Roadmap Precisietechnologie

Roadmap Precisietechnologie De uitdaging van precisie micro- en nano-nauwkeurigheden

Utrecht, 22 januari 2004 Prof. ir. Math de Vaan Ir. Joost Krebbekx Ir. Joannes Collette

Voorwoord

Voor u ligt de Technologie Roadmap Precisietechnologie. In 2003 heeft de Programmacommissie van het IOP Precisietechnologie aan Berenschot gevraagd een Technologie Roadmap uit te voeren. Individuele bedrijven of deelsectoren hebben reeds lang roadmaps gemaakt, die soms een zeer ingrijpende invloed hebben op het economisch gedrag van grote sectoren, zoals de halfgeleiderindustrie. Dit rapport bevat een eerste poging om een roadmap samen te stellen voor het gehele veld van de precisietechnologie.. De precisietechnologie maakt een stormachtige ontwikkeling door. De toenemende eisen van nauwkeurigheid, snelheid en kosten, die aan producten en technologieën gesteld worden volgen een zekere wetmatigheid. Doel van deze roadmap is om de eisen in kaart te brengen, die rond 2010 aan producten zullen worden gesteld ten aanzien van precisietechnologie en om vervolgens vast te stellen welke kennis ontwikkeld moet worden om die eisen te realiseren. De reslutaten van deze roadmap zijn gebruikt bij het opstellen van het Tweede Meerjarenprogramma van het IOP Precisietechnologie. Het is van belang voor de Nederlandse industrie dat toonaangevende kennis in Nederland aanwezig blijft. Daarom wil ik ook u over deze roadmap informeren, het kan de basis vormen voor nieuwe samenwerkingen om de vereiste technologien te ontwikkelen. Samenwerking is immers een van de mogelijkheden om nieuwe ontwikkelingen te versnellen. Deze roadmap laat de diversiteit en kansen voor precisietechnologie in Nederland zien. Ik hoop dat ook u hiermee uw voordeel kunt doen. Januari 2004 Dr. A.P. Hulst Voorzitter IOP Precisietechnologie

Inhoud

1 1.1 1.2

INLEIDING Doelstelling Hoe deze roadmap tot stand kwam

00 00 00

2 2.1 2.2 2.3

DE WERELDEN VAN DE PRECISIETECHNOLOGIE Globaal beeld van de vooruitgang Applicatiedrivers en technologie De werelden van precisie

00 00 00 00

3 3.1 3.2 3.3

PRECIES TOT OP DE NANOMETER Inleiding Trends Doorbraken

00 00 00 00

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

SNEL TOT OP DE MICROMETER Inleiding Precisieplaatsing: PCB-assemblage Printing en precisiedosering Shaving Back-end IC-productie Samenvatting trends - doorbraken - enablers

00 00 00 00 00 00 00

5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

PRECISIEBEWERKEN Inleiding De bewerkingstandaard De Taniguchigrafieken voor materiaal verwijderende technieken De Taniguchigrafiek voor niet-materiaal verwijderende technieken Trends en doorbraken

00 00 00 00 00 00

6 6.1 6.2 6.3

ORGANISATORISCHE ASPECTEN IN NEDERLAND Inleiding SWOT-analyse Organisatorische doorbraken

00 00 00 00

1 Inleiding

1.1 Doelstelling In Nederland bestaat een kenniscluster met betrekking tot precisietechnologie dat bewezen heeft tot grote prestaties in staat te zijn. Deze kennis heeft bijvoorbeeld een belangrijke rol gespeeld in het succes van bedrijven als ASML en ASMI met Semiconducter-equipment, Philips met een scala aan apparaten van DVD tot scheerapparaten tot elektronenmicroscopen, Stork met printing equipment en ook in Nederlandse bijdragen aan luchtvaart en ruimtevaart. Met name onder de bredere vlag van Mechatronica zijn deze prestaties internationaal erkend. Het IOP Precisietechnologie heeft begin 2003 aan Berenschot gevraagd om ‘n roadmap op te stellen, gericht op het gehele veld van de precisietechnologie. De vraagstelling omvatte de volgende punten: • Het globaal vastleggen van verwachte ontwikkelingen in de komende 10 jaar in de markten waarin de producten van de Nederlandse precisieindustrie worden afgezet • Het inventariseren van ontwikkelingen in ondersteunende technologieën, die noodzakelijk zijn om bestaande marktposities te behouden of uit te bouwen De doelstelling van het IOP was om de resultaten te gebruiken als hulpmiddel bij het focusseren van het lopende programma, en om een discussie op gang te brengen over de verankering van de resultaten van het programma, na zijn beeindiging in 2008. Berenschot heeft in de loop van 2003 een project uitgevoerd om te komen tot een roadmap die relevant zou zijn voor het Nederlandse kenniscluster precisietechnologie. Dit cluster verkeert in een sterke overgangssituatie, een overgangssituatie waarin een roadmap naast het lopende IOP een belangrijke bijdrage kan leveren. Deze overgangsfase en de bijdrage van een roadmap kunnen als volgt gekarakteriseerd worden: • Het kenniscluster werd voorheen sterk gedomineerd door Philips. Dat gaf een bundeling en coördinatie waarin NatLab en Philips CFT centraal stonden. Doordat Philips veel activiteiten heeft afgestoten en andere naar het buitenland verplaatst heeft, is die dominantie verdwenen, maar daarmee is ook de coördinatie verdwenen die met die dominantie gepaard ging. • Bij andere bedrijven als ASML en OCÉ is de kennis op precisiegebied sterk toegenomen. Daarnaast zijn er veel toeleveranciers gekomen die een steeds grotere rol op dit gebied toebedeeld krijgen. Ook zijn er nieuwe belangrijke spelers als TNO-industrie. Dit alles leidt tot een diffuus beeld waarbij het voor bedrijven vaak moeilijk is om in roadmaptermen hun plaats en weg te kennen. • Door afname van maakactiviteiten in Nederland dreigt een terugloop in kennis.

6

• Er is een belangrijke nieuwe ontwikkeling, de MST-technologie die haar plaats zoekt in dit cluster van bedrijvigheid. En een nieuw gebied, de nanotechnologie heeft haar intrede gedaan in overlap met precisietechnologie. Het doel van deze roadmap is om bij de opstart van de tweede fase van het IOP-programma precisietechnologie een ankerpunt te geven aan individuele bedrijven en instituten om hun plaats en route op dit gebied beter te kunnen plaatsen, en daarbij beter partners te kunnen vinden en tezelfdertijd een ankerpunt te geven aan de programmacommissie van het IOP bij de structurering en besturing van de tweede fase van het IOP. 1.2 Hoe deze roadmap tot stand kwam De roadmap is gemaakt door en voor mensen uit de praktijk van universitaire en industriële laboratoria en ontwikkelafdelingen. Berenschot heeft gefungeerd als organisator en facilitator van het proces. Om een start te maken heeft Berenschot eerst roadmapinformatie verzameld bij de meest vooraanstaande bedrijven en kennisinstellingen in dit gebied. Vervolgens zijn drie workshops georganiseerd waarin met behulp van het electronic boardroomsysteem aan de verbetering en uitbreiding van die roadmaps is gewerkt. Door deze aanpak zijn vrijwel alle vooraanstaande bedrijven en experts op dit gebied op een of andere wijze bij deze roadmap betrokken geweest. Graag spreken we hierbij onze bijzondere waardering uit voor deze medewerking en inzet.

2 De werelden van de precisietechnologie

2.1 Wat is precisietechnologie Precisietechnologie vindt zijn toepassing in een breed scala van producten en componenten voor zowel de industriële als de consumentenmarkt. Vaak zijn dat producten met hoge toegevoegde waarde. In veel gevallen is de precisie en/of de kleine afmeting die bereikt wordt, een belangrijk element in de gebruikswaarde van het apparaat. Voor veel ondernemingen geldt de competentie om producten kleiner en nauwkeuriger te maken dan ook als een belangrijke concurrentiefactor. Voor precisietechnologie wordt de volgende omschrijving gehanteerd: Precisietechnologie is de kunde om functies en producten te realiseren waaraan hoge eisen gesteld worden ten aanzien van vormen maatnauwkeurigheid, of ten aanzien van snelle, precieze positionering. 2.2 Globaal beeld van de vooruitgang De precisietechnologie maakt een steeds snellere ontwikkeling door. Grenzen die voorheen onneembaar leken worden toch gepasseerd en vaak met belangrijke nieuwe technologie. In de jaren 70 werd het microngebied veroverd. Inmiddels is het nanometergebied betreden en worden nauwkeurigheden van tientallen nanometers goed haalbaar in componenten en constructies. Om die nauwkeurigheden te halen zijn er meetmethoden, calibratiemethoden en bewerkingstechnieken met een resolutie van enkele nanometers of zelfs lager in ontwikkeling. De klassieke technologie waarbij veelal met beitels verspaand werd en tactil gemeten werd, is opgevolgd door een waaier van fysische bewerkingtstechniek (bijv. laser, e-beam), optische en elektronische meettechniek, ICT/mathematische besturingstechniek en dit alles overkoepeld met de zogenaamde mechatronische ontwerpmethodiek. Terwijl nieuwe techniek haar intrede deed bleef de oude in gebruik, veelal op een eveneens hoger prestatieniveau. De onderstaande figuur schetst de ontwikkeling door de tijd, waarbij de plaatsing in een tijdvak het moment aangeeft waarop de betreffende technologie grootschalig in gebruik genomen werd: 2.3 Het belang van precisietechnologie Producten en componenten uit de precisietechnologie vinden hun toepassing in een breed scala van geavanceerde professionele en consumentenproducten, zoals in cdspelers, video- en fotoapparatuur, optiek in de breedste zin, printers en kopieerapparaten, bewerkings-, meet- en positioneermachines en in medische apparatuur. Als gevolg van de voortschrijdende miniaturisatie worden aan componenten trendmatig en voortdurend hogere eisen gesteld ten aanzien van de maaknauwkeurigheid. 8

9

Een globaal beeld van vooruitgang

figuur 1

Optotronics MST Lithografie Lasertechnieken Real TimeCompensatie

Geïntegreerde Besturing

Elektrochemisch

Diamant Bewerking

Waaier Van Optiek

Bewerken

Feedback Besturing

Etsen

EUV-Lithografie Vacuüm-Precisie Elektron/lon-beam Nanotech

Elektroformeren

Verspanen

Programmering

Slijpen/Polijsten

Optisch meten

1970 micron

1990 submicron

2000 10 nm

Applicatiedrivers en technologietrends

10

2010 1 nm

figuur 2

Applicatiedrivers • Mobile & personal ICT: – Integratie van organiser, telefoon, computer, amusement • ICT: – Internet, Data Warehouse, DVD, mass storage • Automotive mechatronics • Equipment voor: – Semicon/electronic industry • Medical applications and equipment • Printing • Logistics,security and identification • Space & defence technology

Technologietrends

Markt P U L L

Nieuwe mogelijkheden worden geboden door ‘Ambient intelligence’, een trend om diensten direct in de persoonlijke sfeer in huis, onderweg of in de auto beschikbaar te hebben. Intelligentie moet dan ingebouwd worden in bijvoorbeeld kleding, auto, huiskamer, etc. Dit vraagt om miniaturisatie en een integratie van sensoren, actuatoren, en communicatie technologie en software. Op dit moment beschikbare voorbeelden zijn mobiele telefoons, laptops, car guidance en gps systemen. De toekomstverwachtingen zijn hoog. Met name Philips besteedt hieraan veel tijd en energie. Berenschot schatte in 1998 dat Nederlandse industriesectoren waar precisietechnologie een belangrijke rol speelt tezamen een productiewaarde van EUR 30 miljard vertegenwoordigen. Sinds dat jaar is deze productie met tenminste 50% gestegen.

Tactiel meten 1900 mm

De exponentieel toenemende informatiedichtheid op IC’s, harddisks en optische datadragers zijn voor die miniaturisatie de grootste drijfveren. De effecten van de informatie-explosie zijn echter in vele productgebieden en markten te herkennen. In de consumentenelektronica zijn digitale fotocamera, GSM en laptopcomputer in het oog lopende voorbeelden. Maar ook in de ruimtevaart, in elektronische meetinstrumenten, in medische toepassingen (microchirurgie) en in druktechnieken (resolutie) is microtechnologie tegenwoordig essentieel.

Product

Product/ productie technologie

P U S H

• IC’s met kleinste features van 50 nanometer • Meetnauwkeurigheid beter dan 1 nanometer • Brede toepassing van MST in producten en equipment • Equipment werkend in vacuüm en geïsoleerd voor omgevingsinvloeden • Massieve parallelle dataverwerking- transmissiestorage voor de regeling en besturing van equipment • Geïntegreerd ontwerpen met mechanica, elektronica, bio, chemi, fysica, etc. • Miconauwkeurigheid, snel en goedkoop • Nieuwe printen lasertechnologie

De omzet van bedrijven die vooral van hun kennis van maaktechnologie afhangen is daar een deel van. Men kan een schatting maken door te kijken naar de bedrijven, die zich presenteren via het Mikrocentrum: machinefabrieken, matrijzenmakers, spuitgieters, plus de leveranciers van hun productie- en meetapparatuur. Zo komt men tot de schatting dat in die bedrijven in Nederland rond 50,000 personen werken, met een daaraan gerelateerde omzet van EUR 10 tot 15 miljard. Het gaat hier vooral om middelgrote en kleinere bedrijven, dus exclusief internationale bedrijven als Philips, Océ, ASML en Signaal/Thales. Op een totale binnenlandse productie in de sector Industrie van EUR 188 miljard heeft dus alleen al dit hightech MKB een omzet in de orde van 5 tot 7 %. 2.4 Applicatiedrivers en technologie Er wordt ook internationaal zeer veel geld geïnvesteerd in precisietechnologie. In vooraanstaande industrielanden als Amerika, Japan, Duitsland, Korea en Zwitserland worden zowel door bedrijven als overheden forse investeringen gepleegd in precisietechnologie. De drivers achter deze vooruitgang zijn zowel technologisch als commercieel van aard. Aan de marktkant zijn er nieuwe attractieve toepassingen en aan de technologiekant zijn er nieuwe interessante mogelijkheden. De match van markt en technologie leidt tot groei en nieuwe business. De volgende figuur geeft in een korte schets de drivers aan de marktkant en aan de technologiekant: 2.5 De werelden van precisie Een allesomvattende roadmap van precisietechnologie bestaat niet en is naar alle waarschijnlijkheid ook niet te maken. Grote bedrijven voor wie precisie een kerncompetentie is hebben veelal zelf hun productroadmaps en in samenhang daarmee ook een deelroadmap precisie. In branches bestaan soms ook roadmaps. Het meest bekend, en

11

De volgende figuur geeft schematisch de werelden van nano en micro aan met enkele belangrijke applicaties en technologiedoorbraken als illustratie. Kort genoemd zijn dat: • Printed Circuit Board-assemblage. Hier wordt een overgang van plaatsingsnauwkeurigheid van 10 µ naar 1 µ beoogd, met doorbraken als LWYP (look while you place) en Short-stroke/long-stroke constructies. • DVD toegepast voor data opslag. Hier zijn o.a. laserbewerken en matrijzentechnologie belangrijk. • Precisie-oppervlakte bewerkingen ten behoeve van o.a. scheerkoppen en rakels voor (zeef)drukrollen. Hier liggen de doorbraken o.a. in bewerkingstechnologie als laser, ECM en lithografie. • Semiconductertoepassing. Hier is de meest verwachte volgende fase de lithografietoepassing met Extreem UV in vacuüm. Op langere termijn worden echter alternatieven (bv. direct write lithografie) verwacht. We spreken hier over doorbraken in lijnbreedtes van de huidige 193 nano naar 30 nano en lager. • Wetenschappelijke en Laboratoriumtoepassingen. Hier gaat het om meten, zichtbaar maken en soms ook bewerken met nauwkeurigheden van beter dan 1 nanometer. En dit met technieken als interferometrie, e-beam en ion-beam.

12

hier graag een figuurtitel

figuur 3

Look While You Place Short/Longstroke

2007 data opslag 2002

2007 PCB Assemblage 2002

Snelheid van processing

op precisiegebied meest gebruikt, zijn de roadmaps voor de semiconducter industrie. Die bevatten belangrijke statements over precisieaspecten. Voor de Nederlandse situatie bleek de beste aanpak een splitsing maken in drie “werelden van precisie”. Die drie werelden zijn: 1 De nanometerwereld. Hier is de uitdaging om zo hoog mogelijke nauwkeurigheden te halen in het nanometergebied. Deze wereld wordt gedomineerd door de IC-applicatie en wetenschappelijke toepassingen. 2 De (sub)micronwereld. Hier is de uitdaging om snel en goedkoop te kunnen werken met nauwkeurigheden tot 0,1 micrometer. De toepassingen liggen in alle in paragraaf 2.2 genoemde industrietakken. 3 Het precisiebewerken. In dit hoofstuk worden de belangrijke bewerkingstechnieken in de roadmap gebracht.

oppervlaktebewerken 2002

Snel tot op de micrometer

2007

Laserbewerking, lithografie

Extreem UV vacuüm 2007 halfgeleiders 2002

Precies tot op de nanometer

2007 Laboratorium analyse 2002

Laag

Hoog Nauwkeurigheid

13

3 Precies tot op de nanometer

3.1 Inleiding Nederland heeft een zeer vooraanstaande positie als het gaat over de realisatie van praktische grensverleggende toepassingen van precisie met nano-nauwkeurigheden. Een sprekend voorbeeld is de realisatie van de meest nauwkeurige lithografieprocessoren in de wereld door ASML, een prestatie die dit bedrijf een wereldwijd leidende positie in dit marktsegment heeft opgeleverd. Maar er zijn veel meer voorbeelden. Zo heeft FEI-company een speerpuntpositie met elektronenmicroscopen, TNO-TPD met wetenschappelijke (o.a. ruimtevaart) instrumenten, ASMI en ODME met lagentechnologie en Philips met spuitgiet-, verspanings-, en lagentechnologie. Ook de Nederlandse Universiteiten, met name TUD (DIMES) en TUE (o.a. metrologie) spelen hier een vooraanstaande rol. Het is vooral de kennis van deze instanties die voor de roadmap gebruikt is. Daarnaast is gebruik gemaakt van algemeen toegankelijke informatie uit congressen (o.a. MST-congres 2003) en publieke roadmaps van ITRS1 en NEXUS. 1

International Technical Roadmap for Semiconducter, http://public.itrs.net/files/2002update

3.2 Trends De grensverleggende vooruitgang van precisie in het nanogebied wordt goed gekarakteriseerd in de onderstaande grafiek: In de grafiek is als maat voor de vooruitgang de ontwikkeling van de resolutie voor industriële toepassing van de lithografie in de semiconducterproductie primair genomen. Anno 2003 is equipment beschikbaar voor resoluties van 100 nm voor de productie van DRAM’s. De verwachting is dat de resolutie in vier à vijf jaar tijd halveert en dan betekent dat tevens dat voor de capaciteit van geheugens nog steeds de ontwikkeling van de zg. “Wet van Moore” blijft gelden: verdubbeling van vermogen elke twee jaar. De lancering van proefmachines voor experimentele toepassing in chipslaboratoria en voor de ontwikkeling van de productie loopt ca. vier jaar vooruit op de algemeen gebruikte productieresolutie. Zo lanceert ASML in 2004 haar nieuwste lithografie-apparaat (immersielithografie) waarmee een minimale lijnbreedte van 45 nm in principe haalbaar wordt. Deze lijnbreedte kan dan rond 2008 als algemeen bruikbaar verwacht worden. De grafiek toont ook de resolutie zoals die geldt voor de productie van MEMS (MSTtechnologie). De MEMS productie wijkt sterk af van die van IC’s, o.a. door de grote verscheidenheid aan processen en laagdiktes. Er is een duidelijk lagere resolutie vereist en de productie vindt vaak plaats op de oudere generaties IC productiemachines, die voor dit doel specifiek zijn ingericht. Om machines te kunnen maken die lijnbreedtes van 50-100 nm mogelijk maken zijn nauwkeurigheden van subsystemen nodig die een factor tien tot honderd beter zijn. En 14

15

vervolgens meetmethoden en calibratiemethoden die weer een factor tien tot honderd beter zijn. Deze nauwkeurigheden worden gehaald met de optische metrologie (meten, calibreren) en met de elektronenmicroscoop (meten, calibreren en visualiseren). De onderste lijnen in de grafiek geven de nauwkeurigheden die met deze technologieën gehaald gaan worden: • Van 2 nm naar 0.5 nm voor de scanning microscope (veel gebruikt in productie controle en ontwikkeling in de semi-conductor industrie) • Van 0,2 nm naar 0,1 nm voor transmissiemicroscoop (vooral lab-toepassing) en voor optische metrologie (interferometrie) 3.3 Doorbraken De belangrijkste doorbraken in de voortschrijdende ontwikkeling van de verbetering van de te bereiken nauwkeurigheden in het nanobereik zijn de volgende: Lithografie, semiconductorproductie Lithografie voor semiconductorproductie is de speerpunttoepassing in de voortgang van precisie in het nanometergebied. De kleine en grotere doorbraken in dit gebied zijn dan ook sterk aan deze toepassing gerelateerd. Voor dit gebied wordt verwacht dat: Op korte termijn (1-4 jaar) de zg. immersie-lithografie bruikbaar wordt. De doorbraak is hier dat er in plaats van lucht zich een vloeistof bevindt tussen lens en het te belichten object waardoor minder reflectie en hogere nauwkeurigheid mogelijk is. Op langere termijn, maar volop in ontwikkeling is de techniek waarbij licht van zeer korte golflengte gebruikt wordt en daardoor grotere nauwkeurigheid mogelijk wordt. Dit betekent echter een overgang naar “extreme ultra violet” (EUV) frequenties. In dit gebied kan niet meer met lenzen gewerkt worden en ook niet meer in lucht. Dit Applicatiedrivers en technologietrends

1000

Resolution [nm] (log. schaal!)

100

800

150 100

700

115 90

600

100 90

500

90 70

figuur 4

400

350

80 65

70 60

Minimale lijnbreedte MEMS DRAM 1/2 pitch 65 55

DRAM 1/2 pitch Process intro

10

Resolutie SEM: gaat van 2 naar .5 nm 2

1

2 1

2 0,4

0,2

Resolutie TEM: gaat van .2 naar .1 nm

1 0,5

0,4

0,4 0,2

0,1

1

0,5 0,2

0,2 0,1

• Direct write lithografie, waarbij het patroon (elektronenstraal, ionenbundel etc.) rechtstreeks op de wafer geschreven wordt. Nauwkeurigheid is hier minder een probleem, maar snelheid wel, reden waarom de doorbraak is dat met parallelle stralen gewerkt wordt (o.a. Mapper project TUD). • De steeds nauwkeuriger wordende printtechnologie gaat in de semiconductorproductie ook nog voor een doorbraak zorgen, maar dan eerder in prijsprestatie dan in uiterste nauwkeurigheid. Micro-Systeem-technologie (MST) Microsysteemtechnologie staat op dit moment in haar doorbraak naar grootschalige toepassing. Met deze technologie worden op microformaat systemen of functies gefabriceerd, waarbij functies op het gebied van elektronica, mechanica, fysica en chemie gecombineerd worden. Een echte doorbraak is hiermee mogelijk in de medische technologie waarbij door de ontwikkeling van smart micro-tools geheel nieuwe mogelijkheden opdoemen voor non-invasive chirurgie. Ook in de medische analysetechniek ontstaan belangrijke nieuwe mogelijkheden door microlabs, lab-on-a-chip, waarmee onderzoeken veel grootschaliger en veel individueler mogelijk worden. In algemene zin zijn de applicatiedrivers voor MST: • Reeds ruim in gebruik: – Sensorsystemen in de automobielindustrie – Thin film heads voor harddisk drives – Optische MEMS voor mobiele telefoons en datatransmissie – Inkjetkoppen • Aankomend: – Medisch: smart microtools voor minimal invasive chirurgie – Medisch: analyseapparatuur, lab-on-a-chip – Logistiek en beveiliging: smart labels In de technologische ontwikkeling is de aandacht hier niet in de eerste plaats gericht op maximale precisie, maar vooral op: • Grotere diversiteit in laagdikte en lijnbreedte, zelfs op één substraat • Grote diversiteit in processen en substraten, bijv. laserbewerkingen en ion-beam bewerking,

0,1

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

16

Optische metrologie

betekent compleet nieuwe machineconcepten waarbij in vacuüm gewerkt wordt en met spiegels in plaats van lenzen gewerkt wordt. Dit betekent b.v. ook dat alle mechanische bewegingsconstructies anders uitgevoerd moeten worden. De verwachting is dat deze (zeer kostbare) toepassing binnen enkele jaren beschikbaar is voor gebruik. Vanwege de hoge kosten is onzeker hoe snel het gebruik een grote vlucht zal nemen. (PM: Het werken in vacuüm systemen wordt een algemene trend in ultraprecisiebewerken). Eveneens op langere termijn, nog onduidelijk wanneer en hoe goed, zijn er diverse alternatieven voor de voornoemde lithografie, zoals:

Dit alles om een grote variëteit aan functionaliteit te kunnen maken. 17

De situatie in Nederland is zo dat er veel technologie op MST-gebied ontwikkeld wordt, met name aan de TUD (DIMES), aan de UT (MESA+), bij Philips, bij ASMLSpecial Products en bij diverse kleinere instituten en bedrijven. Er is nu veel aandacht voor business ontwikkeling. Ontwerpmethodologie voor mechatronische systemen De prestaties die gehaald worden met precisiesystemen als een lithografische machine hangen nauw samen met de mate waarin mechanische, elektronische, elektromechanische en software componenten op optimale wijze bijeengebracht worden in een geïntegreerd systeemontwerp. Regeltechniek en modelvorming zijn hier de integrerende technologieën. Deze ontwikkeling gaat nog steeds verder: Ontwerpmethodologie, ontwerpersopleiding, verbeteringen in modelvorming, systeemontwerp en ondersteunende methodes voor het besturen van complexe ontwikkelprojecten. Ook het inbrengen van applicatiekennis in het ontwerpdomein en in de ontwerpmodellen. Dit is niet een plotselinge doorbraak, maar wel een continu doorgaande vooruitgang. Nederland heeft in dit opzicht een hoog niveau en de verbetering die hierin plaats vindt, is nog steeds een belangrijk element in de vooruitgang in precisie. In een aantal volgende punten wordt hierop teruggekomen. Stabiele frames en omgeving, actieve compensatie Voor nauwkeurige apparatuur is de mate van isolatie van de omgeving van groot belang. In de hiervoor genoemde ontwerpkennis is kennis over stabiele frames met hoge bandbreedtes dan ook essentieel. Door betere constructies en nieuwe materialen zit hierin nog steeds verbetering. Een tweede gebied van verbetering is het vermijden van verstoring door stofvrije ruimte, klimaatbeheersing, isolatie van geluid en trillingen, etc. Ook hier wordt steeds verdere vordering gemaakt. Het derde gebied is de actieve compensatie van verstoringen, en compensatie van wrijving en drift. Op dit punt zullen in de komende jaren vermoedelijk de meeste doorbraken plaatsvinden. Met microsensoren en microactuatoren van allerlei soort wordt het steeds beter mogelijk om overal waar dat nodig is afwijkingen te meten en bij te regelen. Met snelle dataverwerking en goed mathematische software wordt het ook steeds beter mogelijk dat ook daadwerkelijk te doen. Dit zal uitmonden in de doorbraak van zg. “smart frames”. Frames die door specialistische systeemleveranciers op bestelling gemaakt kunnen worden en waarin in de mechanica van dat frame een maximum aan meet- en regeltechniek is ingebouwd om omgevingsvariatie automatisch te compenseren. Metrologie en positionering Een bewerker of een machine kan niet nauwkeuriger zijn dan zijn meetgereedschap. Meettechniek en positionering zij dus essentieel. In het nanometerbereik gaat het dan vooral om optische meettechniek en e-beam. In de grafiek in de vorige paragraaf werd de trend hierin reeds gegeven. Belangrijke doorbraken in deze sfeer zijn: • Toepassing van ruimtelijke herkenning voor positiemeting en meting van geometrische structuren • Beter en snellere dataverwerking en daarmee de regel prestatie • Toepassing van 3 dimensionale meettechniek en beeldverwerking

18

Besturing en positionering De besturing en positionering is een essentieel element. De hoogste nauwkeurigheden in de apparatuur zoals van ASML worden alleen gehaald omdat de besturing allerlei onvolkomenheden van mechanica en optiek compenseert. In de modelvorming en algoritmes voor besturing en positionering zit nog steeds vooruitgang. Doorbraken zijn hier met name te verwachten door doorbraken in ICT en elektronica: • De eerder genoemde grootschalige toepassing van smart senser/actuator microsystemen • De mogelijkheden om wireless te werken en daarmee overal waar dat nodig is besturing lokaal en autonoom werkend in te bouwen Optiek, adaptieve optiek Een gebied waar bij uitstek doorbraken te verwachten zijn is de optiek. Natuurlijk komt dit deels door verhoging van de bewerkingsnauwkeurigheid van lenzen en spiegels met technieken als lasers, polijsten, spuitgieten, etc. Zeker zo belangrijk zijn voor de totale nauwkeurigheid in machines de doorbraken in de machineconcepten. Voor lithografie is dat dan de eerdergenoemde optiek in vloeistof ter verhoging van de brekingsindex en vervolgens de optiek in vacuüm en het werken met spiegels in plaats van lenzen. Voorts er voor een brede range van toepassingen een toenemende mate van adaptieve optiek, de aanpassing in en correctie van positie, maar in de toekomst ook in het oppervlak van lens, spiegel of ander optisch element. Wireless Kabels veroorzaken storingen en bemoeilijken aansluiting van bewegende delen. Binnen de elektronica is er een trend naar wireless en naar technieken voor dataoverdracht en energieoverdracht zonder kabels. Dit is een van de belangrijkste doorbraken voor de verdere verbetering van de precisie. Samenvatting doorbraken en enablers Op basis van het oordeel in de expert-workshop heeft dit de volgende lijst gegeven voor meest belangrijkste doorbraken en bijbehorende enablers voor die doorbraken:

Applicatiedoorbraken

Doorbraak

Enablers

EUV-Lithografie

– Constructies voor werken in vacuüm – Adaptieve optiek, spiegeloptiek

Smart tools microchirurgie en lab-on-a-chip

– Meer functie- en technologieintegratie in MST – Verder ontwikkeling bewerkingstechnologie – Verdere ontwikkeling van sensortechnologie om eigenschappen levende materialen te meten

19

Technologiedoorbraken

Doorbraak

Enablers

Wireless in alle facetten

– Verwisselbare sensoren in precisiemachines, met name in nanometermachines – Energietransmissie via licht of andere veilige stralingsmedia – Zeer snelle bi-directionele data overdracht – Consumer (home) toepassing als applicatiedriver – Overwinnen EMC-problematiek

Positiemeting op basis van ruimtelijke herkenning

– Veel en snel data bewerken – Meten van geometrische structuren – Toepassen van 3-D beeldverwerkingtechnologie – Intelligente optische systemen: betere integratie van mogelijkheden optica en dataverwerking

Autonome circuits in MST

– Energieoverdracht en opslag – Combinatie van semicon en mst bewerkingen met beperking van aantal processtappen – Intelligente sensoren in precisiemachines – Ontwerp van energiezuinige componenten en circuits

Adaptieve optiek en thermomechanische compensatie

– Mechatronica: integraal ontwerpen en construeren van multitech sensor + actuator – Functionele meetinformatie vereist, te ontwikkelen samen met fysici etc. – Ontwikkeling thermische modellering – Drift en stabiliteitsbeheersing van materialen – Kleine betaalbare positiesensoren met hoge resolutie en stabiliteit

20

21

4 Snel tot op de micrometer

4.1 Inleiding Nederland heeft veel successen geboekt met de toepassing van precisietechnologie in het microgebied. Kenmerkend is daarbij dat de technologieontwikkeling steeds nauw verbonden is geweest met de toepassing en commercialisatie van die technologie in producten en apparaten. In dit opzicht kan dit een voorbeeld zijn van effectiviteit voor sommige andere vakgebieden. Voorbeelden van die successen zijn: • • • • •

De toepassing van precisie in printers bij Océ De toepassing van precisie in assemblagemachines bij Assembléon De toepassing van precisie in chipsproductietechnologie bij ASMi en FICO/BESI De toepassing van precisietechnologie in scheerkoppen bij Philips DAP De toepassing van precisietechnologie in de textielprinters van Stork, cq Stork Veco • De toepassing van precisie in ruimtevaart en vliegtuigtechnologie • De toepassing van precisie in verspanende machines door Hembrug • De toepassing van precisie in o.a. DVD en mass storage door Philips en ODME Bij die toepassing hebben kenniscentra (Philips CFT, de TU’s, TNO) en toeleveranciers (Philips ETG, Frecken, Te Strake, KMWE, Nebato, Van der Leegte) een belangrijke rol gespeeld. Het zijn dan ook deze instanties die samen met de toepassers de informatie voor dit volgende deel van de roadmap hebben geleverd. De uitdaging in dit gebied is: Steeds sneller en goedkoper In het vervolg zal dit behandeld worden. Omdat we daarmee met drie variabelen te maken hebben, nauwkeurigheid, snelheid en prijs, is het niet langer mogelijk de trend in een grafiek te vangen. Daarom worden paragraafgewijs applicatiegebieden behandeld. Op het einde volgt een samenvattend overzicht. 4.2 Precisieplaatsing: pcb-assemblage Plaatsing van elektronische componenten op printplaten is een sterk concurrerende bedrijfstak waarin hooggeautomatiseerde machinelijnen met steeds grotere snelheden steeds nauwkeuriger en voor een almaar lagere prijs steeds meer werk overnemen van mensen. Assembleon (een spin-off van Philips) heeft in deze machinebusiness een belangrijke plaats veroverd. De ontwikkeling van de machineprestaties van

22

de Assembléon machines is weergegeven in de volgende grafiek. Deze grafiek kan ook model staan voor de algemene ontwikkeling van plaatsingstechnologie. Doorbraken in deze technologie liggen naast mechanisch vooral ook op optisch gebied en in de besturing. Het toepassen van camera’s (vision) voor ijken en positioneren. In de toekomst streeft men naar het gebruik van vision waarbij tijdens het plaatsen van componenten continu op basis van beeld wordt bijgestuurd. 4.3 Printing en precisiedosering Om goed te kunnen printen is nodig dat beelddrager en papier nauwkeurig gepositioneerd staan en vervolgens ook een goede dosering van de aan te brengen inktdruppel plaatsvindt. De volgende grafiek geeft de ontwikkeling van de nauwkeurigheid zoals die gehaald wordt met de diverse concurrerende printtechnologieën. De kritische afmetingen komen snel in de grootteorde van enkele microns. Waarbij de klassieke elektrofotografie snel ingehaald wordt door direct digital (de nieuwe Océ technologie) en inkjet-technologie. Ook in dosering van druppels is een snelle ontwikkeling. De printheads worden almaar beter door optimalisatie van vorm, door betere materialen (o.a. piezomaterialen) en betere bewerkingen (o.a. laser). De volgende grafiek laat zien hoe de inkjetdiameter daalt van 60 micrometer via 30 naar 10 micrometer en hoe het druppelvolume daalt tot ca. twee picoliter. De inkjet technologie is niet alleen voor printen van belang. Met andere materialen dan inkt is ze evenzeer toepasbaar voor microdosering van samples in analysetoepassingen en ook voor het maken van patronen (alternatief voor lithografie) of het direct bewerken van semiconductor en MST-materialen. Het wordt een van de belangrijkste technologieën in de sfeer van microsysteemtechnologie. Printtechnologie is ook een core activiteit van de Stork Printing, met als hoofdmarkt het textieldrukken. De daarbij gebruikte rasters worden door Stork Veco gemaakt met de elektroformeertechnologie. Met die technologie worden ook plaatjes met precisiegaatjes voor de inkjetprinters gemaakt. De ontwikkeling van deze technologie is ook relevant voor brandstofinjectie-toepassingen, microzeven, codeerschijven van stappenmotoren en scheerfolies. 4.4 Shaving Philips Drachten is het centrum voor de ontwikkeling van en de massa-fabricage van (roterende) scheertechnologie waarmee Philips zo succesvol is. Reeds vanaf de jaren 70 en 80 wordt hier aan precisietechnologie gewerkt zoals die nodig is voor het maken van roterende scheerkoppen (bestaande uit de scheerkap en de scheermesjes), vibrerende scheersystemen (scheerfolie en scheermesjes) en trimmers (snijdende/ knippende tandkammen). Het scala aan technologieën in de productie van de shaving omvat o.a. de hiervoor reeds genoemde elektroformeren, maar ook: precisiestampen, precisiespuitgieten en Electrochemical Processing (ECP).

23

Trends placement accuracy roadmap

figuur 5

10000 300 8000 Parallelle koppen Mechanische verbeteringen

FCM

6000

200 Vision in kop

4000

Full vision

Full vision 100

2000

1980

1985

output/head [cph]

1990

output fine pitch

0

1995

2000

placement accuracy [micron]

Trends printing

5µ

2005

accuracy fine pitch

figuur 6

120

Elektrofoto- Karakteristiek/doorbraak grafie zw/w • Groter formaat en sneller • Van analoog aar digitaal Direct digital kleur • Tonerafmeting en ontwikkelgeometrie bepalend Inkjet kleur • Productiviteit (m_/h) van de machines leading

100

80 Kritische afmeting printelement [10 - 6m]

9µ

ACM

0

60

• Kleurendrum met 5000 sporen van 40 µm, ontwikkelgeometrie

40

20

0 1980

1990 24

2000

2010

2015

• 256 kanalen, identiek in ‘massa’ maakbaar • Laseren/etsen ipv microverspanen • MST-technologie voor heads • Van water naar polymeren naar nieuwe materialen

In eerste instantie was de drive naar meer nauwkeurigheid voortkomend uit de applicatie (beter scheerresultaat) en naar goedkope massafabricage. De laatste belangrijke ontwikkelingen zijn gedaan met de ECP-bewerkingstechnologie (Electro-Chemical Processing). Daarmee is ook tegemoetgekomen aan de behoefte van vormvrijheid, zodat het mogelijk is om vrijwel zonder beperkingen de attractieve modellen te ontwerpen die in de sfeergevoelige consumentenmarkt van het scheren nodig zijn. Een verdere doorbraak zou mogelijk zijn omdat de miniaturisatie in deze elementen voortschrijdt. 4.5 Back-end ic productie Binnen Nederland zijn er een aantal bedrijven die zich bezig houden met het maken van machines voor de back-end IC productie. We hebben het hier over wirebonding machines (het verbinden van het IC met de buitenwereld), trim & form machines (het uitstansen en vervormen van de IC-pootjes), molding machines (het omspuiten van het IC met kunststof), maar ook het maken van de dragers van de IC’s tijdens productie; de zogenaamde leadframes. De leadframes worden o.a. door Stork Veco gemaakt middels elektroformeren. Eerder hebben we gezien dat het in deze back-end wereld, in tegenstelling tot frontend om de micrometer gaat. Deze wereld is echter ook zeer concurrentiegevoelig, vandaar dat niet de gehele technologie roadmap gedeeld kan worden. Als voorbeeld voor de ontwikkeling van deze wereld is echter in de volgende grafiek de mondiale ontwikkeling van de nauwkeurigheid weergegeven van de wire-bond productnauwkeurigheden. Hierbij wordt als mogelijke doorbraak genoemd dat chips in de toekomst 3D (opgebouwd uit meerdere lagen) worden. Het verbinden van dit soort circuits met elkaar vraagt een significante hogere nauwkeurigheid. 4.6 Samenvatting trends-doorbraken-enablers Trend Zoals eerder gesteld, is het voor dit gebied ondoenlijk om een compleet totaaloverzicht te maken van de trends en doorbraken. De mogelijkheden in het totale gebied van verbetering in nauwkeurigheid versus snelheid versus prijs zijn daarvoor te veelvormig, en evenzeer is de variëteit in toepassingsgebied te groot. Voor een aantal van de toepassingen is het echter mogelijk een combinatiegrafiek te maken van de “normale” ontwikkeling in elk gebied. De onderstaande grafiek geeft deze combinatie: De grafiek laat zien dat over een breed gebied nauwkeurigheden in de grootteorde van 1 µm haalbaar zijn of worden. Dit betekent dat de komende vijf tot tien jaar de industrie het sub-microniveau op grootschalige wijze gaat betreden Ook voor die toepassingen waarbij kosten en snelheid belangrijke factoren zijn. De als belangrijk beoordeelde technologische doorbraken c.q. ontwikkelingen zijn samenvattend: Ontwerpmethodologie voor mechatronische systemen Zie hetgeen hierover gezegd is in hoofdstuk 3. Voor het microgebied geldt als extra de aandacht voor low cost componenten en low cost bewerkingsmethoden. 25

• Integratie van sensoren, beschikbaar komen van MEMS en microsystemen voor dit doel • Intelligente calibratie- en foutcorrectiemethodieken • Scheiding van krachtdoorleiding en meetfunctie in frames • Inbouwen van compensatie in machineframes • Kennis van actieve trillingscompensatie • Nieuwe geoptimaliseerde ontwerpen in dunne-plaat constructies met voornoemde technologie Fast accurate motion Een snelle efficiënte motion is essentieel voor veel toepassingen in het microgebied. Hier zijn belangrijke doorbraken te verwachten als het gebruik van “look while you place” techniek. Belangrijke aspecten liggen hierbij in het gebied van besturing en ook in het gebied van sensoren en actuatoren: • • • • • • • •

Snelle goedkope beeldsensoren (CMOS) Compacte belichting met hoge lichtopbrengst (LED) Meertraps actuatoren: short stroke en long stroke Low cost lineaire actuators en magneetbanen Low cost piezomotoren, lineair en roterend en free form Betere balans tussen eigen massa en pay load bij actuatoren. Plenaire motoren (bewegend in 2D-vlak) Automatische feature extraction bij visual servoïng

Data verwerking en energieoverdracht Om de benodigde besturingsnauwkeurigheid en snelheid gerealiseerd te krijgen zijn soortgelijke doorbraken nodig als op het gebied van ICT en elektronica. De belangrijkste zijn: • Massieve parallelle dataverwerking • Draadloze overdracht van informatie en energie, waardoor het verstorend effect van bekabeling wordt verminderd • Beschikbaarheid van low cost - high reliability breedband oplossingen en componenten • EMC-oplossingen en EMC-kennis • De driver van deze applicaties ligt vooral in multi-as toepassingen

26

Trend precisiedosering

figuur 7 100

Jaar

1990

2000

2010

Technologie

Microverspanen, lijmen positioneren

idem

Laseren of etsen of lithografie of vormvast uitbekken uit keramiek

Nozzles/head

25

250

750

Diameter inkjet Nozzle gaatjes

50a60 ?

30 ??

10 ?? ?voor geurstoffen < 1?

Druppelvolume

80 pl

15 pl

2 pl

Jetfrequentie (kHz)

5

15

50

75

50

25

Nauwkeurigheid onderdelen en/of bewerking?

0 Karakteristiek/doorbraak Elektrofotografie zw/w

• Meer dpi • Dorgroottemodulatie • Bestuurbare arrays • Medische toepassing • Info: Oc é en Stork Veco

Trends shaving

figuur 8

16 14

Rota

Karakteristiek/doorbraak

Vibra

• Doorbraken: miniturisatie van scheerhoofden • Meer productiesnelheid met zelfde producttolerantie • Gedreven door scheercomfort en time-to-market • Design aspecten zijn leading • Rota = menshavers • Vibra = ladyshavers

12 Kritische producttoleranties [10 - 6m]

Smart frames Op het gebied van sensoren en actuatoren worden belangrijke doorbraken verwacht die er toe zullen leiden dat ook voor het microgebied actieve compensatie veel toegepast gaat worden in frames en in bewegingsmechanismen. Hierdoor kunnen de eisen aan omgevingsisolatie beperkt blijven, hetgeen essentieel is uit een oogpunt van kosten en ook uit een oogpunt van de mogelijkheid om de technologie in een industriële omgeving te kunnen toepassen (van lab naar fabriek). Belangrijke punten op dit gebied zijn:

Knippen

10 8 6 4 2 0 1980

2000

2010

27

Trends back-end IC

figuur 9

15

Positioneringsnauwkeurigheid

Karakteristiek/doorbraak

• Grote arrays voor micro-doseersystemen • Microdoseerelementen geschikt voor inbouw in implantaten • Mergen van printtechnologie met dunne lagentechnologie

• Wire bonders • Pattern recognition • Doorbraak nodig bij 3D chips

Voor de drie belangrijkste doorbraken wordt de bijdrage aan de doelstellingen kostprijsverlaging respectievelijk nauwkeurigheidsverbetering ingeschat in de volgende grafiek:

10

Kritische productafmeting [10 - 6m]

Print- en doseertechnologie In deze technologieën zijn doorbraken te verwachten die tot een brede toepassing in het microgebied zullen gaan leiden:

Trend precisiedosering

figuur 11

5

0

Draadloze informatieen energieoverdracht

2003 2006 2008

Samenvatting roadmap micronbereik

figuur 10

Servosystemen gebaseerd op visual servoing

Smart frames

120

Kritische applicatienauwkeurigheid (micron)

100 80 60 40 20 0 jaar 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 placement accuracy [micron] knippen

28

accuracy fine pitch

electrografisch printen

Direct printing

ROTA shaving

VIBRA shaving

Inkjet printing (waar dan???)

Wire bonding

29

5 Precisiebewerken

5.1 Inleiding In Nederland hebben zich binnen het nationale netwerk van oudsher spelers gekwalificeerd als ijkpunten op het gebied van preciesiebewerkingstechnologie. Daarnaast vindt men in Nederland op dit gebied enkele – helaas in omvang afnemende – vakgroepen binnen de Technische Universiteiten en TNO. Voorbeelden van genoemde ijkpunten zijn: • De toepassing van het elektroformeren door Stork Veco • De toepassing van electrochemical processing en precisiestampen door Philips Drachten • De toepassing van polijsten door TNO-TPD • De toepassing van verspanen door ETG, TUD, OCE, Frencken etc. • De toepassing van gripping door de TUD • De toepassing van vervormen door VDT De uitdaging van deze precisiebewerkingswereld ligt in het volgen van de benodigde precisie op het productniveau en het op basis daarvan een portfolio aan precisiebewerkingstechnologieën aanbieden aan de ontwerpers en applicatie-engineers enerzijds en het volgen van materiaal- en machineontwikkelingen anderzijds. Hier ontmoet technologie push de market demand en kan e.e.a. in balans worden gebracht. 5.2 De bewerkingstandaard In de wereld van de verspaningstechnologie geldt de zogenaamde Taniguchi grafiek als een standaard. Met deze grafiek werd ook een classificatie ingevoerd: conventioneel bewerken, precisiebewerken, hoogprecisie en ultra-precisiebewerken. De Tanaguchi grafiek geeft [APH1]de totaal haalbare maatnauwkeurigheid aan van veel toegepaste verspanende bewerkingstechnologieën, en gaat er vanuit dat de combinatie van materiaal, vormgeving van het product en het bewerkingsproces optimaal zijn en herhaalbaar. En daarmee is nog niet gezegd dat een bewerkingstechnologie op hetzelfde product, maar gemaakt van ander materiaal tot een zelfde resultaat leidt. 5.3 De taniguchigrafiek vergeleken met andere materiaalverwijderende technieken Op het gebied van bewerken is er een groot scala aanwezig van technologieën. Om hier een ordening in aan te brengen herkennen we allereerst een verschil tussen materiaalverwijderende en niet-materiaalverwijderende technologieën. Om een overzicht te geven van de meest gehanteerde classificatie van materiaalverwijderende technologieën is het volgende schema gehanteerd: 30

31

Op basis van interviews, literatuur en de expertworkshops is een overzicht gemaakt van de meest gehanteerde en bekende precisiebewerkingstechnologieën in Nederland. Zoals eerder vermeld is het hierbij belangrijk onderscheid te maken tussen bewerkingsnauwkeurigheid en oppervlaktenauwkeurigheid.

De standaard: Taniguchi roadmap

Conclusie is dat de op het gebied van oppervlaktenauwkeurigheid er inderdaad meer technologieën zijn die de in de categorie precisie en ultra-precisie vallen. In deze grafieken is bovendien de waarde weergegeven van de roosterafstand van atomen, de waarde die als een fysieke eindwaarde geldt en waarnaar het font van de precisiebewerkingstechnologie op een asympotische manier zal toewerken, zij het dat er in deeltjes technologie (ionen en fotonen) in principe nog verdergaande mogelijkheden zijn.

figuur 12

Productvorm

Materiaal Proces

5.4 De taniguchigrafiek vergeleken met niet-materiaalverwijderende technieken Voor de niet-materaalverwijderende technieken is de volgende classificatie gebruikt: • Materiaal verbinden: microlassen, lijmen, bonden • Materiaal (ver)vormen: precisievervormen, stampen, precisie-spuitgieten • Materiaal opbouwen: dunne lagen, CVD, opdampen, sputteren, dikke film technologie, elektroformeren, lithografie Op basis van interviews, literatuur en de expertworkshops is een overzicht gemaakt van de meest gehanteerde en bekende niet-materaalverwijderende precisiebewerkingstechnologieën in Nederland. 5.5 Trends en doorbraken Een nadere beschouwing van de Taniguchigrafiek laat zien we dat we in de periode gekomen zijn dat de lijnen steeds horizontaler gaan lopen: de periode van afnemende meeropbrengsten treedt derhalve aan; d.w.z. het zal steeds meer moeite en geld kosten om daadwerkelijk stappen te maken. Op basis van interviews zijn de volgende trends naar voren gekomen als drivers van een verdere ontwikkeling op het gebied van precisiebewerkingstechnologie: • Het inline kunnen besturen van bewerkingsmachines, de benodigde meet-en regeltechniek wordt steeds intelligenter waardoor doorontwikkelingen in bewerken en meten mogelijk zijn • Verder doorontwikkelen van materialen met een grotere sterkte en een verhoogde zuiverheid waardoor wanddiktes en oppervlaktezuiverheid etc. aanzienlijk verbeterd kunnen worden • Combinatie van technologieën: de zogenaamde hybride processen maken het mogelijk om betere eindresultaten te krijgen (voorbeeld frezen in combinatie met ultrasoonslijpen) • Het verdringen van materiaalverwijderende technieken door materiaalopbouwende technieken. Deze technieken bestaan uit een groot aantal chemische processtappen. Bijvoorbeeld het printen in laagjes of stereolithografie ten behoeve van prototyping. • Optische technologieën (laserbewerkingen) verdringen de elektrisch verspanende technologieën (o.a. vonkverspanen) zie ook de Tanaguchi grafiek van bewerkingsnauwkeurigheid 32

Classificatie van materiaal verwijderende productie technologiën

Bron: TUD Machining by bonded abrasives

Abrasive machining

Mechanical processes

Machining by loose abrasives

Machining by free abrasives

Machining

figuur 13

Ultraprecision grinding Honing Magnetic field assisted polishing Barreling Lapping Ultrasonic machining (mechanical) polishing Visco elastic flow machining Chemical-mechanical polishing Single point diamond turning

Chemical processes

Etching Chemical polishing

Photo-chemical processes

Photo etching

Electro-chemical processes

Electrolytical processing

Electric processes

Electric discharge machining (EMD & WEDM) Electron beam machining Ion beam machining

33

100

100

Convent. verspanen

µm

Nauwkeurigheid

0.01 UP-bewerken

0.001 0.0003

Rooster afstand atomen

1920

1940

1960

1980

100

Convent. verspanen

µm 1

Precisie verspanen

0.1 0.01 UP-bewerken

0.001 0.0003 Jaar


1900

34

1920

1940

1960

1980

2000

Diamant draaien

Laser ablatie

Polijsten

Electro formeren

Hard draaien

Conv. slijpen

Electro polijsten

Conv. draaien

figuur 15

Mico) EDM

Processen

Bronnen: N. Taniguchi, K. Koch, TUD

Electro chemisch bewerken

Precisieproductietechnologie in de Taniguchi roadmap

Ontwikkeling van bewerkingsnauwkeurigheid gebaseerd op Taniguchi

0.01 UP-bewerken

0.001 0.0003 Jaar

2000

Fluid jet polishing

1900

Precisie slijpen

Jaar

Precisie verspanen

0.1


1900

1920

1940

1960

1980

2000

Tijdens de expertworkshop is aan de trends een lijst met doorbraken toegevoegd die enerzijds de trends bevestigen en anderzijds weer de condities (enablers) aangeven waardoor deze doorbraken werkelijkheid kunnen worden. Hieronder is de lijst weergegeven van de belangrijkste doorbraken met een korte omschrijving: 1 Druktechnologieën voor massaproductie van micro-structuren Met behulp van (stereo)lithografie of andere materiaal opbrengende technieken dikte opbouwen in plaats van materiaal afnemen, waarbij de laagjes tussentijds worden uitgehard. 2 Doorbraak in de contactloze 3D meettechniek inclusief dataverwerking Met name actueel in machinebesturingen, dit veronderstelt wederom het vrijkomen van veel on-line meetgegevens die zeer snel moeten kunnen worden verwerkt 3 Hybride processen (combinatie van technieken): Het combineren van verschillende precisieverspaningstechnieken in één fabricagemiddel. 4 (Sub)micron bewerken van oppervlakken met optische technologie: Met behulp van lasertechnieken weghalen van materiaal 5 Opbouwtechnieken voor verschillende materialen (laser-sintering). Het opbouwen met behulp van rapid prototyping technieken van metalen producten die daarna worden uitgehard en hun definitieve sterkte krijgen. 6 Echte 3D bewerking van keramiek Tot nu toe wordt keramiek 2D of 2 1/2 D bewerkt.

35

Opdampen

Lithografie

Spincoaten

1 Precisie verspanen

0.1 Nauwkeurigheid

Convent. verspanen

µm

1

Ruwheid (RA)

Lijmen


Precisiespuitgieten


figuur 17

Precisiestampen

Processen



Processen


figuur 14

Chemisch frezen Waterstralen Spuitgieten Micro boren Stampen Electro chemisch bewerken Conv. draaien (Micro) Laser boren Conv. slijpen Ultra precisie frezen (Mico) EDM Electro formeren Hard draaien Precisie slijpen Micro slijpen Diamant draaien Fluid jet polishing Laser ablatie Laser beam machining


7 Aanmaak van nieuwe vormen voor piëzoactuatoren via additieve techniek Door deze techniek is veel meer vormvrijheid mogelijk en daarmee ook andere vormen en functies van actuatoren. 8 Laser bewerken in massafabricage (snijden, textureren, verspanen) Door het parallelliseren van laserbewerkingen wordt deze techniek industrieel interessanter. 9 Goedkope en snelle montage van microsystemen Wat voor nut heeft het om een micro-onderdeel te maken als je het daarna niet meer aan de buitenwereld kunt bevestigen of zelfs oppakken? Niet alle doorbraken hebben hetzelfde karakter. Bij ontwikkelingen in de bewerkingstechnologie gaat het vaak niet om nog nauwkeuriger, maar meestal om de technologie op industriële schaal te kunnen toepassen. Dan gaat het om bewerkingssnelheid, initiele investering, uitval etc, vertaald in voortbrengingskosten. Het kan dus zijn dat een bepaalde technologie op laboratoriumschaal werkt, maar dat betekent nog niet deze technologie op de werkvloer staat en toegepast wordt. Daarom is de expertgroep ook gevraagd binnen deze 2 richtingen aan te geven hoe zij de richting van de doorbraak zien voortbrengingskosten, nauwkeurigheid of juist een combinatie van beiden.

Voor de belangrijkste vijf doorbraken zijn hieronder de enablers weergegeven Hier een titel

Doorbraak

Enablers

1 Druktechnologieën voor massaproductie van microstructuren

– Suspensieontwikkeling – Contactloze 3D meetmethoden – Snelle precieze stage of inktjetkoppen – Integratie met laser (uitharden)

2 Doorbraak in de contactloze 3D meettechninc dataverwerking

– In line metingen in machinebesturing – Compensatiemodellen – Bescherming tegen externe invloeden

3 Hybride processen (combinatie van technieken)

– Standaard interfaces en modulaire opbouw – In proces meettechnologie – Hogere stabiliteit machines – Bijpassende CAD/CAM mod

Impactanalyse doorbraken

figuur 17

Fabricage prijsdoorbraken

Nauwkeurigheidsdoorbraken

36

1 Druktechnologieën voor massaproductie van microstructuren 2 Doorbraak in de contactloze 3D meettechnologie inclusief dataverwerking 3 Hybride processen (combinatie van technieken) 4 (Sub)micron bewerken van oppervlakken met optische technologie 5 Opbouwtechnieken voor verschillende materialen (lasersintering) 6 Echte 3D bewerking van keramiek 7 Aanmaak van piëzo nieuwe vormen actuatoren via additieve techniek 8 Laser bewerken in massafabricage (snijden, textureren, verspanen) 9 Goedkope en snelle montage van microsystemen

4 (Sub)micron bewerken van oppervlakken met optische technologie

– Snelle en precieze machines

5 Opbouwtechnieken voor verschillende materialen (lasersintering)

– Kleinere poedersoorten met meer sterkte (< 10 micron)

– In proces (sensor)meettechnologie – Overdracht van mogenlijkheden naar productontwerpers

– Combinatie van grove en fijne laserbundels in 1 machine

Als conclusie op basis van deze lijst en op basis van de interviews kan gezegd worden dat de belangrijkste enablers dus zijn: • • • •

Het steeds nauwkeuriger kunnen meten in massa /in proces Het voorkomen van contaminatie (stofvrij produceren en verpakken) Aanbrengen van dunne coatings (o.a. micro-tribologie) Materiaal ontwikkelingen (o.a. zuivere en nieuwe materialen)

37

6 Organisatorische aspecten in nederland

6.1 Inleiding In de workshops is ook aandacht gegeven aan de organistorische aspecten van de precisietechnologie in Nederland. Daarbij werd o.a. stilgestaan bij de positie van Nederland die als volgt gekarakteriseerd kan worden: • Er is veel succes bereikt in de business van hoogprecisietoepassingen. Het meest in het oog springen de successen in de sfeer van productiemachines en analysemachines (bijv. semiconducterproductie) en de producten in consumer en mass storage toepassing (bijv. DVD, scheerapparaten). • Tien jaar geleden was er een sterke bundeling van know how rondom het Philips Natlab en CFT. Door het uiteenvallen van de Philipsunits die op dit gebied bestonden is nu een sterke fragmentatie ontstaan aan de businesskant. • Aan de publieke kant is eveneens een sterke fragmentatie, een verdeling van capaciteit over drie technische universiteiten en diverse andere beta-faculteiten. Elk van deze capaciteiten is dramatisch kleiner dan wat er in de grootste internationaal concurrerende instituten beschikbaar is. • Deze versnippering aan zowel de businesskant als de onderzoekskant wordt door de betrokkenen als een ernstige belemmering voor het toekomstige succes van het vakgebied voor Nederland ervaren. • De verwarring van de gebieden MST, precisie- en nanotechnologie maakt het gevaar groter, vooral als door de (terechte) belangstelling voor nanotechnologie over het hoofd gezien zou worden dat juist de precisietechnologie een van de pijlers onder de nanotechnologie is. 6.2 Swot-analyse In de workshops zijn SWOT-analysen gemaakt van het vakgebied in Nederland. De belangrijkste resultaten van die analyses worden gegeven in onderstaande matrix: 6.3 Organisatorische doorbraken De overheersende mening in de workshops was dat de noodzakelijke organisatorische doorbraken zeker zo belangrijk zijn voor de continuering van het succes van precisietechnologie voor Nederland als de genoemde technische doorbraken. In de groep was hierbij een sterk gevoel van urgentie. Als belangrijkste mogelijke organisatorische doorbraken worden gezien:

38

39

Organisatorische doorbraken

Doorbraak

Enablers

Realiseren van synergie

– Betere programmatische afstemming tussen de diverse onderzoeks/onderwijsinstellingen – Concentratie van de aansturing en PR in één groot “sytems institute” – Meer transparantie (roadmap, bedrijven, kennisinstellingen) – Opzoeken Europees netwerk – Meer fundig voor netwerkontwikkeling in precisietechnologie – Stimuleren samenwerking met MKB

Professionaliseren van het vakgebied en de PR daarover

– Samenwerking tussen brancheorganisaties op dit gebied – Oplossen begripsverwarring precisie-MST-nano – Body voor gerichte PR naar overheid en maatschappij over belang en essentials – Meer awareness bij overheid en management – Scan van behoeften bij MKB en follow-up – PR naar hoogopgeleiden in buitenland

SWOT Precisietechnologie Nederland

figuur 18

Sterk • Hoogwaardige industrieën met leiderschap • Hoogwaardige toeleveranciers • Goed internationaal kennisniveau: – in systeemtechniek – in deelgebieden optica, metrologie, inspectie • Goed Nederlands netwerk met IOP • Veel research in micro- en nanogebied

Zwak • Smalle conjunctuurgevoelige basis van industrie en universiteit • Versnippering R&D, samenwerking universiteit en industrie • Zwakke PR en lobby: vakvereniging doet dit niet • Verwarring over micro-, nano- en precisie• Affiniteit van overheid en universiteit met industrie en precisie

NL Precisie Kans • Industrialisatie: Speerpuntprojecten om geïntegreerde kennis (mechatronica, optica, chemie) om te zetten in systremen voor de nieuwe nanomarkt • Platform dat precisie positioneert in NL-(nano)kennisland • Één groot ‘system-institute’ met precisie, embedded etc.

40

Bedreiging • Verdwijnen maakindustrie uit Nederland • Bezuinigingen bij overheid en bedrijfsleven • Opkomst Korea, hernieuwd Japan, China-productie • Geen erkenning bij de top van bedrijf en overheid

Roadmap Precisietechnologie

Recommend Documents