Fabrication and characterization of self-sensing and self-actuating piezoresistive microscale silicon cantilevers for an integrated scanning probe microscopy and scanning electron microscopy system

Wenzel, Ute

Zum ersten Mal ist eine Kombination aus SPM und REM in einem System mit einem selbstaktuierenden und selbstdektierenden piezoresistiven mikrometerkleinen Siliziumcantilever erfolgreich demonstriert worden. Es ermöglicht hochauflösende AFM- und REM-Aufnahmen. Der Vorteil besteht darin, dass AFM die Topographie der Probenoberfläche liefert, während REM-Aufnahmen nur zweidimensional sind und nicht zwingend deutlich ist, wo sich Berg oder Tal befinden. Die Integration von Aktuation und Detektion in den Cantilever reduziert nicht nur die Größe des AFMs und macht das Lasersystem für die Erfassung der Cantileververbiegung überflüsissig, sondern bietet ein einfach zu bedienendes System, weil der Laserstrahl nicht mehr justiert werden muss. Die Doktorarbeit präsentiert die erste umfassende Charakerisierung der Verhaltens eines selbstaktuierenden und selbstdektierenden piezoresistiven mikrometerkleinen Siliziumcantilevers. Der Verhalten ist von parasitärer Wärme beeinflusst, die von der thermischen Anregung und der Verbiegungserfassung herrührt, von der Luftdämpfung, dem Rauschen und dem Übersprechen. Die lineare Abhängigkeit von der Temperatur und der Anregungsleistung zeigen die Resonanzfrequenz, die Güte, die statische Verbiegung und die Schwingungsampltitude in den Messungen. Auch die Wheatstone-Brücke bringt Temperaturänderung in den Cantilever, die die Resonanzfrequenz stärker beeinflusst als die Anregungsleistung, denn die Brücke ist an einer kritischen Stelle plaziert, wo die mechanische Spannung am größten ist. Die Änderung der Güte und der Schwingungsamplitude mit dem Luftdruck lässt sich in den intrischen, den molekularen und den viskosen Bereich einteilen, während die Resonanzfrequenz linear mit dem Luftdruck abfällt. Ein komplett neues SPM-REM-System mit einem selbstaktuierenden und selbstdektierenden piezoresistiven mikrometerkleinen Siliziumcantilever, das hochauflösende Bilder, Charakterisierung und Manipulation der Probenoberfläche in verschiedenen SPM-Moden ermöglicht, ist präsentiert worden.

For the first time, the combination of SPM and SEM within one system using a self-actuating and self-sensing piezoresistive microscale silicon cantilever has been successfully demonstrated. It is capable of high resolution AFM and SEM images. The advantage is that AFM gives the topography of the specimen surface, wheeas the SEM image is only two-dimensional and it is not necessarily clear where there is a hill or a valley. The integration of the actuation and sensing into the cantilever does not only reduce the size of the AFM and make a laser system for beam deflection detection redundant, it also offers an easy-to-use system by obviating the need for laser beam alignment. The PhD thesis presents the first extensive characterization of the performance of the self-sensing and self-actuating piezoresistive microscale silicon cantilever. The performance is influenced by parasitic heating resulting from the thermal beam actuation and deflection detection, by air damping, noise, and cross-talk. The linear temperature and drive power dependency of fundamental frequency, quality factor, deflection at pure beam bending, and maximum amplitude of beam oscillation is demonstrated by measurements. The Wheatstone bridge also introduces a temperature change to the beam, which affects the fundamental frequency more than the drive power does, because the bridge is placed at a crucial position where there is maximum stress. The variation of quality factor and maximum amplitude of beam oscillation in relation to air pressure clearly falls into three regions, intrinsic, molecular and viscous, whereas the fundamental frequency decays linearly with air pressure. A completely new SPM-SEM system with a self-actuating and self-sensing piezoresistive microscale silicon cantilever is presented that is capable of high resolution imaging, characterization, and manipulation in different SPM modes.

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Wenzel, Ute: Fabrication and characterization of self-sensing and self-actuating piezoresistive microscale silicon cantilevers for an integrated scanning probe microscopy and scanning electron microscopy system. 2013.

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