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Forschung zur 3D-Nanofabrikation in ausgedehnten makroskopischen Arbeitsbereichen

Das IMMS arbeitet an Lösungen für ein hochdynamisches Antriebssystem zur mehrachsigen Bearbeitung von Objekten mit Nanometer-Präzision.

Ein Schwerpunkt der Forschung im Graduiertenkolleg „NanoFab“ sind vertikale hochpräzise Antriebe. Foto: IMMS

Seit April 2017 arbeiten 13 Doktoranden, darunter einer am IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gGmbH, in dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG für viereinhalb Jahre geförderten NanoFab-Graduiertenkolleg 2182 an Lösungen für die spitzen- und laserbasierte 3D-Nanofabrikation in erweiterten makroskopischen Arbeitsbereichen. Betreut werden sie von Professoren und wissenschaftlichen Mitarbeitern der Technischen Universität Ilmenau und des IMMS unter der Leitung des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik der Fakultät Maschinenbau.

Nanofertigungsprozesse – bislang nicht für große Objekte und noch ohne Fehlerkorrektur

Durch das Graduiertenkolleg NanoFab werden Fertigungstechnologien untersucht, mit denen sich künftig makroskopische Objekte in größer werdenden Bearbeitungsbereichen von mehreren hundert Millimetern mit Nanometer-Präzision herstellen lassen sollen. Zwar kann man bereits mit Nanofabrikationsmethoden unter zehn Nanometer strukturieren – allerdings nur in kleinen Bearbeitungsbereichen von einigen 100 Quadratmikrometern, bei geringer Geschwindigkeit und mit begrenzter Genauigkeit.

Das NanoFab-Graduiertenkolleg stellt sich der besonderen Herausforderung des Nanofertigungsprozesses: während dieser läuft, ist im Gegensatz zu reinen Messungen im Nanobereich eine Fehlerkorrektur bislang nicht möglich. Kommt es in der Nanoproduktion zu statischen oder dynamischen Positionsabweichungen, verursachen diese unter anderem Geometriefehler, Formabweichungen oder Rauheit in den hergestellten Strukturen oder Objekten, die man erst im Nachhinein feststellen kann.

Um im großen Maßstab nanometergenau und mit Fehlerkorrekturen Freiformen in 3D fertigen zu können, widmen sich die Beteiligten des NanoFab-Graduiertenkollegs in sechs Teilprojekten verschiedenen methoden- und objektorientierten Themenfeldern auf Ebenen zu Theorie und Metrologie, zu Tools und Parallelisierung sowie zu Kinematik und Steuerungen unter anderem zu den Themen Lithographie, optische Mikrosysteme, Echtzeitsteuerung und mehrdimensionale Kraftpositionskontrolle.

IMMS erarbeitet Antriebe für die hochdynamische Nanofertigung

Das IMMS arbeitet an Lösungen für ein Antriebssystem, das mehrachsige Bearbeitungen von Objekten mit Nanometer-Präzision ermöglichen soll. Dazu muss eine Bewegung mit extrem hoher Gleichmäßigkeit und Glätte realisiert werden – und zwar auf jenen komplexen räumlichen Wegstrecken, die jeweils durch die zu fertigenden Objektgeometrien vorgegeben sind.

Um hohe Geschwindigkeiten bei der Bearbeitung zu erreichen, muss das Antriebssystem mit Aktoren, Führungen, Sensoren, Verstärkern und Steuerung in der Lage sein, die Sollwerte mit minimalen Bahnabweichungen hochdynamisch auszuführen. Das bedeutet, dass für eine mehrachsige Nanofertigung in großen Bearbeitungsbereichen Antriebssysteme mit höchster Reproduzierbarkeit und höchstem Gleichlauf entwickelt werden müssen. Neben einer 3D-Positionierung von Objekten müssen dazu weitere Bewegungsgrade ermöglicht werden und Aktorik und Sensorik in die Antriebsstruktur sowie in die Steuerung integriert werden.

Im Fokus stehen hierbei höchste Synchronität des Bewegungssystems, Temperaturkonstanz, minimale Antriebs- und Störkräfte und minimale Verlustleistung. Eine hohe Antriebs- und Positionierdynamik, die an die Fahraufgabe angepasst werden kann und dabei Konsequenzen für den Antrieb, die Steuerung sowie das messtechnische Gesamtkonzept berücksichtigt, ist für die Auslegung neuartiger Antriebe für die Nanofertigung wesentlich.