Nanopositionier- und Nanomesstechnik

Durch den stetigen Fortschritt im Bereich der Nanotechnologie mit immer kleineren Strukturen ist in den letzten Jahrzehnten der Bedarf entstanden, kleinste Strukturen zu erfassen, zu vermessen und zu manipulieren. Dafür stehen bereits seit den 1980ern hochauflösende Verfahren zur Verfügung (STM, AFM), die jedoch üblicherweise nur auf sehr kleinen Flächen angewendet werden können und die nur unter einem hohen Aufwand metrologisch rückführbare Messungen erlauben. Um auch große Messobjekte mit Nanometerauflösung vermessen zu können, wurde daher am IPMS die Nanomessmaschine NMM-1 entwickelt. Diese bietet einen bis dahin unerreichten Messbereich von 25 mm x 25 mm x 5 mm bei einer Auflösung von 0,1nm.

Besonderheit aller Nanomessmaschinen des IPMS ist die Anordnung der Miniaturinterferometern zur Längenmessung. Deren Messachsen schneiden sich virtuell im Berührungspunkt des Antastsensors mit dem Messobjekt, was in allen drei Koordinatenachsen eine abbefehlerfreie Messung gewährleistet.

Die NMM-1 kann für vielfältige Messaufgaben verwendet werden, dazu gehören beispielsweise

• die Positionierung, Manipulation, Bearbeitung und Messung von Objekten der Mikroelektronik, der Mikromechanik, der Optik, der Molekularbiologie und der Mikrosystemtechnik
• die Messung von Präzisionsteilen Membranen und Mikrolinsen
• die Kalibrierung von Stufenhöhennormalen und Pitch-Standards

Literatur:

• Jäger, G.; Manske, E.; Hausotte, T. & Büchner, H.-J.: Nanomessmaschine zur abbefehlerfreien Koordinatenmessung (Nano Measuring Machine for Zero Abbe Offset Coordinate-measuring) In: tm Technisches Messen Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik, 2000, 67, 319
• Manske, E.; Theska, R. & Schott, W.: Nanopositionier-und Nanomessmaschinen-universelle skalenübergreifende Werkzeuge für die Mikro-Nano-Integration In: GMM-Fachbericht-Mikro-Nano-Integration, VDE VERLAG GmbH, 2010
• Füßl, R., Manske,E.: Metrologie und Messunsicherheit von Nanopositionier-und Nanomessmaschinen In: Sensoren und Messsysteme 2010, VDE VERLAG GmbH, 2010
• Jäger, G.; Manske, E.; Hausotte, T. & Büchner, H.-J.: The Metrological Basis and Operation of Nanopositioning and Nanomeasuring Machine NMM-1, Metrologische Grundlagen und Wirkungsweise der Nanopositionier-und Messmaschine NMM-1 In: tm-Technisches Messen Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik, 2009, 76, 227-234
• Manske, E.; Hausotte, T.; Mastylo, R.; Machleidt, T.; Franke, K. & Jäger, G.: New applications of the nanopositioning and nanomeasuring machine by using advanced tactile and non-tactile probes

Die NMM-1 wird seit langem erfolgreich in verschiedenen nationalen metrologischen Instituten zur Kalibrierung von Standards der Mikro- und Nanomesstechnik eingesetzt. Durch die wachsenden Anforderungen wurde es jedoch notwendig, eine neue Nanopositionier- und Nanomessmaschine NPMM-200 zu entwickeln. Diese Maschine hat einen Mess- und Positionierbereich von 200 mm x 200 mm x 25 mm und eine Auflösung von 0,02 nm. Die Funktionsmerkmale spiegeln die konsequente Anwendung des stark verbesserten metrologischen Konzepts der NMM-1 wider.

Um die Längenmessfehler in allen drei Koordinatenachsen im Vergleich zur NMM-1 noch weiter zu minimieren, werden bei der NPMM-200 die Winkelabweichungen des Maschinentisches durch zusätzliche Laserinterferometer permanent gemessen und durch ein komplexes Regelsystem die Winkelorientierung konstant gehalten. Dies erlaubt es, die Fehler des mechanischen Systems der NPMM-200 durch eine kontinuierliche Regelung nahezu vollständig zu eliminieren.

Äußere Störungen haben im Nanometerbereich einen enormen Einfluss auf die laufende Messung. Aus diesem Grund befindet sich die NPMM-200 in einer geschlossenen und temperierbaren Kammer, welche die Funktionen der Temperaturregelung sowie der akustischen und thermischen Isolation realisiert. Außerdem kann in der Kammer ein Vakuum erzeugt werden, wodurch Einflüsse durch Luftschall, Luftströmungen und Brechzahländerungen praktisch vollständig unterdrückt werden können. Eine wesentliche Randbedingung bei der Umsetzung des Designs der NPMM-200 war daher die Vakuumtauglichkeit aller Maschinenkomponenten.

Literatur:

• Jäger, G.; Manske, E.; Hausotte, T.; Müller, A. & Balzer, F.: Nanopositioning and nanomeasuring machine NPMM-200—a new powerful tool for large-range micro- and nanotechnology In: Surface Topography: Metrology and Properties, IOP Publishing, 2016, 4, 034004
• Manske, E.; Fröhlich, T.; Füßl, R.; Mastylo, R.; Blumröder, U.; Köchert, P.; Birli, O.; Ortlepp, I.; Pruß, C.; Schwesinger, F. & Meister, A.; Lehmann, P.; Osten, W. & Jr., A. A. G. (Eds.): Scale spanning subnanometer metrology up to ten decades In: Optical Measurement Systems for Industrial Inspection XI, SPIE, 2019, 11056, 130 – 136
• Manske, E.; Fröhlich, T.; Füßl, R.; Ortlepp, I.; Mastylo, R.; Blumröder, U.; Dontsov, D.; Kühnel, M. & Köchert, P.: Progress of nanopositioning and nanomeasuring machines for cross-scale measurement with sub-nanometre precision In: Measurement Science and Technology, IOP Publishing, 2020, 31, 085005
• Osten, W.; Józwik, M.; Jaroszewicz, L. R. & Kujawiʼnska, M. (Eds.): Optical metrology: the long and unstoppable way to become an outstanding measuring tool In: Speckle 2018: VII International Conference on Speckle Metrology, SPIE, 2018

In der optischen Industrie spielen optische Bauelemente mit Freiformflächen in verschiedenen Anwendungen eine zentrale Rolle, da diese optische Systeme deutlich leistungsfähiger machen.

Der Herstellungsprozess von Freiformoptiken besteht dabei oft aus aufeinanderfolgenden Mess- und Bearbeitungsschritten. Bei den Messungen ist es dabei notwendig, dass das Sensorsystem immer senkrecht zur Oberfläche der Optik ausgerichtet wird, da sonst zusätzliche Messabweichungen auftreten. Dies bedeutet gleichzeitig, dass das Sensorsystem nicht starr an der Nanomessmaschine montiert ist, sondern entsprechend der lokalen Neigung des Messobjektes geschwenkt werden muss. Dafür wurde die Nanomessmaschine 1 (NMM-1) im Rahmen des Graduiertenkollegs NanoFab  um zwei rotatorische Bewegungsachsen erweitert, sodass der Sensor jederzeit orthogonal zur Messobjektoberfläche ausgerichtet werden kann. Somit konnten die hervorragenden messtechnischen Eigenschaften der NMM-1 auf stark gekrümmte Oberflächen erweitert werden. Um die Unvollkommenheiten der mechanischen Schwenkachsen in der Messung zu berücksichtigen, ist ein Referenzmesssystem integriert.  Damit können die systematischen und zufälligen Bahnabweichungen der Rotationssysteme erfasst und die daraus entstehende unerwünschte Verschiebung des Messpunktes korrigiert werden.

Literatur:

• Fern, F.; Füßl, R. & Schienbein, R.: Influence of additional rotational movements on the measurement uncertainty of nanomeasuring, nanopositioning and nanofabrication machines In: Sensoren und Messsysteme, VDE Verlag GmbH, 2018, 168–171
• Fern, F.; Schienbein, R.; Füßl, R. & Theska, R.: Ultra-precise motion error measurement of rotation kinematics for the integration in nanomeasuring and nanofabrication machines In: Proceeding 33rd ASPE Annual Meeting, 2018

Eine große Herausforderung in der Präzisionslängenmesstechnik liegt, bedingt durch die immer größer werdenden Messobjekte, in den wachsenden Messvolumina bei gleichzeitig immer weiter steigenden Präzisionsanforderungen im Nanometer und Subnanometerbereich. Das für diese Anwendungen typischerweise verwendete Scanning-stage Prinzip, wie es in der NMM-1 und NPMM-200 verwendet wird, stößt bei den zukünftigen Messbereichen jedoch an fundamentale Grenzen, da zwei konträre Anforderungen existieren: Messobjekte mit wachsender Größe und Masse müssen, gemeinsam mit einem entsprechend großen und massereichen Maschinentisch (ca. 450 kg bei einem Messbereich von 700 mm x 700 mm x 100 mm), hochdynamisch und präzise bewegt werden. Gleichzeitig muss die Dynamik der Messung gegenüber den heute typischen Parametern gesteigert werden, um Messzeiten in einem akzeptablen Rahmen zu ermöglichen. Um dieser Problemstellung zu begegnen, wird am IPMS ein Konzept für eine NPMM mit einem inversen kinematischen Konzept verfolgt.

Der prinzipielle Ansatz besteht in einer Umkehrung des kinematischen Aufbaus, wobei die großen und schweren Präzisionsspiegel sowie das große und schwere Messobjekt raumfest sind. Das Messobjekt wird mit einem verfahrbaren Tastsystem angetastet, dessen Position mit mehreren Laserinterferometern gemessen wird. Durch dieses Messkonzept kann die bewegte Masse von über 400 kg (Spiegel + Messobjekt) auf ca. 1 kg (Miniaturinterferometer + Messtaster) reduziert werden. Dadurch kann eine sehr große Messdynamik und Positionierbarkeit erreicht werden.

Literatur:

• Straube, G.; Calderón, S. F.; Ortlepp, I. & Manske, E.: Fundamentals of Dynamic Sensor Positioning with Nanoscale Accuracy by an Inverse Kinematic Concept In: AMA Service GmbH, Von-Münchhausen-Str. 49, 31515 Wunstorf, Germany, 2020
• Ortlepp, I.; Manske, E. & Füßl, R.: Dynamic sensor positioning in large measuring volumes by an inverse kinematic concept In: Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, 2018, 1065, 142009

Die Entwicklung der Präzisionsmess- und Positioniertechnik als messtechnische Schlüsselkomponente der Präzisionsfertigung wird durch stetig steigende Genauigkeitsanforderungen bei gleichzeitig wachsenden Messbereichen geprägt. Die hochpräzisen Längenmessungen auf interferometrischer Basis werden dabei signifikant durch die Stabilität und Genauigkeit der zugrundeliegenden Laserfrequenzen beeinflusst. Diese sind kurzfristigen („Frequenzrauschen“) und langfristigen Schwankungen unterworfen. An den Nanopositioniermaschinen der TU Ilmenau werden derzeitig He-Ne-Laser mit einer relativen Langzeitstabilität im Bereich 10^-8 - 10^-9 als Wellenlängennormale in der interferometrischen Längenmessung eingesetzt. Das IPMS verfügt über langjährige Erfahrungen in der Entwicklung frequenzstabilisierter He-Ne-Laserquellen. Die aktuelle Forschung bezieht die Entwicklung rauscharmer Zweifrequenz-Laserquellen und die Rückführung der Wellenlänge auf die SI-Meterdefinition durch die Verwendung der Frequenzkammtechnologie ein.

Literatur:

• J. Wurmus: Stabilisierung von He-Ne-Lasern für die interferenzoptische Messtechnik, Dissertation TU Ilmenau 2004
• C. Sternkopf: Entwicklung von Frequenz-Offset-Stabilisierungsverfahren für Dioden- und Gaslaser, Dissertation, TU Ilmenau 2015
• P. Köchert, et al: Digital beat frequency control of an offset-locked laser system. In: Proc. 58th Ilmenau Scientific Colloquium, Ilmenau. 2014.
• C. Sternkopf, E. Manske: Digital frequency offset-locked He–Ne laser system with high beat frequency stability, narrow optical linewidth and optical fibre output. Measurement Science and Technology, 2018, 29. Jg., Nr. 6, S. 064013.
• P. Köchert, U. Blumröder, E. Manske: Ultrastable metrology laser at 633 nm using an optical frequency comb. In: Optical Micro-and Nanometrology VII. International Society for Optics and Photonics, 2018. S. 106780S.

Im Gegensatz zu den kontinuierlichen He-Ne-Laserquellen handelt es sich bei einem optischen Frequenzkamm (OFC) um einen modengekoppelten Pulslaser, typischerweise auf Basis von Faserlasern, der auf eine hochstabile Referenz im optischen oder im Radiofrequenzbereich (z.B. Atomuhr oder Wasserstoff-Maser) stabilisiert werden kann. Die kommerzielle Verfügbarkeit der Frequenzkammtechnologie hat in den letzten Jahren neue Möglichkeiten bei der Rückführung der Wellenlänge auf die Meter-Definition eröffnet. Die Nutzung dieser Technologie ermöglicht nicht nur hochgenaue Frequenzmessungen über einen breiten Wellenlängenbereich sondern bietet auch das Potential einer direkten Ankopplung der Laserfrequenz an das Sekundennormal einer Atomuhr. Damit kann die Stabilität des Zeitgebers (z. B. Atomuhr über einen GPS disziplinierten Oszillator (GPSDO) mit einer relativen Frequenzstabilität im Bereich von 10^-12 ) mittels des Frequenzkammes auf einen He-Ne-Gaslaser übertragen werden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens „Metrobase“, gefördert durch die Carl-Zeiss-Stiftung, besteht deshalb in der Schaffung einer neuen metrologischen Basis, mit der die derzeitige Messunsicherheit der Laserinterferometer der Nanomessmaschinen um bis zu drei Größenordnungen verringert werden. Dies soll durch die Installation der Frequenzkamm-Technologie an der TU Ilmenau erreicht werden. Dabei soll eine direkte Ankopplung der Helium-Neon-Laser der NPMM-200 an den optischen Frequenzkamm realisiert und somit eine neue Qualität in der Rückführbarkeit der Längeneinheit erreicht werden. Die Verbindung aus Frequenzkamm-Technologie und Nanopositioniertechnik wird insgesamt zu einem höheren Niveau im Bereich der dimensionellen Messtechnik an der TU Ilmenau führen und neuartige Konzepte zur Kopplung von Frequenzkamm- und Nanomesstechnik erschließen.

Literatur:

• S. Cundiff, T. Steven, J. Ye, Colloquium: Femtosecond optical frequency combs. Reviews of Modern Physics, 2003, 75. Jg., Nr. 1, S.
• S. Schilt, et al: Noise properties of an optical frequency comb from a SESAM-mode-locked 1.5-μm solid-state laser stabilized to the 10− 13 level. Applied Physics B, 2012, 109. Jg., Nr. 3, S. 391-402.
• P. Köchert, U. Blumröder, E. Manske: Ultrastable metrology laser at 633 nm using an optical frequency comb. In: Optical Micro-and Nanometrology VII. International Society for Optics and Photonics, 2018. S. 106780S.
• Manske, E., et al: Progress of nanopositioning and nanomeasuring machines for cross-scale measurement with sub-nanometre precision. Measurement Science and Technology, 2020, 31. Jg., Nr. 8, S. 085005

Die Ankopplung der Metrologielaser der NPMM-200 an einen RF-referenzierten Frequenzkamm ermöglicht eine hochgenaue Frequenzbestimmung und enorme Steigerung in der Langzeitstabilität der He-Ne-Laser. Das Frequenzrauschen der Metrologielaser kann jedoch dadurch nur unzureichend erfasst werden. Im Bereich der Nanometrologie spielen diese kurzzeitigen Frequenzschwankungen jedoch ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Unsicherheit der Längenmessung.

Das Institut für Prozessmess- und Sensortechnik verfügt daher zusätzlich über ein sogenanntes „Optisches Referenzsystem“ (ORS). Bei diesem System handelt es sich um einen Diodenlaser, der auf eine ultrastabile Cavity gelockt wird. Damit können Linienbreiten im sub-Hz-Bereich bei einer gleichzeitigen Ausgangsleistung von 10 mW und relative Frequenzstabilitäten von besser als 2∙10^-15 im Bereich ≤ 1s erreicht werden. Das ORS-System kann damit als hochstabile optische Referenz für den Frequenzkamm aber auch als Stand-Alone-System für die interferometrischen Messsysteme verwendet werden. Eine Kombination beider Systeme für nanometrologische Anwendungen soll zukünftig gleichermaßen Rückführbarkeit und höchste Frequenzstabilität gewährleisten.

Für die präzise Messung komplexer Mikrobauteile wurden Nano- und Mikro-Koordinatenmessgeräte entwickelt. Zur Erfassung kleinster Strukturen benötigen die von diesen Geräten verwendeten Taster Antastkugeln mit Durchmessern kleiner 300 µm. Ein wesentlicher Unsicherheitsbeitrag bei derartigen Messgeräten wird durch die Form der Antastkugel verursacht. Gegenwärtig gibt es jedoch – mit Hinblick auf die erforderliche Unsicherheit – kein geeignetes Verfahren zur Charakterisierung solcher Kugeln.

Am Institut werden deshalb derzeit Strategien zur präzisen Messung von Mikrokugeln entwickelt und untersucht. Unter anderem wurde ein Verfahren, welches auf Oberflächenscans mit Atomkraftmikroskopen basiert, entwickelt. Mit diesem ist eine präzise und hochauflösende Charakterisierung des Radius und der Rundheit eines Großkreises von Kugeln mit Durchmessern kleiner 300 µm möglich. Weiterführende Arbeiten konzentrieren sich auf die Erweiterung des Verfahrens zur Charakterisierung der vollständigen Kugel, sowie der Entwicklung alternativer Verfahren.

Literatur:

• Oertel, E.; Manske, E.: Radius and roundness measurement of micro spheres based on a set of AFM surface scans, In: Measurement Science and Technology, DOI: 10.1088/1361-6501/abcff4

Seit mehr als 40 Jahren wird am Institut Präzisionsmesstechnik unter maßgeblicher Leitung der Professoren G. Jäger und E. Manske an der Entwicklung fasergekoppelter Interferometer geforscht.  Dabei erfolgt sowohl die Versorgung der Interferometer mit Laserlicht, als auch die Abtastung der Interferogramme mittels Glasfaser.  Auf diese Weise wird nur eine minimale Leistung in die Messumgebung übertragen. Gleichzeitig gibt es nahezu keine Beeinträchtigung der Messung durch externe elektromagnetische Felder. Für eine faseroptische Abtastung der Interferogramme ist die Erzeugung von Interferenzstreifenmustern erforderlich. Dafür wird eine der sich überlagernden Wellenfronten im millirad Bereich geneigt. Technisch wird dies durch die spezielle geometrische Gestaltung der optischen Grenzflächen umgesetzt. Alternativ zur Faserabtastung ist eine hochauflösende Abtastung der Interferenzbilder unter Verwendung von Matrix- oder Zeilenkameras möglich. Durch algorithmische Auswertung sind damit Messwegauflösungen und Reproduzierbarkeiten im Bereich weniger Femtometer möglich. Derzeitige Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der Entwicklung von Miniaturinterferometern die modular aufgebaut sind und bei denen die Funktionalität durch eine minimale Zahl optischer Bauteile erreicht wird. Dafür werden modernste Verfahren der optischen Bauteilherstellung genutzt.

Zur Antastung der Prüflinge in der Nanopositionier- und Nanomessmaschine kommen unterschiedlichste Sensoren in Frage. Neben der mechanischen Antastung beispielsweise mit Rasterkraftsensoren weist die optische Antastung einige Vorteile auf. Aus diesem Grund wurde ein optischer Antastsensor, der auf dem Fokusprinzip beruht, entwickelt und in die Nanopositionier- und Nanomessmaschine als so genannter Nullindikator integriert.

Kernstück des Sensors bildet eine so genannte Hologramm-Laser-Unit die aus der konventionellen DVD-Technik kommt. In ihr befindet sich eine Halbleiterlaserdiode, die Fotodioden zur Fokusfehlerdetektion sowie deren Vorverstärker. Ein kleines Hologramm direkt vor der Laser-Unit übernimmt die verschiedenen Funktionen der Strahlaufspaltung, -teilung und -ablenkung. Durch dieses multifunktionale Bauelement wurde eine extreme Miniaturisierung des Sensors möglich.

Um den Ort der optischen Antastung auf der Prüflingsoberfläche verfolgen zu können, wurde der Fokussensor mit einem CCD-Kameramikroskop kombiniert. Damit ist das Auffinden und Wiederfinden von interessierenden Gebieten auf der Prüflingsoberfläche sehr komfortabel.

Auf der Basis des Fokussensors wurden zusätzlich zwei taktile Sensoren aufgebaut: der Fokus-Stylus-Sensor und der Fokus-AFM-Sensor. Dabei wird die Auslenkung der antastenden Messspitze (Stylus bzw. Cantilever) direkt berührungslos mit fokussiertem Laserstrahl des Fokussensors aufgenommen.

Die messtechnischen und metrologischen Eigenschaften des aufgebauten Fokussensors wurden umfassend untersucht. Die Auflösung des Fokussensors beträgt < 1 nm. Die Messungen auf kalibrierten Stufenhöhennormalen haben eine hohe Übereinstimmung mit Kalibrierwerten der PTB von < 1 nm gezeigt. Dabei sind Reproduzierbarkeiten im Pikometerbereich erreichbar: z.B. bei einer 5- mm Stufenhöhenmessung wurden 20 pm erreicht. Scangeschwindigkeiten bis 10 mm/s bei Subnanometerreproduzierbarkeit sind erreichbar.

Literatur:

[1]     R. Mastylo, D. Dontsov, E. Manske, G. Jäger: A focus sensor for an application in a nanopositioning and nanomeasuring machine. Optical Measurement Systems for Industrial Inspection IV, Proceedings of SPIE, 13-17 June 2005, München, Volume 5856, S. 238-244

[2]     E. Manske, T. Hausotte, R. Mastylo, T. Machleidt, K.-H. Franke and G. Jäger, “New applications of the nanopositioning and nanomeasuring machine by using advanced tactile and non-tactile probes,” Meas. Sci. Technol., vol. 18, no. 2, pp. 520–527, 2007.

[3]     R. Mastylo. Optische und taktile Nanosensoren auf der Grundlage des Fokusverfahrens für die Anwendung in Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. PhD thesis, TU Ilmenau, 2011.

[4]     R. Mastylo, E. Manske, T. Fröhlich Versatile applications of laser focus probes in precision measurement technology: 11th IMEKO TC14 Symposium on Laser Metrology for Precision Measurement and Inspection in Industry (LMPMI 2014) (2014), S.29-34

Als Alternative für den an der TU Ilmenau entwickelten Fokussensor gelten konfokale Sensoren.

Ein Objektiv fokussiert einen aufgeweiteten Strahl (z.B. Laserstrahl) in dessen Brennebene punktförmig auf das Messobjekt. Das von dem Messobjekt reflektierte Licht wird vom Objektiv gesammelt und über einen Strahlteiler in eine vor dem Detektor platzierte Lochblende gerichtet. Die Lochblende ist hier für die konfokale Eigenschaft des Systems verantwortlich. Informationen, welche nicht aus der Fokusebene des Mikroskopobjektivs stammen werden durch diese Lochblende ausgeblendet. Licht aus der Fokusebene wird auf die Detektor-Lochblende fokussiert und somit vom Detektor registriert. Dieses Vermögen, Informationen über und unter der Fokusebene auszublenden ermöglicht dem konfokalen Mikroskop eine Tiefenabgrenzung und somit eine optische Tomographie.

Die üblichste Verwendungsform eines konfokalen Mikroskops ist das Laser-Rastermikroskop. Dabei wird ein Bild aus einer Menge von Daten zusammengesetzt, wobei das Messobjekt Punkt für Punkt und Zeile für Zeile sequentiell abgetastet wird. Der so erzeugte optische Schnitt ist ein kontrastreiches in X, Y und Z hochaufgelöstes Abbild des Messobjekts.

Die Auflösung des konfokalen Rastermikroskops hängt vom verwendeten Mikroskopobjektiv und der Lichtquelle ab und kann bis zu 1 nm in Z-Richtung und ca. 0,5 µm lateral erreicht werden.

Literatur:

[1] Belkner J, Manske E (2021). "Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation von instationären Aberrationen bei der konfokalen Vermessung einer Probenoberfläche", priority: 2020-03-26, published: 2021-07-15, DE102020108333B3, assignee: Technische Universität Ilmenau, 98693 Ilmenau

[2] Belkner J, Ortlepp I, Gerhardt U, Manske E (2021).  "Compensating aberration induced error in differential confocal microscopy", Proc. SPIE 11782, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection XII, 117820P (20 June 2021); https://doi.org/10.1117/12.2592392

[3] J. Kirchner, Grundlegende Entwicklungen und Untersuchungen zur Mikro- und Nanostrukturierung durch Direct Laser Writing in Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. PhD thesis, TU Ilmenau, 2020.

Ein weiteres berührungsloses Messverfahren für Topographiemessungen stellt die Interferenzmikroskopie dar. Hier werden verschiedene Interferometertypen eingesetzt: Fizeau-Interferometer, Michelson-Interferenzmikroskop, Mirau-Interferenzmikroskop oder Linnik-Interferenzmikroskop. Dabei wird die Interferenzerscheinung zur flächenhaften Bestimmung der Topographie genutzt.

Die Weißlichtinterferenzmikroskopie ist ein abbildendes Zwei-Strahl-Interferenz-Messverfahren, bei dem das Licht einer spektral breitbandigen Quelle verwendet wird. Das von der Weißlicht-Quelle ausgesendete Licht wird über verschiedene Abbildungsoptiken gebündelt und durchläuft das Interferometer-Objektiv (Mirau-Objektiv). Das reflektierte Licht wird über einen Strahlteiler auf eine CCD-Kamera gelenkt. Dabei erfolgt im Mirau-Objektiv mittels einer Strahlteilerplatte die Aufspaltung in Objekt- und Referenz-Strahlenbündel, die an der Messoberfläche bzw. am ebenen Referenzspiegel reflektiert werden. Die Interferenzerscheinungen werden mit Hilfe einer CCD-Kamera erfasst. Bei der Messung wird das Messobjekt bzw. das Mirauobjektiv in feinen Schritten in Z-Richtung verfahren. Dabei treten Weißlicht-Interferenzen auf, die sich über das Objekt bewegen. Es wird ein Bilderstapel aufgenommen, der für jeden einzelnen Objektpunkt parallel aber voneinander unabhängig ausgewertet wird. Vorteile sind sehr kurze Messzeiten sowie auch Spitzenwerte in der Höhenauflösung von < 0,1 nm.

Literatur:

[1] D. Kapusi, T. Machleidt, E. Manske, K-H. Franke, R. Jahn: White light interferometry utilizing the large measuring volume of a nanopositioning and nanomeasuring machine, Conference: Proc. 12th Int. Colloqium on Surfaces (Chemnitz, 28–29 January 2008),  pp 210–7.

[2] T. Machleidt, E. Sparrer, E. Manske, D. Kapusi, K-H. Franke: Area-based optical 2.5D sensors of a nanopositioning and nanomeasuring machine, In: Measurement Science and Technology, Vol. 23, 2012, S. 074010 (6pp).

[3] E. Manske: Modular Family of Sensors for a Nanopositioning and Nanomeasuring Machine, In: International Journal of Optomechatronics, Vol. 7, 2013, Pages 122-135.

TU Ilmenau

TU Ilmenau

Die Nanofabrikationsmaschine 100 dient als wichtige experimentelle Plattform für die Grundlagenforschung auf dem Gebiet der spitzen- und laserbasierten Nanofabrikation für die Sub-10nm-Strukturierung auf Oberflächen bis zu Ø100 mm. Diese Plattform ermöglicht es dem Graduiertenkolleg 'NanoFab', in neue, zukunftsweisende Grenzen der Nanofabrikation mit einer Reproduzierbarkeit und Unsicherheit im Subnanometerbereich vorzudringen. Das derzeit montierte AFM-System kann gleichzeitig für die Feld-Emissions-Scanning-Probe-Lithographie (FESPL) eingesetzt werden und ermöglicht so neue Methoden der Nanostrukturierung, die an der Maschine untersucht werden sollen. Es wird die Forschungsarbeit des DFG-Graduiertenkollegs Nano-Fab (GRK 2182/1) von 13 Doktoranden über drei Generationen (9 Jahre) hinweg unterstützen. Das Gerät ist international einzigartig und beispiellos und basiert auf der langjährigen Forschung des SFB 622 (2002-2013).

Literatur:

• Stauffenberg J, Ortlepp I, Blumröder U, Dontsov D, Schäffel C, Holz M, Rangelow I W, Manske E:Investigations on the positioning accuracy of the Nano Fabrication Machine (NFM-100) / Untersuchungen zur Positioniergenauigkeit der NanoFabrikationsmaschine (NFM-100), Technisches Messen, 2021, https://doi.org/10.1515/teme-2021-0079
• Jaqueline Stauffenberg, Christoph Reuter, Ingo Ortlepp, Mathias Holz, Denis Dontsov, Christoph Schäffel, Jens-Peter Zöllner, Ivo W. Rangelow, Steffen Strehle and Eberhard Manske: Nanopositioning and -fabrication using the Nano Fabrication Machine with a positioning range up to Ø 100 mm. In: SPIE Advanced Lithography Proceedings, 11610-35 (2021), DOI: 10.1117/12.2583703
• Jaqueline Stauffenberg, Ingo Ortlepp, Christoph Reuter, Mathias Holz, Denis Dontsov, Christoph Schäffel, Steffen Strehle, Jens-Peter Zöllner, Ivo W. Rangelow, Eberhard Manske: Investigations on long range AFM scans using a Nano Fabrication Machine (NFM-100). In: 4^th Edition of the nanoFIS-Functional Integrated nanoSystems Conference, Graz,Austria, 02-04 November 2020. MDPI proceedings. 2020. 174-176.
• Ingo Ortlepp, Michael Kühnel, Martin Hofmann, Laura Weidenfeller, Johannes Kirchner, Shradda Supreeti, Rostyslav, Mastylo, Mathias Holz, Thomas Michels, Roland Füßl, Ivo W. Rangelow, Thomas Fröhlich, Denis Dontsov, Christoph Schäffel, Eberhard Manske: Tip- and laser-based nanofabrication up to 100 mm with sub-nanometer precision. In: SPIE Advanced Lithography. California, USA. 2020. 11324-8.

Steve Ruzin and Holly Aaron, UC Berkeley

Das direkte Laserschreiben ermöglicht die Strukturierung von Wafern für elektronische Schaltungen, elektronische und Mikrosystemtechnikbauteilen aber auch die Fertigung von Bauteilen mit Mikro- bis Submikrometerabmessungen [1]. Der Vorteil dabei ist der Verzicht von der aufwendigen Herstellung von Masken, was den Herstellungsprozess preiswerter und flexibler gestaltet [2].

Beim direkten Laserschreiben (DLW, engl. direct laser writing) wird der fokussierte Laserstrahl direkt auf ein mit Photolack beschichtetes Substrat gelenkt und mittels eines Positioniersystem, kann zwischen den Laserstrahl und der Probe eine Relativbewegung eingeleitet werden [1]. So können die vorgegebenen Strukturen belichtet werden, sodass an den belichteten Stellen Strukturen als geometrische Form entstehen, die aus ausgehärtetem Photolack oder Gräben bestehen. Durch einen darauffolgenden Ätzprozess, werden die Strukturen vom Photolack in das Substrat in Form von Ätzgräben übertragen [1].

Um eine Reaktion in dem Photolack des beschichteten Substrat zu erhalten,  eine Photoreaktion, wird ein bestimmter Energiebetrag benötigt,  der von der Energiedifferenz des elektronischen Grundzustands zum angeregten Zustand im Initiatormolekül des Photolacks abhängt. Die dafür benötigte Energie kann von einem Photon eingebracht werden [3]. Die Energie kann durch die Absorption von einem (Abbildung a) ) oder durch quasi-simultane Absorption von zwei Photonen (Abbildung b) )mit ausreichend Energie erfolgen [4].

Literatur

[1] Kombination von zweiphotonenbasiertem direktem Laserschreiben mit großflächiger und hochpräziser Nanopositionierung, Laura Weidenfeller.

[2] Kenneth H. Church, Charlotte Fore, und Terry Feeley. Commercial applications and review for direct write technologies. MRS Online Proceedings Library Archive, 624, 2000.

[3] Robert W. Boyd. Nonlinear Optics. Academic Press, 2003.

[4] Shoji Maruo, Osamu Nakamura, und Satoshi Kawata. Three-dimensional microfabrication with two-photon-absorbed photopolymerization. Optics Letters, 22 (2):132–134, 1997.