ASML neemt TUE in arm voor zwevend magneettapijt

Sinds enkele weken heeft Jeroen de Boeij zijn magnetisch-zwevend platform aan de praat. Supernauwkeurig is zijn opstelling nog niet, maar deze proof of concept is wel de eerste aanzet naar bewegen op hoge snelheden met nanoprecisie. Doel is een positioneerstage met een lange slag (centimeters tot meters) en een ultrahoge bewegingsnauwkeurigheid (10 nanometer en minder).

Een prototype planaire actuatorstage werd vorig jaar april al gerealiseerd in een IOP-project van de promovendi Helm Jansen en Nelis van Lierop die hierop inmiddels zijn gepromoveerd. Voor Jeroen de Boeij was het de uitdaging om de mogelijkheden van de planaire actuator uit te breiden door middel van kabelloze energie en dataoverdracht.

De Boeij werkt nog aan de afronding van zijn promotie, maar het onderzoekstraject is sinds twee maanden ondergebracht in het vierjarig project Advanced single-Stage Planar Actuator (ASPA, zie kader) dat draait binnen het Programme for High Tech Systems. Het projectplan van ASPA is vooral ASML op het lijf geschreven. De machinefabrikant wil de technologie rijp maken voor toekomstige lithografische systemen die met ultraviolet licht (EUV) siliciumplakken belichten. EUV-belichting gebeurt in vacuüm, waardoor ASML zijn huidige luchtgelagerde H-drive-stages niet kan gebruiken.

Prototype EUV-systemen bij Imec in Leuven en het researchcentrum CNSE in Albany hebben al magnetisch gelagerde waferstages. Daarbij zweven twee platforms met elektromagneten over een vlakke tafel van twee vierkante meter met vaste magneten. In de opstelling van De Boeij is het juist andersom: een platform met vaste magneten zweeft boven een tafel met actieve magneten.

Het voordeel van dit omgekeerde concept (vliegende magneten en vaste tafel met elektrische spoelen) is dat er geen stroomdraden voor hoge vermogensdichtheden aan het bewegende onderdeel zitten. Een stage met vaste magneten is in potentie ook heel licht uit te voeren, wat hogere snelheden en nauwkeurigheden mogelijk maakt. In de fotolithografische praktijk heeft een stage altijd voeding nodig voor de talloze sensoren. Om die van energie te voorzien heeft De Boeij zijn maglevstage uitgerust met een module voor draadloze energieoverdracht.

Het is overigens nog de vraag of een dergelijke stage helemaal zonder contact met de buitenwereld kan bewegen. In een interview met Mechatronica Magazine sprak Doede Kuiper, die leiding geeft aan de mechatronicagroep bij ASML, de verwachting uit dat waferstages ook in het omgekeerde concept nog waterkoeling nodig hebben voor hun temperatuurhuishouding. Dat betekent fysiek verbinding houden.

Wervelstromen

Het zwevende platform op de TUE bestaat uit een schaakbordpatroon van neodymiummagneten die zijn bevestigd onder een honingraatstructuur van aluminium. Dit platform zweeft op een bed met elektromagneten die ook in een schaakbordpatroon zijn geplaatst. Deze elektromagneten zorgen voor de actieve aandrijving.

De motioncontrol is gebaseerd op een zelf ontworpen algoritme dat duizenden keren per seconde de benodigde stromen in de elektromagneten kan uitrekenen. Dit algoritme en de motioncontrol is geïmplementeerd in een DSpace-systeem, die de stroomsetpoints naar de versterkers stuurt. De Boeij: ’We sturen de stroomcommando‘s voor iedere spoel naar de versterkers. De versterkers van Bosch en Prodrive zijn speciaal voor ons aangepast om alle verdere intelligentie te omzeilen. De stroomcommando‘s gaan rechtstreeks naar de FPGA die de stroomlus regelt.‘ De Prodrive-versterkers zijn digitaal via een custom RS485-protocol. Bij de Nyce 4000-systemen van Bosch sturen de onderzoekers een analoge spanning, waarbij 1 volt staat voor 1 ampère.

Om draadloze energieoverdracht mogelijk te maken zitten er twee verschillende spoelen in het elektromagneetbed. Een deel van de spoelen brengt alleen kracht over en wordt aangedreven door de gelijkstroom te manipuleren met een stroomlus die werkt van gelijkstroom tot 3 kHz wisselspanning. De stroom in deze spoelen wordt geregeld met modules van Prodrive.

Een tweede deel van de spoelen kan krachten leveren als deze in het bereik is van de magneten, waarbij de stroomlus is gerealiseerd via Nyce 4000-versterkers van Bosch Rexroth. Die kunnen ook energie overbrengen als de hoogfrequentspoel binnen bereik is. De energieoverdracht werkt op een frequentie van 158 kHz. Deze frequentie is veel hoger dan de stroomlus voor aandrijving waardoor ze geen last van elkaar hebben.

Om bij die hogere frequentie zo min mogelijk energie te verliezen zijn deze spoelen gemaakt van litzedraad. Tecnotion in Almelo wikkelde ze. Litzedraad is een bundel kleine apart geïsoleerde koperdraadjes met een diameter van 71 micron. ’Dat is om te voorkomen dat je wervelstromen krijgt‘, legt De Boeij uit. ’In gewone elektromagneten heb je bij hogere frequenties last van wervelstromen. Een normale spoel heeft een weerstand van paar ohm, maar bij een wisselspanning van 150 kHz heeft hij een weerstand van een paar kilo-ohm. Dat kun je met kleinere draadjes omzeilen. In de energieoverdrachtsstand bij 158 kHz heb je met litzedraad nog steeds maar een weerstand van een paar ohm.‘

Nadeel is wel dat door het hogere percentage isolatiemateriaal het aandeel koper afneemt. Ook is er meer aandacht nodig voor het thermische ontwerp. De vermogensoverdracht naar het platform is 120 watt, maar tests wijzen uit dat dit is op te rekken tot 300 watt. De elektronica op het platform heeft daarvan slechts een budget van 5 watt nodig. De rest is beschikbaar voor motoren.

De Boeij rustte zijn zwevende magneettapijt uit met twee communicatielinks, een voor zenden en een voor ontvangen. Hij gebruikte daarvoor zendontvangers van Microlinear die elk een eigen frequentieband rond 2,4 GHz innemen. Om realtime interactie mogelijk te maken schreef hij zelf een communicatieprotocol met 100 microseconden tijdvertraging. Daarmee is de positie van het platform tienduizend keer per seconde bij te regelen. De Boeij: ’De hele regellus, de tijd tussen het ontvangen van de positiemetingen, uitrekenen en uitsturen van stroomcommando‘s, is 600 tot 700 microseconden. We moeten de stromen uitrekenen en uitsturen naar de versterkers voor 81 spoelen en naar de motoren op het platform.‘

Het digitale protocol om de zendontvangers van Microlinear aan te sturen draait op een Xilinx Spartan 2E. Daarnaast leest de FPGA de encodersignalen in van de manipulator (de brugconstructie op het maglevplatform) en stuurt commando‘s naar de motoren van deze manipulator.

De grootste uitdaging vond De Boeij het integreren van de magnetische lagering, de regeltechniek van de magneetplaat en de energieoverdracht. ’Je moet het zo flexibel krijgen dat je met zes vrijheidsgraden kunt bewegen en toch met een goed rendement energie oppikt en realtime draadloos kunt blijven regelen.‘

Het promotieonderzoek van Jeroen de Boeij, Helm Jansen en Nelis van Lierop is uitgevoerd binnen de groepen Electromechanics and Power Electronics (EPE) en Control Systems (CS) van de Faculteit Elektrotechniek van de TU Eindhoven. Het onderzoek werd betaald door het IOP Elektromagnetische Vermogenstechnologie (Senternovem, EZ).