Ohne Messlatte für Atome kein Hightech der Zukunft

Mikroelektronik begleitet und verändert unseren Alltag. Sie steckt in Smartphones, in der automatisierten und vernetzten Produktion und im Internet der Dinge. Sie wird nicht nur kleiner, sondern enthält immer mehr intelligente Funktionen und damit Strukturen auf einem Chip. In der Halbleiterfertigung müssen daher immer geringere Strukturbreiten beherrscht werden – derzeit sind das zehn Nanometer. Um Leiterbahnen dieser und künftig geringerer Breite auf einem Chip zu realisieren, müssen moderne Produktions- und Inspektionsanlagen bis in den Subnanometerbereich messen und positionieren können. Längenmaßstäbe oder zweidimensionale Gitterstrukturen dieser Anlagen müssen dafür entsprechend kalibriert werden.

Vor diesem Hintergrund entwickelt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig als technische Oberbehörde des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie und oberste Instanz bei allen Fragen des richtigen und zuverlässigen Messens immer genauere Messverfahren und -einrichtungen als Referenzsysteme zur Vermessung von Kalibrierstandards für solche und unzählige andere Anwendungen.

Lange Wegmessungen per Laserinterferometer im Vakuum erfordern hochpräzisen Antrieb

Für Messeinrichtungen und Kalibrierstandards spielen hochgenaue Wegmessungen per Laserinterferometer eine herausragende Rolle, da sich mit diesen Systemen Messunsicherheiten im Nanometerbereich auch bei vergleichsweise großen Messlängen von mehreren 100 mm erzielen lassen. Die Untersuchung und Optimierung der Eigenschaften von Laserinterferometern, insbesondere der Fehlereinflüsse, sind deshalb ein zentraler Forschungsgegenstand der PTB. Dabei stellt unter atmosphärischen Bedingungen die Brechzahländerung der Luft aufgrund von Temperatur, Druck und Feuchte den dominierenden Fehlereinfluss dar, welcher viele andere überdeckt. Aus diesem Grund werden die Untersuchungen zunehmend im Vakuum durchgeführt.

Für diese anspruchsvollen Forschungsarbeiten wurde seitens der PTB ein hochgenauer planarer Verschiebetisch für einen großen Verfahrbereich und den Einsatz in Vakuumumgebung benötigt. Mit Hilfe dieses Positioniersystems sollen einzelne Komponenten des zu untersuchenden Interferometers nanometergenau positioniert und so definierte, präzise reproduzierbare Messbedingungen geschaffen werden. Hierfür soll der Verschiebetisch eine gleichförmige vibrationsfreie Bewegung über einen Verfahrbereich von 150 mm x 2 mm realisieren und gleichzeitig den Messraum so wenig wie möglich beeinflussen. Besonderes Augenmerk liegt zusätzlich auf der passgenauen Integration in den komplexen Messaufbau innerhalb der Vakuumkammer, der auch eine mitbewegte 3D Positioniereinheit für eine Kurzhubverstellung der z-Position und der horizontalen Kippachsen vorsieht.

Hochpräzises Planarantriebssystem des IMMS arbeitet im Vakuum

Das IMMS hat für diese Aufgabenstellung einen Planarmotor mit optisch inkrementellem Messsystem und aerostatischer Läuferführung entwickelt. Der Antrieb regelt die Läuferposition in der xy-Ebene sowie die Verdrehung um die Hochachse (φ_z) in einem geschlossenen Regelkreis. Die verbleibenden Freiheitsgrade des Läufers, d.h. vertikale (z) sowie Kippbewegungen um die horizontalen Achsen (φ_x, φ_y) werden durch eine planare aerostatische Läuferführung mit drei flachen Luftlagerpads definiert. Der mitbewegte 3D-Verschiebetisch bietet zudem die Möglichkeit, das Messobjekt in diesen Freiheitsgraden in einem kleinen Bewegungsbereich zu positionieren.

Neben der Entwicklung und Realisierung der Hardware des Verschiebetisches erarbeitete das IMMS auch die Regelungsalgorithmen und führte diese mit einer Ablaufsteuerung zu einem in sich geschlossenen 3D-Regelungssystem zusammen. Die Regelungssoftware wurde auf eine echtzeitfähige Steuerungshardware implementiert, welche als Client mit der übergeordneten Steuerung des Gesamtexperiments kommuniziert. Auf diese Weise wurde das Planarantriebssystem als eigenständiges Subsystem in den Gesamtaufbau integriert. Zusätzlich zur Kernfunktion, das Messobjekt präzise zu positionieren, ermöglicht das neue Antriebssystem auch ein zwischenzeitiges Absetzen des Läufers (Lock-Down) mit anschließender Deaktivierung sämtlicher Systeme, so dass die Beeinflussung der Messumgebung während dieser Zeit noch weiter reduziert wird.

Der Antrieb wird von der PTB seit Mitte 2017 für die beschriebenen Untersuchungen eingesetzt.