Solarwafer-Produktion im Horizontalofen

Moderne Mikroelektronik und Photovoltaik „leben“ von beschichteten Siliziumchips. Für deren wirtschaftliche Herstellung werden aus Großeinheiten, den sogenannten Siliziumwafern, einzelne Transistoren, CPU-Chips und Solarzellen ausgeschnitten. Die hochreinen Siliziumwafer müssen dazu gezielt und sehr gut reproduzierbar mit unterschiedlichsten Substanzen dotiert oder beschichtet werden. Dazu sind spezielle Horizontalöfen im Einsatz, in denen die Bedingungen für die jeweilige Reaktion exakt eingehalten werden. Für die Ofenlogistik selbst, also das Be- und Entladen der Ofenröhren sowie das Öffnen oder Schließen der Ofentüren sind moderne Kleinstantriebe mit sehr guten Leistungswerten und großer Zuverlässigkeit sehr gut geeignet.

Praktisch alle modernen Elektronikgeräte setzen auf Siliziumchips, in denen eine Vielzahl von Bauteilen wie Transistoren integriert sind. Um den einzelnen Chip preiswert anbieten zu können, müssen hohe Stückzahlen davon schnell hergestellt werden. Dazu werden die Chips auf sogenannten Wafern, Siliziumscheiben mit Durchmessern zwischen 100 und 300 mm, in großer Menge hergestellt und anschließend separiert. Für die gezielte Oberflächenbehandlung der Wafer ist eine atmosphärische Einwirkung von Phosphor- und Borverbindungen ebenso möglich wie die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) bei Unterdruck. Um den Chipherstellern eine hohe Flexibilität zu bieten, entwickelte die Tempress Systems B.V. aus Vaassen, NL, ihre hochflexible Horizontalofenreihe. Die Öfen werden auch gerne für die Massenfertigung von hochwertigen Solarzellen auf Waferbasis eingesetzt. Für die Beschickung der einzelnen Ofenröhren sorgen robuste Kleinantriebe des Kleinstmotorenspezialisten Faulhaber aus Schönaich bei Stuttgart. Diese schließen zudem automatisch die Ofentür, eine sicherheitsrelevante Funktion, da im Ofen hochreaktive Chemikalien eingesetzt werden.

Waferbehandlung nach Maß

In der Elektronikindustrie wandeln sich Herstellungsverfahren so schnell wie in kaum einer anderen Branche. Alle eingesetzten Anlagen müssen daher hochflexibel auf vielfältige Produktionsänderungen einstellbar sein. Die Horizontalöfen setzen diese Anforderung der Industrie ideal um. Die vier horizontal übereinander ausgerichteten Reaktionsofenkammern werden für die Produktion von Solarzellen mit Wafern von 156 mm x 156 mm beladen. Bei 400 bis 500 Wafern pro Röhre lassen sich bis zu 1.500 Wafer pro Stunde in einem Arbeitsgang beschichten. In der Solarpanelherstellung erlaubt es die Fläche eines Wafers, später durchschnittlich 4 W an elektrischer Energie zu gewinnen. Berücksichtigt man, dass ein durchschnittliches Hausdach etwa 50 Panels mit je rund 200 W Leistungsabgabe aufweist, so entspricht die Produktionsleis­tung des Tempressofens einer solarelektrischen Leistung von 30 bis 35 MW pro Jahr. Die hohe Durchsatzleistung erlaubt dabei die kostengünstige Fertigung der Massenware Solarzelle. Je nach Verfahren arbeiten die Öfen dabei unter Normaldruck oder im Vakuum, die Temperaturen können zwischen 380 und 1.380 °C variieren. Da Prozesssicherheit aufgrund der teuren Waferscheiben eine sehr große Rolle spielt, müssen alle Komponenten hohen Anforderungen genügen. Vom Temperaturmanagement über die präzise Gasdosierung bis hin zur Druckregelung lässt sich eine Vielzahl von Parametern über das Tempress-Data-Management System einstellen.
Be- und Entladen der einzelnen Ofenröhren übernimmt ein spezielles Ladesystem. Als Aktor werden Kleinstantriebe eingesetzt. Die Hauptforderung an die Antriebe lautet hohes Drehmoment aus kleinstem Bauvolumen bei präziser Positionierung. Eine weitere unverzichtbare Forderung ist die hohe Zuverlässigkeit der Antriebe; Ausfälle kann man sich wegen der hohen Kosten und dem Einsatz korrosiver Chemikalien nicht leisten. In diesem Fall war vor allem die robuste Auslegung der Planetengetriebe ausschlaggebend. Daneben sprachen die kompakte Bauform des kompletten Antriebs inklusive Encoder sowie die Dynamik und die feinfühlige Regelung für diese Aktoren.

Kleinstantriebe – robust und präzise

In den Öfen werden je nach Ausführung unterschiedliche Antriebslösungen aus dem Faulhaber-Programm eingesetzt. So arbeiten die Ladesysteme mit einem DC-Kleinstmotor. Die Drehzahl wird über ein durchmesserkonformes Planetengetriebe reduziert und gleichzeitig wird das Abtriebsdrehmoment entsprechend er­­höht. Je nach Ausführung (Normal- oder Schwerlast-Lader) arbeiten dabei Antriebe mit 32 oder 38 mm Durchmesser und Metallplanetengetriebe mit Untersetzungen von 14 : 1 bzw. 3,71 : 1. In beiden Varianten erlauben aufsteckbare Encoder mit 256 Impulsen je Umdrehung der Motorwelle eine feinfühlige Positionierung der Wafer in der Anlage. Durch die Getriebeuntersetzung erhöht sich die Präzision an der Abtriebswelle weiter.
Für die sicherheitsrelevante Funktion des Schließens der Ofentür gelten noch höhere Anforderungen. Hier muss eine zuverlässige Verriegelung sichergestellt sein, um zu verhindern, dass Gas aus den Ofenröhren entweichen kann. Zusätzlich zum Motor mit Encoder und Planetengetriebe ist daher in manchen Varianten eine elektromagnetische Bremse installiert. Sie garantiert auch bei Stromausfall das sichere Verschließen. Die ebenfalls auf den 32-mm-Motor aufsteckbare Bremseinheit baut dabei in Kombination mit dem Motor nur 72,5 mm lang.
Moderne Kleinantriebstechnik bietet bei kleinstem Volumen alle von größeren Antrieben her gewohnten Funktionen. Ob Encoder, Getriebe oder Bremse, es sind praktisch alle Komponenten auch in miniaturisierter Form verfügbar. Durch ihre Zuverlässigkeit garantieren sie hohe Prozesssicherheit.