SUCCESS STORY – Schwingungsisolation für Industrie, Labor und Forschung-- Steffen Arnold --Schwingungsisolation für Industrie, Labor und Forschung
Piezoaktoren verbessern Wirkung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.de

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SUCCESS STORY – Schwingungsisolation für Industrie, Labor und Forschung-- Steffen Arnold --Wenn ein System auf Grund einer Störung aus demGleichgewicht gebracht wird, kann es zu Schwingungenkommen. Da jede Schwingung durch Umgebungseinflüsse
gedämpft wird, kommt jedes System irgendwann von allein
wieder zum Stillstand. So lange zu warten, ist allerdings invielen Anwendungen nicht möglich, zumal sich meist mehrere
Störungen zeitlich überlagern und ein mehr oder weniger
konfuses
Schwingungsbild
mit
unterschiedlichsten
Frequenzen ergeben.
Man muss dann die Schwingung passiv durch geeignete
Maßnahmen dämpfen oder besser noch das System von der
Störquelle isolieren. Besonders mit einer aktiven
Schwingungsisolation reduzieren sich die Einschwingzeiten
erheblich, die Präzision bei Mess- oder Fertigungsabläufen
steigt und höhere Durchsatzraten sind realisierbar. Davon
profitieren
zum
Beispiel
Laboraufbauten,
dieLasertechnologie, der Maschinenbau sowie optische
Messtechnik, Mikroskopie und Mikrobearbeitung.

Abb. 1

Testmuster mit einer Linienbreite von 45 nm, ohne (a) und mit(b) STACIS-Schwingungsisolatio (Bild: Sematech)

Die bisher zur Schwingungsisolation üblichen Verfahrenreichen für viele der heutigen Technologien nicht mehr aus.
Bewegungen und Stöße durch Trittschall, Lüfter, Kühlsysteme,
Motoren, Bearbeitungsvorgänge etc. können z. B. bei der
Mikrobearbeitung Muster so verfälschen, dass das Ergebnis
unbrauchbar wird. Erschwerend kommt hinzu, dasskonventionelle pneumatische Entkoppler bei Störfrequenzen
unter 2 Hz nicht mehr wirksam sind. Abb. 1 zeigt ein typisches
Beispiel: Bei dem nicht hinreichend schwingungsisolierten
Lithografiegerät sind die angestrebten 45 nm breiten Linien
praktisch nicht erkennbar (a).

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Die Abbildung daneben (b) zeigt das Ergebnis, wenn die
Schwingungsisolation aktive Verfahren nutzt, die die
Schwingung nicht nur dämpfen sondern ihr aktiv entgegenwirken.

Abb. 2

Das aktive piezoelektrische Schwingungsisolationssystem STACIS
mit Controller (Bild: Linos Photonics)

Zum Problemlöser wurde hier ein aktives Isolationssystem derSerie STACIS, das die Firma TMC Technical Manufacturing
Corporation entwickelt hat (Abb. 2); für den Vetrieb zuständig
ist Linos Photonics. Das System erlaubt die Isolation kleinster
Schwingungsfrequenzen angefangen vom Sub-Hertz-Bereichund verhindert so, dass sich Erschütterungen negativ auf die
darauf montierte Maschine auswirken können. Diesverbessert nicht nur die Bearbeitungs- oder Testqualität,sondern reduziert gleichzeitig die Einschwingzeiten (Abb. 3).
Die Taktzeiten verkürzen sich und die Durchsatzraten steigen.

Abb. 3Einschwingzeit als Reaktion auf die On-Board-Störung beim
Beladen eines Mikroskop-Tisches mit dem Substrat (Bild: TMC)

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SUCCESS STORY – Schwingungsisolation für Industrie, Labor und Forschung-- Steffen Arnold --Vibrationen in sechs
Freiheitsgraden erfassen undkompensieren
Die aktiven Schwingungsisolatoren erfassen mit Hilfe
integrierter
Beschleunigungssensoren
auftretendeVibrationen in sechs Freiheitsgraden. Die zur Kompensation
notwendigen Gegenbewegungen erzeugen Piezoaktoren, dievon einem Echtzeit-Digital-Signal-Prozessor angesteuert
werden. Dieser bietet die notwendige Rechenleistung für dieextrem
schnellen
Berechnungenzur
Schwingungskompensation.

Die Isolatoren können zudem gut mit bereits vorhandenen
konventionellen
pneumatischen
Isolatoren
zusammenarbeiten, diese also im unteren Frequenzbereich
ergänzen, und sind in vielen Anwendungen sogar problemlos
nachrüstbar. Auch für die Raster-Elektronen-Mikroskopie gibt
es mittlerweile geeignete Ausführungen (Abb. 4), die sichdank ihrer geringen Baugröße gut in den vergleichsweise
kompakten Mikroskopen integrieren lassen.

Schnelle Kraftpakete fürhochpräzise Bewegungen
Die treibende Kraft der Isolatoren sind Piezoaktoren. Auf
Grund ihrer spezifischen Eigenschaften bieten sie für den
Einsatz in den Isolatoren die besten Voraussetzungen: Siearbeiten mit Ansprechzeiten von wenigen Mikrosekunden
und Auflösungen im Sub-Nanometerbereich. Gleichzeitig sind
große Beschleunigungen von mehr als 10.000 g erreichbar
und Lasten bis zu mehreren Tonnen lassen sich bewegen.
Da der Piezoeffekt auf elektrischen Feldern basiert, erzeugenPiezoaktoren keine Magnetfelder und werden auch nicht vonsolchen beeinflusst. Sich ändernde Umgebungstemperaturen
beeinträchtigen den Piezoeffekt nicht.

Abb. 5Abb. 4

STACIS-Isolation ist auch bei kleineren Geräten möglich, z. B. bei
Raster-Elektronen-Mikroskopen (Bild: TMC)

Dank der großen Steifigkeit, der hohen Belastbarkeit und demsauberen druckluftfreien Betrieb eignen sich diepiezobasierten aktiven Isolatoren sowohl für die Integration
als OEM-Komponenten in hochmodernen Werkzeugen als
auch für den Einbau in Isolationsplattformen fürMetrologieausrüstung oder optische Lithografiesysteme, die
mit Hilfe moderner Lasertechnologie heute mit Linienbreiten
im Nanometerbereich schreiben.
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Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.dePiezoaktoren von PI haben bei Langzeituntersuchungen mehrere
Milliarden Zyklen ohne messbare Veränderungen des Verhaltens
durchlaufen

Abnutzung ist bei dieser Technik ebenfalls nicht zubefürchten, da es keine Zahnräder, Lager oder andereverschleißanfällige Mechanik gibt. Die Bewegung basiert auf
kristallinen Festkörpereffekten. Piezoaktoren von PI Ceramic
beispielsweise haben bei Langzeituntersuchungen mehrere
Milliarden Zyklen ohne messbare Veränderungen desVerhaltens durchlaufen (Abb. 5).Gleichzeitig können Piezos
auch im Hinblick auf den Energieverbrauch punkten: Im
statischen Betrieb benötigen sie praktisch keine Energie,
selbst wenn schwere Lasten dauerhaft gehalten werden. DasVerhalten ist mit dem eines elektrischen Kondensators
vergleichbar.
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SUCCESS STORY – Schwingungsisolation für Industrie, Labor und Forschung-- Steffen Arnold --Piezos für die aktive
Schwingungsisolation
Die von TMC eingesetzten Piezoaktoren der PICA-Serie (Abb.
6) stammen von PI Ceramic, einer Tochtergesellschaft desKarlsruher Spezialisten für Präzisionspositionierung Physik
Instrumente (PI). Die Aktoren werden in einer hochmodernen
Fertigungsanlage hergestellt und in einer großen Auswahl vonDurchmessern und Baulängen angeboten. Sie sind für fastjede Aktorikanwendung einsetzbar und boten auch für dieIsolatoren beste Voraussetzungen, da sie sich für hohe Lastenund Resonanzfrequenzen über 10 kHz eignen, bei Stellwegenvon über 100 µm und einer Blockierkraft von über 75 kN.

Abb. 7 Patentierte Technologie für höchste Betriebs- und Lebensdauer:
PICMA

Interessant
fürAnwendungen
imBereich
derSchwingungsisolation sind auch die so genannten PiezoSchreitantriebe (Abb. 8). Sie können einerseits große
Stellwege für die Justage zurücklegen und verhalten sichandererseits aufgrund ihrer hohen Steifigkeit im Bereich voneinigen Mikrometern wie klassische Piezoaktoren, können
also Schwingungen isolieren.

Abb. 6

Verschiedene Standard- und Sonderausführungen von PICA Stack
Piezoaktoren

In der Halbleiterindustrie setzt man sie deshalb ein, um überlithografische Verfahren Strukturbreiten von wenigen 10 nm
störungsfrei und reproduzierbar herzustellen. Piezoaktoren
erschließen damit der aktiven Schwingungsisolation in den
unterschiedlichsten Anwendungsbereichen interessanteMöglichkeiten.

ImPrinzip
bestehendieseAktoren
ausaufeinandergestapelten, piezokeramischen Scheiben, diedurch Metallelektroden getrennt sind. Bei den PICAAusführungen sind die Schichten etwa 5 mm dick. Je dünner
jedoch die einzelnen Schichten im Stapel sind, desto niedriger
ist die Ansteuerspannung.
So genannte Multilayer-Aktoren, bei denen die Dicke dereinzelnen Lagen lediglich um 60 µm beträgt, sind daher inindustriellen Anwendungen sehr attraktiv (Abb. 7). DieseAktoren erreichen bereits bei Betriebsspannungen deutlich
unter 150 V ihre Nennauslenkung. Außerdem gelten sie alssehr robust. Sie sind durch eine vollkeramische Isolierschicht
vor Luftfeuchtigkeit und Ausfällen durch erhöhten Leckstrom
geschützt.

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Abb. 8

Piezo-Schreitantriebe werden häufig in der Halbleiterindustrie,
eingesetzt, um über lithografische Verfahren Strukturbreiten vonwenigen 10 nm störungsfrei und reproduzierbar herzustellen

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SUCCESS STORY – Schwingungsisolation für Industrie, Labor und Forschung-- Steffen Arnold --Über TMCAutoren

Die TMC Technical Manufacturing Corporation wurde 1969
gegründet. Heute gilt das Unternehmen mit Firmensitz inPeabody, Massachusetts, als Technologieführer bei Produktenrund um die Schwingungsisolierung. Isolationseinrichtungen
von TMC waren bereits dabei, als bei Western Electric dieersten Transistoren gefertigt wurden.
Heute reicht die Palette von einfachen, kostengünstigen
Desktop-Mikroskopen mit schwingungsisolierter Basis bis hin
zu den aktiven Schwingungssystemen der STACIS Serie, diemit Sensoren, Piezoaktoren und digitalen Controllern
ausgestattet sind und in den unterschiedlichsten Größen
angeboten werden.

Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“ beiPhysik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG
Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

Zu den Kunden zählen große Forschungszentren, OEM- undEndkunden im Bereich der Halbleiterfertigung und viele
Unternehmen, die sich mit Nanotechnologie befassen, z. B. in
Mikroskopie und Mikrobiologie.

Über PIIn den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente(PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller vonPositioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich
entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vier
Sitzen in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebsund Serviceniederlassungen international vertreten.
Über 850 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Weltversetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung ausdem Bereich innovativer Präzisionspositioniertechnik zuerfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus
entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur
Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik undElektronik ebenso wie die Positionssensorik.
Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei
der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem derweltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.
Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert
auf flexible Positioniersysteme für UltrahochvakuumAnwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme
mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

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