Entwicklung eines MEMS-basierten Mikro-AFM-Kopfarrays mit austauschbaren Cantilevern

Rasterkraftmikroskope (AFM) sind etablierte Oberflächenmessgeräte für Messobjekte im Nanometermaßstab. Die raschen Fortschritte in der Nanopositioniertechnik haben diesen Geräten einen immer größeren lateralen Messbereich zugänglich gemacht. Trotz der Fortschritte hinsichtlich Messauflösung und Genauigkeit weisen traditionelle AFM‘s, die nur einen einzelnen Cantilever für die Messung der Topografie verwenden, eine relativ niedrige Messgeschwindigkeit auf, was ihren Einsatz für großflächige Messaufgaben einschränkt.
Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes wurde in der PTB in Zusammenarbeit mit der TU-Chemnitz ein neuartiges MEMS-basiertes Mikro-AFM-Kopfarray für schnelle parallele Topographiemessungen mit mehreren nebeneinander angeordneten Cantilevern entwickelt. Es basiert auf einem lateralen elektrostatischen Kammantriebsaktor [1], verwendet traditionelle AFM-Spitzen und erlaubt aufgrund von sieben parallel betriebenen Cantilevern schnelle Messungen von großen Flächen bei gleichzeitig hoher Auflösung, geringen Abmessungen und Kosten sowie niedriger Leistungsaufnahme.
Zwei Versionen von Mikro-AFM-Kopfarrays wurden entwickelt. Bei einer Ausführung (Version 1) kann die AFM-Spitze an das Ende des Hauptschaftes des Mikro-AFM-Kopfes angeklebt werden (s. Bild 1). Beim Nachfolger MEMS (Version 2) wurde ein flexibler Cantileverspanner eingesetzt, der auch kommerziell verfügbare AFM-Cantilever aufnehmen kann (s. Bild 2).

Bild 1(a) Prototyp einer Mikro-AFM-Kopfarray-Einheit der Version 1.	Bild 1(b) Ein kommerzieller Cantilever, der an das Ende des Hauptschaftes noch angeklebt wurde.
Bild 2(a) Prototyp einer Mikro-AFM-Kopfarray-Einheit der Version 2 mit Cantileverspanner	Bild 2(b) Ein kommerzieller Cantilever, der vom Cantileverspanner gehalten wird.

Die Mikro-AFM-Kopfarrays wurden mit Hilfe der „Bonding Deep Reactive Ion Etching“ (Bonding-DRIE) Technologie [2] an der TU Chemnitz hergestellt. Die gesamte Chipgröße des 1 x 7 Mikro-AFM-Kopfarrays beträgt 10 mm x 1,2 mm bzw. 10 mm x 1,7 mm bei einer typischen Strukturdicke der Prototypen von 50 µm.
Im Projekt wurden die mechanischen Eigenschaften der MEMS-Prototypen wie Steifigkeit und Eigenfrequenzen untersucht. Die ebene Verschiebung der MEMS-Aktoren wurde mit einem Laserinterferometer kalibriert. Es wurde hierbei eine recht gute Linearität von 3⋅10^-3 über einen Auslenkungsbereich von ± 8 µm gemessen.
Erste Anwendungstests des ausländischen Projektpartners CIMM (Changcheng Institute of Metrology and Measurement, Beijing, China) mit einem Mikro-AFM-Kopf wiesen die Machbarkeit von Topografiemessungen mit den MEMS Scankopf-Arrays nach.

Literatur

[1]   Tang, W. C., Nguyen, C. H., and Howe, R. T.: Laterally driven polysilicon resonant microstructures. Sensors Actuators A, 20 (1989), 25–32

[2]   Hiller, K., Kuechler, M., et al.: Bonding and Deep RIE - a powerful combination for high aspect ratio sensors and actuators. Proc. of SPIE, 5715 (2005), 80-91