DE19537211C2 - Prüfvorrichtung zur Ermittelung von Materialdaten durch Untersuchen von Mikroproben - Google Patents

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Ermittelung von Materialdaten durch Untersuchen von mikrome­ chanischer Proben, z. B. eines Biegestabes im Mikromaßstab, mit einer Einrichtung zur Belastung der Probe und einer Meßein­ richtung zur Bestimmung der Probenverformung.

Werkstoffprüfeinrichtungen zur Bestimmung mechanischer Eigen­ schaften von Bauteilen oder allgemeiner Materialien bestehen im Normalfall, d. h. bei makrogeometrischen Abmessungen der zu untersuchenden Bauteile, aus einer Probe, einer Probenhalte­ rung, einer Vorrichtung zum Aufbringen einer Last auf die Probe, sowie einer Meßeinrichtung zur Bestimmung der Proben­ verformung oder deren Versagens. Derartige makroskopische Vor­ richtungen sind zur Untersuchung von mikromechanischen Proben jedoch nur bedingt geeignet. Vorrichtungen zur ausschließli­ chen Untersuchung von Werkstoffen oder Bauelementen im Mi­ krobereich, d. h. aus der sog. Mikrotechnik, sind in Mikrodi­ mensionen oder als Mikrosystem bisher nicht bekannt geworden. Allgemein ist ein Mikrosystem dadurch definiert, daß seine we­ sentlichen Bestandteile Abmessungen im Mikrometermaßstab auf­ weisen. Mit dem vorliegenden Mikrosystem werden Mikroproben in demselben Maßstab geprüft oder untersucht.

Es sind nun mikromechanische Aktoren bekannt, die zu anderen Zwecken eingesetzt werden, wobei die derzeit erzielbaren Kräfte noch sehr gering sind. Die bekannten Aktoren können da­ her nur für Zwecke verwendet werden, bei denen geringe Kräfte unterhalb des mN-Bereiches ausreichen. Ein derartiger Aktor ist z. B. aus: Sniegowski, J. J.: "A Micro Actuation Mechanism Based on Liquid-Vapor Surface Tension", 7th Intern. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators, Yokohama 1993, bekannt. Der Aktor besitzt einen Kolben mit Kolbenstange, der in einem Ge­ häuse größerer Abmessungen durch eine Dampfblase bewegt wird. Die Abdichtung des Kolbens im Gehäuse erfolgt durch die Eigen­ spannung der Dampfblasenwand. Der Kolben selbst wird durch zwei an der Kolbenstange seitlich angreifende Blattfedern ge­ führt und gehalten. Da der Aktor in traditioneller Silizium­ technologie hergestellt wird, weist er keine Strukturen mit hohem Aspektverhältnis auf. Dies führt zwangsläufig zu gerin­ gen Zylinderabmessungen und damit auch geometriebedingt neben den Einschränkungen durch die Eigenspannung der Dampfblase nur zu geringen erzielbaren Kräften. Der beschriebene Aktor ist daher für die Anwendung in einem Prüfsystem, mit welchem Kräfte auf Baukörper zur Verformungsbestimmung ausgeübt werden sollen, nicht geeignet.

Aus der US-Z: J. Appl. Phys., Vol 63 (1988) Nr.10, S. 4799 bis 4803 ist eine Testmethode von Silicon-Mikroelementen bekannt, bei welcher diese mittels einer Apparatur zu Bruch gebracht werden. Die beschriebene Methode SEM ist jedoch kein Mikro­ system im Sinne obiger Definition. Das SEM System wird nur zur Beobachtung der Probenverbiegung verwendet, das Prüfsystem selbst, d. h. die Belastungseinrichtung ist jedoch makrosko­ pisch. Mit der makroskopischen Vorrichtung werden Mikroproben getestet, wobei diese auf einer wiederum makroskopischen Ver­ fahreinrichtung montiert und gegenüber der Prüfspitze positio­ niert werden. Das Funktionsprinzip des "Biegebalkens" wird nicht beschrieben, d. h. die Art der Krafteinleitung wird nicht näher dargestellt. Das Beobachtungssystem und die belastende Nadel, sind beide makroskopisch und demnach nicht als Mikro­ system zu bezeichnen. Die erhaltenen Kennwerte können daher auch nicht auf Bauteile im Mikromaßstab übertragen werden.

Das Gleiche gilt auch für die in der GB-Z: Meas. Sci. Tech­ nol., Vol. 3 (1992), Nr. 4, S. 347 bis 351 beschriebene Me­ thode. Die dort mit den normalen makroskopischen Biegemessun­ gen auszumessenden Wafer weisen keine Mikroabmessungen auf, so daß auch hier eine ganz andersartige Problematik als bei Un­ tersuchungen im Mikrometermaßstab vorliegt.

Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, eine Prüfvor­ richtung im Mikromaßstab mit einem mikromechanischen Aktor zu schaffen, mit welchem Kräfte auf Baukörper zur Verformungs­ bestimmung ausgeübt werden können. Dabei sollen für die Prü­ fung der Proben relativ große Kräfte erzeugt werden. Diese Kräfte sollten kontinuierlich aufgebracht werden können und eine vom Stellweg der krafterzeugenden Einheit unabhängige Kennlinie aufweisen. Probe, Aktor und Meßsystem müssen für die genaue Messung von Materialkennwerten exakt gegeneinander ju­ stiert sein. Die vom Aktor erzeugte Deformation der Probe muß gemessen werden können.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein Mikroprüfsystem vor, welches die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufweist, wobei die komplette Integra­ tion von Probe, Aktor und Meßsystem zu einem Prüfsystem, des­ sen laterale Abmessungen im Mikrometerbereich liegt, grundle­ gend neu ist. Diese Integration ermöglicht erst die exakte Längenmessung im Mikroprüfsystem. Besonders vorteilhafte Aus­ führungen der Erfindung weisen die Merkmale der kennzeichnen­ den Teile der Unteransprüche 2 bis 7 auf, wobei insbesondere die gleichzeitige Herstellung von Probe, Meßeinheit und Aktor gem. Anspruch 7 die Erfindung in vorteilhafter Weise kenn­ zeichnet.

Bei der vorliegenden Erfindung entfällt eine aufwendige Ju­ stierung der Proben. Infolge der geringen Baugröße des Prüf­ systemes treten Probleme durch Temperaturschwankungen nicht mehr auf, da das System leicht temperiert und in ein thermi­ sches Gleichgewicht gebracht werden kann. Weiter wird als Vor­ teil auch noch die Messung direkt am Probenort ermöglicht. Probleme, wie sie bei makroskopischen Meßsystemen auftreten, entfallen hier.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im fol­ genden und anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Aktor, eine Biegeprobe und den Sensor von oben gesehen,

Fig. 2 die rasterelektronenmikroskopische Originalaufnahme des mit LIGA-Technik gefertigten Aktors und der Biegeprobe schräg von oben bei abgenommener Deckplatte,

Fig. 3 die Kolbenstange des Aktors und die Biegeprobe mit im Vergleich zur Fig. 2 vergrößertem Maßstab

Fig. 4 eine besondere Ausführung der Probeneinspannung.

Gemäß der Fig. 1 besteht das Mikroprüfsystem aus den drei Hauptelementen Mikroaktor A, Probe B und Sensor C, die alle in einer Ebene angeordnet und exakt gegeneinander ausgerichtet sind. Das gesamte Mikroprüfsystem bildet dabei zusammen eine teilweise bewegliche Mikrostruktur, die durch eine Kombination des LIGA-Verfahrens (Röntgentiefenlithografie mit Galvanofor­ mung und Kunststoffabformung) mit einer Opferschichttechnik hergestellt wird. Die Herstellungsmethode ermöglicht es, Mi­ krostrukturen mit Strukturhöhen bis zu mehreren 100 µm bei la­ teralen Abmessungen von wenigen µm zu fertigen. Durch die zu­ sätzliche Anwendung der Opferschichttechnik ist man in der Lage, freibewegliche Teile herzustellen. Das Prinzip der Her­ stellung wird späterfolgend beschrieben.

Der Aktor A als Hauptelement des Prüfsystemes besteht im we­ sentlichen aus einem flachen Gehäuse 1, welches auf einer Sub­ stratplatte 2 sitzt und mit ihr fest verbunden ist. In dem Ge­ häuse 1 ist ein Kanal 3 vorhanden, in welchem ein axial längs­ beweglicher Kolben 4 hin- und herbewegt wird, an dessen einer Seite eine Führungstange 11 und an seiner anderen Seite eine Kolbenstange 12 befestigt ist, jeweils in Hubrichtung gesehen. Der Kanal 3 mündet mit seinem einen Ende in einer Druckkammer 5, die über eine Bohrung 6 mit einem druckführenden Fluid be­ aufschlagt wird, welches dadurch von dieser Seite her eine Kraft auf den Kolben 4 ausübt. Diese Bohrung 6 dient neben der Zufuhr auch der Abfuhr des Fluides. Neben dem Kolben 4 bzw. vor und hinter ihm, von der Druckseite aus gesehen, ist je­ weils ein Lagerblock 7 und 8 zusammen mit dem Gehäuse 1 eben­ falls auf der Substratplatte 2 befestigt. Die Lagerblöcke 7 und 8 weisen Schlitze 9 und 10 auf, wobei in dem Schlitz 9 die Führungsstange 11 und in dem Schlitz 10 die Kolbenstange 12 gleitet. Dadurch wird der Kolben 4 mittels der Lagerblöcke 7 und 8 in Hub- bzw. Arbeitsrichtung geführt. Dabei sind die La­ gerblöcke in ihrer Geometrie (Breite, Lagerspiel) so ausge­ legt, daß der Kolben nicht verkanten kann. Der Kolben selbst hat dabei eine laterale Ausdehnung von etwa 400 × 450 µm. Die Spaltbreite zwischen Kolben 4 und Kanal 3 beträgt etwa 2 µm. Der Kolben 4 sowie die Stangen 11 und 12 im Kanal 3 und in den Bohrungen 9 und 10 werden dabei z. B. mit Silikonöl fluidisch geschmiert.

Die aus dem Lagerblock 8 herausragende Kolbenstange 12 über­ trägt die vom Kolben 4 erzeugte Kraft nach außen. Die in den Figuren dargestellte Ausführung des Aktors ist nach der Her­ stellung mittels des LIGA-Verfahrens nach oben offen. Um die Druckkammer 5 mit dem Kolben 4 sowie den gesamten Aktor nach oben abzuschließen und einen geschlossenen Druckraum zu erzie­ len, ist das Gehäuse 1 nach oben durch eine nicht dargestellte Deckplatte verschlossen. Diese wird auf dem Gehäuse fest ver­ klebt, wobei die umlaufende Nut 13 ein Einlaufen des Klebers ins Innere des Aktors verhindert. Die Abdichtung des bewegli­ chen Kolbens 4 gegenüber dem Gehäuse 1 und der Kanalwand sowie gegenüber der Deckplatte erfolgt durch fluidische Schmierung, wodurch auch die Reibung des Kolbens 4 im Kanal 3 verringert wird.

Die Probe B ist bei der dargestellten Ausführung ein langge­ streckter Biegestab 14, dessen Auslenkung bzw. Biegung nach dem Prinzip des einseitig eingespannten Balkens bei Aufbringen einer bestimmten Kraft gemessen werden soll. Ein Teil dieser Probe (B) ist ebenfalls ortsfester Bestandteil der Mikrostruk­ tur, der andere, lose, jedoch unter Verformung gegenüber die­ ser beweglich. Dabei ist der feste Teil integraler Bestandteil des gesamten Stabes 14 in Form eines einzigen Teiles. Der fe­ ste Teil kann aber auch durch eine Einspannvorrichtung 15 er­ setzt sein, dann wäre der jetzt "lose" Stab nur im Zusammen­ hang mit dieser Einspannvorrichtung 15 bzw. in ihr eingespannt integraler Bestandteil der Vorrichtung. Wesentlich ist, daß alle Teile zusammen, also fester und loser Teil des Stabes 14 oder Einspannvorrichtung 15 plus Stab 14 Bestandteile der ge­ samten Mikrostruktur auf der Platte 2 sind. Ein Ende des Sta­ bes 14 sitzt somit entweder fest auf der Substratplatte 2 oder es ist in der Einspannvorrichtung 15 eingespannt, wobei das andere, bewegliches Ende von seiner Vorderseite 16 her nach hinten von der Kolbenstange 12 des Aktors A zur Biegebelastung auslenkbar ist und zur Messung ausgelenkt wird. Bei einer sol­ chen Messung mit einspannbaren Proben läßt sich dann, wenn die Auslenkung bestimmter Proben 14 durch Eichmessungen bekannt ist, über die Verbiegung der Probe 14 auch als Nebeneffekt die vom Aktor A erzeugte Kraft ermitteln. Will man jedoch nur Werkstoffkennwerte aus der Verbiegung ermitteln, so kann die Probe 14, wie eingangs beschrieben, aus einem ortsfesten und einem losen Teil bestehen.

Eine besondere Ausführung der Probeneinspannung ist in der Fig. 4 dargestellt. Hier weist die Probe B, bei der darge­ stellten Ausführung ein Biegestab 14, ein verdicktes Ende 21 auf, welches mittels Federzungen 22, die es gegen feste An­ schläge 23 drücken, eingespannt ist. Die festen Anschläge 23 sind dabei ortsfeste und die Federzungen 22 bewegliche Be­ standteile der gesamten Struktur. Sie werden mit dem später beschriebenen Verfahren erzeugt. Mittels dieser Ausführung der Probeneinspannung, die gegenüber dem Aktor exakt ausgerichtet ist, lassen sich die Proben leicht und einfach auswechseln.

Der Sensor (C) besteht aus einem ebenfalls auf der Substrat­ platte 2 festsitzenden Gehäuse 17 als Bestandteil der Gesamt­ struktur mit einem innenliegenden, gegen die Rückseite 18 der Probe 14 gerichteten, innenliegenden Faserschacht 19 zur Auf­ nahme eines optischen Glasfasersystemes, welches mit Hilfe ei­ ner nicht näher dargestellten Koppelstruktur Licht einer LED auf die Rückseite 18 der Probe 14 leitet. Das an der Rückseite 18 der Probe 14 in die Glasfaser zurückreflektierte Licht wird in der Koppelstruktur 20 an einem Prisma total in eine Glasfa­ ser reflektiert und über diese Glasfaser zu einem Photodetek­ tor geleitet. Aus der Änderung der reflektierten Lichtintensi­ tät kann die Verbiegung bzw. Verformung der Probe 14 festge­ stellt und mit einer Genauigkeit von < = 1 µm vermessen wer­ den.

Im folgenden werden die Fertigungsschritte des LIGA-Verfahrens für das gesamte Mikroprüfsystem, d. h. für eine Mikrostruktur mit festen und beweglichen Elementen, in einem Ausführungsbei­ spiel kurz beschrieben:

Ausgangspunkt ist eine bis zu mehreren 100 µm dicke strahlungsempfindliche Kunststoffschicht. Dieser sogenannte Resist wird durch direkte Polymerisation auf ein Substrat mit Opfer­ schicht und Galvanikstartschicht aufgebracht. Die 3-7 µm dicke Opferschicht aus Ti wurde vorstrukturiert, so daß bei der anschließenden, justierten Röntgenbestrahlung die später beweglichen Teile der Mikrostruktur, bei dem Aktor A z. B. der Kolben 4 mit den Stangen 11 und 12 und bei der Probe B der be­ wegliche Teil des Biegestabes 14, auf der Opferschicht zu lie­ gen kommen. Unter den unbeweglichen Bereichen, die mit der Substratplatte 2 fest verankert sind wie das Aktorgehäuse 1 und die Lagerblöcke 11 und 12, der feste Teil der Probe B, so­ wie das Sensorgehäuse 17, liegt keine Opferschicht.

Die Strukturierung des Resists erfolgt durch justierte Syn­ chrotonbestrahlung, wobei die hierbei verwendete Maske gegen­ über der Opferschicht ausgerichtet wird. Die Synchrotonstrah­ lung hat den Vorteil, daß sie bei kleiner Wellenlänge (0,2 bis 0,5 nm) eine hohe Energiedichte und große Parallelität be­ sitzt. Dadurch ist es möglich, eine über die gesamte Resist­ dicke hochpräzise Abbildung der Röntgenmaske zu erzielen. Die Genauigkeit liegt über die gesamte Strukturhöhe im Submikrome­ terbereich. Bei lateralen Abmessungen der Strukturen im Mikro­ meterbereich erreicht man ein Aspektverhältnis (d. h. das Ver­ hältnis von Strukturhöhe zu minimaler lateraler Ausdehnung) von bis zu 100.

Durch die Bestrahlung ändert sich die chemische Zusammenset­ zung des Resists so, daß bei der anschließenden Entwicklung die bestrahlten Bereiche herausgelöst werden und man ein Nega­ tiv der gewünschten Struktur erhält. Die so erzeugten Zwi­ schenräume werden galvanisch mit einem Metall aufgefüllt. Er­ neutes Bestrahlen ohne Maske zum Entfernen des unbelichteten Resists ergibt die gewünschte Mikrostruktur. Schließlich wird die Ti-Schicht selektiv gegenüber den anderen Materialien weg­ geätzt, so daß der auf der Opferschicht aufgebaute Teil der Struktur, hier z. B. unter anderem der Kolben 4, frei beweg­ lich ist.

Auf entsprechende Art wie die beweglichen Teile des Aktors und des Biegestabes werden auch die in der Fig. 4 dargestellten Fe­ derzungen 22 gegenüber den festen Anschlägen 23 beweglich er­ zeugt.

Vor dem letzten Bestrahlungsschritt werden die Mikrostrukturen poliergefräst, um eine glatte Oberfläche zu erzielen, die für das dichte Schließen der Abschlußplatte notwendig ist.

Bezugszeichenliste

1 Aktorgehäuse
2 Substratplatte
3 Kanal
4 Kolben
5 Druckkammer
6 Bohrung
7 Lagerblock
8 Lagerblock
9 Schlitz
10 Schlitz
11 Führungsstange
12 Kolbenstange
13 Nut
14 Biegestab
15 Einspannvorrichtung
16 Vorderseite
17 Sensorgehäuse
18 Rückseite
19 Faserschacht
20 Koppelstruktur
21 verdicktes Ende
22 Federzungen
23 feste Anschläge

Claims (7)

1. Prüfvorrichtung zur Ermittelung von Materialdaten durch Un­ tersuchen von mikromechanischen Proben, z. B. eines Biege­ stabes im Mikromaßstab, mit einer Einrichtung zur Belastung der Probe und einer Meßeinrichtung zur Bestimmung der Pro­ benverformung, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) alle Elemente der Prüfvorrichtung einschließlich der Probe sind im Mikromaßstab ausgebildet,
• b) die Belastungseinrichtung besteht aus einem mikromecha­ nischen Aktor (A), dessen unbewegliche bzw. ortsfeste Strukturelemente Bestandteile einer fest auf einer Sub­ stratplatte (2) angebrachten Struktur sind,
• c) der Aktor (A) weist eine Kolbenstange (12) auf, welcher die vom Aktor (A) erzeugte Kraft überträgt,
• d) ein Teil der mikromechanischen Probe (B) ist ebenfalls ortsfester Bestandteil der Struktur, der andere jedoch unter Verformung gegenüber dieser beweglich,
• e) die Kolbenstange (12) des Aktors (A) drückt bei einer durch den Aktor (A) aufgebrachten Kraft zur Biegebe­ lastung gegen den beweglichen Teil der Probe (B),
• f) die Meßeinrichtung besteht aus einem Sensor (C), der die Verformung der Probe (B) optisch erkennt und in ein Meß­ signal umsetzt, wobei die ortsfesten Teile des Sensors (C) ebenfalls fester Bestandteil der Struktur sind.

2. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• g) der Aktor weist als festes Teil ein flaches Gehäuse (1) auf, in dem ein Kanal (3) verläuft, in welchem ein axial längsbeweglicher Kolben (4) hin- und herbewegbar ist und der mit seinem einen Ende in einer Druckkammer (5) mün­ det, die über eine Bohrung (6) mit einem druckführenden Fluid beaufschlagt wird,
• h) an der einen Seite des Kolbens (4) ist eine Führungs­ stange (11) und an seiner anderen Seite eine Kolben­ stange (12) befestigt, wobei vor und hinter dem Kolben (4), von der Druckseite aus gesehen, jeweils als festes Element ein Lagerblock (7 und 8) angebracht ist,
• i) die Lagerblöcke (7 und 8) weisen Schlitze (9 und 10) zur Führung des Kolbens (4) auf, wobei in dem Schlitz (9) des Lagerblocks (7) vor dem Kolben (4) die Führungs­ stange (11) und in dem anderen Schlitz (10) die Kol­ benstange (12) gleitet,
• j) das Gehäuse (1) ist nach oben durch eine Deckplatte ver­ schlossen.

3. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• k) die Probe (B) ist ein langgestreckter Biegestab (14), dessen eines Ende fest auf der Substratplatte sitzt und dessen anderes, bewegliches Ende von seiner Vorderseite (16) her nach hinten von der Kolbenstange (12) des Ak­ tors (A) zur Biegebelastung auslenkbar ist.

4. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• l) Die Probe (B) ist ein langgestreckter Biegestab (14), der mit seinem einen Ende in einer Einspannvorrichtung (15, oder 22 und 23) eingespannt ist und dessen anderes, bewegliches Ende von seiner Vorderseite (16) her nach hinten von der Kolbenstange (12) des Aktors (A) zur Bie­ gebelastung auslenkbar ist.

5. Prüfvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• m) Die Probe (B) weist am Ende des Biegestabes (14) ein verdicktes Ende (21) auf, welches mittels Federzungen (22), die es gegen feste Anschläge (23) drücken, einge­ spannt ist, wobei die Anschläge (23) ortsfeste und die Federzungen (22) bewegliche Bestandteile der gesamten Struktur sind.

6. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, gekenn­ zeichnet durch die weiteren Merkmale:

• n) der Sensor (C) besteht aus einem ebenfalls auf der Sub­ stratplatte festsitzenden Gehäuse (17) mit einem innen­ liegenden, gegen die Rückseite (18) der Probe (C) ge­ richteten Faserschacht (19) zur Aufnahme eines optischen Glasfasersystemes, mittels welchem die Ablenkung eines auf die Rückseite (18) der Probe (B) aufgebrachten Lichtstrahles durch deren Verformung bzw. Verbiegung feststellbar ist.

7. Prüfvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die gesamte Struktur des Aktors (A), d. h. das Gehäuse (1), die Lagerblöcke (7 und 8) und der Kolben (4), sowie der feste und der bewegliche Teil der Probe (B) sowie der Einspannvorrichtung und die gesamte Struktur des Sensors (C) in den selben Arbeitsgängen auf röntgenlithographischem, röntgentiefenlithographisch-galva­ noplastischem oder auf hiervon abgeleiteten ab­ formtechnischem bzw. abformtechnisch-galvanoplastischem Wege auf dem Substrat der Grundplatte hergestellt werden, wobei die mechanische Trennung der beweglichen Teile da­ durch erfolgt, daß in den entsprechenden Bereichen des Sub­ strats zunächst lokal eine Trennschicht aufgebracht wird, die zum Schluß ätztechnisch wieder entfernt wird.