A landmark-based method for the geometrical 3D calibration of scanning microscopes

Methode für die 3D Kalibrierung von Rastermikroskopen auf der Basis von Messmarken

  • This thesis presents a new strategy and a spatial method for the geometric calibration of 3D measurement devices at the micro-range, based on spatial reference structures with nanometersized landmarks (nanomarkers). The new method was successfully applied for the 3D calibration of scanning probe microscopes (SPM) and confocal laser scanning microscopes (CLSM). Moreover, the spatial method was also used for the photogrammetric self-calibration of scanning electron microscopes (SEM). In order to iThis thesis presents a new strategy and a spatial method for the geometric calibration of 3D measurement devices at the micro-range, based on spatial reference structures with nanometersized landmarks (nanomarkers). The new method was successfully applied for the 3D calibration of scanning probe microscopes (SPM) and confocal laser scanning microscopes (CLSM). Moreover, the spatial method was also used for the photogrammetric self-calibration of scanning electron microscopes (SEM). In order to implement the calibration strategy to all scanning microscopes used, the landmarkbased principle of reference points often applied at land survey or at close-range applications has been transferred to the nano- and micro-range in the form of nanomarker. In order to function as a support to the nanomarkers, slope-shaped step pyramids have been developed and fabricated by focused ion beam (FIB) induced metal deposition. These FIB produced 3D microstructures have been sized to embrace most of the measurement volume of the scanning microscopes. Additionally, their special design allows the homogenous distribution of the nanomarkers. The nanomarkers were applied onto the support and the plateaus of the slope-step pyramids by FIB etching (milling) as landmarks with as little as several hundreds of nanometers in diameter. The nanomarkers are either of point-, or ring-shaped design. They are optimized so that they can be spatially measured by SPM and CLSM, and, imaged and photogrammetrically analyzed on the basis of SEM data. The centre of the each nanomarker serves as reference point in the measurement data or images. By applying image processing routines, the image (2D) or object (3D) coordinates of each nanomarker has been determined with subpixel accuracy. In contrast to the spatial reference structures applied for the spatial calibration method introduced here, present calibration methods for scanning microscopes use sequential measurements of 2D lattice and height step structures. This means that the determination of the scale factor for the height measurement yields an average value for the full scan area. Thus, the height scale factor remains independent of the lateral scanning position, and, therefore, it will be impossible to determine the coupling of the lateral coordinate axes and the z-axis as a shear factor with the sequential calibration method. On this account, an affine geometrical model has been used here, that allows for scale factors in all space directions, and, for coupling between all coordinate axes. With the help of the correlative analysis of the measurement data of all measurement methods applied (SPM, CLSM and photogrammetric SEM), for the first time, all scale factors, as well as the linear coupling of the probes used for the height measurement could be determined dependent on the lateral scanning position. It could be shown that the scanning movement of the SPM and the CLSM is erroneous. Due to hysteresis effects and guidance errors of the scanning generators, due to errors and peculiarities of the control cycle, and because of misaligned attachment of the probe with respect to the scanning plane, the measurement coordinate system is not identical to the ideal reference coordinate system. Scale and orthogonality of the measurement coordinate system have to be calibrated and corrected, in order to maintain the traceability to the SI-unit meter, and, therefore, to allow for quantitative dimensional 3D measurements. However, the correlative analysis of the SPM, CLSM and photogrammetric SEM measurement data after 3D calibration resulted in mean residues in the measured coordinates of as little as 13 nm. Without the coupling factors the mean residues are up to 6 times higher. By taking into account the orthogonality of the measurement coordinate axes when performing a 3D calibration, a comparative and quantitative analysis of 3D scanning microscopy has been made possible.show moreshow less
  • Die vorgelegte Arbeit stellt ein neue Strategie und ein daraus abgeleitetes Verfahren zur geometrischen Kalibrierung von 3D Messgeräten im Mikrobereich vor. Das Verfahren beruht auf der Anwendung von räumlichen Kalibrierstrukturen mit Nanomessmarken (Nanomarker). Es konnte erfolgreich für die 3D Kalibrierung von Rasterkraftmikroskopen (SPM) und konfokalen Laserrastermikroskopen (CLSM) eingesetzt werden. Im Rahmen von vergleichenden Untersuchungen wurden die 3D Kalibrierstrukturen ebenfalls für dDie vorgelegte Arbeit stellt ein neue Strategie und ein daraus abgeleitetes Verfahren zur geometrischen Kalibrierung von 3D Messgeräten im Mikrobereich vor. Das Verfahren beruht auf der Anwendung von räumlichen Kalibrierstrukturen mit Nanomessmarken (Nanomarker). Es konnte erfolgreich für die 3D Kalibrierung von Rasterkraftmikroskopen (SPM) und konfokalen Laserrastermikroskopen (CLSM) eingesetzt werden. Im Rahmen von vergleichenden Untersuchungen wurden die 3D Kalibrierstrukturen ebenfalls für die photogrammetrische Selbstkalibrierung im Rasterelektronenmikroskop (SEM) verwendet. Für die Umsetzung der Kalibrierstrategie wurde sowohl für die eigentliche 3D Kalibrierung, als auch für die photogrammetrische Selbstkalibrierung, das in der Nahbereichsphotogrammetrie verwendete Prinzip von Messmarken in Form von Nanomarkern auf den Mikro- und Nanobereich ̈ubertragen. Als Träger für die Nanomarker dienen neu entwickelte, räumliche Mikrostrukturen in Gestalt von mehrstufigen Pyramiden mit schrägen Seitenflanken, hergestellt mit der Technologie der Focused Ion Beam (FIB) induzierten Metalldeposition. Die 3D Mikrostrukturen sind so konzipiert, dass sie den grössten Teil des Messvolumens von Rasterkraftmikroskopen erfassen und durch ihre Form die gleichmässige Verteilung der Nanomarker im Messvolumen der Rastergeräte ermöglichen. Die Nanomarker wurden durch FIB-Ätzung (Milling) als Messmarken mit einem Durchmesser von wenigen 100 Nanometern auf die Basis und die Stufenplateaus der pyramidalen Mikrostrukturen aufgebracht. Die Nanomarker besitzen eine optimale Gestalt, welche sowohl eine optimale räumliche Messung mit SPM und CLSM erlaubt, als auch die photogrammetrische Berechnung der Koordinaten der Nanomarker bei Aufnahmen der Kalibrierstrukturen im SEM. Die Mittelpunkte der Nanomarker dienen als Referenzpunkte in den Messdaten, deren Bild- bzw. Objektkoordinaten mit Hilfe von digitalen Bildverarbeitungsmethoden in Subpixelgenauigkeit bestimmt wurden. Im Gegensatz zu den hier verwendeten räumlichen Referenzstrukturen beruhen bisherige Kalibriermethoden für Rastermikroskope auf sequentiellen Kalibriermessungen von 2D Gitter- und Höhenstrukturen. Das bedeutet, dass die Bestimmung des Massstabsfaktors für die Höhenmessung einer Mittelwertbildung über den gesamten Datensatz entspricht, und damit unabhängig ist von der jeweiligen lateralen Rasterposition. Daher ist es mit dem sequentiellen Kalibrierverfahren nicht möglich, Kopplungen zwischen den lateralen Koordinatenachsen und der z-Achse in Form eines Scherungsfaktors zu bestimmen. Aus diesem Grund wurde für die hier vorgestellte 3D Kalibrierung ein geometrisches Modell verwendet, welches Massstabsfaktoren in alle Raumrichtungen, und Achsenkopplungen zwischen allen Koordinatenachsen zulässt. Mit der korrelativen Analyse der Messdaten der drei Messmethoden (SPM, CLSM und photogrammetrische SEM) konnten erstmals direkt alle Massstäbe, sowie lineare Kopplungen der im jeweiligen Messgerät verwendeten Sonde für die Höhenmessung in Abhängigkeit von ihrer lateralen Messposition erfasst werden. Es zeigte sich, dass die während der Messungen mit SPM und CLSM ausgeführte Rasterbewegung fehlerbehaftet ist. Durch Hystereseeffekte und Führungsabweichungen der Rastergeneratoren, durch Fehler und Eigenheiten im Regelkreis, in der Anbringung der Sonde sowie in der Signaldetektion weicht das Messkoordinatensystem der Mikroskope von einem idealen Referenzkoordinatensystem ab. Massstab und Orthogonalität der Achsen der Messkoordinatensysteme müssen kalibriert und korrigiert werden, um die Messpunktabstände auf die SI-Einheit Meter zurückzuführen und damit quantitative 3D Messungen zu ermöglichen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Martin Ritter
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-14908
ISBN:978-3-86509-630-2
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Olaf Hellwich
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2007/02/14
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Date of final exam:2006/10/30
Release Date:2007/02/14
Tag:AFM; FIB; Kalibrierung; Mikroskopie; Mikrostruktur
FIB; SPM; calibration; micro-structure; microscopy
Institutes:Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)