Metrology platform using hybrid reluctance actuator for robot-based nanometrology

Abstract

Hochpräzise Fertigungssysteme haben in den letzten Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung gewonnen und werden aufgrund von Trends wie immer kleinere Strukturgrößen und einer immer höheren Bauteildichte elektronischer Komponenten auch weiterhin von zunehmender Wichtigkeit sein. Um der wachsenden Nachfrage nach Präzision und Durchsatz in Fertigungseinrichtungen gerecht zu werden, ist In-Line Messtechnik dabei eine ganz wesentliche Komponente, um eine entsprechende Echtzeit-Qualitätskontrolle zu ermöglichen. Bei Inspektionen mit Auflösungen im Nanometerbereich, beispielsweise in der Halbleiterindustrie, können Umgebungsvibrationen Messungen deutlich beeinträchtigen und mechanische Moden anregen, welche die Position des Messgerätes (z.B. AFM) in Bezug auf die Probe verändern. Als Abhilfe kann das Messgerät auf eine Feedback-geregelte Messplattform montiert werden, welche die Bewegung des Messobjektes mittels hochauflösender Abstandssensoren misst und dieser entsprechend folgt, um relative Bewegung

High-precision manufacturing systems have increased their importance for the last decades and will become even more important because of the trend to decrease the structure sizes and to increase the component density of electronics. In order to satisfy the growing demand in the precision and throughput of manufacturing facilities, inline metrology is required to enable real-time quality control. For inspection with a nanometer scale, for example for the semiconductor industry, environmental vibration can disturb measurements, exciting the mechanical modes that change the position of the inspection tool (e.g. AFM) with respect to the sample. As a remedy, it has been proposed to mount the inspection tool on a feedback-controlled metrology platform, which tracks the motion of the sample using high resolution displacement sensors to minimize relative motion between the inspection tool and the sample. In order to improve the performance of such sample-tracking vibration isolators for inline metrology, this thesis proposes to integrate flexure-guided hybrid reluctance actuators, instead of conventionally used Lorentz actuators. An advantage of hybrid reluctance actuators is their relatively high motor constant for a high energy efficiency. Additionally, their negative stiffness is utilized for better vibration isolation performance. After a sample-tracking vibration isolator with hybrid reluctance actuators are designed, analyzed, implemented and controlled, its performance is experimentally evaluated. By turning on the control, the isolator decreased the vibrations from 37.5 nmRMS to 1.58 nmRMS by a factor of 95.8 %, successfully demonstrating its capability for inline metrology with nanometer resolution.