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Cobots: Die neue Art des Wafer-Handling im Reinraum

Cobots halten Einzug in den Reinraum der Elektronikindustrie. Beim Wafer-Handling punkten sie beim Kunden mit Verlässlichkeit sowie höchsten Qualitäts- und Sicherheitsstandards. Cobots heben die Automatisierung unter Reinraumbedingungen somit auf ein neues Level.

Beim KUKA Kunden Infineon sorgen 17 sensitive Wafer-Handling-Roboter für Effizienz und Sicherheit

Nein, Silizium-Wafer sind kein wirklich kollaboratives Produkt: Mit bis zu 40 Mikrometern sind viele Silizium-Wafer dünner als ein Haar und haben dabei doch einen Durchmesser von 150 bis 300 Millimetern, der an die Größe einer Pizza heranreicht. Ein hochzerbrechliches Material, das kann und will man nicht in der Hand halten. Damit aus diesen empfindlichen Silizium-Wafern, die zusammen pro Kassette den Wert eines Mittelklasse-Autos haben können, Chips werden, müssen sie in der Herstellung bis zu 1.200 Prozessschritte durchlaufen. Und dabei jedes Mal zu einer anderen automatisierten Bearbeitungsstation transportiert werden. Ein klarer Fall für einen Cobot wie den LBR iiwa CR. Am Infineon-Standort im österreichischen Villach werden solche Leistungshalbleiter produziert, wie sie beispielsweise im Auto, im Smartphone, Kühlschrank oder in Serverfarmen und Antriebseinheiten von Lokomotiven verwendet werden.

Die empfindlichen Siliziumwafern können zusammen pro Kassette den Wert eines Mittelklasse-Autos haben.

Bei der Herstellung der Wafer geht es sauberer zu als im Operationssaal

In Halle 17 des Villacher Werkes produziert Infineon Chips in einer Reinraumumgebung der Kategorie 1. Bezüglich der Anforderungen an die Herstellung heißt das: In 28 Litern Luft darf sich nicht mehr als ein Staubpartikel befinden. Das ist deutlich weniger, als in einem Operationssaal erlaubt ist. Zum Vergleich: In der als besonders klar geltenden Bergluft schwirren bei einem solchen Volumen rund 100.000 Partikel herum. Für die Mitarbeiter heißt dies: Zugang zur Herstellung nur in speziellen, blütenweißen Ganzkörperschutzanzügen über eine spezielle Luftschleuse. Haut und Haare müssen vollständig bedeckt sein, so dass keine Schuppe nach außen dringen kann. Laptops und andere technische Geräte müssen vorher eine penible Reinigung durchlaufen.

Bei Halbleiter-Hersteller Infineon in Villach kommen 17 Reinraum-Cobots vom Typ LBR iiwa CR zum Einsatz.

Reinraum-Robotik sorgt für gefahrloses Miteinander beim Wafer-Handling

„Wir müssen uns bei diesen äußerst sensiblen Produktionsbedingungen für unsere Wafer sehr genau überlegen, welche Transporttechnik wir hier zum Einsatz bringen“, erklärt Martin Moser, Team-Leiter Automatisierung im Bereich AMHS (Automated Material Handling System) bei Infineon Technologies Austria in Villach. „Nachdem in der Silizium Wafer-Produktion verschiedene mobile Einheiten und immer auch Menschen unterwegs sind, kommen für die Automation nur Roboter in Frage, die extrem kompakt, sensitiv sowie für ein gefahrloses Miteinander von Mensch und Maschinen ausgelegt sind. Und das ganz ohne Schutzumzäunung.

Mobiler-Cleanroom-Cobot-transportiert-Elektronikbauteile-und-sensible-Wafer — Der sensitive LBR iiwa CR benötigt bei der Handhabung von Wafern keinen Schutzzaun.

Hand in Hand mit den Systempartnern zur Lösung

„Auf der Suche danach sind wir auf KUKA Cobots aufmerksam geworden“, berichtet der Entwicklungsingenieur. Diese Roboter gemäß ISO 3 für die sehr speziellen Anforderungen ans Waferhandling im Reinraum fit zu machen, sei ein überaus intensiver Lernprozess gewesen, bei dem die Automatisierungsexperten von Infineon Hand in Hand mit ihren Systempartnern gearbeitet hätten. Neben KUKA waren dies vor allem Experten der Mechatronic Systemtechnik GmbH für den Zusammenbau, die Verkabelung und den Aufbau in der Produktion sowie die Programmierer von der Micado Automation GmbH für die Anlagensteuerung.

„Es gab für uns damals keine Blaupause für den Roboter in der Waferherstellung. Gemeinsam haben wir die Systeme genau auf unsere Bedürfnisse abgestimmt. Das war echte Pionierarbeit, für uns genauso wie für KUKA“, berichtet Moser. Dazu habe gehört, die kollaborative Roboter reinraumfähig zu machen. Das sei auch für die KUKA Roboter noch „Neuland“ gewesen. „Das konstruktive, lösungsorientierte Miteinander aller Beteiligten hat maßgeblich dazu beigetragen, dass wir nun eine ideale Transportlösung für die automatisierte Chip-Produktion haben“, so Moser.

Lisa Ebner hat die Integration der Reinraum-Cobots in den automatisierten Produktionsprozess von Anfang an mitbetreut.

Perfekte Reichweite für die Millimeterarbeit beim Wafer-Handling

Heute verrichten in mehreren Reinräumen 17 LBR iiwa CR Cobots ihren Dienst – rund um die Uhr, 365 Tage im Jahr. „Sie sind sie extrem kompakt, beweglich, können bis zu 14 Kilogramm Traglast bewältigen, arbeiten ohne Vibrationen und verrichten mit ihrem Greifer millimetergenaue Arbeiten selbst auf engstem Raum“, erklärt Moser die Vorzüge der Reinraum-Roboter. Speziell ihre zusätzliche siebte Achse mit entsprechender Reichweite erlaube es, feinfühlige und verwinkelte Bewegungen ausführen, die mit „konventionellen“ 6-achsigen Robotern nicht möglich seien.

Millimetergenau legt der KUKA Roboter die Siliziumwafer in die Bearbeitungskammer.

Perfektion in der Millimeterarbeit ist enorm hoch

So transportieren die Reinraum-Cobots leise surrend schwarze Kassetten voller wertvoller Silizium-Wafer zu den einzelnen Bearbeitungsschritten, führen sie millimetergenau in die jeweiligen Bearbeitungskammern ein und holen die Wafer anschließend wieder ab. „Wir wollten von Anfang an eine passgenaue Lösung für unsere Fertigung in Villach. Etwas anderes kam für uns nicht infrage“, erklärt Martin Moser. „Die Integration der Systeme haben wir daher selbst übernommen. Dabei war uns der direkte Austausch mit den KUKA Entwicklern sehr wichtig – vor allem mit Blick darauf, wie wir das Gesamtsystem einrichten und wie es danach weiter ‚lernt‘.“

Die Reinraum-Cobots transportieren schwarze Kassetten voller Silizium-Wafer zu den einzelnen Bearbeitungsschritten.

Richtige Balance zwischen dem Machbaren und Notwendigen für die Produktion der Mikrochips

Im Team von Martin Moser hat Lisa Ebner die Integration der Roboter in den automatisierten Herstellungsprozess der Silizium-Wafer von Anfang an mitbetreut. Lisa Ebner ist ein echter Fan der Reinraum-Roboter: „Als ich den LBR iiwa CR zum ersten Mal sah war ich gleich total fasziniert: Ich hätte mir stundenlang die weichen, harmonischen Bewegungen vom Roboter anschauen können.“ Die Automatisierungsexpertin ist ständig in den Produktionsgassen unterwegs, checkt am Leitstand die Systeme und sucht nach weiteren Möglichkeiten zum Perfektionieren der Produktion. „Bei der Optimierung müssen wir die richtige Balance finden zwischen dem, was technisch-physikalischen möglich ist, und dem, was für unsere Produktionszwecke sinnvoll ist. Wir müssen immer das für eine wirtschaftliche Waferherstellung richtige Maß finden.“

Für eine wirtschaftliche Fertigung muss Infineon immer das richtige Maß finden zwischen dem Möglichen und dem Sinnvollen.

Lernfortschritt für die Zukunft der Halbleiterfertigung

„Alles was wir jetzt lernen, bringt uns weiter. Zur nächsthöheren Ebene der Robotisierung in der Halbleiterfertigung“, sagt Bernd Steiner, Produktionsleiter bei Infineon Austria in Villach. 1,6 Milliarden Euro investiert das Unternehmen in seinen Villacher Standort. Ende 2021 sollen hier Leistungshalbleiter vollautomatisiert produziert werden. „Unser Ziel ist es, in der Smart Factory die Leistung punktgenau dahin zu bringen, wo sie gebraucht wird“, erklärt Steiner.

Für Energiesparchips von morgen, wie sie in vielen Anwendungen des Alltags wie Smartphones, Haushaltsgeräten und Autos, aber auch in Datenservern, medizintechnischen Geräten, Solar- und Industrieanlagen zum Einsatz kommen. Damit sie unser Leben einfacher, sicherer und umweltfreundlicher machen.

Bernd Steiner, Produktionsleiter bei Infineon Austria in Villach