KLAAR VOOR SEMICON

Machinefabriek De Valk heeft een aantal waferchucks voor SCIL Nanoimprint Solutions geproduceerd met als basistechnologie 3D metaalprinten. De nauwkeurigheden liggen op het niveau van precisie CNC werkstukken.

Door de chuck waarop de wafer ligt te 3D printen, worden assemblageproblemen opgelost en verbetert het thermisch gedrag van het onderdeel voor een chipmachine. “Als je in het beginstadium mee mag denken met de klant, kunnen we dit resultaat behalen”, zegt John Hagelaars van De Valk. Hij heeft nooit eerder een AM-werkstuk in handen gehad met zulke hoge nauwkeurigheden en eigenschappen.

Substrate Conformal Imprinting Lithography: dat is de officiële benaming voor de technologie van SCIL Nanoimprint Solutions. Eigenlijk een alternatieve technologie voor bekende lithografische processen in de halfgeleiderindustrie. Voor toepassingen zoals fotonica, MEMS, sensoren en optische toepassingen is dit interessant omdat SCIL de productiekosten van wafers verlaagt. Dit is onder

De Ra waarde van de afgewerkte chuck bedraagt 0,4 micron. De chuck weegt ruim 7 kilogram na het printen.

Wesley van der Heijden (links) met John Hagelaars

meer te danken aan het feit dat het SCIL-proces bij kamertemperatuur werkt. “De resist, de lak, die we gebruiken is anorganisch en vloeibaar bij kamertemperatuur. Dat is uniek.” legt Rob Voorkamp uit, General Manager bij SCIL. De keuze voor additive manufacturing is ingegeven door meerdere redenen. Zo moet het onderdeel extreem stijf zijn. Dit kun je bereiken door de chuck niet uit losse onderdelen op te bouwen, zoals bij de eerste generatie SCIL machines, maar uit één geheel. Dus met additive manufacturing, omdat je dan met interne structuren de stijfheid vergroot en tegelijkertijd gewicht bespaart. De chuck voor de eerste serie machines is samengesteld uit losse freesonderdelen die verlijmd worden. Dit is moeilijk in de assemblage omdat het onderdeel volledig lekdicht moet zijn. De derde reden waarom de engineers van SCIL voor 3D metaalprinten hebben gekozen, is dat de chuck zeer egaal en snel moet kunnen opwarmen en afkoelen. Geen extreme temperaturen, maar de chuck moet snel van kamertemperatuur opwarmen tot 60 graden C en weer snel afkoelen. Daarnaast moet de chuck de temperatuur zeer precies kunnen vasthouden. “Philips PINS, de hoofdaannemer voor de bouw van de SCIL machine, heeft ons daarom gevraagd of we dit onderdeel kunnen 3D printen”, zegt John Hagelaars, directeureigenaar van machinefabriek De Valk in Valkenswaard.

Naar één geheel

Wesley van der Heijden, AMengineer bij De Valk, legt uit dat allereerst het ontwerp zodanig is aangepast dat het onder een hoek van 45 graden kan worden geprint. Hierdoor passen twee exemplaren gelijktijdig op de bouwplaat van de Metalfab1, het AM-systeem dat De Valk gebruikt. De printtijd bedraagt dan vijf dagen voor de twee. Voor extra stijfheid zonder dat het gewicht te veel toeneemt, zitten er rasterstructuren in de chuck. Deze structuren zijn berekend met speciale software om het gewicht te minimaliseren en de stijfheid te maximaliseren. Deze stijfheid is niet zozeer nodig voor de uiteindelijke toepassing, maar wel om het onderdeel na het 3D printen zeer nauwkeurig mechanisch te kunnen bewerken. John Hagelaars: “De stijfheid moet voldoende zijn om met nabewerken een vlakheid van 0,005 te halen.” De Ra waarde van de afgewerkte chuck bedraagt 0,4 micron. De chuck weegt ruim 7 kilogram na het printen.

De chuck op de bouwplaat van de MetalFab 1 metaalprinter.

Poeder verwijderen

Een van de uitdagingen vanuit AM- perspectief is geweest het verwijderen van het poeder. Er mag geen poeder achterblijven. “Het gaat om een Grade 2 onderdeel. De waferchuck wordt meerdere keren gereinigd. Daarom moet alle poeder eruit zijn”, verduidelijkt Wesley van der Heijden. Als eerste stap wordt met een trilapparaat, terwijl de chucks nog op de bouwplaat zitten, het overtollig poeder zoveel mogelijk verwijderd. Daarna worden de laatste resten met perslucht in een flowkast verwijderd. Deze perslucht wordt via de aansluitingen voor het koelwater op de chuck naar binnen gebracht. Met heatmapping wordt daarna gecontroleerd of alle poeder eruit is. John Hagelaars: “Als je koelwater in het systeem brengt en snel opwarmt en afkoelt, moet de onderkant steeds een egaal verloop van de temperatuur vertonen. Is dat niet het geval, dan zit nog ergens poeder.”

Mechanische nabewerkingen

Nadat poeder en support zijn verwijderd, doorloopt het semiconductor onderdeel een aantal mechanische nabewerkingen, waaronder CNC frezen, slijpen, elektropolijsten en lappen. Het gaat namelijk om een precisieonderdeel. De bovenkant moet een vlakheid hebben van 5 micron. De vacuümvlakken aan de onderzijde moeten 0,04 mm parallel lopen aan de bovenzijde, die spiegelglanskwaliteit wordt afgewerkt. Ook de kamers aan de zijkanten moeten binnen een bepaalde tolerantie wat betreft de parallelliteit met de onderzijde vallen. Wesley van der Heijden: “Nadat we het nulpunt in het midden hebben bepaald, spannen we het onderdeel eerst met een kikker op ons 3-assig bewerkingscentrum. Voor het bewerken van de andere zijde leggen we het onderdeel in een mal.” Alles bij elkaar gaat er 2,5 dag freeswerk in het nabewerken van de chuck zitten, inclusief het frezen van 0,5 mm brede en diepe vacuümgroeven. “Het onderdeel laat zich goed frezen.” Elektropolijsten is nodig om de oppervlakteruwheid verder omlaag te brengen, zodat het onderdeel beter gereinigd kan worden. John Hagelaars: “Ons hele proces is ingericht op Grade 2 reiniging. Met elektropolijsten halen we de laatste ruwheden waarin een vervuiling zou kunnen zitten, weg.” Daarna pas wordt de bovenzijde, die spiegelglad moet zijn omdat hier de wafer op ligt, nog gelapt, zodat de vlakheid aantoonbaar beter dan 5 micron is. Al deze stappen betekenen een doorlooptijd van 6 tot 8 weken tot nog toe. ”Eigenlijk nog best snel omdat we veel zelf kunnen doen en goede contacten hebben met andere partijen in het ecosysteem in de regio”, zegt Wesley van der Heijden. Als laatste volgen dan leken druktesten en nogmaals reinigen en verpakken.

Beter dan conventioneel

SCIL heeft de waferchuck ondertussen getest. Het onderdeel is beter dan hun verwachtingen, terwijl het probleem met de assemblage is opgelost omdat de totale chuck in een keer wordt geprint. Wesley van der Heijden: “Het onderdeel is beter omdat het sneller afkoelt en weer opwarmt, precies wat ze nodig hebben voor hun machine.” De Valk heeft ondertussen zes van deze chucks geproduceerd. Het project toont volgens John Hagelaars aan dat additive manufacturing klaar is om ingezet te worden voor de

De volledig afgewerkte chuck met nauwkeurigheden die je doorgaans bij precisie CNC-componenten voor de halfgeleiderindustrie ziet.

halfgeleiderindustrie, maar dat je wel over de technologie moet beschikken om de vervolgstappen te kunnen maken. “En het is belangrijk dat je met de klant mag meedenken. Die heeft niet de ervaring hoe je dit moet printen; wij hebben die wel en zijn bekend met de designrules. Daarom moeten we er in een vroeg stadium bij betrokken worden.” Voor De Valk is dit het meest nauwkeurige product dat de toeleverancier tot nog toe geprint heeft. De nauwkeurigheden begeven zich op het hoge niveau dat de toeleverancier in de precisie-industrie doorgaans haalt met frezen, draaien en slijpen. Voor John Hagelaars het bewijs dat additive manufacturing op dit niveau niet zonder de klassieke subtractieve technologie kan. Een andere les die hij uit dit project leert, is dat zowel de verspaningsals de AM-kennis onmisbaar zijn. Alles draait namelijk om holle ruimtes, koelkanalen en voldoende wanddiktes zodat je het product nog kunt nafrezen, zonder risico dat de frezer door de wand heen gaat. De kennis van het nabewerken is noodzakelijk om tot een goed ontwerp voor 3D printen te komen.

Nog niet industrieel

De derde les is eigenlijk meer een verbeterpunt voor de machinebouwers. John Hagelaars: “Ondanks dat de Metalfab 1 ontworpen is met industrialisering in het achterhoofd en een voorsprong heeft op andere machines, komt er nog steeds handwerk aan te pas, al is het maar het verwijderen van de chucks van de bouwplaat.” Industrialisering in de betekenis zoals dat voor een frees- en of draaiproduct geldt, is vooralsnog nog niet haalbaar. De verschillende stappen in het proces kunnen nog niet quasi vanzelf achter elkaar worden uitgevoerd. “Je moet nadenken bij elke stap. Maar we tonen hiermee wel aan dat we klaar zijn om additive manufacturing in te zetten voor de semiconductor industrie.”

Machinefabriek De Valk [www.machinefabriekdevalk.com]