„An der Hightech-Displaytechnologie, bei der ein Screen über mehrere Millionen Pixel verfügt, werden die aktuellen Herausforderungen der industriellen Messtechnik und der Halbleiterindustrie deutlich“, weiß Dr. Denis Dontsov, Geschäftsführer der Sios Meßtechnik. „Die Anforderung an die Positioniergenauigkeit beim sogenannten Stitching, also dem Anreihen der einzelnen Strukturen im Herstellungsprozess, liegt bei etwa 45nm/m. Diese Größenordnung ist vergleichbar mit der perfekten Aufreihung von Kirschkernen auf der Gesamtfläche Thüringens.“ Die Halbleiterfertigung muss sich derselben Problematik stellen: Je kompakter und leistungsfähiger Chips werden, desto höher steigen die Anforderungen an die Präzision der Fotolithografie als zentralen Fertigungsschritt. Aber auch Brechzahlmessungen in der Optikindustrie und Ausdehnungsmessungen von Werkstoffen erfordern immer akkuratere Ergebnisse und erlauben nur noch Toleranzen im Nano- oder sogar Pikometerbereich. Zugleich erhöht sich die Komplexität der einzelnen Messaufgaben wie z.B. Positionsregelungen von x-y-Tischen, Erfassung von thermischen Materialausdehnungen, Untersuchungen des Kriech- und Driftverhaltens von Objekten, Brechzahlmessungen sowie hochgenaue Längen- und Winkelmessungen. Das Problem dabei: All diese Messungen finden in Produktionsumgebungen statt, die keine optimalen Laborbedingungen bieten können. Die verwendete Technik muss daher schwankende Umgebungseinflüsse wie Temperatur, Luftdruck und -feuchte kompensieren können, ohne ihre Ergebnisse zu verfälschen, um auch eine stabile Wiederholbarkeit von Mehrfachmessungen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck nutzt Sios hochpräzise Differenzinterferometer, die eine 25x höhere Stabilität als vergleichbare Messsysteme erreichen.
Steigende Anforderungen an die x-y-Positionierung
Die steigende Nachfrage nach passenden Lösungen insbesondere für die x-y-Positionierung forderte das Knowhow der Messtechnikspezialisten allerdings noch weiter heraus. So sollten auch über größere Distanzen langzeitstabile Messungen von mehreren Freiheitsgraden simultan ermöglicht werden. Um dies zu realisieren, kombinierten sie ihr hochpräzises Dreistrahl-Interferometer SP 5000 TR, das auf simultane Weg- und Winkelmessungen ausgelegt ist, mit dem Differenzinterferometer SP 5000 DI, um von dessen Langzeitstabilität zu profitieren. Mit dem Weg-Winkel-Differenzinterferometer SP 5000 TR-DI entwickelte Sios somit das weltweit erste System, das Weg und Winkel mithilfe von zwei Mal drei Laserstrahlen hochsynchron und – dank der Kompensation der Umweltfaktoren – zugleich ultrastabil erfasst. „Das SP 5000 TR-DI ist in der Lage, nicht nur winzigste Bewegungen, sondern auch kleinste Verkippungen über größere Bereiche hinweg zu erfassen, ohne dass die Ergebnisse thermischen und physikalischen Umwelteinflüssen unterliegen“, so Dr. Dontsov.
Die Weg-Winkel-Differenzinterferometer verfügen für jeden der drei Messstrahlen zusätzlich über einen Referenzstrahl. „Die insgesamt sechs Laserstrahlen werden parallel aus dem Sensorkopf herausgeführt und treffen auf einen flexiblen und einen statischen Reflektor. Auf diese Weise kann ein Großteil der Strecke zwischen Interferometer und Messort optisch kompensiert werden. Die eigentliche Messung konzentriert sich auf die Längendifferenz zwischen Mess- und Referenzstrahlen, sodass Umwelteinflüsse, die das Ergebnis beeinträchtigen könnten, nur auf diesen kleinen Messbereich wirken können. Dank der hochsymmetrischen Konstruktion des Sensorkopfes ist daher auch eine größere Entfernung zwischen Sensor und Messobjekt möglich, ohne Verfälschungen des Ergebnisses in Kauf nehmen zu müssen. Zudem sind alle Differenzinterferometer mit langzeitstabilen Sensoren ausgestattet, die über eine Temperaturempfindlichkeit von <20nm/K verfügen.
Passgenaue Differenzinterferometer
Für komplexere, mehrachsige Messaufbauten können einfach mehrere Differenzinterferometer miteinander kombiniert und mit nur einer Steuerungseinheit betrieben werden. Die korrekte Ausrichtung der Messanordnung gestaltet sich dabei dank integrierter optischer Justierhilfen auch über einige Meter und Achsen hinweg unkompliziert. Dank des Baukastenprinzips, bei dem die unterschiedlichen Komponenten und Ausführungen miteinander kompatibel sind, kann Sios generell flexibel auf individuelle Messaufgaben reagieren und etwa Optiken, Hardware oder Schnittstellen innerhalb kurzer Zeit anwendungsspezifisch anpassen,
