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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Sehr gute dynamische Eigenschaften piezoresistiver Mikrotaster für hohe Abtastgeschwindigkeiten

22.12.2020


Hochgeschwindigkeits-Rauheitsmessungen erfordern eine hohe Dynamik taktiler Mikrotaster. Dank seiner geringen Masse, der geringen Antastkraft und seiner hohen Signallinearität gehören Silizium-Mikrotaster zu den vielversprechendsten Kandidaten für Hochgeschwindigkeits-Rauheitsmessungen. Um die dynamischen Eigenschaften eines in der PTB entwickelten piezoresistiven Mikrotasters experimentell zu charakterisieren, wurden Spitzenflug-Untersuchungen durchgeführt. Bei diesen Untersuchungen bewegt sich die Mikrotasterspitze mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über unterschiedlich stark geneigte Strukturen. Die normierte Flugbreite, d.h. das Verhältnis der Flugbreite Wf zur Strukturhöhe H (s. Bild 1a), wurde ausgewertet, da sie wichtige Informationen zur Dynamik des Mikrotasters beinhaltet.

Die Untersuchungen wurden mit dem in der PTB entwickelten Profilscanner [1] durchgeführt. Der Messkopf mit Mikrotaster kann mittels eines XYZ-Piezotisches mit einem Bewegungsbereich von 800 µm × 800 µm × 250 µm (X × Y × Z) positioniert und verfahren werden. Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 10 mm/s sind möglich. Das verwendete Messobjekt besteht aus einem diamantgedrehten Kupfersubtrat, das mit einer 15 µm dicken Nickelschicht und einer 5 µm dicken Chromschicht vergütet wurde. Die Nennhöhe der Stufenstruktur (s. Bild 1a) beträgt 10 µm, die Kantenneigung 30 ° und die Rauheit liegt im Bereich weniger Nanometer.

Bedingt durch das Messprinzip des Mikrotasters (Messung der Auslenkung) und eine geringe Neigung des Normals liegen die Antastkräfte auf dem oberen Plateau des zu messenden Normals zwischen 86 µN und 96 µN und auf dem unteren Plateau zwischen 2 µN und 12 µN. Der Mikrotaster mit integrierter Siliziumspitze wurde mit drei unterschiedlichen Geschwindigkeiten von 20 µm/s, 5 mm/s und 10 mm/s getestet. Die drei gemessenen Profile stimmen gut überein und es wurde bei den beiden hohen Geschwindigkeiten kein wahrnehmbarer Spitzenflug festgestellt. Dieses erste Ergebnis zeigt, dass die Dynamik des Mikrotasters mit Siliziumspitze hoch genug ist für schnelle Topographiemessungen mit Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 10 mm/s auf ebenen glatten Flächen.

Weitere Untersuchungen des Spitzenfluges von Silizium-Mikrotastern bei unterschiedlichen Verfahrgeschwindigkeiten, Antastkräften und Strukturhöhen sind geplant, um einen ausreichenden Datensatz für die quantitative Modellierung des dynamischen Verhaltens und der Messabweichungen von Mikrotastern bei Hochgeschwindigkeitsmessungen der Oberflächentopographie bereitzustellen.


Abb. 1(a). Schema der Spitzenflugmessung zur Bestimmung des dynamischen Verhaltens des Silizium Mikrotasters


Abb. 1(b). Gemessene Profile auf einem Normal mit einer Kantenneigung von 30 ° bei Verfahrgeschwindigkeiten von 20 µm/s, 5 mm/s und 10 mm/s.

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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