KUKA: Výroba polovodičů s mobilním propojením je rychlá a přesná

Produkce polovodičů je komplexní a složitý proces, při kterém se k hotovému výrobku dospěje zřetězením řady jednotlivých výrobních operací. Přemístění drobných a choulostivých dílů mezi dílčími úkony a manipulace s nimi vyžadují přesnost a preciznost ve spojení s flexibilitou a systematičností pracovního postupu. Technické řešení, které by automatizovalo transport mezi jednotlivými výrobními procesy, je velmi náročné. Společnost KUKA to dokázala, jak dokládá následující text.

Věděli jste, že jsme denně obklopeni polovodiči – téměř po celých 24 hodin? Nevěříte? Potom si odpovězte na následující otázky: vlastníte chytrý telefon? Jste majitelem auta, jehož první registrace nespadá do minulého tisíciletí? Pokud alespoň jedna odpověď zní „ano“, pak polovodiče váš život ovlivňují, a to značnou mírou.

Nacházejí se například v mobilním telefonu. Rovněž tak v automobilovém průmyslu se stále častěji používají mikroprocesory. Dlouhou dobu byl nejdůležitější komponentou vozidla plech, tedy hardware, dnes však zaujímá stále významnější postavení mikroelektronika a software. Pro megatrendy tohoto odvětví, jako je autonomní řízení, inteligentní management baterií, nebo konektivita, mají tyto komponenty klíčový význam. Každý software může být přitom výkonný jen do té míry, do jaké to polovodiče, respektive mikroprocesory, umožní.

Podle údajů německého elektronického svazu ZVEI dosáhl prodej polovodičů ve světě v roce 2018 částky 474 miliard dolarů. O rok dříve to bylo 412 miliard dolarů. V dalších letech bude růst dynamicky pokračovat. V neposlední řadě také proto, že bude jejich potřeba stoupat i v ostatních oblastech, jako je spotřební elektronika, nebo průmyslové prostředí. Základem většiny polovodičů a čipů je křemík. Ten samotný se pro vedení elektřiny nijak zvlášť nehodí, avšak jeho vlastnosti je možné přesně nastavit dotováním. Při výrobě se zpracovává dotovaný křemík ve formě tzv. waferů. Jsou to tenké kruhové destičky, které se vyrábějí v různých velikostech, přičemž jejich tloušťka se pohybuje pod hranicí jednoho milimetru. Tyto destičky se během výroby uchovávají ve speciálních plastových pouzdrech a na cestě k hotovému produktu procházejí řadou výrobních operací. Pro zhotovení běžného mikročipu je zapotřebí přes 100 výrobních operací. Zpracování waferů je v současné době z větší části automatizováno. Přemístění od jednoho pracovního stroje k následujícímu, stejně tak jako zakládání do nich, se provádí v převážné míře manuálně – alespoň doposud.

Náročné výrobní prostředí

Poptávka po polovodičích stoupá a tomu odpovídá požadavek jejich producentů zvyšovat produktivitu a efektivitu výroby. Vzhledem k tomu, že zpracování waferů je již z větší části zautomatizované, zbývá už jen relativně malý neobsazený prostor. Určitý potenciál se nachází v přemístění základního materiálu mezi jednotlivými pracovními úkony. Jeho automatizované řešení a tím i efektivnější propojení jednotlivých pracovišť je úkol mimořádně komplexní. Důvodem jsou jednak náročné požadavky na okolní prostředí a také obtížné rámcové podmínky. Pro výrobu vysoce citlivých polovodičů se například kladou nejvyšší nároky na bezprašnost prostředí a na funkčnost výrobního procesu, kterých lze dosáhnout pouze v čistých prostorách. Vedle čistého vzduchu, který se zajišťuje na energii náročnými klimatizačními zařízeními a několikastupňovou filtrací, je nezbytné pro dodržení specifikovaných tříd čistoty mít k dispozici náležitě přizpůsobené oblečení, speciální pracovní prostředky, nástroje a rovněž odpovídající techniku. Další výzvu při výrobě představuje vysoká citlivost waferů. Jsou totiž velice náchylné na mechanická poškození vznikající například působením vibrací nebo tlaku.     

Spojení silných stránek člověka a stroje

Teoreticky by byla možnost všechna výrobní pracoviště v rámci automatizace transportu kompletně přestavět, nově je uspořádat a použít statická dopravní řešení, na způsob lineárních portálových jeřábů. Podniky však investovaly do stávajících výrobních systémů velké částky, a proto nepředstavuje tento scénář – už jenom kvůli nákladům – žádnou reálnou alternativu. Totéž platí pro rekonstrukci ve velkém měřítku. Řešení, které by propojovalo jednotlivé výrobní kroky, by muselo umožnit integraci do stávající výrobní sestavy, vzájemně propojovat nejdůležitější vlastnosti člověka a stroje a současně minimalizovat požadavky, jež nasazení člověka přináší, neboť i přes existenci vybavení zajišťujícího čistý vzduch, existuje stále nebezpečí zanesení nežádoucích částic. Kromě toho nezaručuje ani sebepečlivější manipulace výrobu bez ztrát. Při vysokých cenách waferů pak náklady způsobené zmetky rychle naskakují. Automatizované řešení by tedy muselo splňovat požadavky týkající se čistoty prostoru a zároveň disponovat citlivostí potřebnou k tomu, aby se technika mohla pohybovat v různých prostorech a přebírat, s nezbytnou dávkou jemného citu, manipulační úkoly. Tedy být mobilní a tak nabídnout přidanou vlastní hodnotu. Wafery osazené kazety by se musely autonomně transportovat od jednoho zařízení ke druhému, systém by je musel samostatně vkládat do jednotlivých modulů a také je z nich vyjímat („nabíjet“ a „vybíjet“).  Další výzvu představuje skutečnost, že ve stávající výrobě jen málokdy probíhá zpracování v linii, protože jednotlivé pracovní stroje nebývají v řadě za sebou, ale jsou často od sebe různě vzdálené.   

I přes náročnost organizace výroby hledají podniky neustále řešení, jak výrobní kroky automatizovaně propojit, což je při očekávaném vzrůstu poptávky po polovodičích pochopitelné. Pomoc by mohlo nabídnout automatizované řešení přepravy, které by bylo nejen mobilní, citlivé a pracovalo v bezprašném prostředí s integrací do stávající výrobní technologie s nejvyšší efektivitou.       

Na scénu přichází senzitivní mobilní robotická aplikace

Řešení, které umožní požadovanou mobilitu, senzitivitu a bude schopné integrace do stávajícího výrobního prostředí, by mělo mít modulární strukturu. Tyto vysoce specifické požadavky může splnit pouze kombinace sofistikovaných technik. Pro co možná robustní řešení, do něhož je možné jednoduše integrovat software, je výhodou, když pochází z jedné ruky.  

Společnost KUKA vyvinula pro manipulaci s wafery robotické řešení, které umožňuje automatizovanou podporu polovodičové výroby. Aplikaci tvoří jedno zařízení AGW (Automated Guided Vehicle – automaticky vedený vozík) a jeden v praxi osvědčený lehký robot LBR iiwa. Na doplnění bylo ještě vyvinuté sofistikované chapadlo. Software pochází rovněž od společnosti KUKA.

Mobilitu zabezpečuje technicky náročná mobilní platforma KMR 200 CR, která je vybavená řadou vyspělých komponent, z nichž je třeba na prvním místě uvést kola přepravníku systému Mecanum. Ta se skládají ze dvou disků a devíti volně otočných kladek namontovaných v úhlu 45 stupňů. Kola se pohybují vzájemně nezávisle, v důsledku čehož se může vozík pohybovat nejen vpřed a do stran, ale též diagonálně a otáčet se v kruhu.  Tato všesměrová technologie umožňuje pojezd v jakémkoliv směru. Každé jednotlivé kolo je poháněné vlastním elektromotorem. O bezpečnost platformy se stará řada senzorů, které sledují její okolí v reálném čase a zabraňují kolizím s okolními předměty, jinými mobilními bázemi a také s lidmi. Z toho důvodu vytvářejí senzory kolem zařízení virtuální ochranné pole. Existuje vnitřní, bezpečnostní a vnější. Pokud vstoupí do varovného pole člověk, platforma sníží rychlost. Když se ocitne v bezpečnostním poli, tak se okamžitě zastaví. Z důvodů reakčních a brzdných časů, jsou tato pole při vyšších rychlostech větší, a pokud se platforma pohybuje pomalu, tak menší. Senzory nepotřebují značky na podlaze, podle kterých by se mohl robot orientovat. Mobilní zařízení se pohybuje zcela autonomně. Kromě toho jsou do platformy vestavěné senzory proti pádu. Ty detekují prostřednictvím laserového skenování překážky, jako jsou např. otevřené podlahové desky u zvýšených podlah typických v polovodičové výrobě.

Druhou důležitou komponentou platformy je robot LBR iiva o nosnosti až 14 kg, který je schopný spolupráce s člověkem. Citlivost tohoto automatu umožňuje bezpečnou a tím i ochranný plot nevyžadující spolupráci s lidmi ve výrobě a současně je schopný spolehlivě a bez otřesů manipulovat s waferovými kazetami. Tento lehký robot, stejně tak jako mobilní platforma, odpovídají třídě čistoty ISO 3. Jsou tedy certifikované pro použití v citlivém prostředí výroby waferů. Kromě toho je kompletní systém certifikovaný podle norem UL1740, UL1998 a rovněž podle aktuálních SEMI-standardů. 

Třetí komponentou této aplikace je na míru zhotovené úchopové zařízení – chapadlo. Pro bezpečnou manipulaci s waferovými kazetami různých velikostí je chapadlo opatřené rozsáhlou výbavou, do které patří ochrana proti otřesům, senzory pro osazování a rovnání na sebe a rovněž kamera. Pomocí tohoto úchopového systému je možno bezpečně uchopit kazety o průměru 200 mm (označované zkratkou POD) a 300 mm (FOUP). Úchopový systém pro kazety FOUP má společnost KUKA patentovaný. Do kompletu hardware patří ještě úložný systém, ve kterém jsou kazety během transportu k následujícímu stroji naskládány do výšky.

Software umožňuje kooperaci s pracovními stroji

U použitého řešení manipulace s wafery pochází jak hardware, tak i sofware od společnosti KUKA. Kromě hardware, přizpůsobeného potřebám polovodičového průmyslu, připadá také velká role na softwarovém základě uskutečněné integraci aplikace do stávajícího strojního vybavení. Softwarové řešení manipulace s wafery lze prostřednictvím standardizovaných rozhraní E82 a E84 bezproblémově integrovat do výrobního vybavení (Manufacturing Execution System) výrobců polovodičů. Management flotily, který je součástí software, vyhodnotí přicházející transportní úkoly tak, aby s ohledem na dostupnost vozíků, zadané priority a délky jednotlivých drah, výrobu optimálně obsloužil. Přitom nehraje žádnou roli, zda se jedná o řešení s jedním robotem, tedy jeden vozík pro výrobní linku, nebo multirobotové varianty, při nichž je pro jednu linku k dispozici více vozíků. Tento systém mimoto umožňuje koexistenci vozíku a pracovníka. Základem pro ni jsou promyšlené koncepty řešení chyb a bezpečnosti v případech, kdy dojde k interakci člověka se strojem. Všechna řešení a jsou certifikována. Veškeré pohyby ramen robota jsou katalogizované a standardizované tak, aby plnily požadavky vyplývající z produkce čipů. Z toho pak vycházejí mimořádně krátké doby uvádění zařízení do provozu, což činí tuto soustavu nejflexibilnějším manipulačním systémem na trhu. Výroba polovodičů je komplexní proces. Cesta k hotovému výrobku se zde skládá ze stovek výrobních kroků. Realizace technického řešení transportu citlivých dílů od jedné výrobní operace k následující a manipulace s nimi je velice náročná – ale přesto možná!

Wafer se vyrábí nařezáním monokrystalu na cca 300 mikrometrů hrubé plátky. Jedna strana bývá zřezána podle krystalografické orientace kvůli přesnému zarovnání. Průměr disku se udává v palcích a závisí na průměru monokrystalu. Leptáním a nanášením atd. se na něm vytvoří obvodová mřížka – místa, kde mají být „vodiče“ obvodu, jsou natřena speciální látkou (většinou obsahující líh nebo jiný alkohol) odolnou proti následnému naleptání celé plochy, která zžírá vše kromě právě těchto míst. Takových technologií je několik základních, ale společné pro všechny z nich je snaha o miniaturizaci. Leptání se může opakovat, neboť struktura bývá i vícevrstvá. Pro výkonové bývá obyčejně jednovrstvá. Wafer se poté rozřeže na čipy, které jdou následně na zapouzdření. Pro masovou výrobu dostává ještě laserový (od 90. let dvourozměrný) čárový kód kvůli strojovému zatřídění.

Polovodič je pevná látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách, a dá se změnou těchto podmínek snadno ovlivnit. Změna vnějších podmínek znamená dodání některého z druhů energie – nejčastěji tepelné, elektrické nebo světelné, změnu vnitřních podmínek představuje příměs jiného prvku v polovodiči. Mezi polovodiče patří prvky křemík, germanium, selen, sloučeniny arsenid galia GaAs, sulfid olovnatý PbS aj. Většina polovodičů jsou krystalické látky, existují však také polovodiče amorfní (některá skla). Polovodiče se využívají u elektronických součástek. Zdroj: Wikipedie (25.9.2020)