Die sauberste Art zu Laden Induktives Laden für sichere Reinraumautomatisierung

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Wiferion GmbH

FAULHABER SA

Der weltweite Bedarf an Leistungselektronik und Chips für Auto-, Kommunikations- und Industrieanwendungen wächst. Viele 200-mm-Waferfabriken setzen noch auf teils manuelle Materialflüsse. Ihre Modernisierung ist wegen hoher Reinheitsanforderungen komplex, aber dringend nötig. Fabmatics aus Dresden entwickelt Automatisierungslösungen für den Transport, die Lagerung und Identifikation von Wafern, unterstützt durch die wartungsfreie Ladetechnologie von Wiferion.

In der Halbleiterindustrie sind zwei grundlegende Waferdurchmesser von Bedeutung: 200 mm und 300 mm. 300-mm-Wafer werden zur Produktion leistungsstarker Prozessoren und Speicherchips verwendet und in modernen, hochautomatisierten Fertigungsstätten produziert. Im Gegensatz dazu sind die Produktionsanlagen für 200-mm-Wafer, die vor allem für Leistungselektronik und bestimmte Automobilkomponenten zum Einsatz kommen, in der Regel älter und über Jahrzehnte organisch gewachsen. Die Folge: Häufig existieren dort heterogene Infrastrukturen, die sich nur schwer mit neuen Technologien vereinbaren lassen. Gleichzeitig steigt der gesellschaftliche und wirtschaftliche Druck, Prozesse zu automatisieren. Lieferkettenengpässe, steigende Energiekosten und der Fachkräftemangel haben gezeigt, wie wichtig stabile und durchgängige Abläufe sind. Automatisierung ist in der Halbleiterfertigung daher kein Zukunftsthema mehr, sondern eine Voraussetzung für die Wettbewerbsfähigkeit.

Inmitten des europäischen Mikroelektronik-Clusters Dresden sorgt Fabmatics mit mehr als 300 Mitarbeitern dafür, dass 200-mm-Fabriken ihre Anlagen durch massgeschneiderte Automatisierungslösungen effizienter und sicherer betreiben können. Das Unternehmen beliefert namhafte Kunden der internationalen Halbleiterindustrie in Europa, Asien und den USA. Bereits im Jahr 2009 begann Fabmatics mit der Entwicklung eines eigenen mobilen Roboters, der zunächst schienengebunden war. Das System wurde später so weiterentwickelt, dass es sich frei im Raum bewegen kann und damit maximale Flexibilität für den Materialtransport bietet. Heute sind Transportroboter wie der HERO Fab fester Bestandteil der Produktfamilie. Sie befördern Waferkassetten autonom, verbinden Maschinen über mehrere Ebenen hinweg und lassen sich dank ihrer modularen Konstruktion optimal an kundenspezifische Layouts anpassen. Eine Herausforderung stellte zunächst jedoch die Energieversorgung dar – bis Fabmatics auf die Ladelösung von Wiferion stiess.

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Partikelfrei heisst induktiv: Laden im Reinraum

Da mobile Roboter in Reinräumen grundsätzlich innerhalb der kontrollierten, staubfreien Produktionsumgebung geladen werden müssen, geraten klassische Ladesysteme schnell an ihre Grenzen. Das Ausschleusen der Fahrzeuge würde das Risiko einer Kontamination drastisch erhöhen und ganze Chargen empfindlicher Wafer gefährden. Doch auch das Laden im Reinraum selbst ist mit herkömmlicher Kontakttechnik problematisch: Schleifkontakte und Steckverbindungen erzeugen beim Anfahren Abriebpartikel – ein untragbares Risiko in Produktionsumgebungen, in denen schon kleinste Verunreinigungen Schäden in Millionenhöhe verursachen können. Kupfer, das in vielen Kontaktlösungen verwendet wird, ist im Reinraum ohnehin tabu, da es die Oberflächen der Halbleitersubstrate beschädigen kann. Auch alternative Materialien wie Edelstahl oder Silber überzeugten in der Praxis nicht. «Wir wollten unsere Roboter bereits in der ersten Generation, die 2013 auf den Markt ging, mit einer induktiven Ladelösung anbieten, doch die übertragbare Energiemenge der damaligen Systeme war für unsere Zwecke nicht ausreichend. Wiferion gab es damals noch nicht», sagt Carsten Grunert, Leiter der Produktentwicklung bei Fabmatics. «Darum haben wir eine kontaktbasierte Ladetechnologie, entwickelt, die in den Boden integriert wurde. Diese sorgte aber für einen hohen Verschleiss und Wartungsaufwand und war wenig flexibel.»

Als Fabmatics die zweite Generation seiner mobilen Roboter entwickelte, hatte sich die Technologiesituation grundlegend verändert. Wiferion war inzwischen am Markt und bot als erster Anbieter eine induktive Ladelösung, die bis zu 60 Amper überträgt – genug, um mobile Roboter im Reinraum unterbrechungsfrei zu betreiben. Damit wurde möglich, was 2013 noch an technischen Grenzen scheiterte.

Zusammen mit dem Partner PohlCon entwickelte Fabmatics Ladepads, die nahtlos in den Doppelboden der Reinräume eingebettet werden können. Dazu muss lediglich eine der üblicherweise im Reinraum vorhandenen Bodenplatten ersetzt werden, sodass aufwändige Umbauten nicht nötig sind. Die Energieübertragung erfolgt kontaktlos über ein magnetisches Feld, sodass keine Partikel erzeugt werden. Darüber hinaus ist das kabellose Ladesystem des Wireless-Charging-Spezialisten auch brandschutztechnisch vorteilhaft. Schleppketten oder offene Kontakte, die Partikelabreibung und Funkenbildung begünstigen könnten, werden überflüssig.

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Flexibel, wartungsfrei und zukunftssicher: automatisiertes Laden im Prozess

Der grösste Vorteil liegt jedoch im Prinzip des In-Process-Charging. Anstatt feste Ladezeiten einzuplanen, laden die Roboter von Fabmatics während ihrer normalen Arbeit, beispielsweise beim Be- und Entladen von Wafer-Kassetten. Dank der hohen Positionierungstoleranz der Wiferion-Systeme genügt es, wenn der Roboter kurz über dem Ladepad anhält. Selbst kleinere Abweichungen führen nicht zu Ladeunterbrechungen. Jede kurze Pause genügt, um den Energiestand stabil zu halten. Separate Ladezonen, lange Pausen oder manuelle Eingriffe sind nicht erforderlich. Das macht die Lösung zudem besonders platzsparend.

Neben der minimalinvasiven Installation überzeugt das Ladesystem zudem mit seiner hohen Flexibilität: Dank des modularen Designs kann die Ladeinfrastruktur an wechselnde Layouts angepasst werden – ein wesentlicher Vorteil in gewachsenen Produktionsumgebungen, die regelmässig erweitert oder umgerüstet werden. So entsteht eine wartungsfreie Ladeinfrastruktur, die sich in jede bestehende Produktionsumgebung einfügt und neben Reinraumtauglichkeit auch mit Zukunftssicherheit punktet.

Ohne Schleppketten und Stolperfallen: neue Anwendungsbereiche

«Die Kombination aus kabelloser Energieversorgung und prozessintegriertem Laden ist für unsere Anwendungen ideal», erklärt Carsten Grunert. «Wir konnten schon zuvor einen 24/7-Betrieb realisieren – heute geschieht das jedoch deutlich flexibler, wartungsfrei und mit höchster Prozessreinheit. Ein echter Gewinn für unsere Systeme! Die hohe Flexibilität hat uns zudem die Erschliessung neuer Anwendungsbereiche ermöglicht.»

So hat Fabmatics die Wiferion-Technologie inzwischen in weitere Roboterserien integriert, die zuvor durch die Einschränkungen herkömmlicher Ladesysteme limitiert waren. Da die Ladeplatten auch senkrecht an Wänden montiert werden können, eignen sie sich für vertikale Anwendungen wie Etagenlifte. Insbesondere beim Materialtransport über mehrere Stockwerke ist die Technologie von Vorteil: Ohne die Notwendigkeit für mechanische Verbindungen oder Schleppketten, die üblicherweise Kabel für die Energieübertragung führen, entfallen potenzielle Stolperfallen und Brandschutzrisiken. Zudem ermöglicht die kabellose Lösung eine geräuscharme und nahtlose Integration in den laufenden Betrieb.

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Fazit: Ein grosser Gewinn für die Automatisierung in der Halbleiterindustrie

Durch die Integration der Wiferion-Technologie konnte Fabmatics eine zentrale Hürde bei der Automatisierung von Reinraumprozessen überwinden. Die induktive Energieversorgung ermöglicht einen wartungsfreien, prozessintegrierten Betrieb mobiler Roboter selbst in hochsensiblen Produktionsumgebungen. Für die Halbleiterindustrie, insbesondere für die 200-mm-Waferfabriken mit ihren historisch gewachsenen Strukturen, bedeutet dies einen echten Effizienzsprung. Induktives Laden wird somit zum Schlüssel für die nächste Stufe der Automatisierung.

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