Halbleiterfertigung  Prüfstand: Geschichte eines Updates

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Bei der Halbleiterfertigung sind höchste Hygiene, Präzision und Sicherheit unverzichtbar. Auch beim Wafer-Handling in Laserlithografie-Maschinen. Dafür hat ACE Stoßdämpfer gemeinsam mit mittelständischen Partnern einen neuen Prüfstand für exakt abgestimmte Stoßdämpfer entwickelt.

Kaum eine Branche ist eine so wichtige Schlüsselindustrie für das 21. Jahrhundert wie die Mikroelektronik. Prozessoren und Speicherchips sind unverzichtbar für das Funktionieren der Welt. Der Bedarf ist gewaltig, der Technologieaufwand immens. Darum verwundert es nicht, dass die Hersteller einen hohen Aufwand betreiben, um ihre Produktionsabläufe zu optimieren und vor allem auch ausfallsicher zu gestalten. Das gilt vor allem für die Laserlithografie als grundsätzliches Verfahren zur Erzeugung von Strukturen in Beschichtungen auf der Oberfläche eines Wafers. Das Beschichten und Weiterverarbeiten findet in automatisierten Verfahren statt, streng abgesichert und kontrolliert. Darum sind auch die Handlingsysteme für das Bewegen der Wafer auf größte Zuverlässigkeit hin optimiert. Ihre Konstruktion besteht aus bewährten, hochwertigen Standardkomponenten für Antriebe, Steuerung und Linearachsen, alle auch tauglich für die Arbeit in Reinräumen.

Dämpfungstechnik von ACE auf jeder Prüfstand-Generation

Eine essenzielle Komponente für die Sicherheit der Chipfertigung mittels der Laserlithografie-Maschinen sind hydraulische Stoßdämpfer. Sie werden als Notstoppdämpfer in den Bewegungsachsen der in den Maschinen integrierten Handlingsysteme eingesetzt, was neben der X- und Y-Achse auch die mittig angeordnete Center-Pole-Achse (CP) betrifft. Diese Achsen dürfen bei einem Strom- oder Steuerungsausfall nur mit maximal zulässigen Kräften belastet werden, damit die viele Millionen Euro teuren Maschinen unbeschadet bleiben. Ein führender Hersteller setzt hierbei auf Kleinstoßdämpfer von ACE, den zur Stabilus-Gruppe gehörenden Dämpfungsspezialisten aus Langenfeld im Rheinland. Deren so hochwertigen wie robusten, mechanischen, stromunabhängigen und reinraumtauglichen Maschinenelemente passen perfekt zum Anspruch an Hochwertigkeit und Zuverlässigkeit.

In einer ausführlichen Entwicklungsphase werden für jede der drei Achsen passende Komponenten aus dem vielfältigen Kleinstoßdämpfer-Portfolio des Herstellers gewählt und dann individuell auf die Anforderungen angepasst. Um dem Anspruch des Kunden zu genügen, geht das Unternehmen die Extra-Meile und testet die nach Maß angepassten Dämpfer jeweils vor der Auslieferung auf einem eigens für diese Anwendung gebauten Prüfstand. Dazu kooperiert der Anbieter mit dem deutschen Unternehmen Ferchau aus Gummersbach, Spezialist für Engineering-Dienstleistungen und mit dem Automotive-Bereich in Köln in direkter Nähe von Langenfeld angesiedelt. Gemeinsam mit Thomas Büttner, heute Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei Ferchau am Standort Schweinfurt, entstand 2003 ein Prüfstand, der individuell für die Kundenanforderungen konzipiert und konstruiert wurde. Dieser leistete viele Jahre sehr gute Arbeit und half, die hohe Qualität der Kleinstoßdämpfer für die Laserlithografie-Maschinen zu kontrollieren und zu sichern. Als das Risiko bestand, dass der Prüfstand bei einem Defekt aufgrund mittlerweile fehlender Ersatzteile nicht mehr verfügbar sein würde, begann eine neue Kooperation.

Gleiche Grundbedingungen – neue Wünsche und neue Lösungen

Das Handlungsfeld für den neuen Prüfstand war mit dem des alten identisch: Es galt weiterhin, drei verschiedene Kleinstoßdämpfertypen zu testen, die als Notstoppdämpfer in den Achsen der Laserlithografie-Maschinen eingesetzt werden. Die zu bewältigenden Massen und Geschwindigkeiten entsprechen den Original-Anwendungsdaten des Kunden: Für die CP-Achse sind 95,83 Kilogramm bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 1,29 Metern pro Sekunde zu dämpfen, für die Y-Achse ebenfalls 95,83 Kilogramm, jedoch mit einem Antriebstempo von 1,08 Metern pro Sekunde, und für die X-Achse 26 Kilogramm bei 2,48 Metern pro Sekunde. Dazu wurde ein Horizontalprüfstand konzipiert, der die verschiedenen Massenkräfte auf einem Schlitten mit Hilfe eines elektrisch angetriebenen Linearmotors auf hochwertigen Linearführungen auf die genannten Werte beschleunigt.

Schwingungstechnik

ACE präsentiert Demonstrationsgerät für Schulungen

Gleichzeitig hatte der Endkunde neue Wünsche an „seinen“ neuen Prüfstand, durch die er noch präzisere Ergebnisse und letztendlich noch mehr Sicherheit erzielen wollte. Dazu Thomas Büttner, der die Kundenanforderungen an die jetzige Evolutionsstufe erläutert: „Der Teststand ist eigentlich eine Verkörperung des Impulserhaltungssatzes und kann über seinen generischen Aufbau, seine verwendete Antriebstechnologie, seine integrierte Mess- und Regelungstechnik die geforderte Kraft-Weg-Kurve darstellen.“ Stephan Melzer, Projektleiter System- & Funktionsentwicklung von Ferchau, ergänzt: „Vom Kunden gab es als Anforderung ein sehr enges Toleranzband, um das die Geschwindigkeit des Schlittens abweichen darf. Diese wird bei uns im Frequenzumrichter über einen Linien-Encoder gemessen und nachgeregelt.“ Um nun die Genauigkeit im Vergleich zum Vorgängersystem zu erhöhen, verbauten die Entwickler einen Encoder mit einer Auflösung von 50 Mikrometern. Damit kann die Geschwindigkeit wiederholgenau mit einer Toleranz von weniger als +/-0,02 Metern pro Sekunde eingestellt werden.

Eine zweite Herausforderung betraf den Abschaltpunkt des Antriebs. Der Wunsch: Um die Messung möglichst wenig zu verfälschen, soll der Antrieb einen Millimeter vor dem Dämpfer abgeschaltet werden. Denn es soll nur die Bewegungsenergie der bewegten Masse vom Dämpfer absorbiert werden. „Um das zu erreichen, muss der Motor bei Erreichen der gewünschten Position innerhalb von 403 Mikrosekunden stromlos geschaltet werden“, so Projektleiter Melzer. „Diese Zeiten waren mit der üblichen Kombination aus SPS und Frequenzumrichter nicht darstellbar.“ Die Lösung bestand darin, die Bewegung auf einem programmierbaren Frequenzumrichter zu realisieren und die Kommunikation über einen Industriebus zu vermeiden. „Ein Test im Herstellerlabor hat uns das bestätigt: Ein Industriebus wäre einfach zu langsam gewesen“, erklärt Stephan Melzer. 

Reibverluste mitgedacht und von der Simulation zum Test

Das Entwicklungsteam von ACE und Ferchau ging bei diesem Projekt für die höchste Präzision im Sinne des Kunden noch weiter. Beispielsweise bezogen sie in ihre Berechnungen auch Reibverluste und sogenannte Cogging Forces, also Polfühligkeiten der Magnete des Linearmotors ein. Diese Kräfte hat der Anbieter entsprechend durch eine Gewichtskompensation berücksichtigt. Und weil das Vorgehen auf dem Weg zum perfekt passenden Stoßdämpfer mehrstufig ist, wählen die Ingenieure zunächst die für die jeweilige Achse geeigneten Typen aus dem Katalogprogramm des Herstellers. Im zweiten Schritt werden dann jeweils konkrete theoretische Auslegungen für jedes dieser Produkte mit Hilfe einer Simulationssoftware durchgeführt. Konkret werden dabei Anzahl und Größe der Drosselbohrungen im Inneren der Dämpfer am Computer simuliert, um die Kraft-Weg-Kurve zu optimieren. Diese optimierten Bohrbilder werden dann in Prüflingen realisiert. Reale Messungen auf dem Prüfstand werden getätigt und mit den Berechnungen der Simulationen verglichen.

Moderne Messtechnik und der tägliche Betrieb des Prüfstands

Für diese Messungen vertraut ACE auf die Lösungen der Burat & Klein Datentechnik aus Meckenbeuren im Bodenseekreis. Es galt, beim neu entwickelten Prüfstand zum einen den Dämpfungsweg über ein Laser-Weg-Messsystem zu ermitteln und zum anderen die tatsächliche Stützkraft über Kraftsensoren. Hierfür installierten die Spezialisten von Burat & Klein eine individuell angepasste Messanlage, die MultiMessBox. Die daran angeschlossenen Piezo-Kraftsensoren und die Wegaufnehmer gewinnen dann Daten, die mit der Software MessMax ausgewertet werden können. So ist es möglich, die beim Realtest gemessene Kurve mit der in der Simulation erstellten übereinanderzulegen – also die Theorie in der Praxis zu validieren. „Mit der Auswertesoftware von Burat & Klein können wir die drei essenziellen Parameter abgleichen und die Ergebnisse automatisch in Excel exportieren“, erklärt Jörg Küchmann, Ingenieur aus der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von ACE. Im vorliegenden Fall werden die maximale Stützkraft, der maximale Dämpfungsweg und zusätzlich die Energie, also die Fläche unterhalb der Kraft-Weg-Kurve, ausgewertet und überprüft.

Im Alltag bei ACE läuft der Prüfstand in einem eigenen, gesicherten Bereich. Zuerst muss er mit Gewichten bestückt werden, je nach dem, für welche Achse der Laserlithografie-Maschine die zu prüfenden Stoßdämpfer vorgesehen sind. Dann wird der Prüfling in eine axial verschiebbare Dämpferaufnahme eingeschraubt, hinter der drei Piezo-Kraftsensoren positioniert sind. Diese Sensoren sind speziell auf die zu erwartenden Kräfte kalibriert, wodurch die Messungen noch genauer werden. Dann kann der Bediener an einem Touch-Display die Prüfgeschwindigkeit einstellen. Nach dem Start wird die Masse vom Linearmotor beschleunigt und fährt mit konstanter Geschwindigkeit weiter. Einen Millimeter vor dem Referenzpunkt – der Kolbenstange des Stoßdämpfers – wird die Antriebskraft abgeschaltet und die Masse fährt mit der kinetischen Energie in den jeweiligen Kleinstoßdämpfer. Der speziell für den Kunden optimierte Dämpfer verzögert sodann die Masse gleichmäßig und baut die Geschwindigkeit entsprechend linear ab. Die von den Piezosensoren gemessene Stützkraft bleibt dabei über den gesamten Dämpferhub annähernd konstant. Die gemessenen Resultate können dann mit den zulässigen Grenzwerten der Anwendung abgeglichen werden – und der Dämpfer wird entsprechend als „in Ordnung“ oder „nicht in Ordnung“ abgespeichert. So testet ACE für den Hightech-Kunden mehrere Tausend Dämpfer pro Jahr.

Deutliche Verbesserungen und geplante Roboter-Integration

Neben der erhöhten Zukunftsfähigkeit durch die technische Aktualisierung bietet der neue Prüfstand weitere Vorteile im Alltag. So ist er wiederholgenauer mit seinem optimierten Messsystem und der genaueren Steuerung in Verbindung mit dem optischen Weg-Messsystem. Auch konnten die Toleranzen der Messung reduziert werden – ein zusätzliches Plus an Sicherheit für den Hersteller und vor allem für den Kunden. Außerdem verfügt der Prüfstand über ergonomische Vorteile und ist vom Prüfpersonal besser und schneller zu bedienen.

Derzeit wird der Prüfstand händisch mit Prüflingen bestückt, bis zu 200 Kleinstoßdämpfer pro Tag werden dabei getestet – für den Anbieter ein Potenzial für Automatisierung. So erstellen die Entwickler aktuell ein Konzept für einen automatisierten Bestückungsprozess. Dafür soll jeder Prüfling für die Zuordnung zur aufgenommenen Kennlinie gescannt werden. Eine KI-Kamera liest dazu die gravierte Seriennummer jedes Dämpfers ein. Dann schraubt ein Roboterarm den Proband in den Prüfstand hinein und nach dem Test wieder heraus. So kann das Unternehmen künftig komplette Stoßdämpfer-Chargen vollautomatisiert checken und per Vergleich die Kennlinien validieren. Damit wird eine weitere Stufe der Optimierung erreicht, und die Erfolgsgeschichte des Teams der drei deutschen mittelständischen Spezialunternehmen ACE, Ferchau sowie Burat & Klein wird weitergehen.

Jens Frantzen M. A. ist Redakteur.

Robert Timmerberg M. A. ist Fachjournalist (DFJV) und Geschäftsführer von plus2 in Düsseldorf.