JST bringt Silizium in Reinform

JST bringt Silizium in Reinform
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November 2015

 

Eine 42 Meter lange Nassbank-Reinigungsstation von JST Manufacturing bereitet Silizium zur Halbleiterfertigung vor – und macht es dabei so rein wie möglich.

Silizium ist ein unverzichtbarer Bestandteil bei der Fertigung von Halbleitern, die in Smartphones und anderen Elektronikgeräten eingesetzt werden. Für die Verarbeitung muss der Rohstoff jedoch extrem rein sein. Dafür sorgen Nassbank-Reinigungsstationen von JST Manufacturing, die Siliziumstücke so behandeln, dass sie eine Reinheit von 99,99 Prozent erreichen. Die Maschinen sind üblicherweise nicht länger als neun Meter. „Kürzlich bauten wir für einen Kunden aus Übersee jedoch eine 42 Meter lange Linie mit mehreren Portalrobotern“, erklärt Tony Bertagnolli, Chief Operations Officer bei JST in Boise, Idaho, USA. Um die Bewegungsanforderungen der Roboter über diese Strecke handhaben zu können, benötigte das Unternehmen eine Kombination von präzisen wie robusten linearen Bewegungs- und Steuerungstechnologien.

Vier Tonnen Silizium in 22 Stunden

Nassbank-Reinigungsstationen stehen am Anfang des Siliziumverarbeitungsprozesses in der Halbleiterfertigung. Dort werden lange Polysiliziumstäbe, sogenannte Ingots, in höchstens faustgroße Stücke zerbrochen und in spezielle Körbe gelegt. So durchlaufen sie verschiedene Stationen. Zunächst werden sie in einem Becken chemisch geätzt, um Siliziumoxide und weitere Verunreinigungen zu entfernen, dann werden die Stücke eingeweicht, abgespült und getrocknet. Im Anschluss können sie in einem Ofen geschmolzen und als pure Siliziumzylinder für die Produktion von Computerchips genutzt werden. JST legte die extralange Nassbank-Reinigungsstation so an, dass sie in einer 22-Stunden-Schicht vier Tonnen Siliziumstücke verarbeiten kann. Dafür muss die Maschine alle 6,6 Minuten einen Korb mit 20 Kilogramm reinigen.

„Um diese Vorgabe zu erfüllen, benötigten wir ein besonderes Design der Nassbank-Reinigungsstation“, sagt Bertagnolli. „Wir entwickelten und bauten eine Station, die aus zwei Einheiten besteht – A1 und A2.“ In der gut sieben Meter langen A2-Einheit beladen Mitarbeiter die Körbe, bevor sie ein Zweiachs-Linearroboter durch fünf Säure-Ätzbäder und zwei Spülbäder verfährt. Während die Körbe diese X-Achse abfahren, taucht der Zweiachs-Linearroboter sie nacheinander in jedes Bad. Im Anschluss fahren sie durch eine Luftschleuse in den über 26 Meter langen A1-Bereich. Dort tauchen dreiachsige Lineareinheiten die Körbe in weitere Einweich- und Trockenbäder. Am Ende werden sie automatisch auf vom Kunden zur Verfügung gestellte Fließbänder entladen.

Kartesische Roboter von Rexroth tauchen einen Korb mit Siliziumstücken in ein Nassbearbeitungs-Bad.

Kartesische Roboter von Rexroth tauchen einen Korb mit Siliziumstücken in ein Nassbearbeitungs-Bad.

 
Die Aluminiumprofilrahmen und die Profilschienenführungen mussten exakt aneinanderpassen, um die gleichförmige Bewegung der Lineareinheiten zu ermöglichen.

Die Aluminiumprofilrahmen und die Profilschienenführungen mussten exakt aneinanderpassen, um die gleichförmige Bewegung der Lineareinheiten zu ermöglichen.

Saubere Komponenten

„Es ist ungewöhnlich, dass wir in der A1-Einheit ein Overhead-Linearportal nutzen“, erklärt Bertagnolli. „Diese werden nur selten in der Halbleiterfertigung verwendet, um zu verhindern, dass oberhalb des Produkts Partikel entstehen. Nach intensiven Partikeltests unter Reinraumbedingungen fanden wir jedoch heraus, dass die im Handlingsystem verwendeten Profilschienenführungen und Linearsysteme von Rexroth deutlich weniger Partikel entwickelten, als die Vorgaben zuließen. Es ist ein echtes Verdienst, dass die kartesischen Bewegungskomponenten von Rexroth diese hohen Anforderungen an Sauberkeit erfüllen.“ Eine weitere Herausforderung lag in der über 26 Meter langen Strecke der A1-Einheit, entlang der die Linearroboter verfahren werden. Um die erforderliche Genauigkeit über die gesamte Länge sicherzustellen, wurden sechs drei Meter lange und drei 2,7 Meter lange Profilschienenführungen von Rexroth zusammengesetzt und auf einen hochfesten Aluminiumprofilrahmen montiert. Aufgrund der Länge mussten die Elemente exakt aneinanderpassen, um eine gleichförmige Bewegung der Lineareinheiten zu ermöglichen.

Zuverlässige Antriebe

Auch um die Körbe auf der Y-Achse von links nach rechts zu bewegen, setzt JST auf Technik von Rexroth. Jeder Portalroboter nutzt dafür ein CKR Compactmodul mit Zahnriemenantrieb, das von einem Servomotor IndraDyn MSK angetrieben wird. CKK Compactmodule mit Kugelgewindetrieben lassen den Portalroboter die Körbe mit den Siliziumstücken in die Bäder absenken. Die Kugelgewindetriebe müssen dabei sowohl dem geforderten Drehmoment als auch den auftretenden Axialkräften zuverlässig standhalten. „Die CKK Compactmodule von Rexroth erwiesen sich als zuverlässiger und robuster als die Kugelgewindetriebe anderer Hersteller. Sie heben die Körbe ruhig und schnell aus den Bädern heraus“, sagt Bertagnolli. Der Aufbau der A2-Einheit ähnelt dem der A1-Einheit. Lediglich die Bewegung über die Y-Achse fällt weg, da die Bäder in einer Reihe angeordnet sind. „Das kartesische Handlingsystem von Rexroth in dieser Anwendung zeigt, dass wir große Anstrengungen unternehmen, um die Vorgaben unseres Kunden exakt zu efüllen“, sagt Bertagnolli.

 
Nassbank-Reinigungsstationen von JST Manufacturing behandeln Siliziumstücke so, dass sie eine Reinheit von 99,99 Prozent erreichen.

Nassbank-Reinigungsstationen von JST Manufacturing behandeln Siliziumstücke so, dass sie eine Reinheit von 99,99 Prozent erreichen.