Füllstand, Durchfluss und Druck in der Elektronik- und Halbleiterfertigung: Reinstwasser, Prozesschemie und Gase überwachen
Eine Nassprozessanlage für Wafer verbraucht mehr als Wafer. Sie zieht Chemie aus Kanistern und Zirkulationstanks, spült mit Reinstwasser, begast Bäder mit Stickstoff und hält Vakuumkammern und Laserquellen mit Kühlwasser auf Temperatur. In Leiterplattenlinien stehen Säure, Flussmittel, Zinn und Vergussmasse in kleinen Tanks. Wie voll ein Behälter ist und ob ein Medium in der vorgesehenen Menge fließt, fragen Anlagenbauer, Instandhalter in Halbleiterwerken und Prozessingenieure bei Leiterplatten- und Bauteileherstellern. Dieser Leitfaden folgt den Medien in der Reihenfolge, in der sie gebraucht werden: gelagert im Tank, bewegt in der Leitung, als Gas und Vakuum an der Anlage, als Kühlwasser im Hintergrund. Am Ende steht die Sicht des Anlagenbauers, der für eine ganze Plattform einen Sensortyp sucht. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen. In wenigen Fällen sind Durchflusssensoren von KEYENCE bereits im Einsatz, das steht jeweils dabei.
Wichtige Punkte im Überblick
- Gegenstand ist das Medium und nicht der Wafer: die Chemie im Bad, das Wasser, das ihn spült, und der Stickstoff, der durch das Bad perlt, dazu Versorgungsleitungen, Kühlkreise und Vakuum.
- Durch fast alle Anwendungen zieht sich ein Grundsatz: Kein Sensorteil soll das Medium berühren, weil Reinstwasser und Ätzchemie kein eingetauchtes Bauteil vertragen und Leitungen für einen Messpunkt nicht geöffnet werden sollen.
- Für den Füllstand von Prozesschemie kommt der Radar-Füllstandssensor der Modellreihe FR in Frage, dessen Millimeterwellenradar laut Katalog Kunststoff und Glas durchdringt, sodass durch Tankwand oder Schauglas gemessen werden kann.
- Ein Anlagenbauer, der die Reinstwasseraufbereitung für ein Halbleiterwerk plant, will alle kleinen und mittleren Leitungen mit anklemmbaren Durchflusssensoren ausstatten und behält für die großen Leitungen mit normalem Wasser Inline-Messgeräte.
- Für eine Anlagenplattform zählt, ob ein Sensortyp alle Behälter- und Leitungsgrößen, alle Chemievarianten und jede verbaute Steuerung abdeckt, denn eine Auslegung wiederholt sich an jeder ausgelieferten Anlage.
Bad, Leitung, Versorgung: wo Prozesssensorik in der Halbleiterfertigung ansetzt
Gegenstand dieses Themas ist das Medium, nicht das Objekt, das darin behandelt wird. Wo der Wafer im Bad liegt und ob er vorhanden ist, beantwortet die Positionserkennung in Handling und Prozess. Hier geht es um die Chemie in diesem Bad, um das Wasser, das ihn spült, und um den Stickstoff, der durch das Bad perlt. Dazu gehören Versorgungsleitungen, Kühlkreise und das Vakuum, das eine Leiterplatte auf ihrer Aufnahme hält.
Ein Grundsatz zieht sich durch fast alle Anwendungen: Kein Sensorteil soll das Medium berühren. Im Lebensmittelbetrieb begründet das die Hygiene, hier die Reinheit. Reinstwasser und Ätzchemie vertragen kein eingetauchtes Bauteil, und Leitungen aus Kunststoff oder elektropoliertem Edelstahl sollen für einen Messpunkt nicht geöffnet werden. Druckluft als Antriebsenergie an Bestück- und Bondanlagen gehört nicht hierher; Verbrauch und Leckage behandelt der Beitrag zur Druckluft im Maschinen- und Anlagenbau.
Chemie im Tank und im Versorgungskabinett: Füllstand ohne Teil im Medium
Die häufigste Einzelaufgabe gilt dem Füllstand von Prozesschemie. Schwimmer, kapazitive Sonden und Ultraschallsensoren sind an vielen Tanks vorhandene Technik, Schwimmer und Sonde stehen dabei in der Chemie. Gesucht wird eine Messung von oben, möglichst durch den Kunststoffdeckel oder die geschlossene Tankwand.
In einem Chemieversorgungssystem für die Einzelwaferbearbeitung soll der Füllstand eines Kanisters von 30 l erfasst werden, mit etwa 500 mm Messstrecke und Chemiedämpfen in der Umgebung. In einer Waferwaschanlage lieferte ein Test durch einen Kunststoffdeckel von 3 cm Stärke ein sehr gutes Ergebnis; dem Anwender gefiel dort, dass sich die Tankform einlernen lässt, und gewünscht ist ein Modell mit abgesetztem Sensorkopf. Ein Anlagenbauer für stromlose Beschichtung in der Leistungselektronik rechnet je Anlage mit zehn bis dreißig Vorlagetanks aus PVDF, PFA oder Quarzglas; dafür kommt das chemikalienbeständige Kompaktmodell in Frage. Bei einem Bauteilehersteller soll der Füllstand eines Gemischs aus Fluss- und Salzsäure in einem Kunststofftank von oberhalb des Kunststoffdeckels erfasst werden.
In der Leiterplattenfertigung sind die Tanks kleiner. An einem Zinnbad verlief ein Test erfolgreich, an derselben Linie ist auch der Füllstand eines Lacks zu erfassen. Bei Silikongel für den Verguss von Elektronikbaugruppen hat der Test an zwei Tanks mit Kunststoffdeckel funktioniert.
Für diese Aufgaben kommt der Radar-Füllstandssensor der Modellreihe FR in Frage. Laut Katalog durchdringt das Millimeterwellenradar Kunststoff und Glas, der Füllstand lässt sich also durch die Kunststoffwand eines Tanks oder ein Schauglas erfassen; die Signalstärke hängt vom jeweiligen Kunststoff oder Glas ab. Die Nahbereichsmodelle messen bis 1,5 m, die Fernbereichsmodelle bis 20 m. Das Kompaktmodell führt der Katalog als chemikalienbeständig, mit chemikalienbeständigem PVC-Kabel, die Linse besteht aus PTFE. Aus der Tankform rechnet der Sensor den Füllstand in Volumeneinheiten um. Ausgegeben werden bis zu fünf Schaltausgänge, 4-20 mA oder IO-Link, über das Netzwerk-Kommunikationsmodul der Modellreihe NQ auch EtherNet/IP, PROFINET oder EtherCAT. Ob ein Modell zu einer bestimmten Säure oder einem Lösungsmittel passt, wird je Medium vor der Auswahl geklärt.
Reinstwasser und Prozesschemie in der Leitung: von außen messen, weil nichts ins Medium darf
Beim Reinstwasser ist die Begründung am deutlichsten. Ein Anlagenbauer, der die Reinstwasseraufbereitung für ein Halbleiterwerk plant, will alle Leitungen im kleinen und mittleren Durchmesserbereich mit anklemmbaren Durchflusssensoren ausstatten, weil nichts das Reinstwasser berühren darf. Für die großen Leitungen mit normalem Wasser behält er Inline-Messgeräte. In einem anderen Werk geht es um Reinstwasser an Leitungen von 2 bis 3 Zoll.
Ebenso oft geht es um Chemie und VE-Wasser in der Anlage selbst. Ein Hersteller von Waferreinigungsanlagen kennt den Anklemmbaren Durchflusssensor der Modellreihe FD-X von einem bestehenden Maschinentyp und braucht für neue Anlagen mit VE-Wasser und Chemie etwa vier Messstellen je Anlage. Ein Anlagenbauer für Chemietransfer, der zu einem guten Teil für die Halbleiterindustrie liefert, hat Durchflusssensoren von KEYENCE im Einsatz. Bei einem Halbleiter-OEM entsteht eine Niederdruckeinheit, die Reinigungsflüssigkeit und Luft auf den Wafer bringt und dafür kleinere Mengen als bisher fördert. Im Test mit der Modellreihe FD-X waren die Werte dort bisher stabil. Für eine neue Waferreinigungsanlage soll der Lösungsmittelfluss an einer 6-mm-Kunststoffleitung kontinuierlich überwacht werden. An einem Prototyp eines Waferherstellers soll KOH drucklos aus einem Becken von rund 110 l zulaufen, mit etwa 3 l/min; die Dosierüberwachung ist dort eine Anforderung.
Für Leitungen und Schläuche von 2,7 bis 14 mm ist die Modellreihe FD-X ausgelegt, an Metall sowie an weichen und harten Kunststoffrohren, auch für chemische Lösungen. Der kleinste erfassbare Durchfluss liegt bei 0,1 ml/min. Weil der Sensor von außerhalb des Rohres misst, spielt die Chemikalienbeständigkeit laut Katalog keine Rolle, und sein Kopf mit CFRP-Kunststoffgehäuse ist für Umgebungen gedacht, in denen metallische Komponenten nicht zulässig sind. Für größere Rohre deckt ein Anklemmbarer Durchflusssensor der Modellreihe FD-H Metall-, Hartkunststoff- und PVC-Rohre von 13 bis 44 mm sowie Schläuche bis 63 mm ab, ein Anklemmbarer Durchflusssensor der Modellreihe FD-R den Bereich DN40 bis DN200. Ob ein bestimmter Leitungswerkstoff passt, etwa ein Fluorkunststoff, wird vor der Auswahl an der Originalleitung geprüft.
Stickstoff, Prozessgase und Vakuum: ankommen, spülen, halten
Stickstoff spült Leitungen, erzeugt Blasen im Nassbad und schützt die Lötstelle. Ein Halbleiter-Maschinenbauer will an einer neuen Anlage Druck und Durchfluss des Spülstickstoffs über IO-Link erfassen; dafür kommen Kombinierte Druck- und Durchflusssensoren der Modellreihe FD-EP in Frage. In zwei Waferbädern wird Stickstoff zur Blasenbildung eingeleitet, je Bad über zwei Leitungen, die voneinander abhängen: Ob eine oder beide offen sind, verändert den Durchfluss. An Lötanlagen einer Leiterplattenfertigung soll der Stickstoffdurchfluss sichtbar werden; dafür kommt ein Anklemmbarer Durchflusssensor der Modellreihe FD-EC in Frage, ebenso für Stickstoff an einem 8-mm-Schlauch mit 20 bis 60 l/min in einem Halbleiterprozess.
Ein Hersteller von Vakuumanlagen für die Halbleiterfertigung will Gase an den Edelstahlleitungen seiner Anlagen überwachen; dafür kommen Anklemmbare Durchflusssensoren für Druckluft und Gase der Modellreihe FD-G in Frage, für das Kühlwasser derselben Anlagen die Modellreihe FD-H. Ob dort auch Helium erfasst werden soll, ist offen; Helium steht in keiner Gasliste der Anleitungen.
Die Modellreihe FD-EC erfasst laut Anleitung Luft, Stickstoff und Argon an Schläuchen aus Polyurethan, Nylon oder PFA mit 6 bis 12,7 mm Außendurchmesser, PFA-Schläuche bei bis zu 40 °C Umgebungstemperatur. Die Modellreihe FD-EP misst Luft, Stickstoff, Argon und nicht korrosive Gase im Druckbereich von -100 kPa bis 0,75 MPa. Die Modellreihe FD-G überwacht neben Druckluft auch Stickstoff an Stahl- und Edelstahlrohren. Für den Stickstoffverbrauch einer ganzen Anlage kommt die Energie-Management-Einheit der Modellreihe MP-F in Frage, die nur Luft und saubere, nicht korrosive Gase ohne Staub, Ölnebel oder Tropfen verarbeitet; ein Durchflusssensor ist sie nicht.
Für die Vakuumansaugung von Leiterplatten an Pneumatikschläuchen kommt die Modellreihe FD-EP in Frage. Laut Anleitung soll der Sensor beim Ansaugen höchstens 2 m vom Sauger entfernt sitzen, zu nah an Ejektor oder Vakuumpumpe wird die Erfassung instabil.
Kühlwasser an Vakuum-, Laser- und Prüfanlagen
Kühlwasser ist hier ein Versorgungsmedium, das in vielen Anwendungen vorkommt. Ein Hersteller von Lasersystemen für die Halbleiterindustrie will PE-X-Kühlschläuche von etwa 8 mm mit 1 bis 6 l/min überwachen. Eine Schaltschwelle genügt, gefordert sind 5 bis 10 Prozent, bei rund zwanzig Messstellen je Anlage. Für diesen Schlauchdurchmesser kommt die Modellreihe FD-X in Frage.
Ein Halbleiterhersteller will an einem Prüfwerkzeug den Kühlwasserdurchfluss überwachen, ein Prüflabor für Leiterplatten den Kühlmitteldurchfluss an einer neuen Maschine. Ein Forschungsinstitut setzt die Modellreihe FD-H als Servicegerät ein, um Wasserkreisläufe an seinen Anlagen zu überwachen. An einer älteren Beschichtungsmaschine eines Waferherstellers ohne Steuerungsanbindung sollen Kühl- und VE-Wasserverbrauch erst einmal aufgezeichnet werden; dafür eignet sich die Aufzeichnung im Sensor mit Ausgabe per USB.
Ein Sensortyp für die ganze Anlagenplattform: was er abdecken muss
Viele Aufgaben stammen von Anlagenbauern, die Chiphersteller beliefern. Sie wollen wissen, ob ein Typ alle Füllstände oder alle Wasserleitungen einer Plattform abdeckt. Ein Halbleiter-OEM nutzt heute kapazitive Sensoren an verschiedenen Chemikalien; für ihn zählt, ob der Radar-Füllstandssensor in der chemikalienbeständigen Ausführung den Füllstand an allen diesen Chemikalien erfasst. An Batchanlagen für Waferhersteller geht es um den Wasserdurchfluss und die KOH-Dosierung; dafür kommen die Modellreihe FD-H und die Modellreihe FD-X in Frage.
Für eine Plattform zählen andere Fragen als für eine einzelne Messstelle, denn eine Auslegung wiederholt sich an jeder ausgelieferten Anlage. Deckt ein Typ den kleinsten und den größten Behälter oder Leitungsdurchmesser ab, verträgt er die Umgebung aller Chemievarianten, und passen seine Ausgänge zu jeder verbauten Steuerung? Eine Messung am realen Medium und an der realen Leitung, die vorher Leitungswerkstoff, Durchmesser und Medium klärt, erspart spätere Änderungen an vielen Anlagen.
Häufige Fragen
F Kann ein Radar-Füllstandssensor durch einen Kunststofftank messen?
A
Laut Katalog durchdringt das Millimeterwellenradar der Modellreihe FR Kunststoff und Glas, sodass der Füllstand durch die Tankwand oder ein Schauglas erfasst werden kann. Die Signalstärke hängt vom Werkstoff ab. In einer Waferwaschanlage verlief ein Test durch einen Kunststoffdeckel von 3 cm sehr gut; am eigenen Tank klärt ein Test, ob das Signal ausreicht.
F Welcher Durchflusssensor passt zu kleinen Chemieleitungen und Schläuchen?
A
Für Leitungen von 2,7 bis 14 mm ist der Anklemmbare Durchflusssensor der Modellreihe FD-X ausgelegt, auch für chemische Lösungen und ab 0,1 ml/min. Er misst von außen, das Medium berührt keinen Sensorteil. Welcher Leitungswerkstoff im Einzelfall passt, wird an der Originalleitung geprüft.
F Welche Gase erfassen die anklemmbaren und kombinierten Sensoren?
A
Die Modellreihe FD-EC erfasst laut Anleitung Luft, Stickstoff und Argon, die Modellreihe FD-EP zusätzlich nicht korrosive Gase, die Modellreihe FD-G Druckluft und Stickstoff an Stahl- und Edelstahlrohren. Andere Gase wie Helium oder Sauerstoff stehen in keiner dieser Listen. Ob ein solches Gas überwacht werden kann, ist vor der Planung zu klären.
F Worauf ist bei der Überwachung einer Vakuumansaugung zu achten?
A
Der Kombinierte Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP soll laut Anleitung beim Ansaugen höchstens 2 m vom Sauger entfernt sitzen. Zu nah an Ejektor oder Vakuumpumpe wird die Erfassung instabil. Sein Druckbereich reicht von -100 kPa bis 0,75 MPa; den Durchfluss erfasst er laut Katalog je nach Baugröße zwischen -100 und -50 kPa beziehungsweise zwischen -100 und -30 kPa nicht.
F Wie kommt der Füllstand in die Anlagensteuerung?
A
Der Radar-Füllstandssensor der Modellreihe FR gibt bis zu fünf Schaltausgänge, 4-20 mA oder IO-Link aus. Über das Netzwerk-Kommunikationsmodul der Modellreihe NQ lässt er sich auch an EtherNet/IP, PROFINET oder EtherCAT anbinden. Aus der Tankform kann er den Füllstand als Volumen anzeigen.
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