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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Zwei neue Mikrotasterdesigns für µ-KMG’s

01.12.2010

    

Die PTB entwickelt 3D-Boss-Mikrotaster für die Oberflächenmesstechnik von Mikrostrukturen. Das bisherige Design des Mikrotasters ist durch eine relativ große Steifigkeit gekennzeichnet. Mit der damit verbundenen hohen Resonanzfrequenz ist die Neigung zu Schwingungen, angeregt durch die Bewegungen der Koordinaten­messmaschine, klein. Durch die große Steifigkeit führen kleine Auslenkungen schon zu einem großen Ausgangssignal und damit zu einem guten Signal-Rausch-Verhältnis. Nachteilig ist, dass zur Verformung der Membran vergleichsweise große Kräfte nötig sind, die bei kleinen Antastkugeln (< 300 µm ) schnell zu elastischen oder gar plastischen Verformungen führen und damit das Messergebnis verfälschen. Außerdem ist bei steifen Strukturen die Bruchgrenze des Siliziums schnell erreicht, was zu einer maximal zulässigen Auslenkung für die z-Richtung von etwa 20 µm und 100 µm für die x- bzw. y-Richtung führt. Für die Anwendung in Koordinaten­messgeräten bedeutet dies aber, dass die Maschine den Antastvorgang innerhalb dieser maximal zulässigen Auslenkungen stoppen können muss, um den Taster nicht zu beschädigen. Dies schränkt die Verfahrdynamik im Scanbetrieb sehr stark ein. Ein weiteres Problem des bisherigen Designs besteht darin, dass die Biegesteifigkeit in der z-Richtung etwa 30- bis 40-fach höher als in der x-, y-Richtung ist.

a)
b)

 

Bild 1:
a) FEM-Simulationen des Trapez-Designs. Belastung in z-Richtung (links), Belastung in x-Richtung (rechts)

b) FEM-Simulationen des Gitter-Designs. Belastung in z-Richtung (links), Belastung in x-Richtung (rechts)


Eine Möglichkeit, die mechanischen Eigenschaften des Mikrotasters gezielt zu verändern, ist das Einbringen von Öffnungen in die Membran. So kann die Steifigkeit des Sensors verringert werden und bei geeigneter Wahl der Form und der Position der Öffnungen können die mechanischen Spannungen an den Stellen konzentriert werden, an denen die Piezoresistoren platziert sind. Damit erhöht sich auch die Empfindlichkeit wesentlich.

Auf dieser Basis sind zwei neue Designs entwickelt und mittels der Methode der finiten Elemente (FEM) die mechanischen Eigenschaften untersucht worden. Bei der ersten Variante - dem „Trapezdesign“ - wurde die Membran derart strukturiert, dass der Centerboss nur noch von vier trapezförmigen Balken gehalten wird. Die Breite der Balken nimmt zum Rahmen hin ab, so dass sich die mechanischen Spannungen an diesen Stellen konzentrieren (Bild 1a). Beim „Gitterdesign“ sind die Öffnungen in der Membran so platziert, dass zwei ineinander geschachtelte Rahmen entstehen, die jeweils an vier Stellen am Rahmen, am Centerboss und untereinander verbunden sind (Bild 1b). Die Verbindungsstellen sind versetzt so angeordnet, dass keine „direkte“ Verbindung zwischen dem Centerboss und dem Rahmen entsteht. Damit werden hohe Steifigkeiten erzeugende Zugspannungen vermieden. Die Ergebnisse der FEM-Simulationen sind in Tabelle 1 dargestellt. Erste Mikrotaster sind mit Silizium Trocken- und Nassätztechnik (Bild 2) hergestellt worden und werden derzeit messtechnisch charakterisiert.

Bild 2: Mikroskopische Aufnahme der Vorderseite des Gitterdesign-Chips

 

Designvariante

Steifigkeit in

z-Richtung [N/m]

Steifigkeit in

xy-Richtung [N/m]

Steifigkeits-Verhältnis z zu xy

Vollmembran

6000

190

32

Trapez

1500

53

29

Gitter

175

6,8

26

Tabelle 1: Vergleich der berechneten Steifigkeiten des 3D-Boss-Mikrotasters in xy- und in z-Richtung für die Designvarianten (Vollmembran, Trapez, Gitter). 

 

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