PVA TePla – 數位化單晶生長
半導體：晶鑄生產技術臻於完善
PVA TePla AG 如何透過自動化優化單晶生長
PVA TePla AG 是一家全球領先的供應商，致力於為嚴苛的工業應用提供設備和測量技術。其高科技系統在半導體產業中尤受青睞。
作為解決方案供應商，我們運作全球業務，並隨時隨地為客戶提供服務。「在半導體產業強勁需求的驅動下，我們目前在亞洲市場和美國市場的業務表現尤為突出。」PVA TePla集團總經理Jan Pfeiffer解釋道。憑藉位於韋滕貝格 (Wettenberg) 的技術中心，PVA TePla 已將自身定位為半導體產業材料研究的關鍵創新驅動者。
碳化矽 – 電動車的關鍵
子公司 PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) 在晶體生長領域擁有超過 60 年的經驗。公司特別專注於碳化矽 (SiC) 晶體的生產。
「碳化矽晶體的獨特之處在於其能承受極高的功率密度，」PVA CGS電氣設計團隊負責人Lukas Ewert解釋道。「與傳統的矽相比，使用 SiC 可以在相同功率輸出的情況下，設計出更小的電池。由此實現的減重對於電動車應用尤其有利。」
極端條件需要最高精準度
為生產 SiC 晶體，PVA TePla 設計了 SiCma 系統，該系統基於物理氣相傳輸法 (PVT) 運作。「在此過程中，矽碳粉末混合物在約2,300°C的石墨坩堝中進行昇華，並沉積於晶種上形成晶稜體，」Ewert解釋道。「要獲得高品質結果，在整個晶體生長過程中，必須精確控制製程腔室中的溫度和壓力。即使是最微小的偏差也可能危及整個過程，並導致嚴重的品質減損。」由於這樣的生長過程可達三週，因此過程監控和控制必須持續滿足最高標準。
影像1：矽錠作為展示物件。
影像2：這些系統所生產的碳化矽晶體，應用於電動車電池等多個領域。
智慧型感應器確保穩定的過程條件
為確保所需的精準度，PVA 採用了 ifm 具備 IO-Link 功能的感測器。例如，我們採用ifm的 SV4200流動感測器 來監測並維持冷卻水流量恆定。「這不僅對維持穩定的製程溫度至關重要，更能保護外殼、管線及組件免於過熱，從而避免潛在損壞，」Ewert解釋道。
此外，PV8000 壓力感測器監控冷卻介質的供應和回流壓力和溫度。「以前，這種監測是人工完成的。「現在我們還能透過IO-Link讀取這些數值，對任何波動做出更迅速有效的反應，」團隊負責人補充道。AL1202 IO-Link 主站收集所有感測器資料，並轉發以進行集中評估。DV 訊號燈也透過 IO-Link 主站進行控制，為使用者提供目前過程狀態的視覺指示。
影像1：碳化矽晶錠：唯有透過精準控制的製程參數，才能達到所需的品質。
影像2：IO-Link 主站（上方）收集並轉發來自壓力感測器（中前方）和流量感測器（左下方）的資料。
影像3：DV信號燈提供有關當前處理狀態的視覺資訊。
IO-Link：更多資訊，更高的系統透明度
長久以來，IO-Link 已被確立為一個獨立於製造商的標準，用於自動化技術中的數位感測器通訊。與傳統的類比和二進位介面相比，IO-Link 不僅能夠傳輸高解析度的過程值，還能傳輸全面的診斷資訊。使用者受益於標準化的資料結構、減少的佈線工作量，以及與控制系統和工業物聯網 (IIoT) 架構的無縫整合。
這項技術支援每個裝置傳輸多個測量值、事件驅動的診斷以及遠端裝置參數設定。這帶來更高的系統透明度、最佳化維護效果，以及在安裝和作業成本上的顯著節省。
數位化：系統可用性的關鍵因素
這些方面在 PVA TePla 也扮演著核心角色。「數位化對我們至關重要，尤其是搭配SiCma系統時，」Lukas Ewert強調道。「這種系統通常大量安裝在生產線，裝載和卸載一般是全自動化的。我們的系統必須能夠與上層系統通訊，以便操作人員隨時集中監控過程狀態。」PVA TePla 採用 ifm 全面的 IO-Link 產品組合，來作為實現目標的基礎。
預測性維護：實現最大生產效率
PVA 亦致力於開發預測性維護方案，以便能及早提示即將到來的維護需求或過程偏差。「這使操作員能夠在維持機器最高可用性的同時，持續達到最高產品品質，」Ewert解釋道。來自 ifm 的感測器可提供各種資料，以便持續監控系統狀態，並偵測潛在問題，防止其導致代價高昂的停機。
採用柴可拉斯基法(Czochralski process)進行矽晶體生長
PVA 對於採用柴可拉斯基法的矽晶體生長，也提出了同樣高的要求。在這些系統中，長達3.50公尺的矽錠是透過將晶種緩慢從約1,400°C的熔融矽中拉出而製成。所產生的晶圓主要應用於 半導體產業 ，並成為各類電子元件的基礎材料。
低振動過程：實現最高產品品質
「在SC32系統中，自動化技術是透過IO-Link與ProfiNet的組合來實現的！」Ewert解釋道。
「凡是我們希望從感測器中提取更詳細資訊的地方，就會使用 IO-Link。例如，我們使用 SM8000 來監控和控制冷卻迴路。這款磁感應式流量感測器不僅能測量流速，還能測量介質的溫度。
此外，PVA 還使用三軸 IO-Link 振動感測器 VVB3 來監控兩個過程驅動器。VVB3 可偵測三個測量軸向上的振動，並計算出指標，進而評估機器狀態。有關疲勞、摩擦、衝擊或軸承磨損的資訊，均可透過 IO-Link 便捷傳輸。
「在拉晶過程中，極低的振動水準對於確保晶錠品質至關重要。傳輸的資料也讓我們能夠非常精確地監控齒輪箱和傳動軸的狀態，並及早安排維護活動。」
影像1：長達3.5公尺的矽錠在此系統中被「拉製」以生產晶圓。
影像2：流量感測器監控柴可拉斯基系統的冷卻迴路。
可靠元件：確保長期運轉
PVA TePla 的系統專為實現多年連續運轉而設計。「正因如此，所有元件——尤其是感測器——必須在長期使用中持續提供精準的性能表現」，Lukas Ewert強調道。
「多年來，ifm 產品在長期運轉下的穩固性和可靠性，為我們帶來的都是正面體驗。同樣，每當出現新的問題或考慮新的自動化方案時，我們也能信賴 ifm 的直接聯絡窗口，並在短時間內獲得專業的支援。」
擴散焊接：滿足最嚴苛的材料要求
ifm 解決方案也應用於 PVA TePla 的另一個業務領域——擴散焊接技術。舉例而言，這種固態接合製程可用於生產半導體產業所需的冷卻板，這類冷卻板必須滿足最高標準的強度與耐腐蝕性要求。PVA 焊接與材料技術有限公司擴散焊接團隊負責人Patrick Müller解釋道：「為達到預期效果，在整個過程中（某些情況下可能持續數週），必須密切監控溫度、壓力、真空度以及施加的作用力等製程條件。我們採用ifm的 流動感測器 監控冷卻迴路，確保系統在製程的任何階段都不會過熱，始終維持在安全運作狀態。
使用者友善：創造附加價值
ifm 解決方案的另一項優勢是其易用性。Müller 特別提到感測器簡潔直觀的設計：「作為操作人員，可以一眼就看出機器的狀態。另一個明顯的好處是，舊款機器也能非常輕鬆地加裝感測器。幾乎就是即插即用。」這種使用者友善的設計不僅可簡化日常作業，還可降低操作人員的培訓需求。
影像1：在機器中，各層材料在高壓下融合為單一結構。
影像2：清晰易讀：擴散焊接系統上的流量感測器。
攜手合作：奠定創新基石
PVA TePla 高度重視與 ifm 作為自動化合作夥伴的長期關係。「我會將我們與ifm的合作形容為高度協作、可靠且建立在信任基礎上，」Lukas Ewert總結道。「我們隨時可以直接聯絡對接人員，共同推動創新與自動化專案的進展。」
結論
高科技材料製造的要求極為嚴苛，尤其是在精準度、可靠性和可用性方面。依靠 ifm 作為自動化合作夥伴，PVA TePla 成功應對了與先進晶體生長製程相關的挑戰。
