Queensgate setzt darauf, dass sein Portfolio an Nanopositionierungstischen – Kernbausteinen für hochmoderne wissenschaftliche Instrumente, die in der angewandten Optik, Mikroskopie und Messtechnik eingesetzt werden – durch eine unermüdliche Strategie der inkrementellen Innovation bahnbrechende Leistungssteigerungen erzielen wird
Eine verbesserte räumliche Korrektur in mehrachsigen Nanopositionierungstischen lieferte die ursprüngliche Motivation – und letztendlich das erfolgreiche Produktionsergebnis – für das neueste Projekt in der langjährigen Forschungs- und Entwicklungszusammenarbeit zwischen beiden Queensgate, ein britischer Hersteller von hochpräzisen Nanopositionierungsprodukten, und Wissenschaftler der Nationales physikalisches Labor (NPL), das britische National Metrology Institute.
Mit Förderung von Analyse für Innovatoren (A4I) – ein Programm, das von ausgeführt wird Innovate UK, der britischen Innovationsagentur, unternahmen die beiden Partner einen „tiefen Einblick“ in die Art und das Ausmaß parasitärer (außeraxialer) Bewegungsfehler in den mehrachsigen Nanopositionierungstischen von Queensgate. Ihre detaillierte Untersuchung hat eine praktische Korrektur- und Kalibrierungsmethodik ergeben, die die durchgängige Qualitätssicherung (QS) von Queensgate in den Bereichen Produktdesign, Entwicklung und Herstellung für sein Portfolio an piezobetriebenen Nanopositionierungstischen (sowie unterstützende Technologien wie Piezo) stärken wird Aktoren, kapazitive Sensoren, Steuerelektronik und Software).
„Unsere Zusammenarbeit mit Queensgate hat in den letzten zehn Jahren bei einer Vielzahl gemeinsamer Forschungs- und Entwicklungsprojekte zu gegenseitigen Vorteilen geführt“, erklärt Andrew Yacoot, leitender Wissenschaftler Das dimensionale Nanometrologieprogramm des NPL und Stühle die Arbeitsgruppe für Dimensionale Nanometrologie des Beratenden Ausschusses für Länge (einer von zehn beratenden Ausschüssen, die die SI-Einheiten, die internationalen Maßstandards, überwachen). Mit dieser Win-Win-Situation geht NPL einer seiner umfassenderen Aufgaben nach: spezialisierten Technologieunternehmen bei der Lösung heikler industrieller Probleme zu helfen und damit übertragbare Innovationen, kontinuierliche Produktverbesserungen und langfristige kommerzielle Auswirkungen zu liefern. „Gleichzeitig“, fügt Yacoot hinzu, „bekommen wir einen direkten Draht zum Produktentwicklungsteam von Queensgate, um es über unsere einzigartigen, oft nicht standardmäßigen Nanopositionierungsanforderungen für die Nanowissenschaft und -messtechnik zu informieren.“
Wenn das die Hintergrundgeschichte ist, was ist dann mit den Projektdetails? Zunächst einmal stellt die räumliche Fehlerkorrektur in Nanopositionierungsstufen eine nicht triviale Übung in der angewandten Messung dar – was zum großen Teil auf die Schwierigkeit zurückzuführen ist, ausreichend Datenpunkte zu erfassen und zu analysieren, aber auch auf die Komplexität, die mit der Kodierung der erforderlichen Fehlerkorrekturalgorithmen verbunden ist. All dies bildet den Kontext für Queensgates jüngste Zusammenarbeit mit NPL, bei der Yacoot und Kollegen mehrachsige interferometrische Instrumente nutzen, um die laufenden Forschungs- und Entwicklungsbemühungen des Labors im Bereich der hochpräzisen Nanopositionierung zu unterstützen.
Zu diesem Zweck verwendet ein spezielles NPL-Tischgerät drei orthogonal montierte Planspiegel-Differenzialinterferometer (entworfen von NPL), um die relative Verschiebung zwischen einem Spiegelwürfel (auf einem Tisch montiert) und einem Satz Referenzspiegel zu messen. Die Interferometer werden mit Licht von stabilisierten Helium-Neon-Lasern beleuchtet, die gegen den primären Meter-Realisierungslaser von NPL kalibriert wurden, um eine rückverfolgbare Positionsmessung zu ermöglichen. Um thermische und akustische Effekte zu reduzieren, ist der gesamte Aufbau zusätzlich eingehaust und auf einer Schwingungsisolationsplattform montiert.
Maßanfertigung
Mithilfe dieses Versuchsaufbaus zur Charakterisierung räumlicher Fehler (und als Grundlage für den anschließenden Kalibrierungsprozess) testete das NPL-Projektteam zwei Queensgate-Tische auf Herz und Nieren: den QGSP-XY-600-Z-600 (mit einem Bereich von 600 μm entlang der x-Achse). y- und z-Achsen) und das QGNPS-XY-100D (das sich nur in der x- und y-Achse um 100 μm bewegt). Letzteres ist eine Hochleistungsbühne, die im Rahmen einer früheren Phase gut charakterisiert wurde Queensgate/NPL-Zusammenarbeit zur Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie (AFM). Durch die Verwendung einer „bekanntermaßen guten“ Phase kann die Kalibrierungsmethodik auch in Situationen bewertet werden, in denen die Fehler kleiner sind, und so die Übertragbarkeit der Fehlerkorrekturtechniken demonstriert werden.
Die Messmethodik von Zoom in and NPL ist recht einfach – wenn auch zwangsläufig erschöpfend. Für jeden Punkt im Bewegungsvolumen der Bühne wurde der Bühne befohlen, sich in eine bestimmte Position zu bewegen und sich dann für eine bestimmte Zeit zu beruhigen. „Eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis stellt sicher, dass diese Position die von den kapazitiven Sensoren der Bühne gemeldete Verschiebung widerspiegelt“, erklärt Yacoot. „Die tatsächliche Verschiebung wird dann von den NPL-Interferometern erfasst, um den räumlichen Positionierungsfehler zu bestimmen.“
Experimentelle Erkenntnisse
Die operative Software zur Steuerung des Bühnengerüsts und zur Datenerfassung wurde von Edward Heaps, einem Mitglied des Nanometrologie-Teams von Yacoot, geschrieben. Seine Arbeit stützte sich auf frühere Studien, die zeigten, dass ein Scan von 11 Punkten entlang jeder Achse ausreichende Daten für die Kartierung räumlicher Positionierungsfehler liefert (und, was entscheidend ist, ohne einen übermäßigen Zeitrahmen für die Datenerfassung).
Für die 3D-Stufe erfasste Heaps insgesamt 1331 (11×11×11) Datenpunkte in Abständen von 40 μm (befohlen), während für die 2D-Stufe insgesamt 121 (11×11) Punkte in 10 μm (befohlen) erfasst wurden ) Intervalle. Darüber hinaus war es notwendig, die tatsächlichen räumlichen Positionen der befohlenen Punkte für alle in beide Richtungen bewegten Achsen zu erfassen – um wiederholbare Fehler zu bewerten, die durch unvermeidbare Hystereseprozesse innerhalb des Tisches verursacht werden – und gleichzeitig den gesamten Messzyklus sechsmal zu wiederholen, um stochastische Fehler zu quantifizieren.
Innovation in der optischen Interferometrie: das Erfolgsgeheimnis der Nanopositionierungs-QS
Der resultierende Datensatz liegt einem speziellen Fehlerkorrekturalgorithmus zugrunde, der von Yacoots Kollegen Alistair Forbes, einem Mathematiker und NPL Fellow, entwickelt und optimiert wurde. Nach der Implementierung des Algorithmus in die Prototyp-Stufen-Firmware stellt der Algorithmus die Grundlage für ein robustes Kalibrierungsverfahren dar, das – nachgewiesen durch eine wiederholte Reihe experimenteller Messungen an den räumlich korrigierten Bühnen – zu einer erheblichen Verringerung der Positionierungsfehler in den untersuchten Geräten führt ( siehe Tabellen 1 und 2). Ebenso erzielte der große Mehrachsentisch Leistungsverbesserungen im Einklang mit dem unkompensierten XY-Tisch mit kürzerer Reichweite – was die Möglichkeit eröffnet, Tische mit größeren Verfahrwegen (600 µm x 600 µm) in hochpräzisen Anwendungen wie AFM, Nanolithographie und 3D einzusetzen Nanodruck.
„Derzeit implementieren wir den Korrekturalgorithmus in Firmware mit vollständiger Produktionsqualität und führen gleichzeitig den Kalibrierungsprozess in unseren Montagebetrieben ein“, erklärt Sam Frost, Produktionsleiter und Standortleiter am Produktionsstandort von Queensgate in Paignton, Großbritannien. „Es ist noch mehr Arbeit nötig, um die neu gestalteten Arbeitsabläufe zu standardisieren, aber wir werden die ersten kommerziellen Phasen ausliefern, um später im Frühjahr von der verbesserten Mess- und Kalibrierungsmethodik von NPL zu profitieren.“
Unterdessen bereitet Queensgates Produktmanager Craig Goodman bereits den Grundstein für das nächste gemeinsame Projekt mit dem Nanometrologie-Team von NPL. Nachdem in der letzten A4I-Runde Anfang dieses Jahres eine Folgefinanzierung gesichert wurde, werden die Partner versuchen, auf den Fortschritten bei der Fehlerkorrektur bei linearen Nanopositionierungstischen aufzubauen und den mehrachsigen Korrekturalgorithmus für die Anwendung in den Tip-Tilt-Tischen von Queensgate (die kombiniert werden) anzupassen lineare und Winkelbewegung entlang der x-, y- und z-Achse). „Tip-Tilt-Tische werden in der fortgeschrittenen Siliziumwaferbearbeitung eingesetzt und weisen aufgrund ihrer Konstruktion große Kreuzkopplungsfehler zwischen den beiden Rotationsachsen auf“, erklärt Goodman. „Es ist ein komplexes Unterfangen, das Übersprechen zwischen all den verschiedenen Aktoren und Sensoren in einer Tip-Tilt-Plattform zu quantifizieren, geschweige denn diese Erkenntnisse in ein optimiertes Korrektur- und Kalibrierungsschema umzusetzen.“
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/incremental-gains-continuous-improvement-the-recipe-for-success-in-nanopositioning-qa/