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Möglichmacher der Miniaturisierung

Ob hochpräzise Optiken, miniaturisierte Herzschrittmacher, Hörgeräte, Mikrofone und Lautsprecher oder ob Materialanalysen auf molekularem Maßstab: Die Enabler nutzen Licht, um Mikro-, Nano- und sogar Pikometerstrukturen messbar zu machen.

Die miniaturisierte Welt steckt voller Wunder. Chiphersteller realisieren per EUV-Lithografie 10 Milliarden Transistoren auf der Fläche eines Fingernagels. Dabei sind Spiegel im Einsatz, deren maximale Formabweichung auf die Fläche Deutschlands umgerechnet ganze 0,1 mm betragen darf. Forschungslabore analysieren Oberflächen in molekularer Auflösung. Und in Teilchenbeschleunigern sind winzige Schwingungen messbar, die beim Aufprall von Teilchen auf Sensoren entstehen. Dank ultrapräziser Schwingungsmessungen sorgen auch Mikrofon- und Lautsprecherwinzlinge in Smartphones, In-Ear-Kopfhörern oder Hörgeräten für reinsten Klang. MEMS (Micro-Elektro-Mechanical Systems) drängen als Sensoren und Aktoren sowie als akustische und optische Bauelemente in jeden Bereich des modernen Alltags vor.

Um all diese Wunder im Mikromaßstab zu realisieren, gibt es eine zentrale Voraussetzung: „Nur was sich messen lässt, ist produzierbar und optimierbar“, so Prof. Wolfgang Osten 2017 im PHOTONICS Interview. Dafür drängt die Messtechnik mittlerweile in Bereiche jenseits der menschlichen Vorstellungskraft vor. Sie vermisst Spiegel und beliebig geformte Linsen, ohne die Weltraumfernerkundung und Chipstrukturen im einstelligen Nanometerbereich undenkbar wären, checkt Wafer und MEMS in der Produktion auf Fehler, positioniert Prüfobjekte unter anderem in Atomic Force Mikroskopen (Rasterkraftmikroskopen) und kalibriert Maschinen für Hochpräzisionsprozesse. Alles das mit Auflösungen im Nano- und Pikometerbereich. Was das heißt? – Gelänge es, auf einem Millimeter Faden eine Milliarde gleichgroßer Kügelchen aufzureihen, wäre jedes davon einen Pikometer (pm) groß. Passen nur eine Million auf den Millimeter, wären es Nanometer-(nm)-Perlen – immer noch viel zu klein für die menschliche Optik und Motorik. Und doch sind diese Dimensionen zuverlässig messbar. Forschende in Synchrotrons und immer mehr Laboren machen davon ebenso Gebrauch, wie Hersteller von Chips, MEMS, Präzisionsoptiken und Sensoren oder die Pioniere der Quantentechnologie. Ihr wichtigstes Messwerkzeug: Licht.

Zusammenspiel von Nanopositionierung und Interferometrie

Weil Auflösungen im Sub-Nanometerbereich die klassische Auflösungsgrenze (Rayleigh-Grenze) weit unterschreiten – in optischen Messverfahren eingesetzte Laserwellenlängen liegen häufig im infraroten Bereich ab 800 nm – müssen Hersteller von Messtechnik tief in die Trickkiste greifen. Das beginnt bei der Nanopositionierung über teils zentimeterlange Wegstrecken hinweg. Die dafür benötigten Piezo-Antriebe sind bei rund einem Dutzend LASER-Ausstellern, darunter attocube, nanoFaktur, Physik Instrumente (PI) oder SmarAct zu haben. Piezoelemente, die sich unter Spannung minimal ausdehnen, sorgen in linearen Slip-Stick-Antrieben oder kleinen Rotationstischen für (sub-)-nanometerweisen Vorschub. „Wir haben diese Antriebstechnologie in den letzten zwei Jahrzehnten in verschiedensten Anwendungsumgebungen stetig weiterentwickelt, sodass wir nun spezifische Lösungen für niedrigste Temperaturen, Ultrahoch-Vakuum-Umgebungen und starke Magnetfelder anbieten können“, erklärt attocube-CEO Peter Kraemer. Diese Nanopositioniertechnik finde sich heute in extrem anspruchsvollen Umgebungen: Wafer-Inspektionssysteme, Teilchenbeschleuniger, Spezialmikroskope – und zunehmend auch in Quantencomputern.

Dabei arbeiten interferometrische Messsysteme und Positioniertechnik Hand in Hand. So berichtet SmarAct-Experte Semjon Köhnke: „Die Messtechnik dient häufig als Werkzeug zur genauen Positionsbestimmung. Wir integrieren sie in unsere Positioniersysteme, um deren Bewegung bis in den Sub-Nanometerbereich nachzuregeln. Unsere Kunden bekommen so eine fertige Lösung, bei der sie lediglich die Wunschposition an die Steuereinheit übergeben müssen. Die per Interferometer gemessene Position wird in einen Steuercontroller gespeist, der auf die jeweilige Wunschposition nachregelt“. Auch hiervon machen vor allem Hightech-Anwender und Spitzenforscher Gebrauch, die mit SmarAct-Lösungen in Grenzbereiche des technisch Machbaren vorstoßen: Sei es präzise Echtzeitregelung unter Berücksichtigung von vibrations- und temperaturbedingten Drifts in Synchrotron-Experimenten, integriertes Messen und Positionieren in kryogenen Umgebungen des Quantencomputings oder sub-nm-genaue Waferinspektion. Die Interferometer erreichen dafür Signalauflösungen bis 1 pm. Herzstück ist ein kompaktes Michelson-Interferometer, das die Differenz zweier Laserstrahlwege misst. Der Referenzstrahl wird dafür auf nahezu null fixiert, indem eine Strahlteiler-Seite mit einer hochreflektiven Spiegelschicht bedampft wird. Der Messstrahl dagegen tritt durch die andere, antireflexbeschichtete Seite des Strahlteilers aus. Da im Pikometerbereich selbst der Einfluss von Temperatur- und Druckschwankungen auf den Brechungsindex der Luft zählt, erfasst SmarAct diese Störeinflüsse sensorisch, um sie rechnerisch aus den Messwerten eliminieren zu können. Alternativ können beide Teilstrahlen Richtung Messobjekt gelenkt werden, wo der Referenzstrahl eine positionsfeste Basis misst. „Da die Störeinflüsse hier gleichermaßen auf beide Strahlen wirken, egalisieren sie sich“, so Köhnke.

Präzisionsgarant Interferometrie

Das Eliminieren von Umwelteinflüssen ist in den Nano- und Pikometerwelten zentral. Daher liefert SIOS Meßtechnik laserinterferometrische Präzisionsmessgeräte für die Kalibrier- und Nanomesstechnik laut Sales Manager Peter Grundschok inklusive massiver Akustikhauben, um Messungen von Schwingungen und anderen Störeinflüssen abzukapseln. Zudem sind temperaturstabile Materialien wie die Glaskeramik Zerodur und das Metall Invar im Einsatz. Sie minimieren ausdehnungsbedingte Drifts selbst beim Messen in klimatisierten Kammern. Zur zusätzlichen Absicherung dienen kalibrierte Umweltsensoren und Interferometer, welche differenziell alle Positionen des Messtischs in x-, y- und z-Bewegungsrichtung erfassen. Und um dauerhaft optimalen Betrieb dieser Nanomessmaschinen zu gewährleisten, biete man Kunden Anwendertrainings und berate sie intensiv bei der Auswahl und Vorbereitung des Aufstellorts. Zur Kundschaft zählen diverse Nationale Messinstitute, darunter auch die PTB.

„Der Trend in der Messtechnik geht zu noch höheren Messauflösungen bei immer kleineren Positionierungsschritten gepaart mit schnelleren Zustellbewegungen“, sagt Grundschok. Für Wafer- und Chiphersteller biete man die dauerhafte Integration differenzieller Interferometer in deren Anlagen an. Andere Kunden nutzten die adaptierte Messtechnik zum Kalibrieren von Koordinatenmessmaschinen oder Werkzeugmaschinen für Hochpräzisionsprozesse, wobei leichtes, zuverlässiges Handling und schnelle Inbetriebnahme gefragt sei. Auch Cantilever (Messnadeln) in Rasterkraftmikroskopen werden mit Nanomesstechnik von SIOS kalibriert. Hier schließt sich der Kreis: Denn jene ultrapräzisen EUV-Spiegel, die Chipstrukturen im einstelligen Nanometerbereich ermöglichen, werden per Atomic Force Microscopy (AFM) auf ihre Maßhaltigkeit hin geprüft. Die per laserinterferometrischer Vibrometrie kalibrierten AFM-Mikroskope bieten nm-genaue Oberflächenabbildungen auf molekularer Ebene.

Wenn Alltagstechnik in Nanostrukturbereiche vordringt, bewegen sich die messtechnischen Möglichmacher der Miniaturisierung längst in Pikowelten. Zugleich treiben sie die Robustheit ihrer Messtechnik voran. AMETEK Zygo bietet vibrationsresistente Interferometrie unter nicht kontrollierten Umweltbedingungen an. Was dahinter steckt, erklärt Account Manager Torsten Glaschke: „Die voll-dynamischen Messungen basieren einerseits auf dem bekannten Carrier-Fringe-Verfahren. Hierbei wird ein binnen Mikrosekunden aufgenommenes statisches Viel-Streifenmuster per Fourier Analyse ausgewertet. Durch ausreichende Mittelung lassen sich Störeinflüsse von Schwingungen und Turbulenzen, die jedes einzelne der aufgenommenen Streifenbilder enthält, eliminieren“. Bei weniger starken Schwingungen komme Zygos selbst entwickelter vibrationsrobuster Auswertealgorithmus “QPSI“ ins Spiel. Diese Modell-basierte phasenschiebende Messung eliminiere Messartefakte, die sonst bei leichter bis moderater Vibration auftreten. Rückt die Laser-Interferometrie so näher an Produktionsprozesse heran? Glaschke sieht die Vorteile eher in höheren Messgenauigkeiten, klarerer Nachvollziehbarkeit, erhöhter Zuverlässigkeit und sinkendem Aufwand der Messprozesse. Der Erfolg stellt sich bereits ein. Vor allem aus der Halbleiterindustrie registrieren die Enabler der Miniaturisierung stark steigende Nachfrage nach hochpräziser Messtechnik.

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