Van de spil tot de assemblage

De polarisatiefilter is door Steinmeyer speciaal ontwikkeld voor DUV-lithografie. (Copyright: stock.adobe.com/IM Imagery, nummer 560372105)

Op een hoogte van slechts 15 mm zijn drie vlakke filters ondergebracht, die in het stralenpad van de optische installatie verschoven kunnen worden en onafhankelijk van elkaar positioneerbaar zijn. (Copyright: Steinmeyer Gruppe)

Ultrakompakte, hoogprecisie positioneringsoplossing voor waferbelichting in droge, zuurstofvrije stikstofatmosfeer. (Copyright: Afbeelding: Steinmeyer Groep)

De combinatie van roestvrij staal (spindel) en het hoogwaardig kunststof PEEK (moer) zorgt voor een optimale glijbaarheid, warmteafvoer en mechanische stabiliteit in de ultra-droge stikstof. (Copyright: Feinmess Suhl GmbH)

De schroefspindel heeft een diameter van 3 mm en een spindellengte van 112 mm en behoort daarmee tot de kleinste op de markt in deze precisie. (Copyright: Steinmeyer Gruppe)

Wanneer het gaat om hooggespecialiseerde, klantgerichte positioneringsoplossingen, komt Steinmeyer niet omheen. Ook in de halfgeleiderindustrie geldt de locatie Dresden in het 'Silicon Saxony' al lang als een eldorado voor het eigenlijk onmogelijke, want de Saksen beheersen als Europa's grootste IKT-/micro-elektronica-centrum zelf de meest veeleisende uitdagingen met verve. Een paradevoorbeeld van de hoge oplossingscompetentie is de aanvullende polarisatiefilter voor de miniaturisering en automatisering in de DUV-lithografie. De assemblage combineert de expertise en ervaring van de internationaal opererende Steinmeyer-groep en stelt normen op het gebied van compactheid, betrouwbaarheid en stofvrijheid. Dat is engineering op zijn best.

Positioneringssystemen in de halfgeleiderindustrie stellen hoge eisen aan zuiverheid, betrouwbaarheid, levensduur, onderhoudsgemak, precisie en vereisen vaak klantgericht engineering. Niet zelden gaat het om zeer specifieke eisen die dicht bij de grenzen van het haalbare liggen. Het onmogelijke mogelijk maken? Voor Steinmeyer geen probleem! De Steinmeyer-groep kan terugvallen op gebundelde knowhow met in totaal meer dan 400 jaar ervaring in aandrijvings-, positionerings- en precisie-meettechniek. Deze unieke ontwikkelings-, oplossings- en fabricagecompetentie leidt tot uitstekende resultaten die in de branche hun gelijke niet kennen. De locatie Dresden behoort tot de wereldwijde toonaangevende fabrikanten van uiterst nauwkeurige positioneringsoplossingen voor optische en fijnmechanische systemen en heeft zich vooral als specialist voor maatwerk een naam gemaakt.

Aanvullende polarisatiefilter voor de DUV-lithografie

Een paradevoorbeeld van de hoge innovatiedrang van de Steinmeyer-groep is de ultracompacte, hoogprecisie positioneringsoplossing voor waferbelichting in droge, zuurstofvrije stikstofatmosfeer. Het betreft een aanvullende polarisatiefilter voor de miniaturisering en automatisering in de DUV-lithografie. “De DUV-lithografie gebruikt diep-ultraviolet licht met golflengten van 193 of 248 nm en maakt bijzonder kleine structuren op microchips mogelijk. Onze taak was het ontwikkelen van een retrofit filtereenheid voor een wafer-stepsysteem om de optische eigenschappen van de lichtstraal aan te passen,” zegt Elger Matthes, ontwikkeling en productmanagement bij Steinmeyer Mechatronik, en vertelt verder: “Omdat de assemblage als optionele add-on bedoeld was voor integratie in een bestaand apparaat, hadden we slechts zeer beperkte ruimte tot onze beschikking. Andere eisen waren minimale instelwegen, stabiliteit bij stilstand – de instelling zou slechts om de paar minuten worden gewijzigd – en specifieke eisen aan snelheid, herhaalbaarheid en levensduur.”

Ultracompacte, hoogprecisie en drooglopende assemblage

De in de Steinmeyer-groep gerealiseerde polarisatiefilter is met afmetingen van ca. 120 x 180 x 31 mm uiterst compact gebouwd. Op een hoogte van slechts 15 mm zijn drie vlakke filters ondergebracht die in de lichtbaan van de optische installatie verschoven kunnen worden en onafhankelijk van elkaar positioneerbaar zijn. Uit de relatieve positie van de drie filters ten opzichte van elkaar ontstaat de gewenste filtereigenschap. De aandrijving gebeurt via een glijspindel (slag 75 mm) en elektronisch gekommuteerde DC-motoren. Elk filter beschikt over een eigen aandrijflijn, die ter bescherming tegen DUV-straling is afgedekt met een stalen plaat. Het systeem is drooglopend, biedt nauwkeurigheden tot 1,5 µm en is onderhoudsvrij en flexibel inzetbaar 24/7 over vele duizenden positioneringscycli (verdeeld over 10 jaar).

Uitdaging in materiaalselectie

Bij toepassingen in de halfgeleiderindustrie vormt vooral de materiaalselectie een bijzondere uitdaging. Geselecteerd moeten worden: gladde oppervlakken, lage uitstoot en uiteraard minimaleeltjesvorming. Alleen bepaalde materialen, componenten en smeermiddelen voldoen aan deze eisen. Vaak is het gebruik van vloeibare smeermiddelen niet eens mogelijk – zo ook in de specifieke toepassing. Elger Matthes wijst daarnaast op een ander aspect: “In de ultra-droge stikstof, waarin de assemblage moet worden gebruikt, ontstaan vergelijkbare tribologische effecten als in hoogvacuum. Wrijvingswaarden boven 1 zijn de norm. Dit beperkt de materiaalmogelijkheden verder – vooral als goede glijeigenschappen en een zinvolle levensduur van de spindel willen worden bereikt.”

Ultrastofvrije, uiterst stofarme precisiespindel van Feinmess Suhl

Voor de spindel werd gekozen voor een combinatie van roestvrij staal (spindel) en het hoogwaardig kunststof PEEK (moer), dat is verrijkt met smeermiddelen. Deze innovatieve materiaalkoppeling maakt onder de extreme omgevingsomstandigheden in de DUV-lithografie een optimale glijbaarheid, warmteafvoer en mechanische stabiliteit mogelijk. “Vanwege de moleculaire structuur is PEEK chemisch en fysisch zeer stabiel. De hoogwaardig kunststof heeft zeer lage uitstootwaarden en wordt beschouwd als de ideale keuze voor de veeleisende toepassingen in de halfgeleiderindustrie,” zegt Detlef Rode, ontwikkelingsleider bij Feinmess Suhl. “Natuurlijk hebben wij voor de materiaalkoppeling het proof of concept geleverd, zodat de klant volledige zekerheid had over de haalbaarheid.” Het systeem werkt zonder vloeibare smeermiddelen en is daardoor ideaal voor droogloop tot klasse ISO3 en 10E-9 mbar.

De materiaalkoppeling PEEK plus roestvrij staal van de glijspindel is ook terug te vinden in het geleidingssysteem. Zo zijn de V-vormige geleidingssleuven van roestvrij staal en de lagers, oftewel de glijelementen, van PEEK. Aluminiumonderdelen zijn voorzien van een diep-ultraviolet-absorberende anodiseerlaag.

Uniek ontwikkelings- en fabricagekennis

De uiterst stofarme glijspindel is speciaal ontwikkeld door de locatie Feinmess Suhl voor de specifieke toepassing. Met een spindeldiameter van slechts 3 mm en een spindellengte van 112 mm behoort hij tot de kleinste op de markt in deze precisie. “Glijspindels zijn perfect geschikt voor de DUV-polarisatiefilter. De grootte speelt daarbij een belangrijke rol, want zulke kleine drooglopende kogelspindels zijn momenteel technisch simpelweg niet haalbaar,” legt Detlef Rode uit. Daarnaast biedt de glijspindel (draadmaat M3x1P0.5, spoed 1 mm, belasting 2 N) nog meer voordelen. Hij is relatief eenvoudig opgebouwd, uiterst robuust en kenmerkt zich door een hoge stijfheid, nauwkeurige vorm- en maatvastheid en geringe slijtage. Een extra pluspunt: glijspindels hebben een zelfremmende werking, dat wil zeggen dat de positie van de moer op de spindel wordt vastgehouden door wrijvingsweerstand. Een aparte remcomponent is niet nodig. Dit is ideaal voor verhoogde stabiliteitsvereisten over een lange periode. Omdat de drie filters van de assemblage zelden en dan alleen langzaam worden bewogen, paste dat perfect. Feinmess Suhl gebruikt voor de productie van de tweedelige drooglopende glijspindels het draadrollen of draadwalzen. Bij deze spaarzame methode wordt de schroefvorm door koudvervorming gemaakt. Het resultaat is een hoge oppervlaktkwaliteit tegen een uiterst economische prijs-kwaliteitsverhouding.

Klein, compact, precies, drooglopend, betrouwbaar, duurzaam, onderhoudsarm: daarmee voldoet de polarisatiefilter voor 100% aan de veeleisende eisen in de DUV-lithografie. De glijspindel bleek bij de ontwikkeling en constructie de spil van het geheel. Hij is het hart van de assemblage en maakt de geringe afmetingen überhaupt mogelijk. “We hebben de glijspindel ontwikkeld voor een specifiek klantproject, maar uiteraard profiteren ook andere high-end toepassingen in de halfgeleidertechniek van de unieke eigenschappen van de spindel. Een grote variëteit aan opties maakt maatwerk mogelijk,” benadrukt Detlef Rode.

Breed scala aan aandrijfmogelijkheden

De ontwikkeling van klantgerichte glijspindels behoort tot de kerncompetenties van Feinmess Suhl. Met het bedrijf August Steinmeyer is er bovendien een ervaren partner binnen de Steinmeyer-groep voor de ontwikkeling en fabricage van uiterst precieze kogelspindels. Met speciale smering en coating kunnen deze ook in de halfgeleiderindustrie worden ingezet. Welke technologie de juiste is – glijspindel met droogsmering of kogelspindel met vloeibare smering – hangt uiteindelijk af van de toepassingsvereisten en wordt door de Steinmeyer-specialisten voor elke toepassing individueel bepaald.

Populaire partner voor de halfgeleiderindustrie

Of het nu gaat om handling, inspectie of montage, of het nu HV-, UHV- of EUV-positionering betreft: dankzij zijn brede technologische expertise, uitgebreide engineering-knowhow, diepgaand toepassingsbegrip en grote ervaring is Steinmeyer Mechatronik een gewilde partner bij de constructie, ontwikkeling en productie van veeleisende positioneringsoplossingen voor de wafer- en chipproductie. De beproefde systemen worden klantgericht aangepast aan de specifieke toepassingsvereisten – van het testlaboratorium tot de geautomatiseerde halfgeleiderfabriek tot ISO 14644-1 klasse 1. Alle fabricageonderdelen worden vacuümgeschikt ontworpen en na productie apart gereinigd. De montage vindt plaats in een gecertificeerde cleanroom van ISO klasse 6. Variabele cleanroomcapaciteiten van meer dan 3.900 m² garanderen een uitzonderlijke flexibiliteit. Een cleanroomverpakkingsysteem met stikstof-inertgasvulling beschermt het eindproduct tijdens transport.

“We beschikken over decennia ervaring in de constructie en productie van positioneringssystemen voor toepassingen in de halfgeleiderindustrie en beschikken over speciale knowhow op het gebied van tribologie en smering in droge, zuurstofvrije omgevingen zoals vacuüm en zuivere stikstof. Hierdoor kunnen wij ook voor veeleisende uitdagingen betrouwbare, economische oplossingen realiseren,” benadrukt Elger Matthes en voegt toe: “De drie competentiecentra aandrijftechniek, positioneringstechniek en precisiemeettechniek van de Steinmeyer-groep bundelen een ongelooflijk breed scala aan prestaties. Zo kunnen we synergieën optimaal benutten en specifieke klantwensen snel en eenvoudig realiseren.” Het gezamenlijke ontwikkelingsproject van de DUV-polariaatiefilter is hiervan het beste voorbeeld.