Automatisiertes Testwafer-Handling in der Halbleiterfertigung

In der Halbleiterfertigung binden Test- und Kalibrierprozesse eine Menge an Ressourcen. Um an dieser Stelle die Komplexität zu verringern und die Effizienz zu erhöhen, hat Fabmatics das Test Wafer Center (TWC) entwickelt. Die Reinraumanlage automatisiert die Identifikation, Sortierung und Lagerung von Testwafern. Gesteuert von einem Embedded-PC der CX-Serie von Beckhoff werden sämtliche Aufgaben von der Robotik bis zur IT-Anbindung auf einer durchgängigen Plattform vereint. Anlagenbetreiber profitieren von reduzierten Rüstzeiten, lückenloser Traceability und deutlich mehr Gesamtanlageneffektivität.

Die globale Halbleiterindustrie verzeichnet einen ungebrochenen Bedarf an Mikrochips. Um die Qualität und einen hohen Yield in der Halbeiterfertigung sicherzustellen, unterliegen die Fertigungsanlagen strengen Kalibrierungs- und Überwachungsprozessen. Hier kommen sogenannte Testwafer zum Einsatz, die Prozessstationen durchlaufen, um vorgegebene Parameter zu verifizieren. Erst dann können die regulären Wafer bearbeitet werden. In modernen Halbleiterfabriken machen Testwafer bis zu fünfzig Prozent des im Umlauf befindlichen Waferbestands aus. Die Logistik und Verwaltung sind entsprechend aufwendig. Genau an diesem Punkt setzt der Automatisierungsspezialist Fabmatics an. Das Unternehmen verfügt über jahrzehntelange Automatisierungserfahrung im Reinraum und liefert weltweit Systeme, die Waferkassetten automatisch identifizieren, transportieren, handhaben und lagern. Das neu entwickelte TWC fungiert innerhalb der Intralogistik als zentraler Knotenpunkt für Testwafer. Es automatisiert die Zusammenstellung, Zwischenlagerung und Umsortierung von Testwafern in den Kassetten, um deren Just-in-Time-Lieferung an die Prozessstationen sicherzustellen.

Risikominimierung durch Automatisierung

Die Werte, die in der Halbleiterfertigung gehandhabt werden, sind beachtlich. „Der Wert einer vollbestückten Wafer-Kassette übersteigt schnell die Anschaffungskosten des mobilen Roboters, der sie transportiert“, bringt es Carsten Grunert, Gruppenleiter Produktentwicklung bei Fabmatics, auf den Punkt. „Deswegen hat die Prozesssicherheit in der Anlage oberste Priorität.“ Die Bereitstellung der Testwafer erfolgte in vielen Fabriken bislang per Hand oder über fragmentierte, schwer zu integrierende Teilsysteme. „Doch je weniger manuelle Eingriffe im Reinraum, desto geringer sind Fehlerquellen und Kontaminationsrisiken“, fährt Michael Neumann, bei Fabmatics unter anderem auf SPS-Entwicklung spezialisiert, fort. „Durchgängige Automatisierung führt am Ende des Tages zu einer steigenden Ausbeute an funktionierenden Chips.“ Beschädigungen durch unsachgemäßes Handling, Verunreinigungen oder schlichte Zuordnungsfehler führen also schnell zu hohen finanziellen Verlusten und empfindlichen Verzögerungen im Produktionsablauf. Generell ist der Faktor Zeit in der Halbleiterfertigung äußerst kritisch. Besonders nach planmäßigen Wartungsintervallen müssen die Prozessanlagen schnellstmöglich durch die Testwafer requalifiziert werden.

Zentrale Steuerung für komplexes Handling

Um den Prozess vollständig zu automatisieren, hat Fabmatics das TWC für 200mm-Halbleiterfabriken als integriertes System mit kompakten Abmessungen von rund 2,8 x 2 m konzipiert. Die Anlage fasst bis zu 93 Lagerplätze (das entspricht 2.325 Wafern) sowie 14 Handhabungsplätze für Waferkassetten. Den mechatronischen Kern bilden ein Sechsachs-Roboter für das Handling der Kassetten sowie ein SCARA-Roboter, der das filigrane Umsetzen der einzelnen Wafer übernimmt. Auf Seite der Automatisierung vertraut Fabmatics vollständig auf PC-based Control von Beckhoff. Als zentraler Controller fungiert ein lüfterloser Embedded-PC CX2043, der die gesamte Steuerungslogik und Kommunikation sowie die Integration von Antriebstechnik, Bildverarbeitung und Robotik auf einer kompakten Hardwareplattform bündelt. Die physikalische Anbindung der Peripherie erfolgt dezentral über EtherCAT-Koppler EK1100 und verschiedene EtherCAT-Klemmen der EL-Serie. EtherCAT-Abzweige sorgen für eine strukturierte, ausfallsichere Netzwerktopologie. Die harte Echtzeitfähigkeit des Kommunikationsprotokolls ermöglicht eine hochdynamische Synchronisierung der Roboter mit den unterlagerten Prozessen. Das TWC integriert zudem RFID-Lesegeräte zur eindeutigen Identifikation der Kassetten sowie kamerabasierte Systeme für die Roboterpositionierung.

IT-Konvergenz und Software-Engineering

Ein großer Vorteil der Beckhoff Architektur liegt für Fabmatics in der Durchgängigkeit der Automatisierungssoftware TwinCAT 3. Sie verwandelt den Embedded-PC in eine Multitasking-Echtzeitsteuerung, in der sich die komplette Konfiguration, die SPS-Programmierung und die Diagnose unter einem Dach befinden. Anstatt isolierte Systeme zu koppeln, programmiert Fabmatics die gesamte Automatisierung in einer einheitlichen Entwicklungsumgebung. Das eliminiert Schnittstellenverluste und vereinfacht das Anlagendesign. Als essenziell erachtet Fabmatics zudem die Integration moderner IT-Werkzeuge. „Um zeitgemäßes Programmieren zu ermöglichen, muss Code heute versionierbar sein“, betont Michael Neumann. „Durch die Anbindung von Tools wie Git ermöglicht TwinCAT das parallele, teamübergreifende Arbeiten an Steuerungsprojekten.“ Darüber hinaus macht diese Lösung den Quellcode nachverfolgbar, erhöht die Wiederverwendbarkeit von Funktionsbausteinen und steigert die generelle Engineering-Effizienz. Auch die funktionale Sicherheit ist bei Fabmatics nahtlos integriert. Das TWC nutzt TwinSAFE-Klemmen in Kombination mit Safety over EtherCAT (FSoE), um sicherheitsgerichtete Signale direkt über das Standardnetzwerk zu übertragen. „Die ehemals getrennten Welten von Automatisierung und Sicherheitstechnik verschmelzen, was die fehleranfällige Einzeladerverdrahtung überflüssig macht, den Platzbedarf im Schaltschrank reduziert und die Kosten senkt“, so Carsten Grunert.

Gemeinsam zu neuen Herausforderungen

Die Implementierung des automatisierten Test Wafer Centers generiert einen direkten, betriebswirtschaftlichen Mehrwert für Halbleiterproduzenten. Die Just-in-Time-Lieferung von passend konfigurierten Testwafer-Losen eliminiert manuelle Such- und Sortierzeiten. Nach Wartungsarbeiten stehen die benötigten Kalibrierwafer verzögerungsfrei an den Prozessstationen zur Verfügung, was Ausfallzeiten verringert und den Output der Fabrik stabilisiert. Gleichzeitig treibt das vollautomatisierte Handling die Fehlerquote auf ein Minimum. Die lückenlose Traceability jedes Wafers schließt Verwechslungen aus.

In diesem Sinne belegt das TWC eingängig, wie PC-basierte Steuerungstechnik die hohen Anforderungen der Halbleiterindustrie meistert und gleichzeitig Potenzial für Prozessoptimierungen erschließt. Die Zusammenarbeit von Fabmatics und Beckhoff entwickelt sich dabei stetig weiter. „Neben der klassischen Steuerungstechnik integrieren wir in neuen Applikationen auch immer mehr Antriebstechnik von Beckhoff“, verrät Michael Neumann, „von den hochdynamischen Servoverstärkern der AX8000-Baureihe über kompakte Servomotor-EtherCAT-Klemmen der ELM72xx-Serie bis hin zu den dazugehörigen Motoren.“ Der Blick in die Zukunft richtet sich bei Fabmatics auf Technologien wie KI-unterstützte Codegenerierung, den Einsatz digitaler Zwillinge und erweiterte Security-Konzepte. „Da Beckhoff unser Haus- und Hof-Lieferant für Automatisierung ist, werden wir bei den kommenden Herausforderungen sicherlich auch wieder auf den kontinuierlich wachsenden Baukasten von PC-based Control zugreifen“, zieht Carsten Grunert sein Fazit.