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INHALTE

Dynamik und Regelung von MEMS und NEMS

Kurzbeschreibung

Das Fachgebiet Mechatronik forscht im Bereich der „Scanning Probe Microscopy“ (SPM, auch Atomic Force Microscopy AFM), einem Verfahren zur Mikroskopie mit Auflösungen im Subnanometerbereich, [7]. Im Fokus steht eine Anordnung paralleler, schwingender Mikrobalken, ein sogenanntes Mikrobalken-Array (Cantilever Arrays), wie es in Abbildung 1 (a) skizziert ist. Forschungsziel ist es, einen Scanprozess mit Mikrobalken-Array bei gesteigerter Bildrate und Auflösung ohne Kontakt zwischen den Balken und der Probenoberfläche (Non-Contact Mode) zu realisieren. Basis hierfür ist ein umfassendes Verständnis zum nichtlinearen, gekoppelten Schwingungsverhalten von Mikrobalken-Arrays in Verbindung mit den zu untersuchenden Proben. Das Forschungsthema wird in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern bearbeitet.

Abbildung 1 a) Prinzip eines SPM Scanprozess mit einem Mikrobalken-Array
Abbildung 1 b) Einzel-Mikrobalken im Scanbetrieb über eine Probe

Stand der Forschung

Aufgrund der Komplexität des Systems im Scanprozess, ist das Systemverhalten der Mikrobalken eines Arrays aktuell weder gänzlich verstanden noch ist ein stabiler Prozess eines Arrays ohne Kontakt zwischen den Mikrobalken und der Probenoberfläche möglich. Die Nutzung von Arrays birgt jedoch eine deutliche Steigerung der zu untersuchenden Fläche und ermöglicht somit hohe Bildraten für großflächige Proben im mm Bereich.
Aktuell sind hauptsächlich SPM Systeme mit einem Mikrobalken kommerziell erhältlich, wogegen Mikrobalken-Arrays für SPM Gegenstand der Forschung und nicht kommerziell einsetzbar sind.

Ziel und Lösungsansatz

Ziel unserer Forschung ist die Regelung eines Arrays ohne Kontakt zwischen den einzelnen Balken und der Probe, bei gleichzeitiger Steigerung der örtlichen Auflösung. Dabei wird eine möglichst einfache Bedienung des SPM-Systems durch den Benutzer sowie eine einfache Ansteuerung des Arrays angestrebt.
Unser Lösungsansatz zum Erreichen dieses Ziels basiert auf einer Modellbildung des betrachteten Arrays (Abbildung 2), unter Berücksichtigung dessen spezifischen Eigenschaften (integrierte Sensorik und Aktorik, Kompositstruktur, veränderliche Querschnittsfläche). Das gewonnene Systemverständnis aus der Analyse der nichtlinearen, gekoppelten Dynamik des Arraysmodells und dessen experimentellen Validierung dient als Grundlage für die Beobachtung der Spitzenbewegung der einzelnen Mikrobalken, der gezielten Nutzung auftretender Nichtlinearitäten zur Auflösungssteigerung sowie der Auslegung einer Trajektorienplanung, welche dem entwickelten Regler überlagert ist. Die identifizierten Kopplungen innerhalb des Arrays werden im Rahmen der Vereinfachung der Ansteuerung genutzt.
Eine detaillierte Beschreibung des Modells und bisheriger analytischer und experimenteller Ergebnisse sind in den Veröffentlichungen auf den folgenden Seiten zu finden:FG Mechatronik, FG Mikro- und nanoelektronische Systeme, Dr. Gutschmidt und unter Publikationen.

Kooperationspartner

Erläuterungen

Abbildung 1 (a) zeigt einen prinzipiellen Ablauf zur SPM mit einem Array, mit den folgenden Punkten:

  • Probe positionieren: im großen Bewegungsbereich relativ zum Array (z.B. zu untersuchender Bereich auf einem Wafer, einzelne Zellen in einer Petrischale),
  • Erregen der einzelnen Balken eines Arrays nahe der jeweiligen Eigenfrequenz,
  • Positionierung des Arrays in der Nähe zur Oberfläche und Regeln des Abstands zwischen den jeweiligen Balken und der Probe im Nanometerbereich,
  • Planung der Anfangstrajektorie zur Abtastung der Oberfläche,
  • Bewegung des Arrays in einer Scanbewegung über die Oberfläche entlang der Trajektorie,
  • Anpassung der Trajektorie an die Gegebenheiten der Probe,
  • Auswertung des Verhaltens der einzelnen Mikrobalken entlang der Trajektorie für ein dreidimensionales Bild der Probe.

Dabei spielen verschiedene Bereiche zusammen. Zum einen muss die Probe in großen Bewegungsbereichen nanometergenau positioniert werden. Beispiel eines solchen Systems ist die Nanopositionier- und Messmaschine der TU Ilmenau. Das Fachgebiet Mechatronik arbeitet dabei im Bereich magnetischer Nanopositioniersysteme für große Bewegungsbereiche.

Um die Probe vermessen zu können, wird das Array von einer weiteren Positioniereinheit in einer scannenden Bewegung über die Oberfläche bewegt. Neben hohen Genauigkeitsanforderungen sind eine hohe Dynamik und Bandbreite nötig, um eine hohe Bildrate zu erreichen. Das Fachgebiet Mechatronik arbeitet in diesem Bereich an piezoelektrischen Positioniersystemen.

Darüber hinaus ist es wichtig, geeignete Trajektorien zu berechnen, welche ein Maximum an Scangeschwindigkeit erzielen. Dabei sind zum Einen die auftretenden Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen des Positionierers zur Scanbewegung zu minimieren. Zum anderen soll über eine gezielte Änderung der Scangeschwindigkeit die Bildqualität erhöht werden. Dabei werden z.B. Bereiche mit großen Topographieänderungen bei geringeren Geschwindigkeiten vermessen.

Zentrales Element des SPM Prozesses ist das Mirkobalken-Array. Abbildung 2 (a) zeigt ein solches Array, welches von der Gruppe um Prof. Rangelow an der TU Ilmenau hergestellt wurde [8]. Jeder Mikrobalken des Arrays verfügt über einen integrierten Sensor und Aktor und kann somit unabhängig geregelt werden. Die Struktur eines Mikrobalkens innerhalb eines Arrays ist in Abbildung 2 (b) gezeigt, mit thermischem Aktor (rot), piezoresistivem Sensor (grün) und leitfähiger Lithographiespitze (blau). Die Erregung des Mikrobalkens basiert auf dem Bimetalleffekt, wobei ein Wärmeeintrag durch den Aktor zu einer Auslenkung des Balkens führt, aufgrund des schichtweisen Balkenaufbaus aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Somit kann jeder Mikrobalken mit einem konstanten Aktorstrom statisch ausgelenkt, bei einem Wechselstrom in Schwingung versetzt werden. Die aus der Auslenkung des Balkens resultierende mechanische Spannung im Balken wird über die piezoresistiven Widerstände gemessen. Eine Vollbrückenanordnung auf jedem Balken dient dabei der Temperaturkompensation.

Abbildung 2 a) Rasterelektronenbild eines Mikrobalken-Arrays; Aufnahme von unten (in Richtung der Probe zeigende Seite, gilt auch für Abb. 1 b); [9]
Abbildung 2 b) Rasterelektronenbild eines einzelnen Balken eines Arrays; Aktor in rot, Sensor in grün, Lithographiespitze in Blau (Spitze ist am freien Ende des Balkens); [10]

Vorteil dieses Arraykonzepts gegenüber kommerziell erhältlichen Systemen (nur Einzelbalken) ist dessen einfache Herstellung und Skalierbarkeit, der Wegfall optischer Komponenten zur Auslenkungsmessung sowie die Möglichkeit einer individuellen Regelung der einzelnen Balken eines Arrays. Bei optischer Auslenkungsmessung müsste jeder Balken separat gemessen werden, welches hohe Anforderungen an die optische Ausrichtung mit sich bringt. Zusätzlich müssen die optischen Komponenten im Scanprozess bewegt werden.

Publikationen

2016

  • Angelov, T.; Roeser, D.; Ivanov, T.; Gutschmidt, S.; Sattel, T. and Rangelow, I.W.
    Thermo-mechanical transduction suitable for high-speed scanning probe imaging and lithography, Microelectronic Engineering, vol. 154, p. 1 - 7, DOI: 10.1016/j.mee.2016.01.005

2015

  • Roeser, D.; Gutschmidt, S.; Sattel, T. and Rangelow, I.W.
    Tip Motion - Sensor Signal Relation for a Composite SPM/SPL Cantilever, Journal of Microelectromechanical Systems, DOI: 10.1109/JMEMS.2015.2482389
  • Rangelow, I.W.; Ivanov, T.; Hofer, M.; Angelov, T.; Ahmad, A.; Holz, M.; Lenk, S.; Atanasov, I.; Kaestener, M.; Guliyev, E.; Roeser, D.; Gutschmidt, S. and Sattel. T.
    Deflection efficiency of self-transducing, self-sensing cantilevers suitable for fast-AFM, scanning probe lithography and array operation, 12th International Workshop on Nanomechanical Sensing (NMC 2015), 13-15 Jul 2015
  • Jackson, S.; Roeser, D.; Gutschmidt, S. and Sattel, T.
    Investigation of the dynamics of coupled cantilever arrays on a micro and macro scale with applications to AFM, 12th International Workshop on Nanomechanical Sensing (NMC 2015), 13-15 Jul 2015 

2014

  • Roeser, D.; Jackson, S.; Gutschmidt, S. and Sattel, T.
    Experimental and Theoretical Investigations of Near-Field Interactions in AFM, 8th European Nonlinear Dynamics Conference (ENOC'14), 2014
  • Roeser, D.; Gutschmidt, S. and Sattel, T.
    Coupled Boundary Conditions Between Cantilevers of a Thermoelastic SPM Array, 17th U.S. National Congress on Theoretical and Applied Mechanics (USNCTAM'14), 2014

2012

  • Roeser, D.; Gutschmidt, S.; Sattel, T. and Rangelow, I.W.
    Coupled Vibrations in a Thermo-Elastic Small Size Scanning Probe Microscopy Array, The International Conference on Advances in Coupled Systems Mechanics, 2012

2011

  • Roeser, D. and Sattel, T.
    Mikromechanischer RKM-Sensor: Modellbildung und Analyse eines elektro-thermisch aktuierten Mikrobalkens, elmug4future Technologiekonferenz, 2011
  • Roeser, D.; Gutschmidt, S. and Sattel, T.
    A Multi-Physics Composite Model of a Thermo-Elastic Micro Cantilever, 82nd Annual Scientific Conference of GAMM, 2011

2010

  • Sattel, T.; Roeser, D. and Gutschmidt, S.
    Multi-Physics Modeling of an Electro-Thermally Actuated Micro-Cantilever for Scanning Probe Microscopy, In Proceedings of the ASME 2010 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Vancouver, Canada, ISBN 97-807-918-389 14, 2010

Referenzen

  • [1]  Du, H. & Bogue, R. (2007), MEMS sensors: past, present and future, Sensor Review 27(1), 7--13.
  • [2]  Nayfeh, A.; Ouakad, H.; Najar, F.; Choura, S. & Abdel-Rahman, E. (2010), Nonlinear dynamics of a resonant gas sensor, Nonlinear Dynamics 59(4), 607--618.
  • [3] Li, X. & Lee, D.-W. (2012), Integrated microcantilevers for high-resolution sensing and probing, Measurement Science and Technology 23(2), 022001.
  • [4] van Beek, J. & Puers, R. (2011), A review of MEMS oscillators for frequency reference and timing applications, Journal of Micromechanics and Microengineering 22(1), 013001.
  • [5] Jalili, N. & Laxminarayana, K. (2004), A review of atomic force microscopy imaging systems: application to molecular metrology and biological sciences, Mechatronics 14(8), 907--945.
  • [6]  Paul, P.; Knoll, A.; Holzner, F. & Duerig, U. (2012), Field stitching in thermal probe lithography by means of surface roughness correlation, Nanotechnology 23(38), 385307.
  • [7] Ando, T. (2012), High-speed atomic force microscopy coming of age, Nanotechnology 23(6), 062001.
  • [8] Sarov, Y.; Ivanov, T.; Frank, A. & Rangelow, I. (2010), Thermally driven multi-layer actuator for 2D cantilever arrays, Applied Physics A: Materials Science & Processing, 1--8.
  • [9] Ivanova, K., et al., (2008), Scanning proximal probes for parallel imaging and lithography, Journal of Vacuum Science & Technology B 26.6, 2367-2373.
  • [10] Kaestner, Marcus, et al., (2015), Advanced electric-field scanning probe lithography on molecular resist using active cantilever, SPIE Advanced Lithography, International Society for Optics and Photonics