실리콘 웨이퍼는 협업이 잘 이루어지는 제품이 아닙니다: 최대 40 마이크로미터의 두께로 다수의 실리콘 웨이퍼는 머리카락 한 올보다 얇지만, 그 직경은 150~300mm로 피자 한 판의 크기와 비슷합니다. 매우 깨지기 쉬운 재료로, 손에 쥐기도 어려운 물질입니다. 총 카트리지 당 중형급 차 한 대의 가치를 지닌 이러한 민감한 실리콘 웨이퍼가 칩이 되려면 생산에서 최대 1,200개의 공정 단계를 거쳐야 합니다. 그리고 매번 다른 자동 처리 스테이션으로 운송되어야 합니다.LBR iiwa CR과 같은 로봇에게 이 작업은 어렵지 않은 일입니다. 오스트리아 필라흐(Villach)의 Infineon 공장에서는 자동차, 스마트 폰, 냉장고 또는 서버 팜 및 기관차용 구동 장치에 사용되는 것과 같은 전력 반도체가 생산됩니다.
민감한 실리콘 웨이퍼는 총 카트리지 당 중형급 차 한 대의 가치를 지니고 있습니다.
생산 시에는 수술실보다 더한 청결이 요구됩니다.
Infineon 사는 필라흐 공장의 17번 홀에서 카테고리 1의 클린룸 환경에서 칩을 생산합니다. 제조 요건과 관련하여 이는 28리터의 공기 안에 한 개 이상의 먼지 입자가 있어서는 안 되는 것을 의미합니다. 이는 수술실 내에 허용된 먼지 입자의 양보다 훨씬 적은 조건입니다. 비교해보자면 특히 맑은 것으로 여겨지는 산 공기에는 동일한 양의 공기에 약 10만 개의 입자가 떠다닙니다. 즉, 그 직원들에게 이는 생산 라인에 접근하려면 오직 특수한 순백색 전신 보호복을 입고 특수 에어 록을 통해서만 가능하다는 말입니다. 그리고 비듬 등의 이물질이 밖으로 빠져나가지 않도록 피부와 머리카락을 완전히 덮어야 합니다. 랩톱 및 기타 기술적 장치는 먼저 꼼꼼한 청소를 거쳐야합니다.
필라흐(Villach)의 Infineon 사에서는 LBR iiwa CR 타입의 17대의 클린룸 로봇이 사용되고 있습니다.
클린룸 로봇은 웨이퍼 핸들링 시 안전한 상호작용을 보장합니다.
필라흐(Villach)에 위치한 Infineon Technologies Austria의 AMHS (Automated Material Handling System) 부문 자동화 팀의 팀장인 마르틴 모저(Martin Moser)는 “매우 민감한 이 웨이퍼 생산 조건을 감안할 때 우리는 여기서 사용될 운송 기술에 대해 신중하게 생각해야 합니다.”라고 말합니다. “웨이퍼 생산 라인에 다양한 이동 장치와 사람이 항상 이동하기 때문에 매우 작고 민감하며 사람과 기계 간의 안전한 상호 작용을 위해 설계된 로봇만이 자동화에서 사용될 수 있습니다. 더구나 그 전체 상호 작용에 보호 울타리가 필요하지 않아야 합니다”라고 이 개발 엔지니어는 부언합니다.”
웨이퍼 핸들링 시 보호 펜스가 필요하지 않은 감응형 LBR iiwa CR
시스템 파트너와의 협력을 통한 솔루션
“이러한 로봇을 찾던 중 KUKA Cobot을 알게 되었습니다”.ISO3에 따라 이 로봇을 클린룸 웨이퍼 처리를 위한 매우 특별한 요건에 적합하게 만드는 일은 Infineon의 자동화 전문가들이 시스템 파트너와 긴밀히 협력해야 하는 매우 집중적인 학습 과정이었다고 합니다. KUKA 외에도 조립, 배선 및 생산 라인 시공을 담당하는 Mechatronic Systemtechnik GmbH의 전문가들과 시스템 제어를 맡은 Micado Automation GmbH의 프로그래머들이 있었습니다.
“당시에는 우리에게 웨이퍼 생산 로봇에 대한 청사진이 없었습니다. 우리는 공동으로 이 시스템을 우리의 필요에 정확히 맞추어 조율했습니다. 그것은 우리와 KUKA 모두에게 진정한 개척 작업이었습니다”라고 모저(Moser)는 전합니다. 이 노력에는 경량 로봇을 클린룸과 호환되도록 만드는 작업도 포함됩니다. 그것은 KUKA 로봇에게도 “새로운 도전 영역”이었습니다. 모저(Moser)는 “참여하는 모든 사람의 건설적이고 솔루션 지향적 협력은 우리가 이제 자동화된 칩 생산을 위한 이상적 운반 솔루션을 갖게 된 데 크게 기여했습니다.”라고 부언합니다.
리자 에브너(Lisa Ebner)는 초기부터 클린룸 로봇을 자동화 된 생산 공정에 통합하는 작업을 함께 이끌어왔습니다.
웨이퍼 핸들링 시 정밀 작업을 위한 완벽한 작업 반경
오늘날 다수의 클린룸에서 17대의 LBR iiwa CR 로봇이 1년 365일 24시간 작업을 수행하고 있습니다. “이 제품은 매우 콤팩트하고 이동성이 뛰어나며 최대 14kg의 가반하중을 처리할 수 있으며 진동없이 작업할 수 있고, 그리퍼를 사용하여 아주 좁은 공간에서도 정밀하게 작업을 수행할 수 있습니다”라고 모저(Moser)는 클린룸 로봇의 장점을 설명합니다. 특히 상응하는 작업 반경을 지닌 부가적인 제7축은 기존 6축 로봇으로는 불가능했던 미세하고 각진 동작을 실행할 수 있게 해줍니다.
실리콘 웨이퍼를 정밀하게 가공 챔버에 배치하는 KUKA 로봇
고도의 정밀 작업의 완벽성
이런 방식으로 클린룸 로봇은 낮은 소음을 내며 귀중한 실리콘 웨이퍼로 가득 찬 검정색 카트리지를 개별 가공 단계로 운반하고 각 가공 챔버로 정밀하게 삽입한 다음 웨이퍼를 다시 픽업합니다. “처음부터 우리는 다른 것이 아닌 필라흐에서의 생산을 위한 맞춤형 솔루션을 만들기를 원했습니다”라고 마르틴 모저(Martin Moser)는 설명합니다. “그래서 우리는 시스템 통합 작업을 직접 착수했습니다. 이 당시 우리에게는 KUKA 개발자와의 직접적인 교류가 매우 중요했습니다. 무엇보다도 우리가 전체 시스템을 어떻게 설정할지 그리고 그 후에 계속 시스템에 '티칭'을 어떻게 할지에 대해 자문이 필요했습니다.”
실리콘 웨이퍼로 가득 찬 검정색 카트리지를 개별 가공 단계로 운반하는 클린룸 로봇
마이크로 칩 생산에서 실현 가능한 것과 필요한 것의 적절한 균형
마르틴 모저의 팀에서 리자 에브너는 로봇을 실리콘 웨이퍼의 자동화 된 생산 공정에 통합하는 작업을 처음부터 함께 이끌어왔습니다. 리자 에브너는 클린룸 로봇의 진정한 팬입니다. “LBR iiwa CR을 처음 보았을 때 저는 완전히 매료되었습니다. 저는 로봇의 부드럽고 조화로운 동작을 몇 시간 동안 지켜볼 수도 있었을 정도입니다.” 이 자동화 전문가는 지속해서 생산 통로를 바삐 돌아다니며 제어 센터에서 시스템을 확인하고 완벽한 생산을 달성하기 위한 추가적 가능성을 찾고 있습니다. “공정 최적화 시 기술적, 물리적으로 가능한 것과 우리 생산 목적에 합당한 것 사이의 적절한 균형을 찾아야 합니다. 우리는 항상 경제적인 생산에 적합한 척도를 찾아야 합니다.”
경제적인 생산을 위해 Infineon 사는 가능한 것과 합리적인 것 사이에서 올바른 척도를 찾으려 항상 노력하고 있습니다.
반도체 제조의 미래를 위한 배움의 과정
“우리가 지금 배우는 모든 것이 우리를 반도체 제조에서 한 단계 높은 수준의 자동화로 나아가게 합니다”라고 필라흐에 위치한 Infineon Austria의 생산 관리자인 베른트 슈타이너(Bernd Steiner)는 말합니다. 이 기업은 필라흐(Villach) 공장에 16억 유로를 투자하고 있습니다. 2021년 말에 전력 반도체가 이곳에서 완전 자동으로 생산될 예정입니다. 슈타이너는 “스마트 팩토리에서 우리의 목표는 정확히 필요한 곳에 역량을 쏟는 것입니다”라고 부언합니다.
스마트 폰, 가전제품 및 자동차와 같은 일상적인 용도뿐만 아니라 데이터 서버, 의료 기기, 태양열 시스템 및 산업 시스템에서도 사용되는 미래의 에너지 절약 칩을 위한 노력 이것이 우리의 삶을 더 편리하고 안전하게 친환경적으로 만들 수 있습니다.
