Nano-Messung in der dritten Dimension

Vom Bewegungssensor bis zum Computerchip – in vielen Produkten des täglichen Lebens sind Bauteile verarbeitet, deren Funktionsweise auf kleinsten Strukturen in der Größe von tausendstel oder gar millionstel Millimetern basiert. Diese Mikro- und Nanostrukturen müssen exakt gefertigt werden, damit das Gesamtsystem am Ende reibungslos funktioniert.

Da ist der Blick aufs Detail nötig, und deshalb haben Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ein metrologisches Rastersondenmikroskop zu einem Mikro- und Nano-Koordinatenmessgerät weiterentwickelt. Damit ist jetzt die Messung dimensioneller Größen mit Nanometer-Auflösung auch an dreidimensionalen Objekten in einem außergewöhnlich großen Messbereich von 25 mm × 25 mm × 5 mm möglich. Das neue Gerät in der PTB ist bereits ausgiebig in Betrieb – ein großer Anteil sind Kalibrieraufträge aus Industrie und Forschung.

Vielfach werden solch kleine Dimensionen erst begreifbar, wenn sie auf Alltagsgrößen übertragen werden: Angenommen, jemand würde ein Stück Würfelzucker auf einem Gebiet von 25 Quadratkilometern verlieren – das neue Mikro- und Nano-Koordinatenmessgerät würde es nicht nur finden, sondern auch seine genaue Lage und Form bestimmen. Dies gilt nicht nur auf ebenen Flächen, sondern auch für dreidimensionale Landschaftsformen, wenn das Zuckerstück beispielsweise an einer Steilwand kleben würde.

Da immer mehr Bauteile mit Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich industriell zum Einsatz kommen, wird die dimensionelle Messtechnik an solchen Strukturen immer wichtiger. Um den wachsenden Anforderungen an 3D-Messungen von Mikro- und Nanostrukturen gerecht zu werden, wurden in der PTB neu entwickelte 3D-Messtaster in ein metrologisches Rastersondenmikroskop eingebaut, das auf einem kommerziellen Nano-Positioniersystem mit integrierten Laser-Wegmesssensoren der SIOS Messtechnik GmbH basiert. Neue Funktionalitäten durch Messtaster und Software erweitern das Rastersondenmikroskop zu einem metrologischen Mikro- und Nano-Koordinatenmessgerät (KMG), mit dem auch normgerechte 3D-Messungen an Mikro- und Nanostrukturen möglich sind.

In internationalen Ringvergleichen an Stufenhöhen-Normalen und Gitterstrukturen hat sich gezeigt, dass das Messsystem weltweit zu einem der präzisesten Geräte seiner Art gehört. Bei Stufenhöhen sind Messunsicherheiten im Sub-Nanometerbereich und bei Messungen des mittleren Strukturabstands an ausgedehnten Gitternormalen sogar im Bereich von 10 Pikometern erreicht und im Vergleich mit optischen Beugungsmessverfahren bestätigt worden.

Das neue Messgerät steht für dimensionelle Präzisionsmessungen mit nm-Auflösung an 3D-Mikro- und Nanostrukturen wie Mikrozahnrädern, Mikrokugeln, Härte-Eindringkörpern und Nanogitter-Normalen sowie für Maßvergleiche und als Plattform für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben zur Verfügung. Es stellt ein wichtiges Bindeglied zwischen der Nano-, Mikro- und Makrokoordinatenmesstechnik dar.

Ansprechpartner
Dr. Gaoliang Dai, PTB-Arbeitsgruppe 5.25 Rastersondenmetrologie,
Tel. (0531) 592- 5127, E-Mail: Gaoliang.Dai@ptb.de