Heidelberg Instruments und SMC Effiziente Kühl- und Pneumatiklösungen für den Maskless Aligner MLA 300

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Eine moderne Industrie ist ohne Halbleiter, Sensoren und optische Bauelemente mit Mikro- und Nanostrukturen undenkbar. Zur Erzeugung von Mikro- und Nanostrukturen auf Substraten wird zunehmend das Verfahren der direktschreibenden, maskenlosen Laserlithografie verwendet. Die Anlagen müssen ihre Aufgaben präzise, leistungsgerecht und zuverlässig erfüllen. Wie ein Komplettpaket mit Pneumatik-Komponenten, Ionisierer und Chiller die Balance bezüglich Preis-Leistungs-Verhältnis und Energieverbrauch schafft, verdeutlicht ein Kundenprojekt von SMC.

Komplexe Halbleiterkonstruktionen (Advanced Packaging / 3D IC) für immer leistungsfähigere Mikroprozessoren, mikrooptische Systeme für höchste Präzision und verschiedenste Mikrosysteme für branchenübergreifende Anwendungen: Komponenten im Mikromaßstab gehören anhand der Möglichkeiten, die sie bieten und unsere moderne Welt gestalten, zu den ganz Großen. Damit sie allerdings hergestellt und bearbeitet werden können, braucht es Anlagen, die wiederum auf die passenden Komponenten angewiesen sind.

Führend im Bereich der Entwicklung und Herstellung von Anlagen zur Mikro- und Nanostrukturierung ist die 1984 gegründete Heidelberg Instruments Mikrotechnik GmbH. Das in der gleichnamigen traditionsreichen Universitätsstadt beheimatete Unternehmen beschäftigt mittlerweile weltweit mehr als 380 Mitarbeitende, neben Deutschland an Standorten in der Schweiz, den USA, China, Japan, Südkorea und Taiwan. Das Unternehmen gehört zur Lab14 Group, die erfolgreiche Hightech-Firmen bündelt, die fortschrittliche Fertigungslösungen mit komplementären Produkten und Dienstleistungen für eine breite Palette an Anwendungen anbieten, wie sie die anspruchsvollen Lösungen für die Nano- und Mikrofabrikation und Oberflächenanalyse erfordern.

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Konkret entwickelt und fertigt Heidelberg Instruments Laserlithografie-Systeme im High-End-Bereich für die Fertigung von Mikro- und Nanostrukturen für Halbleiter, Sensoren, optische Linsen und Fotomasken. Das MLA 300, ein Maskless Aligner, ist Teil des umfassenden Produktportfolios und wurde einem breiten industriellen Kundenkreis mit hohen Produktionsvolumina bereitgestellt. Mit der Absicht, Druckluftversorgung und -steuerung, Temperierung einzelner Anlagenteile sowie die Ionisierung der verwendeten Substrate (Masken, Wafer) zu verbessern, wandte sich Heidelberg Instruments an einen langjährigen Partner: den Automatisierungsspezialisten SMC.

Mehrere komplexe Anwendungen als Herausforderung

Als komplett integrierte Lösung ist das System MLA 300 für eine minimale Grundfläche konzipiert und zugleich auf einfache Wartung und Reparatur ausgelegt. Das System verwendet direktschreibende Laserbelichtung, um über ein digitales Layout – ohne Fotomaske – Mikrostrukturen direkt auf ein lichtempfindlich beschichtetes Substrat zu übertragen.

So wird das Design direkt in den Fotolack belichtet, der aufwendige Prozess über zuvor anzufertigende Fotomasken inkl. ihrer Inspektion und Lagerung entfällt. Nachträgliche Anpassungen des Layouts lassen sich bei der maskenlosen Lithografie ebenfalls schnell und einfach mittels Korrekturen in der CAD-Datei durchführen. Ebenso ermöglichen direktschreibende Systeme flexible Möglichkeiten bei der Variation von belichteten Strukturen, etwa die Vergabe von individuellen Seriennummern, QR-Codes etc. schon während der Belichtung.

„Im Zusammenhang mit dem Lithografie-Prozess fallen eine Reihe verschiedener pneumatischer Anwendungen an, bei denen die einzelnen Komponenten ideal aufeinander abgestimmt sein sollten“, erklärt Daniel Wägele (Master of Science), Systementwickler bei Heidelberg Instruments. Zudem legte Heidelberg Instruments Wert darauf, dass zum einen bestimmte Anlagenteile zuverlässig temperiert und zum anderen die Substrate elektrisch entladen werden, um die Prozesssicherheit zu gewährleisten. Neben industrietauglichen, zuverlässigen und langlebigen Lösungen war es wichtig, bei den Komponenten ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis zu erhalten, Energie und Zeit einzusparen und so auch den Amortisierungszeitraum zu verringern. Um individuelle Sonderlösungen kurzfristig realisieren zu können, standen außerdem kurze Lieferzeiten sowie die weltweite Verfügbarkeit von eventuellen Ersatzteilen im Fokus. Zu guter Letzt sollten sowohl Optik als auch Haptik der Lösungen ansprechend gestaltet sein.

Hightech-Komplettpaket schafft Lösung aus einer Hand

„Nach intensiven Gesprächen zwischen Heidelberg Instruments und unserer Entwicklungsabteilung haben wir ein vollständig montiertes Pneumatik-Panel für die allgemeine Druckluftversorgung und Steuerung entworfen“, so Dirk Siemko, Team Leader Sales Design Engineers von SMC. „Das optimal aufeinander abgestimmte Pneumatik-Panel besteht aus einer Wartungseinheit der Serie AC-D, dem Membrantrockner der Serie IDG10, dem Präzisionsregner ARP, der Ventilinsel New SY, der Vakuumeinheit ZK2, der Drosselrückschlagventile AS sowie verschiedenen Fittings der Serie KQ2. Die Druckluftversorgung und Steuerung können so nicht nur genau nach den Erfordernissen des Kunden erfolgen, sondern auch sparsam und zuverlässig."

„Zur Temperierung des laminaren Luftstroms in der Maschine fiel die Entscheidung auf einen Chiller der Serie HRS. Die Kühlung aller Komponenten, die Wärme abgeben und somit die Präzision der Belichtungen negativ beeinflussen könnten, übernimmt die für 19-Zoll-Racks geeignete kompakte Serie HECR. So reduzieren wir Aufwärmeffekte an Anlagenteilen, die bei einer Belichtung entstehen. Um Entladungsblitze zu verhindern, die Strukturen auf dem Substrat zerstören und zu Defekten und Ausschuss führen können, wählten wir für den Abbau der elektrostatischen Ladung an den Substraten schließlich die Ionisierer der Serie IZS40.“

Eine Gesamtbilanz, die auf allen Ebenen überzeugt

„Wir beziehen seit 2016 Komponenten von SMC und können daher auf sehr gute Erfahrungen zurückgreifen“, betont Daniel Wägele (Master of Science) von Heidelberg Instruments. „Obwohl wir zuvor noch kein so komplexes und umfangreiches Projekt zusammen angegangen waren, stellte uns das Team des Automatisierungsspezialisten sehr schnell eine einbaufertige Lösung vor. Insgesamt vom fachlichen Know-how her als auch in Sachen Zuverlässigkeit, Liefergeschwindigkeit und Preis-Leistungs-Verhältnis war alles überzeugend. Bereits als Einzelkomponenten sorgen die Lösungen für Einsparungen. Als Komplettpaket, das wir dank SMC aus einer Hand beziehen können, ist die Gesamtbilanz noch überzeugender.“

„Wir freuen uns, Heidelberg Instruments auch bei diesem umfassenden Projekt wieder tatkräftig unterstützt und in allen Bereichen zufriedengestellt zu haben. Die Arbeit an einem System wie dem MLA 300 Maskless Aligner, welcher das spannende Feld der maskenlosen Laserlithografie abdeckt, war eine besondere Herausforderung. Wir sind sehr gerne bereit dazu, uns einer solchen auch künftig erneut zu stellen und die Entwicklungen in dem Bereich weiter voranzutreiben“, so das Resümee von Dirk Siemko von SMC. (sb)

* Diplom-Ingenieur Thomas Fuchs ist Account Manager Electronic Key Account Management.

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