Miniaturkugelgewindetriebe in Vakuum oder Stickstoffumgebungen

Drei-Achs-Maskensystem für den Einsatz in der Standard-, Elektronenstrahl- und hochauflösenden sowie automatisierten UV-Lithografie. (Foto: August Steinmeyer GmbH & Co. KG)

In dem Positioniersystem von Steinmeyer Mechatronik kommen geschliffene Miniatur-Kugelgewindetriebe von August Steinmeyer zum Einsatz. (Foto: August Steinmeyer GmbH & Co. KG)

Positioniersystem von Steinmeyer Mechatronik für die feine XY-Theta-Ausrichtung von Belichtungsmasken mit bis zu 0.03 µrad. (Foto: August Steinmeyer GmbH & Co. KG)

Die Steinmeyer Mechatronik GmbH hat in Kooperation mit der August Steinmeyer GmbH & Co. KG ein hochpräzises Positioniersystem für die Anwendung in trockener Stickstoffatmosphäre oder Vakuum entwickelt. Das Maskensystem eignet sich ideal für den Einsatz in der Standard- sowie hochauflösenden UV-Lithografie und ermöglicht eine sehr feine XY-Theta-Ausrichtung von Belichtungsmasken mit bis zu 0.03 µrad. Darin kommen Miniatur-Kugelgewindetriebe aus Albstadt zum Einsatz, die besonders hohen Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Vorspannung und Laufgüte in der Anwendung gerecht werden.

Die drei Linearachsen des Positioniersystems sind parallel-kinematisch aufgebaut: zwei vertikale Achsen in X-Richtung und eine quer in Y-Richtung. Die beiden vertikalen Achsen erzeugen bei gleichzeitiger Bewegung einen Vertikalhub und bei gegensinniger Bewegung eine Drehung. Somit ist eine hochpräzise lineare und rotatorische Positionierung der Masken bis in den Sub-Mikrometerbereich möglich.

Kugelgewindetrieb erfüllt hohe Anforderungen

In diesem sehr präzisen Positioniersystem kommen geschliffene Miniatur-Kugelgewindetriebe mit einem Spindeldurchmesser von 12 mm von August Steinmeyer zum Einsatz. Diese sind mit einer Flansch-Einzelmutter mit 4-Punkt-Kontakt, Einzelgangumlenkung und optional Keramikkugeln ausgestattet. Die hohe geometrische Qualität und Oberflächengüte der spielfrei vorgespannten Komponenten sorgen für einen idealen Gleichlauf in der Anwendung und ermöglichen kleinste Stellinkremente. Die Baugruppen durchlaufen vor der Auslieferung eine anwendungsnahe Serienprüfung. Die Lebensdauer wurde in trockener Stickstoffatmosphäre und Vakuum nachgewiesen.

Der Einsatz in trockener Stickstoffatmosphäre oder Vakuum erfordert die Auswahl spezieller Materialien und Schmierstoffe. Im Kugelgewindetrieb kommt daher härtbarer Edelstahl zum Einsatz. Zur Minimierung der Streustrahlung werden außerdem alle Strukturteile des Maskensystems mit einer für UV-Absorption optimierten Eloxal-Beschichtung versehen. Die Anwendung unter ultraviolettem Licht verbietet zudem Kohlenwasserstoffe für die Komponenten und Baugruppen des Drei-Achs-Maskensystems. Daher kommt ein auf Fluorverbindungen basierendes, chemisch und physikalisch sehr stabiles Schmiermittel zum Einsatz, dass unter ultravioletter Strahlung keine Degradation zeigt und eine äußerst geringe Ausgasrate aufweist. Es wurde vom Anwender speziell für diesen Einsatz entwickelt und auf die Verwendung in vorgespannten Kugelgewindetrieben angepasst.

Optimal für Service und Wartung

Zur Wartung können die Belichtungsmasken seitlich aus der optischen Achse heraus in Service-Positionen gefahren werden. Ein magnetisch vorgespannter Schnellwechselmechanismus sorgt bei Bedarf für einen schnellen und einfachen Austausch der Maske mit nur wenigen Handgriffen. Genauso unkompliziert gestaltet sich die Wartung der Motoren und Endlagensensoren, die als Wechselbaugruppe ausgeführt sind.

Für das aufwandsarme Einbinden in die Steuerung der Maschine unter Serienbedingungen muss bei der Montage des Kugelgewindetriebs das vorgegebene Band des Leerlaufdrehmomentes mittels der Vorspannung genau eingestellt werden. Das ist Voraussetzung für ein stabiles Tuning der Steuerung und senkt die Stillstandzeiten im Wartungsfall, da im Falle des Austausches die PID-Parameter nicht neu gefunden werden müssen. Durch die damit erreichte Stabilität der Laufeigenschaften über die Lebensdauer erhöht sich so auch die Betriebssicherheit, da die Motorsteuerung immer im optimal abgestimmten Bereich läuft, was wiederum die Voraussetzung für das Erreichen sehr kleiner Stellinkremente unterhalb von Mikrometern ist.

Das Positioniersystem ist in mehreren Verfahrwegen passend zu verschiedenen Maskengrößen erhältlich und kann zudem kundenspezifisch an die Anwendungen angepasst werden. Wahlweise sind Reinraum- oder Vakuum-Ausführung lieferbar. Applikationsbeispiele finden sich in Halbleiterbelichtern, aber auch bei der Inspektion von Masken.