Nanu? – Hydraulikzylinder in der Nano-Welt

02. November 2007

Blockzylinder in einer Anlage zur Imprint Lithografie

Blockzylinder zeichnen sich durch eine Reihe von Vorteilen aus, die in der Praxis so manche Konstruktion vereinfachen. Sie bauen zum Beispiel sehr kompakt und bieten eine Vielzahl von Befestigungs- und Anbaumöglichkeiten. Entsprechend umfangreich ist das erhältliche Zubehör. Der Zylinderspezialist AHP Merkle in March-Hugstetten liefert beispielsweise sein umfangreiches Standardprogramm an Blockzylindern standardmäßig mit gehärteten Kolbenstangen im Durchmesserbereich von 16 bis 200 mm.

Welche Vorteile damit verbunden sind, hat das Institut für Nanoelektronik in Zusammenarbeit mit dem Walter-Schottky-Institut an der Technischen Universität in München erfahren. Dort waren die Wissenschaftler auf der Suche nach einem Linearantrieb, der es erlaubt, möglichst feinfühlig und präzise den Stempel einer Imprint-Lithografie-Maschine in das Substrat, einer Polymerschicht auf einem Wafer, zu drücken. Genauer gesagt: Auf diese Weise werden Leiterbahnen geschaffen, die gerade mal zehn Nanometer breit sind; Vergleichbares gibt es nach Auskunft der Wissenschaftler höchstens an zwei weiteren Instituten weltweit. Zum Hintergrund: In der modernen Chip-Fertigung sind heute in etwa 40 nm die Grenze.

Ein wesentlicher Punkt bei der Entscheidung für den hydraulischen Blockzylinder
war für die Wissenschaftler die feine Steuerbarkeit der Hydraulik. Zudem besitzen die Blockzylinder von AHP Merkle eine integrierte Verdrehsicherung der Kolbenstange. Dadurch fährt der Adapter mit der Halterung für die Nano-Stempel immer in exakt der gleichen Position an das Polymer-Substrat. Über ein Hochpräzisions-Drosselventil in der Zuleitung kann die Verfahrgeschwindigkeit so stark reduziert werden, dass der Grenzbereich zwischen Stempel und Substrat feinfühlig durchlaufen wird. Liegt der Stempel an, drückt der Hydraulikzylinder mit maximal 16 bar nach, was aufgrund der extrem schmalen Leiterbahnstege von 10 nm rund 3.000 bar an der Substratoberfläche bedeutet. Die optimale Kraftentwicklung ermittelt bei jedem ,Stempeln’ ein auf dieses spezielle Hydrauliksystem geeichtes Hochpräzisionsmanometer im Stempel-Adapter.

„Der gesamte Aufbau funktioniert auch deshalb so hervorragend, weil die Blockzylinder keinerlei Stick-slip-Phänomene aufweisen“, bestätigen Stefan Harrer, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am Institut für Nanoelektronik und Sebastian Strobel, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am Walter-Schottky-Institut. Selbst bei Bewegungen im Mikrometerbereich neigt der Blockzylinder nicht zum ,Ruckeln’. Die gehärtete, geschliffene und polierte Oberfläche der Kolbenstange in Verbindung mit dem passenden Dichtsystem sind unter anderem dafür verantwortlich.

Diese sehr exotische Anwendung in der Nanotechnik belegt die Anpassungsfähigkeit der Hydraulik. Durch ihr hervorragendes Regelverhalten und ihren einfachen Aufbau lässt sie sich an viele Aufgabenstellungen anpassen. Denn die ursprüngliche Lösung für die lineare Bewegung des Stempeladapters bestand aus einer Elektromechanik mit Piezoaktor. „Damit waren die Grenzen in Bezug auf Präzision und Regelverhalten schnell erreicht“, erklärt Stefan Harrer. Für den Wissenschaftler zählen die Fakten – und die sprechen hier nun mal für die Hydraulik.