Trends in precisie

Door Hans van Eerden

De lithografiemachines van ASML kunnen al patronen van nanometers breed ‘schrijven’. Ze zijn hét toonbeeld van progressie in het nauwkeurig bewegen en positioneren, van wafer- en maskertafels in dit geval. Dat was in het verleden vooral te danken aan slimme mechanische constructies die bijvoorbeeld speling vermijden en aan dynamische regeltechniek om de invloed van trillingen te minimaliseren.

Tegenwoordig kent ASML een lange lijst met meer of mindere exotische potentiële stoorbronnen. Thermische effecten en verontreinigingen zijn de belangrijkste, maar ook elektromagnetische velden, zwaartekracht of versnellingen van tientallen g kunnen verstorend werken.

Het volgt uit die voortschrijdende miniaturisering van halfgeleiderpatronen, volgens de wet van Moore. Omdat een kortere golflengte nodig is om kleinere patronen te kunnen schrijven, heeft ASML de overstap gemaakt van UV-licht (193 nm golflengte van een ArF-laser) naar extreem-ultraviolet (EUV). Deze straling van 13,5 nm wordt uitgezonden door tin-atomen die zijn geëxciteerd door een laser.
Hoe kleiner de patronen, des te gevoeliger het schrijfproces is voor verstoringen. Het past in een brede trend: hoe groter de precisie, dat wil zeggen hoe kleiner de afmetingen, des te groter het systeem om die te realiseren.

Artist impression van een EUV-lithografiemachine, ongeveer 8 bij 4 bij 4 meter. In paars het optische pad in de (opengewerkte) vacuümkamer. (Beeld: ASML) 

Zwaartekrachtgolven

ASML geldt inmiddels als boegbeeld van de precisietechnologie in Nederland. Logisch, want het bedrijf is met alleen al in ons land meer dan 10.000 medewerkers een aanjager van ons hightech ‘ecosysteem’.

Maar van ultieme precisie zijn zwaartekrachtgolfdetectoren misschien nog wel een krachtiger illustratie. Drie jaar geleden meldden de twee Amerikaanse LIGO-detectoren (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) een eerste waarneming van de door Einstein voorspelde zwaartekrachtgolven.

Inmiddels heeft ook de Europese Virgo-detector gravitatierimpels gedetecteerd. Het principe van de drie detectoren: in twee haaks op elkaar staande kilometerslange meetarmen reizen laserbundels heen en weer tussen spiegels. In de ‘oorsprong’ van de twee armen interfereert licht van de twee bundels met elkaar; gebeurt er iets in de armen dan is dat in het interferentiesignaal te zien.

Zo veroorzaakt een passerende zwaartekrachtgolf ‘ruimterek’. Die laat de meetarmen elk op hun eigen manier – afhankelijk van hun ‘stand’ in de golf – kortstondig minimaal van lengte veranderen. Daardoor ontstaat er een faseverschil tussen de twee laserbundels en dat wordt dus interferometrisch gemeten. De ruimterek ligt in de orde van 10-22 m/m, zodat een meetarm van zeg 3 km lang maximaal 3×10-19 m in lengte verandert. Dit wordt bij LIGO en Virgo gemeten met laserlicht van golflengte 1.064 nm, oftewel orde 10-6 m. De ruimterek van de meetarm is dus minder dan 3×10-13 deel van een golflengte.

Schematische weergave van de Advanced Virgo-zwaartekrachtgolfdetector. (Beeld: Eric Hennes & Mark Beker, Nikhef) 

Partijtje meeblazen

De boodschap is duidelijk, de meetopstelling moet ontzettend gevoelig zijn. Alle mogelijke verstoringen, waaronder seismische trillingen uit de bodem, moeten worden afgeschermd. Voor Virgo-opvolger Advanced Virgo bouwde en ontwierp Nikhef , instituut voor subatomaire fysica, daar een oplossing voor, het zogeheten MultiSAS (SAS staat voor seismic attenuation system). De MultiSAS-opstelling voor trillingsvrije ophanging van een optische tafel van 320 kg bevindt zich in vacuüm. Via Nikhef blaast Nederland dus zijn partij mee in de jacht op zwaartekrachtgolven en dat aandeel kan nog groter worden bij de volgende-generatie detector, de Einstein Telescope (ET). Die moet drie armen van elk 10 kilometer lengte diep onder de grond krijgen. Hiervoor is Zuid-Limburg als locatie in de race. Sowieso komt daar ET Pathfinder, een internationale testopstelling voor ET.

Door Nikhef ontworpen en gebouwde MultiSAS-opstelling voor de Advanced Virgo-zwaartekrachtgolfdetector. Het gaat om de trillingsvrije ophanging van een optische tafel (‘Bench’). (Beeld: Eric Hennes & Mark Beker, Nikhef) 

 

Komt de Einstein Telescope – de volgende stap in de jacht op zwaartekrachtgolven – straks ergens in het Limburgse heuvelland? 

Big business

Lithografie en zwaartekrachtgolfdetectie sluiten goed aan bij de Nederlandse competenties in optomechatronica. Dat is de combinatie van optica en mechatronica, van zichzelf al weer de samenwerking van disciplines als mechanica, elektronica en software. Samenwerken, ‘polderen’, zit de Nederlanders in het bloed, vandaar wellicht onze leidende positie op dit gebied. En dat is ook zakelijk interessant, bij ASML én in de Big Science, zoals zwaartekrachtgolfdetectie. Want die Big Science – meer voorbeelden op de Precisiebeurs – is niet voorbehouden aan de wetenschappers, er is ook ‘big business’ aan verbonden.

Zoals bij de Europese Extremely Large Telescope die in Chili bovenop een berg gaat verrijzen, voor waarneming zonder last van atmosferische verstoringen. De primaire telescoopspiegel, met een diameter van 39 m ‘s wereld grootste, is opgebouwd uit 798 segmenten. Afzonderlijk kunnen alle segmenten optimaal worden gepositioneerd om samen het beste beeld van het diepe universum te genereren. TNO en VDL ETG waren betrokken bij de ontwikkeling. Dit voorjaar ontving VDL ETG Projects de order voor productie van de draagstructuren voor de segmenten (in totaal 936 stuks, inclusief back-up voor onderhoud).

De Extremely Large Telescope met de primaire 39-m spiegel, opgebouwd uit zeshoekige spiegelsegmenten. De draagstructuur voor de spiegelsegmenten wordt in meer dan 900-voud geproduceerd door VDL ETG Projects (Beeld: ESO/VDL ETG) 

Thermisch geconditioneerd

Zoals de zwaartekrachtgolfdetector laat zien is trillingsisolatie een van de grootste opgaven bij het ontwerp van gevoelige hightech systemen. Seismische trillingen zijn een extreem geval; meer alledaagse trillingsbronnen zijn ventilatie- en koelsystemen, het nabije verkeer en de betreffende machine zelf. Voor trillingsisolatie zijn geavanceerde oplossingen ontwikkeld. Voorbeelden zijn actieve vering of demping, en bewegende balansmassa’s om eigentrillingen tegen te gaan in machines met (snel) bewegende systemen zoals wafertafels. Die oplossingen werken zo goed dat een andere storingsbron opkomt als de grootste (resterende) bedreiging voor precisie. Dat is de temperatuur, of beter gezegd, dat zijn thermische effecten.

Thermische effecten beïnvloeden de precisie bijvoorbeeld door uitzetting ten gevolge van warmtetoevoer, van buiten of intern (zoals door motoren die warmte afgeven). Uitzetting is vooral een probleem bij systemen die zijn opgebouwd uit verschillende materialen met elk hun eigen thermische uitzettingscoëfficiënt. Nauwkeurige meetlinten geven opeens niet meer de juiste positie aan, laserbundels raken uit focus, enzovoort. Een logische oplossing is thermische isolatie of het verkleinen van de thermische belasting. Een motor die verder weg is geplaatst zorgt voor een lagere thermische belasting, evenals een efficiënter motortype dat minder warmte afgeeft. Een andere optie is het toepassen van materialen die niet of nauwelijks uitzetten, zoals Zerodur optisch glas voor lenzen. Actieve oplossingen zijn koeling of juist verwarming om een systeem op een constante temperatuur te houden met behulp van terugkoppeling (temperatuur meten en koeling/verwarming regelen).

Constructief zijn er ook opties. Met slim construeren kan een zogeheten thermisch centrum worden gecreëerd op het punt waar het cruciale precisieproces plaatsvindt. Als gevolg van elkaar compenserende uitzettingen van verschillende systeemdelen is in zo’n thermisch centrum de uitzetting nul. Dat (in sommige gevallen virtuele) punt blijft dus altijd op z’n plek.

Vacuüm

Een systeem in vacuüm plaatsen helpt, omdat geleiding en convectie niet meer ‘werken’ voor warmteoverdracht van of naar de omgeving; straling is er nog wel. Een andere connectie tussen vacuüm en precisie betreft absorptie van deeltjes (elektronen) en straling (zoals EUV) onder atmosferische omstandigheden. Daarom werken bijvoorbeeld elektronenmicroscopen en ook de nieuwe EUV-lithografiesystemen met vacuüm. Verontreiniging is dan een probleem, in de vorm van uitgassing van de materialen in de vacuümkamer en van deeltjes die achterblijven na fabricage van de componenten. Schoon verpakken van die componenten voor aanlevering bij assemblage, in een cleanroom, is een kunst op zich. Bij ontwerpen voor vacuüm kunnen naast materiaalkundige ook constructieve aspecten een rol spelen. Bevindt zich een bewegend systeem in een vacuümkamer, dan is verontreiniging door smering en wrijving uit den boze. De kunst is de aandrijving buiten het vacuümdeel te houden en de beweging via een zo lekvrij mogelijke doorvoer in het vacuüm te brengen.

Links is de montage met V-groeven voor een lens te zien met het thermisch centrum (het punt dat niet wordt beïnvloed door thermische uitzetting) in het hart. Door kanteling van de V-groeven (midden en rechts:)verschuift het thermisch centrum naar boven, naar het brandpunt van de lens. (Beeld: Gerrit van der Straaten, Settels Savenije)
 

3D-printen

De uitdagingen in de ontwerpfase voor een precisiesysteem keren terug in de productiefase. Daarom zijn bijvoorbeeld in de loop der jaren grote stappen gezet voor het produceren van steeds nauwkeurigere (metaal)componenten. Dat is danken aan de bouw van steeds geavanceerdere CNC-bewerkingsmachines, mede mogelijk gemaakt door de progressie op ontwerpgebied – waarmee de cirkel rond is. Er is echter nog een andere invalshoek. Ontwerpen voor optimale precisie kunnen niet altijd met conventionele productiemethoden worden gerealiseerd. 3D-printen kan dan uitkomst brengen.

Bekend is het ‘licht en stijf’-principe voor constructies die hoge nauwkeurigheid moeten paren aan hoge dynamica (grote versnellingen). Dat vraagt om lichtgewicht construeren zonder aan stijfheid in te leveren. Daarvoor kan de vormvrijheid van 3D-printen worden uitgebuit met topologie-optimalisatie. Die computertechniek kan een ontwerp genereren met een minimale hoeveelheid materie gegeven de specificaties voor bijvoorbeeld sterkte en stijfheid. Het levert soms abstract-kunstzinnige structuren op.

Een ander toepassing ligt in thermische conditionering. Om systemen op de juiste temperatuur te kunnen houden, moeten bij voorkeur interne koelkanalen worden aangebracht. Voor optimaal resultaat kennen die kanalen soms een complexe geometrie en liggen ze vlak onder het oppervlak.

Conventioneel is dat niet of nauwelijks te realiseren, met 3D-printen juist ‘moeiteloos’. In principe, want in precisie-printen zijn er nog wel stappen te zetten. Maar ook hier is weer die ronde cirkel: dankzij de voortgang op precisiegebied zijn er steeds nauwkeuriger printers te ontwerpen en bouwen.

Een licht en stijf onderdeel voor een precisiemachine, geprint na topologie-optimalisatie van het ontwerp. (Beeld: Ralph Huybers, Nexperia) 

Metrologie

Al die precisie is alleen zinvol als je het ook kunt meten. Geavanceerde meetinstrumenten voor precisie zijn onder meer laserinterferometers en 3D-coördinatenmeetmachines, die respectievelijk contactloos en met tastercontact werken. Ook de prestaties van die apparaten volgen op hun beurt de ontwikkelingen in precisieland. Met metrologie zijn we terug bij de micrometers, nanometers en picometers. Op internet overheersen nu de nanometers: Google geeft voor micro-, nano- en picometrology respectievelijk ruim 46.000, meer dan 190.000 en slechts 400 hits. In de picometers valt dus nog een wereld te winnen. Gelukkig staat precisie nooit stil.