Dissertationen

Taktile Koordinatenmessgeräte (KMGs) werden zur präzisen Charakterisierung komplexer Bauteile eingesetzt. Bei solchen Messgeräten wird die zu erfassende Oberfläche des Werkstücks in der Regel von einem sphärischen Element angetastet. Durch die Entwicklung von Mikro- und Nano-KMGs steigen die Anforderungen an das Antastelement hinsichtlich der Größe und Form. Benötigt werden Antastkugeln mit Radien im Submillimeterbereich. Die präzise Charakterisierung von Mikrokugeln stellt daher einen entscheidenden und derzeit limitierenden Faktor in der erfolgreichen Anwendung von Mikro- und Nano-KMGs dar. Der Beitrag dieser Arbeit liegt deshalb in der Weiterentwicklung bisheriger Ansätze zur Messung von Mikrokugeln, um die Leistungsfähigkeit von Mikro- und Nano-KMGs nachhaltig zu verbessern. Die Untersuchungen wurden mithilfe einer Nanomessmaschine (NMM-1, SIOS) durchgeführt. Es wurde eine neuartige Strategie implementiert bei welcher die Kugeloberfläche durch mehrere Oberflächenscans abgetastet und anschließend durch einen Stitching-Algorithmus rekonstruiert wird. Als Oberflächensensor wurde ein Atomkraftmikroskop (AFM) im Kontaktmodus genutzt. Zur Korrektur des Einflusses der AFM-Spitze wurde ein Messprozess entwickelt, bei dem der Kugelradius auf eine scharfe Kante zurückgeführt wird. Zur Optimierung und Unsicherheitsermittlung wurde ein auf Simulationen basierendes Modell des Messprozesses erstellt. Zur Reduktion der Komplexität sind die meisten Untersuchungen innerhalb dieser Arbeit auf die Messung eines Großkreises der Kugel (Äquator) beschränkt. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Strategie ist für die Charakterisierung von Mikrokugeln geeignet. Sie wurde an Kugeln mit Radien von 60 µm, 100 µm und 150 µm getestet. Der Einfluss der AFM Spitze wurde durch den Einsatz unterschiedlicher Spitzen mit nominellen Radien von 200 nm bis 2 µm untersucht. Es konnte eine Wiederholbarkeit von 5 nm über 11 Wiederholungen erreicht werden. Hinsichtlich der erreichbaren Messunsicherheit steht eine experimentelle Validierung des entwickelten Modells noch aus. Dazu ist unter anderem die Reinigung von Mikrostrukturen zu optimieren.

Im Rahmen der Energiewende nehmen thermische Energiespeicher eine wichtige Rolle in der mittel- bis langfristigen Energiespeicherung erneuerbarer Energien ein. Dabei können thermische Schichtenspeicher grundsätzlich hohe exergetische Effizienzen erreichen, sofern die thermische Schichtung mit hohen Temperaturgradienten in der Thermokline lange aufrecht erhalten bleibt. Da typische Speicherseitenwände aus Metall als Wärmebrücke zwischen den Schichtungszonen wirken und parasitäre Wandschichtströmungen entlang der vertikalen Wände anregen, sorgen sie für eine Reduktion der Speichereffizienz. Da die hohen statischen Belastungen sowie korrosive Eigenschaften verschiedener Speicherfluide den Austausch des Wandmaterials nicht einfach erlauben, müssen die Wandschichtströmungen besser verstanden werden, um sie dann gezielt durch andere Maßnahmen vermeiden zu können. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher mit Hilfe messtechnischer, analytischer und numerischer Methoden die parasitären Strömungen und damit einhergehende physikalische Phänomene charakterisiert. Die Untersuchungen basieren maßgeblich auf optischen Strömungs- und Temperaturmessungen, welche in einem eigens entwickelten Modellexperiment eines thermischen Schichtenspeichers durchgeführt werden. Nach einer exergetischen Analyse der Modellzelle und numerischen Voruntersuchungen werden zeitgemittelte und zeitaufgelöste Messungen der parasitären Strömungen durchgeführt. Die zeitgemittelten Messungen zeigen zwei gegenläufige Wandschichtströmungen, welche in der Thermokline abgebremst werden und Rückströmungsgebiete ausbilden. Mittels einer Skalierungsanalyse sind diese Effekte auf die hohen Dichtegradienten innerhalb der Thermokline zurückzuführen. Anhand der zeitaufgelösten Messungen wurden dominante Frequenzen in der Wandschichtströmung auf den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung zurückgeführt. Zudem wird gezeigt, dass im Fernfeld der Wand weitere periodische Oszillationen angeregt werden, welche die thermische Schichtung weiter durchmischen. In abschließenden Untersuchungen an einem großskaligen Salzschmelzenspeicher werden die gleichen Fluktuationen nachgewiesen und es wird gezeigt, dass sie in den Randbereichen der Thermokline verursacht werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern somit die Grundlagen, um zukünftige Schichtenspeicher gezielt verbessern zu können und so deren Effizienz zu steigern.

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.

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.

In dieser Arbeit werden Grundlagen und Anwendungen der Gasphasen Elektrodeposition erarbeitet. Der Begriff steht für ein Zusammenspiel von Aerosolphysik und konventioneller Abscheidungstechnologie. Das aus einer Funkenentladung erzeugte Material wird durch einen Plasmastrahl direkt zu Punkten auf einem Substrat transportiert, wo sich das Material lokal oder in Mikrofilmen abscheidet. In dieser Arbeit wurden drei entscheidende theoretische Aspekte (i-iii) und drei praktische Aspekte (iv-vi) herausgearbeitet. (i) Die beiden Schlüsselparameter Funkenentladungsleistung und Trägergasfluss beeinflussen den von den geladenen Spezies getragenen elektrischen Strom, die erzeugte Masse/Größe der Nanopartikel und die resultierende Mikro-/Nanostrukturmorphologie. Langmuir-Sonden-Messungen zeigen mindestens zwei Transportzonen – eine vom Gasfluss dominierte und eine vom elektrischen Feld dominierte Zone. Die Gasströmung ist der Hauptfaktor, nicht nur für die Partikelgeschwindigkeit in der Transportzone, sondern auch für die Verteilung des elektrischen Potenzials und des elektrischen Feldes im Reaktor. In der Nähe des Substrats bildet sich ein elektrischer Feldgradient aus. Der Transport wechselt von der Gasströmung zum E-Feld. Die Komponente des elektrischen Feldes zeigt zur Oberfläche hin. (ii) Der elektrische Strom und die gravimetrische Analyse zeigen, dass die Stickstoff Ionen im Vergleich zu den erzeugten Metallpartikeln deutlich in der Überzahl sind. In Anbetracht der Mikro-/Nanostrukturmorphologie erweist sich die Leistung der Entladung als der wichtigste Parameter. Eine niedrige Funkenleistung in Verbindung mit einem geringen Gasfluss führt zu dendritischen Partikeln. Im Gegensatz dazu führt eine höhere Funkenleistung in Verbindung mit einem höheren Gasfluss zu kompakten Schichten. Dieses zweidimensionale Parameterfeld ermöglicht eine maßgeschneiderte Schichtmorphologie und Abscheiderate. (iii) Bei konstantem Gasdurchsatz führt ein kleinerer Reaktordurchmesser zu einem turbulenteren Strömungsverhalten. Dieses Verhalten ist unabhängig vom Gaseinlass, der die Partikelkonzentration im Plasmastrahl beeinflusst. Ein statistisches Modell führt zu einem besseren Verständnis der Gasphasen Elektrodeposition. Zusätzlich zur üblichen Standarddiffusion treten in eine bestimmte Richtung auch lange super-diffusive Flüge der erzeugten Teilchen auf, wenn ein zusätzliches elektrisches Feld vorhanden ist. Die gewonnenen theoretischen Erkenntnisse halfen bei der Gasphasen Elektrodeposition von (iv) Mikrofilmen, (v) lokalisierten selbstausrichtenden lateralen Metall-Nanobrücken und (vi) lokalisierten selbstausrichtenden vertikalen Leiterbahnen.