Getestet und für gut befunden

Vakuumpumpen verbessern Prozesse bei der Halbleiterproduktion

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16.04.2013 Kristallklar und luftleer: Die Produktion von Halbleitern ist ein komplexer Prozess, der ständig weiterentwickelt und verbessert wird. Die Firma Siltronic aus München, einer der Weltmarktführer in der Waferherstellung, entwickelt und produziert diese aus Reinstsilizium für den Weltmarkt. Um effizienter – im Hinblick auf Prozessgestaltung und Energieeinsatz – und mit geringerem Wartungsaufwand zu produzieren, stattet das Unternehmen verschiedene seiner Anlagen mit den trockenlaufenden Vakuumpumpen aus.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Die Produktion von Halbleitern ist ein Prozess, der viel Energie erfordert. Effizienzsteigernde Maßnahmen können daher zu erheblichen Kosteneinsparungen führen.
  • Dadurch, dass sich Staub durch die Pumpe befördern lässt, lässt sich der technische Aufbau des Abgassystems vereinfachen.
  • Trockenlaufende Vakuumpumpen helfen dabei, die Prozessbedingungen gleichbleibend zu halten, denn die Filter lassen sich hinter der Pumpe installieren.

Siliciumwafer bilden das Grundmaterial für die Halbleiterindustrie: Die Scheiben aus Reinstsilizium mit Durchmessern bis 300 mm werden poliert und epitaxiert. Die Produktion richtet sich stark nach den Anforderungen der Kunden. Um das hochreine Silicium in eine monokristalline Form zu bringen, kommt bei dem Hersteller ein Umschmelzprozess zum Einsatz. Dieses Umschmelzen erfolgt nach dem Czochralski-Verfahren. Dabei wird das Silizium in der polykristallinen Struktur zunächst in Bruchstücken in einen Quarztiegel eingelegt. Anschließend wird der Quarztiegel unter Vakuum und Schutzgasatmosphäre (Argon) aufgeschmolzen. Um daraus monokristallines Silizium zu gewinnen, taucht ein Impflingskristall in die Schmelze ein und wird langsam nach oben gezogen. Durch gleichmäßiges Drehen wird der Kristall rund. Auf diese Weise entsteht schließlich am Ende des Prozesses das Grundmaterial für den Halbleiter.

Härtetest für Geräte und Komponenten

Der weltweite Entwicklungsstandort für die Fabriken des Halbleiterspezialisten befindet sich in Burghausen. Hier werden die Verfahren für alle Produktionsstandorte entwickelt, getestet und zur Produktionsreife geführt. Sie kommen in Portland in den USA, in Singapur sowie in Freiberg in Sachsen zum Einsatz – jeweils angepasst an die besonderen Anforderungen vor Ort. Vor der Wahl der Vakuumanlagen wurden im Werk in Burghausen mehrere Vakuumpumpensysteme einem Test unterzogen. Mit den ausgewählten Systemen sollte die Lieferantenbasis vergrößert werden.

Zunächst sind Geräte in einen 18-monatigen Testbetrieb gegangen. Die damals vom Pumpenspezialisten Edwards gelieferte Pumpe war vom Durchsatz her kleiner als die später für den neuen Prozess ausgewählte. Sie hat sich für das Testfeld jedoch sehr gut geeignet. Die Mitarbeiter des Testcenters prüften sie auf ihre Tauglichkeit im Hinblick auf Betrieb und Funktionalität, Standzeit sowie Verschleiß. „Wir hatten neues Equipment mit einem neuartigen Prozess, in dem wir die Pumpe nicht nur als Vakuumpumpe verwenden, sondern auch Staub durch die Pumpe befördern wollten. Die Performance war wirklich hervorragend, weswegen wir die Anlage letztlich auch für den Prozess qualifiziert haben“, berichtet Johannes-Andreas Huber, Leiter Engineering Crystal Center bei Siltronic.

Aus den Ergebnissen der Evaluierung des kleineren Pumpensystems und den zwischenzeitlich hinzugekommenen Anforderungen an eine neue Anlage ergaben sich neue Prozessparameter in einem prinzipiell ähnlichen System. Aufgrund dieser höheren Anforderungen bei Durchsatz und Druck entschied sich der Waferproduzent für das nächst größere Modell: die GXS-Vakuumpumpe. Johann Huber erklärt: „Der eine Grund für die Edwards-Pumpe war die Funktionalität als solche, also der erreichbare Druck und Durchsatz. Der zweite war die Möglichkeit, Staub durch die Pumpe zu fahren, was den technischen Aufbau des Abgassystems vereinfacht.“ Denn bei dieser Technologie lassen sich Filter hinter der Pumpe installieren. Ein solches Vorgehen ist leichter zu realisieren als umgekehrt, da der Anwender hier auf marktgängige Anlagen zurückgreifen und unabhängig vom Prozess oder dem Betriebsstatus der Anlage reinigen kann. Mit einem Zentralsystem, das physisch nicht an der Anlage steht, muss er diese nicht mehr stoppen, wenn eine Reinigung ansteht. Jedes Anhalten des Produktionsprozesses, sei es wegen notwendig werdender Reinigungen oder anderer Störungen, kostet Geld beziehungsweise verringert die Produktivität. Daher ist es wichtig, dass der Betrieb ununterbrochen möglich ist.

Die Implementierung der neuen Pumpen beim Anwender ist einhergegangen mit einem Prozesswechsel und dem Upgrade einer Anlage, inklusive der Aufrüstung der Abgasanlage. „In Kombination mit der größeren Pumpe hat das sehr gut funktioniert. Gestartet sind wir mit einem Prototyp, der sich soweit bewährte, dass ein Roll-out angegangen werden konnte. Auch hier haben wir einen Probelauf mit der größeren Pumpe durchgeführt – mit einem problemlos störungsfreien, auffällig unauffälligen Ergebnis. Damit sind wir dann auch in Serie gegangen“, berichtet Engineering-Leiter Huber.

Mehr Energieeffizienz und höhere Umweltverträglichkeit

Die Pumpe ist an einer 200-mm-Kristallziehanlage installiert, die Versuchspumpe war an einer 300-mm-Anlage im Einsatz. Die Schmelztemperatur von Silizium liegt bei 1.420 °C. „Wichtig ist, dass der Argon-Strom und auch der Druck in der Anlage konstant sind. Das sind die Grundvoraussetzungen für einen reibungslosen Kristallisierungsprozess“, erklärt Johannes-Andreas Huber. Im Gegensatz zum bisherigen erlaubt das neue Verfahren, die Pumpe ohne zwischengeschalteten Filter hinter der Anlage zu positionieren. Das reduziert den Investitionsaufwand. Ein weiterer Vorteil ist die mögliche Verwendung von Standardkomponenten und die Reinigung an sich: Der Ablauf lässt sich vereinfachen und automatisieren.

„Alles in allem besteht der größte Vorteil aber in gleichbleibenden Prozessbedingungen, die durch die Optimierung der Filterpositionen entstehen. Gleichbleibende Druckverhältnisse ermöglichen einen gleichmäßigeren Durchfluss und damit eine stabile Produktion mit tendenziell geringerem Materialverlust. Kein von uns getesteter Wettbewerber hat sich mit einer besseren Performance absetzen können“, bewertet Huber die Test­ergebnisse.

Ausgangspunkt für die Tests im Halbleiter-Werk war die Absicht, eine breitere Basis an Lieferanten zu schaffen, um so bessere Vergleichsmöglichkeiten zu haben. Daraus resultierte letztlich die Entscheidung für den beschriebenen Anwendungsfall für den Pumpenspezialisten aus England, gefolgt von der Einführung der trockenlaufenden Vakuumpumpe. „Was uns entgegenkommt, ist zudem der sehr leise Lauf der Pumpe. Mittlerweile sind sechs Systeme im Einsatz“, fügt Huber hinzu. Langfristig betrachtet, verspricht sich der Anwender von den neuen Pumpen Optimierungen im Produktionsprozess durch den Wegfall des Filtereinflusses und Vorteile beim Energieverbrauch, da sich die Geräte aufgrund der Frequenzregelung außerhalb von Prozessphasen im Stand-by-Modus betreiben lassen. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, den Druck über die Pumpe zu regeln. Da sich die Einführung des neuen Systems im Rahmen einer Prozessänderung vollzog, sind Vorher-nachher-Vergleiche sowie eine Quantifizierung der Ersparnisse erst über einen längeren Einsatzzeitraum möglich, um eine nachprüfbare Aussage treffen zu können. Der Betreiber erwartet aber Kosteneinsparungen durch die Frequenzregelung der Pumpe und die Standby-Funktion sowie langfristig beim Wartungsaufwand.

Powtech 2013 Halle 4A – 526

Eine Übersicht über die GXS-Vakuumpumpen des Herstellers finden Sie hier.

Der Hersteller bietet in 2013 Seminare zum Thema Vakuum- und Halbleitertechnologie an. Für einen Überblick klicken Sie hier.

Heftausgabe: April 2013
Arno Laxy, Senior Consultant., Sympra

Über den Autor

Arno Laxy, Senior Consultant., Sympra
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