Alles uit de kast voor elke picometer

Fei in Eindhoven maakt elektronenmicroscopen om supergedetailleerde opnames te maken. De beeldresolutie benadert inmiddels de 0,01 nanometer. Behalve dat de optiek die nauwkeurigheid moet halen, speelt ook het objectplatform een sleutelrol. Die stage moet ervoor zorgen dat de focus op de goede plek komt en blijft. Omgevingsfactoren zoals pratende mensen, seismische trillingen, temperatuureffecten en zelfs het weer kunnen de boel in het honderd laten lopen. Een storing bedraagt zo een handvol nanometers.

Alexander Pil
25 juni 2013

’Ik heb dit meegebracht om de range aan te geven van wat we hier ten opzichte van onze lenzen manipuleren‘, zegt Hans Persoon, senior designer bij Fei. Voor hem op tafel liggen een grote 300 millimeter wafer en een ringetje met een objectgaasje van slechts een paar millimeter in doorsnede. ’Beide zaken verplaatsen we met veel plezier in de vacuümkamers onder onze elektronenmicroscopen. Het zal je echter niet verbazen dat we daar verschillende manipulatoren voor gebruiken‘, lacht Persoon.

Fei ontwikkelt elektronenmicroscopen waarmee onderzoekers opnames maken met een beeldresolutie van 0,1 ångström. Die nauwkeurigheid vraagt veel van de objectstage. Behalve dat die met hoge precisie instelbaar moet zijn, mag hij gedurende de meettijd van een paar minuten ook niet bewegen.

Zijn collega Edwin Verschueren legt uit waar voor Fei de mechatronische uitdaging ligt. ’Onze scanning electron-microscopen halen een nauwkeurigheid van zo‘n 0,5 nm. Met onze transmission electron-apparaten komen we tot een nog hogere resolutie. Daar zitten we typisch op 0,1 ångström. Het manipuleren van de objecten doen we vaak in vacuüm en cryogene omstandigheden. Dan heb je het over temperaturen van -150 tot -180 graden Celsius. Die extreme omstandigheden maken het er niet makkelijker op om nauwkeurig te positioneren‘, aldus de senior control engineer.

Ondanks de hoge gewenste precisie is de truc vooral om de stage te laten stilstaan. Persoon: ’Het is niet het spannendste om met de juiste nauwkeurigheid het gewenste plekje op het object te vinden; dat lukt nog wel. Maar op het moment dat je een plaatje wilt maken, zetten we alle motoren uit om trillingen tegen te gaan. Zo‘n situatieverandering kan ervoor zorgen dat sommige zaken zich gaan zetten. Dat is probleem een. Als het object dan eenmaal stilstaat, heb je te maken met het vervelende fenomeen van drift, waardoor het onderwerp uit beeld verdwijnt. Dat is twee. Daar komt dan nog akoestische belasting bovenop. Omgevingsgeluiden zoals van pratende mensen of voorbijrijdende vrachtwagens grijpen aan op onze systemen, waardoor die met een heel kleine amplitude heen en weer bewegen. Als je een beetje pech hebt, stoot je net iets cruciaals aan. Dan ga je nat. We moeten heel erg ons best doen om al die storingsbronnen zo klein mogelijk te houden.‘

Ook de koelsystemen die Fei gebruikt in verband met de cryogene wensen van een aantal klanten uit de wereld van life sciences en microbiologie introduceren de nodige trillingen. ’Hoe we met al die factoren omgaan?‘, vraagt Verschueren. ’Ten eerste moet je heel goed weten waar de storingen vandaan komen. Zijn ze het gevolg van vloertrillingen of komt het door de interne elektronica? Ook moet je je afvragen hoe groot ze zijn. Je kunt een systeem wel overal heel stabiel voor maken, maar niet iedere klant heeft dat nodig. Het maakt een groot verschil of een microscoop in een aardbevingszone zoals Japan staat of ergens in alle rust boven op een berg. We hebben daar inmiddels aardig wat kennis over opgebouwd.‘

 advertorial 

Keynote speech by Mark Vaes (Additive Industries)

Mark Vaes (Additive Industries) will deliver the keynote speech during the Idea to Industry Conference (Eindhoven, 7 October). During his presentation he will explain his experiences on how to bring an idea to the market and what it takes to grow from startup towards a scale up. Take a look at the full conference program and make sure you sign up in time for this corona-proof event, as seating capacity is limited.

Persoon vult aan: ’Het is ook afhankelijk van of de microscoop wordt gebruikt in een laboratorium, waar Fei-systemen van oudsher vaak terechtkomen, of in een industriële omgeving, waar ons bedrijf steeds meer op mikt. Het geluidsniveau kan zo maar 17 dBc schelen. Daar moet je op inspelen als machinebouwer.‘

De meest voor de hand liggende oplossing is om de microscopen goed in te pakken in een geluidsdichte jas. Dat klinkt misschien simpel, maar dat is het allerminst. ’Het is absoluut een effectieve manier, maar er zitten wel wat haken en ogen aan‘, weet Verschueren. ’Je kunt alles wel inpakken in een goed gesloten kast, maar dan mogen er natuurlijk geen geluidslekken zijn. Je wilt echter wel een luikje in het systeem hebben waardoor een gebruiker zijn sample makkelijk kan invoeren. Dat zijn tegengestelde eisen. Waar kunnen we die deur het beste plaatsen en hoe moeten we hem uitvoeren? Als je de kast ziet, lijkt het allemaal heel simpel, maar we zijn behoorlijk wat tijd kwijt om dat goed te designen.‘

Uit koers

Fei moet alles uit de kast halen om de samples onder de microscoop te beschermen tegen alle externe trillingen. Net als veel van zijn klanten heeft het in zijn Eindhovense test- en demoruimte een speciale trillingsvrije vloer geïnstalleerd. Als de situatie daarom vraagt, adviseert het bedrijf dat gebruikers de microscoop op een actief gedempte isolatietafel zetten. Al die maatregelen dragen zeker hun steentje bij, maar het meest efficiënt is om de problemen aan te pakken op de plek waar het echt pijn doet: in de vacuümkamer.

De omgeving waarin de Fei-mechatronici werken, beperkt ze danig. Magnetische componenten zijn uit den boze omdat ze de elektronenbundel verstoren. Veel plastics mogen niet omdat ze uitgassen en het vacuüm verprutsen.

’Dan moet je kijken naar het dynamisch ontwerp van de stage, met speciale aandacht voor de eigenfrequenties‘, aldus Verschueren. Helaas voor Fei is het geen rechttoe rechtaan xyz-tafeltje. ’In ons Sem-aanbod hebben we een zogenaamde dual beam-variant, waar behalve de elektronenbundel ook een ionenbundel in zit. Het voordeel is dat je er bewerkingen mee kunt uitvoeren op je sample. Het lastige is alleen dat de twee bundels onder een hoek van elkaar zitten. Omdat het beeld toch altijd loodrecht op de bundel moet staan, moeten onze stages kunnen tilten. Waar het bij bijvoorbeeld ASML grotendeels in het xy-vlak gebeurt, hebben we bij Fei te maken met een tiltas die over een hoek van -10 tot 60 graden kan roteren. En omdat we ook het beeld nog willen roteren, werken we met vijf vrijheidsgraden.‘

De uitdaging is om het sample zo stijf mogelijk vast te maken aan de stage. Ook de stage zelf moet goed vastzitten en bestand zijn tegen hoogfrequente trillingen. Zo stijf mogelijk construeren is het motto, zonder dat het ten koste gaat van alle nauwkeurige bewegingen die de stage moet maken. ’Dat zijn twee tegenstrijdige belangen‘, legt Persoon de vinger op de zere plek. ’We hebben onze trucjes om de gulden middenweg te vinden.‘ De twee ingenieurs willen niet te veel in detail treden omdat het systeem vol zit met beschermd IP.

Een bijkomend probleem waarmee de Fei-ontwikkelaars worden geconfronteerd, is dat ze in de vacuümkamer geen magnetische materialen mogen gebruiken. Een magnetisch veld zou de elektronenbundel immers behoorlijk uit koers brengen. Verreweg de meeste elektromotoren zijn echter gebaseerd op magneten. Verschueren: ’Er zijn wel niet-magnetische piëzomotoren, maar die hebben het nadeel dat ze ontzettend niet-lineair zijn. Zeg dan maar vaarwel tegen de klassieke regeltechniek. In tegenstelling tot onze concurrenten zijn we er wel in geslaagd om het onder controle te krijgen. Dat geeft ons een bijkomend voordeel dat we in de kamer lokaal een magnetisch veld kunnen creëren om net even een hogere resolutie te halen.‘

Alles vastbouten

Fei kan op dit moment in de x- en y-richting op ongeveer 50 nm settelen. ’Op de encoder positioneren‘, verduidelijkt Persoon. ’Dat is niet hetzelfde als de nauwkeurigheid van de samplepositie. We werken met vijf vrijheidsgraden. Je krijgt het niet voor elkaar om dat allemaal in één vlak te doen; je moet de bewegingen stapelen. Er zit dus een stuk mechanica tussen het sample en de meting bij de encoder. Als het sample op honderdvijftig millimeter van een as ligt en daar meet je een nauwkeurigheid van vijftig nanometer, wil dat niet zeggen dat het sample ook zo nauwkeurig is gepositioneerd. In theorie zijn alle assen namelijk kaarsrecht, maar in de praktijk blijken ze een beetje krom. Daardoor krijg je allerlei parasitaire bewegingen.‘

Verder heeft Fei te kampen met allerlei fenomenen die niet reproduceerbaar zijn. Door hysterese is de herhaalnauwkeurigheid van een lager bijvoorbeeld beperkt. De positie hangt af van de de stand van de kogels. Daar zit kruip op, waardoor het telkens net wat anders gaat. Ook temperatuurvariaties zie je terug: als de motor opwarmt, vertoont hij ander gedrag. Of vervorming van de kamer door drukveranderingen. Het lijkt allemaal triviaal, maar zulke effecten resulteren al snel in afwijkingen van een paar nanometer. ’En dan ben je weer nat‘, aldus Persoon. Zelfs het weer heeft invloed. ’Als er een onweerswolk overtrekt, zou je dat kunnen terugzien in het beeld als je er niet voor hebt gecorrigeerd.‘

’Het komt neer op slim ontwerpen en meten op de juiste plek‘, legt Verschueren uit. ’Dat kan door de assen net wat anders te stapelen. En door alles zo stijf mogelijk te designen zodat de overdracht goed is. Het mooiste is natuurlijk om alles vast te bouten, maar dan kun je niet meer bewegen. Met wrijving kun je wel een hoge mechanische stijfheid behalen, maar wrijving is lastig te controleren, zeker in standaard lagers. We gaan daarmee om door een heel hoge bandbreedte op de motion-controller te zetten. Dat kan alleen als het mechanisch ontwerp op orde is. Als je een stijve koppeling hebt tussen de encoder en de motor, kun je een hoge bandbreedte halen en dus nauwkeuriger positioneren.‘

Persoon: ’De standaard lagers die wij gebruiken, zijn op één hand te tellen. Bijna allemaal zijn ze dedicated gemaakt voor ons. Daarbij maken we gebruik van alle toeleveranciers in de wereld, maar gelukkig zitten er ook in paar in Nederland. Zo levert PM Bearings uit Dedemsvaart goed werk en betrekken we vaak lagers bij Ceratec. Dat bedrijf uit Geldermalsen levert keramische lagers. Dat is natuurlijk erg interessant voor ons vanwege het niet-magnetische materiaal. Het voordeel van keramiek is bovendien dat het een relatief hoge elasticiteitsmodulus heeft ten opzichte van zijn soortelijke massa. Je kunt dus licht en stijf construeren. Veel mensen denken gelijk aan aluminium als het lichtgewicht moet zijn. De verhouding tussen de elasticiteitsmodulus en de massa van aluminium is echter hetzelfde als van staal. Dat schiet dus niet op.‘

Keramiek heeft ook nadelen. Het kan geen trek hebben, alleen druk. ’Als je het verkeerd in je constructie zet, dan springt het‘, heeft Verschueren in de praktijk ervaren. ’Dan rijd je met een lagertje over een stukje keramiek en komen de splinters ervan af.‘ Ook is het een relatief duur materiaal, onder meer omdat er vaak nog een flinke nabewerking nodig is. ’Gelukkig zijn de leveranciers ter zake kundig. Als je het productieproces goed onder controle hebt, hoef je niet zo veel na te bewerken en valt de prijs best mee‘, aldus Persoon.

Markers

Zoals gezegd, is drift een belangrijk aandachtspunt voor Fei. ’Bijvoorbeeld in de halfgeleiderwereld zie je dat er steeds meer wordt geautomatiseerd‘, zegt Verschueren. ’Dus automatisch het sample uit de wafer pakken en automatisch naar de Sem brengen. Dan heb je een reproduceerbaar systeem nodig, maar ook een constant systeem. Zo‘n proces duurt tien tot vijftien minuten. Al die tijd mag het sample niet driften want dan verlies je nauwkeurigheid. We hebben daar nog niet echt een antwoord op gevonden.‘

Helaas voor Fei is de stage geen rechttoe rechtaan xyz-tafeltje. Onderzoekers willen het beeld ook kunnen roteren. Bovendien is het voor de dual beam-variant nodig om het monster te tilten over een hoek van -10 tot 60 graden. Al die bewegingen moet het bedrijf nauwkeurig onder controle houden. Fei heeft de hulp van Frencken Europe ingeroepen voor de assemblage en test van de stages.

Drift heeft twee oorzaken: mechanische relaxatie en temperatuureffecten. ’Bottomline is dat je het moet kwantificeren om het te kunnen voorspellen‘, aldus Verschueren. ’Pas dan kun je ervoor corrigeren. Op dit moment doen we dat nog niet. Als je de requirements van de klanten bekijkt, moeten we het echt onder de knie krijgen.‘

De markteisen zijn zwaar. De meest kritieke dimensies in de halfgeleiderindustrie liggen op 14 nm. Gedurende het hele proces moet het beeld nauwkeurig daarop gefocust blijven. In zijn Focussed Ion Beam-technologie heeft Fei al een voorlopige oplossing geïmplementeerd. Met het FIB-proces kunnen de systemen nauwkeurig materiaal weghalen. De bundel stopt regelmatig om te kijken of hij nog wel op de goede plaats aan het werk is. Verschueren: ’Dat gebeurt op basis van markertjes. Maar niet in alle toepassingen is er ruimte om die neer te zetten, bijvoorbeeld omdat er gevoelige circuits liggen. Het werkt goed, maar omdat je steeds moet stoppen, gaat de throughput naar beneden. Op dit moment is de capaciteit van de lijn twee tot drie samples per uur. Dat moet naar vijf tot zes, waarbij de winst overigens niet alleen van driftcontrole moet komen hoor.‘

Evolutie

In hoeverre maken de Fei-ontwikkelaars gebruik van modelleer- en analysetools? ’Daar waar nodig‘, antwoordt Verschueren. ’In onze ontwerpfilosofie zijn we redelijk pragmatisch, dus we proberen het eerst met de hand uit te rekenen.‘ Persoon valt hem bij: ’Het is verstandig om zo nu en dan met beide voetjes terug op de grond te staan en te kijken of het allemaal wel klopt wat je in je model hebt staan. Want eindige-elementenmethodes, ik vind ze geweldig, maar er wordt ook heel veel mee gerotzooid. De uitkomst is zo goed als de input die je geeft. Je hoeft je randwaardes maar verkeerd te zetten en het slaat helemaal nergens meer op. Wij doen dus vrij veel met de hand.‘

Verschueren weer: ’Ik vind eigenlijk veel belangrijker dat je de data die je hebt op een goede manier weet te analyseren. In het verleden waren we soms iets te pragmatisch. We maakten dan snel een afschatting van de stijfheden en de massa‘s om te beoordelen of we de gewenste bandbreedte gingen halen. We gingen al snel over tot een functioneel ontwerp en een opstelling om het principe aan te tonen. Tegenwoordig doen we een stapje vooraf en modelleren we veel beter. Met Matlab en Simulink proberen we te voorspellen of we in de goede richting zitten. Onze laatste ontwerpen hebben we op die manier gedaan en daarmee hebben we de doorlooptijd en de risico‘s flink gereduceerd. Soms leveren die tools niets op en moeten we echt een testopstelling maken. Uiteindelijk is het altijd een evolutie waarbij je bouwt op de kennis en de kunde van de vorige stage.‘

Harder werken

Fei krijgt steeds meer te maken met klanten die in cryogene omstandigheden en in vacuüm naar hun samples willen kijken. Voor de Eindhovense ontwikkelaars houdt dat in dat ze beperkt zijn in hun materiaalkeuze. ’Denk aan plastics: er zijn er plenty die uitgassen en het vacuüm verstoren‘, schetst Persoon het probleem. ’De ellende is dat die vervuiling altijd haar weg vindt naar het object dat je aan het bekijken bent.‘

Verschueren vult aan: ’Je hebt nog te maken met een ander effect, namelijk dat het water verdwijnt. Bij 10-6 mbar onderdruk zit er altijd nog wel een beetje water in de kamer, op de wanden of op de stage. Ga je naar hoog vacuüm van 10-7 mbar, dan zijn de watermoleculen grotendeels weg. Dat heeft invloed op de wrijving, waardoor bijvoorbeeld een ultrasone piëzomotor zich ineens heel anders gedraagt. Voor de levensduur van de motor maakt dat ook uit omdat hij harder moet werken.‘

Voor de cryogene eisen heeft Fei op dit moment een oplossing voor zijn transmissie-elektronenmicroscoop. De aansturing gebeurt daar nu nog buiten het vacuüm en de cryogene kamer waardoor het relatief eenvoudig is. Het is slechts zaak de koppeling naar de systemen in de kamer onder controle te houden. Verschueren: ’Ik verwacht dat we er in de toekomst niet aan ontkomen om de aandrijving bij cryogene temperaturen te doen. Daar zie ik wel wat uitdagingen. Ik weet nog niet hoe we die moeten oplossen. Daar moeten we kennis over opbouwen.‘