De nieuwe vorm van mens-machine interactie in de cleanroom

Cobots krijgen hun intrede in de cleanrooms van de elektronica-industrie. In de productie van halfgeleiders scoren ze hoog op betrouwbaarheid en de hoogste kwaliteitsnormen.

Elke cassette vol met de gevoelige siliciumwafers kan de waarde hebben van een middenklasseauto.

De cleanroom-robots vervoeren zwarte cassettes vol siliciumwafers naar de verschillende bewerkingsstappen.

De KUKA-robot plaatst de siliciumwafer met millimeterprecisie in de bewerkingskamer.

Bij Infineon in Villach worden 17 cleanroom-robots van het type LBR iiwa CR ingezet.

Voor kosteneffectieve productie moet Infineon altijd de juiste balans vinden tussen wat mogelijk is en wat redelijk is.

De gevoelige LBR iiwa CR heeft geen veiligheidsomheining nodig tijdens het wafers handling.

Lisa Ebner heeft vanaf het begin de integratie van de cleanroom-robots in het geautomatiseerde productieproces begeleid.

Cobots tillen automatisering in de cleanroom naar een hoger niveau. In de productie van micrometerdunne chips zorgen bij Infineon in Villach 17 gevoelige KUKA lichteilbouwrobots voor een veilige samenwerking tussen mens en machine, wat leidt tot meer efficiëntie en veiligheid bij de productie van zowel waardevolle als breekbare wafers.

Nee, deze siliciumplaten zijn geen echt samenwerkingsproduct: Met een dikte tot 40 micrometer zijn veel wafers dunner dan een haar en hebben ze toch een diameter van 150 tot 300 millimeter, vergelijkbaar met een pizza. Een uiterst breekbaar product dat je niet in de hand wilt houden, zelfs niet in een beschermkassette. Om van deze gevoelige zilveren schijfjes, die samen per cassette de waarde kunnen hebben van een middenklasseauto, chips te maken, moeten ze door maximaal 1.200 processtappen. En daarbij telkens worden getransporteerd naar een andere geautomatiseerde bewerkingsstation. Een duidelijke zaak voor inzet van een robot.

Op de locatie van Infineon in Villach worden dergelijke power halfgeleiders geproduceerd, zoals bijvoorbeeld in auto’s, smartphones, koelkasten of in serverparken en aandrijfeenheden van locomotieven worden gebruikt. Infineon Austria, een dochteronderneming van het Duitse Infineon Technologies AG, heeft in het afgelopen boekjaar 2020 8,45 miljard chips geleverd en een omzet van 3,1 miljard euro gerealiseerd. Pure toekomsttechnologie, wat ook blijkt uit de onderzoeksinspanningen van 498 miljoen euro, waardoor het bedrijf een van de sterkst onderzoeksgerichte bedrijven in Oostenrijk is.

Schoner dan in de operatiekamer

In hal 17 van de fabriek in Villach produceert Infineon chips op de gevoelige dunne wafers in een cleanroomomgeving van categorie 1. Dat betekent: in 28 liter lucht mag niet meer dan één stofdeeltje aanwezig zijn. Dat is aanzienlijk minder dan in een operatiekamer toegestaan is. Ter vergelijking: in de als bijzonder helder beschouwde berglucht zweven bij zo’n volume ongeveer 100.000 deeltjes rond. Voor de medewerkers betekent dit: toegang alleen in speciale, witte overall met volledige gezichtsbescherming via een speciale luchtklep. Huid en haar moeten volledig bedekt zijn, zodat geen schilfer naar buiten kan dringen. Alleen een kleine zichtopening blijft vrij. Laptops en andere technische apparaten moeten vooraf een grondige reiniging ondergaan. Zelfs pennen en het papier voor aantekeningen zijn partikelfrije speciale producten.

„We moeten bij deze uiterst gevoelige productieomstandigheden voor onze dunne wafers heel precies overwegen welke transporttechniek we hier inzetten“, legt Martin Moser uit, teamleider automatisering binnen de afdeling AMHS (Automated Material Handling System) bij Infineon Technologies Austria in Villach. „Omdat er in de waferproductie verschillende mobiele eenheden en altijd ook mensen onderweg zijn, komen alleen systemen in aanmerking die extreem gevoelig zijn voor een veilige samenwerking tussen mens en machine. En dat helemaal zonder beschermende omhulling.“

Hand in hand met systeempartners

„Op zoek daarnaar zijn we bij Automatica op de KUKA lichteilbouwrobots gestoten“, vertelt de ontwikkelingsingenieur. Het was een zeer intensief leerproces om deze volgens ISO3 te maken voor de zeer specifieke eisen in de cleanroom, waarbij de automatiseringsexperts van Infineon nauw samenwerkten met hun systeempartners. Naast KUKA waren dat vooral experts van Mechatronic Systemtechnik GmbH voor de montage, bedrading en opbouw in de productie, en de programmeurs van Micado Automation GmbH voor de besturing van de installaties.

„Voor ons was er destijds geen blauwdruk voor het gebruik van mobiele robots in de halfgeleiderproductie. We hebben de systemen samen precies afgestemd op onze behoeften. Dat was echte pioniersarbeid, zowel voor ons als voor KUKA“, vertelt Moser. Dit omvatte ook het geschikt maken van de lichteilbouwrobots voor cleanroomgebruik. Dit was ook voor de KUKA-robots nog ‘nieuw terrein’. „De constructieve, oplossingsgerichte samenwerking van alle betrokkenen heeft er mede toe bijgedragen dat we nu een ideale transportsysteem voor onze geautomatiseerde chipproductie hebben“, aldus Moser.

Vandaag werken in meerdere cleanrooms 17 LBR iiwa robots – dag en nacht, 365 dagen per jaar. „Ze zijn uiterst beweeglijk, kunnen tot 14 kilogram dragen, werken zonder trillingen en voeren millimeterprecies werk uit met hun grijper, zelfs op de kleinste ruimte“, legt Moser de voordelen van de ‘Robis’ uit. Vooral hun extra zevende as stelt hen in staat fijne en bochtige bewegingen uit te voeren die ‘conventionele’ 6-assige robots niet kunnen.

Perfectie in millimeterwerk

Zo transporteren ze stil sissend zwarte kassetten vol waardevolle siliciumplaten naar de verschillende bewerkingsstappen, plaatsen ze ze millimeterprecies in de bewerkingskamers en halen ze weer op. De mobiele beladingsrobots werken hierbij nauw samen met het overhead Hoist Transport System, kortweg OHT. Hangend aan rails onder het bijna vijf meter hoge plafond zweven de transportbakken als door onzichtbare handen naar de verschillende stations, waar ze met een bandmechanisme worden neergelaten. Daar worden ze, volgens het productiealgoritme, door een van de LBR iiwa robots opgenomen en naar de volgende bewerkingsstap getransporteerd.

„We wilden vanaf het begin een op maat gemaakte oplossing voor onze productie in Villach. Iets anders kwam voor ons niet in aanmerking“, aldus Moser. „De integratie van de systemen hebben we daarom zelf gedaan. Het was voor ons heel belangrijk om direct contact te hebben met de KUKA-ontwikkelaars – vooral met het oog op hoe we het totale systeem inrichten en hoe het daarna ‘leert’.“

In de juiste balans tussen het haalbare en het noodzakelijke

In het team van Martin Moser heeft Lisa Ebner de integratie van de robots in het geautomatiseerde waferproductieproces vanaf het begin begeleid. Ze is al zeven jaar onderdeel van het bedrijf en verantwoordelijk voor de beladingssystemen. Lisa Ebner is een echte fan van de mobiele robots: „Toen ik de LBR iiwa voor het eerst zag, toen nog als operator, was ik meteen helemaal gefascineerd: Ik had urenlang naar de zachte, harmonieuze bewegingen kunnen kijken – puur technisch genot.“

Urenlang kijken? Bijna niet te geloven. Want de automatiseringsexpert, die daarnaast ook nog mechatronica, systeemengineering en management studeert, lijkt bijna te energiek voor zo’n lange bezigheid. Ze is voortdurend in de productielijnen actief, controleert de systemen vanaf de controlepost en zoekt naar verdere mogelijkheden om de productie te perfectioneren. „Bij optimalisatie moeten we de juiste balans vinden tussen wat technisch-physiek mogelijk is en wat voor onze productie zinvol is. Hoe dichter we bij 100 procent perfectie komen, hoe hoger de complexiteit en het aantal interfaces. We moeten altijd de juiste maat vinden voor een efficiënte productie.“

Lerend voor de toekomst van halfgeleiders

Het automatiseringsteam in Villach lijkt op de goede weg. „Alles wat we nu leren, brengt ons verder – naar het volgende niveau van automatisering in de halfgeleiderproductie“, zegt Bernd Steiner, productieleider bij Infineon Austria in Villach.

En de klok dringt in Kärnten. Want naast de bestaande productielocaties wordt al de ruwbouw van een nieuwe, volledig geautomatiseerde chipfabriek gebouwd. Infineon heeft grote plannen: het bedrijf investeert 1,6 miljard euro in de locatie in Villach en voert daarmee de grootste privaat geïnvesteerde project in Oostenrijk uit. Eind 2021 moeten hier power halfgeleiders volledig geautomatiseerd worden geproduceerd. „Ons doel is om in de slimme fabriek de prestaties precies daar te brengen waar ze nodig zijn“, legt Steiner uit. „Voor energiebesparende chips van morgen, zoals ze in veel toepassingen in het dagelijks leven worden gebruikt, zoals smartphones, huishoudelijke apparaten en auto’s, maar ook in datacenters, medische apparatuur, zonne- en industriële installaties. Zodat ze ons leven eenvoudiger, veiliger en milieuvriendelijker maken.“