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Fallstudien

Messungen der Ausgangsstellung eines Nanodrucksensors für biologische Anwendungen

Consumer Electronics, Fallstudien, SMT
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Das Institut für Mikroelektronik Barcelona (IMB) ist der Standort des Nationalen Zentrums für Mikroelektronik (CNM) in Barcelona und Mitglied des spanischen Forschungsrats. Das IMB-CNM konzentriert sich auf Grundlagen- und angewandte Forschung und Entwicklung sowie auf die Aus- und Weiterbildung in Mikro- und Nanotechnologien, Komponenten und Systemen. Unsere Aufgabe ist es, das in diesem Bereich verfügbare Wissen zu erweitern und zur Umsetzung von Lösungen und neuen Produkten auf der Grundlage dieser Technologien beizutragen, um die Herausforderungen zu bewältigen, denen die Gesellschaft heute gegenübersteht.

Mit dieser Technik ist die rasche und zerstörungsfreie Messung der Durchbiegung der beweglichen Membran vor und nach der Versiegelung möglich,

Bei der Herstellung von Nanodrucksensoren für biologische Anwendungen sind das Ätzen der Opferschicht und die Versiegelung der beiden durch einen Vakuumspalt getrennten Membranen zur Bildung eines Fabry-Pérot-Resonators ausschlaggebend.

Auch die genaue Kenntnis der ursprünglichen Membranstellung nach dem Herstellungsprozess ist entscheidend.

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Abb. 1. REM-Bild der hergestellten Drucksensoren (Bar-Skala 1 µm)

Der Drucksensor ist ein 6×10 µm großer Chip, bestehend aus einem mechanischen Sensor aus zwei durch einen Vakuumspalt getrennten Polysiliziummembranen und einem optischen Referenzbereich.

Die Membranen wirken als parallele Reflexionsspiegel und bilden einen Fabry-Pèrot-Resonator, der für einige Wellenlängen teilweise durchgängig ist. Ein von außen wirkender Druck P biegt die Membranen durch und verändert den Spalt. Diese Vorrichtung wurde entwickelt, um Druckänderungen innerhalb der verschiedenen Komponenten lebender Zellen zu messen

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Abb. 2. Einheit mit einer nicht kollabierten Membran (oben) und Einheit mit einer kollabierten Membran (unten) (Bar-Skala 1 µm)

Derzeit werden Messungen der Membranauslenkung vor dem Einsatz der Einheiten mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM) durchgeführt. Bei der REM-Messung müssen die Proben jedoch unter Vakuumdruck stehen, was ihren Ausgangszustand verändern kann.

Mit einem optischen Profiler von Sensofar konnten wir die Durchbiegung der Membranen nach der Herstellung rasch und spurlos messen. Die Abmessungen des Chips betragen nur wenige Mikrometer und die Krümmung der Membran liegt im Bereich von einigen zehn Nanometern, so dass ein Objektiv mit hoher Vergrößerung verwendet werden muss.

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Abb. 3. Profilanalyse mehrerer Drucksensoren
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Abb. 4. 3D-Topographie von Drucksensoren vor der Ablösung vom Substrat

Mit dieser Technik ist die rasche und zerstörungsfreie Messung der Durchbiegung der beweglichen Membran vor und nach der Versiegelung möglich, um zu prüfen, ob die Membranen kollabiert sind. Dazu war bisher eine REM-Untersuchung erforderlich, bei der aufgrund des Vakuums Änderungen der Membrandurchbiegung auftraten, weshalb der Messwert nicht verlässlich war.

Diese Messungen wurden mit einem Plµ 2300 unter Verwendung einer konfokalen Technik mit einem 100X-Hellfeldobjektiv durchgeführt.Sensofar bietet dazu berührungslose 3D-Oberflächenporfiler basierend auf drei Technologien: Konfokal, Interferometrie und Fokusvariation. Mit den Geräten von Sensofar lassen sich hochauflösende Messungen rasch und zerstörungsfrei durchführen, die benutzerfreundliche Software bietet bei Bedarf technische Unterstützung.

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Abb. 5. 3D-Topographie eines 6x10 µm großen, abgelösten Drucksensors

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