Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Messgeräte

Nanometerkomparator    Alpha-Messplatz

Der Nanometerkomparator

Die präzise Messung von Längen ist eine der häufigsten Problemstellungen in der industriellen Fertigung wie auch in verschiedenen Bereichen wissenschaftlicher Fragestellungen. Um die höchsten Anforderungen zu erfüllen, wie sie sich z.B. bei der lithografischen Herstellung von Halbleiterstrukturen ergeben, müssen Längen mit Unsicherheiten bis in den Nanometerbereich und teilweise noch genauer bekannt sein. Der Nanometerkomparator ist ein Präzisions-Längenkomparator mit Interferometrie im Vakuum, der in Zusammenarbeit der PTB mit der Dr. Johannes Heidenhain GmbH entwickelt wurde. Ziel der Geräteentwicklung ist es, einen hochgenauen Anschluss von Längennormalen und Längenmesssystemen an die Längeneinheit zu gewährleisten sowie grundlegende Untersuchungen zur Positionserfassung von Messstrukturen auf ebenen Teilungsträgern durchführen zu können. Als Messobjekte sind Strichmaßstäbe, Photomasken, inkrementelle Maßstabmesssysteme, Messtaster und Interferometer mit einer Messlänge bis 550 mm vorgesehen (durch Umschlagmessung können Strichmaßstäbe bis 1 m mit durchgehender Teilung mit erhöhter Unsicherheit gemessen werden). Die erreichbare Messunsicherheit liegt für Längen bis 400 mm unter 5 nm. Für hochwertige inkrementelle Meßsysteme und Laserinterferometer sind Messunsicherheiten unter 2,5 nm erreichbar. Es wird angestrebt die Messunsicherheit weiter zu verringern, um auch in Zukunft mit den steigenden Anforderungen, wie sie sich z.B. aus Weiterentwicklungen in der Halbleiterfertigung ergeben, Schritt zu halten.

Das Prinzip des Nanometerkomparators ist in der folgenden Skizze dargestellt.

Der Komparator ist auf einem stabilen Granitbett von 0,7 m Dicke aufgebaut. Die Verschiebung des zu untersuchenden Maßstabes bzw. eines anderen Messobjektes erfolgt mit einem luftgelagerten Messschlitten, der von einem Linearmotor bewegt wird. Auf dem Granit ist eine feststehende Vakuumkammer für den Interferometerkopf angebracht. Von dieser Vakuumkammer aus verläuft der Membranbalg zu einem separaten Nachführschlitten, und ein zweiter Membranbalg weiter zum Messschlitten, so dass der Interferometerstrahl komplett im Vakuum verläuft. Der Nachführschlitten wird auf konstanten Abstand zum Messschlitten gehalten, so dass die Kräfte des Balges nicht auf den Messschlitten wirken. Um die Führungsabweichungen gegenüber den mechanischen Möglichkeiten weiter zu verringern, wird jedes Luftlager mit einem Piezotranslator kombiniert, so dass die Führungsfehler mit Hilfe von Winkelinterferometern im Vakuum durch eine Regelung weiter verringert werden können.

An einer massiven Brücke über dem Messschlitten können an einer universellen Befestigungsplatte verschiedene Messsysteme zur Strukturerfassung angebracht werden. Hierfür stehen inkrementelle Abtastköpfe und ein photoelektrisches Mikroskop zur Verfügung. Die am Nanometerkomparator realisierte Anordnung des kompletten Interferometerstrahlenganges im Vakuum ermöglicht den Anschluss an die Längeneinheit mit sehr kleinen Messunsicherheiten.

Der Nanometerkomparator hat an zwei internationalen Maßvergleichen mit Erfolg teilgenommen. Bei einem Vergleich zwischen verschiedenen nationalen Metrologieinstituten an einem 280 mm Strichmaßstab mit aufgebrachter 1mm-Teilung (Nano3) konnte eine gute Übereinstimmung im Rahmen der von den Teilnehmern angegebenen Messunsicherheiten erreicht werden.

Ergebnisse des internationalen Nano3 Strichmaßstab-Vergleichs

Eine genauere Einschätzung der Leistungsfähigkeit des Komparators erlaubte eine Vergleichsmessung mit anderen Vakuumkomparatoren, die bei den Firmen Mitutoyo, Japan und Heidenhain, Traunreut betrieben werden. Als Transfernormal wurde ein inkrementales Längenmesssystem vom Typ Heidenhain LIP 382 mit 280 mm Teilungslänge und 512 nm Teilungsperiode verwendet. Die Übereinstimmung aller drei Teilnehmer dieses Vergleiches betrug etwa 5 nm.

Ergebnisse des Vergleichs von 3 Vakuumkomparatoren

Für einige Anwendungen ist die rückführbare Messung der Gesamtlänge eher von untergeordneter Bedeutung, entscheidend ist hier vielmehr die Linearität und die Reproduzierbarkeit der Längenmessung. In der folgenden Grafik ist daher die Abweichung der am Transfernormal LIP 382 mit den bei der PTB und der Fa. Heidenhain betriebenen Vakuumkomparatoren bestimmten Längenmessergebnisse - allerdings um die längenproportionale Differenz bereinigt - dargestellt. Die verbleibenden Abweichungen liegen in der Größenordnung atomarer Gitterabstände.

Ergebnisse des Vergleichs der Vakuumkomparatoren der PTB und Heidenhain, bereinigt um den längenproportionalen Anteil

Der Alpha-Messplatz

Messung der thermischen Längenausdehnung von stabförmigen Körpern

In Fertigungsbereichen und Messräumen werden Längen an Werkstücken bei Umgebungstemperaturen gemessen, die von der Bezugstemperatur 20 °C zum Teil erheblich abweichen. Um auch unter solchen Bedingungen hinreichend genaue Längenmessungen durchführen zu können, muss das thermische Verhalten der eingesetzten Maßverkörperungen und Messgeräte bekannt sein.

Aus diesem Grund ist in der PTB eine Messeinrichtung entwickelt und aufgebaut worden, die es ermöglicht, Längenausdehnungskoeffizienten von wichtigen Längenmaßen, wie z.B. Strich- und Rastermaßstäben oder langen Parallelendmaßen, als auch von speziellen Materialien für die Längen- und Fertigungsmesstechnik genau zu bestimmen. Dabei ist in diesem Aufbau eine optische Qualität der Endflächen des Messobjektes nicht erforderlich.

Es können Messungen an stabförmigen Prüflingen mit Längen bis zu 1,3 m und Querschnitten bis zu 60 mm × 40 mm in einem Temperaturbereich von 10 °C bis 40 °C vorgenommen werden.

Funktionsschema der Messeinrichtung

Das Funktionsschema der Messeinrichtung ist aus dem Bild ersichtlich. Der Prüfling ist zwangsfrei gelagert und befindet sich ständig im mechanischen Kontakt mit den Tripelspiegeln.

Die Messung der Längenänderung des Prüflings erfolgt mittels eines speziellen Polarisationsinterferometers. Es wird eine ständige Messung der Verschiebung der Interferenzen vorgenommen. Für die Temperaturmessungen am Prüfling und an weiteren Stellen im Innenraum des Gehäuses werden Pt-100-Widerstandsthermometer und Ni-CrNi-Thermoelemente verwendet. Die Thermostatierung des Innenraumes erfolgt über mehrere unabhängige Wasserkreisläufe des Gehäuses. Mittels computergesteuerter Wasserumwälzthermostate werden nacheinander konstante Temperaturniveaus im Dilatometergehäuse eingestellt.

Die Längenausdehnungskoeffizienten 1-m-langer Prüflinge können mit einer Messunsicherheit von ± 2 ⋅ 10^-8 K^-1 bestimmt werden. Durch eine solch hohe Messgenauigkeit ist es z.B. möglich, eindeutige Unterschiede im Ausdehnungsverhalten verschiedener Chargen gleicher Legierungen zu erkennen. Noch geringere Messunsicherheiten für den thermischen Ausdehnungskoeffizienten an Messobjekten mit optischer Oberflächenqualität und der Form von Parallelendmaßen lassen sich mit einem Messaufbau in der Arbeitsgruppe 5.44 erreichen.