Gesamtliste der Publikationen

Atomic Force Microscopes are capable to provide non-destructive high resolution, CD-metrology and precise defect analysis. However, a conventional AFM has not enough throughput for today's large scale semiconductor manufacturing. The primary point remains the increase of the scanning area in case of large wafers, masks, displays or dies. Cantilever array-based AFMs are intended to increase the imaging throughput by parallelizing the work of many AFM probes that may be practiced by parallel AFM systems that are capable to operate autonomously. An active cantilever scheme makes it possible to sense electronically the deflection and individually to control the actuation of every cantilever in the array. Each cantilever in the array represents a self-sustaining AFM-hardware system for metrology and imaging. In that, the multiple parallel probes are forming many AFMs capable to work independently.

In der vorliegenden Dissertationsschrift werden drei neue interferometrische Messanwendungen in der Form- und Längenmesstechnik entwickelt und untersucht, die auf einer optischen Direktantastung technischer Oberflächen beruhen. Die angetasten Oberflächen unterscheiden sich in Form, Rauheit und Reflexionsgrad deutlich von ebenen Spiegeln, was eine Anpassung der antastenden Wellenfronten im Interferometer erfordert. Zu den betrachteten Anwendungen gehören eine interferenzoptische Rundheits- und Rundlaufmessung, eine interferenzoptische Durchmessermessung an Lehrringen und eine interferenzoptische Kavitätslängenmessung. Für die Realisierung der interferenzoptischen Anwendungen wurden vier technische Konzepte abgeleitet, miteinander kombiniert und in Technologiedemonstratoren umgesetzt. Das erste technische Konzept ermöglicht eine interferenzoptische Direktantastung gekrümmter Oberflächen durch die Anpassung der Wellenfronten im Messstrahl an die Oberflächenform. Dies wird durch die Einbindung einer adaptiven Optik erreicht. Das zweite Konzept sieht die Kopplung eines Laserinterferometers mit einem Weißlichtinterferometer vor, um eine absolute optische Längenmessungen mit hoher Präzision (Auflösung im Nanometerbereich) und einem großen Messbereich (mehrere hundert Millimeter) durchführen zu können. Das Weißlichtinterferometer wird gemäß dem dritten technischen Konzept mit kompakten, sehr langlebigen, lichtwellenleitergekoppelten LEDs betrieben, die ein breiteres optisches Spektrum aufweisen als Superlumineszenzdioden (SLD), aber auch eine geringere Lichtausgangsleistung. Um im Weißlichtinterferometer ausreichend Lichtleistung zur Erzeugung von Interferenzsignaturen zur Verfügung stellen zu können, werden Multimode-Lichtwellenleiter (MM-LWL) eingesetzt. Diese MM-LWL verursachen aufgrund von Speckle-Effekten einen kontrastmindernden Effekt im Weißlichtinterferometer, der sich auf die geeignete Einstellung der Interferenzstreifenbreite auswirkt. Dieser Effekt wurde untersucht und mathematisch modelliert, um die Interferometerkonstruktion zu optimieren. Das vierte technische Konzept beschreibt den Einsatz achromatisch polarisierender Optikelemente im Weißlichtinterferometer. Es werden die Eigenschaften dieser achromatischen Optiken und deren Vorteile für eine effiziente Strahlführung im Weißlichtinterferometer untersucht und beschrieben. Neben einem Funktionsnachweis der interferenzoptischen Durchmessermessung wurden für die interferenzoptische Rundheits- und Rundlaufmessung und die interferenzoptische Kavitätslängenmessung automatisierte Messprozesse umgesetzt, die anschließend messtechnisch charakterisiert werden konnten. Für Messergebnisse einer interferenzoptischen Rundheitsmessunge wird eine erweiterte Messunsicherheit von U = 50 nm (k = 2 u. P = 95 %) erreicht. Eine interferenzoptische Längenmessung an einer Kavität mit dem Nennmaß von l = 10 mm in der Nanopositionier- und Messmaschine NMM-1 garantiert Messergebnisse mit einer erweiterten Messunsicherheit von U = 5 nm (k = 2 u. P = 95 %).

Die vorliegende Arbeit widmet sich der messtechnischen Untersuchung von Rohranlegethermometern, welche eine spezielle Bauform der an Oberflächen messenden Berührungsthermometer darstellen. Ihre Befestigung an ein Rohrstück erfolgt dabei i. d. R. durch lösbare Montage. Ziel der Messung mittels Rohranlegethermometern ist i. A. die Bestimmung der Mediumstemperatur im Inneren eines durchströmten Rohres. Bislang existieren nur wenige Veröffentlichungen, Normen und Richtlinien, die Herangehensweisen zur messtechnischen Charakterisierung und Vergleich von Rohranlegethermometern beschreiben. An Hand theoretischer Betrachtungen von verschiedenen Einflussgrößen, wie Strömungsgeschwindigkeit, Rohrgeometrie, Umgebungsbedingungen etc. wird deutlich, dass diese häufig in Wechselwirkung treten und nur zusammen betrachtet werden sollten. Um die Einflussgrößen auf die Messung mittels Rohranlegethermometern besser ergründen zu können, wurde ein neuer Prüfstand auf Basis von Sattdampf konzipiert, aufgebaut und erfolgreich verifiziert. Es wurde zudem nachgewiesen, dass mit einem auf Wasser basierenden Prüfstand reproduzierbare Messungen über einen weiten Mediumstemperaturbereich durchgeführt werden können. Mit Hilfe von kommerziell erhältlichen Rohranlegethermometern erfolgten experimentelle Untersuchungen praxisrelevanter Einflussgrößen. Wesentliche Einflussgrößen konnten neben der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums u. a. in der Reproduzierbarkeit durch die Montage, dem thermischen Kontaktwiderstand zwischen Rohr und Thermometer sowie einer erzwungenen Konvektion in der Umgebung gefunden werden. Mittels Isolierung von Rohr und Thermometer konnte z. T. eine Reduzierung von Einflussgrößen auf die Messung erreicht werden. Insgesamt zeigt sich, dass bei der Messung von Rohranlegethermometern eine genaue Kenntnis der Eigenschaften des Gesamtsystems, bestehend aus Medium, Rohr, Thermometer mit Kontaktwiderstand und Umgebung, erforderlich ist. Aus den durchgeführten experimentellen Untersuchungen heraus folgen Empfehlungen zur Ermittlung wichtiger charakterisierender Kenngrößen von Rohranlegethermometern unter reproduzierbaren Bedingungen. Zusammenfassend wird dem Leser somit die Möglichkeit gegeben, Rohranlegethermometer besser verstehen, bewerten, auswählen und anwenden zu können. Des Weiteren wurde der Grundstein für zukünftige Normen und Richtlinien gelegt.

Maskenlose Fotolithografie findet auch abseits der Halbleitertechnik hohe und immer weiterwachsende Bedeutsamkeit [1, 2]. Als dauerhaftes und wesentliches Entwicklungsziel hat sich die Vergrößerung der Packungsdichte der Mikro- bzw. Nanostrukturen herausgestellt. Dazu ist es nötig die angewendeten Lithografieprozesse zu optimieren und die Strukturen mit sehr hoher Präzision und einer sehr guten Reproduzierbarkeit zu fertigen. Eine Form der maskenlosen Lithografie wird durch Direct-Laser-Writing (DLW) beschrieben [3]. Bei diesem Prozess ist die Strukturbreite von der Fokussierbarkeit und der axialen Ausrichtung des verwendeten Fabrikationslasers abhängig. Um die Präzision dieser Lithografieanwendung und der zu entwickelnden Strukturgeometrie zu erhöhen, wird eine Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPMM) zur relativen Ausrichtung der beschichteten Probe zum Laserstrahl verwendet [4]. Ein neuentwickelter chromatisch-konfokaler Sensor scannt dafür die Topographie der Probenoberfläche und regelt den Maschinenhub so nach, dass der Polymerisationsprozess stets in der Brennebene des Fabrikationslasers stattfindet.