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Kurzfassung

Für Präzisionsmessungen, insbesondere auch für Längenmessungen im Nanometerbereich, werden Interferometer eingesetzt, deren Interferometerstrecke teilweise im Vakuum verläuft. Mittels einer neuartigen Dichtungsanordnung zur teilweisen Kapselung der Interferometerstrecke kann im Vergleich zu bekannten Balg-Lösungen eine erhebliche Reduzierung der Umwelteinflüsse auf das Messergebnis erreicht werden.

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Hintergrund

Während eine Anordnung der Interferometer u.a. aufgrund der Abhängigkeit der Brechzahl der Luft vom Umgebungsdruck im Vakuum von Vorteil ist, sind viele Messobjekte und Experimente aufgrund von z.B. Kompressibilitäten oder Wärmeableitungen für den Einsatz im Vakuum nur begrenzt geeignet. Daher wird seit langem eine Kapselung von Interferometerstrecken mit wechselnden Längen im Vakuum mittels Membranbälgen realisiert.

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Bilder & Videos

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Problemstellung

Der Balg kann am einen Ende mit einem Fenster bestückt werden, dessen Abstand zum Messpiegel konstant gehalten werden muss und wobei  ein kleiner Restweg des Interferometers in Luft entsteht. Diese Anordnung kann auch für 2D- oder 3D-Anwendungen genutzt werden. Wenn der Balg direkt mit einem Spiegelgehäuse gekoppelt wird, kann eine komplette Anordnung im Vakuum erreicht werden, jedoch nur für eine 1D-Bewegung. Nachteilig am Einsatz dieser Membranbälge ist zum einen, dass der  Messzirkel durch den dafür benötigten Platz verlängert wird. Zum anderen entsteht durch den Differenzdruck zwischen Vakuum im Balg und der Atmosphäre und durch die Federkonstante des Balges eine Kraft auf das Gehäuse des Interferometerteilers in Messrichtung. Durch die Hysterese im Balg ist diese Kraft auch regelungstechnisch kompliziert.

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Lösung

Eine alternative Dichtungsanordnung bietet ein im Bild dargestelltes Interferometergehäuse mit einem luftgelagerten Deckel, bei dem durch Absaugkanäle eine Dichtung des Vakuums im Deckel realisiert wird und eine Verschiebung von Deckel und Gehäuse zueinander möglich ist. Das Deckel-Luftlager ist vakuumdicht, so dass das Vakuum im Gehäuse auch bei einer Verschiebung des Deckels erhalten bleibt.

Zur weiteren Reduzierung möglicher Messfehler können folgende Maßnahmen ergriffen werden:

-vollständig differentiell ausgelegte Interferometeroptik

-Einsatz eines separaten „Metrologierahmens“ mit einer gedichteten Durchführung in das Vakuumgehäuse, der die Interferometeroptik trägt

Die Kraft auf das Interferometergehäuse kann alternativ durch einen zweiten gedichteten Deckel auf der anderen Seite des Interferometergehäuses kompensiert werden, der die gleichen Bewegungen wie der Deckel des Interferometerstrahls realisiert. Der Deckel kann mit einem planaren Elektromotor so bewegt werden, dass der Abstand des Fensters zum Messspiegel in Luft konstant bleibt.

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Vorteile

- Deutliche Reduktion der Messunsicherheit eines interferometrischen Messsystems, ohne das Antriebssystem mit dem zu bewegenden Objekt als Ganzes im Vakuum betreiben zu müssen.

- Der für eine Längenmessung gebildete Messzirkel wird nur durch die Gehäusewand und das Messfenster verlängert und ist damit wesentlich kleiner als beim Einsatz eines herkömmlichen Balgs in der Messstrecke.

- Auftretende Kräfte wirken nur senkrecht zur Messrichtung und können durch ein massiv realisierbares Gehäuse gut aufgenommen werden, wodurch unerwünschte Verformungen in Richtung des Messlichtstrahls vermieden werden.

- Neben 1D- sind auch 2D-Anwendungen möglich.

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Anwendungsbereiche

Hersteller von Maschinen zur Messung von technischen Oberflächen mit geometrischen Merkmalen auf der Mikro- und Nanometerskala, z.B. Belichtungsmasken

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Service

- Ein auf das Design angepasstes vollständig differentielles Interferometer mit sub 10 pm Rauschen und Nichtlinearitäten wurde erfolgreich in Betrieb genommen.

- Deutsches Patent: DE 10 2019 117 636 B3
Patentanmelder/-inhaber: IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH); Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
- Erfinder: Steffen Hesse, Michael Katzschmann, Hans-Ulrich Mohr, Dr. Christoph Schäffel (IMMS); Dr. Jens Flügge (PTB)