Nuovo interferometro differenziale ad angolo di spostamento: Incontrare il futuro dell'industria dei semiconduttori

Le misure altamente sensibili spesso non avvengono in condizioni di laboratorio ideali, ma sono esposte a influenze ambientali dirompenti nell'ambiente industriale, che falsificano rapidamente i risultati. Per applicazioni come queste, il produttore tedesco SIOS Messtechnik GmbH sviluppa interferometri differenziali di alta precisione con proprietà termiche e fisiche ultra-stabili: Le fluttuazioni di parametri come la temperatura, la pressione dell'aria e l'umidità non influiscono sull'elevatissima precisione di misura, anche per periodi di tempo prolungati. Il nuovo interferometro differenziale ad angolo di spostamento, finora unico nel suo genere, combina i vantaggi dell'interferometro differenziale con quelli del collaudato interferometro a tre fasci e consente per la prima volta di registrare diversi gradi di libertà con stabilità a lungo termine e in modo sincrono.

Tolleranze nell'intervallo tra nano e picometri

"Le sfide attuali della metrologia industriale e dell'industria dei semiconduttori sono esemplificate dalla tecnologia dei display ad alta tecnologia, in cui uno schermo ha diversi milioni di pixel", spiega il dottor Denis Dontsov, amministratore delegato di SIOS Messtechnik. "Il requisito della precisione di posizionamento nel cosiddetto stitching, cioè l'allineamento delle singole strutture nel processo di produzione, è di circa 45 nm per metro. Questo ordine di grandezza è paragonabile al perfetto allineamento dei noccioli di ciliegia sulla superficie totale della Turingia (poco più di 16 200 km2, ndr)." La produzione di semiconduttori deve affrontare lo stesso problema: Più i chip diventano compatti e potenti, più aumenta la richiesta di precisione della fotolitografia come fase centrale della produzione. Ma anche le misure dell'indice di rifrazione nell'industria ottica e le misure di dilatazione dei materiali richiedono risultati sempre più precisi e ammettono solo tolleranze nell'ordine dei nanometri o addirittura dei picometri.

Allo stesso tempo, aumenta la complessità dei singoli compiti di misura, come i controlli di posizione delle tavole x-y, il rilevamento delle espansioni termiche dei materiali, le indagini sul comportamento di scorrimento e deriva degli oggetti, le misure dell'indice di rifrazione e le misure di lunghezza e angolo altamente accurate. Il problema è che tutte queste misurazioni avvengono in ambienti di produzione che non possono offrire condizioni di laboratorio ottimali. La tecnologia utilizzata deve quindi essere in grado di compensare le fluttuazioni ambientali, come la temperatura, la pressione dell'aria e l'umidità, senza falsare i risultati, per consentire anche una ripetibilità stabile di più misure. A tal fine, SIOS utilizza interferometri differenziali ad alta precisione che raggiungono una stabilità 25 volte superiore a quella di sistemi di misura analoghi.

Requisiti per il posizionamento x-y acquisiti

Tuttavia, la crescente richiesta di soluzioni adeguate, soprattutto per il posizionamento x-y, ha messo ulteriormente alla prova il know-how degli specialisti della tecnologia di misura di SIOS. Si dovevano rendere possibili misure stabili a lungo termine di diversi gradi di libertà contemporaneamente, anche su distanze maggiori. A tal fine, hanno combinato il loro interferometro a tre raggi SP 5000 TR ad alta precisione, progettato per misure simultanee di spostamento e angolo, con l'interferometro differenziale SP 5000 DI per beneficiare della sua stabilità a lungo termine. Con l'interferometro differenziale spostamento-angolo SP 5000 TR-DI, SIOS ha quindi sviluppato l'unico sistema al mondo che misura lo spostamento e l'angolo in modo altamente sincrono con l'ausilio di due volte tre raggi laser e, grazie alla compensazione dei fattori ambientali, con un'estrema stabilità. "Il nuovo SP 5000 TR-DI è ora in grado di rilevare non solo i movimenti più piccoli, ma anche le inclinazioni più ridotte su aree più ampie, senza che i risultati siano soggetti alle influenze termiche e fisiche dell'ambiente", spiega il dottor Dontsov.

Gli interferometri per differenza di spostamento-angolo, ultra-stabili e allo stesso tempo veloci, dispongono anche di un fascio di riferimento per ciascuno dei tre fasci di misura. "I sei raggi laser in totale vengono guidati in parallelo dalla testa del sensore e colpiscono un riflettore flessibile e uno statico. In questo modo, gran parte della distanza tra l'interferometro e il punto di misura può essere compensata otticamente. La misura effettiva si concentra sulla differenza di lunghezza tra il raggio di misura e quello di riferimento, in modo che le influenze ambientali che potrebbero influenzare il risultato abbiano effetto solo su questo piccolo intervallo di misura. Grazie al design altamente simmetrico della testa del sensore, è quindi possibile misurare anche una distanza maggiore tra il sensore e l'oggetto da misurare senza dover accettare la falsificazione del risultato. Inoltre, tutti gli interferometri differenziali sono dotati di sensori stabili a lungo termine che hanno una sensibilità alla temperatura di <20 nm/K.

Interferometri differenziali di precisione per un'ampia gamma di attività di misura

Per le configurazioni di misura multiasse più complesse, è possibile combinare e gestire diversi interferometri differenziali con una sola unità di controllo. Grazie ai dispositivi di regolazione ottica integrati, il corretto allineamento del sistema di misura è rapido e semplice, anche su più metri e assi. Grazie al principio di progettazione modulare, in cui i diversi componenti e versioni sono compatibili tra loro, SIOS può generalmente reagire in modo flessibile ai singoli compiti di misura e adattare in breve tempo ottiche, hardware o interfacce ad applicazioni specifiche. "Non sempre rimane con soluzioni individuali: Come il nuovo interferometro differenziale ad angolo di spostamento SP 5000 TR-DI, gran parte della nostra gamma di prodotti è stata sviluppata sulla base delle richieste individuali dei clienti", riassume il dottor Dontsov. n