Waferposition sicher erfassen: Anwesenheit, Zentrierung und Notch-Lage in Handling und Prozess

Bevor ein Roboter eine Horde belädt, ein Greifer in eine Kassette fährt oder ein Prozesskopf seinen Arbeitsspalt einstellt, muss die Anlage eine Frage beantworten: Wo genau ist der Wafer? Liegt er im erwarteten Slot, liegt er verschoben oder verkippt, liegen womöglich zwei Wafer übereinander, und wie ist die Scheibe gedreht? Anders als bei einer Maßprüfung wird hier kein Gut-Schlecht-Urteil gegen eine Zeichnung gesucht, sondern ein Wert mit Richtung: eine Position, eine Höhe, ein Winkel, der an Roboter, Achse oder Prozesskopf geht. Erschwerend kommt die Umgebung hinzu. Gemessen wird durch Glas, im Vakuum, unter Wasser oder neben einem Hochtemperaturofen, und der Wafer selbst kann transparent, beschichtet oder mit Quarzglas versehen sein. Dieser Leitfaden zeigt die Kette der Waferpositionsfragen vom Slot bis zur Roboterübergabe und ordnet die Messprinzipien den Bedingungen zu, unter denen sie stabil arbeiten.

Wichtige Punkte im Überblick

Waferposition ist keine Gut-Schlecht-Prüfung gegen eine Zeichnung, sondern ein Wert mit Richtung: Position, Höhe oder Winkel gehen an Roboter, Achse oder Prozesskopf, häufig mit dem erklärten Ziel, einen Roboter-Crash zu vermeiden.
Ein Mapping-Durchlauf mit Einweg- und Lichtleitersensoren liefert das Belegungsbild der Kassette und meldet je Slot: belegt, leer, verschoben, verkippt oder doppelt belegt.
Messende Lichtschranken erfassen die Position der Waferkante im parallelen Messlicht und bestimmen über mehrere Messköpfe Zentrum und Flat- oder Notch-Lage, ohne dass die Scheibe mehrfach gedreht werden muss.
Prozessbedingungen wie Vakuum, Schauglas, Wasser und Ofenhitze bestimmen die Auslegung: konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 sind mit vakuumtauglichen Messköpfen verfügbar, deren Optik in der Kammer sitzt, während der Controller außerhalb bleibt.
Transparente, beschichtete und spiegelnde Wafer machen generische Ultraschall- oder Kapazitivlösungen instabil, weshalb der Machbarkeitstest mit realen Testmustern an den Anfang des Projekts gehört.

Warum Waferposition über Crash, Bruch und Ausbeute entscheidet

Ein Wafer ist dünn, spröde und teuer, und die Handhabung verzeiht wenig. Fährt ein Greifer in einen Slot, in dem der Wafer verschoben liegt, kollidieren beide, die Scheibe bricht, und im schlechteren Fall steht die Anlage mit Splittern im Handlingraum. Ein Doppelwafer, den niemand bemerkt hat, taucht erst im Folgeprozess auf und stört dort die Prozessführung. Ein verkippter Wafer, der zwei Slots gleichzeitig belegt, blockiert die Be- und Entladung.

Die Auslöser für ein Positionsprojekt ähneln sich über die Halbleiterausrüster hinweg. Ein bisher manueller Belade- oder Kontrollschritt wird automatisiert, und der Roboter braucht plötzlich Koordinaten, wo vorher ein Mensch hinsah. Eine Bestandsanlage wird nachgerüstet, weil ein Crash oder ein Doppelwafer Schaden angerichtet hat. Oder eine neue Maschinengeneration soll sich selbst referenzieren, statt auf mechanische Anschläge zu vertrauen. In allen Fällen gilt: Die Vermeidung eines Roboter-Crashs ist kein Nebeneffekt, sondern häufig das erklärte Projektziel.

Anwesenheit und Doppelwafer-Erkennung im Slot: Kassette, Horde und Tray

Die Grundfrage lautet: Ist in jedem Slot genau ein Wafer, und liegt er dort, wo er liegen soll? Kassetten und Horden führen die Wafer in einem Raster mit einem Pitch von rund 10 mm, und aufzulösen sind Verschiebungen von wenigen Zehntelmillimetern. Ein Mapping-Durchlauf tastet die Slots nacheinander ab und meldet je Position: belegt, leer, verschoben, verkippt oder doppelt belegt.

Für diese Aufgabe haben sich Mehrzweck-CCD-Laser-Mikrometer der Modellreihe IG und hochgenaue Lichtleitersensoren der Modellreihe FS bewährt. Der Wafer unterbricht oder dämpft das Messlicht zwischen Sender und Empfänger, und aus dem Signalverlauf über die Slots ergibt sich das Belegungsbild. Ein Doppelwafer verrät sich durch die doppelte Materialstärke im Strahl, ein verkippter Wafer durch ein Signal an zwei benachbarten Slotpositionen. Auch transparente Wafer lassen sich mit geeigneter Einstellung erfassen, dazu später mehr.

In Trays und Öfen, wo kein Mapping über einen Sensor am Handler möglich ist, übernehmen CMOS-Lasersensoren der Modellreihe LR-X die Anwesenheits- und Positionsabfrage. Sie arbeiten mit Abstand zum heißen oder schwer zugänglichen Bereich und melden, ob und wo eine Scheibe liegt. Der frühere Zustand, ganz ohne Sensorik zu fahren und auf die Ordnung der Kassette zu vertrauen, endet dagegen regelmäßig beim Crash oder beim Doppelwafer im Folgeprozess.

Zentrierung, Flat und Notch: die Drehlage des Wafers bestimmen

Mit der Anwesenheit ist es nicht getan. Viele Prozesse brauchen das Zentrum des Wafers und seine Drehlage, also die Position von Flat oder Notch. Der klassische Weg mit einem einzelnen Punktsensor verlangt, den Wafer mehrfach zu drehen, um aus vielen Einzelmessungen ein Bild zu gewinnen. Das kostet Taktzeit und Mechanik.

CCD-Laser-Mikrometer der Modellreihe IG verkürzen diesen Weg. Sie erfassen die Position der Waferkante im parallelen Messlicht, und aus den Werten mehrerer Messköpfe lassen sich Zentrum und Flat- oder Notch-Lage bestimmen, ohne dass die Scheibe wiederholt rotiert werden muss. Wo eine Drehachse ohnehin vorhanden ist, lässt sich die Messung auch als geschlossener Regelkreis aufbauen: Der Motor dreht den Wafer, der Sensor meldet kontinuierlich die Kantenposition, und die Achse stoppt an der definierten Lage. In der Anwendungspraxis werden dabei Anschläge bei 90°, 45° oder 180° gefordert, mit Winkelgenauigkeiten bis in den Bereich von hundertstel Grad.

Wichtig ist die saubere Definition der Aufgabe. Zentrierung, also der Versatz des Wafermittelpunkts, und Orientierung, also der Winkel der Notch, sind zwei verschiedene Größen. Manche Prozesse brauchen nur eine davon, manche beide, und die Auslegung von Sensorik und Mechanik folgt dieser Entscheidung.

Messen unter Prozessbedingungen: durch Glas, im Vakuum, unter Wasser, bei Hitze

Halbleiteranlagen setzen der Messtechnik Bedingungen, die es in kaum einer anderen Branche gibt. Nasschemische Prozesse verlangen die Erfassung unter Wasser oder durch ein Schauglas. Vakuumkammern lassen keine Standardsensorik im Inneren zu. Neben Öfen herrschen Temperaturen, die Elektronik nicht übersteht.

Für jede dieser Bedingungen gibt es einen gangbaren Weg. Konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 sind mit vakuumtauglichen Messköpfen verfügbar, deren Optik in der Kammer sitzt, während der Controller außerhalb bleibt. In heißen Anlagen helfen große Distanzen zwischen Sender und Empfänger oder eine Wasserkühlung des Sensorkopfs, damit die Messstelle nahe am Prozess liegen kann, die empfindliche Technik aber nicht.

Vorsicht ist beim naheliegenden Ausweg geboten, einfach durch das vorhandene Schauglas zu messen. Das Glas bricht den Strahl und verfälscht den Messwert, und je nach Prinzip ist die Abweichung nicht konstant. Wer durch Glas messen muss, sollte das Messprinzip danach auswählen und die Anordnung im Machbarkeitstest mit dem realen Fenster prüfen, statt den Fehler später in der Anlage zu suchen.

Transparente und beschichtete Wafer: das richtige Messprinzip wählen

Der Wafer selbst ist die zweite Hürde. Blanke Siliziumscheiben spiegeln, dünne Wafer geben kapazitiv kaum Signal, und transparente oder quarzglasbeschichtete Wafer lassen Licht schlicht hindurch. Generische Ultraschall- oder Kapazitivlösungen werden auf solchen Zielen instabil: Mal wird der Wafer gesehen, mal nicht, und die Anlage lernt, der Anwesenheitskontrolle zu misstrauen.

Einwegsensoren mit durchdachter Auswertung sind hier im Vorteil. Auch ein transparenter Wafer dämpft und bricht das Messlicht messbar, wenn Wellenlänge, Strahlform und Schwelle zur Scheibe passen. Lichtleitersensoren der Modellreihe FS bieten dafür Einstellungen, die auf geringe Signaländerungen reagieren, ohne bei jeder Verschmutzung Fehlalarm zu geben. Bei stark spiegelnden oder beschichteten Oberflächen wiederum liefert ein konfokales Prinzip stabile Höhenwerte, wo ein einfacher Triangulationssensor vom Reflex getäuscht wird.

Welche Kombination trägt, lässt sich seriös nur am Original beurteilen. Beschichtung, Transparenz und Glanz variieren zwischen Prozessschritten und Produkten, und ein Testmuster aus der realen Fertigung sagt mehr als jedes Datenblatt. Der Machbarkeitstest mit den eigenen Wafern gehört deshalb an den Anfang des Projekts, nicht an sein Ende.

Vom Messwert zur Robotersteuerung: Höhenreferenz und Schnittstellen

Am Ende muss der Messwert dorthin, wo er wirkt. Bevor ein Roboter eine Horde belädt, referenziert er die Höhe der Waferkante am Greifer: In dokumentierten Anwendungen wird dabei auf etwa 1 µm über einen Bereich von mehreren Millimetern gemessen, bei einem Arbeitsabstand von mehr als 50 mm. Ultraschnelle und hochgenaue Laser-Wegmesssensoren der Modellreihe LK-G5000 und konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 decken diese Klasse ab. Für die Einstellung eines Prozessspalts im Bereich von 100 µm werden mehrere Messpunkte kombiniert, damit neben der Höhe auch die Parallelität stimmt.

Nicht jede Aufgabe braucht diese Feinheit. Wo eine einfache Höhenabfrage genügt, etwa ob ein Werkstückträger seine Sollhöhe erreicht hat, reichen hochpräzise digitale Messtaster der Modellreihe GT2 oder Multi-Funktions-CMOS-Analoglasersensoren der Modellreihe IL. Beim Einrichten der Anlage selbst, also beim Einmessen von Positionen, Abständen und Parallelität im Bereich von 0,01 mm, unterstützt ein 3D-Fertigungsmesssystem der Modellreihe XM.

Für die Übergabe gelten die üblichen Regeln des Maschinenbaus. Profinet, Ethernet/TCP-IP oder digitale I/O verbinden Sensor und Steuerung, und die Auswertung muss in den Takt des Handlers passen. Ob der Empfänger die Robotersteuerung oder die SPS ist, gehört früh ins Lastenheft, ebenso die Frage, wer die Integration übernimmt: der Maschinenbauer, ein Integrator oder das eigene Team.

Fazit

Waferposition ist keine einzelne Messung, sondern eine Kette: Anwesenheit und Doppelwafer im Slot, Zentrum und Notch-Lage, Höhenreferenz vor der Roboterbewegung, Spalt im Prozess. Wer die Kette entlang plant, wählt je Frage das passende Prinzip: Einweg- und Lichtleitersensoren für das Belegungsbild, messende Lichtschranken für Zentrierung und Drehlage, konfokale und Laser-Wegmesssensoren für Höhe und Spalt, auch im Vakuum und neben dem Ofen. Die Umgebung und der Wafer selbst bestimmen die Auswahl stärker als jedes Datenblatt, weshalb der Machbarkeitstest mit realen Testmustern die verlässlichste Grundlage ist. Mit klaren Schnittstellen zu Roboter und SPS wird aus dem Messwert der Korrekturwert, der Crash, Bruch und Ausbeuteverlust verhindert.

Häufige Fragen

F Wie erkenne ich, ob ein Wafer im Slot einer Kassette liegt?

Einweg- und Lichtleitersensoren tasten die Slots der Kassette oder Horde nacheinander ab und melden je Position, ob ein Wafer liegt und ob er verschoben ist. Bei einem Slot-Pitch von rund 10 mm werden dabei Verschiebungen von wenigen Zehntelmillimetern aufgelöst. Aus dem Signalverlauf über alle Slots entsteht ein vollständiges Belegungsbild für die Steuerung.

F Wie lassen sich Doppelwafer in einer Kassette erkennen?

Ein Doppelwafer verrät sich im Einweg-Messlicht durch die doppelte Materialstärke, ein verkippter Wafer durch Signale an zwei benachbarten Slotpositionen. Ein Mapping-Durchlauf mit Einweg- oder Lichtleitersensoren erkennt beide Fälle, bevor der Greifer in die Kassette fährt. Ohne diese Prüfung fällt der Doppelwafer meist erst im Folgeprozess auf, wo er deutlich mehr Schaden anrichtet.

F Wie erkenne ich transparente oder beschichtete Wafer?

Auch ein transparenter oder quarzglasbeschichteter Wafer dämpft und bricht das Messlicht eines Einwegsensors messbar, wenn Wellenlänge und Schwelle zur Scheibe passen. Generische Ultraschall- oder Kapazitivlösungen werden auf dünnen, spiegelnden oder nichtmetallischen Wafern dagegen instabil. Ob die Erkennung sicher gelingt, sollte im Machbarkeitstest mit Testmustern aus der realen Fertigung geprüft werden, weil Beschichtung und Transparenz je Prozessschritt variieren.

F Wie bestimme ich die Notch- oder Flat-Lage eines Wafers?

Messende Lichtschranken erfassen die Position der Waferkante im parallelen Messlicht und bestimmen über die Werte mehrerer Messköpfe Zentrum und Notch- oder Flat-Lage, ohne dass der Wafer mehrfach gedreht werden muss. Ist eine Drehachse vorhanden, meldet der Sensor die Kantenposition kontinuierlich, und die Achse stoppt an der definierten Lage, etwa bei 90°, 45° oder 180°. In der Anwendungspraxis werden dabei Winkelgenauigkeiten bis in den Bereich von hundertstel Grad gefordert.

F Kann man die Waferposition im Vakuum oder durch Glas messen?

Ja, mit der passenden Auslegung. Konfokale Wegmesssensoren sind mit vakuumtauglichen Messköpfen verfügbar, deren Optik in der Kammer sitzt, während der Controller außerhalb bleibt. Beim Messen durch ein Schauglas ist Vorsicht geboten, weil das Glas den Strahl bricht und den Messwert verfälscht. Das Messprinzip sollte danach ausgewählt und die Anordnung mit dem realen Fenster getestet werden.

F Wie genau muss die Höhenreferenz für den Roboter sein?

Das hängt vom Folgeprozess ab. In dokumentierten Anwendungen wird die Waferkante am Greifer auf etwa 1 µm über mehrere Millimeter referenziert, bei einem Arbeitsabstand von mehr als 50 mm, damit der Roboter eine Horde kollisionsfrei beladen kann. Für die Einstellung eines Prozessspalts im Bereich von 100 µm werden mehrere Messpunkte kombiniert, damit auch die Parallelität stimmt. Einfache Höhenabfragen kommen dagegen mit Messtastern aus.

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