Entwicklung und Realisierung einer 3D-Nanolithographie- und Nanomessmaschine zur Messung und Strukturierung fortgeschrittenster optischer Elemente in einem Bereich von 1000 mm x 1000 mm x 200 mm mit Subnanometerpräzision

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Fröhlich; Professor Dr. Thomas Kissinger; Professor Dr. Andreas Tünnermann; Professor Dr. Uwe Zeitner
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556122658

Nanostrukturen haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten zu einem essenziellen Schlüssel für Meisterung technologischer Herausforderungen in vielen Anwendungen entwickelt, von der Herstellung hochintegrierter elektronischer Schaltkreise, über die Messtechnik und Sensorik im Automobil bis hin zu Hochleistungsoptiken für Weltraummissionen für die Erdbeobachtung und Grundlagenforschung. Für viele Anwendungen ist neben der hohen Präzision die mit vertretbarem Aufwand realisierbare Größe optisch nanostrukturierter Elemente ein entscheidender Parameter. Die Herstellung solcher Komponenten mit bis zu etwa 300 mm Ausdehnung wird heute mit unterschiedlichen Technologien beherrscht. Über diese Abmessungen hinaus gibt es aktuell keine adäquaten Herstellungs- und Prüfverfahren. Die Antragsteller haben sich deshalb im Rahmen des DFG-Programms "Neue Geräte für die Forschung" das Ziel gestellt, gemeinsam eine 3D-Nanolithographie- und Nanomessmaschine (3D-NLM-Maschine) mit einem Bearbeitungs- und Messbereich von 1 m x 1 m x 0,2 m mit einer Positionier-Strukturierungs- und Messgenauigkeit bis in den sub-Nanometerbereich zu entwickeln und aufzubauen, die durch die konsequente Verknüpfung von hochentwickelter 3D-Nanolithographie (IAP/FSU Jena, Fraunhofer IOF) mit extrem genauer Nanopositionier- und Nanomesstechnik (IPMS/TU Ilmenau) eine bisher nicht gekannte Leistungsfähigkeit an den Grenzen der Physik und des technisch Machbaren ermöglichen wird. Dieser international einzigartige Ansatz soll das Konsortium in die Lage versetzen, die Forschung, Entwicklung und Fertigung neuartiger High-Tech-Komponenten zu ermöglichen. Um die extrem hohen Genauigkeitsanforderungen (Auflösung: 20 pm, relative Auflösung: 2*10-11, max. Strukturierungsabweichung: < 10 nm auf einer 3D-Fläche von 1 m2) der neuartigen 3D-NLM-Maschine bei den enormen geometrischen Abmessungen und Massen realisieren zu können, sollen eine ganze Reihe originärer Ansätze zum Einsatz kommen, die in dieser komplexen Art weltweit einzigartig sind und bei denen alle drei beteiligten Partner und insbesondere das IPMS der TU Ilmenau auf internationale Alleinstellung und hohe Expertise verweisen können. Dazu zählen die Laserfrequenzstabilisierung an einen GPS-Atomuhr-disziplinierten Frequenzkamm und damit die permanente Rückführbarkeit der Längeneinheit auf die Sekunde, eine aktive Brechzahlstabilisierung auf < 10-10, die deutliche Reduktion bewegter Massen durch Anwendung des inversen kinematischen Konzeptes bei Realisierung des erweiterten Abbe-Komparatorprinzips, die permanente insitu-Messung der Referenzspiegelflächen zur Minimierung zeitlicher und thermischer Langzeiteffekt und die Realisierung eines Nanolithographie-Tools mit hochparallelisierter, aktiv steuerbarer Belichtungsverteilung. In der ersten Projektphase (3 Jahre) sollen basierend auf der Erarbeitung des Gesamtkonzeptes die wesentlichen Teilsysteme entwickelt, aufgebaut und der Nachweis der Erreichung der spezifizierten Parameter erbracht werden.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung
• Großgeräte: AFM-System ; Datenerfassungs- und Regelsystem ; Interferenzoptische Messsysteme ; Messkammer ; Präzisionsantriebssysteme ; Referenzspiegel ; Schwingungsisolation ; Tastsystem Weißlichtinterferometer
• Gerätegruppe: 5091 Rasterkraft-Mikroskope ; 5300 Interferometer, Vielstrahl-Interferometer, Etalons ; 5310 Interferenzapparaturen, Zweistrahl-Interferometer ; 5920 Spiegel, Spiegel-Optik ; 6930 Elektrische Steuergeräte und Anlagen ; 8300 Labor-Vakuumeinrichtung ; 9450 Labortische und -aufbauten