Charakterisierung von Mikrokugeln auf der Basis von AFM-Oberflächenscans. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (ix, 136 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024
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.
https://doi.org/10.22032/dbt.61581
Uncertainty of surface temperature measurement in coordinate measuring machines :
Unsicherheit der Oberflächentemperaturmessung in Koordinatenmessgeräten. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 0 (2024), 0, S. 1-10
In der Präzisionslängenmesstechnik ist die Werkstücktemperatur aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Materialeigenschaften eine wichtige Einflussgröße und liefert einen Beitrag zur Messunsicherheit. Neben den Einflüssen der Umgebung wie Temperaturschwankungen oder Bodenschwingungen auf das Koordinatenmessgerät selbst spielen auch die Einflüsse der Umgebung auf das Werkstück eine wichtige Rolle. Hierzu zählt neben den Temperaturschwankungen im Raum auch die jeweilige Vortemperierung der Werkstücke. Insbesondere führen die vorherige Bearbeitung und die Lagerung des Werkstücks zu Unterschieden zwischen der Oberflächen- und der Innentemperatur. Je größer die Genauigkeit der Temperaturbestimmung ist, desto kleiner sind die Messabweichungen. Deshalb wird zum Beispiel in Koordinatenmessgeräten während der Längenmessung die Temperatur im Messraum überwacht sowie die Temperaturen an der Oberfläche der Längenmesssysteme an den Messachsen und an der Oberfläche des Werkstücks erfasst und zur Onlinekorrektur der Messwerte verwendet. Zur Bestimmung der Werkstückoberflächentemperatur und der Kompensation dieser Temperatureinflüsse werden sowohl an den Werkstücken statisch, durch Magnete, befestigte Werkstücktemperatursensoren (Magnetfühler) verwendet als auch vor der Längenmessung automatisch einwechselbare Werkstücktemperatursensoren (Taster). Die Messunsicherheit dieser Temperatursensoren wird meist durch Kalibrierung in Flüssigkeitsbädern bestimmt. Dabei werden jedoch die Messunsicherheitsanteile, die durch das Aufsetzen auf die Oberfläche entstehen, nicht berücksichtigt. Diese Messunsicherheitsanteile wurden umfassend untersucht und werden im Beitrag vorgestellt.
https://doi.org/10.1515/teme-2024-0036
Introduction and application of a new approach for model-based optical bidirectional measurements. - In: Measurement science and technology, ISSN 1361-6501, Bd. 35 (2024), 8, 085014, S. 1-10
Accurate measurements of micro- and nanoscale features in optical microscopy demand comprehensive modelling approaches. In this study, we introduce an enhanced evaluation method, utilizing rigorous simulations based on a finite element method algorithm within an advanced Bayesian optimization framework. We provide an in-depth explanation of the measurement process, including the dimension reduction techniques applied to the acquired measurement data. Additionally, we employ Hopkins’ approximation or also referred to as local Hopkins’ methods for an efficient microscopic image simulation, resulting in a significant reduction of the computing time. We applied this method to measure the linewidths of six different chrome lines, nominally 300 nm-1000 nm wide, on a glass substrate. Our results show an excellent agreement with previous investigations conducted using various measurement systems, including atomic force microscopy, scanning electron microscopy, and optical microscopy in combination with different measurement evaluation techniques.
https://doi.org/10.1088/1361-6501/ad4b53
Investigations on tip-based large area nanofabrication and nanometrology using a planar nanopositioning machine (NFM-100). - In: Measurement science and technology, ISSN 1361-6501, Bd. 35 (2024), 8, 085011, S. 1-14
This paper explores large area application of tip-based nanofabrication by field emission scanning probe lithography and showcases the simultaneous possibility of atomic force microscopy on macroscopic scales. This is made possible by the combination of tip-based technology and a planar nanopositioning and nanomeasuring machine. Using long range atomic force microscopy measurement of regular grating structures, the performance of the machine is thoroughly characterized over the full 100 mm range of motion of the positioning machine, which was confirmed by repeated measurements. After initially focussing on achieving the minimum line width of 40 nm in microscopic areas, a grating with a pitch of 1 μm is additionally fabricated over a total length of 10 mm, whereby the dimensions and deviations are also considered.
https://doi.org/10.1088/1361-6501/ad4668
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
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
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
High-precision nanopositioning and nanomeasuring machines for alternative nanofabrication. - In: Novel Patterning Technologies 2024, (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
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
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