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Längenmessungen nanometergenau

Immer geringere Fertigungstoleranzen von Präzisionskomponenten erfordern immer genauere Messgeräte zur Sicherung der Produktqualität. Zusammen mit zwei deutschen Firmen aus den Bereichen Werkzeugmaschinensteuerung und Koordinatenmessgeräte hat die PTB einen Längenkomparator entwickelt, der die bisher mögliche Messunsicherheit für Messlängen von 2 mm bis 610 mm deutlich verringert.

Der neue Nanometerkomparator

Weltweit können die Abstände von Strukturen (als Längenmessungen, die auf das SI rückführbar sind) bisher nur mit Unsicherheiten von etwa 20 nm gemessen werden. Hochpräzise Positionsregelungen in Fertigungsprozessen und immer dichter gebaute integrierte Schaltungen erfordern jedoch schon heute Längenmessungen mit kleineren Mess- unsicherheiten. Mit dem neuen Nanometerkomparator lassen sich die in Präzisions-Bearbeitungsmaschinen verwendeten Längenmesssysteme mit der geforderten geringen Messunsicherheit charakterisieren. Objekte mit einer Breite bis zu 450 mm können auf dem Komparator aufgelegt werden, so dass auch eindimensionale Strukturabstände auf zweidimensionalen Messobjekten wie z.B. Photomasken der Halbleiterindustrie bestimmt werden können.

Wegen der hohen Genauigkeitsanforderungen wurde der Komparator sehr aufwendig konstruiert und aufgestellt. So ist der Schlitten zum Verschieben der Messobjekte luftgelagert und mit Piezoaktoren versehen, um messtechnisch erfasste Führungsabweichungen der Luftlager zu kompensieren. Die Verschiebung wird mit einem speziellen Interferometeraufbau im Vakuum gemessen, wobei die Interferometerstrecke von einem Metallbalg gekapselt wird. Dadurch wird der Einfluss der Luftbrechzahl auf das Längenmessergebnis – der ansonsten die Messunsicherheit dominieren würde – praktisch eliminiert. Das Interferometer selbst besteht aus drei in Differenz angeordneten Referenzstrahlen mit Reflektoren am festen Gestell des Komparators, die die mechanisch und thermisch induzierten Verlagerungen zwischen Mikroskopbrücke und Interferometerstrahlteiler weitgehend kompensieren.

Erste Vergleichsmessungen an 200-mm-Strichmaßstäben mit anderen Längenkomparatoren innerhalb und außerhalb der PTB zeigen Übereinstimmungen von kleiner 30 nm, was etwa der Messunsicherheit dieser Komparatoren entspricht. In Kürze sollen mit dem neuen Nanometerkomparator Kalibrierdienstleistungen mit Messunsicherheiten unter 10 nm angeboten werden. Durch weitere Optimierungen des Komparators wird eine Messunsicherheit des Komparators unter 5 nm angestrebt. Da aufgrund der Länge der Messzirkel Messunsicherheiten deutlich unter 1 nm selbst für kurze Messlängen nicht realistisch erscheinen, wird in der PTB für Messlängen unter 2 mm eine weitere Messeinrichtung vorbereitet. Erste Untersuchungen für diese Messeinrichtung werden im Beitrag "Verbindung von Rastertunnelmikroskop und Röntgeninterferometer" vorgestellt.

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