Untersuchungen zur Positioniergenauigkeit der NanoFabrikationsmaschine (NFM-100)

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit der Analyse der Positioniergenauigkeit einer neuen Nano-Fabrikationsmaschine. Diese Maschine verwendet ein planares Direktantriebssystem und hat einen Positionierbereich von 100 mm im Durchmesser. Die Positioniergenauigkeit wurde in verschiedenen Bewegungsszenarien untersucht, einschließlich Phasen der Beschleunigung und Abbremsung. Auch die Positionsabweichung bestimmter Bewegungen wird bei unterschiedlichen Positionen des Maschinentisches betrachtet. Derzeit ist die NFM-100 mit einem spitzenbasierten Messsystem ausgestattet. Dieses Rasterkraftmikroskop (AFM) verwendet aktive Mikroantilever, die auch für die Field-Emission-Scanning-Probe-Lithographie (FESPL) geeignet sind. Dieses Verfahren ist in der Lage, Strukturen im Nanometer-Bereich herzustellen. In Kombination mit der NFM-100 und ihrem Positionierbereich können Nanostrukturen im makroskopischen Bereich analysiert und geschrieben werden, ohne jeglichen Werkzeugwechsel. Der Schwerpunkt in diesem Artikel liegt jedoch auf der Mess- und Positioniergenauigkeit des spitzenbasierten Messsystems in Kombination mit der NFM-100 und wird durch wiederholte Messungen verifiziert. Abschließend wird ein Linienscan, der mit beiden Systemen realisiert wurde, über einen großen Bewegungsbereich von 30 mm gezeigt.This contribution deals with the analysis of the positioning accuracy of a new Nano Fabrication Machine. This machine uses a planar direct drive system and has a positioning range up to 100 mm in diameter. The positioning accuracy was investigated in different movement scenarios, including phases of acceleration and deceleration. Also, the target position error of certain movements at different positions of the machine slider is considered. Currently, the NFM-100 is equipped with a tip-based measuring system. This Atomic Force Microscope (AFM) uses self-actuating and self-sensing microcantilevers, which can be used also for Field-Emission-Scanning-Probe-Lithography (FESPL). This process is capable of fabricating structures in the range of nanometres. In combination with the NFM-100 and its positioning range, nanostructures can be analysed and written in a macroscopic range without any tool change. However, the focus in this article is on the measurement and positioning accuracy of the tip-based measuring system in combination with the NFM-100 and is verified by repeated measurements. Finally, a linescan, realised using both systems, is shown over a long range of motion of 30 mm

Development of an integrated guiding and actuation element for high dynamic nanopositioning systems

In nano precision technology, actuating along the vertical axis is a special challenge because of the permanent gravitational force. In this paper, the development of an integrated guiding and actuation element for the vertical motion is presented. A pneumatic-cylinder-like setup is used with its pressure being load controlled, to compensate the gravitational force of the load. An additional electromagnetic drive creates only dynamic forces for the precision motion, keeping the ohmic heat emission to a minimum. For the vertical guiding an aerostatic bushing is used. The whole setup sits on a planar aerostatic bearing pad. Therefore, translational friction can be neglected. Initial testing results of such a unit are presented and an outlook for future research work is given

Tip- and laser-based 3D nanofabrication in extended macroscopic working areas

The field of optical lithography is subject to intense research and has gained enormous improvement. However, the effort necessary for creating structures at the size of 20 nm and below is considerable using conventional technologies. This effort and the resulting financial requirements can only be tackled by few global companies and thus a paradigm change for the semiconductor industry is conceivable: custom design and solutions for specific applications will dominate future development (Fritze in: Panning EM, Liddle JA (eds) Novel patterning technologies. International society for optics and photonics. SPIE, Bellingham, 2021. https://doi.org/10.1117/12.2593229). For this reason, new aspects arise for future lithography, which is why enormous effort has been directed to the development of alternative fabrication technologies. Yet, the technologies emerging from this process, which are promising for coping with the current resolution and accuracy challenges, are only demonstrated as a proof-of-concept on a lab scale of several square micrometers. Such scale is not adequate for the requirements of modern lithography; therefore, there is the need for new and alternative cross-scale solutions to further advance the possibilities of unconventional nanotechnologies. Similar challenges arise because of the technical progress in various other fields, realizing new and unique functionalities based on nanoscale effects, e.g., in nanophotonics, quantum computing, energy harvesting, and life sciences. Experimental platforms for basic research in the field of scale-spanning nanomeasuring and nanofabrication are necessary for these tasks, which are available at the Technische Universität Ilmenau in the form of nanopositioning and nanomeasuring (NPM) machines. With this equipment, the limits of technical structurability are explored for high-performance tip-based and laser-based processes for enabling real 3D nanofabrication with the highest precision in an adequate working range of several thousand cubic millimeters

Vergleich der Scan-Performance bei Nanopositioniersystemen mit großem Bewegungsbereich

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit werden zwei Nanopositioniersysteme in Bezug auf ihre Positioniergenauigkeit während der Bewegung verglichen. Beide Systeme besitzen einen planaren Bewegungsbereich von ≥ 100 mm, werden durch Linearmotoren angetrieben und die Position wird durch Laserinterferometer gemessen. Große Unterschiede existieren jedoch im mechanischen Aufbau. Das erste Positioniersystem ist ein zweiachsiger Demonstrator dessen zwei Läufer auf Wälzkörpern gelagert sind. Dies führt zu dem Problem der besonders im Nanometerbereich stark nichtlinearen Reibung. Bei dem zweiten Positioniersystem kommen Luftlager zum Einsatz und darüber hinaus handelt es sich nur um einen Läufer, welcher drei Freiheitsgrade besitzt. Es wird gezeigt, dass durch regelungstechnische Methoden der Reibkraftkompensation die Positioniergenauigkeit beider Systeme bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 1 mm/s vergleichbar ist.</jats:p