Mobiler Roboter für die Halbleiterfertigung - Bildverarbeitung für den Transport hoch empfindlicher Wafer

Mit der „Semi Mobility Solution“ hat KUKA einen entscheidenden Schritt in der Automatisierung der Halbleiterproduktion vollzogen. Nicht nur die Einzelschritte der Fertigung erfolgen nun robotergestützt. Ein mobiler Roboter übernimmt auch den Transport der hoch empfindlichen Wafer von Station zu Station. Mit an Bord ist ein ebenso kompaktes wie leistungsfähiges Bildverarbeitungssystem von Cognex.

Mit der Wafer Handling Solution hat KUKA einen mobilen Roboter für den Wafer-Transport zwischen den einzelnen Arbeitsstationen entwickelt

Die Leistungsfähigkeit von Halbleitern gibt den Takt der Innovationen an. Das gilt für die industrielle Automatisierung ebenso wie für die Kommunikation über Handy, Laptop & Co. für die „smarte“ Gebäudetechnik und – Stichwort Konnektivität – für die Automobilindustrie. Und der Markt wächst weiter. 2018 erzielte die internationale Halbleiterindustrie einen Umsatz von 481 Mrd. $, 2022 sollen es laut einer Studie von PwC schon 525 Mrd. $ sein.

Auch die Roboterindustrie profitiert von dieser Entwicklung, weil z.B. die neuesten Generationen von Steuerungen und Controllern zusätzliche Funktionen bieten. Umgekehrt aber beschleunigt die Innovationskraft der Roboterhersteller auch die Effizienz und Produktivität der Mikroprozessor-Hersteller.

Ein Beispiel: KUKA bietet ein breites Programm an extrem flexiblen Robotern, die sich auch schnell an vielseitige Handling-Anforderungen anpassen lassen, denn der Lebenszyklus von Halbleitern ist kurz und der Markt entsprechend volatil.

Mobiles Handlingsystem für den Reinraum
Einzelne Schritte der Produktion lassen sich auf diese Weise sehr gut und auf hohem Qualitätsniveau automatisieren. Eine Ausnahme bildete bislang der Transport der Halbleiter-Substrate (Wafer) von einer Arbeitsstation zur nächsten. Dabei ist die vollständige Automation hier schon deshalb gefragt, weil die Reinraumbedingungen in der „mannlosen Fertigung“ viel besser zu gewährleisten sind. Bislang stand dem aber die mangelnde Präzision entgegen, mit der mobile Roboter verfahren und greifen.

Nun hat KUKA die weltweit erste Lösung aus einer Hand entwickelt, die Halbleiter-Kassetten automatisiert transportieren und handhaben kann: die „Semi Mobility Solution“. Ein Leichtbauroboter der LBR iiwa Serie ist hier auf einem autonomen Fahrerlosen Transportfahrzeug (FTF) vom Typ KMR 200 CR montiert. Das FTF kann auf engstem Raum manövrieren, und für die Handhabung haben die KUKA Ingenieure ein ausgeklügeltes Greifersystem entwickelt.

Systemlösung: FTF plus Roboterarm plus Greifer
Die Semi Mobility Solution fährt zu einem Übergabepunkt, an dem sich Transportboxen für Wafer befinden. Wenn das FTF sein Ziel erreicht hat, ist der Roboterarm in der Lage, mit Hilfe eines integrierten Bildverarbeitungssensors seine Position exakt zu bestimmen und eine Feinkalibrierung vorzunehmen.

Das versetzt den Roboter in die Lage, die Transportbox mit hoher Genauigkeit zu greifen und die sensiblen Wafer erschütterungsfrei in einer Ablage auf der FTF-Plattform abzusetzen. Dabei können Boxen in zwei Größen für Wafer mit 200 oder 300 mm Durchmesser gehandhabt und transportiert werden. Am Ziel angekommen, legt der Roboter die Transportboxen an der jeweiligen Bearbeitungsanlage ab.

Im Raum verfährt die Semi Mobility Solution auf der Basis hinterlegter Ziele, wählt die Route dorthin aber selbst. Möglich wird das durch die Navigierfähigkeit der LBR iiwa Plattform, die sensitiv und sicher autonom unterwegs ist. Das Umgebungstracking wird durch Laserscanner unterstützt. Sie nehmen die Umgebung in Echtzeit wahr und vermeiden so Kollisionen.

Der Greifvorgang selbst wird durch eine Bildverarbeitung geführt

Die sicherheitsgerichtete Umfelderkennung schafft auch die Voraussetzung dafür, dass die Plattform als „Cobot“ (kollaborierender Roboter) ohne Schutzzaun, in unmittelbarer Nähe des Bedienpersonals, eingesetzt werden kann. Der Greifvorgang selbst wird durch eine Bildverarbeitung geführt. Hier ist sehr hohe Präzision und Zuverlässigkeit erforderlich, weil die Wafer sensibel sind. Erschütterungen müssen daher vermieden werden.

Eine Bildverarbeitung vom Typ Cognex In-Sight 2000 übernimmt die Referenzierung und das millimetergenaue Positionieren des Greifers

Bildverarbeitung: Hohe Leistung auf kompaktem Raum
Bei der Auswahl des Bildverarbeitungssystems entschieden sich die KUKA Entwickler für Cognex-Sensoren vom Typ In-Sight 2000. Sie verbinden die Leistung von Bildverarbeitungssystemen mit der Einfachheit und den günstigen Kosten eines Industriesensors. Zudem bieten sie maximale Flexibilität bei der Montage auf kleinstem Raum. Das ist hier eine gefragte Eigenschaft, weil der BVA-Sensor auf dem Roboterarm mitfährt. Deshalb ist auch der minimierte Verkabelungsaufwand des In-Sight 2000 dank einfacher Integration über Ethernet und PoE ein Grund für die getroffene Entscheidung.

Außerdem schätzen die KUKA Ingenieure die Tatsache, dass die Logik beim In-Sight 2000 ins Gerät integriert ist und die Bildverarbeitung sich ganz einfach „teachen“ lässt. Ralf Ziegler, Business Development Manager Electronics bei KUKA: „Vorteilhaft sind auch die umfassenden Kommunikationsmöglichkeiten, die der Sensor bietet, dessen ’eingebaute’ Intelligenz und die gute Programmierbarkeit.“

Wichtig bei mobilem Einsatz: Ein integriertes LED-Licht sorgt für eine gleichmäßige Beleuchtung auch bei wechselnden Umgebungsbedingungen

Ein weiterer Pluspunkt: Das integrierte, zum Patent angemeldete LED-Ringlicht des In-Sight 2000 sorgt für eine gleichmäßige Beleuchtung über das gesamte Bild, unabhängig von der aktuellen Lichtsituation. Das ist gerade bei mobilen Anwendungen wichtig, da nicht überall die gleiche Beleuchtung herrscht und auch Tages- und Jahreszeiten Einfluss auf die Bildqualität nehmen.

Praxisbetrieb: BVA-gesteuerte Feinpositionierung auf den letzten Zentimetern
Im Praxisbetrieb der Semi Mobility Solution fährt der Robotergreifer zunächst an die Transportbox heran. Dann wird die Bildverarbeitung aktiv. Sie erkennt den Offset zum in der Steuerung hinterlegten Zielpunkt und referenziert auf dieser Basis die Position des Greifers, der daraufhin mit der erforderlichen hohen Präzision im Millimeterbereich die jeweilige Transportbox greifen kann. Eine integrierte Kalibrierfunktion gewährleistet ein dauerhaft präzises Positionieren.

KUKA hat die ersten Semi Mobility Solutions bereits an internationale Halbleiter-Hersteller ausgeliefert. Die mobilen Roboter arbeiten unter Reinraumbedingungen und sind hier nach ISO Klasse 3 (IPA), UL 1740 und UL 1998 zertifiziert. Sie können auch im Flottenverbund eingesetzt werden – und greifen, nicht zuletzt dank der „State of the art“-Bildverarbeitung von Cognex, ebenso zuverlässig wie präzise die Boxen mit den hoch empfindlichen Wafern. Damit ist – endlich – ein wichtiger Automatisierungsschritt in der Produktionskette von Mikroprozessoren geschlossen.

Bewährte Kooperation von KUKA und Cognex
Cognex hat KUKA bei der Entwicklung der Semi Mobility Solution unterstützt – durch die Auswahl des Sensors und auch beim globalen Support der Endanwender.

Beim In-Sight 2000 für die Semi Mobility Solution handelt es sich nicht um die erste Zusammenarbeit von KUKA und Cognex. Auch bei den hoch leistungsfähigen „KUKA.VisionTech“ Lösungen für Bildverarbeitungsalgorithmen, die KUKA entwickelt hat, kommen Sensor- und Kamerasysteme von Cognex zum Einsatz. Sie ermöglichen z.B. eine zuverlässige Qualitäts- oder Vollständigkeitskontrolle von Bauteilen auch in unstrukturierten Umgebungen.

KUKA schätzt an der Kooperation mit Cognex nicht nur die leistungsfähigen Produkte und Lösungen, sondern auch die unkomplizierte Zusammenarbeit und die weltweite Präsenz. Ralf Ziegler: „Mit unserem Partner Cognex können wir global unseren Kunden und Integratoren gute Lösungen und umfassenden Support anbieten. Sollten Ersatzteile benötigt werden, kann Cognex innerhalb kürzester Zeit unsere Kunden und Integratoren beliefern.“