Pulizia e precisione, nell’industria dei semiconduttori, sono indispensabili. Lo specialista svizzero del vuoto VAT ha quindi sviluppato insieme a maxon un sistema di azionamento per wafer
Anche tra coloro che s’interessano di tecnologia, il termine “valvola del vuoto” difficilmente scatena un vortice di entusiasmo. Del resto, cosa ci sarebbe di tanto eccitante in una valvola del vuoto? Eppure, a risvegliare l’interesse è sufficiente una visita alla VAT, azienda attiva a livello internazionale con sede a Haag nella Svizzera orientale. VAT è uno dei punti di riferimento a livello mondiale laddove sia richiesta la creazione di vuoto nell’industria. Quella per il vuoto, in parole povere, è una valvola che apre o chiude l’accesso a un impianto del vuoto. Chi ora sta pensando alle confezioni sottovuoto dei generi alimentari al supermercato è tuttavia fuori strada. Nell’industria, le camere sottovuoto vengono usate soprattutto in quei casi in cui ogni granello di polvere oppure ogni goccia d’acqua potrebbe rovinare un’intera fase della produzione. Ed ecco che capiamo meglio di che settore parliamo: l’industria high-tech. Smartphone, schermi piatti, pannelli solari, processori: la produzione di tutti questi e di molti altri prodotti sarebbe impensabile senza gli impianti del vuoto. La VAT fornisce gran parte dei suoi sistemi in Asia, dove i “big player” nel campo della microelettronica e della tecnologia dei semiconduttori sono di casa.
Un ascensore per i wafer
Nel campo della microelettronica una fase importante del processo è la produzione e l’ulteriore elaborazione dei cosiddetti wafer. Si tratta di sottili fette rotonde di materiale semiconduttore, per esempio di silicio. Queste fette costituiscono la base dei circuiti integrati. Considerando che nei processori moderni – e quindi anche negli smartphone – si utilizzano diversi miliardi di transistor, si comprende come nella produzione dei substrati di semiconduttori sia indispensabile tenere lontano ogni corpo estraneo. Ciò riesce meglio se tali fasi di produzione si svolgono in camere sottovuoto. C’è tuttavia un problema: più è potente il vuoto e maggiore sarà anche la pressione dell’aria dall’esterno. Sono forze enormi quelle che agiscono su una camera sottovuoto professionale. Ora, mentre una valvola normale non avrebbe scampo contro una pressione di questo tipo, le valvole VAT resistono benissimo.
Negli ultimi anni l’azienda ha compiuto un ulteriore passo avanti e offre ora non solo valvole ma anche sistemi completi per le diverse fasi di produzione in camere sottovuoto. Uno di questi sistemi è il pin lifter che altro non è che una specie di “ascensore” per wafer di silicio. Il wafer è appoggiato su tre pin e ciascun pin può essere spostato verticalmente mediante un motore. Così si crea una sorta di elevatore a tre piedini (tre pin lifter) che provvede a spostare il wafer adagiato sopra di esso in una camera sottovuoto verso l’alto, dove viene poi prelevato da un sistema di movimentazione. Ed è qui che entra in gioco maxon. Un sistema di azionamento meccatronico ad alta precisione, il pin lifter è il frutto di mesi di collaborazione tra VAT e maxon. L’unità di azionamento per un pin lifter è costituita da un motore EC flat senza spazzole con encoder ottico, freno e vite senza fine. Una sfida particolare era rappresentata dalla lunghezza massima dell’unità di azionamento che non deve superare i 40 millimetri.
Marco Apolloni, direttore della progettazione presso VAT, ricorda: “Inizialmente le soluzioni prese in considerazione erano circa sei, con un ventaglio di vari possibili fornitori per i settori motore, freni, encoder ecc.” Mentre quattro soluzioni si basavano su un approccio componenziale, le altre due soluzioni richiedevano un approccio sistemico, con l’intero azionamento inteso come unità testata (inclusi alloggiamento, vite senza fine, albero motore, componenti di isolamento). “A causa degli elevati requisiti di precisione e dimensioni, solo l’approccio sistemico ha raggiunto la fase finale, in quanto permette di ridurre al minimo molti rischi e di elaborare una soluzione ottimale”, spiega Marco Apolloni. “maxon ha convinto grazie al suo know-how tecnico e perché è in grado di offrire soluzioni complete da un’unica fonte.”
In the vacuum workshop
In the semiconductor industry, cleanliness and precision are absolutely critical. Swiss vacuum specialist VAT therefore partnered up with maxon to develop a drive system for wafer processing
The term “vacuum valve” typically doesn’t generate a lot of excitement, even among technology aficionados. What could there possibly be that’s of any interest? However, things do get interesting when you visit VAT, a globally active company with headquarters in Haag, eastern Switzerland. VAT is a global leader in industrial vacuum technology. Simply put, a vacuum valve is a valve that opens or closes access to a vacuum system. If the word “vacuum” makes you think about packaged food in the supermarket, then you’re on the wrong track. Industrial vacuum chambers are primarily needed in applications where even the tiniest speck of dust or droplet of water would ruin an entire production step. This takes us right into the thick of things: the high-tech industry. Smartphones, flat screens, solar panels, processors – without vacuum systems, these and many other products would be impossible to manufacture. VAT accordingly ships most of their systems to Asia, home of the big players in the microelectronics and semiconductor industry.
An elevator for wafers
The production and processing of what is known as “wafers” is a key production step in the microelectronics industry. Wafers are thin, round plates made of a semiconductor material, such as silicon. These plates are the basis for integrated circuits. If one considers that modern processors, including those of smartphones, contain billions of transistors, then it’s easy to see why the production environment for semiconductor substrates must be free of all foreign particles. The easiest way to achieve this is by performing these production steps in vacuum chambers. The problem is: The stronger a vacuum, the stronger the air pressure from outside. Professional vacuum chambers are exposed to enormous forces. A normal valve wouldn’t stand a chance against such pressure. VAT valves, however, are up to the challenge.
In recent years, the company went even a step further to offer complete systems for various production steps in vacuum chambers, in addition to individual valves. One of these systems is called pin lifter. The pin lifter is a kind of elevator for silicon wafers. The wafer rests on three pins, and each of these pins can be moved vertically using a motor. This creates a kind of three-legged elevator (three pin lifters) with which a wafer placed on it can be moved upward in a vacuum chamber and aligned precisely for further processing. Here’s where maxon comes in. As a high-precision mechatronic drive system, the pin lifter is the result of a months-long collaboration between VAT and maxon. The drive unit of the pin lifter consists of a brushless EC-flat motor with an optical encoder, a brake, and a spindle. Keeping the length of the drive unit to a maximum of 40 millimeters was a special challenge.
Marco Apolloni, head of engineering at VAT, looks back: “We initially explored about six different concepts, with different potential suppliers for the motor, brake, encoder etc. Four of the concepts followed a components-based approach, while the others looked at systems, with the entire drive being provided as a tested unit (incl. housing, spindle, motor shaft, insulation parts). “Due to the strict requirements with regard to precision and size, only the systems-based approaches made it into the final round, as these concepts eliminate many risks and support the development of an optimal solution,” explains Marco Apolloni. “maxon stood out for its technical expertise and its ability to deliver the complete solution from a single source.”
