Bewegung in der Halbleiterindustrie: Anwendungen und Anforderungen

Die Halbleiterindustrie zeichnet sich durch extrem hohe Präzisionsanforderungen aus und erfordert modernste Technologien für Bewegungssteuerungs- und Positioniersysteme – sowohl für lineare als auch für rotative Bewegungsmuster. Die allgemeinen Genauigkeitsanforderungen in Kombination mit höchster Dynamik erhöhen die Komplexität der verwendeten Motortechnologien.

In der Halbleiterfertigung sind Präzision und Zuverlässigkeit bei allen Bewegungsaufgaben entscheidend für die Prozesse der Maschinenbauer, von der Waferbehandlung, der Waferreinigung, der Photomaskenausrichtung bis hin zur Lithografie und Inspektion.

Waferbehandlung und Ausrichtung

Halbleiter-Wafer erfordern eine präzise Positionierung während der verschiedenen Herstellungsprozesse wie Ätzen, Abscheiden, Spinreinigen und Lithografie. Der Fokus liegt jedoch nicht nur auf der präzisen Positionierung, auch eine genaue und reibungslose Bewegung während der Prozesse ist von entscheidender Bedeutung.

Insbesondere bei Ätz- und Abscheideprozessen sorgt eine gleichmäßige und präzise Bewegung für Stabilität während der Produktionsschritte. Dies minimiert Vibrationen und Positionierungsfehler und ermöglicht effektivere und kürzere Produktionszeiten. Diese Anforderung ist entscheidend, um die Integrität von Strukturen im Submikron- bis Nanometerbereich auf Waferoberflächen zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Die sogenannte „On-Wafer-Performance“ wird deutlich erhöht. Und das ist für alle führenden Akteure der Branche das Hauptziel: die höchste Waferqualität zu gewährleisten.

Handhabung von Photomasken und Fadenkreuzen

Bei der Herstellung integrierter Schaltungen (ICs) müssen Photomasken und Fadenkreuze mit äußerster Sorgfalt verarbeitet und behandelt werden, um Kontamination und Fehlausrichtung zu vermeiden. Durch Bewegung ohne Rückspiele wird gewährleistet, dass die Muster auf den Photomasken während des Belichtungsvorgangs exakt übertragen werden. Bei Bewegungstechnologien ist Verschleiß eine der Kontaminationsquellen. Um Verschleiß zu vermeiden, werden Antriebstechnologien mit Direktantrieb bevorzugt. Diese zeichnen sich durch eine optimierte Wärmeableitung aus und lassen sich aufgrund des sehr kompakten Montagegehäuses leicht integrieren und verkapseln.

Inspektionsausrüstung

Im Bereich der Qualitätssicherung nach der Produktion profitieren vor allem Rasterelektronenmikroskope (SEMs) vom reibungslosen Betrieb. Die Qualität und Effizienz der Inspektionsprozesse hängen stark von Sensoren ab, die sich entweder bewegen oder dank des Bewegungssystems den sich bewegenden Wafer scannen. Daher müssen Maschinenbauer hochpräzise Bewegungstechnologien einsetzen, um die strengen Qualitätsstandards zu erfüllen, die bei der Halbleiterproduktion erforderlich sind.

Motoranforderungen in der Halbleiterindustrie

Niedriges Rastmoment

Eine der größten Herausforderungen bei den oben genannten Anwendungen ist das Rastmoment – ein Phänomen, das häufig bei geschlitzten Motoren auftritt, bei denen die Wechselwirkung zwischen Permanentmagneten und Statornuten zu unregelmäßigen Bewegungen führt. Dieses Problem kann durch Softwaremapping oder Filterung der Elektronik ausgeglichen werden, allerdings funktioniert es nicht immer wie erwartet und erfordert gewisse Kompromisse und Fähigkeiten. Vor allem dann nicht, wenn die Laufleistung von größtem Interesse ist.

Hohe Drehmomentdichte

Fertigungslinien für Halbleiter benötigen aufgrund der hohen Reinraumkosten eine hohe Drehmomentdichte, um so kompakt wie möglich zu bleiben. Auf diese Weise sind auch Verkapselung und Integration einfacher und kosten- und leistungsoptimierter.

Verbesserte Effizienz und Zuverlässigkeit

Zuverlässige Motortechnologien führen zu einer verbesserten Energieeffizienz und einer längeren Betriebslebensdauer, wodurch Ausfallzeiten und Wartungskosten reduziert werden – ein entscheidender Faktor bei der Herstellung von Halbleitern in großen Stückzahlen. Gleichzeitig werden die Aspekte Nachhaltigkeit und der notwendige ökologische Fußabdruck direkt verbessert.

Verbessertes dynamisches Verhalten

Eine hohe Beschleunigung und Verzögerung mit minimalem Überschwingen ist entscheidend für Anwendungen, die schnelle Bewegungsänderungen erfordern. Diese dynamische Leistung wird bei den meisten Vorgängen beim Transport und der Ausrichtung von Wafern während der Lithografie benötigt. Dies ist bei Motoren mit niedriger Induktivität in Kombination mit hohen Schaltfrequenzen (PWM) möglich.

Spitzendrehmomentleistungen

In Bezug auf das obige Thema bedeutet eine hohe Beschleunigung auch ein hohes Spitzendrehmoment für die Motortechnik.

Nutenlose und geschlitzte Torquemotoren in Halbleiteranlagen

Auch wenn schlitzlose und geschlitzte Torquemotoren für Drehbewegungen üblich sind, gibt es wesentliche Unterschiede in Design und Leistung. Hier gehen wir auf die Unterschiede ein, die für die Halbleiterindustrie relevant sind. Weitere Informationen finden Sie hier.

Design und Architektur

Geschlitzte Torquemotoren verfügen über Statornuten, in denen die Wicklungen gehalten werden, was von Natur aus zu periodischen Schwankungen des Magnetfeldes führt, die das sogenannte Rastmoment verursachen. Im Gegensatz dazu verfügen Motoren ohne Nut über Wicklungen, die in eine durchgehende Oberfläche eingebettet sind, wodurch die magnetische Welligkeit reduziert und der reibungslose Betrieb verbessert wird.

Drehmomentwelligkeit und Bewegungsgleichmäßigkeit

Geschlitzte Motoren weisen aufgrund des Rasteffekts in der Regel eine spürbare Drehmomentwelligkeit auf, was zu Vibrationen und einer weniger präzisen Steuerung führen kann. Das schlitzlose Design minimiert diese Unregelmäßigkeiten und ist daher besonders vorteilhaft für Anwendungen, die eine präzise Steuerung und minimale Störungen erfordern, wie z. B. bei der Halbleiterherstellung.

Wärmeableitung und Effizienz

Geschlitzte Motoren bieten in der Regel eine bessere Wärmeableitung als nicht geschlitzte Motoren. Nutenlose Motoren der neuen Generation, die mit neuen Methoden hergestellt werden, schließen jedoch die Lücke zwischen den beiden Technologien erheblich. In Fällen, in denen bei Sättigung oder darüber hinaus eine geschlitzte Bauweise verwendet wird, können Motoren ohne Schlitze insgesamt einen besseren Wirkungsgrad bieten.

Kosten und Komplexität

Im Allgemeinen können geschlitzte Torquemotoren aufgrund ihrer einfacheren Wicklungsstrukturen kostengünstiger herzustellen sein. Die Kostenvorteile können jedoch durch den zusätzlichen Bedarf an fortschrittlichen Steuerungssystemen zur Minderung von Rasteffekten zunichtegemacht werden. Bei hochpräzisen Halbleiteranwendungen rechtfertigen die verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit von nicht geschlitzten Motoren oft die etwas höheren Anschaffungskosten.

Die FiberPrinting™- und SlimTorq™-Motoren von Alva Industries

Nutenlose Torquemotoren stellen einen bedeutenden technologischen Fortschritt auf dem Gebiet der präzisen Bewegungssteuerung dar. Manchmal bieten sie jedoch nicht genug Drehmomentdichte, um die erforderlichen Ergebnisse zu erzielen, und ihre Herstellung kann schwierig/teuer sein. Die schlitzlosen Alva SlimTorq™-FiberPrinted-Motoren sind die Lösung für diese Herausforderungen und daher eine hervorragende Wahl für Halbleiteranwendungen.

Aufgrund der inhärenten Vorteile eines niedrigen Rastmoments, einer hohen Drehmomentdichte, eines verbesserten dynamischen Ansprechverhaltens und eines verbesserten Wirkungsgrads eignen sie sich besonders für Umgebungen, in denen außergewöhnliche Präzision gefragt ist. Im Vergleich zu Motoren mit geschlitztem Drehmoment sind die Vorteile, die die Konstruktion ohne Spalt in Bezug auf Bewegungsfreiheit und Betriebssicherheit bietet, ausschlaggebend für die Erfüllung der strengen Anforderungen der Halbleiterfertigung. Da sich die Branche aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung und der steigenden Leistungserwartungen ständig weiterentwickelt, wird der Einsatz von FiberPrinted-Torquemotoren ohne Nut und SlimTorq™ voraussichtlich weiter zunehmen und weitere Innovationen und Effizienz in der Halbleiterverarbeitungstechnologie vorantreiben, und zwar durch:

• Sehr dünn (höchstes ID/OD-Verhältnis)
• kein Verrasten und extrem niedrige Drehmomentwelligkeit
• hohe Motorkonstante (km)
• skalierbares Design und Fertigung

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Um mehr über Alva SlimTorq™-Motoren und ihre Anwendungen in Halbleitergeräten zu erfahren, besuchen Sie Alva Industries.