Incrementele winst, continue verbetering: het recept voor succes in nanopositionering QA - Physics World

Verbeterde ruimtelijke correctie in meerassige nanopositioneringsfasen vormden de oorspronkelijke motivatie – en uiteindelijk het succesvolle productieresultaat – voor het nieuwste project in de langlopende R&D-samenwerking tussen Koninginspoort, een Britse fabrikant van nanopositioneringsproducten met hoge precisie, en wetenschappers van de Nationaal fysiek laboratorium (NPL), het Britse National Metrology Institute.

Met financiering van Analyse voor vernieuwers (A4I) - een programma gerund door Innovate UK, het Britse innovatiebureau – de twee partners ondernamen een "diepe duik" in de aard en omvang van parasitaire (off-axis) bewegingsfouten in de meerassige nanopositioneringsstadia van Queensgate. Hun gedetailleerd onderzoek heeft een praktische correctie- en kalibratiemethodologie opgeleverd die Queensgate's end-to-end kwaliteitsborging (QA) voor productontwerp, -ontwikkeling en -productie zal versterken voor haar portfolio van piëzo-gestuurde nanopositioneringsfasen (evenals ondersteunende technologieën zoals piëzo actuatoren, capacitieve sensoren, besturingselektronica en software).

"Onze samenwerking met Queensgate heeft de afgelopen tien jaar wederzijdse voordelen opgeleverd voor een breed scala aan gezamenlijke R&D-projecten", legt Andrew Yacoot uit, hoofdwetenschapper die leiding geeft aan NPL's dimensionale nanometrologieprogramma en zit de Werkgroep voor dimensionale nanometrologie van het Raadgevend Comité for Length (een van de tien raadgevende comités die toezicht houden op de SI-eenheden, de internationale meetnormen). Die win-win zorgt ervoor dat NPL een van zijn bredere missies aanpakt: gespecialiseerde technologiebedrijven helpen bij het oplossen van netelige industriële problemen en, bij uitbreiding, het leveren van overdraagbare innovatie, continue productverbetering en commerciële effecten op de lange termijn. "Tegelijkertijd", voegt Yacoot eraan toe, "krijgen we een directe verbinding met het productontwikkelingsteam van Queensgate om hen te informeren over onze unieke, vaak niet-standaard vereisten voor nanopositionering voor wetenschap en metrologie op nanoschaal."

Als dat het achtergrondverhaal is, hoe zit het dan met de details van het project? Om te beginnen vertegenwoordigt ruimtelijke foutcorrectie in nanopositioneringsfasen een niet-triviale oefening in toegepaste metingen - grotendeels vanwege de moeilijkheid om voldoende gegevenspunten vast te leggen en te analyseren, ook vanwege de complexiteit die gepaard gaat met het coderen van de noodzakelijke foutcorrectie-algoritmen. Dit alles vormt de context voor Queensgate's nieuwste samenwerking met NPL, waar Yacoot en collega's meerassige interferometrische instrumenten gebruiken om de voortdurende R&D-inspanningen van het laboratorium op het gebied van zeer nauwkeurige nanopositionering te ondersteunen.

Daartoe gebruikt een speciale NPL-podiumopstelling drie orthogonaal gemonteerde differentiële interferometers met vlakke spiegels (ontworpen door NPL) om de relatieve verplaatsing tussen een spiegelkubus (gemonteerd op een podium) en een set referentiespiegels te meten. De interferometers worden verlicht met licht van gestabiliseerde helium-neonlasers die zijn gekalibreerd tegen de primaire meterrealisatielaser van NPL om een ​​traceerbare positiemeting te geven. Om thermische en akoestische effecten te verminderen, is de hele opstelling ook ingesloten en gemonteerd op een trillingsisolatieplatform.

Gemaakt om te meten

Met behulp van deze experimentele opstelling om ruimtelijke fouten te karakteriseren (en het daaropvolgende kalibratieproces te informeren), heeft het NPL-projectteam twee Queensgate-fasen op de proef gesteld: de QGSP-XY-600-Z-600 (die een bereik van 600 μm heeft langs de x, y- en z-assen) en de QGNPS-XY-100D (die alleen in de x- en y-assen 100 μm beweegt). De laatste is een krachtige fase die goed is gekarakteriseerd als onderdeel van een vorige Samenwerking tussen Queensgate en NPL op het gebied van supersnelle atoomkrachtmicroscopie (AFM). Door gebruik te maken van een "bekend goed"-stadium kan de kalibratiemethodiek ook worden beoordeeld in situaties waarin de fouten kleiner zijn en wordt daarmee de overdraagbaarheid van de foutcorrectietechnieken aangetoond.

Zoom in en de meetmethode van NPL is eenvoudig genoeg - zij het noodzakelijkerwijs uitputtend. Voor elk punt in het bewegingsvolume van het podium kreeg het platform de opdracht om naar een positie te gaan en vervolgens gedurende een bepaalde tijd tot rust te komen. "Closed-loop control zorgt ervoor dat deze positie de verplaatsing weergeeft die wordt gerapporteerd door de capacitieve sensoren van het podium", legt Yacoot uit. "De werkelijke verplaatsing wordt vervolgens verzameld van de NPL-interferometers om de ruimtelijke positioneringsfout te bepalen."

Experimentele inzichten

Operationeel werd de software voor de besturing van de podiumopstelling en het verzamelen van gegevens geschreven door Edward Heaps, een lid van het nanometrologieteam van Yacoot. Zijn werk was gebaseerd op eerdere studies die aantoonden dat een scan van 11 punten langs elke as voldoende gegevens oplevert voor het in kaart brengen van ruimtelijke positioneringsfouten (en, cruciaal, zonder een buitensporig tijdsbestek voor gegevensverzameling).

Voor het 3D-podium legde Heaps in totaal 1331 (11×11×11) datapunten vast met intervallen van 40 μm (op commando), terwijl voor het 2D-podium in totaal 121 (11×11) punten werden vastgelegd op 10 μm (op commando). ) intervallen. Bovendien was het nodig om werkelijke ruimtelijke posities vast te leggen voor de opgedragen punten voor alle assen die in beide richtingen bewegen - om herhaalbare fouten te beoordelen die worden veroorzaakt door onvermijdelijke hysteretische processen binnen het podium - terwijl de hele meetcyclus zes keer werd herhaald om stochastische fouten te kwantificeren.

Innovatie in optische interferometrie: het geheim van succes in nanopositionering QA

De resulterende dataset ondersteunt een speciaal foutcorrectie-algoritme dat is bedacht en geoptimaliseerd door Yacoot's collega Alistair Forbes, een wiskundige en NPL Fellow. Na de implementatie van het algoritme in de firmware van de prototype-trap, vormt het algoritme de basis voor een robuuste kalibratieprocedure die - bewezen door een herhaalde reeks experimentele metingen op de ruimtelijk gecorrigeerde trappen - een significante verscherping van de positioneringsfouten in de onderzochte apparaten oplevert ( zie tabellen 1 en 2). Evenzo behaalde de grote meerassige tafel prestatieverbeteringen in lijn met de niet-gecompenseerde xy-tafel met een korter bereik - wat mogelijkheden bood om tafels met een groter reisbereik (600 µm x 600 μm) in te zetten in zeer nauwkeurige toepassingen zoals AFM, nanolithografie en 3D nanoprinten.

"Op dit moment implementeren we het correctie-algoritme in volledige firmware van productiekwaliteit terwijl we het kalibratieproces uitrollen binnen onze assemblageactiviteiten", legt Sam Frost uit, productiemanager en locatieleider bij de productiefaciliteit van Queensgate in Paignton, VK. "Er is meer werk nodig om de nieuwe workflows te standaardiseren, maar we zullen later in het voorjaar de eerste commerciële stadia verzenden om te profiteren van de verbeterde meet- en kalibratiemethodologie van NPL."

Ondertussen legt de productmanager van Queensgate, Craig Goodman, al de basis voor het volgende gezamenlijke project met het nanometrologieteam van NPL. Nu de vervolgfinanciering is veiliggesteld in de laatste A4I-ronde eerder dit jaar, zullen de partners proberen voort te bouwen op de vooruitgang in foutcorrectie in lineaire nanopositioneringsfasen, waarbij het meerassige correctie-algoritme wordt aangepast voor toepassing in de tip-tilt-fasen van Queensgate (die een combinatie vormen van lineaire en hoekbeweging langs de x-, y- en z-assen). "Tip-tilt-tafels worden gebruikt bij geavanceerde siliciumwafelverwerking en vertonen vanwege hun constructie grote kruiskoppelingsfouten tussen de twee rotatieassen", legt Goodman uit. "Het is een complex voorstel om overspraak tussen alle verschillende actuatoren en sensoren in een tip-tilt-platform te kwantificeren, laat staan ​​om die inzichten te vertalen naar een geoptimaliseerd correctie- en kalibratieschema."

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Koop en verkoop aandelen in PRE-IPO-bedrijven met PREIPO®. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/incremental-gains-continuous-improvement-the-recipe-for-success-in-nanopositioning-qa/