Prüfung & Adjustierung mit DENSO und Comet

HERAUSFORDERUNG 

Ohne Mikrochips mit ihren Halbleitern würde unsere Welt zum Stillstand kommen: Sie finden sich als Steuerungselemente in Pkws, wie auch in der Unterhaltungselektronik oder in High-Tech-Systemen für die Industrie. Zentral für die Herstellung von Halbleitern sind Wafer, meist kreisrunde, millimeterdünne Siliziumscheiben, auf denen mikroelektronische Schaltungen erzeugt werden. Wichtige Schritte wie das Abscheiden, Modifizieren und Strukturieren diverser Materialien auf Wafern werden mittels Plasma-Technologie durchgeführt. Die Strukturen der Mikrochips werden immer kleiner und komplexer: ein höchst dynamischer Trend zur Miniaturisierung, mit dem die Entwicklung der Subsysteme zur Wafer-Produktion mithalten muss.

Das sind Anforderungen, die an das für die Plasmaerzeugung entscheidende Gerät gestellt werden: Den Hochfrequenz-(HF)-Generator (engl. „Radio Frequency, RF), dessen Energie zur Plasmaerzeugung dient. Ohne den höchst präzise arbeitenden HF-Generator gibt es kein stabiles Plasma für die Waferbearbeitung - und somit keine Halbleiter. Bislang erfolgten Montage, Adjustieren, Testen sowie Endprüfung dieser Generatoren manuell - mit allen potenziellen Risiken und Ungenauigkeiten für den späteren Betrieb.

LÖSUNG

Ein wichtiger Player in diesem Markt ist das 1948 in der Schweiz gegründete Technologieunternehmen Comet, das sich auf die Kontrolle von Plasma und Röntgentechnologie fokussiert und heute weltweit 12 Standorte mit insgesamt über 1500 Mitarbeiter/innen unterhält. 

Es entwickelt erstklassige Hightech-Komponenten und -Systeme für den Halbleiter- und Elektronikmarkt, die Luftfahrt und Automobilindustrie sowie Sicherheitsinspektionen. Dieses Portfolio wurde 2022 mit Synertia® abgerundet, einer Hochfrequenz-Plattform zur Echtzeitsteuerung von Plasmaprozessen. Die Plattform bietet etliche Vorteile, wie u.a. hohe Wiederholgenauigkeit, Multi-Level-Pulsing und High-Speed-Kommunikation. Diese Reaktionsfähigkeit liefert verwertbare Daten zur Prozessoptimierung und ermöglicht komplexere Plasmaanwendungen als je zuvor. Kern des Systems ist der RF-Generator Synertia® RFG, der am Standort Aachen in einer halbautomatisierten Produktionslinie montiert und adjustiert wird. Dabei wird der Synertia® RFG in verschiedenen Frequenzleistungen angeboten. Je nach Leistungsfähigkeit des Generators verfügt dieser über eine wasser- oder luftbasierte Kühltechnik.

Eine zentrale Arbeitsstation im Produktionsprozess ist dabei eine Adjustierungs- und Prüfzelle mit einem DENSO Robotics HS-045 A1 SCARA-Roboter: Hauptaufgabe der Zelle ist es, den präzisen Einbau eines am Generator montierten Messgerätes zu überprüfen und zu adjustieren. Da jeder Generator schrittweise als Einzelstück manuell aufgebaut wird, entstehen im Laufe der Herstellung dieses für den Generator - (und damit die Stabilität der späteren Plasmaerzeugung -) wichtigen Messmoduls winzige Abweichungen. Hinzu kommt, dass der Synertia® RFG in verschiedenen Modellvarianten vorliegt.

In der Produktionslinie werden die Generatoren schrittweise aufgebaut bis sie die halb-automatisierte Zelle mit dem HS-045 A1 erreichen. Die Transportplattform wird manuell in der Zelle angedockt. Anschließend wird der Gerätetyp durch einen Barcode Scanner erfasst und alle produktionsrelevanten Daten wie etwa lokale Messgeräteposition und Generator spezifische Einstellparameter dynamisch geladen. Daraufhin kann der Roboter seine Tätigkeit aufnehmen. Dieser ist an der Zellendecke montiert sowie mit Lasersensoren und einem Vision System ausgerüstet.

Der Scan- und Prüfvorgang ist für alle Generatortypen gleich. Die Position des Gerätemodul ist jedoch abhängig vom Generatortyp unterschiedlich und wird zunächst aus der Datenbank geladen. Um anschließend Toleranzen in der Montage und Fertigung zu kompensieren, erfasst der Roboter mittels des Vision-Systems zunächst die genaue Positionierung des Testmoduls. Dies geschieht mittels durch Erfassung der Position von mehreren Schrauben (1,8 mm lang und 0,3 mm im Durchmesser), mit denen dieses das Testmodul am Generator montiert ist. Die zentrale Aufgabe des Roboters besteht darin, das Messmodul am Generator zu adjustieren: Dieser Vorgang dauert je nach Typ insgesamt durchschnittlich 8 – 10 Minuten.

„Als wir die Produktionsstrecke einrichteten, zeigte sich, dass ein SCARA-Roboter die flexibelste Lösung ist, um auf diese variablen Anforderungen zu reagieren“, erklärt Mark Lautermann, Automation Engineer bei Comet in Aachen. „Die Entscheidung für DENSO Robotics fiel uns leicht, da wir bereits mit anderen Robotermodellen des Unternehmens gute Erfahrungen gemacht hatten. Wir suchten einen Roboter, der hochpräzise, flexibel in der Bewegung und einfach zu programmieren ist.“

Bei Comet kommen insgesamt fünf Roboter von DENSO Robotics zum Einsatz: Der vierachsige SCARA-Roboter ist vor allem auf hohe Geschwindigkeit bei industriellen Anwendungen ausgelegt. Mit einer Armlänge von 450 (225 + 225) mm, einer Traglast von bis zu 5 kg sowie einer Zykluszeit von 0,20 Sek. bietet der Roboter die optimale Kombination aus Geschwindigkeit, Präzision und Traglast. 

„Ausschlaggebend waren am Ende die hohe, industrietaugliche Wiederholgenauigkeit des Roboters von ±0,02 mm sowie die kompakte und unkomplizierte Steuerung. Durch die Möglichkeit den Roboter mit Hochsprachen wie LabVIEW und Python zu programmieren, lässt sich das System optimal in den übergelagerten datenbankbasierten und QM-fähigen Betrieb integrieren“.

VORTEILE

Ein großer Vorteil der roboterbasierten Zelle besteht im Datentracking als Basis für ein höchst wertvolles Qualitätsmanagement: Während des gesamten Prozesses werden alle Werte per SPC (Statistical Process Control) in einer Datenbank gespeichert und mit den Grenzwerten abgeglichen, d.h., sämtliche Schwankungen werden aufgezeichnet - ein vollständig datenbankbasierter Produktionsprozess. Damit und dank der vollständigen Integration der roboterbasierten Adjustierungszelle, bietet die gesamte Generatorenherstellung ein wesentlich höheres Maß an Produktqualität und -sicherheit. Die DENSO SCARA-Roboter sind dank ihrer Leistungsfähigkeit und Kompaktheit sowie der hohen Positioniergenauigkeit eine entscheidende Komponente für eine State-of-the Art Wafer-Fertigung.