Inkrementelle gevinster, kontinuerlig forbedring: opskriften på succes i nanopositionering QA – Physics World

Forbedret rumlig korrektion i multi-akse nanopositioneringsstadier gav den oprindelige motivation – og i sidste ende det succesfulde produktionsresultat – for det seneste projekt i det langvarige F&U-samarbejde mellem Queensgate, en britisk producent af højpræcisions nanopositioneringsprodukter, og forskere ved Nationalt fysisk laboratorium (NPL), Storbritanniens National Metrology Institute.

Med finansiering fra Analyse for innovatører (A4I) – et program drevet af Innovere UK, Storbritanniens innovationsagentur – de to partnere foretog et "dybt dyk" i arten og omfanget af parasitære (off-akse) bevægelsesfejl i Queensgates multi-akse nanopositioneringsstadier. Deres granulære undersøgelse har givet en praktisk korrektions- og kalibreringsmetodologi, der vil forstærke Queensgates end-to-end kvalitetssikring (QA) på tværs af produktdesign, udvikling og fremstilling af dets portefølje af piezo-drevne nanopositioneringsstadier (samt muliggørende teknologier såsom piezo aktuatorer, kapacitive sensorer, styreelektronik og software).

"Vores samarbejde med Queensgate har givet gensidige fordele over en bred vifte af fælles F&U-projekter i det sidste årti eller deromkring," forklarer Andrew Yacoot, ledende videnskabsmand, der leder NPL's dimensionelle nanometriprogram og stole på Arbejdsgruppe for Dimensionel Nanometrologi i Det Rådgivende Udvalg for Længde (et af ti rådgivende udvalg, der fører tilsyn med SI-enhederne, de internationale målestandarder). Denne win-win betyder, at NPL løser en af ​​sine bredere missioner: at hjælpe specialiserede teknologivirksomheder med at løse vanskelige industrielle problemer og i forlængelse heraf levere overførbar innovation, kontinuerlig produktforbedring og langsigtede kommercielle virkninger. "Samtidig," tilføjer Yacoot, "får vi en direkte linje ind i Queensgates produktudviklingsteam for at informere dem om vores unikke, ofte ikke-standardiserede, nanopositioneringskrav til videnskab og metrologi i nanoskala."

Hvis det er baghistorien, hvad med projektdetaljerne? Til at begynde med repræsenterer rumlig fejlkorrektion i nanopositioneringsstadier en ikke-triviel øvelse i anvendt måling - i høj grad på grund af vanskeligheden ved at fange og analysere tilstrækkelige datapunkter, også kompleksiteten forbundet med kodning af de nødvendige fejlkorrektionsalgoritmer. Alt dette giver konteksten for Queensgates seneste binding med NPL, hvor Yacoot og kolleger udnytter multi-akse interferometrisk instrumentering til at understøtte laboratoriets igangværende R&D-indsats inden for nanopositionering med høj nøjagtighed.

Til dette formål bruger en dedikeret NPL-scenerig tre ortogonalt monterede, plan-spejl differentiale interferometre (designet af NPL) til at måle den relative forskydning mellem en spejlterning (monteret på en scene) og et sæt referencespejle. Interferometrene belyses ved hjælp af lys fra stabiliserede helium-neon-lasere, der er blevet kalibreret mod NPLs primære meterrealiseringslaser for at give sporbar positionsmåling. For at reducere termiske og akustiske effekter er hele opsætningen også lukket og monteret på en vibrationsisolerende platform.

Lavet til at måle

Ved at bruge denne eksperimentelle rig til at karakterisere rumlige fejl (og informere den efterfølgende kalibreringsproces), satte NPL-projektteamet to Queensgate-stadier gennem deres trin: QGSP-XY-600-Z-600 (som har et 600 μm rækkevidde langs x, y- og z-akser) og QGNPS-XY-100D (som kun bevæger sig 100 μm i x- og y-akserne). Sidstnævnte er en højtydende scene, der er blevet godt karakteriseret som en del af en tidligere Queensgate/NPL-samarbejde om højhastigheds atomkraftmikroskopi (AFM). Ved at bruge et "kendt godt"-trin kan kalibreringsmetodikken også vurderes i situationer, hvor fejlene er mindre og derved demonstrere overførbarheden af ​​fejlkorrektionsteknikkerne.

Zoom ind og NPLs målemetode er enkel nok – omend nødvendigvis udtømmende. For hvert punkt i scenens bevægelsesvolumen blev scenen beordret til at flytte sig til en position og fik derefter lov til at stille sig i et bestemt tidsrum. "Lukket sløjfe kontrol sikrer, at denne position afspejler forskydningen rapporteret af scenens kapacitive sensorer," forklarer Yacoot. "Den faktiske forskydning opsamles derefter fra NPL-interferometrene for at bestemme den rumlige positioneringsfejl."

Eksperimentel indsigt

Operationelt blev softwaren til kontrol af sceneriggen og dataindsamling skrevet af Edward Heaps, et medlem af Yacoots nanometriske team. Hans arbejde blev informeret om tidligere undersøgelser, der viser, at en scanning af 11 punkter langs hver akse giver tilstrækkelige data til at kortlægge rumlige positioneringsfejl (og, afgørende, uden en overdreven tidsramme for dataindsamling).

For 3D-fasen fangede Heaps i alt 1331 (11×11×11) datapunkter med 40 μm (kommanderet) intervaller, mens der for 2D-fasen blev i alt 121 (11×11) punkter fanget ved 10 μm (kommanderet) ) intervaller. Ydermere var det nødvendigt at fange faktiske rumlige positioner for de kommanderede punkter for alle akser, der bevægede sig i begge retninger - for at vurdere gentagelige fejl forårsaget af uundgåelige hysteretiske processer inden for scenen - mens hele målecyklussen blev gentaget seks gange for at kvantificere stokastiske fejl.

Innovation inden for optisk interferometri: hemmeligheden bag succes i nanopositionering af QA

Det resulterende datasæt understøtter en dedikeret fejlkorrektionsalgoritme udviklet og optimeret af Yacoots kollega Alistair Forbes, en matematiker og NPL Fellow. Efter implementering af algoritmen inden for prototypestadiefirmware giver algoritmen grundlaget for en robust kalibreringsprocedure, der – bevist af et gentagne sæt eksperimentelle målinger på de rumligt korrigerede stadier – giver en betydelig opstramning af positioneringsfejlene i de enheder, der undersøges ( se tabel 1 og 2). På samme måde opnåede det store multi-akse trin ydeevneforbedringer i overensstemmelse med det ukompenserede xy-trin med kortere rækkevidde – hvilket åbnede muligheder for at implementere trin med længere vandringsområder (600 µm x 600 µm) i højpræcisionsapplikationer som AFM, nanolitografi og 3D nanoprint.

"Lige nu implementerer vi korrektionsalgoritmen i firmware i fuld produktionskvalitet, mens vi ruller kalibreringsprocessen ud inden for vores montageoperationer," forklarer Sam Frost, produktionschef og site lead på Queensgates produktionsanlæg i Paignton, Storbritannien. "Der er behov for mere arbejde for at standardisere de nye arbejdsgange, men vi sender de første kommercielle faser for at drage fordel af NPLs forbedrede måle- og kalibreringsmetodologi senere på foråret."

I mellemtiden er Queensgates produktchef, Craig Goodman, allerede ved at lægge grunden til det næste fælles projekt med NPLs nanometri-team. Med opfølgende finansiering sikret i den seneste A4I-runde tidligere i år, vil partnerne søge at bygge videre på fejlkorrektionsfremskridtene i lineære nanopositioneringsstadier, skræddersy multi-akse korrektionsalgoritmen til anvendelse i Queensgates tip-tilt-stadier (som kombinerer lineær og vinkelbevægelse langs x-, y- og z-akserne). "Tip-tilt-trin bruges i avanceret siliciumwafer-behandling og udviser på grund af deres konstruktion store krydskoblingsfejl mellem de to rotationsakser," forklarer Goodman. "Det er et komplekst forslag at kvantificere krydstale mellem alle de forskellige aktuatorer og sensorer i en tip-tilt platform, endsige at oversætte disse indsigter til et optimeret korrektions- og kalibreringsskema."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Udmøntning af fremtiden med Adryenn Ashley. Adgang her.
• Køb og sælg aktier i PRE-IPO-virksomheder med PREIPO®. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/incremental-gains-continuous-improvement-the-recipe-for-success-in-nanopositioning-qa/