Industrieelektronik Wafer-Handling im Griff

Durch einen starken Wettbewerb, vor allem aus China, steht der Markt für Solarmodule unter großem Druck. Um in diesem preissensitiven Feld erfolgreich zu sein, stehen auch Investitionen in automatisierte Produktionsanlagen stets neu auf dem Prüfstand. Eine beachtenswerte Kosteneinsparung konnte der Marktführer für Wafer-Prozess-Systeme, die Firma Rena (Gütenbach), dadurch erzielen, dass bei diesen Anlagen aufwändige Servo- durch FPGA-gesteuerte Schrittmotoren ersetzt werden. Kompetenter Kooperationspartner bei der Entwicklung und Fertigung der dafür erforderlichen Steuerungs- und Erkennungssysteme ist die Megatec Electronic GmbH in Etzelwang/Oberpfalz. Für die Bearbeitung in diversen Nassprozessen werden die quadratischen Solar-Wafer durch Loader aus Magazinkassetten, so genannten Carriern, entnommen und nach ihrer Bearbeitung durch Unloader wiederum in Carriern abgelegt. Typischerweise setzt sich eine derartige Anlage aus fünf (seltener auch acht) parallelen Linien zusammen. Da die Spuren in der Nassprozess-Inline-Anlage schmaler sind als die Carrier, müssen die Linien der Loader und Unloader in der Breite aufgefächert werden.Für die Carrier-Be- und -Entladung, die Auffächerung per Querverfahren, die exakt parallele Ausrichtung der Wafer und die Aussortierung von schadhaften Teilen nutzt das Rena-System motorische Lösungen. Gegenüber Roboterarmen bietet die motorische Variante den Vorteil, dass bei einer Störung in einer Linie die anderen unbeeinträchtigt weiter arbeiten können, wohingegen bei einer Roboterlösung im Störfall der Prozess in allen Linien steht. Darüber hinaus werden bei der motorischen Lösung die Wafer grundsätzlich nur einseitig (unten) berührt, was wichtige Qualitätsvorteile bietet. Auch die Höhensteuerung der Carrier zum Erreichen der einzelnen Ablageebenen erfolgt motorisch. Für den unterbrechungsfreien Betrieb befindet sich jeweils ein zweiter Carrier im Lift des Loaders/Unloaders, der ebenfalls automatisch positioniert wird. Insgesamt kommen je Loader/Unloader 14 Motoren zum Einsatz.

Schrittmotoren senken Kosten

Ursprünglich nutzte Rena in seinen Wafer-Handling-Systemen Servomotoren mit jeweils eigener Controllersteuerung zur Lösung der beschriebenen Aufgaben. Werden diese durch günstigere Schrittmotoren ersetzt, ergibt sich bei einer Fünf-Linien-Anlage mit 140 Motoren ein hohes Einsparungspotenzial. Dies umso mehr, weil bei der Neuentwicklung jeweils acht Schrittmotoren von einem einzigen Controllerboard gesteuert werden können. Darüber hinaus wurden zusätzliche Möglichkeiten für kostengünstige Erkennungssysteme verwirklicht. Diese kommen zur exakt parallelen Ausrichtung der Wafer auf den Transferbändern und zur Aussortierung von defekten, den reibungslosen Fertigungsablauf gefährdenden Teilen zum Einsatz.Bei der Realisierung komplexer Schrittmotorsteuerungen für unterschiedliche Anwendungsfelder existierte bereits eine erfolgreiche Zusammenarbeit der Firmen Rena und Megatec. Das nahe Nürnberg ansässige Unternehmen hat sich als Dienstleister auf die kundenspezifische Entwicklung und Fertigung technologisch hochwertiger elektronischer Schaltungen, Steuerungen und Geräte spezialisiert. Die Leistung umfasst die komplette Hard- und Softwareentwicklung, die Serienfertigung sowie den kompetenten Service während der gesamten Produktlebensdauer.Bei der neuen Generation der Wafer-Handling-Systeme mit Schrittmotorsteuerung konnte Megatec für seinen Kunden eine Kostenersparnis von rund 50 Prozent realisieren. Dabei werden die Schrittmotoren über FPGAs (Altera Cyclone) angesteuert. Jeweils acht Schrittmotor-Ansteuerungen sitzen auf einem Controller-Board. Damit werden für die Ansteuerung der 14 Schrittmotoren - trotz zwei „Reserveeinheiten“ für zukünftige Erweiterungen - statt bisher 14 bei der Servomotorlösung jetzt nur noch zwei Motorcontrollerboards benötigt. Für Softwareupdates sind eine USB-Schnittstelle, für die Prozesskommunikation nach innen und außen sowie Diagnosefunktionen eine TCP/IP-Schnittstelle integriert.

Überwachung der Lage und fehlerhafter Teile

Zum störungsfreien Betrieb der Anlage ist eine zur Laufrichtung exakt parallele Position der Wafer erforderlich. Erkannt wird dies über zwei Lichtschranken. Treffen deren Signale zeitgleich ein, herrscht Parallelität. Bei zeitversetztem Eintreffen kann aus der Zeitdifferenz des Signaleingangs der Winkel der Abweichung errechnet und daraus das Steuersignal für eine Links-Rechts-Drehkorrektur des zugehörigen Schrittmotors gebildet werden. Auch hier hat die motorische Lagekorrektur Vorteile gegenüber einer mechanischen Ausrichtung per Anschlag, der die Wafer beim Anprall beschädigen kann. Defekte Wafer mit ausgebrochenen Ecken sollen weder in den Fertigungsprozess gelangen noch nach dem Prozess eingestapelt werden. Während im ersten Fall Bruchstücke zu Betriebsstörungen im Nassprozess führen können, sind im zweiten Fall bei der Bearbeitung entstehende Ausschussteile auszusortieren. Zuständig für das Erkennen von mechanisch fehlerhaften Wafern ist ein spezieller, modifizierter Zeilensensor, der gegenüber der optischen Bilderfassung per Kamera ebenfalls signifikante Kostenvorteile bietet. Über einen spezifischen Algorithmus zur Auswertung der erfassten Kanten plus eines analogen Ausgangssignals können Ausbrüche mit Abmessungen ab ca. 2 mm x 2 mm sicher erkannt werden. Über eine Weichensteuerung werden die defekten Teile ausgeworfen.

Flexible Anpassung der Ablaufstruktur

Oft steckt der Teufel im Detail - was bei komplexen Ablaufsteuerungen durchaus auch durch das unerwartete Verhalten von Bedienpersonal herrühren kann. Von Megatec wurde deshalb vorausschauend bei der Entwicklung der Schrittmotor- und allen anderen Steuerungen für das Wafer-Handling-System die Software in einer flexibel anpassbaren Ablaufstruktur programmiert. Tatsächlich waren durch das Beschreiten von Neuland und nicht vorausplanbare Ereignisse bei der Inbetriebnahme der ersten Anlagen eine Reihe von Anpassungen zu realisieren. Inzwischen verrichtet eine stattliche Anzahl von Anlagen weltweit störungsfrei ihren Dienst. Das beschriebene Wafer-Handling-System steht als Beispiel dafür, wie durch das Beschreiten eines neuen Weges - hier den Ersatz von Schrittmotoren anstelle aufwändiger Servos - signifikant Kosten eingespart und damit die Wettbewerbsituation verbessert werden können. Auf die Realisierung derartiger kundenspezifischer Lösungen - beispielsweise für den Maschinen- und Anlagenbau - hat sich Megatec Electronic spezialisiert. Von der Entwicklung bis zur Fertigung werden kostengünstige und zukunftssichere Lösungen bereit gestellt. Vorteilhafte FPGA-Lösungen können kostenintensive SPS-Steuerungen ersetzen, wobei sich ein Break-Even-Punkt für eine Neuentwicklung oft schon bei verhältnismäßig geringen Stückzahlen ergibt.