Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Antastverfahren für Mikrostrukturen

Überblick über verschiedene, in der AG 5.11 verwendete Antastmöglichkeiten für Mikrostrukturen:

• Si-Biegebalken Sensoren

Si-Biegebalken Sensoren

Die Eignung kommerziell erhältlicher piezoresistiver Cantilever für die Anwendung als Rauheitssensor in Mikrostrukturen mit großem Aspektverhältnis wurde untersucht. Es zeigte sich, dass die angebotenen Sensoren zwar prinzipiell geeignet sind, aber für die Verwendung als Tastschnittsensoren in tiefen Mikrobohrungen nicht in Frage kommen, weil die Länge der Biegebalken auf ca. 0,5 mm begrenzt ist.

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Halbleitertechnik (IHT) der TU Braunschweig wurde mit der Entwicklung von Sensoren begonnen, die folgende Merkmale aufweisen:

• Länge 5 mm
• monolithische Herstellung: das eigentliche Antastelement (die Sensorspitze) ist aus dem Grundmaterial herausgearbeitet
• zusätzliche Kontaktierverfahren (wie Drahtbonden) sind nicht erforderlich, weil die Kontakte bereits auf dem Chip realisiert werden
• im Knickbereich der Biegebalken befinden sich zu Wheatstone-Brücken verschaltete Piezowiderstände, die sich bei auftretenden mechanischen Spannungen ändern.

Erste Prototypen dieser neuen Sensoren mit pyramidenförmiger Tastspitze wurden hinsichtlich Biegesteifigkeit und elektrischer Empfindlichkeit untersucht.

Eine gute Linearität der Kraft und der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Cantileverauslenkung wurden gemessen. Die Abweichungen der Kraft-Weg-Kennlinie von einem linearen Fit betrugen +/- 1 µN (0,5 %) und die der Ausgangssignal-Kraft-Kurve +/- 1 mV (0,3 %) entsprechend +/- 72 nm. Diese Werte wurden für eine Cantilevergesamtauslenkung von 24 µm, die einer auf die Tastspitze wirkenden Kraft von 180 µN entspricht, gemessen.
Außer dem "einfachen" pyramidenähnlichen Antastelement sind abgewinkelte Antastelemente und kapazitive Antastelemente geplant.

Mikrokräfte können nach Kalibrierung der Biegesteifigkeit mit diesen Si-Biegebalken ebenfalls gemessen werden. Die Kraftauflösung beträgt 0,1 µN und die maximale Linearitätsabweichung des Sensorsignals 0,18 µN, d. h. unter optimalen Bedingungen können durch Kalibrierung der Sensorausgangsspannung Kräfte mit einer Unsicherheit im Bereich von 1 µN gemessen werden.