Optimierte Bearbeitung von Siliziumwafern für "Athena", das neue Röntgenobservatorium der ESA

Eine der derzeit umfangreichsten Missionen der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ist das größte jemals gebaute Weltraum­röntgenteleskop: Athena, das Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics. Diese Mission ist die zweite "große" Mission (L2) im Rahmen des ESA-Programms "Cosmic Vision“ mit dem Schwerpunkt "Heißes und energiereiches Universum". Das Ziel der Mission ist die Untersuchung der heißesten und energiereichsten Phäno­mene im Universum mit größerer Genauigkeit und Intensität als je zuvor. Es wird sich mit Schlüssel­fragen der Astrophysik befassen, darunter: Wie und warum setzt sich gewöhnliche Materie zu Galaxien zusammen? Wie wachsen und entwickeln sich schwarze Löcher und wie beeinflussen sie ihre Umgebung? Nach umfangreichen industriellen Studien und signifikanten parallelen Technologie­entwicklungs­anstrengungen in Phase A trat das Projekt Mitte 2020 in Phase B1 ein, nachdem es die Überprüfung der Missions­formulierung erfolgreich bestanden hatte. Die Entwicklungen im Zusammenhang mit den kritischen Grundlagen­technologien werden bis zur Missions­überprüfung (Mission Adoption Review, MAR) und anschließend bis zur Phase C für die Herstellung des Flugmoduls fortgesetzt.

Die Athena-Mission erfordert eine neue Spiegeltechnologie, um die Röntgenstrahlen zu sammeln und zu bündeln. Der Spiegel muss größer, leichter und genauer sein als diejenigen früherer Missionen. Also musste eine neue Technologie erfunden werden: Silizium-Poren-Optik (SPO). Das nieder­ländische Unternehmen cosine entwickelte in Zusammenarbeit mit der ESA die SPO-Technologie. Damit wird eine wesentlich höhere Leistung als mit den etablierten Röntgenspiegeltechnologien erreicht und die Winkelauflösung ist bei gegebener Masse und effektiver Fläche um mehr als eine Größen­ordnung besser. cosine ist weltweit führend bei der Herstellung dieser neuartigen Hoch­energie­optiken und wird die SPOs als Abbildungsoptik für die Athena-Mission liefern.

Ein wichtiger Beitrag zur weiteren Verbesserung des SPO-Produktionsverfahrens für die Athena-Optik wird durch die Einführung des Ionenstrahl­polierens (Ion Beam Figuring, IBF) erzielt. Dabei handelt es sich um ein berührungsloses Hochvakuum­verfahren und eine spezielle Form des Ionenstrahlätzens. Ein fokussierter breiter Strahl positiv geladener Ionen fährt über die Substrat­oberfläche und ätzt das Material durch Ionenbeschuss physikalisch ab. Durch die Steuerung der Verweilzeit an einer be­stimmten Stelle ist es möglich, den Materialabtrag an jeder einzelnen Position des Substrats genau einzu­stellen. Dies ermöglicht die Korrektur von Schichtdicken-Inhomogenitäten und das Ätzen bis zu einer einheitlichen Waferdicke mit einer Gesamt­tiefen­auflösung im einstelligen Nanometer­bereich.

Die hohen Anforderungen an die Athena-Optik erfordern eine äußerst geringe Gesamt­dicken­variation (TTV) und einen spezifischen Höhen­gradienten der Silizium-Spiegelplatten. scia Systems, ein deutscher Hersteller für Ionenstrahl- und Plasmaanlagen, kann die erforderlichen Verbesserungen durch Ionenstrahlpolieren der 300 mm Silizium-Wafern mit dem scia Trim 300 System erreichen. Da Athena fast hunderttausend dieser eng gepackten Spiegelplatten benötigt, ist ein hoher Durchsatz bei der Waferverarbeitung erforderlich. Die scia Trim 300 ist mit einem Handling-Roboter für die Kassetten­beladung ausgestattet, so dass bis zu 50 Wafer automatisch nacheinander verarbeitet werden können, ohne dass der Benutzer eingreifen muss.

Auf Wunsch der ESA wurde bei der Firma cosine eine IBF-Anlage vom Typ scia Trim 300 installiert, mit der 300-mm-Wafer bearbeitet werden können. cosine ist damit das erste Unternehmen weltweit, das in der Lage ist, 300-mm-Wafer voll­automatisch mit Ionenstrahlpolieren zu bearbeiten.

scia Systems freut sich, cosine mit der scia Trim 300 ein zuverlässiges System für die anspruchs­vollen Anforderungen der Athena-Mission, aber auch für andere kommende Röntgen­missionen, geliefert zu haben. Neben diesen speziellen optischen Einsatz­gebieten ist das die scia Trim 300 auch für Anwendungen in der MEMS-Fertigung geeignet. Weitere Informationen zum System und möglichen weiteren Anwendungs­bereichen finden Sie hier: www.scia-systems.com/trim-300.