Micromachining

Abstract: Es wurde eine Präzisionsbearbeitungsmaschine entwickelt die es über ein elektrochemisches Verfahren erlaubt, mit hoher lateraler Auflösung Mikrolöcher und hochauflösende Strukturen in metallischen Gläsern zu erzeugen. Dazu musste sowohl ein präziser mechanischer Aufbau zur Positionierung der Abtragelektrode wie auch eine geeignete elektrische Energieversorgung zur Verfügung gestellt werden.  

Keywords: Mikrobearbeitung, metallische Gläser, Elektrochemie    

Aufgabenstellung: Für Forschungsarbeiten an der Mikrobearbeitung von metallischen Gläsern sollte ein Gerät entwickelt werden mit dem es möglich ist von einer BMG (Bulk Metallic Glass) Probe mit einer Abmessung maximal 10x10mm in einem Elektrolytbad durch eine speziell geformte, nadelförmige metallische Elektrode gezielt und punktgenau Material abzutragen. Die Anforderung an die laterale Auflösung wurde nach Vorversuchen auf ca. 5nm festgelegt. Das Verfahren in X-,Y- und Z-Richtung soll dabei automatisch oder semiautomatisch über zwei Joysticks erfolgen. Grobeinstellung der X-/Y-/-Z Position sollte zusätzlich manuell möglich sein. Ein freies optisches Sichtfeld für ein Lichtmikroskop und eine Mikroskopkamera musste ebenfalls sichergestellt werden. Für die elektrische Energie, die für den Abtragungsvorgang benötigt wird, sollte eine Pulsquelle mit variabler Frequenz und Pulsform zur Verfügung gestellt werden.    

Lösungsbeschreibung: Zur Aufnahme aller Bauteile wurde ein Gestell aus Profilen konstruiert bei dem die Bauteile flexibel positioniert werden können. Die Probe selber wird in einer Wanne aus chemisch beständigem Material fixiert. Die Wanne wurde auf einen manuell verfahrbaren X/Y/Z Tisch angebracht, so dass Grobpositionierung einfach und direkt möglich ist. Die Mikroskopkamera ist an den Profilen fixiert, das Lichtmikroskop kann über ein eigenes Gestell verfahren werden. Für die hochgenaue Positionierung wurde die Nadelelektrode an einem Paket von Piezoantrieben angebracht, für jeweils eine Richtung eine Piezoeinheit. Diese können über entsprechende Leistungstreiber über zwei digitale Joysticks oder parallel für einen PC gesteuert werden. Auflösungen von maximal 1nm können dabei realisiert werden. Die Steuerung geschieht über ein AgilentVee Softwarepaket das für alle Anwendungsfälle Steuerungsmethoden zur Verfügung stellt. Für die Energieversorgung fiel die Wahl auf einen hochwertigen Funktionsgenerator von Agilent, der auch Arbiträre Signalverläufe erlaubt. Für die üblicherweise niedrigen Leistungsdichten an der Elektrode sind dabei keine zusätzlichen Leistungstreiber oder Signalformungen nötig, die Elektrode wird direkt durch den Generator, allerdings in den meisten Anwendungsfällen über entsprechende Filterelemente, betrieben.