Q-Control von Atomic Force Microscopy Cantilevern mit integrierten, piezoelektrischen Dünnfilmaktuatoren

Abstract

Mit der Atomic Force Microscopy (AFM) können Höhenprofile von Oberflächen hoch präzise bis in den sub-nm Bereich aufgelöst werden. Die Kombination von AFM und Scanning Electron Microscopy (SEM) verbindet die Strukturabbildung bei AFM-Messungen mit der Tiefenschärfe von SEM-Analysen. Auf Grund der SEM Vakuumbedingungen ist der Einfluss der viskosen Luftdämpfung vernachlässigbar, wodurch die Güte (Q-Faktor) der resonanten AFM-Cantilever Schwingung, im Vergleich zum Standard AFM, hoch ist. Dies bewirkt eine geringe Bandbreite, somit langsamere dynamische Eigenschaften und der Cantilever kann auf Topographieänderungen nicht mehr ausreichend schnell folgen. Der Messprozess verlangsamt sich auf Grund größerer Zeitkonstanten, was insbesondere bei industriellen In-line Messaufgaben einen Nachteil darstellt. Das Ziel dieser Arbeit ist, das Folgeverhalten des Cantilevers auf Topographieänderungen im Hinblick auf eine hohe Messdynamik zu optimieren. Mit Hilfe von gesputterten piezoelektrischen Material (Aluminiumnitrid, AlN) werden AFM-Cantilever mit einer aktiven Schicht ausgestattet, wodurch eine aktive elektronische Dämpfung zur Realisierung einer reduzierten Güte entwickelt werden kann. Diese Arbeit befasst sich mit der analytischen Modellierung eines vorhandenen Trägeraufbaus für die Cantilever und der Modellierung der Cantilever selbst, um Verständnis über deren Wirkungsweise zu erlangen. In weiterer Folge wurde das gesamte System zur Q-Faktor Regelung der Cantilever neu entwickelt. Die Hauptanforderungen waren die geringeren Cantilever Abmessungen, die Ströme im Bereich von 10nA bei 100 kHz und die vorgegebene Randbedingung der Vakuumkammer. Ein analoger Regler übernimmt die Aufgaben der Anregung, Auslesung und Dämpfung der AFM-Schwingung mittels der piezoelektrischen Schicht. Ein Matlab Programm stellt die Benutzerschnittstelle dar und übernimmt Steuerungsaufgaben. Abschließend wurden mit dem neuen System AFM-Cantilever unterschiedlicher Abmessungen bei atmosphärischer Druckumgebung und im Vakuum untersucht. Eine aufgetretene Erhöhung der Cantilever Güte in Vakuum gegenüber atmosphärischem Druck konnte mit der entwickelten Regelung um den Faktor 7.6 reduziert werden. Totzeiten bei AFM-Messungen werden kleiner und die Gesamtmesszeit geringer. Der Aufbau bietet Verbesserungen im Bereich der Messbrücke, Verringerung des Temperaturdrifts und der Reduktion des Messrauschens.

Atomic force microscopy (AFM) resolves surfaces down to the sub-nm rage accurately, but the image quality is moderate. The combination of AFM and Scanning Electron Microscopy (SEM) combines the depth-of-field of SEM analyses with the structure mapping in AFM measurements. The SEM requires high vacuum conditions, which causes an increase in the quality factor (Q-factor) of the resonant excited AFM-Cantilever oscillation in comparison to standard AFM measurements. As a result the cantilever has reduced dynamic properties than with atmospheric pressure conditions, it has a longer response time to topography changes and the measurement process elongates due to longer dead times at topography changes. The aim of this thesis is to accelerate the dynamic properties of AFM cantilevers at topographic changes. A thin layer of piezoelectric Material (Aluminiumnitrid, AlN) is sputter-deposited on the cantilevers. This layer enables an electronic damping of the cantilever to tailor the Q-factor during the AFM measurements . Initially this thesis deals with an existing carrier structure for the cantilever. An existing finite element simulation is used to check a self-developed analytical model of the carrier structure. Measurements of the real structure are performed to validate the analytical model. In addition an analytical model of the cantilever is created to understand their behaviour. In a next step the entire system is redeveloped to control the cantilever Q-factor. The essential requirements are the small cantilever dimensions, the associated currents in the range of 10nA at 100 kHz and the boundary condition of the vacuum chamber. An analoge controller excites, reads out and attenuates the AFM cantilever oscillation by its piezoelectric layer. A Matlab program sends the user input to the controller and adjusts the system parameters. In the end AFM cantilever with different dimensions are investigated with the new system at atmospheric pressure and in vacuum. First an increase of the cantilever Q-factor is observed in vacuum compared to atmospheric pressure. This increase in vacuum was than reduced by a factor of 7.6. The AFM measurement time in vacuum is reduced, because the dead times are reduced by the factor of 7.6 . Further improvements are possible at the measuring bridge, reduction of temperature drift and reduction of noise.