PVA TePla — Цифровізоване вирощування монокристалів
Напівпровідники: удосконалене виробництво злитків
Як компанія PVA TePla оптимізує вирощування монокристалів за допомогою автоматизації
Компанія PVA TePla AG — провідний світовий постачальник обладнання та вимірювальної техніки для складних промислових завдань. Її високотехнологічні системи мають особливий попит у напівпровідниковій промисловості.
«Як постачальник рішень, ми працюємо по всьому світу й присутні всюди, де знаходяться наші клієнти. Завдяки високому попиту з боку напівпровідникової промисловості ми особливо добре представлені на азійському ринку й у США», — пояснює Ян Пфайффер, директор Групи PVA TePla. Завдяки своєму технологічному центру у Веттенберзі компанія PVA TePla позиціонує себе як ключовий учасник інновацій у сфері дослідження матеріалів для напівпровідникової промисловості.
Карбід кремнію — ключ до електромобільності
Дочірня компанія PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) може похвалитися більш ніж 60-річним досвідом у вирощуванні кристалів. Особлива увага приділяється виробництву кристалів карбіду кремнію (SiC).
«Відмінною особливістю кристалів карбіду кремнію є їхня здатність витримувати надзвичайно високу щільність потужності», — пояснює Лукас Еверт, керівник групи електротехнічного проєктування в компанії PVA CGS. «Порівняно зі звичайним кремнієм, використання SiC дає змогу, наприклад, створювати більш компактні акумулятори з тією ж вихідною потужністю. Отримане в результаті зниження ваги особливо корисне для використання в електромобільності.»
Екстремальні умови потребують максимальної точності
Для виробництва кристалів SiC компанія PVA TePla розробила систему SiCma, що працює за методом фізичного перенесення пари (PVT). «У цьому процесі суміш порошків кремнію і вуглецю піддається сублімації в графітовому тиглі за температури близько 2300 °C та осаджується на затравці, утворюючи булю», — пояснює Еверт. «Для досягнення високоякісного результату необхідно точно контролювати температуру й тиск у технологічній камері протягом усього процесу вирощування кристалів. Навіть найменші відхилення можуть поставити під загрозу весь процес і призвести до значних втрат якості.» Оскільки такий процес вирощування може тривати до трьох тижнів, моніторинг і контроль процесу повинні постійно відповідати найвищим стандартам.
Зображення 1: Кремнієвий злиток як демонстраційний об'єкт.
Зображення 2: Кристали карбіду кремнію, отримані в цих системах, використовуються, серед іншого, в акумуляторах для електромобільності.
Інтелектуальні датчики забезпечують стабільні умови процесу
Для забезпечення необхідного рівня точності компанія PVA використовує датчики ifm із підтримкою IO-Link. «Наприклад, ми використовуємо датчик витрати SV4200 від ifm для контролю та підтримки постійного потоку охолоджувальної води. Це важливо не лише для підтримки стабільної технологічної температури, а й для захисту корпусів, труб і компонентів від перегріву і, отже, від потенційних ушкоджень», — пояснює Еверт.
Крім того, датчик тиску PV8000 контролює тиск подачі й повернення, а також температуру охолоджувального середовища. «Раніше цей моніторинг проводився вручну. Тепер ми також можемо отримувати ці значення через IO-Link і реагувати на будь-які коливання швидше й ефективніше», — додає керівник групи. Головні вузли IO-Link AL1202 збирають усі дані з датчиків і передають їх для централізованого опрацювання. Сигнальна лампа DV, яка забезпечує користувачам візуальну індикацію поточного стану процесу, також керується через головний вузол IO-Link.
Зображення 1: Шайба з карбіду кремнію: Необхідна якість може бути досягнута лише за точного контролю параметрів процесу.
Зображення 2: Головний вузол IO-Link (вгорі) збирає та передає дані з датчика тиску (в центрі, спереду) та датчика витрати (внизу зліва).
Зображення 3: Сигнальна лампа DV забезпечує візуальне відображення поточного стану процесу.
IO-Link: більше інформації, більша прозорість системи
Технологія IO-Link давно зарекомендувала себе як незалежний від виробників стандарт для цифрового зв'язку між датчиками в системах автоматизації. Порівняно з традиційними бінарними й аналоговими інтерфейсами, IO-Link дає змогу передавати високоточні значення параметрів процесу, а також вичерпну діагностичну інформацію. Користувачі отримують переваги від стандартизованих структур даних, скорочення трудовитрат на прокладання проводки й легкої інтеграції в системи керування та архітектури IIoT.
Ця технологія підтримує передачу кількох виміряних значень на один пристрій, діагностику на основі подій і віддалене налаштування параметрів пристрою. Це призводить до підвищення прозорості системи, оптимізації технічного обслуговування та відчутної економії на витратах на налаштування та експлуатацію.
Цифровізація як ключовий фактор доступності системи
Ці аспекти також відіграють центральну роль у компанії PVA TePla. «Цифровізація надзвичайно важлива для нас, особливо у випадку із системою SiCma», — наголошує Лукас Еверт. «Ці системи часто встановлюються у великих кількостях у виробничих цехах. Завантаження та розвантаження здебільшого повністю автоматизовані. Наші системи повинні мати можливість взаємодіяти із системами вищого рівня, щоб оператори могли централізовано відстежувати стан процесу в будь-який час.» Компанія PVA TePla використовує для цього як основу великий портфель рішень IO-Link від ifm.
Предиктивне технічне обслуговування для максимальної ефективності виробництва
Компанія PVA також активно працює над концепціями предиктивного технічного обслуговування, щоб завчасно виявляти потреби в технічному обслуговуванні або відхилення від технологічного процесу. «Це дає змогу операторам підтримувати максимальну доступність обладнання, водночас незмінно досягаючи максимально високої якості продукції», — пояснює Еверт. Датчики від компанії ifm надають дані, необхідні для безперервного моніторингу стану системи й виявлення потенційних проблем до того, як вони призведуть до дорогих простоїв.
Вирощування кристалів кремнію з використанням методу Чохральського
Компанія PVA ставить аналогічно високі вимоги до вирощування кристалів кремнію з використанням методу Чохральського. У цих системах кремнієві зливки довжиною до 3,50 метрів вирощуються шляхом повільного витягування затравки з розплавленого кремнію за температури близько 1400 °C. Отримані пластини використовуються здебільшого в напівпровідниковій галузі й становлять основу для широкого спектра електронних компонентів.
Технологічні процеси з низьким рівнем вібрації задля забезпечення найвищої якості продукції
«У системі SC32 технологія автоматизації реалізована у вигляді комбінації IO-Link та ProfiNet», — пояснює Еверт.
«Ми використовуємо IO-Link скрізь, де нам потрібно отримати більш детальну інформацію від датчиків. Наприклад, ми використовуємо SM8000 для моніторингу й керування контуром охолодження.» Цей магнітно-індуктивний датчик витрати вимірює як швидкість потоку, так і температуру середовища.
Крім того, компанія PVA використовує тривісний датчик вібрації IO-Link VVB3 для моніторингу двох технологічних приводів. VVB3 виявляє вібрації за трьома осями вимірювання та обчислює показники для оцінки стану обладнання. Інформація про втому, тертя, удари або зношування підшипників зручно передається через IO-Link.
«Надзвичайно низький рівень вібрації в процесі витягування має вирішальне значення для забезпечення якості злитків. Дані, що передаються, також дають нам змогу дуже точно відстежувати стан редукторів і приводного валу й заплановувати роботи з технічного обслуговування на ранній стадії.»
Зображення 1: У цій системі для кремнієвих пластин «витягуються» зливки кремнію довжиною до 3,5 метрів.
Зображення 2: Датчики витрати контролюють контур охолодження системи Чохральського.
Надійні компоненти для тривалої експлуатації
Системи PVA TePla розроблені для безперервної роботи протягом багатьох років. «Тому всі компоненти, і особливо датчики, повинні забезпечувати стабільно високу точність роботи протягом тривалого часу»,— підкреслює Лукас Еверт.
«Протягом багатьох років ми мали лише позитивний досвід роботи з обладнанням ifm у плані надійності й довговічності за тривалої експлуатації. Аналогічно, коли виникають нові питання або розглядаються нові підходи до автоматизації, ми можемо покластися на наш прямий контакт в ifm й отримати експертну підтримку в стислі терміни.»
Дифузійне зварювання для найвибагливіших матеріалів
Рішення ifm також використовуються в технології дифузного зварювання, ще одному напрямку діяльності компанії PVA TePla. Цей процес твердотільного зварювання використовується, наприклад, для виробництва охолоджувальних пластин для напівпровідникової промисловості, які повинні відповідати найвищим вимогам до міцності й корозійної стійкості. Патрік Мюллер, керівник групи дифузійного зварювання компанії PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH, пояснює: «Для досягнення бажаних результатів необхідно ретельно контролювати такі параметри процесу, як температура, тиск, вакуум і прикладена сила протягом усього процесу, який у деяких випадках може тривати кілька тижнів. Використовувані нами датчики витрати від компанії ifm для контролю контуру охолодження гарантують, що система не перегріється на жодному етапі процесу, а залишиться в безпечному робочому стані.»
Зручність використання як додана цінність
Ще однією перевагою рішень ifm є простота їхнього використання. Мюллер підкреслює чітку й інтуїтивно зрозумілу конструкцію датчиків: “Оператор може з першого погляду визначити стан машини. Ще одна очевидна перевага — простота модернізації старих машин за допомогою цих датчиків. Це фактично готове до роботи рішення.» Така зручна конструкція не лише спрощує повсякденну експлуатацію, а й знижує вимоги до навчання обслуговчого персоналу.
Зображення 1: У цій машині під високим тиском окремі шари поєднуються в єдину структуру.
Зображення 2: Легко читається: датчики витрати в системі дифузійного зварювання.
Партнерство як основа для інновацій
Компанія PVA TePla високо цінує багаторічну співпрацю з компанією ifm як партнером з автоматизації: «Я б охарактеризував наше співробітництво з ifm як дуже конструктивне, надійне й засноване на довірі», — підсумовує Лукас Еверт. «Ми завжди можемо безпосередньо звернутися до наших контактних осіб і разом працювати над просуванням інноваційних й автоматизованих проєктів.»
Висновок
Вимоги до виробництва високотехнологічних матеріалів надзвичайно високі, особливо щодо точності, надійності й доступності. Завдяки співпраці з компанією ifm у галузі автоматизації компанія PVA TePla успішно вирішує завдання, пов'язані з передовими процесами вирощування кристалів.
