Neues Weg-Winkel-Differenzinterferometer: Der Zukunft der Halbleiterindustrie gewachsen
Winzige Mikrochips und riesige 8K-Displays könnten in ihren Dimensionen unterschiedlicher nicht sein – und dennoch haben sie eines gemeinsam: Ihre Strukturen werden immer feiner und stellen zunehmende Ansprüche an die Fertigungstechnik. Es muss mit Toleranzen im Pikometerbereich gearbeitet werden, was die eingesetzten Messverfahren immer wieder an die Grenzen des technisch Machbaren drängt.
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Hochempfindliche Messungen finden häufig nicht etwa unter idealen Laborbedingungen statt, sondern sind im industriellen Umfeld störenden Umgebungseinflüssen ausgesetzt, welche die Ergebnisse schnell verfälschen. Für Anwendungen wie diese entwickelt der deutsche Hersteller SIOS Messtechnik GmbH daher hochpräzise Differenzinterferometer, die über ultrastabile thermische und physikalische Eigenschaften verfügen: Schwankende Parameter wie Temperatur, Luftdruck und -feuchte beeinträchtigen die sehr hohe Messgenauigkeit auch über längere Zeiträume nicht. Das neue und bisher einzigartige Weg-Winkel-Differenzinterferometer verbindet dabei die Vorteile der Differenz- mit denjenigen der bewährten Dreistrahlinterferometer und ermöglicht es, erstmals mehrere Freiheitsgrade sowohl langzeitstabil als auch synchron zu erfassen.
Toleranzen im Nano- bis Pikometerbereich
«An der High-Tech-Displaytechnologie, bei der ein Screen über mehrere Millionen Pixel verfügt, werden die aktuellen Herausforderungen der industriellen Messtechnik und der Halbleiterindustrie beispielhaft deutlich», weiss Dr. Denis Dontsov, Geschäftsführer von SIOS Messtechnik. «Die Anforderung an die Positioniergenauigkeit beim sogenannten Stitching, also dem Anreihen der einzelnen Strukturen im Herstellungsprozess, liegt bei etwa 45 nm pro Meter. Diese Grössenordnung ist vergleichbar mit der perfekten Aufreihung von Kirschkernen auf der Gesamtfläche Thüringens (etwas mehr als 16 200 km2, Anm. d. Red.).» Die Halbleiterfertigung muss sich derselben Problematik stellen: Je kompakter und leistungsfähiger Chips werden, desto höher steigen die Anforderungen an die Präzision der Fotolithografie als zentralen Fertigungsschritt. Aber auch Brechzahlmessungen in der Optikindustrie und Ausdehnungsmessungen von Werkstoffen erfordern immer akkuratere Ergebnisse und erlauben nur noch Toleranzen im Nano- oder sogar Pikometerbereich.
Zugleich erhöht sich die Komplexität der einzelnen Messaufgaben wie z.B. Positionsregelungen von x-y-Tischen, Erfassung von thermischen Materialausdehnungen, Untersuchungen des Kriech- und Driftverhaltens von Objekten, Brechzahlmessungen sowie hochgenaue Längen- und Winkelmessungen. Das Problem dabei: All diese Messungen finden in Produktionsumgebungen statt, die keine optimalen Laborbedingungen bieten können. Die verwendete Technik muss daher schwankende Umgebungseinflüsse wie Temperatur, Luftdruck und -feuchte kompensieren können, ohne ihre Ergebnisse zu verfälschen, um auch eine stabile Wiederholbarkeit von Mehrfachmessungen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck nutzt SIOS hochpräzise Differenzinterferometer, die eine 25-mal höhere Stabilität als vergleichbare Messsysteme erreichen.
Anforderungen an die x-y-Positionierung gemeistert
Die steigende Nachfrage nach passenden Lösungen insbesondere für die x-y-Positionierung forderte das Know-how der Messtechnikspezialisten von SIOS allerdings noch weiter heraus. So sollten auch über grössere Distanzen langzeitstabile Messungen von mehreren Freiheitsgraden simultan ermöglicht werden. Um dies zu realisieren, kombinierten sie ihr hochpräzises Dreistrahlinterferometer SP 5000 TR, das auf simultane Weg- und Winkelmessungen ausgelegt ist, mit dem Differenzinterferometer SP 5000 DI, um von dessen Langzeitstabilität zu profitieren. Mit dem Weg-Winkel-Differenzinterferometer SP 5000 TR-DI entwickelte SIOS somit das weltweit einzige System, das Weg und Winkel mithilfe von zweimal drei Laserstrahlen hochsynchron und – dank der Kompensation der Umweltfaktoren – zugleich ultrastabil erfasst. «Das neue SP 5000 TR-DI ist nun in der Lage, nicht nur winzigste Bewegungen, sondern auch kleinste Verkippungen über grössere Bereiche hinweg zu erfassen, ohne dass die Ergebnisse thermischen und physikalischen Umwelteinflüssen unterliegen», erklärt Dr. Dontsov.
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Die ultrastabilen und zugleich schnellen Weg-Winkel-Differenzinterferometer verfügen für jeden der drei Messstrahlen zusätzlich über einen Referenzstrahl. «Die insgesamt sechs Laserstrahlen werden parallel aus dem Sensorkopf herausgeführt und treffen auf einen flexiblen und einen statischen Reflektor. Auf diese Weise kann ein Grossteil der Strecke zwischen Interferometer und Messort optisch kompensiert werden. Die eigentliche Messung konzentriert sich auf die Längendifferenz zwischen Mess- und Referenzstrahlen, sodass Umwelteinflüsse, die das Ergebnis beeinträchtigen könnten, nur auf diesen kleinen Messbereich wirken können. Dank der hochsymmetrischen Konstruktion des Sensorkopfes ist daher auch eine grössere Entfernung zwischen Sensor und Messobjekt möglich, ohne Verfälschungen des Ergebnisses in Kauf nehmen zu müssen. Zudem sind die alle Differenzinterferometer mit langzeitstabilen Sensoren ausgestattet, die über eine Temperaturempfindlichkeit von <20 nm/K verfügen.
Passgenaue Differenzinterferometer für vielfältige Messaufgaben
Für komplexere, mehrachsige Messaufbauten können einfach mehrere Differenzinterferometer miteinander kombiniert und mit nur einer Steuerungseinheit betrieben werden. Die korrekte Ausrichtung der Messanordnung gestaltet sich dabei dank integrierter optischer Justierhilfen auch über einige Meter und Achsen hinweg schnell und unkompliziert. Dank des Baukastenprinzips, bei dem die unterschiedlichen Komponenten und Ausführungen miteinander kompatibel sind, kann SIOS generell flexibel auf individuelle Messaufgaben reagieren und etwa Optiken, Hardware oder Schnittstellen innerhalb kurzer Zeit anwendungsspezifisch anpassen. «Dabei bleibt es nicht immer bei Einzellösungen: Wie das neue Weg-Winkel-Differenzinterferometer SP 5000 TR-DI ist ein grosser Teil unseres Produktsortiments aufgrund von individuellen Kundenanfragen entstanden», resümiert Dr. Dontsov. n
SIOS Messtechnik GmbH
Die SIOS Messtechnik GmbH mit Sitz im thüringischen Ilmenau wurde 1991 gegründet. Besondere Schwerpunkte des Unternehmens liegen in den Bereichen Präzisionsmesstechnik, im Eich- und Kalibrierwesen, im Maschinenbau zur präzisen Vermessung oder Positionierung, in der Optikindustrie, in der Halbleiterindustrie, in der Medizintechnik, in der Nanomesstechnik und den Geowissenschaften. Vorwiegend bildet das interferometrische Messprinzip die Grundlage der Messsysteme, die vom Unternehmen hergestellt werden.
