Weg-Winkel-Differenzinterferometer Hochpräzise Messtechnik für die Halbleiterindustrie

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SIOS Meßtechnik GmbH

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 – gefragt sind daher hochpräzise Differenzinterferometer.

«An der Hightech-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 der Sios Messtechnik GmbH. «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.»

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 zum Beispiel 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.

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Weg-Winkel-Differenzinterferometer meistert steigende Anforderungen

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 Dreistrahl-Interferometer 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 zwei Mal drei Laserstrahlen hochsynchron und – dank der Kompensation der Umweltfaktoren – zugleich stabil 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. 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.

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