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Aktive elektro-pneumatisches Systeme auf STACIS piezoelektrischen Schwingungsisolationssystemen

An Standorten mit hohen Schwingungsamplituden können die internen pneumatischen Isolationssysteme vieler Halbleiter-Fertigungsanlagen unzureichend sein, was den Einsatz zusätzlicher Isolationssysteme notwendig macht, welche üblicherweise unterhalb einer Doppelboden-Plattform installiert werden. Dies kann problematisch sein, wenn die internen Systeme der Geräte „aktive“ Schwingungsdämpfung einsetzen. Diese Systeme nutzen Linearmotoren (Lorentz-Kraft-Motoren, manchmal auch „Schwingspulen“-Motor genannt), welche zwischen dem tragenden Grundrahmen und der isolierten Traglast montiert sind, um den Durchsatz und die Auflösung des Geräts zu erhöhen. An der Traglast angebrachte Sensoren können in einer Regelkreisschleife einbezogen werden, um die dynamische Reaktion und Schwingungsisolationsleistung des Systems zu verbessern. Informationen von der Steuerung des Positioniersystems können in einem Vorsteuerungspfad zur Reduzierung der durch die Bewegung des Positioniersystems ausgelösten Traglastreaktion verwendet werden. Diese Abhandlung zeigt, dass eine solches System sicher und ohne nachteilige Auswirkungen auf die internen Isolationssysteme des Geräts auf einer durch das steife piezoelektrische STACIS Schwingungsisolationssystem gestützte Unterboden-Plattform installiert werden kann. STACIS stellt damit eine Ausnahme der Grundregel „kein aktiv auf aktiv“ dar, die für andere weiche aktive Unterbodensysteme gilt.

Einführung

„Kein aktiv auf aktiv“ ist eine Grundregel, die besagt, dass keine Maschine, die über eine (interne) aktive Schwingungsisolation verfügt, auf einer Plattform montiert werden darf, die ebenfalls eine aktive Schwingungsdämpfung nutzt. Die Regel ist jedoch nicht ganz richtig, da sie nur für bestimmte Typen von aktiven Schwingungsisolationssystemen gilt.

Die Regel „kein aktiv auf aktiv“ existiert, weil das eine aktive Isolationssystem das jeweils andere potentiell beeinflussen kann. Hierfür gibt es zwei Mechanismen. Der erste ist, dass die Kopplung von zwei Feder-Masse-Systemen ein neues System mit unterschiedlichen (und komplexeren) Frequenzen der „normalen Eigenschwingung“ – denjenigen Frequenzen, bei denen das System nach einer Störung schwingt – erschafft. Dies kann die Schleifenübertragungsfunktionen innerhalb des Steuerungssystems verändern und so zu einer instabilen oder nicht optimalen Leistung führen. Dieser Mechanismus stellt keine Kopplung der Regelkreise der beiden Systeme dar, sondern lediglich das Ergebnis der Kopplung von zwei Systemen mit ähnlicher Steifigkeit. Dies kann auch aus der Positionierung eines Geräts mit einem aktiven pneumatischen System auf einer passiven pneumatischen Plattform resultieren. Das aktive Isolationssystem STACIS vermeidet dies dadurch, dass seine Steifigkeit mehr als 100-mal höher ist als die der herkömmlichen pneumatischen Systeme.

Der zweite Mechanismus ist eine tatsächliche Kopplung zwischen dem internen Steuersystem des Geräts und dem System in der tragenden Plattform. Es folgt eine Darstellung von zwei aktiven elektro-pneumatischen Isolationssystemen, die übereinander angeordnet sind (auf einen Freiheitsgrad vereinfacht):

Darstellung eines typischen, übereinander angeordneten Schwingungsisolationssystems

Bei beiden Systemen lagert eine Masse (M1 und M2) auf einer (pneumatischen) Feder (K). Hier stellt M1 die Unterboden-Plattform für das Werkzeug und den Werkzeugrahmen dar. M2 ist die intern isolierte Traglast im Werkzeug. Die beiden Massen sind etwa gleich groß, ebenso wie die Ks. Beide aktive Systeme verfügen über einen Sensor (s), ein Kompensationssystem und einen Verstärker (f) sowie einen Kraftaktor (F). Der zweite Mechanismus beinhaltet die Schaffung eines instabilen oder ungewollten Regelkreises, der die beiden (nominell eigenständigen) Systeme mit einschließt. Beispielsweise erzeugt eine Störung an M2 ein Signal am oberen Sensor, was wiederum eine Kraft am oberen Aktor erzeugt. Der obere Aktor stößt jedoch auch die untere Masse M1 an. Hierdurch wird ein Signal am unteren Sensor sowie eine Reaktion am unteren Aktor erzeugt, wodurch eine Kraft an M2 durch deren Stützfeder übertragen wird. Es entsteht also eine Schleife. Solche Schleifen können stabil oder instabil sein, sie sind aber in jedem Fall unerwünscht.

STACIS vermeidet diese Probleme, indem die beiden Regelkreise wirksam entkoppelt werden, wie in der nachfolgenden Darstellung gezeigt:

Darstellung eines generischen aktiven Systems kaskadiert auf STACIS

Hier stellen M1, M2 und K die gleichen Komponenten wie zuvor dar, die untere Feder, der untere Sensor und der Aktor wurden jedoch durch ein STACIS piezoelektrisches Isolationssystem ersetzt. Es besteht aus einem Sensor (s), der an einer kleinen Masse (m) angebracht ist, die typischerweise nur einige kg schwer ist. Das Ausgangssignal des Sensors wird gefiltert und treibt einen PZT-Stapel an, der das Ausgangssignal des Sensors in einem Servo mit hoher Bandbreite (typischerweise 200 Hz) nullt. Die Masse M1 wird durch eine Feder (Kgroß) gestützt, die mehr als 100-mal steifer als die Feder (K) ist.

Das interne aktive Isolationssystem des Werkzeugs wird durch die Anwesenheit des STACIS Systems nicht beeinflusst.

Die normalen Eigenschwingungen der Masse M2 bleiben unverändert, da die (serielle) Steifigkeit weiterhin von K bestimmt wird (Kgroß>>K). Dies hat zur Folge, dass die Schleifenübertragungsfunktionen des Steuersystems des Geräts unverändert bleiben und seine Leistung nicht beeinträchtigt wird. Dies ergibt Sinn: Die Resonanzfrequenz des Geräts und der Plattform auf dem STACIS Isolator (Kgroß) beträgt etwa 20 Hz – vergleichbar mit den niedrigsten Resonanzen der meisten Rahmenstrukturen und sogar vieler Bodenstrukturen.

Zusätzlich bleibt das STACIS Isolationssystem vollständig unbeeinflusst von der Präsenz des aktiven Systems des Geräts. Dies liegt primär an der äußerst hohen Steifigkeit der PZT-Stapel (typischerweise mehrere hundert Millionen N/m). Jede durch (Kgroß) an (m) übertragene Kraft führt zu praktisch keiner Bewegung der kleinen Masse. So werden potentielle „aktiv auf aktiv“-Regelschleifen unterbrochen. STACIS erhält so zudem eine „Plug-N-Play“-Eigenschaft – das System muss für die meisten Installationen nur gering oder gar nicht angepasst werden.

Testergebnisse

Um die Fähigkeit von STACIS bei der Lagerung aktiver pneumatischer Isolationssysteme zu demonstrieren, installierten wir ein ElectroDamp II System auf einer auf STACIS Isolatoren gelagerten Plattform.

Darstellung ElectroDamp auf STACIS

ElectroDamp II ist ein aktives Hochleistungs-Isolationssystem mit sechs Freiheitsgraden, das auf an der Traglast montierten Sensoren, leistungsstarken Linearmotoren und einem DSP-gestützten Steuersystem basiert. Es misst die Bewegung der Traglast über die Sensoren und übt eine ausgleichende Kraft aus, um sowohl die Dämpfung als auch die Schwingungsisolation zu erhöhen. Zusätzlich kann es Informationen der Tischbewegungssteuerungen nutzen, um Vorsteuerungssignale für mehrere Achsen auszugeben. Es wird bei Geräten für die Halbleiterfertigung eingesetzt und ist typisch für elektro-pneumatische Isolationssysteme. Es folgt ein Foto des Aufbaus. Die ElectroDamp aktiven Isolatoren befinden sich bei A. Das gesamte System misst etwa 1,5 m2. Die isolierte Traglast B ist ein Stahlgussteil mit 1650 kg Gewicht. Der Rahmen C ist eine geschweißte Stahlkonstruktion mit einem Gewicht von etwa 500 kg und einer Höhe von 1 m. Darunter befindet sich eine standardmäßige TMC Doppelboden-Plattform D aus einer epoxygebundenen Laminierung aus Stahlplatten und steifen Dämpfungsschichten in einem Edelstahlgehäuse. Diese wiegt etwa 850 kg. Vier STACIS Isolatoren mit mittlerer Kapazität E stützen das gesamte System auf einem gegossenen Betonboden. Die DSP-basierte Steuerung von STACIS befindet sich bei F.

Foto des Versuchsaufbaus ElectroDamp auf STACIS

Nachdem das System aufgebaut war, wurden das STACIS und das ElectroDamp System eingeschaltet. Beide Systeme funktionierten und lagen innerhalb der Spezifikationen, ohne dass Anpassungen notwendig waren. Anschließend wurde der Algorithmus zur automatischen Justierung des ElectroDamp Systems ausgeführt, was ein Bestandteil seines standardmäßigen Installationsprozesses ist. Die automatische Justierung verlief problemlos und nahm lediglich kleinere Anpassungen bei der Verstärkung vor (in der Größenordnung weniger dB). Diese geringe Anpassung der Verstärkung ist typisch für alle Installationen.

Um zu zeigen, wie unempfindlich ElectroDamp in Anwesenheit des STACIS Systems ist, müssen die Übertragungsfunktionen des offenen Regelkreises im ElectroDamp System betrachtet werden. Diese werden durch „Auftrennung“ der Regelschleife, Einkoppeln eines Testsignals an der Eingangsseite der nun offenen Schleife und Messung von Betrag und Phase der Reaktion an der Ausgangsseite der offenen Regelschleife bestimmt.

Diese Kurven werden von Antriebstechnikern genutzt, um die Stabilität und das Dynamikverhalten des Systems zu bestimmen. Sie stellen die Übertragungsfunktionen des offenen Regelkreises für die Freiheitsgrade X, Z und Theta-X (Rotation über die horizontale X-Achse) dar. In allen Darstellungen stellt die mit A gekennzeichnete Kurve die gemessene Übertragungsfunktion des Regelkreises, dabei ist das Gestell mit ElectroDamp direkt auf dem Betonboden positioniert. Die mit B gekennzeichneten Kurven stellen die Übertragungsfunktionen bei Positionierung des Systems auf der STACIS Plattform (mit eingeschalteter aktiver Dämpfung gemessenen) dar.

Übertragungsfunktionen des offenen Regelkreises für X Übertragungsfunktionen des offenen Regelkreises für ZÜbertragungsfunktionen des offenen Regelkreises für Theta-X

In den meisten Bereichen liegen die A- und B-Kurven so nahe bei einander, dass es schwer ist, zwischen den beiden zu unterscheiden. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass das Ausmaß und die Frequenz der primären Schwingungsform für jeden Freiheitsgrad durch die Montage des ElectroDamp Systems auf der STACIS Plattform nicht verändert wurden. Die im Bereich von 20-50 Hz auftretenden Resonanzen sind durch den geschweißten Rahmen und das Stahlgussteil bedingt.

Man darf nicht vergessen, was die Schleifenübertragungsfunktionen messen. Eine Kraft wird durch am Grundrahmen montierte Linearmotoren auf die Traglast ausgeübt und die Schwingungssensoren an der Traglast messen die Reaktion auf diese Kraft. Was die Kurven zeigen, ist, dass der Frequenzgang ungeachtet der Werte des Steuersystems nicht durch STACIS beeinflusst wird. Insbesondere wird bei Steuersystemen, welche in der Bandbreite von 0,5 Hz bis 100 Hz betrieben werden, keine Veränderungen ihres Frequenzgangs aufgrund von STACIS auftreten.

Dieses Argument gilt ebenso auch für Systeme, die eine Vorsteuerung zum Ausgleich von Reaktionen der Traglast auf Positioniererbewegungen nutzen: Die im Vorsteuerungssystem ausgeübte Kraft löst die gleiche Reaktion der Traglast aus, unabhängig von der Anwesenheit von STACIS. Prinzipiell ist diese Anforderung strenger als notwendig. In einem sachgemäß ausgelegten Vorsteuerungssystem werden die durch Positioniererbeschleunigungen erzeugten vektoriellen Kräfte durch von den Linearmotoren erzeugte Kräfte kompensiert – ist die Kompensation exakt, dann spielen die Dynamik der Traglast oder die Art des Frequenzgangs keine Rolle. Es entsteht keine Bewegung.

Vorteile des STACIS Systems

STACIS erlaubt Geräteherstellern, Instrumente in Umgebungen zu installieren, die ansonsten zu unruhig für das Gerät wären. Dies wird durch die nachfolgende Grafik gezeigt, welche die vertikale Schwingungs-Übertragungsfunktion von TMCs ElectroDamp System, installiert auf einer auf STACIS montierten Unterboden-Plattform, darstellt. Statt das STACIS System jedoch auf dem Doppelboden zu positionieren, platzierten wir es auf einer zweiten Bodenplattform (Gewicht 1730 kg), die auf STACIS Isolatoren mit hoher Kapazität gelagert wurde. Dieses zweite System wurde im Versuch eingesetzt, um eine kontrollierte Anregung des Bodens mit einer Amplitude von etwa 1 µm zu erreichen.

Vergleich der Schwingungs-Übertragungsfunktion

In der Grafik stellt Kurve A die Schwingungs-Übertragungsfunktion des Systems jeweils mit abgeschalteten ElectroDamp und STACIS System dar (nur passive pneumatische Isolatoren). Kurve B zeigt die Schwingungs-Übertragungsfunktion nur mit ElectroDamp und Kurve C die Schwingungs-Übertragungsfunktion, wenn beide aktiven Systeme eingeschaltet sind. Die für die Messungen eingesetzten Sensoren waren Kinemetrics Seismometer vom Typ SS-1 mit 100-fach-Vorverstärkern.

Wie man den Messungen entnehmen kann, wird die Isolation bei 10 Hz durch STACIS um fast 30 dB erhöht, bei einer Gesamtdämpfung von fast 60 dB (das Rauschen bei C resultiert aus den äußerst niedrigen gemessenen Amplituden – etwa 1 nm). Im 2-Hz-Bereich (in dem bei vielen Gebäuden hohe Schwingungsamplituden herrschen) erreicht das System eine Isolation von 10 dB – eine Größenordnung besser als die pneumatischen Isolatoren alleine (Kurve A).

Fazit

Diese Daten zeigen eindeutig, dass weiche aktive Isolationssysteme, die Linearmotoren zur Verbesserung der Leistung passiver pneumatischer Isolationssysteme einsetzen, auf STACIS basierten Plattformen ohne Beeinträchtigung ihrer Leistung installiert werden können.

Das STACIS Isolationssystem ist zudem gegenüber aktiven Systemen, die auf ihm installiert werden, unempfindlich, da die Dynamik seines Regelkreises durch die Steifigkeit der PZT-Aktoren und des tragenden Bodens bestimmt wird, die beide um einige Größenordnungen steifer als sämtliche Elemente im aktiv-pneumatischen System sind. Kgroß hilft zudem, das STACIS Steuersystem gegen an der Traglast erzeugte Kräfte abzuschirmen.

STACIS bietet Geräteherstellern und Endnutzern eine größere Flexibilität bei der Installation von Instrumenten, die aktive Systeme einsetzen. Beispielsweise bestehen für viele Instrumente Spezifikationen hinsichtlich Bodenschwingungen am Installationsort, die eingehalten werden müssen, damit es seine Leistungsspezifikationen erreichen kann. Erfüllt ein Standort diese Spezifikationen nicht, so muss das Instrument entweder an einen anderen Standort gebracht oder auf einem Unterboden-Isolationssystem positioniert werden. Anders als viele weiche Isolationssysteme kann STACIS in diesen Situationen ohne nachteilige Auswirkungen auf das Instrument eingesetzt werden.

Autor: Dr. Peter G. Nelson, VP/CTO, TMC

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