Guadagni incrementali, miglioramento continuo: la ricetta del successo nel nanoposizionamento QA – Physics World

La correzione spaziale migliorata nelle fasi di nanoposizionamento multiasse ha fornito la motivazione originale - e, in definitiva, il risultato positivo della produzione - per l'ultimo progetto della lunga collaborazione di ricerca e sviluppo tra Queengate, un produttore britannico di prodotti di nanoposizionamento ad alta precisione, e gli scienziati del Laboratorio fisico nazionale (NPL), l'istituto nazionale di metrologia del Regno Unito.

Con finanziamento da Analisi per Innovatori (A4I) – un programma gestito da innovare UK, l'agenzia per l'innovazione del Regno Unito: i due partner hanno intrapreso una "profonda immersione" nella natura e nella portata degli errori di movimento parassiti (fuori asse) nelle fasi di nanoposizionamento multiasse di Queensgate. La loro indagine granulare ha prodotto una metodologia pratica di correzione e calibrazione che rafforzerà la garanzia di qualità end-to-end (QA) di Queensgate attraverso la progettazione, lo sviluppo e la produzione del prodotto per il suo portafoglio di stadi di nanoposizionamento piezo-guidati (oltre a tecnologie abilitanti come piezo attuatori, sensori capacitivi, elettronica di controllo e software).

"La nostra collaborazione con Queensgate ha prodotto vantaggi reciproci su un'ampia gamma di progetti di ricerca e sviluppo congiunti negli ultimi dieci anni circa", spiega Andrew Yacoot, scienziato principale che guida Il programma di nanometrologia dimensionale di NPL e presiede il Gruppo di lavoro per la nanometrologia dimensionale del Comitato consultivo per la lunghezza (uno dei dieci Comitati Consultivi che sovrintendono alle unità SI, gli standard internazionali di misura). Questo vantaggio per tutti vede NPL affrontare una delle sue missioni più ampie: aiutare le aziende tecnologiche specializzate a risolvere spinosi problemi industriali e, per estensione, fornire innovazione trasferibile, miglioramento continuo del prodotto e impatti commerciali a lungo termine. "Allo stesso tempo", aggiunge Yacoot, "abbiamo una linea diretta con il team di sviluppo prodotto di Queensgate per informarli dei nostri requisiti di nanoposizionamento unici, spesso non standard, per la scienza e la metrologia su nanoscala".

Se questo è il retroscena, che dire dei dettagli del progetto? Per cominciare, la correzione dell'errore spaziale nelle fasi di nanoposizionamento rappresenta un esercizio non banale nella misurazione applicata, in gran parte a causa della difficoltà di acquisire e analizzare punti dati sufficienti, nonché delle complessità associate alla codifica dei necessari algoritmi di correzione degli errori. Tutto ciò fornisce il contesto per l'ultimo collegamento di Queensgate con NPL, in cui Yacoot e colleghi sfruttano la strumentazione interferometrica multiasse per supportare gli sforzi di ricerca e sviluppo in corso del laboratorio nel nanoposizionamento ad alta precisione.

A tal fine, uno stage rig NPL dedicato utilizza tre interferometri differenziali a specchio piano montati ortogonalmente (progettati da NPL) per misurare lo spostamento relativo tra un cubo specchio (montato su un palco) e una serie di specchi di riferimento. Gli interferometri sono illuminati utilizzando la luce di laser stabilizzati a elio-neon che sono stati calibrati rispetto al laser primario di realizzazione del metro di NPL per fornire una misurazione della posizione tracciabile. Per ridurre gli effetti termici e acustici, l'intero impianto è inoltre racchiuso e montato su una piattaforma di isolamento dalle vibrazioni.

Fatto su misura

Utilizzando questo impianto sperimentale per caratterizzare gli errori spaziali (e informare il successivo processo di calibrazione), il team del progetto NPL ha messo alla prova due stadi Queensgate: il QGSP-XY-600-Z-600 (che ha un intervallo di 600 μm lungo la x, assi y e z) e QGNPS-XY-100D (che si sposta di 100 μm solo negli assi x e y). Quest'ultimo è uno stadio ad alte prestazioni che è stato ben caratterizzato come parte di un precedente Collaborazione Queensgate/NPL sulla microscopia a forza atomica ad alta velocità (AFM). L'utilizzo di una fase di "buono noto" consente inoltre di valutare la metodologia di calibrazione in situazioni in cui gli errori sono minori e quindi dimostrare la trasferibilità delle tecniche di correzione degli errori.

Ingrandisci e la metodologia di misurazione degli NPL è abbastanza semplice, anche se necessariamente esaustiva. Per ogni punto del volume di movimento del palco, al palco veniva comandato di spostarsi in una posizione e quindi lasciarlo stabilizzarsi per un tempo specificato. "Il controllo a circuito chiuso garantisce che questa posizione rifletta lo spostamento riportato dai sensori capacitivi del palco", spiega Yacoot. "Lo spostamento effettivo viene quindi raccolto dagli interferometri NPL, al fine di determinare l'errore di posizionamento spaziale".

Approfondimenti sperimentali

Operativamente, il software per il controllo del palco e la raccolta dei dati è stato scritto da Edward Heaps, un membro del team di nanometrologia di Yacoot. Il suo lavoro è stato informato da studi precedenti che dimostrano che una scansione di 11 punti lungo ciascun asse fornisce dati sufficienti per mappare gli errori di posizionamento spaziale (e, soprattutto, senza un periodo di tempo eccessivo per l'acquisizione dei dati).

Per la fase 3D, Heaps ha acquisito un totale di 1331 (11×11×11) punti dati a intervalli di 40 μm (comandati), mentre per la fase 2D sono stati acquisiti un totale di 121 (11×11) punti a 10 μm (comandati) ) intervalli. Inoltre, era necessario acquisire le posizioni spaziali effettive per i punti comandati per tutti gli assi che si muovono in entrambe le direzioni - per valutare gli errori ripetibili causati da inevitabili processi isteretici all'interno del palco - ripetendo l'intero ciclo di misurazione sei volte per quantificare gli errori stocastici.

Innovazione nell'interferometria ottica: il segreto del successo nel QA del nanoposizionamento

Il set di dati risultante è alla base di un apposito algoritmo di correzione degli errori ideato e ottimizzato dal collega di Yacoot Alistair Forbes, un matematico e NPL Fellow. A seguito dell'implementazione dell'algoritmo all'interno del firmware dello stadio prototipo, l'algoritmo fornisce la base per una solida procedura di calibrazione che, evidenziata da una serie ripetuta di misurazioni sperimentali sugli stadi corretti spazialmente, produce un significativo restringimento degli errori di posizionamento nei dispositivi in ​​esame ( vedi tabelle 1 e 2). Allo stesso modo, il grande stadio multiasse ha ottenuto miglioramenti delle prestazioni in linea con lo stadio xy a corto raggio non compensato, aprendo opportunità per implementare stadi con corse più lunghe (600 µm x 600 µm) in applicazioni ad alta precisione come AFM, nanolitografia e 3D nanostampa.

"In questo momento, stiamo implementando l'algoritmo di correzione in un firmware completo di qualità per la produzione mentre implementiamo il processo di calibrazione all'interno delle nostre operazioni di assemblaggio", spiega Sam Frost, direttore di produzione e responsabile del sito presso lo stabilimento di produzione di Queensgate a Paignton, nel Regno Unito. "C'è ancora lavoro necessario per standardizzare i flussi di lavoro dal nuovo look, ma spediremo le prime fasi commerciali per beneficiare della metodologia di misurazione e calibrazione avanzata di NPL più avanti in primavera".

Nel frattempo, il product manager di Queensgate, Craig Goodman, sta già gettando le basi per il prossimo progetto congiunto con il team di nanometrologia di NPL. Con il finanziamento successivo assicurato nell'ultimo round A4I all'inizio di quest'anno, i partner cercheranno di basarsi sui progressi nella correzione degli errori nelle fasi di nanoposizionamento lineare, adattando l'algoritmo di correzione multiasse per l'applicazione nelle fasi di inclinazione del Queensgate (che combinano moto lineare e angolare lungo gli assi x, y e z). “Gli stadi tip-tilt sono utilizzati nella lavorazione avanzata dei wafer di silicio e, a causa della loro struttura, presentano grandi errori di accoppiamento incrociato tra i due assi di rotazione”, spiega Goodman. "È una proposta complessa quantificare il cross-talk tra tutti i diversi attuatori e sensori in una piattaforma tip-tilt, figuriamoci tradurre queste intuizioni in uno schema di correzione e calibrazione ottimizzato".

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