DE102014116965B3

DE102014116965B3 - Particle beam force measuring device and particle beam force measuring method as well as apparatus and method for sputter monitoring

Info

Publication number: DE102014116965B3
Application number: DE102014116965.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Trottenberg; Alexander Spethmann; Holger Kersten
Original assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Current assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2034-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Partikelstrahl-Kraftmessvorrichtung (1) aufweisend eine Messanordnung (9) mit wenigstens einem einseitig innerhalb der Messanordnung (9) gelagerten oder eingespannten Biegebalken (2, 2’, 2’’) mit einem freien Ende; einem Target (5) am freien Ende des Biegebalkens (2, 2’, 2’’), wobei das Target (5) von dem Partikelstrahl einseitig beschossen werden kann, wenigstens zwei Interferometersensoroptiken (71, 72, 73) oder Beleuchtungsfasern (81, 82) zur Lichtleitung für eine wenigstens zweiachsige interferometrische Abstandsmessung, ausgerichtet auf wenigstens zwei Spiegel (61, 62, 63) / Spiegelflächenabschnitte, wobei diese (61, 62, 63) auf dem Biegebalken (2, 2’, 2’’) zwischen dem gelagerten oder eingespannten und dem freien Ende des Biegebalkens (2, 2’, 2’’) fest angeordnet sind und die Normalenvektoren im Bereich der interferometrisch wirksamen Bereiche der Spiegelflächen oder der Spiegelflächenabschnitte orthogonal auf dem Biegebalken (2, 2’, 2’’) und nicht parallel zueinander ausgerichtet sind und einer Mess- und Auswerteeinrichtung zur interferometrischen vektoriellen Kraftmessung durch Messung und Auswertung einer Verbiegung des Biegebalkens (2, 2’, 2’’) anhand der Spiegel / Spiegelflächenabschnitte (61, 62, 63). Ferner betrifft die Erfindung ein Partikelstrahl-Kraftmessverfahren.The invention relates to a particle beam force measuring device (1) comprising a measuring arrangement (9) with at least one bending beam (2, 2 ', 2' ') which is mounted or clamped on one side within the measuring arrangement (9) and has a free end; a target (5) at the free end of the bending beam (2, 2 ', 2' '), wherein the target (5) can be bombarded by the particle beam on one side, at least two interferometer sensor optics (71, 72, 73) or illumination fibers (81, 82) for guiding the light for an at least biaxial interferometric distance measurement, oriented on at least two mirrors (61, 62, 63) / mirror surface sections, these (61, 62, 63) on the bending beam (2, 2 ', 2' ') between the mounted or clamped and the free end of the bending beam (2, 2 ', 2' ') are fixed and the normal vectors in the region of the interferometrically effective areas of the mirror surfaces or mirror surface portions orthogonal on the bending beam (2, 2', 2 '') and are not aligned parallel to each other and a measuring and evaluation device for interferometric vectorial force measurement by measuring and evaluating a bending of the bending beam (2, 2 ', 2' ') with reference to d he mirror / mirror surface portions (61, 62, 63). Furthermore, the invention relates to a particle beam force measuring method.

Description

Die Erfindung betrifft eine Partikelstrahl-Kraftmessvorrichtung und ein Partikelstrahl-Kraftmessverfahren sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sputtermonitoring. The invention relates to a particle beam force measuring device and a particle beam force measuring method and to a device and a method for sputter monitoring.

Partikel im Sinne dieser Erfindung sind Ionen, Atome, Elementarteilchen, wobei hierunter sowohl die neutralen als auch die geladenen Teilchen fallen. Die Kräfte der zu detektierenden Partikelstrahlen werden hierbei insbesondere im Vakuum gemessen und sind sehr klein, wobei die Kräfte beispielsweise bei Ionen- oder Atomstrahlen typisch im Bereich von wenigen µN bis hin zu mehreren Hundert µN liegen. Die Untersuchung der Kräfte erfolgt üblich durch das Richten der Partikelstrahlen auf ein Target. Particles for the purposes of this invention are ions, atoms, elementary particles, which include both the neutral and the charged particles. The forces of the particle beams to be detected are hereby measured in particular in a vacuum and are very small, the forces typically being in the range of a few μN up to several hundred μN, for example in the case of ion beams or atom beams. The investigation of the forces is usually done by directing the particle beams on a target.

Die auf das Target auftreffenden Partikelstrahlen können aus Plasma- und Ionenstrahlquellen aller Art, aber auch etwa aus natürlichen Zerfallsprozessen (Neutronenquellen) oder Festkörperverdampfung (Atomstrahlen) hervorgehen. In der Regel weisen die einzelnen Partikel eines Partikelstrahls wenigstens die Masse eines Protons oder Neutrons auf. Von besonderem Interesse in der Raumfahrt sind Ionen- oder Triebwerksstrahlen erzeugt durch elektrische Strahlantriebe oder Kaltgasantriebe. The particle beams impinging on the target can originate from plasma and ion beam sources of all kinds, but also from natural decay processes (neutron sources) or solid-state evaporation (atom beams). As a rule, the individual particles of a particle beam have at least the mass of a proton or a neutron. Of particular interest in aerospace are ion or engine beams generated by electric jet engines or cold gas engines.

In der Physik ist es gewünscht, die Kraft eines Partikelstrahls zu detektieren, nämlich insbesondere von Ionen-, Atom-, Elementarteilchen- bzw. Plasmastrahlen sowie eines Plasmas, das ein Teilchengemisch auf atomarermolekularer Ebene ist und dessen Bestandteile teilweise oder vollständig in Ionen und Elektronen aufgeteilt sind (und somit freie Ladungsträger umfassen). Es können in einem Hintergrundgas Ladungsaustauschstöße zu energiereichen neutralen Teilchen führen, die ebenfalls detektierbar sein sollen. In physics, it is desired to detect the force of a particle beam, namely, in particular, ion, atom, elementary particle or plasma jets and a plasma which is a particle mixture at the atomic molecular level and whose constituents are partially or fully divided into ions and electrons are (and thus include free charge carriers). Charge exchange surges in a background gas can lead to high-energy neutral particles, which should also be detectable.

Weiter ist in der Physik auch das Detektieren von Sputtereffekten erwünscht. Sputtern oder Ionenstrahlzerstäuben ist im Verlauf der vergangenen Jahrzehnte eine industriell wichtige Methode zur Herstellung von dünnen Schichten und zur Reinigung, Glättung und Strukturierung von Oberflächen geworden. Auf der anderen Seite tritt Sputtern auch ungewollt in Prozessen auf, zum Beispiel bei der Erosion der Gitter von industriellen Ionenstrahlquellen, bei elektrischen Antrieben für die Raumfahrt und in Anlagen der Fusionsforschung. Daher ist die Diagnostik von Sputterprozessen in diesen Bereichen von großer Bedeutung. Furthermore, the detection of sputtering effects is also desired in physics. Sputtering or ion beam sputtering has become an industrially important method for the production of thin layers and for the cleaning, smoothing and structuring of surfaces over the past decades. On the other hand, sputtering also occurs inadvertently in processes, such as the erosion of the grids of industrial ion beam sources, in electric drives for space travel and in fusion research facilities. Therefore, the diagnosis of sputter processes in these areas is of great importance.

Experimentelle Untersuchungen von Sputterprozessen werden oft auf die Bestimmung der Sputterausbeute (sputter yield) beschränkt, da hierbei lediglich die Massenabnahme oder Schichtdickenabnahme des bestrahlten Materials bestimmt werden muss. Die Bestimmung der Richtungen, in denen die herausgelösten Partikel die bestrahlte Oberfläche verlassen, und der Energien, die die herausgelösten Partikel haben, ist dagegen erheblich aufwändiger. Zur Richtungsmessung werden zum Beispiel Substrate in unterschiedlichen Richtungen über der bestrahlten Oberfläche angebracht, damit Schichten des gesputterten Materials auf diesen aufwachsen können, und die Dicken dieser Schichten werden gemessen. Dies kann nachträglich mit Profilometern geschehen oder in situ und während des Prozesses mit Hilfe von Quarz-Schichtdickenmessungen erfolgen, sofern das gesputterte Material überhaupt abgeschieden werden kann. Dieses Verfahren sagt jedoch nichts über die Energie der gesputterten Partikel aus. Mit Hilfe von energieselektiven Massenspekrometern können im Prinzip die Richtung und die Energie bestimmt werden, jedoch sind diese Geräte sehr sperrig und teuer. Experimental investigations of sputtering processes are often restricted to the determination of the sputtering yield, since in this case only the mass decrease or decrease in the layer thickness of the irradiated material has to be determined. The determination of the directions in which the released particles leave the irradiated surface, and the energies that have the dissolved particles, however, is considerably more complex. For directional measurement, for example, substrates are applied in different directions over the irradiated surface to allow layers of the sputtered material to grow thereon, and the thicknesses of these layers are measured. This can be done later with profilometers or done in situ and during the process using quartz layer thickness measurements, as long as the sputtered material can be deposited at all. However, this method says nothing about the energy of the sputtered particles. With the help of energy-selective mass spectrometers, in principle the direction and the energy can be determined, but these devices are very bulky and expensive.

Wegen der experimentellen Unzulänglichkeiten werden daher oft Sputtermodelle verwendet, die mit Computern berechnet werden. Insbesondere im Energiebereich unterhalb von 1 keV sind diese Modelle jedoch nur bedingt zuverlässig, da benötigte Eingangsgrößen, wie z.B. die Oberflächenbindungsenergie, für viele Materialien nur ungenau bekannt sind. Eine Validierung der Computerprogramme zur Sputtersimulation ist daher sehr wünschenswert. Bisher erfolgt die Validierung aus den oben bereits genannten Gründen hauptsächlich in Form einer Überprüfung der Sputterausbeute. Oft werden die unbekannten Eingangsgrößen der Computerprogramme dahingehend ausgewählt, dass das Simulationsergebnis mit der experimentell ermittelten Sputterausbeute in Übereinstimmung kommt. Dieses Vorgehen ist aber nicht zuverlässig hinsichtlich der Richtungs- und Energieverteilungen der gesputterten Partikel, die eine weitergehende Überprüfung erfordern. Because of the experimental shortcomings, therefore, often sputter models are used, which are calculated with computers. However, especially in the energy range below 1 keV, these models are only conditionally reliable, since input quantities required, such as, for example, the surface binding energy, for many materials are only vaguely known. Validation of the computer programs for sputtering simulation is therefore very desirable. So far, the validation is done mainly for the reasons already mentioned above in the form of a review of the sputter yield. Often, the unknown input variables of the computer programs are selected so that the simulation result comes into agreement with the experimentally determined sputter yield. However, this procedure is not reliable in terms of the directional and energy distributions of the sputtered particles, which require further verification.

Abseits des Sputterns ist ganz grundsätzlich die Strahldiagnostik einer beliebigen Partikelstrahlenquelle von wissenschaftlichem und/oder technischem Interesse. Away from sputtering is quite fundamentally the beam diagnostics of any particle beam source of scientific and / or technical interest.

In der Druckschrift DE 44 44 647 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Impulse einzelner mikrometergroßer Partikel beschrieben. Dabei üben die Partikel bei ihrem Auftreffen auf ein Target jeweils einen Kraftstoß aus, der zu einem Auslenken und Zurückschwingen eines Biegebalkens führt. Es handelt sich hier also um ein Messprinzip, wie man es von ballistischen Pendeln kennt, welche zur Messung von Geschossgeschwindigkeiten verwendet werden. Die Messung der Auslenkungen erfolgt hierbei entweder mit einem Lichtzeiger in Verbindung mit einem positionsempfindlichen Detektor, ähnlich wie in Rasterkraftmikroskopen, mit Hilfe eines Nomarski-Interferometers oder mittels Messung des im Balken verursachten piezoresistiven Effekts. In the publication DE 44 44 647 A1 For example, an apparatus and method for measuring the pulses of individual micrometre-sized particles is described. In doing so, the particles exert a force impulse each time they strike a target, which leads to a deflection and swinging back of a bending beam. It is therefore a measuring principle, as known from ballistic pendulums, which are used to measure bullet speeds. The measurement of the deflections takes place here either with a light pointer in conjunction with a position-sensitive detector, similar to atomic force microscopes, using a Nomarski interferometer or by means of Measurement of the piezoresistive effect caused in the beam.

Weiterhin wird in der Druckschrift US 3,304,773 A eine Vorrichtung zur Messung von Impulsen von Mikrometeoriten, d.h. mikrometergroßer Partikel mit hoher Geschwindigkeit, beschrieben, bei dem piezoelektrische bimorphe Biegeelemente als Biegebalken und zugleich als Sensoren verwendet werden. Furthermore, in the document US 3,304,773 A a device for measuring pulses of micrometeorites, ie micrometer-sized particles at high speed, described, are used in the piezoelectric bimorph bending elements as a bending beam and at the same time as sensors.

Schließlich beschreibt die Druckschrift WO 01/93304 A1 eine Methode und ein Gerät zur Messung von Impulsen von Teilchen der Größe eines einzelnen Atoms bis zu einem Zehntel eines Mikrometers, welches einen Biegebalken mit einem festen und einem freien Ende verwendet. Hierbei wird die Auslenkung des Balkens ähnlich detektiert wie bei einem Rasterkraftmikroskop mittels Ablenkung eines Lichtstrahls an einem Spiegel, der an dem Balken befestigt ist, alternativ mittels Messung einer elektrischen Kapazität, die sich ähnlich wie bei kapazitiven Druckmessgeräten durch die mechanische Auslenkung verändert, oder auch mit Hilfe von elektrischen Schaltern. Finally, the document describes WO 01/93304 A1 a method and apparatus for measuring pulses of single atom sized particles up to one-tenth of a micrometer using a flexure beam having a fixed and a free end. In this case, the deflection of the beam is detected similarly as in an atomic force microscope by means of deflection of a light beam to a mirror which is attached to the beam, alternatively by measuring an electrical capacitance that varies similar to capacitive pressure gauges by the mechanical deflection, or with Help of electrical switches.

Aus der noch nicht veröffentlichten Druckschrift DE 10 2014 003 118.7 ist eine Messvorrichtung zur simultanen ortsgleichen Messung von Kräften geladener und ungeladener Teilchen und elektrischen Strömen bekannt, wobei die Messvorrichtung aus einem Stator und einem in diesem drehbar gelagerten Rotor besteht, wobei an dem Rotor mindestens eine Messfläche befestigt ist. Hierbei werden die senkrechte Kraftkomponente eines aus ungeladenen oder geladenen Teilchen bestehenden Partikelstrahls sowie die durch die geladenen Teilchen generierten elektrischen Ströme gemessen. From the not yet published publication DE 10 2014 003 118.7 a measuring device for the simultaneous simultaneous measurement of forces of charged and uncharged particles and electric currents is known, wherein the measuring device consists of a stator and a rotatably mounted in this rotor, wherein at least one measuring surface is fixed to the rotor. In this case, the vertical force component of a particle beam consisting of uncharged or charged particles and the electrical currents generated by the charged particles are measured.

Ferner ist die Interferometrie bekannt, bei der Interferenzen von eingestrahltem und reflektiertem Licht für Präzisionsmessungen, insbesondere für Längen- und/oder Abstandsmessungen in Bezug auf die verwendete Wellenlänge, genutzt werden. Furthermore, interferometry is known, in which interferences of radiated and reflected light are used for precision measurements, in particular for length and / or distance measurements with respect to the wavelength used.

Einsatzbereiche der Erfindung sind insbesondere die Forschung als auch die Entwicklung im Bereich der Plasma- und Ionenstrahltechnologie sowie von elektrischen Antrieben für die Raumfahrt. Ferner kann die Erfindung im Bereich der Sputtertechnologie und der Materialwissenschaften, wie z.B. der Oberflächentechnologie, genutzt werden, um insbesondere Sputterprozesse zu beobachten und quantitativ auszuwerten. Areas of application of the invention are, in particular, research and development in the field of plasma and ion beam technology, as well as of electrical drives for space travel. Furthermore, the invention may be used in the field of sputtering technology and materials science, such as e.g. Surface technology, can be used to observe particular sputtering processes and quantitatively evaluate.

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Kräfte eines Partikelstrahls, wenn dieser auf ein Target trifft, präziser als bisher im Stand der Technik möglich zu detektieren. Hierbei sollen insbesondere die Probleme von elektrischen, magnetischen und/oder elektromagnetischen Störungen eliminiert und die Durchführung der Messung vereinfacht werden, beispielsweise soll auf ein Nachführen des Partikelstrahls resp. des Targets verzichtet werden. In dieser Messung, bei der von sehr kleinen Kräften im Bereich von wenigen µN auf eine Fläche von wenigen cm² ausgegangen wird, ist es notwendig, eine äußerst präzise Messung vorzunehmen, wobei insbesondere der Messvorgang störungsfrei gegenüber elektrischen und elektromagnetischen Feldern sein muss. The technical object of the invention is to detect the forces of a particle beam when it hits a target more precisely than hitherto possible in the prior art. In this case, in particular, the problems of electrical, magnetic and / or electromagnetic interference are eliminated and the implementation of the measurement is simplified, for example, should be on a tracking of the particle beam resp. of the target are dispensed with. In this measurement, which is based on very small forces in the range of a few μN to an area of a few cm ² , it is necessary to make a very precise measurement, in particular, the measurement must be trouble-free against electrical and electromagnetic fields.

Zudem besteht die weitere technische und wenigstens gleichbedeutende Aufgabe darin eine Messvorrichtung sowie ein Messverfahren anzugeben, das zur energie-, material- und winkelabhängigen Diagnostik von Sputterprozessen dient, wobei der Kraftvektor hervorgerufen aus energiereichen einfallenden und gesputterten oder reflektierten ausfallenden Teilchen detektiert werden soll. In addition, the further technical and at least equivalent task is to provide a measuring device and a measuring method which is used for energy, material and angle-dependent diagnostics of sputtering processes, the force vector being caused to be detected from energy-rich incident and sputtered or reflected precipitating particles.

Eine weitere technische Aufgabe liegt in der Strahldiagnostik. Es soll mit Hilfe eines Anordnung und eines Verfahrens möglich sein, die Impulsverteilung im Partikelstrahl vektoriell zu bestimmen. Another technical task is the beam diagnostics. It should be possible with the aid of an arrangement and a method to vectorially determine the momentum distribution in the particle beam.

Eine ähnliche Aufgabe stellt sich bei der Druckmessung in Vakuumanlagen, wo kapazitive oder piezoelektrische Verfahren verwendet werden. Eine Übertragung auf den Bereich der Partikelstrahlvermessung ist jedoch keine Lösung der Aufgabe, da dort nur eine Komponente der Kraft und zwar die Komponente senkrecht zur Flächennormalen gemessen werden kann. Gleiches gilt auch für das Verfahren der genannten DE 10 2014 003 118.7 . A similar problem arises in pressure measurement in vacuum systems, where capacitive or piezoelectric methods are used. However, a transfer to the field of particle beam measurement is not a solution to the problem since only one component of the force, namely the component, can be measured perpendicular to the surface normal. The same applies to the method of said DE 10 2014 003 118.7 ,

Gelöst werden diese Aufgaben anordnungsgemäß durch die Merkmalskombinationen gemäß Hauptanspruch sowie verfahrensgemäß durch die Merkmalskombination gemäß dem nebengeordneten Anspruch. These objects are achieved according to the order by the feature combinations according to the main claim and according to the method by the feature combination according to the independent claim.

Die Partikelstrahl-Kraftmessvorrichtung weist eine Messanordnung auf mit wenigstens einem einseitig innerhalb der Messanordnung gelagerten oder eingespannten Biegebalken mit einem freien Ende; einem Target am freien Ende des Biegebalkens, wobei das Target von dem Partikelstrahl einseitig beschossen werden kann, wenigstens zwei Interferometersensoroptiken oder Beleuchtungsfasern zur Lichtleitung für eine wenigstens zweiachsige, interferometrische Abstandsmessung, ausgerichtet auf wenigstens zwei Spiegel / Spiegelflächenabschnitte, wobei diese auf dem Biegebalken zwischen dem gelagerten oder eingespannten und dem freien Ende des Biegebalkens fest angeordnet sind und die Normalenvektoren im Bereich der interferometrisch wirksamen Bereiche der Spiegelflächen oder der Spiegelflächenabschnitte orthogonal auf dem Biegebalken und nicht parallel zueinander ausgerichtet sind; und einer Mess- und Auswerteeinrichtung zur interferometrischen vektoriellen Kraftmessung durch Messung und Auswertung einer Verbiegung des Biegebalkens anhand der Spiegel / Spiegelflächenabschnitte. The particle beam force measuring device has a measuring arrangement with at least one cantilever beam mounted or clamped on one side within the measuring arrangement and having a free end; a target at the free end of the bending beam, wherein the target of the particle beam can be bombarded on one side, at least two interferometer sensor optics or illumination fibers for light conduction for an at least two-axis, interferometric distance measurement, aligned on at least two mirror / mirror surface portions, wherein these on the bending beam between the stored or clamped and fixed to the free end of the bending beam and the normal vectors are aligned in the region of the interferometric effective areas of the mirror surfaces or the mirror surface portions orthogonal to the bending beam and not parallel to each other; and a measuring and evaluation device for interferometric vectorial force measurement by measuring and evaluating a bending of the bending beam on the basis of the mirror / mirror surface sections.

Es sollen daher mittels einer wenigstens zweiachsigen Messung wenigstens zwei Komponenten eines Kraftvektors detektiert werden. Die Kraftmessung basiert dabei auf einer direkten Messung der Verbiegung des Biegebalkens durch die am Target angreifende Kraft infolge des auftreffenden Partikelstrahls. Die Verbiegung wird mit hoher Abtastfrequenz (größer kHz) kontinuierlich interferometrisch bestimmt. It is therefore intended to detect at least two components of a force vector by means of at least biaxial measurement. The force measurement is based on a direct measurement of the bending of the bending beam by the force acting on the target due to the impinging particle beam. The bending is determined continuously interferometrically with a high sampling frequency (greater than kHz).

Es ist von ganz besonderem Vorteil, dass die wenigstens zwei Kraftkomponenten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichzeitig – oder auch: simultan – bestimmbar sind. It is of very particular advantage that the at least two force components can be determined simultaneously with the device according to the invention or simultaneously.

Insbesondere ist es nunmehr erstmalig aufgrund der Zweiachsigkeit der Messung möglich, kombiniert mit der Präzision eines Interferometers, eine neue Art der Untersuchung von Sputtereffekten durchzuführen. Es können nunmehr Kraftmessungen bzgl. Sputtereffekten auf einem Target, einem Sputtertarget, energie-, material- und winkelabhängig durchgeführt werden. In particular, it is now possible for the first time due to the biaxiality of the measurement, combined with the precision of an interferometer, to perform a new way of examining sputtering effects. It is now possible to carry out force measurements with respect to sputter effects on a target, a sputtering target, energy, material and angle.

Durch diese Merkmalskombination ist es möglich, die vektorielle Kraft, die durch einen Partikelstrahl auf eine Oberfläche eines Targets ausgeübt wird, zu messen, wobei die optische Sensorik frei von elektromagnetischen Einflüssen ist und über ein sehr hohes Auflösungsvermögen verfügt. Es können sehr kleine Kräfte im Bereich weniger µN, die auf die Oberfläche des Targets durch den Partikelstrahl ausgeübt werden, detektiert und ausgewertet werden. Die erfindungsgemäße Interferometer-Kraftmessvorrichtung weist im experimentellen Laboraufbau derzeit eine Genauigkeit kleiner als 1 µN auf. By this feature combination, it is possible to measure the vectorial force exerted by a particle beam on a surface of a target, wherein the optical sensor system is free from electromagnetic influences and has a very high resolution. Very small forces in the range of a few μN, which are exerted on the surface of the target by the particle beam, can be detected and evaluated. The interferometer force measuring device according to the invention currently has an accuracy of less than 1 μN in experimental laboratory setup.

Die Interferometer-Kraftmessvorrichtung ist als Ganzes relativ robust, da sie weder durch elektrische Ströme, elektromagnetische Felder, beispielsweise Hochfrequenzendladungen oder Mikrowellen, noch durch magnetische Felder gestört bzw. beeinflusst werden kann. Sogar kleinere Stöße stören die Vorrichtung nicht nachhaltig, solange der Biegebalken selbst keinen Schaden nimmt. Das kleine Target am Biegebalken ist die empfindlichste Stelle der Apparatur, und sie widersteht einem Kraftimpuls bis zu etwa 1000 µN auf jeden Fall unbeschadet. The interferometer force measuring device as a whole is relatively robust, since it can not be disturbed by electric currents, electromagnetic fields, for example high-frequency discharge charges or microwaves, nor by magnetic fields. Even minor impacts do not disturb the device sustainably, as long as the bending beam itself is not damaged. The small target on the bending beam is the most sensitive part of the apparatus, and in any case withstands a force impulse of up to about 1000 μN unscathed.

Aufgrund der Lichtwellenlänge des Interferometers im Bereich von beispielsweise 1 µm sind Auslenkungen des Biegebalkens der Größenordnung 1 µm und sogar darunter detektierbar. Due to the wavelength of the interferometer in the range of, for example, 1 μm, deflections of the bending beam of the order of magnitude of 1 μm and even below are detectable.

Insbesondere ist durch die Nutzung von zwei voneinander unabhängigen Interferometern auch die Detektion von kraftbedingten Bewegungen des Targets entlang beliebiger Richtungen in der Einfallsebene des Partikelstrahls senkrecht zum Biegebalken miterfasst. Unabhängig vom Auftreffen des Strahls ist somit eine richtungsunabhängige Messung möglich. In particular, by the use of two independent interferometers and the detection of force-induced movements of the target along any direction in the plane of incidence of the particle beam perpendicular to the bending beam miterfasst. Regardless of the impact of the beam thus a direction-independent measurement is possible.

Durch die simultane zweiachsige Messung ist auch eine vektorielle Detektierung von Impulsverteilungen in einem Partikelstrahl möglich. Simultaneous biaxial measurement also enables vectorial detection of momentum distributions in a particle beam.

Die zweiachsige Kraftmessung ist nun in der Lage durch axiale und radiale Messung das Vektorfeld der Kräfte im Strahl aufzuzeichnen. Die Kenntnis eines solchen Vektorfeldes kann bei der Optimierung von Strahlquellen helfen. The biaxial force measurement is now able to record the vector field of the forces in the beam by axial and radial measurement. The knowledge of such a vector field can help to optimize beam sources.

Ferner ist die Interferometer-Kraftmessvorrichtung vom Schwerkraftvektor richtungsunabhängig, da die Schwerkraft das Target lediglich konstant in seiner Gleichgewichtslage verändert. Furthermore, the interferometer force measuring device is direction independent of the gravity vector, since gravity only constantly changes the target in its equilibrium position.

Die Ruhelage des Targets kann jederzeit ohne Partikelstrahl kalibriert werden, was aber oftmals gar nicht nötig erscheint bzw. zumindest nicht oft wiederholt werden muss. The rest position of the target can be calibrated at any time without particle beam, which often does not seem necessary or at least does not have to be repeated often.

Die Kalibrierung der Partikelstrahl-Kraftmessvorrichtung erfolgt mittels feinster Kalibriergewichte, wobei die Kalibriergewichte, beispielsweise µg-Gewichte oder beispielsweise kleinste Drahtgewichte, auf das Target aufgelegt werden und sich eine detektierbare Verbiegung des Biegebalkens aufgrund der Schwerkraft einstellt. Dabei zeigt sich, dass im hier interessierenden Kraftbereich eine exzellente Linearität zwischen Kraft und Auslenkung des Biegebalkens besteht. Mittels dieser sehr einfachen Art der Kalibrierung kann daher einfach über den Dreisatz die Verbiegung des Biegebalkens in eine Kraft umgerechnet werden. Anders gesagt sind Auslenkung und Kraft schlicht proportional und die Proportionalitätskonstante, auch als Federkonstante bezeichnet, ist unmittelbar aus einer solchen Wägung zu bestimmen. Die Kalibrierung durch die Wägung ist in der Regel nur einmal in Ruhelage notwendig. The calibration of the particle beam force measuring device is carried out by means of finest calibration weights, the calibration weights, for example μg weights or for example the smallest wire weights, are placed on the target and sets a detectable bending of the bending beam due to gravity. It shows that there is an excellent linearity between force and deflection of the bending beam in the force range of interest here. By means of this very simple type of calibration, therefore, the bending of the bending beam can be simply converted into a force via the rule of three. In other words, the deflection and the force are simply proportional, and the proportionality constant, also called the spring constant, can be determined directly from such a weighing. Calibration by weighing is usually only necessary once at rest.

Es ist an dieser Stelle hervorzuheben, dass die Einfachheit der Kalibrierung durch die Verwendung vorgefertigter und geeichter Gewichte schon für sich genommen eine sehr vorteilhafte Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist. Beispielsweise kann die eingangs erwähnte galvanometrische Kraftsonde keineswegs so leicht kalibriert werden, da diese ihre Ruhelage ohne Bestromung typisch unter Schwerkraftwirkung derart findet, dass das Target nach unten hängt und nicht mit Gewichten belegt werden kann. Man müsste also zuerst einen definierten Strom vorgeben, der das Target in die Horizontale bringt, um eine Wägung durchzuführen. Der Kalibrieraufwand wäre erheblich höher und müsste zudem immer wiederholt werden, sobald die Vorrichtung nur geringfügig bewegt bzw. verdreht worden ist. It should be emphasized at this point that the simplicity of the calibration by the use of prefabricated and calibrated weights in itself is a very advantageous feature of the device according to the invention. For example, the galvanometric force probe mentioned at the outset can by no means be calibrated so easily, since it finds its rest position without energization, typically under the effect of gravity, in such a way that the target hangs downwards and can not be weighted. So you would first have to specify a defined current that brings the target in the horizontal to perform a weighing. Of the Calibration would be considerably higher and would also always be repeated as soon as the device has been only slightly moved or rotated.

Ein möglicher Offset durch die Sonde an sich oder durch eine Verdrehung spielt bei der Erfindung keine Rolle, da es sich um eine Differenzmessung handelt. Die interferometrische Messung wird quasi zu Beginn der Messung auf Null gesetzt, und anschließend erfolgt die Messung. Oder anders gesagt reicht es aus, den Zeitverlauf der interferometrisch gemessenen Abstände der am Biegebalken befestigten und von den Interferometersensoroptiken oder Beleuchtungsfasern bestrahlten und in diese zurückspiegelnden – i. F. auch als interferometrisch wirksam bezeichneten – Spiegelflächen zu den Interferometersensoroptiken oder Beleuchtungsfaserenden zu beobachten oder aufzuzeichnen und den Zeitpunkt des Auftreffens des Partikelstrahls auf das Target zu kennen, um hiernach den Verbiegungseffekt aufgrund der Krafteinwirkung des Partikelstrahls aus der Änderung der Abstandsmessungen abzulesen. A possible offset by the probe itself or by a rotation plays no role in the invention, since it is a differential measurement. The interferometric measurement is quasi set to zero at the beginning of the measurement, and then the measurement is carried out. In other words, it is sufficient to measure the time course of the interferometrically measured distances between the beams attached to the bending beams and irradiated by the interferometer sensor optics or illumination fibers and reflected back into them. F. Also referred to as interferometrically effective - to observe or record mirror surfaces to the interferometer sensor optics or illumination fiber ends and to know the time of impact of the particle beam on the target to read the bending effect due to the force of the particle beam from the change in the distance measurements hereafter.

Der exemplarisch verwendete Biegebalken besteht aus einer Keramik mit hohlem, rundem Querschnitt (Hohlzylinder) und weist bei einer Länge von ca. 200 mm eine Linearität auf, die eine Messung bis in den Bereich von 1 mN zulässt. Eine Verbiegung dieses beispielhaften Biegebalkens von ca. 1 mm auf Höhe der angeordneten Spiegel bedeutet eine Krafteinwirkung auf das Target von etwa 1 mN. The bending beam used as an example consists of a ceramic with a hollow, round cross-section (hollow cylinder) and has a length of about 200 mm, a linearity that allows a measurement in the range of 1 mN. A deflection of this exemplary bending beam of about 1 mm at the level of the arranged mirrors means a force on the target of about 1 mN.

Das neue Verfahren bietet eine höhere als bisher mögliche Auflösung und Abtastfrequenz, ermöglicht insbesondere die simultane Messung von zwei Komponenten des Kraftvektors und ist in Form einer kompakten und robusten Sonde realisierbar. Hierdurch ist eine zweidimensionale Projektion des Kraftvektors erstmalig möglich. The new method offers a higher resolution and sampling frequency than previously possible, in particular allows the simultaneous measurement of two components of the force vector and can be realized in the form of a compact and robust probe. This makes a two-dimensional projection of the force vector possible for the first time.

Als mögliche Anwendungsgebiete der Interferometer-Kraftmessvorrichtung sind insbesondere zu sehen:

– Untersuchung von Zerstäubungsphänomenen (Sputtern),
– Untersuchung von Plasmarandschichten,
– Diagnostik für/an industriellen Ionenstrahlquellen,
– Diagnostik für/an elektrischen Antrieben in der Raumfahrt,
– Messung von Materialeigenschaften für die Berechnung von Drag-Koeffizienten von Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen (z.B. resultierende Kraftvektoren verschiedener Anstellwinkel, also bspw. der einzelnen Teilflächen der zusammengesetzten Satellitenoberfläche), wobei diese Aufzählung nicht abschließend sein dürfte.

Possible fields of application of the interferometer force measuring device are in particular:

- investigation of sputtering phenomena (sputtering),
- investigation of plasma sand layers,
- diagnostics for / on industrial ion beam sources,
- diagnostics for / on electric drives in space travel,
- Measurement of material properties for the calculation of drag coefficients of satellites in low orbits (eg resulting force vectors of different angles of attack, ie, for example, the individual faces of the composite satellite surface), this list should not be conclusive.

Die wenigstens eine Spiegelfläche mit den wenigstens zwei Spiegelflächenabschnitten ist bevorzugt als zylindrische bzw. elliptische, konvexe und oberflächlich spiegelnde Fläche ausgestaltet. Die wenigstens zwei Spiegel sind bevorzugt als plane Spiegel, Planspiegel ausgestaltet. Die spiegelnde Fläche kann zudem als reflektierende Oberfläche, beispielsweise eine Metalloberfläche ausgebildet sein. Die zwei Spiegel bzw. Spiegelflächenabschnitte sind in einer bevorzugten Ausgestaltung in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. The at least one mirror surface with the at least two mirror surface sections is preferably designed as a cylindrical or elliptical, convex and superficially reflecting surface. The at least two mirrors are preferably designed as plane mirrors, plane mirrors. The reflective surface may also be formed as a reflective surface, such as a metal surface. The two mirrors or mirror surface sections are arranged in a preferred embodiment at an angle of 90 ° to each other.

Der Biegebalken ist vorzugsweise aus einer Keramik, insbesondere mit rundem Querschnitt, gebildet. Der Biegebalken kann als Vollzylinder oder Hohlzylinder ausgestaltet werden, wobei in der bevorzugten Ausgestaltung als Hohlzylinder der Biegebalken eine Länge von ca. 100 bis 300 mm, insbesondere 200 mm aufweist und einen Außendurchmesser von 0,5 bis 1,5 mm, insbesondere 0,5 bis 1,0 mm und einen Innendurchmesser von 0,2 bis 1,0 mm hat. Zudem kann der Biegebalken auch aus einem Glas oder einem anderen Material mit entsprechenden Eigenschaften, nämlich nicht leitend, nicht flexibel und somit starr und nicht plastisch verformbar, gebildet werden. Bevorzugt weist der Biegebalken einen kreisrunden Querschnitt auf, wodurch dann die Elastizität in alle Richtungen gleich groß ist und somit zu einer leichteren Berechnung und Kalibrierung führt. Ferner ist der Biegebalken, wenn er aus einer Keramik gefertigt ist, insbesondere hitzebeständig bei Temperaturen um die 800°C, so dass die entsprechenden Partikelstrahlen den Biegebalken nicht temperaturmäßig beeinflussen können. The bending beam is preferably formed of a ceramic, in particular with a round cross section. The bending beam can be configured as a solid cylinder or hollow cylinder, wherein in the preferred embodiment as a hollow cylinder of the bending beam has a length of about 100 to 300 mm, in particular 200 mm and an outer diameter of 0.5 to 1.5 mm, in particular 0.5 to 1.0 mm and an inner diameter of 0.2 to 1.0 mm. In addition, the bending beam can also be made of a glass or other material with corresponding properties, namely non-conductive, not flexible and thus rigid and not plastically deformable. Preferably, the bending beam on a circular cross-section, whereby then the elasticity in all directions is the same size and thus leads to an easier calculation and calibration. Furthermore, the bending beam, if it is made of a ceramic, in particular heat-resistant at temperatures around 800 ° C, so that the corresponding particle beams can not influence the bending beam temperature.

Bei Ausgestaltung des Biegebalkens als Hohlzylinder besteht zudem die Möglichkeit einen Draht durch den Hohlraum bis zum Target durchzuführen, um auf diese Art und Weise elektrische Messungen im Targetbereich tätigen zu können. In the design of the bending beam as a hollow cylinder is also possible to perform a wire through the cavity to the target in order to be able to make electrical measurements in the target area in this way.

Das Target kann aus verschiedenen Materialien, z.B. einem Metall oder einer Legierung, Keramik oder einem Kunststoff gefertigt werden. In einer Ausgestaltung besteht das Target aus Kupfer. Bei Sputterexperimenten werden entsprechende Elementmetalle als Target verwendet. The target may be made of different materials, e.g. made of a metal or an alloy, ceramic or a plastic. In one embodiment, the target is copper. In sputtering experiments, corresponding element metals are used as target.

Die Verbindung zwischen Target und Biegebalken ist als eine Klemmverbindung ausgebildet. Bei Verwendung nur eines Biegebalkens ist eine feste Verbindung zwischen Biegebalken und Target erwünscht, wohingegen bei Verwendung dreier Biegebalken, wie bspw. einer Hexapod-Ausgestaltung (siehe weiter unten) eine flexible und verschiebbare Verbindung notwendig ist, so dass sämtliche Freiheitsgrade detektierbar werden. The connection between the target and the bending beam is designed as a clamping connection. When using only one bending beam a firm connection between bending beam and target is desired, whereas when using three bending beam, such as. A hexapod configuration (see below) a flexible and movable connection is necessary so that all degrees of freedom are detected.

Anstelle eines ebenen Targets kann auch ein kugelförmiges Target mit vergleichbarem Radius eingesetzt werden. Diese Ausführung hat den Vorteil, sich für alle Richtungen des einfallenden Partikelstrahls gleich zu verhalten. Für die Diagnostik von Triebwerksstrahlen elektrischer Antriebe der Raumfahrt entfällt damit eine Ausrichtung zur Strahlrichtung. Die Targetkugel kann wie im Fall eines ebenen Targets aus beliebigem Material, insbesondere Kupfer, gefertigt werden. Es wird dabei auch vorgeschlagen, das kugelförmige Target als Hohlkugel auszugestalten, um das Eigengewicht bzw. die träge Masse des Targets gering zu halten. Instead of a planar target, a spherical target with a comparable radius can also be used. This design has the advantage of being suitable for all directions of the incident Behave particle beam equal. For the diagnostics of jet engines of electric propulsion systems of aerospace, an alignment with the beam direction is eliminated. The target ball can be made of any material, in particular copper, as in the case of a flat target. It is also proposed to design the spherical target as a hollow sphere in order to keep the dead weight or the inert mass of the target low.

Es ist insbesondere ein Fabry-Pérot-Interferometer mit modulierter Wellenlänge zur interferometrischen Kraftmessung vorgesehen. Es wurde erkannt, dass ein Fabry-Pérot-Interferometer mit modulierter Wellenlänge besonders gut für die Messaufgabe geeignet ist, weil damit die Bewegungsrichtung des Targets eindeutig bestimmt ist und die Auflösung gleichbleibend ist. Dazu wird das Licht für die interferometrische Messung in dessen Wellenlänge zeitlich variiert. Ein derartiges Frequenzmodulationsverfahren ist bspw. aus der Druckschrift EP 2 045 572 A1 bekannt. In particular, a modulated wavelength Fabry-Pérot interferometer is provided for interferometric force measurement. It has been recognized that a Fabry-Pérot interferometer with modulated wavelength is particularly well suited for the measurement task, because it clearly determines the direction of movement of the target and the resolution is constant. For this purpose, the light for the interferometric measurement is temporally varied in its wavelength. Such a frequency modulation method is, for example, from the document EP 2 045 572 A1 known.

Der Targetbereich kann vom Spiegel-tragenden Bereich des Biegebalkens, der der interferometrischen Messung dient, durch eine Blende separiert sein, was verhindert, dass die optischen Komponenten durch z.B. Sputtern oder Materialabscheidungen erodiert oder kontaminiert werden. Die Kraftmessvorrichtung wird üblicherweise in einem Gehäuse angeordnet. Hierbei wird ebenfalls üblicherweise die Kraftmessvorrichtung in einem Vakuum betrieben. The target area may be separated from the mirror-bearing area of the bending beam, which serves for the interferometric measurement, by a shutter, which prevents the optical components from being blocked by e.g. Sputtering or material depositions are eroded or contaminated. The force measuring device is usually arranged in a housing. Here, too, usually the force measuring device is operated in a vacuum.

In einer besonderen Ausgestaltung sind genau drei Biegebalken mit einem Target verbunden. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist es besonders bevorzugt, wenn zu jedem der drei Biegebalken wenigstens zwei Interferometersensoroptiken oder Beleuchtungsfasern zur Lichtleitung für die interferometrische Messung vorgesehen sind, wobei diese auf wenigstens pro Biegebalken jeweils zwei Spiegel / Spiegelflächenabschnitte ausgerichtet und wobei diese auf jedem Biegebalken zwischen dem gelagerten oder eingespannten und dem freien Ende des Biegebalkens fest angeordnet und weiter die Normalenvektoren im Bereich der interferometrisch wirksamen Bereiche der Spiegelflächen oder der Spiegelflächenabschnitte orthogonal auf dem Biegebalken und nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. In a particular embodiment, exactly three bending beams are connected to a target. In such an embodiment, it is particularly preferred if at least two interferometer sensor optics or illumination fibers are provided for each of the three bending beams for the interferometric measurement, wherein these are aligned at least per each bending beam two mirror / mirror surface sections and these on each bending beam between the stored or clamped and fixed to the free end of the bending beam and further the normal vectors in the region of the interferometrically effective areas of the mirror surfaces or the mirror surface portions are orthogonal on the bending beam and not aligned parallel to each other.

Das interferometrische Partikelstrahl-Kraftmessverfahren, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung, weist die Schritte auf:

– Einstrahlen eines Partikelstrahls auf ein an wenigstens einem Biegebalken angeordnetes Target;
– Interferometrisches Messen der Verbiegung des wenigstens einen Biegebalkens zeitgleich entlang wenigstens zweier nicht paralleler Richtungen senkrecht zum Biegebalken;
– Bestimmen der durch das Einstrahlen des Partikelstrahls auf das Target ausgeübten vektoriellen Kraft aus der Verbiegung des wenigstens einen Biegebalkens mittels einer zuvor durch Kalibration ermittelten Federkonstante.

The interferometric particle beam force measuring method, in particular with a force measuring device according to the invention, has the steps:

- Injection of a particle beam to a arranged on at least one bending beam target;
- Interferometrisches measuring the bending of the at least one bending beam at the same time along at least two non-parallel directions perpendicular to the bending beam;
Determining the vectorial force exerted on the target by the irradiation of the particle beam from the bending of the at least one bending beam by means of a spring constant previously determined by calibration.

Mittels dieses Verfahrens ist es möglich, mikro- bis hin zu nanoskalige Auslenkungen bzw. Bewegungen des Biegebalken im Bereich der Anordnung der Spiegelflächen zu detektieren und daraus die Kräfte hervorgerufen durch auf das Target auftreffende Teilchen eines Partikelstrahls zu bestimmen. By means of this method, it is possible to detect micro- to nanoscale deflections or movements of the bending beam in the region of the arrangement of the mirror surfaces and to determine therefrom the forces caused by particles of a particle beam impinging on the target.

Die Kalibration erfolgt durch eine Wägung im Schwerefeld mit geeichten Gewichten, die auf das Target gelegt werden. Calibration is performed by weighing in the gravitational field with calibrated weights placed on the target.

Das Einstrahlen des Partikelstrahls auf das Target erfolgt oft durch Einführen des Targets in den Partikelstrahl. Hierdurch ist beispielsweise ein Verfahren als auch eine entsprechende Anordnung denkbar, die es beispielsweise ermöglicht, an einen vorhandenen Antrieb eines Raumfahrzeuges eine entsprechende Anordnung anzubauen und zu Testzwecken das Target in den Partikelstrahl des Raumfahrzeugantriebes einzuführen, um auf diese Weise eine Kraftmessung vornehmen zu können. Hierzu kann die Biegebalkentargetanordnung entsprechend verfahrbar und/oder verschwenkbar an dem Raumfahrzeug und dergleichen angeordnet sein. The irradiation of the particle beam onto the target often takes place by introducing the target into the particle beam. As a result, a method as well as a corresponding arrangement is conceivable, for example, which makes it possible to install an appropriate arrangement on an existing drive of a spacecraft and to introduce the target into the particle beam of the spacecraft drive for test purposes in order to be able to perform a force measurement in this way. For this purpose, the bending beam target arrangement can be correspondingly arranged to be movable and / or pivotable on the spacecraft and the like.

Insbesondere wird auf die weiteren Ausführungen im Folgenden hingewiesen, woraus sich weitere spezielle Ausgestaltungen und Details ergeben. In particular, reference is made to the further statements below, resulting in further special refinements and details.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben. Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

Darin zeigen: Show:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung mit zwei planen Spiegeln auf einem Spiegelträger und zu den jeweiligen planen Spiegeln zugehörige Interferometersensoroptik; 1 a schematic representation of a first embodiment of the interferometer force measuring device according to the invention with two plane mirrors on a mirror support and the respective plane mirrors associated interferometer sensor optics;

2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung mit zwei planen Spiegeln auf einem Spiegelträger und zu den jeweiligen planen Spiegeln zugehörige optische Fasern / Lichtwellenleiter mit plangeschliffenen Faserenden; 2 a schematic representation of a second embodiment of the interferometer force measuring device according to the invention with two plane mirrors on a mirror support and associated with the respective planar mirrors optical fibers / optical fibers with ground plane fiber ends;

3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung mit drei planen Spiegeln auf einem Spiegelträger und zu den jeweiligen planen Spiegeln zugehörige Interferometersensoroptik; 3 a schematic representation of a third embodiment of the invention Interferometer force measuring device with three plane mirrors on a mirror carrier and associated with the respective plane mirrors interferometer sensor optics;

4 eine schematische Darstellung des einseitig eingespannten Biegebalkens mit dem daran angeordneten Target in einer Seitenansicht; 4 a schematic representation of the cantilevered cantilever beam with the target disposed thereon in a side view;

5 eine schematische Darstellung des Biegebalkens mit dem daran angeordneten Target in einer rückwärtigen Draufsicht; 5 a schematic representation of the bending beam with the target disposed thereon in a rear plan view;

6 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung mit drei Biegebalken und jeweils zwei an den jeweiligen Biegebalken vorgesehenen Spiegeln mit dazugehörigen Interferometersensoroptik (Hexapod-Ausgestaltung); 6 a schematic representation of a fourth embodiment of the interferometer force measuring device according to the invention with three bending beams and two each provided on the respective bending beam mirrors with associated interferometer sensor optics (hexapod embodiment);

7 eine Detaildarstellung des Targetbereiches aus 6 mit den drei Biegebalken; 7 a detailed representation of the target area 6 with the three bending beams;

8 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit einer Kraftmessvorrichtung gemäß 1 in einer ersten geöffneten Ansicht; 8th a schematic representation of a measuring arrangement with a force measuring device according to 1 in a first open view;

9 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit einer Kraftmessvorrichtung gemäß 1 in einer zweiten geöffneten Ansicht; 9 a schematic representation of a measuring arrangement with a force measuring device according to 1 in a second open view;

10 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit einer Kraftmessvorrichtung gemäß 1 in einer geschlossenen Darstellung; 10 a schematic representation of a measuring arrangement with a force measuring device according to 1 in a closed presentation;

11 eine gleichzeitige Messung eines Partikelstrahls mit einer im Stand der Technik bekannten galvanometrischen und einer neuartigen interferometrischen Sonde; 11 a simultaneous measurement of a particle beam with a known in the art galvanometric and a novel interferometric probe;

12 einen Linearitätstest der Kraftmesssonde und 12 a linearity test of the force probe and

13 einen zeitlichen Verlauf der interferometrisch gemessenen Auslenkungen beider Achsen beim Ein- und Ausschalten des Ionenstrahls. 13 a time course of the interferometrically measured deflections of both axes when switching on and off of the ion beam.

Im Folgenden werden die Figuren einzeln und detailliert beschrieben und erläutert: In the following the figures are described individually and in detail and explained:

In 1 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 mit zwei planen Spiegeln 61, 62 auf einem Spiegelträger 60 und zu den jeweiligen planen Spiegeln 61, 62 zugehörige Interferometersensoroptiken 71, 72 gezeigt. In 1 is a schematic representation of a first embodiment of the interferometer force measuring device according to the invention 1 with two plan mirrors 61 . 62 on a mirror carrier 60 and to the respective plan mirrors 61 . 62 associated interferometer sensor optics 71 . 72 shown.

Die Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 weist einen Biegebalken 2 auf, der in einer zylindrischen Biegebalkenhalterung 3 mit einer Biegebalkenaufnahme 31 angeordnet und einseitig gelagert ist, wobei die Lagerung keine Drehung und kein Verschieben zulässt. Der Biegebalken ist somit einseitig eingespannt. Am freien Ende des Biegebalkens 2 ist ein Target 5 angeordnet. The interferometer force measuring device 1 has a bending beam 2 up in a cylindrical bending beam mount 3 with a bending beam holder 31 arranged and mounted on one side, wherein the storage does not allow rotation and no displacement. The bending beam is thus clamped on one side. At the free end of the bending beam 2 is a target 5 arranged.

Der Biegebalken 2 besteht aus einer Keramik und ist als Keramikröhrchen ausgebildet. Der Biegebalken 2 hat einen Außendurchmesser von 0,5 bis 1,5 mm, insbesondere 0,6 bis 1,0 mm sowie einen entsprechenden Innendurchmesser im Bereich von 0,2 bis 1.0 mm, da der Biegebalken aus einer innen hohl ausgebildeten Keramik besteht. Die Länge des Biegebalkens 2 liegt im Bereich von 100 bis 300 mm, bevorzugt ca. 200 mm. The bending beam 2 consists of a ceramic and is designed as a ceramic tube. The bending beam 2 has an outer diameter of 0.5 to 1.5 mm, in particular 0.6 to 1.0 mm and a corresponding inner diameter in the range of 0.2 to 1.0 mm, since the bending beam consists of an internally hollow ceramic. The length of the bending beam 2 is in the range of 100 to 300 mm, preferably about 200 mm.

Das Target 5 ist aus einem beliebigen Material gefertigt, bevorzugt wird Kupfermaterial verwendet. Das Target 5 ist als ebenes Plättchen ausgebildet und hat eine Fläche von wenigen cm². The target 5 is made of any material, preferably copper material is used. The target 5 is designed as a flat plate and has an area of a few cm ² .

Auf dem Biegebalken 2 ist ein Spiegelträger 60 angeordnet, der in diesem Ausführungsbeispiel einen dreieckigen Querschnitt aufweist und eine zueinander rechtwinklige Anordnung wenigstens zweier Spiegel 61, 62 ermöglicht. On the bending beam 2 is a mirror carrier 60 arranged, which in this embodiment has a triangular cross section and a mutually perpendicular arrangement of at least two mirrors 61 . 62 allows.

An zwei Flächen des Spiegelträgers 60 sind ein erster 61 bzw. ein zweiter planer Spiegel 62 angeordnet, wobei die Flächennormalenvektoren von 61, 62 senkrecht auf dem Biegebalken 2 stehen und deren Flächennormalenvektoren in einem Winkel von 90°, zumindest jedoch ungleich 0°, zueinander ausgerichtet bzw. angeordnet sind. On two surfaces of the mirror carrier 60 are a first 61 or a second plane mirror 62 arranged, wherein the surface normal vectors of 61 . 62 perpendicular to the bending beam 2 stand and their surface normal vectors at an angle of 90 °, but at least not equal to 0 °, aligned or arranged to each other.

Zugehörig zu den jeweiligen planen Spiegeln 61, 62 ist jeweils eine Interferometersensoroptik 71, 72 vorgesehen und entsprechend auf den jeweiligen Spiegel 61, 62 ausgerichtet und justiert. Die Interferometersensoroptik 71, 72 umfasst eine Kollimatoroptik zum Bündeln des Lichtes, dass von einem Lichtwellenleiter (nicht dargestellt) durch die Linse in Richtung des planen Spiegels ausgesendet bzw. nach der Reflektion am Spiegel 61, 62 aufgefangen wird. Ferner sind, hier nicht dargestellt, zu den Interferometersensoroptiken 71, 72 jeweils zugehörige Lichtwellenleiter/optische Fasern als Zu- und Rückleitungen für das Licht, das für die Interferenz notwendig ist, vorgesehen. Ferner, ebenfalls nicht dargestellt, sind für die Interferenzmessung notwendige Lichtquellen und Auswerteeinheiten zugehörig. Belonging to the respective plan mirrors 61 . 62 is in each case an interferometer sensor optics 71 . 72 provided and according to the respective mirror 61 . 62 aligned and adjusted. The interferometer sensor optics 71 . 72 comprises a collimator optics for focusing the light emitted by an optical waveguide (not shown) through the lens in the direction of the plane mirror or after reflection at the mirror 61 . 62 is caught. Further, not shown here, to the interferometer sensor optics 71 . 72 each associated optical fiber / optical fibers as supply and return lines for the light, which is necessary for the interference provided. Further, also not shown, necessary for the interference measurement light sources and evaluation are associated.

Der Spiegelträger 60 mit den planen Spiegel 61, 62 zusammen mit der Interferometersensoroptik 71, 72 bilden die optische Sensorik 6. The mirror carrier 60 with the plane mirror 61 . 62 together with the interferometer sensor optics 71 . 72 form the optical sensors 6 ,

Zwischen der optischen Sensorik 6 und dem Target 5 ist eine Blende 4 mit einer Durchführung 41 für den Biegebalken 2 vorgesehen. Diese Blende 4 dient dazu, die optische Sensorik 6 von dem Targetbereich zu trennen und vor dem Plasma bzw. den Ionen zu schützen. Between the optical sensors 6 and the target 5 is a blind 4 with a passage 41 for the bending beam 2 intended. This aperture 4 serves to the optical sensor 6 of the Separate target area and protect against the plasma or the ions.

Die Messung erfolgt in der Art, dass das Target 5 mit einem Partikelstrahl aus einer nicht dargestellten und im Übrigen beliebigen Ionen-/Atom-/Plasmastrahlquelle angestrahlt wird und sich der Biegebalken 2 in Strahlrichtung verbiegt, wobei die Verbiegung über die interferometrische Messung detektiert wird. Während des Messvorganges werden Auslenkungen über das interferometrische Messverfahren schon im Bereich von deutlich weniger als 1 µm erkannt. Das Interferometer kann prinzipiell Verschiebungen deutlich unterhalb einer Wellenlänge also im Bereich von Nanometern, detektieren. The measurement is done in the way that the target 5 is irradiated with a particle beam from a not shown and incidentally any ion / atom / plasma beam source and the bending beam 2 bent in the beam direction, wherein the bending is detected by the interferometric measurement. During the measurement process, deflections are already detected in the range of significantly less than 1 μm via the interferometric measuring method. In principle, the interferometer can detect displacements clearly below a wavelength, that is to say in the range of nanometers.

Es werden zwei unabhängige interferometrische Sensoren 71, 72 in Verbindung mit jeweils einem zugeordneten planen Spiegel 61, 62 verwendet, um die Auslenkung des Targets 5 über die optische Sensorik 6 in einem Schritt messen zu können. Bei dem hier angewandten Einfaserverfahren transportiert ein und derselbe optische Leiter das Probenlicht und das Referenzlicht des Interferometers. Als Referenzlicht kann beispielsweise ein beim Austritt aus dem Lichtwellenleiter vom Faserende unmittelbar in die Faser zurück reflektierter Lichtanteil verwendet werden. Der aus der Faser austretende Lichtanteil wird als Probenlicht über die Kollimatorlinse auf den Spiegel gerichtet und von dort reflektiert, wobei das Probenlicht über dieselbe Kollimatorlinse wieder in die Faser eintritt und dort mit dem Referenzlicht interferiert. Das Probenlicht trägt dabei die Information über den Abstand des Faserendes zum Spiegel. Diese Information wird schließlich von der Auswerteeinheit des Interferometers, die das zurückgeführte Licht analysiert, gewonnen und ausgeben. Mit dieser Anordnung lässt sich ein äußerst platzsparender und kompakter Aufbau realisieren. There are two independent interferometric sensors 71 . 72 in conjunction with a respective associated plan mirror 61 . 62 used the deflection of the target 5 via the optical sensor 6 to be able to measure in one step. In the case of the single-fiber method used here, one and the same optical conductor transports the sample light and the reference light of the interferometer. As a reference light, for example, a light component reflected back from the fiber end directly into the fiber when emerging from the optical waveguide can be used. The light component emerging from the fiber is directed onto the mirror as sample light via the collimator lens and reflected therefrom, the sample light reentering the fiber via the same collimator lens where it interferes with the reference light. The sample light carries the information about the distance of the fiber end to the mirror. This information is finally obtained and output by the evaluation unit of the interferometer, which analyzes the returned light. With this arrangement, an extremely space-saving and compact construction can be realized.

Aus bereits in der EP 2 045 572 A1 genannten Gründen, die auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung als relevant erkannt wurden, wird die Wellenlänge der Interferometer-Lichtquelle vorzugsweise moduliert. Dies schließt aber nicht aus, dass andere hochpräzise, interferometrische Messverfahren zu vergleichbar guten Ergebnissen führen können. Als Beispiele wären hier Weißlicht-Interferometer, insbesondere Weißlicht-Profilometer, zu nennen. Already in the EP 2 045 572 A1 mentioned reasons, which were also recognized as relevant for the device according to the invention, the wavelength of the interferometer light source is preferably modulated. However, this does not rule out that other high-precision, interferometric measuring methods can lead to comparably good results. Examples which may be mentioned here are white light interferometers, in particular white light profilometers.

Die Ausrichtung der Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 ist schwerkraftunabhängig, da das Gewicht des Targets lediglich eine zeitlich konstante Verschiebung der Gleichgewichtslage bewirkt und somit keinen Einfluss auf die – üblich auf vorbekannte Zeitintervalle begrenzte – Verschiebung durch die Krafteinwirkung der Partikelstrahlen hat. The orientation of the interferometer force measuring device 1 is gravity-independent, since the weight of the target causes only a temporally constant displacement of the equilibrium position and thus has no influence on the - usually limited to previously known time intervals - shift by the force of the particle beams has.

Eine derartige Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 verzichtet nahezu vollständig auf bewegliche Teile wie beispielsweise Drehachsen einer galvanometrischen Sonde und führt zu einem unkomplizierten Einsatz der Vorrichtung. Such an interferometer force measuring device 1 almost completely dispenses with moving parts such as, for example, axes of rotation of a galvanometric probe and leads to an uncomplicated use of the device.

Im Weiteren werden für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Zu deren prinzipieller Funktion wird auf 1 verwiesen. Hereinafter, the same reference numerals as in FIG 1 used. Their principal function is on 1 directed.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 mit zwei planen Spiegeln 61, 62 auf einem Spiegelträger 60 und zu den jeweiligen planen Spiegeln 61, 62 zugehörige optische Fasern / Lichtwellenleiter 81, 82 mit plangeschliffenen Faserenden. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the interferometer force measuring device according to the invention 1 with two plan mirrors 61 . 62 on a mirror carrier 60 and to the respective plan mirrors 61 . 62 associated optical fibers / optical fibers 81 . 82 with ground fiber ends.

In diesem Ausführungsbeispiel kann die optische Sensorik 6 stark reduziert werden, indem auf die Interferometersensoroptiken 71, 72 mit den Kollimatorlinsen, zu denen die Lichtwellenleiter im Ausführungsbeispiel gemäß 1 bisher geführt worden sind, verzichtet werden kann, wobei die Lichtwellenleiter/optische Fasern 81, 82 nunmehr mit plangeschliffenen Faserenden ausgestattet sind und bis ca. 1,0 mm an den jeweils zugehörigen planen Spiegel 61 bzw. 62 herangeführt sind. Idealerweise ist in diesem Ausführungsbeispiel der Abstand der Faserenden zum Spiegel möglichst klein zu wählen und ist dann ausreichend für die interferometrische Messung. Bei der Verwendung von Wellenleitern mit plan geschliffenen Enden ist ein sehr kurzer Abstand, bedingt durch die sehr geringen Auslenkungen der Spiegel im µm-Bereich, zum Spiegel möglich und vollkommen ausreichend damit das am Spiegel reflektierte Licht wieder in die Faser eintreten kann. Hierzu sind die plan geschliffene optische Faser und der Spiegel senkrecht zueinander ausgerichtet. In this embodiment, the optical sensor 6 be greatly reduced by focusing on the interferometer sensor optics 71 . 72 with the collimator lenses, to which the optical waveguide according to the embodiment 1 have been performed so far, can be dispensed with, wherein the optical fibers / optical fibers 81 . 82 Now equipped with flat ground fiber ends and up to about 1.0 mm to the respectively associated plan mirror 61 respectively. 62 are introduced. Ideally, in this embodiment, the distance of the fiber ends to the mirror should be as small as possible and is then sufficient for the interferometric measurement. When using waveguides with flat ground ends is a very short distance, due to the very small deflections of the mirror in the micron range, possible to the mirror and perfectly sufficient so that the light reflected at the mirror can re-enter the fiber. For this purpose, the plan ground optical fiber and the mirror are aligned perpendicular to each other.

Zur optimalen Führung und Halterung der Fasern können diese in handelsüblichen Lichtwellenleiter-Steckverbindern angeordnet werden oder aber beispielsweise mit Hilfe von feinen Bohrungen in einem Halter geführt werden. For optimum guidance and retention of the fibers, these can be arranged in commercially available optical waveguide connectors or, for example, be guided by means of fine holes in a holder.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 mit drei planen Spiegeln 61, 62 und 63 auf einem Spiegelträger 60 und zu den jeweiligen planen Spiegeln 61, 62, 63 zugehörige Interferometersensoroptik 71, 72, 73. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the interferometer force measuring device according to the invention 1 with three plan mirrors 61 . 62 and 63 on a mirror carrier 60 and to the respective plan mirrors 61 . 62 . 63 associated interferometer sensor optics 71 . 72 . 73 ,

Durch diese Ausgestaltung der Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 erhöht sich zum einen die Messgenauigkeit bzw. ermöglicht erstmalig die Redundanz und somit wird eine Ausfallsicherheit geschaffen. Bereits in der Ausgestaltung mit zwei Spiegel, die einem beliebigen Winkel zueinander, jedoch ungleich 0°, vorzugsweise 90°, angeordnet sind wird eine gleichmäßig gute Auflösung in allen Richtungen erreicht. Solange zwei der drei Interferometersensoroptiken 71, 72, 73 sowie deren dazugehörige Interferometrieauswerteeinheiten funktionstüchtig sind, ist die gesamte Interferometerkraftmessvorrichtung 1 funktionsfähig und die Messungen können ausgewertet werden. Due to this embodiment of the interferometer force measuring device 1 On the one hand, the measuring accuracy increases or, for the first time, the redundancy is possible, thus ensuring fail-safety. Even in the embodiment with two mirrors, which are arranged at an arbitrary angle to each other, but not equal to 0 °, preferably 90 °, a uniformly good resolution in all Directions reached. As long as two of the three interferometer sensor optics 71 . 72 . 73 and their associated Interferometrieauswerteeinheiten are functional, is the entire interferometer force measuring device 1 functional and the measurements can be evaluated.

In 4 ist eine schematische Darstellung des einseitig eingespannten Biegebalkens 2 mit dem daran angeordneten Target 5 in einer Seitenansicht dargestellt. In 4 is a schematic representation of the cantilevered cantilever beam 2 with the target disposed thereon 5 shown in a side view.

Die Verbindung zwischen Target 5 und Biegebalken 2 kann über eine Klemmverbindung hergestellt sein. Weiter kann die Verbindung auch über eine ineinander verschiebbare Keramik (Hexapod-Ausgestaltung) ausgebildet sein. The connection between Target 5 and bending beams 2 can be made via a clamp connection. Furthermore, the connection can also be formed by means of a telescoping ceramic (Hexapod configuration).

In 5 ist eine schematische Darstellung des Biegebalkens 2 mit dem daran angeordneten Target 5 entsprechend der 4 in einer rückwärtigen Draufsicht gezeigt. In 5 is a schematic representation of the bending beam 2 with the target disposed thereon 5 according to the 4 shown in a rear plan view.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 mit drei Biegebalken 2, 2’, 2’’ und jeweils zwei an den jeweiligen Biegebalken 2, 2’, 2’’ vorgesehenen Spiegeln 61, 62 mit dazugehörigen Interferometersensoroptiken 71, 72 in Form der optischen Sensorik 6, 6’, 6’’ (Hexapod-Ausgestaltung). 6 shows a schematic representation of a fourth embodiment of the interferometer force measuring device according to the invention 1 with three bending beams 2 . 2 ' . 2 '' and two each at the respective bending beam 2 . 2 ' . 2 '' provided mirrors 61 . 62 with associated interferometer sensor optics 71 . 72 in the form of optical sensors 6 . 6 ' . 6 '' (Hexapod configuration).

Als Besonderheit wird hier, wie in 7 genauer gezeigt, das Target 5 über spezielle auf dem Target 5 aufgebrachte Targetverbindungen 51, 51’, 51’’ mit den jeweiligen Biegebalken 2, 2’, 2’’ verschiebbar verbunden. As a special feature here, as in 7 shown in more detail the target 5 about special on the target 5 applied target compounds 51 . 51 ' . 51 '' with the respective bending beam 2 . 2 ' . 2 '' slidably connected.

In dieser Hexapod-Ausgestaltung kann eine Messung in 6 Freiheitsgraden erfolgen, nämlich in Richtung der Flächennormalen, zweimal Verschiebung in der Ebene des Targets 5, zweimal die Verkippung zur ursprünglichen Ebene des Targets 5 und zuletzt die Verdrehung des Targets 5 um die Flächennormale. In this hexapod embodiment, a measurement can take place in 6 degrees of freedom, namely in the direction of the surface normal, twice in the plane of the target 5 Twice the tilt to the original plane of the target 5 and finally the rotation of the target 5 around the surface normal.

7 zeigt eine Detaildarstellung des Targets 5 aus 6 mit den drei Biegebalken 2, 2’, 2’’. 7 shows a detailed representation of the target 5 out 6 with the three bending beams 2 . 2 ' . 2 '' ,

In den 8, 9 und 10 sind schematische Darstellungen einer Messanordnung 9 mit einer in die Messanordnung integrierten Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 gemäß 1 dargestellt. In the 8th . 9 and 10 are schematic representations of a measuring arrangement 9 with an interferometer force measuring device integrated in the measuring arrangement 1 according to 1 shown.

Die Messanordnung 9 weist ergänzend ein Gehäuse 91 auf, das in einem Bereich der Messkammer 95 und der Targetzone 94 aufgeteilt ist. The measuring arrangement 9 additionally has a housing 91 on that in an area of the measuring chamber 95 and the target zone 94 is divided.

Das geschlossen ausgebildete Gehäuse 91 weist zur Zuführung des Partikelstrahls einen Einlass 97 auf, durch den der Partikelstrahl hindurch auf das Target 5 im Innern der Targetzone 94 auftreffen kann. The closed housing 91 has an inlet for supplying the particle beam 97 through which the particle beam passes through to the target 5 inside the Targetzone 94 can hit.

Von der Targetzone 94 durch eine Targetblende 96 getrennt ist der oben einseitig eingespannte Biegebalken 2 mit der optischen Sensorik 6 innerhalb der Messkammer 95 angeordnet. Innerhalb der Messkammer 95 sind die Biegebalkenaufnahme 92 sowie die Sensorhalterung 93 vorgesehen. From the target zone 94 through a target aperture 96 separated is the one-sided clamped bending beam 2 with the optical sensor 6 within the measuring chamber 95 arranged. Inside the measuring chamber 95 are the bending beam recording 92 as well as the sensor holder 93 intended.

In den Figuren nicht dargestellt, gleichwohl von erfinderischer Bedeutung ist die Ausgestaltung der wenigstens zwei planen Spiegel mit dem Spiegelträger in Form einer zylindrisch ausgebildeten Spiegelfläche, die um den Biegebalken gelegt ist. Diese Ausgestaltung bietet Vorteile in der Spiegelfertigung und zudem ist es möglich, die Masse weiter zu reduzieren. Insbesondere ist auch eine Ausgestaltung als halbzylindrischer Spiegel zur weiteren Verbesserung möglich. Um die Interferometer-Kraftmessvorrichtung weiter zu optimieren, sind bei Ausgestaltung der Spiegelfläche als zylindrische Spiegelfläche Lichtwellenleiter / optische Fasern mit plangeschliffenen Faserenden vorgesehen. Das reflektierte Licht wäre zwar divergent, was aber bei den hier möglichen kleinen Abständen tolerierbar ist und lediglich zu einer Abschwächung des reflektierten Signals führen würde. Der Abstand der Faserenden der Lichtwellenleiter zu der Spiegelfläche ist hierbei auf ein Minimum reduziert, wobei der Abstand zwischen Spiegelfläche und den plangeschliffenen Faserenden ca. 1 mm beträgt oder sogar noch weiter reduziert sein könnte. Die plangeschliffenen Faserenden stehen senkrecht zur Spiegelfläche. Bei Verwendung der plangeschliffenen Fasern kann, wie in 2 gezeigt, auf eine Linse vollständig verzichtet werden. Not shown in the figures, but of inventive significance is the configuration of the at least two planar mirror with the mirror support in the form of a cylindrically shaped mirror surface, which is placed around the bending beam. This embodiment offers advantages in mirror production and, moreover, it is possible to further reduce the mass. In particular, a configuration as a semi-cylindrical mirror for further improvement is possible. In order to further optimize the interferometer force measuring device, optical waveguides / optical fibers with ground fiber ends are provided as a cylindrical mirror surface in the design of the mirror surface. The reflected light would be divergent, but this is tolerable at the small distances possible here and would only lead to a weakening of the reflected signal. The distance between the fiber ends of the optical waveguide to the mirror surface is reduced to a minimum, wherein the distance between the mirror surface and the flat ground fiber ends is about 1 mm or could even be further reduced. The flat-ground fiber ends are perpendicular to the mirror surface. When using the ground fibers, as in 2 shown to be completely dispensed with a lens.

11 zeigt einen experimentellen Vergleich der erfindungsgemäßen interferometrischen mit der galvanometrischen Kraftsonde aus der DE 10 2014 003 118.7 , die gleichzeitig in der Testkammer verwendet wurden. Man erkennt, dass die Kräfte im Rahmen der jeweiligen Fehler übereinstimmen. 11 shows an experimental comparison of the interferometric invention with the galvanometric force probe of the invention DE 10 2014 003 118.7 that were used simultaneously in the test chamber. It can be seen that the forces in the context of the respective error match.

Die Schwankungen der Messwerte sind im Fall der galvanometrischen Sonde jedoch erheblich größer und können nicht allein auf die Schwankungen des Ionenstrahls selbst zurückgeführt werden. However, the variations in the measured values are considerably greater in the case of the galvanometric probe and can not be attributed solely to the fluctuations of the ion beam itself.

12 zeigt einen Linearitätstest mit Hilfe eines pulsweitenmodulierten Argon-Ionenstrahls (Partikelenergie 1,2 keV) in einem Abstand von 380 mm von der Ionenquelle. Durch die Pulsweitenmodulation werden die Eigenschaften des Strahls nicht verändert, jedoch wird dieser in seiner zeitgemittelten Intensität abgeschwächt. Auf diese Weise lässt sich zeigen, dass das Messergebnis wie erwartet proportional zur ausgeübten Kraft ist. 12 shows a linearity test using a pulse width modulated argon ion beam (particle energy 1.2 keV) at a distance of 380 mm from the ion source. The pulse width modulation does not change the properties of the beam, but it is attenuated in its time-averaged intensity. In this way it can be shown that the measurement result is proportional to the applied force as expected.

13 zeigt den zeitlichen Verlauf der Auslenkungen beider Achsen beim Ein- und Ausschalten des Ionenstrahls. Die Schwingungen haben eine Frequenz von etwa 15 Hz, was den Eigenschwingungen des Biegebalkens entspricht. Die Schwingungen erfolgen um die Gleichgewichtslagen mit bzw. ohne Ionenstrahl, die durch Mittelung weniger Perioden erhalten werden können. 13 shows the time course of the deflections of both axes when switching the ion beam on and off. The vibrations have a frequency of about 15 Hz, which corresponds to the natural vibrations of the bending beam. The oscillations occur around the equilibrium positions with or without ion beam, which can be obtained by averaging a few periods.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Interferometer-Kraftmessvorrichtung Interferometer force measuring device
2, 2‘, 2‘‘ 2, 2 ', 2' ': Biegebalken bending beam
3 3: zylindrische Biegebalkenhalterung cylindrical bending beam holder
31 31: Biegebalkenaufnahme Bending beam recording
4 4: Blende cover
41 41: Durchführung execution
5 5: Target target
51, 51‘, 51‘‘ 51, 51 ', 51' ': Targetverbindung zum Biegebalken Target connection to the bending beam
6, 6‘, 6‘‘ 6, 6 ', 6' ': optische Sensorik optical sensor
60 60: Spiegelträger mirror support
61, 62, 63 61, 62, 63: plane Spiegel plane mirror
71, 72, 73 71, 72, 73: Interferometersensoroptik Interferometersensoroptik
81, 82 81, 82: Lichtwellenleiter / optische Faser Optical fiber / optical fiber
9 9: Messanordnung measuring arrangement
91 91: Gehäuse casing
92 92: Biegebalkenaufnahme Bending beam recording
93 93: Sensorhalterung sensor mount
94 94: Targetzone target zone
95 95: Messkammer measuring chamber
96 96: Targetblende target panel
97 97: Einlass für Ionen-/Plasmastrahl Inlet for ion / plasma jet

Claims

Particle beam force measuring device ( 1 ) comprising a measuring arrangement ( 9 ) with: - at least one one-sided within the measuring arrangement ( 9 ) mounted or clamped bending beam ( 2 . 2 ' . 2 '' ) with a free end; A target ( 5 ) at the free end of the bending beam ( 2 . 2 ' . 2 '' ), where the target ( 5 ) can be bombarded by the particle beam on one side, - at least two interferometer sensor optics ( 71 . 72 . 73 ) or lighting fibers ( 81 . 82 ) for the light pipe for at least two-axis interferometric distance measurement, aligned on at least two mirrors ( 61 . 62 . 63 ) / Mirror surface sections, whereby these ( 61 . 62 . 63 ) on the bending beam ( 2 . 2 ' . 2 '' ) between the stored or clamped and the free end of the bending beam ( 2 . 2 ' . 2 '' ) are fixed and the normal vectors in the region of the interferometrically effective areas of the mirror surfaces or the mirror surface sections orthogonal on the bending beam ( 2 . 2 ' . 2 '' ) and are not aligned parallel to each other; and - a measuring and evaluation device for interferometric vectorial force measurement by measuring and evaluating a bending of the bending beam ( 2 . 2 ' . 2 '' ) based on the mirror / mirror surface sections ( 61 . 62 . 63 ).

Force measuring device according to claim 1, characterized in that the at least one mirror surface is configured with the at least two mirror surface portions as a cylindrical and surface-reflecting surface.

Force measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the two mirrors ( 61 . 62 . 63 ) / Mirror surface portions are arranged at an angle of 90 ° to each other.

Force measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the bending beam ( 2 . 2 ' . 2 '' ) is formed from a ceramic or a glass and preferably has a circular cross-section, is particularly preferably formed hollow inside.

Force measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the connection between target ( 5 ) and bending beams ( 2 . 2 ' . 2 '' ) is formed as a clamping connection.

Force measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that a Fabry-Pérot interferometer with modulated wavelength is provided for interferometric force measurement.

Force measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that exactly three bending beams ( 2 . 2 ' . 2 '' ) are connected to the target.

Force measuring device according to claim 7, characterized in that to each of the three bending beams ( 2 . 2 ' . 2 '' ) at least two interferometer sensor optics ( 71 . 72 . 73 ) or lighting fibers ( 81 . 82 ) to the light pipe for the interferometric distance measurement, oriented on at least one bending beam ( 2 . 2 ' . 2 '' ) two mirrors each ( 61 . 62 . 63 ) / Mirror surface sections, whereby these on each bending beam ( 2 . 2 ' . 2 '' ) between the stored or clamped and the free end of the bending beam ( 2 . 2 ' . 2 '' ) are fixed and the normal vectors in the region of the interferometrically effective areas of the mirror surfaces or the mirror surface sections orthogonal on the bending beam ( 2 . 2 ' . 2 '' ) and are not aligned parallel to each other.

Particle beam force measuring method, in particular with a force measuring device ( 1 ) according to one of the preceding claims, comprising the steps of: - irradiating a particle beam onto a bending beam ( 2 . 2 ' . 2 '' ) arranged target ( 5 ); Interferometric measurement of the bending of the at least one bending beam at the same time along at least two non-parallel directions perpendicular to the bending beam - Determining the by the irradiation of the particle beam on the target 5 ) applied vectorial force from the bending of the at least one bending beam by means of a previously determined by calibration spring constant.

Force measuring method according to claim 9, characterized in that the calibration is carried out by weighing in the gravitational field with calibrated weights, which are placed on the target.