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25.04.2012

Instrumentelle Eindringprüfung mit Picodentor HM500 mit Atomic-Force-Microscope-Funktion

Für optisch nicht mehr sichtbare Strukturen

Zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von ultradünnen Schichten wird die instrumentierte Eindringprüfung eingesetzt, welche Kennwerte für Härte oder Elastizität dieser Schichten liefert. Dazu wird eine präzise Wegmessung im Pikometerbereich und eine Krafterzeugung bis hinunter auf wenige Mikronewton benötigt. Um kleinste Strukturen messen zu können, müssen die Proben zudem exakt positioniert werden.

Mit dem Messsystem Picodentor HM500 von Helmut Fischer, Sindelfingen, lassen sich Martenshärte, elastische Kenngrößen und andere Werkstoffparameter von Hartstoffschichten und dünnen DLC-Schichten bestimmen (Bild 1). Außerdem werden damit Beschichtungen auf Gläsern und Sensoren sowie dünne Lackschichten und ionenimplantierte Oberflächen charakterisiert. Die Messobjekte können meist ohne aufwendige Probenvorbereitung gemessen werden. Damit ist das System im Labor und für schnelle Produktionskontrollen einsetzbar.

AFM-Messung (3D-Darstellung) eines Eindruck mit einer Maximalkraft von 5 mN (Skala z-Achse: 50 nm)

Um weitere Aussagen über die Materialeigenschaften zu erhalten, kann das System optional mit einem Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) aufgerüstet werden. Der programmierbare XY-Tisch mit einer Wiederanfahrgenauigkeit unter 0,5 µm, der aktive Schwingungsdämpfungstisch und die geschlossene Messkammer bieten laut Hersteller ideale Voraussetzungen für zusätzliche AFM-Messungen.

"Atomic Force Microscopes" fasst eine Gruppe von Mikroskopen zusammen, die über eine Messspitze verfügen, die die Probenoberfläche im Gegensatz zum Lichtmikroskop physisch abtastet. Der dabei verwendete Aufbau nutzt einen Cantilever mit einer sehr feinen Siliziumspitze, um Höhenunterschiede zu messen. Neben der Topografie der Oberfläche, die das Höhenprofil zeigt, erlaubt es das AFM, eine Reihe anderer Größen zu messen. Neben der präzisen Abstandsmessung aufgrund der kalibrierten Z-Achse können auch die Phase und die Amplitude der Schwingung des Cantilevers bestimmt werden. Diese beiden Parameter geben Auskunft über zusätzliche Materialeigenschaften.

Mit dem Messsystem ergibt sich in Kombination mit dem optionalen AFM die Möglichkeit, mehr Informationen über Struktur und Eigenschaften eines Materials zu erhalten. Auch kleinste Eindrücke des Indentors (bei kleinsten minimalen Kräften) lassen sich mithilfe des AFM vermessen. Es können beispielsweise Effekte wie Pile Ups (Aufwölbungen) beobachtet werden, die einem optischen Mikroskop nicht mehr zugänglich sind.

Eindruck auf Wolfram (Fmax=50 mN) mit deutlich erkennbaren Aufwölbungen

Auf einer BK7-Glasplatte wurden Messungen mit kleinen Kräften durchgeführt (Fmax = 5 mN). Der Eindruck ist mit dem optischen Mikroskop nicht mehr sichtbar. Die gewählte Maximalkraft führt zu einer verbleibenden Eindringtiefe von weniger als 50 nm. Die Ergebnisse der AFM-Messung zeigt Bild 2. Man erkennt die typische pyramidale Form eines Vickersindentors. Damit ermögicht es das AFM, optisch nicht mehr sichtbare Strukturen zu betrachten.

Als ein weiteres Beispiel ist dies an einer Messung auf Wolfram dargestellt (Fmax = 50 mN) (Bild 3). Am Rand des Indentor-Eindrucks wölbt sich das Material auf, ein Pile Up entsteht, erkennbar an den hellen Flächen. Dieses Verhalten ist eine charakteristische Eigenschaft von Wolfram und anderen Materialien. Pile Ups führen zu einer größeren Kontaktfläche bei der instrumentierten Eindringprüfung und beeinflussen damit die Kenngrößen. Die 3D-Darstellung visualisiert Details, die ohne das AFM nicht mehr sichtbar sind. So kann in bestimmten Fällen eine präzisere Auswertung der Messergebnisse erfolgen.

Dr. Tanja Haas, Dr. Bernd Binder

Helmut Fischer GmbH Institut für Elektronik und Messtechnik
www.helmut-fischer.de
Halle 5, Stand 5227

Unternehmensinformation

Helmut Fischer GmbH Inst. Elektronik + Meßtechnik

Industriestr. 21
DE 71069 Sindelfingen
Tel.: 07031 303-0
Fax: 07031 303-79

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