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.
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.
Die Produktion von Halbleitern erfordert Dutzende von Produktionsschritten – die Verknüpfung der einzelnen Schritt geschieht heute noch manuell.
© iStockDie 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.
Die Anforderungen an ein automatisiertes Handling
Neben der nötige Sensitivität, um mit der geforderten Feinfühligkeit die Handling-Aufgaben übernehmen zu können, ist also idealerweise eine modulare mobile Lösung gefragt, die sich in eine bestehende Produktionsumgebung integriert und es erlaubt, die Wafer-Kassetten autonom von einem Prozessschritt zum nächsten zu transportieren und dabei die jeweiligen Maschinen eigenständig be- und entlädt. Als Herausforderung kommt noch hinzu, dass in der bestehenden Produktionsumgebung die Bearbeitung der Wafer nur selten linear erfolgt – die einzelnen Bearbeitungsmaschinen stehen nicht zwangsweise direkt nebeneinander, sondern häufig weit voneinander entfernt.
Die Kombination von mobiler Plattform und Leichtbauroboter lässt sich effizient auch in bestehende Produktionsumgebungen integrieren.
© KukaMit der ‚Wafer Handling Solution‘ hat Kuka eine solche Applikation entwickelt – bestehend aus einem standardisierten Automated Guided Vehicle (AGV), einem Leichtbauroboter vom Typ LBR iiwa sowie einem speziell für diese Zwecke konzipierten Greifersystem. Für die Mobilität sorgt die Plattform KMR 200 CR mit ihren Mecanum-Rädern. Diese bestehen jeweils aus zwei Felgen und neun freilaufenden Rollen, die in einem 45°-Winkel montiert sind. Die Räder bewegen sich unabhängig voneinander, sodass sich das Fahrzeug nicht nur vorwärts und seitwärts, sondern auch diagonal und im Kreis bewegen kann. Jedes einzelne Rad wird dabei von einem eigenen Elektromotor angetrieben.
Die Sicherheit der Plattform gewährleisten zahlreiche Sensoren, die ihre Umgebung in Echtzeit wahrnehmen und so Kollisionen mit Gegenständen, anderen mobilen Plattformen oder gar dem Menschen vermeiden. Dazu stecken Lasersensoren mit frei konfigurierbaren Warn- und Sicherheitsfeldern zur Absicherung von Zugangsbereichen rund um die Plattform ein virtuelles Schutzfeld ab – unterteilt in ein inneres Sicherheits- und ein äußeres Warnungsfeld. Gelangt ein Mensch in das Warnungsfeld, drosselt die Plattform die Geschwindigkeit. Befindet sich ein Mensch im Sicherheitsfeld, stoppt die Plattform augenblicklich. Um den Reaktions- und Bremszeiten Rechnung zu tragen, sind die Felder bei höheren Geschwindigkeiten größer; bewegt sich die Plattform langsam, sind sie kleiner. Die Sensoren sind so entwickelt, dass eine Bodenmarkierung, an der sich der mobile Roboter orientieren könnte, nicht nötig ist. Der Mobilroboter bewegt sich damit völlig autonom. Daneben sind an der Plattform sogenannte Anti-Fall-Down-Sensoren verbaut. Diese erkennen mittels Laser-Abtastung Hindernisse – beispielsweise in Form von offenen Bodenplatten in den typischen Doppelbodenfluren der Halbleiterfertigung.
Die zweite wichtige Komponente der Plattform ist der zur Mensch-Roboter-Kollaboration fähige Leichtbauroboter mit einer Traglast von bis zu 14 kg. Die Sensitivität des Roboters ermöglicht zum einen die sichere und damit schutzzaunlose Zusammenarbeit mit den Werkern. Zum anderen ist er in der Lage, die sensiblen Wafer-Kassetten sicher und erschütterungsfrei zu handhaben. Sowohl der Leichtbauroboter als auch die mobile Plattform verfügen über die Reinraum-Klasse ISO 3. Sie sind damit für die Nutzung im sensiblen Umfeld der Wafer-Fertigung zertifiziert. Zusätzlich ist das Komplettsystem nach UL1740, UL1998 sowie den aktuellen SEMI-Standards zertifiziert.
Die dritte Komponente der Applikation ist ein maßgeschneiderter Greifer. Für das sichere Handling unterschiedlich großer Wafer-Kassetten ist er zudem mit Features wie einem Erdbebenschutz, Stapel- und Bestückungssensoren sowie einer Kamera ausgestattet. Konkret lassen sich mit dem Greifer-System Kassetten mit einem Durchmesser von 200 mm – die sogenannten PODs – sowie mit einem Durchmesser von 300 mm – den FOUPs – sicher greifen. Ein Lagersystem, in das die Kassetten während des Transports zur nächsten Maschine gestapelt werden, komplettiert die Hardware.
Flottenmanagement per Software
Neben der auf die Bedürfnisse der Halbleiterindustrie abgestimmten Hardware kommt der softwareseitigen Integration der Applikation in den bestehenden Maschinenverbund eine große Rolle zu. Über die standardisierten E82- und E84-Schnittstellen fügt sich die ebenfalls von Kuka stammende Software nahtlos in das Manufacturing Execution System der Halbleiterproduzenten ein. Der integrierte Flottenmanager verwertet dabei eingehende Transportaufträge entsprechend der Fahrzeugverfügbarkeit, der vorgegebenen Prioritäten und der Wegstrecken, um die Produktion optimal zu bedienen. Es spielt dabei keine Rolle, ob es sich um Single-Robot-Lösungen handelt – also um ein Fahrzeug pro Fertigungslinie –, oder Multi-Robot-Lösungen, bei der es mehrere Fahrzeuge pro Fertigungslinie gibt.
Darüber hinaus ermöglicht das System die Co-Existenz zwischen Fahrzeug und Mitarbeiter. Grundlage dafür sind ausgereifte Error-Handling- und Sicherheitskonzepte, wenn es zur Interaktionen zwischen Mensch und Maschine kommt. Last but not least sind sämtliche Roboterarmbewegungen katalogisiert und für die Anforderungen in einer Chip-Produktion standardisiert, was am Ende des Tages zu extrem kurzen Inbetriebnahmezeiten führt.
Autor:
Ralf Ziegler ist Business Development Manager Electronics bei Kuka.
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