Global Research & Platforms treibt mit DPG das MetExSPM-Projekt voran

Im Rahmen des EU-geförderten Projekts „MetExSPM - Traceability of localised functional properties of nanostructures with high speed scanning probe microscopy“ (MetExSPM steht für ‚Metrological Express Scanning Probe Microscope‘) beteiligen sich die Bereiche Global Research & Platforms und DPG seit dem 1. September 2021 an der Entwicklung und Industrialisierung von metrologischen Hochgeschwindigkeits-Rastersondenmikroskopen.

Das Ziel ist hierbei, ein neuartiges atomares Kraftmikroskop, das mit Videofrequenzen oberhalb 1MHz arbeiten soll, mit multidimensionaler Positioniertechnik für die Probe und die Sonde mit höchster Auflösung – mit atomarer Auflösung – auszustatten. Zusätzlich soll ein für diese Technologie extrem großer Scan-Bereich mit ½ Zoll abgedeckt werden. Für die Entwicklung der Systeme, die Material-Beschaffung und Fertigung sind die folgenden Bereiche und Gruppen eingebunden:

Seitens Global Research & Platforms

Technologie Zentrum Magnetische Antriebe & Systeme (TC MDS)
Technologie Zentrum Piezosysteme (TC PDS)
Vorausentwicklung (CAR)
Plattform-Entwicklung Elektronik (EPD)
Musterbau Globale Forschung

Seitens DPG

Wertstrom Piezosysteme
Wertstrom Elektronische Geräte

Der Bereich TC PDS und der Wertstrom Piezosysteme stellen zusammen ein kombiniertes Piezo-System bestehend aus einem 6-Freiheitsgrad (FHG)-Versteller (polykristallin) und einem 3-FHG-Scanner (monokristallin) zur Positionierung des Messkopfes bereit. Um die dynamischen Anforderungen zu erfüllen, sollen hier Technologien zur Reaktionskraft-Kompensation zum Einsatz kommen. Techniken, die PI im Piezo-Bereich bisher nur bei speziellen dynamischen Kippspiegeln eingesetzt hat.

Im Bereich TC MDS wird ein elektromagnetisch geführtes und angetriebenes planares Magnetic-Levitation-System (MagLev-Stage) – eine durch magnetische Kräfte frei im Raum schwebende Plattform, zur Positionierung der Proben neu entwickelt aufgebaut – unterstützt durch CAR (Sensoren) und EPD (Endstufen- und Sensor-Elektronik).

Hierbei stellen vor allem die hohen Genauigkeitsanforderungen der Anwendung eine wesentliche Herausforderung dar und führen zur Verwendung von keramischen Materialien mit extrem niedrigem Ausdehnungskoeffizient, die bei PI bisher in Produkten noch nicht eingesetzt wurden. Über einen planaren Bewegungsbereich von 12,7 mm x 12,7 mm und gleichzeitiger Ausrichtung in allen sechs Freiheitsgraden im Raum ist eine Wiederholgenauigkeit von besser < 300 pm (Picometer) vorgesehen.

Als zentraler Projektpartner integriert die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) beide Bewegungssysteme in ein prototypisches Rasterkraftmikroskop. Die Auslieferung der Piezo- und MagLev-Stages ist für Q2 2023 geplant. Innerhalb der zweiten Hälfte der Projektlaufzeit von drei Jahren steht dann die messtechnische Untersuchung und Qualifikation des neuen Hochleistungs-Rasterkraft-Mikroskopes mit den besten Interferometern der PTB im Vordergrund.

Neben der PTB sind die nationalen Metrologie-Institute von Finnland (VTT), Polen (GUM) und der Tschechischen Republik (CMI) Teil des Projektkonsortiums. Neben PI beteiligen sich Carl Zeiss SMT GmbH, Nanoanalytik GmbH sowie die Universität Breslau als externe Industrie- bzw. Hochschulpartner an dem Projekt.