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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Längen- und Winkelteilungen

Arbeitsgruppe 5.21

Messgeräte

Längenmessgeräte

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

Winkeldrehgeber (Drehgeber)

Winkelmesssysteme (Drehgeber) werden in Anwendungen eingesetzt, die eine genaue Erfassung von Winkeln benötigen, wie z.B. in Rundtischen von Werkzeugmaschinen, Zahnradmessmaschinen oder Teleskopen. Unter dem Messsystem versteht man die gesamte Messkette, die aus Teilkreis, Abtastkopf, Interpolationselektronik und Zähler besteht. Bei Winkelmesssystemen mit Eigenlagerung und ohne Statorkupplung gehört bei Präzisionsdrehgebern auch eine externe Kupplung zum Messsystem. Die angewendeten Messprinzipien sind induktiv, magnetisch oder photoelektrisch, wobei das photoelektrische Verfahren abbildend oder interferentiell arbeitet. Bei der Kalibrierung von Drehgebern werden in der PTB die Abweichungen der Teilungswinkel vom Nennwert bestimmt.

Die Kalibrierung von Drehgebern erfolgt in der PTB durch direkte Vergleichsmessung zu einem der Winkelkomparatoren WMT 220 oder WMT 905. Dabei wird der Drehgeber auf einer Brücke über dem Winkelkomparator aufgebaut und mit diesem fest verbunden.

Die Kalibrierungen können sowohl dynamisch als auch als Step-by-Step Messung erfolgen. Zur Verbesserung der Messunsicherheit erfolgen die Kalibrierungen in verschiedenen Relativlagen zwischen dem WMT und dem Kalibriergegenstand. Zur Erzielung möglichst geringer Messunsicherheiten werden Fehlertrennverfahren eingesetzt.

Winkelmesstische

Winkelmesstische sind Geräte zur Messung des ebenen Winkels auf Grundlage einer Kreisteilung. Die Tische bestehen aus rotatorischen Lagern mit integriertem Antriebs- und Messsystem. Als Lager kommen beispielsweise Luftlager, Gleitlager usw. zur Anwendung. Bei den Antriebssystemen unterscheidet man motorische oder manuelle Systeme, bei den Messsystemen kann nach den Messprinzipien in elektrische und optisch-visuell arbeitende Systeme unterschieden werden.

Bei der Kalibrierung von Winkelmesstischen werden in der PTB die Abweichungen der Teilungswinkel vom Nennwert bestimmt. Die Kalibrierung erfolgt entweder durch direkte Vergleichsmessung zu einem Spiegelpolygon unter Zuhilfenahme eines Autokollimators oder durch Vergleichsmessung zu dem Winkelkomparator WMT 905 unter Zuhilfenahme eines Messspiegels und eines Autokollimators.

Zur Verbesserung der Messunsicherheit erfolgen die Kalibrierungen in verschiedenen Relativlagen zwischen dem WMT und dem Kalibriergegenstand. Zur Erzielung möglichst geringer Messunsicherheiten werden Fehlertrennverfahren eingesetzt.

Optische Teilköpfe

Optische Teilköpfe sind Geräte zur Messung des ebenen Winkels auf Grundlage einer Kreisteilung. Optische Teilköpfe arbeiten optisch-visuell, wobei das Messsystem aus einer Strichteilscheibe und einem Messmikroskop besteht. Die Strichteilscheibe ist auf einer mechanisch gelagerten Präzisionsspindel befestigt.

Bei der Kalibrierung von optischen Teilköpfen können die Abweichungen der Teilungswinkel vom Nennwert durch die Vergleichsmessung zu einem Spiegelpolygon unter Zuhilfenahme eines Autokollimators bestimmt werden.

Winkel-Indextisch

Mit Winkelindextischen können keine Winkel gemessen, sondern nur bestimmte Winkel einer Kreisteilung in diskreten Schritten eingestellt werden. Indextische bestehen aus zwei Teilen, die beide mit einer Planarverzahnung versehen sind. Für eine Winkelverstellung wird der obere Teil des Tisches definiert angehoben, um ihn danach zu verdrehen und in die Verzahnung des unteren Teils abzusenken. Indextische besitzen im allgemeinen an ihrem Umfang eine Winkelskalierung, die zur Einstellung von definierten Winkeln mit einem Nonius unterteilt ist. Die Teilung von Indextischen ist definiert über die Anzahl von Zähnen der Planarverzahnung. Für einen Indextisch mit n = 1440 Zähnen ergibt sich die Teilung: φ = 360° / n = 0,25°. 

Bei der Kalibrierung von Indextischen werden in der PTB die Abweichungen der Teilungswinkel vom Nennwert bestimmt. Die Kalibrierung erfolgt entweder durch direkte Vergleichsmessung zu einem Spiegelpolygon unter Zuhilfenahme eines Autokollimators oder durch Vergleichsmessung zu dem Winkelkomparator WMT 905 unter Zuhilfenahme eines Messspiegels und eines Autokollimators.

Zur Verbesserung der Messunsicherheit erfolgen die Kalibrierungen in verschiedenen Relativlagen zwischen dem WMT und dem Kalibriergegenstand. Zur Erzielung möglichst geringer Messunsicherheiten werden Fehlertrennverfahren eingesetzt.

Autokollimatoren

 

Autokollimatoren (AK) sind Winkelmessgeräte zur Erfassung der Kippung einer reflektierenden ebenen Fläche, die nach folgendem Prinzip funktionieren:
Als Messmarke dient ein beleuchteter Spalt, der sich in der Brennebene eines Kollimatorobjektivs befindet und von diesem ins Unendliche abgebildet wird. Nach der Reflexion des austretenden parallelen Lichtstrahls an einer optischen Planfläche wird mittels eines Strahlteilers ein Bild des Spalts erzeugt. Die laterale Verlagerung Δy des Spaltbildes kann photoelektrisch oder visuell erfasst werden und ist proportional zum Tangens des zweifachen Kippwinkels α der reflektierenden Fläche gemäß der Beziehung

Δy = f tan 2α wobei als Faktor f die Brennweite des Kollimatorobjektivs eingeht. Häufig haben Autokollimatoren zwei Messachsen, mit denen man den Kippwinkel der Planfläche in zwei zueinander senkrechten Ebenen messen kann. In der PTB können Autokollimatoren in beiden Messachsen kalibriert werden, in dem die Abweichungen der Teilungswinkel vom Nennwert ermittelt werden. Die Kalibrierung in der PTB erfolgt als direkte Vergleichsmessung auf den Winkelkomparatoren WMT 220, WMT 905 oder gegen einen zweiten Autokollimator.

Die Kalibrierung von Autokollimatoren erfolgt als statische Messung, d.h. in einem definierten Messbereich werden eine definierte Anzahl von Messpunkten angefahren, der WMT wird angehalten, Messwerte von beiden Messsystemen werden gespeichert um danach in die nächste Position zu fahren. Bei elektronischen Autokollimatoren laufen die Kalibrierungen PC-gesteuert ab, d.h. die Positionierung des WMT, die Messwerterfassung und die Durchführung von Wiederholungsmessungen erfolgt automatisch. Zur Verringerung der Messunsicherheit der Kalibrierung werden Wiederholungsmessungen in beiden Messrichtungen und in unterschiedlichen Relativlagen zum WMT durchgeführt.

Die Kalibrierung kann wahlweise über den gesamten oder beliebige Teilmessbereiche in unterschiedlichen Messschritten erfolgen. Der kleinstmögliche Messpunktabstand kann bei 1/100 Winkelsekunde liegen.

Erst die möglichst genaue Übereinstimmung der Mess- und Kalibrierbedingungen ermöglicht den Transfer der Kalibrierergebnisse des Messsystems in die Messumgebung des Anwenders mit möglichst geringen Messunsicherheiten. Die Kalibrierung kann gegen verspiegelte und unverspiegelte Planspiegel, unter der vollen Nutzung der Autokollimator-Apertur oder mit Blenden zur Begrenzung der Apertur erfolgen. Die Blendenpositionen (entlang des / orthogonal zum Autokollimator-Strahlengang), Blendengrößen und -formen sollten zwischen dem Anwender und dem Kalibrierlabor genau definiert sein.

Für weitere Informationen zur Kalibrierung von Autokollimatoren auf dem Winkelkomparator WMT 220:

 

  • Calibration of high-resolution electronic autocollimators against an angle comparator; Metrologia 40 (2003), 288-294
  • Poster

Interferometer - Option Winkelmessung

Winkelinterferometer messen im so genannten Heterodyn-Betrieb die Modulation der Laserfrequenz im Messstrahl durch den bewegten Messspiegel im Vergleich zu einem unmodulierten Referenzstrahl. Bei Winkelinterferometern wird durch die Differenzmessung (Längenmessung) zwischen zwei benachbarten parallelen Messstrahlen eine Winkelmessung abgeleitet, wobei der Abstand zwischen den beiden Messstrahlen als Basislänge in den Betrag des Ablenkwinkels eingeht. Die Kalibrierung von Winkelinterferometern erfolgt in der PTB durch direkte Vergleichsmessung auf dem Winkelkomparator WMT 905.

Neigungsmesser

Neigungsmessgeräte sind Winkelmessgeräte zur Erfassung der Kippung um eine Achse. In einem Gehäuse ist ein Pendelstab aufgehängt, dessen Referenz das Lot (Gravitationsfeld der Erde) ist. Eine Verkippung des Gehäuses um den zu messenden Winkel wird über den Pendelausschlag mit einem Wegmesssystem registriert. Die Kalibrierung von Neigungsmessgeräten kann mit Autokollimatoren, Sinuslinealen oder mit Winkelmesssystemen mit horizontaler Drehachse durchgeführt werden.

Theodolite

Theodolite dienen zur Messung von Winkeln, die von Visierlinien eingeschlossen werden. Ein Fernrohr in Verbindung mit einem horizontal und einem vertikal gelagerten Teilkreis kann um beide Achsen geschwenkt werden. Neben der Verwendung in der Landvermessung kann der Theodolit in Verbindung mit einem Kollimator als Verkörperung eines unendlichen Ziels auch im Maschinenbau zur Teilungs- und Winkelmessung verwendet werden. Die Kalibrierung des horizontalen Teilkreis kann als direkte Vergleichsmessung auf dem Winkelkomparator WMT 905 durchgeführt werden.