Untersuchung eines Messverfahrens der mechanischen Eigenschaften dünner Schichten auf der Grundlage von SPM und MEMS
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch die starke Verbreitung dünner Schichten in Mikro-Elektro-Mechanischen-Systemen (MEMS) gewannen ihre mechanischen Eigenschaften stark an Bedeutung. Ein wesentliches Problem stellt dabei die Abweichung der mechanischen Eigenschaften dünner Schichten von denen der entsprechenden Festkörper dar. Zugversuche sind aufgrund ihrer Einfachheit und Standardisierung optimal zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften dünner Filme geeignet. Die Durchführung von Mikrozugversuchen an frei stehenden Dünnfilmen ist allerdings keine einfache experimentelle Übung. Das Ausrichten und Koppeln von Dünnfilm und Zugaktor, die erforderliche Präzision der Experimente und die Formabweichung der Proben stellen grundlegende Probleme dar, die nur zum Teil im Projekt gelöst werden konnten. Im vorliegenden Projekt wurde eine neue Nanozugvorrichtung auf der Basis eines MEMS Kraftaktors und eines frei stehenden dünnen Films entwickelt. Die Krafterzeugung übernimmt ein elektrostatischer MEMS-Kammantriebsaktor, der Zugkräfte im mN-Bereich erzeugt und die resultierende Dehnung mit Nanometer-Auflösung kapazitiv misst. Frei stehende Aluminiumfilme mit Längen von 20 µm bis 200 µm und Dicken von 100 nm, 200 nm und 500 nm wurden mit Hilfe des DC Magnetronsputterns gefertigt. Die Ausrichtung und Justierung des Dünnfilm-Chips zum MEMS-Aktor stellte die größte Herausforderung dar. In Einzelfällen gelang diese Justage. Präzisions-E-Modulmessungen, wie geplant mit rasterkraftmikroskopischer Dehnungsmessung, konnten so nicht durchgeführt werden. Eine Verbesserung der Ausrichtung beider Strukturen zueinander gelang mit einer lateralen Haltefeder zur Unterstützung der Koppelstruktur des Dünnfilms. An einem solchen System gelang erstmals eine E-Modulmessung mit Hilfe eines kraft- und wegkalibrierten MEMS sowie kapazitiver Dehnungsmessung. Das gemessene E-Modul eines 266 nm dicken Al-Films betrug mit (13,5 ± 1,8) GPa nur 19 % des Wertes von Festkörper-Aluminium. Im nächsten Schritt wurde zur Vermeidung der Koppelproblematik ein integriertes Design mit MEMS-Aktor und Dünnfilm auf einem gemeinsamen Chip gefertigt. Erste Funktionsmuster konnten gefertigt, aufgrund von mechanischen Instabilitäten aber nicht bondkontaktiert werden. Nanozugmessungen mussten daher unter einem Waferprober durchgeführt werden und eine rasterkraftmikroskopische Auslenkungsmessung war nicht mehr möglich. Es gelang aber eine E-Modul-Messreihe mit kraft- und wegkalibriertem MEMS-Aktor und kapazitiver Auslenkungsmessung. Das gemessene Elastizititätsmodul des 236 nm dicken Films betrug (17,3 ± 1,5) GPa und lag damit bei 25 % des entsprechenden Volumenmaterials. Zum Vergleich durchgeführte rasterkraftmikroskopische 3 Punkt Biegemessungen ergaben an 177 nm dicken Schichten ebenfalls ein sehr niedriges E-Modul von (18,0 ± 4,9) GPa. Mittels Nanoindentation wurde ein E-Modul von (15 ± 3) GPa gemessen. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die hier mittels DC Magnetronsputtern hergestellten dünnen Aluminiumschichten (177 nm bis 266 nm Dicke) nur einen E-Modul in der Größenordnung von 25 % des Festkörperwertes aufweisen. Die entwickelte Nanozugmesseinrichtung, bestehend aus MEMS-Aktor und frei stehender Dünnschicht auf einem Chip, kann zukünftig einen Beitrag zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften frei stehender Nanoschichten liefern. Systematische Messungen des E-Moduls unterschiedlicher Dünnschichtmaterialien in Abhängigkeit von der Dicke der Schichten und den Beschichtungsparametern müssen folgen, um die Änderung des Elastizitätsmoduls dünner Schichten zu verstehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Development of a micro-miniature nanoindentation instrument,” Proc. conference HARDMEKO, 2007, 13-16
Z. Li, S. Gao, K. Herrmann
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“Development of a Micro-SPM (scanning proble microscope) by postassembly of a MEMS-Stage and an Independent cantilver”, Sensors & Transducers Journal, 82, 8, (2007), 1480-1485
Z. Li, H. Wolff, K. Herrmann
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“Development of multi- functional microforce actuator”, Proc. 7th euspen conference, 2007, 290-293
S. Gao, K. Herrmann
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“A micro-SPM (scanning probe microscope) capable of operation with exchangeable cantilelvers”, Proc. 8th euspen conference, 2008, 290-293
S. Gao, Z. Li, K. Herrmann
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“A microelectromechanical force actuator for nano-tensile testing system”, Proc. of SPIE, vol. 6993, 2008, 69930H-1-69930H-9
S. Gao, K. Herrmann
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“Determination of in-plane displacement of MEMS by means of an AFM sensor”, Proc. of SPIE, vol. 6993, 2008, 69930J-1-69930J-9
S. Gao, Z. Li, K. Herrmann
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“Investigation of mechanical properties of thin films based on SPM and MEMS device”, Proc. 8th euspen conference, 2008, 252-255
S. Gao, K. Herrmann, Z. Li
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“Development of a micro-miniature nanoindentation instrument with the force resolution of 1 nN”, Proc. of ISMTII-2009 (The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments), 2009, 4-277-4-281
S. Gao, Z. Li, K. Herrmann
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“Development of a multifunctional microelectromechanical nano-force actuator for calibration of the spring constant of an AFM cantilever”, Proceedings of Euspen, 2009, 267-270
S. Gao, Z. K. Zhang, Y. Wu, K. Herrmann
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“Entwicklung nanomechanischer Messverfahren auf der Grundlage von MEMS”, Technisches Messen 76, 2009, 317-322
Z. Li, S. Gao, K. Herrmann, H. Wolff
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“Towards quantitative determination of the spring constant of a scanning force microscope cantilever with a microelectromechanical nano-force actuator,” Meas. Sci. Technol. 21, 2010, 015103
S. Gao, Z. K. Zhang, Y. Wu and K. Herrmann
