Charakterisierung von Mikrostrukturen

MEM-Charakterisierung durch laserinterferometrische Systeme

Bei der Charakterisierung von Mikrostrukturen stoßen tradidtionelle Messsysteme an ihre Grenzen. Einen Ausweg bieten Laser-Vibrometer in Verbindung mit einem technischen Mikroskop sowie die Nanopositionier- und Nanomessmaschine NMM-1. Damit lassen sich Bewegungen und Oberflächen von Objekten mit einer Auflösung von 0,1 Nanometern messen.

Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS) sind Geräte oder Maschinen, die sowohl aus elektrischen als auch aus mechanischen Komponenten bestehen und als System zusammenwirken. Ihre Abmessungen liegen typischerweise im Mikrometerbereich.

Beispiele für Mikro-Elektro-Mechanische Systeme sind:

AFM-Cantilever
Drucksensoren
Beschleunigungssensoren
Druckköpfe in Tintenstrahldruckern
mechanische Bildstabilisatoren in Digitalkameras
sowie Sensorchips für die Pharmazie, Biologie oder Chemie.

Um hohe Qualitätsstandards gewährleisten zu können, ist eine umfangreiche Charakterisierung während der gesamten Entwicklung und Herstellung notwendig. Hierzu müssen mehrere Parameter bestimmt werden. Dazu zählen dynamische Kenngrößen wie Resonanzfrequenzen von schwingenden Strukturen und deren Schwingungsmoden, aber auch statische Größen wie die Topografie der Oberfläche und daraus abgeleitetete Werte wie Strukturhöhen oder -tiefen, Durchbiegungen von Membranen sowie Rauheitskenngrößen.

Durch die fortschreitende technische Entwicklung etablieren sich auch im Bereich der Mikrotechnik immer kleinere Strukturbreiten. Traditionell eingesetzte Messsysteme wie taktile Profilometer stoßen hier an ihre Grenzen. Sie sind nicht in der Lage, die erforderliche Ortsauflösung im Submikrometerbereich zu gewährleisten. Außerdem kann durch Auflagekräfte der Messspitze das Messobjekt zerstört oder beschädigt werden.
Hier bieten laserinterferometrische Messverfahren einen Ausweg. So lassen sich dynamische Kenngrößen mit einem Laser-Vibrometer in Verbindung mit einem technischen Mikroskop genau und berührungslos erfassen. Die Topografie eines solchen Systems kann mit der Nanopositionier- und Nanomessmaschine sowie verschiedenen Antastsystemen sehr präzise ermittelt werden.

Nano Vibration Analyzer und Software InfasVIBRO — Bild 1. Der Nano Vibration Analyzer besteht aus einem laserinterferometrischen Vibrometer und einem technischen Mikroskop.

Schwingungsanalyse von Mikrostrukturen

Laserinterferometrische Verfahren eignen sich zur Schwingungsmessung, da sie eine hohe Präzision garantieren und die Messergebnisse auf das internationale Längennormal rückführbar sind.

Der berührungslos arbeitende Nano Vibration Analyzer besteht aus einem laserinterferometrischen Vibrometer mit einem technischen Mikroskop und wird zur berührungslosen Schwingungsanalyse an MEMS und Mikrostrukturen eingesetzt (Bild 1). Die Grundlage des Vibrometers bildet das Michelson-Interferometer. Durch die Lichtwellenleiterkopplung wird ein relativ kleiner Sensor, der frei von thermischen Einflüssen des Lasers ist, realisiert. In Verbindung mit einem technischen Mikroskop entsteht ein leistungsfähiger Aufbau zur Längen- und Schwingungsmessung an MEMS, Mikroobjekten und Cantilevern.

Sreenshot Software InfasVIBRO — Bild 2. Die Software InfasVIBRO ermöglicht die dreidimensionale Visualisierung von Oberflächenschwingungen.

Die hohe Wegauflösung von unter 0,1 nm sowie ein messbarer Frequenzbereich von 0 bis 5 MHz zeichnen dieses Gerät aus. Durch wechselbare Objektive lässt sich der Laserspotdurchmesser und der Arbeitsabstand zum Objekt variieren. Bei einem 50x-Objektiv beträgt der Laserspotdurchmesser beispielsweise < 2 µm. Ein Positioniertisch mit 50 mm x 50 mm Verfahrbereich ermöglicht das Scannen eines Objekts. Über eine integrierte USB-Kamera wird das Messobjekt beobachtet.

Die spezielle Software InfasVIBRO ermöglicht die scriptgesteuerte Abtastung des Messobjekts und liefert weiterhin die Möglichkeit der Spektralanalyse der Messdaten sowie deren Mittelung. Auch die Berechnung von Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schwingungsbewegung sowie eine 3D-Darstellung der Flächenschwingung sind möglich (Bild 2).

Nanopositionier- und Nanomessmaschine - topografische Analyse von Mikrostrukturen — Bild 3. Die Nanopositionier- und Nanomessmaschine ermöglicht die topografische Analyse von Mikrostrukturen und mikroelektromechanischen Systemen.

Analyse der Oberflächentopographie

Ein universelles Gerät zur Topografieanalyse von Mikrostrukturen und MEMS ist die Nanopositionier- und Nanomessmaschine NMM-1 (Bild 3). Durch die hohe Auflösung von 0,1 nm in einem Messbereich von 25 mm x 25 mm x 5 mm und die Möglichkeit, verschiedene Antastsysteme zu integrieren, können 2D- und 3D-Messungen in diesem sehr großen Messbereich durchgeführt werden.

Die Grundlage der Präzision der Nanopositionier- und Nanomessmaschine stellt die Anordnung der drei Laserinterferometer zur Positionsmessung dar. Die drei Messstrahlen der Interferometer schneiden sich in einem Punkt, in dem ebenfalls das Antastsystem seinen Messpunkt hat. Damit wird das Abbe’sche Komparatorprinzip in allen drei Messachsen eingehalten. Das Antastsystem dient innerhalb der Nanopositionier- und Nanomessmaschine als Nullpunktindikator. Damit bleibt das Abbe’sche Komparatorprinzip auch während der Messung erhalten.
Die optischen und taktilen Antastsysteme haben jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungsgebiete. So ist es notwendig, das jeweils beste Antastsystem für die Messaufgabe auszuwählen. Alle verwendeten Antastsysteme können durch einen einfachen Adapter am metrologischen Rahmen der Nanopositionier- und Nanomessmaschine mit einer hohen Reproduzierbarkeit ausgetauscht und wechselweise eingesetzt werden. Das analoge Interface der Maschine ist offen für die Anwendung weiterer, neuer Antastsysteme.

Gegenwärtig sind folgende Antastsysteme in die Nanopositionier- und Nanomessmaschine integriert

Laserfokussensor

Rasterkraftmikroskop

Weißlichtsensor für die Nanopositionier- und Nanomessmaschine

Weißlichtinterferometer

3D-Mikrotaster

Bild 4. Anwendungsbeispiele der Nanopositionier- und Nanomessmaschine: a) Halbkugellinse, b) Stufenhöhenstandard, c) Mikrolinsenarray, d) Ebenheitsstandard

Damit ergeben sich unterschiedliche Einsatzbereiche der Maschine wie das Positionieren, Manipulieren, Bearbeiten und Messen von Objekten der Mikroelektronik, der Mikromechanik, der Optik und der Mikrosystemtechnik (Bild 4). Es können Messunsicherheiten im Subnanometerbereich erreicht werden. In Verbindung mit einem Rastersondenmikroskop lässt sich der Messbereich dieser hochauflösenden Messsysteme erweitern. Die Nanopositionier- und Nanomessmaschine ist somit ein universelles Gerät zur 2D- und 3D-Messung von MEMS und Mikroobjekten.