DE102015212565A1

DE102015212565A1 - Vorrichtung und Verfahren zur reversiblen Kontaktierung

Info

Publication number: DE102015212565A1
Application number: DE102015212565.3A
Authority: DE
Inventors: Enrico Flade; Wolfgang Viöl; Julian Paulus; Nils Mainusch; Thammo Siedenburg; Torge Christ
Original assignee: Hochschule fur Angewandte Wss und Kunst Hildesheim/holzminden/gottingen; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Hochschule fuer Angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim Holzminden Gottingen
Current assignee: Hochschule fur Angewandte Wss und Kunst Hildesheim/holzminden/gottingen; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Hochschule fuer Angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim Holzminden Gottingen
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2017-01-12
Also published as: WO2017005809A1; EP3320348A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kontaktierungsvorrichtung (1) mit einem elektrisch leitfähigen Kontakt (4) zur reversiblen Kontaktierung eines Messobjektes (5), wobei die Kontaktierungsvorrichtung weiterhin eine Mehrzahl von Partikeln (3) enthält, welche zwischen den Kontakt (4) und der Oberfläche (51) des Messobjektes (5) einbringbar sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Messgerät mit einer solchen Kontaktierungsvorrichtung und ein Messverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontaktierungsvorrichtung mit einem elektrisch leitfähigen Kontakt zur reversiblen Kontaktierung eines Messobjekts. Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit der Kontaktierungsvorrichtung ausgestattetes Messgerät sowie ein Verfahren zur Bestimmung elektrischer Parameter eines Messobjekts, bei welchem das Messobjekt mit zumindest einem leitfähigen Kontakt reversibel kontaktiert wird. Vorrichtungen und Verfahren dieser Art können zur Bestimmung des elektrischen Widerstands und daraus abgeleiteter Kenngrößen an Einzelschichten oder Schichtsystemen eingesetzt werden.
Aus der Praxis ist bekannt, Prüfstifte bzw. Kontaktstempel aus einem Metall oder einer Legierung zu verwenden und diese mit dem Messobjekt in Kontakt zu bringen. Hierdurch wird ein Stromfluss zwischen dem leitfähigen Kontakt und dem Messobjekt ermöglicht, sodass beispielsweise ein Strom eingeprägt oder eine Potenzialdifferenz gemessen werden kann. Nach erfolgter Messung können die leitfähigen Kontakte vom Messobjekt abgehoben werden. Im Idealfall sind die Kontakte rückstandsfrei entfernbar und das Messobjekt bleibt durch die Messung völlig unbeeinflusst.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass insbesondere bei Messobjekten mit empfindlichen Grenz- oder Funktionsschichten mit Dicken von wenigen Nanometern bis hin zu einigen 10 µm eine Beschädigung der Funktionsschichten nicht ausgeschlossen werden kann. Weiterhin können sehr raue Oberflächen nicht zuverlässig kontaktiert werden, da der Kontaktschluss zwischen dem Messobjekt und dem leitfähigen Kontakt nur an den Erhebungen der Oberflächenrauheit erfolgt und dadurch nur wenige stromführende Pfade zur Verfügung stehen. Dies führt häufig zu nicht exakten, nicht reproduzierbaren und driftenden Messwerten, welche keine oder nur eine geringe Aussagekraft über die zu messenden Parameter erlauben.
Ausgehend vom Stand der Technik soll daher eine Kontaktierungsvorrichtung, ein Messgerät und ein Messverfahren bereitgestellt werden, welche einerseits die Beschädigung empfindlicher Oberflächen vermeiden und andererseits zuverlässige Messergebnisse ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kontaktierungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Messgerät gemäß Anspruch 8 sowie ein Verfahren zur Bestimmung elektrischer Parameter gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Kontaktierungsvorrichtung vorgeschlagen, welche einen elektrisch leitfähigen Kontakt aufweist. Der elektrisch leitfähige Kontakt kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Durchmesser bzw. einen Umkreis von etwa 1 mm bis etwa 20 mm aufweisen. Der Kontakt kann polygonal oder rund ausgeführt sein. Der Kontakt kann ein Metall oder eine Legierung enthalten. Der Kontakt kann eine dem Messobjekt zugewandte Fläche aufweisen, welche zur Kontaktierung mit dem Messobjekt vorgesehen ist. Daneben weist der Kontakt eine weitere Anschlussmöglichkeit für eine Messleitung auf, um den Kontakt und damit letztlich das Messobjekt mit einem an sich bekannten Messgerät, einer Stromquelle oder einer Spannungsquelle zu verbinden.
Beispielsweise kann der Kontakt eine quaderförmige oder zylindrische Grundform aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Kontakt aus einem Blech gefertigt sein, welches neben der zur Kontaktierung des Messobjekts vorgesehenen Kontaktfläche eine Anschlussfahne aufweist. An dieser Anschlussfahne kann eine Leitung durch Löten, Crimpen oder Punktschweißen befestigt sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der leitfähige Kontakt Kupfer, Aluminium, Silber, Neusilber und/oder Gold enthalten oder daraus bestehen. Der Kontakt kann optional eine Beschichtung aufweisen, welche die Leitfähigkeit oder den Korrosionsschutz verbessert oder mittels welcher die Austrittsarbeit an einen vorgebbaren Sollwert angepasst wird.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass der elektrisch leitfähige Kontakt nicht unmittelbar auf die Oberfläche des Messobjekts aufgesetzt wird. Stattdessen soll ein sehr leicht verformbares, fließfähiges Material zwischen den leitfähigen Kontakt und die Oberfläche des Messobjekts eingebracht werden. Dieses hat zum einen die Eigenschaft, sich an eventuell vorhandene Oberflächenrauheiten des Messobjekts anzupassen, sodass die Kontaktfläche und damit die Anzahl der ausgebildeten bzw. ausbildbaren Strompfade vergrößert ist. Weiterhin vermeidet das vergleichsweise weiche Material die Beschädigung empfindlicher Oberflächen, welche durch unmittelbares Aufsetzen des metallischen Materials des leitfähigen Kontakts auf das Messobjekt entstehen können.
Das erfindungsgemäß verwendete Material zwischen dem leitfähigen Kontakt und dem Messobjekt enthält einen Staub bzw. eine Mehrzahl von Partikeln, welche einerseits gegeneinander verschiebbar sind und dadurch in die Täler einer Oberflächenrauheit eindringen können um die Kontaktfläche zu vergrößern. Weiterhin können die Partikel verhindern, dass große, zur Beschädigung führende Kräfte bzw. mechanische Spannungen auf der Oberfläche des Messobjekts auftreten. Nach erfolgter Messung können die Partikel rückstandsfrei von der Oberfläche des Messobjekts entfernt werden, beispielsweise durch Abblasen mit einem Gasstrom oder durch Reinigung im Ultraschallbad.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Kontaktierungsvorrichtung eine erste Magnetfelderzeugungseinrichtung enthalten, mit welcher ein den leitfähigen Kontakt durchdringendes Magnetfeld erzeugbar ist, wobei die Mehrzahl von Partikeln entlang der Feldlinien des Magnetfelds an den Kontakt anlagerbar sind. Hierdurch wird eine einfache Handhabung der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung ermöglicht, da die Partikel durch die Magnetkräfte an die Kontaktierungsvorrichtung gebunden werden können. Dies erlaubt neben einer einfachen Kontaktierung des Messobjekts auch ein einfaches Lösen des Kontakts, wobei die Mehrzahl der Partikel weiterhin magnetisch an der Kontaktierungsvorrichtung gehalten wird, sodass nur geringe oder keine Verunreinigungen vom Messobjekt entfernt werden müssen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann daher ein Reinigungsschritt nach Durchführung der Messung auch entfallen.
Um die Partikel magnetisch an den leitfähigen Kontakt zu koppeln, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Partikel ferrimagnetisch oder paramagnetisch oder ferromagnetisch sind. Dies kann dazu führen, dass die Partikel entlang der Feldlinien des Magnetfeldes an den Kontakt anlagerbar sind, d.h. solange das Magnetfeld besteht, bilden die Partikel längliche, von der Oberfläche des leitfähigen Kontaktes ausgehende Dendrite bzw. Fäden. Da die Partikel weiterhin gegeneinander verschiebbar sind, kann sich die Spitze der Dendrite an die Oberfläche des Messobjektes anpassen, so dass die Beschädigung des Messobjektes vermieden werden kann und Rauheiten durch die Partikel zuverlässig ausgefüllt werden.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Permanentmagnet aufweisen. Dies erlaubt einen zuverlässigen und dauerhaften Betrieb der Kontaktierungsvorrichtung, da für die Anbindung der Partikel an den leitfähigen Kontakt keine Hilfsenergie benötigt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die erste Magnetfelderzeugungseinrichtung zumindest eine Spule bzw. einen Elektromagneten mit einer Spule und einem Kern aufweisen. Hierdurch kann das Magnetfeld aus- und eingeschaltet werden, so dass die Partikel einfach von der Kontaktierungsvorrichtung entfernt werden können, beispielsweise um für unterschiedliche Messungen unterschiedliche Partikel zu verwenden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Partikel einen Durchmesser von etwas 0,5 µm bis etwa 50 µm aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Partikel einen Durchmesser von etwa 10 µm bis etwa 40 µm aufweisen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Partikel einen Durchmesser von etwa 15 µm bis etwa 30 µm aufweisen. Solche Partikel weisen Abmessungen auf, welche geringer sind als typische Rauheiten von Oberflächen, so dass die Partikel leicht in die Täler der Rauheiten eindringen können, um diese aufzufüllen. Hierdurch wird die Anzahl der Strompfade und dadurch die effektive Kontaktfläche auf rauen Oberflächen erhöht.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Partikel ein Ferrit, einen Edelstahl und/oder ein Carbonyleisen enthalten oder daraus bestehen. Diese Partikel sind ferri- oder ferromagnetisch und lassen sich daher durch die Magnetfelderzeugungseinrichtung zuverlässig an den leitfähigen Kontakt der Kontaktierungsvorrichtung binden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Partikel zusätzlich Nickel und/oder Mangan und/oder Zink und/oder Barium und/oder Strontium enthalten. Hierdurch lassen sich die gewünschten hart- oder weichmagnetischen Eigenschaften in Abhängigkeit des vorgesehenen Anwendungszweckes der Kontaktierungsvorrichtung einstellen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthalten die Partikel Barium-Ferrit und/oder Strontium-Ferrit und/oder Nickel-Mangan-Ferrit und/oder Mangan-Zink-Ferrit. In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthalten die Partikel einen nickelhaltigen Edelstahl und/oder einen manganhaltigen Edelstahl und/oder einen zinkhaltigen Edelstahl. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung enthalten die Partikel nickelhaltiges Carbonyleisen und/oder manganhaltiges Carbonyleisen und/oder zinkhaltiges Carbonyleisen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung sind die Partikel mit einer Beschichtung versehen. Die Beschichtung der Partikel kann die elektrische Leitfähigkeit erhöhen, die Oberfläche der Partikel passivieren und/oder die Austrittsarbeit an vorgebbare Sollwerte anpassen, so dass mit der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung auf Halbleiteroberflächen sowohl ohmsche Kontakte als auch Schottky-Kontakte ausgebildet werden können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Beschichtung der Partikel galvanisch oder mittels Plasma-PVD erhältlich sein. Hierdurch sind die Partikel einfach und kostengünstig mit den gewünschten Eigenschaften herstellbar.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Beschichtung der Partikel Silber und/oder Gold und/oder Kupfer und/oder Nickel enthalten oder daraus bestehen. Hierdurch kann die Leitfähigkeit der Partikel erhöht werden, so dass die Messgenauigkeit weiter steigt.
In einigen Ausführungsvorrichtungen der Erfindung betrifft diese ein Messgerät zur Bestimmung elektrischer Parameter eines Messobjektes mit zumindest einer der vorgenannten Kontaktierungsvorrichtungen. Die mit dem Messgerät bestimmten elektrischen Parameter können ausgewählt sein aus einem elektrischen Widerstand, einer Ladungsträgerdichte, einer Ladungsträgerbeweglichkeit, einer Durchbruchfeldstärke oder weiterer, hier nicht genannter Parameter. Die Messungen können sowohl die Messung des Schichtwiderstandes umfassen, d.h. die Kontaktierungsvorrichtungen sind nebeneinander auf derselben Oberfläche des Messobjektes angeordnet. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Durchgangswiderstand des Messobjektes bestimmt werden, d.h. die Kontaktierungsvorrichtungen befinden sich auf gegenüberliegenden Oberflächen des Messobjektes. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Messung des Hall-Effektes mit der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung vorgenommen werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Messgerät eine zweite Magnetfelderzeugungseinrichtung aufweisen, welche gegenüber der Kontaktierungsvorrichtung angeordnet ist, wobei der zwischen der Kontaktierungsvorrichtung und der zweiten Magnetfelderzeugungseinrichtung ausgebildete Spalt für die Aufnahme des Messobjektes vorgesehen ist. Durch die zweite Magnetfelderzeugungseinrichtung kann ein näherungsweise homogenes Magnetfeld mit näherungsweise parallelen Feldlinien auf der Oberfläche des Messobjektes erzeugt werden. Da sich die Partikel entlang der Feldlinien anordnen, kann der effektive Durchmesser der Kontaktierungsvorrichtung auf der Oberfläche des Messobjektes verringert sein. Auch die zweite Magnetfelderzeugungseinrichtung kann einen Permanentmagnet oder eine stromdurchflossene Spule aufweisen, so dass das Magnetfeld in Stärke und Richtung veränderbar ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Messgerät weiterhin eine Positioniereinrichtung aufweisen, mit welcher der Spalt zwischen der Kontaktierungsvorrichtung dem Messobjekt einstellbar ist. Die Positioniereinrichtung kann ausgewählt sein aus einem Piezosteller, einem Linearmotor, einem Spindelantrieb oder weiterer, an sich bekannter Positionierhilfen. Hierdurch lässt sich die Höhenlage bzw. der Abstand der Kontaktierungsvorrichtung zur Oberfläche des Messobjektes kontrollieren, so dass ein versehentliches Aufsetzen des leitfähigen Kontaktes auf die Oberfläche vermieden wird. Dadurch ist sichergestellt, dass der elektrische Kontakt ausschließlich über die gegeneinander verschiebbaren Partikel hergestellt wird und keine großen Kräfte auf das Messobjekt einwirken, welche zu dessen Zerstörung führen könnten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Messgerät weiterhin eine Regelungseinrichtung aufweisen, mit welcher die Positioniereinrichtung ansteuerbar ist. Durch den Vergleich des Soll- mit dem Ist-Wert wird eine versehentliche Beschädigung des Messobjektes ausgeschlossen und gleichzeitig wird eine sichere Kontaktierung ermöglicht, welche Voraussetzung für zuverlässige Messwerte ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Partikel an Luft bzw. in einer Gasatmosphäre vorliegen. Dies erlaubt eine einfache Handhabung des Messgerätes bzw. eine einfache Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Partikel in einem Ferrofluid gebunden sein. Hierdurch kann die Messung zuverlässiger erfolgen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung.
2 zeigt eine mikroskopische Aufnahme der Partikel an der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung.
3 zeigt ein Partikel im Querschnitt.
4 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Partikel.
5 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgerätes.
6 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung.
7 zeigt Vergleichsmessungen der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung gegenüber bekannten Kontaktierungsvorrichtungen anhand eines ersten Anwendungsbeispiels.
8 zeigt Vergleichsmessungen der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung gegen bekannte Kontaktierungsvorrichtungen anhand eines zweiten Anwendungsbeispiels.
Anhand von 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung 1 erläutert.
Die Kontaktierungsvorrichtung 1 weist einen Schaft 10 auf, mit welchem die Kontaktierungsvorrichtung mechanisch befestigt werden kann. Die mechanische Befestigung kann mittels einer Positioniereinrichtung 70 erfolgen, wie nachfolgend noch anhand von 5 erläutert wird.
Weiterhin weist die Kontaktierungsvorrichtung 1 eine erste Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 einen Permanentmagnet. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann eine stromdurchflossene Spule verwendet werden, so dass das Magnetfeld nach Richtung, Stärke und Zeitpunkt variiert werden kann. Da das Magnetfeld nicht dauerhaft eingeschaltet ist, können die Partikel 3 in einfacher Weise von der Kontaktierungsvorrichtung 1 entfernt werden, in dem das Magnetfeld ausgeschaltet wird.
Weiterhin weist die Kontaktierungsvorrichtung einen leitfähigen Kontakt 4 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der leitfähige Kontakt 4 aus einem Blech gebildet, welches eine Dicke von etwa 0,1 mm bis etwa 1 mm aufweisen kann. Der leitfähige Kontakt 4 kann Kupfer, Aluminium, Gold und/oder Silber enthalten oder daraus bestehen. Der leitfähige Kontakt 4 kann mit einer Beschichtung versehen sein, welche die Oberfläche passiviert und/oder die elektrische Leitfähigkeit erhöht.
Anders als bei an sich bekannten Kontaktierungsvorrichtungen wird der leitfähige Kontakt 4 nicht in unmittelbaren Stoffkontakt mit dem Messobjekt gebracht. Hierfür sind Partikel 3 vorgesehen, welche durch das Magnetfeld der ersten Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 an den leitfähigen Kontakt 4 gebunden werden.
Da die Partikel 3 sehr klein und gegeneinander verschiebbar sind, können diese einerseits in Oberflächenrauheiten des Messobjektes eindringen und dort die Anzahl der leitfähigen Strompfade zwischen dem Kontakt 4 und der Oberfläche des Messobjektes vergrößern. Darüber hinaus erlauben die Partikel 3 eine Kontaktierung des Messobjektes mit geringen Kontaktkräften, so dass eine Beschädigung empfindlicher Oberflächen des Messobjektes vermieden wird. Schließlich können die Partikel 3 in einfacher Weise rückstandsfrei vom Messobjekt entfernt werden, wenn die Kontaktierungsvorrichtung 1 nach Abschluss der notwendigen Messungen von der Oberfläche des Messobjektes entfernt wird.
Die Partikel 3 sind anhand von 2 näher erläutert. Aufgrund des divergierenden Dipolfeldes der Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 und der Tatsache, dass sich die Partikel 3 entlang der Feldlinien ausrichten, bilden diese längliche Dendrite bzw. Büschel, welche sich von der Oberfläche des Kontaktes 4 ausgehend radial nach außen erstrecken, etwa wie bei einer Bürste oder einem Pinsel.
Die Dendrite der Partikel 3 werden zu ihrer Spitze hin aufgrund der abnehmenden Magnetfeldstärke dünner. Wie die kleinere Darstellung in 2 zeigt, befinden sich an der Spitze der Dendrite oftmals nur noch einzelne Partikel, so dass die Spitzen der Dendrite einen Durchmesser in der Größe der Partikel aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Spitze daher einen Durchmesser zwischen etwa 0,5 µm und etwa 50 µm oder zwischen etwa 5 µm und etwa 50 µm oder zwischen etwa 10 µm und etwa 30 µm aufweisen.
3 erläutert beispielhaft den Aufbau eines Partikels 3. Der Partikel 3 gemäß 3 weist einen Kern 31 und eine Beschichtung 32 auf.
Der Kern 31 kann ein ferri- oder ferromagnetisches Material enthalten, um auf diese Weise eine gute magnetische Kopplung an den leitfähigen Kontakt 4 zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können auch paramagnetische Materialien für den Kern 31 verwendet werden. Beispielsweise eignen sich Carbonyleisen, Edelstähle oder Ferrite als Material für den Kern 31.
Der Kern 31 ist mit einer Beschichtung 32 versehen, welche aus einem Material bestehen kann, welches eine größere Leitfähigkeit aufweist als das Material des Kerns 31. Hierdurch kann der Kontaktwiderstand der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung verringert werden. Beispielsweise kann die Beschichtung 32 Gold, Silber und/oder Kupfer enthalten oder daraus bestehen. Die Beschichtung 32 kann nasschemisch, beispielsweise außenstromlos oder galvanisch abgeschieden werden. Alternativ kann die Beschichtung 32 in einem Sputterverfahren oder einem Plasma-PVD-Prozess aufgebracht werden.
4 zeigt beispielhaft Partikel 3 in einer elektronenmikroskopischen Aufnahme. Die beispielhaft in 4 gezeigten Partikel weisen einen Kern 31 aus einem Ferrit und eine Beschichtung 32 aus Silber auf.
Anhand von 5 wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgerätes erläutert. Das Messgerät 5 zeigt ein Messobjekt 5 mit einer Oberfläche 51. Das Messobjekt 5 kann beispielsweise eine metallisierte Folie zur Herstellung einer Batterie, eines Kondensators oder einer Brennstoffzelle sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Messobjekt 5 ein Halbleiterbauelement bzw. ein Halbleiterwafer sein.
Die Kontaktierungsvorrichtung 1 soll dazu eingesetzt werden, das Messobjekt 5 über dessen Oberfläche 51 zuverlässig und mit geringen Kontaktwiderständen zu kontaktieren, so dass elektrische Parameter des Messobjektes 5 erfasst werden können. Beispielsweise kann der elektrische Schichtwiderstand anhand einer an sich bekannten Vierpunktmessung ermittelt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können Ladungsträgerdichten oder Ladungsträgerbeweglichkeiten ermittelt werden, beispielsweise mittels des Hall-Effektes.
Das Messobjekt 5 befindet sich auf einem Probenhalter 50, welcher in an sich bekannter Weise mit einem Mehrachsenmanipulatur versehen sein kann, um das Messobjekt 5 im Messgerät zu positionieren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient der Probenhalter 50 auch als leitfähiger Rückseitenkontakt, um den Durchgangswiderstand des Messobjektes 5 zu erfassen. Optional kann der Probenhalter 50 auch beheizt oder gekühlt werden, um eine Messung bei unterschiedlichen Temperaturen zu ermöglichen. Zur Messung des Schichtwiderstandes kann der Probenhalter 50 auch isolierend ausgeführt sein, wobei zur Messung eine oder mehrere Kontaktierungsvorrichtung(en) 1 zusätzlich aufgesetzt werden.
Die Kontaktierungsvorrichtung 1 weist einen Schaft 10 und eine erste Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 auf, wie vorstehend bereits beschrieben wurde. An dem dem Messobjekt 5 zugewandeten Ende der Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 befindet sich ein leitfähiger Kontakt 4. Der leitfähige Kontakt 4 steht an zumindest einer Seite über die Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 hinaus und bildet dort eine Kontaktfahne, mit welcher der leitfähige Kontakt 4 mit einem Messgerät, einer Stromquelle oder einer Spannungsquelle verbindbar ist.
Die unter der Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 liegende Fläche des leitfähigen Kontaktes 4 ist mit Partikeln 3 belegt, welche von der Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 am Kontakt 4 fixiert werden. Die Partikel sind einerseits so ausgestaltet, dass diese durch die magnetischen Kräfte der Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 am Kontakt gehalten werden und andererseits eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um hinreichend gute elektrische Kontakte zum Messobjekt 5 zu ermöglichen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich ein Spalt 55 zwischen den Partikeln 3 und der Oberfläche 51 des Messobjektes 5. Die Größe dieses Spaltes 55 kann durch einen Linearantrieb 70 variiert werden, welcher den Abstand der Kontaktierungsvorrichtung 1 zur Oberfläche 51 des Messobjektes 5 vergrößert oder verringert. In einer Messposition der Kontaktierungsvorrichtung 1 sind die Partikel 3 in Kontakt mit der Oberfläche 51. Gleichwohl verbleibt ein Spalt zwischen dem leitfähigen Kontakt 4 und der Oberfläche 51, welcher durch die Partikel 3 ausgefüllt wird. Durch das Vermeiden des direkten mechanischen Kontaktes des leitfähigen Kontaktes 4 mit der Oberfläche 51 wird eine mechanische Beschädigung der Oberfläche 51 durch den Kontakt 4 ausgeschlossen.
Die Kontrolle des Spaltes 55 und damit die Ansteuerung des Linearantriebes 70 können durch eine Regelungsvorrichtung 6 erfolgen. Die Regelungsvorrichtung 6 kann einen an sich bekannten PID-Regler aufweisen. Dieser weist den Vorteil auf, dass es beim Anfahren des Sollwertes der Messposition nicht zu einem Überschwinger kommt, d.h. der leitfähige Kontakt 4 setzt beim Anfahren der Messposition auch nicht kurzzeitig auf der Oberfläche 51 auf. Der Ist-Wert des Spaltes 55 kann durch einen Sensor fortlaufend erfasst und der Regelungseinrichtung 6 zugeführt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Sensor eine Lichtschranke oder eine Kamera 74 verwendet, welche die Position der Kontaktierungsvorrichtung 1 berührungslos erfasst.
Weiterhin ist in 5 eine optionale zweite Magnetfelderzeugungseinrichtung 22 dargestellt. Die zweite Magnetfelderzeugungseinrichtung 22 dient der Feldformung des von der ersten Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 erzeugten Magnetfeldes. Hierdurch können die Partikel 3 gleichmäßiger an der Kontaktierungsvorrichtung 1 angeordnet werden, so dass sich bei Betrieb der zweiten Magnetfelderzeugungseinrichtung 22 beispielsweise ein quader- bzw. zylinderförmiger Querschnitt anstelle des in 5 dargestellten meniskusförmigem Querschnitts ergibt. Hierdurch kann die effektive Kontaktfläche vergrößert sein, so dass Messwerte mit größerer Genauigkeit erfasst werden können.
6 zeigt eine zweite Ausführungsform der Kontaktierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
Wie in 6 dargestellt ist, weist diese Ausführungsform der Erfindung zwei erste Magnetfelderzeugungseinrichtungen 211 und 212 auf. Jeder Magnetfelderzeugungseinrichtung ist ein leitfähiger Kontakt 41 und 42 zugeordnet. Am Ende der leitfähigen Kontakte 41 und 42 befinden sich jeweils eine Mehrzahl von Partikeln 310 und 320. Die Kontaktierungsvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist somit dazu geeignet, zwei Kontaktstellen in definiertem Abstand auf der Oberfläche 51 des Messobjektes 5 zu erzeugen. Da beide Kontakte mit einem einzigen Schaft 10 an einem gemeinsamen Linearantrieb verbunden sind, kann der Abstand der beiden Kontakte bei unterschiedlichen Messungen mit großer Genauigkeit konstant gehalten werden. Hierdurch lassen sich Schichtwiderstände und daraus abgeleitet der spezifische Widerstand der vermessenen Schicht mit großer Genauigkeit ermitteln.
Weiterhin weist die Kontaktierungsvorrichtung einen Positionssensor 75 auf, welcher den Abstand zur Oberfläche 51 eines Messobjektes 5 fortlaufend erfasst und einer Regelungsvorrichtung zuführt. Hierdurch kann das Aufsetzen des in 6 gezeigten Doppelkontaktes mit großer Genauigkeit erfolgen, ohne die Oberfläche 51 zu beschädigen.
Der in 6 gezeigte Positionssensor 75 kann beispielsweise ein Ultraschallsensor, einen kapazitiven Sensor oder ein Lasersensor sein, um den Abstand berührungslos zu erfassen. Alternativ kann der Positionssensor 75 auch einen federnd gelagerten Stift aufweisen, welcher auf einen Schiebewiderstand wirkt, so dass der Abstand der Partikel 310 und 320 von der Oberfläche durch den gemessenen Widerstandswert ermittelt werden kann. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann der Positionssensor 75 als Kraftaufnehmer ausgebildet sein, welcher aus der einwirkenden Kraft den Kontaktschluss ermittelt.
In 7 sind Vergleichsmessungen gezeigt, welche die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung zeigen. Dargestellt sind Durchgangswiderstände von etwa 3 µm dicken Präparationsschichten auf Aluminiumfolie. Beide Schichten wurden mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren erzeugt, welche in 7 jeweils mit „Primer 1“ und „Primer „2“ bezeichnet sind.
7A zeigt das Ergebnis der Messung des Durchgangswiderstandes mit einem zylindrischen Prüfstift mit einem Durchmesser von 3 mm. Der Prüfstift weist eine flache Auflagefläche auf und ist vergoldet, um eine inerte Oberfläche und einen geringen spezifischen Widerstand zu ermöglichen. 7A zeigt den arithmetischen Mittelwert des Durchgangswiderstandes sowie den bei der Messung aufgetretenen Fehlerbalken.
Aus 7A ist ersichtlich, dass mit dem bekannten Prüfstift keine signifikanten Unterschiede im Durchgangswiderstand bestimmt werden können. Die Messung ist somit nicht dazu geeignet, unterschiedliche Eigenschaften der unterschiedlich hergestellten Präparationsschichten zu erfassen.
7B zeigt Messungen, welche in gleicher Weise mit einem bekannten Kontaktstempel vorgenommen worden sind. Auch der Kontaktstempel besteht aus einem metallischen Werkstoff mit einer flachen Auflage mit 10 mm Durchmesser.
Anhand von 7B ist erkennbar, dass der arithmetische Mittelwert der Messwerte für die unterschiedlich hergestellten Schichten variiert. Demnach ist prinzipiell eine Unterscheidbarkeit gegeben.
Aufgrund stark schwankender Messwerte weisen die Messungen jedoch einen großen Fehlerbalken auf. Dies führt dazu, dass die Messungen teilweise überlappen, so dass die Unterscheidbarkeit der unterschiedlich Hergestellten Schichten nicht in jedem Fall gegeben ist.
7C zeigt Messungen, welche in gleicher Weise mit der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung durchgeführt wurden. Dargestellt ist wiederum das arithmetische Mittel der Durchgangswiderstände. Aus 7c ist ersichtlich, dass die unterschiedlich hergestellten Schichten deutlich unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen. Auch der Fehlerbalken ist so klein, dass eine Unterscheidbarkeit der Schichten in jeder Einzelmessung gegeben ist.
Anhand der 8 wird in einem zweiten Anwendungsbeispiel die Messung des Durchgangswiderstands von zwei Proben gezeigt. Verglichen wird hierbei die Nutzung des zuvor erläuterten Kontaktstempels mit der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung. Bei beiden Proben liegt Aluminiumfolie (Al-Folie) vor, die eine 30–50 µm dicke Kathodenbeschichtung trägt. Der Unterschied der Proben besteht darin, dass die erste Probe konventionelle Aluminiumfolie enthält (Balken A). Bei der zweiten Probe liegt demgegenüber funktionalisierte Aluminiumfolie vor (Balken B). Konventionelle Aluminiumfolie weist bekanntermaßen an der Oberfläche immer eine wenige Nanometer dünne, native Al₂O₃-Grenzschicht auf, die einen hohen elektrischen Widerstand verursacht. Bei der funktionalisierten Aluminiumfolie sind die Al₂O₃-Schicht und deren dielektrische Wirkung nicht mehr vorhanden.
Entsprechend stellen sich die Messwerte der beiden Proben mit der Kathodenbeschichtung unter Nutzung der beiden Messmethoden dar: Hohe Durchgangswiderstände in der Kathode mit konventioneller Aluminiumfolie stehen niedrigen Durchgangswiderständen in der Kathode mit funktionalisierter Aluminiumfolie gegenüber.
Vergleicht man nun das Maß der Verringerung der Widerstände, welche bei den beiden Messmethoden auftritt, so steht Faktor ca. 0,25 beim Kontaktstempel einem Faktor ca. 0,05 bei der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung gegenüber. Erklären lässt sich dieser Befund damit, dass der Kontaktstempel mit Kraft beaufschlagt werden muss und dies eine mechanische Belastung des Probengefüges bewirkt. Im Falle der konventionellen Al-Folie + Kathodenbeschichtung wird die dielektrische Al₂O₃-Schicht, die im Interface von Al-Folie und Kathodenbeschichtung vorliegt, beschädigt und teilweise unwirksam. Der Durchgangswiderstand wird durch das invasive Kontaktieren verringert, die Messwerte erscheinen niedriger als in der Realität und sind verfälscht. Die erfindungsgemäße Kontaktierungsvorrichtung liefert demgegenüber plausible Werte und erhöht die Sicherheit und die Zuverlässigkeit der Messung.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung erhöht sich der Durchgangswiderstand durch die Kohlenstoff-Schicht um einen Faktor 20. Dies bedeutet, dass die Funktionalisierungsschicht durch den Kontaktstempel beschädigt wird, so dass die Messwerte verfälscht werden. Die erfindungsgemäße Kontaktierungsvorrichtung erhöht demgegenüber die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Messung.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen. Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung können jederzeit kombiniert werden, um so weitere Ausführungsformen der Erfindung zu erhalten.

Claims

Kontaktierungsvorrichtung (1) mit einem elektrisch leitfähigen Kontakt (4) zur reversiblen Kontaktierung eines Messobjektes (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsvorrichtung weiterhin eine Mehrzahl von Partikeln (3) enthält, welche zwischen den Kontakt (4) und der Oberfläche (51) des Messobjektes (5) einbringbar sind.
Kontaktierungsvorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine erste Magnetfelderzeugungseinrichtung (21), mit welcher ein den leitfähigen Kontakt (4) durchdringendes Magnetfeld erzeugbar ist, wobei die Mehrzahl von Partikeln (3) entlang der Feldlinien des Magnetfeldes an den Kontakt anlagerbar sind.
Kontaktierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magnetfelderzeugungseinrichtung zumindest eine Spule enthält.
Kontaktierungsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) einen Durchmesser von etwa 0,5 µm bis etwa 50 µm oder von etwa 5 µm bis etwa 50 µm oder von etwa 10 µm bis etwa 40 µm oder von etwa 15 µm bis etwa 30 µm aufweisen.
Kontaktierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) Ferrit und/oder Barium-Ferrit und/oder Strontium-Ferrit und/oder Nickel-Mangan-Ferrit und/oder Mangan-Zink-Ferrit und/oder nickel- und/oder mangan- und/oder zink-haltigen Edelstahl und/oder nickel- und/oder mangan- und/oder zink-haltiges Carbonyleisen enthalten oder daraus bestehen.
Kontaktierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) mit einer Beschichtung (32) versehen sind.
Kontaktierungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (32) mittels Plasma-PVD erhältlich ist und/oder dass die Beschichtung (32) Silber und/oder Gold und/oder Kupfer und/oder Nickel enthält oder daraus besteht.
Messgerät zur Bestimmung elektrischer Parameter eines Messobjektes (5) mit zumindest einer Kontaktierungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber der Kontaktierungsvorrichtung (1) eine zweite Magnetfelderzeugungseinrichtung (22) angeordnet ist, wobei das Messobjekt (5) in den Spalt (55) zwischen der zumindest einen Kontaktierungsvorrichtung (1) und der zweiten Magnetfelderzeugungseinrichtung (22) einbringbar ist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 8 oder 9, weiterhin enthaltend eine Positioniereinrichtung (70), mit welcher der Spalt (55) zwischen der Kontaktierungsvorrichtung (1) und dem Messobjekt (5) einstellbar ist.
Messgerät nach Anspruch 10, weiterhin enthaltend eine Regelungseinrichtung (6), mit welcher die Positioniereinrichtung (70) ansteuerbar ist.
Verfahren zur Bestimmung elektrischer Parameter eines Messobjektes (5), bei welchem das Messobjekt (5) mit zumindest einem leitfähigen Kontakt (4) reversibel kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Kontakt (4) von einem Magnetfeld durchdrungen wird und sich eine Mehrzahl von Partikeln (3) entlang der Feldlinien des Magnetfeldes an den Kontakt anlagern.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einen Durchmesser von etwa 5 µm bis etwa 50 µm oder von etwa 10 µm bis etwa 40 µm oder von etwa 15 µm bis etwa 30 µm aufweisen und/oder dass die Partikel ein ferro- oder ferrimagnetisches Material enthalten oder daraus bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) mit einer Beschichtung (32) versehen sind, welche ein Material enthält, welches einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist als das Material der Partikel.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer zweiten Magnetfelderzeugungseinrichtung (22) auf der dem leitfähigen Kontakt (4) gegenüberliegenden Seite des Messobjektes (5) ein Magnetfeld erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) Bestandteil eines Ferrofluides sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Widerstand und/oder eine Durchbruchfeldstärke und/oder eine Ladungsträgerdichte und/oder eine Ladungsträgerbeweglichkeit und/oder ein spezifischer Widerstand bestimmt wird.