Ultra-präzise Positionsregelung mittels interferometrischer Lagedetektion und Tauchspulenantrieb

Im Rahmen der stetigen Weiterentwicklung am Nanometerkomparator wird eine Optimierung der Positionsregelung durch den Einsatz eines Tauchspulenantriebs angestrebt. Die zu untersuchenden Messobjekte (z.B. Inkrementalgeber, Maßstäbe 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 über Vakuum-Längeninterferometrie ohne messbaren Einfluss äußerer Umgebungsbedingungen hoch-präzise detektiert. Um Abweichungen zwischen den Führungen des Antriebssystems und Messschlitten zu kompensieren, sind der Schlitten und der Linearmotor über zwei mechanische Schwachstellen verbunden. Trotz einer geschlossenen Lageregelung des Antriebssystems über dedizierte Inkrementalgeber zeigt der Messschlitten Schwingungen mit Amplituden von bis zu 15 nm. Diese mechanischen Vibrationen des Messschlittens zeigen sich zudem mit gedämpfter Auslenkung in den differentiellen Messergebnissen zwischen Messobjekt und Vakuuminterferometer, obwohl beide Messsysteme hoch-synchron aufgenommen werden. Durch die verringerte Verbindungssteifigkeit zwischen Linearmotor und Messschlitten ist die Bandbreite der Lageregelung derzeit auf 20…30 Hz beschränkt.

Daher wird angestrebt, die Schwachstellen durch einen Tauchspulenantrieb zu ersetzen. Diesbezüglich verkörpert die Tauchspule eine aktive, mechanische Entkopplung und kann aufgrund des Luftspalts auftretende Führungsabweichungen ausgleichen. Durch die Rückführung von hochaufgelösten Positionswerten, abgeleitet von den laser-interferometrischen Signalen des Vakuuminterferometers, ergibt sich ein weiterer Ansatz für eine Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. In vorangegangenen Arbeiten der Arbeitsgruppe wurde demonstriert, 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 gezeigt, dass die Leistungsfähigkeit von luftgelagerten Positioniersystemen durch den Einsatz hoch-dynamischer Lageregelungen und hoch-präziser Rückführsignale verbessert werden kann. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde ein Testaufbau geschaffen, um die Realisierbarkeit von Positionsstabilitäten im Sub-Nanometerbereich und die Einsatzmöglichkeiten einer FPGA-basierten Regelung nachzuweisen. Hierbei wurde mit einer Tauchspule, einem hoch-dynamischen Lageregler und hochpräziser, laser-interferometrischer Rückführsignale ausschließlich auf Komponenten zurückgegriffen, welche für den Einsatz am NMK-Aufbau vorgesehen sind.

Um die Stabilität des Positionierungssystems zu verifizieren, wurde eine selbstentwickelte Phasenauswerteelektronik genutzt. Diese ist in der Lage, die Position des Antriebssystems mit einer Wiederholrate von 55 kHz zu detektieren und parallel dazu den Lageregler mit extrapolierten Rückführsignalen zu versorgen. Die Messergebnisse, dargestellt in Abbildung 1, wurden über eine Messzeit von 18 s mit einer Regelgeschwindigkeit von 200 kHz erzielt und zeigen, dass eine Positionsstabilität von 0,1 nm (Standardabweichung der schwarzen Kurve) und ein Spitze-Spitze-Wert von 1 nm erreicht werden können. Bei der Betrachtung eines gleitenden Mittelwertes über 555 Messwerte (Bandbreite: 100 Hz) ergibt sich eine Stabilität von 21 pm (rote Kurve).

Bild 1: Messung der Positionsstabilität