Zoeken naar nieuwe concepten buiten comfortzone gevestigde ontwerpprincipes

Het onderzoeksproject ‘Advanced long-range piezoelectric wafer stage’ voor ASML is ruim twee jaar geleden van start gegaan onder de vlag van TUE’s High Tech Systems Center, en later ondergebracht en verruimd in de Eindhoven Engine. Dit artikel geeft een update van dit ALP-project, waarbij nieuwe concepten voor waferstages worden gezocht buiten de comfortzone van de gevestigde ontwerpprincipes. Het idee is dat juist door er compleet tegenin te gaan wellicht een potentiële route voor de toekomst wordt gevonden.

Gregor van Baars is senior systeemengineer en projectmanager bij TNO. Bas Jansen werkt bij ASML als mechatronicadesignengineer.

23 november

Het alsmaar voortdurende succes van ASML om de halfgeleiderindustrie te voorzien van steeds betere waferscanners voor lithografie is mede te danken aan de continue verbetering van de mechatronische motionstages. Halverwege de jaren 90 is de basis gelegd voor de huidige systeemarchitectuur, die sindsdien tot in de perfectie is doorontwikkeld, geoptimaliseerd en uitgeknepen, zodat telkens de volgende node van de halfgeleiderroadmap kon worden gehaald. De vraag is wel hoeveel rek er nog in zit als er in de toekomst nog meer nauwkeurigheid van de motionsystemen wordt gevraagd. De vraag is ook hoe een universiteit kan bijdragen aan mogelijke doorbraken op dit gebied.

Met een paar PhD-onderzoekers op zoek gaan naar significante verbeteringen binnen de bestaande stage-architectuur is niet erg kansrijk, en vraagt heel veel investering in het doorgronden van de state of the art voordat er ook maar een marginale bijdrage kan worden geleverd. Met andere woorden: het wordt voor een universiteit steeds moeilijker om het leger van duizenden ASML-ingenieurs te verslaan die hiermee dagelijks bezig zijn.

Hoeveel rek zit er nog in de waferstage van ASML? Onderzoekers van de TU Eindhoven en Eindhoven Engine werken buiten de ASML-campus aan een alternatieve oplossing op basis van piëzo-actuatie. Foto: Bart van Overbeeke

Toch ambieert High Tech Systems Center van de TU Eindhoven om vernieuwend onderzoek op systeemniveau te doen door meerdere promotieonderzoeken te bundelen tot een academische samenwerking aan een gemeenschappelijke uitdaging. De komst van Eindhoven Engine geeft hieraan een extra boost gericht op versnelling van dergelijk baanbrekend onderzoek.

Waarom zou een project als ‘Advanced long-range piezoelectric wafer stage’ (ALP) een kans van slagen hebben? Dat zit hem vooral in de juiste probleemstelling. Waar de ASML-engineers zo goed als onverslaanbaar zijn binnen de huidige architectuur en het complexe bouwwerk van opeenvolgende verbeteringen en ontwikkelingen, kan het voor hen juist lastig zijn om een compleet ander perspectief te kiezen. Daar ligt juist de kans voor universiteiten en kennisinstellingen, waar jonge, vers opgeleide studenten, promovendi en onderzoekers nog ‘onbelast’ zijn met vaste overtuigingen en ontwerpprincipes. Door met een frisse blik naar uitdagingen te kijken, is de kans op het vinden van een creatief en vernieuwend concept groter.

Vervelende bijeffecten

Zoals algemeen bekend, ligt het succes van ASML’s huidige waferstages grotendeels besloten in het concept van de contactloze korteslagaandrijving met Lorentz-actuatoren. De wafer wordt gedragen door de wafertafel en het mirror block of carrier. Dit geheel ‘voelt’ idealiter niets van de omgeving. Dat is een zeer gunstig uitgangspunt om de nanometerpositioneernauwkeurigheid te halen zonder direct last te hebben van de langeslagpositioneerfouten die in de ordegrootte van micrometers liggen.

Het actueren van de korte slag met Lorentz-actuatoren voegt echter behoorlijk veel massa toe. Zeker als er hoge versnellingen moeten worden gehaald, vormen deze grote spierballen een aanzienlijk deel van de totale bewegende massa. Dat leidt tot performancebedreigende bijeffecten, zoals warmteontwikkeling, flexibele dynamica, grote reactiekrachten en sterke elektromagnetische velden.

Een alternatief zou kunnen liggen in een piëzo-aangedreven, lichtgewicht stage. Het idee is om de korte slag aan te drijven met piëzo-elektrische actuatoren. Die kunnen aanzienlijk lichter zijn en het mirror block kan in zijn geheel worden weggelaten, waardoor de totale bewegende korteslagmassa veel lager komt te liggen. Bijkomend voordeel van piëzo-elektrische actuatoren is dat er geen sterke elektromagnetische velden zijn, en dat is gunstig voor toepassingen waarbij wafermetrologie en -inspectie op basis van elektronenbundels wordt gedaan.

De voordelen van de piëzostage zijn duidelijk, maar de daaruit voortvloeiende performance-issues zijn gigantisch. Meest alarmerend betekent de piëzo-elektrische aandrijving een directe koppeling van de lange slag met de korte slag. De positioneerfouten van de lange slag (ordegrootte micrometers) werken via de actuatorstijfheid direct door op de korte slag, waardoor het een enorme uitdaging wordt om alsnog nanometernauwkeurigheid van de korte slag te bereiken.

De combinatie van een nieuw vertrekpunt en grote, nog onontgonnen uitdagingen vormt een geschikt onderwerp voor gezamenlijk onderzoek aan de TU Eindhoven in intensieve samenwerking met ASML. Juist door de gevestigde ontwerpprincipes compleet los te laten, komen wellicht nieuwe concepten en oplossingen in beeld.

Het pleit voor de initiatiefnemers van ASML dat zij juist zelf met het kernidee achter ALP zijn gekomen. Het pleit nog meer voor ASML dat ze de poging om een andere weg te verkennen niet in de eigen organisatie hebben neergelegd maar juist inzetten op het potentieel van jonge, onbevangen onderzoekers, in een nieuwe setting waar het gemeenschappelijke doel leidend is, en de samenwerking wordt gezocht in colocatie en kruisbestuiving met andere Eindhoven Engine-projecten. Dus vloeken in de kerk is nodig om nieuwe geloofsovertuigingen te vinden, en soms moet je dat overlaten aan vrije geesten.

Posities ingevuld

Hoe zit het ALP-project in elkaar? Toen het gemeenschappelijke project onder de vlag van HTSC werd opgetuigd, betrof het vier samenhangende PhD-onderzoeksprojecten op de volgende onderwerpen: regeltechniek, metrologie, systeemarchitectuur en piëzo-actuatie. Kort na de lancering van het project ontstond de mogelijkheid om ALP op te nemen in Eindhoven Engine. Daarmee werd de uitbreiding mogelijk in de vorm van een pdeng-project en meerdere MSc-projecten, alsmede de colocatie van het onderzoeksteam.

Door de gevestigde ontwerpprincipes compleet los te laten en het project onder de brengen bij de TUE en Eindhoven Engine komen wellicht nieuwe concepten en oplossingen in beeld.

Elke PhD-onderzoeker krijgt een begeleider vanuit de TU Eindhoven en een begeleider vanuit ASML. Overkoepelend is er een vertegenwoordiger vanuit ASML, Bas Jansen, en een vertegenwoordiger vanuit universiteit, Gregor van Baars, die moeten borgen dat de projecten in samenwerking worden uitgevoerd en het gemeenschappelijke onderzoeksdoel leidend blijft. Elk kwartaal is er een voortgangsmeeting met breder publiek van zowel TU Eindhoven als ASML, en worden doelen voor het volgende kwartaal afgestemd.

Door de coronamaatregelen was helaas de colocatie sinds maart 2020 niet meer mogelijk geweest. Gelukkig zijn de mogelijkheden voor virtuele meetings een heel acceptabel alternatief gebleken. Binnenkort gaan we de colocatie weer opstarten.

Momenteel zijn alle PhD-projecten ingevuld. Clarisse Bosman-Barros (faculteit Elektrotechniek, onderzoeksgroep Systems and Control) is inmiddels drie jaar gevorderd met de regeltechnische uitdagingen. Rachel Jones (faculteit Natuurkunde, onderzoeksgroep Integrated Photonics) is nu bijna twee jaar aan de slag met de metrologische opdracht, gericht op de toepassing van geïntegreerde fotonica als sensortechnologie. Medio 2020 is Ron de Bruijn (faculteit Werktuigbouwkunde, onderzoeksgroep System Architecture) gestart met zijn opdracht omtrent de systeemarchitectuur. En in oktober dit jaar is Haoyuan Li (faculteit Elektrotechniek, onderzoeksgroep Electro Magnetics and Power Electronics) gestart op de laatste positie die zich specifiek richt op piëzo-actuatoren.

Oorspronkelijk was het de wens om alle vier projecten min of meer tegelijkertijd te starten. Dat is helaas niet gelukt, mede vanwege beperkte aanbod van kandidaten voor PhD-posities. Dat verschilt behoorlijk per faculteit en onderzoeksgroep. Hoewel de PhD-trajecten met behoorlijke tijdsverschillen zijn gestart, is dat voor het totaalproject nog geen probleem.

Sweetspots

De start op het regeltechnische aspect is best gunstig geweest. De analyse van de dynamische consequenties van een lichtgewicht motionstage met stijve koppeling met de lange slag kan op basis van redelijk eenvoudige systeemmodellen (massa’s en veren) al veel richtinggevend inzicht opleveren voor de nieuwe systeemarchitectuur. Andersom zou lastiger zijn, omdat er voor de systeemarchitectuur nog geen leidende dynamische designprincipes voorhanden zijn.

Het metrologieonderzoek naar de mogelijkheden van geïntegreerde fotonica als sensortechnologie kan in de eerste fase redelijk onafhankelijk van de andere projecten plaatsvinden. Bovendien kan relevant systeemarchitectuuronderzoek worden gedaan uitgaande van bekende positiemetrologieprincipes zoals ifm, encoders en grid plates. Bovendien kunnen geïntegreerde-fotonicasensoren als optie worden meegenomen in dynamische systeemmodellen om de performancebijdrage met predictive modeling te analyseren. De uitkomsten van dergelijke simulatiestudies leveren de specificaties voor de sensoren in ontwikkeling, als deze technologie geschikt wordt bevonden voor toepassing in motionstages.

Het gat dat op het gebied van piëzo-actuatoren leek te ontstaan, is deels ingevuld door de inzet van een pdeng-student, Andrew Wasef. De opdracht was om een verkenning van verschillende piëzo-actuatortypes, -materialen en -karakteristieken te doen. Dit project is inmiddels afgerond met als resultaat dat er verschillende sweetspots voor piëzo-actuatoren zijn geïdentificeerd die de juiste stijfheid hebben voor acceptabel systeemgedrag, de gewenste slag kunnen maken en, allerbelangrijkst, niet te veel massa toevoegen. Het zal duidelijk zijn dat het weinig zin heeft om piëzo-actuatoren te kiezen die per stuk al ongeveer 1 kg massa hebben.

Het systeemarchitectuurproject van Ron de Bruijn kan op basis van de regeltechnische inzichten en de piëzo-actuatoropties aan de slag om systeemconcepten concreter uit te werken, te analyseren en te onderzoeken. Vervolgens moet er een wisselwerking op gang komen tussen de verschillende PhD-projecten, zeker nu de laatste PhD-positie op piëzo-actuatie is ingevuld. Dan kan het werk van de pdeng-student Wasef worden voortgezet en worden uitgebreid met onderzoek naar specifieke aandrijfelektronica, materiaaleigenschappen, et cetera. Ook zullen we een 6 dof actuatielay-out moeten vinden zodat de stage in alle vrijheidsgraden aan de performancespecificaties voldoet.

Validatie

Het PhD-project rond de regeltechniek zal als eerste eindigen, terwijl op systeemniveau waarschijnlijk nog genoeg specifieke regeltechnische uitdagingen naar boven zullen komen naarmate het systeemconcept verder uitkristalliseert. Dat kan middels gerichte MSc-opdrachten worden afgedekt.

Om niet tot het laatst in onzekerheid te blijven of simulaties, modellen en concepten ook stand houden in de praktijk, is gedurende het ALP-project experimentele validatie middels dedicated testrigs voorzien. Bijvoorbeeld om piëzo-actuatie in één vrijheidsgraad te testen en in de praktijk te valideren dat bijvoorbeeld hysterese- en force feedforward-compensaties naar behoren werken. Iets soortgelijks is te verwachten met betrekking tot geïntegreerde fotonica, waar iteraties van ontwerp/realisatie tijdrovend zijn vanwege aanzienlijke doorlooptijden in de onderliggende fabricageprocessen.

Kortom, het ALP-project is goed onderweg. Uiteraard kan de uitkomst zijn dat een ALP-concept niet in de buurt kan komen van de gevraagde systeemprestaties. Dat zou teleurstellend zijn, maar ook dat is waardevol om te weten. Vooralsnog zijn er genoeg ideeën om een heel eind in de goede richting te komen.