Nanopositionier- und Nanomessmaschinen : Geräte für hochpräzise makro- bis nanoskalige Oberflächen- und Koordinatenmessungen

Abkürzungen und Formelzeichen xi
1 Einleitung 1
2 Stand der Technik 5
2.1 Oberflächen- und Koordinatenmessungen 5
2.2 Koordinatenmessgeräte 6
2.3 Tastschnittgeräte 10
2.4 Messmikroskope 12
2.5 Interferenzmikroskope 12
2.6 Konfokalmikroskope 14
2.7 Autofokusmikroskope 15
2.8 Rastertunnelmikroskope 16
2.9 Rasterkraftmikroskope 17
2.10 Nanopositionier- und Nanomessmaschinen 19
3 Nanopositionier- und Nanomessmaschinen NMM-1 und NPMM-200 23
3.1 Nanomessmaschine NMM-1 23
3.2 Abbesches Komparatorprinzip 24
3.3 Metrologisches Konzept und Grundaufbau 25
3.4 Wirkungsweisen der Nanomessmaschinen 27
3.5 Entwicklungsziele 28
4 Gerätebasis und Metrologierahmen 29
4.1 Werkstoffe der Nanomessmaschinen 30
4.2 Mechanische Spannungen und Kriechen 31
4.3 Gerätebasis und Metrologierahmen der NMM-1 32
4.4 Stabilität des Metrologierahmens der NMM-1 35
5 Antriebs- und Führungssysteme 37
5.1 Führungssysteme 37
5.1.1 Führungsarten 37
5.1.2 Mehrachsige Führungssysteme 39
5.2 Antriebssysteme 40
5.2.1 Elektromagnetische Antriebe 40
vii
Inhaltsverzeichnis
5.2.2 Piezoelektrische Antriebe 42
5.3 Gewichtskraftkompensation 46
6 Längenmesssysteme 49
6.1 Inkrementale Längenmesssysteme mit Maßstab 49
6.2 Interferometer 51
6.2.1 Zweistrahlinterferometer 54
6.2.2 Polarisationsoptisches Homodyninterferometer 57
6.2.3 Modifikation des Homodyninterferometers für die NMM-1 59
6.2.4 Demodulation der Interferenzsignale 60
6.2.5 Korrektur von Längenmessabweichungen 67
6.2.5.1 Periodische Nichtlinearität 67
6.2.5.2 Luftbrechzahl 71
6.2.6 Referenzmarken 77
7 Winkelmesssysteme 79
7.1 Aufbau und Funktionsweise der Autokollimatoren 79
7.2 Kalibrierung der Autokollimatoren 81
7.3 Interferometer mit integriertem Autokollimator 82
7.4 Interferometrische Winkelmessung 83
8 Gerätekoordinatensystem 85
8.1 Messspiegelecken 85
8.2 Herstellung und Vermessung der Spiegelflächen 89
8.3 Topografie- und Fehlwinkelkorrektur 91
9 Tastsysteme 93
9.1 Optische Tastsysteme 94
9.1.1 Fokussensor 94
9.1.2 Weißlichtinterferenzmikroskop 95
9.1.3 Faseroptisches Fizeau-Interferometer 97
9.2 Taktile Tastsysteme 97
9.2.1 Taktile 1-D-Tastsysteme 99
9.2.2 Taktile Betragstastsysteme 100
9.2.3 Taktile 2-D-Tastsysteme 101
9.2.4 Taktile 3-D-Tastsysteme 103
9.2.4.1 Optische Auslenkungsmessung 103
9.2.4.2 Kapazitive Auslenkungsmessung 104
9.2.4.3 Induktive Auslenkungsmessung 106
9.2.4.4 Piezoresistive Auslenkungsmessung 106
9.2.4.5 Interferenzoptische Auslenkungsmessung 107
viii
9.3 Rasterkraftsensoren Ill
9.3.1 Optische Auslenkungsmessung 113
9.3.2 Piezoresistive Auslenkungsmessung 116
9.4 Tunnelstromtaster 116
9.5 Ausrichtung und Kalibrierung von Tastsystemen 118
9.5.1 Ausrichtung auf den Abbepunkt 118
9.5.2 Tastsystemauslenkung 119
9.5.3 Messkraft taktiler Tastsysteme 122
9.5.4 Formabweichungen des Tastelementes 122
10 Messwerterfassung und -Verarbeitung 125
10.1 Versorgungs- und Auswertungsgerät der NMM-1 125
10.2 DSP-Einheit 127
10.3 Prinzip der Messwertverarbeitung 130
10.4 Tastsystemsignale 131
10.5 Antast-, Positions- und Winkelregelungssystem 135
10.6 Software der DSP-Einheit 137
10.7 Messablaufsteuerung 138
10.7.1 Bediensoftware 138
10.7.2 Positionierung 140
10.7.3 Punktmessung 140
10.7.4 Gesteuerter Scan 141
10.7.5 Geregelter Scan 141
10.7.6 Ausweichscan 142
10.7.7 Freiformscan 143
11 Messumgebung 145
11.1 Schwingungs- und Schallisolation 145
11.2 Temperierung und Umweltdatenlogger 148
11.3 Beobachtungskamerasystem 151
12 Positionier- und Messunsicherheiten 153
12.1 Gesamtmodell 153
12.2 Interferenzoptische Längenmessung 155
12.2.1 Vakuumwellenlänge 157
12.2.2 Brechzahl 158
12.2.3 Totstrecke 159
12.2.4 Demodulationswert 159
12.2.5 Strahlausbreitung 161
12.2.6 Winkeljustage des Mess- und Referenzspiegels 163
12.2.7 Winkelabweichung des Referenzstrahls 163
Inhaltsverzeichnis
12.2.8 Winkelabweichung des Messstrahls 165
12.3 Referenzspiegelträger 167
12.4 Messspiegelecke und Messobjekt 171
12.4.1 Ebenheitsabweichungen der Messspiegelflächen 171
12.4.2 Verkippungen 171
12.5 Metrologierahmen 173
12.6 Tastsystem 174
12.7 Kombinierte 1-D- und 3-D-Unsicherheit 176
13 Messaufgaben 179
13.1 Kalibrierung, Analyse und Vergleich von Tastsystemen 179
13.2 Oberflächenmessungen (2y2-D-Messungen) 180
13.2.1 Stufenhöhenmessungen 180
13.2.2 Gitterabstandsmessungen 181
13.3 Koordinatenmessungen (3-D-Messungen) 183
14 Zusammenfassung 185
A Werkstoffparameter 191
В Brechzahlberechnung 193
С Interferometrische Winkelmessung 195
D Polynomkennlinien der Temperaturmessung 197
E Korrekturdaten einer monolithischen Messspiegelecke der NMM-1 199
F Dimensionierung des interferenzoptischen Messsystems für den 3-D-Mikrotaster 207
G Messbefehle 211
Literaturverzeichnis