Direktantriebe können Objekte nicht nanometergenau über große Flächen anheben

Direktantriebe positionieren Objekte ohne zwischengeschaltete Getriebe oder Kupplungen direkt, spielfrei, hochpräzise und schnell. Sie werden unter anderem in der Halbleiterfertigung verwendet, um beispielsweise Belichtungsmasken zu bewegen. Mess- und Strukturierungsanlagen für Substrate, Wafer, Belichtungsmasken etc. verfügen in der Regel über einen Positioniertisch. Dessen Läufer bewegt Objekte hochpräzise innerhalb einer Ebene. In der Fertigung geschieht das bereits mit einer Genauigkeit von unter 10 Nanometern.

Fertigungsprozesse verteilen sich oft aber auf verschiedene Ebenen, z.B. bei der Strukturierung von Wafer-Schichten. Diese sind oft nur wenige Nanometer dünn, ein ganzer Wafer zwischen 0,7 und 0,9 mm dick. Derzeit verfügbare Systeme können Objekte wie Wafer jedoch nur innerhalb eines kleinen Messbereichs von wenigen Millimetern im Quadrat nanometergenau anheben. Über die Fläche gesamter Wafer mit Durchmessern von 150 bis 300 mm liegen derzeit erzielte Messunsicherheiten typischerweise aber noch im Bereich von ± 0,5 bis ± 1 Mikrometern.
 

Lösung: integrierter 6D-Direktantrieb mit pneumatischer Gewichtskraftkompensation für den vertikalen Hub

Das IMMS hat gemeinsam mit der Firma SIOS Meßtechnik GmbH und der Technischen Universität Ilmenau einen luftgeführten sechsdimensionalen Direktantrieb entwickelt, der Objekte in den drei Raumachsen und der jeweiligen Rotation um diese Achsen frei im Raum in einem für die Anwendung geeigneten Verfahrbereich von 100 mm Durchmesser in der Ebene und einem Hebe- bzw. Senkbereich von 10 mm aktiv geregelt mit Nanometer-Präzision berührungslos, reibungsfrei und ohne Stick-slip-Effekte bewegt. Das wird über eine pneumatische Gewichtskraftkompensation erreicht, mit der die zu leistende Kraft der elektromagnetischen Vertikalantriebe stets nahe Null geregelt wird. Damit fließt praktisch kein Strom in den Aktorspulen und somit entsteht keine unerwünschte Wärmequelle im Messraum, die die notwendigen hochpräzisen Messungen verhindern würde.

Das Antriebskonzept stellt einen vollkommen neuartigen Ansatz für ein sechsdimensionales Direktantriebssystem dar, der so bisher in keinem bekannten System umgesetzt wurde. Eine Skalierbarkeit des Konzepts für andere Anwendungen wurde bis zu einem Arbeitsbereich von 200 mm Durchmesser untersucht.