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Mikrokoordinatenmessgerät (µKMG) zur parallelen Antastung von Mikrostrukturen
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Mikrokoordinatenmessgerät (µKMG) zur parallelen Antastung von Mikrostrukturen

Einleitung

In der Produktion von Mikrostrukturen haben taktile Messverfahren nur eine geringe Bedeutung, da sie bisher nicht hinreichend an deren Erfordernisse angepasst wurden. Das serielle Antasten verschiedener Messpunkte auf einer Wafer-Oberfläche ist sehr zeitintensiv. Zu diesem Zweck wird am Institut für Produktionsmesstechnik ein Ansatz erarbeitet, der es erlaubt mehrere Objekte bzw. Objektpunkte parallel anzutasten. Die Untersuchungen konzentrieren sich dabei auf die Parallelisierung des Antastprozesses sowie die Kalibrierung und das Erarbeiten von Antaststrategien.

Lösungsansatz

3x3 Mikrotasterarray
3x3 Mikrotasterarray

Im Einsatz befindet sich ein KMG in Verbindung eines Array mit 9 Tastern in 3×3-Struktur. Die Taster mit einem Tastkugeldurchmesser von 300 µm messen Auslenkungen in alle drei Raumrichtungen. Erhöhte Aufmerksamkeit im Gegensatz zur einzelnen Antastung benötigt die Ausrichtung von Tasterarray und Messobjekt. Beim Antasten sind die Tasterpositionen so zu regeln, dass jeder Taster in Kontakt mit dem zugehörigen Messobjekt steht, die Maximalauslenkung nicht überschritten wird und die Antastkraft bei allen Tastern vergleichbar ist. Die Steuerung des Antastvorgangs erfolgt über eine Rechneranordnung bestehend aus Motion-Controller, Realtime-Rechner und Bedienrechner. Der Motion-Controller steuert die Antriebseinheit, wohingegen der Realtime-Rechner die Signalauswertung und der Bedienrechner die Datenspeicherung sowie die Script-Ausführung vornimmt.

Die eingesetzte Software zur Steuerung des Mikro-KMG besitzt neben der Ausführung scriptgesteuerter komplexer Messprogramme weitere Funktionen. Diese sind beispielsweise der Überlastschutz, Limits für Tasterauslenkungen und die Speicherung der Messdaten.

Ergebnisse

Mikrokoordinatenmessgerät
Mikrokoordinatenmessgerät

Im Rahmen des Projektes wurde ein funktionsfähiges Mikro-KMG aufgebaut. Zur Kalibrierung der Tasterarrays wurde ein robustes und skalierbares Verfahren entwickelt mit dem nicht nur die Empfindlichkeiten der Einzelsensoren bestimmt werden können, sondern auch deren absolute Positionen. Weiterhin konnten geeignete Abstraktionsebenen eingeführt werden, die es ermöglichen, die Messprogramme weitgehend unabhängig von konkreten Arrayparametern zu schreiben und somit die Austauschbarkeit und Wiederverwendbarkeit zu gewährleisten. Die Validierung der Kalibrier- und Antastalgorithmen erfolgt mittels einer Simulationsumgebung, die ein virtuelles Mikro-KMG bereitstellt.

Weitere Aufgaben im Bereich der mechanischen Funktionsprüfung, die optische Ermittlung der Verformungskörperauslenkung, Verfeinerung der Kalibrierstrategien und Untersuchungen der Messunsicherheit nach GUM werden künftige Tätigkeitsbereiche sein.

Veröffentlichungen

  • Dierke, H.; Fischer, M.; Schrader, C.; Nitsche, J.-E.; Abd-Elmageed, A.; Tutsch, R.: Bestimmung der Auslenkung von Mikrotastern mit optischen Methoden. In: tm - Technisches Messen Heft 81 (2014) 6, De Gruyter, S. 305-315, ISSN 0171-8096, e-ISSN 2196-7113
  • Dierke, H., Fischer, M., Abd-Elmageed, A.-E., Nitsche, J., Schrader, C., Tutsch, R.: Detection of the Displacement of Micro touch Probes Using Structured Illumination. In: International Journal of Optomechatronics, Vol. 7, pp. 136-148, ISSN: 1559-9612, 2013
  • Dierke, H., Fischer, M., Abd-Elmageed, A., Nitsche, J., Schrader, C. and Tutsch, R. : Detection of the displacement of micro touch probes using structured illumination. In: International Symposium of Optomechatromics 2012, Oct 29-31, Paris, France
  • Dierke, H.; Schrader, C.; Tutsch, R.: Detection of Micro-Probe Displacement using a Shack-Hartmann Wavefront Sensor. In: International Journal of Optomechatronics, Vol. 6, 2012, pp. 226-235, ISSN: 1559-9612
  • Schrader, C. , Tutsch, R. : Calibration of a microprobe array. Measurement Science and Technology 23 () 054001 (9pp), 2012
  • Schrader, C., Krah, T., Tutsch, R. Büttgenbach, S.: Parallelisierte taktile Messtechnik für Mikrostrukturen. In: Abschlussbericht, DFG Schwerpunktprogramm 1159, StraMNano (07.10.2011 in Erlangen) S. 19-35, ISBN: 978-3-8440-0358-1

  • Tan, Ö., Krah, T., Neuschaefer-Rube, U., Ehrig, W., Viering, B., Herffurth, T., Schröder, S.. Lyda, W., Eigenbrod, H., Hoffmann, R., Weißensee, K., Apel, S., Pedrini, G., Gaspar, J., Schrader, C., Zschiegner, N.: Bestimmung der Messunsicherheit in Mikrometer Bereich – Strategien, Modelle und Einflussfaktoren. In: Abschlussbericht, DFG Schwerpunktprogramm 1159, StraMNano (07.10.2011 in Erlangen) S. 188-205, ISBN: 978-3-8440-0358-1

  • Schrader, C.;Tutsch, R.: Calibration of a Micro Probe Array. ISMTII-2011, Daejeon, Korea, 29.6.-2.7.2011. Proceedings p. 100 (abstract)

  • Dierke, H.; Schrader, C.; Tutsch, R.: Detection of micro-probe displacement using a Shack-Hartmann wavefront sensor. In: Proc. of SPIE, Vol. 8082, München 23.-26.05.2011, pp. 80820K-1-8

  • Tutsch, R.; Petz, M.; Schrader, Chr.: Kleinste Merkmale mit Koordinatenmessgeräten messen - taktil und berührungslos. In: VDI-Berichte 2120, Koordinatenmesstechnik 2010 - Technologien für eine wirtschaftliche Produktion, 8. VDI-Fachtagung, Braunschweig, 3. und 4. November 2010, Düsseldorf : VDI, 2010, S. 61-69

  • Schrader, C.; Herbst, C.; Tutsch, R.; Büttgenbach, S.; Krah, T.: Micro Coordinate Measuring Machine for Parallel Measurement of Microstructures. In: Key Engineering Materials Vol. 437 (2010), pp. 136-140, ISBN 978-0-87849-273-2

  • Schrader, C.; Tutsch, R.; Büttgenbach, S.; Krah, T.: Application of a Touch-Probe for the Parallel Measurement of Microstructures. In: Proceedings of SENSOR 2009, Volume II, pp. 289-293

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