| Nachrichten aus dem Jahresbericht 2006 |
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Grundlagen der Metrologie |
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| Test einer elektrostatischen Nanokraftmesseinrichtung |
Zur Messung statischer Kräfte im Nanonewtonbereich wurde das Prinzip der elektrostatischen Steifigkeitsreduktion und elektrostatischen Auslenkungskompensation eines Scheibenpendels unter-sucht. Eine erste Kraftmessung an Luft mit reduzierter Steifigkeit des Pendels (3·10-3 N/m) und einer Kraftauflösung < 0,1 nN konnte erzielt werden.
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| Präzise Bestimmung der Oxidschichtdicke der Avogadrokugel |
Für das Avogadroprojekt wird eine Messunsicherheit der Oxidschichtdicke d einer isotopenreinen
28Si-Einkristallkugel von δd = 0,1 nm bei d ≈ 5 nm angestrebt. Aufgrund der Abhängigkeit der Wachs-tumsgeschwindigkeit des thermischen Oxids von der Kristallorientierung des Substrats, variiert die Oxiddicke im vorliegenden Fall zwischen 7 nm und 12 nm über der Kugel. Erste Messungen mit einer Kombination von Röntgenreflektometrie (XRR) und Ellipsometrie an einer Testkugel sind erfolgreich durchgeführt worden.
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| Rückführung atomarer Stufen auf die SI-Längeneinheit |
Zur ersten Charakterisierung eines neuen Rasterkraftmikroskops wurden atomare Stufen auf Siliciumoberflächen untersucht. Die großflächig präparierten glatten Flächen mit einzelnen atomaren Stufen konnten dabei sehr gut aufgelöst werden. Die Höhe der atomaren Stufe konnte dabei über das integrierte Differentialinterferometer gut aufgelöst werden. Damit ist eine direkte Rückführung atomar hoher Stufen auf die Längeneinheit möglich.
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| Selbstkalibrierung und Fehleranalyse von Rastersondenmikroskopen |
Selbstkalibrierverfahren mit Artefakten werden in der dimensionellen Messtechnik häufig eingesetzt, um systematische Messabweichungen von Messgeräten festzustellen. Dabei wird ein stabiler Artefakt (z. B. ein Normal) bei verschiedenen Lagen und Orientierungen innerhalb des Messvolumens des Gerätes gemessen, wodurch sich Geräte- von Artefakteigenschaften trennen lassen. Diese etablierte Technik wurde nun erstmals bei einem Rasterkraftmikroskop (SFM) systematisch erprobt
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| Simulation der Elektronentransmission durch Membranen mit Stützstruktur |
Dünne elektronen-permeable Membranen mit Stützstruktur kommen beispielsweise in miniaturisierten Elektronenquellen zum Einsatz und müssen dort hohen Druckunterschieden standhalten (Atmosphärendruck gegen Hochvakuum). Zur Optimierung der Membraneigenschaften wurde mittels Monte Carlo Simulationen die Elektronen-Transmission durch Membranen verschiedener Dicke und Materialzusammensetzung für verschiedene Energien simuliert und hinsichtlich Transmissivität und Winkeldispersion charakterisiert.
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| Deutliche Verringerung der Messunsicherheit bei der Volumenbestimmung für das Avogadro-Projekt |
Eine Präzisionsbestimmung der Avogadro-Konstanten wird als wesentlicher Beitrag in die geplante Neudefinition der SI-Einheit Kilogramm einfließen. Die zu erzielende Messunsicherheit für das Volumen einer 28Si-Einkristallkugel stellt allerdings mit 1·10-8 noch nie erreichte Grenzen auf. Aufwändige Detailarbeit am Kugelinterferometer der PTB ermöglichte nun eine Annäherung an diese Grenze: mit einem optimierten Einsatz feinjustierter Kugelobjektive und nach umfangreichen Untersuchungen zur Messung der Körpertemperatur an Siliziumkugeln konnte die Messunsicherheit um einen Faktor 3 auf ΔV/V = 3,4·10-8 reduziert werden.
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| Absolutinterferometrie mit zwei Diodenlasern unter Nutzung der synthetischen Wellenlänge |
Es wurde ein mit zwei Diodenlasern arbeitendes Absolutinterferometer entwickelt, wobei ein Laser zwischen modulierter und stabilisierter (Rb-D2-Linie) Betriebsart umgeschaltet werden kann, während der zweite Laser ständig auf die Rb-D1-Linie stabilisiert ist.
Das sich daraus ergebende zweistufige Verfahren zur Längenmessung (Messung mittels variabler synthetischer Wellenlänge, weitere Interpolation mittels Zwei-Wellenlängenverfahren) wurde mit einem zählenden Interferometer verglichen. Die Differenz zwischen beiden Verfahren beträgt für Längen bis zu 1 m weniger als ± 0.4 µm.
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| Hochgenaue Bestimmung des Brechungsindex von Wasserdampf mittels Längeninterferometrie |
Bei der Bestimmung des Brechungsindex der Luft mittels empirischer Gleichung („Edlén-Formel“) ist der Feuchteeinfluss eine wesentliche Komponente der erzielbaren Messunsicherheit. Deshalb wurde eine neue Methode entwickelt, mit welcher der Brechungsindex von Wasserdampf bei drei verschiedenen Wellenlängen deutlich genauer als bislang gemessen werden konnte. Die Methode basiert auf sub-nm genauen Längenmessungen im Vakuum und anschließenden Messungen unter wohl definierten Wasserdampfdrücken.
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| Konstruktion und Optimierung eines Schwingungssystems mittels der FEM-Methode |
Um den Bedarf an einem hoch auflösenden Tast- und Positioniersystem für die Mikro- und Nanometrologie abdecken zu können, wurde in Zusammenarbeit mit AG 5.15 ein monolithisches Aktor- und/oder Sensorelement entwickelt. Mithilfe von FEM-Eigenfrequenz-Simulationen waren dabei die seitlichen Festkörpergelenke zu optimieren, die den schwingenden unteren Steg einspannen, ohne selbst schwingen zu dürfen. Ebenso wurde das gesamte Bauteil auf definierte Resonanzfrequenzen ausgelegt.
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| Innenflächen von Zylindern hochwertig beschichtet |
Im Rahmen eines internationalen Weltraumprojektes müssen Zylinder zum Einsatz in Präzisionssensoren innen mit einer Metallschicht versehen werden. Unter Verwendung einer Stabkathode und durch geeignete Anpassung eines Magnetrons war es möglich, die Innenzylinderfläche von nur 10 mm im Durchmesser gleichmäßig zu beschichten.
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Metrologie für die Wirtschaft |
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| Entwicklung einer Kalibriereinrichtung für Härteeindringkörper |
Mit einer neu entwickelten Messeinrichtung können pyramidenförmige und keglige Eindringkörper (Vickers, Berkovich, u.a.) interferentiell kalibriert werden. Die aus der ISO-Normung resultierenden Bedingungen für die Kalibrierung von Härtevergleichsplatten werden damit erfüllt.
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| Neuartige 3D-Normale für die Nanometrologie |
Die BAM (Berlin) und die PTB haben gemeinsam neuartige 3D-Normale entwickelt, die für die Kalibrierung von Rastersondenmikroskopen (SPM) ebenso geeignet sind wie für Kalibrierung von Rasterelektronenmikroskopen (REM), konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopen (CLSM) und vielen anderen dimensionell hochauflösenden Messverfahren. Damit lassen sich die Kalibrierfaktoren aller drei Achsen inkl. der Kopplungen der Achsen in nur einem Kalibrierschritt bestimmen.
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| Mikrotaster für komplexe Mikro- und Nanostrukturen |
Neuartige mikromechanische Sensoren haben die Fertigungskontrolle an komplexen Mikro- und Nanobauteilen einen entscheidenden Schritt voran gebracht. Maß, Form, Lage und sogar Rauheit auch auf senkrechten Wänden von kleinsten Strukturen können nun messtechnisch erfasst werden. Herzstück der zum Patent angemeldeten Sensoren sind Mikrobiegebalken (Cantilever), wie sie aus der Rasterkraftmikroskopie bekannt sind.
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| Integration eines neuen Rasterelektronen-Mikroskopes (REM) in das Elektronenoptische Metrologiesystem (EOMS) |
Das EOMS dient der dimensionellen Charakterisierung von Nano- und Mikrostrukturen, insbesondere auf Masken und Wafern. Um den steigenden Anforderungen an die mikroskopische Strukturantastung aufgrund fortschreitender Miniaturisierung der Messstrukturen begegnen zu können, wurde ein neues, hoch auflösendes ULTRA-REM in das EOMS integriert.
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| Neues Verfahren für die Strukturbreiten-Metrologie im REM |
Ein auf physikalischen Wechselwirkungen basierender, neu entwickelter Auswertealgorithmus erlaubt die umfassende dimensionelle Charakterisierung von im Rasterelektronenmikroskop (REM) gemessenen Mikro- bzw. Nanostrukturen. Der Algorithmus basiert auf einem mathematischen Modell, welches die Abbildung von trapezförmigen Strukturkanten (Steg oder Graben) im REM beschreibt und parametrisiert.
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| Untersuchung eines neu entwickelten Winkelinterferometers zur Kalibrierung kleiner Winkel |
Ein in der PTB entwickeltes hoch auflösendes Winkelinterferometer wurde durch Vergleichsmessungen auf dem Winkelkomparator im Reinraumzentrum untersucht. Innerhalb des vollen Messbereichs von
± 6° ergaben sich in mehreren Teilmessbereichen von ± 1000" maximale Messdifferenzen zwischen Winkelinterferometer und Komparator von ± 0,003" bei Standardabweichungen von 0,002". Die Ergebnisse sind eine wichtige Grundlage zur Verwendung des Winkelinterferometers in einem neuen Messplatz, der vor allem zur Kalibrierung hochgenauer Autokollimatoren genutzt werden soll.
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| Neuartige Prüfkörper für die Mikro-Koordinatenmesstechnik |
Um Sensoren und Messgeräte für die Messung kleiner Geometrien (Abmessungen ca. 1 µm - 1 mm) gemäß den Normen und Richtlinien der Koordinatenmesstechnik (ISO 10360, VDI 2617) zu prüfen, wurden neuartige Prüfkörper realisiert. Für die Fertigung dieser Kugelplatten und Kugelkalottenwürfel kamen Erodier- und Trommelpolierverfahren zum Einsatz, um eine sowohl für optische als auch für taktile Sensoren geeignete, sog. „kooperative“ Prüfkörperoberfläche zu erhalten.
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| Kalibrierung einer Mikroverschiebeeinheit durch sequentielle Multilateration |
Ein in der PTB entwickeltes Verfahren für die Kalibrierung von Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen wurde erstmals auf eine hochgenaue Mikroverschiebeeinheit angewendet. Das Verfahren erwies sich auch für diesen Einsatz als sehr gut geeignet. In sehr kurzer Messzeit konnten Positions- und Geradheitsabweichungen sowie Nicken, Gieren und Rollen aller Achsen mit höchster Präzision erfasst werden.
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| Neue Messmethode für einen taktil-optischen 3D-Mikrotaster |
Es wurde eine neuartige Messmethode entwickelt, die mit dem taktiloptischen Mikrotaster die volle 3D-Messfähigkeit erreicht. Sie nutzt die Specklemuster, die sich ergeben, wenn eine kohärente Laser-Lichtquelle zur Beleuchtung des Tastelementes verwendet wird. Die Methode kommt ohne zusätzliche Hardware am Messgerät aus, wodurch der bisherige Einsatz eines zweiten Kamerasystems entfällt.
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| Dienstleistungen für Verzahnungs- und Gewindemesstechnik abrufbar über das virtuelle Institut EVIGeM |
Das virtuelle Institut EVIGeM ist eine Business-To-Business Plattform. Im Verbund mit europäischen metrologischer Instituten, Hochschuleinrichtungen und der Industrie werden Dienstleistungen im Bereich der dimensionalen Metrologie angeboten. Die PTB ist mit ihrer Verzahnungs- und Gewindemesstechnik vertreten.
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| Scanning-Normal zur Abschätzung dynamischer Einflüsse in der Koordinatenmesstechnik |
Im Bereich der taktilen Koordinatenmesstechnik hat die PTB einen Prüfkörper (Scanning Artefact SAFT) entwickelt, mit dem sich die Beiträge zur Ermittlung der Messunsicherheit bei dynamischer Messpunkteaufnahme abschätzen lassen.
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| Etablierung der Computertomographie (CT) als Koordinatenmesstechnik |
Seit 2001 arbeitet die PTB im Rahmen von zwei Industrieprojekten aktiv an der Etablierung der industriellen Computertomographie (CT) als Koordinatenmesstechnik. Zur Ermittlung von Kenngrößen, Erfassung und Korrektur von Messabweichungen der Mikro-CT wurden aktuell spezielle Miniatur-Prüfkörper entwickelt, gefertigt und kalibriert. Durch die Prüfkörper und Verfahren konnten bereits Messabweichungen unterhalb der einfachen volumetrischen Auflösung erreicht werden (Abweichungen im Subvoxelbereich).
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| Brechzahlkompensierende Interferometrie |
Die bekannte Methode der Zweifarben-Interferometrie zur Kompensation des Einflusses des Brechungsindex der Luft auf interferometrische Längenmessungen kann in feuchter Luft zu systematischen Messabweichungen führen. Diese wurden beseitigt, indem Luftdruck und -feuchte gemessen wurden und die Temperatur der Luft aus den mit beiden Farben gemessenen Längen berechnet wurde.
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| Manostatierung des Komparators zur Kalibrierung von Laserinterferometern im Einsatz |
Erstmalig wurde die Manostatierung an der bisher nur thermostatierten Messkammer bei der Kalibrierung von drei Laserinterferometern, einem Luftrefraktometer und einer sog. Wetterstation erfolgreich angewandt. Der Luftdruck kann jetzt unabhängig von atmosphärischen Wetterbedingungen gezielt variiert werden, und die Messzeit wird deutlich geringer. In dem von Schwankungen des Luftdrucks abgeschirmten Messvolumen wird nun eine kleinere Standardmessunsicherheit erreicht. Dadurch kann die Anzahl der Messreihen bei gleich bleibender Genauigkeit reduziert werden.
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| 4-Achs-Laserbearbeitung |
Im Rahmen eines abteilungsübergreifenden Drittmittelprojektes werden Kraftaufnehmer auf Basis von Dünnschichttechnik entwickelt. Hierzu wurde eine 4-Achs-Robotik konstruiert, die es ermöglicht, Laserbearbeitung und Bewegung im Raum derart zu koppeln, dass Schichtstrukturen mit komplexen Geometrien auf zylindrischen Oberflächen abgetragen oder belichtet werden können.
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Metrologie für die Gesellschaft |
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| Prüfung von automatischen Annahmesystemen für Briefsendungen |
Die Post AG bereitet die Installation von Annahmesystemen für Briefsendungen, sog. Briefstationen, vor. Diese Briefstationen führen eine halbautomatische Preisermittlung und Frankierung anhand von Kundenangaben und physikalischen Messwerten durch. Hierzu werden Länge, Dicke und Gewicht gemessen sowie die Breite eines jeden Briefes klassifiziert und so das Porto bestimmt. Nach eingehenden messtechnischen Untersuchungen in der PTB wurde ein zeitlich befristeter Feldversuch mit drei Briefstationen im Bereich des Eichamtes Köln erfolgreich abgeschlossen.
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| Konstruktion und Fertigung einer Extrapolationskammer |
Für den FB 6.3 wurde eine Extrapolationskammer als Primärnormalmesseinrichtung konstruiert, um die Gewebe – Energiedosisleistung von Betastrahlern zu messen. Anwendungsbereich dieser Primärnormalmesseinrichtung ist der Strahlenschutz.
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Internationale Angelegenheiten |
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| Ringvergleich von Stufenhöhenmessungen im Nano- und Mikrometerbereich |
Im Rahmen des EUROMET wurde ein Vergleich über die Messung von Stufenhöhen mit Rastersondenmikroskopen abgeschlossen. Die zu messenden Normale hatten Stufenhöhen im Bereich von 40 nm bis 2000 nm. Der Vergleich zeigte, dass an derart qualitativ hochwertigen Normalen Messunsicherheiten im Subnanometerbereich erzielbar sind.
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| Erste Ergebnisse der EUROMET-Vergleichsmessung L.K6 an einer Kugelplatte |
Erste Ergebnisse der EUROMET-Vergleichsmessung L.K6 an einer Kugelplatte werden präsentiert. Es wurde eine Übereinstimmung aller Teilnehmer innerhalb der Messunsicherheit realisiert. Die weitere Auswertung wird zusammen mit der CCL Key Comparison K6 erfolgen.
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