Une technologie de vide ultramoderne pour une manipulation efficace des plaquettes

Frankfurt (Oder), Germany L'institut IHP (Innovations for High Performance Microelectronics), basé à Francfort en Allemagne, est membre de l'association Leibnitz. Il réalise des travaux de recherche et de développement dans les domaines des systèmes à base de silicium, des circuits intégrés à très haute fréquence et des technologies de communication sans fil et à large bande. La recherche au sein de l'institut est axée sur des problématiques pertinentes pour les entreprises et sur des applications pour les télécommunications, les industries des semi-conducteurs, l'industrie automobile, l'aérospatiale, la télémédecine et les technologies d'automatisation. L'institut est devenu un centre de compétence internationalement reconnu dans le domaine des technologies du silicium-germanium. L'IHP a choisi un système de vide centralisé ultramoderne de l'entreprise Dr.-Ing. K. Busch GmbH pour alimenter en vide le bâtiment des salles blanches. Le système entièrement automatisé alimente en vide plus de 80 consommateurs et fournit le vide requis aux différents départements pour maintenir ou manipuler les plaquettes.
Fig. 1: Le vide est utilisé pour maintenir la plaquette sous le microscope à des fins de tests

L'IHP est un lien essentiel entre la pensée académique et l'industrie. Les laboratoires communs, avec des universités de sciences appliquées de la région de Berlin-Brandebourg, se sont avérés essentiels dans la réussite de cette coopération. En tant qu'institut de recherche public, il est financé par l'Etat de Brandebourg et le Gouvernement fédéral allemand. L'IHP compte 300 employés répartis dans plus de 20 pays. Près de la moitié des employés sont des scientifiques, principalement des ingénieurs et des physiciens, qui dirigent des travaux de recherche interdisciplinaires et orientés vers les applications. Le cœur des installations de recherche innovantes, est le bâtiment des salles blanches, qui dispose de 1 000 mètres carrés de salle blanche de classe 1, dans laquelle les plaquettes sont préparées dans des conditions similaires à celles de l'industrie. La production pilote des plaquettes y est développée afin d'analyser une possible fabrication industrielle ultérieure. Dans l'ensemble des salles blanches dédiées à la production de plaquettes, on compte un total de 80 utilisateurs de vide. Il peut s'agir, par exemple, de simples pincettes à vide que les employés utilisent manuellement pour effectuer l'inspection visuelle des plaquettes. Les équipements de manipulation destinés au transport des plaquettes ou à leur dépose dans un emplacement défini pour un traitement ultérieur sont également raccordés au réseau de vide. De plus, différents dispositifs de maintien sous vide sur les microscopes (Fig. 1) sont utilisés pour les processus de gravure, de revêtement de surface, ou dans les systèmes lithographiques.

Une alimentation en vide composée de trois pompes à vide à anneau liquide identiques était utilisée depuis l'installation en 1999 dans le nouveau bâtiment situé dans le parc technologique de Brandebourg-Est à Francfort. Néanmoins, l'équipe d'IHP n'était pas complètement satisfaite de cette solution. D'une part, ces pompes à vide nécessitaient de l'eau comme fluide de fonctionnement. Dans ce cas, une eau déminéralisée et exempte de calcaire était utilisée, ce qui s'avérait relativement fastidieux et impliquait des coûts connexes. D'autre part, ces pompes à vide non réglables consommaient une énergie inutile car elles ne pouvaient pas s'ajuster aux besoins réels en vide. Comme toutes les étapes du processus dans les salles blanches dépendent de l'alimentation en vide centralisée, l'équipe était également préoccupée par la fiabilité, notamment de l'approvisionnement des pièces de rechange qui devenait de plus en plus critique.

En 2016, ils ont donc commencé à chercher une technologie de vide innovante, ultramoderne, qui pourrait fonctionner de manière aussi économique que possible et qui garantirait un degré maximal de fiabilité.


Fig. 2: Système de vide pour l'alimentation en vide du bâtiment des salles blanches

Ils ont sélectionné un système à vide composé de trois pompes à vide à vis COBRA NX (Fig. 2) de l'entreprise Dr.-Ing. K. Busch GmbH. En décembre 2016, ce système a été installé progressivement, pompe après pompe, pendant que le système fonctionnait parallèlement avec les pompes à vide à anneau liquide existantes qui ont été démontées les unes après les autres. 

Les pompes à vide à vis COBRA NX (Fig. 3) utilisent la compression sèche : elles n'ont donc pas besoin de fluide de fonctionnement pour la génération du vide. Cette technologie de vide permet un fonctionnement sans contact. Deux vis tournent dans des directions opposées et n'entrent pas en contact l'une avec l'autre ni avec le corps de pompe. L'espacement est si étroit qu'aucun fluide de fonctionnement n'est nécessaire pour assurer l'étanchéité. Cette technologie présente également l'avantage d'être absolument sans entretien, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire de remplacer les pièces d'usure. 


Fig. 3: Coupe transversale d'une pompe à vide à vis COBRA NX

La vitesse des trois pompes à vide à vis COBRA NX installées peut être contrôlée et pilotée en fonction de la demande. Cela garantit que les seules pompes à vide en fonctionnement sont celles qui sont effectivement nécessaires à maintenir le niveau de vide constant entre 50 et 60 millibars. Le dimensionnement du système de vide est tel que deux pompes à vide COBRA NX à 100 % de rendement sont suffisantes pour un fonctionnement à pleine charge. La troisième pompe à vide est une pompe de secours permettant d'améliorer la fiabilité. Le système de contrôle s'assure que les trois pompes à vide comptabilisent le même nombre d'heures de fonctionnement afin qu'elles soient sollicitées de manière uniforme. Le système de contrôle est auto-suffisant et garantit que le niveau de vide requis est maintenu en permanence. À son tour, le système de contrôle auto-régulé est raccordé à la gestion technique du bâtiment, qui enregistre tout problème éventuel et peut être utilisée pour lancer différents paramètres.

Le système de vide fonctionne 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 durant toute l'année. Il fait partie des installations du bâtiment des salles blanches et est situé au rez-de-chaussée avec les autres équipements d'alimentation comme l'alimentation en air comprimé, le traitement de l'eau de refroidissement, les épurateurs de fumées ou les modules d'alimentation électrique. Tous ces équipements d'alimentation sont situés dans une salle blanche. Des systèmes supplémentaires comme des radiateurs, des refroidisseurs et des transformateurs sont situés au premier étage tandis que la zone centrale réelle du bâtiment des salles blanches se trouve au second étage, c'est ici que se trouvent l'ensemble des étapes du processus de préparation des plaquettes.

Après quelques mois seulement, ils ont déjà constaté une réduction de 40 % des coûts d'exploitation. Cela à été possible grâce aux pompes à vide à vis COBRA NX qui nécessitent une puissance de moteur plus faible grâce à leur facteur d'efficacité élevé; ainsi elles peuvent fonctionner avec des tailles de moteur réduites par rapport aux pompes à vide à anneau liquide. Le contrôle de la vitesse permet un ajustement exact aux besoins réels ; pour des raisons techniques, le contrôle de la vitesse n'est pas possible pour les pompes à vide à anneau liquide. De plus, les coûts liés à l'utilisation de l'eau en tant que fluide de fonctionnement et les coûts énergétiques associés à sa préparation et sa circulation ont disparu. Il a donc été possible de rendre l'alimentation en vide beaucoup plus économique et fiable en utilisant la technologie de vide ultramoderne de Busch.


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