NanoFrazor Scholar – hochauflösendes Nanolithographie-Tool für Technologie-Einsteiger, Hochschule für Technik und Umwelt FHNW

Abb. 1: NanoFrazor Instrument (kleinste Scholar Desktop-Version)

Abb. 2: Nanostrukturiertes Sample (mit ca. 5 x 20 µm Abmessung)

Mechatronik, Mikro- und Nanotechnologie, Mess- und Regelungstechnik, Trajektorienplanung

Entwicklung eines Einsteiger-Modells mit mechatronischer Evaluation einzelner COTS. Schlüsselkomponenten und einer aufwändigen modellbasierten Trajektorienplanung.
COTS: components-off-the-shelf (seriengefertigte Produkte «von der Stange»)

Die Firma Heidelberg Instruments Nano (ehemals SwissLitho) in Zürich entwickelt und verkauft NanoFrazor Instrumente in drei verschiedenen Geräteklassen. Ein NanoFrazor ist ein einzigartiges nanolithographisches System zur Oberflächenstrukturierung im Nanometerbereich. Das ursprünglich bei IBM-Rüschlikon erfundene AFM-Prinzip wurde derart erweitert, um mittels speziellen Cantilevern (mit einer in die Mikrospitze integrierten Heizung) das thermische Strukturieren einer patentierten Lackschicht zu erlauben. Da diese Technologie auf Hitze anstelle von geladenen Teilchen beruht, hat sie einige bedeutende Vorteile gegenüber den üblicherweise verwendeten Methoden wie z.B. Elektronenstrahl Lithographie. Zu den Kunden von Heidelberg Instruments Nano gehören Forschungsgruppen und Universitäten aus der ganzen Welt. Als Start-up-Unternehmen von IBM-Rüschlikon und der ETHZ wurde die innovative Firma mehrfach preisgekrönt. Um den Marktzugang zu erweitern wurde zusammen mit der FHNW ein Einsteigermodell eines NanoFrazors entwickelt, der NanoFrazor Scholar. Diese Variante befindet sich in einem für Forschungsgruppen üblichen Preisbereich und ermöglicht somit eine anspruchsvolle Nanofabrikation «für Jedermann».

Hightech-Instrumente basieren häufig auf hochpräzisen, spezialangefertigten und damit kostspieligen Komponenten. Dies gilt auch für die NanoFrazor Gerätefamilie, wobei die Sample-Positioniertische eines der preistreibenden Systemkernmodule sind. Diese bestehen notwendigerweise aus gestapelten X-Y-Z Achsen, mit sowohl stabiler Sample-Grobpositionierung plus je einer Feinpositionierung mit Nanoauflösung. Für die Entwicklung eines Einstiegsgeräts wurde eine mechatronische Evaluation unter alternativen Grob- und Piezo-Positionierern durchgeführt; welche immer noch eine Auflösung im Nanometerbereich erlauben, jedoch kommerziell "ab Katalog" erhältlich sind (also eine kostengünstigere Alternative mit Akzeptieren gängiger Fertigungstoleranzen und für den Zweck nur bedingt genügender Performanz anbieten). Durch umfangreiche Tests mit verschiedenen Produkten konnte dasjenige Modell mit dem besten Preis-Leistungs-Verhältnis identifiziert werden. Die Erzeugung von 3D-Strukturmustern im Nanobereich erfordert eine extrem hohe und stabile Positionsgenauigkeit. Um die damit verbundene Auflösung mit standardisierter Hardware zu erreichen, musste der bisherige Regelalgorithmus wesentlich verbessert werden. Dazu wurde vom evaluierten Piezo-Positionierer ein mathematisches Modell erstellt. Anhand dieses virtuellen Modells kann das Verhalten des Positionierers vorhergesagt und die Trajektorienplanung angepasst werden. Derart kann die gewünschte Positionsgenauigkeit trotz fabrikationsbedingter Fehler erreicht und die Schreibgeschwindigkeit signifikant erhöht werden. Durch die enge Zusammenarbeit mit dem Wirtschaftspartner konnten somit die Ziele erreicht bzw. sogar übertroffen und das Produktangebot erweitert werden.