한국표준과학연구원 - FPGA 모듈을 이용한 Long Range AFM용 다축 제어 프로그램 개발

Author(s):
엄태봉 책임연구원 - 한국표준과학연구원 길이 시간 그룹

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
Real-Time Module, LabVIEW, PXI/CompactPCI, FPGA Module

The Challenge:
AFM은 구조물의 표면 형상을 관찰하는데 사용해 왔다. 기술이 발전함에 따라 더 작은 구조물의 치수나 형상을 측정하고자 하는 요구가 증가하게 되었고, 이를 위해 Metrological AFM이 몇몇 국가 연구소에서 개발되었다.

The Solution:
간섭계 신호 변환, PID 제어, 트리거링 데이터 수집 등의 많은 함수들을 제공하는 LabVIEW FPGA Module을 사용하여 다축 제어 프로그램을 설계하였다.

요약 :
일반적으로 원자력 현미경(AFM)은 수백 마이크로미터 이하의 범위를 측정할 때 사용해 왔다. 그러나 더 큰 범위의 측정을 위해 200mm X 200mm의 AFM을 설계, 제작하였다. 전체 스테이지 시스템은 표면판, 글로벌 스테이지, 마이크로 스테이지로 구성하였다. 글로벌 스테이지와 마이크로 스테이지가 결합되면 장시간 정밀한 동작이 가능하다.
개발은 다음과 같이 진행되었다. 레이저 간섭계를 이용하여 스테이지의 위치와 각운동을 측정하고, 간결함과 장기적 안정성을 위해 Piezoresistive Type Cantilever를 사용하였다. 그리고 z축 피드백 제어를 위해 PZT 굴곡 구조와 전기 용량 센서를 선택하였다. 소프트웨어적인 측면을 살펴보면, 다양한 액츄에이터와 센서가 시스템에 포함되어 있기 때문에 AFM의 실행에 리얼타임 컨트롤이 필요하다. 그래서 간섭계 신호 변환, PID 제어, 트리거링 데이터 수집 등의 많은 함수들을 제공하는 LabVIEW FPGA Module을 사용하여 다축 제어 프로그램을 설계하였다.
이 제어 프로그램은 500kHz 이상의 Loop Rate를 달성하였으며, 격자 피치(pitch)와 스텝 높이의 측정에 적용될 것이다.

개발 배경 :
AFM은 구조물의 표면 형상을 관찰하는데 사용해 왔다. 기술이 발전함에 따라 더 작은 구조물의 치수나 형상을 측정하고자 하는 요구가 증가하게 되었고, 이를 위해 Metrological AFM이 몇몇 국가 연구소에서 개발되었다. 대부분의 이런 시스템들은 정밀한 Flexure 스테이지와 정전 용량 센서나 레이저 Iinterferometer와 같은 변위 측정 시스템으로 구성되어 있다. Metrological AFM은 주로 Critical Dimension, 구조물의 Pitch나 Step-Height를 측정하는데 사용된다. 그러나 이러한 시스템은 측정 범위가 수십 ㎛로 제한된다는 단점을 가지고 있다. NIIST와 PTB 등에서는 이와 같은 측정 영역의 한계를 극복하기 위한 연구를 진행해 왔고, KRISS(한국표준과학연구원)에서도 200 mm  200 mm  20 ㎛ 의 측정 영역을 갖는 LR AFM을 구성하였다. 이러한 측정 시스템들은 여러 종류의 구동기와 측정기로 구성되기 때문에, 각 구성 요소들의 유기적이고 효율적인 실시간 제어가 가능한 제어기의 구성과 제어 프로그램의 개발이 매우 중요하다.

본론 :

하드웨어
본 연구는 KRISS에서 개발된 LR AFM의 구성을 서술하고, LabVIEW FPGA Module을 이용한 다축 제어 프로그램의 구성에 대하여 설명한다. 개발된 제어 프로그램의 성능과 향후 과제를 제시한다. 그림 1은 Metrological AFM 의 모습이다.
스테이지는 Surface플레이트, 글로벌 스테이지와 Micro스테이지로 구성되어있다. DC모터와 리드 스크류, PZT에 의해 구동하도록 설계하였다. 헤드에는 Piezoresistive 타입의 캔틸레버를 사용하여 시스템을 간소화 하였고 안정성을 높였다.

그림 1. Long Range Metrological Atomic Force Microscope

X-Y방향의 변위를 측정하기 위해 헤테로다인 형의 간섭계를 사용하였다. X축은 1축의 평면거울 간섭계를 사용하였고 Y축에는 3개의 간섭계를 사용하여 1축의 이동거리와 2축 각도운동을 측정할 수 있다.

소프트웨어
시스템 구동을 위한 다축 제어기는 40 MHz의 Clock Speed를 갖는 NI의 LabVIEW FPGA Module을 이용하여 구성하였다.
이 모듈은 아날로그 I/O, 및 디지털 I/O을 가지고 있고, 프로그램 작성자가 FPGA를 이용하여 용이하게 Logic을 재구성할 수 있어 제어기 구성의 융통성을 크게 향상 수 시킬 수 있다. 그림 2는 제어 프로그램에 필요한 I/O 구성을 나타낸 다이어그램이다.

그림 2. 컨트롤 프로그램의 다이어그램

제어 프로그램은 LabVIEW FPGA 프로그램과 Host 프로그램으로 나누어 작성하였다. FPGA를 사용하여 구성한 프로그램의 구성 요소는 다음과 같다. 카운터 모듈에서는 디지털 I/O를 사용해 4축 간섭계 신호 A/B상 신호를 변환하여 현재 위치를 카운팅하여 표시하도록 하였다. 스테이지 구동을 위한 출력은 DC 모터 2축(X, Y), PZT 4축(X, Y, yaw, roll)으로 구성되어 있고 목표 위치를 추종하도록 각각 PID루프를 구성하였다. 목표 위치를 생성하는 Path 생성 모듈을 구성하여 시간에 따른 목표 위치 값을 PID 루프의 Set Point 입력이 되도록 구성하였다.
또한 Path 생성 모듈의 루프 타임을 통해 Move나 Scan 속도를 조절하도록 하였다. Tip Approach는 펄스 구동 방식의 피코 모터와 PZT를 사용하여 구현하였고 Z축 레버 제어를 위한 별도의 PID 루프를 구성하였다. 데이터 수집 모듈에서는 스캔 동작 시 해당 위치에 도달하였는지를 판단하여 데이터를 버퍼에 기록하고 다음 기록할 위치를 생성하도록 하였다. FPGA 타겟에서 호스트 PC로 데이터 전송은 고속 데이터 수집이 가능하도록 Direct Memory Access(DMA) 전송을 사용하였다. DMA 전송은 FIFO 구조를 사용한다. FIFO는 두 부분으로 구성되는데 하나는 FPGA 디바이스에 다른 하나는 Host의 메모리를 사용하여 구성된다.
DMA는 자동으로 FPGA 디바이스 RAM으로부터 Host Machine 메모리로 데이터를 전송한다. 그림 3은 DMA FIFO를 사용하여 작성한 타겟 및 Host 프로그램의 일부이다.

그림 3. DMA FIFO를 이용한 호스트와 타겟 프로그램

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
본 연구에서는 LabVIEW FPGA 모듈을 이용하여 Long Range AFM 구동을 위한 다축 제어 프로그램을 개발하였다. 개발된 다축 제어 프로그램은 PID 루프를 포함한 타겟 프로그램 구동 시 500 kHz이상의 루프타임으로 동작이 가능하다. 또한 FPGA 타겟과 Host 사이의 데이터 전송에 DMA 전송을 사용하여 고속 데이터 수집이 가능하도록 하였고 기존의 FPGA Host Interface VI를 사용하는 것보다 전송 속도를 20배 이상 향상시킬 수 있었다. 앞으로 레이저 간섭계와 환경 측정장치등과 연결하여 실제 샘플의 Pitch, Step Height의 측정에 활용할 계획이다.

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