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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Charakterisierung der AFM-Cantileverspitzenform mit einem neuartigen Tastspitzenprüfnormal

16.12.2019

Rasterkraftmikroskopie (AFM) unter Verwendung von nm-großen Tastspitzen als Eindringkörper ist zu einem der unverzichtbaren Instrumente zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Nanomaterialien geworden. Bei der AFM-basierten nanomechanischen Messung weicher Materialien, insbesondere des Eindringmoduls EIT und der Härte HIT, kann die typische Eindringtiefe hc in der Größenordnung von einigen Mikrometern liegen. Die Messunsicherheit nanomechanischer AFM-Messungen, wie bspw. der Nanoindentation und der Kontaktresonanztechnik (CR-AFM), hängt in starkem Maße von der Unsicherheit der Kontaktfläche Ap der verwendeten AFM-Spitze ab. Bei der Verwendung großer Indentationstiefen hc >> 100 nm ist für die Bestimmung der Spitzenflächen¬funktion Ap(hc) nicht nur der Spitzenradius R, sondern zusätzlich auch noch der Öffnungswinkel γ der Spitze zu bestimmen.

Basierend auf einem kürzlich im Fachbereich Oberflächenmesstechnik entwickelten Tastspitzenprüfnormal (TSPN) [1], dass aus rechteckförmigen Rillen unterschiedlicher Breite mit scharfen Kanten besteht, wurde ein zerstörungsfreies Messverfahren zur Rekonstruktion der 3D- Spitzenform entwickelt. Aus der Spitzenform können der Spitzenradius und der Öffnungswinkel und aus diesen beiden Größen anschließend die Flächenfunktion der Spitze bestimmt werden. Wie in Abb. 1 (a) gezeigt, wird die zu messende AFM-Spitze zuerst verwendet, um einen Profilschnitt über das Tastspitzenprüfnormal zu messen. Dabei wird an den sehr scharfen Kanten des Normals jeweils eine Hälfte der Tastspitze abgebildet. Diese Halbbilder der AFM-Spitze lassen sich mittels eines selbst entwickelten Spitzenrekonstruktionsalgorithmus zu einer Abbildung der Tastspitze zusammensetzen. Die 3D-Topographie der AFM-Spitze kann ebenfalls gemessen werden. Dazu werden eine Reihe von Spitzenprofilen unter unterschiedlichen Winkeln θ, wie in Abb. 1(b) gezeigt, durchgeführt. Abschließend kann aus der 3D-Topographie der Spitzenradius und der Öffnungswinkel der Spitze und daraus wiederum die Spitzenflächenfunktion abgeleitet werden.

Dieses kostengünstige Messverfahren zur Charakterisierung von 3D-Spitzen wurde durch Vergleich mit hochauflösenden REM-Bildern validiert. Ein weiterer Vergleich zwischen diesem vorgestellten Verfahren und dem Spitzen-Kalibrierverfahren, bei dem nur die Einsinktiefe der Spitze in die Rechteckstrukturen gemessen wird, befindet sich derzeit in der Prüfung.



Abb. 1(a) Schema zur Bestimmung der AFM-Spitzenform mittels eines Tastspitzenprüfnormals mit scharfkantigen Rillen und zur analytischen Ableitung der Spitzenflächenfunktion Ap(h).



Abb. 1(b) Rekonstruierte 3D-Topographie einer AFM-Diamantspitze (Adama Innovations Ltd.).

Diese Ergebnisse stammen zum Teil aus EMPIR 17IND05 MicroProbes, einem von der EU geförderten Projekt. MicroProbes hat Mittel aus dem EMPIR-Programm, das von den EU-Teilnehmerstaaten mitfinanziert wird, und aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union erhalten.

Literatur

[1] U. Brand, M. Xu, et al, "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(6), 1410; https://doi.org/10.3390/s19061410

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