Hochpräzise roboterbasierte 3D-In-Prozess-Messtechnik

Im Projekt aim4np (Automated Inline Metrology for Nanoscale Production, Website: aim4np.eu) [8, 9] wurde das beschriebene Konzept mit dem Ziel implementiert, ein mittels Roboter positioniertes hochauflösende AFM direkt unter Produktionsbedingungen zur Anwendung zur bringen. Abbildung 2a zeigt das speziell entwickelte hochkompakte AFM (Abmessungen: 35 x 23 x 40 \(\text{mm}^{3}\)) mit integrierter Scannereinheit (Stellbereich: 100 x 100 x 20 μm³, Nanosurf, CH). Mittels Lagemessung mit 6 Positionssensoren und einer Feedback-Regelstruktur mit 6 individuell justierbaren single-input–single-output (SISO) Reglern kann die Plattform der Bewegung des Messobjekts mit verbleibenden Positionsunsicherheiten von 22 nm, 17 nm und 14 nm in x-, y- und z-Richtung folgen [23]. Dieser Ansatz verbessert die Positioniergenauigkeit, im Vergleich zu herkömmlichen Industrierobotern mit Unsicherheiten im Bereich einiger 10 μm [6, 7], damit um drei Größenordnungen.

Im Zuge von Experimenten wurden mit dem AFM Bilder einer Teststruktur mit regelmäßigen 98 nm tiefen Löchern aufgenommen. Abbildung 2b zeigt die Referenzmessung die unter vibrationsisolierten Laborbedingungen mit einem Standard AFM durchgeführt wurde. Im Vergleich dazu zeigt Abb. 2c das Ergebnis welches mit dem aim4np-System und dem On-board AFM in vibrationsreicher nicht-isolierter Produktionslaborumgebung (Spektrum Geschwindigkeit: max. 60 μ m/s bei 97 Hz, Spektrum Beschleunigung: max. 100 mm s² bei 280 Hz, max. Beschleunigung 2.8 m/s², max. Auslenkung 3.2 μm) aufgenommen wurde und demonstriert damit, dass nanometergenaue Vermessungen von Oberflächen außerhalb von vibrationsisolierten Präzisionslabors ermöglicht werden [23].

Das modulare Konzept (Abb. 1) ermöglicht auch die Verwendung von nicht-taktilen Messsystemen die auf der Plattform montiert werden können, sodass dieser Ansatz auch für hoch-genaue scannende optische Messsysteme für weitere Oberflächencharakterisierung und dimensionelle Messtechnik anwendbar ist.

Zur Erweiterung punkt- oder linienweise messender optischer Sensoren [19] zu echten 3D-Messsystemen, werden optische Sensorsysteme mit opto-mechatronischen Kippspiegelsystemen integriert. Die Anordnung, Spiegelgröße und Stellbereich des Scanners, sowie das optische Pfaddesign, werden dabei maßgeblich vom verwendeten Sensorprinzip bestimmt. Die Systemgeometrie bestimmt darüber hinaus die Algorithmen zur Rekonstruktion der vermessenen Oberfläche aus den Mess- und Positionsdaten. Abbildung 3 zeigt beispielhaft die Geometrie eines scannenden Laser-Triangulation-Sensor Systems [31], welches den hin- und rücklaufenden Laserpfad mittels eines Kippspiegels manipuliert [20]. Dafür wird eine größere Spiegelapertur benötigt, da beide Laserpfade über den Spiegel geführt werden müssen, was sich nachteilig auf das Trägheitsmoment und damit auf die Scangeschwindigkeit auswirkt. Andererseits reduziert diese Anordnung systematische Fehler und macht den gesamten Messbereich des Sensors zur Vermessung des Objekts nutzbar.

Bei der Integration mit konfokal chromatische Sensoren [12] ist ebenfalls eine größere Spiegelapertur erforderlich, da der gesamte Weißlichtkegel des Sensorkopfs über den Spiegel geführt werden muss [32]. Die Spiegelgröße kann dabei durch Variation des Abstandes von Scanner zu Sensor gegen lateralen Scanbereich abgewogen werden.

Darüber hinaus sind, abhängig vom optischen Sensorprinzip, auch andere Sensorgeometrien denkbar, die z. B. die Verwendung kleinerer Spiegel ermöglichen, aber einen geringeren Messbereich aufweisen [20].

Die am weitest verbreitete Trajektorie zum Scannen einer Flächen ist die Raster-Trajektorie, die in unterschiedlichen wissenschaftlichen Instrumenten, wie AFMs [24] und Fertigungsprozessen angewandt wird. Sie wird durch ein schnelles und eine langsames Dreieckssignal an den beiden Scanachsen generiert und bietet eine einheitliche Auflösung über den gesamten Scanbereich, was eine konstante Pixel-Clock für die Zuweisung von Datenpunkten zu einem Referenzraster bedeutet. Obwohl die Raster-Trajektorie der Standard für viele wissenschaftliche Applikationen ist, stellt sie oft auch die Limite für die erreichbare Scangeschwindigkeit dar [34]. Für ein Dreiecks-Referenz-Signal müssen mindestens die ersten 7–11 Harmonischen der Grundwelle innerhalb der Systembandbreite liegen, sodass eine hohe Reglerbandbreite benötigt wird, die wiederum hohe Anforderungen an die mechanische Struktur zur Folge hat [15].

Die Lissajous-Trajektorie stellt eine Alternative zu Raster-Trajektorien dar und wird ebenfalls zunehmend in Präzisionsanwendungen verwendet [34]. Sie wird durch Sinussignale mit definierten Frequenzen an beiden Systemachsen generiert, wobei die Frequenzen Auflösung und Bildrate definieren [35]. Die Auflösung ist in der Mitte des Scanbereichs am geringsten und nimmt zu den Rändern hinzu. Als Maß für die minimale Auflösung kann der maximale Abstand zwischen zwei Kreuzungen der Trajektorie mit den Hauptachsen definiert werden. Die Auflösung baut sich schrittweise mit fortschreitender Dauer des Scans auf, sodass bereits nach einem Bruchteil der Scandauer ein Überblick über den gesamten Scanbereich zur Verfügung steht. Diese Multi-Resolution-Eigenschaft [35] kann für variable schnelle Messsysteme mit hohem Durchsatz ein entscheidender Vorteil sein.

Mit der erforderlichen Spiegelapertur abgeleitet aus der Systemgeometrie kann der Scanner entworfen werden. Typischerweise werden Lorentz-aktuierte FSM-Systeme verwendet, da diese über einen größeren Stellbereich von bis zu \(\pm1.5^{\circ}\) verfügen und Bandbreiten von etwa 800 Hz haben (Type: OIM101, Optics In Motion LLC, Long Beach, USA) [26]. Die Aufhängungen dieser Systeme haben geringe Steifigkeit in den aktuierten rotatorischen Freiheitsgraden und hohe Steifigkeiten in den nicht-aktuierten Freiheitsgraden. Aufgrund der geringen Steifigkeit wird die Systemdynamik hauptsächlich durch das Trägheitsmoment des Spiegels und seines Trägers bestimmt, sodass ein Spiegelträger mit möglichst geringem Trägheitsmoment angestrebt wird. Des Weiteren werden durch das Systemdesign strukturelle Moden der mechanischen Struktur zu möglichst hohen Frequenzen verschoben und eine gute Entkopplung der beiden aktuierten Freiheitsgrade sichergestellt, um keine Aktuatorleistung zur Unterdrückung des Übersprechens zu benötigen [26].

Interne optische Sensoren (OIM101, Optics In Motion LLC) werden zur Messung und Regelung der Spiegelposition verwendet.

Im Sinne eines integrierten Systemdesigns sollte das Kippspiegelsystem bereits an die entsprechende Ziel-Trajektorie angepasst sein. Für Raster-Trajektorien, mit ihrem abnehmenden aber breiten Amplitudenspektrum, sind diese wenig steifen Systeme in Kombination mit beispielsweise PID Reglern [22] gut geeignet. Liegen die Frequenzen der Referenz-Signale innerhalb der Systembandbreite, sind diese Systeme auch für Lissajous-Trajektorien geeignet. Zusammen mit auf die Trajektorie abgestimmten Reglern (siehe Abschn. 4.4) wird, um die gleich Auflösung wie mit einer Raster-Trajektorie zu erhalten, aufgrund der höheren fundamentalen Frequenzen der Referenzsignale, in diesem Fall allerdings der doppelte Aktorstrom benötigt [21]. Das limitiert die maximale Scanamplitude bei höheren Auflösungen und damit den Messbereich. Wird der Scanner jedoch auf die gewünschte Lissajous-Trajektorie abgestimmt, indem die Resonanz-Frequenzen durch Versteifung der Achsen zu den Referenzfrequenzen verschoben werden, kann der Stromverbrauch für die gleiche Trajektorie deutlich reduziert werden [26]. In Abb. 4a sind die Systemdynamiken eines konventionellen und eines modifizierten Kippspiegelsystems dargestellt, bei dem die Systemresonanzen beider Achsen, durch individuelle Erhöhung der Steifigkeit, zu den Frequenzen des jeweiligen Referenzsignals verschoben sind. Die höhere Verstärkung der Strecke an diesen Frequenzen ermöglicht eine Reduktion des Stromverbrauchs um 90 % im Vergleich zum konventionellen System, was in Abb.4b dargestellt ist. Gleichzeitig ergibt sich bei gleicher maximaler Stromaufnahme eine Vergrößerung des Scanbereichs um einen Faktor 60 [26]. Abbildung 4c und d demonstrieren diese Vergrößerung des Scanbereichs anhand einer Laserprojektion.

Wie im Fall des Scanners muss auch die Regelstruktur auf die Ziel-Trajektorie zugeschnitten werden, um die maximale Leistungsfähigkeit zu erhalten. Ausgehend von einer klassischen Feedback-Regelstruktur entsprechen etwa PID Regler den spektralen Anforderungen von Raster-Trajektorien [22]. Um den Regelfehler weiter zu reduzieren, kann zusätzlich eine Vorsteuerung ergänzt werden, die aber typischerweise sehr genau parametrierte Modelle der Systemdynamik benötigen. Für periodische Raster-Trajektorien kann alternative auch frequenzselektive modellfreie Iterative Learning Control (ILC) eingesetzt werden, welche aus Regelfehlern vorhergehender Zyklen lernt und das Referenzsignal dementsprechend anpasst [29]. Abbildung 5 zeigt das Messergebnis einer Leiterplatte, vermessen mit einem scannenden 3D-Konfokalsensorsystem mit Feedback geregeltem Kippspiegel [32], der einer Raster-Trajektorie ohne und mit aktivem Lern-Algorithmus folgt. Da der Lern-Algorithmus Nichtlinearitäten und die Dynamik des Scanners ausschließlich bei der Grundfrequenz und den Harmonischen der Ziel-Trajektorie lernt, kann der Regelfehler um 99,8 % im Vergleich zum reinen Feedback-Fall reduziert werden.

SISO-Regler für Lissajous-Trajektorien können aufgrund des schmalbandigen Spektrums der Sinus-Referenz auf die jeweilige Achse zugeschnitten werden und weisen eine lokalisierte hohe Reglerverstärkung nur an der entsprechenden Frequenz auf. Um auch das Übersprechen zwischen den Scanachsen zu unterdrücken, werden Dual-Tone (DT) Regler verwendet, die an den Referenz-Frequenzen beider Achsen eine hohe Reglerverstärkung aufweisen [21]. Beim Folgen von Lissajous-Trajektorien kann mit diesem zugeschnittenen Regler im Vergleich zu einem klassischen PID Regler der Regelfehler um eine Größenordnung, auf unter 0,8 % der Scanamplitude, reduziert werden.

Entsprechend dem Konzept in Abb. 3 wurde der Prototyp eines scannenden 3D-Laser-Triangulation-Sensors (Type: ILD 2300-100, Micro-Epsilon GmbH, Germany) mit einem Kippspiegelsystem (Type: OIM102, Optics In Motion LLC, Long Beach, USA) entwickelt [25]. Die Datenakquisition, zur synchronen Erfassung der Messdaten und der Spiegelposition, wurde auf einem echtzeitfähigen Rapid-Prototyping System (dSPACE Type: DS1202, dSPACE GmbH, Germany) mit einer Samplingrate von 20 kHz, 3 Eingängen (Positionssignale beider Spiegelachsen und Sensorausgang) und 2 Ausgängen (Referenzsignale für Spiegelachsen) implementiert.

Mit der Systemgeometrie kann über geometrische Abbildungsvorschriften aus den beiden Datenvektoren die Oberfläche des gemessenen Objekts rekonstruiert und dabei systematische Fehler, wie Scanner Bow, kompensiert werden [25]. Um Verkippungen der Objektebene zu korrigieren, wird ein RANSAC Algorithmus verwendet, der die verkippte Ebene schätzt und korrigiert. Abbildung 6a zeigt den Ausschnitt einer Leiterplatte, welche mit dem ersten Prototyp des scannenden Triangulations-Sensors vermessen wurde. Das Messergebnis in Abb. 6b zeigt den IC im Messbereich, sowie die umgebenden SMD Bauteile mit einer vertikalen bzw. lateralen Auflösung von 15 μm bzw. 580 μm und einer Messrate von 1 Frame/s. Um die Flexibilität des Systems applikationsabhängig zu erhöhen und eine automatische Erkennung relevanter Objektmerkmale zu ermöglichen, kann das System um entsprechende Clustering-Algorithmen und eine entsprechende Prozess-Führung ergänzt werden [33]. So können beispielsweise Bereiche mit relevanten Objektmerkmalen im Messfeld erkannt werden, sodass das System diese, mit neu konfigurierten Trajektorien mit entsprechendem Offset und Amplitude, automatisch mit höherer Auflösung vermessen kann.

In Summe konnte gezeigt werden, dass durch die Integration von optischen Sensoren, Mechatronik und Regelungstechnik intelligente und flexible optische 3D-Messsysteme entworfen und implementiert werden können.