Automatizovaná výroba polovodičů s mobilní robotickou aplikací KUKA

Náročné výrobní prostředí

Poptávka po polovodičích stoupá a tomu odpovídá požadavek jejich producentů zvyšovat produktivitu a efektivitu výroby. Při výrobě se zpracovává dotovaný křemík ve formě tzv. waferů. 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.

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.

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. 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. 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. Senzory nepotřebují značky na podlaze, podle kterých by se mohl robot orientovat.

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.

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

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. Všechna řešení a jsou certifikována.