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Fröhlich, Thomas; Kissinger, Thomas; Manske, Eberhard
Process measurement technology and precision measurement technology :
Prozessmesstechnik und Präzisionsmesstechnik. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 5, S. 231-232
Editorial

https://doi.org/10.1515/teme-2024-0041
Stauffenberg, Jaqueline;
Kombination aus Nanofabrikation und Nanometrologie auf einer planaren Ø100 mm Nanofabrikationsmaschine (NFM-100). - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (ix, 147 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

Der Bedarf an hochpräziser Positionierung für die Anwendung der Nanofabrikation in makroskopischen Arbeitsbereichen nimmt stetig zu. Durch einen neuen Grad der Komplexität bei der mikro- und nanoelektronischen Fertigung sind extremste Anforderungen an die hochpräzise Nanopositionierung über Verfahrbereiche bis zu 100 mm und deren Kombination mit hocheffizienten Nanostrukturierungsverfahren erforderlich. Für die Erzeugung von Nanostrukturen haben sich in den letzten Jahrzehnten im Vergleich zur optischen Lithographie zahlreiche alternative Verfahren etabliert. Für höchstgenaue Nanostrukturierung und -Messung bieten spitzenbasierte Technologien einen deutlichen Vorteil im Gegensatz zu anderen Verfahren. Der gewöhnliche Bewegungsbereich von spitzenbasierten Systemen ist jedoch meist nur auf einige hundert µm² begrenzt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, die bisher kleinflächige Nanostrukturierung durch einen Fowler-Nordheim-Emissionsstrom auf Wafergrößen bis zu 4 Zoll auf Basis einer ultrapräzisen Nanopositionier- und Nanomessplattform zu übertragen. Durch die einzigartige Kombination aus planarer Nanopositioniertechnologie mit einem spitzen­ basierten System können die Bewegungsbereiche um einen Faktor 106-108 erweitert werden. Die Nutzung von aktiven Mikrocantilevern erlaubt einen beliebigen Wechsel zwischen Rasterkraftmikroskopie- und Rastersondenlithographiemodus. Nach der Charakterisierung und Optimierung der planaren Nanofabrikationsmaschine folgen gezielte und umfassende Untersuchungen des spitzenbasierten Systems, um beide Systeme optimal zusammenführen zu können. Anschließend werden diverse Experimente durch die Kombination der Systeme zur großflächigen Abtastung präsentiert, bei denen die Demonstration von makroskopischen AFM-Scans bis zu 100 mm im Fokus stehen. Daran schließen sich umfassende Untersuchungen zur Nanofabrikation über makroskopische Bereiche an. Hiermit gelang der Nachweis der erfolgreichen Synergie der beiden Technologien. Die Zusammenhänge der Reproduzierbarkeit, Präzision als auch des Spitzenverschleißes sind intensiv untersucht. Auch die Bearbeitungslänge und maximale Scangeschwindigkeiten werden analysiert und diskutiert. Zum Nachweis der Verwertbarkeit der erzeugten Nanostrukturen mit der NFM-100 ist ein möglicher Musterübertrag für die Anwendung weiterer Nanofabrikationsprozesse wie beispielsweise der Nanoprägelithographie erfolgreich demonstriert.



https://doi.org/10.22032/dbt.59668
Meier, Martin; Weichert, Christoph; Kawohl, Jan; Flügge, Jens; Manske, Eberhard
Vergleich von vollständig fasergekoppelten Interferometersystemen unter Vakuumbedingungen :
Comparison of full fiber coupled interferometer systems under vacuum conditions. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 5, S. 281-289

The PTB built a comparator setup for testing length measuring systems under vacuum conditions. The setup is equipped with a linear stage which is operated in a closed loop using the feedback of a 1.5D encoder system with three encoder heads for length and vertical rotation angle and exhibits a movement range of 150 mm. The main measurement system is a heterodyne interferometer with periodic nonlinearities with amplitudes below 10 pm. The comparator setup was characterized using a mirror mounted on the stage reflecting the measurement as well as the reference beams. By these means, the resolution, the stability of the setup as well as the influence of guiding errors on position-dependent measurement deviations of the fully fiber coupled interferometer were investigated. A position-depending error was observed which was resulting from the variation of the performance of the coupling into the multi-mode fibers used to transfer the superposed beams to the photoreceivers. The measured deviations were 1.5 nm or 0.2 nm over 70 mm travel range depending on the core diameter of the multi-mode fibers of 50 µm and 200 µm, respectively. Three different commercial fiber interferometer systems were analysed under vacuum conditions with the comparator setup. All tested systems are working with light sources with a wavelength of approximately 1535 nm but differ in the amplitude of their periodic nonlinearities in the range between 10 pm and 29 nm. The tests of their resolution and stability were limited by vibrations in the comparator setup and the lack of adequate synchronization capabilities of the data acquisition of these systems.



https://doi.org/10.1515/teme-2024-0011
Ortlepp, Ingo;
High-precision nanopositioning and nanomeasuring machines for alternative nanofabrication. - In: Proceedings of SPIE, Bd. 12956 (2024), 129560D, S. 129560D-1-129560D-17

For two decades, the Technische Universität Ilmenau has been developing high precision Nanopositioning and Nanomeasuring machines (NPMMs). These have proven their potential for nanometer accurate measurements in large volumes up to 200mm x 200mm x 25mm with 5 axis operation in several fields. As these machines operate according to the highest standards of metrology, offer picometer resolution and nanometer uncertainty, the goal is to transfer their unique precision to fabrication and patterning. So far, the NPMMs have been equipped with laser-based as well as tip-based patterning tools, including one photon and two photon polymerization, nanoimprint, scanning probe lithography and combinations of these technologies. The goal is basic research on these technologies, to tackle the evident challenges and explore the concealed limits to estimate the potential for later use in an industrial scale. In this paper, the specifics and advantages of the NPMMs will be described as well as the micro- and nanofabrication tools that are currently worked on. Focus is on the parameters in measurement mode and the accomplished fabrication results.



https://doi.org/10.1117/12.3010844
Degenhardt, Johannes; Bounaim, Mohammed Wassim; Deng, Nan; Tutsch, Rainer; Dai, Gaoliang
A new kind of atomic force microscopy scan control enabled by artificial intelligence: concept for achieving tip and sample safety through asymmetric control. - In: Nanomanufacturing and metrology, ISSN 2520-8128, Bd. 7 (2024), 1, 11, S. 1-10

This paper introduces a paradigm shift in atomic force microscope (AFM) scan control, leveraging an artificial intelligence (AI)-based controller. In contrast to conventional control methods, which either show a limited performance, such as proportional integral differential (PID) control, or which purely focus on mathematical optimality as classical optimal control approaches, our proposed AI approach redefines the objective of control for achieving practical optimality. This presented AI controller minimizes the root-mean-square control deviations in routine scans by a factor of about 4 compared to PID control in the presented setup and also showcases a distinctive asymmetric response in complex situations, prioritizing the safety of the AFM tip and sample instead of the lowest possible control deviations. The development and testing of the AI control concept are performed on simulated AFM scans, demonstrating its huge potential.



https://doi.org/10.1007/s41871-024-00229-6
Oertel, Erik; Manske, Eberhard
Der Einsatz von Mikrokugeln als Referenzartefakte für die in-situ-Charakterisierung von taktilen 3D-Mikrotastern entlang des Äquators der Tastkugel :
Using micro spheres as reference artifacts for the in-situ characterization of tactile 3D micro probes along the probing sphere’s equator. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 5, S. 244-254

Nano and micro coordinate measuring machines (CMMs) have been developed for the characterization of small dimensional features. They require a procedure which enables a traceable and precise characterization of probing spheres. In this contribution we explore the use of well characterized micro spheres as reference artifacts for the in-situ characterization of probing spheres along the probing sphere’s equator. The spheres are characterized using a strategy which is based on a set of tactile surface scans in conjunction with a stitching-algorithm. These micro spheres serve as a reference for the in-situ characterization of a tactile 3D micro probe on a nano measuring machine (NMM-1). Our investigations are based on a sample of eight spheres sourced from two different suppliers. Although the sample is small, we could already observe characteristics which seem to be typical for spheres of a certain type (i.e. nominal radius and material). The experiments indicate that micro spheres are a suitable reference artifact for tactile 3D micro probes. We were able to reproduce the measured mean radius of the probing sphere with a standard deviation of 31 nm using reference spheres whose nominal radius covers a range of 89 µm.



https://doi.org/10.1515/teme-2023-0164
Poroskun, Ivan;
Übertragung und Erweiterung des Konzepts des Virtuellen Koordinatenmessgerätes auf neue metrologische Anwendungen am Beispiel der Planck-Waage. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (xiii, 111 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

Die Bestimmung der Messunsicherheit ist ein zentraler Aspekt jeder metrologischen Aufgabe. Mit fortschreitender Digitalisierung und bei immer komplexeren Messungen werden die Messunsicherheiten zunehmend in einer Simulation ermittelt. Die entsprechende Simulationssoftware wird dabei über Jahre oder sogar Jahrzehnte zusammen mit dem Experiment weiterentwickelt. Damit dieser Prozess möglichst effizient und nachhaltig gestaltet werden kann, bedarf es einer systematischen Vorgehensweise bei der Implementierung der physikalischen Zusammenhänge in einer Simulationssoftware. Dazu werden in dieser Arbeit die Konzepte einer etablierten Simulationssoftware für die Messunsicherheitsbestimmung verallgemeinert und für die Anwendung auf neue metrologische Aufgaben übertragen. Als Ausgangspunkt wird dafür das VCMM – das Virtuelle Koordinatenmessgerät – herangezogen. Um zu verstehen, wie das VCMM aufgebaut ist und was seinem Konzept zugrunde liegt, wird es von Grund auf neu implementiert. Dabei werden die Ansätze der Modellbildung des VCMMs erkannt und verallgemeinert. Demnach wird der gesamte Messprozess in einer Simulation nachgebildet. Weiterhin wird eine Softwarestruktur erarbeitet, mit der vergleichbare Simulationssoftware aufgebaut werden kann. Um schließlich die physikalischen Modelle einer Messung zu einer Software zu implementieren, wird eine unterstützende Softwarebibliothek entwickelt. Sie enthält die wiederkehrenden Komponenten einer Monte-Carlo-basierten Simulationssoftware und hilft bei der Umsetzung der Softwarestruktur. Zur Veranschaulichung der erarbeiteten Vorgehensweise wird als erstes Anwendungsbeispiel die Planck-Waage betrachtet. Dabei wird eine Simulationssoftware für die Bestimmung der Messunsicherheiten an der Planck-Waage erstellt. Die Software ist modular aufgebaut und bietet vielseitige Analysemöglichkeiten, die einen Einblick in die physikalischen Zusammenhänge der Messung ermöglichen. Die Erstellung der Simulationssoftware für weitere metrologische Anwendungen erfolgt äquivalent.



https://doi.org/10.22032/dbt.59707
Pabst, Markus;
Planck extension for a prototype vacuum mass comparator. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (XI, 120 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

Diese Arbeit befasst sich mit der technischen Umsetzung zur Realisierung des Kilogramms nach der neuen Definition des Kilogramms von 2019. Im Stand der Technik wird die Geschichte des Kilogramms zurückverfolgt und es werden die wichtigsten Meilensteine der Wägetechnik vorgestellt. Anschließend werden verschiedene Ansätze zur Umsetzung der Realisierung des Kilogramms nach der neuen Definition aufgezeigt. Es werden die Grundlagen der hochpräzisen Massebestimmung einschließlich der Grenzen, Probleme und neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Wägetechnik dargestellt. Darüber hinaus werden die Grundlagen der absoluten Massebestimmung mit einer Planck-Waage nach der neuen Definition des Kilogramms dargestellt. Im weiteren Verlauf wird die Entwicklung einer Planck-Waage als Erweiterung eines handelsüblichen Hochvakuum-Massekomparators beschrieben. Dies ermöglicht die Bestimmung des Kilogramms nach der neuen Definition auf der Grundlage von Massekomparatoren, die mit langjähriger Erfahrung entwickelt und getestet wurden. Darüber hinaus können die Massekomparatoren weiterhin zur Aufrechterhaltung der Kalibrierkette nach der alten Definition des Kilogramms verwendet werden. Im Rahmen der Entwicklung dieser Planck-Erweiterung für Massekomparatoren wird die Entwicklung von Magnetsystemen eingehend diskutiert. Im weiteren Verlauf wird die allgemeine Funktionsweise des Systems vorgestellt und beschrieben und die Messmethodik erläutert. Die aus dem Hauptexperiment gewonnenen Messergebnisse werden im Rahmen einer detaillierten Datenanalyse vorgestellt und diskutiert. In der Schlussfolgerung werden die Ergebnisse diskutiert, bewertet und mögliche Verbesserungsvorschläge aufgezeigt und vorgestellt.



https://doi.org/10.22032/dbt.59667
Liang, Weixiang; Ye, Zixin; Hu, Dongfang; Xu, Jinxin; Jiang, Juncheng; Fröhlich, Thomas; Ding, Jiong
Performance evaluation approach for accelerating rate calorimeters by means of Joule heat. - In: Thermochimica acta, Bd. 735 (2024), 179719, S. 1-9

Currently, the commonly used performance evaluation approach for accelerating rate calorimeters (ARCs) is based on di‑tert‑butyl peroxide (DTBP). However, DTBP is not a certified reference material that contains untraceable and inaccurate thermodynamic and kinetic parameters. To address this issue, an evaluation approach using Joule heat was proposed. The key point of this approach is the use of Joule heat to simulate the exothermic process of a chemical reaction. First, an evaluation apparatus with reaction rate feedback control was developed. Subsequently, exothermic reaction experiments using the DTBP/toluene solution were simulated. The experimental results indicated that the thermodynamic and kinetic parameters obtained using this approach align with the preset values and exhibit good repeatability. This approach is traceable and can be traced back to the International System of Units, which facilitates reliable performance evaluation of commercial ARCs.



https://doi.org/10.1016/j.tca.2024.179719
Leineweber, Johannes; Hebenstreit, Roman; Häcker, Annika-Verena; Meyer, Christoph; Füßl, Roland; Manske, Eberhard; Theska, René
Characterization of a parallel kinematics actuated in situ reference measurement system for 5D-nano-measurement and nano-fabrication applications :
Charakterisierung eines parallelkinematisch aktuierten In-situ-Referenzmesssystems für 5D-Nanomess- und Fabrikationsanwendungen. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 2, S. 102-115

Die stetig voranschreitende Entwicklung im Bereich der Fertigung optischer und elektronischer Elemente auf Basis von Nanotechnologien führt seit Jahren zu einer steigenden Nachfrage nach hochpräzisen Nanomess- und Nanofabrikationsmaschinen (The International Roadmap For Devices And Systems, IEEE, 2020; C. Grant Willson and B. J. Roman, “The future of lithography: SEMATECH litho forum 2008,” ASC Nano , vol. 2, no. 7, pp. 1323-1328, 2008). Als technologisch besonders anspruchsvoll hat sich dabei die Fabrikation auf stark geneigten, gekrümmten, asphärischen und freigeformten Oberflächen herausgestellt (R. Schachtschneider, et al., “Interlaboratory comparison measurements of aspheres,” Meas. Sci. Technol. , vol. 29, no. 13pp, p. 055010, 2018). Aufbauend auf den zukunftsweisenden Entwicklungen der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 1 (NMM-1) (G. Jäger, E. Manske, T. Hausotte, and J.-J. Büchner, “Nanomessmaschine zur abbefehlerfreien Koordinatenmessung,” tm - Tech. Mess. , vol. 67, nos. 7-8, pp. 319-323, 2000) und der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 (NPMM-200) (E. Manske, G. Jäger, T. Hausotte, and F. Balzer, “Nanopositioning and Nanomeasuring Machine NPMM-200 - sub-nanometre resolution and highest accuracy in extended macroscopic working areas,” in Euspen’s 17th International Conference , 2017), wird an der Technischen Universität Ilmenau seit mehreren Jahren an Konzepten für NPMM mit erhöhtem Freiheitsgrad geforscht (F. Fern, “Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020; R. Schienbein, “Grundlegende Untersuchungen zum konstruktiven Aufbau von Fünfachs-Nanopositionier- und Nanomessmaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020). So besitzt der seit 2020 entwickelte Demonstrator NMM-5D (J. Leinweber, C. Meyer, R. Füßl, R. Theska, and E. Manske, “Ein neuartiges Konzept für 5D Nanopositionier-, Nanomess-, und Nanofabrikationsmaschinen,” tm - Tech. Mess. , vol. 37, nos. 1-10, 2022) neben dem kartesischen Verfahrbereich von 25mm × 25mm × 5mm zusätzlich ein Rotationsvermögen des Tools von 360˚ sowie ein Neigungsvermögen von 50˚. Imfolgenden Artikel wird davon ausgehend die mechanische und metrologische Charakterisierung der parallelkinematisch aktuierten Rotationserweiterung präsentiert. Hierbei konzentrieren sich durchgeführte Untersuchungen primär auf die kinematisch verursachten Abweichungen des Tool Center Point (TCP) sowie die Detektierung dieser Abweichungen mit einem interferometrischen In-situ -Referenzmesssystem. Darüber kann perspektivisch eine geregelte Kompensation der auftretenden TCP-Abweichungen erfolgen.



https://doi.org/10.1515/teme-2023-0109