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Materialfluss / Handling: Mobile Robotik in der Halbleiterfertigung

Die Halbleiterfertigung ist komplex und kleinteilig. Bis zum fertigen Produkt sind Hunderte von ­Produktionsschritten erforderlich. Eine Herausforderung ist dabei der Transport beziehungsweise die Handhabung der sensiblen Bauteile von einem Schritt zum nächsten.

Feinfühlig unterwegs Bildquelle: © iStock

Halbleiter beeinflussen unser tägliches Leben bereits heute maßgeblich. Sie finden sich in jedem Mobiltelefon und auch für die Automobilbranche sind Mikrocontroller von zentraler Bedeutung – man denke etwa an Stichworte wie das autonome Fahren, intelligentes Batteriemanagement oder die Konnektivität im Allgemeinen. Für das Jahr 2018 geht der Elektronikverband ZVEI davon aus, dass weltweit Halbleiter im Wert von 474 Mrd. Dollar verkauft wurden – ein Plus von 15 % gegenüber dem Vorjahr. Und auch in Zukunft wird sich das ­Wachstum weiter dynamisch entwickeln; nicht zuletzt, weil in Bereichen wie den Consumer Electronics aber auch im industriellen Umfeld der Bedarf stetig steigt.

Produktion von Halbleitern Bildquelle: © iStock

Die Produktion von Halbleitern erfordert Dutzende von Produktionsschritten – die Verknüpfung der einzelnen Schritt geschieht heute noch manuell.

Die Mehrheit der Halbleiter und Mikrochips basiert auf dem chemischen Element Silizium. Silizium selbst eignet sich als elektrischer Leiter eigentlich nicht besonders, jedoch lässt es sich durch Dotierung präzise in seinen elektrischen Eigenschaften einstellen. Bei der Halbleiterfertigung wird das dotierte Silizium in Form von Wafern bearbeitet. Diese in verschiedenen Größen und in einer Dicke von weniger als einem Millimeter produzierten Scheiben werden bei der Fertigung in speziellen Kunststoffkassetten gelagert. Während die jeweilige Bearbeitung der Wafer bereits größtenteils automatisiert erfolgt – insgesamt sind weit über 100 Prozessschritte für die Fertigung von Mikrochips notwendig! –, geschieht der Transport von einer Bearbeitungsmaschine zur nächsten sowie die Bestückung der Prozessmaschinen überwiegend noch manuell. 

Woran liegt es, dass in der Praxis bis dato kaum automatisierte Transportlösungen und damit eine effizientere Verknüpfung der einzelnen Bearbeitungsstationen zu finden sind? Einerseits ist dies in der herausfordernden Umgebung begründet, andererseits sind es die schwierigen Rahmenbedingungen. So gelten für die Herstellung der hochsensiblen Halbleiter zum Beispiel höchste Anforderungen an Klima, Sauberkeit und Funktionalität im Fertigungsprozess. Diese sind ausschließlich im Reinraum gegeben. Neben der Luftreinheit, die mit aufwendigen und Energie-intensiven Klimaanlagen und mehrstufiger Filterung sicherzustellen ist, sind spezielle Arbeitsmittel und Werkzeuge sowie die entsprechende Arbeitstechnik erforderlich, um die spezifizierten Reinheitsklassen einzuhalten. Eine weitere Herausforderung ist die hohe Empfindlichkeit der Wafer. Aufgrund ihrer Beschaffenheit sind die Bauteile sehr anfällig für mechanische Schäden, beispielsweise durch Vibrationen oder Druck. 

Theoretisch bestünde zwar eine Möglichkeit darin, für den automatisierten Transport der Kassetten die Produktionsstätten komplett abzureißen, neu zu errichten und auf statische Transportlösungen wie etwa Linearportale zu setzen. Die Hersteller haben aber massiv in ihre bestehende Fertigung investiert. Daher ist dieses Szenario allein schon aus Kostengründen in der Realität keine Alternative. Gleiches gilt für einen großflächigen Umbau. Eine automatisierte Lösung für die Verknüpfung der einzelnen Produktionsschritte müsste sich folglich in eine bestehende Produktionsumgebung integrieren lassen, die wichtigsten Eigenschaften von Mensch und Maschine miteinander verbinden und gleichzeitig die Herausforderungen minimieren, die der menschliche Einsatz mit sich bringt. Denn trotz Reinraum-Ausrüstung besteht immer die Gefahr für den Eintrag von Partikeln. Außerdem garantiert auch die sorgfältigste manuelle Handhabung keine verlustfreie Fertigung. Angesichts der hohen Kosten eines Wafers summieren sich die Kosten solcher Fehler schnell auf enorme Beträge.