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Auf dem Weg zur 3D-Nanometrologie

Der in dem Mikro-/Nano-KMG eingesetzte Mikrotaster misst die Form und den Abstand von zwei Referenzkugeln mit Durchmessern von jeweils zwei Millimetern. Das Bild zeigt das System im Überblick und das Größenverhältnis von Messtaster und Messobjekt im Detail.

In der PTB ist ein metrologisches Rastersondenmikroskop zu einem Mikro-/Nano-Koordinatenmessgerät weiterentwickelt worden. Damit ist jetzt die Messung dimensioneller Größen mit Nanometer-Auflösung auch an dreidimensionalen Objekten in einem außergewöhnlich großen Messbereich von 25 mm x 25 mm x 5 mm möglich.

Bauteile mit Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich sind heute in vielen Produkten des täglichen Lebens integriert – vom mikromechanischen Bewegungssensor bis zum Computerchip. Die Einhaltung der geometrischen Toleranzen dieser kleinen Strukturen ist vielfach entscheidend für die reibungslose Funktion des Gesamtsystems. Somit 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 basiert. Darauf aufbauend wurde die Gerätesteuerung durch eine herstellerneutrale Software-Schnittstelle (I++ DME) und eine Standard-Mess- und Auswertesoftware (Quindos 7.0) für Koordinatenmessgeräte (KMG) erweitert.

Die neuen Funktionalitäten durch Messtaster und Software erweitern das Rastersondenmikroskop zu einem metrologischen Mikro-/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 Nano-Strukturen 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.

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