Hochgenaue Längenmesstechnik

In verschiedenen Bereichen industrieller Produktion müssen die eingesetzten Bearbeitungsmaschinen außerordentlich exakt positionieren – bis hin zu Genauigkeiten von wenigen Nanometern. Beispiele hierfür sind die zur lithographischen Herstellung integrierter Schaltkreise eingesetzten Belichtungsmaschinen (Wafer-Stepper) oder die zur ultrapräzisen Oberflächenbearbeitung verwendeten Diamant-Drehmaschinen.

Um die geforderten Positioniergenauigkeiten und -linearitäten erfüllen zu können, müssen die Messabweichungen der im Fertigungsprozess eingesetzten Längenmesssysteme mit sehr geringer Unsicherheit bestimmt werden. Für die Überprüfung derartiger Längenmesssysteme, sind die üblicherweise eingesetzten interferometrischen Messverfahren mit Lichtausbreitung in Luft nicht präzise genug. Bei dem in Kooperation mit der Dr. Johannes Heidenhain GmbH entwickelten Nanometerkomparator wird daher die interferometrische Längenmessung komplett unter Vakuumbedingungen realisiert. Ähnliche unter Vakuumbedingungen betriebene Längenkomparatoren für größere Messlängen sind zurzeit an keinem anderen Metrologieinstitut vorhanden. Allerdings verfügen zwei Unternehmen, die u. a. inkrementale Längenmesssysteme herstellen, die Firma Heidenhain selbst sowie die Mitutoyo Corporation in Japan, ebenfalls über Vakuum-Längenkomparatoren.

In einem kürzlich abgeschlossenen Vergleich der drei Vakuum-Längenkomparatoren an einem als Transfernormal verwendeten inkrementalen Längenmesssystem wurde über eine Strecke von insgesamt 280 mm eine Übereinstimmung der Längenmessergebnisse von 5,5 nm erreicht. Das entspricht einer relativen Übereinstimmung von besser als 2 · 10–8. Diese ist um mindestens einen Faktor 5 besser als bei vorhergehenden Längenmaßvergleichen, bei denen die Interferometer in Luft betrieben wurden.

Das Ergebnis dokumentiert die aktuelle Leistungsfähigkeit der beteiligten Vakuum-Längenkomparatoren. Die künftig noch steigenden Anforderungen an die Präzision industrieller Längen- und Koordinatenmessungen, etwa bei der bevorstehenden Einführung von Doppelbelichtungsverfahren in der 193-nm-Lithographie, legen eine zielgerichtete Weiterentwicklung des Nanometerkomparators nahe. Mit den entsprechenden Arbeiten wurde bereits begonnen.

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