Die neue Art der Mensch-Maschinen-Interaktion im Reinraum

Cobots halten Einzug in die Reinräume der Elektronikindustrie. In der Halbleiterproduktion punkten sie mit Verlässlichkeit und höchsten Qualitätsstandards. / Cobots enter the cleanrooms of the electronics industry. In the production of semiconductors, they score high in reliability as well as top quality standards.

Die empfindlichen Siliziumwafern können zusammen pro Kassette den Wert eines Mittelklasse-Autos haben. / Each cassette full of the sensitive silicon wafers can have the value of a mid-range car.

Die Reinraum-Roboter transportieren schwarze Kassetten voller Silizium-Wafer zu den einzelnen Bearbeitungsschritten. / The cleanroom robots transport black cassettes full of silicon wafers to the individual processing steps.

Millimetergenau legt der KUKA Roboter die Siliziumwafer in die Bearbeitungskammer. / The KUKA robot places the silicon wafers into the processing chamber with millimeter precision.

Bei Infineon in Villach kommen 17 Reinraum-Roboter vom TYP LBR iiwa CR zum Einsatz. / At Infineon in Villach, Austria, 17 cleanroom robots of type LBR iiwa CR are in use.

Für eine wirtschaftliche Produktion muss Infineon immer das richtige Maß finden zwischen dem Möglichen und dem Sinnvollen. / For cost-effective production, Infineon must always find the right mix of what is possible and what is reasonable.

Der sensitive LBR iiwa CR benötigt beim Wafer-Handling keinen Schutzzaun. / The sensitive LBR iiwa CR does not require safety fencing during wafer handling.

Lisa Ebner hat die Integration der Reinraum-Roboter in den automatisierten Produktionsprozess von Anfang an mitbetreut. / Lisa Ebner has been involved in the integration of the cleanroom robots into the automated production process from the very beginning

Cobots heben die Automatisierung im Reinraum auf ein neues Level. In der Produktion von mikrometerdünnen Chips sorgen bei Infineon in Villach 17 sensitive KUKA Leichtbau-Roboter im gefahrlosen Miteinander von Mensch und Maschine für mehr Effizienz und Sicherheit bei der Herstellung der ebenso wertvollen wie hochzerbrechlichen Wafer.

Nein, diese Siliziumscheiben sind kein wirklich kollaboratives Produkt: Mit bis zu 40 Mikrometern sind viele Wafer dünner als ein Haar und haben dabei doch einen Durchmesser von 150 bis 300 Millimetern, der an die Größe einer Pizza heranreicht. Eine hochzerbrechliche Angelegenheit, die kann und will man nicht in der Hand halten, selbst nicht in einer Schutzkassette. Damit aus diesen empfindlichen Silberlingen, die zusammen pro Kassette den Wert eines Mittelklasse-Autos haben können, Chips werden, müssen sie bis zu 1.200 Prozessschritte durchlaufen. Und dabei jedes Mal zu einer anderen automatisierten Bearbeitungsstation transportiert werden. Ein klarer Fall für einen Roboter-Einsatz.

Am Infineon-Standort in Villach werden solche Leistungshalbleiter produziert, wie sie beispielsweise im Auto, im Smartphone, Kühlschrank oder in Serverfarmen und Antriebseinheiten von Lokomotiven zum Einsatz kommen. 8,45 Milliarden Chips hat Infineon Austria, ein Tochterunternehmen der deutschen Infineon Technologies AG, im vergangenen Geschäftsjahr 2020 ausgeliefert und einen Umsatz von 3,1 Milliarden Euro erwirtschaftet. Reinste Zukunftstechnologie, was sich auch im Forschungsaufwand von 498 Millionen Euro widerspiegelt, der das Unternehmen zu einem der forschungsstärksten Unternehmen Österreichs macht.

Sauberer als im Operationssaal

In Halle 17 des Villacher Werkes produziert Infineon Chips auf den empfindlichen Dünnwafern in einer Reinraumumgebung der Kategorie 1. Das heißt: 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 nur in speziellen, blütenweißen Ganzkörperschutzanzügen über eine spezielle Luftschleuse. Haut und Haare müssen vollständig bedeckt sein, so dass keine Schuppe nach außen dringen kann. Lediglich ein kleiner Sichtschlitz bleibt frei. Laptops und andere technische Geräte müssen vorher eine penible Reinigung durchlaufen. Selbst Stifte und das Blatt Papier für Notizen sind partikelfreie Spezialanfertigungen.

„Wir müssen uns bei diesen äußerst sensiblen Produktionsbedingungen für unsere Dünnwafer 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 Wafer-Produktion verschiedene mobile Einheiten und immer auch Menschen unterwegs sind, kommen für den Roboter-Einsatz nur Systeme in Frage, die extrem sensitiv für ein gefahrloses Miteinander von Mensch und Maschinen ausgelegt sind. Und das ganz ohne Schutzumzäunung.

Hand in Hand mit den Systempartnern

„Auf der Suche danach sind wir bei der Automatica auf die KUKA Leichtbauroboter aufmerksam geworden“, berichtet der Entwicklungsingenieur. Diese gemäß ISO3 für die sehr speziellen Anforderungen 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 der Micado Automation GmbH für die Anlagensteuerung.

„Es gab für uns damals keine Blaupause für den mobilen Roboter-Einsatz in der Halbleiterfertigung. 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 Leichtbauroboter 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 unsere automatisierte Chip-Produktion haben“, so Moser. 

Heute verrichten in mehreren Reinräumen 17 LBR iiwa Roboter ihren Dienst – rund um die Uhr, 365 Tage im Jahr. „Sie sind extrem 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 „Robis“. Speziell ihre zusätzliche siebte Achse erlaube es ihnen, feinfühlige und verwinkelte Bewegungen auszuführen, die „konventionellen“ 6-achsigen Robotern nicht möglich seien.

Perfektion in der Millimeterarbeit

So transportieren sie leise surrend schwarze Kassetten voller wertvoller Siliziumscheiben zu den einzelnen Bearbeitungsschritten, führen sie millimetergenau in die jeweiligen Bearbeitungskammern ein und holen sie anschließend wieder ab. Die mobilen Bestückungsroboter arbeiten dabei eng mit dem Overhead Hoist Transport System, kurz OHT, zusammen. An Schienen unter der fast fünf Meter hohen Decke hängend, schweben die Transportboxen wie von Geisterhand geführt zu den einzelnen Stationen, wo sie diese mit einem Gurtzugmechanismus herablassen. Dort werden sie, gemäß dem Produktionsalgorithmus, von einem der LBR iiwa Roboter aufgenommen und zum nächsten Bearbeitungsschritt transportiert.

„Wir wollten von Anfang an eine passgenaue Lösung für unsere Produktion 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‘.“

In der richtigen Balance zwischen dem Machbaren und dem Notwendigen

Im Team von Martin Moser hat Lisa Ebner die Integration der Roboter in den automatisierten Wafer-Produktionsprozess von Anfang an mitbetreut. Seit sieben Jahren ist sie Teil des Unternehmens und als Expertin zuständig für die Bestückungssysteme. Lisa Ebner ist ein echter Fan der mobilen Roboter: „Als ich den LBR iiwa zum ersten Mal sah, damals noch als Operator, war ich gleich total fasziniert: Ich hätte mir stundenlang die weichen, harmonischen Bewegungen anschauen können – ein reiner Technikgenuss.“

Stundenlanges Zuschauen? Kaum zu glauben. Denn dafür wirkt die Automatisierungsexpertin, die nebenher noch Mechatronik, Systemengineering und Managementlehre studiert, beinahe zu energiegeladen. Sie 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-physikalisch möglich ist, und dem, was für unsere Produktionszwecke sinnvoll ist. Je näher wir an 100 Prozent Perfektion herankommen, desto höher die Komplexität und die Zahl der Schnittstellen. Wir müssen immer das für eine wirtschaftliche Produktion richtige Maß finden.“

Lernfortschritt für die Halbleiter-Zukunft

Das Automatisierungsteam in Villach ist dabei offenkundig auf einem guten Weg. „Alles, was wir jetzt lernen, bringt uns weiter – zur nächsthöheren Ebene der Automatisierung in der Halbleiterfertigung“, sagt Bernd Steiner, Produktionsleiter bei Infineon Austria in Villach.

Und die Zeit drängt in Kärnten. Denn neben den bestehenden Fertigungshallen steht schon der Rohbau einer neuen, vollautomatisierten Chipfabrik. Infineon hat viel vor: 1,6 Milliarden Euro investiert das Unternehmen in seinen Villacher Standort und setzt damit die größte private Investition in Österreich um. 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.“