Mikroskopische Präzision auch bei größeren Teilen

Die Zuschreibung „groß“ ist ein relativer Begriff – besonders im Bereich der Oberflächenmesstechnik. Für Aerotech, Hersteller leistungsstarker Motion-Control- und Positioniersysteme, bedeutet „groß“, dass das zu vermessende Teil in jeder Dimension (Länge, Breite, Höhe) größer als 100 mm ist. In manchen Branchen wird hingegen bereits die Größe von unter einem Meter als klein angesehen. Und in Bereichen wie etwa der Medizin- oder Luft- und Raumfahrttechnik werden wiederum häufig Messungen im Mikrometermaßstab relevant, die meist bei Objekten mit einer Größe von 1 m durchgeführt werden. Aerotech bietet gerade für diese Anwendungen in der hochpräzisen Oberflächenmesstechnik ein breites Produktspektrum vom Komponentenlevel über die Steuerungsplattform bis hin zur schlüsselfertigen Maschine. Dabei geht es um präzise Positionierung auf der einen und Motion Control auf der anderen Seite.

Mit dem Messsystemhersteller Keyence ist Aerotech eine strategische Partnerschaft eingegangen. Das heißt, Aerotech liefert kundenspezifisch hinzu, wenn der Anwender großflächigere Proben vermessen muss, die über den Rahmen der Keyence-Standardgeräte hinausgehen. Mittlerweile lassen sich solche Integrationsformen für komplette Prüfmaschinen realisieren. Dabei ist Aerotech jedoch nicht auf Keyence beschränkt, sondern kann jederzeit Messsysteme anderer Hersteller nahtlos integrieren. Die benötigten Komponenten werden entweder direkt zum Kunden geliefert, oder sämtliche Integrationsmaßnahmen werden bereits in Fürth vorgenommen, sodass der Kunde ein schlüsselfertiges Messsystem erhält.

Doch welche Herausforderungen bestehen nun zwischen der präzisen Messung größerer Oberflächen und der dafür notwendigen exakten Positionierung? Dies soll anhand von Beispielen aus der Mikroskopie und aus der 3D-Sensorik genauer erläutert werden. Um die relative Platzierung eines Messwerkzeugs und eines Teils zu steuern, verwendet Aerotech Positionierungsstufen und Software. Ein 3D-Profilometer, wie er beispielsweise in der Mikroskopie eingesetzt wird, ist ein schnelles, hochpräzises Messsystem, das bewegliche Teile auf einem Positioniertisch optisch in nur einer Sekunde erfasst. Beim anderen Beispiel handelt es sich um einen chromatischen konfokalen Einzelpunktsensor, der etwa einen großen Wafer misst. In beiden Fällen stellen die Experten von Aerotech mittels Software eine Kommunikation zwischen Messsensor und Positioniersystem her.

Eine zentrale Steuereinheit für den gesamten Prozess

Muss der Laser zum Beispiel getriggert werden und an einer bestimmten Stelle impulsfeuern, dann lässt sich das über die Aerotech-Steuerungsplattform Automation 1 oder das Vorgängermodell A3200 realisieren. Auf diese Weise kann der gesamte Prozess von einer zentralen Steuereinheit aus betrieben werden. Auch Messvorgänge lassen sich über die Automation-1-Plattform triggern – und zwar so, dass Messwerte über Analogeingänge mitverarbeitet und gespeichert werden, sodass das gesamte Ergebnis in einer zentralen Steuereinheit hinterlegt ist. Das Endergebnis sind Messdaten über eine große Teilefläche, die zur Analyse verwendet werden können.

Beim Messen größerer Teile stellen Kunden zwei Fragen am häufigsten: Wie lässt sich – siehe das Beispiel Mikroskop – der Messbereich angesichts eines begrenzten Sichtfelds vergrößern? Und in welcher Genauigkeit können Messdaten – siehe das Beispiel 3D-Sensor – großflächig mit dem Realteilraum verknüpft werden? Sollen größere Proben gemessen werden, die jedoch durch ein kleineres Sichtfeld begrenzt sind, dann ist die größte Herausforderung in diesem Prozess das Field of View (FOV), also das eigentliche Sichtfeld. Bei Mikroskopie-Werkzeugen verringert sich das Sichtfeld, sobald eine Erhöhung der Auflösung erforderlich ist (höhere Objektivvergrößerung). Viele Messungen erfordern jedoch eine hohe Auflösung, was ergo ein kleineres Sichtfeld bedeutet. Wie lassen sich also viele einzelne, kleine Sichtfelder über einen größeren Bereich hinweg miteinander in Beziehung setzen?

Eine weit verbreitete Herangehensweise besteht darin, mehrere FOV-Bereiche durch Stitching aneinanderzuheften. Nimmt man das Beispiel der Oberflächen-Profilometrie eines Wafers sind die einzelnen FOVs ~1,8 mm x 1,3 mm. Der maximal gestitchte Bereich ist somit 36 mm x 26 mm, was wiederum zu Bildkompressionsverlusten von bis zu 75 % führt. Besser, da effektiver, ist es, globale Positionsrückmeldungsdaten zu verwenden, die über einen Motion Controller angezeigt werden. Wenn sich der Positioniertisch für jede FOV-Messung in Position befindet, wird genau die Position im Raum aufgezeichnet, die später verwendet werden soll. Der Vorteil besteht schließlich darin, dass am Ende deutlich weniger FOV-Messungen erforderlich sind, wodurch die Erfassung beschleunigt wird.

Ein eingeschränktes Sichtfeld des Sensors und die Größe der zu vermessenden Oberfläche stehen häufig im Widerspruch. Bei einer Oberflächenmessung außerhalb des Sichtfelds muss also entweder der Sensor oder das Objekt bewegt und positioniert werden. Die Positionier- und Ablaufgenauigkeit des Bewegungssystems geht dabei entscheidend in die Messergebnisse ein. Zudem müssen Mess- und Positionierzyklen sehr genau synchronisiert werden. Die zweite Herausforderung lautet deshalb: Wie lässt sich eine höhere Genauigkeit beim Abgleich von Mess- und Positionsdaten erreichen? Dabei ist Koordination das größte Problem.

Um im Nanometerbereich exakt positionieren zu können, ist eine hohe Steifigkeit unerlässlich für ein Positionierungssystem. Schon bei der Konstruktion werden deshalb alle Möglichkeiten in Betracht gezogen, um fehlende Steifigkeit zu kompensieren, woraus unmittelbar eine Erhöhung der Wiederholgenauigkeit der Bewegung resultiert, was letztlich auch das Erreichen hoher 3D-Genauigkeiten erheblich erleichtert. Für den Konstrukteur ergeben sich unterschiedliche Richtungen, in denen die Steifigkeit verbessert werden muss. Es gibt Fehlerbewegungen in sechs Freiheitsgraden für jede einzelne Bewegungsachse, die zu einer Positionierungsplattform hinzugefügt wird. Sechs Freiheitsgrade mal sechs Achsen ergeben 36 mögliche Fehlerquellen, um die sich der Konstrukteur sorgen muss. Durch das Erhöhen der Steifigkeit können die wichtigsten Ursachen für räumliche Positionierungsfehler verringert werden.

Ebenso kann der Konstrukteur Feedback-Mechanismen integrieren, um die Anzahl der Abbe-Fehler zu verringern. Dies lässt sich relativ einfach über das Reduzieren des Abstands zwischen dem Feedback-Gerät, der Positioniermechanik und dem Arbeitspunkt im Raum bewerkstelligen. Etwa werden durch das Hinzufügen einer zweiten Rückkopplungsquelle, die über der XY-Mechanik liegt, den Bewegungsachsen wertvolle Informationen geliefert, die es ermöglichen, vorhandene Abbe-Fehler zu kompensieren.

Kalibrierungs- und Korrekturtabellen verwenden

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Verwendung von Kalibrierungs- und Korrekturtabellen. Auf diese Methode verlassen sich viele Konstrukteure, um die inhärent begrenzten Mechanismen und Antriebsmechanismen zu korrigieren. Hierbei wird die Differenz zwischen der tatsächlichen Messung und der Messung in Bewegung berechnet und in einer Korrekturdatei hinzugefügt. Wenn die Achse das nächste Mal den Befehl erhält, sich um dieselbe Strecke zu bewegen, korrigiert sie sich selbst – basierend auf der tatsächlichen Messung, die vom externen Messgerät durchgeführt wurde. Die Kalibrierung ist ein Offline-Prozess und funktioniert nur bei wiederholbaren Fehlern. Daneben ist die Datenerfassungsmethode wichtig. Bei Messsensoren tendiert Aerotech zur „On-the-Fly-Triggerung“. Dabei wird das Messsystem mit aktuellen Positionsrückmeldungsdaten in Echtzeit getriggert, um eine genaue Abtastung über die Oberfläche eines Teils unabhängig von dessen Größe zu erhalten. Dabei müssen die Positions-Feedback-Daten möglichst genau sein. Für optimale Ergebnisse müssen die Feedback-Daten kalibriert werden.

Bild: Aerotech

RJ Hardt
Director
Peak Metrology/Aerotech
https://de.aerotech.com

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