De la bobine à l'ensemble mécanique

Le filtre polarisant a été spécialement développé par Steinmeyer pour la lithographie DUV. (Copyright : stock.adobe.com/IM Imagery, numéro 560372105)

À une hauteur de seulement 15 mm, trois filtres plans sont intégrés, pouvant être déplacés dans le trajet du faisceau de l'installation optique et positionnés indépendamment les uns des autres. (Copyright : Steinmeyer Gruppe)

Solution de positionnement ultra-compacte et de haute précision pour l'exposition de wafers dans une atmosphère sèche et sans oxygène. (Copyright : Image : Steinmeyer Gruppe)

La combinaison d'acier inoxydable non rouillant (vis) et du plastique haute performance PEEK (écrou) permet une glissance optimale, une dissipation thermique et une stabilité mécanique dans l'azote ultra-sec. (Copyright : Feinmess Suhl GmbH)

La vis à billes a un diamètre de broche de 3 mm et une longueur de broche de 112 mm, ce qui en fait l'une des plus petites du marché dans cette précision. (Copyright : Steinmeyer Gruppe)

Lorsqu'il s'agit de solutions de positionnement hautement spécialisées et sur mesure pour les clients, Steinmeyer est incontournable. Même dans l'industrie des semi-conducteurs, le site de Dresde dans le « Silicon Saxony » est depuis longtemps considéré comme un eldorado pour l'impossible, car la région maîtrise avec brio les défis les plus exigeants en tant que plus grand centre européen en TIC/microélectronique. Un exemple parfait de cette haute compétence en solutions est le filtre de polarisation complémentaire pour la miniaturisation et l'automatisation en lithographie DUV. L'ensemble associe l'expertise et l'expérience du groupe international Steinmeyer et établit de nouvelles références en termes de compacité, fiabilité et faible émission de particules. C'est de l'ingénierie de premier ordre.

Les systèmes de positionnement dans l'industrie des semi-conducteurs imposent des exigences élevées en matière de pureté, de fiabilité, de durée de vie, de facilité d'entretien ainsi que de précision, et nécessitent souvent une ingénierie sur mesure. Il s'agit souvent de répondre à des exigences très spécifiques proches des limites du réalisable. Rendre l'impossible possible ? Pas de problème pour Steinmeyer ! Le groupe Steinmeyer peut s'appuyer sur un savoir-faire concentré avec plus de 400 ans d'expérience combinée dans la technique d'entraînement, de positionnement et de mesure de précision. Cette compétence unique en développement, solutions et fabrication conduit à des résultats exceptionnels, sans équivalent dans le secteur. Le site de Dresde figure parmi les principaux fabricants mondiaux de solutions de positionnement de haute précision pour systèmes optiques et mécaniques fines, et s'est particulièrement fait un nom en tant que spécialiste des fabrications sur mesure.

Filtre de polarisation complémentaire pour la lithographie DUV

Un exemple phare de la forte capacité d'innovation du groupe Steinmeyer est la solution de positionnement ultracompacte et de haute précision pour l'exposition de wafers dans une atmosphère d'azote sèche et sans oxygène. Il s'agit d'un filtre de polarisation complémentaire pour la miniaturisation et l'automatisation en lithographie DUV. « La lithographie DUV utilise une lumière ultraviolette profonde avec des longueurs d'onde de 193 ou 248 nm, permettant la création de structures très petites sur des microprocesseurs. Notre tâche était de développer une unité de filtre rétrofittable pour un stepper de wafers afin d'ajuster les propriétés optiques du faisceau lumineux », explique Elger Matthes, responsable développement et gestion de produits chez Steinmeyer Mechatronik, et ajoute : « Comme l'ensemble était conçu comme un module optionnel à intégrer dans une machine existante, nous disposions de très peu d'espace. Les autres exigences comprenaient des plages de réglage minimales, une stabilité à l'arrêt – le réglage ne devait être effectué que toutes les quelques minutes – ainsi que des spécifications concernant la vitesse, la répétabilité et la durée de vie. »

Un ensemble ultracompact, de haute précision et à fonctionnement sec

Le filtre de polarisation réalisé par le groupe Steinmeyer est extrêmement compact, avec des dimensions d'environ 120 x 180 x 31 mm. Trois filtres plans sont logés sur une hauteur de seulement 15 mm, pouvant se déplacer dans le trajet du faisceau de l'installation optique et étant positionnables indépendamment. La relation relative entre les trois filtres détermine la propriété de filtrage souhaitée. La commande est assurée par une vis à billes (course 75 mm) et des moteurs à courant continu à commutation électronique. Chaque filtre dispose de sa propre chaîne d'entraînement, protégée contre le rayonnement DUV par une plaque en acier. Le système fonctionne en mode sec, avec une précision allant jusqu'à 1,5 µm, et offre un fonctionnement sans entretien et flexible 24h/24 et 7j/7, avec plusieurs milliers de cycles de positionnement (sur une période de 10 ans).

Choix des matériaux : un défi

Dans les applications de semi-conducteurs, le choix des matériaux constitue un défi particulier. Des surfaces lisses, une faible émission de gaz et, bien sûr, une formation minimale de particules sont exigées. Seuls certains matériaux, composants et lubrifiants répondent à ces critères. Souvent, l'utilisation de lubrifiants liquides est impossible – comme c'est le cas dans cette application précise. Elger Matthes souligne également un autre aspect : « Dans l'azote ultra-sec, dans lequel l'ensemble doit fonctionner, il existe des effets tribologiques similaires à ceux du vide poussé. Des coefficients de frottement supérieurs à 1 sont la norme. Cela limite encore la palette de matériaux, notamment si l'on souhaite obtenir de bonnes propriétés de glissement et une durée de vie utile raisonnable pour la vis. »

Vis à billes de précision à faible émission de particules de Feinmess Suhl

Pour la vis à billes, le choix s'est porté sur une combinaison d'acier inoxydable (vis) et de PEEK, un polymère haute performance enrichi en agents lubrifiants. Cette paire de matériaux innovante permet, même dans des conditions extrêmes en lithographie DUV, d'assurer une glisse optimale, une évacuation thermique efficace et une stabilité mécanique. « En raison de sa structure moléculaire, le PEEK est chimiquement et physiquement très stable. Ce polymère haute performance présente de très faibles émissions de gaz et est idéal pour les applications exigeantes de l'industrie des semi-conducteurs », explique Detlef Rode, responsable développement chez Feinmess Suhl. « Bien entendu, nous avons réalisé une preuve de concept pour cette paire de matériaux, garantissant au client une certitude totale quant à la faisabilité. » Le système fonctionne sans lubrifiants liquides, ce qui le rend idéal pour un fonctionnement en mode sec jusqu'à la classe ISO3 et à une pression de 10E-9 mbar.

La paire de matériaux PEEK et acier inoxydable utilisée pour la vis à billes se retrouve également dans le système de guidage. Ainsi, les rainures de guidage en V sont en acier inoxydable, tandis que les éléments de glissement, comme les roulements, sont en PEEK. Les pièces en aluminium sont recouvertes d'une couche d'anodisation ultraviolette profonde absorbante.

Savoir-faire unique en développement et fabrication

La vis à billes à faible émission de particules a été spécialement développée par le site Feinmess Suhl pour cette application précise. Avec un diamètre de seulement 3 mm et une longueur de 112 mm, elle figure parmi les plus petites du marché dans cette précision. « Les vis à billes à glissement sont parfaitement adaptées au filtre de polarisation DUV. Leur taille joue un rôle crucial, car de telles vis à billes à fonctionnement sec de cette dimension sont actuellement techniquement impossibles à réaliser », explique Detlef Rode. De plus, cette vis offre d'autres avantages : simplicité de conception, robustesse extrême, haute rigidité, précision dimensionnelle et forme, faible usure. Un autre avantage : ces vis ont une auto-fixation, c’est-à-dire que la position de la contre-pointe sur la vis est maintenue par la friction de contact. Aucune pièce de freinage séparée n’est nécessaire. Cela est idéal pour des exigences accrues de stabilité sur le long terme. Comme les trois filtres de l'ensemble sont rarement déplacés, et alors seulement lentement, cette solution était parfaitement adaptée. Feinmess Suhl utilise pour la fabrication de ces vis à filetage double un procédé de filetage par roulage ou par rouleage. Ce procédé sans copeaux crée la forme du filetage par déformation à froid. Le résultat est une surface de haute qualité à un prix très compétitif.

Petit, compact, précis, à lubrification sèche, fiable, durable, peu d'entretien : le filtre de polarisation remplit à 100 % les exigences exigeantes de la lithographie DUV. La vis à billes a été un point central lors du développement et de la conception. Elle constitue le cœur de l'ensemble et permet ses dimensions réduites. « Nous avons développé cette vis pour un projet client spécifique, mais d’autres applications haut de gamme dans la technologie des semi-conducteurs profitent également de ses propriétés uniques. Une large gamme d'options permet des adaptations sur mesure », souligne Detlef Rode.

Large éventail de possibilités d'entraînement

Le développement de vis à billes sur mesure fait partie des compétences clés de Feinmess Suhl. Avec la société August Steinmeyer, le groupe Steinmeyer dispose également d’un partenaire expérimenté pour le développement et la fabrication de vis à billes à haute précision. Avec un traitement et un revêtement spéciaux, ces vis peuvent également être utilisées dans l'industrie des semi-conducteurs. La technologie adaptée – vis à billes à lubrification sèche ou vis à billes à lubrification liquide – dépend finalement des exigences de l’application, et chaque cas est étudié individuellement par les spécialistes Steinmeyer.

Partenaire recherché par l'industrie des semi-conducteurs

Que ce soit pour la manipulation, l’inspection ou l’assemblage, que ce soit pour la position en HV, UHV ou EUV : grâce à sa large expertise technologique, son savoir-faire en ingénierie, sa compréhension approfondie des applications et sa grande expérience, Steinmeyer Mechatronik est un partenaire recherché pour la conception, le développement et la fabrication de solutions de positionnement exigeantes pour la fabrication de wafers et de puces. Les systèmes éprouvés sont adaptés sur mesure aux exigences spécifiques de chaque application – du laboratoire d’essais à l’usine automatisée de semi-conducteurs, jusqu’à la norme ISO 14644-1 classe 1. Toutes les pièces de fabrication sont conçues pour le vide et nettoyées séparément après fabrication. L’assemblage se fait dans une salle blanche certifiée de classe ISO 6. Des capacités variables de salles blanches de plus de 3 900 m² garantissent une flexibilité exceptionnelle. Un emballage adapté à la salle blanche, rempli d’azote inerte, protège le produit fini lors du transport.

« Nous avons une expérience de plusieurs décennies dans la conception et la fabrication de systèmes de positionnement pour les applications dans les semi-conducteurs, et nous disposons d’un savoir-faire spécifique en tribologie et lubrification dans des atmosphères sèches et exemptes d’oxygène, comme le vide ou l’azote ultra-pur. Cela nous permet de réaliser des solutions fiables et économiques même pour les défis les plus exigeants », insiste Elger Matthes, qui ajoute : « Les trois centres de compétences en technique d’entraînement, technique de positionnement et mesure de précision du groupe Steinmeyer regroupent une gamme de services incroyablement large. Nous pouvons ainsi exploiter au mieux les synergies et répondre rapidement et simplement aux exigences spécifiques des clients. » La co-développement du filtre de polarisation DUV en est le meilleur exemple.