In Ilmenau entscheidet sich Präzision längst nicht mehr im Bereich des Millimeters. Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter; ein menschliches Haar bringt es dagegen auf etwa 80.000 Nanometer. Seit 2025 fertigt TSMC Mikrochips mit Strukturen in 2-Nanometer-Technologie. Wer solche Dimensionen beherrschen will, braucht Mess- und Positioniertechnik, die nicht schlappmacht, sobald Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Vibrationen dazwischenfunken.

Nanopositionierung und Messungen im Nano- und Subnanometerbereich werden deshalb neben der Halbleiterfertigung zunehmend in der Photonik, der optischen Kommunikation, der Medizintechnik, der Quantentechnologie und bei Präzisionsmaschinen eingesetzt. Forschungsinstitute und Unternehmen in Deutschland entwickeln dafür Messverfahren, Antriebe und Software, die auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen funktionieren.

Ein Messtisch wie ein winziges Koordinatensystem

Prof. Thomas Fröhlich von der TU Ilmenau nennt präzise Messtechnik die Voraussetzung für die Herstellung präziser Strukturen. Sein Institut für Prozessmess- und Sensortechnik arbeitet mit einem 200 × 200 Millimeter großen Messtisch. Übliche wissenschaftliche Messgeräte kommen laut Fröhlich auf etwa 20 × 20 Millimeter. Auf der größeren Fläche lassen sich rund 40 Billiarden quadratische Bereiche mit jeweils einem Nanometer Seitenlänge unterscheiden.

Das Ilmenauer Messgerät kann jeden Punkt auf der Fläche automatisch wiederfinden. Das verkürzt Messzeiten, was im Labor angenehm und in der Industrie schlicht entscheidend ist. Die Geräte untersuchen Nanostrukturen und helfen unter anderem bei der Qualitätskontrolle von Mikrochips.

Gemeinsam mit dem Institut für Angewandte Physik der Universität Jena entwickelt die TU Ilmenau eine 3D-Nanolithografie- und Nanomessmaschine. Auf einer Grundfläche von etwa einem Quadratmeter sollen Messungen im Subnanometerbereich möglich werden. Das Ziel klingt fast übermütig: Eine ein Meter lange Linie soll mit einer maximalen Abweichung von weniger als einem Nanometer geschrieben werden.

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Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Projekt soll Messungen außerhalb vollständig abgeschotteter Systeme erleichtern. Bisher bringen schon Schwankungen bei Temperatur und Luftfeuchtigkeit Messungen im Subnanometerbereich durcheinander. Neue Verfahren sollen diese Einflüsse kompensieren und den Aufwand für Vakuum- und Klimatisierungssysteme reduzieren.

Laser, Piezo und ein Tisch, der nicht nachgeben darf

Prof. Uwe Zeitner von der Universität Jena sieht Deutschland und Europa wegen ihrer Forschungs- und Industriekompetenz in einer wichtigen Position. Das europäische Halbleitercluster „Silicon Saxony“ liefere das industrielle Volumen, um Nanometrologie und Nanopositionierung weiterzuentwickeln. Die entstehenden Verfahren lassen sich laut Zeitner auch in der Optik und Biotechnologie verwenden.

Im Mikrometerbereich reichen häufig Glasmaßstäbe sowie magnetische oder kapazitive Sensoren. Für Genauigkeiten von einigen Nanometern kommt hochpräzise Laserinterferometrie zum Einsatz: Ausgewertet wird die Überlagerung zweier Laserstrahlen. Noch feinere Ergebnisse ermöglichen unter anderem Rasterkraftmikroskopie und Röntgenbeugung.

In der Serienfertigung müssen Systeme allerdings nicht nur präzise, sondern auch schnell sein. Lithografiemaschinen belichten laut Zeitner bis zu 150 Wafer pro Stunde. Die dabei auftretenden Beschleunigungen können Maschinentische verformen. Bewegungstechnik sowie Mess- und Prüftechnik müssen deshalb gemeinsam entwickelt werden.

Für künftige Weltraumobservatorien sollen verbesserte Messverfahren die Empfindlichkeit voraussichtlich um mehr als den Faktor drei steigern. Gitterförmige Nanostrukturen auf Spiegeln und Linsen sollen in Gravitationswellenobservatorien Licht rauscharm, wellenlängenselektiv und effizient reflektieren. Auch spanende Fertigungsverfahren und die Präzision von Werkzeugmaschinen können von Nanometrologie profitieren.

SIOS Meßtechnik wurde 1991 aus der TU Ilmenau ausgegründet und entwickelt laserinterferometrische Messgeräte für Länge, Winkel, Geradheit und Schwingungen. Der Anteil industrieller Kunden ist in den vergangenen Jahren gestiegen. Nanometerpräzision ist im Front-End der Halbleiterfertigung schon lange üblich; inzwischen wachsen die Anforderungen auch im Back-End, etwa bei Die- und Hybrid-Bondern.

Für Genauigkeiten unter ungefähr 100 Nanometern reichen herkömmliche Mess- und Antriebskonzepte laut SIOS-Geschäftsführer Denis Dontsov nicht mehr aus. Die Nanopositionierplattform NPP1 nutzt drei Differenzinterferometer, um Position und Drehung eines Maschinentisches zu erfassen. Referenz- und Messstrahlen beobachten dabei einen festen Punkt beziehungsweise den Arbeitspunkt. Störungen, die beide Strahlen gleichermaßen beeinflussen, werden weitgehend kompensiert.

Die Plattform bietet einen Mess- und Positionierbereich von 100 Millimetern Durchmesser bei Subnanometerauflösung. Das SIOS-Interferometer SP 15000 NG L misst Strecken bis zu 80 Metern.

Vom 8K-Display bis zur Satellitenkommunikation

Bei der Herstellung von Masken für großformatige 8K-Displays entstehen Strukturen per maskenloser Photolithografie in vielen Schreibfeldern. Diese Felder müssen über große Distanzen präzise miteinander verbunden werden. Mit SIOS-Interferometern liegt der Stitching-Fehler in der laufenden Produktion bei 45 Nanometern pro Meter.

Dafür verbindet SIOS stabilisierte Laserquellen, Interferometer, Signalauswertung und Klimamessung. Das Unternehmen entwickelt und fertigt diese Technologien weitgehend selbst und produziert außerdem stabilisierte Helium-Neon-Laser für andere Messgerätehersteller.

In Dresden entwickelt und montiert Steinmeyer Mechatronik kundenspezifische Mess- und Positioniersysteme. Linear-, Spindel- und Piezoantriebe werden mit mechanischen Führungen oder Luftlagern zu Mehrachssystemen kombiniert. Eigene Software läuft auf Standardsteuerungen oder kundenspezifischer Elektronik. Gefertigt werden Einzelstücke und Kleinserien bis in den vierstelligen Stückzahlbereich.

Zu den wichtigsten Märkten zählen Halbleiterfertigung, Messtechnik, Optik und Medizintechnik. Für die Waferprüfung liefert Steinmeyer Fünf- und Sechs-Achs-Systeme: lineare Bewegungen in X, Y und Z, dazu Dreh- und Kippbewegungen im Nanometerbereich. Bauteile und Subsysteme gibt es auch für EUV-Lithografiemaschinen. Hinzu kommen Anlagen für Mikromontage und Positioniereinheiten zur nanometergenauen Laserausrichtung.

Das Unternehmen arbeitet mit jungen und mittelständischen Firmen, größeren Kunden und überregionalen Partnern zusammen und erweitert seine Montagefläche. Zunehmend kommt künstliche Intelligenz zum Einsatz, damit Softwarelösungen schneller und kundenspezifischer entstehen.

Physik Instrumente, kurz PI, bietet Präzisionsachsen, Hexapoden, Piezo-Technik und Mehrachssysteme an. Als wichtiges Wachstumsfeld nennt das Unternehmen die Photonik. Bei der optischen Datenübertragung müssen Faserarrays teilweise auf wenige Nanometer genau ausgerichtet werden, gleichzeitig sind hohe Taktzeiten nötig. Das sechachsige Piezosystem P-616.65S NanoCube ist für solche Alignment-Aufgaben ausgelegt und bündelt mehrere Freiheitsgrade in einem kompakten System.

In der Satellitenkommunikation werden Laserstrahlen über große Entfernungen auf kleine Empfänger und Spiegelsysteme ausgerichtet und stabil nachgeführt. Dafür braucht es schnelle, hochpräzise Kipp- und Positioniersysteme mit piezoelektrischen oder magnetischen Antrieben. Verschleißarme oder reibungsfreie Führungen sollen lange Lebensdauern ermöglichen. Auch die Software rückt ins Zentrum: Über Node-RED lassen sich Bewegungsabläufe und Datenströme grafisch konfigurieren und mit Motion Controllern verbinden.

Wenn es im Vakuum und bei Kälte funktionieren muss

Attocube systems entwickelt seit rund 26 Jahren Piezo-Motoren und Sensoren für die Nanotechnologie. Das Unternehmen ist auf Anwendungen in Tiefsttemperaturen und im Ultrahochvakuum spezialisiert. Die Piezo-Motoren arbeiten nach dem Slip-Stick-Prinzip und erreichen eine Auflösung von weniger als einem Nanometer.

Zum Einsatz kommen sie in der Elektronenstrahl-Lithografie, bei der Wafer-Inspektion in Vakuumkammern, in speziellen Prozessgasatmosphären und in der Quantentechnologie. Das Laserinterferometer IDS3010 misst Bewegungen, Verformungen, Winkelabweichungen und Vibration