JP5292391B2 - クローズドループコントローラを備える高速走査型プローブ顕微鏡とその操作方法 - Google Patents
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Description
型プローブ顕微鏡コントローラ20は、しばしば設定点の値における振幅Asを維持すべく使用され、チップと試料との間の一般的に一定な力を保証する。代替的には、設定点の位相または周波数が使用されうる。
て、スキャナの動作は(曲線46によって示されるように)、ほとんどの場合、所望の軌跡(三角波形47に対応するラスタースキャン)に追従しない。更に、転回によって、駆動信号の使用可能領域は限定される。
がある。
る振動を最小にすることを試みつつ、最高のスキャナバンド幅を達成するコントローラにおいて使用されうる。この点において、典型的なクローズドループ制御の策略は、文献に記載されたH無限コントローラまたはH2コントローラを含む。代替のシステムは、インパルス過渡信号を、三角波の転回時にインパルスを弱めるタイミングで、制御波形に意図的に加えることを含む。例えば、基本共鳴の振動周期の半分に対応する時間において、インパルス力はスキャナに引加されうる。相殺的干渉は、2つのインパルス間に発生し、迅速に好ましくない振動を減衰するであろう。そうは言っても、そのようなクローズドループシステムは、広いバンド幅に渡って作用するよう意図されているため、センサノイズに関連する問題は、システム性能を制限し続ける。
ムから導出されるスキャナの駆動は、反復的な走査の転回における衝撃のダイナミクスを予想し、且つ修正された駆動を通じて衝撃を補償し、スキャナの物理的動作が実質的に正確に参照波の軌跡を追従する。本実施形態の更なる態様では、反転ベースの制御アルゴリズムは、アクチュエータの非線形性を補償する制御信号に寄与する補正を、繰り返し生成する。
ンド幅が走査周波数未満であるフィードバックループおよびフィードフォワードアルゴリズムの両方を用いて、アクチュエータの位置エラーを補償する。
く、より大きな走査速度を達成できる。すなわち、アクチュエータの位置エラーは走査サイズの1%未満である。
数よりも高いバンド幅を持つように、選択される。一例として、30ヘルツで走査する走査型プローブ顕微鏡システムでは、1ヘルツのフィードバックバンド幅は、ドリフトおよびクリープを補償するのに必要なバンド幅よりも大きいが、走査周波数よりも依然として低い。
10の検出された動作を示す信号109を生み出す位置センサ108とを使用する。検出された動作を示す信号109に関連する大きなノイズ要素を記す。既知の原子間力顕微鏡のコントローラを用いた場合に、図4の信号53によって図示されるアクチュエータ位置中のノイズを引き起こすのが、この検出動作ノイズである。しかしながら、本実施形態のコントローラを用いる場合、図6の信号107によって示されるように、アクチュエータの位置は、参照波形Rによって示されるように、所望の走査動作の軌跡に追従する。全体的に、既知の原子間力顕微鏡のコントローラと対照的に、検出された動作(信号109)と関連した検出動作ノイズと比較して、アクチュエータの位置(信号107)に関連した位置ノイズは、図6(分解図)に示すように、劇的に低減される。
される。原子間力顕微鏡の操作を初期化する際、ユーザは通常は、試料上に調査スキャンを行う。観察したい領域が特定されると、ユーザはオフセットと、走査サイズと、走査速度とを入力し、初期のスキャンテーブルは、ブロック121において、過去にセーブされたパラメタまたはモデル化されたスキャンテーブルのいずれかによって決定される。モデル化されたスキャンテーブルは、例えば、ユーザが入力した値と、伝達関数の反転(図8を参照して以下に詳細が記述される)に基づく。テストスキャンはそこで、この初期スキャンテーブル(ブロック122)を用いて実行され、目標とする参照信号に対する位置エラーが測定される。アルゴリズムはそれから、判定ブロック124において、走査サイズに対する位置エラーが数パーセント「x」未満であるか否かを判定する。「x」未満の場合、コントローラ100のフィードフォワード分岐102の処理は、減算のスキャンテーブルを用いて適切なuffを生成すべく補償される位置エラーとともに、ブロック126において終了する。「x」未満でない場合、コントローラは、現在のエラーと新たに調節されたモデルとを組み合わせることによって新しい反復を初期化し、更にエラーを低減すべく新たなスキャンテーブルを生成する。新たなスキャンテーブルは、ブロック128においてフィードフォワードアルゴリズムの次の反復である「i+1」を用いて判定される。より詳細には、ブロック122において、この新たに生成されたスキャンテーブルは、スキャナを駆動すべく使用され(すなわち、駆動を更新するための補正が決定される)、新たな走査エラーがそこで、再びエラーマージン「x」と比較される。随意的には、センサエラーは、前述したように、エラー判定に対するノイズの寄与を実質的に低減すべく、複数回の走査を実行することによって平均化されうる。反復を継続することは、結局エラーを「x」未満に低減し、最終スキャンテーブルは、現在のユーザ入力パラメタにおけるスキャナの駆動テーブルとなる。現在のスキャンテーブルの位置エラーが選択された「x」パーセント未満となるまで、フィードフォワードアルゴリズムは反復する。実際には、最終的反復エラーの判定基準は、大抵の場合、フル画像サイズの約1%未満と設定される。
(例えば三角波)は、スキャンアクチュエータ110に、典型的には周波数範囲に渡って引加されると、アクチュエータの動作はセンサによって測定され、スキャンアクチュエータは、特定の応答、伝達関数を生ずる。伝達関数は、図9Aおよび図9Bに図示される。図9Aは、一定の振幅の駆動信号が周波数範囲に渡ってスイープされた際の、アクチュエータの振幅応答を示す。図9Bは、スキャナの対応する位相応答を説明する。伝達関数は、動作条件に基づき変化しうることと、スキャナのダイナミクスは、(ダイナミクスの線形部分を定義する)伝達関数以上のものを代表することとを記す。特に、既定の伝達関数は、全体のシステムの一部として使用され、駆動波形uffを最適化する。
。純粋な三角信号または波形(参照信号)と、感知されたアクチュエータの動作「センサ信号」との間のエラーは、「エラー信号」として示されるエラープロファイルを生成する。「エラー信号」は、コントローラ100のフィードフォワードアルゴリズム120を用いて、高周波数エラーの補償と、低バンド幅フィードバックとの組み合わせを通じて、最小化の状態に保たれる。図10に示す場合、このエラー量は、フィードフォワードアルゴリズムの約3〜4回の反復後に、完了する。
ループ104(図6)を動作させることによって、位置センサによって引き起こされたノイズは、図13に図示されるように領域150に最小化される。結果として、高周波数位置エラーの補正を提供する作用があるフィードフォワードアルゴリズム120を用いることによって著しく大きな速度において走査しつつ、画像の完全性は感知できるほどには劣化しない。
Claims (14)
- 計測器(10)を操作する計測器操作方法であって、前記計測器操作方法は、
走査周波数においてアクチュエータ(110)を用いることによって、プローブ(14)と試料(22)の間の相対的動作を生成する動作生成ステップと;
位置センサ(103)を用いて、前記アクチュエータ(110)の動作を検出する検出ステップであって、前記位置センサ(103)は、検出した前記動作のノイズである検出動作ノイズを引き起こすことと;
フィードバックループとフィードフォワードアルゴリズム部(120)を用いて、前記アクチュエータ(110)の位置であるアクチュエータ位置を制御する制御ステップと
を備え、
前記制御ステップは、
a)前記走査周波数よりも低いバンド幅で前記フィードバックループを動作させることと;
b)前記フィードフォワードアルゴリズム部(120)を動作させることによって、前記検出ステップに対応する閾値エラーを低減することと
を有し、
前記a)と前記b)とによって、前記走査周波数の7倍のノイズバンド幅における前記検出動作ノイズと比較すると、前記アクチュエータ位置でのノイズであるアクチュエータ位置ノイズを減衰させることを特徴とする、計測器操作方法。 - 前記フィードフォワードアルゴリズム部(120)は、反転ベースの制御アルゴリズムを有する、
請求項1記載の計測器操作方法。 - 前記走査周波数は、前記アクチュエータ(110)の基本共鳴周波数の少なくとも1/100である、
請求項1記載の計測器操作方法。 - 前記制御ステップは、前記走査周波数の7倍に等しいノイズバンド幅内において、前記アクチュエータ位置ノイズを1オングストロームの二乗平均平方根未満に減衰させる、
請求項1記載の計測器操作方法。 - 計測器(10)を操作する計測器操作方法であって、前記計測器操作方法は、
走査サイズに渡って走査周波数において、アクチュエータ(110)を用いることによってプローブ(14)と試料(22)の間の相対的動作を生成する動作生成ステップと;
位置センサ(103)を用いることによって、前記アクチュエータ(110)の動作を検出する検出ステップと;
前記走査周波数よりも低いバンド幅で動作するフィードバックループと、適合型フィードフォワードアルゴリズム部(120)とを用いることによって、前記動作生成ステップを制御する制御ステップと
を備え、
前記制御ステップは、参照信号に追従することによって、前記参照信号と比較すると前記走査サイズの1%未満である前記相対的動作の位置エラーを実現し、且つ前記走査周波数の少なくとも7倍に等しいノイズバンド幅に渡って、位置ノイズを1オングストロームよりも小さくなるように実現することを特徴とする、計測器操作方法。 - 前記適合型フィードフォワードアルゴリズム部(120)は、前記位置エラーに応答して前記アクチュエータ(110)の伝達関数を見積り、且つ前記伝達関数の少なくとも一部に基づき前記動作生成ステップを調整する、
請求項5記載の計測器操作方法。 - 前記走査周波数は10ヘルツよりも大きい、
請求項5記載の計測器操作方法。 - 前記フィードフォワードアルゴリズム部(120)は、反転ベースの制御アルゴリズムを使用し、且つ前記アクチュエータ(110)の非線形性および前記アクチュエータ(110)のダイナミクスの少なくとも一つを補償する制御信号に寄与する補正を反復して生成する、
請求項5記載の計測器操作方法。 - 前記位置エラーは、積分位置エラーである、
請求項5記載の計測器操作方法。 - 走査型プローブ顕微鏡(10)であって、
走査周波数においてプローブ(14)と試料(22)の間の相対的動作を生成するアクチュエータ(110)と;
前記アクチュエータ(110)の動作を検出する位置センサ(103)であって、前記位置センサ(103)は、検出した前記動作のノイズである検出動作ノイズを引き起こすことと;
検出した前記アクチュエータ(110)の動作に基づき、前記アクチュエータ(110)の位置であるアクチュエータ位置を制御する位置制御信号を生成するフィードバックコントローラ(106)と
を備える走査型プローブ顕微鏡(10)であって、
前記フィードバックコントローラ(106)は、低バンド幅のフィードバックループと、適合型フィードフォワードアルゴリズム部(120)とを用いることによって、前記検出動作ノイズと比較すると、前記アクチュエータ位置でのノイズを減衰させ、
前記フィードバックコントローラ(106)は、前記アクチュエータ位置でのノイズを、前記走査周波数の7倍のノイズバンド幅に渡って1オングストロームの二乗平均平方根未満に減衰させることを特徴とする、走査型プローブ顕微鏡。 - 前記走査周波数は、前記アクチュエータ(110)の基本共鳴周波数の少なくとも1/100である、
請求項10記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 計測器(10)を操作する計測器操作方法であって、前記計測器操作方法は、
走査サイズに渡って走査周波数において、アクチュエータ(110)を用いてプローブ(14)と試料(22)の間の相対的動作を生成する動作生成ステップと;
位置センサ(103)を用いることによって、前記アクチュエータ(110)の動作を検出する検出ステップであって、前記位置センサ(103)は、検出した前記動作のノイズである検出動作ノイズを引き起こすことと;
フィードバックループと適合型フィードフォワードアルゴリズム部(120)を用いて、前記アクチュエータ(110)の位置であるアクチュエータ位置を制御することによって、前記フィードバックループに関連する閾値を連続して更新する更新ステップと
を備え、
前記更新ステップは、
a)前記走査周波数よりも低いバンド幅で前記フィードバックループを動作させることと;
b)前記フィードフォワードアルゴリズム部(120)を動作させることによって、前記検出ステップに対応する閾値エラーを低減することと
を有し、
前記a)と前記b)とによって、前記走査周波数の7倍のノイズバンド幅における前記検出動作ノイズと比較すると、前記アクチュエータ位置でのノイズを減衰させ、
前記適合型フィードフォワードアルゴリズム部(120)は、前記検出動作に応答して前記動作生成ステップを繰返し更新することを特徴とする、計測器操作方法。 - 前記適合型フィードフォワードアルゴリズム部(120)は、前記動作生成ステップの補正を反復して判定する、
請求項12記載の計測器操作方法。 - 前記動作生成ステップは、三角波である参照信号を使用することを含む、
請求項12記載の計測器操作方法。
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