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Präzise Dickenmessung weicher Materialien mit Tastschnittgeräten

10.06.2013
PTB entwickelt Verfahren zur besseren Charakterisierung dünner Polymer-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.


Vereinfachte Darstellung eines Tasters, der die Oberfläche eines Bauteils abfährt. Um die Höhe auch kleinster Bauteile aus Polymeren exakt messen zu können, brauchen Hersteller ein neues Verfahren. Bild: PTB


Die Zeichnung veranschaulicht das Problem der Messung weicher Materialien: Die Tastspitze eines Tastschnittgerätes fährt von links nach rechts über ein festes Substrat, auf dem eine Schicht eines weichen Polymers aufgebracht wurde. Bei gleicher Antastkraft ist die Eindringtiefe der Tastspitze im Substrat dS deutlich geringer als die Eindringtiefe im Polymer dP. Zeichnung: PTB

Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) wollen hier weiterhelfen: Mittelfristig sollen Industriebetriebe, die die Dicke weicher Polymer-Schichten auf harten Substraten messen, ihre Messergebnisse durch eine Formel korrigieren können.

Vom Bewegungssensor bis zum Computerchip – in vielen Produkten des täglichen Lebens sind Bauteile verarbeitet, deren Funktionsweise auf kleinsten Strukturen in der Größe von tausendstel Millimetern basiert. Hier muss exakt gemessen werden, damit das Gesamtsystem am Ende reibungslos funktioniert. Um auch dünne Schichten aus elastischen Polymeren auf harten Substraten weiterhin dimensionell mit Tastschnittgeräten messen zu können, hat die 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®.

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.

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/Dynamisch-mechanische Eigenschaften und Langzeitdeformationsverhalten viskoser Materialien) innerhalb des Europäischen Metrologieforschungsprogramms EMRP statt und werden vermutlich Ende 2014 abgeschlossen sein. if/ptb

Ansprechpartner
Dr. Uwe Brand, Arbeitsgruppe 5.11 Härte und taktile Antastverfahren,
Telefon: 0531-592 5111, E-Mail: uwe.brand@ptb.de

Weitere Informationen
• Nachricht auf der Internetseite der Abteilung:
http://www.ptb.de/cms/fachabteilungen/abt5/nachrichten5/forschungsnachricht.html?tx_ttnews[tt_news]=5331&tx_ttnews[backPid]=752&cHash=8785cc4ce559c031c3100e7b4cdf5e8b

• Brand, U.; Beckert, E.; Beutler, A.; Dai, G.; Stelzer, C.; Hertwig, A.; Klapetek, P.; Koglin, J.; Thelen, R. and Tutsch, R.: Comparison of optical and tactile layer thickness measurements of polymers and metals on silicon or SiO2. Meas. Sci. Technol. 22 (2011) 094021 (14pp).

Imke Frischmuth | PTB
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de

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