PVA TePla – Digitalizovaný růst monokrystalů
Polovodiče: zdokonalená výroba ingotů
Jak společnost PVA TePla optimalizuje růst monokrystalů pomocí automatizace
Společnost PVA TePla AG je předním globálním dodavatelem zařízení a měřicí techniky pro náročné průmyslové aplikace. Její high‑tech systémy jsou obzvlášť žádané v polovodičovém průmyslu.
„Jako poskytovatel řešení působíme po celém světě a jsme přítomni všude tam, kde jsou naši zákazníci. Vzhledem k silné poptávce z oblasti polovodičového průmyslu máme v současné době obzvlášť výrazné zastoupení na asijském trhu a ve Spojených státech“, vysvětluje Jan Pfeiffer, výkonný ředitel skupiny PVA TePla. Díky svému TechHubu ve Wettenbergu se společnost PVA TePla etablovala jako klíčový hybatel inovací ve výzkumu materiálů pro polovodičový průmysl.
Karbid křemíku – klíč k elektromobilitě
Dceřiná společnost PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) může čerpat z více než 60 let zkušeností v oblasti růstu krystalů. Prioritou je výroba krystalů karbidu křemíku (SiC).
„Krystaly karbidu křemíku se vyznačují schopností zvládat extrémní hustoty výkonu“, vysvětluje Lukas Ewert, vedoucí týmu elektrotechnického designu ve společnosti PVA CGS. „Ve srovnání s konvenčním křemíkem umožňuje použití SiC například konstrukci menších baterií se stejným výkonem. Výsledné snížení hmotnosti je obzvláště výhodné pro aplikace v oblasti elektromobility.“
Extrémní podmínky vyžadují maximální přesnost
Pro výrobu krystalů SiC navrhla společnost PVA TePla systém SiCma, který pracuje na principu fyzikálního transportu par (Physical Vapor Transport, PVT). „Při tomto procesu dochází k sublimaci směsi práškového křemíku a uhlíku v grafitovém kelímku při teplotě okolo 2 300 °C; následně se materiál ukládá na zárodečný krystal a vytváří ingot“, vysvětluje Lukas Ewert. „Aby bylo možné dosáhnout vysoce kvalitního výsledku, je nutné po celou dobu procesu pěstování krystalu přesně řídit hodnoty teploty a tlaku v procesní komoře. I ty nejmenší odchylky mohou ohrozit celý proces a vést k výrazným ztrátám na kvalitě.“ Protože takový proces pěstování může trvat až tři týdny, musí monitorování a řízení procesu po celou dobu splňovat ty nejvyšší standardy.
Obrázek 1: Křemíkový ingot jako demonstrační objekt.
Obrázek 2: Krystaly karbidu křemíku vyrobené v těchto systémech se používají mimo jiné v bateriích pro účely elektromobility.
Inteligentní senzory zajišťují stabilní procesní podmínky
Aby bylo možné zajistit požadovanou úroveň přesnosti, spoléhá společnost PVA na senzory s podporou IO-Link od společnosti ifm. „Pro monitorování průtoku chladicí vody a udržování jeho konstantní hodnoty používáme například senzor proudění SV4200 od společnosti ifm. „To je důležité nejen pro zajištění stabilní procesní teploty, ale také pro ochranu pouzder, potrubí a dalších komponent před přehřátím, a tím i před potenciálním poškozením“, vysvětluje Lukas Ewert.
Kromě toho tlakový senzor PV8000 monitoruje přívodní i zpětný tlak a také teplotu chladicího média. „Dříve se toto monitorování provádělo ručně. Nyní můžeme tyto hodnoty získávat také prostřednictvím IO-Link a na případné výkyvy reagovat mnohem rychleji a účinněji“, dodává vedoucí týmu. IO-Link mastery AL1202 shromažďují veškerá data ze senzorů a předávají je k centrálnímu vyhodnocení. Signální svítilna řady DV, která uživatelům poskytuje vizuální indikaci aktuálního stavu procesu, je rovněž řízena prostřednictvím IO-Link masteru.
Obrázek 3: Kotouček z karbidu křemíku: Požadované kvality lze dosáhnout pouze s přesně řízenými procesními parametry.
Obrázek 4: IO-Link master (nahoře) shromažďuje a předává data z tlakového senzoru (vpředu uprostřed) a z průtokoměru (vlevo dole).
Obrázek 5: Signální svítilna DV poskytuje vizuální informace o aktuálním stavu procesu.
IO-Link: více informací, větší přehled o systému
IO‑Link je dnes pevně etablovaný a na výrobci nezávislý standard pro digitální komunikaci senzorů v oblasti automatizační technologie. Ve srovnání s běžnými binárními a analogovými rozhraními umožňuje IO‑Link přenos procesních hodnot ve vysokém rozlišení i komplexních diagnostických informací. Uživatelé těží ze standardizovaných datových struktur, omezené potřeby kabeláže a bezproblémové integrace do řídicích systémů a architektur IIoT.
Technologie podporuje přenos více měřených hodnot z jednoho zařízení, diagnostiku na základě událostí a vzdálené nastavování parametrů zařízení. To vede k vyšší transparentnosti systému, optimalizované údržbě a měřitelným úsporám při nastavování zařízení i v oblasti provozních nákladů.
Digitalizace jako klíčový faktor pro dostupnost systému
Tyto aspekty hrají ústřední roli i u společnosti PVA TePla. „Digitalizace je pro nás nesmírně důležitá, a to zejména u systému SiCma“, zdůrazňuje Lukas Ewert. „Tyto systémy jsou často instalovány ve velkém množství ve výrobních halách. Nakládání a vykládání bývá zpravidla plně automatizované. Naše systémy musí být schopny komunikovat s nadřazenými systémy, aby mohla obsluha kdykoli centrálně monitorovat stav procesu.“ Společnost PVA TePla k tomu využívá komplexní portfolio IO-Link od firmy ifm.
Prediktivní údržba pro maximální efektivitu výroby
Společnost PVA také intenzivně pracuje na konceptech prediktivní údržby, aby bylo možné včas identifikovat blížící se potřebu údržby nebo odhalit odchylky v procesu. „To umožňuje obsluze udržovat maximální dostupnost strojů a zároveň trvale dosahovat té nejvyšší možné kvality produktů“, vysvětluje Lukas Ewert. Senzory od společnosti ifm dodávají data potřebná pro nepřetržité monitorování stavu systému a včasné odhalení potenciálních problémů dříve, než budou mít za následek nákladné odstávky.
Růst křemíkových krystalů metodou Czochralského
Společnost PVA klade obdobně vysoké nároky také na růst křemíkových krystalů metodou Czochralského. V těchto systémech se křemíkové ingoty o délce až 3,50 metru pěstují pomalým vytahováním zárodečného krystalu z roztaveného křemíku při teplotě kolem 1 400 °C. Výsledné wafery se používají především v polovodičovém průmyslu a tvoří základ pro širokou škálu elektronických součástek.
Procesy s nízkými vibracemi pro tu nejvyšší kvalitu produktů
„V systému SC32 je automatizační technologie implementována jako kombinace komunikace IO-Link a sběrnice ProfiNet“, vysvětluje Lukas Ewert.
„IO-Link používáme všude tam, kde chceme ze senzorů získat podrobnější informace. Používáme například senzor SM8000 pro monitorování a řízení chladicího okruhu.“ Tento magneticko-induktivní senzor proudění měří nejen průtok, ale také teplotu média.
K monitorování obou procesních pohonů používá společnost PVA také tříosý vibrační senzor VVB3 s podporou IO‑Link. Senzor VVB3 detekuje vibrace ve třech měřicích osách a využívá je k výpočtu indikátorů pro vyhodnocení technického stavu stroje. Informace o únavě materiálu, tření, nárazech nebo opotřebení ložisek se pohodlným způsobem přenášejí prostřednictvím komunikace IO-Link.
„Mimořádně nízké úrovně vibrací během procesu vytahování jsou zásadní pro zajištění kvality ingotu. Přenášená data nám také umožňují velmi přesně monitorovat stav převodovek a hnací hřídele a plánovat údržbu s dostatečným předstihem.“
Obrázek 6: V tomto systému se pro výrobu waferů „vytahují“ křemíkové ingoty o délce až 3,5 metru.
Obrázek 7: Senzory proudění monitorují chladicí okruh systému Czochralského.
Spolehlivé komponenty pro dlouhodobý provoz
Systémy společnosti PVA TePla jsou navrženy pro nepřetržitý provoz po dobu mnoha let. „Z tohoto důvodu musí všechny komponenty, a o senzorech to platí obzvlášť, dlouhodobě poskytovat konzistentně přesný výkon“, zdůrazňuje Lukas Ewert.
„Pokud jde o robustnost a spolehlivost při dlouhodobém provozu, máme už řadu let se společností ifm jen samé pozitivní zkušenosti. Když se objeví nové otázky nebo zvažujeme nové přístupy k automatizaci, můžeme se rovněž spolehnout na naši kontaktní osobu ve společnosti ifm a obratem tak získat odbornou podporu.“
Difuzní spojování pro ty nejnáročnější materiálové požadavky
Řešení společnosti ifm se uplatňují také v technologii difuzního spojování, což je další oblast činnosti společnosti PVA TePla. Tento proces spojování v pevné fázi se používá například k výrobě chladicích desek pro polovodičový průmysl, které musí splňovat ty nejvyšší požadavky pokud jde o pevnost a odolnost proti korozi. Patrick Müller, vedoucí týmu pro difuzní spojování ve společnosti PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH, vysvětluje: „Aby bylo možné dosáhnout požadovaných výsledků, je nutné po celou dobu procesu – který v některých případech může trvat i několik týdnů – pečlivě monitorovat procesní podmínky, jako je teplota, tlak, vakuum a působící síla. Senzory proudění od společnosti ifm, které používáme k monitorování chladicího okruhu, zajišťují, že v žádném okamžiku procesu nedojde k přehřátí systému a že systém zůstane v bezpečném provozním stavu.“
Uživatelská přívětivost jako přidaná hodnota
Další výhodou řešení od společnosti ifm je jejich snadné použití. Patrick Müller vyzdvihuje přehledný a intuitivní design senzorů: „Obsluha může na první pohled vidět, v jakém stavu se stroj zrovna nachází. Další jednoznačnou výhodou je, jak snadno lze senzory dodatečně instalovat i do starších strojů. Je to v podstatě plug and play řešení.“ Tento uživatelsky přívětivý design nejen zjednodušuje každodenní obsluhu, ale také snižuje nároky na zaškolení personálu, který bude se senzory pracovat.
Obrázek 8: V tomto stroji jsou jednotlivé vrstvy pod působením vysokého tlaku spojovány do jediné struktury.
Obrázek 9: Snadno čitelné údaje: senzory proudění instalované na systému difuzního spojování.
Partnerská spolupráce jako základ inovací
Ve společnosti PVA TePla si odborníci velmi cení dlouhodobé spolupráce s firmou ifm jako partnerem v oblasti automatizace: „Naši spolupráci se společností ifm bych popsal jako velmi kooperativní, spolehlivou a založenou na důvěře“, shrnuje Lukas Ewert. „Na naše kontaktní osoby se můžeme kdykoli přímo obrátit a společně přinášet inovace a posouvat automatizační projekty kupředu.“
Závěr
Požadavky při výrobě high‑tech materiálů jsou mimořádně náročné, zejména pokud jde o preciznost, spolehlivost a dostupnost. Díky firmě ifm jakožto partnerovi na poli automatizace se společnost PVA TePla úspěšně vypořádává s výzvami spojenými s pokročilými procesy růstu krystalů.
