UHPA, Ultra High-precision Power Amplifier (EMVT 08201)

Titel
Ultra High-precision Power Amplifier (EMVT 08201)

Ultra High-precision Power Amplifier voor hightech precisieapparatuur

Aan de nauwkeurigheid en throughput van hightech precisieapparatuur zoals waferscanners worden steeds hogere eisen gesteld. Om daaraan te kunnen voldoen, moeten de grenzen van de beschikbare technologie steeds verder worden opgerekt. In het IOP-project Ultra High-precision Power Amplifier (UHPA) werken onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven aan
fundamentele verbetering van een van de subsystemen: de vermogensversterker.

Een waferscanner brengt via een ingenieus systeem van lenzen en belichting stap voor stap het patroon van een IC aan op de fotogevoelige laag van een silicium plak (wafer). Zo’n wafer heeft een doorsnede van 300 millimeter en bevat honderden chips. Om de details – daarvan in de orde van grootte van 25 nanometer – op de wafer aan te brengen, wordt deze opgedeeld in stroken van maximaal 26 bij 33 mm. Daarvan worden er steeds ongeveer 10 per seconde belicht. De details van verschillende en na elkaar afgebeelde lagen waaruit een IC bestaat moeten goed op elkaar aansluiten. De gewenste onnauwkeurigheid van het totale systeem is daarom grofweg 10x kleiner dan het kleinste detail, dat wil zeggen enkele nanometers.

Vertaald naar Nederland
Actuatoren brengen de waferslede extreem snel en nauwkeurig naar de juiste plek onder de lichtstraal. Om te illustreren hoe extreem de eisen aan de actuatoren zijn, vergelijkt projectleider Marcel Hendrix de wafer met een cirkel van 300 km doorsnede op een landkaart,  een gebied zo groot als Nederland. “De wafer moet met een snelheid van 0,9 m/s kunnen bewegen. Vertaald naar Nederland is dat 900 km/s, 3600 keer zo snel als een lijnvliegtuig. Het afbeelden van heel Nederland, verdeeld in stroken van maximaal 26 bij 33 km, moet gebeuren met een nauwkeurigheid van enkele millimeters en mag niet langer duren dan zo’n 20 seconden”, vertelt hij.

Gecontroleerde stroomvoorziening
Alleen elektromotoren met een uiterst gecontroleerde stroomvoorziening kunnen de actuatoren van de waferslede zo nauwkeurig aansturen. Die gecontroleerde stroomvoorziening is de taak van de stroomversterker (power amplifier), die precies het juiste krachtenpatroon moet opwekken. Een waferscanner bevat zo’n 6 m3 aan vermogenselektronica, waaronder 40 tot 50 stroomversterkers die ieder ruim 10kW genereren (1000 keer zoveel als een audioversterker). “De eisen aan een stroomversterker zijn een rechtstreekse vertaling van de eisen waaraan de waferscanner moet voldoen”, legt Hendrix uit. Eisen die alsmaar hoger worden. Immers, volgens de wet van Moore is te voorspellen dat de dichtheid van transistoren iedere anderhalf tot twee jaar twee keer zo hoog moet worden. Daarnaast zal de throughput van waferscanners (het aantal wafers dat per uur wordt bewerkt) naar verwachting elke vijf jaar moeten verdubbelen.

Een van de stroomversterkers van Prodrive

Dure uren
In het IOP-project Ultra High-precision Power Amplifier (UHPA) werken onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven sinds 2009 aan een stroomversterker die dit waar kan maken. Die versterker zal allereerst een extreem hoge signaal-ruisverhouding moeten hebben: de stroomsterkte mag maximaal één miljoenste van het referentieniveau afwijken. “Dat is uitzonderlijk weinig”, zegt Hendrix. “Verder moet de bandbreedte van de versterker elke vijf jaar verdubbelen. De bandbreedte bepaalt namelijk hoe snel de actuator kan reageren en hoe nauwkeurig hij de waferslede op de juiste positie kan stilzetten. Ons doel is 40 kHz.” Daar bovenop is een flinke verbetering van de betrouwbaarheid en dus van de levensduur van de vermogensversterker vereist. Want als deze tijdens de productie kapot gaat, staat de waferscanner tijdens de reparatie stil. Dat zijn dure uren. “Het zal duidelijk zijn: met incrementele verbeteringen kom je er niet. Fundamenteel nieuwe concepten zijn noodzakelijk”, concludeert Hendrix.

Kosmische straling
Vandaar dat in het IOP-project onderzoekers van de vakgroep Electromechanics and Power Electronics nauw samenwerken met onderzoekers van de vakgroep Control Systems. “Met alleen vermogenselektronica of alleen regeltechniek is het probleem onoplosbaar”, zegt Hendrix. “Je hebt de combinatie nodig. Die samenwerking maakt dit project uniek.” De onderzoekers voerden diepgaand onderzoek uit naar de oorzaken van betrouwbaarheidsproblemen. Ze ontdekten dat de in serie geplaatste schakelaars in de versterker door de hoge voedingsspanning na een bepaalde tijd kapot gaan, ook wanneer ze continu uitstaan. “Dat blijkt een effect van kosmische straling”, vertelt Hendrix. “Door de topologie van het Een van de stroomversterkers van Prodrive circuit te veranderen en over te gaan naar het opposed current converter (OCC) concept, hebben we dat probleem ondervangen en de prestaties aanzienlijk verbeterd. Deze configuratie maakt de vermogensversterker vele malen robuuster.”

Complex model
Ook is onderzocht waarom het zo moeilijk is om te voldoen aan de nauwkeurigheidseisen en dus aan de gevraagde bandbreedte. “De belangrijkste oorzaak bleek de zogenaamde dode tijd in de schakelaars. Die moet voorkomen dat er kortsluiting optreedt”, vertelt Hendrix. “Maar die eigenschap veroorzaakt vervorming van het signaal. Toevallig bleken de eerdergenoemde opposed current converters dat probleem ook op te lossen.” Om niet alleen met grote snelheid te kunnen bewegen maar ook precies op de juiste plaats te kunnen stoppen, ontwikkelden de onderzoekers een complex model met alle eigenschappen van de vermogensversterker. Het model houdt rekening met allerlei restricties van het systeem, zoals de maximale voedingsspanning. “Door dat model zijn we in staat als een schaker
vooruit te denken. Regelalgoritmes bepalen via een continu proces van meten en bijsturen bij iedere gevraagde beweging de best mogelijke oplossing. Mits je over voldoende rekenkracht beschikt kun je op die manier de stroomvoorziening realtime besturen en de juiste strategie berekenen, ook als de nauwkeurigheidseisen in de toekomst verder toenemen.”

Aan de slag
De afgelopen jaren is dit nieuwe concept uitgewerkt en met behulp van een prototype getest. Door de combinatie van opposed current converters en de nieuwe regelalgoritmes bleek dat de vermogensversterker op alle fronten factoren beter functioneert en aan de vereiste specificaties voldoet. “We hebben laten zien dat de theorie klopt en dat het concept haalbaar is”, zegt Hendrix. “Nu gaan we onze bevindingen publiceren. Het is aan de industrie om met het concept aan de slag te gaan.” De belangstelling hiervoor is groot bij de partners van het IOP-project, met name Prodrive, de leverancier van vermogensversterkers, en de waferscannerproducent ASML.

Uitvoerders:
TU Eindhoven – faculteit Electrical Engineering Vakgroep Electromechanics and Power Electronics (EPE):
• Ir. M.A.M. Hendrix
• Dr. J.L. Duarte
• Ir. Jan Schellekens
Vakgroep Control Systems (CS):
• Prof.dr.ir. P.M.J. Van den Hof
• Dr. M. Lazar
• Veceslav Spinu MSc

Partners:
Alfen, ASML, Prodrive, Philips Lighting

Onderzoeksperiode:
2009-2014