Die Inspektion von optischen Präzisionsbauteilen, Wafern und Masken, Oberflächenscans auf atomarem Level mit Atomkraftmikroskopie (AFM), spitzenbasierte Nanofabrikation mit aktiven Mikrocantilevern – diese und viele weitere Technologien der High-Tech-Industrie auch über die Halbleitertechnik hinaus sind auf hochpräzise Positioniersysteme angewiesen, um eine nanometergenaue Vermessung, aber auch um Nanofabrikation, d.h. eine Manipulation in dieser Größenordnung, zu ermöglichen. Dabei wird es zunehmend notwendig, diese Technologien nicht nur im Bereich einiger Mikrometer, sondern auch für große Messobjekte oder auf Waferebene, im Bereich von hundert Millimetern oder mehr, einsetzen zu können.

Für die Grundlagenforschung zur Nanomesstechnik und Nanofabrikation der TU Ilmenau wurde mit der Nanofabrikationsmaschine NFM-100 ein System realisiert, welches zum einen die Abtastung von Oberflächen (AFM) und zum anderen die Bearbeitung mittels Feldemissions-Rastersondenlithographie erstmalig in einem xy-Verfahrbereich von Ø100 mm möglich macht.

Bei der Entwicklung und Realisierung der NFM-100 unter Federführung der SIOS GmbH konnte das IMMS sein Know-how auf dem Gebiet der luftgeführten Präzisionsantriebe, insbesondere der Realisierung von Nanopositioniersystemen für große Verfahrbereiche, einbringen, das nicht zuletzt aus der langjährigen gemeinsamen Forschung mit der TU Ilmenau zu Nanopositionier- und Nanomessmaschinen resultiert.  Das Positioniersystem der NFM-100 besteht aus einem vom IMMS entwickelten integrierten 3D-Direktantrieb, bei dem die Antriebskräfte berührungsfrei auf einen aerostatisch planar geführten Quarzglasläufer wirken. Die Verschiebung und Verdrehung des Läufers wird mittels ultrastabiler Differenz-Interferometer der SIOS GmbH ebenfalls berührungsfrei und mit Pikometer-Auflösung gemessen. Mit diesem rauscharmen und hochgenauen Feedback wird über die Echtzeitsteuerung eine Closed-Loop-Regelung für x, y und φz realisiert. Neben der Entwicklung und Realisierung des integrierten Direktantriebs und dessen Einbindung in das Gesamtsystem der Maschine steuerte das IMMS auch die Programmierung der Echtzeitsteuerung und insbesondere die Entwicklung, Implementierung und das Feintuning der Regelungsalgorithmen bei. Als Antastsystem kommt ein AFM-Messkopf der nano analytik GmbH zum Einsatz.

Im Ergebnis entstand mit der NFM-100 ein völlig neuartiges Gerät, welches durch den großen Arbeitsbereich neue Anwendungsfelder für die AFM-Technologie erschließt. Das Positioniersystem erreicht Subnanometer-Positionsstabilität und ermöglicht Positionierschritte von beispielsweise 100 Pikometern, siehe Abbildung 2.
Mit diesen herausragenden Eigenschaften wird die NFM-100 sehr erfolgreich für die wissenschaftliche Arbeit an der TU Ilmenau auf dem Gebiet der Nanofabrikation eingesetzt. So gelang hier in 2021 die Realisierung durchgängiger AFM-Scans über 50 mm ohne das sonst übliche Stitching, d.h. ohne die Aneinanderreihung von Teilaufnahmen, siehe Abbildung 3.

Das der NFM-100 zugrundeliegende Positioniersystem kann auch mit anderen Sensoren als Antast- bzw. Manipulationssystem ausgestattet werden, was die Adressierung weiterer Mess- oder Bearbeitungstechnologien auf Nanometer-Level ermöglicht. In obiger Konfiguration ist das Positioniersystem als modulare Plattform jetzt schon über die SIOS GmbH verfügbar.  
Der zugrundeliegende skalierbare Maschinenansatz ermöglicht aber neben größeren xy-Verfahrbereichen auch die Implementierung einer z-Verstellung von bis zu 10 mm. Hierzu wurden am IMMS passende Hubmodule als vertikale Nanopositionierer mit integrierter Gewichtsentlastung entwickelt [4], [5].