Piezoantriebe im echtzeitfähigen Autofokus-System:

Hochgeschwindigkeitsmikroskopie zur Qualitätskontrolle

Bei großen Wafern dauerten mikroskopische Aufnahmeprozesse bei hohen Vergrößerungen oft zu lange. Dank neuer Hochgeschwindigkeitsmikroskope hat sich das nun geändert. Bild: Fraunhofer IPT

Viele großflächige Objekte müssen zur Qualitätskontrolle auf winzige Details untersucht werden, die nur unter dem Mikroskop erkennbar sind. In der Halbleiter- und Elektronikfertigung ist der Bedarf an mikroskopischen Prüfverfahren aufgrund des hohen Miniaturisierungsgrades besonders groß. Ähnliche Anforderungen haben aber auch andere Bereiche, z.B. Biotechnologie oder Pharmazie, beispielsweise beim Screening von Proben in Mikrotiterplatten. Konventionelle Mikroskopie-Verfahren können hier jedoch – vor allem wenn hohe Auflösung gefordert ist – nicht mit der Geschwindigkeit der heute üblichen Automatisierungstechnik Schritt halten. Dank neuer Hochdurchsatz-Mikroskopiesysteme hat sich das nun geändert. Piezoaktoren als Antriebe in ihren echtzeitfähigen Autofokus-Systemen spielen dabei eine Schlüsselrolle.

Bei Mikrotiterplatten dauerten mikroskopische Aufnahmeprozesse bei hohen Vergrößerungen oft zu lange. Dank neuer Hochgeschwindigkeitsmikroskope hat sich das nun geändert. Bild: Fraunhofer IPT

Bei Mikrotiterplatten dauerten mikroskopische Aufnahmeprozesse bei hohen Vergrößerungen oft zu lange. Dank neuer Hochgeschwindigkeitsmikroskope hat sich das nun geändert.

Sowohl in der Elektronik- und Halbleiterfertigung als auch in Biotechnologie oder Pharmazie kennt man das Problem: Bei großflächigen Proben wie Platinen und Mikrotiterplatten dauern mikroskopische Aufnahmeprozesse bei hohen Vergrößerungen oft sehr lange, denn bis zu mehrere Zehntausend Einzelaufnahmen müssen erstellt und ausgewertet werden, wobei der Probentisch das Objekt für jede Einzelaufnahme exakt positionieren muss. Aus Zeitgründen verzichten viele dann auf eine 100-Prozent Prüfung und geben sich mit Stichprobenuntersuchungen zufrieden, testen also nur an einigen ausgewählten Stellen. Jetzt hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT einen neuen Aufnahmeprozess entwickelt, mit dem großflächige Objekte in Sekundenschnelle mikroskopiert werden können. Erstmals wird so eine mikroskopische 100-Prozent-Prüfung im industriellen Umfeld möglich.

Messen On-the-Fly für hohe Bildraten

Hochdurchsatz-Mikroskopiesystem: Großflächige Objekte können in Sekundenschnelle mikroskopiert werden. Erstmals ist so eine mikroskopische 100-Prozent-Prüfung im industriellen Umfeld möglich. Bild: Fraunhofer IPT

Hochdurchsatz-Mikroskopiesystem: Großflächige Objekte können in Sekundenschnelle mikroskopiert werden. Erstmals ist so eine mikroskopische 100-Prozent-Prüfung im industriellen Umfeld möglich.

Dabei bewegt der Tisch das Objekt im Gegensatz zum herkömmlichen „Stop-and-Go“-Betrieb kontinuierlich mit konstanter Verfahrgeschwindigkeit während der Aufnahme. Die Probe kann dadurch mit sehr hohen Bildraten – je nach Kamera mit mehr als 100 fps – digitalisiert werden. Da das Objekt dabei nur extrem kurz mit einem Blitz beleuchtet ist, ist die Aufnahme zudem frei von Bewegungsunschärfe. Der zeitoptimierte Scanprozess ist mit einem echtzeitfähigen Datenhandling und Bildverarbeitungsschritten kombiniert. Selbst rechenintensive Aufgaben wie Stitching-Prozesse laufen nahezu ohne Verzögerung ab. Einzelaufnahmen lassen sich nahtlos zum Gesamtbild zusammenfügen, noch während die Messung läuft. Das ist natürlich vor allem der hohen Rechenleistung des Systems und der ausgereiften Software zu verdanken, aber auch die eingesetzte Hardware trägt dazu durchaus bei.

Der prinzipielle Aufbau des modular aufgebauten Hochgeschwindkeitsmikroskops. Bild: Fraunhofer IPT

Der prinzipielle Aufbau des modular aufgebauten Hochgeschwindkeitsmikroskops.

So gilt es, während des kontinuierlichen Scannens den Fokus entsprechend nachzuregeln. Denn die Oberflächentopologie überschreitet die Schärfentiefe eines Objektives bei Weitem, sei es in der Biotechnologie aufgrund der Unebenheiten der spritzgegossenen Kunststoff-Mikrotiterplatten oder in der Elektronikfertigung bei unterschiedlich hohen Bauteilen auf der Platine oder Verkippungen des gesamten Wafers. Die Oberfläche kann nur dann scharf abgebildet werden, wenn der Fokus rechtzeitig nachgeregelt wird. Für mikroskopische Aufnahmen aus der Bewegung ist also eine echtzeitfähige Autofokusfunktion erforderlich; der Fokus muss präzise und dynamisch in Richtung der optischen Achse justiert werden.

Piezoaktoren und ihre Eigenschaften

Die PIFOC-Z-Antriebe können sehr klein und steif gebaut werden. Sie reagieren mit kurzen Ansprechzeiten und positionieren durch die gute Führung auch bei verhältnismäßig großen Verfahrwegen bis 100 oder sogar 400 µm sehr genau. Bild: Fraunhofer IPT

Die PIFOC-Z-Antriebe können sehr klein und steif gebaut werden. Sie reagieren mit kurzen Ansprechzeiten und positionieren durch die gute Führung auch bei verhältnismäßig großen Verfahrwegen bis 100 oder sogar 400 µm sehr genau.

Diese Aufgabe übernehmen piezobasierte Antriebssysteme. Mit einem Stellweg von bis zu etwa 500 µm sind sie für die Autofokusanwendungen gut geeignet, wobei sie Schrittmotoren im Hinblick auf Genauigkeit und vor allem Dynamik deutlich überlegen sind. Darüber hinaus haben Piezoantriebe aber noch eine ganze Reihe weiterer Eigenschaften, von denen die Mikroskopie profitiert: Piezoelektrische Materialien wandeln elektrische Energie direkt in mechanische um und umgekehrt. Für die Positionierung von Bedeutung ist die Bewegung, die entsteht, wenn eine elektrische Spannung an ein piezoelektrisches Material angelegt wird. Aktoren, die auf diesem Piezoeffekt basieren, bewegen sich mit Auflösungen im Sub-Nanometerbereich bei hoher Dynamik und mit Scanfrequenzen bis zu mehreren hundert Hertz. Da die Bewegung auf kristallinen Effekten beruht, gibt es keine rotierenden oder reibenden Teile; Piezoaktoren sind dadurch praktisch wartungs- und verschleißfrei.

Die PIFOC-Z-Antriebe von Physik Instrumente, die das Fraunhofer IPT in seinen Hochgeschwindigkeitsmikroskopen einsetzt, bieten für solche Anwendungen die besten Voraussetzungen. Sie können sehr klein und steif gebaut werden. Dadurch reagieren sie mit kurzen Ansprechzeiten und positionieren durch die gute Führung auch bei verhältnismäßig großen Verfahrwegen bis 500 µm sehr präzise. Die spielfreie und hochgenaue Festkörperführung sorgt für eine hohe Fokusstabilität. Fein positioniert werden kann so im Bereich unter einem Nanometer. Die Anforderungen an die Genauigkeit sind für Piezosysteme in der beschriebenen Anwendung jedoch eher mäßig, da lediglich genauer positioniert werden muss als die Schärfentiefe des Objektivs. Wichtig sind allerdings die Wiederholgenauigkeit und die kurze Einschwingzeit von weniger als 10 ms. Somit verhindert der Piezo-Antrieb, dass das Objekt bei hohen Scangeschwindigkeiten aus dem Fokus läuft. Zusammen mit Direktmetrologie, kapazitativen Sensoren und Digitalcontrollern erreichen die Piezoantriebe höchste Linearitäten mit maximal 0,06 % Abweichung. Die kapazitiven Sensoren messen direkt und berührungslos den bewegten Teil der Mechanik. Weder Reibung noch Hysterese beeinträchtigen die Messung. Die Objektiv-Position lässt sich genau dem jeweiligen Einzelbild zuordnen.

Einfache Integration

Das IPT nutzt zur Ansteuerung einen Digital-Controller E-709 mit Linearisierungsalgorithmen, der einfach über eine analoge Schnittstelle an das Gesamtsystem angebunden werden kann. Auch die Antriebe selbst ließen sich mit ihrem Schnellverschlussadapter gut integrieren. Nach dem Einschrauben des Adapters in den Revolver wird der Antrieb darin in der gewünschten Ausrichtung befestigt. Da der Objektivpositionierer selbst nicht gedreht werden muss, ist die Kabelführung unproblematisch. Für Anwendungen, in denen ein besonders großer freier optischer Durchgang erforderlich ist, gibt es eine Variante mit 29 mm freier Apertur im Gewindeeinsatz. Der Mikroskopie unter industriellen Bedingungen erschließen sich damit völlig neue Möglichkeiten; Piezoantriebe haben dazu beigetragen.

Über das Fraunhofer IPT
Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT erarbeitet Systemlösungen aus einer Hand für produzierende Unternehmen. Die Schwerpunkte liegen in den Bereichen der Prozesstechnologie, der Produktionsmaschinen, der Mechatronik, der Produktionsqualität und Messtechnik sowie des Technologiemanagements. Auftraggeber und Kooperationspartner kommen aus der gesamten produzierenden Industrie: aus der Luft- und Raumfahrttechnik, dem Automobilbau und seinen Zulieferern, dabei vor allem aus dem Werkzeug- und Formenbau, der feinmechanischen und optischen Industrie und dem Werkzeugmaschinenbau. Heute arbeiten rund 380 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter mit viel Kreativität und Engagement an der Umsetzung aktueller Projekte.

Über Physik Instrumente
Physik Instrumente (PI) ist für die hohe Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise Positioniertechnik ein. Seit über 40 Jahren entwickelt und fertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder Motorantrieben. Durch die Übernahme der Mehrheitsanteile an ACS Motion Control, einem weltweit führenden Entwickler und Hersteller modularer Motion Controller für mehrachsige und hochpräzise Antriebssysteme hat PI eine wichtige Voraussetzung geschaffen, maßgeschneiderte Komplettsysteme für industrielle Anwendungen mit höchsten Anforderungen an Präzision und Dynamik bedienen zu können. Mit vier Standorten in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen ist die PI Gruppe international vertreten.

Dipl.-Phys. Steffen Arnold

Leiter „Markt und Produkte“ bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Friedrich Schenk

Wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Fraunhofer IPT

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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