, and shows a configuration of a stage scanner. In the figure, 1 is a piezo stage comprising a piezo on which a stage (not shown) is mounted, 2 is a stage position sensor for converting the stage position into an electric signal, and 3 is an electric signal from the
1)
As a condition of the
しかしながら、伸縮の速度が速いとピエゾの動きに対してステージの慣性からステージがスリップし、ピエゾはステージを移動させることとができない。前者の工程によってステージが移動することをピエゾ駆動機構と呼ぶ。また、例えば、電圧信号を印加して前者の工程でステージを移動した後に電圧信号を瞬時に消して後者の工程でステージをスリップして止めるといった、前者と後者との組み合わせでステージを移動することを慣性駆動機構と呼ぶ。 However, if the expansion / contraction speed is high, the stage slips due to the inertia of the stage with respect to the movement of the piezo, and the piezo cannot move the stage. The movement of the stage in the former process is called a piezo drive mechanism. In addition, for example, after moving the stage in the former process after applying a voltage signal, the voltage signal is instantaneously turned off and the stage is slipped and stopped in the latter process. Is called an inertial drive mechanism.
ここで、ピエゾに印加可能な電圧の上限と下限とをそれぞれＶｍａｘとＶｍｉｎとする。前述した慣性駆動機構によって一回のストロークに移動する距離は、以下の手順で得ることができる。電圧信号をＶｍａｘからＶｍｉｎへ速い速度で低下させ後に遅い速度でＶｍｉｎからＶｍａｘへ上昇する工程の流れでステージが移動した距離を、ステージ位置センサー２で測長し、ｘｓ０とする。
Here, the upper limit and the lower limit of the voltage that can be applied to the piezo are Vmax and Vmin, respectively. The distance moved by one stroke by the inertial drive mechanism described above can be obtained by the following procedure. The distance by which the stage has moved in the process flow of decreasing the voltage signal from Vmax to Vmin at a high speed and then increasing from Vmin to Vmax at a low speed is measured by the
また、電圧信号をＶｍｉｎからＶｍａｘへ速い速度で上昇させた後に遅い速度でＶｍａｘからＶｍｉｎへ低下する工程の流れでステージが移動した距離を、ステージ位置センサー２で測長し、ｘｓ１とする。但し、ｘｓ０やｘｓ１の符号は、ステージの移動方向を表すものとする。
２）ステージ位置センサー２
ステージ位置を、電気信号に変換する。該ステージ位置センサー２としては、例えば静電容量式位置センサー等が考えられる。
３）ステージ位置検出器３
ステージ位置センサー２からの電気信号を受信し、ステージ位置を出力する機能を持つ。
４）クローズドループ制御器４
ステージ位置検出器３から得られたステージ位置を参考にして、ステージ位置を希望の位置へ移動させるために適切な電気信号をピエゾドライバー５に出力する機能を持つ。ここで、ｘｄはクローズドループ制御器４に与えられる希望の位置である。ｘｉはステージ位置検出器３から与えられる現在の位置信号である。
５）ピエゾドライバー５
クローズドループ制御器４から受信した電気信号を、ピエゾが駆動できるような電力・電圧に変換してピエゾステージ１へ送信する機能を持つ。
In addition, the
2)
The stage position is converted into an electrical signal. As the
3) Stage position detector 3
It has a function of receiving an electrical signal from the
4)
With reference to the stage position obtained from the stage position detector 3, it has a function of outputting an appropriate electrical signal to the
5)
The electric signal received from the closed
このように構成された装置の動作を以下に説明する。図２は本発明の第１の実施の形態の動作を示すフローチャートである。先ず、希望のステージ位置ｘｄをクローズドループ制御器４に座標位置信号として与える（Ｓ１）。次に、ステージ位置センサー２でステージ位置を測定し、ステージ位置検出器３から現在のステージ位置信号ｘｉとしてクローズドループ制御器４に与える（Ｓ２）。該クローズドループ制御器４はｘｄとｘｉとの差信号δｉを求め、記録する。ここで、δｉ＝ｘｉ−ｘｄである。但し、δ０＝０とする。
The operation of the apparatus configured as described above will be described below. FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the first embodiment of the present invention. First, the desired stage position xd is given as a coordinate position signal to the closed loop controller 4 (S1). Next, the stage position is measured by the
次に、クローズドループ制御器４は、│δｉ│＞誤差であるかどうかチェックする（Ｓ３）。誤差は図に示すステージスキャナが満足すべきステージ位置までステージを移動するに必要な値に設定される。例えば、誤差を大きくすると、ステージスキャナは目標のステージ位置まで到達することはできず、誤差を小さくすると、ステージスキャナは目標のステージ位置まで到達するのに要する時間がかかってしまう。
Next, the
ここで、│δｉ│≧誤差である場合には、以下の工程に移行し、│δｉ│＜誤差となった時には、δｉが十分に小さくなったことになるので、図に示すステージスキャナは動作を停止する。│δｉ│≧誤差である場合には、クローズドループ制御器４はＰＩＤ法で出力変数Ｖｉを演算し、ピエゾドライバー５に与える（Ｓ４）。ここで、クローズドループ制御器４の出力である出力変数ＶｉをＰＩＤ法で算出すると次式で与えられる。
Here, when | δi | ≧ error, the process proceeds to the following steps. When | δi | <error, δi has become sufficiently small, so the stage scanner shown in FIG. To stop. If | δi | ≧ error, the
ここで、Ｐ，Ｉ，ＤはＰＩＤ制御パラメータを表し、またｋは積分時定数をサンプリング時間で除算した整数値を表す。
次に、クローズドループ制御器４は出力変数Ｖｉとピエゾ印加電圧Ｖｍｉｎとを比較する（Ｓ５）。具体的にはＶｉ＞Ｖｍｉｎであるかどうかをチェックする。Ｖｉ＞Ｖｍｉｎの場合には、ピエゾの制御が可能であるのでステップＳ６に進む。Ｖｉ≦Ｖｍｉｎとなった場合には、そのままではピエゾの制御が不可能であるので、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、Ｎ＝│δｉ／ｘｓ１│により回数Ｎを算出する。ただし、Ｎは右辺を超えない整数である。
Here, P, I, and D represent PID control parameters, and k represents an integer value obtained by dividing the integration time constant by the sampling time.
Next, the
回数Ｎが求まったら、クローズドループ制御器４からピエゾドライバー５へ、ステップＳ８に示すような三角波の時系列データを送信する。該ピエゾドライバー５は、ステップＳ８に示すような三角波でピエゾステージ１を駆動する。この結果、Ｖｉ＞Ｖｍｉｎの条件が満たされるようになる。
When the number of times N is obtained, triangular wave time-series data as shown in step S8 is transmitted from the closed
次に、クローズドループ制御器４はＶｉ＜Ｖｍａｘであるかどうかチェックする（Ｓ６）。Ｖｉ＜Ｖｍａｘでない場合、即ちＶｉ≧Ｖｍａｘとなった場合には、ピエゾの制御ができなくなるので、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、Ｎ＝│δｉ／ｘｓ０│により回数Ｎを算出する。但し、Ｎは右辺を超えない整数であるものとする。
Next, the
回数Ｎが求まったら、クローズドループ制御器４からピエゾドライバー５へステップＳ１０に示すような三角波の時系列データを送信する。該ピエゾドライバー５は、ステップＳ１０に示すような三角波でピエゾステージ１を駆動する。この結果、Ｖｉ＜Ｖｍａｘの条件が満たされるようになる。
When the number of times N is obtained, triangular wave time series data as shown in step S10 is transmitted from the closed
ステップＳ６でＶｉ＜Ｖｍａｘの条件が満たされている場合には、クローズドループ制御器４からピエゾドライバー５へ値Ｖｉを持つ電気信号を送信する。この場合、Ｖｉの状態はＶｉ−１からＶｉに急激に変動するのではなく、ステップＳ１１に示すような時間に対して直線的な変化が好ましい。以上の動作において、ステップＳ５からステップＳ７に進んで行なわれる動作、ステップＳ６からステップＳ９に進んで行なわれる動作を粗動と呼び、ステップＳ６からステップＳ１１に進んで行なわれる動作を微動と呼んでいる。
If the condition of Vi <Vmax is satisfied in step S6, an electric signal having a value Vi is transmitted from the closed
その後、ｉを１だけ更新し、ステップＳ２に戻る（Ｓ１２）。その際、Ｓ２からＳ１２までの流れを一回の作業として、作業の回数ｉだけ増す。
この実施の形態によれば、慣性駆動機構に対応したコンパクトなピエゾステージにおいて、ステージ位置センサーを備え、粗動と微動とを自動的に使い変えてステージをクローズドループ制御することによって、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することができる。
Thereafter, i is updated by 1, and the process returns to step S2 (S12). At that time, the flow from S2 to S12 is regarded as one operation, and the number of operations is increased by i.
According to this embodiment, in a compact piezo stage that supports an inertial drive mechanism, a stage position sensor is provided, and a wide range of scanning is performed by automatically switching between coarse movement and fine movement to perform closed-loop control of the stage. A range can be secured and precise position control can be realized.
図３は本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。この実施の形態では、ステージをカンチレバーを力検出プローブとした走査型プローブ顕微鏡（ＡＦＭ）に設置することを前提としている。更に、走査型プローブ顕微鏡では、公知技術（非特許文献１の３−Ｃ−１−ｃ参照）であるアクティブＱフィードバックを搭載している場合が多く、この機能が搭載されている場合について説明する。アクティブＱフィードバックは、Ｑ値を高くすることができ、検出信号のＳ／Ｎが改善され、出力される画像の画質が向上するとされている。 FIG. 3 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention. In this embodiment, it is assumed that the stage is installed in a scanning probe microscope (AFM) using a cantilever as a force detection probe. Furthermore, scanning probe microscopes are often equipped with active Q feedback, which is a known technique (see 3-C-1-c of Non-Patent Document 1), and the case where this function is installed will be described. . In the active Q feedback, the Q value can be increased, the S / N of the detection signal is improved, and the image quality of the output image is improved.
ところで、走査型プローブ顕微鏡では、しばしば慣性駆動を実施した際に、ノイズ振動がカンチレバーに誘起されることが問題となる。以下では、慣性駆動を実施している前後の時間において、アクティブＱフィードバックを用いてＱ値を一時的に低下させ、ノイズ振動を急速にダンピングし、測定時など慣性駆動を実施していない時間に所望のＱ値に設定する場合について説明する。 By the way, the scanning probe microscope often has a problem that noise vibration is induced in the cantilever when inertial driving is performed. In the following, during the time before and after the inertial drive is performed, the Q value is temporarily reduced using active Q feedback, the noise vibration is rapidly damped, and the time when the inertial drive is not performed such as at the time of measurement. A case where the desired Q value is set will be described.
図において、１１はその上にステージが載置されたピエゾよりなるピエゾステージ、１２は該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサー、１３は該ステージ位置センサー１２から電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器、１４は ステージの目標とすべき位置信号を入力し、該位置信号と前記該ステージ位置検出器１３から得られたステージ位置とを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力すると共に、慣性駆動時の前後の時間間隔でダンピング時間が低下できるように小さいＱ値を、それ以外の時間において所望のＱ値を送信するクローズドループ制御器、１５は該クローズドループ制御器１４から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージ１１に印加するピエゾドライバー、１６はカンチレバー１８の振動制御を実施することによって、カンチレバー１８のＱ値を所望の値に移すアクティブＱフィードバック部、１７は該アクティブＱフィードバック部１６で発生した電気信号をカンチレバー１８へ振動制御用に制御力として伝えるトランスデュサーである。１８はその先端に探針が取り付けられたカンチレバーである。
In the figure, 11 is a piezo stage made of a piezo with a stage mounted thereon, 12 is a stage position sensor that converts the stage position into an electrical signal, and 13 is a stage that receives an electrical signal from the
このように構成された各構成要素について以下に説明する。
１）ピエゾステージ１１
ピエゾステージ１の条件として、ピエゾのインパクト力によってステージが移動する慣性駆動機構が備わっているものとする。その上にステージが載せられたピエゾは、電圧信号を印加すると伸縮する。伸縮の速度が遅いと静摩擦効果によってピエゾはステージを移動させることができる。
Each component configured as described above will be described below.
1)
As a condition of the
しかしながら、伸縮の速度が速いとピエゾの動きに対してステージの慣性からステージがスリップし、ピエゾはステージを移動させることとができない。前者の工程によってステージが移動することをピエゾ駆動機構と呼ぶ。また、例えば、電圧信号を印加して前者の工程でステージを移動した後に電圧信号を瞬時に消して後者の工程でステージをスリップして止めるといった、前者と後者との組み合わせでステージを移動することを慣性駆動機構と呼ぶ。 However, if the expansion / contraction speed is high, the stage slips due to the inertia of the stage with respect to the movement of the piezo, and the piezo cannot move the stage. The movement of the stage in the former process is called a piezo drive mechanism. In addition, for example, after moving the stage in the former process after applying a voltage signal, the voltage signal is instantaneously turned off and the stage is slipped and stopped in the latter process. Is called an inertial drive mechanism.
ここで、ピエゾに印加可能な電圧の上限と下限とをそれぞれＶｍａｘとＶｍｉｎとする。前述した慣性駆動機構によって一回のストロークに移動する距離は、以下の手順で得ることができる。電圧信号をＶｍａｘからＶｍｉｎへ速い速度で低下させた後に遅い速度でＶｍｉｎからＶｍａｘへ上昇する工程の流れでステージが移動した距離を、ステージ位置センサー２で測長し、ｘｓ０とする。
Here, the upper limit and the lower limit of the voltage that can be applied to the piezo are Vmax and Vmin, respectively. The distance moved by one stroke by the inertial drive mechanism described above can be obtained by the following procedure. The distance that the stage has moved in the process flow of decreasing the voltage signal from Vmax to Vmin at a high speed and then increasing from Vmin to Vmax at a low speed is measured by the
また、電圧信号をＶｍｉｎからＶｍａｘへ速い速度で上昇させた後に遅い速度でＶｍａｘからＶｍｉｎへ低下する工程の流れでステージが移動した距離を、ステージ位置センサー２で測長し、ｘｓ１とする。但し、ｘｓ０やｘｓ１の符号は、ステージの移動方向を表すものとする。更に、ピエゾステージ１１の条件として、電圧をＶｍａｘからＶｍｉｎへ、或いはＶｍｉｎからＶｍａｘへ遅い速度で変化させた時のステージの移動量は│ｘｓ０│や│ｘｓ１│より大きいものとする。
２）ステージ位置センサー１２
ステージ位置を電気信号に変換する役割を担う。該ステージ位置センサー１２としては、例えば静電容量式位置センサーが用いられる。
３）ステージ位置検出器１３
ステージ位置センサー１２から電気信号を受信し、ステージ位置を出力する機能を有する。
４）クローズドループ制御器１４
ステージ位置検出器１３から得られたステージ位置を参考にして、ステージを希望の位置へ移動させるために適切な電気信号をピエゾドライバー１５へ出力する機能を有する。また、アクティブＱフィードバック部１６へ、慣性駆動時の前後の時間間隔でダンピング時間が低下できるように小さいなＱ値Ｑ１を、それ以外の時間において所望のＱ値Ｑ０を送信する。ここで、ｘｄはクローズドループ制御器４に与えられる希望の位置である。ｘｉはステージ位置検出器３から与えられる現在の位置信号である。
５）ピエゾドライバー１５
クローズドループ制御器１４から受信した電気信号を、ピエゾが駆動できるような駆動力に変換してピエゾステージ１１へ送信する機能を持つ。
６）アクティブＱフィードバック部１６
カンチレバー１８の振動制御を実施することによって、カンチレバー１８のＱ値を所望の値へ移す機能を有する。装置や方法については、前記非特許文献１の３−Ｃ−１−ｃ４に記載されている。その説明には、本発明ユニットをカンチレバー信号駆動回路と検出回路の間に挿入し、正帰還回路を構成することによってＱ値向上が可能であるとされている。また、負帰還回路を構成することによってＱ値の減少が可能であることは自明である。
７）トランスデュサー１７
アクティブＱフィードバック部１６で発生した電気信号を、カンチレバー１８へ振動制御用に制御力として伝える役割を有する。実施の形態例としては、例えばピエゾや、静電気力発生器、磁気力発生器、超音波発生器など多種に及ぶ。
８）カンチレバー１８
その先端と検体表面に働く微小な力や力勾配を検出するプローブである。
In addition, the
2)
It plays the role of converting the stage position into an electrical signal. As the
3)
It has a function of receiving an electrical signal from the
4)
With reference to the stage position obtained from the
5)
The electric signal received from the closed
6) Active
By performing vibration control of the cantilever 18, it has a function of shifting the Q value of the cantilever 18 to a desired value. The apparatus and method are described in 3-C-1-c4 of
7)
It has a role of transmitting the electric signal generated by the active
8) Cantilever 18
This probe detects a minute force or force gradient acting on the tip and the sample surface.
このように構成された装置の動作を以下に説明する。図４は本発明の第２の実施の形態の動作を示すフローチャートである。先ず、希望のステージ位置ｘｄをクローズドループ制御器４に座標位置信号として与える（Ｓ１）。次に、ステージ位置センサー２でステージ位置を測定し、ステージ位置検出器３から現在のステージ位置信号ｘｉとしてクローズドループ制御器４に与える（Ｓ２）。該クローズドループ制御器４はｘｄとｘｉとの差信号δｉを求め、記録する。ここで、δｉ＝ｘｉ−ｘｄである。但し、δ０＝０とする。
The operation of the apparatus configured as described above will be described below. FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the second embodiment of the present invention. First, the desired stage position xd is given as a coordinate position signal to the closed loop controller 4 (S1). Next, the stage position is measured by the
次に、クローズドループ制御器４は、│δｉ│＞誤差であるかどうかチェックする（Ｓ３）。誤差は図に示すステージスキャナが満足すべきステージ位置までステージを移動するに必要な値に設定される。例えば、誤差を大きくすると、ステージスキャナは目標のステージ位置まで到達することはできず、誤差を小さくすると、ステージスキャナは目標のステージ位置まで到達するのに要する時間がかかってしまう。
Next, the
ここで、│δｉ│≧誤差である場合には、以下の工程に移行し、│δｉ│＜誤差となった時には、δｉが十分に小さくなったことになるので、図に示すステージスキャナは動作を停止する。│δｉ│≧誤差である場合には、クローズドループ制御器４はＰＩＤ法で出力変数Ｖｉを演算し、ピエゾドライバー５に与える（Ｓ４）。ここで、クローズドループ制御器４の出力である出力変数ＶｉをＰＩＤ法で算出すると（１）式で与えられる。
Here, when | δi | ≧ error, the process proceeds to the following steps. When | δi | <error, δi has become sufficiently small, so the stage scanner shown in FIG. To stop. If | δi | ≧ error, the
ここで、Ｐ，Ｉ，ＤはＰＩＤ制御パラメータを表し、またｋは積分時定数をサンプリング時間で除算した整数値を表す。次に、クローズドループ制御器４はＶｉ＞Ｖｍｉｎであるかどうかチェックする（Ｓ５）。Ｖｉ＞Ｖｍｉｎの場合には、ステップＳ１１に進み、Ｖｉ≦Ｖｍｉｎの場合にはステップＳ７に進む。ステップＳ７の場合には、
Ｎ＝│δｉ／ｘｓ１│で回数Ｎを算出する。但し、Ｎは右辺を超えない整数とする。次に、カンチレバー１８の振動ダンピング時間を短かくできるような低いＱ値Ｑ１をアクティブＱフィードバック部１６へ送信する（Ｓ８）。
Here, P, I, and D represent PID control parameters, and k represents an integer value obtained by dividing the integration time constant by the sampling time. Next, the
The number of times N is calculated by N = | δi / xs1 |. N is an integer not exceeding the right side. Next, a low Q value Q1 that can shorten the vibration damping time of the cantilever 18 is transmitted to the active Q feedback unit 16 (S8).
次に、クローズドループ制御器１４からピエゾドライバー１５へ、ステップＳ９に示すような三角波の時系列データを送信する。ピエゾドライバー１５は、ステップＳ９に示すような三角波でピエゾステージ１を駆動する。この結果、Ｖｉ＞Ｖｍｉｎの条件が満たされるようになる。クローズドループ制御器１４は、アクティブＱフィードバック部１６へ所望のＱ値Ｑ０を送信する（Ｓ１０）。
Next, time series data of a triangular wave as shown in step S9 is transmitted from the closed
クローズドループ制御器１４は、ステップＳ１１においてＶｉ＜Ｖｍａｘであるかどうかチェックする（Ｓ１１）。Ｖｉ＜Ｖｍａｘである場合には、ステップＳ１６へ進む。Ｖｉ≧Ｖｍａｘである場合には、ピエゾの駆動電圧を超えているので、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、Ｎ＝│δｉ／ｘｓ０│で回数Ｎを算出する。但し、Ｎは右辺を超えない整数とする。次に、カンチレバー１８の振動ダンピング時間を短かくできるような低いＱ値Ｑ１をアクティブＱフィードバック部１６へ送信する（Ｓ１３）。
The
次に、クローズドループ制御器１４からピエゾドライバー１５へステップＳ１４に示すような三角波の時系列データを送信する。ピエゾドライバー１５は、ステップＳ１４に示すような三角波でピエゾステージ１を駆動する。この結果、Ｖｉ＜Ｖｍａｘの条件が満たされるようになる。クローズドループ制御器１４は、アクティブＱフィードバック部１６へ所望のＱ値Ｑ０を送信する（Ｓ１５）。
Next, time-series data of a triangular wave as shown in step S14 is transmitted from the closed
ステップＳ１１でＶｉ＜Ｖｍａｘの条件が満たされている場合には、クローズドループ制御器４からピエゾドライバー５へ値Ｖｉを持つ電気信号を送信する（Ｓ１６）。この場合、Ｖｉの状態はＶｉ−１からＶｉに急激に変動するのではなく、ステップＳ１６に示すような時間に対して直線的な変化が好ましい。
If the condition of Vi <Vmax is satisfied in step S11, an electric signal having a value Vi is transmitted from the closed
その後、ｉを１だけ更新し、ステップＳ２に戻る（Ｓ１７）。その際、Ｓ２からＳ１２までの流れを一回の作業として、作業の回数ｉだけ増す。
第２の実施の形態によれば、慣性駆動機構に対応したコンパクトなピエゾステージにおいて、ステージ位置センサーを備え、粗動と微動とを自動的に使い変えてステージをクローズドループ制御することによって、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することができ、またアクティブＱフィードバックを行なうことにより、Ｑ値を高くすることができ、検出信号のＳ／Ｎが改善され、出力される画像の画質を向上させることができる。
Thereafter, i is updated by 1, and the process returns to step S2 (S17). At that time, the flow from S2 to S12 is regarded as one operation, and the number of operations is increased by i.
According to the second embodiment, in a compact piezo stage corresponding to an inertial drive mechanism, a stage position sensor is provided, and the stage is closed-loop controlled by automatically changing between coarse movement and fine movement, thereby providing a wide range. A precise scanning range can be secured and precise position control can be realized, and the Q value can be increased by performing active Q feedback, the S / N of the detection signal is improved, and the output image Image quality can be improved.
また、第１及び第２の実施の形態によれば、ステージの目標位置ｘｄと、ステージ位置検出器から与えられる出力ｘｉとの差信号が所定の閾値以下になるようにクローズド制御することにより、ステージを目標位置に合わせ込むことが可能になる。 Further, according to the first and second embodiments, by performing the closed control so that the difference signal between the target position xd of the stage and the output xi given from the stage position detector is not more than a predetermined threshold value, The stage can be adjusted to the target position.
また、ピエゾに印加する電圧の上下限値を設定し、その範囲の中でステージを目標位置に合わせ込むことが可能となる。
また、ピエゾへの印加電圧が上下限値をはみ出す場合に、上下限値をはみ出さないように制御することが可能となる。
In addition, it is possible to set the upper and lower limit values of the voltage applied to the piezo, and to adjust the stage to the target position within the range.
Further, when the applied voltage to the piezo protrudes from the upper and lower limit values, it is possible to control so that the upper and lower limit values do not protrude.
更に、前記したステージスキャナを用いることで、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実施することができ、高精度の画質を得ることができる走査型プローブ顕微鏡を実現することができる。 Furthermore, by using the above-described stage scanner, it is possible to realize a scanning probe microscope that can ensure a wide scanning range, perform precise position control, and obtain high-accuracy image quality.
このように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
１）慣性駆動機能を持ったコンパクトなピエゾステージにおいて、位置センサーを取り入れ、更に自動で微動と粗動とを切り替え、適切な信号をステージに送信することによって、走査範囲を広範囲にできかつ精密位置制御ができる。
２）慣性駆動機能を持ったコンパクトなピエゾステージを走査型顕微鏡に搭載するに当たって、慣性駆動時にカンチレバーに誘起される振動ノイズが問題となっていたが、アクティブＱフィードバック装置を組み込み、更に慣性駆動時に一時的にダンピングを強化し、それ以外の時に測定に応じた所望のＱ値に、設定Ｑ値を適宜時間変化できるように改良することによって、慣性駆動時に伴う振動ノイズが抹消された画像測定が可能になる。
Thus, according to the present invention, the following effects can be obtained.
1) A compact piezo stage with an inertial drive function incorporates a position sensor, automatically switches between fine movement and coarse movement, and sends an appropriate signal to the stage, allowing a wide scanning range and precise position. Can control.
2) When mounting a compact piezo stage with an inertial drive function on a scanning microscope, vibration noise induced by the cantilever during inertial drive has become a problem. Temporarily strengthening the damping and improving the setting Q value to the desired Q value according to the measurement at other times so that the set Q value can be changed over time. It becomes possible.
１ ピエゾステージ
２ ステージ位置センサー
３ ステージ位置検出器
４ クローズドループ制御器
５ ピエゾドライバー
1
Claims (6)
該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサーと、
該ステージ位置センサーから電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器と、
ステージの目標とすべき位置信号を入力し、該位置信号と前記ステージ位置検出器から得られたステージ位置とを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力するクローズドループ制御器と、
該クローズドループ制御器から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージに印加するピエゾドライバーと、
を有して構成されることを特徴とするステージスキャナ。 Piezo stage consisting of piezo with stage placed on it,
A stage position sensor for converting the stage position into an electrical signal;
A stage position detector that receives an electrical signal from the stage position sensor and outputs a stage position;
A position signal to be a target of the stage is input, the position signal is compared with the stage position obtained from the stage position detector, and the stage is moved to a desired position according to the comparison result. A closed-loop controller that outputs a signal;
A piezoelectric driver that converts the electrical signal received from the closed-loop controller into a drive signal that can be driven by the piezo and applies it to the piezo stage;
A stage scanner comprising: a stage scanner.
該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサーと、
該ステージ位置センサーから電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器と、
ステージの目標とすべき位置信号を入力し、該位置信号と前記該ステージ位置検出器から得られたステージ位置とを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力すると共に、慣性駆動時の前後の時間間隔でダンピング時間が低下できるように小さいＱ値を、それ以外の時間において所望のＱ値を送信するクローズドループ制御器と、
該クローズドループ制御器から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージに印加するピエゾドライバーと、
カンチレバーの振動制御を実施することによって、カンチレバーのＱ値を所望の値に移すアクティブＱフィードバック部と、
該アクティブＱフィードバック部で発生した電気信号をカンチレバーへ振動制御用に制御力として伝えるトランスデュサーと、
を有して構成されることを特徴とするステージスキャナ。 Piezo stage consisting of piezo with stage placed on it,
A stage position sensor for converting the stage position into an electrical signal;
A stage position detector that receives an electrical signal from the stage position sensor and outputs a stage position;
A position signal to be a target of the stage is input, the position signal is compared with the stage position obtained from the stage position detector, and the stage is moved to a desired position according to the comparison result. A closed-loop controller that outputs an electrical signal and transmits a small Q value so that the damping time can be reduced at time intervals before and after inertial driving, and a desired Q value at other times;
A piezoelectric driver that converts the electrical signal received from the closed-loop controller into a drive signal that can be driven by the piezo and applies it to the piezo stage;
An active Q feedback unit that shifts the Q value of the cantilever to a desired value by performing vibration control of the cantilever;
A transducer for transmitting an electrical signal generated by the active Q feedback unit to the cantilever as a control force for vibration control;
A stage scanner comprising: a stage scanner.
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| JP2008130409A JP2009276318A (en) | 2008-05-19 | 2008-05-19 | Stage scanner and scanning probe microscope |
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|---|---|---|---|---|
| WO2020129245A1 (en) * | 2018-12-21 | 2020-06-25 | 株式会社島津製作所 | Scanning probe microscope |
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- 2008-05-19 JP JP2008130409A patent/JP2009276318A/en not_active Withdrawn
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