Stäubli Sechsachser TX 60 L CR übernimmt anspruchsvolles Waferhandling

Stäubli Sechsachser TX 60 L CR übernimmt anspruchsvolles Waferhandling

Reinraum-Roboter mit wertvoller Fracht

Wenn Roboter Teile von A nach B bewegen, ist dies nicht wirklich spannend. Beim Handling von Wafern im Backendbereich sieht die Sache anders aus: Der Wert einer einzelnen Scheibe kann in diesem Stadium bei bis zu 10.000 Euro liegen. Um maximale Sicherheit bei der Handhabung der wertvollen Fracht zu garantieren, setzt SÜSS MicroTec auf den präzisen Stäubli Roboter TX60L cr.

Der Halbleitermarkt ist fest in asiatischer Hand, dennoch spielt die SÜSS MicroTec Gruppe in der Champions League der Waferbearbeitung. Was die Kunden in aller Welt schätzen, ist die Kompetenz des Unternehmens. Die SÜSS MicroTec-Gruppe verfügt über mehr als sechzig Jahre Erfahrung in der Entwicklung und Fertigung von Prozesslösungen für Mikrostrukturanwendungen. Das Angebot an Lösungen umfasst alle Arbeitsschritte der Waferbearbeitung von der Belackung, Aushärtung und Entwicklung über die Justage bis hin zum Bonden der Wafer.

Ob Herstellung von Speicherchips, Kameras für Mobiltelefone oder Reifendrucksensoren - die Lösungen von SÜSS MicroTec werden innerhalb eines breiten Spektrums von Herstellungsprozessen für Alltags- oder Industrieanwendungen eingesetzt. Ein Unternehmen der Gruppe ist die SÜSS MicroTec Lithography GmbH mit den Standorten Garching und Vaihingen an der Enz. Am Standort in Vaihingen an der Enz, der Mitte Mai in ein neues Firmengebäude in Sternenfels verlagerte und expandierte, hat man sich auf lithographische Prozesse bei der Waferbehandlung im Backendbereich spezialisiert und bietet eine umfassenden Produktpalette an Coatern und Entwicklern, die vom preiswerten Laborgerät bis hin zur hochleistungsfähigen Produktionsanlage für 300 mm Wafer reicht.

Hundertprozentige Beherrschung der Prozesse sowie die schnelle, präzise und sichere Handhabung der Wafer mit kaum messbaren Bruchraten im ppm-Bereich heißen die Argumente, die die Kunden in aller Welt überzeugen.  ?Ein weiterer Grund für unsere starke Markstellung gerade im asiatischen Markt ist unsere Flexibilität. Als deutscher Sondermaschinenbauer verfügen wir über eine sehr hohe Kompetenz in Bezug auf kundenspezifische Anpassungen der Anlagen, während sich unsere asiatischen Wettbewerber vorwiegend auf den Bau reiner Standardanlagen konzentrieren?, weiß Dipl.-Ing. Stefan Lutter, Produktmanager Coater bei SÜSS MicroTec.

Innovative Coater- und Entwickleranlagen mit Roboterhandling

Bereits in ihrer Standardbauform sind die Anlagen sehr flexibel ausgelegt, wie sich am Belackungs- und Entwicklungs-Cluster ACS 300 Gen2 zeigt. Die Anlage lässt sich ohne mechanische Umrüstung für die Bearbeitung von 200 mm und 300 mm Wafern einsetzen. Haupteinsatzbereiche sind in erster Linie anspruchsvolle Belackungsprozesse in den Bereichen der Wafer Level-Packaging Anwendungen sowie der 3D-Integration. Ein kompakter Aufbau und zwei Belademodule direkt am Grundrahmen garantieren optimale Betriebskosten. Sämtliche Handlingaufgaben innerhalb der Anlage übernimmt der hochpräzise Stäubli-Reinraumroboter TX60L cr. Im Backendbereich liegen die Reinraumanforderungen im Bereich von ISO 3 bis ISO 4, die die Cleanroom Variante des TX60L spielend erfüllt.

Die ACS300 Gen2 bestehet aus einem Grundrahmen und vier verschiedenen Modulplätzen. Die Modulplätze kann der Anwender mit unterschiedlichen Modulen ausstatten. Zur Verfügung stehen Belackungsmodule (Coater), Entwicklungsmodule (Developer), sowie Heiz- und Kühlplattenstapel. Zudem steht eine Rahmenerweiterung zur Verfügung in der zwei zusätzliche Heiz- und Kühlplattenstapel untergebracht werden können. Damit ist es möglich, die Anlagen entweder nur zum Belacken oder nur zum Entwickeln oder als Kombinationsanlagen zum Belacken und Entwickeln einzusetzen. Zum Einsatz kommt eine in Eigenregie entwickelte Steuerung, deren Bedienung nicht nur übersichtlich, sondern auch sehr einfach ist. So kann der Operator jedem Modul auf einfache Weise bestimmte Rezepte zuordnen, nach denen der Wafer die jeweilige Station durchläuft.

Die ACS 300 Gen2 ist eine Backendanlage, bei der die Wafer die letzten Behandlungsschritte durchlaufen. Die Wafer sind zu diesem Zeitpunkt sehr teuer, weil über 90 Prozent der Herstellungsschritte bereits abgeschlossen sind, deshalb werden an die SÜSS MicroTec-Anlagen sehr hohe Anforderungen in punkto Zuverlässigkeit, Wiederholbarkeit, Uptime und sicheres Handling gestellt. ?Es ist fatal, wenn ein Wafer in unserer Anlage zu Bruch geht. Immerhin liegt dessen Wert je nach Ausführung und Typ zwischen 1.000 und 10.000 Euro. Aus einem solchen Wafer entstehen zwischen 1.000 und mehreren 10.000 Chips, die ihren Einsatz in Computern, Mobiltelefonen oder LEDs finden?, erklärt Lutter und unterstreicht: ?Ausschuss will und kann man sich in diesem Herstellungsstadium nicht mehr leisten.? Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Handhabung der Wafer und damit an die Performance des Roboters.

Sechsachser statt 3-Link Roboter

In dem modernen Coater ACS 300 Gen2 setzt SÜSS MicroTec konsequent auf den Einsatz des Stäubli Sechsachsers TX 60L cr.  Dass der kompakte Knickarmroboter das Rennen macht und nicht wie branchenüblich einer der klassischen 3-Link Roboter, liegt eindeutig an der Performance der Stäubli Maschine wie Rainer Targus aus der SÜSS MicroTec Forschungs- und Entwicklungsabteilung erläutert: ?Im Vergleich zu den 3-Link Robotern mit nur drei Freiheitsgraden bringt der Einsatz der Sechsachser viel mehr Flexibilität. Gerade der TX60L mit langem Arm kann sehr weit greifen. Der größere Arbeitsraum erlaubt eine bei weitem flexiblere Anordnung der Module innerhalb der Anlage. Außerdem punktet der Stäubli Roboter im Vergleich zu den 3-Link Manipulatoren mit deutlich höherer Tragkraft , was bei den extremen Beschleunigungsmomenten in Verbindung mit dem Gewicht von Greifer und Wafern schnell zum ausschlaggebenden Kriterium werden kann.?

Zudem bietet der TX60L in seinem Reichweitenbereich eine höhere Ablagegenauigkeit und -wiederholbarkeit als vergleichbare 3-Link Systeme, was bei der Randentlackung der Wafer ausschlaggebend ist.

Zu tun hat der Roboter reichlich in der Anlage, denn mit Ausnahme der manuellen Beladung laufen alle weiteren Schritte vollautomatisch ab. Der Operator belädt die Anlage  und setzt eine mit 25 Wafern bestückte Kassette, in der Fachsprache FOUP (Front Opening Unified Pod) genannt, ein. Ein sogenanntes Load Port Modul öffnet den FOUP und scannt den Inhalt. Das System erkennt die Anzahl an Wafern und deren exakte Position. Damit bekommt die Anlagensteuerung die Information über die Anzahl der abzuarbeitenden Wafer. Der Knackpunkt der Steuerung ist  das intelligente, selbstoptimierende Scheduling. Nachdem der Operator die Aufgabenstellung und die Rezepte aufgegeben hat, legt die Steuerung der Anlage das optimale Zeitmanagement für die komplexen Aufgabenstellungen in Eigenregie ohne Zutun des Bedieners fest.

Damit ist der Startschuss erfolgt und es schlägt die Stunde des Stäubli TX60L cr. Der Roboter holt den Wafer aus der Kassette und fährt über eine Zentrierstation. Hier wird mittels Bildverarbeitung die exakte Lage der Scheibe im Greifer bestimmt. Die Bildverarbeitung übermittelt jetzt die festgestellten Koordinaten der Abweichung an die Robotersteuerung, so dass der Roboter den Wafer genauestens zentriert im zugewiesenen Modul ablegen kann. Das Einlegen und Abholen der Wafer bei allen vier Prozessmodulen der Anlage ist natürlich ebenso Aufgabe des Roboters wie das Ablegen des fertig bearbeiteten Wafer zurück in den FOUP.

Ablagegenauigkeit von +- 50 Mikrometer

?Beim Ablegen der Wafer in den Prozessmodulen ist Präzision seitens des Roboters gefragt. Mit dem hochpräzisen Stäubli TX60L lässt sich unser erklärtes Ziel, eine Absolut-Ablagegenauigkeit von +/- 50 Mikrometer im Modul zu erreichen, in die Realität umsetzen?, so Stefan Lutter. Mitunter ein Verdienst der patentierten JCM-Antriebstechnik der Stäubli Roboter. Die hohe Bahngenauigkeit des Roboters macht sich auch beim Abholen oder Einlegen der Wafer in Kassetten und Modulen bezahlt. Ohne zu zittern handelt der Roboter die teueren Scheiben mit beispielhafter Sicherheit. Waferbruch ist somit ausgeschlossen.

Die Taktzeiten auf der Anlage variieren in Abhängigkeit der Aufgabenstellung sehr stark. Bei bestimmten Rezepten und Sequenzen sind die Modulzeiten die limitierenden Elemente, bei anderen Aufgabenstellungen ist der Roboter der Taktzeit bestimmende Faktor. ?In beiden Fällen profitieren wir von den ultra schnellen Zykluszeiten des Stäubli Roboters, der trotz der hohen Beschleunigungswerte präzise arbeitet und Beschädigungen der Wafer sicher vermeidet?, so Rainer Targus.

Dass bei den innovativen Clustersystemen ACS300 Gen2 von SÜSS MicroTec heute ausschließlich Sechsachs-Roboter von Stäubli zum Einsatz kommen, ist alles andere als Zufall: ?Wir haben Roboter unterschiedlicher Hersteller genau unter die Lupe genommen und verglichen. Um die optimale Kombination von Reichweite, Geschwindigkeit, Ablagegenauigkeit und sicherem Handling zu erreichen, kommt für uns nur der beste Roboter für diese Applikation in Frage. Deshalb setzen wir auf Stäubli?, resümiert Stefan Lutter.

Text und Fotos: Dipl.-Ing. Ralf Högel