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Kalibrierung von Stufen- und Tiefeneinstellnormalen

Tiefeneinstellnormale

Allgemeines

Tiefeneinstellnormale zur Kalibrierung der Höhenmessachse von Topographiemessgeräten sind verfügbar als einzelne Rillen in Silizium [1-2], oder als eine Folge von Rillen unterschiedlicher Tiefe. Die PTB fertigt seit etwa 2004 zwei verschiedene Typen von diamantgedrehten Tiefeneinstellnormalen mit Rillentiefen von 1 µm bis 900 µm [3] sowie Rillentiefen von 5 µm bis 5 mm [4]. Die Rauheit der vernickelten Oberfläche dieser Normale liegt im Nanometerbereich. Die Normale werden für die Kalibrierung von Tastschnittgeräten und optischen Oberflächenmessgeräten eingesetzt. Für optische Messgeräte, die nur diffus reflektierende Oberflächen messen, können diese Einstellnormale nicht verwendet werden. In Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner Halle Präzisions-Kalbriernormale GmbH wurde an derartigen Normalen ein Aufrauverfahren mittels Sandstrahltechnik entwickelt. Dabei wird Standard Edelkorund Strahlgut verwendet, um auf den Oberflächen einen arithmetischen Mittenrauheit Ra zwischen 50 nm und 150 nm zu erreichen. Die ersten Prototypen wiesen 2D Rauheitsparameter von Ra = 63 nm, Rq = 81 nm und Rz = 661 nm bzw. flächenhafte Rauheits-Parameter von Sa = 63 nm, Sq = 83 nm und Sz = 1,49 µm (Filterwellenlängen λc = 80 µm und λs = 2 µm) auf. Die Formabweichung der Normale nahm durch die Sandstrahlbehandlung nur unwesentlich zu (s. Abb. 1), so dass die erreichbaren Unsicherheiten der Rillentiefen nur geringfügig über denen der nicht aufgerauten Normale liegen.

Die Normale werden von unserem Kooperationspartner gefertigt und vertrieben.

 

Abb. 1 Gemessenes Tastschnittprofil einer 600 µm Rille eines aufgerauten Tiefeneinstellnormals mit Zoom des Rillengrundes (unteres Teilbild) und der Übergänge in den oberen Bezugsbereich (oberes Teilbild). Rot markiert ist der Bereich für die Auswertung der Rillentiefe in Analogie zu ISO 5436-1.

 

Literatur

[1] J. Frühauf, S. Krönert, U. Brand, und R. Krüger-Sehm, „Reachable precision of silicon dimensional standards“, in 4th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology (EUSPEN), 2004, S. 217–218.
[2] J. Frühauf, S. Krönert, und U. Brand, „Tiefen- und Längennormale aus Silizium“, Tech. Mess., Bd. 7/8, S. 326–332, 2001.
[3] U. Brand u. a., „Rückführbare Präzisions-Tiefen-Einstellnormale für Me\s sbereiche von 1 μm bis 1 mm Traceable and Precise Depth Setting Standards for Measurement Ranges from 1 μm to 1 mm“, Tm-Tech. Mess., Bd. 66, Nr. 12, S. 496–503, 1999.
[4] U. Brand, H. Schnädelbach, R. Schödel, C. Feist, und G. Hinzmann, „New depth-setting standards with grooves up to 5 mm depth“, Proc Euspen, S. 438–441, 2006.

Kalibrierung

Die Kalibrierung der Stufen- und Tiefeneinstellnormale erfolgt nach Vorgaben der ISO 5436. Die Messungen werden auf den Tastschnittgeräten MAHR LD 120 (für die tiefen Rillen bis 5000 µm) und dem TENCOR P17 (Rillen bis 900 µm) durchgeführt. Seit 2018 werden auch Kalibrierungen auf dem HRTS (bis 450 µm) durchgeführt.
Wenn keine abweichenden Vorgaben verlangt werden, werden Kalibrierungen an den tiefen Rillen mit drei Messdurchgängen mit jeweils drei Schnitten im Abstand von 1000 µm durchgeführt. Rillen und Stufen bis 900 µm werden in drei Messdurchgängen und jeweils fünf Schnitten mit 50 µm Abstand gemessen. Messdurchgänge und Anzahl und Lage der Schnitte sind im Kalibrierschein aufgeführt.
Zur Rückführung der Kalibriermessungen wird vor und nach der Messung des zu kalibrierenden Normals ein Referenznormal mit gleichen Höhenstufen gemessen. Das Referenznormal ist mit einem rückgeführten Messsystem zuvor kalibriert worden. Dieser Messschritt entfällt bei Messungen auf dem HRTS, da dieser Messaufbau bereits in sich rückgeführt ist.

Nach der Messung müssen die Stufenhöhen bzw. Rillentiefen individuell für jeden Messschnitt errechnet werden. Dazu müssen die Kanten (E1, E2, E3 E4, siehe Abb. 2) bestimmt werden. Die Kantenfindung wird bei unseren Messungen durch einen Softwarealgorithmus bestimmt. Auf Grundlage der gefundenen Kanten können die Referenzflächen (A, B und C) für den jeweiligen Schnitt bestimmt werden. Der Abstand der Referenzflächen zu den Kanten und deren  Länge wird durch die ISO 5436 festgelegt. Bei tiefen Rillen wird die Bezugsbreite w in den Rillengrund gelegt, bei sehr flachen Rillen oder Rillen mit rundem Rillengrund liegt die Bezugsbreite in der halben Rillentiefe. Ein weiterer Sonderfall sind sehr breite, in Silicium geätzte Rillen. Hier ist die Bezugsbreite derart groß, dass für die oberen Referenzflächen nicht genügend Raum vorhanden ist. In solchen Fällen werden die oberen Referenzflächen abweichend von der ISO 5436 nach eigenen Vorgaben bestimmt. Die Festlegung der Referenzflächen wird in allen Fällen im Kalibrierschein vermerkt.

Aus den Messwerten der Referenzbereiche A, B und C wird eine Regressionsgerade g bestimmt. Diese wird zum einen bestmöglich in die Referenzbereiche A und B verschoben sowie in den Referenzbereich C. Der Abstand der beiden verschobenen, parallelen Geraden ist die berechnete Rillentiefe d.

Abb. 2 Kanten und Referenzflächen bei Rillenauswertung tiefer Rillen nach ISO 5436.