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Mai 2013
Christian Schrader
Charakterisierung, Einmessung und Anwendung von Mikrotasterarrays
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Anwendung von Mikrotasterarrays zur parallelisierten taktilen Messung von Mikrostrukturen. Es werden zunächst die häufigsten Probleme diskutiert, die sich aus den speziellen Eigenschaften der Mikrostrukturen (z.B. hohe Aspektverhältnisse, spiegelnde Oberflächen, transparente Schichten) und deren hochparalleler Fertigung ergeben. Hieraus wird abgeleitet, dass weder bestehende optische noch taktile Verfahren für eine fertigungsnahe, flexible Messung von Mikrostrukturen geeignet sind. Bei den taktilen Verfahren ist niedrige Messgeschwindigkeit aufgrund der seriellen Antastung das Hauptproblem, das durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer Taster addressiert werden soll. Die Basis hierfür bilden Mikrotasterarrays, die zuvor am Institut für Mikrotechnik der TU Braunschweig entwickelt wurden. Diese werden im Stand der Technik vorgestellt und aus ihren Eigenschaften Anforderungen an geeignete Messeinrichtungen abgeleitet.
In dieser Arbeit werden Strategien zum Einsatz von Mikrotasterarrays entwickelt. Hierfür wird zunächst ein Algorithmus vorgestellt, mit dem die Arrays vollautomatisch an die zu messenden Strukturen ausgerichtet werden können. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf einer Formulierung des Verfahrens, die unabhängig von Eigenschaften aktuell existierender Arrays ist und es somit auch bei zukünftigen konstruktiven Änderungen einsetzbar macht. Erschwerend kommt hinzu, dass eine erfolgreiche Ausrichtung des Arrays schon für seine Einmessung notwendig ist, weshalb das Verfahren auch mit einem nicht eingemessenem Array funktionieren muss, von dem weder seine genauen geometrischen Eigenschaften noch seine Empfindlichkeiten bekannt sind.
Ein weiteres Thema stellt die Einmessung der Mikrotasterarrays dar. Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem die Tastkugelpositionen und die Übertragungseigenschaften der Taster bestimmt werden können. Auch hierbei ist die weitgehend automatische Durchführung ein wichtiges Entwurfsziel. Das Verfahren ist bezüglich der benötigten Einmesszeit unabhängig von der Tasteranzahl und somit auch bei zukünftigen Arrays mit vielen Tastern praktikabel.
Es wird der für die experimentellen Untersuchungen verwendete Laboraufbau eines Mikro- Koordinatenmessgerätes erläutert. Dieser umfasst einen mechanischen Teil für die Messung mit realen Arrays, einen Simulator für die Erprobungsphase der Algorithmen und die zugehörige Steuerung. Für die Gestaltung von Messprogrammen werden Vorschläge für eine geeignete Programmierabstraktion gemacht, die die Besonderheiten der parallelisierten Antastung soweit kapseln, dass der Komplexitätszuwachs gegenüber Einzeltaster- Systemen vor dem Anwender weitgehend verborgen wird.
In einem weiteren Abschnitt werden Kriterien für die Anwendbarkeit von Mikrotasterarrays diskutiert. Diese umfassen Richtlinien für das messgerechte Design der zu messenden Strukturen und deren Anordnung auf dem Wafer. Weiterhin wird eine gegenüber bisherigen Verfahren verbesserte Vorrichtung zur Montage der Taststifte vorgestellt.
In dieser Arbeit werden Strategien zum Einsatz von Mikrotasterarrays entwickelt. Hierfür wird zunächst ein Algorithmus vorgestellt, mit dem die Arrays vollautomatisch an die zu messenden Strukturen ausgerichtet werden können. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf einer Formulierung des Verfahrens, die unabhängig von Eigenschaften aktuell existierender Arrays ist und es somit auch bei zukünftigen konstruktiven Änderungen einsetzbar macht. Erschwerend kommt hinzu, dass eine erfolgreiche Ausrichtung des Arrays schon für seine Einmessung notwendig ist, weshalb das Verfahren auch mit einem nicht eingemessenem Array funktionieren muss, von dem weder seine genauen geometrischen Eigenschaften noch seine Empfindlichkeiten bekannt sind.
Ein weiteres Thema stellt die Einmessung der Mikrotasterarrays dar. Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem die Tastkugelpositionen und die Übertragungseigenschaften der Taster bestimmt werden können. Auch hierbei ist die weitgehend automatische Durchführung ein wichtiges Entwurfsziel. Das Verfahren ist bezüglich der benötigten Einmesszeit unabhängig von der Tasteranzahl und somit auch bei zukünftigen Arrays mit vielen Tastern praktikabel.
Es wird der für die experimentellen Untersuchungen verwendete Laboraufbau eines Mikro- Koordinatenmessgerätes erläutert. Dieser umfasst einen mechanischen Teil für die Messung mit realen Arrays, einen Simulator für die Erprobungsphase der Algorithmen und die zugehörige Steuerung. Für die Gestaltung von Messprogrammen werden Vorschläge für eine geeignete Programmierabstraktion gemacht, die die Besonderheiten der parallelisierten Antastung soweit kapseln, dass der Komplexitätszuwachs gegenüber Einzeltaster- Systemen vor dem Anwender weitgehend verborgen wird.
In einem weiteren Abschnitt werden Kriterien für die Anwendbarkeit von Mikrotasterarrays diskutiert. Diese umfassen Richtlinien für das messgerechte Design der zu messenden Strukturen und deren Anordnung auf dem Wafer. Weiterhin wird eine gegenüber bisherigen Verfahren verbesserte Vorrichtung zur Montage der Taststifte vorgestellt.
Schlagwörter: Koordinatenmesstechnik; Mikro-KMG; Mikrotasterarray
Schriftenreihe des Instituts für Produktionsmesstechnik
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Rainer Tutsch, Braunschweig
Band 7
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