Experimentelle Untersuchung des Systems Eindringkörperspitze-Schicht-Substrat beim instrumentierten Eindringversuch im Nano-Bereich
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zwei Typen von in-situ Abbildungssystemen der Interfaceverformung sind erfolgreich entwickelt worden. Der eine basiert auf der sektionierenden optischen Ganzfeldmikroskopie, und dem anderen liegt das Konzept der differentiellen konfokalen Mikroskopie zugrunde. Der erstere zeichnet sich durch Abbildung des ganzen Felds und hohe Geschwindigkeit (bis zu 15 Frames/s zur in-situ Inspektion der Interfaceverformung aus. Jedoch wegen der Beschränkung der Prüflingsdicke (die durch das verwendete Mikroskopobjektiv auferlegt wurde) ist dieses Verfahren besser zur Überwachung von Nanoindentations-Vorgängen auf weichen Werkstoffen (z. B. optische Kleber) und sogar auf freistehenden Filmen geeignet. Der letztere zeichnet sich durch hohe Flexibilität und relativ niedrige Kosten aus, da eine kommerziell erhältliche asphärische Linse eingesetzt wurde. Die Abbildungsgeschwindigkeit im Falle eines Linienscans kann bis zu 15 Hz betragen. Weiterhin wurde eine neuartige differentiale konfokale Mikroskopie mit der Fähigkeit zur Rückweisung des Common Modes vorgeschlagen. Diese kann die Einflüsse von Fehlerquellen, wie Schwankung der Laserintensität und Oberflächenheterogenität auf die Messergebnisse effektiv beseitigen. Zusammenzufassend wurde der Inhalt der Forschung entsprechend dem Projektantrag: 1. Entwicklung des optischen Systems für das metrologische 3D-Bilderzeugungssystems der Interfaceverformung (3D-MIDI-System) 2. Scan-Strategie für das 3D-MIDI-System 3. Verbesserung der messtechnischen Eigenschaften des 3D-MIDI-Systems 4. Experimenteller Aufbau zur Untersuchung des instrumentierten Eindringversuchs im Nano-Bereich erfolgreich verwirklicht. Gegenwärtig erfolgt die Kalibrierung des entwicjkelten 3D-MIDI-Systems. Vorläufige Experimente mit dem Prototypen zur Beobachtung des Nanoindentations-Vorgangs zeigen, dass das dynamische Nanoverformungsverhalten der Oberfläche unter dem Eindringkörper erfolgreich mit Nanometergenauigkeit gemessen werden kann. Die Messergebnisse können deshalb genutzt werden, um verschiedene analytische und Finite-Elemente-Modelle für den Nanoindentations-Versuch zu überprüfen und können hilfreich sein, um ein tieferes Verständnis des physikalischen Mechanismus des Nanoindentations-Versuchs zu erzielen. Es sei darauf hingewiesen, dass als Nebenprodukt der obigen Untersuchungen ein neues Verfahren zur Inspektion der ebenen Verschiebung/Verformung von MEMS-Geräten vorgeschlagen und experimentell verifiziert worden ist. Als nächsten Schritt wird auf der Grundlage der zuvor erwähnten experimentellen Ergebnisse erwartet, die folgenden Arbeiten durchzuführen: 1. Kalibrierung des 3D-MIDI-Systems 2. Vergleich des Unterschieds zwischen dem gemessenen Verhalten des Systems Eindringkörperspitze-Schicht-Substrat und jenem, das mit konventionellen analytischen Modellen vorhergesagt wird. 3. Vergleich des Unterschieds zwischen dem gemessenen Verhalten des Systems Eindringkörperspitze-Schicht-Substrat und jenem, das mit der Methode der Finite Elemente Analyse (FEA) vorhergesagt wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “An optical differential probe for measurement of MEMS topography,” Proc. SPIE 6188, pp. 61880D-1-9, 2006
Zhi Li, K. Herrmann, F. Pohlenz
- “Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Verschiebung und/oder einer Geometrie von Mikrostrukturen”, Deutsches Patent, 2006, Aktenzeichen 10 2006 060 584.5
Zhi Li, K. Herrmann
- “Development of a three-dimensional metrological interlayer deformation imaging system,” Proc. 7th Euspen (Bremen), 2007
Zhi Li, K. Herrmann, F. Pohlenz
- “Development of a three-dimensional metrological interlayer deformation imaging system,” Proc. 7th Euspen (Bremen), pp. 321-324, 2007
Zhi Li, K. Herrmann, F. Pohlenz
- “Investigation of nano-indentation on the free-standing films for the determination of tensile test parameters,” Proc. Hardmeko 2007, pp. 17-20, 2007
Zhi Li, Sai Gao, Konrad Herrmann
- “Lateral scanning confocal microscopy for the determination of in-plane displacements of microelectromechanical systems devices,” Optics Letters 32, pp. 1743-1745, 2007
Zhi Li, K. Herrmann, F. Pohlenz
- “In-situ inspection of the dynamic indentation procedure in the nanometer range,” Meas. Sci. Technol, 19, 025503 (6 pp), 2008
Zhi Li, K. Herrmann
