Növekvő nyereség, folyamatos fejlesztés: a siker receptje a nanopozicionálás minőségbiztosításában – Fizikai világ

A többtengelyes nanopozicionálási szakaszokban végzett továbbfejlesztett térbeli korrekció adta az eredeti motivációt – és végső soron a sikeres gyártási eredményt – a hosszú távú K+F együttműködés legújabb projektjéhez. Queensgate, a nagy pontosságú nanopozicionáló termékek egyesült királyságbeli gyártója és a tudósok a Nemzeti Fizikai Laboratórium (NPL), az Egyesült Királyság Nemzeti Metrológiai Intézete.

forrásból származó finanszírozással Elemzés újítóknak (A4I) – által futtatott program Innoválja az Egyesült Királyságot, az Egyesült Királyság innovációs ügynöksége – a két partner „mély merülést” vállalt a parazita (tengelyen kívüli) mozgási hibák természetében és mértékében a Queensgate többtengelyes nanopozicionálási szakaszaiban. A részletes vizsgálatuk gyakorlati korrekciós és kalibrációs módszertant eredményezett, amely megerősíti a Queensgate teljes körű minőségbiztosítását (QA) a terméktervezés, -fejlesztés és -gyártás során a piezo-vezérelt nanopozicionálási szakaszok portfóliójához (valamint az olyan lehetővé tevő technológiákhoz, mint a piezo). aktuátorok, kapacitív érzékelők, vezérlő elektronika és szoftver).

„A Queensgate-tel folytatott együttműködésünk kölcsönös előnyökkel járt a közös K+F projektek széles körében az elmúlt évtizedben” – magyarázza Andrew Yacoot, a kutatás vezetője. Az NPL dimenziós nanometológiai programja és székek a A Hosszúság Konzultatív Bizottságának Dimenziós Nanometrológiai Munkacsoportja (az SI-mértékegységeket, a nemzetközi mérési szabványokat felügyelő tíz konzultatív bizottság egyike). Ez mindenki számára előnyös, ha az NPL az egyik szélesebb küldetését teljesíti: segíti a speciális technológiai vállalatokat a bonyolult ipari problémák megoldásában, és ezen túlmenően átadható innovációt, folyamatos termékfejlesztést és hosszú távú kereskedelmi hatásokat biztosít. „Ugyanakkor – teszi hozzá Yacoot –, közvetlen kapcsolatot kapunk a Queensgate termékfejlesztési csapatával, hogy tájékoztassuk őket a nanoméretű tudomány és metrológia egyedi, gyakran nem szabványos nanopozicionálási követelményeiről.

Ha ez a háttértörténet, mi a helyzet a projekt részleteivel? Kezdetben a térbeli hibajavítás a nanopozicionálási szakaszokban nem triviális gyakorlatot jelent az alkalmazott méréseknél – nagyrészt az elegendő adatpont rögzítésének és elemzésének nehézségei, valamint a szükséges hibajavító algoritmusok kódolásával kapcsolatos bonyolultságok miatt. Mindezek adják a kontextust a Queensgate és az NPL legutóbbi kapcsolatához, ahol Yacoot és munkatársai többtengelyes interferometrikus műszereket használnak a laboratórium folyamatos kutatás-fejlesztési erőfeszítéseinek támogatására a nagy pontosságú nanopozicionálás terén.

Ebből a célból egy dedikált NPL színpadi berendezés három, egymásra merőlegesen szerelt, síktükör differenciálinterferométert használ (az NPL által tervezett) a (színpadra szerelt) tükörkocka és a referenciatükör-készlet közötti relatív elmozdulás mérésére. Az interferométereket stabilizált hélium-neon lézerek fényével világítják meg, amelyeket az NPL elsődleges mérőlézeréhez kalibráltak, hogy nyomon követhető pozíciómérést biztosítsanak. A hő- és akusztikus hatások csökkentése érdekében a teljes berendezés zárt és rezgésszigetelő platformra van felszerelve.

Mérésre készült

Ezzel a kísérleti berendezéssel a térbeli hibák jellemzésére (és a későbbi kalibrálási folyamat tájékoztatására) az NPL projektcsapata két Queensgate-fokozatot vezetett be ütemükben: a QGSP-XY-600-Z-600 (amely 600 μm-es tartományban van az x mentén, y és z tengely) és a QGNPS-XY-100D (amely csak az x és y tengelyen mozog 100 μm-rel). Ez utóbbi egy nagy teljesítményű színpad, amelyet egy korábbi részeként jól jellemeztek Queensgate/NPL együttműködés a nagy sebességű atomerőmikroszkóppal (AFM). Az „ismert jó” szakasz használata lehetővé teszi a kalibrálási módszertan értékelését olyan helyzetekben is, ahol a hibák kisebbek, és ezáltal demonstrálják a hibajavítási technikák átruházhatóságát.

A nagyítás és az NPL mérési módszertana elég egyszerű – bár szükségszerűen kimerítő. A színpad mozgási volumenének minden egyes pontja esetén a színpad parancsot kapott, hogy lépjen egy pozícióba, majd hagyja, hogy egy meghatározott ideig leülepedjen. „A zárt hurkú vezérlés biztosítja, hogy ez a pozíció tükrözze a színpad kapacitív érzékelői által jelzett elmozdulást” – magyarázza Yacoot. "A tényleges elmozdulást ezután az NPL interferométerekből gyűjtik össze, hogy meghatározzák a térbeli pozicionálási hibát."

Kísérleti betekintések

Működési szempontból a színpadi berendezés vezérléséhez és az adatgyűjtéshez szükséges szoftvert Edward Heaps, a Yacoot nanometriológiai csapatának tagja írta. Munkáját korábbi tanulmányok támasztották alá, amelyek azt mutatták, hogy az egyes tengelyek mentén 11 pont letapogatása elegendő adatot ad a térbeli pozicionálási hibák feltérképezéséhez (és döntően túlzott időkeret nélkül az adatgyűjtéshez).

A 3D szakaszban a Heaps összesen 1331 (11 × 11 × 11) adatpontot rögzített 40 μm-es (parancsolt) időközönként, míg a 2D szakaszban összesen 121 (11 × 11) pontot rögzített 10 μm-es (parancsolt). ) intervallumok. Ezen túlmenően minden, mindkét irányban mozgó tengelyre szükség volt a parancsolt pontok tényleges térbeli pozícióinak rögzítésére – a szakaszon belüli elkerülhetetlen hiszteretikus folyamatok által okozott megismételhető hibák felmérésére –, miközben a teljes mérési ciklust hatszor meg kellett ismételni a sztochasztikus hibák számszerűsítésére.

Innováció az optikai interferometriában: a siker titka a nanopozicionálás minőségbiztosításában

Az eredményül kapott adatkészlet egy dedikált hibajavító algoritmust támaszt alá, amelyet Yacoot kollégája, Alistair Forbes, matematikus és NPL-ösztöndíjas dolgozott ki és optimalizált. Az algoritmus prototípus fázisú firmware-en belüli megvalósítását követően az algoritmus egy robusztus kalibrációs eljárás alapját képezi, amely – a térben korrigált szakaszokon végzett kísérleti mérések ismétlésével igazolva – jelentős szigorítást eredményez a vizsgált eszközök pozicionálási hibáiban. lásd az 1. és 2. táblázatot). Ugyanígy a nagy, többtengelyes fokozat teljesítményjavulást ért el a kompenzálatlan, rövidebb hatótávolságú xy fokozattal összhangban – lehetőséget teremtve a nagyobb hatótávolságú (600 µm x 600 μm) fokozatok telepítésére olyan nagy pontosságú alkalmazásokban, mint az AFM, a nanolitográfia és a 3D. nanonyomtatás.

„Jelenleg a korrekciós algoritmust implementáljuk a teljes, gyártási minőségű firmware-be, miközben az összeszerelési műveleteinken belül bevezetjük a kalibrációs folyamatot” – magyarázza Sam Frost, a Queensgate paigntoni (Egyesült Királyság) gyártóüzemének termelési menedzsere és telephelyvezető. "További munkára van szükség az új megjelenésű munkafolyamatok szabványosításához, de az első kereskedelmi szakaszokat a tavasz folyamán fogjuk szállítani, hogy kihasználhassuk az NPL továbbfejlesztett mérési és kalibrálási módszertanát."

Eközben a Queensgate termékmenedzsere, Craig Goodman már lefekteti a következő közös projekt alapjait az NPL nanometriai csapatával. Az év elején a legutóbbi A4I körben biztosított utófinanszírozás révén a partnerek a lineáris nanopozicionálási szakaszokban elért hibajavítási eredményekre fognak építeni, és a többtengelyes korrekciós algoritmust a Queensgate tip-tilt szakaszaiban való alkalmazásra szabják (amelyek kombinálják lineáris és szögmozgás az x, y és z tengely mentén). „A billenő fokozatokat a fejlett szilíciumlapka-feldolgozásban használják, és felépítésüknek köszönhetően nagy keresztcsatolási hibákat mutatnak a két forgástengely között” – magyarázza Goodman. „Ez egy összetett javaslat az összes különböző működtető és érzékelő közötti áthallás számszerűsítésére egy billenős platformon, nem beszélve arról, hogy ezeket a betekintéseket optimalizált korrekciós és kalibrációs sémává alakítsuk át.”

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoAiStream. Web3 adatintelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• A jövő pénzverése – Adryenn Ashley. Hozzáférés itt.
• Részvények vásárlása és eladása PRE-IPO társaságokban a PREIPO® segítségével. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/incremental-gains-continuous-improvement-the-recipe-for-success-in-nanopositioning-qa/