Piirtomitat – tarkkuutta optisiin mittalaitteisiin

Optiset piirtomitat ovat edelleen erinomaisia työkaluja SI-metrin siirtämiseen muihin mittalaitteisiin kuten videokoordinaattimittauskoneisiin, maskinmittauslaitteisiin tai optisiin mikroskooppeihin. Moderneilla litografiatekniikoilla valmisteluissa piirtomitoissa piirron laatu mahdollistaa parhaimmillaan jopa alle 10 nm:n epävarmuudet lyhyillä piirtoväleillä. Piirtomittojen kalibroinneissa ja käytössä on oleellista, että mitan tuenta, mittausalueen leveys ja paikka ovat identtisiä ja hyvin dokumentoituja. Tämä varmista parhaan yhtäpitävyyden kalibrointi- ja käyttötilanteen välille.

VTT MIKES piirtomittainterferometri (kuva) käyttää dynaamista mittausmenetelmää [1]. Mittausten aikana mikroskooppi on jatkuvassa liikkeessä. Tämä mahdollistaa nopean kalibroinnin ja mikroskoopin suurennussuhteen kalibroinnin online, tekee mittauksen vähemmän herkäksi ympäristön häiriöille sekä säästää tilaa. Synkroninen mittaustiedon keräys CCD-kamerasta, interferenssisignaaleista sekä ympäristöantureista eliminoi nopeusvaihteluiden vaikutuksen mittaustuloksista.

Piirtomittainterferometri on rakennettu tärinäeristetylle kivipöydälle, jossa on myös lineaarinen kivijohde ja paineilmalaakeroitu mittauskelkka. Optinen mikroskooppi CCD-kameralla on kiinnitetty kelkan sivulle. Mikroskoopin paikkaa seurataan ns. double-path Michelson-interferometrillä, jossa valolähteenä on kuitukytketty 633 nm:n HeNe-laser. Abbe-virhe eliminoidaan mittauksista käyttämällä isoa osittaista kuutionurkkaa mikroskoopin reflektorina. Abbe-virhe eliminoituu, kun kuutionurkan nurkkapiste on säädetty tarkalleen mikroskoopin polttopisteeseen.

Piirtomitat_2.jpg

VTT MIKESin piirtomittainterferometri.

Piirtojen profiilit lasketaan kuvista keskiarvoistamalla CCD-kuvat piirron suuntaisesti. Piirron keskipiste lasketaan etu- ja takareunan painotettuna keskiarvona noin 30–80% intensiteettialueelta. Laite käyttää lähekkäin otettuja profiilikuvia mikroskoopin nm/pikseli suurennuksen laskemiseen ja korjaa sen avulla piirrot tarkasti samaan paikkaan. Taitekerroin korjataan kosteuden, paineen ja ilman lämpötilan mittaustulosten ja päivitetyn Edlenin kaavan avulla. Asteikon materiaalin lämpöpiteneminen korjataan usean Pt100-anturin lämpötilanäyttämän avulla. Edullinen kalibrointi sisältää samat mittaukset kahdessa eri asennossa. Vielä tarkempaan mittausepävarmuuteen päästään toistamalla mittaus toisessa paikassa. Erikoistarkassa kalibroinnissa mittausten ja asentojen määrää on suurempi. Eri vaihtoehtojen tyypilliset mittausepävarmuudet on esitetty alla olevassa taulukossa. Laitteen mittauskyky on varmistettu kansainvälisillä vertailumittauksilla [2, 3].  

Piirtomittakalibrointien mittausalueet ja epävarmuudet. 

Kalibrointi ​Mittausalue ​Laajennettu
epävarmuus
(k=2)
​Huom.
​Edullinen kalibrointi0,01…1165 mm ​U = Q[200; 100L] µmL metreissä, Q[x; y]=√(x2+y2)
​Normaali kalibrointi​0,01…1165 mm U = Q[50; 100L] µm L metreissä, Q[x; y]=√(x2+y2)
​Erikoistarkka kalibrointi *​0,01…1165 mm U = Q[6,2; 82L] µm L metreissä, Q[x; y]=√(x2+y2)
​* Vaatii erinomaisen tasomaisuuden ja piirron laadun ​ ​

 

  1. A. Lassila, MIKES fibre-coupled differential dynamic line scale interferometer, Meas. Sci. Technol. 23, 094011 (2012). https://doi.org/10.1088/0957-0233/23/9/094011
  2. H. Bosse, W. Häßler-Grohne, J. Flügge and R. Köning, Final report on CCL-S3 supplementary line scale comparison Nano3, Metrologia 40, 04002 (2003). https://doi.org/10.1088/0026-1394/40/1A/04002
  3. B. Acko, Final report on EUROMET Key Comparison EUROMET.L-K7: Calibration of line scales, Metrologia 49, Tech. Suppl., 04006 (2012), https://doi.org/10.1088/0026-1394/49/1A/04006
      

Lisätietoja

  • Jarkko Unkuri, tutkija, puh. 040 410 5506, sähköposti jarkko.unkuri(at)vtt.fi      
  • Antti Lassila, tutkimusryhmän vetäjä, puh. 040 767 8584, sähköposti antti.lassila(at)vtt.fi


​<<< takaisin pituuskalibrointien etusivulle