Thermomechanische Werkstoffeigenschaften photosensitiver Polymere für hochaufbauende MEMS / Teilprojekt

MEMS auf Siliziumbasis haben sich in den zurückliegenden zwei Jahrzehnten als Sensoren und Aktuatoren zu wesentlichen Multiplikatoren des technischen Fortschritts entwickelt. Dabei werden Photoresiste, wie SU-8, als Masken für das Ätzen oder als Negativform für das galvanische Abscheiden von Metallen zur photolitografischen Prozessierung dreidimensionaler Strukturen verwendet. Darüber hinaus gestatten fotostrukturierbare Polymere die Herstellung dreidimensionaler Strukturen wie AFM-Cantilever, Chipträger für pyroelektrische Sensoren oder Flügel für Mikrofluggleiter [1-3].

Im Verbundprojekt „Nanoskalierende aktorische Funktionskomponenten aus fotostrukturierbaren Polymeren“, gefördert durch BMBF Bonn (Projektträger Jülich) in der Förderlinie Profil NT, werden sensorische Systeme aus hochaufbauenden Photoresisten interdisziplinär von der Arbeitsgruppe MEMS (Prof. Dr. Jürgen Grimm, Fakultät Elektrotechnik,) und von der Abt. Experimentelle Festkörpermechanik (Prof. Dr. Jürgen Vogel, Fakultät Kraftfahrzeugtechnik) entwickelt, gefertigt und untersucht.

Um neue Funktionalitäten und Applikationsfelder für polymere MEMS zu erschließen, ist parallel zum konstruktiven Layout, zur Werkstoffentwicklung oder zur Verifizierung technologischer Prozesse das thermomechanische Materialverhalten an auf Waferlevel prozessierten Proben und Komponenten im Teilvorhaben „Charakterisierung“ zu analysieren. Nachfolgend wird eine Möglichkeit zur mechanischen Charakterisierung unter Beachtung begrenzter, verfügbarer materiell-technischer Ressourcen dargestellt.

Da Mikroproben auf Waferlevel gefertigt werden, ist die klassische Versuchstechnik auf Basis der Prüfnormen DIN EN ISO 527 für Kunststoffe bzw. DIN EN 10 002 für Metalle nicht mehr anwendbar. Es wird deshalb ein Bild gebendes Mikromesssystem entwickelt, getestet und im Vorhaben erfolgreich genutzt, mit dem relevante Werkstoffparameter an polymeren Mikroproben im uniaxialen Zugversuch gemessen und bewertet werden können. Es basiert auf einer luftgelagerten Zugvorrichtung [4], in der Mikroproben mit aktuellen Querschnittsabmessungen von 800 μm x 100 ... 300 μm bei hoher Wegauflösung quasistatisch belastet werden, Abb. KFT08. Die Analyse des Deformationsfeldes an der Probenoberfläche erfolgt, an den Untersuchungsgegenstand angepasst, optisch mittels Digital Image Correlation (DIC), hier ARAMIS von GOMmbH Braunschweig. Unter Nutzung eines Stereomikroskops mit hinreichender Vergrößerung können homogene Verschiebungsfelder in Lastrichtung, Abb. KFT09, und in Querrichtung aufgezeichnet werden. Die daraus abgeleiteten Verzerrungsfelder in der Probenebene sind jedoch, wenn auch nicht ausgeprägt, inhomogen. Um verallgemeinerungsfähige Aussagen zu erhalten, wird die Messinformation nicht nur in einem Punkt bzw. entlang einer Messspur ausgewertet, sondern in Anlehnung an die klassischen Dehnungsmessstreifen aus dem violett markierten Feld der jeweiligen Verzerrungskomponente, hier εx(x, y), extrahiert.

Bei zugeordneter Kraft lassen sich unter reproduzierbaren Versuchsbedingungen Spannungs-Dehnungs-Verläufe, Elastizitätsmodul E DIC, und die schwierig zu messende Querkontraktionszahl ν DIC berührungslos bestimmen. Die Spannungs-Dehnungs-Kurven in Abb. KFT10 sind bei Raumtemperatur bis zu einer Zugkraft von 5 N technisch linear und gut reproduzierbar, wobei die im Los bb_3-4 vorgenommene Prozessmodifikation bezüglich dem Referenzlos s6-9 nachweisbar ist. Durch Einlagerung von Farbstoff in das Los gr (Die Materialdicke ist hier um den Faktor Drei reduziert.) verläuft die Kurve deutlich flacher.

Diese Effekte finden sich auch eindeutig im Elastizitätsmodul wieder, Abb. 11. Wie in einschlägigen Standards für Polymerwerkstoffe im Maroskopischen können die Materialkennwerte für Dehnungen größer 0,05 % bzw. 0,1 % analog auf mikroskopischer Ebene bestimmt werden. In Kombination mit der Dynamisch-Mechanischen Analyse, bei der insbesondere die temperatur- und frequenzabhängigen Einflüsse untersucht werden (siehe auch Hochschulforschungsberichte 2011 und 2012), eignet sich das entwickelte Messsystem, um Empfehlungen u. a. zur Werkstoffqualifizierung und zur Prozessoptimierung/-stabilität abzuleiten.

Weiterhin können dringend benötigte Werkstoffparameter zuverlässig bereitgestellt werden, die so in nur vergleichsweise geringem Umfang oder gar nicht verfügbar sind.