Fertigung hochpräziser Lamellen aus Silizium zum Einsatz im Röntgeninterferometer

Als Zuarbeit zum europäischem Projekt „Realisation of the awaited definition of the kilogram - resolving the discrepancies“ (kilogram now(kNOW)) wurden im Wissenschaftlichen Gerätebau Siliziumlamellen einer Höhe von rd. 15 mm bei einer Dicke von 0,5 mm bzw. 1,6 mm aus natürlichem und isotopenreinem Silizium gefertigt. Durch die hochgenau gefertigten unterschiedlichen Kristallstärken soll der Einfluss der Dicke der Lamellen auf die Ergebnisse der Gitterparametermessung von Silizium mit Röntgeninterferometern untersucht werden. Die Teile werden hierzu im italienischen Metrologieinstitut INRIM vermessen. Die Ergebnisse sollen das Projekt zur Neudefinition des Kilogramms unterstützen.

Fertigungstechnisch stellen Bauteile aus monokristallinen sprödharten Werkstoffen eine große Herausforderung dar. Die dünnen Lamellen neigen dazu, während einer Schleifbearbeitung durch die angreifenden periodischen Prozesskräfte zu brechen. Es gilt daher geeignete Prozesse und Strategien zu entwickeln, um eben diese makroskopisch erzeugten inneren Spannungen auf das vom Werkstoff vorgegebene Maß zu senken. Weiterhin dürfen keine oberflächennahen mikroskopischen Risse im aufgeprägten Spannungsfeld um ein Diamantkorn erzeugt werden, da sich solche Risse im reinen Kristall Silizium nahezu ungehindert ins Bauteil hinein ausbreiten und zum Spalten führen können. Das Parameterfenster zur Schleifbearbeitung von hochreinem Silizium mittels Schleifen ist sehr klein.

Es gibt zahlreiche Einflussgrößen während der Fertigung, ein Teil davon ist einstellbar. So müssen geeignete Schleif-Werkzeuge eingesetzt werden, die mit ebenso geeigneten Methoden abgerichtet werden. Beim Abrichten wirken sich Fehler auf die Oberflächenrauheit und oberflächennahe Zerstörung des Werkstoffes aus; es können aber Schwingungen im Bauteil auftreten, die zum Versagen bzw. Bruch der empfindlichen Lamelle führen. Das eingesetzte Kühlschmiermittel beeinflusst die auftretenden Prozesskräfte maßgeblich. Durch geeignete Werkzeugbewegungen kann aber das Risiko eines Bauteilbruchs deutlich reduziert werden.

Die Formgenauigkeit eines Bauteils wird maßgeblich durch die Qualität der Führungselemente und Spindel der Schleif-Maschine sowie durch die thermische Strukturstabilität vorgegeben. Prozesse laufen mitunter mehrere Tage lang ununterbrochen. Deshalb wird auch in einem klimatisierten Raum gearbeitet. Die Bearbeitungsprozedur beginnt zeitlich bereits vor dem eigentlichen Schleifprozess, um einen thermischen Gleichgewichtszustand des Bauteils mit der Maschine gewährleisten zu können.

Die empfindlichen Bauteile wurden in der PTB mithilfe einer speziellen hochgenauen Koordinatenschleifmaschine hergestellt. Die Maschine des Typs 500CPWZ des Herstellers Moore Tool Company nutzt ein synthetisches Öl als Kühlschmiermittel. Die zur Bearbeitung eingesetzte Luftspindel zeichnet sich durch sehr hohe Laufruhe und geringsten Wärmeeintrag aus. Die Werkzeuge mit Diamantkorn wurden speziell an die vorliegende Aufgabe angepasst.

Mit dem neu entwickelten Prozess werden nahezu isotrope Oberflächentopographien durch Schleifen erreicht, wobei die Mittenrauwerte Ra der unten abgebildeten Lamellen längs und quer zur Vorschubrichtung bei Ra = 0,3 µm liegen.
     
Bild 1: Maße für einen zu fertigenden Siliziumblock mit einer einfachen Lamelle und räumliche Darstellung

    
Bild 2: Maße für einen Siliziumblock mit einer doppelten Lamelle und räumliche Darstellung.