Hochpräzise Bestimmung der Form- und Orthogonalitätsabweichungen einer Spiegelecke und Untersuchung des Verhaltens unter veränderlichen Umweltbedingungen

Xu, Haifeng

Die rasanten Entwicklungen der letzten Jahre insbesondere in der Halbleitertechnik und in verschiedenen Präzisionstechnologien erfordern immer präzisere Fertigungsprozesse, die bis an die physikalischen Grenzen vordringen. Deshalb wurde am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau die Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPM-Maschine) entwickelt. Eine wesentliche Hauptkomponente einer solchen NPM-Maschine ist eine Spiegelecke, deren messtechnische Parameter insbesondere Ebenheit und Orthogonalität die Voraussetzungen für ein erfolgreiches metrologisches Korrekturkonzept der NPM-Maschine sind. Die Fertigungstoleranzen limitieren die Ebenheit der Spiegelflächen der Spiegelecke und deren Winkellage zueinander. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich daher auf die Entwicklung neuer Methoden zur hochpräzisen Bestimmung der Formabweichungen aller drei Messflächen einer Spiegelecke und der Orthogonalitätsabweichungen zwischen den Messspiegeln im montierten Zustand. Mit Hilfe der ermittelten systematischen Abweichungen der Spiegelflächen können in der Folge alle Messergebnisse entsprechend korrigiert werden. Aufgrund der Mess- und Korrekturverfahren sinken die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen, wodurch künftig auch der Einsatz kostengünstigerer Spiegelecken in NPM-Maschinen ermöglicht wird.

Rapid developments of the past few years, especially in semiconductor technology and in various precision technologies, require increasingly more precise for the manufacturing processes, which can penetrate up to the limits of the laws of physics. Therefore, at the Institute of Process Measurement and Sensor Technology of Ilmenau University of Technology, a new nanopositioning and nanomeasuring machine (NPM-Machine) NPMM-200 with a measuring range of 200 mm × 200 mm × 25 mm, and a resolution of 80 pm was developed. The coordinate system of the NPM-Machine is built by the uses interferometer mirror corner system. The production of high-precision mirror surfaces of the mirror corner with the highest demands on the flatness is not only technically difficult, but also very costly. The manufacturing tolerances limit the flatness of the outer surfaces of the corner mirror and their angular position to each other. It is therefore necessary to determine existing systematic deviations of the mirror surfaces and then correct it. The subject of the present thesis is the precise interferometric determination of the optical mirror surface topographies of the mirror corner using subaperture interferometer in combination with a stitching approach. The subaperture stiching interferometer system for large plane surfaces up to 350mm x 350 mm consists of an XY precision stage system, a commercial Fizeau phase-shifting interferometer of 6-inch aperture and a switchable mirror assembly. Special stitching software „SmartStitching“ is used to reconstruct of a full-aperture phase map from a sequence of subaperture measurements. The stitching algorithm compensates for positioning errors caused by the stage mechanics but also for systematic errors such as imaging distortion. The absolute topography of the reference flat was determined beforehand using the multi-rotation three-flat test. The topography of this reference flat was then stored in the data processing system so that it could be used to correct systematic errors. Furthermore, other influencing factors are presented in this thesis, e.g., measurement errors caused by the subaperture stiching interferometer and the accumulated error caused by the stitching algorithm. Another substantial part of the thesis is the precise determination of the 90-deg error of dihedral angles (xy, xz and yz mirror) of the mirror corner. Two different measurement techniques are applied for the measurement of the angular error. The angles (90-deg error) between the x- and y- mirrors are calibrated with the help of two pentaprisms, a right-angle prism and a high-resolution electronic autocollimator. This calibration method applies two horizontally aligned pentaprisms and a high precision right-angle prism as the normal (90°angle gauge block) to determine the angular error of the mirror cube. The high precision right-angle prism is calibrated in advance. The angles between the x and z mirrors are calibrated with the help of two pentaprisms and an autocollimator. The autocollimator is aligned via one pentaprism along the normal of the z mirror. This pentaprism is then translated in the x-direction, so that in combination with the second pentaprism, the autocollimator looks towards the x mirror. The difference in vertical angle registered by the autocollimator then gives the angle between the x and z mirrors. The angle between the y and z mirrors is calibrated in the same way. To reduce the systematic errors it is necessary to implement a procedure of calibrating pentaprisms in vertical orientation using a Fizeau interferometer. The three-prism method is used to achieve the absolute measurement of the deflection angles. The accuracy for this method is estimated to be 0,1" and is determined by the calibration uncertainty of the pentaprisms.

Die rasanten Entwicklungen der letzten Jahre insbesondere in der Halbleitertechnik und in verschiedenen Präzisionstechnologien erfordern immer präzisere Fertigungsprozesse, die bis an die physikalischen Grenzen vordringen. Deshalb wurde am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau eine neue Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPM-Maschine) NPMM-200 mit einem Messvolumen von 200 mm x 200 mm x 25 mm und einer gesicherten Messauflösung von 80 pm entwickelt. Das Koordinatensystem der NPM-Maschinen wird durch das verwendete Interferometer-Raumspiegelsystem gebildet. Die Herstellung hochpräziser Spiegelflächen einer Raumspiegelecke mit höchsten Anforderungen an die Ebenheit ist nicht nur technisch schwierig, sondern auch sehr kostspielig. Die Fertigungstoleranzen limitieren die Ebenheit der Spiegelflächen der Raumspiegelecke und deren Winkellage zueinander. Daher ist es notwendig, vorhandene systematische Abweichungen der Spiegelflächen zu ermitteln und zu korrigieren. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die hochpräzise Bestimmung der Topographien der Spiegelflächen der Raumspiegelecke mit einem Fizeau-Interferometer und der Stitching-Technologie. Das Subapertur-Stitching-Interferometer für sehr große Messbereiche bis 350 mm x 350 mm besteht aus einem hochpräzisen XY-Verschiebetisch, einem handelsüblichen Fizeau-Phasenschiebe-Interferometer mit einer 6 Zoll Apertur und einer Raumspiegeleckebaugruppe mit integrierter Justiereinrichtung. Eine speziell entwickelte Software „SmartStitching“ wird verwendet, um die aufgenommenen Messdaten der Subaperturen zu einer gesamten Topographie zu rekonstruieren. Der Stitching-Algorithmus kompensiert nicht nur Positionierfehler, die durch Führungsfehler des Lineartisches während der Verschiebung verursacht werden, sondern auch systematische Fehler wie z.B. Abbildungsfehler. Die absolute Topographie des Referenzspiegels wurde im Vorfeld durch den Multi-Rotations-Drei-Platten-Test kalibriert. Bei bekannter Formabweichung des Referenzspiegels kann der vorhandene systematische Fehler des Phasenschiebe-Interferometers korrigiert werden. Die Topographie des Referenzspiegels wurde dann im Datenverarbeitungssystem gespeichert, damit sie zur Korrektur systematischer Fehler verwendet werden kann. Weiterhin werden in dieser Arbeit andere Einflussfaktoren untersucht, z.B. Messfehler, die durch das Subaperture-Stiching-Interferometer verursacht werden, und dem akkumulierten Fehler, der durch den Stitching-Algorithmus verursacht wird. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die hochpräzise Bestimmung der Abweichung der Orthogonalität zwischen den Messspiegeln (xy-, xz- und yz-Messspiegel) einer Raumspiegelecke. Zwei Messverfahren wurden für die Bestimmung der Winkelfehler eingesetzt. Die Winkel zwischen den x- und y-Spiegeln werden mit Hilfe von zwei Pentaprismen, einem kalibrierten rechtwinkligen Prisma und einem hochauflösenden elektronischen Autokollimator bestimmt. Diese Kalibriermethode verwendet zwei horizontal ausgerichtete Pentaprismen und ein hochpräzises rechtwinkliges Prisma als 90°-Winkelnormal, um Winkelfehler zwischen der x- und y-Spiegelfläche einer Raumspiegelecke zu bestimmen. Das hochpräzise rechtwinklige Prisma wurde im Vorfeld kalibriert. Die Winkel zwischen den x- und z-Spiegeln werden mit Hilfe von zwei gegeneinander ausgerichteten Pentaprismen und einem Autokollimator kalibriert. Der Autokollimator ist über ein Pentaprisma entlang der Normalen des z-Spiegels ausgerichtet. Dieses Pentaprisma bewegt sich nur entlang der x-Richtung, bis er das zweite Pentaprisma trifft und richtet nun auch das zweite Pentaprisma so, dass der Winkel der x-Spiegelfläche mit dem AKF gemessen werden kann. Die Winkelabweichung zwischen den x- und z-Spiegeln der Raumspiegelecke ist der Differenzwert vom Messwert des Autokollimators und dem Winkelfehler beider Pentaprismen. Die Rechtwinkligkeitsabweichung zwischen den y-und z-Spiegeln wird in gleicher Weise kalibriert. Um systematische Fehler zu minimieren, ist es erforderlich, ein Kalibrierverfahren für Pentaprismen in vertikaler Ausrichtung mittels eines Fizeau-Interferometers umzusetzen. Der Drei-Pentaprismen-Test wird verwendet, um die absolute Winkelfehler der Pentaprismen in vertikaler Lage zu bestimmen. Die Genauigkeit für diese Methode wird auf 0,1"geschätzt und wird durch die Kalibrierungsunsicherheit der Pentaprismen bestimmt. Alle gemessenen Orthogonalitätsabweichungen werden abschließend quantifiziert und mit den Topographiedaten der Raumspiegelecke für Korrektur kombiniert.

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Xu, Haifeng: Hochpräzise Bestimmung der Form- und Orthogonalitätsabweichungen einer Spiegelecke und Untersuchung des Verhaltens unter veränderlichen Umweltbedingungen. Ilmenau 2018. Universitätsverlag Ilmenau.

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