Vom millionstel Millimeter bis zur Gravitationswelle aus dem All

Genauigkeiten im Bereich von Mikrometern sind längst in zahlreichen industriellen Anwendungen Standard. Die Reise in immer höhere Präzision geht aber mit hohem Tempo weiter. Der neue Maßstab ist aktuell der Nanometer, ein Millionstel Millimeter. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat, je nach Haarfarbe, einen Durchmesser von 80.000 Nanometern. 40.000mal dünnere Strukturen werden bereits in Serie gefertigt. So stellt Halbleiterhersteller TSMC seit 2025 den weltweit ersten Mikrochip mit zwei Nanometer-Technologie her.

Metrologie: Einen Punkt unter 40 Billiarden finden

„Nur was man messen kann, kann man herstellen“, beschreibt Prof. Dr. Thomas Fröhlich die entscheidende Voraussetzung. Der Leiter des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik hat über die Temperaturkompensation von Präzisionsmessgeräten habilitiert und forscht an Messmethoden im Nanometerbereich und darunter. Sein Institut an der TU Ilmenau setzt schon bei der Ausrüstung Maßstäbe. Standard-Messgeräte in der Wissenschaft nutzen Tische in der Größe von 20 x 20 Millimetern. „Wir arbeiten mit einem Tisch von 200 x 200 Millimetern, so etwas gibt es weltweit nur zwei Mal, in Ilmenau und an der Universität Stuttgart“, hebt er hervor. Der Unterschied ist gigantisch.

Allein auf Nanometer bezogen, sind das 40 Billiarden 1x1 Nanometer kleine Punkte. Mit solchen Messgeräten können die Wissenschaftler Nanostrukturen untersuchen, in industriellen Anwendungen dienen sie der Qualitätskontrolle beispielsweise von Mikrochips. Eine Besonderheit des Geräts in Ilmenau: „Unser Messgerät findet jeden Punkt auf dieser Fläche automatisch wieder, das bringt einen enormen Zeitgewinn“, betont der Wissenschaftler.

Forschungsprojekt 3D Nanolithografie- und Nanomessmaschine

Gemeinsam mit dem Institut für angewandte Physik der Universität in Jena beschäftigt sich das Institut von Prof. Fröhlich und Prof. Kissinger mit neuen Konzepten für eine 3D Nanolithografie- und Nanomessmaschine (3D-NLM-Maschine). Auf einer Grundfläche von rund einem Quadratmeter sollen Messungen im Subnanometerbereich ermöglicht werden. „Ziel ist es, eine ein Meter lange Linie zu schreiben mit einer maximalen Abweichung von unter 1 Nanometer“, beschreibt der Wissenschaftler das von der Deutschen Forschungsgesellschaft geförderte Projekt. Dabei knüpft er auch an seine Habilitationsforschung an: Messungen im Subnanometerspektrum finden bislang in extrem kontrollierten, geschlossenen Systemen statt, oft unter Vakuum. Schon kleinste Veränderungen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflussen die Messergebnisse. Dass macht die Metrologie sehr kostenintensiv und ein Forschungsansatz bei der Entwicklung der 3D-NLM-Maschine beschäftigt sich mit der Kompensation dieser Störeinflüsse und damit erheblich weniger Aufwand für die Abschottung der Messeinheit.

Zentrale Rolle für Deutschland und Europa

Mitbeteiligt ist Prof. Dr. Uwe Zeitner. Er hat die von der Carl-Zeiss-Stiftung geförderte Stiftungsprofessur für Mikro- und Nanooptische hybride Systeme am Institut für Angewandte Physik (IAP) der Friedrich-Schiller-Universität Jena inne. „Deutschland und Europa spielen bei dieser Technologie eine zentrale Rolle“, ist er sicher. Ein Grund ist „Silicon Saxony“, das größte Halbleiter-Cluster in Europa. „Die Halbleiterindustrie hat das Volumen, die Nanometrologie und Nanopositionierung wesentlich voranzutreiben und die Ergebnisse können zunehmend auch in anderen Anwendungen wie der Optik oder Biotechnologie zum Einsatz kommen“, umreißt er die Entwicklung. So seien jetzt Methoden etabliert, die vor wenigen Jahren noch undenkbar waren und nennt als Beispiel die Genschere Crispr-CAS.

Während im Mikrometerbereich Glasmaßstäbe sowie magnetische und kapazitive Sensoren ausreichen, erfordert die Nanometrologie komplexere Messmethoden. „Im Bereich von einigen Nanometermeter reicht die hochpräzise Laser-Interferometrie“, klärt der Forscher auf. Dabei werden Wellenüberlagerungen von zwei parallel geführten Laserstrahlen ausgewertet. Noch genauer wird es mit der Rasterkraftmikroskopie oder der Röntgenbeugung.

Nanopositionierung für Gravitationswellendetektoren

Die Herausforderungen für den Einsatz in Serienanwendungen sind enorm. Auf der einen Seite geht es um absolute Präzision, auf der anderen Seite aber auch in Durchsatz. „In Lithografiemaschinen werden bis zu 150 Wafer pro Stunde belichtet, durch die hohe Beschleunigung der Wafer können sich dabei die Tischteile verformen“, erklärt Prof. Uwe Zeitner. „Bewegungstechnik und Metrologie, also Messen und Prüfen gehören darum immer zusammen.“ Ein anderes Beispiel sind Konzepte für eine neue Generation von Weltraumobservatorien. „Durch Weiterentwicklungen der Messtechnik wird die Empfindlichkeit voraussichtlich um mehr als einen Faktor 3 steigen“, kündigt Prof. Zeitner an. Diese Fortschritte sind notwendig, damit Gravitationswellendetektoren mit ihren Interferometerarmen solche Ereignisse wissenschaftlich vertiefen können. Gitterförmige Nanostrukturen werden dazu auf verschiedene Spiegel und Linsen der Observatorien aufgebracht, um rauscharm Licht wellenlängenselektiv und hocheffizient zu reflektieren.

Für die weitere Entwicklung ist der Forscher optimistisch. Auch jenseits der Halbleiterfertigung und Optik sieht er zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in etablierten Maschinen. So kann die Nanometrologie auch spanende Prozesse verbessern und die erreichbare Präzision von Werkzeugmaschinen noch weiter verbessern.

Das Back-End holt bei der Präzision auf

Auch auf Herstellerseite haben sich zahlreiche Mittelständler etabliert, die entsprechende Komponenten und Systeme entwickeln und erfolgreich vermarkten. „Auf Grundlage der Nanomesstechnik ermöglicht die Nanopositionierung die präzise Bewegung und Platzierung, die für eine kontrollierte Nanostrukturierung erforderlich ist“, beschreibt Dr. Denis Dontsov, Geschäftsführer der SIOS Meßtechnik GmbH, die Entwicklung. Das Unternehmen wurde 1991 aus der TU Ilmenau ausgegründet. SIOS fertigt laserinterferometrische Präzisionsmessgeräte zur Messung von Länge, Winkel, Geradheit, Schwingung und weiteren Messgrößen mit höchster Auflösung und geringer Messunsicherheit.

In den vergangenen Jahren ist der Anteil industrieller Kunden bei SIOS stetig gewachsen. Während bei Front-End-Prozessen in der Halbleiterfertigung Positioniergenauigkeiten im Nanometerbereich seit vielen Jahren Standard sind, benötigen die Hersteller inzwischen auch für Back-End-Prozesse eine höhere Präzision, etwa beim Platzieren und Verbinden der Chips in Die- und Hybrid-Bondern. „Viele OEMs von Back-End-Anlagen stellen derzeit auf Nanopositionierung um“, beobachtet der Geschäftsführer. „Die immer gleiche Technik weiter zu verfeinern, funktioniert dabei nicht. Das stößt an physikalische Grenzen.“ Unterhalb von etwa 100 Nanometern sind seiner Erfahrung nach andere Mess- und Antriebskonzepte gefragt.

So setzt SIOS bei der Nanopositionierplattform NPP-1 auf die Differenzmessung: Drei Differenz-Interferometer erfassen Position und Drehung des Maschinentisches. Dabei ist ein Referenzstrahl auf einen festen Punkt im Arbeitsraum gerichtet, der Messstrahl auf den Arbeitspunkt. Störungen, die beide Strahlen gleichermaßen treffen, heben sich weitgehend auf. Die Plattform bietet einen Mess- und Positionierbereich von 100 Millimetern Durchmesser bei einer Messauflösung im Sub-Nanometerbereich. Für große Distanzen misst das Laserinterferometer SP 15000 NG Längen von bis zu 80 Metern.

45 Nanometer auf einen Meter

Wie hoch die Anforderungen sind, zeigt die Herstellung von Masken für großformatige 8K-Displays. Geschrieben werden sie mit maskenloser Photolithografie. Dabei werden die Strukturen in vielen einzelnen Schreibfeldern erzeugt. Diese Felder müssen über große Distanzen präzise miteinander verbunden werden. Mit Interferometern der SIOS-Messtechnik liegt der Stitching-Fehler auf einer Strecke von einem Meter bei lediglich 45 Nanometern. Anders als im Forschungslabor gilt dieser Wert für die laufende Produktion.

„Das ist so, als müssten Sie ganz Thüringen mit Kirschkernen auslegen und jeder Kern müsste nahezu exakt an seinem vorgesehenen Platz liegen. Wir erfassen Bruchteile eines Nanometers messtechnisch – und das gelingt nur, wenn mehrere Technologien ineinandergreifen“, erklärt Dr. Denis Dontsov. Dazu gehören stabilisierte Laserquellen, Interferometer, Signalauswertung und Klimaerfassung – Technologien, die SIOS im eigenen Haus entwickelt und fertigt. Die stabilisierten Helium-Neon-Laser von SIOS setzen auch andere Messgerätehersteller ein. Das Unternehmen setzt auf eine hohe Fertigungstiefe – auch, weil der Schutz des eigenen Know-hows für Dr. Denis Dontsov höchste Priorität hat.

Je komplexer die Aufgabe, desto besser

Mitten im Silicon Saxony4 entwickelt und montiert die Steinmeyer Mechatronik GmbH hochpräzise Mess- und Positioniersysteme nach Kundenanforderung. Die Wurzeln des Dresdner Unternehmens reichen bis ins Jahr 1872 zurück. Heute konzentriert es sich auf Aufgaben, für die Standardlösungen nicht ausreichen.

„Je komplexer eine Aufgabe ist, desto lieber realisieren wir sie“, sagt Geschäftsführer Dr. Markus Czanta. Die Ingenieure von Steinmeyer kombinieren Achsen mit Linearmotor-, Spindel- oder Piezoantrieb sowie mit mechanischen Führungen oder Luftlagern zu kompletten Mehrachssystemen. Die selbst entwickelte Software implementieren sie auf Standardsteuerungen oder nach Kundenvorgabe auf Spezialelektronik.

„Unser Vorteil ist die hohe Wertschöpfungstiefe – von der Konzeptidee über die Entwicklung bis zu Fertigung und Montage. So können wir schnell und agil auf Kundenwünsche reagieren“, erklärt Czanta. Das Unternehmen fertigt Einzelstücke, aber auch Kleinserien bis in den vierstelligen Stückzahlbereich.

Steinmeyer Mechatronik gehört zur familiengeführten Steinmeyer Gruppe. Der größte Einzelmarkt ist die Halbleiterfertigung, daneben beliefert das Unternehmen die Messtechnik, die Optik und die Medizintechnik. Halbleiterkunden bestellen unter anderem Fünf- und Sechs-Achs-Messsysteme für die Waferprüfung. Diese bewegen sich linear in X, Y und Z und führen zusätzlich Dreh- und Kippbewegungen aus, mit einer Präzision im Nanometerbereich. „Unsere Bauteile und Subsysteme eignen sich auch für den Einbau in EUV-Lithografiemaschinen“, so der Physiker.

Entscheidend sind die umfangreichen Erfahrungen aus zahlreichen Kundenprojekten und das sichere Beherrschen des Zusammenspiels aller Komponenten. „Wir wissen, wie man anspruchsvolle Positionierlösungen schnell und sicher realisiert, welche Schmierstoffe in Reinräumen der höchsten Klasse funktionieren und wie wir mit hochsteifen Achsen Stabilität im Pikometerbereich erreichen – von ultrakompakten Baugruppen bis zu großen Messmaschinen.“

Neben Mess- und Prüfgeräten stattet Steinmeyer Mechatronik auch Anlagen für die Mikromontage aus. Außerdem liefert das Unternehmen Positioniereinheiten, mit denen sich Laser nanometergenau ausrichten lassen.

Partner für junge und mittelständische Unternehmen

Strategisch setzt das Unternehmen auf mehrere Säulen. „Wir arbeiten gern mit jungen und mittelständischen Unternehmen zusammen und wachsen gemeinsam mit innovativen Anwendungen bis zur Serie“, beschreibt Czanta. Hinzu kommen ein Key-Account-Management für größere Kunden, die Kleinserienfertigung und ein starkes Netz überregionaler Partner. Das Ergebnis: Steinmeyer Mechatronik wächst und erweitert derzeit seine Montagefläche.

Auch in der Entwicklung geht das Unternehmen neue Wege. „Wir setzen zunehmend KI ein, um den wachsenden Softwareanteil unserer Lösungen schnell und kundenindividuell umzusetzen.“ Czantas Fazit: „Wir sind der agile europäische Partner, wenn hochpräzise Positionierung dort gelingen muss, wo Standardlösungen nicht ausreichen.“

Optische Kommunikation

Die größten Wachstumschancen sieht die Physik Instrumente (PI) SE & Co. KG vor allem im Bereich der Photonik. Pi ist ein weltweit führender Full-Liner bei der Präzisionspositionierung und bietet ein breites Portfolio an Präzisionsachsen, Hexapoden, Piezo-Technologie bis hin zu Mehrachs-Positionierystemen. In der Photonik profitiert das Unternehmen von zwei Trends: Um die Wärmeentwicklung von Mikrochips und damit den Stromverbrauch zu senken, stellen Hersteller die Datenübertragung von Elektronen auf optische Signale um.

Aber der Umstieg stellt auch anspruchsvolle Herausforderungen: „Beim optischen Alignment müssen optische Faserarrays teilweise auf wenige Nanometer genau positioniert werden – und das bei gleichzeitig hohen Taktzeiten“, schildert Dr. Nico Bolse, Head of Product Management bei PI, die Anforderungen.

Die von PI entwickelte Lösung ist die Kombination mehrerer Freiheitsgrade in einem kompakten System für das optische Alignment. Mit dem prämierten P-616.65S NanoCube, einem 6-Achs-Piezosystem, adressiert PI genau diese Anforderungen an hohe Präzision bei gleichzeitig kompakter Bauform und Dynamik.

Ein weiteres Wachstumsfeld in der Photonik ist die Satellitenkommunikation. Bei optischen Kommunikationsstrecken werden Laserstrahlen über große Distanzen auf kleine Empfangs- und Spiegelsysteme ausgerichtet und stabil nachgeführt. „Dafür sind schnelle, hochpräzise Kipp- und Positioniersysteme erforderlich“, zeigt der Leiter Produktmanagement auf. Piezoelektrische und magnetische Antriebe bieten hierfür hohe Dynamik und Präzision. „In Kombination mit verschleißarmen beziehungsweise reibungsfreien Führungen lassen sich zudem in beiden Anwendungen sehr hohe Lebensdauern erreichen“, betont Dr. Nico Bolse.

Software wird bei Nanopositioniersystemen zunehmend zum entscheidenden Bestandteil der Gesamtlösung. „Über Node-RED lassen sich Bewegungsabläufe und Datenströme grafisch konfigurieren und mit Motion Controllern oder weiteren Systemkomponenten verbinden“, skizziert der Produktmanager.

Stark in extremen Umgebungen

„Nanopositionierung funktioniert nur mit geeigneten Messmethoden, und im Zusammenspiel sehe ich sogar den Sensor als entscheidender an“, schätzt Felix Reuter, Head of Business Sector Motion and Sensing bei der attocube systems GmbH, den Stand der Technik ein Das Unternehmen der WITTENSTEIN Group entwickelt und produziert seit rund 26 Jahren Piezo-Motoren und Sensoren für die Nanotechnologie. „Wir sind sehr stark beim Einsatz unserer Technologie unter extremen Bedingungen, in Tiefsttemperaturen oder Ultrahochvakuum“, betont Felix Reuter.

Die Piezo-Motoren erreichen eine Auflösung von unter einem Nanometer und arbeiten nach dem Slip-Stick-Prinzip, bei dem auf eine schnelle Bewegung eine langsame Gegenbewegung folgt Sie sorgen für höchste Präzision bei der Elektronenstrahl-Lithografie, bei der Wafer-Inspektion in Vakuumkammern oder in Atmosphären mit speziellen Prozessgasen. Selbst in der Quantentechnologie spielt der Nanospezialist mit.

Sensoranschluss mit handelsüblicher Glasfaser

Ein Erfolgsprodukt ist das Laserinterferometer IDS3010 in verschiedenen Ausführungen detektiert Bewegungen, Verformungen, Winkelabweichungen und Vibrationen bis zu einer Auflösung von 1 Pikometer. Die Sensorköpfe haben in der kleinsten Ausführung lediglich 12 mm Durchmesser und decken einen Messbereich von 0 bis 5 Metern ab. In der Long Range Version reicht der Messbereich bis zu 30 Meter. „Die Sensorköpfe werden in Arbeitsraum befestigt und über handelsübliche Glasfasern an den Controller außerhalb der Prozesskammer angeschlossen“, so der Leiter des Geschäftsfelds. Damit sind lediglich die aus wenigen Komponenten bestehenden Sensorköpfe extremen Umgebungen ausgesetzt und das modulare Interferometersystem erreicht eine Lebensdauer von über 10 Jahren.

 Das IDS3010 vermisst aber auch die Bewegungen in hochpräzisen Werkzeugmaschinen für die Kalibrierung und ermöglicht die Kompensation von Abweichungen. Bei der Herstellung von optischen Linsen und Spiegeln in Submikrometer-Präzision überwacht das Laserinterferometer die Positionierung und Ausrichtung während der gesamten Bearbeitung.

„Wir sehen insgesamt einen Trend zu immer anspruchsvolleren Mess- und Positionier-Anwendungen in extremen Umgebungsbedingungen, also genau dort, wo wir besonders stark sind“ blickt Felix Reuter optimistisch auf die Wachstumsperspektiven für die Nanotechnologie. Damit reiht er sich perfekt in das Grundgefühl der Branche, die ihre Kapazitäten durchgängig ausbaut.