Volume 75, Issue 5 - 5

Im Bereich der Mikrometer- und Nanometer-Messtechnik werden immer neue Normale benötigt und bereitgestellt. Bei deren Design, Herstellung und Einsatz werden zum Teil neue Wege beschritten, um den Anforderungen und Randbedingungen der Mikro- und Nanotechnik gerecht zu werden. Im Folgenden werden diese Aspekte und Entwicklungen anhand ausgewählter Beispiele verdeutlicht. Micro- and nano-metrology permanently need new standards. New approaches in design, production and application have to be developed, in order to fulfil the requirements and boundary conditions of micro- and nano-technology. In the following selected examples for these developments are presented.

Die Mikro- und Nanotechnologie gehört zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts mit hohen Wachstumsprognosen, wie auch die im Auftrag des BMBF durchgeführte Studie “Nanotechnologie als wirtschaftlicher Wachstumsmarkt” von 2004 ausführlich darstellt. Aus diesem Trend resultiert ein steigender Bedarf an Messsystemen, die Nanostrukturen prozessnah bzw. im Fertigungsprozess charakterisieren können. Virtuelle Messgeräte liefern Erkenntnisse zur Entwicklung neuartiger Messsysteme, Analyse und Optimierung bestehender Verfahren sowie die Bestimmung der Messunsicherheit und modellbasierten Korrektur systematischer Fehler. Der virtuelle Messprozess umfasst neben dem Messmittel auch die Probe und die Wechselwirkungen zwischen beiden. In diesem Beitrag werden virtuelle Messgeräte vorgestellt sowie deren Anwendung diskutiert. Micro- and nanotechnology experienced a high economic growth in recent years. This yields in a growing demand for measuring instruments which are closely linked to the production process. Virtual measuring instruments provide knowledge for the development of new systems, the analysis and optimization of established devices as well as the determination of the uncertainty in measurement. The virtual measuring process consists of the measuring instrument, the sample, and the interaction between both. In this article examples of current developments of virtual instruments are presented and their way of utilization is discussed.

Grundlage jeder dimensionellen Messung ist die Erfassung der Oberfläche des Messobjekts bzw. ausgewählter Punkte darauf mit Hilfe von Tastsystemen. Vor allem im Bereich der Mikro- und Nanomesstechnik steht bisher kein universelles Tastsystem zur Verfügung, welches eine adäquate Bearbeitung zumindest einer Vielzahl mikromesstechnischer Aufgaben ermöglicht. Systeme basierend auf optischen, taktilen, elektrischen und weiteren Wechselwirkungen mit der anzutastenden Oberfläche werden heute angeboten. Der Beitrag gibt eine Übersicht über den Stand der Technik und die Herausforderungen bei der nanometeraufgelösten Oberflächenerfassung. The detection of the surface of a specimen, or selected points on it with the help of probing systems is fundamental for each dimensional measurement. Especially in the field of micro and nano metrology a universal probing system capable for at least a number of different measurement tasks is lacking. Systems based on optical, tactile, electrical, and other interactions with the surface to be probed are available today. The article gives an overview about the state of the art and challenges in nanometer-resolved surface detection.

Der Artikel beschreibt die Rückführung von Mikrobauteilen in der Koordinatenmesstechnik. Mikrobauteile sind dabei 1D- bis 3D-Objekte, die Geometrien mit Abmessungen von wenigen μm bis ca. 1 mm aufweisen. Es werden Messgeräte, Sensoren und Normale beschrieben sowie Hinweise auf zukünftige Entwicklungen gegeben. The article deals with traceable coordinate metrology for microparts. Microparts are 1D to 3D objects with structure sizes from a few μm up to approx. 1 mm. Measurement devices, sensors, and test artefacts are described. Advices to future developments are given.

Die industrielle Produktion von mikro- und nanostrukturierten Bauteilen und Systemen erfordert die Entwicklung einer adäquaten Messtechnik zur Qualitätssicherung, da die Ist-Ausprägungen von Standardgeometrieelementen eine wesentliche Entscheidungsgrundlage für eine zuverlässige Funktionsbeurteilung und effiziente Regelung von Fertigungsprozessen bilden. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich der Beitrag mit der Gegenüberstellung von unterschiedlichen Messverfahren für standardgeometrische Messaufgaben im Mikrometerbereich. Die Ergebnisse von zwei durchgeführten Ringvergleichen werden in diesem Artikel vorgestellt und diskutiert. The industrial production of micro- and nano-structured parts and systems requires the development of adequate metrology for quality control. The dimensional characterization of standard-geometric micro structures is fundamental for the assessment of functionality and for production control. In this context the paper compares different measurement technologies which are applied to standard-geometry measurement tasks. The results of two round-robin tests which have been carried out are presented and discussed in this article.

Streulichtbasierte Messverfahren eignen sich prinzipiell sehr gut zur anwendungsnahen Charakterisierung von Oberflächen-Nanostrukturen. Kenngrößen wie die rms-Rauheit oder das Rauheitsspektrum lassen sich direkt bestimmen. Speziell bei der Anwendung auf Mikroflächen führt jedoch die Betrachtung sehr kleiner Oberflächenbereiche zu statistischen Fluktuationen der Streuverteilung und damit des Rauheitsspektrums. Durch geeignete Filterverfahren kann trotzdem das globale Rauheitsspektrum geschätzt werden, das das gesamte Ensemble gleichartiger Oberflächen repräsentiert. Light scattering measurement techniques have proved suitable tools for the practical characterization of surface nanostructures. Characteristics such as rms roughness and roughness power spectrum can be directly determined. However, for applications like micro-surfaces, the investigation of very small surface areas results in statistical fluctuations of the scattering distribution and hence of the roughness spectra. If appropriate filtering is applied, the global roughness spectrum, which represents the entire ensemble of similar surfaces, can nevertheless be estimated.

Die Zusammenführung von Messinformationen aus verschiedenen Verfahren ermöglicht eine einheitliche und umfassende Charakterisierung von 3D-Geometrien und deren Kenngrößen. Es werden Methoden zur Verarbeitung, Vereinigung und Auswertung von multimodalen und multiskaligen Messdaten vorgestellt und anhand beispielhafter Messungen konkretisiert. Ein eingesetzter Probenkörper, basierend auf einem Mikrolinsenarray, wird mittels taktiler, konfokaler, interferometrischer Verfahren sowie Röntgentomographie und Streulicht untersucht. Anhand der resultierenden Messdatensätze werden Rauheitsspektren berechnet und diese wiederum zu einem gemeinsamen Rauheitsspektrum des Probenkörpers fusioniert. Nach der Registrierung der Datensätze mittels einer Pyramidenstruktur und Referenzmarken wird ein multimodaler Vergleich der verwendeten Messgeräte möglich. Merging information from different measurement procedures enables consistent and extensive characterization of 3D geometries and features. Methods of processing, merging, and analyzing multimodal measurement data are shown and used with exemplary measurements. The test specimen, based on a microlens array, is examined by means of atomic force and confocal microscopy, white-light interferometry, computed tomography, and angle-resolved scattering. The power spectral densities of selected data sets are evaluated and merged to a single power spectral density of the test specimen. The different data sets are registered using a reference structure with reference markers, thus enabling a multimodal comparison of the respective measurement instruments.

Messergebnisse sind die fundierte Grundlage von Entscheidungen in der Industrie. Für das Treffen richtiger Entscheidungen ist daher die Güte der Messergebnisse essenziell. Für Messverfahren der Mikro- und Nanotechnologie fehlen bislang praxisgerechte Handlungsanweisungen zur konkreten Ausgestaltung des abstrakten Vorgehens nach dem ISO-“Guide to the expression of uncertainty in measurement” (GUM) zur Berechnung des Güteparameters “Messunsicherheit”. Im Gegensatz zum GUM bietet die Fähigkeitsanalyse den Vorteil praxisgerechter, konkreter Handlungsanweisungen. Im Artikel wird eine auf Methoden der Fähigkeitsanalyse basierende Messunsicherheitsanalyse für Stufenhöhenmessungen mit dem Weißlichtinterferometer dargestellt. Measurements are the objective base for decisions in industry. For correct decision making the quality of the measured data is essential. Practical procedures for the determination of measurement uncertainty in micro- and nanotechnologies according to the rather abstract ISO guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM) have not been stated up to now. In contrast to GUM capability analysis shows the advantage of giving practical and concrete instructions. In this article a measurement uncertainty analysis based on the capability analysis is shown at the example of step height measurements with white-light interferometry.