Oberflächenmesstechnik Große Teile mit mikroskopischer Präzision messen

Größere Teile zu vermessen, ohne dabei die Auflösung zu beeinträchtigen, stellt Hersteller und Anwender vor Herausforderungen. Aerotech begegnet diesen mit strategischen Partnern und bleibt so flexibel.

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Die Zuschreibung „groß“ ist ein relativer Begriff – besonders im Bereich der Oberflächenmesstechnik. Für Aerotech, Hersteller von Motion-Control- und Positioniersystemen, bedeutet „groß“, dass das zu vermessende Teil in jeder Dimension (Länge, Breite, Höhe) > 100 Millimeter 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 Meter durchgeführt werden.

Die Experten von Aerotech bieten gerade für diese Anwendungen in der hochpräzisen Oberflächenmesstechnik ein breites Produktspektrum – vom Komponentenlevel über die Steuerungsplattform bis hin zur schlüsselfertigen Maschine. Die Steuerung der Bewegungssysteme und die Synchronisation mit den Sensoren lässt sich allgemein unter dem Begriff Motion Control zusammenfassen, d. h. es geht um präzise Positionierung auf der einen und Motion Control auf der anderen Seite.

Mehr Flexibilität durch strategische Partner

Der Messsystemhersteller Keyence ist ein strategischer Partner von Aerotech und 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.

Herausforderungen bei der Messung größerer Oberflächen

Doch welche Herausforderungen bestehen nun zwischen der präzisen Messung größerer Oberflächen und der dafür notwendigen exakten Positionierung? Dies soll anhand zweier Beispiele genauer erläutert werden.

Um die relative Platzierung eines Messwerkzeugs und eines Teils zu steuern, verwendet Aerotech Positionierungsstufen und Software. Ein 3D-Profilometer, wie er bspw. in der Mikroskopie eingesetzt wird, ist ein schnelles, hochpräzises Profilmesssystem, das bewegliche Teile auf einem Positioniertisch optisch in nur einer Sekunde erfasst. Bei dem zweiten Beispiel handelt es sich um einen chromatischen konfokalen Einzelpunktsensor, der bspw. einen großen Wafer misst. In beiden Fällen stellen die Experten von Aerotech mittels Software eine Kommunikation zwischen Messsensor und Positioniersystem her.

Muss der Laser bspw. getriggert werden und an einer bestimmten Stelle impulsfeuern, dann lässt sich das über die Aerotech-Steuerungsplattform Automation1 oder dem Vorgängermodell A3200 realisieren. Auf diese Weise kann der gesamte Prozess von einer zentralen Steuereinheit aus betrieben werden. Auch Messvorgänge lassen sich über die Automation1-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.

Verwendung globaler Positionsrückmeldungsdaten

Bei der Vermessung größerer Teile stellen Aerotech-Kunden zwei Fragen am häufigsten: Wie lässt sich der Messbereich angesichts eines begrenzten Sichtfelds vergrößern (Beispiel: Mikroskop)? Und in welcher Genauigkeit können Messdaten großflächig mit dem Realteilraum verknüpft werden (Beispiel: Messsensor)?

Sollen größere Proben vermessen 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 ein kleineres Sichtfeld bedeutet. Wie lassen sich also viele einzelne, kleine Sichtfelder über einen größeren Bereich hinweg miteinander in Beziehung setzen?

Eine mögliche und weit verbreitete Herangehensweise besteht darin, FOV-Bereiche „zusammenzuflicken“. Beim sogenannten Stitching-Verfahren werden die Messergebnisse dann anschließend aneinandergesetzt. Nimmt man das oben genannte Beispiel der Oberflächen-Profilometrie eines Wafers sind die einzelnen FOVs ~1,8 Millimeter × 1,3 Millimeter. Der maximal „gestitchte“ Bereich ist somit 36 Millimeter × 26 Millimeter, was wiederum zu Bildkompressionsverlusten von bis zu 75 % führt.

Die bessere, da effektivere Lösung, lautet: 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.

Abgleich von Mess- und Positionsdaten

Ein eingeschränktes Sichtfeld des Sensors und die Größe der zu vermessenden Oberfläche stehen häufig im Widerspruch. Bei einer Oberflächenvermessung außerhalb des Sichtfeldes 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. Des Weiteren 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.

Auf die Steifigkeit kommt es an

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 6 Freiheitsgraden (D.O.F.) für jede einzelne Bewegungsachse, die zu einer Positionierungsplattform hinzugefügt wird. 6 Freiheitsgrade mal 6 Achsen ergeben 36 mögliche Fehlerquellen, um die sich der Konstrukteur sorgen muss. Durch das Erhöhen der Steifigkeit können die 5 unten gezeigten Ursachen für räumliche Positionierungsfehler verringert werden.

Abbe-Fehler vermeiden

Ebenso kann der Konstrukteur Feedback-Mechanismen integrieren, um die Anzahl der Abbe-Fehler zu verringern. Dies lässt sich relativ einfach über das Reduzieren des Abstandes 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. Dabei wird die Differenz zwischen der tatsächlichen Messung und der Messung in Bewegung berechnet und in einer Korrekturdatei hinzugefügt. Wenn die Achse nun das nächste Mal den Befehl erhält, sich um dieselbe Strecke zu bewegen, korrigiert sie sich selbst basierend auf der tatsächlichen Messung, die von dem externen Messgerät durchgeführt wurde. Die Kalibrierung ist ein Offline-Prozess und funktioniert nur bei wiederholbaren Fehlern.

Positions- und Messdaten in Beziehung setzen

Neben der Optimierung der Mechanik ist die Datenerfassungsmethode eine häufig übersehene Komponente. Bei Messsensoren tendiert Aerotech zur sogenannten „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. Die Herausforderung dabei ist, dass die Positions-Feedback-Daten möglichst genau sein müssen. Für optimale Ergebnisse müssen die Feedback-Daten kalibriert werden.

Fazit

Wenn sowohl konstruktions- als auch softwareseitig sämtliche Faktoren gegeben sind, können Messdaten auch über große Flächen erfasst werden, ohne dabei die Messauflösung oder -genauigkeit zu beeinträchtigen. Darüber hinaus lassen sich Bereiche angeben, in denen entweder mehr oder weniger Daten abgetastet werden muss, bspw. wenn die Auflösung nicht an jeder Stelle erforderlich ist. Dadurch wird es möglich, die Dateigrößen der resultierenden Daten deutlich zu reduzieren.

* RJ Hardt ist Director Peak Metrology bei der Aerotech Company

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