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Autor: Dr. Dietmar Malcherek

Schülerprojekt zur Weiterentwicklung eines Filter-Regenerationsstandes für ultrareines Wasser

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Die M+W Products, ein Unternehmen der M+W Group, hat an ihrem Produktionsstandort in Stuttgart zusammen mit dem TheoPrax-Zentrum des Fraunhofer ICT (www.theoprax.de) in Pfinztal über knapp ein Schuljahr hinweg ein Praxis-Projekt mit vier Schülern (11. Klasse) des Reuchlin Gymnasiums in Pforzheim realisiert. Ziel dieses Schülerprojekts war es, den Schülern fernab vom Frontalunterricht eine praxisnahe Aufgabe zu erteilen und diese gemeinsam im Team zu lösen. Dafür stand das Schülerteam während des Schuljahrs in regelmäßigem Kontakt mit M+W. So wurde während der etwa alle 8 Wochen stattfindenden Besuche der Schüler bei M+W ein Gerät zur automatischen Filter-Regeneration von ultrareinem Wasser (Fachbegriff: UPW Filter-Regenerationsstand) gebaut. Ultrareines Wasser wird bei der Herstellung von Mikrochips für die Belichtung von Wafern eingesetzt und muss regelmäßig regeneriert werden.

Die zunehmenden Anforderungen an Mikrochips, wie sie beispielsweise in Smartphones, Tablets, usw. eingesetzt werden, setzen die Hersteller unter permanenten Druck, die Schaltkreise immer weiter zu verkleinern. Derzeit werden Mikrochips mit einer Leiterbahnbreite von 1xnm (Nanometer) hergestellt und eine zunehmende Verkleinerung in den einstelligen nm-Bereich (1nm = 10-9m) ist mit neuen Techniken in greifbarer Nähe.

Um Mikrochips mit dem aktuellen Standard herstellen zu können, wird die Immersionstechnologie in der optischen Lithographie eingesetzt. Durch den Einsatz von ultrareinem Wasser (UPW) wird das Laserlicht, welches zur Belichtung der Wafer eingesetzt wird, zu Gunsten der Strukturbreiten und Tiefenschärfe auf dem Mikrochip gebrochen. So ist es verständlich, dass an die Qualität des Wassers höchste Reinheitsanforderungen gestellt werden. Dies wird erreicht, indem das Wasser u.a. mehrere Filter mit unterschiedlichen Filtrierungseigenschaften durchläuft, bevor es in den Belichtungsprozess eingebracht wird.

Wie alle Filter setzen sich auch diese UPW-Filter nach einer gewissen Nutzungsdauer mit Fremdstoffen voll und müssen ausgetauscht, bzw. gereinigt werden. Dazu werden die Filter in einem mehrstündigen (je nach Verschmutzungsgrad sind das 8-10 Stunden) Reinigungsprozess mit reinstem Wasser durchgespült, um Ablagerungen und Verschmutzungen am Filtrationsgewebe zu entfernen. Das Prozesswasser dient in diesem Fall als Regenerationsparameter und wird während dem Regenerationsprozess permanent auf TOC (Total Organic Components) und Partikel analysiert. Sobald ein definierter Schwellwert für die TOC und Partikel im Prozesswasser unterschritten wird, ist der Filter frei von Ablagerungen und kann zur weiteren Verwendung in das UPW-System eingesetzt werden.
Bislang wurden die UPW-Filter bei M+W Products manuell und unter hohen zeitlichen Aufwand regeneriert. Wegen der zunehmenden Anzahl von Filtern, die regeneriert werden müssen, und der sehr langen Durchlaufzeiten für den Regenerationsprozess wurde der „Filterregenerationsstand UPW“ im Rahmen des genannten Schülerprojekts überarbeitet und automatisiert.

Das Schülerteam erarbeitete zusammen mit dem Unternehmen eine Lösung für einen erweiterten Filterregenerationsstand UPW, der neben einem automatisierten Regenerationsprozess auch die Montage eines zweiten Filters erlaubt. Sobald der erste Filter den Regenerationsprozess erfolgreich durchlaufen hat, schaltet der Filterregenerationsstand automatisch den Regenerationsprozess für den zweiten Filter frei während der Prozess für den ersten Filter zeitgleich geschlossen wird.
Mit diesem Projekt ist der M+W Products mit Hilfe der sehr engagierten Schüler ein weiterer erfolgreicher Schritt in Richtung automatisierte Serviceleistungen gelungen. Die Schüler konnten in enger Zusammenarbeit mit M+W Mitarbeitern ein innovatives Projekt realisieren und erhielten gleichzeitig einen tiefen Einblick in die moderne Mikrosystemtechnik – möglicherweise auch ein Anstoß für die Wahl des künftigen Studienfachs.


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