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Production sequence of Si-spheres and interferometrical determination of the sphere volume

Characterization of vertical nanopillars using a MEMS-based nanobending testing platform

16.12.2019

Vertikale Mikro- und Nanosäulen aus sehr unterschiedlichen Materialien werden in vielen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen, beispielsweise für die Energiegewinnung oder in der Umweltsensorik, eingesetzt. Aufgrund der häufig nicht perfekten Fertigung der Säulengeometrie, den Schwierigkeiten bei der 3D-Messung dieser Geometrie und den häufig von makroskopischen Werkstoffen abweichenden mechanischen Eigenschaften, liefert die analytische Berechnung der Biegesteifigkeit von Nanosäulen nur relativ ungenaue Ergebnisse. Daher spielt die nanomechanische Charakterisierung vertikaler Säulen, insbesondere deren Biegesteifigkeit, eine wichtige Rolle bei der Fertigung und der Qualitätskontrolle von Nanosäulen-basierten Sensoren und Geräten.

Für die Messung der Biegesteifigkeit vertikaler Nanosäulen mit hohem Aspektverhältnis wurde ein mikroelektromechanisches Rastersondenmikroskop (MEMS-SPM) mit aufgeklebter Diamanttastspitze entwickelt. Das MEMS-SPM verfügt über einen vertikalen Messbereich von 10 µm und ermöglicht die Messung von Kräften bis 100 µN.

Ein Messaufbau unter Verwendung des MEMS-SPM wurde erstellt, um die Biegesteifigkeit von Silizium-Nanosäulen (s. Abb. 1a) zu bestimmen. Dazu wurde zunächst ein AFM-Cantilever mit Diamanttastspitze auf den MEMS-Schaft geklebt (s. Abb. 1b). Anschließend wurden Profilmessungen zur Lokalisierung der Säulenoberkante und der Säulenmitte sowie Biegeversuche entlang der Säulenachse durchgeführt. Als Beispiel zeigt Abb. 1c ein Tastschnittprofil und die Biegesteifigkeit der Säule entlang ihrer Achse. Aus dem Tastschnittprofil konnte der Ort der Säulenoberkante (Δztop = 1,50 µm) mit einer Unsicherheit von 50 nm bestimmt werden.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass mit dem Prototyp eine Unsicherheit der gemessenen Biegesteifigkeit vertikaler Säulen von 5 % erreicht werden kann, wenn die Steifigkeit der Säulen vergleichbar mit der MEMS Steifigkeit ist.

Im Vergleich zu einem analytischen Ansatz zur Berechnung der Säulenbiegesteifigkeit, bei dem die geometrischen Abmessungen von Nanosäulen separat und sehr genau bestimmt werden müssen, ist dieses experimentelle Messverfahren sowohl schneller als auch zuverlässiger.

(a) Zu messende Silizium-Säulen mit einem Aspektverhältnis von 10,6 (Nenndurchmesser D = 780 nm, Höhe H = 11,0 µm).(b) Seitliche Antastung von Säulen durch die Diamanttastspitze des MEMS-SPM.




(c) Gemessenes Tastschnittprofil (in rot) und Biegesteifigkeit der Säule in Bezug auf ihre axialen Positionen (in blau)

Abb. 1: Messung der Biegesteifigkeit von Nanosäulen mit einer MEMS-SPM-Nanobiegeplattform.

Literatur
[1] Li, Z.; Gao, S.; Brand, U.; Hiller, K.; Hahn, S.; Hamdana, G.; Peiner, E.; Wolff, H.; Bergmann, D. Nanomechanical Characterization of Vertical Nanopillars Using an MEMS-SPM Nano-Bending Testing Platform. Sensors 2019, 19, 4529.

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