DE102004022750A1

DE102004022750A1 - Mikro-Prüfkörper

Info

Publication number: DE102004022750A1
Application number: DE200410022750
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Neugebauer; Franz Dr. Wäldele
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2004-05-07
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2024-05-08
Also published as: DE102004022750B4

Abstract

Ein Mikro-Prüfkörper zur Einmessung und Überprüfung dimensioneller Messgeräte hat eine Anordnung von Pyramiden auf einer Fläche des Prüfkörpers, die durch Abformung einer Anordnung von in einen Siliziumwafer eingeätzten Pyramiden entstanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikro-Prüfkörper zur Einmessung und Überprüfung dimensioneller Messgeräte.
In der Fertigungsmesstechnik werden dimensionelle Messgeräte eingesetzt, die eingemessen und periodisch überwacht werden müssen. Dazu werden aus praktischen, ökonomischen und messtechnischen Gründen vorteilhaft kalibrierte Maßverkörperungen eingesetzt. Die durch Messung an diesen Maßverkörperungen bestimmten Maße werden mit den kalibrierten Maßen verglichen, so dass die Einmessung bzw. die Messunsicherheit des Messgerätes überprüft werden kann. Die Maßverkörperungen verkörpern die Maße mit hinreichender Genauigkeit und können mit hinreichend geringer Messunsicherheit kalibriert werden. Die Abmessungen der Maßverkörperungen stehen in einem sinnvollen Verhältnis zu dem zu prüfenden Messbereich des Messgerätes.

Eine bedeutende Untergruppe von Prüfkörpern für dimensionelle Messgeräte stellen Längenmaßverkörperungen für Koordinatenmessgeräte dar. Diese Längenmaßverkörperungen können eindimensional (Stufenendmaße bzw. Kugelleisten), zweidimensional (Kugelplatten bzw. Lochplatten) oder dreidimensional (Kugelquader) ausgeführt sein. Auf diesen Längenmaßverkörperungen sind geometrische Elemente wie Prismen, Zylinder oder Kugeln auf einem Grundkörper angeordnet. Die Abstände zwischen den geometrischen Elementen sind mit bekannten Verfahren kalibriert. Diese Längenmaßverkörperungen werden eingesetzt, um die systematischen Abweichungen von zu prüfenden Koordinatenmessgeräten zu bestimmen. Die Abmessungen der Längenmaßverkörperungen sind dabei. den typischen Messbereichen von zu prüfenden Koordinatenmessgeräten angepasst. Typische Längenmaßverkörperungen für Koordinatenmessgeräte haben Abmessungen im Bereich von 0,2 m bis 2 m.

Die technische und technologische Entwicklung führt in vielen Bereichen der Industrie zu einer Miniaturisierung von Produkten und Bauteilen. Beispiele im Bereich der Mikrosystemtechnik sind die Sensorik im Automobilbau, die Medizintechnik und die Mechatronik. Bauteile der Mikro-Systemtechnik haben typische Abmessungen von einigen mm bis zu wenigen 100 μm. Die dimensionelle Messung an Mikro-Bauteilen mit geeigneten Messgeräten ist in vielen Industriebereichen wichtig und wird in Zukunft an Bedeutung gewinnen.

Für dimensionelle Messungen an Mikro-Bauteilen werden u. a. speziell entwickelte bzw. angepasste Koordinatenmessgeräte und miniaturisierte Sensoren eingesetzt. Es ist bekannt, dass dimensionelle Messungen an Mikro-Bauteilen nach dem Stand der Technik mit einem opto-taktilen Sensor (WO 9857121, DE 19805892 ) und mit einem taktilen Sensor ( DE 10108774 ) ausgeführt werden. Die Messungen erfolgen dabei mit mechanischem Kontakt am Messobjekt. Die Antastelemente sind Kugeln mit Durchmessern im Bereich von etwa 0,05 mm bis zu etwa 0,1 mm.

Zur Prüfung dieser speziellen Koordinatenmessgeräte sind Mikro-Prüfkörper erforderlich, bei denen die Abmessungen und die Größe der zu detektierenden Strukturen den Messaufgaben, dem verwendeten Messbereich und den Sensoren dieser Koordinatenmessgeräte angepasst sind. Sinnvolle Abmessungen für Mikro-Prüfkörper für Koordinatenmessgeräte sind einige mm mit Strukturgrößen bzw. deren Abständen von wenigen hundert μm.

Es ist bekannt, dass Mikro-Prüfkörper als eindimensionale Längenmaßverkörperungen zur Prüfung des Scanweges von taktilen Tastschnittgeräten eingesetzt werden. Diese Prüfkörper bestehen aus einem Siliziumgrundkörper, in den mit nasschemischem isotropen Ätzen mehrere Reihen mit verschieden großen rechteckigen Vertiefungen eingeätzt wurden. Diese Reihen von Vertiefungen bilden verschiedene eindimensionale Längenmaßverkörperungen unterschiedlicher Länge und Teilung. Die Vertiefungen haben eine Tiefe von einigen μm. Die Abmessungen der Prüfkörper betragen ca. 60 × 30 × 1 mm.

Diese Mikro-Prüfkörper haben einige technische Beschränkungen und messtechnische Nachteile.

Die Abstände von gleichgerichteten Kanten der Vertiefungen werden mit bekannten Verfahren kalibriert, indem die Kanten der Vertiefungen mit einem optischen Mikroskop detektiert werden. Bei der Prüfung des Scanweges von Tastschnittgeräten wird der Prüfkörper entlang der Vertiefungen taktil abgetastet und es werden Messwerte aufgenommen. Diese Messwerte werden von Nutzsignalen, d. h. der Geometrie des Prüfkörpers selbst, und von Störsignalen gebildet. Wesentliche Quellen von Störsignalen sind die Rauheit und die Formabweichungen des Prüfkörpers sowie Schwingungen bzw. Rauschen des zu überprüfenden Messgerätes und der Umgebung.

Durch die geringe Tiefe der Vertiefungen ist das Verhältnis der Nutzsignale zu den Störsignalen relativ ungünstig. Dieses Verhältnis wird umso ungünstiger, je größer die Umgebungseinflüsse und je größer z. B. das Rauschen des zu überprüfenden Messgerätes ist. Es ist dann nicht mehr eindeutig möglich, Nutzsignale und Störsignale voneinander zu trennen. Die Folge ist, dass die Kanten der Vertiefungen nicht mehr hinreichend genau detektiert werden können. Der Prüfkörper kann dann nicht seinem Zweck entsprechend eingesetzt werden.

Darüber hinaus können sich bei diesen Prüfkörpern durch nicht ideale geometrische Eigenschaften der Kanten wie Formabweichungen und Rauheit signifikante Differenzen zwischen der optischen Kalibrierung und der taktilen Prüfung ergeben, die dann eine hinreichend genaue Prüfung des Messgerätes nicht gestatten.

Werden die aus Silizium bestehenden Prüfkörper taktil gemessen, können zudem durch die Sprödigkeit des Siliziums schon bei relativ geringen Antastkräften Beschädigungen der Kanten auftreten. Der Prüfkörper ist dann an dieser Stelle nicht mehr brauchbar. Es ist bekannt, dass durch die Beschichtung des Prüfkörpers mit hochfesten Materialien (z.B. Titannitrit – TiNi) diese Beschädigungen vermieden werden können. Allerdings bewirken diese Schichten eine Veränderung der Geometrie der Vertiefungen, speziell eine Kantenverrundung, so dass die Kante ebenfalls nicht mehr sicher detektiert werden kann.

Ein weiterer Nachteil bei aus Silizium bestehenden Prüfkörpern ist durch die geringe Dicke der Siliziumwafer von ca. 1,2 mm als Ausgangsmaterial für die Fertigung gegeben. Die entsprechend dünnen Prüfkörper sind mechanisch sehr empfindlich und werden zum Schutz auf ein Substrat, z. B. aus Glas aufgeklebt. Temperaturänderungen der beiden miteinander verbundenen unterschiedlichen Materialien führen zu Spannungen und können Durchbiegungen und evtl. Beeinträchtigungen der Langzeitstabilität hervorrufen.

Nachteilig ist weiterhin, dass mit nasschemischem Ätzen in Silizium nur in das Material hineingehende Pyramiden hergestellt werden können, so dass bei einer Reihe von Anwendungen die Seitenkanten oder die Spitzen der Pyramiden nicht oder nur unzureichend detektiert werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Mikro-Prüfkörper zur Einmessung und Überprüfung dimensioneller Messgeräte zu schaffen.

Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Prüfkörper dadurch gelöst, dass der Prüfkörper eine Anordnung von Pyramiden auf einer Fläche hat, die durch Abformung einer Anordnung von in einen Siliziumwafer eingeätzten Pyramiden mit geeigneten Materialien entstanden ist.

Es ist vorteilhaft, wenn durch nasschemisches isotropes Ätzen bis zum Ätzstopp und ein entsprechendes Verhältnis der Kantenlänge der Pyramidengrundflächen zur Dicke des Siliziumwafers, Pyramiden mit hinreichend großen Seitenflächen entstehen, die eine sichere Antastung mit mechanischen Verfahren ermöglichen.

Die Grundflächen der Pyramiden sollten alle in die selbe Richtung der Kristallstruktur des Silizium orientiert sein, da dann die Winkel der Seitenflächen aller Pyramiden gleich groß sind und die Kalibrierung mit geringerer Messunsicherheit erfolgen kann.

Vorteilhaft ist dabei, wenn die Grundflächen der Pyramiden alle in eine bestimmte Richtung der Kristallstruktur des Silizium (<110> Richtung) orientiert sind, da dann die theoretischen Winkel der Seitenflächen aller Pyramiden 54,74° betragen und spezielle Kalibrierverfahren mit weiter verringerter Messunsicherheit angewandt werden können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn auf einem Prüfkörper verschiedene Maßteilungen mit verschieden großen Pyramiden in verschieden großen Abständen realisiert werden. Eine Prüfung von Teilbereichen innerhalb des gesamten zu prüfenden Messbereiches des Messgerätes ist dann möglich.

Es ist vorteilhaft, wenn die Abformung mit Hilfe der chemischen Vernickelung ausgeführt wird, da mit diesem Verfahren Abformungen von hoher Genauigkeit und hoher mechanischer Stabilität hergestellt werden können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn von der ersten Abformung (positiver Abform-Master) wiederum Negative abgeformt werden, da der Silizium-Master beim Trennen vom Abform-Master mit hoher Wahrscheinlichkeit beschädigt oder sogar zerstört wird. Von den Negativen können wiederum Positive abgeformt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass Mikro-Maßverkörperungen für die Prüfung von dimensionellen Messgeräten mechanisch sicher antastbar sind und gleichzeitig eine hinreichende mechanische Stabilität aufweisen und dass diese Mikro-Maßverkörperungen einfach und präzise herstellbar und mit hinreichend geringer Messunsicherheit kalibrierbar sind.

Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Mikro-Maßverkörperung mit einer Anordnung von Pyramiden auf einer Fläche
Zur Herstellung der Mikro-Maßverkörperung wird zunächst in einen Silizium-Master eine Anordnung von Pyramiden mit einer Tiefe von etwa 1 mm geätzt (ins Material hineingehende, negative Struktur). Diese Pyramiden werden in einem ersten Abformschritt vom Siliziummaster in einen Abform-Master abgeformt (aus dem Material herauskommende, positive Struktur). In einem zweiten Abformschritt können von diesem Abform-Master 1..n Negative abgeformt werden. In einem dritten Abformschritt können wiederum von einem oder mehreren Negativen 1..n Positive abgeformt werden.

Claims

Mikro-Prüfkörper (1) zur Einmessung und Überprüfung dimensioneller Messgeräte, gekennzeichnet durch eine Anordnung von Pyramiden auf einer Fläche des Prüfkörpers, die durch Abformung einer Anordnung von in einen Siliziumwafer eingeätzten Pyramiden entstanden ist.
Mikro-Prüfkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch nasschemisches isotropes Ätzen bis zum Ätzstopp und ein entsprechendes Verhältnis der Kantenlänge der Pyramidengrundflächen zur Dicke des Siliziumwafers Pyramiden mit hinreichend großen Seitenflächen entstehen, die eine sichere Antastung mit mechanischen Verfahren ermöglichen.
Mikro-Prüfkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundflächen der auf dem Prüfkörper angeordneten Pyramiden die selbe Orientierung zur Kristallstruktur des Silizium haben.
Mikro-Prüfkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundflächen der auf dem Prüfkörper angeordneten Pyramiden in die <110> Richtung der Kristallstruktur des Silizium orientiert sind.
Mikro-Prüfkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass verschieden große Pyramiden in verschieden großen Abständen auf der Fläche angeordnet sind.
Mikro-Prüfkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abformung mittels chemischer Vernickelung erfolgt ist.