Wafer und Substrate automatisiert handhaben: Transfer, Crashvermeidung und Reinraumbedingungen

In einer Halbleiteranlage ist der Prozess meist der am besten beherrschte Teil. Geätzt, belichtet und beschichtet wird nach Rezept, überwacht und dokumentiert. Teuer wird es zwischen den Prozessen, dort wo ein Arm einen 200- oder 300-mm-Wafer aus der Kassette nimmt, ihn über den Prealigner an die Prozessstation bringt und danach auf einem Carrier ablegt. Dieser Beitrag behandelt den Transfer als eigene Aufgabe: was die Anlage wissen muss, bevor der Arm losfährt, welche Genauigkeit beim Ablegen wirklich gefordert ist und warum in dokumentierten Projekten Bauraum, Transferhöhe und Reinraumluft die Sensorauswahl stärker bestimmen als die Messaufgabe selbst.

Wichtige Punkte im Überblick

  • Teuer wird es nicht im Prozess, sondern im Transfer dazwischen, denn ein Wafer, der in der Handlingkammer zu flippern beginnt und am Roboterarm hängen bleibt, wird von einer Steuerung, die ihr Programm unbeirrt weiter abarbeitet, im schlimmsten Fall zurück in die Kammer gefahren.
  • Vor der ersten Bewegung stehen drei Fragen an die Kassette: ob ein Wafer als Cross Load schräg über zwei Schlitzen liegt und in die Fahrbahn ragt, ob der erwartete Schlitz leer ist und ob zwei Wafer in einem Schlitz liegen, was in einem dokumentierten Aufbau ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 über gezählte Kanten beantwortet.
  • Ein gerissener Wafer bleibt im Durchfahrprofil unsichtbar, solange er flach im Ring liegt, erkennbar wird der Bruch daran, dass er nicht mehr auf seinen drei Pins aufliegt und abfällt, womit aus der Defektfrage eine Höhenfrage wird, die ein Mehrzweck-CCD-Laser-Mikrometer der Modellreihe IG mit größerem Sichtfeld beantwortet.
  • Beim Ablegen gibt es keinen zweiten Versuch, weil in einem dokumentierten Fall bereits Kleber auf dem Wafer liegt, und gefordert waren plus/minus 50 µm Versatz zwischen Wafer und Carrier, eine Genauigkeit, die nur mit Bildkorrektur erreichbar ist.
  • Im Waferhandling scheitert selten die Messaufgabe und häufig der Bauraum: der Greifer fährt als Störkontur durch jedes Sichtfeld, die Ablagehöhe liegt mindestens 10 mm unter der Transferhöhe, und die Hotplate mit bis zu 250 °C sowie die Filterdecke im Reinraum begrenzen Arbeitsabstand und Halterung.

Der Transfer ist die kritische Stelle, nicht der Prozess

Ein Schadensbild aus der Anwendungspraxis zeigt die Mechanik dahinter. Ein Wafer läuft in eine Handlingkammer ein, beginnt zu flippern und bleibt am Roboterarm hängen. Die Steuerung weiß davon nichts, arbeitet ihr Programm weiter ab und fährt den Wafer im schlimmsten Fall zurück in die Kammer. Das Ergebnis ist ein Wafercrash mit Schaden an der Anlage und einem zerstörten Wafer.

Der Punkt daran ist nicht der einzelne Wafer, sondern die ungeprüfte Annahme. Die Anlage hat eine Vorstellung davon, wo das Substrat liegt, und niemand hat sie bestätigt. Jede Absicherung im Wafertransfer beantwortet deshalb dieselbe Frage in unterschiedlicher Form: Ist der Wafer dort, wo die Maschine ihn vermutet, und ist er in dem Zustand, den sie voraussetzt.

Bevor der Arm fährt: Cross Load, Fehl- und Doppelbelegung erkennen

Vor der ersten Bewegung stehen drei Fragen an die Kassette:

  • Cross Load: Liegt ein Wafer schräg über zwei Schlitzen und ragt damit in die Fahrbahn des Greifers?
  • Fehlbelegung: Ist der erwartete Schlitz leer?
  • Doppelbelegung: Liegen zwei Wafer in einem Schlitz?

In einem dokumentierten Projekt wurde diese Prüfung direkt vor den Greifer gesetzt, wahlweise mit einem System oder mit zwei nebeneinander. Die naheliegende Variante, mit zwei Blickrichtungen in die Box zu schauen und die Reflexion des Wafers auszuwerten, ließ sich aus Platzgründen nicht umsetzen. Realisiert wurde stattdessen eine Aufnahme mit Zusatzbeleuchtung, die den Kontrastunterschied zwischen Wafer und Box nutzt und die Kanten zählt. Für diese Zählaufgabe reicht ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4, wo mehr Bildauswertung gebraucht wird, übernimmt eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS. Geht es nur darum, ob überhaupt ein Wafer an einer Station liegt, sind digitale Lichtleitersensoren der Modellreihe FS-N die schlankere Antwort.

Gebrochener Wafer: warum er nicht mehr auf den Pins liegt

Ein gerissener Wafer bleibt im Durchfahrprofil unsichtbar, solange er noch flach im Ring liegt. Der Riss allein verändert die Höhe nicht, also findet ihn eine Profilmessung auf Transferhöhe nicht. Erkennbar wird der Bruch an einer anderen Stelle: Ein gebrochener Wafer liegt nicht mehr auf seinen drei Pins auf, sondern fällt ab. Damit wird aus einer Defektfrage eine Höhenfrage.

In einem dokumentierten Maschinenprojekt fiel die Wahl dafür auf ein CCD-Laser-Mikrometer der Modellreihe IG. Er bringt das größere Sichtfeld mit und traf den Fall zuverlässiger als der konfokale Weg, der für dieselbe Aufgabe einen zusätzlichen dritten Messkopf auf den Außenbereich des Wafers nach der Ablage gebraucht hätte. Wer im Konzept früh trennt, welche Frage eine Höhe und welche eine Kontur ist, spart sich einen Messkopf.

Ablage auf Carrier und Ring: Genauigkeit beim ersten Versuch

Beim Ablegen gibt es keinen zweiten Versuch. In einem dokumentierten Fall liegt bereits Kleber auf dem Wafer, eine nachträgliche Korrektur ist damit ausgeschlossen. Gefordert waren plus/minus 50 µm Versatz zwischen Wafer und Carrier, eine Genauigkeit, die eine Ablage ohne Bildkorrektur nicht erreicht. Diese Lücke ist der eigentliche Projektinhalt, und sie ist kein Einzelfall: Die Kinematik ist der gröbere Partner, also muss die Zelle den Versatz messen, bevor abgelegt wird, statt ihn danach zu korrigieren.

Die Randbedingungen dieses Falls sind ebenso typisch. Der Carrier misst rund 110 mm bei 100 mm Wafer, abgelegt wird auf einer Hotplate mit bis zu 250 °C, und die Anbindung läuft über EtherCAT. Dünne und verzogene Substrate verschärfen die Aufgabe zusätzlich, weil ein Wafer mit Bow nicht plan aufliegt. In einem Projekt wird der Bow deshalb auf dem Prealigner erfasst, bevor gespannt wird, bei einer Toleranz von plus/minus 0,5 mm und einer geforderten Genauigkeit von 0,01 mm; dafür eignen sich 2D/3D Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000, wobei die Spiegelungen der Waferoberfläche in die Auslegung gehören. Wo genau der Wafer im Ring sitzt, also Zentrierung und Notch-Lage, ist eine eigene Positionieraufgabe und wird im Beitrag zur Waferposition behandelt.

Wo der Sensor sitzen darf: Greifer als Störkontur, Bauraum und Transferhöhe

Im Waferhandling scheitert selten die Messaufgabe, häufig der Bauraum. Aus einem dokumentierten Maschinenprojekt lassen sich drei Regeln ablesen:

  • Der erste Messkopf sitzt so roboternah wie möglich, mit dem Messbereich auf Transferhöhe, damit er bei der Durchfahrt den vorderen wie den hinteren Ringbereich und den gesamten Wafer erfasst.
  • Ein zweiter Kopf ist auf die Ablageposition des Rings ausgerichtet und prüft dort den Bewuchs auf dem Ring und die korrekte Ablage.
  • Kein einzelner Kopf deckt beide Höhen ab. Die Ablagehöhe liegt mindestens 10 mm tiefer als die Transferhöhe, und der Messbereich reicht dafür nicht.

Dazu kommt der Greifer. Er fährt durch jedes Sichtfeld und erscheint als Störkontur, die mitgemessen wird, wenn der Messbereich nicht darauf ausgelegt ist. In einem anderen Fall standen mindestens 300, eher 400 mm Arbeitsabstand zur Verfügung, nach oben rund 700 mm Bauraum. Liegt die Anforderung im Submikrometerbereich und muss der Kopf dicht am Roboter sitzen, kommen konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 in Frage, mit einer Genauigkeit je nach Messkopf. Solche Maße gehören in die Anfrage und nicht in die Inbetriebnahme.

Hotplate, Vakuum und Reinraum: Randbedingungen, die die Auswahl bestimmen

Drei Umgebungsgrößen sortieren die Auswahl vor, bevor über Auflösung gesprochen wird. Die erste ist Temperatur: Eine Ablage auf einer Hotplate bei bis zu 250 °C strahlt, und der Arbeitsabstand muss den Kopf aus dieser Zone heraushalten. Die zweite ist Vakuum. Ob eine vakuumtaugliche Bauform gebraucht wird, ist eine frühe Ja-Nein-Frage, die in einem dokumentierten Projekt verneint wurde und deshalb keine Rolle mehr spielte. Die dritte ist die Reinraumluft. In Linien mit Filterdecke sind Baubreiten der Filter-Fan-Unit um 600 und 800 mm dokumentiert, und jede Halterung im Luftstrom ist eine Störung, die in der Konstruktion und nicht am Aufstelltag geklärt wird. Auch die Materialzuführung folgt dieser Logik: Der Wafer kommt aus der Kassette in die Maschine und liegt dort auf einem Träger mit Klebefolie, die zugleich die Abfallreste festhält.

Aufladung im Waferumfeld messen und abbauen

Elektrostatik ist im Waferumfeld eine Hauptbedingung. Ein Substrat, das beim Greifen, Flippen und Ablegen mehrfach getrennt wird, lädt sich auf, und eine Entladung hinterlässt keine sichtbare Spur, sondern taucht später als Ausfall auf. Ionisatoren der Modellreihe SJ arbeiten deshalb direkt an der Handhabungsstelle, als Balken, Gebläse oder Düse, je nachdem wo die Ladung entsteht.

Gemessen wird mit dem Elektrostatik-Messgerät SK-050, statt mit Erfahrungswerten zu arbeiten. In einem dokumentierten Nachrüstprojekt wird ein Substrat über ein Flipmodul beidseitig erfasst, verteilt auf vier Module. Wichtig sind dort zwei Fragen, die auch andernorts wiederkehren: ob sich der ausgewertete Bereich pro Messung anpassen lässt, damit der Greifer nicht mitgemessen wird, und ob der Messabstand je Modul unterschiedlich sein darf, weil in einem Modul zwei Wafer nebeneinander liegen können.

Eine Lösung, viele Anlagen: Rollout über eine Maschinenbaureihe

Waferanlagen unterscheiden sich in einem Punkt von Einzelanlagen: Was an einer Maschine trägt, soll häufig auf der ganzen Baureihe laufen. Für die Auslegung folgen daraus drei Vorgaben. Die Lösung muss mit dem engsten Bauraum der Baureihe auskommen und nicht mit dem bequemsten. Die Schnittstelle muss die Bandbreite der Anlagen bedienen, in der Stichprobe EtherCAT und EtherNet/IP. Und die Inbetriebnahme muss ohne den Entwickler wiederholbar sein, was für eine dokumentierte Befehlsübersicht und gegen ein geschlossenes Paket spricht.

Häufige Fragen

F Wie lässt sich ein Wafercrash im Handling verhindern?

A

Indem die Anlage vor jeder Bewegung prüft, was sie sonst nur annimmt. Dokumentiert ist der Fall eines Wafers, der in der Handlingkammer zu flippern beginnt, am Roboterarm hängen bleibt und zurück in die Kammer fährt. Eine Überwachung an der Rückführung erkennt den Zustand, bevor der Arm weiterfährt, und stoppt die Bewegung. Der Schaden trifft sonst nicht nur den Wafer, sondern auch die Kammer.

F Woran erkennt man einen gebrochenen Wafer im Transfer?

A

Nicht am Riss, sondern an der Höhe. Solange der Wafer flach im Ring liegt, zeigt ein Profil auf Transferhöhe keinen Unterschied. Ein gebrochener Wafer liegt jedoch nicht mehr auf seinen drei Pins auf und fällt ab. In einem dokumentierten Projekt wird das mit einem CCD-Laser-Mikrometer der Modellreihe IG gemessen, das ein größeres Sichtfeld bietet als der konfokale Weg.

F Welche Genauigkeit ist beim Ablegen eines Wafers auf den Carrier gefordert?

A

In einer dokumentierten Anwendung plus/minus 50 µm Versatz zwischen Wafer und Carrier, eine Genauigkeit, die ohne Bildkorrektur nicht erreichbar ist. Entscheidend ist dabei, dass eine Korrektur nach dem Ablegen ausschied, weil bereits Kleber auf dem Wafer war. Wo die Fügetoleranz feiner ist als die Wiederholgenauigkeit der Kinematik, gehört ein Messschritt vor die Ablage.

F Warum reicht im Wafertransfer oft ein Sensorkopf nicht aus?

A

Weil Transferhöhe und Ablagehöhe auseinanderliegen. In einem dokumentierten Projekt liegt die Ablage mindestens 10 mm tiefer als die Durchfahrt, und ein Messbereich deckt beides nicht ab. Dazu kommt, dass der erste Kopf roboternah sitzen muss, um Ring und Wafer bei der Durchfahrt zu erfassen, während der zweite auf die Ablageposition des Rings ausgerichtet ist.

F Wie wird Aufladung im Waferhandling gemessen und abgebaut?

A

Abgebaut wird sie mit Ionisatoren der Modellreihe SJ direkt an der Handhabungsstelle, nicht irgendwo in der Halle. Gemessen wird mit dem Elektrostatik-Messgerät SK-050, damit die Wirkung belegt ist. In einem dokumentierten Fall wird ein Substrat über ein Flipmodul beidseitig gemessen, wobei der ausgewertete Bereich so gewählt wird, dass der Greifer nicht als Störkontur ins Ergebnis läuft.

F Was gehört in eine Anfrage für eine Waferhandling-Absicherung?

A

Sechs Angaben tragen ein erstes Konzept: Wafergröße und Träger, Transfer- und Ablagehöhe, verfügbarer Arbeitsabstand und Bauraum, Temperatur und Reinraumbedingungen an der Messstelle, die geforderte Genauigkeit und der Bus. In der Stichprobe entscheiden diese Randbedingungen den Lösungsweg häufiger als die eigentliche Messgröße.

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