Ultra-präzise Positionierung am Nanometerkomparator

Im Rahmen der Weiterentwicklung am Nanometerkomparator - des nationalen Normals für Präzisionslängenmessungen an Strichteilungen - wurde eine Optimierung der Positionsregelung durch den Einsatz eines Lorentz-Aktuators umgesetzt. Die zu untersuchenden Messobjekte (z.B. Inkrementalgeber, Strichmaßstäbe und Photomasken) werden hierzu auf einem Messschlitten platziert, welcher durch eine Luftlagerung geführt und mittels Linearmotor relativ zu einem vergleichenden Messsystem bewegt wird. Diese Bewegung des Messschlittens wird mittels Vakuum-Längeninterferometrie ohne messbaren Einfluss äußerer Umgebungsbedingungen hochpräzise detektiert. Um Abweichungen zwischen den Führungen des Antriebssystems und des Messschlittens zu kompensieren, waren der Schlitten und der Linearmotor über zwei mechanische Dünnstellen verbunden. Trotz einer geschlossenen Lageregelung des Antriebssystems über dedizierte Inkrementalgeber zeigte der Messschlitten Schwingungen in axialer Richtung mit Amplituden von bis zu 15 nm. Diese mechanischen Vibrationen des Messschlittens zeigten sich zudem mit gedämpfter Auslenkung in den differentiellen Messergebnissen zwischen Messobjekt und Vakuuminterferometer, obwohl die Messdaten beider Längenmesssysteme hochsynchron aufgenommen wurden. Durch die verringerte Verbindungssteifigkeit zwischen Linearmotor und Messschlitten war die Bandbreite der Lageregelung zudem auf 20 … 30 Hz beschränkt. Darüber hinaus konnte mit dem kommutierenden Antrieb nur mit minimalen Schrittweiten von 5 nm positioniert werden.

Um Störungen mit einer höheren Bandbreite ausregeln zu können und Positionen präzise und wiederholbar im Sub-Nanometerbereich anzufahren, wurden die Dünnstellen durch einen Lorentz-Aktuator ersetzt. Der Aktuator verkörpert eine aktive, mechanische Entkopplung und ist in der Lage auftretende Führungsabweichungen zwischen Linearmotor und Messschlitten aufgrund eines Luftspalts von 0,5 mm auszugleichen. Durch die Rückführung hochaufgelöster Positionswerte, abgeleitet von den laser-interferometrischen Signalen des Vakuuminterferometers, wurde eine Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Messergebnisse angestrebt. In vorangegangenen Arbeiten der Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass sowohl Positionsauslenkungen als auch Linearitätsabweichungen von Interferometern bis in den Bereich weniger Pikometer aufgelöst werden können. Zudem wurde in weiteren Untersuchungen auf dem Gebiet der Nanopositionierung demonstriert, dass die Leistungsfähigkeit von luftgelagerten Positioniersystemen durch den Einsatz hochdynamischer Lageregelungen und hochpräziser Regelsignale verbessert werden kann. Anhand eines Testaufbaus konnte die Realisierbarkeit mit Hilfe eines FPGA-basierten Regelungskonzepts nachgewiesen werden. Im folgenden Schritt wurde das Positionierungssystem in das bestehende Antriebssystem des Nanometerkomparators eingebunden.

Um die Leistungsfähigkeit des neuartigen Positionierungssystems am Nanometerkomparator zu verifizieren, wurde eine selbstentwickelte Phasenauswerteelektronik verwendet. Diese ermöglicht, die Position des Messschlittens mit einer Wiederholrate von 48,8 kHz zu detektieren und parallel dazu den Lageregler mit extrapolierten Rückkopplungssignalen zu versorgen. Die Messergebnisse, dargestellt in Abbildung 1, wurden über eine Messzeit von 330 s mit einer Regelrate von 160 kHz erzielt und zeigen, dass der etwa 125 kg schwere Messschlitten nun im Sub-Nanometerbereich präzise positioniert werden kann. Bei der Anwendung eines gleitenden Mittelwertes über 48.828 Messwerte (Filterbandbreite: 1 Hz) ergab sich eine Standardabweichung von weniger als 10 pm (rote Kurve) bei gleichbleibendem Sollwert.


Abb. 1: Messungen von Auslenkungen am Nanometerkomparator mit Schritten von 0,1 nm bei einer Filterbandbreite von 100 Hz (blaue Kurve) und 1 Hz (rote Kurve).