PVA TePla – Digitaliseret enkeltkrystalvækst
Halvledere: perfektionering af ingot-produktion
Hvordan PVA TePla optimerer enkeltkrystalvækst gennem automatisering
PVA TePla AG er en globalt førende leverandør af udstyr og måleteknologi til krævende industrielle applikationer. Dens højteknologiske systemer er særligt efterspurgte i halvlederindustrien.
»Som løsningsudbyder opererer vi globalt og er til stede overalt, hvor vores kunder befinder sig. Drevet af en stærk efterspørgsel fra halvlederindustrien er vi i øjeblikket særligt godt repræsenteret på det asiatiske marked og i USA,« forklarer Jan Pfeiffer, administrerende direktør for PVA TePla Group. Med sit TechHub i Wettenberg har PVA TePla positioneret sig som en vigtig drivkraft for innovation inden for materialeforskning til halvlederindustrien.
Siliciumcarbid – nøglen til elektromobilitet
Datterselskabet PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) kan trække på mere end 60 års erfaring inden for krystalvækst. Der er særlig fokus på produktion af siliciumcarbidkrystaller (SiC).
»Det, der adskiller siliciumkarbidkrystaller, er deres evne til at håndtere ekstreme effekttætheder,« forklarer Lukas Ewert, teamleder for elektrisk design hos PVA CGS. »Sammenlignet med konventionelt silicium muliggør brugen af SiC for eksempel design af mindre batterier med samme effekt. Den resulterende vægtreduktion er særligt gavnlig for elektromobilitetsanvendelser.«
Ekstreme forhold kræver maksimal præcision
Til produktion af SiC-krystaller har PVA TePla udviklet SiCma-systemet, der fungerer efter Physical Vapor Transport (PVT)-metoden. »I denne proces sublimeres en blanding af silicium og kulstofpulver i en grafitdigel ved ca. 2.300 °C og afsættes på en kimkrystal, hvorved der dannes en boule,« forklarer Ewert. »For at opnå et resultat af høj kvalitet skal temperaturen og trykket i proceskammeret kontrolleres nøjagtigt gennem hele krystalvækstprocessen. Selv de mindste afvigelser kan bringe hele processen i fare og føre til betydelige kvalitetstab.« Da en sådan vækstproces kan tage op til tre uger, skal procesovervågning og -kontrol løbende opfylde de højeste standarder.
Billede 1: Siliciumblok som demonstrationsgenstand.
Billede 2: De siliciumkarbidkrystaller, der produceres på disse systemer, anvendes blandt andet i batterier til elektromobilitet.
Intelligente sensorer sikrer stabile procesforhold
For at sikre den nødvendige præcision anvender PVA IO-Link-kompatible sensorer fra ifm. »Vi bruger for eksempel flow-sensoren SV4200 til at overvåge og holde kølevandsflowet konstant. Det er ikke kun vigtigt for at opretholde en stabil processtemperatur, men også for at beskytte kabinetter, rør og komponenter mod overophedning og dermed potentielle skader«, forklarer Ewert.
Derudover overvåger PV8000-tryksensoren forsyning og returtryk samt temperaturen på kølemediet. »Tidligere blev denne overvågning udført manuelt. Nu kan vi også hente disse værdier via IO-Link og reagere hurtigere og mere effektivt på eventuelle udsving,« tilføjer teamlederen. AL1202 IO-Link masterne indsamler alle sensordata og videresender dem til central evaluering. DV signallampen, som giver brugerne en visuel indikation af den aktuelle processtatus, styres også via IO-Link-masteren.
Billede 1: Siliciumkarbidpuck: Den krævede kvalitet kan kun opnås med præcist kontrollerede procesparametre.
Billede 2: IO-Link-masteren (øverst) indsamler og videresender data fra tryksensoren (i midten, foran) og flow-sensoren (nederst til venstre).
Billede 3: DV-signallampen giver visuel information om den aktuelle processtatus.
IO-Link: mere information, større systemgennemsigtighed
IO-Link har længe været etableret som en producentuafhængig standard for digital sensorkommunikation inden for automatiseringsteknologi. Sammenlignet med konventionelle binære og analoge grænseflader muliggør IO-Link transmission af procesværdier i høj opløsning samt omfattende diagnostiske oplysninger. Brugere drager fordel af standardiserede datastrukturer, reduceret kabelføring og problemfri integration i styresystemer og IIoT-arkitekturer.
Teknologien understøtter transmission af flere måleværdier pr. enhed, hændelsesstyret diagnostik og fjernindstilling af enhedsparametre. Dette resulterer i forbedret systemtransparens, optimeret vedligeholdelse og målbare besparelser i opsætnings- og driftsomkostninger.
Digitalisering som nøglefaktor for systemtilgængelighed
Disse aspekter spiller også en central rolle hos PVA TePla. »Digitalisering er ekstremt vigtigt for os, især med SiCma-systemet,« understreger Lukas Ewert. "Disse systemer installeres ofte i stort antal i produktionshaller. På- og aflæsning er normalt fuldautomatisk. Vores systemer skal kunne kommunikere med overordnede systemer, så operatørerne til enhver tid kan overvåge processtatus centralt." PVA TePla bruger ifms omfattende IO-Link-portefølje som grundlag for dette.
Forudsigelig vedligeholdelse for maksimal produktionseffektivitet
PVA arbejder også intensivt med forudsigelige vedligeholdelseskoncepter for at kunne give tidlige indikationer på kommende vedligeholdelsesbehov eller procesafvigelser. »Dette giver operatørerne mulighed for at opretholde maksimal maskintilgængelighed og samtidig opnå den højest mulige produktkvalitet,« forklarer Ewert. Sensorerne fra ifm leverer de data, der er nødvendige for løbende at overvåge systemets tilstand og opdage potentielle problemer, inden de resulterer i kostbare driftsstop.
Siliciumkrystalvækst ved hjælp af Czochralski-processen
PVA stiller tilsvarende høje krav til siliciumkrystalvækst ved hjælp af Czochralski-processen. I disse systemer dyrkes siliciumstænger på op til 3,50 meter ved langsomt at trække en kimkrystal ud af smeltet silicium ved en temperatur på omkring 1.400 °C. De resulterende skiver bruges primært i halvlederindustrien og danner grundlag for en bred vifte af elektroniske komponenter.
Lavvibrationsprocesser for højeste produktkvalitet
»I SC32-systemet er automatiseringsteknologien implementeret som en kombination af IO-Link og ProfiNet,« forklarer Ewert.
»Vi bruger IO-Link, når vi ønsker at udtrække mere detaljerede oplysninger fra sensorerne. For eksempel bruger vi SM8000 til overvågning og styring af kølekredsløbet.« Denne magnetisk-induktive flowføler måler ikke kun gennemstrømningshastigheden, men også mediets temperatur.
Derudover bruger PVA den treaksede IO-Link vibrationssensor VVB3 til at overvåge de to procesdrev. VVB3 registrerer vibrationer langs tre måleakser og beregner indikatorer til vurdering af maskinens tilstand. Oplysninger om træthed, friktion, stød eller lejeslidtage overføres bekvemt via IO-Link.
»Ekstremt lave vibrationsniveauer under trækprocessen er afgørende for at sikre ingotkvaliteten. De overførte data giver os også mulighed for at overvåge gearenhedernes og drivakslens tilstand meget præcist og planlægge vedligeholdelsesaktiviteter på et tidligt tidspunkt.«
Billede 1: Siliciumblokke på op til 3,5 meter i længden »trækkes« i dette system til produktion af wafers.
Billede 2: Flowfølere overvåger kølekredsløbet i Czochralski-systemet.
Pålidelige komponenter til langvarig drift
PVA TePlas systemer er designet til kontinuerlig drift i mange år. »Af denne grund skal alle komponenter, især sensorer, levere en konstant præcis ydeevne over lang tid«, understreger Lukas Ewert.
»Gennem mange år har vi kun haft positive erfaringer med ifm, hvad angår robusthed og pålidelighed i langvarig drift. Ligeledes kan vi, når der opstår nye spørgsmål eller nye automatiseringsmetoder overvejes, stole på vores direkte kontakt hos ifm og få eksperthjælp med kort varsel.«
Diffusionsbinding til de mest krævende materialekrav
ifm-løsninger anvendes også inden for diffusionssvejsningsteknologi, et andet forretningsområde hos PVA TePla. Denne faststofsvejsningsproces anvendes f.eks. til fremstilling af køleplader til halvlederindustrien, som skal opfylde de højeste krav med hensyn til styrke og korrosionsbestandighed. Patrick Müller, teamleder for diffusionssvejsning hos PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH, forklarer: »For at opnå de ønskede resultater skal procesforhold som temperatur, tryk, vakuum og den påførte kraft overvåges nøje gennem hele processen, som i nogle tilfælde kan vare flere uger. De flowfølere fra ifm, vi bruger til at overvåge kølekredsløbet, sikrer, at systemet ikke overophedes på noget tidspunkt under processen, men forbliver i en sikker driftstilstand.«
Brugervenlighed som merværdi
En anden fordel ved ifm's løsninger er deres brugervenlighed. Müller fremhæver sensorernes klare, intuitive design: »Som operatør kan man med et blik se, hvilken tilstand maskinen er i. En anden klar fordel er, hvor nemt ældre maskiner kan eftermonteres med sensorerne. Det er faktisk plug and play.« Dette brugervenlige design forenkler ikke kun den daglige drift, men reducerer også uddannelseskravene til driftspersonalet.
Billede 1: Under højt tryk limes de enkelte lag sammen til en enkelt struktur i denne maskine.
Billede 2: Let at aflæse: flowfølere i kølekredsløbet.
Et samarbejdspartnerskab som grundlag for innovation
Hos PVA TePla værdsætter man det langvarige samarbejde med ifm som automatiseringspartner meget højt: »Jeg vil beskrive vores samarbejde med ifm som meget konstruktivt, pålideligt og baseret på tillid,« opsummerer Lukas Ewert. »Vi kan altid henvende os direkte til vores kontakter og samarbejde om at fremme innovations- og automatiseringsprojekter.«
Konklusion
Kravene til fremstilling af højteknologiske materialer er ekstremt høje, især med hensyn til præcision, pålidelighed og tilgængelighed. Med ifm som automatiseringspartner klarer PVA TePla med succes de udfordringer, der er forbundet med avancerede krystalvækstprocesser.
