KR100713795B1 - 원자력 현미경용 제어기 - Google Patents

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Abstract

원자력 현미경, 분자력 프로브 기기, 고해상도 프로필로미터 및 화학적 또는 생물학적 감지 프로브를 포함한 캔틸레버계 기기용 제어기에 대하여 개시되어 있다. 제어기는 초고속 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 이용하여 이들 기기의 캔틸레버 편향을 검출하는데 통상적으로 이용하는 광 검출기의 출력을 샘플링한다. 이후, 출력신호를 디지털화하여 나타낸 결과를, 아날로그 전자장치를 이용하지 않고 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이와 디지털 신호 프로세서로 처리한다. 아날로그 신호 처리는 고유한 잡음이 있는 반면, 디지털 계산들은 측정신호에 어떠한 랜덤한 잡음도 부가하지 않는다는 점에서 고유한 "완벽성"을 갖고 있다. 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이와 디지털 신호 프로세서에 의한 처리는 제어기 하드웨어의 변형없이도 프로그래밍 수단을 통하여 변경될 수 있기 때문에 제어기의 유연성을 최대로 한다.

Description

원자력 현미경용 제어기{CONTROLLER FOR ATOMIC FORCE MICROSCOPE}
본 발명은 캔틸레버계 기기의 동작을 제어하는 장치, 및 본질적으로 가능하지 않은 것을 제외한 디지털 전자장치를 이용하여, 동작제어장치를 이용하는 일반적인 방법에 관한 것이다.
캔틸레버계 기기는 원자력 현미경(AFM; atomic force microscopes), 분자력 프로브 기기 (molecular force probe instruments), 고해상도 프로필로미터(profilometer) 및 화학적 또는 생물학적 감지 프로브와 같은 기기들을 포함한다. AFM(atomic force microscopes)은 캔틸레버의 단부에 있는 날카로운 프로브를 샘플의 표면 상에 래스터(raster)시켜 구한 정보에 기초하여 표면 토포그래피(및 그 외의 다른 샘플 특성)의 이미지들을 생성하는데 이용되는 장치이다. 래스터 동안에 검출되어진 캔틸레버의 편향정도 또는 그 진동의 변화량은 샘플의 토포그래피 (또는 그 외의) 특성에 대응한다. 통상적으로, 이러한 편향정도 또는 진동에서의 변화량은 광학 레버 장치에 의해 검출된다. 또한, 터널링 검출, 간섭계, 피에조 응답 (스트레인 게이지) 및 커패시턴스를 포함한 그 외의 많은 검출 수단을 이용하고 있다. 광학 레버 장치의 경우, 광학 레버와 동일한 기준 프레임에 있는 캔틸레버 상으로 광 빔을 보낸다. 이 빔은 캔틸레버에서 반사되어져, 위치 감지 검출기(PSD)를 조사한다. 캔틸레버의 편향 또는 진동이 변함에 따라 PSD 상의 반사 스폿의 위치도 변하는데, 이는 PSD로부터의 출력에서의 변화를 가져온다. 통상적으로, 캔틸레버의 편향 또는 진동의 변화가 형성되면, 편향 또는 진동을 사전설정된 일정값으로 유지시키기 위하여, 샘플에 대한 캔틸레버 베이스의 수직방향 위치에서의 변화를 트리거링한다. 이러한 피드백이 AFM 이미지를 생성한다. AFM은 캔틸레버의 팁이 샘플 표면과 일정하게 접촉하는 콘택트 모드 및 캔틸레버의 팁이 샘플 표면과 접촉하지 않거나 간헐적으로 접촉하는 진동 모드를 포함한 많은 여러 이미징 모드로 동작할 수 있다. 진동의 위상 또는 주파수 또는 동위상 및 직교위상 응답, 및 샘플의 이미지를 형성하는데 이용되는 이러한 정보를 포함한 캔틸레버에 대한 그 외의 정보는 광학 레버 장치를 이용하여 수집할 수 있다. 이들 이미지는 샘플 탄성, 분산 및 접착 특성을 포함한 여러 해석을 가진다. 이러한 방식으로, 여러 토포그래피 특성과 함께 그 외의 기계적, 화학적, 및 전기적 특성들을 연관시킬 수 있다.
통상적인 종래기술의 광학 레버 시스템이 도 1에 도시되어 있다. 이 시스템에서, 포인팅이나 그 외의 잡음 없이 충분한 강도를 가지고 (초발광 다이오드 또는 레이저를 포함한) 광원(1)에 의해 바람직하게 형성되는 광 빔(2)은 콜리메이션 렌즈 (collimation lens) 또는 렌즈 어셈블리(3) 및 포커싱 렌즈 또는 렌즈 어셈블리(5)를 통과하여 미러(6) 상으로 보내지며, 이 미러는 광학 레버 시스템과 동일한 기준 프레임에 있는 캔틸레버(8) 상의 특정 스폿 상으로 포커싱된 광 빔(7)을 보낸 다. 이후, 반사된 빔(9)은 검출 광학장치에 의해 집광되어 위치 감지 검출기(10)(PSD)에 대한 조사를 수행하는데, 검출 광학장치는 종종 조정가능 미러(13)와 빔 위치에 대한 오프셋을 제공하는 변환 스테이지(도시생략)를 포함한다.
상이한 AFM들은 캔틸레버 편향 또는 진동을 검출하고 캔틸레버 베이스의 수직방향 위치를 수정하면서 팁을 샘플 상에서 래스터하기 위한 상이한 방식을 제공한다. 미국특허 제Re34,489호(광학적 대체가능 유동성 셀을 가진 AFM)에는, 정지형 캔틸레버 아래에 피에조 튜브 스캐너 장치 상에 샘플을 탑재하는 AFM이 개시되어 있다. 피에조는 3 차원 모두에서 샘플을 위치결정한다. 미국특허 제5,025,658호(소형 AFM)에는, 두번째 AFM이 개시되어 있다. 이 AFM에서는, 샘플이, 캔틸레버를 이동시키는 피에조 튜브 스캐너의 장치 바로 아래에 놓인 상태에서 정지되어 있다. 피에조는 3 차원 모두에서 캔틸레버를 위치결정한다. 발명자 공동출원 계류 중인 미국 특허 출원 번호 10/016,475(고정밀도 위치 측정을 위한 개선된 선형 가변 차동 트랜스포머)에는 세번째 AFM이 개시되어 있다. 이 AFM에서는, x 차원 및 y 차원으로 샘플을 위치결정시키는 피에조 스택을 이용하는 정밀 스테이지 상에 샘플을 탑재한 상태에서, z 차원으로 샘플을 위치결정시키는, 샘플 위의 세번째 피에조 스택 상에 캔틸레버를 탑재한다. 따라서, x-y 위치는 z-위치와 연결되어 있지 않다. 선형 가변 차동 트랜스포머를 가지고 3차원 모두를 감지하여 정밀한 위치 정보를 제공한다. 이들 AFM에 대한 보다 자세한 설명은 위에서 참조한 특허 공보 및 특허 출원에서 찾을 수 있다.
기존에는, PSD로부터의 출력을 해석하는데 이용되는 전자 회로가, 캔틸레버 의 편향 또는 진동("에러 신호")을 사전 설정된 일정값으로 유지시키는데 필요한 샘플에 대한 캔틸레버 베이스의 수직방향 위치의 변화량을 계산한 다음, 그 변화량을 유효하게 하는데 필요한 신호들을 송신하며, 이에 더하여, 아날로그 회로, 또는 비교적 최근에는 혼합형 아날로그 및 디지털 회로가 샘플의 이미지를 형성하는데 필요하다. 또한, 아날로그 및 혼합형 아날로그/디지털 회로를 이용하여 캔틸레버 진동의 위상 또는 주파수 또는 동위상 및 직교 위상 응답을 검출하는데, 여기서, 이들 특성들이 이용가능해 왔다. 일부의 경우, 몇몇 장치가 사용자와 제어기 간의 인터페이스로 기능하는 컴퓨터에 위치되어 있지만, 이 회로를 구현하는 장치에 대한 보관소를 통상적으로 제어기라 한다.
발명자 등은 제어기에서의 아날로그 전자장치가 AFM들과 그 외의 캔틸레버계 기기의 동작시 잡음 및 그 외 다른 문제들을 발생시키는 위치에서 연구를 진행하여 왔다. 따라서, 여기에 개시된 발명은 향상된 성능과 유연성을 가져오는 제어기의 키 위치에서 디지털 장치를 채택한다. 또한, 본 발명은 기기의 유연성을 크게 향상시키는 혼합형 아날로그/디지털 장치에 기초하여 신호 라우팅 능력을 향상시키는 것을 포함한다.
이러한 신규 아키텍쳐에 의해, 기존의 AFM 제어기들의 모든 기능성들을 배가시키면서, 기존에 아날로그 회로로 구현하는 것이 불가능하였던 상당한 신규 기능성도 가능하게 할 수 있다.
아날로그 회로는 신호 채널 로크-인(lock-in) 증폭기를 이용하여 캔틸레버와 구동 신호 간의 위상 시프트를 측정해 왔다. 도 2 는 이러한 통상의 증폭기를 나 타낸다. 여기서, AFM은 진동 모드에서 동작하고 있으며, 캔틸레버의 진동은 오실레이터(20)에 의해 발생되고 신호는 위상 시프터(21)를 통하여 라우팅된다. 위상 종속 신호는 위상 시프터(21)로부터의 기준신호와, PSD(도시생략)로부터의 자동 이득 제어(22) 버전의 신호(23)와의 단순 아날로그 곱셈처리되어 이루어진 다음, 저대역 통과 필터(25)를 통해 출력이 나온다. 이러한 곱셈처리는 아날로그 믹서 또는 곱셈기(24)에 의해 수행된다. 이러한 형태의 회로의 출력은 캔틸레버 위상에 의존한다. 첫번째 차수에서, 측정값은 위상각의 코사인에 비례한다. 이러한 접근방식은 그 구현이 매우 간단하지만, 자동 이득 제어 회로 자체의 제약 및 비선형성 때문에, 큰 위상각에 대해서는 매우 정확하지 못하다.
도 3 은 또 다른 종래기술의 아날로그 신호 처리 회로인 2위상 로크인 증폭기를 나타낸다. 이 종래기술에서는, PSD(도시생략)로부터의 신호(26; 자동 이득 제어되지 않음)가 0 도 기준("동위상" 성분, 즉, "I")과 90도 기준("직교위상" 성분, 즉 "Q") 모두에 대하여 아날로그 곱셈처리된 다음 각각이 저대역 통과 필터(25)를 통하여 출력이 나온다. 각각의 곱셈처리는 아날로그 믹서(또는 곱셈기)(24)에 의해 수행된다. 이러한 회로는 디지털 장치인 다이렉트 디지털 합성기(27)에 의존하여, 신호에 대하여 캔틸레버의 진동(이 진동은 도시하지 않은 피에조에 의해 물리적으로 구현됨)과 그 신호의 직교 버전을 제어한다. 그러나, 양측 신호는 아날로그 곱셈 처리 이전에 디지털/아날로그 변환기(28)를 통하여 라우팅된다. 이와 유사하게, 아날로그 곱셈기(24)로부터의 출력은 또 다른 디지털 장치인 디지털 신호 프로세서(29)(DSP)를 통하여 라우팅되는데, 이 프로세서에서, 동위상 과 직교위상신호로부터 증폭과 위상이 계산된다. 이는 변환기, 이 경우에는 아날로그/디지털 변환기(30)를 또한 필요로 한다. 어떤 경우, 이 DSP는 제어기의 물리적 부분에 있지 않고, 그 대신에 컴퓨터 마더보드 상의 플러그-인 카드에 위치하고 있다. 이 경우, 자동 이득 제어에 의해 도입되는 제약을 받지 않기 때문에 신호 채널 로크인 증폭기보다 만족스러운 위상 결과를 발생시킬 수 있어, 이 경우의 위상은 수학적으로 정확하다. 그럼에도 불구하고, 아날로그 전자장치들은 잡음과 비선형성에 의해 고가의 비용을 계속 요구한다. 이러한 접근방식의 주요 단점은 여전히 아날로그 곱셈기에 의존하고 있다는 점이다. 이들 장치는 고유한 잡음이 있고 비선형성이며 주파수 및 온도에 의존한 에러 및 출력신호에서의 믹서 레퍼런스의 블리드 스루(bleed-through)에 영향을 받는다.
상술한 결함과 단점에 더하여, 종래기술의 제어기는 심한 업그레이드 제약을 갖는다. 통상적으로, 이들 제어기는 신규의 하드웨어 박스, 카드, 모듈 또는 다른 어떤 애드-온(add-on)을 구입해서 그들의 기능성을 변경하거나 신규 특성을 추가하는 것이 필요하다. 최악의 경우, 이들 제어기는 하드웨어에서의 버그를 수정하는 정도의 사소한 일을 위해 제어기 전체를 공장으로 되돌려주는 것이 필요할 수도 있다.
도 1은 검출기의 기준 프레임에서 위치결정된 캔틸레버를 구비한 AFM에 대한 광 검출기를 나타내는 종래기술도.
도 2는 AFM에 대한 제어기에서의 진동 모드에 대한 종래기술의 단일 채널 로 크인 증폭기를 나타내는 블록도.
도 3은 AFM에 대한 제어기에서의 진동 모드에 대한 종래기술의 2 채널 로크인 증폭기를 나타내는 블록도.
도 4는 개시된 제어기에 대한 블록도.
도 5는 도 4에 도시한 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(field programma-ble gate array)에 대하여 자세히 나타낸 블록도.
도 6은 도 4에 도시한 디지털 신호 프로세서에 대하여 자세히 나타낸 블록도.
도 7은 도 4에 도시한 크로스포인트 스위치에 대하여 자세히 나타낸 블록도.
도 8은 나노리소그래피 예를 나타낸 도면.
도 9는 나노조작을 나타낸 도면.
상술한 바와 같이, 본 발명은 AFM용 제어기, 및 향상된 성능과 유연성을 가져오는 제어기의 키 위치에서 디지털 전자장치를 이용하는 그 외의 다른 캔틸레버계 기기에 대하여 개시한다. 또한, 본 발명은 이들 기기의 유연성을 크게 향상시키는 혼합형 아날로그/디지털 장치에 기초하여 신호의 라우팅을 향상시키는 것을 포함한다. 이러한 신규 아키텍쳐에 의해 기존 AFM의 모든 기능성을 배가시킬 수 있을 뿐만 아니라 기존의 아날로그 회로로 구현이 불가능했던 상당한 신규 기능성을 가능하게 할 수 있다.
개시된 제어기는 어떠한 변경 없이는, 캔틸레버 편향이나 진동을 검출하고 캔틸레버 베이스의 수직방향 위치를 수정하면서 팁을 샘플 상에서 래스터하는 피에조 튜브 스캐너를 채택하는 AFM과 연결되어 이용될 수 없다. 본 발명은 미국 특허 제Re 34,489호 및 미국특허 제5,025,658호에 이미 개시된 AFM들을 포함한다. 개시된 제어기는 발명자 공동출원 계류 중인 미국 특허 출원 번호 10/016,475에 개시된 AFM 및 그와 유사한 구조의 AFM과 연결되어 이용될 수 있다. 또한, 개시된 제어기는 상기 출원에 개시된 형태의 LVDT들로부터의 피드백을 용이하게 이용하여 AFM의 동작을 보다 정밀하게 제어한다.
도 4에는, 신규 제어기의 기본 개략도가 도시되어 있다. 개시된 제어기의 3 가지 주요 구성요소는 강화된 기능성을 형성할 수 있는 디지털 솔루션을 제공하는데 특히 중요성을 가진다. 이들 구성요소는 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(31)(FPGA), 디지털 신호 프로세서(32)(DSP) 및 크로스포인트 스위치(33)이다. 이하, 이들 구성요소 각각을 개별적으로 설명한다.
도 4 의 나머지 부분은 AFM에 대한 접속부("현미경에 대한 케이블"), 컴퓨터 인터페이스에 대한 접속부("PC에 대한 USB"), 상이한 제어기 펑션들을 사용자가 입력할 수 있게 하는 여러 BNC들 및 아날로그 드라이브 신호를 x-y 스캐너, 및 캔틸레버의 z방향 위치를 제어하는 피에조에 전달하는데 이용되는 3 개의 고전압 증폭기("HV Amp")를 포함한다. 도시한 바와 같이, 개시된 제어기 도면은 진동 모드에서 이미지를 형성하기 위하여 프로그래밍되는 것으로 도시되어 있다. 이는 예를 들어 설명하기 위한 것일 뿐이며, 다른 많은 구성이 쉽게 프로그래밍될 수 있다. 이 예에서는, (도 4의 좌측 상단 코너에 있는 "캔틸레버 편향으로부터 발생된") PSD(도시생략)로부터의 아날로그 캔틸레버 편향 신호는 고대역 통과 필터링되어 임의의 DC 신호를 제거한 다음 크로스포인트 스위치(33)의 좌측에 있는 입력("ACDefl")(4)으로 공급되는데, 이 크로스포인트 스위치에서, 신호는 스위치의 우측에 있는 출력(2)("InFast")으로, 이후, 이로부터 아날로그 안티에일리언싱(anti-aliasing) 필터(34)를 통하여 고속 (16 bit, 5MHz) 아날로그/디지털 변환기(35)로 공급된다. ADC 변환 이후, 신호 체인에서의 모든 신호가 순수 디지털 방식으로 계산되어, 신호 크기와 위상 크기가 본질적으로 완벽하게 된다. 따라서, 디지털 계산 처리 값 없이 신호의 부분들을 제거하는 몇몇 필터링과 별도로, 편향 이후 편향신호를 직접 디지털화하여 FPGA(31)로 공급하는데, 이 FPGA(31)에서, 신호가 아날로그 2 위상 로크인 증폭기(도 3)와 유사한 방식으로 디지털방식으로 혼합되거나 곱셈처리된다. 혼합된 후, 2 개의 결과적인 디지털 신호는 디지털방식으로 저대역 통과 필터링된 다음 DSP로 전송되는데, 이 DSP에서, 동위상 또는 직교위상 성분이 크기 및 위상으로 변환된다. 그 크기는 디지털 피드백 계산에 이용된다. 그 계산 결과는 디지털/아날로그 변환기로 전송되고, 증폭된 후, 이렇게 생성된 아날로그 신호는 피에조가 캔틸레버의 z 방향 위치를 제어하여 적절한 방향으로 이동하도록 한다. 디지털화된 편향신호의 혼합과 결합한 이러한 펑션에 더하여, 2 위상 로크인 증폭기의 설명과 함께 위에서 이미 설명한 것과 동일하게, 또한, FPGA(31)의 다이렉트 디지털 합성기 형성부를 이용하여 캔틸레버의 진동을 제어하는 신호를 생성한다. 이 신호는 디지털/아날로그 변환기로 전송되고 저대역 통과 필터링되어 크로스포인트 스위치(33)의 좌측에 있는 입력(15)("DDS")으로 공급되는데, 이 크로스 포인트 스위치에서, 신호가 스위치의 우측에 있는 출력(15)("Shake")으로 스위칭된다. 이로부터, 신호는 진동을 물리적으로 구현하는 "Shake" 피에조(38)로 전송된다.
도 4에는 도시하고 있고 않지만, 개시된 제어기는 멀티드롭 버스를 이용하고 당해 기술분야에 잘 알려진 기술을 이용하여 자동구성(autoconfiguration)을 구현한다. 멀티드롭 버스들은 하드웨어 장치의 시리얼 넘버, 장치 파라미터 및 특성들을 영구적으로 기록할 수 있게 한다. 장치가 상호접속 보드나 제어기에 플러그인되거나 보드나 제어기로부터 플로그해제되는 경우, 버스는 이들 장치를 자동으로 검출하고 적절한 파라미터들을 소프트웨어에서 업데이터시킨다. 또한, 멀티드롭 버스는 장치에서의 집적화된 센서를 지원한다. 이는 장치 파라미터의 온도 감소를 수행할 수 있게 한다. 또한, 오류를 검출하는데 온도 센서를 이용할 수도 있다.
필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(FPGA). FPGA는 논리 블록의 어레이와 이 블록들 간의 상호접속부들로 구성되는 프로그래밍가능 하드웨어의 피스이다. 논리 블록과 상호접속부 양쪽은 매우 많은 로우 및 하이 레벨 하드웨어 펑션을 수행하도록 다이내믹하게 구성되거나 재구성될 수 있다. 또한, 이것은 (병렬로) 한번에 모두 많은 작업을 수행하도록 다이내믹하게 구성되거나 재구성될 수 있다. 이들의 고유 패널리즘 때문에, FPGA는 통상적인 마이크로프로세서 또는 DSP 보다 수백 또는 수천배 고속으로 계산들을 수행할 수 있다.
FPGA의 속도와 용량의 몇몇 개념을 이해하는데는, FPGA와 DSP를 비교하는 것 이 유용하다. DSP가 얼마나 잘 수행하는지에 대한 한 기준은 초 당 얼마나 많은 곱셈처리를 수행하는가에 있다. 현재의 DSP들은 100 MHz 정도의 클록 주파수를 가진다. 단일 클록 사이클에서 단일 계산을 수행하는 경우, 최상의 경우, 이러한 DSP는 초 당 대략 1억 개의 계산을 수행할 수 있다. FPGA가 이러한 곱셈처리를 수행하는 것은 매우 쉬운 작업이기 때문에, FPGA는 예를 들어, 동일한 클록 사이클 동안 100회의 곱셈처리를 수행하도록 구성될 수 있다. 따라서, 통상적인 FPGA 는 통상적인 DSP 보다 적어도 100의 인수만큼 더 고속이다. 통상적인 DSP는 단지 100,000,000 개의 곱셈처리만을 수행할 수 있는 반면, FPGA는 초당 10,000,000,000 개의 곱셈처리를 수행할 수 있다. 한번에 많은 일을 수행하는 이 FPGA들의 용량은 AFM 제어기의 신호 처리 체인에서 강력하고 고유한 툴을 가지도록 한다. 디지털 듀얼 위상 로크인 DDS, 수개의 필터 체인 및 모든 디지털 AFM 제어기에 필요한 그외의 다른 것을 구현하는데 있어서, DSP(또는 드물게, 수개의 DSP들)를 이용하는 경우는 그 구현이 매우 어려운 반면, 상술한 FPGA를 포함한 제어기는 그 구현을 용이하게 한다.
도 5는 개시된 제어기의 부분을 형성하는 FPGA(31)에서 구현되는 펑션들을 나타낸다. 이들은 사용자 선택가능 주파수의 사인파를 생성하는 디지털 듀얼 위상 로크인, 다이렉트 디지털 합성기(27)(DDS) 및 여러 디지털 필터(41)를 포함한다. 이들 각각의 펑션은 필요에 따라 다이내믹하게 재구성될 수도 있다.
도 5에 도시하고 상술한 바와 같이, FPGA는 완전 디지털 로크인을 구현한다. 이러한 로크인은 아날로그 2 위상 로크인 증폭기(도 3)에서 설명된 것과 유사하다. 그러나, 여기서는, 도 3의 신뢰성없는 아날로그 곱셈기(24)를, 아날로그 곱셈기에 존재하는 온도, 주파수 및 블리드-스루의 영향을 받지 않는 디지털 믹서 또는 곱셈기(40)로 교체하여, 에러 소스를 제거하고 고성능 출력신호를 제공한다. 또한, 상술한 바와 같이, 전체 로크인이 디지털방식이고 소프트웨어로 기술되기 때문에, FPGA를 간단하게 재프로그래밍함으로써, 이들의 어떠한 애스펙트도 업그레이드되거나 변경될 수 있다. 이는 검출방식 전체를 변경하는 것을 포함한다. 예를 들면, (고속 AC 또는 간헐적인 접촉 모드와 같이) 캔틸레버의 진폭을 사이클마다 기초하여 계산될 것을 요구하는 실험에서, FPGA로 프로그래밍된 로크인이 피크 검출기 프로그램을 대신하여 교체될 수 있으며, 모두 제어기 하드웨어의 변경이나 추가를 필요로 하지 않는다.
상술한 제어기에서의 모든 신호 체인의 모든 애스펙트는 FPGA를 포함한다. 따라서, 제어기 수명의 통상적인 과정 동안에 어떠한 신호 처리 하드웨어에 실시될 것이 요구되는 어떠한 변경, 버그 수정, 신규 특성 등은 간단한 프로그램 변경에 의해 이루어질 수 있다.
디지털 신호 프로세서. 개시된 제어기의 부분을 형성하는 DSP(32)는 다른 스캐닝 프로브 현미경의 경우와 마찬가지로, 인터페이스 컴퓨터 내부에 위치하기 보다는 제어기 자체의 내부에 위치한다. 이러한 설계는 FPGA, ADC, DAC 및 크로스포인트 스위치와 같은 보조 장치와 DSP 간의 데이터 전송을 간략하게 한다. DSP는 제어기 내에 있기 때문에, 제어기와 컴퓨터 간에 표준 인터페이스를 이용하는 것이 가능하다. 바람직한 실시형태에서는, USB 인터페이스를 이용한다. 또한, 이러한 배열 구성은 FPGA와 DSP 간의 작업을 편리하게 교환할 수 있게 한다. 통상적으로, DSP는 FPGA보다 더 쉽게 프로그래밍할 수 있는 반면, FPGA는 상당히 고속으로 동작한다.
도 6에는, DSP(32)의 펑션들이 도시되어 있다.
크로스포인트 스위치. 개시된 제어기의 부분을 형성하는 크로스포인트 스위치(33)는 DSP와 동일하게, 다른 스캐닝 프로브 현미경의 경우와 마찬가지로, 인터페이스 컴퓨터 내측 또는 다른 별도의 물리적 저장소에 위치하기 보다는 제어기 자체의 내부에 위치한다. DSP와 마찬가지로, 이러한 설계는 FPGA, ADC, DAC 및 DSP와 같은 보조 장치와 크로스포인트 스위치 간의 데이터 전송을 간략하게 한다.
도 7에는, 크로스포인트 스위치(33)의 펑션들이 도시되어 있다. 크로스포인트 스위치(33)는 개시된 제어기 내에서 대부분의 입력 신호와 출력 신호에 대한 전화기 스위치보드로서 기능한다. 소프트웨어 커맨드를 이용하여, 크로스포인트 스위치는 사용자로 하여금 하드웨어의 적절한 섹션으로 신호들을 라우팅시키도록 할 수 있다. 이러한 강력한 신호 라우팅 유연성 때문에, 부가적인 물리적 배선을 이용하지 않고 실제적으로 무한한 제어기 토포로지 구성들을 정의할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 모든 신호들은 사용의 편의성을 위하여 프론트 패널 상의 BNC들을 통하여 쉽게 이용가능하다.
바람직한 실시형태에서, 크로스포인트 스위치는 16 개의 입력과 16 개의 출 력을 포함한다. 크로스포인트 스위치의 좌측의 입력은 사용자 목적으로 제공되는 수개의 입력(6InO, 71n1 및 81n2), 또는 현재는 이용하고 있지 않지만 추가 필요에 따라 이용가능한 수개의 입력(11PogolnO, 12Pogoln1, 13NotUsed1 및 14NotUsed2)을 포함한다. 이와 동일하게 크로스포인트 스위치의 우측의 출력(100utO, 110utl, 120ut2, 13PogoOut 및 14Chip)도 이루어진다.
개시된 제어기는 발명자에 의해 개발된 로우 레벨 커맨드를 이용하고, 그 외의 경우, Igor Pro, MATLAB, LabView 및 비쥬얼 베이직(Visual Basic)을 포함한 하이 레벨 소프트웨어 제어 언어를 제어기에 링크시켜 AFM 또는 그 외의 다른 캔틸레버계 기기를 동작시킬 수 있다. 이는 기기가 대규모의 기존의 루틴과 제어들에 영향을 주도록 하고, 샘플의 나노리소그래피와 나노조작, 자동 스프링 교정 및 컴퓨터의 메모리에 의해서만 제한되는 이미지의 생성(예를 들어, 4096x4096 픽셀)과 같은 신규 루틴의 고속 개발 및 고속 원형 개발을 가능하게 한다. 또한, 하이 레벨 소프트웨어 제어 언어는 사용자 측정, 데이터 분석 및 퍼블리케이션 품질 특징의 생성을 용이하게 한다. 이는 제조자가 AFM 소프트웨어에서의 이들 모든 특징을 복제하는 것을 강요받거나, 또는 사용자가 자신의 모든 필요요건을 실현시키는 하나 이상의 소프트웨어를 실행하도록 강요받는 AFM 사유 소프트웨어에 비하여 상당한 이점을 제공한다.
마우스 구동형 나노리소그래피 및 조작
이하, MFP-3D를 이용하여 이루어지는 조작 및 리소그래피 실험의 소규모 수 집을 설명한다. 이러한 수집의 모든 동작은 MicroAngeloTM 인터페이스를 통하여 이루어진다. 대부분의 조작 시퀀스는 초기 기준 이미지로 개시한다. 이후, 기준 이미지 위에 그려진 일련의 곡선들을 가진 동일 이미지가 후속한다. 이들은 리소그래피/조작 단계 동안의 캔틸레버 팁의 프로그래밍된 이동을 나타낸다. 이후, 리소그래피의 결과를 나타내는 "응답" 이미지가 후속한다. 이러한 프로세스는 반복될 수 있고, 몇몇 경우, 수회 반복될 수 있다. MicroAngeloTM 은 간단하게 곡선과 라인들을 수작업으로 그리는 것 뿐만 아니라, 수학적으로 정의된 곡선과 어레이들을 생성할 수 있다. 이러한 것의 몇몇 예가 상세한 설명부 마지막 부분에 포함되어 있다. MicroAngeloTM 는 캔틸레버 팁 주변을 이동시키는 것 뿐만 아니라, 리소그래피/조작 처리 동안에 측정을 수행할 수도 있다. 이러한 예는 캔틸레버 높이, 진폭, 편향, 위상, 전류, 또는 외부 신호를 포함하는 그 외의 다른 데이터 채널을 모니터링하는 것을 포함한다.
도 8a와 도 8b에는, 조작에 대한 설명이 도시되어 있다. 카본 나노튜브의 양쪽 이미지는 대략 100 nm의 진폭을 가진 AC/척력 모드에서 이루어진다. 양쪽 이미지에서 모두 원자의 행로를 볼 수 있다. 그레이 스케일은 15 nm 이며 스캔 크기는 1.45 pm이다. 도 8a는 MicroAngeloTM 인터페이스를 이용하여 스케치된 밝은 라인 트레이스와 함께 초기 이미지를 도시하고 있다. 이미지를 완성한 후, 캔틸레버 팁은 도 8a에서의 밝은 트레이스를 따라 이동한다. 캔틸레버가 밝은 경로를 트레 이스할 때, 통상의 부하력은 90 nN로 설정된다. 캔틸레버 팁의 공칭 속도는 1 pm/초이다. 도 8b는 카본 나노튜브의 결과적인 이동을 나타낸다. 이미지의 좌측 하단의 튜브 영역은 이미지의 우측 상단의 튜브 영역과 분리되어 있다.
도 9a 는 외부 소프트웨어로 생성되는 이미지를 나타낸다. MicroAngeloTM 인터페이스는 캔틸레버가 이러한 패턴의 경계를 그리도록 한다. 이후, Olympus AC240 캔틸레버를 이용하여 대략 200 nN의 부하점에서 렉산 폴리카보네이트(Lexan polycarbonate)의 표면상에 경계를 그려 넣는다. 리소그래피 이후, 100 nm의 진폭에서 AC/척력으로 이미징을 추가로 수행한다. 그 결과로 된 이미지가 도 9b에 도시되어 있다. AFM 팁이 표면을 변형시키고 도 9a의 원래 이미지의 경계를 나타냄이 명확해진다.
이러한 제어기는 내장형 로터리 인코더 및 프로그래밍가능 푸시버튼 스위치를 갖고 있다. 이에 의해, 제어 파라미터들을 표준 컴퓨터 키보드 또는 마우스 입력 보다는 "손잡이"를 이용하여 조작할 수 있다.
본 발명의 상술한 실시형태들은 바람직한 것으로, 본 발명의 개념을 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 범위는 이러한 실시형태로 제한되지 않는다. 본 발명의 사상 및 범위에 벗어남이 없이 다수의 여러 배열구성이 이루어질 수 있다.

Claims (1)

  1. 캔틸레버 편향을 검출하는 위치 감지 검출기 및 캔틸레버 베이스의 수직방향 위치를 수정하는 수정 수단을 갖는 원자력 현미경(AFM)용 제어기로서,
    상기 원자력 현미경의 위치 감지 검출기의 출력과, 상기 캔틸레버 베이스의 수직방향 위치를 수정하는 수단 사이에 접속되어 있는 피드백 회로를 포함하며,
    상기 피드백 회로는,
    디지털 신호 프로세서로부터 수신되는 신호들을 포함한, 상기 원자력 현미경에서의 상기 위치 감지 검출기 및/또는 그 외의 구성요소들로부터의 데이터를 처리하도록 프로그래밍되는 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이와;
    상기 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이에 접속되어, 상기 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이로부터 수신되는 상기 원자력 현미경에서의 상기 위치 감지 검출기 및/또는 그 외의 구성요소들로부터의 데이터를 처리하도록 프로그래밍되는 디지털 신호 프로세서와;
    상기 디지털 신호 프로세서로부터 처리된 데이터에 기초하여 상기 수직 방향 위치를 수정하는 상기 수정 수단과 상기 디지털 신호 프로세서를 연결하는 접속부
    를 포함하는 것인 원자력 현미경(AFM)용 제어기.
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