Laserbasierte Messtechnik in der Halbleiterindustrie

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1 Automated Precision Europe GmbH Im Breitspiel Heidelberg Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) Laserbasierte Messtechnik in der Halbleiterindustrie

2 Messen von Bereitstellungssystemen mit Lasertrackern ASYS Automatic Systems GmbH & Co. KG in Schorndorf entwickelt Handlingsysteme für die Haldbleiterindustrie und die Mikrostrukturtechnik. Diese für Vakuum- und Reinstraumanwendungen konzipierten Roboter werden bei ASYS konstruiert, produziert und entweder als Stand alone- oder als komplettes Bereitstellungssystem einschließlich der dafür notwendigen Vakuumkammern angeboten. Diese sind charakteristisch für diesen industriellen Schlüsselbereich. Die allgegenwärtigen Halbleiter, ohne die heute kein elektronisches Produkt mehr funktioniert brauchen fast immer eine geschützte Produktionsumgebung - oder aber die Umwelt muss vor einem toxischen Produktionsprozess geschützt werden. Güte und Reinheit Die Anforderungen an diese Cluster genannten Produktionsumgebungen sind erheblich. Neben der Güte des Vakuums und der Reinheit zählen vor allen Dingen die Qualität der dynamischen Eigenschaften der Handlingsysteme wie Wiederholbarkeit sowie Positioniergenauigkeit zu den herausragenden Merkmalen was wiederum die Messtechnik vor besondere Herausforderungen stellt, da Handlingsysteme während ihrer Tätigkeit ständig in Bewegung sind. Da auch fortschrittlichste 3D-Koor- dinatenmessmaschinen keine dynamischen Messungen ausführen können, übernehmen bei ASYS Lasertracker die Einmessung der Handlingsysteme. Und nicht nur das. Horror vacui Produkte der Halbleiterindustrie und in der Mikrostrukturtechnik werden in komplexen Fertigungsprozessen in isolierter Umgebung wie beispielsweise im Vakuum, in Schutzgasatmosphäre oder bei spezifizierter Reinheit hergestellt. Ein Roboter für die Halbleiterindustrie, der diese Bearbeitungsschritte miteinander verketten soll muss genau dort funktionieren - und ist daher niemals lackiert, weil der Lack ausgasen würde,

3 was wiederum die äußerst empfindlichen Kundenprozesse stören würde. Das gleiche gilt für fast alle anderen chemischen Stoffe. Auch das Wärmemanagement spielt eine gewisse Rolle, denn eine Vakuumkammer verhält sich wie eine gut isolierte Thermoskanne, man wird die Wärme nicht so einfach los, was für mechanische und chemische Prozesse durchaus ein Problem sein kann. Vor größere Herausforderungen stellt der annähernd luftleere Raum allerdings die Antriebs- und schließlich auch die Messtechnik; die Antriebstechnik, weil die mechanischen Antriebe außerhalb des Vakuums angesiedelt sind, und alle Kräfte eingebracht werden müssen. Die Messtechnik, weil die Toleranzkette eines aus Einzelteilen zusammengebauten Roboters ein Teachen des Roboters im Vakuum erfordert, um einen Toleranzkreis von mindestens 0,1mm zu erreichen. Erschwerend kommt hier hinzu, dass auch Messsysteme mit eigener Motorik wie 3D-Koordinatenmessmaschinen oder Lasertracker nicht für den Einsatz im Vakuum geeignet sind, was hinsichtlich Messaufbauten bei ASYS eine besondere Herausforderung darstellt. Das in Schorndorf bei Stuttgart angesiedelte Unternehmen ging 1980 aus einem Ingenieurbüro hervor und ist nach wie vor Familienbetrieb; zu ihm gehören neben einem Montagewerk für Module in Polen noch ein weiterer Servicestützpunkt in Taiwan. Heute zählt ASYS zu den bekanntesten Anbietern von kompletten Baukastensystemen für die Mikrofertigung. Kein Einteachen vor Ort Ziel ist es, Handlingsysteme liefern zu können, deren Einrichtzeit beim Kunden sich auf die reine Montage beschränkt und kein Einteachen vor Ort beim Kunden erfordert. Vor diesem Hintergrund wurde bei ASYS entschieden, auf die Messfähigkeiten von Lasertrackern zu setzen, und die mit ihnen gewonnenen Ergebnisse der stationären und dynamischen Messungen auf den Betrieb im Hochvakuum und bei spezifizierter Reinheit umzusetzen. Damit werden zwei Berechnungsreihen erforderlich, zum einen eine Messreihe in Atmosphäre (ohne Vakuum); daraus ließen sich diejenigen Transformationsgleichungen bestimmen, die ein Umrechnen der Messergebnisse ins Vakuum ermöglichten. Ohne Tracker wäre man auf 3D-Messmaschinen angewiesen und hatte darüber hinaus aufwändige Triangulationen nutzen müssen. Für jeden zu messenden Punkt stände mit einer Messmaschine im wahrsten Sinne des Wortes erheblicher Hardwareaufwand im Wege des Roboters, dessen Bewegungsbereich es zu messen galt; und auch der Einsatz von elektrischen Sensoren gestaltete sich als sehr aufwendig, da deren Messbereiche maximal auf wenige Millimeter beschränkt sind. Vacuumroboter. An der Decke ein API Tracker3, der die Position des Endeffektors dynamisch misst. Die 6DOF-Information wird durch das Messen passiver auf den Effektoren angebrachter Spiegeltargets bestimmt.

4 Durchbruch mit Lasertrackern Den eigentlichen Durchbruch brachte der Einsatz von Lasertrackern, mit deren Hilfe es erstmalig möglich wurde, 200 räumliche Messpunkte innerhalb eines vertretbaren Zeitaufwandes zu qualifizieren. Diese 200 Eintragungen bilden den Kern der umfangreichen Qualitätsreports bei ASYS, die das räumliche 3D- Verhalten der Roboter statisch und dynamisch beschreiben. Hier geht es um Profile, die aufgenommen werden und die gemessenen Abweichungen von Bahnen in Folge von Reibungen und Elastizität beschreiben. Ein Lasertracker wiederum kann außerhalb der nichtlinearen Bewegungsbereiche des Roboters aufgebaut werden nämlich in 2 Meter Höhe oberhalb des sich bewegenden Endeffektors des Roboters, der für den Transport der Wafer zuständig ist und dessen Lage und Winkel gemessen werden müssen. Bei ASYS kommen Lasertracker der Firma API zum Einsatz, die besonders klein, leicht und portabel sind; in einem 90 Grad- Winkel gegenüber der Senkrechten waagrecht oberhalb des Handlingsystems an einer Vorrichtung an der Decke montiert, verfolgen sie die Bewegungen des Roboters und führen dabei dynamische Messungen durch. Diese Deckenmontage ist selbst für Lasertracker eher ungewöhnlich und verhilft hier ASYS zu Messmöglichkeiten hinsichtlich ihrer Positioniersysteme wie sie kein anderes 3D-Messsystem bieten kann. Typisch für die Anforderungen an derartige Handlingsysteme ist die Tatsache, dass es gerade bei den Bahnen, welche die Endeffektoren zurücklegen müssen, sehr eng zugeht; die Kanäle, durch die der Wafer geführt werden muss, sind links und rechts jeweils nur ca. Millimeter breiter als der Wafer selbst. Die Bahnlängen betragen bis zu einem Meter. Bild: Radian Lasertracker in Deckenmontage, eine für Lasertracker eher ungewöhnliche Anbringung. Nicht alle Tracker können in dieser Lage messen. Bild: Der Vario V Single 780 KH von ASYS ist der Standardroboter für gängige Hochvakuumanwendungen. Mit zunehmender Wafergröße wird auch die präzise horizontale Ausrichtung immer wichtiger. Da der Endeffektor nicht gekippt wird, kann man mit drei passiven auf den Effektoren angebrachten Spiegeltargets messen und die 6DOF-Informationen bestimmen, indem die gleiche Bahnkurve nacheinander dreimal durchfahren und jeweils ein Target gemessen wird. In der Zwischenzeit sind bei ASYS mittlerweile zwei Lasertracker mit diesen Aufgaben betreut. Dynamisches Messen Hier spielen Lasertracker ihre Alleinstellungsmerkmale aus; das Messen möglichst vieler Punkte ist wünschenswert für die genaue Ermittlung der Bahnkurven der Roboter. Lasertracker sind mobile Messmaschinen, die nicht zuletzt wegen ihrer Größe und ihres Gewichts (der neue Radian Lasertracker von API wiegt nur 9 Kilogramm) flexibel eingesetzt werden; im Gegensatz zu ihren stationären Pendants, den stationären Messmaschinen, kommen die Tracker zum Messobjekt und nicht umgekehrt. Bei ASYS werden daher die Lasertracker sowohl stationär als auch mobil eingesetzt; sie messen Dauerläuferversuche und dienen an anderen Orten stationär in der Produktionsqualifizierung und als Montagehilfe zum Einmessen von zu justierenden Teilen. Die dynamischen Messungen bei ASYS erfolgen mit 300 Hertz und Bahngeschwindigkeiten von bis zu 2 Meter/Sekunde. In der Praxis erreichen die Handlingsysteme von ASYS Bahngeschwindigkeiten bis zu 2 Meter/ Sekunde mit eines der wesentlichen Qualitätsmerkmale der Systeme, die Wafer für Lithografie auf 5 Mikrometer genau positionieren können. Doch nicht nur die Positioniergenauigkeit ist wichtig, ebenso zählt die Vermeidung von Gas- und Partikelverunreinigung durch Abrieb und Verschleiß ASYS liefert hier für den weltweit größten Belichtungsmaschinenhersteller in Holland den reinsten Roboter, der derzeit auf dem Markt erhältlich ist.

5 Zukünftige Entwicklungen Wohin der Trend geht ist klar zu erkennen; zukünftige Handlingsysteme müssen mehr Last und mehr Reichweite bewältigen. Die heutigen 300mm Wafer werden schon bald vom neuen 450mm Standard abgelöst werden, was bedeutet, dass der Durchmesser der Vakuumkammer und damit auch die Reichweite des Roboters erheblich vergrößert werden muss, um die Wafer zu bewegen. Zukünftige Roboter müssen noch schneller sein und dabei weniger Energie verbrauchen; in der Summe Anforderungen, die die dynamischen Eigenschaften dieser Systeme noch mehr in den Vordergrund stellen. Das berührungslose Messprinzip ohne mechanische Verbindung zum Messgerät und die Fähigkeit dynamisch zu messen verhilft den bei ASYS zum Einsatz kommenden Lasertrackern ihre Vorteile in der 3D-Messtechnik speziell für Robotikanwendungen unter Beweis zu stellen. Nicht zu vergessen ihre Portabilität, die den Aufwand für komplexe 3D-Messungen wesentlich reduzieren kann. Denn besonders in der Halbleiterindustrie, in einem Geschäft, das enormen Zyklusschwankungen unterworfen ist, zählt schnelle Lieferbereitschaft zu den nachgefragtesten Eigenschaften der Systemanbieter so sehr, dass der Preis oftmals nur noch eine untergeordnete Rolle spielt. Lasertracker helfen ASYS auf diesem Markt flexibel zu agieren. Radian & Active Target Der Radian von API zählt zur neuesten Generation von Lasertrackern. Ausgestattet mit einer Videokamera arbeitet er mit mehreren SMRs und kann Messungen per Video oder Foto dokumentieren. Der Trackerkopf wiegt lediglich 9 kg. Mit dem Active Target, einem motorisierten batteriebetriebenem SMR lassen sich bewegte Ziele dynamisch verfolgen und messen. Das Active Target richtet sich dabei nach dem Tracker aus, ungeachtet seiner Lage im Raum. Kontakt: Dr. Herbert Wituschek Geschäftsführer ASYS Automatic Systems GmbH & Co. KG Gottlob-Bauknecht-Strasse Schorndorf Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) Radian Lasertracker und Active Target Foto: ASYS