Development of compact, long-range atomic force microscope for in-line measurements

Abstract

Das Rasterkraftmikroskop (AFM) ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die Analyse von Oberflächentopografien und verschiedener Oberflächeneigenschaften wie z.B. Rauheit auf atomarer Ebene und bis zu Micrometer großen Strukturen. Es verwendet eine scharfe Spitze, die über die untersuchte Oberfläche gescannt wird, wobei die Kraft zwischen Spitze und Oberfläche in der Regel in einer Rückkopplungsschleife konstant gehalten wird. Die Bewegung der Spitze erfordert eine Genauigkeit im (Sub-)Nanometerbereich, und AFMs sind empfindlich gegenüber Bodenvibrationen. AFMs werden daher in der Regel in vibrationsaremen Labors mit speziellen Maßnahmen gegen Bodenvibrationen betrieben. Mit der wachsenden Nachfrage nach Produkten, die im Nanometerbereich hergestellt werden, entsteht die Notwendigkeit eines Inline-Messgeräts mit hoher Auflösung, und das AFM ist eines der vielseitigsten Messgeräte im Nanometerbereich. Für AFM-Messungen in harschen Umgebungen, wie z.B. in industriellen Produktionslinien, müssen aktive Vibrationskompensationsmaßnahmen angewendet werden. Darüber hinaus benötigt der AFM-Messkopf eine kompakte Größe und einen langen vertikalen Hub, um Bodenvibrationen mit großen Amplituden (>10 um) mit hoher Bandbreite ausgleichen zu können. In diesem Projekt wird ein kompaktes AFM mit großer Reichweite und Vibrationssensoren auf 3 Achsen für Inline-Messungen entwickelt. Der Einfluss von Bodenvibrationen auf die AFM-Bildqualität wird analysiert. Basierend auf der Analyse wird ein geeigneter mechanischer Aufbau entworfen und simuliert. Um eine großflächige Analyse zu ermöglichen, wird ein Long-Range-Scanner entwickelt. Die Leistungsfähigkeit des entwickelten AFMs wird an Testproben, die Bodenvibrationen und Testvibrationsprofilen ausgesetzt sind evaluiert. Ein flexibles, kompaktes, auf piezoresistiver Cantilever basierendes AFM wird entworfen, simuliert und evaluiert. Das AFM ist nur 16 x 16 x 12 cm groß und wiegt 1.5 kg. Das AFM ist in der Lage, 220 x 220 um bei einer Linenscanrate von 1 Hz bzw. 340 x 340 um bei 0.5 Hz zu scannen, während der Scanner im offenen Regelkreis mit einem Linearitätsfehler unter 0.5% betrieben wird. Das vorgestellte Konzept ist in der Lage, eine Störung außerhalb der Ebene bei 5 Hz und 500 nm Spitze-Spitze mit 40 dB zu unterdrücken. Weiterhin wird gezeigt, dass es möglich ist, AFM-Topographie-Bilder aufzunehmen, während die Probe Vibrationen ausgesetzt ist, die die Spitze, den Cantilever oder beide beschädigen würden. Vibrationen in der Ebene mit 1.5 um werden durch die vorgestellte Nachbearbeitung zur Korrektur von Trajektorienfehlern gut korrigiert. Beide Methoden funktionieren auch, wenn die Probe gleichzeitig in der Ebene und außerhalb der Ebene schwingt.

The Atomic force Microscope (AFM) is a powerful tool for the analysis of surface topography and various properties like roughness on atomic scales and up to micrometer structures. It uses a sharp tip, which is scanned over the investigated surface, while the tip-surface force is usually kept constant in a feedback loop. The tip motion requires (sub-)nanometer accuracy, and AFMs are sensitive to floor vibrations. AFMs are therefore typically operated in quiet laboratories with remedies against floor vibrations. With growing demand for products fabricated in the nanoscale the necessity of in-line measurement tools with high resolution arises and the AFM is one of the most versatile measuring tools at the nanoscale. For AFM measurements in harsh environmental conditions, such as industrial production lines, active vibration compensation measures have to be applied. Additionally, the AFM measurement head requires a compact size and a long vertical stroke to enable high bandwidth tracking of floor vibrations with large amplitudes (>10 um). In this project, a compact, long-range AFM with vibration sensors on 3 axes for in-line measurements is developed. The impact of floor vibrations on the AFM imaging performance is analyzed. Based on the analysis, a suitable mechanical setup is designed and simulated. In order to enable large area-analysis a long range scanner is designed. The performance of the developed AFM is evaluated on test samples subjected to floor vibrations and test vibration profiles. A flexible and compact AFM with piezoresistive deflection measurement is designed, simulated and evaluated. The AFM is just 16 x 16 x 12 cm and weighs 1.5kg. The AFM is capable of scanning 220 x 220 um at a line scan rate of 1 Hz, respectively 340 x 340 um at 0.5 Hz while the scanner is operated open loop with a linearty error below 0.5%. The presented concept is able to reject a out-of-plane disturbance with 5 Hz and 500 nm peak-peak with 40 dB. Further it is shown that it is possible to take AFM topography images while the sample is exposed to vibrations that would damage the tip, cantilever or both with out remedies against vibrations. In-plane vibrations up to 1.5 um are well corrected by the presented offline trajectory error correction method. Both methods still work if the sample is vibrating in-plane and out-of-plane simultaneously.