Vison and visual servoing for nanomanipulation and nanocharacterization using scanning electron microscope

Vision et asservissement visuel pour la nanomanipulation et la nanocarectérisation sous microscope électrique à balayage.

• Auteur / Autrice : Naresh Marturi
• Direction : Nadine Lefort-Piat, Sounkalo Dembélé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 19/11/2013
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Jury : Président / Présidente : Michèle Rombaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadine Lefort-Piat, Sounkalo Dembélé, Michèle Rombaut, Guillaume Morel, Alexandre Krupa, Olivier Haeberlé, Michel Paindavoine, Brahim Tamadazte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Morel, Alexandre Krupa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique -- Technique

Mots clés libres

Microscopie électronique

Nanomanipulation

Nanopositionnement

Asservissement visuel

Electron microscopy

Nanomanipulation

Nanopositioning

Visual servoing

Résumé

Avec les dernières avancées en matière de nanotechnologies, il est devenu possible de concevoir, avec une grande efficacité, de nouveaux dispositifs et systèmes nanométriques. Il en résulte la nécessité de développer des méthodes de pointe fiables pour la nano manipulation et la nano caractérisation. La d´étection directe par l’homme n’ étant pas une option envisageable à cette échelle, les tâches sont habituellement effectuées par un opérateur humain expert `a l’aide de microscope électronique à balayage équipé de dispositifs micro nano robotiques. Toutefois, en raison de l’absence de méthodes efficaces, ces tâches sont toujours difficiles et souvent fastidieuses à réaliser. Grâce à ce travail, nous montrons que ce problème peut être résolu efficacement jusqu’ à une certaine mesure en utilisant les informations extraites des images. Le travail porte sur l’utilisation des images électroniques pour développer des méthodes automatiques fiables permettant d’effectuer des tâches de nano manipulation et nano caractérisation précises et efficaces. En premier lieu, puisque l’imagerie électronique à balayage est affectée par les instabilités de la colonne électronique, des méthodes fonctionnant en temps réel pour surveiller la qualité des images et compenser leur distorsion dynamique ont été développées. Ensuite des lois d’asservissement visuel ont été développées pour résoudre deux problèmes. La mise au point automatique utilisant l’asservissement visuel, développée, assure une netteté constante tout au long des processus. Elle a permis d’estimer la profondeur inter-objet, habituellement très difficile à calculer dans un microscope électronique à balayage. Deux schémas d’asservissement visuel ont été développés pour le problème du nano positionnement dans un microscope électronique. Ils sont fondés sur l’utilisation directe des intensités des pixels et l’information spectrale, respectivement. Les précisions obtenues par les deux méthodes dans diff érentes conditions expérimentales ont été satisfaisantes. Le travail réalisé ouvre la voie à la réalisation d’applications précises et fiables telles que l’analyse topographique,le sondage de nanostructures ou l’extraction d’ échantillons pour microscope électronique en transmission.

With the latest advances in nanotechnology, it became possible to design novel nanoscale devicesand systems with increasing efficiency. The consequence of this fact is an increase in the need for developing reliable and cutting edge processes for nanomanipulation and nanocharacterization. Since the human direct sensing is not a feasible option at this particular scale, the tasks are usually performedby an expert human operator using a scanning electron microscope (SEM) equipped withmicro-nanorobotic devices. However, due to the lack of effective processes, these tasks are always challenging and often tiresome to perform. Through this work we show that, this problem can be tackle deffectively up to an extent using the microscopic vision information. It is concerned about using the SEM vision to develop reliable automated methods in order to perform accurate and efficient nanomanipulation and nano characterization. Since, SEM imaging is affected by the non-linearities and instabilities present in the electron column, real time methods to monitor the imaging quality and to compensate the time varying distortion were developed. Later, these images were used in the development of visual servoing control laws. The developed visual servoing-based autofocusing method ensures a constant focus throughout the process and was used for estimating the inter-object depth that is highly challenging to compute using a SEM. Two visual servoing schemes were developed toperform accurate nanopositioning using a nanorobotic station positioned inside SEM. They are basedon the direct use of global pixel intensities and Fourier spectral information respectively. The positioning accuracies achieved by both the methods at different experimental conditions were satisfactory.The achieved results facilitate in developing accurate and reliable applications such as topographic analysis, nanoprobing and sample lift-out using SEM.