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To investigate the microprobe silicon tip degradation in roughness measurements

22.11.2021

Die Messung der Oberflächenrauheit erfordert eine Messtechnik, die hohe Genauigkeit mit hohem Durchsatz kombiniert. Aufgrund ihrer überragenden Dynamik sind Mikrotaster vielversprechende Kandidaten für Hochgeschwindigkeits-Rauheitsmessungen [1]. Allerdings nimmt der Radius der Siliziumspitze des Mikrotasters für viele Messaufgaben während der Rauheitsmessung sehr schnell zu und damit auch die Messunsicherheit. Zur Untersuchung dieses ungewöhnlich starken Spitzenverschleißes wurden Experimente mit einem in der PTB entwickelten Tastspitzenprüfnormal (TSPN) [1] zur Charakterisierung der Spitzengeometrie durchgeführt.

Die Einflüsse des Spitzenverschleißes, der Antastkraft und der Relativbewegung der Spitze gegenüber dem Messobjekt wurden untersucht. Die Abnutzungsrate der Spitze wurde erfasst, indem mit Hilfe eines Rotationstisches eine konstante Relativgeschwindigkeit zwischen Spitze und dem rotierenden Messobjekt und eine niedrige Antastkraft von 50 µN eingestellt wurden, um einen Bruch der Spitze zu vermeiden. Der durch den Spitzenverschleiß verursachte Volumenverlust war so gering, dass der Spitzenradius des Mikrotasters nach 260 m Messweg nahezu unverändert war. Wurde die Antastkraft auf 150  µN erhöht, kam es zu Brüchen der Spitze und der Volumenverlust der Spitze stieg um mehr als das Zehnfache.

Wird die Relativbewegung zwischen Spitze und Messobjekt durch ein herkömmliches Scannen der Spitze mit Beschleunigungen und Verzögerungen realisiert, steigt die Volumenverlustrate der Spitze um das Zehntausendfache, trotz einer niedrigen Antastkraft von 50 µN. Bei dieser Volumenverlustrate wird schon nach mehreren Metern Messweg ein Spitzenradius von 2 µm erreicht (s. Abb. 1).

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Spitzenbruch und nicht Spitzenverschleiß der Hauptgrund für die starke Zunahme des Spitzenradius ist. Während der Messungen auftretende Beschleunigungen und Verzögerungen der Spitze führen zu größeren dynamischen Kräften, die dann zu Spitzenbrüchen führen, weil Silizium eine relativ niedrige Bruchzähigkeit aufweist. Bei herkömmlichen Rauheitsmessungen im Zeilenabtastmodus wird der Volumenverlust der Spitze hauptsächlich durch die Beschleunigungsvorgänge an den Start- und Endpositionen der Messstrecken verursacht. Daher ist der Volumenverlust der Spitze hier proportional zur Anzahl der Abtastzyklen. Eine Vergrößerung der Messlänge und damit eine Verringerung der Anzahl der Abtastzyklen kann den Volumenverlust der Spitze verringern.


Abb.1 Im Zeilenabtastmodus führen Spitzenbrüche dazu, dass der Spitzenradius bereits nach mehreren Metern Messlänge 2 µm überschreitet. Das REM-Bild zeigt die Form der Originalspitze. Bei den farbigen Kurven handelt es sich um Spitzenprofile, die mit einem Tastspitzenprüfnormal gemessen wurden.


Literatur

[1] Brand, U.; Xu, M.; Doering, L.; Langfahl-Klabes, J.; Behle, H.; Bütefisch, S.; Ahbe, T.; Peiner, E.; Völlmeke, S.; Frank, T.; Mickan, B.; Kiselev, I.; Hauptmannl, M.; Drexel, M. Long Slender Piezo-Resistive Silicon Microprobes for Fast Measurements of Roughness and Mechanical Properties inside Micro-Holes with Diameters below 100 µm. Sensors 2019, 19, 1410.; doi.org/10.3390/s19061410

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