Greifsystem Mobiles Handlingsystem schließt Automatisierungslücke

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Bislang fehlte in der Halbleiterfertigung ein Kernstück für ein durchgängiges Automatisierungskonzept. Kuka hat nun ein Roboter-Greifsystem mit Bildverarbeitung von Cognex auf ein TFT gesetzt und damit den Transport der Wafer samt Handhabung automatisiert.

Die Leistungsfähigkeit von Halbleitern gibt den Takt der Innovationen an. Das gilt für die industrielle Automatisierung ebenso wie für smarte Gebäudetechnik und – Stichwort Konnektivität – für die Automobilindustrie. Und der Markt wächst weiter. Um eine Hausnummer zu nennen: 2018 erzielte die internationale Halbleiterindustrie einen Umsatz von 481 Mrd. US-Dollar, 2022 sollen es laut einer Prognose von PwC schon 525 Mrd. US-Dollar sein.

Gerade auch die Roboterindustrie profitiert von dieser Entwicklung, weil z. B. die neuesten Generationen von Steuerungen und Controllern zusätzliche Funktionen bieten. Umgekehrt beschleunigt die Innovationskraft der Roboterhersteller auch die Effizienz und Produktivität der Mikroprozessor-Hersteller. Die dynamische Wechselwirkung spiegelt sich in Automatisierungskonzepten wider.

Ein Beispiel: Kuka bietet ein breites Programm an sehr flexiblen Robotern, die sich schnell an vielseitige Handling-Anforderungen anpassen lassen, denn der Lebenszyklus von Halbleitern ist kurz und der Markt entsprechend volatil.

Mobiles Handlingsystem für den Reinraum

Einzelne Schritte der Produktion lassen sich auf diese Weise sehr gut und auf hohem Qualitätsniveau automatisieren. Eine Ausnahme bildete bislang der Transport der Halbleiter-Substrate (Wafer) von einer Arbeitsstation zur nächsten – Kernstück eines durchgängigen Automatisierungskonzepts. Dabei ist die vollständige Automation in der Halbleiterproduktion schon deshalb gefragt, weil Reinraumbedingungen so in einer mitarbeiterfreien Fertigung viel einfacher zu gewährleisten sind. Bislang stand dem aber die mangelnde Präzision entgegen, mit der mobile Roboter verfahren und greifen.

Kuka hat für diese Aufgabenstellung die nach Herstellerangaben weltweit erste Lösung aus einer Hand entwickelt, die Halbleiter-Kassetten nicht nur automatisiert transportieren, sondern auch handhaben kann: die Semi Mobility Solution. Ein Leichtbauroboter der LBR Iiwa Serie ist hier auf einem autonomen Fahrerlosen Transportfahrzeug (FTF) vom Typ KMR 200 CR montiert. Das FTF kann auf engstem Raum manövrieren, und für die automatisierte Handhabung haben die Kuka-Ingenieure ein ausgeklügeltes Greifersystem entwickelt.

Durchgängig automatisiert: FTF + Roboterarm + Greifer

Und so funktioniert die Automatisierungslösung: Zunächst fährt die Semi Mobility Solution zu einem Übergabepunkt, an dem sich Transportboxen für Wafer befinden. Wenn das FTF sein Ziel erreicht hat, ist der Roboterarm in der Lage, mit Hilfe eines integrierten Bildverarbeitungssensors seine Position exakt zu bestimmen und eine Feinkalibrierung vorzunehmen.

Das versetzt den Roboter in die Lage, die Transportbox mit hoher Genauigkeit zu greifen und die sensiblen Wafer erschütterungsfrei in einer Ablage auf der FTF-Plattform abzusetzen. Dabei können Boxen in zwei Größen für Wafer mit 200 oder 300 mm Durchmesser gehandhabt und transportiert werden. Am Ziel angekommen, legt der Roboter die Transportboxen an der jeweiligen Bearbeitungsanlage ab.

Im Raum verfährt die Semi Mobility Solution auf der Basis hinterlegter Ziele, wählt die Route dorthin aber selbst. Möglich wird das durch die Navigierfähigkeit der LBR Iiwa Plattform, die sensitiv und sicher autonom unterwegs ist. Das Umgebungstracking wird durch Laserscanner unterstützt. Sie nehmen die Umgebung in Echtzeit wahr und vermeiden so Kollisionen.

Die sicherheitsgerichtete Umfelderkennung schafft auch die Voraussetzung dafür, dass die Plattform als Cobot (kollaborierender Roboter) ohne Schutzzaun, in unmittelbarer Nähe des Bedienpersonals, eingesetzt werden kann. Der Greifvorgang selbst wird durch die integrierte Bildverarbeitung geführt. Hier ist sehr hohe Präzision und Zuverlässigkeit erforderlich, da die Wafer sensibel sind. Erschütterungen müssen daher vermieden werden.

Bildverarbeitung: Logik ins System integriert

Bei der Auswahl des Bildverarbeitungssystems entschieden sich die Entwickler von Kuka für Cognex-Sensoren vom Typ In-Sight 2000. Sie verbinden die Leistung von Bildverarbeitungssystemen mit der Einfachheit und den günstigen Kosten eines Industriesensors. Zudem bieten sie hohe Flexibilität bei der Montage auf kleinstem Raum. Das ist hier eine gefragte Eigenschaft, da der BV-Sensor auf dem Roboterarm mitfährt. Deshalb ist auch der minimierte Verkabelungsaufwand des In-Sight 2000 Grund für die getroffene Entscheidung. Dieser Sensor lässt sich über Ethernet und PoE integrieren.

Ein weiterer Aspekt: Die Logik des In-Sight 2000 ist ins Gerät integriert ist, und die Bildverarbeitung lässt sich einfach „teachen“. Ralf Ziegler, Business Development Manager Electronics bei Kuka: „Vorteilhaft sind auch die umfassenden Kommunikationsmöglichkeiten, die der Sensor bietet, dessen ,eingebaute´ Intelligenz und die gute Programmierbarkeit.“

Das integrierte, zum Patent angemeldete LED-Ringlicht des In-Sight 2000 sorgt zudem für eine gleichmäßige Beleuchtung über das gesamte Bild, unabhängig von der aktuellen Lichtsituation. Das ist gerade bei mobilen Anwendungen wichtig, da nicht überall die gleiche Beleuchtung herrscht und auch Tages- und Jahreszeiten Einfluss auf die Bildqualität haben.

Vision-gesteuerte Positionierung auf den letzten Zentimetern

Im Praxisbetrieb der Semi Mobility Solution fährt der Robotergreifer zunächst an die Transportbox heran. Dann wird die Bildverarbeitung aktiv. Sie erkennt den Offset zu dem in der Steuerung hinterlegten Zielpunkt und referenziert auf dieser Basis die Position des Greifers, der daraufhin mit der erforderlichen Präzision im Millimeterbereich die jeweilige Transportbox greifen kann. Eine integrierte Kalibrierfunktion gewährleistet ein dauerhaft präzises Positionieren.

Kuka hat die ersten Semi Mobility Solutions bereits an internationale Halbleiter-Hersteller ausgeliefert. Die mobilen Roboter arbeiten unter Reinraumbedingungen und sind hier nach ISO-Klasse 3 (IPA), UL 1740 und UL 1998 zertifiziert. Sie können auch im Flottenverbund eingesetzt werden – und greifen die Boxen mit den hoch empfindlichen Wafern ebenso zuverlässig wie präzise, nicht zuletzt dank der Bildverarbeitung von Cognex. Damit ist nun ein wichtiger Automatisierungsschritt in der Produktionskette von Mikroprozessoren geschlossen. n

* Janina Guptill ist Senior MarComm Specialist bei Cognex Germany

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