Mecal laat machines stilstaan

In chipfabrieken maar ook in researchlabs kunnen storende vloertrillingen de performance van hightech machines volledig verknallen. Mecal ontwierp een eenvoudige, flexibele oplossing die externe vibraties de kop indrukt. Zijn Equalizer-systemen staan al bij diverse Aziatische klanten.

Alexander Pil
2 maart

Het is iets dat ontwikkelaars liever niet bovenaan hun lijstje schrijven als ze de designeisen voor hun nieuwe machine op een rijtje zetten. Maar als de prestaties van hun super nauwkeurige systeem kunnen worden beïnvloed door stoorkrachten en trillingen van buitenaf, komen ze er niet onderuit; dan moeten ze aan de slag met trillingsonderdrukking.

Veel machines in een halfgeleiderfabriek zijn erg gevoelig voor vloertrillingen. Het Equalizer-systeem van Mecal kan die vibraties slim onderdrukken.

Om te voorkomen dat externe vibraties doorwerken op de processen in de machine, zijn er verschillende opties. De eerste is wellicht een beetje flauw, maar daarom niet minder nuttig: verwijder de trillingsbron. Pompen in het gebouw of een trillende machine in de buurt kunnen namelijk makkelijk roet in het eten gooien. ‘Het is vaak makkelijker gezegd dan gedaan om die bronnen te elimineren’, zegt Mecal-cto Bernhard Bakker. ‘Het is indrukwekkend hoeveel apparatuur en hoeveel kabels en leidingen er in een serviceruimte van een chipfabriek staan en liggen. Probeer in dat doolhof maar eens te achterhalen waar de trillingen nou precies vandaan komen die jouw inspectietool in de weg zitten.’

Natuurlijk zijn er trucs en technieken om trillingen en vibraties in kaart te brengen en te ontdekken waar ze vandaan komen. Maar al die machines en systemen staan er natuurlijk niet voor de lol. Vaak kun je ze simpelweg niet weghalen, omdat ze een onmisbare schakel in het gehele proces zijn. ‘Als het lukt om de storende trillingsbron te verwijderen, is dat de beste oplossing. Vaak is het echter onbegonnen werk’, stelt Bakker.

Antigeluid

Een tweede remedie tegen storende vibraties is trillingsisolatie. Kort gezegd, komt dat erop neer dat je ervoor zorgt dat de trillingen in de vloer het machineplatform niet bereiken. ‘Dat doe je door er een slappe afvering tussen te zetten’, weet Bakker. ‘Zo’n oplossing werkt uitstekend. Boven een bepaalde frequentie kun je dan alle trillingen prima wegfilteren. Het nadeel is dat zo’n machine vaak zijn interne krachten wil afgeven aan de omgeving maar via die slappe afvering lukt dat niet.’ Trillingsisolatie is dus regelmatig niet de goede oplossing.

Mecal heeft een derde methode bedacht die je enigszins kunt vergelijken met ruisonderdrukkende koptelefoons. ‘Dat principe van antigeluid kun je ook toepassen op vloertrillingen’, legt Bakker uit. ‘Met sensoren meet je de trillingen, je berekent de frequentie en de amplitude van de correctie die nodig is, en je genereert een tegenkracht.’ In de basis is dat hoe het Equalizer-systeem van Mecal werkt.

VC-D

Laten we wat meer in detail treden. Als een machinebouwer zijn systeem bij een klant wil installeren, geeft hij vloerspecificaties mee. Voor heel wat apparatuur liggen die eisen niet al te hoog en is een stevige betonvloer voldoende. Maar zeker in de halfgeleiderindustrie, waar elk detail telt, is een normale bouwconstructie over het algemeen ontoereikend voor de uiterst gevoelige machinerie die het huisvest.

Door de Equalizers op de juiste plek neer te zetten worden de storende pieken in het frequentiedomein tot 100 Hz de kop ingedrukt.

Bij de bouw van chipfabrieken ligt de lat daarom beduidend hoger. ‘Die worden gebouwd op basis van gestandaardiseerde specs voor vloertrillingen. Meestal zitten ze op VC-C-niveau, wat betekent dat trillingen in het frequentiegebied tussen 1 en 100 Hz een maximale snelheid van 13 micrometer per seconde hebben’, vertelt Bakker.

Dat klinkt bijzonder nauwkeurig maar bijvoorbeeld elektronenmicroscopen of inspectietools voor euv-maskers stellen nog hogere eisen. ‘Dan moet je denken aan VC-D – 6 µm/s – of zelfs nog beter. Die stap is niet evident’, stelt Bakker.

Wolkenkrabber

Het was een leverancier van maskerinspectietools die Mecal op het pad zette dat leidde tot de Equalizer. ‘Het systeem dat het bedrijf had ontwikkeld, kon niet worden geplaatst bij potentiële klanten omdat de eisen aan de toegestane vloertrillingen te hoog lagen’, vertelt Bakker. ‘Het had een eigen trillingsisolatiesysteem in zijn machine ingebouwd. Uit vrees voor interferentie stond het gebruikers niet toe om daar een actief tweede systeem onder te zetten.’ De klant zat klem.

Mecal-ingenieurs probeerden het probleem eerst op te lossen met een zogenaamde tuned mass-demper. Die techniek wordt ook gebruikt om trillingen in wolkenkrabbers tegen te gaan. Bovenin zo’n toren hangt een zware kogel. Als de flat door de wind dreigt te gaan schommelen, wordt de kogel de andere kant op bewogen en is de netto kracht nul.

‘Voor wolkenkrabbers werkt het uitstekend, maar er zitten wel wat nadelen aan als je de technologie tegen machinetrillingen wilt inzetten’, legt Bakker uit. ‘Zo’n massaveersysteem werkt maar op een enkele frequentie, die natuurlijk is afgestemd op de eigenfrequentie van de torenflat. Bovendien heb je een behoorlijk grote massa nodig, zelfs als de trillingen van een veel lichtere machine zou willen compenseren.’

Verticale trillingen

Het idee van een dempende tegenbalans zette Mecal wel op het goede spoor. Met zijn kennis over dynamica en simulatie bedacht het een concept op basis van trillingssensoren, een relatief kleine massa en een actuator die via een controller wordt aangedreven. ‘Uit onze berekeningen bleek het verrassend goed te werken om een tegenkracht voor vloertrillingen te creëren zonder ongewenste interferentie met het proces van de klant’, kijkt Bakker terug. ‘Ook de machinebouwer nam het systeem onder de loep en concludeerde dat de interferentie met de interne systemen in hun machine extreem klein is. Hun controller meet de trillingen van een geïsoleerde massa in de machine en reageert door krachten op die massa te zetten. Die reactiekrachten worden afgezet op de vloer, maar dat heeft nauwelijks effect op de bestaande vloertrillingen, waardoor het de controller van de Equalizer nauwelijks beïnvloedt.’

De Equalizer is verbonden met de vloer zodat hij vibraties direct registreert. ‘Je hebt niet eens een super gevoelige sensor nodig omdat trillingen in dit frequentiegebied relatief makkelijk te detecteren zijn’, weet Bakker.

Hoewel de Equalizer horizontaal even goed werkt, gaat het vaker om het oplossen van verticale trillingen. Een fabrieksvloer bestaat grofweg uit een betonnen plaat die rust op palen. Zo’n constructie is veel gevoeliger voor trillingen in verticale richting. ‘Vaak is horizontaal alles veel stijver met elkaar verbonden en moet er veel meer massa meebewegen waardoor de verstoringen veel kleiner zijn’, aldus Bakker. ‘Midden tussen de pilaren is de verticale trilling vaak het grootst maar dat kun je prima onderdrukken met de Equalizer.’

Pinpointen

Mecal werkt met een balansmassa in de orde van tien kilogram. Dat is voldoende omdat de trillingen klein zijn. Het gaat immers om slechts micrometers per seconde. ‘Natuurlijk zijn die vervelend maar voor een goed motioncontrolsysteem stelt het eigenlijk weinig voor. Zeker omdat het ook om een beperkte frequentieband gaat’, zegt Bakker. ‘Je hebt niet zo gek veel energie nodig om zo’n trilling te absorberen. Tenminste, als je het slim doet.’

Voor een juiste werking van chipmachines moet de ondergrond voldoen aan de VC-C- of zelfs VC-D-trillingsnorm.

Juist in dat laatste zit de meerwaarde van Mecal. Om alles goed te kunnen inrichten, brengen engineers van het bedrijf de situatie eerst uitgebreid in kaart. ‘Een klant weet over het algemeen vrij goed wat er aan de hand is en heeft zelf al gecheckt of hij de trillingsbron kan wegnemen. Hij komt dus met een duidelijk issue bij ons’, vertelt Bakker. ‘We gaan er dan heen om de geometrie van de fabriek te bepalen, te zien waar de machine komt te staan en om de trillingsniveaus en dynamische eigenschappen door te meten. Het is cruciaal om dat in eigen beheer te houden zodat je fouten of onduidelijkheden voorkomt. We gaan er nooit blind in.’

Uit zo’n analyse leidt Mecal af welke onderdrukkingstechniek het beste resultaat zal geven. Als Equalizers de juiste weg zijn, berekent de software hoeveel kastjes er nodig zijn en wat de ideale locaties zijn. ‘Vaak blijkt dat er een paar frequenties uitspringen’, vertelt Bakker. ‘Er zit meestal een piek rond 50 Hz, omdat dat de frequentie is waarop de meeste pompen werken. Meestal steken er nog een paar frequenties de kop op. We kunnen de controller in de Equalizer met filters op die pieken pinpointen en ze met een factor 5 of 6 onderdrukken. Zo heb je de ondergrond geschikt gemaakt voor de VC-D-trillingsnorm.’

Dit artikel is tot stand gekomen in nauwe samenwerking met Mecal.