Höhenmessung bei weichen Polymeren
Neues Verfahren für Tastschnittgeräte korrigiert Nachgeben weicher Schichten in Mikrosystemen.
In Mikrosystemen werden metallische Bauteile zunehmend durch solche aus kostengünstigen Polymeren ersetzt. Da Polymere unter Druck nachgeben, lassen sich Schichtdicken mit herkömmlichen Tastschnittgeräten nicht exakt genug messen. Doch Präzision ist in der Mikrosystemtechnik von entscheidender Wichtigkeit, da deren Funktionsweise auf kleinsten Strukturen in der Größe von tausendstel Millimetern basiert.
Abb.: Ein Tastschnittgerät fährt über ein festes Substrat, auf dem ein weiches Polymer aufgebracht wurde. Bei gleicher Antastkraft ist die Eindringtiefe der Tastspitze im Substrat deutlich geringer als im Polymer. (Bild: PTB)
Um auch dünne Schichten aus elastischen Polymeren auf harten Substraten weiterhin dimensionell mit Tastschnittgeräten messen zu können, hat die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Zusammenarbeit mit anderen europäischen Metrologieinstituten ein Verfahren zur Korrektur der Messergebnisse entwickelt. Die Wissenschaftler haben hauptsächlich die Eigenschaften des weitverbreiteten Photoresist SU-8® untersucht, sowie das für die Herstellung von Mikrooptiken eingesetzte Polymer Ormocomp®. Mittelfristig sollen Industriebetriebe, die die Dicke weicher Polymer-Schichten auf harten Substraten messen, ihre Messergebnisse durch eine Formel korrigieren können.
Bei solch weichen Materialien wirken sich die Antastkraft, der Tastspitzenradius und die Verfahrgeschwindigkeit auf die Deformation des Bauteils und somit auf das Messergebnis aus. Für die Modellierung der beobachteten systematischen Abweichungen taktiler Schichtdickenmessungen wurde daher ein Modell mit nichtlinearer Dehnungsverfestigung gewählt, das elastische, plastische und viskose Verformungen berücksichtigt. In einem nächsten Schritt soll das visko-elasto-plastische Modell so erweitert werden, dass auch die Alterung von Polymeren berücksichtigt werden kann.
Abb.: Vereinfachte Darstellung eines Tasters, der die Oberfläche eines Bauteils abfährt. Um die Höhe auch kleinster Polymer-Bauteile exakt zu messen, brauchen Hersteller ein neues Verfahren. (Bild: PTB)
Die Ergebnisse der Arbeit sollen einerseits in eine Norm einfließen und andererseits der Industrie ein praktisches Hilfsmittel zur Korrektur ihrer Messergebnisse an die Hand geben. Die Forschungsarbeiten finden im Rahmen des internationalen MeProVisc-Projektes (Dynamic mechanical properties and long-term deformation behaviour of viscous materials) innerhalb des Europäischen Metrologieforschungsprogramms EMRP statt und werden vermutlich Ende 2014 abgeschlossen sein.
PTB / DE
