Traceable characterization of high-precision translation tables with a resolution of 14 pm

Zur Charakterisierung der dimensionellen und mechanischen Eigenschaften von Oberflächen auf atomarer Skala werden in den verwendeten Messgeräten ultrapräzise Verschiebetische benötigt. Beispielsweise wird im Rahmen der Entwicklung eines Pikoindenters mit einer angestrebten Indentationsauflösung von bis herab zu 15 pm und einer Kraftauflösung besser als 50 pN die erzielbare Messfähigkeit in starkem Maße von den Bewegungseigenschaften des verwendeten Piezotisches beeinflusst. Ein rückführbarer Kalibrieraufbau mit einer Auflösung kleiner 15 pm wird daher für die Untersuchung der Eigenschaften des Verschiebetisches benötigt. Basierend auf einem differenziellen Zweistrahl-Planspiegelinterferometer (Jamin Interferometer, NPL [1,2]) wurde in der PTB ein Kalibrieraufbau (s. Abb. 1) [3] mit einer Auflösung von 14 pm zur quantitativen Untersuchung der quasi-statischen Eigenschaften von Mikro- und Nanopositioniertischen entwickelt.

Mit Hilfe einer Glasfaser wird ein kollimierter Laserstrahl (λ = 632,8 nm) mit einem Strahldurchmesser von 1 mm in den Interferometerblock des Jamin-Interferometers eingespeist. Jeweils zwei symmetrische Referenz- und Messstrahlen messen die Bewegung des Piezotisches in Bezug auf einen Referenzspiegel. Während der Messspiegel direkt auf dem zu kalibrierenden Tisch befestigt ist, ist der U-förmige Referenzspiegel mit dem Interferometerblock mechanisch verbunden. Beim Design des mechanischen Aufbaus wurde auf eine Minimierung der Wegstrecke zwischen Mess- und Referenzstrahlen (Totweg) geachtet.

Die Phasenquadratur-Signale des Interferometers („sin“ und „cos“ in Abb. 1) werden von einem FPGA-Datenerfassungssystem (National Instruments, 16 Bit) mit einer Abtastrate von 70 kHz erfasst und decodiert. Das Experiment wird durch ein LabView-Programm mit einer typischen Datenabtastrate von 1 kHz gesteuert.

Abb. 1 Prinzip des rückführbaren Kalibrieraufbaus für die zuverlässigen Qualitätskontrolle von Mikro- und Nanopositioniertischen

Ein typisches Rauschspektrum des Kalibrieraufbaus unter Normalluftbedingungen und ohne Schwingungsisolation ist in Abbildung 2 dargestellt. Das Grundrauschen ist kleiner 10 pm/Hz1/2 für Frequenzen oberhalb 1 Hz.

Abb. 2. Das Rauschspektrum des Kalibrieraufbaus unter Normalluftbedingungen und ohne Schwingungsisolation	Abb. 3. Gemessene ungeregelte schrittweise Bewegung eines Piezotisches

Der interferometrische Kalibrieraufbau wurde zur Charakterisierung eines hochauflösenden Positioniertisches mit kapazitiver Wegmessung eingesetzt. Abb. 3 zeigt die vom Kalibrieraufbau gemessene ungeregelte Bewegung eines Piezotisches, der in Schritten von 50 pm verfahren wird. Das im Piezotisch integrierte kapazitive Messsystem rauscht wesentlich stärker als das interferometrische Messsystem und eignet sich nicht zur Charakterisierung der Tischbewegung. Mit dem aufgebauten interferometrischen Messsystem lassen sich die 50 pm Positionierschritte des Tisches jedoch klar auflösen.

Der Messaufbau steht sowohl für die Charakterisierung als auch für die Kalibrierung der Verschiebung von Präzisions-Mikrotischen zur Verfügung. Beim Interferometeraufbau war die technische Unterstützung von Dr. Andrew Yacoot vom NPL sehr wertvoll.


Literatur

[1] Downs M J and Nunn J W 1998, "Verification of the sub-nanometric capability of an NPL differential plane mirror interferometer with a capacitance probe." Meas. Sci. Technol. 9 1437–40.
[2] Yacoot A and Downs M J 2000, "The use of x-ray interferometry to investigate the linearity of the NPL Differential Plane Mirror Optical Interferometer", Meas. Sci. Technol. 11 1126–1130.
[3] Z. Li, H. Xia, U. Brand, H. Wolff, und L. Koenders, „Traceable characterisation of high-precision moving stages with displacement resolutions down to 10 pm“, in Proceedings of the 16 th international conference of the european society for precision engineering and nanotechnology May 30 th – 3 rd June 2016 Nottingham, UK, Nottingham, 2016, S. 141–142.