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Experte auf der Formnext Einsatz von Generativem Design zur Steigerung der zukünftigen Rechenleistung

Autor / Redakteur: Dr. Gereon Deppe / Stefan Guggenberger

Die Produktion von High-End-Halbleitern gehört zu den fortschrittlichsten technologischen Herausforderungen, aber sie ist auch der Wegbereiter für die Technologien von morgen. Unser Experte Dr. Gereon Deppe erklärt, wie Generative Design zu leistungsfähigeren Chips und besseren Simulationen beiträgt.

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Mithilfe von Generative Design kann das Gewicht von Bauteilen erheblich verringert und die Steifigkeit gleichzeitig um ein Vielfaches verbessert werden.
Mithilfe von Generative Design kann das Gewicht von Bauteilen erheblich verringert und die Steifigkeit gleichzeitig um ein Vielfaches verbessert werden.
(Bild: Simufact Engineering)

Heutzutage ist die Simulation ein Schlüsselfaktor für weitere technologische Verbesserungen. Begünstigt wurde dies durch eine erhebliche Steigerung der Rechenleistung in den letzten Jahren, die es nun ermöglicht, realistischere Simulationen zu erstellen, die Rechenzeiten zu verkürzen und verschiedene Möglichkeiten mit geringem Aufwand zu untersuchen - und damit zu fortschrittlichen Innovationen zu gelangen. Für eine weitere Steigerung der Rechenleistung muss die Halbleiterindustrie jedoch Wege finden, die elektronischen Bauteile immer weiter zu verkleinern.

Dieser Prozess hat in den letzten Jahren mit der Entwicklung der Lithographie auf Basis von extrem ultraviolettem Licht (EUV) einen signifikanten Fortschritt gemacht und die Wellenlänge von 193-Nanometer-Licht auf eine völlig neue Dimension von nur 13,5 Nanometer verschoben. Dieses fokussierte Licht wird zum Erodieren und Beschichten verschiedener Schichten eines Silizium-Wafer verwendet. Auf diese Weise entsteht eine spezifische elektrische Eigenschaft, aus der letztlich die Computerchips der nächsten Generation bestehen. Wesentliche Teil dieses Beschichtungsprozesses sind die Lasersysteme, bei denen stets sichergestellt sein muss, dass sie sich in ihrer exakt definierten Position befinden.

Die neuen Verarbeitungsanlagen erfordern daher eine neue Generation von Metrologiewerkzeugen, die es ermöglichen, die optische Leistung von Komponenten der EUV-Lithografie im Nanometerbereich zu kontrollieren. RI Research Instrument liefert den Hauptakteuren der Halbleiterindustrie die notwendigen Werkzeuge, die die für die EUV-Lithografie unerlässlichen Anforderungen an Präzision und Sauberkeit erfüllen. Um diese neue Generation von Werkzeugen zu schaffen, wurde ein Beratungsprojekt mit Trumpf – die 20 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet der Additiven Fertigung haben - in Zusammenarbeit mit MSC Software initiiert, um ein Bauteil dieser Messtechnik zu optimieren und herzustellen.

Optimierungsanforderungen an den Sensorarm

Ein Bestandteil einer EUV-Qualifikation ist der so genannte Sensorarm. Sensoren sind auf einer Platte montiert, die in einem Winkel an einem langen Arm positioniert ist, der sich von der Primärstruktur in die Messkammer erstreckt. Der Arm hat eine "L-förmige" Befestigung, und mit dem Eigengewicht des Sensors ist nur ein Lastfall zu berücksichtigen. Ziel der Optimierung ist es, eine Konstruktion zu erreichen, die leicht und damit kostengünstig in der Herstellung ist, sowie die Steifigkeit der Gesamtstruktur, insbesondere die erste Eigenfrequenz, maximiert. Weitere Anforderungen werden an die Form der Geometrie gestellt: von der Seite des Bauteils aus gesehen soll die Oberfläche minimal sein. Da keine Fremdpartikel die hochsensiblen Geräte kontaminieren dürfen, ist auch die Reinigung der Kernelemente des Qualifizierungsinstruments enorm wichtig. Daher darf die Geometrie keine kleinen Spalten oder dünne Hinterschneidungen aufweisen, die schwer zu reinigen sind. Unter Berücksichtigung dieser Ziele wurde mit der Strukturanalyse des Bauteils für die eigentliche Optimierung begonnen.

Abb. 1: Optimierungsmodell mit (Non)-Design-Spaces und den zwei Lastfällen (links), MSC Apex Generative Design Optimierungsergebnis mit homogener Spannungsverteilung (rechts)
Abb. 1: Optimierungsmodell mit (Non)-Design-Spaces und den zwei Lastfällen (links), MSC Apex Generative Design Optimierungsergebnis mit homogener Spannungsverteilung (rechts)
(Bild: Simufact Engineering)

Zunächst ist eine Analyse des ursprünglichen Bauteildesigns unter Verwendung von MSC Apex Structures durchgeführt worden, um die Werte für Verschiebung, Spannung und erste Eigenfrequenz zu ermitteln - mit den umfassenden Werkzeugen von MSC Apex Structures war dies kaum Aufwand. Dann wurde die erste Optimierung mit MSC Apex Generative Design vorbereitet. Ausgehend von der ursprünglichen Geometrie konnte das Modell für die Optimierung schnell aufgebaut werden. Der Design Space war mit wenigen Klicks definiert, die Befestigung ist auf ihre Schaubverbindungen reduziert und als Non-Design Spaces klassifiziert worden, um die Designfreiheit für die Optimierung zu maximieren. Mit Stahl als erstes zu testendem Material konnte das Gesamtmodell in weniger als 10 Minuten für die Optimierung vorbereitet werden.

Verschiedene Materialien als Designvarianten

Während die Steifigkeit sich immerhin um den Faktor fünf erhöhte, erreichte das Optimierungsergebnis für den Stahlwerkstoff nur eine geringe Gewichtsreduzierung. Ein weiterer Durchlauf wurde mit der Aluminiumlegierung AlSi10Mg durchgeführt. Hier wurde ein zusätzlicher Lastfall mit einer von der Seite gegen die Platte drückenden Kraft auf die Optimierung angewendet. Damit sollte die Steifigkeit erhöht und somit auch die erste Eigenfrequenz nach oben getrieben werden. Das Ergebnis war deutlich besser als zuvor: Mit nur 711g reduzierte sich das Gewicht vom ursprünglichen Bauteildesign (1.227g) um 42%. Eine weitere Optimierung sollte schlussendlich testen, ob die Titanlegierung Ti6Al4V aufgrund ihrer höheren Materialsteifigkeit möglicherweise noch leichtgewichtiger ist, konnte das Gewicht jedoch nicht unterbieten.

Abb. 2: Rückführung mit der Mesh-to-CAD Funktion (links) und darauf aufbauende Validierung mit MSC Nastran (rechts)
Abb. 2: Rückführung mit der Mesh-to-CAD Funktion (links) und darauf aufbauende Validierung mit MSC Nastran (rechts)
(Bild: Simufact Engineering)

Um die Werte und die Gesamtgeometrie zu validieren, wurde die optimierte Struktur mit MSC Nastran überprüft. Mit der neuen NURBS-Funktionalität von MSC Apex Generative Design konnte das erzeugte bionische Ergebnis mit der Mesh-to-CAD-Funktion umgehend zurückgeführt werden, so dass sich das Optimierungsergebnis problemlos in MSC Nastran importieren und vorbereiten ließ. Die Analyse zeigte exzellente Verbesserungen: Neben der 42%igen Gewichtsreduzierung erhöhte die optimierte Struktur die Steifigkeit um 400% und die erste Eigenfrequenz um 105%.

Abb. 3: Fertigungssimulation und -optimierung mit Simufact Additiv für die Fertigung mit TruPrint 3000 (links), und Rendering der finalen Geometrie (rechts)
Abb. 3: Fertigungssimulation und -optimierung mit Simufact Additiv für die Fertigung mit TruPrint 3000 (links), und Rendering der finalen Geometrie (rechts)
(Bild: Simufact Engineering)

Die Herstellbarkeit wurde mit der Fertigungssimulationssoftware Simufact Additive untersucht. Der Orientierungsassistent schlug vor, das Bauteil in einer aufrechten Position mit einem leichten Winkel zu platzieren. Die große Höhe des Arms erforderten dies, um in die Baukammer der Fertigungsmaschine TruPrint 3000 zu passen. Für diese Aufgabe ist die Maschine von Trumpf als universelle, mittelgroße Anlage mit industriellem Bauteil- und Pulvermanagement ideal geeignet und genau für die flexible Serienfertigung von komplexen, metallischen Bauteilen mittels 3D-Druck konzipiert. Dabei garantiert die Simulation auch, dass auf dem Bauteil selbst keine Supportstruktur aufgesetzt wird. Die Stützstruktur wird von der Software weiter optimiert, und es werden zusätzliche Analysen zum Beispiel für den Verzug durchgeführt, um ein perfektes Druckergebnis ohne Fertigungsprobleme zu erzielen. Die eigentliche Produktion des optimierten Tragarms soll im letzten Quartal des Jahres 2020 mit anschließender Installation und Prüfung des neuen Designs erfolgen.

Integrierter Workflow für FEA-Validierung und Produktion

Die Produktion von High-End-Halbleitern gehört zu den fortschrittlichsten technologischen Herausforderungen, aber sie ist auch der Wegbereiter für die Technologien von morgen. Es ist demnach sinnvoll, die hohe Rechenleistung der aktuellen Chips zu nutzen, um deren Produktion selbst zu verbessern. Das generative Design nutzt diese Rechenleistung, um verschiedene, für eine bestimmte Design-Herausforderung optimierte Strukturen zu erzeugen. Eine bedeutende Verbesserung wurde durch die Anwendung von MSC Apex Generative Design bei der Optimierung eines Sensorarms eines EUV-Messwerkzeugs erzielt. Die gute Datenkommunikation zwischen digitalem Design und virtueller Fertigungssimulation des additiven Optimierungsprozesses von MSC Software erzeugte ohne großen Aufwand ein insgesamt besseres Bauteil-Design. Es wurde eine signifikante Verbesserung in allen relevanten Zielbereichen erreicht, wodurch die Leistung der EUV-Metrologiewerkzeuge gesteigert werden konnte - dies ermöglich noch leistungsfähigere Chips für schnellere und bessere Simulationen in der Zukunft.

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