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Geradheitsmessungen am Nanometerkomparator mit 2 nm Unsicherheit

30.03.2017

Aus den steigenden Anforderungen an die Positioniergenauigkeit von mehrachsigen Fertigungs- und Messmaschinen resultiert die Forderung, auch die jeweils verwendeten Koordinaten- bzw. Geradheitsreferenzen mit geringerer Messunsicherheit kalibrieren zu können. Hierzu wurde der Nanometerkomparator weiterentwickelt, um neben den Positionsabweichungen von Längenteilungen auch deren Geradheitsabweichungen mit Messunsicherheiten im einstelligen Nanometerbereich zu bestimmen. Der Nanometerkomparator ist das nationale Normal für die Weitergabe der Einheit Meter durch die Kalibrierung von Strichmaßstäben, Photomasken und Encodersystemen mit einer Länge von bis zu 550 mm. Bei der Kalibrierung werden die Teilungsstrukturen der Messobjekte optisch angetastet, während die Messobjekte selbst auf einem luftgelagerten Messschlitten mit konstanter Geschwindigkeit bewegt werden und die Position des Messschlittens hierbei mit einem Vakuum-Verschiebeinterferometer hochgenau bestimmt wird.

Bild 1: Geradheitsmessung eines Encodersystems am Nanometerkomparator auf Basis der ergänzten drei Verschiebeinterferometer

Bild 2: Die Geradheitsabweichungen des Gittermaßstabes wurden mit zwei unterschiedlichen Fehlerseparationsverfahren (TMS-Verfahren und Umschlagverfahren) ermittelt.

Um die horizontalen Führungsfehler des Messschlittens von der gesuchten Geradheitsabweichung des Messobjektes zu trennen, wird ein Fehlerseparationsverfahren benötigt. Am Nanometerkomparator wurden das erweiterte „Traceable Multi-Sensor (TMS)“-Verfahren sowie ein Umschlagverfahren realisiert. Dafür wurde der Komparator mit einem neuen Maßstabsträger aus Zerodur mit aufgebrachtem Langspiegel und drei zusätzlichen Interferometern ausgestattet. Die beiden realisierten Methoden der Geradheitsmetrologie wurden durch vergleichende Messungen eines Geradheitsencodersystems mit einer Teilungsperiode von 512 nm und einer Messlänge von 322 mm evaluiert. Die zwei unterschiedlichen Fehlerseparationsverfahren ergaben im Rahmen ihrer Messunsicherheiten die gleichen Ergebnisse, welche bei der ermittelten Geradheitsabweichung des Maßstabes von ±72 nm um weniger als ±1,3 nm voneinander abwichen. Somit konnte der gitterbasierte Geradheitsmaßstab mit einer erweiterten Messunsicherheit von unter 2 nm kalibriert werden.

Mit dem an der PTB entwickelten TMS-Verfahren kann die benötigte Messzeit deutlich gesenkt werden, da im Vergleich zum Umschlagverfahren nur eine einzige Maßstabsauflage erforderlich ist. Mit der erweiterten Funktionalität des Nanometerkomparators kann die PTB nun auch die Geradheitsabweichungen von Strukturen auf Maßstäben und Photomasken mit Messunsicherheiten im einstelligen Nanometerbereich kalibrieren und darüber hinaus auch andere Geradheitsmesssysteme, wie z. B. Geradheitsinterferometer, untersuchen. Die erreichte Messunsicherheit wurde durch die Stabilität der für die Fehlerseparationsverfahren notwendigen Referenzen begrenzt und kann zukünftig in den Subnanometerbereich verringert werden.