PVA TePla – Gedigitaliseerde monokristalproductie
Halfgeleiders: Ingotproductie in perfectie
Hoe PVA TePla de monokristalproductie optimaliseert met automatisering
PVA TePla AG is een wereldwijd toonaangevende leverancier van installaties en meettechniek voor veeleisende industriële toepassingen. Vooral in de halfgeleiderindustrie is er veel vraag naar de hightech-installaties van deze middelgrote installatiebouwer.
"Als leverancier van oplossingen zijn we wereldwijd actief en overal aanwezig waar onze klanten zich bevinden. Vanwege de grote vraag vanuit de halfgeleiderindustrie zijn we momenteel bijzonder sterk vertegenwoordigd op de Aziatische markt en in de VS", aldus Jan Pfeiffer, directeur van de PVA TePla-groep. Met de TechHub op de locatie Wettenberg beschikt het bedrijf over een belangrijke innovatiemotor, met name voor materiaalonderzoek in de halfgeleiderindustrie.
Siliciumcarbide – de sleutel tot elektromobiliteit
De dochteronderneming PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) kan terugblikken op meer dan 60 jaar ervaring in kristalgroei. Daarbij ligt een bijzondere focus op de productie van kristallen uit siliciumcarbide (SiC).
"Het bijzondere aan siliciumcarbide-kristallen is dat ze bijzonder hoge energiedichtheden kunnen transporteren", legt Lukas Ewert, teamleider elektrotechnische constructie bij PVA CGS, uit. "In vergelijking met traditioneel silicium kunnen bij gebruik van SiC bijvoorbeeld kleinere accu's met hetzelfde vermogen worden ontworpen. De daarmee gepaard gaande gewichtsbesparing is een doorslaggevend voordeel voor de elektromobiliteit."
Extreme omstandigheden vereisen de hoogste precisie
Voor de productie van SiC-kristallen heeft PVA TePla de SiCma-installatie ontworpen, die werkt volgens het Physical Vapor Transport (PVT)-proces. "Hierbij sublimeert een mengsel van silicium- en koolstofpoeder in een grafietkroes bij 2300 graden Celsius en zet zich af op een kristalzaadjes, ook wel boule genoemd", legt Ewert uit. "Om een hoogwaardig resultaat te bereiken, moeten de temperatuur en druk in de proceskamer gedurende de gehele kristalgroei nauwkeurig worden geregeld. Zelfs de kleinste afwijkingen kunnen het hele proces in gevaar brengen en leiden tot aanzienlijke kwaliteitsverlies. Aangezien een dergelijk kweekproces tot drie weken kan duren, moeten procesbewaking en -controle permanent aan de hoogste eisen voldoen.
Afbeelding 1: Een silicium-staaf als demonstratieobject.
Afbeelding 2: De siliciumcarbide-kristallen uit deze installaties worden onder andere gebruikt in batterijen voor elektromobiliteit.
Intelligente sensortechnologie voor constante procesomstandigheden
Om de vereiste precisie te garanderen, vertrouwt PVA op IO-Link-compatibele sensoren van ifm. "We gebruiken bijvoorbeeld de SV4200-flowsensor van ifm om de koelwaterstromen te controleren en constant te houden. Dat is enerzijds belangrijk voor een constante procestemperatuur, maar ook om behuizingen, leidingen en onderdelen te beschermen tegen oververhitting en daarmee tegen defecten", legt Ewert uit.
Bovendien bewaakt de druksensor PV8000 de aanvoer- en retourdruk en de temperatuur van het koelmedium. "Deze bewaking werd voorheen handmatig uitgevoerd, maar nu kunnen we deze waarden ook via IO-Link opvragen en beter en sneller reageren op eventuele schommelingen", aldus de teamleider. De IO-Link-masters van het type AL1202 verzamelen alle sensordata en sturen deze door naar de centrale evaluatie. Ook de aansturing van het signaallampje DV, dat de gebruiker visueel informeert over de huidige processtatus, gebeurt via de IO-Link-master.
Afbeelding 1: Siliciumcarbide-puck: Alleen met exacte procesparameters wordt de gewenste kwaliteit bereikt.
Afbeelding 2: De gegevens die worden geregistreerd door de druksensor (middenvoor) en de flowsensor (linksonder) worden verzameld door de IO-Link-master (boven) en gebundeld doorgestuurd.
Afbeelding 3: Het signaallampje DV geeft visueel informatie over de huidige processtatus.
IO-Link: Meer informatie, meer transparantie van de installatie
IO-Link heeft zich al lang geleden gevestigd als fabrikantonafhankelijke standaard voor digitale sensorcommunicatie in de automatiseringstechniek. In vergelijking met conventionele binaire en analoge interfaces maakt IO-Link de overdracht van proceswaarden met hoge resolutie en uitgebreide diagnose-informatie mogelijk. Gebruikers profiteren van gestandaardiseerde datastructuren, minder bekabeling en naadloze integratie in besturings- en IIoT-architecturen.
De technologie ondersteunt de overdracht van meerdere meetwaarden per apparaat, gevent-gestuurde diagnose en het op afstand instellen van de parameters van de apparaten. Dit leidt tot verbeterde transparantie van de installatie, geoptimaliseerd onderhoud en meetbare besparingen bij de inbedrijfstelling en de bedrijfskosten.
Digitalisering als sleutel tot de beschikbaarheid van installaties
Deze aspecten spelen ook bij PVA TePla een centrale rol. "Digitalisering is voor ons erg belangrijk, vooral bij de SiCma-installatie", benadrukt Lukas Ewert. Deze staan vaak in grote aantallen in de productiehallen. Het laden en lossen gebeurt meestal volledig automatisch. Onze installaties moeten kunnen communiceren met hogere systemen, zodat de exploitant te allen tijde centraal de processtatus kan controleren." Het bedrijf gebruikt hiervoor het uitgebreide IO-Link-portfolio van ifm als basis.
Voorspellend onderhoud voor maximale productie-efficiëntie
PVA werkt bovendien intensief aan concepten voor voorspellend onderhoudom vroegtijdig te informeren over aanstaande onderhoudsbehoeften of procesafwijkingen. "Zo kan de exploitant te allen tijde produceren met maximale machinebeschikbaarheid en de best mogelijke kwaliteit", legt Ewert uit. De sensoren van ifm leveren hiervoor de nodige gegevens om de toestand van de installaties continu te bewaken en potentiële problemen te detecteren voordat ze tot kostbare storingen leiden.
Silicium-kristalgroei volgens het Czochralski-proces
PVA stelt eveneens hoge eisen aan de silicium-kristalgroei volgens het Czochralski-proces. In deze installaties worden siliciumkolommen met een lengte tot 3,50 meter, zogenaamde ingots, door langzaam optillen van een kristalzaad uit het 1400 graden Celsius hete gesmolten silicium getrokken. De hieruit verkregen wafers worden voornamelijk gebruikt in de halfgeleiderindustrie en vormen de basis voor talrijke elektronische componenten.
Trillingsarme processen voor de hoogste productkwaliteit
"In de installatie van het type SC32 wordt automatiseringstechnologie gebruikt als een combinatie van IO-Link en ProfiNet", legt Ewert uit. "We gebruiken IO-Link wanneer we meer informatie uit de sensoren willen halen. We gebruiken bijvoorbeeld de SM8000 voor het bewaken en regelen van het koelcircuit. Deze magnetisch-inductieve flowsensor registreert naast het debiet ook de temperatuur van het medium.
Daarnaast gebruikt PVA de drie-assige IO-Link-trillingssensor VVB3 om de twee procesaandrijvingen te bewaken. De VVB3 registreert de trillingen in drie meetassen en berekent op basis daarvan indicatoren voor de conditiebeoordeling van een machine. De sensor geeft info over vermoeidheid, wrijving, schokken of slijtage van lagers via IO-Link.
„De rondloop in het trekproces moet uiterst trillingsarm verlopen om de kwaliteit van de ingots te waarborgen. Bovendien kunnen we dankzij de doorgegeven gegevens de toestand van de transmissies en de aandrijfas zeer nauwkeurig controleren en onderhoudstaken vroegtijdig plannen."
Afbeelding 1: Silicium-ingots met een lengte tot 3,50 meter voor de productie van wafers worden in deze machine 'getrokken'.
Afbeelding 2: Flowsensoren bewaken het koelcircuit van de Czochralski-installatie.
Langdurig gebruik vereist betrouwbare componenten
De installaties van PVA TePla zijn ontworpen voor continu gebruik gedurende vele jaren. "Om die reden moeten ook de onderdelen, met name de sensoren, van zodanige kwaliteit zijn dat ze langdurig nauwkeurig blijven werken", benadrukt Lukas Ewert.
"We hebben al jarenlang alleen maar positieve ervaringen met ifm wat betreft de robuustheid en betrouwbaarheid bij langdurig gebruik. Ook bij nieuwe vragen en automatiseringsprojecten kunnen we terecht bij onze persoonlijke contactpersoon bij ifm, waar we altijd snel deskundige hulp krijgen.”
Diffusie-lasttechniek voor de hoogste materiaaleisen
Ook in de diffusie-lastechniek, een ander bedrijfsonderdeel van PVA TePla, worden ifm-oplossingen toegepast. Met dit vaste-stofverbindingsproces worden bijvoorbeeld koelplaten voor de halfgeleiderindustrie vervaardigd, die aan de hoogste eisen op het gebied van sterkte en corrosiebestendigheid moeten voldoen. Patrick Müller, teamleider Diffusion Bonding bij PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH, legt uit: "Om het gewenste resultaat te bereiken, moeten tijdens het proces, dat soms meerdere weken duurt, de randvoorwaarden zoals temperatuur, druk, vacuüm en uitgeoefende kracht nauwlettend worden gecontroleerd. De flowsensoren van ifm, die we gebruiken voor het bewaken van het koelcircuit, zorgen ervoor dat de installatie gedurende het hele proces niet oververhit raakt, maar in een veilige toestand blijft.”
Gebruiksvriendelijkheid als extra meerwaarde
Een ander voordeel van de oplossingen van ifm is hun gebruiksgemak. Müller benadrukt de overzichtelijkheid van de sensoren: "Als operator kun je in één oogopslag zien in welke staat de machine zich bevindt. Een ander pluspunt is zeker het feit dat oude machines eenvoudig kunnen worden uitgerust met de sensoren. Dat is praktisch “plug-and-play". Deze gebruiksvriendelijkheid vergemakkelijkt niet alleen de dagelijkse bediening, maar vermindert ook de opleidingsinspanningen voor het bedienend personeel.
Afbeelding 1: Onder hoge druk worden in deze machine afzonderlijke lagen tot een geheel gelast.
Afbeelding 2: Gemakkelijk af te lezen: Flowsensoren op een diffusie-lasinstallatie.
Partnerschap als basis voor innovatie
Bij PVA wordt de jarenlange samenwerking met ifm als automatiseringspartner zeer gewaardeerd: "Ik kan de samenwerking met ifm omschrijven als zeer collegiaal, betrouwbaar en vertrouwensvol", vat Lukas Ewert samen. "We kunnen altijd bij onze contactpersonen terecht en samen innovatie- en automatiseringsprojecten stimuleren."
Conclusie
Hoogste precisie, betrouwbaarheid en beschikbaarheid – de eisen in de hightech-materiaalproductie zijn enorm. Met ifm als automatiseringspartner kan PVA TePla de uitdagingen aangaan die veeleisende kristalgroeiprocessen met zich meebrengen.
