Messung von Cantilever-Biegemoden und Auslenkungen mit Sub-pm-Auflösung
Dieser Anwendungshinweis zeigt, wie das PICOSCALE Vibrometer von SmarAct eine hochauflösende, berührungslose Analyse von Schwingungsmoden und Auslenkungen in Mikro-Cantilevern ermöglicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren der optischen Strahlablenkung (OBD) liefert dieser interferometrische Ansatz direkte Auslenkungsmessungen bis hinunter zur Subpikometerauflösung. Er ermöglicht die genaue Kalibrierung sowohl von Biege- als auch von Torsionsfederkonstanten, selbst wenn sich die Cantilever noch in der Verpackung oder auf einem Wafer befinden.
Problem
Herkömmliche Verfahren der optischen Strahlablenkung (OBD), die in AFMs verwendet werden, erfordern komplexe Kalibrierschritte und messen Auslenkungen indirekt. Sie sind anfällig für Ungenauigkeiten, insbesondere bei Torsionsbewegungen oder Biegemoden höherer Ordnung, und bergen das Risiko, den Cantilever während der Kalibrierung zu beschädigen.
Lösung
Das PICOSCALE Vibrometer, ein rasterndes Michelson-Interferometer, ermöglicht die direkte, berührungslose Messung der tatsächlichen Auslenkung an jedem Punkt des Cantilevers mit Sub-pm-Auflösung. Seine integrierten Closed-Loop-Positionierer und softwaregesteuertes Scannen ermöglichen sowohl die räumliche Modenvisualisierung als auch quantitative Daten.
Umsetzung
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Schwingungsmoden wurden mit einem linearen Chirp von 0,5 Hz bis 2 MHz angeregt.
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Cantilever-Auslenkungen wurden mittels Lock-in-Detektion gemessen und für sowohl Biege- als auch Torsionsmoden in 3D visualisiert (bis F5 und T3).
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Thermische Schwingungen wurden an den freien Enden von vier Cantilevern mit zunehmender Steifigkeit gemessen.
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Die Methode des thermischen Rauschens wurde verwendet, um Federkonstanten anhand der mittleren quadratischen Auslenkung abzuleiten.
Ergebnisse
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Das System löste einzelne Resonanzspitzen und die entsprechenden Modenformen eindeutig auf.
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Messungen thermischer Schwingungen zeigten Rauschböden deutlich unter 1 pm, wodurch eine Kalibrierung selbst bei sehr steifen Cantilevern möglich war.
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Der Aufbau ermöglichte eine präzise Lokalisierung des Messpunkts – entscheidend für eine genaue Steifigkeitskalibrierung.
Fazit
Das PICOSCALE Vibrometer von SmarAct bietet eine überlegene Alternative zu OBD, da es direkte, kalibrierungsfreie Auslenkungsmessungen liefert. Es unterstützt die genaue Analyse sowohl des Biege- als auch des Torsionsverhaltens und ist ideal für die nicht-invasive, hochpräzise Kalibrierung von Federkonstanten in AFM-Anwendungen – selbst wenn Cantilever unverpackt bleiben oder sich auf Wafern befinden.
a) FFT der aufgezeichneten Auslenkungen. Mehrere Resonanzspitzen deuten auf unterschiedliche Biegemoden hin.
b) Biegemoden bei den Spitzen F1 bis F5.
Zugehörige Produkte
PICOSCALE Vibrometer - Controller
