JP4904495B2 - High-band atomic force microscope - Google Patents
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Description
本発明は、高帯域原子間力顕微鏡装置に関する。 The present invention relates to a high-band atomic force microscope apparatus.
原子間力顕微鏡装置(Atomic Force Microscope(AFM))とは、カンチレバと呼ばれる微細なテコに取り付けられた探針を試料表面に沿って走査し、試料と探針の間に働く原子間力によるカンチレバのたわみと摩擦力によるゆがみとを測定することで、試料の表面構造をナノスケールで測定する装置である(非特許文献1参照)。 An atomic force microscope (AFM) is a cantilever that scans a probe attached to a fine lever called a cantilever along the surface of the sample and uses an atomic force acting between the sample and the probe. This is a device that measures the surface structure of a sample on a nanoscale by measuring the deflection of the sample and the distortion caused by the frictional force (see Non-Patent Document 1).
たわみとゆがみの測定には、レーザ光をカンチレバ背面に斜めから入射して、カンチレバの変位によるレーザ光の反射角の変化を、四分割フォトダイオードに入射する光強度の相対変化として検出する手法(光テコ方式)と、光ファイバをカンチレバ背面の数μmの位置に近づけて、ファイバ端面で反射したレーザ光とテコ背面で反射したレーザ光の干渉を測定する手法(光干渉方式)の二種類の検出方法がある(非特許文献1参照)。 To measure deflection and distortion, a laser beam is incident obliquely on the back of the cantilever, and the change in the reflection angle of the laser beam due to the displacement of the cantilever is detected as a relative change in the light intensity incident on the quadrant photodiode ( Optical lever method) and two methods of measuring the interference between the laser beam reflected from the end of the fiber and the laser beam reflected from the rear surface of the optical fiber (optical interference method). There is a detection method (see Non-Patent Document 1).
従来、試料の表面形状を解析する方式として、次のような方式が考えられてきた。すなわち、Z軸の微動ピエゾに制御をかけない開ループ系において、時刻tのときの四分割フォトダイオードからの出力電圧y(t)をそのまま変換して表面形状として記録する方式(開ループ方式)と、カンチレバの変位が一定になるようピエゾのZ軸を制御する閉ループ系において、時刻tのときのピエゾへの入力電圧u(t)、すなわちピエゾへの駆動電圧を変換して表面形状として記録する方式(閉ループ方式)である。 Conventionally, the following method has been considered as a method for analyzing the surface shape of a sample. That is, in an open loop system in which the Z-axis fine movement piezo is not controlled, the output voltage y (t) from the quadrant photodiode at time t is converted as it is and recorded as a surface shape (open loop system). In the closed loop system that controls the Z-axis of the piezo so that the displacement of the cantilever is constant, the input voltage u (t) to the piezo at time t, that is, the drive voltage to the piezo is converted and recorded as a surface shape. This is a closed loop method.
開ループ方式には、試料とカンチレバとから構成されるプラントの機械共振による影響を出力が受ける問題点や、フィードバックをかけていないため、試料表面の起伏変化の大きな表面形状に対してカンチレバと試料表面が離れ測定不可能になるという問題点がある。従って、殆どのAFMでは、閉ループ方式が採用されている。他の精密位置決め機器と同様、AFMの帯域は、サンプリング周波数により決まるナイキスト周波数とプラントの共振周波数によって制限されている。 In the open loop method, the output is affected by the mechanical resonance of the plant consisting of the sample and the cantilever, and because no feedback is applied, the cantilever and sample can be used for surface shapes with large undulation changes on the sample surface. There is a problem that the surface is separated and measurement becomes impossible. Therefore, most AFMs employ a closed loop method. As with other precision positioning devices, the AFM bandwidth is limited by the Nyquist frequency determined by the sampling frequency and the resonant frequency of the plant.
AFMは、1986年のノーベル物理学賞の対象となった走査型トンネル顕微鏡(STM)を発展させた発明であり、上述したように、フィードバック制御なしでは実現不可能な製品である。 AFM is an invention developed from the scanning tunneling microscope (STM), which was the subject of the 1986 Nobel Prize in Physics, and as mentioned above, it is a product that cannot be realized without feedback control.
近年、AFMの制御として、従来から用いられている、比例制御又はPI制御のような古典制御に加えて、以下に示すような、アドバンスト制御が用いられるようになってきた。例えば、非特許文献2では、H∞ループシェープング制御法がAFMに適用されており、非特許文献3では適応制御理論がAFMに適用されている。また、非特許文献4では、フィードバック制御のみ、つまり1自由度制御系であった従来法に対し、フィードフォワード制御も用いた2自由度H∞制御系がAFMに適用されており、従来法より測定誤差を抑えAFMの高速走査を実現している。
In recent years, advanced control as described below has been used as AFM control in addition to classical control such as proportional control or PI control conventionally used. For example, in
しかしながら、これらは、フィードバック特性を周波数整形や適応制御により改善しようとする試みであるので、プラントの共振特性やサンプリング周波数、Bodeの積分定理などといった本質的にフィードバック制御系が受ける制約により、AFMの帯域が低くなることを免れない。 However, these are attempts to improve the feedback characteristics by frequency shaping or adaptive control. Therefore, due to constraints inherent in the feedback control system such as the resonance characteristics of the plant, the sampling frequency, the integration integral of the Bode, etc., The band is inevitable.
本発明は、AFMで用いられてきた従来のアドバンスト制御が有する上記問題点を解決するためになされたものある。本発明は、運動制御に用いられてきた外乱オブザーバによる推定機構(非特許文献5参照)をAFMに適用する。これにより、本発明は、AFMで計測する物体の表面形状を、高精度で推定することを可能にし、フィードバック制御系が受ける制約を緩和して、高帯域のAFMを提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the conventional advanced control used in the AFM. The present invention applies an estimation mechanism (see Non-Patent Document 5) using a disturbance observer, which has been used for motion control, to the AFM. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a high-band AFM by making it possible to estimate the surface shape of an object measured by the AFM with high accuracy, relieving restrictions imposed on the feedback control system. .
上記課題を解決するために、請求項1の発明は、試料表面の表面形状を推定する高帯域原子間力顕微鏡装置であって、試料表面と原子間力を介して相互作用する探針を有し、原子間力によってたわみ、摩擦力によってゆがみを生ずるカンチレバと、カンチレバに向けて第1のレーザ光を入射するレーザ光提供手段と、カンチレバが第1のレーザ光を反射することにより発せられた第2のレーザ光を検出する光検出手段と、試料を載せたピエゾと、カンチレバの変位が一定になるように、試料表面と探針との間の距離をピエゾに入力電圧を入力することにより制御し、第2のレーザ光の強度の相対変化からカンチレバのたわみとゆがみとを出力電圧として検出し、出力電圧から試料表面の表面形状を推定するコントローラと、推定された表面形状を記録するデータ記憶手段とを備え、コントローラは、入力電圧と出力電圧とを入力とし、出力電圧から得られる試料表面の表面形状を外乱オブザーバとみなして、試料表面の表面形状を推定するたことを特徴とする高帯域原子間力顕微鏡装置である。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of
請求項2の発明は、試料表面の表面形状を推定する高帯域原子間力顕微鏡装置であって、試料表面と原子間力を介して相互作用する探針を有し、原子間力によってたわみ、摩擦力によってゆがみを生ずるカンチレバと、カンチレバに向けて第1のレーザ光を入射するレーザ光提供手段と、カンチレバが第1のレーザ光を反射することにより発せられた第2のレーザ光を検出する光検出手段と、試料を載せたピエゾと、カンチレバの変位が一定になるように、試料表面と探針との間の距離をピエゾに入力電圧を入力することにより制御し、第2のレーザ光の強度の相対変化からカンチレバのたわみとゆがみとを出力電圧として検出し、出力電圧から試料表面の表面形状を推定するコントローラと、推定された表面形状を記録するデータ記憶手段とを備え、コントローラは、入力電圧をゼロとして、出力電圧を入力とし、出力電圧から得られる試料表面の表面形状を外乱オブザーバとみなして、開ループ方式により試料表面の表面形状を推定することを特徴とする。
The invention of
請求項3の発明は、試料表面の表面形状を推定する高帯域原子間力顕微鏡装置であって、試料表面と原子間力を介して相互作用する探針を有し、原子間力によってたわみ、摩擦力によってゆがみを生ずるカンチレバと、カンチレバに向けて第1のレーザ光を入射するレーザ光提供手段と、カンチレバが第1のレーザ光を反射することにより発せられた第2のレーザ光を検出する光検出手段と、試料を載せたピエゾと、カンチレバの変位が一定になるように、試料表面と探針との間の距離をピエゾに入力電圧を入力することにより制御し、第2のレーザ光の強度の相対変化からカンチレバのたわみとゆがみとを出力電圧として検出し、出力電圧から試料表面の表面形状を推定するコントローラと、推定された表面形状を記録するデータ記憶手段とを備え、コントローラは、入力電圧と出力電圧とを入力とし、出力電圧から得られる試料表面の表面形状を外乱オブザーバとみなして、外乱オブザーバをフィードバックループとは独立の開ループとする閉ループ方式により試料表面の表面形状を推定することを特徴とする。
The invention of
請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の高帯域原子間力顕微鏡装置において、光検出手段は、四分割フォトダイオードであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the high-band atomic force microscope apparatus according to any one of the first to third aspects, the light detection means is a quadrant photodiode.
請求項5の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の高帯域原子間力顕微鏡装置において、レーザ光提供手段は、可視光半導体レーザであることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the high-band atomic force microscope apparatus according to any one of the first to fourth aspects, the laser beam providing means is a visible light semiconductor laser.
本発明によれば、閉ループ方式において、AFMで計測する物体の表面形状を推定する外乱オブザーバである表面形状オブザーバ(STO)は、フィードバックループとは独立な開ループで実現され、本発明に係るAFMの帯域は、閉ループ方式の安定性に影響を与えることはないため、フィードバック制御系よりも高帯域化されたAFMを提供することができる。 According to the present invention, in a closed loop system, a surface shape observer (STO) that is a disturbance observer for estimating the surface shape of an object measured by AFM is realized by an open loop independent of a feedback loop, and the AFM according to the present invention. This band does not affect the stability of the closed-loop system, so that it is possible to provide an AFM with a higher band than the feedback control system.
(実施形態1)
図1に、一例として、本発明に係るAFM100の概略図を示す。図1において、AFM100は、光テコ方式を採用しており、カンチレバ101に取り付けられた探針102を試料表面103に沿って走査し、試料表面103と探針102との間に働く原子間力によるカンチレバ101のたわみと摩擦力によるゆがみを測定することで、試料表面103の構造をナノスケールで測定する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a schematic diagram of an
図1に示したAFM100において、レーザ光104が、レーザ光提供手段110によってカンチレバ101の背面に斜めから入射される。そして、カンチレバ101のたわみとゆがみに起因する変位によるレーザ光104の反射角の変化が、四分割フォトダイオード105に入射するレーザ光106の強度の相対変化から検出される。最終的に、AFM100は、レーザ光106の強度の相対変化から、カンチレバ101のたわみとゆがみを検出し、試料表面103の構造を測定することができる。
In the AFM 100 shown in FIG. 1, the
なお、ここで示した態様は、あくまでも一例であって、レーザ光106の強度の相対変化を検出する装置は、四分割フォトダイオードに限らず、レーザ光の強度の相対変化を検出可能な光検出手段であればよい。また、レーザ光提供手段110として、例えば、可視光半導体レーザを用いることができる。
Note that the mode shown here is merely an example, and the device for detecting the relative change in the intensity of the
図1に示されているAFM100において、従来型開ループ方式を採用した場合、AFM100は、四分割フォトダイオード105からの時刻tのときの出力電圧y(t)をそのまま変換して試料表面103の表面形状d(t)として、データ記憶手段109に記録する。図1に示されているAMF100において、従来型開ループ方式を採用した場合、カンチレバ101の変位が一定になるようにピエゾ107のZ軸(ピエゾ上の試料表面に垂直な軸)を制御するコントローラ108の時刻tのときの入力電圧u(t)(ピエゾ107への駆動電圧)を変換して試料表面103の表面形状d(t)としてデータ記憶手段109に記録する。
In the
実施形態1に係る発明は、従来型開ループ方式及び従来型閉ループ方式を、外乱オブザーバによる推定機構を適用した制御を用いることによって改良された新型開ループ方式及び新型閉ループ方式を採用することにより、フィードバック制御系よりも高帯域化されたAFMを提供する。これにより、従来技術と比較して、高精度で試料表面103の表面形状を推定することが可能となる。
The invention according to Embodiment 1 adopts a new open-loop method and a new closed-loop method that are improved by using a control that applies an estimation mechanism by a disturbance observer over the conventional open-loop method and the conventional closed-loop method. Provided is an AFM having a higher bandwidth than a feedback control system. This makes it possible to estimate the surface shape of the
以下で、実施形態1のAFMにおける制御対象のモデル化について詳細に説明する。なお、以下のモデル化で用いるパラメータ群は、あくまでも一例であって、実施形態1は、これらのパラメータ群によって、いかなる制限も受けない。 Hereinafter, modeling of a control target in the AFM according to the first embodiment will be described in detail. Note that the parameter group used in the following modeling is merely an example, and the first embodiment is not limited by these parameter groups.
(フォース・カーブ)
図1に示した探針102を試料表面103に接触させる前後の、探針102と試料表面103との間の距離Rと探針102に働く力Nの関数を表示したものが図2に示されるフォース・カーブと呼ばれるグラフである。状態201は、探針102を試料表面103に近づける際、ある点で探針102が試料表面103にジャンプして吸着することを表している。その後、状態202で引力から斥力に変わり、状態203で探針102が試料表面103からジャンプして離れることを表している(非特許文献1参照)。
(Force curve)
FIG. 2 shows a function of the distance R between the
図3と図4により以下のようにして、状態201〜203を別な観点から確かめることができる。ここでは、短針102が試料表面103に接触する直前に、微動ピエゾ107のZ軸に、図3に示されているような山形の電圧を入力し、四分割フォトダイオード105から検出されるカンチレバ101のたわみの応答電圧(図4)を測定した。図4において、探針102が試料表面103に近づくときに生じる4.5[秒]付近の電圧の小さなジャンプ401は、状態201に対応し、探針102が試料表面103から離れるときの16[秒]付近の電圧の大きなジャンプ403は、状態203に対応する。−0.15[V]以上で出力電圧が飽和している領域402は、この時点で、状態202のように、探針102が試料表面103に吸着されてしまって、レーザ光106が四分割フォトダイオード105の感知範囲外に出てしまっていることを表す。
3 and 4, the states 201 to 203 can be confirmed from another viewpoint as follows. Here, immediately before the
上記のように、探針102と試料表面103の間に働く力が、引力と斥力に入れ替わる理由は、Lennard−Jonesポテンシャル(LJポテンシャル)を用いて説明できる。LJポテンシャルについて、次項で詳しく説明する。
As described above, the reason why the force acting between the
(LJポテンシャル)
非特許文献6に記載されているように、試料表面103から探針102に作用する力は、次式の典型的なLJポテンシャルで表される。
(LJ potential)
As described in
εは力の強さ、σは原子の大きさを表す。非特許文献6に記載されているように、nは9以上で15以下の整数であるとされているが、両項の指数が2:1という簡単な比をなすという理由から一般的にn=12が利用されている。式(1)を規格化したグラフが図5である。LJポテンシャルの重要な特徴として、距離Rが小さいところでの強い斥力(式(1)の第1項)、Rが大きいところでの弱い引力(式(1)の第2項)が挙げられる。LJポテンシャルは、後に図6を用いて説明するように、負のバネ係数−k2aを持つ長いバネ601(弱い引力)と大きな正のバネ係数k2bを持つ短いバネ602(強い斥力)の力学系として表すことが出来る。
ε represents the strength of the force, and σ represents the size of the atom. As described in
また、非特許文献7に記載されているように、カンチレバ101と試料表面103の間に働く相互作用力の区分線形モデルを図6のように図示できる。図6において、カンチレバ101からの作用力は、カンチレバ101の探針102(質量m)に、壁604に接着されている正のバネ係数k1を持つバネが、接続されている力学系として表されている。そして、図6において、探針102には、係数bの摩擦力発生源605が接続されており、後述するようにカンチレバ101の変位が、
Further, as described in Non-Patent Document 7, a piecewise linear model of the interaction force acting between the
で表されている。 It is represented by
図5と図6において、r1は引力が働く距離、r2はカンチレバ101の探針102から試料表面103までの距離を表す。
5 and 6, r 1 represents the distance at which attractive force works, and r 2 represents the distance from the
(コンタクトモード)
AFMの測定には、探針を試料表面に接触させずに測定するノンコンタクトモード、探針を試料表面に接触させながら測定するコンタクトモード、探針を振動させることで周期的に試料表面に接触させるタッピングモードがある。実施形態1は、最も基本的なコンタクトモードを用いてモデル化を行う。理想的なコンタクトモードの場合、式(1)の第1項が支配的であることから試料表面103からの作用力は斥力のみとみなすことができる。したがって、試料表面103にコンタクトした、その瞬間のバネの長さは自然長であるため、図7に示すように、バネ603の自然長をLa0、バネ601とバネ602を合成したバネ701のバネ係数をk2、自然長をLb0、時刻tのバネ603の長さをLa(t)、時刻tのバネ701の長さをLb(t)とおくと、質量mをもつ、カンチレバ101の探針102の運動方程式は、以下の式(2)のようになる。また、図7において、
(Contact mode)
AFM measurement uses a non-contact mode in which the probe is not in contact with the sample surface, a contact mode in which the probe is in contact with the sample surface, and periodically contacts the sample surface by vibrating the probe. There is a tapping mode. In the first embodiment, modeling is performed using the most basic contact mode. In the case of an ideal contact mode, since the first term of the formula (1) is dominant, the acting force from the
はピエゾ107に対するZ軸方向への操作による変位距離、 Is the displacement distance by the operation in the Z-axis direction with respect to the piezo 107,
は試料表面103の表面形状を表す。F(t)は、探針102がバネ701から受ける力、つまり試料表面103から探針102が受ける原子間力を示している。
Represents the surface shape of the
バネ701の長さLb(t)は
The length L b (t) of the
である。但し、 It is. However,
はピエゾ107のZ軸方向への操作による変位距離、 Is the displacement distance due to the operation of the piezo 107 in the Z-axis direction,
は試料表面103の表面形状を表す。La0−La(t)はカンチレバ101の変位
Represents the surface shape of the
を表しているので、 Because
を式(2)、(4)に代入して整理すると、 Substituting into Equations (2) and (4),
式(5)を、ラプラス変換を用いて変形すると When equation (5) is transformed using Laplace transform
式(6)から、プラント伝達関数を From equation (6), the plant transfer function is
とみなすと、試料表面103の表面形状を入力端外乱
Assuming that the surface shape of the
とみなせることが明らかとなった。実施形態1では、入力電圧u[V]に対するピエゾ107のZ軸方向への操作による変位距離 It became clear that it can be considered. In the first embodiment, the displacement distance due to the operation of the piezo 107 in the Z-axis direction with respect to the input voltage u [V].
[m]の比率は3.36[nm/V]であり、カンチレバ101の変位
The ratio of [m] is 3.36 [nm / V], and the displacement of the
[m]は、レーザ光106と四分割フォトダイオード105を用いて出力電圧y[V]に変換されている。この変換係数やアンプゲインも含め、プラント伝達関数は式(6)にある一定のゲインgを掛けて以下のように定義される。
[M] is converted into an output voltage y [V] using the
以上を踏まえて、本稿では使用したAFMのプラント伝達関数を、微動ピエゾ107のZ軸に電圧を入力し、四分割フォトダイオード105から検出されるカンチレバ101のたわみの応答電圧を測定する同定実験により式(8)とした。
Based on the above, the plant transfer function of the AFM used in this paper is an identification experiment in which a voltage is input to the Z-axis of the fine piezo 107 and the response voltage of the deflection of the
この同定したプラントのボーデ線図は図8と図9のようになる。 The Bode diagram of this identified plant is as shown in FIGS.
以下で、実施形態1のAFMにおける制御系の設計について詳細に説明する。 Hereinafter, the design of the control system in the AFM according to the first embodiment will be described in detail.
(コントローラの設計)
まず同定したモデルに対する制御器を設計する。プラントの3000Hzの共振モードを考慮して帯域300Hzのコントローラ108を設計した。コントローラ108は、以下で説明するようにして、試料表面103の表面形状を推定する。
(Controller design)
First, a controller for the identified model is designed. The
そして、C(s)とP(s)とから感度関数S(s)と補感度関数T(s)を求めると以下のようになる。 The sensitivity function S (s) and the complementary sensitivity function T (s) are obtained from C (s) and P (s) as follows.
感度関数S(s)を図10と図11に示し、補感度関数T(s)を図12と図13に示す。補感度関数T(s)は、この閉ループ系の試料表面103の表面形状dから画像化に使用する入力電圧uへのプラント伝達関数となる。
The sensitivity function S (s) is shown in FIGS. 10 and 11, and the complementary sensitivity function T (s) is shown in FIGS. The complementary sensitivity function T (s) is a plant transfer function from the surface shape d of the
(表面形状オブザーバ(STO)の設計)
前述したモデル化により式(6)から、図14に示すように、試料表面103の表面形状1401を時刻tにおける入力端外乱d(t)とみなせることが明らかになったので、入力端外乱d(t)を外乱オブザーバの理論(非特許文献5参照)により推定する新しい外乱オブザーバを導入できる。本発明では、この特別な外乱オブザーバを、表面形状オブザーバ(STO)と名付ける。入力電圧uと出力電圧yから試料表面103の表面形状の推定値
(Design of surface shape observer (STO))
From the above-described modeling, it has become clear from Equation (6) that the
は図14に示すSTO1400により得る事ができる。STO1400は、プラント伝達関数(式(8))、ノミナルプラントの逆モデル(式(10))、およびカットオフ周波数ωcのローパスフィルタ(式(11))を用いて、表面形状を推定する。具体的には、図14に示されているように、出力信号y(t)に式(10)をかけた信号からU(t)を引くことにより、d(t)が推定できる。さらに式(10)により拡大される測定ノイズの影響を低減させるために式(11)を用いて推定値を得る。
Can be obtained by the
但し添え字nは各パラメータのノミナル化を表している。 Note that the subscript n represents the nominalization of each parameter.
図18に示されているように、開ループ系の推定ブロック1800において、STO1400を用いて出力1802を得る方式を、新型開ループ方式という。ただし、推定ブロック1800では、入力電圧uを0とし、探針102が試料表面103に接触して、カンチレバ101がたわんだ位置を出力電圧yの原点としている。図18において、rは、探針102が試料表面103上で位置する場所の座標を表している。
As shown in FIG. 18, a method of obtaining an
ここで、推定ブロック1800から、従来技術と同様に、出力1801を得る方式を従来型開ループ方式という。
Here, the method of obtaining the
通常、閉ループ系全体の帯域はナイキスト周波数の制限を受ける。しかし、実施形態1では、図19に示されているように、推定ブロック1900において、STO1400が、フィードバックループ1901とは独立に、開ループの外乱オブザーバとして、実現されている。したがって、推定ブロック1900全体は、閉ループ系であるが、STO1400による推定は、フィードバックループ1901により作られる閉ループ系に含まれないため、閉ループ系全体の帯域をより上げられるという利点を持つ。この新型の閉ループ系から出力1902を得る方式を新型閉ループ方式という。ここでは、一例として、新型閉ループ方式の帯域を2000としたが、本発明は、新型閉ループ方式の帯域の値に制限されない。新型閉ループ方式の外乱オブザーバの周波数応答は
Normally, the bandwidth of the entire closed loop system is limited by the Nyquist frequency. However, in the first embodiment, as shown in FIG. 19, in the
となる。Q(s)のボーデ線図を図15と図16に示す。 It becomes. The Bode diagram of Q (s) is shown in FIGS.
図19において、推定ブロック1900から、従来技術と同様に、出力1903を得る方式を従来型閉ループ方式という。
In FIG. 19, the method of obtaining the
以下で、実施形態1のAFMにおける制御系の性能をシミュレーションにより検証する。 Hereinafter, the performance of the control system in the AFM according to the first embodiment will be verified by simulation.
図18は、開ループ方式におけるSTOのブロック図であり、図19は、閉ループ方式におけるSTOのブロック図である。開ループ系ではZ軸ピエゾに信号が入力せず、また閉ループ系では探針が接触してカンチレバが微小にたわんだ位置をy(t)の原点にするため、それぞれの系における目標値は0とする。従来法では、開ループ系では出力電圧y(t)を、開ループ系では入力電圧u(t)を試料の表面形状として測定している。ただし、表面形状と入力電圧u(t)は符号が反対になるため、測定時には−u(t)を従来型閉ループ方式の出力電圧として記録している。 FIG. 18 is a block diagram of the STO in the open loop system, and FIG. 19 is a block diagram of the STO in the closed loop system. In the open loop system, no signal is input to the Z-axis piezo, and in the closed loop system, the position where the probe touches and the cantilever bends slightly is the origin of y (t), so the target value in each system is 0. And In the conventional method, the output voltage y (t) is measured as the surface shape of the sample in the open loop system and the input voltage u (t) is measured in the open loop system. However, since the surface shape and the input voltage u (t) have opposite signs, -u (t) is recorded as the output voltage of the conventional closed loop method at the time of measurement.
図20は、実施形態1に係るAFMにおいて、開ループ方式を採用して、矩形波の試料表面を走査したときの出力電圧をシミュレーションした結果を示す図である。図20の従来型開ループ方式は、図18のブロック図に従って出力1801をシミュレーションした結果を示す。図20の新型開ループ方式は、図18のブロック図に従って出力1802をシミュレーションした結果を示す。
FIG. 20 is a diagram illustrating a result of simulating an output voltage when the AFM according to the first embodiment employs an open loop method and scans a rectangular wave sample surface. The conventional open loop method of FIG. 20 shows the result of simulating the
図21は、実施形態1に係るAFMにおいて、開ループ方式を採用して、正弦波の試料表面を走査したときの出力電圧をシミュレーションした結果を示す図である。図21の従来型開ループ方式は、図18のブロック図に従って出力1801をシミュレーションした結果を示す。図21の新型開ループ方式は、図18のブロック図に従って出力1802をシミュレーションした結果を示す。
FIG. 21 is a diagram illustrating a result of simulating an output voltage when the AFM according to the first embodiment employs an open loop method and scans a sine wave sample surface. The conventional open loop method of FIG. 21 shows the result of simulating the
図22は、実施形態1に係るAFMにおいて、閉ループ方式を採用して、矩形波の試料表面を走査したときの出力電圧をシミュレーションした結果を示す図である。図22の従来型閉ループ方式は、図19のブロック図に従って出力1903をシミュレーションした結果を示す。図22の新型閉ループ方式は、図19のブロック図に従って出力1902をシミュレーションした結果を示す。
FIG. 22 is a diagram illustrating a result of simulating an output voltage when the AFM according to the first embodiment employs a closed-loop method and scans a rectangular wave sample surface. The conventional closed loop system of FIG. 22 shows the result of simulating the
図23は、実施形態1に係るAFMにおいて、閉ループ方式を採用して、正弦波の試料表面を走査したときの出力電圧をシミュレーションした結果を示す図である。図23の従来型閉ループ方式は、図19のブロック図に従って出力1903をシミュレーションした結果を示す。図22の新型閉ループ方式は、図19のブロック図に従って出力1902をシミュレーションした結果を示す。
FIG. 23 is a diagram illustrating a result of simulating an output voltage when the AFM according to the first embodiment employs a closed loop method and scans a sine wave sample surface. The conventional closed loop system of FIG. 23 shows the result of simulating the
図24は、実施形態1に係るAFMにおいて、距離Rを一定にして、矩形波の試料表面を走査したときの出力電圧をシミュレーションした結果示す図である。図24の新型開ループ方式は、図18のブロック図に従って出力1802をシミュレーションした結果を示す。図24の新型閉ループ方式は、図19のブロック図に従って出力1902をシミュレーションした結果を示す。
FIG. 24 is a diagram illustrating a result of simulating an output voltage when the AFM according to the first embodiment scans a rectangular wave sample surface with the distance R constant. The new open loop method of FIG. 24 shows the result of simulating the
図25は、実施形態1に係るAFMにおいて、距離Rを一定にして、正弦波の試料表面を走査したときの出力電圧をシミュレーションした結果を示す図である。図25の新型開ループ方式は、図18のブロック図に従って出力1802をシミュレーションした結果を示す。図25の新型閉ループ方式は、図19のブロック図に従って出力1902をシミュレーションした結果を示す。
FIG. 25 is a diagram illustrating a simulation result of an output voltage when the AFM according to the first embodiment scans the sample surface of a sine wave with the distance R being constant. The new open loop method of FIG. 25 shows the result of simulating the
なお、図24と図25でシミュレーション結果を示したシミュレーションにおけるピエゾのZ軸方向への操作による変位距離は3.36[nm/V]である。 Note that the displacement distance due to the operation of the piezo in the Z-axis direction in the simulation whose simulation results are shown in FIGS. 24 and 25 is 3.36 [nm / V].
従来型開ループ方式の周波数応答は、y(s)/d(s)=P(s)よりプラントのボーデ線図である図8と図9に示されている。ステップ状の表面形状を外乱信号dとして与えると、プラントの共振モードが励振されるため、図20に示すように、従来型開ループ方式では振動的な応答となってしまい、新型開ループ方式より性能が劣る。 The frequency response of the conventional open loop system is shown in FIGS. 8 and 9 which are Bode diagrams of the plant from y (s) / d (s) = P (s). When the step-shaped surface shape is given as the disturbance signal d, the resonance mode of the plant is excited, and therefore, as shown in FIG. The performance is inferior.
従来型閉ループ方式の周波数応答は、u(s)/d(s)=T(s)より、図10と図11に示される系の補感度関数となる。このため、従来型閉ループ方式では、帯域が300Hzに制限され、図22に示されているとおり約3msの遅れをもつ結果となった。これは急激な試料表面103の表面形状の変化に対して追従できず、AFMにより測定される画像が不鮮明になることを意味する。STOの周波数応答は、開ループ方式か閉ループ方式であるかに関わらず
The frequency response of the conventional closed loop system is a complementary sensitivity function of the system shown in FIGS. 10 and 11 from u (s) / d (s) = T (s). For this reason, in the conventional closed loop system, the band is limited to 300 Hz, resulting in a delay of about 3 ms as shown in FIG. This means that it cannot follow the rapid change in the surface shape of the
より、図15と図16に示されているようになる。帯域2000Hzでオブザーバを設計しているため、図22に示されているとおり、新型閉ループ方式は、目標値より0.5msほど遅れてしまうが、これは従来型閉ループ方式よりも遥かに優位な結果である。以上より、新型開ループ方式、新型閉ループ方式、共に、従来型よりも優位性があると結論できる。 As shown in FIG. 15 and FIG. Since the observer is designed with a bandwidth of 2000 Hz, as shown in FIG. 22, the new closed loop method is delayed by about 0.5 ms from the target value, which is a result that is far superior to the conventional closed loop method. It is. From the above, it can be concluded that both the new open loop method and the new closed loop method have advantages over the conventional type.
ここで一つ問題となってくるのが、新型開ループ方式、新型閉ループ方式の違いである。この違いを、判断する基準の一つとして、試料表面103と探針102との距離Rがある。図5に示されているように、LJポテンシャルの斥力部分の傾きは、線形な傾きではない。この点については、実施形態1に係るモデル化の過程において考慮されていない。しかし、実際には、距離Rによって、LJポテンシャルの斥力部分の傾き、つまり式(7)におけるk2の値は、距離Rに依存して変化するのである。したがって、実施形態1に係るモデルの特徴は、距離Rをなるべく一定に保って、試料表面103を走査したときに、現れる。距離Rはバネk2の長さLb(t)によって表されている。Rの初期値からのズレを
One problem here is the difference between the new open-loop method and the new closed-loop method. One of the criteria for judging this difference is the distance R between the
とすると、式(4)より、 Then, from equation (4),
となる。 It becomes.
図24は、実施形態1に係るAFMにおいて、 FIG. 24 illustrates an AFM according to the first embodiment.
を一定として、矩形波の試料表面103を走査したときの出力電圧をシミュレーションした結果を示す図である。
Is a diagram showing the result of simulating the output voltage when scanning the
図25は、実施形態1に係るAFMにおいて、 FIG. 25 illustrates an AFM according to the first embodiment.
を一定として、正弦波の試料表面を走査したときの出力電圧をシミュレーションした結果を示す図である。 Is a diagram showing the result of simulating the output voltage when scanning the surface of a sine wave sample with a constant value.
図25に示されているように、新型閉ループ系の方が新型開ループ系よりも As shown in FIG. 25, the new closed-loop system is better than the new open-loop system.
が小さい事から、優位性があることが判る。 From the fact that is small, it can be seen that there is an advantage.
以下で、実施形態1のAFMを実際に用いて得られた実験結果について述べる。
Hereinafter, experimental results obtained by actually using the AFM of
(ピエゾZ軸への信号入力)
ここでは、探針102を試料表面103に接触させ、走査を行わず試料表面103の一点で固定させている状態で、ピエゾ107のZ軸に信号を印加して擬似的な外乱信号d(t)すなわち試料表面103の表面形状を作り出し、実施形態1に係るAFMを用いて、出力電圧を計測した結果について述べる。
(Signal input to the piezo Z axis)
Here, a pseudo disturbance signal d (t) is applied by applying a signal to the Z-axis of the piezo 107 while the
図26は、実施形態1に係るAFMにおいて、開ループ方式を採用して、矩形波の試料表面を走査したときの出力電圧を示す図である。図26の従来型開ループ方式は、図18のブロック図における出力1801を計測した結果を示す。図26の新型開ループ方式は、図18のブロック図における出力1802を計測した結果を示す。
FIG. 26 is a diagram illustrating an output voltage when the AFM according to the first embodiment employs an open loop method and scans a rectangular wave sample surface. The conventional open loop method of FIG. 26 shows the result of measuring the
図27は、実施形態1に係るAFMにおいて、開ループ方式を採用して、正弦波の試料表面を走査したときの出力電圧を示す図である。図27の従来型開ループ方式は、図18のブロック図における出力1801を計測した結果を示す。図27の新型開ループ方式は、図18のブロック図における出力1802を計測した結果を示す。
FIG. 27 is a diagram illustrating an output voltage when the AFM according to the first embodiment employs an open loop method and scans a sine wave sample surface. The conventional open loop method of FIG. 27 shows the result of measuring the
図28は、実施形態1に係るAFMにおいて、閉ループ方式を採用して、矩形波の試料表面を走査したときの出力電圧を示す図である。図28の従来型閉ループ方式は、図19のブロック図における出力1903を計測した結果を示す。図28の新型閉ループ方式は、図19のブロック図における出力1902を計測した結果を示す。
FIG. 28 is a diagram illustrating an output voltage when the AFM according to the first embodiment employs a closed loop method and scans a rectangular wave sample surface. The conventional closed loop system of FIG. 28 shows the result of measuring the
図29は、実施形態1に係るAFMにおいて、閉ループ方式を採用して、正弦波の試料表面を走査したときの出力電圧を示す図である。図29の従来型閉ループ方式は、図19のブロック図における出力1903を計測した結果を示す。図29の新型閉ループ方式は、図19のブロック図における出力1902を計測した結果を示す。
FIG. 29 is a diagram illustrating an output voltage when the AFM according to the first embodiment employs a closed loop method and scans a sine wave sample surface. The conventional closed loop method of FIG. 29 shows the result of measuring the
図20と図22に示されているシミュレーションの結果と同様に、図26と図28に示されている結果より、実施形態1に係るAFMを実際に動作させた場合でも、新型開ループ方式、新型閉ループ方式、共に、従来型よりも優位性があると結論できる。しかし、図21に示されているシミュレーションの結果と異なり、図27に示されている結果より、実施形態1に係るAFMにおいて開ループ方式を採用して実際に動作させた場合には、AFMが正弦波の試料表面の表面形状に一部追従しない現象が起きてしまう。これは、大きな試料表面の表面形状に追従できないという開ループ方式の欠点を表している。 Similar to the simulation results shown in FIG. 20 and FIG. 22, from the results shown in FIG. 26 and FIG. 28, even when the AFM according to the first embodiment is actually operated, It can be concluded that both the new closed-loop method have advantages over the conventional type. However, unlike the simulation results shown in FIG. 21, from the results shown in FIG. 27, when the AFM according to the first embodiment is actually operated using the open loop method, A phenomenon that does not partially follow the surface shape of the sine wave sample surface occurs. This represents a drawback of the open loop method that cannot follow the surface shape of the large sample surface.
図30は、実施形態1に係るAFMにおいて、 FIG. 30 illustrates an AFM according to the first embodiment.
を一定として、矩形波の試料表面103を走査したときの出力電圧を示す図である。図30の新型開ループ方式は、図18のブロック図における出力1802を計測した結果を示す。図30の新型閉ループ方式は、図19のブロック図における出力1902を計測した結果を示す。
Is a diagram showing an output voltage when the
図31は、実施形態1に係るAFMにおいて、 FIG. 31 is a diagram illustrating an AFM according to the first embodiment.
を一定として、正弦波の試料表面を走査したときの出力電圧を示す図である。図31の新型開ループ方式は、図18のブロック図における出力1802を計測した結果を示す。図31の新型閉ループ方式は、図19のブロック図における出力1902を計測したした結果を示す。
Is a diagram showing an output voltage when a sample surface of a sine wave is scanned with a constant value. The new open loop method of FIG. 31 shows the result of measuring the
図30と図31に示すように、この出力電圧が小さい事から新型閉ループ方式の優位性を確認できる。 As shown in FIGS. 30 and 31, since the output voltage is small, the superiority of the new closed loop system can be confirmed.
(n−Siの観察)
図32は、実施形態1に係るAFMにおいて、従来型開ループ方式を採用して、n−Si基盤を走査して得られた画像を示す図である。図33は、実施形態1に係るAFMにおいて、新型開ループ方式を採用して、n−Si基盤を走査して得られた画像を示す図である。図34は、実施形態1に係るAFMにおいて、従来型閉ループ方式を採用して、n−Si基盤を走査して得られた画像を示す図である。図35は、実施形態1に係るAFMにおいて、新型閉ループ方式を採用して、n−Si基盤を走査して得られた画像を示す図である。
(Observation of n-Si)
FIG. 32 is a diagram illustrating an image obtained by scanning the n-Si substrate using the conventional open loop method in the AFM according to the first embodiment. FIG. 33 is a diagram illustrating an image obtained by scanning the n-Si substrate using the new open loop method in the AFM according to the first embodiment. FIG. 34 is a diagram illustrating an image obtained by scanning the n-Si substrate using the conventional closed loop method in the AFM according to the first embodiment. FIG. 35 is a diagram illustrating an image obtained by scanning the n-Si substrate using the new closed-loop method in the AFM according to the first embodiment.
図32〜図35は、実施形態1に係るAFMにおいて、走査対象となる試料として、表面に数nm程度の荒さを持つn−Si基盤を用いて得られた画像を示している。画像は100nm×100nmのレンジである。図32と図33に示されているように、開ループ方式を採用したAFMは、試料表面の表面形状に追従しきれず、走査対象を適切に画像化することは不可能だった。しかし、閉ループ方式を採用したAFMは、試料表面の表面形状に追従でき、走査対象を適切に画像化することができた。さらに、図35に示されているように、実施形態1に係る新型閉ループ方式を採用したAFMは、図32と図33に示されている開ループ方式を採用したAFMにより画像化された画像よりも、はっきりと、走査対象を画像化することができる。これにより、実際のAFMによる試料表面の画像化においても、実施形態1に係る新型閉ループ方式が従来方式と比較して優位であると言える。 32 to 35 show images obtained by using the n-Si substrate having a roughness of about several nm on the surface as a sample to be scanned in the AFM according to the first embodiment. The image has a range of 100 nm × 100 nm. As shown in FIGS. 32 and 33, the AFM that employs the open loop method cannot follow the surface shape of the sample surface, and it is impossible to appropriately image the scanning target. However, the AFM employing the closed loop method can follow the surface shape of the sample surface, and can appropriately image the scanning target. Furthermore, as shown in FIG. 35, the AFM that employs the new closed loop method according to the first embodiment is based on images imaged by the AFM that employs the open loop method shown in FIGS. 32 and 33. However, the object to be scanned can be clearly imaged. Thereby, it can be said that the new closed loop method according to the first embodiment is superior to the conventional method in imaging the sample surface by actual AFM.
(実施形態2)
以下で、実施形態2のAFMにおける原子間力オブザーバ(AFO)の設計について詳細に説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, the design of the atomic force observer (AFO) in the AFM of the second embodiment will be described in detail.
式(3)においてカンチレバ101が試料表面103から受ける原子間力を定義した。前述したSTOと同様の考え方で、出力電圧yから原子間力F(t)を推定する手法がAFOである。式(2)に式(a)を代入し、両辺をラプラス変換することから次式を得る。
In the formula (3), the atomic force that the
この式を用いて外乱オブザーバを設計する。AFOはSTOと同様、ノミナルプラントPn2(s)の逆モデルとカットオフ周波数ωc2のローパスフィルタにより構成される。AFOのブロック図を図17に示す。 A disturbance observer is designed using this equation. As with STO, the AFO is composed of an inverse model of the nominal plant P n2 (s) and a low-pass filter having a cutoff frequency ω c2 . A block diagram of the AFO is shown in FIG.
100 AFM
101 カンチレバ
102 探針
103 試料表面
104 レーザ光
105 四分割フォトダイオード
106 レーザ光
107 ピエゾ
108 コントローラ
109 データ記憶手段
100 AFM
101
Claims (5)
前記試料表面と原子間力を介して相互作用する探針を有し、前記原子間力によってたわみ、摩擦力によってゆがみを生ずるカンチレバと、
前記カンチレバに向けて第1のレーザ光を入射するレーザ光提供手段と、
前記カンチレバが前記第1のレーザ光を反射することにより発せられた第2のレーザ光を検出する光検出手段と、
前記試料を載せたピエゾと、
前記カンチレバの変位が一定になるように、前記試料表面と前記探針との間の距離を前記ピエゾに入力電圧を入力することにより制御し、前記第2のレーザ光の強度の相対変化から前記カンチレバの前記たわみと前記ゆがみとを出力電圧として検出し、前記出力電圧から前記試料表面の表面形状を推定するコントローラと、
推定された前記表面形状を記録するデータ記憶手段とを備え、
前記コントローラは、前記入力電圧と前記出力電圧とを入力とし、前記出力電圧から得られる前記試料表面の表面形状を外乱オブザーバとみなして、前記試料表面の表面形状を推定することを特徴とする高帯域原子間力顕微鏡装置。 A high-band atomic force microscope that estimates the surface shape of a sample surface,
A cantilever having a probe that interacts with the sample surface via an interatomic force, deflected by the interatomic force, and distorted by a frictional force;
A laser beam providing means for entering the first laser beam toward the cantilever;
A light detection means for detecting a second laser light emitted by the cantilever reflecting the first laser light;
Piezo on which the sample is placed;
As the displacement of the cantilever becomes constant, the distance between the probe and the sample surface is controlled by inputting an input voltage to the piezo, from said relative change in the intensity of the second laser beam A controller that detects the deflection and distortion of the cantilever as an output voltage, and estimates a surface shape of the sample surface from the output voltage;
Data storage means for recording the estimated surface shape ,
The controller receives the input voltage and the output voltage, and regards the surface shape of the sample surface obtained from the output voltage as a disturbance observer, and estimates the surface shape of the sample surface. Band atomic force microscope.
前記試料表面と原子間力を介して相互作用する探針を有し、前記原子間力によってたわみ、摩擦力によってゆがみを生ずるカンチレバと、
前記カンチレバに向けて第1のレーザ光を入射するレーザ光提供手段と、
前記カンチレバが前記第1のレーザ光を反射することにより発せられた第2のレーザ光を検出する光検出手段と、
前記試料を載せたピエゾと、
前記カンチレバの変位が一定になるように、前記試料表面と前記探針との間の距離を前記ピエゾに入力電圧を入力することにより制御し、前記第2のレーザ光の強度の相対変化から前記カンチレバの前記たわみと前記ゆがみとを出力電圧として検出し、前記出力電圧から前記試料表面の表面形状を推定するコントローラと、
推定された前記表面形状を記録するデータ記憶手段とを備え、
前記コントローラは、前記入力電圧をゼロとして、前記出力電圧を入力とし、前記出力電圧から得られる前記試料表面の表面形状を外乱オブザーバとみなして、開ループ方式により前記試料表面の表面形状を推定することを特徴とする高帯域原子間力顕微鏡装置。 A high-band atomic force microscope that estimates the surface shape of a sample surface,
A cantilever having a probe that interacts with the sample surface via an interatomic force, deflected by the interatomic force, and distorted by a frictional force;
A laser beam providing means for entering the first laser beam toward the cantilever;
A light detection means for detecting a second laser light emitted by the cantilever reflecting the first laser light;
Piezo on which the sample is placed;
The distance between the sample surface and the probe is controlled by inputting an input voltage to the piezo so that the displacement of the cantilever is constant, and the relative change in the intensity of the second laser light is A controller that detects the deflection and distortion of the cantilever as an output voltage, and estimates a surface shape of the sample surface from the output voltage;
Data storage means for recording the estimated surface shape,
The controller estimates the surface shape of the sample surface by an open loop method, assuming that the input voltage is zero, the output voltage is an input, the surface shape of the sample surface obtained from the output voltage is regarded as a disturbance observer A high-band atomic force microscope apparatus characterized by that .
前記試料表面と原子間力を介して相互作用する探針を有し、前記原子間力によってたわみ、摩擦力によってゆがみを生ずるカンチレバと、
前記カンチレバに向けて第1のレーザ光を入射するレーザ光提供手段と、
前記カンチレバが前記第1のレーザ光を反射することにより発せられた第2のレーザ光を検出する光検出手段と、
前記試料を載せたピエゾと、
前記カンチレバの変位が一定になるように、前記試料表面と前記探針との間の距離を前記ピエゾに入力電圧を入力することにより制御し、前記第2のレーザ光の強度の相対変化から前記カンチレバの前記たわみと前記ゆがみとを出力電圧として検出し、前記出力電圧から前記試料表面の表面形状を推定するコントローラと、
推定された前記表面形状を記録するデータ記憶手段とを備え、
前記コントローラは、前記入力電圧と前記出力電圧とを入力とし、前記出力電圧から得られる前記試料表面の表面形状を外乱オブザーバとみなして、前記外乱オブザーバをフィードバックループとは独立の開ループとする閉ループ方式により前記試料表面の表面形状を推定することを特徴とする高帯域原子間力顕微鏡装置。 A high-band atomic force microscope that estimates the surface shape of a sample surface,
A cantilever having a probe that interacts with the sample surface via an interatomic force, deflected by the interatomic force, and distorted by a frictional force;
A laser beam providing means for entering the first laser beam toward the cantilever;
A light detection means for detecting a second laser light emitted by the cantilever reflecting the first laser light;
Piezo on which the sample is placed;
The distance between the sample surface and the probe is controlled by inputting an input voltage to the piezo so that the displacement of the cantilever is constant, and the relative change in the intensity of the second laser light is A controller that detects the deflection and distortion of the cantilever as an output voltage, and estimates a surface shape of the sample surface from the output voltage;
Data storage means for recording the estimated surface shape,
The controller receives the input voltage and the output voltage, regards the surface shape of the sample surface obtained from the output voltage as a disturbance observer, and makes the disturbance observer an open loop independent of a feedback loop. A high-band atomic force microscope apparatus characterized by estimating a surface shape of the sample surface by a method .
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