Cleanzone 2017 informeert over cleanrooms voor moderne optiek

Beurs Frankfurt Jean Luc Valentin

Essentiële impulsen voor ons mobiele leven komen uit de digitale wereld, de beeldvorming en beeldverwerking. Of het nu gaat om autonoom rijden, postpakketten per drone of ruimteverkenning – een essentiële voorwaarde voor toekomstige ontwikkelingen op deze gebieden ligt in hoogwaardig optische systemen. De vereiste precisie kan alleen worden gegarandeerd door productie in cleanrooms. Hoe cleanrooms voor de huidige eisen door moderne optiek moeten worden vormgegeven, laten de fabrikanten zien op de Reinraummesse Cleanzone op dinsdag/woensdag, 17. + 18.10.2017, in Frankfurt am Main.

De genoemde voorbeelden staan voor het vervullen van dromen: de auto wordt op een geheel nieuwe manier veiliger en comfortabeler. Maar om de prestaties van het menselijk oog na te bootsen en te overtreffen, zijn optieken nodig met ongekende gevoeligheid en detaillering, waarbij de kleinste verontreinigingen tot storingen in het systeem leiden. Dit is al van belang bij alledaagse en daardoor schijnbaar eenvoudige taken, zoals in het wegverkeer. Veel bewegende objecten maken het tot een complexe gebeurtenis die alleen met precisie-optiek kan worden vastgelegd. Een ander voorbeeld is de ruimtetelescoop E-ELT in Chili („European Extremely Large Telescope“). Een hoofdlens, twee correctielenzen – en dan moeten ook nog de vervormingen van het licht uit de ruimte door de aardatmosfeer worden gecompenseerd door minimale vervormingen van het spiegeloppervlak, die liggen in de orde van tienduizendsten van millimeters.

Uitdaging voor de toekomst: de 7-nanometer-technologie

Ook de holistische benadering wordt belangrijker. Want terwijl men vroeger optieken afzonderlijk ontwierp en produceerde, moeten fabrikanten tegenwoordig ook de volgende taak oplossen, namelijk: elke optiek vertoont bepaalde fouten. Zo komen de stralenbundels na doorgang door een optisch systeem niet precies op één punt samen (aberratie); daarnaast komen vervormingen, beeldwolkingen of kleurfouten voor. Strikt genomen is de perfecte afbeelding van een ruimtelijk uitgebreid object alleen mogelijk op vlakke spiegels (James Clerk Maxwell, 1858; Constantin Carathéodory, 1926). Met inachtneming van de later gebruikte hardware moet nu geschikte software worden ontworpen die de genoemde fouten compenseert. En het totale systeem mag niet te omvangrijk worden, omdat zelfs een auto slechts beperkte ruimte biedt voor elektronica en optiek.

Voor optiek geldt vooral één ding: zowel bij de fabricage van lenzen als in de daaropvolgende stappen moeten verontreinigingen uiterst zorgvuldig worden vermeden. Dit betreft bijvoorbeeld het lijmen („bonden“) van meerdere lenzen of van lens en sensor. In de chipproductie komt men onder deze voorwaarden snel in het bereik van de huidige 7-nanometer-technologie. Dit betreft een vorm van lithografie waarbij gebruik wordt gemaakt van golflengten in het spectrum van het extreme ultraviolet en waarbij de structuren onder vacuüm worden vervaardigd. Men produceert in cleanroom-klasse-1-mini-omgevingen van bijvoorbeeld acht kubieke meter. Structuren van zeven nanometer komen overeen met vijf aaneengeschakelde koolstofatomen. Voor de cleanroomtechniek betekent dit: al verontreinigingen op moleculair niveau krijgen de aandacht. Dit omvat zowel luchtgedragen moleculaire verontreinigingen (AMC, „airborne molecular contamination“) als moleculaire oppervlakteverontreinigingen (SMC, „surface molecular contamination“).

Storingen in de cleanroom

In optiek en elektronica kan bijvoorbeeld ammoniak het productieproces gevoelig verstoren. Het kan onder andere afkomstig zijn van het personeel of van oplosmiddelen op basis van isopropanol. Lijm- en ovenprocessen reageren gevoelig op uitgasende stoffen zoals chloor en siliciumtetrabromide (SiBr4). Tot de bekende „cleanroom-storingen“ behoren onder andere aceton (bron: personeel), waterstoffluoride en waterstofchloride, water en zwavelzuur (bron: proces), het oplosmiddel PGMEA (propyleenglycolmonomethyletheracetaat), het sililatie-agent HMDS (hexamethyldisilazan) en TEOS (tetraethylorthosilicaat), dat wordt gebruikt in sol-gel-processen.

Terwijl deze stoffen analytisch kunnen worden opgespoord, vormt het monitoren van luchtgedragen koolwaterstoffen, epoxiden en de schijnbaar alomtegenwoordige siloxanen een onderzoeksgebied in de lucht- en ruimtevaart, micro-elektronica en optiek.

Nieuwe benaderingen voor chemisch-analytische monitoringsystemen

„Het meten van deze drie stofklassen – koolwaterstoffen, epoxiden en siloxanen – blijkt bijzonder moeilijk te zijn en is momenteel nog niet bevredigend opgelost“, vat Markus Thamm samen, die verantwoordelijk is voor verkoop en marketing bij cleanroom.de, Heidelberg. „Er zijn echter hoopvolle benaderingen die volgens mijn inschatting nog dit jaar tot successen kunnen leiden. Voor mij is het essentieel om niet alleen puntsgewijs waarden te meten, maar om een systeem voor continu monitoring van de drie stofklassen te ontwikkelen.“

Naast mogelijke chemische verontreinigingen tijdens de bedrijfsvoering, moet in de kwaliteitscontrole ook mechanische fouten worden opgespoord. „Daarvoor moeten we oppervlakken van complexe lenssystemen of wafers meten en daarbij deeltjes en krasjes van afmetingen duidelijk onder de 100 nanometer detecteren“, stelt Volker Knorz, KLA-Tencor, Weilburg. „Ook dit behoort tot de voorwaarden voor optiek die wordt ingezet in autonome voertuigen of in de ruimtevaart.“

Een gerichte rondgang over de Cleanzone-beurs in oktober 2017 brengt de bezoeker op de hoogte van de nieuwste stand van de cleanroomtechnologie, die van essentieel belang is voor de groeibranche „Optiek“. Misschien komt de een of andere tijdens zijn beursbezoek zelfs een stukje dichter bij de reis naar de ruimte.