Experimentelle Untersuchung des Systems Eindringkörperspitze-Schicht-Substrat beim instrumentierten Eindringversuch im Nano-Bereich

• Applicant: Dr.-Ing. Konrad Herrmann
• Subject Area: Microsystems
• Term: from 2005 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 12919428

Eindringversuche werden umfassend eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen zu charakterisieren. Mit den raschen Fortschritten in der Nanotechnologie wird der instrumentierte Eindringversuch im Nano-Bereich zunehmend eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften kleiner Werkstoffvolumina, wie z. B. von dünnen Schichten, die für Schutz- und/oder funktionelle Zwecke in Mikrosystemen, mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), magnetischen/optischen Datenspeichern usw. eingesetzt werden, zu messen. Der Eindringvorgang kann jedoch nicht gründlich beschrieben werden, weil eine zuverlässige experimentelle Methode fehlt, mit der man das dynamische Verhalten in einem System Eindringkörperspitze-Schicht-Substrat beim instrumentierten Eindringversuch im Nano-Bereich in situ und in Echtzeit untersuchen kann. Hier wird ein wissenschaftliches Gerät vorgeschlagen, um das Verhalten des Systems Eindringkörperspitze-Schicht-Substrat zu studieren, das einen typischen Nanoindentor mit einem metrologischen 3D-Bilderzeugungssystem der Interfacedeformation (3D Metrological Interface Deformation Imaging, abgekürzt: 3D-M1DI) kombiniert. Das 3D-MIDI-System beruht auf der differentiellen konfokalen Laserscan- Mikroskopie. Im Falle eines transparenten Schicht-Substrat-Systems kann die SDDeformation an den Interfaces des Schicht-Substrat-Systems, die durch den Eindringvorgang hervorgerufen wurde, mittels des 3D-MIDI-Systems in Echtzeit beobachtet werden. Ferner können die Geometrie der Eindringkörperspitze und ihre Verformung während des Eindringvorgangs in situ bestimmt werden. Das Ziel der vorgeschlagenen Forschung besteht darin, eine experimentelle Möglichkeit zu schaffen, um die vorhandenen Modelle des instrumentierten Eindringversuchs überprüfen zu können. Ferner können während des Eindringvorgangs Unstetigkeitsphänomene, wie Knicke und Pop-ins in der Prüfkraft- Eindringtiefen-Kurve näher untersucht werden. Die Verifizierung von Modellen des instrumentierten Eindringversuchs ist eine wichtige Voraussetzung, um Grundlagen für die Entwicklung eines virtuellen Normals dieses Eindringversuchs zu schaffen. Mit Hilfe dieses virtuellen Normals können Messabweichungen der Messeinrichtung einschließlich geometrischer Abweichungen des Eindringkörpers bestimmt werden. Auf dieser Grundlage sollen die Kalibrierverfahren für Indentation-Messgeräte (vor allem im Nano-Bereich) vervollkommnet werden, um so zur notwendigen Genauigkeitssteigerung des instrumentierten Eindringversuchs beizutragen. Weiterhin kann das 3D-MIDI-System für Grundlagenuntersuchungen eingesetzt werden, um aus dem instrumentierten Eindringversuch (mit den Parametern Prüfkraft, Eindringtiefe, Zeit) die Parameter des Zugversuchs (Spannung, Dehnung) abzuleiten. Der Vorschlag ist eine typische interdisziplinäre Forschung, weil er Optik, Fertigungsmesstechnik, Fertigungstechnik, Festkörpermechanik, Dünnschichtphysik und Werkstoffwissenschaften miteinander verbindet. Es wird eindeutig erwartet, dass der Vorschlag eine zuverlässige Grundlage für die Messung der mechanischen Eigenschaften von Grundwerkstoffen und/oder kleinen Materialvolumina schafft, die für die gegenwärtige und künftige Mikrosystemtechnik entscheidend ist. Außer der industriellen Bedeutung wird die vorgeschlagene Forschung auch erhebliche physikalische Einsicht in die Prozesse, die während des Eindringens in ein Schicht- Substrat-System ablaufen, liefern.

• DFG Programme: Research Grants