Die hochempfindlichen Messungen finden nicht etwa unter idealen Laborbedingungen statt, sondern sind im industriellen Umfeld störenden Umgebungseinflüssen ausgesetzt, welche die Ergebnisse schnell verfälschen. Für Anwendungen wie diese entwickelt die SIOS Meßtechnik GmbH daher hochpräzise Differenzinterferometer, die über ultrastabile thermische und physikalische Eigenschaften verfügen: Schwankende Parameter wie Temperatur, Luftdruck und -feuchte beeinträchtigen die sehr hohe Messgenauigkeit auch über längere Zeiträume nicht. Das neue Weg-Winkel-Differenzinterferometer verbindet dabei die Vorteile der Differenz- mit denjenigen der bewährten Dreistrahl-Interferometer und ermöglicht es, erstmals mehrere Freiheitsgrade sowohl langzeitstabil als auch synchron zu erfassen.
„An der Hightech-Displaytechnologie, bei der ein Screen über mehrere Millionen Pixel verfügt, werden die aktuellen Herausforderungen der industriellen Messtechnik und der Halbleiterindustrie beispielhaft deutlich“, weiß Geschäftsführer Dr. Denis Dontsov. „Die Anforderung an die Positioniergenauigkeit beim sogenannten Stitching, also dem Anreihen der einzelnen Strukturen im Herstellungsprozess, liegt bei etwa 45 nm pro Meter. 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 das Unternehmen hochpräzise Differenzinterferometer, die eine 25 mal höhere Stabilität als vergleichbare Messsysteme erreichen.
Steigenden Anforderungen entsprechen
Die steigende Nachfrage nach passenden Lösungen insbesondere für die x-y-Positionierung forderte das Know-how der Messtechnikspezialisten von SIOS allerdings 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 das Unternehmen somit ein System, das Weg und Winkel mithilfe von zwei Mal drei Laserstrahlen hochsynchron und – dank der Kompensation der Umweltfaktoren – zugleich ultrastabil erfasst. „Das neue SP 5000 TR-DI ist nun 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“, erklärt Dr. Dontsov.
Die ultrastabilen und zugleich schnellen 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 20 nm/K verfügen.
Passgenaue Differenzinterferometer für vielfältige Messaufgaben
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 schnell und unkompliziert. Dank des Baukastenprinzips, bei dem die unterschiedlichen Komponenten und Ausführungen miteinander kompatibel sind, kann das Unternehmen generell flexibel auf individuelle Messaufgaben reagieren und etwa Optiken, Hardware oder Schnittstellen innerhalb kurzer Zeit anwendungsspezifisch anpassen. „Dabei bleibt es nicht immer bei Einzellösungen: Wie das neue Weg-Winkel-Differenzinterferometer SP 5000 TR-DI ist ein großer Teil unseres Produktsortiments aufgrund von individuellen Kundenanfragen entstanden“, resümiert Dr. Dontsov.
Zum Unternehmen
Die SIOS Meßtechnik GmbH mit Sitz im thüringischen Ilmenau wurde 1991 als Unternehmen für die Entwicklung und Herstellung von Präzisionsmessgeräten aus dem Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau heraus gegründet. Von Anfang an bestand zwischen Unternehmen und TU eine enge wissenschaftlich-technische Zusammenarbeit, welche die Basis für die Entwicklung und Fertigung innovativer Produkte der Präzisionsmesstechnik mit dem Schwerpunkt der Laserinterferometrie bildete.
SIOS ist weltweit aktiv und gegenwärtig mit 25 Partnern in 30 wichtigen Industrienationen vertreten.
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