Präzision und Prozessvielfalt fest im Griff

(WK-intern) – In keinem anderen Industriezweig sind die Prozesse dermaßen komplex wie in der Halbleiterfertigung.

Doch wie gelingt es dieser Branche, steigenden Anforderungen mit innovativen Lösungen zu begegnen?

Mit seinem Automatisierungsangebot zeigt Beckhoff, dass moderne Steuerungskonzepte, flexible Kommunikationsstandards und exakt abgestimmte Systeme die Halbleiterproduktion nicht nur effizienter, sondern auch zukunftssicher gestalten.

Rund 3.000 bis 8.000 Halbleiterbauelemente sind in heutigen Elektroautos für Motorsteuerung, Batteriemanagement und Assistenzsysteme verbaut – Tendenz deutlich steigend. Doch egal, ob Mobilität, Kommunikation, Gesundheit, Sicherheit, Unterhaltung, Energieversorgung oder Umweltschutz: Halbleiter bilden die Grundlage für Innovation und Fortschritt in nahezu allen Lebensbereichen. Infolgedessen kommt der Halbleiterindustrie in unserer Gesellschaft eine herausragende Bedeutung zu. Doch dabei muss sich die Branche den gleichen Herausforderungen stellen wie andere Industriezweige: steigende Anforderungen an Qualität, Effizienz und Produktivität bei gleichzeitig zunehmendem Kostendruck. Um dem zu begegnen, spielt in der Halbleiterfertigung – genauso wie in den übrigen Bereichen – die Automatisierung eine Schlüsselrolle.

In zweierlei Hinsicht unterscheidet sich die Fertigung in dieser Branche allerdings gravierend vom Rest der Industrie: Das eine ist die geforderte Präzision in der Fertigung. Moderne Prozessoren enthalten oft mehrere Milliarden Transistoren. Dafür müssen Strukturen mit Abständen im einstelligen Nanometer-Bereich auf den Wafern aufgebracht werden. Was direkt zum zweiten Punkt führt: einer beispiellosen Zahl verschiedener Produktionsschritte, die für solche Feinarbeit nötig ist. Dutzende Prozesse müssen nahtlos ineinandergreifen, ein Großteil davon in Reinraumumgebungen. „So unterschiedlich die Schritte von der Wafer-Herstellung über die Lithografie bis hin zu Test und Packaging auch sind: Alle erfordern eine exakte Steuerung und lückenlose Überwachung“, sagt Marcel Ellwart, Branchenmanagement Halbleiterindustrie bei Beckhoff. „Zudem müssen die Fertigungsanlagen flexibel auf wechselnde Produktvarianten reagieren können und dabei hohe Durchsatzraten bei maximaler Qualität sicherstellen. Das macht den Einsatz moderner Automatisierungstechnik unverzichtbar.“

EtherCAT – der Standard für die Halbleiterindustrie

Mit seinem breiten und flexibel nutzbaren Portfolio kann Beckhoff als Automatisierer die facettenreichen Prozesse und Anwendungen in der Halbleiterindustrie passgenau abdecken. Eine besondere Rolle kommt dabei der Kommunikation zu: „Mit EtherCAT hat Beckhoff einen Feldbusstandard entwickelt, der in der Halbleiterfertigung längst als führendes Kommunikationsprotokoll etabliert ist“, betont Marcel Ellwart. Die Mehrzahl der großen Equipment-Hersteller setzt heute auf EtherCAT. Für den Erfolg ausschlaggebend waren die konsequente Echtzeitfähigkeit sowie eine hohe Flexibilität und Skalierbarkeit. „Durch die offene Architektur und die breite Akzeptanz auf Herstellerseite ermöglicht EtherCAT eine unkomplizierte Integration von Komponenten und Systemen, von Sensorik über Aktorik bis hin zu komplexen Steuerungen“, so der Branchenmanager.

Mit PC-based Control gibt Beckhoff der Halbleiterindustrie das darauf abgestimmte Steuerungskonzept an die Hand. Es deckt alle Automatisierungsaufgaben ab: von der Wafer-Herstellung über die Bearbeitung bis zum Packaging der Chips. Dazu umfasst der Beckhoff Ansatz nicht nur die SPS, sondern auch HMI-Anbindung, Motion Control, Messtechnik oder Vision. Die Softwareplattform TwinCAT 3 verwandelt die Industrie-PCs in effiziente Echtzeitsteuerungssysteme für alle Engineering- und Laufzeitprozesse. Passend zu den vielen verschiedenen Bedürfnissen in der Halbleiterindustrie ist die Automatisierungssoftware modular aufgebaut und um zahlreiche Funktionen erweiterbar.

Besondere Branche – besonderer Mehrwert

Mit seinem Portfolio bietet Beckhoff in der Halbleiterbranche eine schlagkräftige Antwort auf die eingangs genannten Herausforderungen. Darunter finden sich einige Innovationen des Verler Unternehmens, die in der Branche besonders hohen Nutzen ausspielen:

• Die kompakten EtherCAT-Steckmodule der EJ-Serie ersetzen bei Anlagen für die Serienfertigung aufwändig entwickelte I/O-Boards.
• Sie werden direkt auf ein Signal Distribution Board gesteckt und verteilen Signale bzw. Spannung auf applikationsspezifisch konfektionierte Steckverbinder. Das spart Zeit, Kosten und Platz. Zudem wird das Risiko von Fehlverdrahtungen eliminiert. Die EJ-Module bieten wie klassische EtherCAT-Klemmen eine große Signalvielfalt sowie vollständig integrierte Safety und Motion.
• Um die Komplexität von Anlagen zu reduzieren, integriert Beckhoff die Antriebsregelung von Servo- und Schrittmotoren direkt in die I/Os. Im 48-V-DC-Segment ermöglichen EtherCAT-Steckmodule, -Servomotorklemmen oder -Box-Module in Kombination mit der Motorserie AM8100 äußerst kompakte Servoachsen mit hoher Dynamik und Präzision. Für den Betrieb von Verstellachsen oder für Antriebe mit Servoverstärkern direkt an der Maschine ist eine I/O-integrierte Regelung ebenfalls umsetzbar.
• Auch mit Blick auf die Messtechnik erfüllt das Beckhoff Portfolio die Ansprüche der Halbleiterindustrie: vom Sekundentakt bis zum kHz-Bereich, von der Messung von Spannung und Strom über Schwingungen bis zur Kraftmessung. Die Highend-Messtechnikmodule der ELM-Serie sind nahtlos in das EtherCAT-I/O-System integriert und erfassen auch prozesskritische Messkanäle zuverlässig. Zur Auswertung der generierten Daten stellt TwinCAT leistungsstarke Features bereit.
• Beckhoff Vision integriert Echtzeit-Bildverarbeitung für die Wafer-Fertigung in neue wie auch existierende Steuerungsumgebungen.
• Eine Teilung zwischen Vision und Automatisierungstechnik erübrigt sich. Zugleich bieten die Vision-Komponenten ein robustes Design sowie hohe Skalierbarkeit und Langzeitverfügbarkeit – von den Kameras über Optiken und Beleuchtung bis zur Software TwinCAT Vision.
• XPlanar revolutioniert das Handling in der Halbleiterindustrie. Denn das Planarmotorantriebssystem transportiert Werkstücke dynamisch, mit höchster Genauigkeit und hoher Bewegungsfreiheit – sowohl in einem System als auch von Maschine zu Maschine. Die Mover schweben berührungslos und unabhängig voneinander über individuell vorgegebene Routen. Produkte können einander überholen, ausgeschleust oder zwischengepuffert werden, ohne dass dies den Produktionsfluss beeinträchtigt.
• Moderne KI-Lösungen bieten für die Halbleiterfertigung enormes Potenzial. Beckhoff hat das maschinelle Lernen in die Steuerungssoftware TwinCAT 3 integriert und stellt damit einen Baukasten an Hard- und Software bereit, um KI-Modelle direkt in die SPS zu integrieren. Anwender erhalten von der Datenaufnahme über das Modell-Training bis zur Ausführung gelernter Modelle einen systemoffenen Workflow ohne Lock-in-Effekt. Anwendungen, für die Beckhoff heute schon KI anbietet, sind Anomalieerkennung für Predictive Maintenance, Bildklassifikation in der Qualitätssicherung oder Zeitreihenanalyse zur Verbesserung der Produktionsprozesse.

Halbleiter-Success-Stories von Beckhoff

Mit seinem umfangreichen Portfolio und dem tiefen Branchen-Know-how hat Beckhoff in den vergangenen Jahren eine beeindruckende Zahl an Anwendungen über die gesamte Wertschöpfungskette in der Halbleiterproduktion automatisiert. Wie vielseitig die Lösungen sind, verdeutlichen die folgenden Beispiele, über die das Beckhoff Kundenmagazin PC-Control bereits ausführlich berichtet hat.

Kristallherstellung: Die Firma Jingsheng Mechanical & Electrical (JSG) setzt bei der Automatisierung ihrer Einkristallöfen auf eine Beckhoff Lösung, bestehend aus Embedded-PCs, TwinCAT 3 und EtherCAT-I/O-Klemmen. Sie ersetzt frühere SPS- und Temperatursteuerungssysteme. Dabei bietet sie deutlich mehr Flexibilität, Skalierbarkeit und Integrationsmöglichkeiten. Kern der Prozessführung ist die präzise Temperaturregelung, die für die Einkristallzüchtung essentiell ist, da sie deren Qualität durch gleichmäßige Temperaturführung über lange Zeiträume sicherstellt.

Hochreine Gase: Applied Energy Systems (AES) hat einen neuen Regler für die Versorgung mit ultrahochreinen Gasen entwickelt, um Industrie-4.0-Anforderungen in der Halbleiterfertigung zu erfüllen. Neben einem kompakten Panel-PC CP6606 von Beckhoff setzt das Unternehmen auf die modularen Steck-I/O-Module der EJ-Serie. Das ultrakompakte System behält die bisherige Gehäusegröße bei, bietet jedoch erweiterte Funktionen, OPC-UA- und Cloud-Schnittstellen, flexible Anpassungsmöglichkeiten sowie eine um 50 % reduzierte Installationszeit.

Chip-Handling: Auch Mühlbauer setzt in seinen hochpräzisen Die-Sorting-Maschinen für die Halbleiter-Endfertigung auf EJ-Steckmodule. So wird die Verarbeitung von 30.000 Mikrochips pro Stunde bei verbesserter Wafer-Handhabung und reduziertem Verdrahtungsaufwand möglich. Vier speziell entwickelte Signal Distribution Boards mit insgesamt 26 EtherCAT-Steckmodulen integrieren digitale und analoge I/Os, Inkremental-Encoder, Schrittmotormodule sowie Versorgungslogik und Servoverstärker für Keramik- bzw. Piezomotoren.

Neue Materialien: Galliumoxid bietet großes Potenzial für die Herstellung neuer Halbleitermaterialien. Die Entwicklung auf den bisherigen Anlagen wurde jedoch durch die begrenzte Flexibilität, Zuverlässigkeit und hohe Kosten eingeschränkt. Das Unternehmen Agnitron hat auf der Grundlage PC-basierter Steuerung eine flexible Mehrzwecklösung geschaffen, die innerhalb weniger Tage umgestellt werden kann. EtherCAT sorgt für eine kompakte, platzsparende Vernetzung der zahlreichen Thermoelemente und I/Os bei gleichzeitig einfacher Integration bestehender Feldgeräte.

Advanced Packaging: Da die Miniaturisierung herkömmliche lithografiebasierte Verfahren zunehmend an Grenzen bringt, setzt das Startup Fonontech auf einen neuen Ansatz. Die Impulse Printing™ Technology nutzt Silizium-Druckplatten mit eingeätzten Mikrometer-Strukturen und integrierten Heizstrukturen. Ziel ist eine Auflösung von 5 µm bei minimalem Überlagerungsfehler. Die eingesetzte Steuerung erlaubt über PC-based Control, EtherCAT und der XFC-Technologie (eXtreme Fast Control) eine entsprechende Echtzeitsynchronisation und Positionierung.

KI und Edge: der Beginn einer neuen Ära

Nicht zuletzt diese Anwendungsbeispiele unterstreichen: Die Halbleiterfertigung befindet sich am Beginn einer neuen Ära. „Automatisierungslösungen von Beckhoff bieten beste Voraussetzungen, um sich den neuen Herausforderungen zu stellen und intelligente Fertigungsprozesse zu realisieren“, resümiert Marcel Ellwart. Die Kombination aus PC-basierter Steuerung, leistungsfähiger Datenverarbeitung und Echtzeit-EtherCAT-Kommunikation erlaubt die Integration von KI-Algorithmen zur Prozessoptimierung. Edge-Lösungen ermöglichen eine dezentrale Datenanalyse direkt an der Maschine, was die Reaktionszeiten verkürzt und die Anlagenverfügbarkeit erhöht. Solche Ansätze ebnen den Weg zur noch effizienteren, flexibleren und nachhaltigeren Halbleiterproduktion der Zukunft.

PM: Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

PB: Um den außergewöhnlichen Anforderungen und dem hohen Kostendruck in der Halbleiterindustrie zu begegnen, spielt die Automatisierung eine Schlüsselrolle. Bild: © IM Imagery/stock.adobe.com