Lehrstuhl Mikrosystemtechnik (mst)

Ausstattung

Hier finden sie Informationen zur Ausstattung des mst. Diese umfasst zahlreiche Möglichkeiten zur Bearbeitung und Analyse von Mikro- und Nanostrukturen.

Einer der Schwerpunkte des mst ist die Erzeugung und Bearbeitung von kleinsten Strukturen im Submillimeterbereich. Derartige Strukturen bilden die Grundlage für mikrofluidische oder mechanische Anwendungen. Zu diesem Zweck werden am mst sowohl das Fräsen von Mikrostrukturen als auch der 3D-Druck mit Auflösungen im Bereich weniger 10 µm eingesetzt. Zur Erzeugung dünner Schichten stehen weiterhin ein Spin- und eine Sputter-Coater zur Verfügung. Bearbeitungen im Nanometer-Bereich werden am Focused Ion Beam durchgeführt.

Zur Qualifizierung der erzeugten Strukturen stehen am Institut neben mehreren optischen Mikroskopen auch ein Rasterelektronen- sowie ein Rasterkraftmikroskop bereit.

In der Mikrofräse hergestellter Kanal mit 150 µm Tiefe. (c)
In der Mikrofräse hergestellter Kanal mit 150 µm Tiefe.

Zur Erzeugung und Bearbeitung von Mikostrukturen wird am Institut eine präzise Mikrofräse eingesetzt. Damit können inerhalb kürzester Zeit nahezu beliebige dreidimensionale und sehr kleine Bauelemente erzeugt werden. Als Materialien werden dabei vorzugsweise Metalle oder Kunststoffe verwendet. Zusätzlich ist es auch möglich, die gefrästen Strukturen als Werkzeug für weitere Bearbeitungsschritte zu nutzen, beispielsweise als Form für Mikrospritzguss oder als Prägestempel beim Heißprägen. Als Werkzeuge können beliebige Schaft- oder Radiusfräser verwendet werden, wobei speziell für Strukturen im Mikrometerbereich Fräser mit Durchmessern von 50 µm erhältlich sind. Der Bearbeitungsraum der Fräse liegt bei 600 x 800 x 110 mm.

Die Abbildung zeigt eine gefräste Struktur mit 150 µm Tiefe. Weitere Informationen zum Mikrofräsen sowie ein Beispiel einer gefrästen Struktur können auf der Seite des Praktikums "CNC - Mikofräsen" eingesehen werden.

Blick in den ProtoMat S63: Man sieht in der Mitte die Bearbeitungsfläche, dahinter das Werkzeugmagazin und im linken oberen Bereich die Werkzeugaufnahme. (c)
Blick in den ProtoMat S63: Man sieht in der Mitte die Bearbeitungsfläche, dahinter das Werkzeugmagazin und im linken oberen Bereich die Werkzeugaufnahme.

Der ProtoMat S63 ist ein Inhouse-Prototyping  Gerät, das eine einfache Leiterplatten-Bearbeitung ermöglicht. Mit einer Breite von 670 mm, einer Höhe von 540 mm, einer Tiefe von 840 mm und einem Gewicht von 58 kg, ist diese Maschine sehr kompakt gehalten. Ihre Bedienung ist unkompliziert und erfordert lediglich eine kurze Einweisung. Durch den großen Layout-Bereich von 229 mm x 305 mm x 35 mm können auch größere Platinen problemlos gefertigt werden. Zum Lieferumfang des Systems gehört die entsprechende Software, die aus gängigen CAD-Daten optimierte Arbeitsabläufe entwickelt. Die automatische Fräsbreiteneinstellung sorgt dafür, dass die Leiterbahnbreite konstant bleibt. Eine 2,5-dimensionale Materialbearbeitung in Kombination mit einer erhöhten Spindeldrehzahl von 60.000 U/min ermöglicht es, auch Bohrungen zu setzen. Der Werkzeugwechsel erfolgt automatisch. Das Werkzeugmagazin fasst bis zu fünfzehn verschiedene Werkzeuge, auf die im Fertigungsprozess zugegriffen werden kann. Dies verkürzt die Einrichtezeit durch bedienerloses Arbeiten und schützt die Benutzer vor Gefahren während des Bearbeitungsprozesses.

Um zuverlässig kompakte Platinen herstellen zu können, weißt der LPKF ProtoMat S63 eine Wiederholgenauigkeit von plus minus 0,001 mm auf. Die Auflösung beträgt dabei 0,5 μm bei einer maximalen Verfahrgeschwindigkeit in x- und y-Richtung von 150 mm/s. Realisiert wird dies durch einen 3-Phasen-Schrittmotor in der x- und y-Richtung sowie einem 2-Phasen-Schrittmotor in der z-Richtung.

Druckverlauf beim FDM-3D-Druck vom Druckbeginn über den Druck selbst bis zum fertigen Druckergebnis. (c)
Druckverlauf beim FDM-3D-Druck vom Druckbeginn über den Druck selbst bis zum fertigen Druckergebnis.

Fused Deposition Modeling ist ein Fertigungsverfahren aus dem Rapid-Prototyping-Bereich. Hier wird ein dreidimensionales Werkstück aus einem aufgeschmolzenen Kunststoff schichtweise aufgebaut.

In unserem Labor steht ein solcher FDM-3D-Drucker zur schnellen und einfachen Produktion von Teilen für Versuchsaufbauten zur Verfügung. Dieser Drucker kann auch im Rahmen von Bachelor-, Studien- und Masterarbeiten genutzt werden. Der Drucker ist über mehrere Studienarbeiten hinweg auf Basis einer CNC-Portalfräse aufgebaut und optimiert worden. Anstelle eines Werkzeughalters ist ein Kunststoffextruder (Durchmesser: 0,5 mm) mit Heizdüse eingebaut. Zum Antrieb der Portalfräse sind 4 Schrittmotoren mit einer Schrittauflösung vom Vollschritt bis hinab zu Sechzentelschritten montiert. Diese sind für den Antrieb der drei Koordinatenachsen und des Extruders verantwortlich. Des Weiteren ist eine Heizplatte unterhalb der Druckplatte platziert, damit das Druckobjekt während des Druckvorganges auf der Platte haften bleibt. Zum Bedienen des Druckers wird die Firmware Arduino und die Software Repetiere verwendet. Zum Drucken stehen am Lehrstuhl verschiedene Filamentmaterialen zur Verfügung: PLA, ABS sowie InnoFlex45. Die Damit erreichbare Auflösung liegt zwischen 0,15 mm und 0,45 mm bei einer Druckgeschwindigkeit von 3 - 30 mm/s. Die tatsächliche Druckzeit hängt aber immer von der Größe und Komplexität des Bauteils ab.

Sehr feingliedrige Kugel als Beispiel für einen SLA-DLP-3D-Druck. (c)
Sehr feingliedrige Kugel als Beispiel für einen SLA-DLP-3D-Druck.

Der am Institut verfügbare 3D-SLA-Drucker Kudo Titan 1 arbeitet mit dem additiven Herstellungsverfahren der Stereolithographie. Bei dieser Technologie verfestigt sich ein flüssiges Harz mit Hilfe einer Lichtquelle, sodass ein Objekt schichtweise aufgebaut werden kann.

Der Titan 1 ist ein Bottom-Up-DLP-Drucker – das heißt ein DLP-Beamer ist als Lichtquelle unterhalb einer lichtdurchlässigen Harzwanne angebracht. Diese Beamertechnologie zeichnet sich durch hohe Kontraste und hohe Ausgangslichtleistungen aus, was optimal für den Druckprozess ist. Der im Rahmen einer Kickstarter-Kampagne finanzierte Drucker des Herstellers Kudo erreicht eine Auflösung in x- und y-Richtung von 37 – 100 µm. Die projizierte Fläche ändert sich dabei von 49,8 x 28 mm auf 192 x 108 mm. Die mögliche Höhe der gedruckten Bauteile ist durch den Verfahrweg der z-Achse auf 240 mm begrenzt.

Aktuell wird der Drucker für die Herstellung von Mikrostrukturen optimiert. Dabei werden diverse Versuche zur Bestimmung der prozessbeeinflussenden Faktoren, wie zum Beispiel der benötigten Belichtungszeit oder der Polymerisationstiefe der Harze und anderer auftretender Effekte, durchgeführt.

Quorum Tech Q150RES Sputteranlage (c)
Quorum Tech Q150RES Sputteranlage

Methode:

Beim Sputtern werden Proben, bei gleichzeitig geringem Wärmeeintrag in die Probe, mit einer dünnen, feinkörnigen und leitfähigen Metallschicht (z.B. Gold, Silber, Platin, Palladium, Kupfer, Nickel, ...) überzogen. Die dabei in einem Abscheidevorgang aufgebrachten Schichten erreichen, je nach Material, eine  Dicke von bis zu 20 nm. Als Prozessgas wird hochreines Argon 5.0 verwendet.

Mit der vorhandenen Anlage kann neben Metall auch Kohlenstoff abgeschieden werden. Dazu wird ein Kohlenstofffaden mittels Widerstandsverdampfung verdampft. Die Schichtdicke hängt dabei von der Dicke des Kohlenstofffadens ab.

Eine Oberflächenfunktionalisierung kann mit dem Gerät durch Beglimmung erreicht werden: Mit Luft oder Sauerstoff erhält man eine negativ geladene, hydrophile Oberfläche. Bei der Verwendung von Methanol als Prozessgas können negative geladene, hydrophobe Oberflächen hergestellt werden.

Anwendung:

  • Vorbereitung von nichtleitenden Proben für REM-Untersuchungen: Abscheidung gleichmäßiger, dünner Metallschichten. Dadurch können auch nicht-leitende Oberflächen im REM untersucht werden.
  • EDX-Untersuchungen: Zur Elementaranalyse werden Kohlenstoffschichten verwendet, weil dieser Signal-Hintergrund sich sehr leicht abziehen lässt.
  • Oberflächenfunktionalisierung:
    • leitfähige Oberflächen
    • schichtweise aufgebaute Oberflächen
    • Änderung der Benetzungseigenschaften (hydrophil / hydrophob) in der Mikrofluidik

 

Menschliches Haar, mit dem FIB beschriftet. (c)
Menschliches Haar, mit dem FIB beschriftet.

Der Lehrstuhl Mikrosystemtechnik ist im Zuge der Schwerpunktsetzung im Bereich der Produktion von Nanostrukturen mit einem Focused Ion Beam ausgestattet. Das Dualbeam-Gerät Nanolab 600 von der Firma FEI ermöglicht es, Strukturen im Bereich von wenigen Nanometern zu generieren und besitzt eine Auflösung im REM-Modus von 0.9 nm sowie im FIB-Modus von ca. 5 nm. Mit der FIB-Säule ist es möglich Materialien ähnlich einem Bildhauer zu bearbeiten. Durch den Einsatz von Precursorgasen können auch unterschiedliche Materialien im Nanometermaßstab abgeschieden werden. Damit stehen dem Lehrstuhl vielfältige Möglichkeiten zur Verfügung nanoskalige Bauelemente zu entwickeln und zu analysieren.

Naio-AFM der Firma Nanosurf (c)
Naio-AFM der Firma Nanosurf

Das Rasterkraftmikroskop (engl.: Atomic Force Microscope, kurz: AFM) gehört zur Gruppe der Rastersondenmikroskope und ist im Bereich der Mikro- und Nanosystemtechnik ein weit verbreitetes Messmittel. Beim Rasterkraftmikroskop wird die Oberfläche einer Probe mithilfe der Wechselwirkungen, die sich zwischen der Probe und der Messspitze ausbilden, analysiert. Das AFM ermöglicht dadurch die dreidimensionale Oberflächenvermessung von Strukturen mit Abmessungen von wenigen zehn Nanometern. Am Lehrstuhl Mikrosystemtechnik steht das NaioAFM der Firma Nanosurf zur Verfügung. Dieses kleine und damit portable Gerät unterstützt alle gängigen Messmodi und ermöglicht somit Messungen in Größenordnungen, die mit optischen Mikroskopen nicht mehr erfasst werden können.

Weitere Informationen zum Thema AFM sowie Beispiel-Bilder einer untersuchten CD können auf der Seite des Praktikums "AFM - Rasterkraftmikroskop" eingesehen werden.

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