Topologie-optimalisatie en 3d-printing brengen waferstage naar hoger plan

In de wereld van high-end machineontwikkeling staat Nederland nadrukkelijk op de voorgrond – met name op het gebied van apparatuur voor chipproductie. Om de steeds veranderende eisen en verwachtingen van de consument voor te blijven, werken enkele belangrijke spelers in de Nederlandse hightech samen binnen het publiek-private partnerschap Imsys-3D om de volgende generatie hoogwaardige bewegingssystemen te ontwikkelen.

Collin Arocho
6 november

Als het om de wereld van silicium gaat, staan Nederlandse apparatenbouwers als ASML en ASMI wereldwijd aan de top. Om hun concurrentievoordeel te behouden bij de productie van ultramoderne machines moeten bedrijven als deze een balans zoeken tussen de huidige behoeftes van hun klanten en ontwikkelingen voor de toekomst. Dankzij de publiek-private Imsys-3D-samenwerking krijgen makers van hightechapparatuur een boost bij hun innovaties voor de toekomst: de deelnemers gebruiken de allernieuwste technologieën en methodes om de volgende generatie high-performance motionsystemen te bouwen.

Het eindproduct in actie: de geprinte geoptimaliseerde stage, magnetisch zwevend in zijn opstelling bij MI-Partners. Foto: MI-Partners

Voor ontwerpers van hightech apparatuur zijn krachtige bewegingssystemen een essentieel stuk van de puzzel. Om aan toekomstige prestatiedoelstellingen en time-to-market-eisen te voldoen, hebben ze echter hard nieuwe optimalisatiemethodes nodig. Dat is het werkgebied van het Imsys-3D-projectteam, dat bestaat uit ASML, de Technische Universiteit Delft, mechatronica- en motion control-specialist MI-Partners, 3d-printerfabrikant Additive Industries en softwarebedrijf Infinite Simulation Systems.

‘Het doel voor dit project is om automatisch nieuwe ontwerpen voor een waferstage te genereren’, legt TU Delft-promovendus Arnoud Delissen uit. ‘Door unieke algoritmes te gebruiken, kunnen computers de optimale vorm en dynamische eigenschappen ontwerpen, die vervolgens kunnen worden ge-3d-print. Dat biedt een ongekende efficiëntie waarop industriële partners hun volgende generatie machines kunnen baseren.’

Precisie

In het chipproductieproces is de waferstage een cruciale positioneringsmodule. Wanneer de grote schijf silicium klaar is om te worden bedrukt met een chippatroon, door middel van lithografie, wordt het silicium door een robot op het magnetisch zwevende platform geplaatst. Dat platform beweegt zeer precies onder een bundel van extreem ultraviolet licht waarbij alleen specifieke delen van het silicium worden blootgesteld om zo patronen te creëren.

‘De nauwkeurigheid en snelheid van deze beweging zijn cruciaal voor de productiviteit, maar snelle bewegingen veroorzaken gemakkelijk mechanische trillingen die de nauwkeurigheid van het lithografieproces tenietdoen’, zegt Matthijs Langelaar, universitair hoofddocent aan de TU Delft. ‘Je kunt dat niet even snel oplossen door de chuck stijver te maken, omdat meer massa ook tot hogere krachten leidt.’

Om dit probleem op te lossen en de trillingen in razendsnelle waferstages te beperken, zijn er teams van ingenieurs nodig die dynamische optimalisatie-analyses uitvoeren – een realtime test- en evaluatieproces van het mechanische ontwerp – om te bepalen hoe de bewegingen het beste en meest nauwkeurig kunnen worden verwezenlijkt. Het Imsys-3D-consortium wil deze procedure automatiseren en verbeteren.

Weergave van de door de computer ontworpen waferstagegeometrie van onderaf gezien, gegenereerd door topologieoptimalisatie. Magneten voor bediening worden later in de hoeken en de vierkante vakken toegevoegd. De ronde gaatjes zijn toegevoegd om metaalpoeder na het drukproces uit een interne holte te kunnen verwijderen. Beeld: Imsys-3D

‘Momenteel is het een iteratief proces waarbij de mechanisch ontwerpers een design maken en dit voor analyse doorgeven aan dynamica-ingenieurs. Vervolgens gaat het systeem naar een controletechnicus om te bepalen wat voor soort bandbreedte we uit de machine kunnen halen’, weet Dick Laro, systeemarchitect bij MI-Partners. ‘Enkele jaren geleden begonnen we te onderzoeken hoe we dit efficiënter konden maken. We wilden de drie afzonderlijke stappen combineren en integreren, als onderdeel van een nieuw geïntegreerd optimalisatieproces.’

‘Deze geïntegreerde manier van werken kan de doorlooptijd van een stageontwerp verkorten van enkele weken tot één dag en tegelijkertijd superieure prestaties leveren’, voegt Delissen toe.

Topologie-optimalisatie

Na jaren van planning, onderzoek en ontwikkeling kwamen de samenwerkende partijen dicht bij hun doelen, althans in simulatie. Twee jaar geleden voegde Additive Industries zich bij de coalitie. Het Eindhovense bedrijf bracht zijn state-of-the-art 3d-printmogelijkheden voor metalen in. Als eenheid concentreerde het consortium het ontwerpwerk op topologieoptimalisatie, ook bekend als generatief ontwerp. Met een 3d-model als uitgangspunt analyseerden ze waar ze lagen overtollig materiaal konden wegschrapen om een ultra-efficiënt ontwerp te realiseren dat toch voldoet aan de eisen voor wat betreft afmetingen, gewicht en functionaliteit.

Bij het ontwerpen van hun eerste demonstrator hielden de Imsys-3D-engineers zich aan een reeks strikte parameters van een van hun industriële partners. De nieuwe chuck moest een specifieke vorm hebben, ongeveer acht kilogram wegen en afmetingen hebben van 400 bij 400 bij 50 mm – een zeer groot volume in de metaal-3d-printwereld.

‘Dit is een echt voordeel van ons systeem en van metaalprinttechnologie: de volledige vrijheid van vorm en ontwerp – waardoor het algoritme in een bredere ruimte kan optimaliseren’, benadrukt Harry Kleijnen van Additive Industries. ‘We hebben structuren geprint die je eenvoudigweg niet kunt maken met andere fabricagetechnologieën die momenteel beschikbaar zijn. Dit levert een belangrijke bijdrage aan het unieke karakter van dit project en aan de toekomst ervan.’

Voor- en achteraanzicht van twee chucks geprint met de Metalfab1 van Additive Industries. Na scheiding van de bouwplaat en nabewerking van de magneetinterfaces is de stage klaar voor gebruik in een motionsysteem. Beeld: Imsys-3D

Laro vult aan: ‘Door gebruik te maken van deze methodologieën voor topologie-optimalisatie konden we de flexibiliteit van additive manufacturing volledig benutten. Zoals Harry beschreef, geeft het je veel vrijheid, die je simpelweg niet hebt bij conventionele verspaning. Door dit toe te passen, zijn we in staat geweest om de prestaties van de stage aanzienlijk te verbeteren, wat belangrijk is omdat het voor de menselijke geest bijna onmogelijk is om de structuur te bedenken die nu uit het algoritme is gerold.’

In één keer goed

Hoewel veel ontwikkelprojecten jaren van vallen en opstaan vergen, heeft het Imsys-3D-projectteam in relatief korte tijd grote sprongen gemaakt. Ondanks dat de deelnemers verschillende uitdagingen zijn tegengekomen, variërend van veranderende eisen aan de dimensies van de stage tot de pure rekenproblematiek die wordt veroorzaakt door de beperkingen van de hedendaagse technologie, heeft de groep al succes geboekt. Met input van alle partijen is het ontwerp naar Additive Industries gestuurd en werd de eerste proefafdruk voorbereid.

‘Bij het ingaan van deze laatste ontwerpfase hebben we de plannen herzien, zodat ons team de specifieke beperkingen van additive manufacturing, zoals maximale hellingshoeken van oppervlakken, in het algoritme kon integreren. Daarna was het klaar voor gebruik’, vertelt Kleijnen. ‘Toen was het ontwerp helemaal geschikt om te printen. We hebben twee delen geprint, wat in totaal ongeveer tien dagen kostte – vijf dagen per onderdeel. We hadden dit in de helft van de tijd kunnen doen, maar we hebben ervoor gekozen om voor deze eerste druk extra veiligheidsmarges in te bouwen. Uiteindelijk bleek de nieuw gedrukte waferstage gelijk goed – een grote stap voorwaarts.’

Nu gaat de chuck van een aluminiumlegering – die vóór de nabewerking zo’n 8,5 kilo weegt – naar MI-Partners om in de machine te worden geïntegreerd en getest. De verwachtingen van de groep zijn dat deze gedrukte waferstage twee keer zo goed presteert als zijn voorgangers, trillingen beperkt en precisie en nauwkeurigheid garandeert.

‘Ons doel is om binnen een jaar een volledig geautomatiseerd ontwerpproces te hebben’, zegt Langelaar. ‘MI-Partners gaat de chuck volledig integreren met de motioncontrollers om de levensvatbaarheid en potentiële voordelen aan industriële geïnteresseerden te tonen. We denken dat dit uiteindelijk een ongeëvenaarde efficiëntie zal bieden voor chipfabrikanten, wat betekent dat geavanceerde technologie betaalbaarder kan worden voor eindgebruikers en consumenten.’