Kompensation thermischer Drifteffekte in der Rasterkraftmikroskopie mit Hilfe probabilistischer Zustandsschätzung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sergej Fatikow
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 243221359

Seit mehr als zwei Jahrzehnten stellt das Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope = AFM) ein wesentliches Messinstrument in verschiedenen Disziplinen wie Biologie, Materialwissenschaften, Halbleiterindustrie, sowie Mikro-und Nanotechnologie dar. Es revolutionierte die Oberflächenanalyse durch eine hochauflösende Visualisierung von Strukturen auf der Mikro- und Nano-, aber auch auf atomarer Skala. Während das AFM zunächst als Verfahren zur mechanischen Probenabtastung verwendet wurde, wurden im Laufe der Zeit weitere Betriebsarten entwickelt, die elektrische, magnetische, aber auch chemischen Wechselwirkungen umfassen. Neben der Verwendung als bildgebendes Verfahren eignet sich das AFM auch zur Handhabung von Objekten auf der Nanoskala. Potenzielle Anwendungen solcher Handhabungen sind z.B. die prototypische Entwicklung nanoelektromechanischer Systeme (NEMS) basierend auf Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren, DNA, oder Monolagen von Graphen. Ein Problem, das nahezu alle Anwendungsgebiete der Rasterkraftmikroskopie betrifft ist die Existenz thermischer Drift. Diese Drift entsteht durch kleine Temperaturveränderungen und Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Komponenten des AFMs. Thermische Drift führt zu einem signifikanten Verlust von Genauigkeit und einer unbekannten, zeitvarianten Verschiebung bei der Positionierung der AFM-Spitze in Bezug zum darunterliegenden Substrat. Diese Bewegung ist in der Regel langsam, aber sie verursacht Verzerrungen in aufgenommenen AFM-Bildern und bei lithographischen Verfahren. Ebenso führt diese Drift zu verfälschten Messergebnissen in Spektroskopieanwendungen und fehlerhaften Ergebnissen bei Nanohandhabungsaufgaben.Im vorgeschlagenen Projekt besteht das Hauptziel in der Entwicklung eines flexiblen Systems zur Kompensation thermischer Drifteffekte. Dieses System soll flexibel anwendbar sein im Kontext der Bildgebung, Spektroskopie aber auch bei der Durchführung von Nanohandhabungsaufgaben. Die entwickelten Methoden sollen eine aktive Kompensation thermischer Drift während der Bildaufnahme und Manipulation in Echtzeit ermöglichen, ohne das Kenntnisse der Probeneigenschaften oder des aktuellen Driftzustandes vorliegen. Darüber hinaus soll Drift in allen drei Dimensionen detektiert und kompensiert werden, so dass keine Einschränkung in den möglichen Anwendungen zu erwarten sind.Zur Erreichung der Projektziele soll ein probabilistischer Algorithmus entwickelt werden, der unter Einbeziehung von Nicht-Raster-Scan-Verfahren, allgemeingültigen Modellen zur Beschreibung von AFM-Topographie-Daten, sowie einem probabilistischen Driftmodell die aktuellen Driftparameter rekursiv bestimmt. Der Algorithmus soll auf dem Bayes-Filter, basieren, welches Unsicherheiten durch ungenaue Modelle explizit berücksichtigt. Das System wird experimentell auf unterschiedlichen AFM-Systemen im Rahmen von automatisierten Handhabungssequenzen unterschiedlicher Nanoobjekte validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen