Nachbearbeitung von AFM-Bildern

Das Rasterkraftmikroskop ist ein Instrument, das Höhenänderungen auf atomarer Skala präzise messen kann. Oftmals sollen aber AFM-Bilder nicht nur das Ausmessen bestimmter Details ermöglichen, sondern auch noch gut aussehen. Dies erfordert in den meisten Fällen ein wenig Nachbearbeitung. Im Folgenden soll kurz gezeigt werden, wie einfache Verarbeitungsschritte das Aussehen eines AFM-Bildes extrem verbessern können, ohne dadurch etwas von seinem Informationsgehalt zu verlieren.

Unbearbeitetes AFM-Bild der Oberfläche eines GaN-Wafers
Man erkennt gerade so den Verlauf einzelner Atomlagen

Das Bild rechts zeigt ein unbearbeitetes AFM-Bild einer Gallium-Nitrid (GaN) Oberfläche. GaN ist ein Halbleitermaterial, das z.B. bei der Herstellung von blauen und weißen Leuchtdioden verwendung findet. Das Bild wurde mit unserem kleinen DS45-40 Scanner im Reinraum des Instituts für Angewandte Physik der TU Braunschweig aufgenommen. Der Scanner ist in der "Iglu"-Plattform montiert, die auf einem normalen Metalltisch steht. Da der Scanner nicht abgedeckt ist, erzeugen die in einem Reinraum herrschende permanente Luftströmung sowie laufende Pumpen ein geringes niederfrequentes Störgeräusch, das sich in horizontalen Linien im Bild bemerkbar macht. Desweiteren ist die Probe um ca. 0,4° gegenüber der Scanebene verkippt. Eine derartige Verkippung ist kaum zu vermeiden und wird besonders bei flachen Proben wie in diesem Fall deutlich.

AFM-Bild nach Ebenenkorrektur

Eine deutliche Verbesserung wird erreicht, wenn man die Probenoberfläche durch eine Ebene annähert und diese Ebene von den Daten abzieht. Dadurch verschwindet die Verkippung und die interessanten Strukturen werden deutlicher sichtbar. Nun treten aber auch die niederfrequenten Störungen stärker hervor. Glücklicherweise kann man diese Störungen größtenteils loswerden, wenn man von jeder Zeile ihren Mittelwert abzieht (Zeilenmittel).

AFM-Bild nach Zeilenmittel und Ebenenkorrektur

Das Bild rechts ist das Ergebnis von Zeilenmittel und Ebenenkorrektur. Man erkennt den Verlauf der Atomlagen jetzt sehr deutlich. Das innerhalb der Atomlagenflächen vorhandene "Grundrauschen" kann nicht durch reguläre GaN-Atomelagen verursacht worden sein, da das Rauschen kleiner ist als der Atomlagenabstand. Es könnte sich um halbe Schichten oder adsorbierte Atome handeln, was man auf diesem Wege aber nicht weiter unterscheiden kann.

Zeilenmittel und Ebenenkorrektur sind Standardverfahren der Rastersondenmikroskopie. Sie werden sehr oft verwendet und bringen meistens einen Qualitätsgewinn. Oftmals werden die Daten schon während des Scanvorgangs in dieser Weise bearbeitet, so dass man schon während des Scannens die Qualität des Ergebnisses beurteilen kann. Im übrigen speichert unsere Scansoftware immer die unmanipulierten Originaldaten, so dass man auch nach Anwendung bestimmter Bildbearbeitungstechniken wieder zum Original zurück kann. Aus den hier gezeigten Bildern kann man ebenfalls ersehen, dass man auch auf einem normalen Tisch unter nicht idealen Bedingungen mit dem AFM problemlos atomare Höhenauflösungen erreichen kann.

Scannt man eine Probe mit nicht zufällig verteilten Oberflächenstrukturen wie in diesem Fall, kann das Zeilenmittel aber auch unerwünschte Artefakte produzieren, da diese Funktion am besten arbeitet, wenn alle Zeilen etwa den gleichen "Höhenhenmittelwert" aufweisen.

Einfluss von "Beleuchtung"

Um Oberflächenstrukturen besser zur Geltung zu bringen, lohnt es sich oftmals (auch bei zweidimensionalen Bildern) eine Art Beleuchtungseffekt hinzuzufügen. Im wesentlichen addiert man die Höhenänderung in eine bestimmte Richtung zum Originalbild, bzw. zieht sie ab. Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich "beleuchteter" und "unbeleuchteter" Bilder und der echten 3D-Darstellung, allesamt strukturierte und unstrukturierte Galliumnitrid-Oberflächen:

Ohne "Beleuchtung"	Mit "Beleuchtung"	Echt 3D

Die Beleuchtungseffekte können einen starken plastischen Eindruck vermitteln, auch bei zweidimensionaler Darstellung. Oftmals kann man wesentlich mehr Details erkennen, und die Bilder sehen einfach interessanter aus.

Bei der letzten streifenartigen Struktur ist die Darstellung noch nicht ideal. Man erkennt zwar die Details an der Oberfläche der Streifen, kann aber nicht genau erkennen, wie es in dem tiefen "Tal" zwischen den Streifen aussieht. Hier empfiehlt es sich manchmal, einfach die Farbpalette auszuschalten und nur den Beleuchtungseffekt zu verwenden (oder Farben der Farbpalette auszutauschen). Da dann die echte Höheninformation verloren geht, kann man auch mal zur echten 3D-Darstellung wechseln:

In den letzten beiden Bildern sieht man sehr deutlich die Oberflächenstruktur innerhalb des Tals. Neben dem netten Aussehen hat die echte 3D-Darstellung den Nachteil, dass man die Proportionen nicht mehr genau nachmessen kann, was ja eigentlich der Sinn des AFMs oder SPMs ist. Insofern sollte man diese Darstellungsmethode normalerweise vermeiden.